3. Выбор напряженности электрического поля при диэлектрическом нагреве

В соответствии с аналитическим выражением объемная плотность мощности определяется параметрами электрического поля (напряженностью E, частотой f) и электрофизическими по­казателями нагреваемого материала (_r , tg).

При выборе напряженности электрического поля исходят из того, что для каждого нагреваемого материала существует определенная напряженность E_ПР, при превышении которой про­исходит электрический пробой материала. Пробивная напряжен­ность многих материалов составляет несколько киловольт на миллиметр.

При нагреве материала без воздушного зазора рабочая на­пряженность, В/м,

E = E_ПР /(1,5...2).

Воздушный зазор между нагреваемым материалом и обклад­ками рабочего конденсатора приводит к тому, что напряжение, поданное на конденсатор, перераспределяется между воздуш­ным зазором и материалом. При этом рабочую напряженность электрического поля в материале выбирают в зависимости от пробивной напряженности воздуха. Допустимая напряженность электрического поля в воздушном зазоре составляет (6 ... 9) 10³ В/см, а напряженность в материале

E = E₃ / _r

Е_э - напряженность электрического поля в воздушном зазоре, В/см;

_r — относительная диэлектрическая проницаемость материала.

Рис. 3. Распределение напряжения на пластинах рабочего конденсатора

при l =  (а) и при l < /4 (б)

Увеличивая частоту поля, можно выделить в материале требуемую объемную плот­ность мощности при понижен­ной напряженности поля. Это повышает надежность работы нагреваемой установки, уме­ньшает вероятность возникно­вения пробоя в рабочем кон­денсаторе и, следовательно, порчи нагреваемого материала. Однако повышение частоты ограничивается равномер­ным распределением напряженности поля по всей длине элект­родов рабочего конденсатора, сложностью согласования параметров источника питания и нагрузки, а также глубиной проникновения электромагнитной энергии в материал. Первое ограничение на верхний предел частоты вызвано соотношением конструктивных параметров диэлектрического нагревательного устройства с длиной  волны, соответствующей частоты f, меж­ду которыми существует известная связь:

 = c / ((_r  f),

где с = 3  10⁸ м/с — скорость света в свободном пространстве.

С увеличением линейного размера нагреваемого материала возникают стоячие волны, изменяющие распределение напря­жения по длине электродов рабочего конденсатора и, следова­тельно, напряженности поля в материале. При условии, что больший размер электрода 2а находится в кратных соотноше­ниях с длиной  стоячей волны, напряжение в некоторых точ­ках достигает максимума U_max, а в других U_min = 0 (рис.7.7,а). При 2а</4 напряжение по длине l электрода изменяется от U_min до U_тах (рис. 7.7,6), что соответствует более равномерно­му распределению напряженности.

Напряженность, В/м, электрического поля в любой точке по

длине электрода

Ei = Е_MAX cos (2l / )

Е_MAX - максимальная напряженность электрического поля в точке, соот-ветствующей U_mах, В/м,

Для точки, находящейся на расстоянии /=a,

Е_а — напряженность электрического поля для точки, находящейся на расстоянии l=а, В/м.

Отношение Е_а / Е_тах характеризует неравномерность распре­деления электрического поля в рабочем конденсаторе. Если она задана требованиями технологического процесса, то из форму­лы (7.45) определяют значение k = 2a/, а по отношению (7.43)—максимальную частоту, удовлетворяющую этим требо­ваниям,

2а - наибольший относительно точек подключения питания линейный размер электрода рабочего конденсатора.

Чтобы снизить неравномерность напряженности поля в ма­териале, рабочий конденсатор присоединяют к источнику пита­ния посередине электродов. При этом размер 2а равен полови­не длины электродов.

Верхнее значение частоты определяется также глубиной про­никновения электромагнитной волны в материал и возможно­стью согласования параметров нагрузки и генератора для мак­симальной передачи энергии в рабочий конденсатор.