Энергоэффективные технические средства локального обогрева на основе наноструктурных композиционных электрообогревателей для АПК

Размещено на http://www.allbest.ru/

Энергоэффективные технические средства локального обогрева на основе наноструктурных композиционных электрообогревателей для АПК

Халина Т.М., Дорош А.Б.

Предлагаются технические средства локального поверхностно-распределенного обогрева на основе наноструктурных многоэлектродных композиционных электрообогревателей, работающих в режиме саморегулирования. Приведены метод расчета электрической проводимости электрообогревателей и результаты экспериментальных исследований наноструктуры электропроводного слоя.

Ключевые слова: энергоэффективная система подогрева, многоэлектродный композиционный электрообогреватель, саморегулирование, электрическая проводимость

В современных условиях роста цен на энергоносители и ограничения доступности и высокой стоимости импортного оборудования разработка и внедрение инновационных энергосберегающих технологий и технических средств в сельском хозяйстве приобретают особую значимость и актуальность.

К их числу относятся вопросы создания энергоэффективных систем локального обогрева производственных и социально-значимых объектов АПК, в т.ч. напольного обогрева молодняка животных, водоводов и поилок, подогрева и сушки зернового материала, обогрева трехфазных счетчиков электроэнергии и контейнеров для средств телекоммуникации и связи. Известные современные широко используемые технические средства обогрева, обладая в отдельности несомненными достоинствами, такими как: диэлектрическая прочность, стабильное электрическое сопротивление, возможность саморегулирования, не обеспечивают комплекс свойств, необходимых для надежного энергоэффективного функционирования (Таблица 1). Поэтому разработка технических средств энергоэффективного поверхностно-распределенного электрообогрева с заданными электро-, теплофизическими характеристиками в сочетании с работой в режиме саморегулирования и возможностью функционирования во влажных и агрессивных средах позволяет решить проблему, представляющую важное научно-техническое значение.

Таблица 1 - Технические средства локального обогрева

Для этой цели предлагается использовать наноструктурные многоэлектродные композиционные электрообогреватели (МКЭ) на основе бутилкаучука (БК) пластинчатого типа (Рисунок 1), представляющие собой систему, преобразующую электрическую энергию в тепловую, обеспечивая заданную температуру на поверхности и соответствующие электро-, теплофизические и физико-механические характеристики [1].

Рисунок 1 - Наноструктурный композиционный электрообогреватель пластинчатого типа (общий вид); 1,2-изоляционные слои, 3-электропроводящий слой; 4-электроды; 5- токоподводы; B, L, L1, h, l, t, a,n - геометрические размеры МКЭ

В наиболее общем виде данные электрообогреватели содержат расположенный между изоляционными слоями 1 и 2 наноструктурный электропроводящий слой 3 с размещенными в нем электродами или системой электродов 4 и токоподводы 5. Электропроводящий слой МКЭ изготавливается на основе кристаллизующегося бутилкаучука БК 1675 с наполнителями в виде технического углерода (ТУ) промышленных марок, стеарина и дополнительных функциональных ингредиентов.

На основе анализа особенностей структуры электрического поля в квазиоднородной среде наполненных полимеров и установленных методом конмформных отображениий и непосредственного определения напряженности поля Е соотношений координат исходной и отображенной плоскостей удалось прямым расчетом определить электрическую проводимость композиционных электрообогревателей с двумя двух-и трехэлектродными системами, с тремя, пятью, девятью и т.д. электродами для различных соотношений конструктивных параметров в соответствии с требованиями эксплуатации и особенностями технологического процесса изготовления [2, 3]. Полученное общее решение явилось теоретической основой создания инженерных методик расчета и проектирования МКЭ, обеспечивающих заданную температуру рабочей поверхности и равномерность ее распределения [4]. Для плоскопараллельных расчетных моделей (Рисунок 2 а, б) примем заштрихованную область за часть плоскости комплексного переменного и конформно отобразим их на верхнюю полуплоскость комплексного переменного ж (Рисунок 2 в, г) таким образом, чтобы соблюдалось соответствие точек исходной и отображенной плоскостей согласно отображающим функциям [2, 3]:

, (1)

, (2)

где - эллиптический синус, k₀ и - значения модулей эллиптических синусов, определяющих отношения для прямоугольников в плоскости .

Значения модуля k₀ в общем случае находятся из соотношения:

, (3)

где и - полные эллиптические интегралы первого рода с модулями , для системы с двойными электродами и , для систем с тройными электродами соответственно

Рисунок 2- а, б - расчетные модели электрообогревателей с различным расположением копланарных электродов, в, г-системы в отображенной плоскости; 1-6 электроды, 7- электропроводный композиционный материал

Знания абсолютных значений параметров отображения при расчете электрической проводимости МКЭ не требуется, так как они зависят лишь от соотношений между указанными параметрами.

В соответствии с известной методикой [2] значения модуля определяются по приближенной формуле:

(4)

где .

Предлагаемый алгоритм позволяет определить значения из решения трансцендентного уравнения (3) для различных отношений [5].

Численные значения модулей k₀ и и соответствующие им значения полных эллиптических интегралов и , рассчитанные по предлагаемому методу для системы с двойными электродами, в сравнении с аналогичными контрольными значениями, приведенными в [3], представлены в таблицах 2,3. электрообогреватель саморегулирование локальный

Таблица 2- Значения модулей полных эллиптических интегралов первого рода

* значения, рассчитанные в соответствии с предлагаемым методом.

Таблица 3 - Значения полных эллиптических интегралов первого рода

Полученные данные, представленные таблицах 2 и 3, свидетельствуют о соответствии приведенных значений и возможности использования предлагаемого метода расчета k₀ , и , для определения безразмерной проводимости G_l/? электрообогревателей.

В случае использования приближенной формулы расчета k₀ при отношениях для систем с двойными электродами и для систем с тройными электродами значения стремятся к единице и расчет электрической проводимости между системами электродов G_l/? становится невозможным. Для применяемых на практике электрообогревателей следует выбирать отношения , отвечающие требованиям эксплуатации. Использование для определения точной формулы позволяет осуществить выполнение расчетов с точностью до 42 знака после запятой, что дает возможность расширить диапазон изменения конструктивных параметров электрообогревателей, для которых может быть рассчитана электрическая проводимость. Данные расчета безразмерной проводимости G_l/? при различных отношениях представлены в таблице 4, полученная зависимость G_l/? от отношений для электрообогревателей с двойными электродами приведена на рис.3.

Таблица 4 - Значения безразмерной проводимости G_l/?

Рисунок 3 - График зависимости безразмерной проводимости Gl/? от отношений, 1- при расчете с использованием приближенной формулы расчета и отношении (2а+n)/h=0,4; 2 - при расчете по предлагаемому методу и отношении (2а+n)/h=0,4; 3 - при расчете с использованием приближенной формулы расчета и отношении (2а+n)/h=1; 4- при расчете по предлагаемому методу и отношении (2а+n)/h=1

Как показано на рисунке 3, с увеличением отношения значения G_l/? - уменьшаются, незначительно изменялась в зависимости от отношения (2а+n)/h, причем наибольшее G_l/? составляет 0,68 при (2а+n)/h=1, что согласуется с физическими представлениями о работе электрообогревателей.

Полученная зависимость G_l/? от конструктивных параметров в широком диапазоне изменения используется при проектировании МКЭ для обогрева крупногабаритных и протяженных объектов.

Наиболее экономичными с точки зрения удельного расхода электроэнергии являются обогреватели, работающие в режиме саморегулирования мощности в зависимости от температуры окружающей среды. Для реализации работы наноструктурных МКЭ в этом режиме необходимо обеспечить их функционирование с отрицательным температурным коэффициентом, что достигается направленным выбором композиции электропроводящего слоя при следующем соотношении компонентов, масс.%: бутилкаучук - 59-60; ТУ - 19,5-21,1; стеарин - 1,44-1,53; дополнительные ингредиенты - 16,86ч19,46, и параметров технологического процесса его изготовления [1].

Оценка свойств ингредиентов композиционного материала (КМ), однородности смеси, структурообразования технического углерода в полимерной матрице требуют анализа структуры электропроводящего слоя. Экспериментальные исследования образцов наполненных полимеров с ТУ различных марок и концентраций были проведены комплексными методами оптической, сканирующей и просвечивающей дифракционной микроскопии во всем интервале масштабов от мезоуровней (размеры частиц от 1ч100 мкм) до микро-, субмикроуровней с размером частиц до 10нм. Проведенные исследования морфологии, гранулометрии, фазового состава и субструктуры включений исследуемых образцов показали: форма частиц включений разнообразна и изменяется от наиболее часто встречаемых осколочных до эллиптических, округлых и пластинчатых (рис. 4, а,б); гранулометрический состав включений определяется концентрацией и маркой наполнителя проводящей фазы, это характеризуется плотностью распределения частиц ТУ, о чем свидетельствуют микрофотографии вулканизатов (рис 4, а,б); фазовый состав, определенный путем индицирования микроэлектронограмм, показал, что основными экстрагированными частицами являются частицы ТУ с гексагональной кристаллической решеткой (рис. 4, в) и нанокристаллической структурой со средним размером формирующих эти частицы кристаллитов от 20ч25 нм до 40ч50нм. Микрофотография структуры частицы ТУ с размером кристаллитов 40нм и электронограмма, полученая с этой частицы, имеющая кольцевое строение и хорошо различимые точечные рефлексы, приведены на рис 4 ,в,г. Наряду с частицами ТУ фазовый анализ выявил наличие включений соединений СаСО₃, ВаSO₄, ZnS, ZnO, S в образцах КМ, что характеризует качество изготовления резиновых смесей и вулканизатов.

Рисунок 4 - Микрофотографии вулканизатов на основе бутилкаучука: а - с содержанием 52,5-м. д. ТУ №330 на 100 м. д. бутилкаучука, б - с содержанием 34 м. д. ТУ №330 на 100 м. д. бутилкаучука при увеличении 5000 крат.; в, г - электронно-микроскопическое изображение структуры частицы, присутствующей в вулканизате с 34 м.д. ТУ. Метод угольных реплик: в - светлопольное изображение, г - микроэлектронограмма к в.; на в, г представлена частица ТУ с гексагональной кристаллической решеткой. Стрелками указаны кристаллиты, формирующие данную частицу

Проведенные экспериментальные исследования позволили определить количественные и качественные характеристики отдельных структурных элементов образцов КМ, оценить зависимость формирования структуры проводящего наполнителя от его концентрации, технологии изготовления вулканизатов, выявить закономерности агломерации частиц наполнителя (ТУ), определяющие механизм электропроводности КМ. Так анализ электронных микрофотографий свидетельствует об образовании пространственной сетчатой структуры проводящего наполнителя в полимерной матрице, степени ее регулярности при его концентрации ТУ от 34 до 52,5 м.д. (рис 4 а, б). Кроме того, по микрообъемам полимера в каналах проводимости судят о преобладании связей полимер - проводящий наполнитель или проводящий наполнитель - проводящий наполнитель.

Полученные результаты позволяют управлять процессами структурообразования ТУ в бутилкаучуковой матрице и делают возможным работу наноструктурных МКЭ с заданными электро -, теплофизическими характеристиками, стабильными эксплуатационными параметрами в энергоэффективных режимах. Использование наноструктурных МКЭ для напольного обогрева в свинарнике маточнике и подогрева зернового материала снижают удельные энергозатраты в 1,5ч2 раза, при обогреве индукционных счетчиков в щитах учета электроэнергии в 2,5ч3 раза по сравнению с известными устройствами, уменьшение затрат электроэнергии на обогрев одного контейнера с оборудованием электронной связи составляет от 200 до 7000 кВт*ч для районов Алтайского края [7].

Список литературы

1 Пат. 2476033 РФ, МПК H 05 B 3/28. Способ изготовления композиционного электрообогревателя / Т.М. Халина, М.В. Халин, А.Б. Дорош - № 2011136621/07; заявл. 02.09.2011; опубл. 20.02.2013, Бюл. №5. - С. 8.

2 Иоссель, Ю.Я. Расчет электрической емкости / Ю.Я. Иоссель, Э.С. Кочанов, М.Г. Струнский. - Л.: Энергоатомиздат, 1981. - 288 с.

3 Халина, Т.М. Расчет электрической проводимости между системами электродов в композиционном электрообогревателе / Т.М. Халина // Электричество. - 2003. - №10. - С. 53-61.

4 Дорош, А.Б. Теоретическое обоснование методов расчета и проектирования низкотемпературных композиционных электрообогревателей для АПК / А.Б. Дорош, Т.М. Халина // Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства, 2008. - № 3 - 4. - С. 32 - 35.

5 Dorosh A.B. Energy-saving nanostructured composite electric heaters/ A.B. Dorosh, T.M. Khalina, M.V. Khalin, S.A. Guseinova/ Technical and Physical Problems in Power Engineering 11th International Conference - Bucharest, Romania, 2015. р.359-362

6 Дорош, А.Б. Энергоэффективные композиционные электрообогреватели для систем поверхностно - распределенного обогрева / А.Б. Дорош, Т.М. Халина, М.В. Халин // Ползуновский вестник. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2012, № 4. - С.110-115.

7 Халина, Т.М. Разработка энергоэффективных технологий обогрева и опытных образцов изделий на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей: отчет о НИОКР / Т.М. Халина, М.В. Халин, А.Б. Дорош, и др. // ЭнергоЭффектТехнология - ГР № 01201164482, ГК № 8796р/6815. - Барнаул, 2012. - 123 с.

Размещено на Allbest.ru