介电加热：工作原理和优势

什么是介电加热？

利用高频交流电场、无线电波或微波电磁辐射加热介电材料的过程称为**介电加热**。

• 介电加热也称为电子加热、射频 (R.F.) 加热、高频加热和透热疗法。

• 介电加热主要用于加热木材、塑料和陶瓷等绝缘体，这些材料难以通过其他加热方法进行均匀加热。

• 介电加热所需的输入电源频率范围为 10 MHz 至 15 MHz，施加电压为 20 kV。

介电加热原理

介电加热方法的工作原理与电容器（即静电）相同。众所周知，介电加热只能用于加热非导电材料。在这种加热方法中，待加热的介电材料放置在两个导电电极之间，并在电极之间施加高频交流电压。

介电加热过程的示意图和等效电路如下图所示。

参考下图。有两个电极，由介电介质（即待加热的材料）隔开，并在电极之间施加高频电位差。这种布置形成一个电容器。等效电路的相量图也显示在上图中。介电加热装置中形成的电容器可能不是纯电容器，因此电路中也并联了一个电阻器“R”。但是，电阻“R”的值非常高，因此流过它的电流非常小。因此，电容电流I_c可以认为等于总电流I。

数学分析

介电加热方法中产生的热量或消耗的功率的数学表达式可以如下推导：

设

$$\mathrm{\mathrm{消耗功率，}\:\mathit{P}\:=\:\mathit{VI\:cos\:\theta}}$$

因此，电路中的总电流由下式给出：

$$\mathrm{\mathit{I}\:=\:\mathit{I_{\mathit{c}}}\:+\:\mathit{I_{\mathit{R}}}}$$

虽然电流 I_R 可以忽略不计，因此可以忽略。

$$\mathrm{\therefore \mathit{I}\cong \:\mathit{I_{\mathit{c}}}}$$

$$\mathrm{\therefore\:\mathit{P} \:=\:\mathit{VI_{\mathit{c}}\:cos\:\theta s}}$$

$$\mathrm{\because \mathit{I_{\mathit{c}}\:=\:\frac{\mathit{V}}{\mathit{X_{\mathit{c}}}}\:\mathrm{and}\:\mathit{X_{\mathit{c}}\:=\:\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}\pi \mathit{fC}}}}}$$

$$\mathrm{\Rightarrow \mathit{I_{\mathit{c}}}\:=\:\mathrm{2\pi \mathit{fCV}}}$$

$$\mathrm{\therefore \mathit{P}\:=\:\mathit{V}\mathrm{\left ( \mathrm{2\pi }\mathit{fCV} \right )}\:\mathrm{cos\:\theta}\:=\:\mathrm{2\pi }\mathit{fCV^{\mathrm{2}}}\:\mathrm{cos\:\theta}}$$

其中，平行板电容器的电容由下式给出：

$$\mathrm{\mathit{C}\:=\:\frac{\epsilon _{\mathrm{0}}\epsilon _{\mathit{r}}\mathit{A}}{\mathit{t}}}$$

其中：

• $\epsilon _{\mathrm{0}}$ 是真空或空气的介电常数。

• $\epsilon _{\mathit{r}}$是待加热介电材料的相对介电常数。

• A 是极板（电极）的表面积。

• t 是待加热材料的厚度。

参考相量图：

$$\mathrm{\mathit{\theta}\:=\:\mathrm{90^{\circ}}-\delta }$$

$$\mathrm{\Rightarrow \mathrm{cos\:\theta}\:=\:\mathrm{cos\mathrm{\left ( \mathrm{90^{\circ}}-\delta \right )}}\:=\:\mathrm{sin\:\delta }}$$

当 δ 很小时，我们有：

$$\mathrm{\mathrm{cos\:\theta}\:=\:\mathrm{sin\:\delta}\:=\:\delta }$$

$$\mathrm{\therefore \mathit{P}\:=\:\mathrm{2\pi \mathit{fCV^{\mathrm{2 }}\delta }}\:\mathrm{watts}}$$

此功率在介电加热中转换为热量。这里，对于特定待加热材料，电容 (C) 和角度 δ 将保持不变。

因此：

$$\mathrm{\mathit{P}\propto \mathit{fV^{\mathrm{2}}}}$$

这就是为什么介电加热使用高频高压的原因。

介电加热的优势

介电加热的优势如下：

• 使用介电加热，材料的加热是均匀的，因为热量是在材料本身内部产生的。

• 通过提高频率，可以加快加热过程。

• 介电加热是唯一一种用于加热非导电材料的方法。

• 使用介电加热，可以根据需要立即停止加热。

• 使用这种方法，可以安全地加热易燃物品，如塑料、木制品等。

Saini Manish Kumar

更新于：2022年3月17日

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