誘電加熱

誘電加熱とは何ですか

誘電加熱とは、交流電場における誘電体と半導体の加熱を指し、その影響下で加熱された材料が分極されます。分極は、関連する電荷の変位のプロセスであり、巨視的な体積要素のそれぞれに電気モーメントが現れます。

分極は弾性と緩和に分けられます。弾性 (慣性なし) は電場のエネルギーを決定し、緩和 (慣性) は加熱された材料内で放出される熱を決定します。外部電場による緩和分極では、原子、分子、荷電複合体の内部結合の力 (「摩擦」) に打ち勝つ働きが行われます。この仕事の半分は熱に変換されます。

誘電体で放出される電力は通常、体積単位で表され、次の式で計算されます。

ここで、γ は材料の複素共役コンダクタンス、EM は材料内の電界強度です。

複素伝導

ここで、εr は全複素誘電率です。

誘電率と呼ばれる ε' の実部は、材料に保存できるエネルギーの量に影響します。 ε « の虚数部は損失係数と呼ばれ、材料内で放散されるエネルギー (熱) の尺度です。

損失係数には、分極電流と漏れ電流の両方によって材料内で消費されるエネルギーが考慮されます。

実際の計算では、損失角正接と呼ばれる値が使用されます。

損失角の正接は、電磁振動の蓄積エネルギーに対する加熱に費やされるエネルギーの比率を決定します。

上記を考慮すると、体積比有効電力、W / m3:

また

したがって、体積比電力は、加熱された材料内の電界強度の二乗、周波数、および損失係数に比例します。

加熱された材料内の電場の強さは、印加電圧、誘電率 ε '、場を形成する電極の位置と形状によって異なります。実際の最も一般的なケースでは、電極の位置、電界の強度は図 1 に示す式で計算されます。

米。 1. 電界の強さの計算: a — 円筒形コンデンサ、b — 平坦な単層コンデンサ、c、d — 材料の層がそれぞれ横方向および電場に沿って配置された平坦な多層コンデンサ。

Em の限界最大値は、加熱される材料の耐電圧によって制限されることに注意してください。電圧はブレークダウン電圧の半分を超えてはなりません。穀物および野菜作物の種子の容量は (5 ～ 10) 103 V / m、木材の場合 - (5 ～ 40) 103 V / m、ポリ塩化ビニルの場合 - (1 ～ 10) 105 V / m の範囲になります。

損失係数 ε « は、材料の化学組成と構造、温度と水分含有量、材料内の電場の周波数と強度に依存します。

材料の誘電加熱特性

誘電加熱はさまざまな産業や農業で使用されています。

誘電加熱の主な特徴は次のとおりです。

1. 加熱された材料自体から熱が放出されるため、対流加熱に比べて数十倍、数百倍の加速加熱が可能となり、特に熱伝導率の低い材料（木材、木目調、プラスチック等）において顕著です。 ）。

2. 誘電加熱は選択的です。比容積電力と、それに応じて不均質材料の各成分の温度は異なります。この機能は農業分野で穀物の消毒や蚕の漬け物などに利用されています。

3. 誘電乾燥中、材料の内部で熱が放出されるため、中心部の温度は周辺部よりも高くなります。材料内の水分は、湿った状態から乾燥した状態へ、また高温から低温へと移動します。したがって、対流乾燥中、材料内部の温度は周囲よりも低くなり、温度勾配による水分の流れにより、水分が表面に移動するのが妨げられます。これにより、対流乾燥の効率が大幅に低下します。誘電乾燥では、温度差による水分の流出と含水率が一致します。これが誘電乾燥の主な利点です。

4. 高周波の電界中で加熱乾燥すると、損失係数が減少し、それに伴って熱流の力も小さくなります。電力を必要なレベルに維持するには、コンデンサに供給される周波数または電圧を変更する必要があります。

誘電加熱設備

業界では、1 つまたは複数の種類の製品の熱処理を目的とした特殊な高周波設備と、一般用途向けの設備の両方を製造しています。これらの違いにもかかわらず、すべての高周波設備は同じ構造図を持っています (図 2)。

材料は、高周波デバイス 1 の動作コンデンサ内で加熱されます。高周波電圧は、電力調整および発電機調整用に設計された中間発振回路 2 のブロックを介して動作コンデンサに供給されます 3。ランプ発生器は、電圧を変換します。半導体整流器４から受け取った直流電圧は、高周波交流電圧である。同時に、整流器から受け取った全エネルギーの少なくとも 20 ～ 40% がランプ発生器で消費されます。

エネルギーのほとんどはランプの陽極で失われるため、陽極は水で冷却する必要があります。ランプの陽極はアースに対して 5 ～ 15 kV で供給されるため、冷却水の隔離された供給システムは非常に複雑です。変圧器 5 は、ネットワーク電圧を 6 ... 10 kV に高め、発電機と電気ネットワーク間の導電接続を切断するように設計されています。ブロック 6 は、設備のオンとオフを切り替え、技術的な操作を順次実行し、緊急モードから保護するために使用されます。

誘電加熱設備は、発電機の電力と周波数、処理された材料を移動および保持するための補助装置の構造、および材料への機械的衝撃が互いに異なります。

米。 2. 高周波設備のブロック図: 1 — 負荷コンデンサを備えた高周波デバイス、2 — 電力レギュレーター、トリミング容量とインダクタンスを備えた中間発振回路のブロック、3 — 陽極とネットワークが分離されたランプ発生器回路、4 — 半導体整流器 : 5 — 昇圧変圧器、c — 異常な動作モードから設備を保護するブロック。

業界では、さまざまな目的のために多数の高周波設備が製造されています。製品の熱処理には専用の装置を製作したシリアル高周波発生器が使用されます。

誘電体による加熱用の発電機の選択は、結局のところ、その電力と周波数を決定することになります。

高周波発生器の発振電力 Pg は、動作コンデンサと中間発振回路のブロックの損失の値だけ、材料の熱処理に必要な熱流量 Ф よりも大きくなければなりません。

ここで、ηkは動作コンデンサの効率であり、熱伝達面の面積、熱伝達係数、および材料と媒体間の温度差に依存します。ηk = 0.8 ... 0.9、ηeは電気効率です。発振回路 ηe = 0.65 ... 0 , 7, ηl — 高周波接続ワイヤの損失を考慮した効率 ηl = 0.9 ... 0.95。

発電機がグリッドから消費する電力:

ここで、ηg は発電機効率 ηg = 0.65 … 0.85 です。

高周波設備の総合効率は、そのすべてのユニットの効率の積によって決まり、0.3 ... ... 0.5 に等しくなります。

このような効率の低さは、農業生産における誘電加熱の普及を妨げる重要な要因となっています。

高周波設備のエネルギー性能は、発電機によって放散される熱を利用することで改善できます。

誘電体や半導体を加熱する際の電流の周波数は、必要な熱流量Fに基づいて選択されます。農産物の熱処理では、比体積流量は許容される加熱乾燥速度によって制限されます。仕事用コンデンサの力の釣り合いから、

ここで、V は加熱された材料の体積 m3 です。

技術プロセスが特定の速度で行われる最小頻度:

ここで、Emax は材料内の最大許容電界強度 V / m です。

周波数が増加すると Em は減少するため、技術プロセスの信頼性が高まります。ただし、周波数を上げるにはいくつかの制限があります。損失率が急激に低下する場合、周波数を上げることは現実的ではありません。また、周波数が高くなると、負荷と発電機のパラメータを一致させることがますます困難になります。この契約が提供される最大周波数 (Hz):

ここで、L と C は、動作中のコンデンサを備えた負荷回路のインダクタンスとキャパシタンスの最小可能な等価値です。

動作コンデンサの直線寸法が大きいと、周波数が増加すると電極上の電圧の分布が不均一になり、その結果、加熱が不均一になる可能性があります。この条件の最大許容周波数 Hz

ここで、l は動作コンデンサ m の最大プレート サイズです。