INCALZIREA PRIN PIERDERI DIELECTRICE

INCALZIREA PRIN PIERDERI DIELECTRICE

1. Probleme generale

Incalzirea capacitiva (dielectrica) prin campuri electrice de frecventa ridicata se datoreaza curentilor de deplasare ce apar in materialele dielectrice, care sunt izolatori imperfecti, precum si a histerezisului dielectric.

Instalatiile industriale ce lucreaza pe acest principiu se utilizeaza la: sudarea foliilor de material plastic, obtinerea placilor aglomerate din lemn, uscarea materialelor pe baza de celuloza (celofibra, hartie, lemn), a materialelor textile, a miezurilor de turnatorie, a produselor alimentare (zahar, sare, faina) etc.

In cazul uscarii, energia campului electric va fi in cea mai mare parte absorbita de apa continuta in materiale, obtinandu-se in acest fel o uniformizare a gradului de umiditate, ceea ce prin alte procedee de incalzire necesita o supraincalzire, urmata de umidificare. Indiferent de materialul tratat, cantitatea de caldura dezvoltata in unitatea de timp este direct proportionala cu frecventa campului electric alternativ aplicat.

Incalzirea dielectrica prezinta o serie de avantaje, cum ar fi:

- timp de incalzire redus, ceea ce confera procesului tehnologic o productivitate ridicata;

- caldura se dezvolta in toata masa materialului (dielectricului), distributia temperaturii fiind relativ uniforma. Aceeasi distributie a campului termic nu poate fi obtinuta prin alte procedee de incalzire, intrucat dielectricii sunt materiale cu difuzivitate termica scazuta;

instalatia este nepoluanta si ocupa un spatiu redus.

2. Principiile incalzirii dielectrice

Incalzirea dielectrica se realizeaza prin introducerea materialului de incalzit intre placile unui condensator ce este conectat la circuitul anodic al unui oscilator (generator) de inalta frecventa (fig.14.1). Sub influenta campului electric, dipolii electrici moleculari se orienteaza in directia si sensul campului. La schimbarea polaritatii campului, reorientarea dipolilor este franata de actiunea dezordonata a agitatiei termice si se face cu intarziere datorita frecarilor de natura vascoasa (vascozitate electrica), prin intermediul carora energia electrica se transforma in energie termica.

La un dielectric ideal nu apar pierderi de energie activa deoarece curentul este in intregime capacitiv si are valoarea:

In cazul real, in dielectric apar pierderi datorita vascozitatii electrice si conductivitatii materialului, iar defazajul tensiune-curent este mai mic de 90˚ cu un unghi d numit unghi de pierderi dielectrice.

Daca se are in vedere schema echivalenta a unui condensator real, cu pierderi (fig.14.2-a), precum si diagrama fazoriala a curentilor pentru cazul considerat (fig.14.2-b), atunci valoarea P_d a pierderilor de putere in dielectric care se transforma in caldura va fi:

, [W]

unde:   R - rezistenta echivalenta ce corespunde pierderilor de energie activa, [Ω];

U - valoarea eficace a tensiunii alternative aplicata condensatorului, [V];

w p·f - pulsatia tensiunii de alimentare, [s^-1];

C - capacitatea condensatorului de lucru, [F];

tgδ - tangenta unghiului de pierderi dielectrice a carui valoare depinde de: natura materialului, frecventa, temperatura, intensitatea campului electric E=U/d si impuritatile din dielectric.

In ipoteza unui camp electric omogen intre placile condensatorului si neglijand efectele de capat, se poate scrie:

, [F]

unde: ε_o = 8,85·10^-12 - pemitivitatea vidului , [F/m];

ε_r - permitivitatea relativa a dielectricului introdus intre placi;

S - suprafata unei placi, [m²];

d - distanta dintre placi, [m].

Cu aceasta valoare, expresia pierderilor in dielectric devine:

, [W]

cu:   S·d=V - volumul de material introdus intre placi, [m³],

, [F/m].

Puterile specifice in raport cu volumul V sau masa m a incarcaturii sunt:

puterea dezvoltata in unitatea de volum:

, [W/m³]

pierderile specifice pe unitatea de masa:

, [W/kg]

in care ρ este masa specifica a materialului, [kg/m³].

Puterea dezvoltata in dielectric se stabileste pe baza bilantului energetic care evidentiaza: incalzirea materialului pana la o anumita temperatura, intr-un interval de timp dat; incalzirea pentru transformari de faza; schimbarea starii polimorfe sau pentru efectuarea unor reactii chimice; acoperirea pierderilor termice in mediul ambiant.

In cazul particular al proceselor de uscare, temperatura finala a produsului nu depaseste 150˚C, deci pierderile termice prin conductie, convectie si radiatie se pot neglija, iar ecuatia de bilant termic poate fi pusa sub forma:

, [J]

care integrata conduce la valoarea puterii specifice medii P_dm necesara incalzirii unui kilogram de dielectric, caracterizat prin caldura specifica c [J/kg grd] si temperaturile initiala θ₁ si finala θ₂, in intervalul de timp t₁..t₂:

, [W/kg]

Viteza de incalzire dθ/dt este direct proportionala cu frecventa si intensitatea campului electric, iar valori suficient de ridicate ale acestui parametru se obtin pentru frecvente mai mari de 10MHz si la campuri de maxim 10⁷V/m (la campuri mai ridicate apare pericolul de conturnare).

3. Alegerea frecventei de lucru

Puterea, respectiv cantitatea de caldura dezvoltata intr-un dielectric sunt direct proportionale cu frecventa, cu patratul intensitatii campului electric si cu produsul ε_r·tgδ, denumit factor de pierderi.

Unul din principalii parametri functionali ai unei instalatii de incalzire dielectrica este frecventa acesteia, care se adopta tinand seama de:

- frecventa de lucru sa fie conforma normativelor care stabilesc domeniul frecventelor industriale si urmaresc evitarea perturbarii canalelor si dispozitivelor de telecomunicatii;

- variatia factorului de pierderi ε_r·tgδ cu frecventa si temperatura, intrucat modificari importante ale acestuia pot conduce la scaderea puterii disipate in dielectric;

- aparitia fenomenelor de propagare a undelor electromagnetice de-a lungul armaturilor condensatorului.

Frecventele de lucru fiind de ordinul zecilor sau sutelor de megahertzi, se impune: ecranarea generatorului electronic, a condensatorului de lucru si a cablului de alimentare, prevederea de filtre LC pe conductoarele de alimentare ale generatorului; carcasa generatorului sa fie legata la o priza de pamant eficace, cu o rezistenta maxima admisa de 2 ohmi.

Marimea factorului de pierderi ε_r·tgδ permite aprecierea posibilitatii de incalzire dielectrica a unui material. Astfel, la valori supraunitare incalzirea este buna, intre 1 si 0,1 este posibila, iar sub 0,1 aceasta devine practic imposibila.

La frecventa constanta, puterea absorbita de dielectric se modifica in cursul procesului de incalzire (variaza ε_r·tgδ) si are un caracter crescator sau coborator.

Daca factorul de pierderi ε_r·tgδ creste cu temperatura, procesul de incalzire va incepe la o valoare scazuta a puterii generatorului pentru a asigura o rezerva de putere. In cazul in care puterea limita a sursei este depasita inainte de a atingerea temperaturii finale, generatorul este deconectat prin protectia de suprasarcina.

Daca factorul de pierderi ε_r·tgδ scade cu temperatura, procesul de incalzire va incepe la valoarea maxima a puterii generatorului pentru a atinge temperatura finala a materialului pe durata stabilita a procesului tehnologic.

Marimea frecventei de lucru este limitata superior de aparitia fenomenului de propagare de-a lungul armaturilor condensatorului (cand aceasta are suprafata mare), ceea ce duce la modificarea campului electric si implicit, la neuniformitatea incalzirii.

Daca dimensiunile dielectricului sunt mari, se recurge la alimentarea in mai multe puncte a condensatorului de lucru (fig.14.3) ce permite frecvente de lucru ridicate si puteri specifice de volum apreciabile. Alimentarea se poate face in trei puncte (fig.14.3-a) sau intr-un singur punct central (fig.14.3-b), caz in care se utilizeaza inductante fara miez pentru reducerea neuniformitatilor campului electric.

Inductantele, impreuna cu portiuni ale placilor din jurul punctelor de conexiune, se acordeaza pe frecventa de lucru a generatorului. In acest caz, in punctele de conexiune a inductantelor, tensiunile sunt in faza si au acelasi modul. In decursul procesului de incalzire acordul se reface daca parametrii dielectricului se schimba.

4. Campul electric intre armaturile unui condensator de lucru plan

Campul electric ce se stabileste intre armaturile unui condensator plan, ce contine un dielectric, are valoarea:

, [V/m]

Sunt frecvente cazurile in care materialele ce se incalzesc se compun din mai multe straturi de dielectrici diferiti, dispusi paralel sau perpendicular pe armaturile condensatorului.

In cazul a n straturi de dielectric paralele cu armaturile condensatorului, asociind fiecarui condensator (format din acelasi material) o schema echivalenta (fig.14.4) si neglijand efectele de capat obtinem pentru puterea specifica pe unitatea de volum a stratului k expresia:

, [W/m³]

sau

, [W/m³]

si se observa ca incalzirea maxima are loc in stratul in care raportul tgδ_k/ε_rk este maxim, unde tgδ_k si ε_rk sunt tangenta unghiului de pierderi si permitivitatea relativa a stratului k.

In cazul particular, cand intre armaturile condensatorului de lucru exista un strat de aer (de grosime d₁ si ε_r1=1) si unul de material dielectric (d₂ si ε_r2), campurile electrice in aer (E₁) si dielectric (E₂) au expresiile:

si

din care se desprind urmatoarele concluzii:

- intensitatea campului electric in stratul de aer este mai mare decat intensitatea campului electric in dielectric;

- intensitatea campului electric in aer creste proportional cu permitivitatea dielectricului, pe cand in dielectric intensitatea campului electric scade;

- prin apropierea armaturii superioare de dielectricul avand o grosime constanta (se reduce grosimea stratului de aer) intensitatea campului electric creste in ambele straturi, dar mai mult in aer.

Conform ultimei concluzii, puterea dezvoltata in dielectric se poate modifica la U=ct. prin variatia grosimii stratului de aer, dar valoarea maxima a acestei puteri este de cel mult:

in care este amplitudinea intensitatii campului electric la care are loc strapungerea stratului de aer (E_str = 35 kV/cm).

In cazul unui material format din n straturi de material dielectric, perpendiculare pe armaturile condensatorului, puterea dezvoltata in unitatea de volum a stratului k este:

, [W]

relatie dedusa in aceleasi conditii ca si in cazul precedent.

Se observa ca pentru stratul care factorul de pierderi ε_rk·tgδ_k=max. cantitatea de caldura degajata va fi maxima.

5. Generator electronic industrial pentru incalziri prin pierderi dielectrice

Generatorul electronic industrial de tip GIF-1,5c-20 este destinat preincalzirii pastilelor de bachelita in vederea turnarii sau pentru tratamentul termic al maselor plastice si similarelor acestora. Puterea debitata la frecventa de 15..25 MHz este de 1,5kW, la o tensiune de aproximativ 3kV   si un curent de 0,5.0,6A.

Schema de forta a instalatiei (fig.14.5) cuprinde filtrul de retea FR, sigurantele automate S₁, S₂ si S₃, transformatorul ridicator de tensiune TIT ce alimenteaza redresorul cu tuburi electronice (gazotroane) T₁,T₂ si T₃, de la care inalta tensiune se aplica tubului oscilator TO (trioda de putere cu gaz).

Schema de comanda are in componenta: intrerupatorul general de comanda I; transformatorul TBA de alimentare a circuitului de suprasarcina si a lampii se semnalizare cu montura alba, notata cu BA; transformatorul ferorezonant TFTO care alimenteaza filamentele tubului oscilator TO cu tensiune constanta; transformatorul TFTR pentru alimentarea filamentelor tuburilor redresoare T₁..T₃;   ventilatorul V de racire a tubului de emisie; contorul de ore CH; releul termic RT;

releul de suprasarcina RS; releul de lucru RL.

Dupa ce releul termic RT a lucrat, se apasa pe butonul de pornire BP si daca microintreruptoarele actionate de usi (MU₁, MU₂) si capac (MC₁, MC₂) sunt inchise, cupleaza contactorul C, se pune sub tensiune transformatorul ridicator TIT si intre placile condensatorului de lucru CL avem un camp electric de frecventa ridicata. In acelasi timp, se aprinde lampa cu montura verde BV si incepe sa lucreze releul RL ce determina durata procesului de incalzire.

In caz de avarie, ca de exemplu aparitia conturnarilor sau a strapungerii dielectricului, schema este scoasa de sub tensiune de catre releul de suprasarcina RS si se aprinde becul cu montura rosie BR. Dupa inlaturarea defectului (prin indepartarea armaturilor), pentru repornire se apasa pe butonul de deblocare a avariei BAV si apoi din nou pe butonul BP.

5. Desfasurarea aplicatiei

- Se va studia cartea tehnica a instalatiei "Generator electronic industrial pentru incalziri prin pierderi dielectrice" tip GIF-1,5c-20;

- Se vor identifica elementele componente ale instalatiei si se va explica functionarea schemelor de forta si de comanda;

- Se vor incalzi diferite probe de material format din unul sau mai multe straturi, masurandu-se temperaturile finale;

- Se va determina intensitatea campului electric si pierderile dielectrice in unitatea de volum pentru diferite distante dintre placi. Tensiunea de lucru, in valoare eficace este de 3000V, iar curentul anodic se va citi pe aparatul de pe panoul frontal;

- Se consemneaza concluziile studiului efectuat.