التسخين العازل

ما هو التسخين العازل

يشير التسخين العازل إلى تسخين العوازل وأشباه الموصلات في مجال كهربائي متناوب تحت تأثير مادة ساخنة مستقطبة. الاستقطاب هو عملية إزاحة الشحنات المرتبطة ، مما يؤدي إلى ظهور لحظة كهربائية في كل عنصر حجم مجهري.

ينقسم الاستقطاب إلى مرونة واسترخاء: المرونة (بدون القصور الذاتي) تحدد طاقة المجال الكهربائي ، والاسترخاء (بالقصور الذاتي) يحدد الحرارة المنبعثة في المادة المسخنة. في استقطاب الاسترخاء بواسطة مجال كهربائي خارجي ، يتم العمل للتغلب على قوى الروابط الداخلية ("الاحتكاك") للذرات والجزيئات والمجمعات المشحونة. يتم تحويل نصف هذا العمل إلى حرارة.

يُشار عادةً إلى الطاقة المنبعثة في العازل إلى وحدة حجم وتُحسب بالصيغة

حيث γ هي التوصيل المترافق المعقد للمادة ، EM هي شدة المجال الكهربائي في المادة.

التوصيل المعقد

هنا ، εr هو إجمالي ثابت العزل المعقد.

يؤثر الجزء الحقيقي من ε '، المسمى ثابت العزل الكهربائي ، على كمية الطاقة التي يمكن تخزينها في مادة ما. الجزء التخيلي من ε «، الذي يسمى عامل الفقد ، هو مقياس للطاقة (الحرارة) المشتتة في المادة.

يأخذ عامل الفقد في الاعتبار الطاقة المشتتة في المادة بسبب كل من تيارات الاستقطاب والتسرب.

في الممارسة العملية ، تستخدم الحسابات قيمة تسمى زاوية الخسارة الظل:

يحدد ظل زاوية الخسارة نسبة الطاقة المستهلكة في التسخين إلى الطاقة المخزنة للتذبذبات الكهرومغناطيسية.

بالنظر إلى ما سبق ، القوة النشطة النوعية الحجمية ، W / m3:

أو

وبالتالي ، فإن قدرة الحجم المحددة تتناسب مع مربع شدة المجال الكهربائي في المادة المسخنة والتردد وعامل الخسارة.

تعتمد قوة المجال الكهربائي في المادة المسخنة على الجهد المطبق ، وثابت العزل '، وموقع وشكل الأقطاب الكهربائية التي تشكل المجال. بالنسبة لبعض الحالات الأكثر شيوعًا في الممارسة العملية ، وهي موقع الأقطاب الكهربائية ، يتم حساب قوة المجال الكهربائي بواسطة الصيغ الموضحة في الشكل 1.

أرز. 1. لحساب قوة المجال الكهربائي: أ - مكثف أسطواني ، ب - مكثف مسطح أحادي الطبقة ، ج ، د - مكثف مسطح متعدد الطبقات مع ترتيب طبقات من المواد ، على التوالي ، في عرضي وعلى طول المجال الكهربائي .

وتجدر الإشارة إلى أن الحد الأقصى لقيمة Em محدودة بالقوة الكهربائية للمادة المسخنة. يجب ألا يتجاوز الجهد نصف جهد الانهيار.تؤخذ سعة بذور الحبوب ومحاصيل الخضر في النطاق (5 ... 10) 103 فولت / م ، للخشب - (5 ... 40) 103 فولت / م ، بولي فينيل كلوريد - (1 ... 10) 105 فولت / م.

يعتمد معامل الفقد ε «على التركيب الكيميائي وبنية المادة ، ودرجة الحرارة ومحتوى الرطوبة ، وعلى تواتر وقوة المجال الكهربائي في المادة.

خصائص التسخين العازل للمواد

يستخدم التسخين العازل في مختلف الصناعات والزراعة.

الخصائص الرئيسية للتسخين العازل هي كما يلي.

1. يتم إطلاق الحرارة في المادة المسخنة نفسها ، مما يجعل من الممكن تسريع التسخين بعشرات ومئات المرات (مقارنة بالتسخين بالحمل الحراري) وهذا ملحوظ بشكل خاص للمواد ذات التوصيل الحراري المنخفض (الخشب ، الحبوب ، البلاستيك ، إلخ. ).

2. التسخين العازل انتقائي: تختلف الطاقة الحجمية المحددة ، وبالتالي درجة حرارة كل مكون من مادة غير متجانسة. تستخدم هذه الوظيفة في الزراعة ، على سبيل المثال في تطهير الحبوب وتخليل ديدان القز ،

3. أثناء التجفيف بالعزل الكهربائي ، يتم إطلاق الحرارة داخل المادة وبالتالي تكون درجة الحرارة في المركز أعلى منها في المحيط. تنتقل الرطوبة داخل المادة من رطبة إلى جافة ومن ساخنة إلى باردة. لذلك ، أثناء التجفيف بالحمل الحراري ، تكون درجة الحرارة داخل المادة أقل من درجة حرارة المحيط ، كما أن تدفق الرطوبة بسبب التدرج الحراري يمنع الرطوبة من الانتقال إلى السطح. هذا يقلل بشكل كبير من فعالية التجفيف بالحمل. في التجفيف بالعزل الكهربائي ، تتدفق الرطوبة بسبب اختلاف درجة الحرارة ويتزامن محتوى الرطوبة.هذه هي الميزة الرئيسية للتجفيف بالعازل الكهربائي.

4. عند التسخين والتجفيف في مجال كهربائي بتردد عالٍ ، ينخفض ​​معامل الفقد ، وبالتالي تقل قوة تدفق الحرارة. للحفاظ على الطاقة عند المستوى المطلوب ، تحتاج إلى تغيير التردد أو الجهد المقدم للمكثف.

تركيبات التدفئة العازلة

تنتج الصناعة كلاً من التركيبات المتخصصة عالية التردد المخصصة للمعالجة الحرارية لنوع واحد أو عدة أنواع من المنتجات ، فضلاً عن التركيبات للاستخدام العام. على الرغم من هذه الاختلافات ، فإن جميع التركيبات عالية التردد لها نفس الرسم التخطيطي الهيكلي (الشكل 2).

يتم تسخين المادة في مكثف العمل لجهاز التردد العالي 1. يتم توفير الجهد العالي التردد لمكثف العمل من خلال مجموعة دوائر التذبذب الوسيطة 2 ، المصممة لتنظيم الطاقة وتنظيم المولد 3. يقوم مولد المصباح بتحويل الجهد المباشر المستلم من مقوم أشباه الموصلات 4 ، بجهد متناوب عالي التردد. في نفس الوقت ، يتم إنفاق ما لا يقل عن 20 ... 40٪ من كل الطاقة المستلمة من المعدل في مولد المصباح.

يتم فقدان معظم الطاقة عند القطب الموجب للمصباح ، والذي يجب تبريده بالماء. يتم توفير أنود المصباح فيما يتعلق بالأرض 5… 15 كيلو فولت ، وبالتالي فإن نظام الإمداد المعزول لمياه التبريد معقد للغاية. تم تصميم المحول 5 لزيادة جهد الشبكة إلى 6 ... 10 كيلو فولت وفصل الاتصال الموصل بين المولد والشبكة الكهربائية. يتم استخدام Block 6 لتشغيل وإيقاف التثبيت ، وأداء العمليات التكنولوجية بالتسلسل والحماية من أوضاع الطوارئ.

تختلف تركيبات التسخين العازلة عن بعضها البعض في قوة وتردد المولد ، في بناء المعدات المساعدة المصممة لنقل المواد المعالجة وحملها ، وكذلك للتأثير الميكانيكي عليها.

أرز. 2. مخطط كتلة للتركيب عالي التردد: 1 - جهاز عالي التردد مزود بمكثف تحميل ، 2 - كتلة دوائر متذبذبة وسيطة مع منظم طاقة ، سعات تشذيب ومحثات ، 3 - مولد مصباح مع فصل الأنودات والشبكة الدوائر ، 4 - مقوم أشباه الموصلات: 5 - محول تصعيد ، ج - منع حماية التثبيت من أوضاع التشغيل غير الطبيعية.

تنتج الصناعة عددًا كبيرًا من المنشآت عالية التردد لأغراض مختلفة. للمعالجة الحرارية للمنتجات ، يتم استخدام المولدات التسلسلية عالية التردد ، والتي يتم تصنيع الأجهزة المتخصصة من أجلها.

إن اختيار مولد للتدفئة باستخدام عازل يعتمد على تحديد قوتها وترددها.

يجب أن تكون القدرة المتذبذبة Pg للمولد عالي التردد أكبر من التدفق الحراري اللازم للمعالجة الحرارية للمادة من خلال قيمة الخسائر في مكثف العمل وكتلة الدوائر المتذبذبة الوسيطة:

حيث ηk هي كفاءة مكثف العمل ، اعتمادًا على مساحة سطح نقل الحرارة ، ومعامل نقل الحرارة وفرق درجة الحرارة بين المادة والمتوسط ​​ηk = 0.8 ... 0.9 ، ηe هي الكفاءة الكهربائية لـ الدائرة المتذبذبة ηe = 0.65 ... 0 ، 7 ، l - الكفاءة ، مع مراعاة الخسائر في أسلاك التوصيل عالية التردد ηl = 0.9 ... 0.95.

الطاقة التي يستهلكها المولد من الشبكة:

هنا g كفاءة المولد ηg = 0.65… 0.85.

يتم تحديد الكفاءة الكلية للتركيب عالي التردد من خلال منتج كفاءة جميع وحداته ويساوي 0.3 ... ... 0.5.

تعتبر هذه الكفاءة المنخفضة عاملاً مهمًا يمنع الاستخدام الواسع النطاق للتدفئة العازلة في الإنتاج الزراعي.

يمكن تحسين أداء الطاقة للمنشآت عالية التردد باستخدام الحرارة المشتتة بواسطة المولد.

تردد التيار عند اختيار عوازل التسخين وأشباه الموصلات بناءً على تدفق الحرارة المطلوب F. في المعالجة الحرارية للمنتجات الزراعية ، يكون تدفق الحجم المحدد مقيدًا بمعدل التسخين والتجفيف المسموح به. من توازن القوى في مكثف العمل لدينا

حيث V هو حجم المادة المسخنة ، م 3.

الحد الأدنى من التردد الذي تتم فيه العملية التكنولوجية بسرعة معينة:

حيث Emax هي أقصى شدة المجال الكهربائي المسموح بها في المادة ، V / m.

مع زيادة التردد ، ينخفض ​​Em وبالتالي تزداد موثوقية العملية التكنولوجية. ومع ذلك ، هناك بعض القيود على زيادة التردد. من غير العملي زيادة التردد إذا انخفضت نسبة الخسارة بشكل حاد. أيضًا ، مع زيادة التردد ، يصبح من الصعب بشكل متزايد مطابقة معلمات الحمل والمولد. الحد الأقصى للتردد ، هرتز ، الذي يتم فيه توفير هذه الاتفاقية:

حيث L و C هما الحد الأدنى من القيم المكافئة الممكنة للمحاثة والسعة لدائرة الحمل باستخدام مكثف عامل.

مع الأبعاد الخطية الكبيرة لمكثف العمل ، يمكن أن تؤدي الزيادة في التردد إلى توزيع غير متساوٍ للجهد على القطب ، وبالتالي إلى تسخين غير متساوٍ. الحد الأقصى للتردد المسموح به ، هرتز لهذه الحالة

حيث l هو أكبر حجم لوحة لمكثف العمل ، م.