1

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 także do nagrzewania pół-
przewodników) jest efektem różnych rodzajów polaryzacji. Efekt nagrze-
wania wzmacniają niekiedy zjawiska przewodnictwa jonowego, elektrono-
wego i dziurowego.

Kompleksowość ujęcia użytkowych 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.

2

2

P

S

P

tg

−

=

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 różnych 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.

2

Przy polaryzowaniu wsad pochłania energię, lecz z chwilą gdy pole ją wy-
wołujące znika, pod wpływem siły przeciwdziałającej ładunki wracają do
zwykłych położeń, 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 zużywa się na tarcie i przemieszczanie się dipoli czyli na tzw.
straty dipolowe, wydzielające się we wsadzie pod postacią ciepła użyteczne-
go.

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

εεεε

εεεε

εεεε

′′

−

′

=

j

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

εεεε

εεεε

δδδδ

′

′′

=

p

tg

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

εεεε

ω

ωω

ω

γγγγ

εεεε

ω

ωω

ω

γγγγ

εεεε

ω

ωω

ω

εεεε

ω

ωω

ω

γγγγ

εεεε

εεεε

δδδδ

′′′′

====

′′′′

++++

′′′′′′′′

====

′′′′

++++

′′′′

′′′′′′′′

====

e

tg

gdzie

γγγγ

jest konduktywnością wsadu zaś

e

γγγγ

nosi miano konduktywności

efektywnej wsadu

δδδδ

εεεε

ω

ωω

ω

γγγγ

tg

e

′′′′

====

A więc

p

tg

δδδδ

≈≈≈≈

δδδδ

tg

tylko wtedy gdy polaryzacji nie towarzyszy efekt Joule'a

czyli gdy można założyć, iż

0

≈

γγγγ

.

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

2

2

2

1

E

tg

E

J

p

e

R

e

V

δδδδ

εεεε

ω

ωω

ω

γγγγ

γγγγ

′

=

=

=

3

Gdzie

R

J

jest gęstością prądu strat generowanych w wyniku zjawiska pola-

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

Ponieważ przenikalność elektryczna względna wsadu

0

r

εεεε

εεεε

εεεε

′′′′

====

′′′′

zaś

f

2

ππππ

ω

ωω

ω

====

,

to po uwzględnieniu, że

m

/

F

10

85

.

8

12

0

−−−−

⋅⋅⋅⋅

====

εεεε

2

r

11

V

E

tg

f

10

56

.

5

p

δδδδ

εεεε

′′′′

⋅⋅⋅⋅

====

−−−−

Z przytoczonych wzorów wynika, że zwiększenie mocy grzejnej we wsadzie
można uzyskać poprzez zwiększenie natężenia pola elektrycznego bądź czę-
stotliwości. Natężenie pola elektrycznego E nie może jednak przekroczyć
wartości wywołującej przebicie elektryczne materiału. Konieczność ograni-
czenia E jest powodowana ponadto czynnikami konstrukcyjnymi układów
zasilających i względami bezpieczeństwa. Wówczas jedyną możliwością
zwiększenia

V

p

jest podwyższenie częstotliwości osiągającej w praktyce war-

tości rzędu kilkudziesięciu megaherców.

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

r

ε

′

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

4

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

3

pozwala-

ją przy wykorzystaniu równania Fouriera-Kirchhoffa określić pole tempe-
ratur we wsadzie.
Mimo wielkiej różnorodności geometrii układów grzejnych i warunków
granicznych, wiele rozwiązań ma pewną cechę wspólną, co widać z rys. 7.9.
Otóż przy nagrzewaniu wsadów jednorodnych najwyższe temperatury wy-
stępują w obszarach wewnętrznych wsadu. Ma to bardzo duże znaczenie
przy zgrzewaniu materiałów, ponieważ najwyższą 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.

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 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 także moce
pojemnościowych urządzeń grzejnych. Otóż urządzenia buduje się na moce
wyjściowe (czyli wielkiej częstotliwości) od kilku kilowatów do 1,6 MW.
Stąd też używa się lampowych generatorów mocy oraz lampowych rezo-
nansowych wzmacniaczy mocy, najczęściej w wersjach jednolampowych.
Na jednej lampie można już budować układy o mocy wyjściowej do l MW.

Generatorem mocy jest wzmacniacz ze sprzężeniem 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 niezależnego 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 niezależnym.

6

Nagrzewnice i piece pojemnościowe – zastosowania

1. Zgrzewanie

Do realizacji tej technologii, zwłaszcza przy obróbce tworzyw termopla-
stycznych, wykorzystuje się urządzenia pojemnościowe z członami podsta-
wowymi w postaci zgrzewarek, zaliczanych do kategorii nagrzewnic czyli
członów nie mających komory. Zgrzewarka jest wyposażona 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 pojem-

nościowych:

7

a) asymetryczny z elektrodą odcinającą kombinowaną, b) symetryczny,
c) asymetryczny, d) asymetryczny z elektrodą odcinającą prostą, e) asyme-
tryczny 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 - sprężyna kontaktowa, 10 – pianka

Rys. 7.16. Typowe czasy zgrzewania folii termoplastycznych o różnych gru-

bościach (czas zgrzewania wynika z różnych właściwości folii
oraz różnic w charakterystykach generatorów)

8

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 używa 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 też 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 przedłużenia czasu przydatności do spożycia artykułów żywnościo-
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-
żywczych 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 także środki lekarskie (wata,
opatrunki, nici chirurgiczne, zastrzyki, maski lekarskie) i farmaceutyki.

Konserwowanie to też dezynsekcja szkodników ze względu na znacznie
większą ich stratność elektryczną aniżeli ta jaką mają przechowywane pro-
dukty. Mamy tu więc do czynienia z nagrzewaniem selektywnym szkod-
ników przy szybkościach 0,5 ÷ 2,0 K/s. Zużycie właściwe energii w takim
procesie jest jednak dość duże (ok. 15 kW·h/Mg) i dlatego może być on bra-
ny pod uwagę np. do dezynsekcji zbóż i nasion selekcjonowanych.

4. Rozmrażanie i pieczenie

Bardzo pozytywne efekty w sensie technologicznym i ekonomicznym uzy-
skuje się przy rozmrażaniu pojemnościowym mięsa, ryb, masła. Duże bloki
mięsa ze stanu głębokiego zamrożenia (zwykle -20°C) do temperatury rzędu
0°C rozmarzają przy temperaturze otoczenia 10 ÷ 15°C w czasie 48 ÷ 72 h.

9

Towarzyszy temu, szczególnie gdy mięso jest bez kości, ubytek 8 ÷ 12% ma-
sy i istotne obniżenie jakości (wskutek rozrywania błon komórkowych). Po-
nadto rośnie zagrożenie bakteryjne. Przy rozmrażaniu 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

10

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 wyposażenie w suszarki pojemno-
ściowe maszyn papierniczych o szerokości wstęgi papieru większej niż 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 także kleje na bazie wody, polialkohole winylowe,
dekstryny, samouszczelniające lateksy i akryle, produkty rolne, żelatynę,
sól, farmaceutyki, wełnę w belach, forniry, farbę drukarską na bazie wody,
żywice wygłuszające do samochodów, żywice 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 służą do doprowa-
dzenia energii do wsadu i właściwego ukształtowania natężenia 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.

11

Rys. 7.19. Przykłady układów grzejnych przy pojemnościowym klejeniu

elementów drewnianych.

F -

siła dociskająca klejone elementy