Încălzire în Radiofrecvență

ÎNCĂLZIREA ÎN CĂMP DE RADIOFRECVENŢĂ A DIELECTRICILOR

1.1 . Introducere

În procedeele de încălzire clasică a materialelor dielectrice căldura este transmisă la suprafaţa materialului prin convecţie sau radiaţie şi pătrunde în interior prin conducţie termică. Conductivitatea termică a acestor materiale fiind foarte scăzută, transferul de căldură se face foarte lent şi astfel creşte durata procesului de încălzire, cresc pierderile termice şi diferenţa de temperatură în interiorul materialului.

Însă materialele dielectrice se pot încălzi în cîmpuri de R.F. (radiofrecvenţă). Încălzirea în acest caz se bazează pe pierderile de putere datorate faptului că dielectricul nu este perfect izolant (prezintă o rezistenţă finită, deci apar pierderi electrice prin conducţie) şi pe pierderile datorate fenomenului de histerezis dielectric (orientarea dipolilor electrici moleculari ai dielectricului nu poate urmări variaţiile de sens ale câmpului electric alternativ aplicat deoarece i se opune agitaţia termică - fenomenul de vâscozitate electrică).

Intensificarea procesului de uscare este legat de specificul şi particularităţile ei, şi trebuie să se realizeze cu condiţia asigurării unei calităţi înalte a produsului finit şi a cheltuielilor specifice minime. De regulă, pentru intensificarea procesului de uscare şi ridicarea eficacităţii economice de lucru a instalaţiilor de uscare în radiofrecevențî se folosesc diferite modalităţi (metode):

1. Folosirea câmpurilor cu temperaturi înalte (mai mari de 1000 C). Totodată trebuie să se ţină cont de rezistenţa de temperatură şi rezistenţa de căldură a fiecărui produs concret şi de asemenea, menţinerea substanţelor biologice active în acesta produse;

2. Folosirea de noi metode combinate de influenţă a căldurii.

3. Utilizarea metodelor electrofizice de influenţă: razele infraroşii (IR) şi lămpile cu descărcare în gaze (LDG), UHF şi SHF şi combinarea lor cu metode tradiţionale de aport de energie.

1.2. Domeniile de utilizare ale încălzirii în radiofrecvență

Incălzirea în radiofrecvență se utilizează cu precădere în:

a) industria alimentară (uscarea laptelui, deshitratarea fructelor, coacerea biscuiţilor, sterilizarea produselor, dezgheţarea produselor congelate);

b) industria chimică (uscarea produselor sub formă de granule, pudră sau tablete);

c) industria lemnului (lipirea semifabricatelor, uscarea produselor);

d) industria construcţiilor de maşini (uscarea miezurilor de turnătorie, confecţionarea tuburilor din oţel acoperite cu fibre de sticlă);

e) industria electrotehnică (confecţionarea produselor din materiale termoplastice, fabricarea plăcilor şi cilindrilor din pertinax, stratitex sau sticlostratitex).

Încălzirea în radiofrecvență oferă următoarele avantaje:

- căldura se dezvoltă în întreaga masă a dielectricului, rezultând o distribuţie uniformă a

temperaturii;

- timpul necesar încălzirii este redus, iar productivitatea procedeului este ridicată;

- instalaţiile de încălzire sunt simple şi cu un gabarit redus.

1.3. Puterea necesară încălzirii unui dielectric

În instalaţiile de încălzire în radiofrecvență, materialul procesat este introdus între armăturile unui condensator de lucru (numit aplicator) alimentat de la un generator de Î.F. , în limitele 0,3...100 MHz.

a) b) c)

1 – sursa de alimentare; 2 – plăcile condensatorului de lucru; 3 – materialul procesat.

Fig. 1.1 Încălzirea capacitivă: a – schema de principiu; b – schema electrică echivalentă;

c – diagrama fazorială.

1.3.1. Cazul materialelor dielectrice omogene

Materialul dielectric omogen introdus între armăturile unui condensator determină unghiul de defazaj capacitiv între fazorii I şi U, φ < /2, conform Fig. 1.1.c. (defazajul între curent şi tensiune în cazul unui condensator ideal, fără pierderi dielectrice, este /2).

= /2 – φ este unghiul de pierderi dielectrice

Dielectricii pot fi reprezentaţi printr-o schemă echivalentă de tipul celei din Fig.1.1.b., ca şi nişte condensatoare cu pierderi. În Fig. 1.1.b. C este un condensator ideal, iar R este un rezistor în care apar aceleaşi pierderi ca şi în materialul dielectric analizat.

Puterea activă disipată în materialul dielectric este :

Conform diagramei fazoriale,

,

deci:

şi

Dar curentul capacitiv IC se poate exprima astfel :

Rezultă pentru puterea activă disipată în materialul dielectric expresia:

Capacitatea unui condensator plan este dată de relaţia:

,

unde : A – reprezintă aria suprafeţei electrozilor; d – distanţa dintre electrozi.

Rezultă că:

Notând cu V = A d volumul materialului procesat, se obţine pentru puterea activă disipată în materialul dielectric:

Dar este intensitatea câmpului electric exterior, astfel încât puterea specifică (pe unitatea de volum) va fi:

.

Concluzii:

1. Puterea specifică disipată în materialul dielectric este direct proporţională cu frecvenţa,

pătratul intensităţii câmpului electric (E2) şi cu factorul de pierderi ( );

2. Puterea dezvoltată în materialul dielectric se consumă pentru încălzirea acestuia până la o anumită temperatură (într-un timp determinat) şi (eventual) pentru transformări de fază, schimbarea stării polimorfice, efectuarea unor reacţii chimice şi pentru acoperirea pierderilor termice în mediul ambiant;

3. Pentru a obţine o puterea specifică cât mai mare este necesar să se lucreze cu o valoare a intensităţii câmpului electric maxim posibilă.