NAGRZEWANIE POJEMNOsCIOWE

NAGRZEWANIE POJEMNOŚCIOWE

Nagrzewanie  pojemnościowe  jest  to  nagrzewanie  elektryczne  związane  z
efektami  polaryzacji  i  przewodnictwa  w  ośrodkach  dielektrycznych  i  pół-
przewodnikowych, do których energia elektromagnetyczna wielkiej często-
tliwości jest doprowadzana za pośrednictwem elektrod.

Nagrzewanie  pojemnościowe,  nazywane  niekiedy  dielektrycznym  (termin
mniej precyzyjny, wobec stosowania tej metody takŜe do nagrzewania pół-
przewodników)  jest  efektem  róŜnych  rodzajów  polaryzacji.  Efekt  nagrze-
wania  wzmacniają  niekiedy  zjawiska  przewodnictwa  jonowego,  elektrono-
wego 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  pod-
stawowych  wielkości  związanej  ze  stratami  w  dielektryku,  a  mianowicie
stratności elektrycznej.

−

δδδδ

przy czym: P - moc czynna wydzielana we wsadzie w wyniku efektów pola-
ryzacji i przewodnictwa, S - moc pozorna związana z tymi samymi efekta-
mi.

Polaryzacja  -  pierwszy  z  wymienionych  efektów  odpowiedzialnych  za  wy-
dzielanie 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

Polaryzacja trwa tak długo, jak długo istnieje zewnętrzne pole elektryczne,
a gdy ono zanika - układ wraca do stanu poprzedniego.

Przy  polaryzowaniu  wsad  pochłania  energię,  lecz  z  chwilą  gdy  pole  ją  wy-
wołujące  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 uŜyteczne-
go.

Efekty polaryzacji są więc dwojakie. Pierwszy polega na ładowaniu i rozła-
dowywaniu kondensatora grzejnego, drugi - na wydzielaniu się ciepła. Stąd
teŜ operuje się dwiema składowymi przenikalności elektrycznej, czyli

εεεε

′′

−

′

i dwoma współczynnikami stratności, a mianowicie wyłącznie związanym
ze stratami wynikającymi z polaryzacji

εεεε

δδδδ

′

′′

i uwzględniającym zarówno straty z polaryzacji jak i z efektu Joule’a

εεεε

ωω

γγγγ

εεεε

ωω

γγγγ

εεεε

ωω

εεεε

ωω

γγγγ

εεεε

δδδδ

′′′′

====

′′′′

++++

′′′′′′′′

====

′′′′

++++

′′′′

′′′′′′′′

====

gdzie

γγγγ

jest konduktywnością wsadu zaś

γγγγ

nosi miano konduktywności

efektywnej wsadu

δδδδ

εεεε

ωω

γγγγ

′′′′

====

A więc

δδδδ

≈≈≈≈

δδδδ

tylko wtedy gdy polaryzacji nie towarzyszy efekt Joule'a

czyli gdy moŜna załoŜyć, iŜ

≈

γγγγ

Moc czynna wydzielana we wsadzie po jej odniesieniu do jednostki objęto-
ści określa zaleŜność

δδδδ

εεεε

ωω

γγγγ

′

Gdzie

jest gęstością prądu strat generowanych w wyniku zjawiska pola-

ryzacji i efektu Joul’a zaś E wartością skuteczną natęŜenia pola elektrycz-
nego.

PoniewaŜ przenikalność elektryczna względna wsadu

εεεε

′′′′

====

′′′′

zaś

ππππ

ωω

====

to po uwzględnieniu, Ŝe

−−−−

⋅⋅⋅⋅

====

εεεε

δδδδ

εεεε

′′′′

⋅⋅⋅⋅

====

−−−−

Z przytoczonych wzorów wynika, Ŝe zwiększenie mocy grzejnej we wsadzie
moŜna uzyskać poprzez zwiększenie natęŜenia pola elektrycznego bądź czę-
stotliwości.  NatęŜenie  pola  elektrycznego  E  nie  moŜe  jednak  przekroczyć
wartości wywołującej przebicie elektryczne materiału. Konieczność ograni-
czenia  E  jest  powodowana  ponadto  czynnikami  konstrukcyjnymi  układów
zasilających  i  względami  bezpieczeństwa.  Wówczas  jedyną  moŜliwością
zwiększenia

jest podwyŜszenie częstotliwości osiągającej w praktyce war-

tości rzędu kilkudziesięciu megaherców.

Określenie mocy grzejnej w układzie pojemnościowym wymaga znajomości
rozkładu natęŜenia pola elektrycznego we wsadzie, częstotliwości zmian te-
go pola oraz dwóch parametrów charakteryzujących wsad, a mianowicie

′

i tgδ. Układy grzejne (rys. 7.4) muszą więc mieć geometrię gwarantującą

uzyskanie pól elektrycznych, wynikających z nich rozkładów mocy grzej-
nej, a w końcowym efekcie pól temperatur, wymaganych przez procesy
technologiczne.

Rys. 7.4. Przykłady pojemnościowych układów grzejnych

Znajomość rozkładu natęŜenia pola elektrycznego i wynikający z niej roz-
kład mocy grzejnej (maksymalne wartości mogą sięgać 100 W/cm

pozwala-

ją  przy wykorzystaniu  równania  Fouriera-Kirchhoffa określić  pole tempe-
ratur 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 wy-
stępują  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 kształtowa-
nia pola temperatury. W przykładzie przedstawionym na rys. 7.9b uzy-
skano przesunięcie maksimum temperatury do płaszczyzny złącza w wa-
runkach zgrzewania dwóch folii o niejednakowych grubościach. Uzysku-
je się to m.in. przez ograniczenie odpływu ciepła do jednej z elektrod w
wyniku wprowadzenia między nią i wsad dodatkowego dielektryka.

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  szko-
dliwej interakcji z innymi urządzeniami - zwłaszcza teleradiotechnicznymi -
eksploatowanymi  w  tym  samym  obszarze  częstotliwości.  W  związku  z  tym
dopuszcza się pracę przy czterech następujących wartościach tzw. przydzie-
lonych 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  rezo-
nansowych  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,  wytwarza-
jący  autonomicznie  drgania  elektryczne  nazywane  drganiami  własnymi.
Drgania wytwarzane przez generator są zarazem źródłem impulsów poda-
wanych  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 po-
wielacze  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 dopa-
sowującym) jest dostrojony do częstotliwości harmonicznej nf.

Układy wielostopniowe ułatwiają spełnianie ostrych wymagań co do stabil-
ności  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 ge-
neratora obcowzbudnego lub ze wzbudzeniem niezaleŜnym.

2. Podgrzewanie

Podgrzewanie  jest  jednym  z  trzech  procesów  cieplnych  przy  obróbce  tło-
czyw termoutwardzalnych stanowiących surowiec do otrzymywania kształ-
tek  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 plastycz-
ności i ułatwienie jego prasowania.

Urządzenia do podgrzewania tłoczyw termoutwardzalnych mają moce 0,3 ÷
15 kW i wykonywane są w wersjach przelotowych i nieprzelotowych. Zwy-
kle teŜ jedna nagrzewnica obsługuje kilka pras. Opisana technika wykorzy-
stywana jest w wielu przemysłach, a zwłaszcza w elektrotechnicznym i elek-
tronicznym do produkcji obudów aparatów i przyrządów, elementów elek-
troizolacyjnych, itp.

3. Konserwowanie

W celu przedłuŜenia czasu przydatności do spoŜycia artykułów Ŝywnościo-
wych  jest  stosowana  m.in.  pasteryzacja  i  sterylizacja.  Praktycznie  do  tego
celu wykorzystuje  się wyłącznie  obróbkę  cieplną, hamującą  rozwój  mikro-
organizmów  lub  powodującą  ich  zniszczenie.  Pasteryzacja  środków  spo-
Ŝywczych to obróbka w obszarze temperatur 50 ÷ 75°C, sterylizacja - pro-
ces  przebiegający  przy  120°C,  przy  czym  w  czasie  nagrzewania  wsady  są
umieszczane w absolutnie szczelnych  pojemnikach  (opakowaniach), w  któ-
rych 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 pro-
dukty.  Mamy  tu  więc  do  czynienia  z  nagrzewaniem  selektywnym  szkod-
ników  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 bra-
ny pod uwagę np. do dezynsekcji zbóŜ i nasion selekcjonowanych.

4. RozmraŜanie i pieczenie

Bardzo  pozytywne  efekty  w  sensie  technologicznym  i  ekonomicznym  uzy-
skuje 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.

Towarzyszy temu, szczególnie gdy mięso jest bez kości, ubytek 8 ÷ 12% ma-
sy i istotne obniŜenie jakości (wskutek rozrywania błon komórkowych). Po-
nadto  rośnie  zagroŜenie  bakteryjne.  Przy  rozmraŜaniu  pojemnościowym,
skraca  się  czas  procesu  ok.  35  razy  przy  ubytku  masy  rzędu  1%  i  bez  do-
strzegalnych zmian jakościowych mięsa.

W  przemyśle  piekarniczym  czasochłonną  fazą  procesu  produkcyjnego  jest
fermentacja  ciasta.  Na  przykład  przy wytwarzaniu  chleba  trzeba  przezna-
czyć na nią ok. l h w temperaturze 35 ÷ 40°C. Stosując nagrzewanie pojem-
nościowe 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 wsa-
dzie stałym cieczy, a najczęściej wody. Głównie suszy się wyroby papierni-
cze,  tekstylne,  drzewne  oraz  rdzenie  formierskie.  Suszenie  wyrobów  pa-
pierniczych  jest  realizowane  w  urządzeniach  pojemnościowych  oraz  w
urządzeniach  grzejnych  skojarzonych,  w  których  pojemnościowe  urzą-
dzenia  grzejne  wspomagają  urządzenia  konwencjonalne.  W  przemyśle  po-
jemnościowe  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

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  pojemno-
ściowe 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 po-
dobne  pod  względem  geometrycznym  wsady  suszy  się  w  układach  o  elek-
trodach płaskich bądź skośnych, wstęgi tkanin - w układach elektrodowych
prętowych o jednakowym lub niejednakowym odstępie między elektrodami.

Suszenie  pojemnościowe  drewna  jest  opłacalne  gdy  jego  początkowa  wil-
gotność nie przekracza 40%, lub drewno jest podatne na przenikanie pary
wodnej (buk, klon, brzoza, topola).
Technologia  pojemnościowa  jest  szczególnie  ekonomiczna  przy  odparowy-
waniu tzw. wilgotności resztkowej (zwykle z 8 do 2%), co daje się zrealizo-
wać  w  czasie  ok.  10  min,  w  porównaniu  z  18  h  w  technologiach  nieelek-
trycznych.
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 prze-
twórczych  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 doprowa-
dzenia  energii  do  wsadu  i  właściwego  ukształtowania  natęŜenia  pola  elek-
trycznego, lecz zwykle utrzymują klejone części we właściwej pozycji i czę-
sto przenoszą nacisk prasy niezbędny w tym procesie.

Urządzenia  pojemnościowe  stosowane  w  procesach  wytwarzania  płyt  wió-
rowych  i  pilśniowych  to  największe  pod  względem  mocy  jednostki,  w  któ-
rych wykorzystuje się omawianą metodę nagrzewania. Przelotowe urządze-
nia tego rodzaju w wersjach wielogeneratorowych osiągają moce wyjściowe
1600 kW.