CURS 5NCLZIREA CAPACITIV (N RADIOFRECVEN)5.1. CLASIFICARE I
DOMENII DE UTILIZAREn procedeele de nclzire clasic a materialelor
dielectrice cldura este transmis la suprafaa materialului prin
convecie sau radiaie i ptrunde n interior prin conducie
termic.Conductivitatea termic a acestor materiale fiind foarte
sczut, transferul de cldur se face foarte lent i astfel crete
durata procesului de nclzire, cresc pierderile termice i diferena
de temperatur n interiorul materialului.ns materialele dielectrice
se pot nclzi n cmpuri de R.F. (radiofrecven). nclzirea n acest caz
se bazeaz pe pierderile de putere datorate faptului c dielectricul
nu este perfect izolant(prezint o rezisten finit, deci apar
pierderi electrice prin conducie) i pe pierderile datorate
fenomenului de histerezis dielectric (orientarea dipolilor
electrici moleculari ai dielectricului nu poate urmri variaiile de
sens ale cmpului electric alternativ aplicat deoarece i se opune
agitaia termic - fenomenul de vscozitate electric).Domeniile de
utilizare ale nclzirii capacitive sunt:industria alimentar (uscarea
laptelui, deshitratarea fructelor, coacerea biscuiilor,
sterilizarea produselor, dezghearea produselor congelate);
industria chimic (uscarea produselor sub form de granule, pudr sau
tablete); industria lemnului (lipirea semifabricatelor, uscarea
produselor); industria construciilor de maini (uscarea miezurilor
de turntorie, confecionarea tuburilor din oel acoperite cu fibre de
sticl); industria electrotehnic (confecionarea produselor din
materiale termoplastice, fabricarea plcilor i cilindrilor din
pertinax, stratitex sau sticlostratitex). nclzirea capacitiv ofer
urmtoarele avantaje:cldura se dezvolt n ntreaga mas a
dielectricului, rezultnd o distribuie uniform a temperaturii;
timpul necesar nclzirii este redus, iar productivitatea procedeului
este ridicat; instalaiile de nclzire sunt simple i cu un gabarit
redus. 1 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t
r o t e r m i c a5.2. PUTEREA NECESAR NCLZIRII UNUI DIELECTRICn
instalaiile de nclzire capacitiv, materialul procesat este introdus
ntre armturile unui condensator de lucru (numit aplicator)
alimentat de la un generator de .F. , n limitele 0,3...100
MHz.iICCIICI2RuIR1d3UIRUa)b)c)1 sursa de alimentare; 2 plcile
condensatorului de lucru; 3 materialul procesat.Fig. 5.1 nclzirea
capacitiv: a schema de principiu; b schema electric echivalent; c
diagrama fazorial.5.2.1. Cazul materialelor dielectrice
omogeneMaterialul dielectric omogen introdus ntre armturile unui
condensator determin unghiul de defazaj capacitiv ntre fazorii I i
U, < /2, conform Fig. 5.1.c. (defazajul ntre curent i tensiune n
cazul unui condensator ideal, fr pierderi dielectrice, este /2). =
/2 este unghiul de pierderi dielectriceDielectricii pot fi
reprezentai printr-o schem echivalent de tipul celei din
Fig.5.1.b., ca i nite condensatoare cu pierderi. n Fig. 5.1.b. C
este un condensator ideal, iar R este un rezistor n care apar
aceleai pierderi ca i n materialul dielectric analizat.Puterea
activ disipat n materialul dielectric este :P U 2RConform diagramei
fazoriale,tg IIcR ,2 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i
e e l e c t r o t e r m i c adeci: I R IC tgi P U IC tgDar curentul
capacitiv IC se poate exprima astfel :IC1UU C IC IC C U1 11 C C
Rezult pentru puterea activ disipat n materialul dielectric
expresia:P U 2 C tg 2 f C U 2 tgCapacitatea unui condensator plan
este dat de relaia:C 0 r A , dunde : A reprezint aria suprafeei
electrozilor; d distana dintre electrozi.Rezult c:P 2 0 rfU 2 A
tgdNotnd cuV = Advolumul materialuluiprocesat, se obine pentru
puterea activ disipatn materialul dielectric:P 2 0 r f U 2V tgd
2Dar E Uesteintensitatea cmpului electric exterior, astfel nct
puterea specific (pedunitatea de volum) va fi:p P 2 f E 2 tg
.0rvVConcluzii:puterea specific disipat n materialul dielectric
este direct proporional cu frecvena, ptratul intensitii cmpului
electric (E2) i cu factorul de pierderi ( r tg "g ); puterea
dezvoltat n materialul dielectric se consum pentru nclzirea
acestuia pn la o anumit temperatur (ntr-un timp determinat) i
(eventual) pentru transformri de faz, schimbarea strii polimorfice,
efectuarea unor reacii chimice i pentru acoperirea pierderilor
termice n mediul ambiant; 3 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e
r s i e e l e c t r o t e r m i c apentru a obine o puterea
specific ct mai mare este necesar s se lucreze cu o valoare a
intensitii cmpului electric maxim posibil. OBS: Pentru a evita
conturnarea sau strpungerea materialului dielectric, valorile
cmpului electric sunt n domeniul E = 80 300 V/mm, dar n instalaiile
de uscare se impune Emax = 160 V/mm (Umax = 15 kV) datorit faptului
c apa eliminat din materialul dielectric condenseaz pe
electrozi.(4) dac factorul de pierderi r tg este redus, nclzirea
materialului se face ncet i este dificil s se ating temperatura
dorit. Dac r tg este prea mare, atunci crete curentul prin
materialul dielectric, ceea ce impune limitarea tensiunii de
alimentare pentru a evita strpungerea acestuia.Materialele care pot
fi nclzite corespunztor n radiofrecven satisfac condiia :0.01 r tg
1 dac factorul de pierderi variaz cu temperatura, pentru a evita
supranclzirile locale se poate utiliza nclzirea n impulsuri
(egalizarea temperaturii se face n timpul pauzelor); creterea
frecvenei este limitat de domeniul de frecvene alocat . 5.2.2.
Cazul materialelor dielectrice neomogenen practic, materialul
dielectric procesat n cmp de nalt frecven este ntotdeauna mai mult
sau mai puin neomogen, sau umple numai o parte din spaiul dintre
electrozi.a) Conectarea n serier1; tg1;U11Udr 2 ;tg2 ;U 2d2Fig. 5.2
Modelul de conectare n serie4 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v
e r s i e e l e c t r o t e r m i c aModelul conectare n serie
corespunde aplicaiilor n care straturi materiale succesive, cu
proprieti dielectrice diferite sunt puse ntre plcile aplicatorului
(condensatorul de lucru), sau exist un strat de aer ntre materialul
procesat i electrozi.n cazul a 2 straturi se poate considera c se
formeaz 2 condensatoare conectate n
serie.IIC1IR1C1R1U1UIC2IR2C2R2U2Fig. 5.3Schema electric echivalent
pentru modelul de conectare n seriePresupunnd IC ICU1U
2,2111C2C2rezult: CU CUsiU1C21122U 2C1Dar C A;C A, astfel nct se
obine:0r0r12d21d12U 1 U 2 r 2d1sauE1r 1d 2E2 r 2r 1innd cont de
expresia puterii specifice:p 2 f 0r 1 E 2 tg; p 2 f 0r 2 E 2
tg2v111v 22rezult raportul densitilor de putere dezvoltate n cele
dou straturi:5 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l
e c t r o t e r m i c apv1r 1E2tg1r 1r 22tg11pv 2r 2E2tg 2r 2r 1tg
2pv1r 2tg1pv 2r 1tg 2Dac primul strat este aer 1 U1 d1 U d1U.r1r
21r 22Ud2d22OBS: n absena aerului, intensuitatea cmpului electric n
dielectric ar fi :E20 Ud 2iar n prezena stratului de aer :Rezult: E
E1 202 d1U UU U1 d12r 222d2 1 , r 2 d 2 unde E2 reprezint
intensitatea cmpului electric n materialul dielectric n prezena
stratului de aer.E21.E201 rd1d 22E21E200.8r210.6 2Urd10.42d2r2 10
0d10. 2 0.4 0.60.8 11.2 1.4d 2Fig. 5.4 Efectul stratului de aer
asupra intensitii cmpului electric n dielectricul
degrosimed2.Concluzii :6 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r
s i e e l e c t r o t e r m i c a- puterea disipat n materialul
dielectric se poate modifica, la U = ct. (tensiunea de alimentare
constant) prin modificarea distanei dintre electrozi, respectiv a
grosimii stratului de aer(aceasta este o metod foarte comod de
reglare a puterii n instalaiile capacitive);intensitatea
cmpuluielectric n aer este cu att mai mare cu ct crete. r 2 OBS :
Nivelul tensiunii de alimentare depinde de rigiditatea dielectric a
aerului, alegndu-se astfelnct EEstr.a2E1 r 2 ; E E EEar 1a2E2r 11r
2Deci, valoarea maxim a densitii de putere care poate fi disipat n
dielectric este:p 2 f Estr2 tg fEstr2 tgv max0r 22r 2 20r 2-dac
ambele straturi sunt dielectrice, materialul avnd constanta
dielectric r maimare se nclzete mai ncet (se pot realiza astfel
nclziri selective, concentrndu-seputerea dezvoltat n anumite zone
ale produsului nclzit).5.3. FRECVENA TENSIUNII DE
ALIMENTAREAlegerea frecvenei este condiionat de :- frecvenele de
lucru admise d p d v al perturbrii canalelor de telecomunicaii;-
variaia factorului de pierderi r tg al dielectricelor cu frecvena i
temperatura;- apariia fenomenelor de propagare a undei tensiunii
de-a lungul armturilor condensatorului de lucru, ceea ce determin o
nclzirea neuniform a materialului dielectric(se impune, deci,
limitarea superioar a frecvenei de propagare a undei de tensiuni)n
conformitate cu acordurile internaionale, pentru nclzirea capacitiv
s-au alocat frecvenele : 13,56 ; 27,12 i 40,68 MHz (abateri mai
mari de 0,05% se admit numai dac se ecraneaz generatorul
electronic, condensatorul de lucru i cablul de alimentare a
generatorului, iar carcasa acestuia e legat la priza de pmnt).OBS.
r i tg depind de frecven i temperatur , iar in procesele de uscare
exist i o dependen de gradul de umiditate a materialului.7 | P a g
e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c
aMrimea factorului de pierderir tg permite aprecierea posibilitii
de nclzire capacitiva unui material i alegerea frecvenei de lucru
(pentru r tg 0,001 nclzire imposibil !)La frecven constant,
putereaabsorbit de dielectric se modific n cursul procesului
denclzire, avnd un caracter cresctor sau cobortor, funcie de
temperatur .n acest context, se impune acordarea continu a sarcinii
generatorului electronic dealimentare, prin circuite cu
condensatoare sau bobine variabile.Pentru o bun uniformitate a
nclzirii, lungimea de und medie n vid a tensiunii dealimentare
trebuie s satisfac relaia: 0 13,8 l runde l este distana de la
punctul de alimentare a armturilor condensatorului pn la marginea
lor cea mai ndeprtat.OBS : Dac dimensiunile dielectricului sunt
mari se recurge la alimentarea n mai multe puncte a armturilor
condensatorului de lucru (puterile acceptabile d.p.d.v. tehnologic
se pot obine numai cu frecvene ridicate).5.4. TIMPUL DE
NCLZIREDeoarece temperaturile de nclzire sunt reduse ( 2500 C ),
timpii de nclzire sunt foarte mici i pierderile termice sunt
neglijabile la nclzirea capacitiv.Se poate admite, deci, c ntreaga
putere dezvoltat determin creterea temperaturii materialului
dielectric procesat.Bilanul energetic va fi: pv c t ,unde -
reprezint densitatea materialului dielectric procesat; c- cldura
masic a materialului dielectric procesat; - creterea de temperatur
a materialului.2 0 E 2 r f tg c t iar timpul de nclzire va fi:t=c 2
0r f ( tg ) E 28 | P a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e
l e c t r o t e r m i c a5.5. ECHIPAMENTE PENTRU NCLZIREA
CAPACITIVEchipamentele pentru nclzirea capacitiv conin n principal
(Fig. 5.6):un generator de radiofrecven; un adaptor al sarcinii la
generator; un amplificator al capacitii electrice. 5.5.1
Aplicatoaren funcie de natura i forma produsului procesat, precum i
de varianta de nclzire (continu sau discontinu) exist o mare
diversitate de aplicatoare. n practic s-au impus urmtoarele tipuri
de aplicatoare:~~R=GENERATOR123ADAPTOR 45 6APLICATOR 7Fig. 5.5
Schema bloc a unei instalaii de nclzire capacitiv1 transformator de
nalt tensiune; 2 - redresor; 3 - oscilator; 4- circuit acordat; 5 -
circuit de cuplare;6 - circuit de adaptare; 7 - sarcinaa) Aplicator
cu electrozi plaiA B C8GRFGRFGRF69 | P a g e - S i s t e m e d e c
o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a3751Fig. 5.6 Instalaie
de nclzire cu aplicator cu electrozi plai1 material; 2-band
transportoare perforat (permite evacuarea umezelii); 3 electrozi
(cel inferior este perforat pentru a permite evacuarea aerului
umed); 4- sistem de evacuare a aerului umed;5 - bobin (mpreun cu
sistemul de electrozi (3) formeaz un circuit oscilant pe frecvena
de lucru);6- generator de radiofrecven; 7- incinta cuptorului;
8-redresor.materialul este fixat ntre armturile unui condensator
plan sau se deplaseaz ntre acestea; materialul poate fi n contact
cu electrozii, sau unul din electrozi este deplasabil pentru a
asigura reglarea puterii dezvoltate. Aplicatorul cu electrozi plai
din Fig. 5.6 se folosete pentru uscarea materialelor de form
regulat. n cazul corpurilor care au suprafee neparalele sau de form
neregulat se folosesc electrozi de form special.Exemplu:Fig. 5.7
Electrozi de form specialb) Aplicator cu electrozi n ghirland10 | P
a g e - S i s t e m e d e c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i
c a1231GRF4Fig. 5.8 Aplicator cu electrozi n ghirland1 electrozi;
2- linii de cmp; 3-material de nclzit; 4-generator
radiofrecvenAcest tip de aplicator utilizeaz 2 serii de electrozi
tubulari sau din bar, amplasai de-o partei de alta a produsului
(sub form de band sau fire) care trebuie nclzit. Electrozii
amplasai de aceeai parte sunt legai n paralel.Distana dintre
electrozi este reglabil ( se poate modifica puterea transmis). Se
asigur densiti de putere ntre 30 100 kW/m2. Liniile de cmp electric
sunt nclinate (nu perpendicular), fa de direcia de micare.c)
Aplicator n cmp distribuit321GRF4Fig. 5.9 Aplicator cu cmp
distribuitelectrozii sunt n form de tub, vergea sau inel; se
amplaseaz n acelai plan, de o parte a corpului de nclzit; doi
electrozi alturai au polariti opuse. Se utilizeaz pentru nclzirea
produselor sub form de benzi subiri (grosime 10 mm) - liniile de
cmp electric sunt paralele cu suprafaa produsului tratat, astfel
nct se obindensiti mari de putere.11 | P a g e - S i s t e m e d e
c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c aOBS. Dac lungimea
aplicatorului se apropie sau depete valoarea de /4 ( fiind lungimea
de und asociat frecvenei de alimentare) cmp neuniform datorit
atenurii tensiunii i apariiei undelor staionare, iar nclzirea este
neuniform.Eliminarea acestor efecte se poate face prin:conectarea
multipunct a aplicatorului la generator; conectarea unor unturi de
inducie n lungul sistemului de electrozi n cazul alimentrii pe la
una dintre extremiti.5.5.2 Surse de radiofrecven- constau din
oscilatoare autoexcitate cu una sau mai multe triode, avnd
tensiunea anodic de 5 ... 15 kV, furnizat de un redresor de nalt
tensiune.Unitile actuale furnizeaz puteri 600 kW, cu un randament
de 5570 %.LRF4C23LGCP15RGFig. 5. 10 Schema de principiu a unui
oscilator autoexcitat1 transformator de nalt tensiune; 2- redresor;
3- diod; 4- bobin de filtrare;5 circuit de reglare a puterii.5.5.3
Adaptoare de sarcinAdaptarea sarcinii este necesar pentru obinerea
unui randament maxim al sursei.12 | P a g e - S i s t e m e d e c o
n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c aAdaptarea se realizeaz
prin compensarea reactanei condensatorului de sarcin, cu bobine
conectate n serie sau paralel.Distana dintre generator i electrozi
trebuie s fie ct mai mic pentru a evita pierderile prin radiaie
electromagnetic i efect Joule n conductoarele de legtur.Obs.
nclzirea capacitiv se utilizeaz preponderent pentru nclzirea
materialelor de dimensiuni mari de form regulat (eventual plan) i
necesitnd densiti de putere redus.13 | P a g e - S i s t e m e d e
c o n v e r s i e e l e c t r o t e r m i c a
