NAGRZEWANIE POJEMNOsCIOWE

NAGRZEWANIE POJEMNOŚCIOWE
Nagrzewanie pojemnościowe jest to nagrzewanie elektryczne związane z
efektami polaryzacji i przewodnictwa w ośrodkach dielektrycznych i półprzewodnikowych, do których energia elektromagnetyczna wielkiej częstotliwości jest doprowadzana za pośrednictwem elektrod.
Nagrzewanie pojemnościowe, nazywane niekiedy dielektrycznym (termin
mniej precyzyjny, wobec stosowania tej metody takŜe do nagrzewania półprzewodników) jest efektem róŜnych rodzajów polaryzacji. Efekt nagrzewania wzmacniają niekiedy zjawiska przewodnictwa jonowego, elektronowego i dziurowego.
Kompleksowość ujęcia uŜytkowych efektów cieplnych polaryzacji i Joule'a
pod wspólną nazwę nagrzewania pojemnościowego znalazła swój wyraz w
teorii tej metody. Przejawia się ona w sposobie definiowania jednej z podstawowych wielkości związanej ze stratami w dielektryku, a mianowicie
stratności elektrycznej.
tgδ =
P
S2 − P2
przy czym: P - moc czynna wydzielana we wsadzie w wyniku efektów polaryzacji i przewodnictwa, S - moc pozorna związana z tymi samymi efektami.
Polaryzacja - pierwszy z wymienionych efektów odpowiedzialnych za wydzielanie ciepła - wynika z przesunięć ładunków związanych z atomami lub
molekułami pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego. Pole to jest
wytwarzane za pośrednictwem układu elektrod połączonych z generatorem
wielkiej częstotliwości.
Elektrody i nagrzewany wsad tworzą układ zwany często kondensatorem
grzejnym.
Polaryzacja całkowita jest sumą efektów róŜnych rodzajów polaryzacji, a
stopień polaryzacji określa przenikalność elektryczna ε .
Polaryzacja trwa tak długo, jak długo istnieje zewnętrzne pole elektryczne,
a gdy ono zanika - układ wraca do stanu poprzedniego.
1
Przy polaryzowaniu wsad pochłania energię, lecz z chwilą gdy pole ją wywołujące znika, pod wpływem siły przeciwdziałającej ładunki wracają do
zwykłych połoŜeń, a część energii pochłoniętej zostaje zwrócona do źródła
zasilającego.
Polaryzacja zmienia się w takt zmian zewnętrznego pola elektrycznego, a
wynikający z tego ruch ładunków związanych to prąd przesunięcia.
Ilość energii pobierana ze źródła i do niego oddawana nie jest jednakowa.
Pewna jej ilość zuŜywa się na tarcie i przemieszczanie się dipoli czyli na tzw.
straty dipolowe, wydzielające się we wsadzie pod postacią ciepła uŜytecznego.
Efekty polaryzacji są więc dwojakie. Pierwszy polega na ładowaniu i rozładowywaniu kondensatora grzejnego, drugi - na wydzielaniu się ciepła. Stąd
teŜ operuje się dwiema składowymi przenikalności elektrycznej, czyli
ε = ε ′ − jε ′′
i dwoma współczynnikami stratności, a mianowicie wyłącznie związanym
ze stratami wynikającymi z polaryzacji
tg pδ =
ε ′′
ε′
i uwzględniającym zarówno straty z polaryzacji jak i z efektu Joule’a
tgδ =
ε ′′ γ
ωε ′′ + γ
γ
+
=
= e
ε ′ ωε ′
ωε ′
ωε ′
gdzie γ jest konduktywnością wsadu zaś γ e nosi miano konduktywności
efektywnej wsadu
γ e = ωε ′tgδ
A więc tgδ p ≈ tgδ tylko wtedy gdy polaryzacji nie towarzyszy efekt Joule'a
czyli gdy moŜna załoŜyć, iŜ γ ≈ 0 .
Moc czynna wydzielana we wsadzie po jej odniesieniu do jednostki objętości określa zaleŜność
pV =
1
γe
J R = γ e E 2 = ωε ′tgδE 2
2
2
Gdzie J R jest gęstością prądu strat generowanych w wyniku zjawiska polaryzacji i efektu Joul’a zaś E wartością skuteczną natęŜenia pola elektrycznego.
PoniewaŜ przenikalność elektryczna względna wsadu ε r′ = ε ′ε 0 zaś ω = 2πf ,
to po uwzględnieniu, Ŝe ε 0 = 8.85 ⋅ 10 −12 F / m
pV = 5.56 ⋅ 10 −11 fε r′ tgδ E 2
Z przytoczonych wzorów wynika, Ŝe zwiększenie mocy grzejnej we wsadzie
moŜna uzyskać poprzez zwiększenie natęŜenia pola elektrycznego bądź częstotliwości. NatęŜenie pola elektrycznego E nie moŜe jednak przekroczyć
wartości wywołującej przebicie elektryczne materiału. Konieczność ograniczenia E jest powodowana ponadto czynnikami konstrukcyjnymi układów
zasilających i względami bezpieczeństwa. Wówczas jedyną moŜliwością
zwiększenia pV jest podwyŜszenie częstotliwości osiągającej w praktyce wartości rzędu kilkudziesięciu megaherców.
Określenie mocy grzejnej w układzie pojemnościowym wymaga znajomości
rozkładu natęŜenia pola elektrycznego we wsadzie, częstotliwości zmian tego pola oraz dwóch parametrów charakteryzujących wsad, a mianowicie
ε ′r i tgδ. Układy grzejne (rys. 7.4) muszą więc mieć geometrię gwarantującą
uzyskanie pól elektrycznych, wynikających z nich rozkładów mocy grzejnej, a w końcowym efekcie pól temperatur, wymaganych przez procesy
technologiczne.
Rys. 7.4. Przykłady pojemnościowych układów grzejnych
3
Znajomość rozkładu natęŜenia pola elektrycznego i wynikający z niej rozkład mocy grzejnej (maksymalne wartości mogą sięgać 100 W/cm3 pozwalają przy wykorzystaniu równania Fouriera-Kirchhoffa określić pole temperatur we wsadzie.
Mimo wielkiej róŜnorodności geometrii układów grzejnych i warunków
granicznych, wiele rozwiązań ma pewną cechę wspólną, co widać z rys. 7.9.
OtóŜ przy nagrzewaniu wsadów jednorodnych najwyŜsze temperatury występują w obszarach wewnętrznych wsadu. Ma to bardzo duŜe znaczenie
przy zgrzewaniu materiałów, poniewaŜ najwyŜszą temperaturę uzyskuje się
w strefie złącza. Gwarantuje to uplastycznienie (stopienie) materiału, bez
obawy o jego przywarcie do elektrod.
Rys. 7.9. Rozkład temperatury w zgrzewanych foliach: a) o jednakowych
grubościach, b) o niejednakowych grubościach
Przy nagrzewaniu pojemnościowym istnieje znaczna łatwość kształtowania pola temperatury. W przykładzie przedstawionym na rys. 7.9b uzyskano przesunięcie maksimum temperatury do płaszczyzny złącza w warunkach zgrzewania dwóch folii o niejednakowych grubościach. Uzyskuje się to m.in. przez ograniczenie odpływu ciepła do jednej z elektrod w
wyniku wprowadzenia między nią i wsad dodatkowego dielektryka.
4
Urządzenia pojemnościowe i ich zastosowania
Źródła zasilania i układy dopasowujące
Rodzaj źródeł zasilania określają znormalizowane częstotliwości robocze,
dopuszczone do stosowania z uwagi na konieczność wyeliminowania szkodliwej interakcji z innymi urządzeniami - zwłaszcza teleradiotechnicznymi eksploatowanymi w tym samym obszarze częstotliwości. W związku z tym
dopuszcza się pracę przy czterech następujących wartościach tzw. przydzielonych częstotliwości, z określonymi wartościami odchyłek, które nie mogą
być przekroczone podczas procesów nagrzewania, nawet w warunkach
znacznych zmian parametrów wsadu:
13.560 MHz (13.553 ÷ 13.567) MHz
27.120 MHz (26.957 ÷ 27.283) MHz
40.680 MHz (40.660 ÷ 40.700) MHz
81.360 MHz (80.546 ÷ 82.174) MHz
Oprócz częstotliwości roboczych o charakterze źródeł decydują takŜe moce
pojemnościowych urządzeń grzejnych. OtóŜ urządzenia buduje się na moce
wyjściowe (czyli wielkiej częstotliwości) od kilku kilowatów do 1,6 MW.
Stąd teŜ uŜywa się lampowych generatorów mocy oraz lampowych rezonansowych wzmacniaczy mocy, najczęściej w wersjach jednolampowych.
Na jednej lampie moŜna juŜ budować układy o mocy wyjściowej do l MW.
Generatorem mocy jest wzmacniacz ze sprzęŜeniem zwrotnym, wytwarzający autonomicznie drgania elektryczne nazywane drganiami własnymi.
Drgania wytwarzane przez generator są zarazem źródłem impulsów podawanych na lampę generatora, co z kolei przyczynia się do podtrzymania
tych drgań.
Rezonansowy wzmacniacz mocy jest na ogół układem wielostopniowym, w
którym pierwszy stopień stanowi generator kwarcowy, następne zaś to powielacze częstotliwości i wzmacniacze mocy. W takim rozwiązaniu obwód
wejściowy jest wzbudzany z niezaleŜnego źródła impulsów o stabilizowanej
częstotliwości f, a obwód wyjściowy (kondensator grzejny z układem dopasowującym) jest dostrojony do częstotliwości harmonicznej nf.
Układy wielostopniowe ułatwiają spełnianie ostrych wymagań co do stabilności częstotliwości. Oba typy tych urządzeń występują niekiedy pod
wspólną nazwą generatora wielkiej częstotliwości, przy czym ten pierwszy
określa się mianem generatora samo-wzbudnego zaś typ drugi mianem generatora obcowzbudnego lub ze wzbudzeniem niezaleŜnym.
5
Nagrzewnice i piece pojemnościowe – zastosowania
1. Zgrzewanie
Do realizacji tej technologii, zwłaszcza przy obróbce tworzyw termoplastycznych, wykorzystuje się urządzenia pojemnościowe z członami podstawowymi w postaci zgrzewarek, zaliczanych do kategorii nagrzewnic czyli
członów nie mających komory. Zgrzewarka jest wyposaŜona w generator
w.cz., układ dopasowujący, elektrody, prasę oraz układ zabezpieczający
urządzenie przed skutkami przebić elektrycznych i wyładowań łukowych.
Rys. 7.15. Przykładowe rozwiązania układów grzejnych zgrzewarek pojemnościowych:
6
a) asymetryczny z elektrodą odcinającą kombinowaną, b) symetryczny,
c) asymetryczny, d) asymetryczny z elektrodą odcinającą prostą, e) asymetryczny z elektrodą stemplową, f) asymetryczny z elektrodami rolkowymi,
g) asymetryczny do zgrzewania odcinkowego przelotowego, h) symetryczny
do zgrzewania wyrobów z materiałem piankowym
1 - elektroda zgrzewająca, 2 - elektroda uziemiona (przeciwelektroda),
3 i 4 - zgrzewane folie, 5 - podkładka izolacyjna, 6 - linie pola elektrycznego,
7 - płyta stołu, 8 - izolator, 9 - spręŜyna kontaktowa, 10 – pianka
Rys. 7.16. Typowe czasy zgrzewania folii termoplastycznych o róŜnych grubościach (czas zgrzewania wynika z róŜnych właściwości folii
oraz róŜnic w charakterystykach generatorów)
7
2. Podgrzewanie
Podgrzewanie jest jednym z trzech procesów cieplnych przy obróbce tłoczyw termoutwardzalnych stanowiących surowiec do otrzymywania kształtek przez plastyczne formowanie na gorąco i pod ciśnieniem w całkowicie
zamkniętej formie lub w wytłaczarce. Najczęściej uŜywa się do tego celu
tłoczyw fenolowych. Podgrzewanie ma na celu nadanie tworzywu plastyczności i ułatwienie jego prasowania.
Urządzenia do podgrzewania tłoczyw termoutwardzalnych mają moce 0,3 ÷
15 kW i wykonywane są w wersjach przelotowych i nieprzelotowych. Zwykle teŜ jedna nagrzewnica obsługuje kilka pras. Opisana technika wykorzystywana jest w wielu przemysłach, a zwłaszcza w elektrotechnicznym i elektronicznym do produkcji obudów aparatów i przyrządów, elementów elektroizolacyjnych, itp.
3. Konserwowanie
W celu przedłuŜenia czasu przydatności do spoŜycia artykułów Ŝywnościowych jest stosowana m.in. pasteryzacja i sterylizacja. Praktycznie do tego
celu wykorzystuje się wyłącznie obróbkę cieplną, hamującą rozwój mikroorganizmów lub powodującą ich zniszczenie. Pasteryzacja środków spoŜywczych to obróbka w obszarze temperatur 50 ÷ 75°C, sterylizacja - proces przebiegający przy 120°C, przy czym w czasie nagrzewania wsady są
umieszczane w absolutnie szczelnych pojemnikach (opakowaniach), w których są następnie przechowywane.
Sterylizacji pojemnościowej są poddawane takŜe środki lekarskie (wata,
opatrunki, nici chirurgiczne, zastrzyki, maski lekarskie) i farmaceutyki.
Konserwowanie to teŜ dezynsekcja szkodników ze względu na znacznie
większą ich stratność elektryczną aniŜeli ta jaką mają przechowywane produkty. Mamy tu więc do czynienia z nagrzewaniem selektywnym szkodników przy szybkościach 0,5 ÷ 2,0 K/s. ZuŜycie właściwe energii w takim
procesie jest jednak dość duŜe (ok. 15 kW·h/Mg) i dlatego moŜe być on brany pod uwagę np. do dezynsekcji zbóŜ i nasion selekcjonowanych.
4. RozmraŜanie i pieczenie
Bardzo pozytywne efekty w sensie technologicznym i ekonomicznym uzyskuje się przy rozmraŜaniu pojemnościowym mięsa, ryb, masła. DuŜe bloki
mięsa ze stanu głębokiego zamroŜenia (zwykle -20°C) do temperatury rzędu
0°C rozmarzają przy temperaturze otoczenia 10 ÷ 15°C w czasie 48 ÷ 72 h.
8
Towarzyszy temu, szczególnie gdy mięso jest bez kości, ubytek 8 ÷ 12% masy i istotne obniŜenie jakości (wskutek rozrywania błon komórkowych). Ponadto rośnie zagroŜenie bakteryjne. Przy rozmraŜaniu pojemnościowym,
skraca się czas procesu ok. 35 razy przy ubytku masy rzędu 1% i bez dostrzegalnych zmian jakościowych mięsa.
W przemyśle piekarniczym czasochłonną fazą procesu produkcyjnego jest
fermentacja ciasta. Na przykład przy wytwarzaniu chleba trzeba przeznaczyć na nią ok. l h w temperaturze 35 ÷ 40°C. Stosując nagrzewanie pojemnościowe w fazie procesu fermentacyjnego, doprowadza się temperaturę w
całej objętości ciasta do wymaganej wartości w czasie kilku minut.
5. Suszenie
Suszenie jest procesem polegającym na usunięciu lub zmniejszeniu we wsadzie stałym cieczy, a najczęściej wody. Głównie suszy się wyroby papiernicze, tekstylne, drzewne oraz rdzenie formierskie. Suszenie wyrobów papierniczych jest realizowane w urządzeniach pojemnościowych oraz w
urządzeniach grzejnych skojarzonych, w których pojemnościowe urządzenia grzejne wspomagają urządzenia konwencjonalne. W przemyśle pojemnościowe suszy się papier od 25 lat, przy mocach urządzeń 200 ÷ 1000
kW.
Rys. 7.18. Usytuowanie suszarki pojemnościowej w instalacji suszarniczej
maszyny papierniczej.
1 - bębny suszarnicze, 2 - elektrody cylindryczne suszarki pojemnościowej,
3 – nawijarka
9
W największej tego rodzaju instalacji (2 generatory po 450 kW, 13,56 MHz)
wytwarza się papier o szerokości wstęgi 5 m z przelotnością 450 m/min, co
odpowiada ok. 12 Mg/h.
Współczesny stan techniki pozwala na wyposaŜenie w suszarki pojemnościowe maszyn papierniczych o szerokości wstęgi papieru większej niŜ 10 m
i szybkości przesuwu 1000 m/min.
Półwyroby takie jak motki, przędza na szpulach, pęczki włókien i inne podobne pod względem geometrycznym wsady suszy się w układach o elektrodach płaskich bądź skośnych, wstęgi tkanin - w układach elektrodowych
prętowych o jednakowym lub niejednakowym odstępie między elektrodami.
Suszenie pojemnościowe drewna jest opłacalne gdy jego początkowa wilgotność nie przekracza 40%, lub drewno jest podatne na przenikanie pary
wodnej (buk, klon, brzoza, topola).
Technologia pojemnościowa jest szczególnie ekonomiczna przy odparowywaniu tzw. wilgotności resztkowej (zwykle z 8 do 2%), co daje się zrealizować w czasie ok. 10 min, w porównaniu z 18 h w technologiach nieelektrycznych.
Pojemnościowo suszy się takŜe kleje na bazie wody, polialkohole winylowe,
dekstryny, samouszczelniające lateksy i akryle, produkty rolne, Ŝelatynę,
sól, farmaceutyki, wełnę w belach, forniry, farbę drukarską na bazie wody,
Ŝywice wygłuszające do samochodów, Ŝywice fenolowe na bazie wody w
płytkach z obwodami drukowanymi, produkty ogniotrwałe, beton i wiele
innych substancji oraz wyrobów.
6. Klejenie
Klejenie pojemnościowe stosuje się przede wszystkim w przemysłach przetwórczych drewna, m.in. przy wyrobie: wysokogatunkowej sklejki, płyt
wiórowych i pilśniowych, elementów konstrukcyjnych wysokiej jakości, w
przemyśle meblarskim i budowlanym.
Elektrody pojemnościowego układu grzejnego nie tylko słuŜą do doprowadzenia energii do wsadu i właściwego ukształtowania natęŜenia pola elektrycznego, lecz zwykle utrzymują klejone części we właściwej pozycji i często przenoszą nacisk prasy niezbędny w tym procesie.
Urządzenia pojemnościowe stosowane w procesach wytwarzania płyt wiórowych i pilśniowych to największe pod względem mocy jednostki, w których wykorzystuje się omawianą metodę nagrzewania. Przelotowe urządzenia tego rodzaju w wersjach wielogeneratorowych osiągają moce wyjściowe
1600 kW.
10
Rys. 7.19. Przykłady układów grzejnych przy pojemnościowym klejeniu
elementów drewnianych.
F - siła dociskająca klejone elementy
11