Электрооборудование и автоматизация сельскохозяйственных агрегатов — Индукционные и диэлектрические нагреватели
Индукционный и диэлектрический электронагрев основан на выделении тепловой энергии непосредственно в нагреваемом теле, помещенном в переменное электромагнитное поле.
Методом индукционного нагрева можно нагревать металлические тела. При этом полезно используется магнитная составляющая переменного электромагнитного поля. Методом диэлектрического нагрева греют полупроводниковые тела и диэлектрики, используя электрическую составляющую высокочастотного поля.
Индукционный нагрев основан на передаче электрической энергии металлическому телу, помещенному в поле высокой частоты, по закону электромагнитной индукции и превращения ее в тепловую в соответствии с законом Джоуля—Ленца при протекании в теле наведенных вихревых токов.
Индукционный нагрев можно получить в магнитных полях высокой напряженности и частоты, которые создаются специальными устройствами — индукторами (индукционными нагревателями), питаемыми от индивидуальных генераторов токов высокой частоты или непосредственно от сети. Индуктор представляет собой первичную обмотку воздушного трансформатора (без сердечника), вторичной обмоткой которого служит нагреваемое тело.
Излучаемая индуктором электромагнитная волна падает на металлическую деталь и, поглощаясь в нем, вызывает нагрев. Мощность потока энергии через единицу поверхности тела (Вт/м2) 
(17.28)
а плотность вихревых токов убывает по закону 
(17.29)
где Inn — си, [а тока (А) и число витков индуктора; р — удельное сопротивление (Ом-м) и относительная магнитная проницаемость детали; f — частота, Гц; F—функция, зависящая от геометрии и размеров детали и частоты тока; г — расстояние от поверхности в глубь проводника, м.
Значение (м) 
(17.30)
называется глубиной проникновения поля (или тока) в проводящую среду. Она представляет собой расстояние от поверхности в глубь тела, на котором амплитуда плотности тока убывает в е=2,72 раза, и где выделяется около 86% всей тепловой энергии.
Отсюда видно, что с увеличением частоты глубина проникновения тока в проводник уменьшается, что в конечном итоге приводит к интенсивному поверхностному нагреву.
В ферромагнитных материалах, имеющих высокую магнитную проницаемость, поверхностный эффект распределения тока в проводнике проявляется наиболее сильно. Например, при температуре 600°С глубина проникновения тока в углеродистую сталь на частоте 50 Гц составляет 24,9 см, а на частоте 10 кГц—1,95 см. Явление поверхностного эффекта полезно используется в технике индукционного нагрева.
Расчетная удельная мощность (Вт/см2), определяемая через электрические параметры и геометрические размеры цилиндрического индуктора, 
(17.31)
где а — воздушный зазор между индуктором и нагребаемой деталью, м; I — развернутая длина индуктирующего проводника, м; UK—напряжение на индукторе, В.
Эту зависимость можно использовать для расчета геометрических размеров индуктора при заданной удельной мощности индукционного нагрева.
Главными преимуществами индукционного нагрева являются: компактность и высокая готовность установки к работе, высокое качество нагрева и санитарные условия труда, высокие температуры и удельные мощности нагрева.
Рис. 17.4. Индукторы для нагрева цилиндрических (а) и плоских (б) деталей;
И — индуктор; Д — деталь.
Индукционный нагрев применяют для сквозного нагрева металлических заготовок под горячую обработку (штамповку, высадку), для поверхностной закалки, цементации, науглероживания, сварки и пайки деталей, плавки металлов, пастеризации молока, нагрева воды, воздуха и т. д.
Конструктивное оформление индукторов зависит от формы нагреваемых тел, целей и условий нагрева (рис. 17.4). Эффективность нагрева тем выше, чем ближе форма индуктора повторяет форму нагреваемой поверхности и чем меньше расстояние между ними.
Основными параметрами, характеризующими режимы индукционного нагрева, являются частота тока и к. п. д. Достаточно высокий к. п. д. может быть получен при определенном соотношении между размерами тела и частотой тока. В практике индукционного нагрева частоту выбирают по эмпирическим зависимостям.
Частота (Гц) при сквозном нагреве стальных цилиндрических, заготовок диаметром d (мм) 
(17.32)
а при нагреве деталей под поверхностную закалку на глубину х (мм) 
(17.33)
В последнем случае оптимальная удельная мощность (Вт/см2) от глубины закалки детали определяется как 
(17.34)
где коэффициент К= (400 . 1000) Вт-мм/см2— для режимов с регулируемой начальной мощностью.
К.п.д. индуктора увеличивается с уменьшением воздушного зазора и удельного сопротивления индуктора. Поэтому индукторы выполняют из массивных медных трубок, охлаждаемых проточной водой, или шин. К. п. д. индукторов находится в пределах 0,4. 0,8. Напряжение на индукторе при поверхностной закалке находится в пределах 50. 100 В, а при сквозном нагреве 100. 250 В. Теоретически коэффициент мощности индуктора не может превышать 0,707, а практически находится в пределах 0,1. 0,5. Для его повышения на вход индуктора подключают конденсаторные батареи. Мощность индуктора в течение нагрева ферромагнитных материалов не постоянна. Вначале из-за возрастания удельного сопротивления стали и температуры мощность увеличивается и достигает максимального значения (1,2. 1,5) Р, а затем вследствие потери сталью магнитных свойств падает до минимальной, что требует настройки параметров на оптимальный режим нагрева.
Установки индукционного нагрева включают в себя индуктор, высокочастотный генератор и аппаратуру управления.
Сравнительно простые по устройству индукционные нагреватели промышленной частоты, питаемые сетевым напряжением, выполняют в виде многослойных обмоток с проводами в термостойкой изоляции. Однако такое устройство индуктора понижает допустимую температуру нагрева и надежность, ухудшает к.п.д., cosф и увеличивает расход цветных металлов. В сельском хозяйстве эти нагреватели можно использовать для низкотемпературного поверхностного электронагрева пищевых продуктов, воды, воздуха, пола в животноводческих помещениях и т. д.
Диэлектрический нагрев основан на явлении поляризации диэлектриков и полупроводников, помещенных в электрическом поле рабочего конденсатора (диэлектрического нагревателя).
При воздействии на материал переменного электрического поля происходит непрерывное смещение зарядов и связанных с ними
молекул (поляризация). На перемещение заряженных частиц затрачивается энергия и в материале возникают токи смещения и проводимости, в результате которых происходит выделение теплоты.
Таким образом, в реальных диэлектриках и полупроводниках колебание молекул связано с потерей энергии электрического поля, вызывающей нагрев материала. Поэтому полный ток смещения j за счет электрических потерь в диэлектрике опережает напряженность поля Е в диэлектрике на угол
(рис. 17.5). Угол 6= (90—ф) называется углом диэлектрических потерь, при этом cosф=sin (90-^ф) =sin6. Так как угол б мал, то можно принять 
Активную мощность, поглощаемую единицей объема диэлектрика, можно определить из векторной диаграммы 
(17.35)
Учитывая, что плотность тока смещения 
и заменив ш=2nf (где f — частота, Гц), ea=e0e=8,85-10
12еФ/м (ео — диэлектрическая проницаемость вакуума) и, подставив эти значения в формулу (17.35), получим значение удельной мощности диэлектрического нагрева (Вт/м3)
Рис. 17.5. Векторная диаграмма реального диэлектрика. 
где Е—напряженность электрического поля, кВ/м.
Мощность диэлектрического нагрева повышается с ростом частоты и напряженности электрического поля.
Для диэлектрического нагрева разрешен ряд частот: средневолновый (440. 760 кГц), коротковолновый (5,28. 27,12 МГц) и сверхвысокий диапазон (433. 2375 МГц). Выделенные частоты ограничиваются, кроме того, пределами вариации (от 1 до 5% в соответствующих диапазонах), что связано с требованиями снижения уровня поля радиопомех.
При диэлектрическом нагреве и сушке различных материалов напряженность поля обычно не превышает 1,5. 2 кВ/см.
Произведение ctg6 называется фактором потерь материала. Эта величина зависит от температуры и влажности материала, а также от частоты поля.
Средние значения фактора потерь для некоторых сельскохозяйственных продуктов при температуре 20°С и частоте 2375 МГц следующие: для картофеля—15,3; моркови—18,8; свеклы—12,4; жира говяжьего — 0,5; мяса сырого — 18 и т. д.
Обычно с повышением температуры и влажности значение фактора потерь сельскохозяйственных материалов и продуктов повышается.
Особенностью и преимуществом диэлектрического нагрева является одновременный прогрев материала по всему объему. Поэтому он наиболее полезен для быстрого нагрева материалов с плохой теплопроводностью, которых в сельскохозяйственном производстве большинство. Диэлектрический нагрев применим для сушки семян, чая, кормов, пастеризации и стерилизации молока, соков, консервов и подогрева пресс-порошка перед прессованием пластмассовых изделий, дезинсекции зерна и т. д.
Допустимая скорость нагрева или сушки материала ограничивается технологическими требованиями к качеству тепловой обработки (отсутствие трещин, высокие посевные качества семян и т. д.).
При известных удельной мощности ДР (кВт/м3), напряжении на рабочем конденсаторе UK (кВ), площади пластины F (см2) и расстоянии между пластинами I (см) полезная мощность (кВт) диэлектрического нагрева 
Установки диэлектрического нагрева включают в себя рабочий конденсатор (камеру нагрева), высокочастотный генератор и аппаратуру управления.
Генераторы токов высокой частоты (ТВЧ). Для индукционного нагрева металлов применяют электромашинные, статические и ламповые генераторы ТВЧ.
Электромашинные генераторы (преобразователи) выпускают на частоты от 500 до 8000 Гц мощностью от 30 до 1500 кВт. Эти агрегаты двухмашинные (трехфазный асинхронный двигатель сочленен с однофазным генератором повышенной частоты). К. п. д. электромашинных генераторов составляет 70. 80%.
Для снижения напряжения высокой частоты электромашинных преобразователей применяют однофазные закалочные трансформаторы с коэффициентом трансформации от 2’до 5.
Статические генераторы ТВЧ преобразуют ток промышленной частоты и переменный ток заданной частоты при помощи трансформаторов и вентильных элементов: ионных (тиратронов, игнитронов и т. д.) или полупроводниковых (диодов и тиристоров).
Их выпускают с частотой 500. 1000 Гц и выходной мощностью до 630 кВт.
Преимуществом статических преобразователей над электромашинными является повышенная надежность из-за отсутствия вращающихся частей, высокий к.п.д. (90. 95%), легкое согласование с нагрузкой.
Ламповые генераторы применяют для индукционного и диэлектрического нагрева.
Для индукционного нагрева выпускают ламповые генераторы с частотой 200. 1000 кГц, а для диэлектрического от 500 кГц и выше.
Нагревательные ламповые генераторы ТВЧ выполняются, как правило, с самовозбуждением (автогенераторы). Схемы этих генераторов принципиально не отличаются от радиотехнических, но более просты по устройству.
Ламповые генераторы для индукционного нагрева выпускают мощностью от 1,0 до 250 кВт и имеют единую индексацию: ВЧИ (высокочастотные индукционные).
Для диэлектрического нагрева применяют только ламповые генераторы ТВЧ.
Ламповые генераторы для диэлектрического нагрева принципиально не отличаются от описанных ранее. Эти генераторы обычно выполняются по более сложным многоконтурным схемам, а, учитывая более высокую частоту и заметное влияние межэлектродных емкостей, обратные связи выполняют индуктивными. Рабочим конденсатором при этом служит конденсатор анодного контура.
Промышленные установки диэлектрического нагрева имеют индексацию ВЧД (высокочастотные диэлектрические) и выпускаются мощностью от 0,16 до 630 кВт.
Для сверхвысоких частот (СВЧ) используют специальные электронные приборы — магнетроны, в которых генерирование СВЧ (колебаний выше 50. 100 МГц) осуществляется модуляцией электронного потока не по амплитуде, как у генераторных ламп, а по скорости.
Рис. 17.6. Анодный блок магнетрона.
В магнетронах используется движение электронов во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях, создаваемых в кольцевом зазоре между катодом и анодом. Анодный блок магнетрона (рис. 17.6) помещается между полюсами электромагнита, который создает в кольцевом зазоре магнитное поле, направленное по оси магнетрона, а между анодом и катодом подается анодное напряжение, создающее радиальное электрическое поле.
В результате этого вырванные из катода электроны под действием магнитного поля отклоняются от радиальной траектории и, пролетая мимо щелей объемных резонаторов анода, возбуждают в них СВЧ-колебания.
Энергию из магнетрона выводят при помощи индуктивной петли (помещенной в один или чаще два соседних резонатора) и коаксильного кабеля.
Нагрев диэлектриков и полупроводников токами СВЧ осуществляется в волноводах круглого или прямоугольного сечения, объемных резонаторах, либо непосредственно излучением электромагнитной волны на объект нагрева.
Простота устройства магнетронов в сочетании с высокой интенсивностью объемного нагрева открывают большие перспективы применения токов СВЧ в сельском хозяйстве.
Диэлектрический нагрев
Диэлектрический нагрев — метод нагрева диэлектрических материалов переменным во времени электрическим полем. Если поле изменяется со сверхвысокой (СВЧ) частотой (в диапазоне 0,4 — 10 ГГц), то это СВЧ нагрев, если с частотой в диапазоне 10 — 100 кГц, то — ТВЧ нагрев (нагрев токами высокой частоты). ТВЧ нагрев диэлектриков проводят в конденсаторах, а СВЧ нагрев — в волноводах и объемных резонаторах. Т.к. глубина проникновения электромагнитного поля в диэлектрическую среду определяется частотой (чем выше частота, тем меньше глубина проникновения и наоборот), то на ТВЧ как правило глубина прогрева значительно больше, чем на СВЧ. Отличительной особенностью диэлектрического нагрева от нагрева кондуктивного (от греющей стенки) или конвективного (горячим потоком теплоносителя, воздухом например) является объемное тепловыделение в нагреваемой диэлектрической среде. Диэлектрический нагрев — объемный нагрев,однако не обязательно однородный. Если толщина прогреваемого слоя меньше глубины проникновения, то тепловыделение более однородно. При глубине проникновения меньшей, чем толщина прогреваемого слоя (что обычно характерно для СВЧ энергоподвода), то объемный нагрев не является однородным. Прогревается только слой, в который проникает электромагнитное поле. Более глубокие слои остаются непрогретыми.
Содержание
Описание метода
Диэлектрический нагрев проводится следующим образом. Заготовка из диэлектрического материала (древесина, пластик, керамика) помещается между обкладками конденсатора. На конденсатор от специального мощного генератора подается напряжение высокой частоты (от 5 МГц и выше). Переменное электрическое поле между обкладками конденсатора вызывает поляризацию диэлектрика и появление тока смещения, который разогревает заготовку.
Преимущества
- Чистый бесконтактный метод, позволяющий проводить разогрев в вакууме, защитном газе и т.п.
- Высокая скорость разогрева.
- Выделение тепла идет во всем объеме заготовки, что важно для диэлектриков, обладающих плохой теплопроводностью.
Недостатки
- Сложность оборудования обычно более высока по сравнению с оборудованием для других методов нагрева. Ремонт и настройка требует квалифицированного персонала.
- Необходима электроэнергия, отсутствующая в полевых условиях.
Применение
- Сушка керамики, древесины (в т.ч. для производства музыкальных инструментов).
- Сварка пластмасс.
- Сушка клеевых швов.
- Разогрев почвы перед землеройными работами.
- Разогрев и приготовление пищи.
Установки диэлектрического нагрева
По сравнению с индукционным нагревом, применяемом для разогрева электропроводящих материалов переменным током частотой не более 30 МГц, диэлектрический нагрев проводится на более высоких частотах. В качестве генераторов применяются либо электронные генераторы на лампах (до 300 МГц), либо магнетроны (выше 300 МГц).
На полупроводниках установки диэлектрического нагрева не строятся, так как мощные транзисторы, работающие на высоких частотах, пока не разработаны.
В качестве обкладок конденсатора иногда применяют толстую фольгу, которую расстилают над и под заготовками.
См. также
Литература
- Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников, 2 изд., М. — Л., 1959.
- Высокочастотная электротермия. Справочник, М. — Л., 1965.
- Брицын Н. Л. Нагрев в электрическом поле высокой частоты, 3 изд., М. — Л., 1965.
- Бурак Я. И., Огирко И. В. Оптимальный нагрев цилиндрической оболочки с зависящими от температуры характеристиками материала // Мат. методы и физ.-мех. поля. — 1977. — Вып. 5. — С.26-30
- Электротехника
- Электроника
- Теплотехника
Wikimedia Foundation . 2010 .
Полезное
Смотреть что такое «Диэлектрический нагрев» в других словарях:
диэлектрический нагрев — Электронагрев неэлектропроводящей загрузки токами смещения при поляризации. [ГОСТ 16382 87] Тематики электротермическое оборудование EN dielectric heating DE dielektrische Erwärmung FR chauffage (par histérésis) diélectrique … Справочник технического переводчика
диэлектрический нагрев — dielektrinis kaitinimas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. dielectric heating vok. Dielektrikerhitzung, f; dielektrische Erhitzung, f; dielektrische Heizung, f rus. диэлектрический нагрев, m pranc. chauffage diélectrique, m … Fizikos terminų žodynas
Диэлектрический нагрев — 15. Диэлектрический нагрев D. Dielektrische Erwarmung E. Dielectric heating F. Chauffage (par histeresis) dielectrique Электронагрев неэлектропроводящей загрузки токами смещения при поляризации Источник: ГОСТ 16382 87: Оборудование… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Диэлектрический нагрев — нагрев диэлектриков в переменном электрическом поле. При наложении переменного электрического поля в диэлектриках появляется ток смещения, вызванный их поляризацией, и ток проводимости, обусловленный наличием в диэлектрике свободных… … Большая советская энциклопедия
Нагрев — Нагрев искусственный либо естественный процесс повышения температуры материала/тела, либо за счёт внутренней энергии, либо за счёт подведения к нему энергии извне. Для подведения энергии извне используется специальное устройство … … Википедия
Индукционный нагрев — нагрев токопроводящих тел за счёт возбуждения в них электрических токов переменным электромагнитным полем. Мощность, выделяющаяся в проводнике при И. н., зависит от размеров и физических свойств проводника (удельного электрического… … Большая советская энциклопедия
Высокочастотный нагрев — нагрев токами высокой частоты (свыше 10 кгц); см. Диэлектрический нагрев, Индукционный нагрев … Большая советская энциклопедия
Индукционный нагрев — (Induction Heating) метод бесконтактного нагрева токами высокой частоты (англ. RFH radio frequency heating, нагрев волнами радиочастотного диапазона) электропроводящих материалов. Содержание 1 Описание метода 2 Применение … Википедия
ГОСТ 16382-87: Оборудование электротермическое. Термины и определения — Терминология ГОСТ 16382 87: Оборудование электротермическое. Термины и определения оригинал документа: 86. Аккумулированная энергия электропечи Тепловая энергия, аккумулированная незагруженной электропечью при разогреве ее от температуры… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации
Электротермия — (от Электро. и греч. thérme жар, тепло) прикладная наука о процессах преобразования электрической энергии в тепловую; отрасль электротехники, осуществляющая проектирование, изготовление и эксплуатацию электротермических установок;… … Большая советская энциклопедия
Диэлектрический нагрев
Под диэлектрическим нагревом понимается нагрев диэлектриков и полупроводников в переменном электрическом поле, под действием которого нагреваемый материал поляризуется. Поляризация — это процесс смещения связанных зарядов, приводящий к появлению электрического момента у любого макроскопического элемента объема.
Поляризацию разделяют на упругую и релаксационную: упругая (безынерционная) обусловливает энергию электрического поля, а релаксационная (инерционная)—теплоту, выделяющуюся в нагреваемом материале. При релаксационной поляризации внешним электрическим полем совершается работа по преодолению сил внутренних связей («трения») атомов, молекул, заряженных комплексов. Половина этой работы превращается в теплоту.
Мощность, выделяющуюся в диэлектрике, обычно относят к единице объема и вычисляют по формуле
где γ — комплексно-сопряженная проводимость материала, ЕM — напряженность электрического поля в материале.
Здесь εr — полная комплексная диэлектрическая проницаемость.
Действительная часть ε’, называемая диэлектрической проницаемостью, влияет на количество энергии, которая может быть запасена в материале. Мнимая часть ε», называемая фактором потерь, является мерой энергии (теплоты), рассеиваемой в материале.
Фактор потерь учитывает энергию, выделяющуюся в материале как за счет поляризации, так и за счет токов сквозной проводимости.
В практике расчетов используют величину, называемую тангенсом угла потерь:
Тангенс угла потерь определяет отношение энергии, расходуемой на нагрев, к запасенной энергии электромагнитных колебаний.
С учетом изложенного объемная удельная активная мощность, Вт/м3:
Таким образом, удельная объемная мощность пропорциональна квадрату напряженности электрического поля в нагреваемом материале, частоте и фактору потерь.
Напряженность электрического поля в нагреваемом материале зависит от приложенного напряжения, диэлектрической проницаемости ε’, расположения и формы электродов, образующих поле. Для некоторых наиболее часто встречающихся в практике случаев расположения электродов напряженность электрического поля рассчитывают по формулам, приведенным на рисунке 1.
Рис. 1. К расчету напряженности электрического поля: а — цилиндрический конденсатор, б — плоский однослойный конденсатор, в, г — плоский многослойный конденсатор с расположением слоев материала соответственно поперек и вдоль электрического поля.
Следует отметить, что предельное максимальное значение Ем ограничивается электрической прочностью нагреваемого материала. Напряженность не должна превышать половины пробивной напряженности. Ем для семян зерновых и овощных культур принимается в пределах (5. 10) 103 В/м, для дерева—(5. 40) 103 В/м, поливинил-хлорида — (1. 10) 105 В/м.
Фактор потерь ε» зависит от химического состава и структуры материала, его температуры и влагосодержания, от частоты и напряженности электрического поля в материале.
Особенности диэлектрического нагрева материалов
Диэлектрический нагрев применяют в различных отраслях промышленности и сельского хозяйства.
Основные особенности диэлектрического нагрева состоят в следующем.
1. Теплота выделяется в самом нагреваемом материале, что позволяет в десятки и сотни раз ускорить нагрев (по сравнению с конвективным). Это особенно заметно для материалов с малой теплопроводностью (дерева, зерна, пластмасс и др.).
2. Диэлектрический нагрев селективен: удельная объемная мощность, а следовательно, и температура каждого компонента неоднородного материала различна. Эту особенность в сельском хозяйстве используют, например, при дезинсекции зерна и замаривании шелкопряда,
3. При диэлектрической сушке теплота выделяется внутри материала, а следовательно, температура в центре выше, чем на периферии. Влага внутри материала перемещается от влажного слоя к сухому и от горячего к холодному. Так, при конвективной сушке температура внутри материала ниже, чем на периферии, и поток влаги, обусловленный температурным градиентом, препятствует перемещению влаги к поверхности. Это значительно снижает к. п. д. конвективной сушки. При диэлектрической же сушке потоки влаги, обусловленные разностью температур и влагосодержанием, совпадают. Это — главное достоинство сушки с диэлектрическим нагревом.
4. При нагреве и сушке в электрическом поле высокой частоты уменьшается фактор потерь, а следовательно, и мощность теплового потока. Чтобы поддержать мощность на необходимом уровне, следует изменять частоту или напряжение, подводимое к конденсатору.
Установки для диэлектрического нагрева
Промышленность выпускает как специализированные высокочастотные установки, предназначенные для термообработки одного или нескольких видов изделий, так и установки общего применения. Несмотря на эти различия, все высокочастотные установки имеют одинаковую структурную схему (рис. 2).
Материал нагревают в рабочем конденсаторе высокочастотного устройства 1. Напряжение высокой частоты подводится к рабочему конденсатору через блок промежуточных колебательных контуров 2, предназначенных для регулирования мощности и настройки генератора 3. Ламповый генератор преобразует постоянное напряжение, получаемое от полупроводникового выпрямителя 4, в переменное высокой частоты. При этом в ламповом генераторе расходуется не менее 20. 40 % всей энергии, получаемой от выпрямителя.
Основная часть энергии теряется на аноде лампы, который приходится охлаждать водой. Анод лампы находится под напряжением относительно земли 5. 15 кВ, поэтому система изолированного подвода охлаждающей воды очень сложная. Трансформатор 5 предназначен для повышения сетевого напряжения до 6. 10 кВ и исключения кондуктивной связи генератора с питающей сетью. Блок 6 используют для включения и отключения установки, последовательного выполнения технологических операций, защиты от аварийных режимов.
Установки диэлектрического нагрева отличаются одна от другой мощностью и частотой генератора, конструкцией вспомогательного оборудования, предназначенного для перемещения и удержания обрабатываемого материала, а также для механического воздействия на него.
Рис. 2. Структурная схема высокочастотной установки: 1 — высокочастотное устройство с загрузочным конденсатором, 2 — блок промежуточных колебательных контуров с регулятором мощности, подстроечными емкостями и индуктивностями, 3 — ламповый генератор с анодно-разделительными и сеточными цепями, 4 — полупроводниковый выпрямитель: 5 — повышающий трансформатор, в — блок защиты установки от ненормальных режимов работы.
Промышленность выпускает большое число высокочастотных установок различного назначения. Для термообработки продукции используют серийные высокочастотные генераторы, к которым изготавливают специализированные приспособления.
Выбор генератора для диэлектрического нагрева сводится к определению его мощности и частоты.
Колебательная мощность Рг высокочастотного генератора должна быть больше теплового потока Ф, необходимого для термической обработки материала, на значение потерь в рабочем конденсаторе и блоке промежуточных колебательных контуров:
где ηк — к. п. д. рабочего конденсатора, зависящий от площади теплоотдающей поверхности, коэффициента теплоотдачи и разности температур между материалом и средой ηк =0,8. 0,9, ηэ — электрический к. п. д. колебательного контура ηэ = 0,65. 0,7, ηл — к. п. д., учитывающий потери в высокочастотных соединительных проводах ηл = 0,9. 0,95.
Мощность, потребляемая генератором из сети:
Здесь ηг — к. п. д. генератора ηг = 0,65. 0,85.
Общий к. п. д. высокочастотной установки определяется произведением к. п. д. всех ее блоков и равен 0,3. . 0,5.
Столь малый к. п. д. — существенный фактор, сдерживающий широкое применение диэлектрического нагрева в сельскохозяйственном производстве.
Улучшить энергетические показатели высокочастотных установок можно, используя теплоту, рассеиваемую генератором.
Частоту тока при нагреве диэлектриков и полупроводников выбирают, исходя из требуемого теплового потока Ф. При термообработке сельскохозяйственных продуктов удельный объемный поток ограничивается допустимой скоростью нагрева и сушки. Из баланса мощностей в рабочем конденсаторе имеем
где V — объем нагреваемого материала, м3.
Минимальная частота, при которой технологический процесс протекает с заданной скоростью:
где Emах — максимально допустимая напряженность электрического поля в материале, В/м.
При увеличении частоты уменьшается Ем, а следовательно, и увеличивается надежность технологического процесса. Вместе с тем существуют некоторые ограничения на увеличение частоты. Повышать частоту нецелесообразно, если при этом фактор потерь резко уменьшается. Кроме того, с повышением частоты усложняется согласование параметров нагрузки и генератора. Максимальная частота, Гц, при которой это согласование обеспечивается:
где L и С—минимально возможные эквивалентные значения индуктивности и емкости нагрузочного контура с рабочим конденсатором.
При больших линейных размерах рабочего конденсатора повышение частоты может привести к неравномерному распределению напряжения вдоль электрода, а следовательно, и неравномерному нагреву. Максимально допустимая частота, Гц, по этому условию
где l— наибольший размер обкладки рабочего конденсатора, м.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
УСТАНОВКИ ИНДУКЦИОННЫЕ И ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА
7.5.40. Оборудование установок индукционных и диэлектрического нагрева с трансформаторами, двигатель-генераторными, тиристорными и ионными преобразователями или ламповыми генераторами и конденсаторами может устанавливаться в отдельных помещениях и непосредственно в цехе в технологическом потоке производства категорий Г и Д по строительным нормам и правилам; указанные отдельные помещения должны быть не ниже II степени огнестойкости.
7.5.41. Для улучшения использования трансформаторов и преобразователей в контурах индукторов должны устанавливаться конденсаторные батареи. Для облегчения настройки в резонанс конденсаторные батареи в установках со стабилизируемой частотой следует разделять на две части — постоянно включенную и регулируемую.
7.5.42. Взаимное расположение элементов установок должно обеспечивать наименьшую длину токопроводов резонансных контуров в целях уменьшения активного и индуктивного сопротивлений.
7.5.43. Применение кабелей со стальной броней и прокладка проводов в стальных трубах для цепей с повышенной — средней частотой до 10 кГц допускаются только при обязательном использовании жил одного кабеля или проводов в одной трубе для прямого и обратного направлений тока. Применение кабелей со стальной броней (за исключением специальных кабелей) и прокладка проводов в стальных трубах для цепей с частотой более 10 кГц не допускаются.
Кабели со стальной броней и провода в стальных трубах, применяемые в электрических цепях промышленной, повышенной — средней или пониженной частоты, должны прокладываться так, чтобы броня и трубы не нагревались от внешнего электромагнитного поля.
7.5.44. Для защиты установок от повреждений при «проедании» тигля индукционных печей и при нарушении изоляции сетей повышенной — средней и высокой частот относительно корпуса (земли) рекомендуется устройство электрической защиты с действием на сигнал или отключение.
7.5.45. Двигатель-генераторы установок частоты 8 кГц и более должны снабжаться ограничителями холостого хода, отключающими возбуждение генератора во время длительных пауз между рабочими циклами, когда останов двигатель-генераторов нецелесообразен.
Для улучшения загрузки по времени генераторов повышенной — средней и высокой частот рекомендуется применять режим «ожидания» там, где это допускается по условиям технологии.
7.5.46. Установки индукционные и диэлектрического нагрева высокой частоты должны иметь экранирующие устройства для снижения уровня напряженности электромагнитного поля на рабочих местах до значений, определяемых действующими санитарными правилами.
7.5.47. В сушильных камерах диэлектрического нагрева (высокочастотных сушильных установок) с применением вертикальных сетчатых электродов сетки с обеих сторон проходов должны быть заземлены.
7.5.48. Двери блоков установок индукционных и диэлектрического нагрева высокой частоты должны быть снабжены блокировкой, при которой открывание двери возможно лишь при отключении напряжения всех силовых цепей.
7.5.49. Ширина рабочих мест у щитов управления должна быть не менее 1,2 м, а у нагревательных устройств плавильных печей, нагревательных индукторов (при индукционном нагреве) и рабочих конденсаторов (при диэлектрическом нагреве) — не менее 0,8 м.
7.5.50. Двигатель-генераторные преобразователи частоты, производящие шум выше 80 дБ, должны быть установлены в электромашинных помещениях, которые обеспечивают снижение шума до уровней, допускаемых действующими санитарными нормами.
Для уменьшения вибрации двигатель-генераторов следует применять виброгасящие устройства, обеспечивающие выполнение требования санитарных норм к уровню вибрации.