NAGRZEWANIE POJEMNOŚCIOWE

Transkrypt

1 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 = S P P 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

2 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 j ε i dwoma współczynnikami stratności, a mianowicie wyłącznie związanym ze stratami wynikającymi z polaryzacji ε tg pδ = ε i uwzględniającym zarówno straty z polaryzacji jak i z efektu Joule a tg δ ε γ ωε + γ γ + = = ε ωε ωε ωε = e gdzie γ jest konduktywnością wsadu zaś γ e nosi miano konduktywności efektywnej wsadu γ = ωε tgδ e A więc tgδ p tg δ 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 p V 1 = γ e J R = γ E e = ωε tgδe

3 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 = πf, 1 to po uwzględnieniu, Ŝe ε = F / m 0 p V = fε r tgδ E 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 p V 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 Przykłady pojemnościowych układów grzejnych 3

4 Znajomość rozkładu natęŝenia pola elektrycznego i wynikający z niej rozkład mocy grzejnej (maksymalne wartości mogą sięgać 100 W/cm 3 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 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 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

5 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: MHz ( ) MHz 7.10 MHz ( ) MHz MHz ( ) MHz MHz ( ) 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

6 1. Zgrzewanie Nagrzewnice i piece pojemnościowe zastosowania 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 Przykładowe rozwiązania układów grzejnych zgrzewarek pojemnościowych: 6

7 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, - 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 Typowe czasy zgrzewania folii termoplastycznych o róŝnych grubościach (czas zgrzewania wynika z róŝnych właściwości folii oraz róŝnic w charakterystykach generatorów) 7

8 . 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 spo- Ŝywczych to obróbka w obszarze temperatur C, sterylizacja - proces przebiegający przy 10 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 0,5,0 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 -0 C) do temperatury rzędu 0 C rozmarzają przy temperaturze otoczenia C w czasie 48 7 h. 8

9 Towarzyszy temu, szczególnie gdy mięso jest bez kości, ubytek 8 1% 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 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 5 lat, przy mocach urządzeń kw. Rys Usytuowanie suszarki pojemnościowej w instalacji suszarniczej maszyny papierniczej. 1 - bębny suszarnicze, - elektrody cylindryczne suszarki pojemnościowej, 3 nawijarka 9

10 W największej tego rodzaju instalacji ( generatory po 450 kw, 13,56 MHz) wytwarza się papier o szerokości wstęgi 5 m z przelotnością 450 m/min, co odpowiada ok. 1 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 %), 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

11 Rys Przykłady układów grzejnych przy pojemnościowym klejeniu elementów drewnianych. F - siła dociskająca klejone elementy 11