XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Диэлектрический нагрев осуществляется в высококачественном электрическом поле. Принципиальная электрическая схема простейшей установки приведена на рисунке 1. Диэлектрик Д помещается между обкладками рабочего конденсатора С_К, образующего с индуктивностью L_K и регулируемой емкостью С_КР колебательный контур лампового генератора токов высокой частоты. Рабочий конденсатор, в котором происходит нагрев материала, является диэлектрическим нагревателем [1].

Рисунок 1 - Принципиальная электрическая схема лампового автогенератора для диэлектрического нагрева:

ИП - источник питания; Л - генераторная лампа; Сд-конденсатор

блокировочный; Lст- дроссель анодный; Ср- конденсатор разделительный; Ср, Rр - конденсатор и сопротивление гридлика; L_С, Сс - дроссель и конденсатор сеточный; L_С- катушка связи; lк - индуктивность колебательного контура; Ск-рабочий конденсатор; Скр-регулирующий конденсатор; Д - диэлектрик; Сса-межэлектродная емкость сетка-анод.

Нагрев токами высокой частоты наиболее целесообразен для материалов с плохой теплопроводностью. В сельскохозяйственном производстве к ним относится большинство продуктов и кормов, подлежащих сушке: зерно, хмель, чай, табак, концкорма, - а также пищевые жидкости: молоко, фруктовые соки и др.

При обычных (внешних) способах подвода тепла процесс сушки или тепловой обработки затягивается. Длительное пребывание продуктов в температурном поле отрицательно влияет на их качество, возрастают потери тепла, производительность установок невысока [2].

При нагреве в поле конденсатора тепло выделяется одновременно по всему объему однородного по электрофизическим свойствам материала, вследствие чего продолжительность нагрева резко сокращается. В процессах сушки быстрый нагрев внутренних слоев материала приводит к созданию градиентов температуры и давления, направленных к наружной поверхности тела, что способствует быстрому удалению излишней влаги. Если материал неоднороден, становится возможным избирательный нагрев отдельных компонентов, имеющих различную спектральную чувствительность к ТВЧ. Интенсивность нагрева практически ограничивается лишь технологическими условиями и целостностью материала.

Интенсивный нагрев диэлектриков возможен лишь в электрическом поле высокой частоты. Нагрев в поле конденсатора (собственно диэлектрический нагрев) осуществляется на частотах от 0,5 до 100 МГц. Область более высоких частот, от 100 до 300 МГц, составляют токи сверхвысокой частоты (СВЧ). Нагрев токами СВЧ (волнами дециметрового и сантиметрового диапазона) осуществляется в объемных резонаторах или путем направленного излучения электромагнитной энергии. Этот вид диэлектрического нагрева имеет свои особенности как по принципу генерирования токов СВЧ, так и по характеру нагрева. На этих частотах уже заметно проявляется поверхностный эффект вследствие затухания электромагнитной волны в диэлектрике [3].

Основные особенности высокочастотного нагрева диэлектриков состоят в следующем:

1. Нагрев токами высокой частоты является прямым нагревом - электрическая энергия преобразуется в тепло непосредственно в полупроводниках или диэлектриках, помещенных в быстропеременное электрическое поле. Во многих случаях это позволяет коренным образом изменять технологию процессов, повышать качество продукции и производительность труда. Примерами этому могут служить опыт применения ТВЧ для сушки зерна и других сельскохозяйственных продуктов, и кормов, пастеризация и стерилизация молока и др. При ВЧ нагреве расход электроэнергии непосредственно на изменение теплосодержания материалов наименьшей по сравнению с другими способами, а к. п. д. выше, хотя общий расход электроэнергии с учетом потерь в генераторах и вспомогательных устройствах нередко оказывается больше.

2. Токи высокой частоты позволяют осуществлять избирательный нагрев благодаря возможности концентрации мощности в нужном направлении и использованию спектральной чувствительности неоднородных по физическим свойствам материалов. Это свойство используется в процессах сушки, дезинсекции зерна, замаривания коконов тутового шелкопряда и др.

3. При ВЧ нагреве достигается высокая концентрация мощности в единице объема нагреваемой среды, что позволяет значительно интенсифицировать производственные процессы. Появляется возможность использовать механические воздействия, возникающие в материалах при быстром неравномерном нагреве, например, при диэлектрическом разрушении камней, вспучивании материалов органического происхождения и др. Кроме того, ВЧ нагрев диэлектриков позволяет снизить отходы продукции, осуществить поточность и широкую автоматизацию производства [3].

В сельском хозяйстве диэлектрический нагрев имеет большие возможности применения для сушки зерна, семян трав, овощей, фруктов, чая, хлопка, дезинсекции зерна, замаривания шелковичных коконов. Не менее важно применение ТВЧ для пастеризации, стерилизации молока и молочных продуктов, фруктовых и ягодных соков, в процессах консервирования [4].

К недостаткам диэлектрического нагрева следует отнести высокую стоимость оборудования, более высокий (во многих случаях) удельный расход электроэнергии, необходимость в квалифицированном обслуживающем персонале. Поэтому его применение экономически целесообразно там, где это ведет к коренному усовершенствованию технологии процессов и где высокие капитальные и эксплуатационные затраты компенсируются повышением качества и увеличением выхода продукции, значительным ростом производительности труда.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Нетушил, А. В. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников [Текст]: книга / А. В. Нетушил, Б. Я. Жуховицкий, В. Н. Кудин, Е. П. Парини; Под общ. ред. А. В. Нетушил. - 2-е изд., перераб. - М.; Л.: Изд-во «Госэнергоиздат», 1959. - 480 с.;

Герасимова, В. Г. Электротехнический справочник. В 4-х томах. 8-е издание, исправленное и дополненное. Т.1. Общие вопросы. Электротехнические материалы [Текст]: справочник / В. Г. Герасимова. – М.: Изд–во «МЭИ», 2003. - 440 с. - ISBN 5-7046-0988-0;

Тугов, И. И. Химия и физика полимеров [Текст]: учебное пособие для хим. технол. специальностей вузов / И. И. Тугов, Г. И. Кострыкина. – М.: Изд-во «Химия», 1989. - 430 с. - ISBN 5-7245-0243-7;

Архангельский, Ю. С. СВЧ электротермия [Текст]: книга / Ю. С. Архангельский; М-во общ. и проф. образования РФ. Сарат. гос. техн. ун-т. - Саратов: Изд-во «СГТУ», 1998. - 407 с. - ISBN 5-7433-0451-3.