Dielektrisk opvarmning

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning

Dielektrisk opvarmning eller kapacitiv opvarmning er opvarmning af et ikke-ledende materiale af elektromagnetiske bølger. Når denne effekt bruges i procesteknik, genereres energien med en meget høj frekvens (i MHz eller GHz -området) ved hjælp af kraftige oscillatorer og transmitteres af radiobølger. Materialet, der skal opvarmes, dielektrikummet , er f.eks. Placeret mellem to plader, der danner kondensatorens elektroder . Der er imidlertid også uønsket dielektrisk opvarmning, f.eks. B. ved brug af en mobiltelefon, se SAR -værdi .

fungere

Vandets permittivitet (20 ° C) afhænger svagt af temperaturen, men meget stærkt af frekvensen. Den virkelige del er afgørende for kapacitetsberegningen af ​​en kondensator, den imaginære del karakteriserer energiabsorberingen.

Hvis elektromagnetiske bølger rammer et elektrisk ledende materiale såsom metal, induceres der strømme på overfladen, som opvarmer det. Indtrængningsdybden er normalt kun få mikrometer (se hudeffekt ).

Strømme kan ikke strømme med ikke-ledere, men med nogle materialer kan molekylernes ladningsbærere kun følge ændringer i højfrekvensfeltets retning med en vis forsinkelse, hvilket øger den indre energi i materialet og dermed dets temperatur. Et stofs egnethed til dielektrisk opvarmning kan aflæses fra den imaginære del af et materiales komplekse permittivitet ved en given frekvens. Med nogle materialer som keramik er dette ekstremt lavt, med vandholdige stoffer er det meget stort og afhænger af frekvensen.

Når materialetykkelsen øges, begrænses opvarmningen til lag af materiale tæt på overfladen, som stort set absorberer det elektromagnetiske felt. Ved 2,45 GHz driftsfrekvens for en mikrobølgeovn er feltets indtrængningsdybde i materialet kun få centimeter. Hvis frekvensen blev øget til omkring 20 GHz (i tilfælde af vand), ville strålingsenergien blive absorberet inden for de første millimeter, og materiale, der lå dybere, ville forblive koldt.

De bølger, der bruges til dielektrisk opvarmning, er ikke termisk stråling, fordi transmitterens temperatur ikke er afgørende. De endnu højere frekvenser af typisk termisk stråling i det infrarøde område genereres forskelligt og absorberes inden for de første mikrometer, når de rammer, forudsat at materialet ikke er gennemsigtigt i dette bølgelængdeområde, såsom bordsalt .

Anvendelsesområder

I mange tilfælde bruges kapacitive varmesystemer til at lime træet, da varmeydelsen genereres direkte inde i træet. Systemer baseret på varmeledning ville være uegnede til denne anvendelse, fordi træ kun har lav termisk diffusivitet og varmeledningsevne . Kapacitive varmesystemer bruges til at tørre træ , mad og lignende materialer.

En specialitet er skadedyrsbekæmpelse z. B. i træ eller korn. Det inficerede materiale opvarmes med højfrekvente elektromagnetiske felter; Da skadedyr har et højere vandindhold end det materiale, der skal beskyttes, opvarmes de stærkere, og hvis de er tilstrækkeligt kraftige, bliver de overophedet og dræbt. Yderligere applikationer er:

  • tørring af træ, mad eller andre ikke-ledende materialer
  • tørring af limpletter (hovedsageligt ved limning af træ),
  • Desinfestation af skadedyr i træ,
  • Tørring af jord forurenet med forurenende stoffer,
  • Mikrobølgeovne ,
  • Diatermi som medicinsk anvendelse til terapeutisk opvarmning af væv.

Varm indgang til et materialevolumen

I tilfælde af dielektrisk opvarmning er effekttabstætheden p i forhold til materialevolumen:

I dette er ω vinkelfrekvensen , ε r '' den imaginære del af den komplekse relative permittivitet , ε 0 det frie rums permittivitet og E mængden af ​​det elektriske feltstyrke (effektiv værdi; hvis topværdien, dvs. amplitude, bruges, skal faktoren være i ligningen 1/2 skal tilføjes). Den dielektriske opvarmning, der er forbundet med effekttabet , når den integreres i opvarmningsperioden, svarer nøjagtigt til den interne energi af et materiale, der tilføres et materialevolumen med elektromagnetiske bølger, som beskrevet i termodynamik . Den imaginære del af kompleksværdien, relativ permittivitet er et mål for et dielektrikums evne til at omdanne elektromagnetisk feltenergi ved høj frekvens til termisk energi. For stoffer eller blandinger af stoffer, der også har elektrisk ledningsevne σ, gælder følgende:

.

Strømtabstætheden input via de ohmiske tab sker via den elektriske ledningsevne σ. Denne andel tælles ikke som dielektrisk opvarmning. Det er uafhængigt af frekvensen af ​​den elektromagnetiske bølge; i hvilket omfang den er effektiv, afhænger dog af hudeffekten og dermed indirekte af materialets geometri.

fordele

  • Ved industriel limning kan der opnås korte limtider ved at understøtte tørringsprocessen for limpunktet, hvilket betyder, at der kan opnås en høj produktionshastighed.
  • Ofte er dette mere effektivt end konventionelle opvarmningstyper, da varmen genereres i selve materialet og ikke behøver at blive transporteret dertil indirekte.

ulempe

til store systemer:

  • Der kræves meget høje spændinger inde i enheden (ca. 2 til 15 kV)
  • Høje anskaffelsesomkostninger

litteratur

  • Arthur von Hippel, redaktør: Dielektriske materialer og applikationer . Artech House, London, 1954, ISBN 0-89006-805-4 .
  • Arthur von Hippel: Dielektri og bølger . Artech House, London, 1954, ISBN 0-89006-803-8 .
  • AC Metaxas, RJ Meredith: Industriel mikrobølgeopvarmning (IEE Power Engineering Series) . Institutionen for teknik og teknologi, 1983, ISBN 0-906048-89-3 .
  • AC Metaxas: Foundations of Electroheat, A Unified Approach . John Wiley og sønner, 1996, ISBN 0-471-95644-9 .

Se også