Электротеплоснабжение сельскохозяйственных объектов с применением электронагревателей и резисторов из композиционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Электротеплоснабжение сельскохозяйственных объектов с применением электронагревателей и резисторов из композиционных материалов

Общая характеристика работы

электронагрев аграрный резистивный композиционный

Актуальность проблемы. Изменения экономических отношений и форм собственности в России приводят к структурной перестройке в сельском хозяйстве и к созданию предприятий новых организационных форм. Произошло массовое акционирование сельскохозяйственных предприятий, идёт неуклонный рост числа фермерских хозяйств. При этом отмечается общее увеличение удельных энергетических затрат по большинству видов сельскохозяйственной продукции. Примерно 15% затрат на электро- и теплоснабжение региона приходится на сельскохозяйственных производителей, из которых более половины расходуется в непроизводственной сфере. Потребление тепловой энергии в общем балансе энергоресурсов, например в Западной Сибири, приближается к 80%. Стоимость тепловой энергии, в силу монополизации добычи и переработки энергоресурсов, в ближайшие годы может превысить 500 руб / МДж.

В условиях, когда наряду с традиционными и невозобновляемыми источниками энергии (уголь, нефть, газ и др.), всё большее внимание уделяется возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии (ВНИЭ) - ветровой, солнечной, геотермальной, энергии малых рек и др., возрастают требования к надёжности электротеплоснабжения потребителей, к качеству электроэнергии и электромагнитной совместимости. Растут требования к технологиям энергосбережения тепловых процессов производственного и бытового назначения, учитывающих как экологические, так и социальные условия [13-14].

Социальная значимость электротеплоснабжения и энергосбережения в стране подчёркивается решениями, принятыми на государственном уровне. Это нашло отражение в федеральных программах Правительства РФ «Энергосбережение в России в 1998-2005г.г.» и «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».

Поэтому возникает необходимость решения вопросов электротеплоснабжения и использования энергосберегающих технологий в рамках агропромышленного комплекса (АПК), с использованием новых средств преобразования электрической и других видов энергии в тепловую и с учётом социального и экологического аспектов, что является наиболее актуальным в регионах Сибири и Дальнего Востока.

Системные методы решения аналогичных задач в энергетике сельского хозяйства использовали А.А.Багаев, В.Н.Делягин, В.П.Закарюкин, Л.В.Куликова, Н.Н.Макаров, В.И.Мозоль, А.Х.Мусин, О.К.Никольский, А.М.Худоногов, Г.И.Цугленок, Н.В.Цугленок и др.

Главным из направлений стратегии надёжности электротеплоснабжения и энергосбережения является перестройка энергоёмких производств и повышение эффективности использования электротепловой энергии с привлечением новых технологий.

Основные положения по повышению эффективности электротепловых процессов в АПК изложены в трудах Л.А.Астраханцева, В.С.Аханова, Л.А.Баранова, А.Г.Возмилова, Л.С.Герасимовича, В.Н.Делягина, Г.Я.Иванова, И.Ф.Кудрявцева, Ю.А.Меновщикова, О.К.Никольского, А.Г.Прищепы, О.И.Хомутова, А.М.Худоногова, Н.В.Цугленка, Г.Д.Яневского и др. В работах названных авторов показана необходимость учёта причинно-следственных связей функционирующих средств нагрева в составе единой биотехнической системы, направленных на повышение эффективности использования электротепловой энергии и ресурсосбережение. Без этого рост удельных затрат энергии в АПК в существующих условиях ценообразования на энергоресурсы, с одной стороны, и сельскохозяйственную продукцию - с другой, приводит к низкой рентабельности, или убыточности сельскохозяйственного производства, что создаёт проблемную ситуацию и делает ресурсосбережение актуальной народнохозяйственной задачей.

Таким образом, разработка электротеплоснабжения потребителей вызывает необходимость комплексного изучения технических, экономических и социальных сторон вопроса. В сельском хозяйстве, промышленности, транспорте и других отраслях перспективно использование локального обогрева объектов низкотемпературными электронагревательными устройствами (ЭНУ), позволяющими обеспечивать большую гибкость управления при низком расходе электроэнергии. Известны ЭНУ, которые классифицируют по функциональным свойствам, конструктивным признакам, видам теплопередачи. Теоретические основы и практические рекомендации применения ЭНУ изложены в работах российских исследователей: А.А.Багаева, Ю.Н.Вершинина, В.П.Горелова, М.С.Добжинского, Ю.В.Зайцева, А.И.Ёлшина, А.Н.Качанова, Р.В.Манчука, В.Б.Маркина, Н.Н.Минаковой, Л.Б.Первухина, В.Н.Растригина, Л.Н.Татьянченко, В.Я.Ушакова и др. [1-4].

Системно-аналитический обзор опубликованных отечественных и зарубежных источников выявил перспективность разработок ЭНУ из резистивных композиционных материалов (РКМ). При этом показана необходимость исследования механизма электропроводности РКМ и контактных устройств резисторов и ЭНУ, а также обоснования методов регулирования электро-, тепло- и физико-механических характеристик при производстве ЭНУ с электропроводными наполнителями из переходных форм углерода, дисперсных оксидов металлов и их сплавов [8-9].

В диссертации решается научно-техническая проблема использования новых методов электротеплоснабжения с электронагревателями и резисторами из композиционных материалов для производственных и бытовых сельскохозяйственных потребителей.

Целью работы является разработка электротеплоснабжения с электронагревателями и резисторами из композиционных материалов для снижения энергетических и материальных затрат на объектах АПК.

Для достижения поставленной в работе цели были определены основные задачи исследований:

1 Провести анализ состояния электро- и теплоснабжения производственных и бытовых объектов АПК.

2 Разработать методику и теоретические модели применения низкотемпературного электронагрева объектов АПК.

3 Обосновать методику определения составов резистивных композиционных материалов и электронагревателей композиционного типа.

4 Разработать методы и технологические регламенты производства изделий из сложных резистивных композиционных материалов.

5 Дать технико-экономическое обоснование эффективных методов повышения энергетических параметров изделий из резистивных композиционных материалов и областей их применения.

Объект исследования - электротепловые процессы производственной и бытовой сфер в сельском хозяйстве Сибири и Дальнего Востока.

Предметом исследования являются закономерности по взаимосвязи параметров изделий из резистивных композиционных материалов, режимы работы изделий и их применение на объектах АПК.

Работа проводилась в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и научно-техническими программами:

- государственной научно-технической программой до 2000 года: № 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства»;

- «Концепцией энергетического обеспечения сельскохозяйственного производства в условиях многоукладной экономики», принятой РАСХН в 1993 и 1999г.г.;

- комплексной научно-технической программой Минобразования «Энергосбережение России на 1999-2005г.г.» при исполнении Постановления Правительства РФ № 588 «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России» от 15.06.1998;

- приоритетными национальными проектами с 2004 г. по развитию агропромышленного производства и улучшению жизни на селе;

- тематическим планом научно-технических исследований Новосибирской государственной академии водного транспорта до 2010 года.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись разработанные теоретические и экспериментальные методы, обоснованность и достоверность которых подтверждается удовлетворительным совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, сопоставительными расчётами, проводимыми на базе специализированных программ. Использовались основные положения теории электромагнитного поля, тепло- и массообмена, методы электрофизики, математической статистики и теории вероятностей. В работе использовано математическое моделирование, методы структурных исследований. Обработка численных результатов физических экспериментов осуществлялась с применением теории планирования экспериментов. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена практической реализацией методов и технических устройств.

Научная новизна работы заключается в том, что разработаны:

- математические модели для электро- и теплофизических характеристик резистивных композиционных материалов;

- модели формирования структуры РКМ на основе силикатных и полимерных связок, содержащих в качестве электропроводного ингредиента дисперсные углеродистые и другие материалы;

- предложения по развитию теории и методов расчёта электропроводности РКМ;

- обоснованные методы разграничения условия действия принятых математических моделей в зависимости от напряжённости электрического поля, температуры, диэлектрической проницаемости, работы выхода электронов;

- методика и технологические регламенты для проектирования и создания электросберегающих технических средств систем электротеплоснабжения объектов АПК;

- методические рекомендации по направленному регулированию комплекса характеристик РКМ;

- технология и предложены технические средства для очистки и пропитки жидкими диэлектриками поверхности изделий из РКМ с помощью ультразвука;

- методика выбраковки изделий из РКМ в сильных электрических полях;

- технико-экономические обоснования эффективных методов повышения энергетических параметров изделий из резистивных композиционных материалов и их применения на сельскохозяйственных объектах.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики расчёта параметров резистивных композиционных материалов и изделий из них, позволяющей создать необходимые сочетания компонентов для получения электронагревателей и резисторов, используемых при создании технических средств электротеплоснабжения.

Разработаны компьютерные программы по определению составов композиций на основе силикатных и полимерных связок; разработаны модели формирования структуры РКМ, описывающие характер электропроводности; разработаны и апробированы в производственных условиях, технические решения при выпуске конструкций из РКМ; предложены и прошли опытно-промышленную проверку технологические правила изготовления изделий из резистивных композиционных материалов; обоснованы технологические приёмы, позволяющие повышать стабильность работы контактных устройств изделий; разработаны способы очистки и пропитки жидкими диэлектриками поверхности изделий из РКМ с помощью ультразвуковых технологий; разработаны электронагреватели и резисторы из РКМ, используемые в качестве преобразователей электрической энергии нетрадиционных и возобновляемых источников в тепловую энергию, для электротеплоснабжения объектов АПК; определены области рационального использования изделий из РКМ.

Реализация и внедрение результатов исследований

Разработанные научно-технические и проектно-технологические методики приняты к использованию: в ОАО «Сибирский научно-исследователь-ский институт энергетики»; при опытном производстве в ВНПО «Энерготехпром» (г. Москва); при опытном производстве в учреждении УФ-91/8 СИД и СР УВД Новосибирской области; на производственном участке в г.Яровое Алтайского края; сельскохозяйственных энергетических предприятиях и организациях Казахстана и других стран СНГ; в ГНУ «Сибирского института механизации и электрификации» СО РАСХН.

Результаты работы используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Теоретические основы электротехники», «Технология конструкционных материалов», «Перенапряжения и молниезащита», «Электротехнологические установки сельскохозяйственного производства», «Электроснабжение предприятий, городов и сельского хозяйства», а также при курсовом и дипломном проектировании в Новосибирской государственной академии водного транспорта (НГАВТ), Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ), Алтайском государственном техническом универси-тете (АлтГТУ), Алтайском государственном аграрном университете (АГАУ), Иркутской сельскохозяйственной академии (ИрСХА), Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС), Томском политехни-ческом университете (ТПУ).

На защиту выносятся следующие положения:

1 Математические модели и методы расчёта электро- и теплофизических параметров изделий из РКМ для применения их в системах электротеплоснабжения объектов АПК.

2 Методы и математические модели формирования структуры РКМ, учитывающие особенности ингредиентов сложных составов композиционных материалов.

3 Положения по формированию механизма электропроводности РКМ на основе силикатных и полимерных связок.

4 Теоретически обоснованные и экспериментально подтверждённые мероприятию по направленному регулированию комплекса характеристик РКМ и изделий из них.

5 Разработанные конструкции изделий из РКМ и технологические режимы, обеспечивающие стабильность их работы при эксплуатации на сельскохозяйственных предприятиях и в быту.

6 Технологические регламенты и технико-экономическое обоснование промышленного производства изделий из РКМ.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем:

- постановке научных задач и разработке методик проведения экспериментов;

- анализе качества энергообеспечения АПК и сельских жителей с использованием возобновляемых и нетрадиционных источников энергии и поддержанием надёжного электротеплоснабжения;

- обосновании теоретических моделей и методик расчёта электропроводности резистивных композиционных материалов;

- разработке конструкций электронагревателей, резисторов и электроизоляционных материалов и участии в опытно-промышленном производстве;

- развитии теоретических и экспериментальных исследований очистки и пропитки изделий из РКМ в среде диэлектрических жидкостей с применением ультразвуковых технологий;

- разработке технологического правила для опытно-промышленного производства электронагревателей и резисторов из бетэла и рапита;

- авторском надзоре при изготовлении и эксплуатации электронагревателей и резисторов из РКМ.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись и обсуждались на 15 международных, всероссийских и региональных конференциях, симпозиумах и совещаниях: международной научно-технической конференции «Проблемы комплексного развития регионов Казахстана» (г. Павлодар, 1996г.); международной научно-практической конференции «Наука и новые технологии в энергетике» (г. Павлодар, 2002г.); международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г. Новосибирск, 2002г.); международной научно-техни-ческой конференции «Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния» (г. Новосибирск, 2003г.), международной научно-технической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности» (г. Томск, 2004г.); второй международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г.Тобольск, 2004г.); третьей международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г.Омск, 2007г.); международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности (производство, наука, образование)» (г.Томск, 2005г.); всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (г.Томск, 2006г., 2008г.); межвузовской научно-технической конференции «Научный потенциал Сибири» (г.Новосибирск, 1993г.); научно-техническом семинаре «Энергетика, экология, надёжность» (г.Томск, 1994г.); научно-практической конференции «Современные проблемы технических наук» (г.Новосибирск, 1996г.) и научно-технических конференциях в Новосибирской государственной академии водного транспорта (1993-2007 г.г.).

Публикации. Результаты исследований нашли отражение в 130 научных трудах, в том числе: 9 научных и учебных изданиях, в 16 статьях журналов, рекомендованных ВАК РФ, в 79 статьях, 26 отчётах по НИР.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 395 страницах и состоит из введения, шести глав и основных выводов по диссертации. Список литературы включает 391 наименований. В 9 приложениях приведены вспомогательные материалы.

Основное содержание работы

Введение содержит обоснование актуальности решаемой в работе научно-технической проблемы. Приведена краткая характеристика и состояние предмета исследований. Сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

Анализ состояния проблемы позволил сформулировать научную новизну, цель и задачи исследований.

В первой главе на основе системно-аналитичесмкого обзора литературных источников изложены особенности электротеплоснабжения производственной сферы и населения страны, в том числе в сельском хозяйстве. По классификации С.В.Алексеенко, А.С.Беляева, Н.И.Воропая, В.В.Литвака, Б.В.Лукутина, Б.Г.Санеева, Т.Б.Степановой, В.Я.Федянина и др. энергию, в зависимости от источников происхождения и роли в экобиосистеме, подразделяют на возобновляемую и невозобновляемую [10, 13].

В перспективе доля возобновляемых и нетрадиционных источников энергии будет увеличиваться [49, 60]. На смену углеродсодержащих топлив приходит перспективная водородная энергетика, предусматривающая использование прогрессивных технологий.

В настоящее время системный подход признан в качестве общей концептуальной основы решения сложных технических задач. Физическая природа связей между элементами системы, как и природа самих элементов, имеет большое разнообразие. Системой можно назвать совокупность элементов, обладающих связями и свойствами, отличными от свойств отдельных элементов. Например, к системе электроснабжения относят связанные между собой источник энергии, электрические сети и потребители электроэнергии.

Элементами в системе электроснабжения являются электрические распределительные сети, содержащие кабельные и воздушные линии электропередачи, элементы оборудования электрических подстанций (резисторы, электронагреватели, разрядники и т.д.). В свою очередь для разработчиков элементов оборудования подстанций системой будет резистор, имеющий достаточно сложную конструкцию, и т.п. (рисунки 1 и 2) [62].

Наличие иерархичности строения системы означает определённую соподчинённость элементов, а также то, что каждый компонент системы может также рассматриваться как система, которая в свою очередь является лишь одним из компонентов более высокого порядка. Это вызывает необходимость разбиения сложных задач на ряд более простых, т.е. осуществлять декомпозицию. Основным системообразующим фактором распределительной электрической сети является целенаправленность её поведения, включая реакцию

Рисунок 1 - Общая классификация электронагреватльных элементов с активной частью из металлов и сплавов высокого сопротивления



Рисунок 2 - Классификация неметаллических резисторов и электро-нагревателей к внешним воздействующим факторам.

Процедура исследования процессов на основе системного анализа должна включать в себя следующие этапы:

- эмпирический системный анализ;

- проблемно-ориентированное описание;

- теоретический системный анализ.

Совокупность описанных этапов с включением взаимосвязей может рассматриваться как структура системного анализа и моделирования процессов в техносфере. В соответствии с рекомендациями системного анализа произведена декомпозиция системы электроснабжения сельскохозяйственного районного центра в виде модели на рисунке 3.



Рисунок 3 - Модель процесса функционирования электрической сети населённого пункта: I(t) - входные воздействия на систему со стороны вышестоящих систем (заданные функции, выделенные ресурсы, требуемые условия работ и т.п.); E(t) - выходные воздействия на нижестоящие системы и внешнюю среду (полезные и вредные результаты функционирования); S(t) - состояния системы (условно нормальное и аварийное)

Модель включает в себя электрическую сеть (машину - М), эксплуатирующий её персонал (человека - Ч), рабочую среду (среду - С), взаимодействующих между собой по заданной технологии (технологию - Т). Технология - это совокупность приёмов и методов, используемых для поддержания свойств и состояния электрической сети в заданных пределах, включающая в себя также организационно-технические мероприятия по обеспечению бесперебойной работы. Кроме перечисленных основных компонентов системы, её модель включает также внутренние связи между компонентами и связи компонентов с окружающей средой [63].

Всё это позволяет учесть особенности электротеплоснабжения производственных объектов АПК, бытовых потребностей населения Сибири и Дальнего Востока, включающие как высокие требования к надёжности систем электротеплоснабжения потребителей из-за суровых климатических условий и значительной протяжённости линий электропередачи, так и вследствие этих причин большие затраты на содержание производственной и социальной инфраструктуры.

Общая глобальная цель системы электротеплоснабжения объектов АПК представляет собой дерево целей (рисунок 4), включающее набор взаимосвязанных подцелей (рисунок 5).

Рисунок 4 - Дерево целей системы электротеплоснабжения сельскохозяйственного районного центра

Системно-аналитическая проработка темы показала, что для бесперебойности электротеплоснабжения, качества электроэнергии и электромагнитной совместимости оборудования перспективным направлением является применение различных типов резисторов, электронагревателей и заземлителей [2, 13-17]. В электроэнергетических сетях от 0,4 до 110 кВ, ма-шиностроительном производстве, строительстве жилых и производственных



Рисунок 5 - Целепоглощающая нижестоящая система по разработке резистивных материалов для электронагревателей и резисторов объектов сельскохозяйственного профиля эффективно применение электротехнических изделий из резистивных композиционных материалов цилиндрического и пластинчатого типов, например, из электропроводного бетона - бетэла, а также из рапита, изготавливаемого на основе высокотемпературных синтетических каучуков и полимеров (рисунок 5)[15 -17].

Вторая глава содержит системный анализ математических моделей и научных гипотез по электропроводности многокомпонентных резистивных материалов, структура которых подразделяется на изотропные, анизотропные, зернистые, волокнистые и т.д. Функциональные зависимости электропроводности, изложенные в трудах В.И.Оделевского, Б.С.Гальперина, А.В.Нетушила, М.П.Тонконогова, М.С.Добжинского, получили значительное применение при анализе гетерогенных систем для структур с взаимопроникающими ингредиентами и изолированными включениями [1, 3, 4]. Сложность механизма электропроводности многослойных контактов проводящих частиц для зернистых систем на основе барьерно-туннельной проводимости указывается Р. Хольмом, Р. Скарисбриком, В.М.Нестеровым, Дж. Андерсеном, С. Дюком, А.П.Эфросом, Г.Д.Михайловым, В.И.Глыбиным [6, 16].

Анализ физических явлений, определяющих механизмы прохождения тока через гетерогенные системы, показал целесообразность сведения расчёта электропроводности композиций к решению двух задач. Во-первых, к расчёту сопротивления единичного контакта между соседними частицами проводящей фазы и, во-вторых, к усреднению характеристик этого контакта по всему объёму композиции, т.е. определению интегральных характеристик композиционного материала суммированием вкладов от каждого единичного контакта. Эта задача носит статистический характер и её решение основывается на том или ином предположении о пространственном распределении единичных контактов по объёму композиции.

Рассмотрим явления, происходящие в контактах между частицами дисперсного технического углерода - (сажи), образующими проводящую фазу в резистивных смесях, нашедших применение в конструкциях мощных резисторов и ЭНУ.

Природа возникновения сил сцепления между углеродистыми частицами полностью не выяснена, хотя известно, что эти силы по своему значению превышают взаимодействие Ван-дер-Вальса, а области их проявления локализуются пятнами по поверхности углеродистых частиц [16].

Общий ток, протекающий через, порошкообразную резистивную смесь складывается из омической и эмиссионной составляющей тока через контакты между частицами технического углерода.

Анализ вольт-амперных характеристик резистивных композитов показал, что в исследуемых образцах резистивных смесей при напряжённости электрического поля менее 5•10⁴ В/м, зависимости имеют линейный характер. Это позволяет с полным основанием предположить о проявлении механизма туннелирования носителей заряда через зазор в области, непосредственно примыкающей к пятну контакта [13-16].

При воздействии на образцы более сильных полей (Е > 5•10⁴ В/м) наблюдается увеличение плотности эмиссионного тока, показывающее, что в общей проводимости резистивных смесей всё большую роль начинают играть периферийные участки приконтактной области слипшихся частиц технического углерода. Так как при этом растёт толщина зазора и, следовательно, вероятность туннелирования тока уменьшается, остаётся предположить о проявлении механизмов, свойственных прохождению тока через более толстые диэлектрические прослойки, т.е. механизмов, связанных с эмиссией Шоттки, эффектом Френкеля-Пула и токами, ограниченными пространственным зарядом [16].

Моделирование структуры композитов на прозрачных образцах, изучение микрошлифов и непрозрачных сколов на микроскопах, не позволяют судить о реальной структуре резистивного материала. Однако можно выделить контактирующие между собой скопления-глобулы из технического углерода, позволяющие выдвигать гипотезы об электропроводности гетерогенных систем. При этом более подробно рассматривается приложение теории протекания для сильно неоднородных систем [12, 29, 37].

В теории прыжковой проводимости наиболее важную роль играют задачи о протекании по случайным узлам.

Представим эффективную электрическую проводимость неупорядоченной системы в виде достаточно большого куба, имеющего концентрацию электропроводной фазы - х и порог протекания - х_с. Порогом протекания называют границу значений х, вероятность значимой электрической проводимости р(х) = 0. Численные расчёты показали, что за порогом протекания функция р(х) нарастает до 1 и при 0 < х - х_с << 1 эффективная электрическая проводимость

, (1)

где t - критический индекс.

С помощью модельных экспериментов найдены не только критический индекс, но и пороги протекания для различных решёток. Так, для простой кубической решётки порог протекания х_с : 0,247±0,005; 0,25±0,013, а для объёмно-цилиндрической рёшетки х_с : 0,178±0,005. Критический индекс t электропроводности по результатам численных расчётов: 1,725±0,005; 1,6±0,1; 1,75±0,1; 2±0,005. Электропроводность целесообразно моделировать в двумерном случае, например, когда мелкодисперсный проводниковый материал распределен в полимерной связке. Величина пороговой концентрации для подобной периодической коллоидной структуры в случае коагуляции частиц и образования плотно упакованных агломератов с координационным числом z составляет, где - плотность агломерата.

Таким образом, () зависит от плотности упаковки, определяемой в свою очередь размерами и формой частиц. Эффективная электропроводность такой системы

. (2)

Значение критического индекса t, вычисленного методом наименьших квадратов, за порогом проводимости равно 1,95 ± 0,1.

Теорию перколяции достаточно сложно применять для трёхфазных и более сложных гетерогенных материалов, к которым относятся бетэл, вилит и тирит. Эффективная электропроводность трёхфазных композиций зависит от концентрации электропроводной фазы, гранулометрии и ряда технических факторов.

В бетэле можно выделить три фазы: 1) частицы из переходных форм углерода; 2) цементные гели и микроскопические поры; 3) диэлектрический наполнитель и макроскопические поры. Электропроводность сильно неоднородной смеси можно записать

(3)

где а - доля объёма, занимаемого первыми двумя фазами.

Проведённые нами и другими исследователями расчёты с использованием метода наименьших квадратов показывают, что критический индекс для пекового кокса t₃ = 2,53±0,58, для технического углеродов типов ПМ-15 и ПМЭ-100 В - равен, соответственно, t₃ = 2,54±0,55 и t₃ = 2,55±0,12.

В ряде композиций, содержащих более двух компонентов (бетоны, порошкообразные системы, огнеупоры) можно выделить элементарную ячейку, для которой применим метод обобщённой проводимости. При кубической укладке сферических частиц диаметра D, радиус контактного пятна r_n для двух частиц принимает вид

, (4)

где- коэффициент Пуассона; м - модуль Юнга; р - сила прижатия одной частицы к контактирующей с ней другой частицей.

При определении номинального удельного сопротивления, подтверждающего теорию перколяции, различные соотношения средних размеров частиц ингредиентов композиции: проводника d_пр и диэлектрика d_из, для экспериментального значения удельного сопротивления f_эксп, приводятся к нулевой пористости (П=0)

F_ном (П=0) = f_эксп(П>0) (1 - П)*n, (5)

где 2 < n ? 3,5.

Реальные композиции с резко отличающимися параметрами компонентов имеют значительно бульшее удельное сопротивление по сравнению с композициями со спеченными частицами одного размера. Это зависит от соотношения размеров частиц d_пр /d_из. Последнее влияет на пороговую концентрацию проводника х_пр = х_с.

Крупные частицы изолятора образуют пространственную цепочечную систему с разрывами. Мелкие частицы стремятся образовывать матричную непрерывную структуру. Расчётным путём критическая концентрация определяется

. (6)

В целом удельное сопротивление элементарной ячейки композиции определяется её свойствами и объёмными концентрациями ингредиентов.

В слабых электрических полях для случайно однородных систем вольт-амперные характеристики анализируют при соотношении

eE л << kT, (7)

где л - длина свободного пробега электрона; е - заряд электрона = 1,6•10^-19 Кл.

При рассмотрении вольт-амперных характеристик бетэла с различной концентрацией проводникового компонента, имеющего структуру со взаимопроникающими частицами, выявлено, что порог протекания - х_с уменьшается при увеличении Е. Рост критического индекса t связывается с замыканием тупиковых цепочек, разделённых тонкими диэлектрическими слоями. В промежуточных полях наблюдается зависимость параметров теории протекания от изменения электрического поля.

Анализ механизмов электропроводности гетерогенных систем указывает на сложность происходящих в них физических процессов. Нами рассматривается математическая модель и механизм электропроводности металлических или полупроводниковых поверхностей (МДМ и ПДП систем) через тонкую диэлектрическую прослойку путём туннелирования электронов через прямоугольный потенциальный барьер на границе раздела этих систем (рисунок 6) [12, 29, 40].

Проведённые в середине 70-х годов ХХ века на ЭВМ «Мир-1» расчёты по уравнениям полного тока контактирующих полупроводниковых частиц содержали ряд упрощающих допущений, позволивших получить лишь качественную картину процесса. Развитие теории туннелирования электронов в системе двух контактирующих полупроводниковых частиц предусматривает учёт нерегулярности поверхности частиц, силы электрического изображения высшего порядка, расширение ограничений разложений Маклорена до четвёртого члена при определении коэффициента прозрачности потенциального барьера на границе контактирующих частиц

(8)

где ; S - ширина зазора; - работа выхода электрона; W_x - энергия электрона; m^* - эффективная масса электрона; h - постоянная Планка.



Рисунок 6 - Диаграмма уровней энергии на поверхности контакта частиц полупроводник-диэлектрик-полупроводник для прямоугольного потенциального барьера

Для максимальной величины потенциальной энергии электрона (e) при приложении поля (Е), т.е. , уточнение хода потенциала предусматривает учёт сил электрического изображения высшего порядка

, (9)

где n₀ - концентрация электронов в зоне проводимости на поверхности; х - расстояние от поверхности первой частицы до электрона; - диэ-лектрическая проницаемость; - диэлектрическая постоянная; S - расстояние между поверхностями частиц; U₀ - работа выхода электрона.

Максимальная величина потенциального барьера U(x) определяется при х=S/2

. (10)

Изменение потенциальной энергии электрона за счёт сил электрического изображения при учёте влияния внешнего электрического поля (Е) определяется

. (11)

При применении теории к реальным контактам необходимо учитывать нерегулярность поверхности контактирующих полупроводниковых частиц, имеющих вид шероховатой поверхности.

Концентрация электронов в зоне проводимости на поверхности (n₀) зависит от величины загиба зон (ДR). Для вырожденного электронного газа применимо выражение

, (12)

где k - постоянная Больцмана; Т - температура; - диэлектрическая постоянная полупроводника; с - радиус экранирования Дебая-Гюккеля.

Для коэффициента прозрачности потенциального барьера (1) при U(x) > W

(13)

Проводя преобразования и исключая упрощающие ограничения для коэффициента прозрачности потенциального барьера имеем

, (14)

где U_u = U₁ - U₂.

Решение уравнения полного тока ПДП системы проводим для вырожденного электронного газа, подчиняющегося функции распределения электронов Ферми-Дирака

. (15)

После преобразований с учётом коэффициента прозрачности потенциального барьера (13) уравнение полного тока принимает вид

, (16)

где - скорость электронов по осям x, y, z.

При решении уравнения (15) в разложениях рядов табличных интегралов расширяем учёт составляющих до четвёртого члена разложения и исключаем упрощения. Уравнение полного тока тогда запишется в виде

, (17)

где.

Вводим обозначения

(18)

Получаем выражение j = N(B+C+D), которое справедливо при

. (19)

В уравнении полного тока, записанном выше, учтём диффузионную составляющую тока, направленную встречно приложенному полю, которая значительна в слабых электрических полях. Выражение принимает вид

(20)

Решение уравнения полного тока (13) было выполнено для системы контактирующих полупроводниковых углеродистых частиц при изменении в заданных интервалах параметров, входящих в это уравнение (таблица 1) [48].

Для проведения расчётов по уравнению полного тока была создана компьютерная программа, позволяющая получить зависимости плотности тока в контакте от параметров ПДП-системы для дальнейшего их использования в технологии получения изделий. Программа для решения уравнения полного тока и его коэффициентов написана на языке программирования Delphi 7,0, может работать на ПЭВМ любой конфигурации и предназначена для работы в среде MS Windows 98/2000/XP.

График зависимости плотности тока в контактах ПДП от ширины зазора (рисунок 7) показывает, что изменение зазора и напряжённости электрического поля значительно влияют на проводимость системы.

Таблица 1 - Интервалы изменения параметров «полупроводник-диэлектрик-полупроводник»-системы

Расчётные параметры	Величина параметра
Работа выхода U0, Дж	(2,24 - 6,41)·10-19
Ширина зазора S, м	(0,5 - 10)·10-9
Напряжённость электрического поля E, В/м	105 - 109
Температура Т, К	300 - 700
Диэлектрическая проницаемость	1 - 11
Постоянная Планка h, Дж*с	6,62·10-34
Энергия Ферми м, Дж	0,08·10-19
Эффективная масса электрона m*	1,1· m
Масса электрона m, кг	9,1·10-31
Концентрация электронов n, см-3	1·1017
Заряд электрона е, Кл	1,6·10-19
Диэлектрическая постоянная, Ф/с	8,85·10-12

Работа выхода электронов U₀ оказывает решающее влияние на проводимость ПДП систем. В свою очередь работа выхода находится в большой зависимости от приложенного электрического поля. По расчётам видно, что снижение работы с U₀ = 6,41·10^-19 до U₀ = 2,24·10^-19 Дж при прочих равных условиях приводит к увеличению плотности тока почти на три порядка.

Расчёты показывают, что диэлектрическая проницаемость материала зазора незначительно влияет на проводимость системы. Так, при U₀ = 2,24·10^-19 Дж; Т = 300 К; S = 2,9 ·10^-9 м увеличение диэлектрической проницаемости от 1 до 4 приводит к уменьшению плотности тока до 20% (рисунок 8).

Температура также оказывает слабое влияние на плотность тока в контакте (рисунок 9).

Если при U₀ = 2,24·10^-19Дж; S = 1,5·10^-9 м; = 11 не учитывать диффу-зионную составляющую тока, то увеличение температуры от 300 К до 500 К приводит к незначительному увеличению плотности тока в контакте (менее 5%). Увеличение температуры приводит к резкому возрастанию диффузионной составляющей полного тока. Увеличение напряжённости электрического поля на порядок приводит к снижению влияния температуры почти на 10%, т.е. снижает влияние диффузионной составляющей полного тока. При напряжённости электрического поля более 10⁸ В/м с достаточной степенью точности диффузионной составляющей полного тока можно пренебречь.

Рисунок 7 - Зависимость плотности тока в контакте «полупроводник-диэлектрик-полупроводник» от ширины зазора - S(нм) и напряжённости поля - Е (В/м)

Рисунок 8 - Зависимость плотности тока в контакте «полупроводник-диэлектрик-полупроводник» от температуры - Т и диэлектрической проницаемости -



Рисунок 9 - Зависимость плотности тока в контакте «полупроводник-диэлектрик-полупроводник» от температуры - Т и напряжённости поля - Е(В/м)

В результате решения уравнения полного тока получен ряд зависимостей, которые в комплексе позволяют направленно регулировать свойства РКМ технологическими приёмами [6, 12].

Системно-аналитические исследования РКМ и проведённые расчёты свидетельствуют о том, что:

- электропроводность в слабых электрических полях подчиняется перколяционной теории;

- в сильных электрических полях электропроводность необходимо рассчитывать по уравнению полного тока контактирующих проводящих частиц;

- в промежуточных электрических полях действует эффект Френкеля-Пула.

Рассмотрены вопросы компьютерного моделирования для подбора рецептуры композиционных материалов при совместном использовании экспериментальных и расчётных данных с учётом особенностей структуры резистивных композиционных материалов. Зависимости электро-, тепло- и физико-механических характеристик от состава и структуры материала положены в основу методик подбора состава и предварительного прогноза параметров РКМ, что приводит к снижению затрат от 15 до 40% при выполнении поисковых научно-исследовательских работ. Разработанны компьютерные структурные модели для композитов с дисперсными наполнителями, учитывающие изменение параметров воздействующих на них факторов в условиях близких к эксплуатационным.

В различных электрических схемах наиболее распространёнными элементами являются резисторы, ЭНУ и заземлители, изготавливаемые из металлических и непроволочных материалов. Многообразие резисторов и ЭНУ, связанное с областями их применения, вызвало необходимость более детальной классификации с учётом их технологических и конструктивных особенностей. Приводятся данные по исследованию структурообразования, закономерностей его изменения для композитов на основе силикатных и полимерных связок - бетэла и рапита [15-16, 21, 56].

В работе исследуется распределение электрического поля в прижимных контактах изделий из РКМ, объёмных резисторов и электронагревателей, в которых рабочий элемент набирают из отдельных однотипных резистивных цилиндров, квадратов и т.п., различных размеров по толщине и площади (рисунок 10) [15-17,21].

Рисунок 10 - Конструкции электронагревательных устройств: а) из РКМ 4; б) из РКМ 2; в) из РКМ 3; г) из РКМ 3; 1 - электронагреватель; 2 - электрод; 3 - электроизоляционный материал (бетон или резина)

Наборные конструкции на основе однотипных дисков позволяют широко варьировать такими параметрами резисторов как номинальное сопротивление, рабочее напряжение и т.д. Однако известно, что электрическая прочность резисторов значительно ниже прочности самих резистивных дисков, что объясняется не только увеличением неоднородности электрического поля с увеличением общей длины резистивного элемента, но и наличием большого числа прижимных контактов, вызывающих нарушение гомогенности структуры резистивного элемента по его длине. Это необходимо учитывать при разработке резисторов и на этапе проектирования количественно оценивать влияние контактного сопротивления на снижение рабочих напряжений резисторов [16-17, 41, 56].

Расчёт распределения потенциала основывается на решении уравнения Лапласа, описывающего электрическое поле в проводящей среде [16, 41]. В цилиндрических координатах и с учётом осевой симметрии резистивных дисков, уравнение Лапласа имеет вид

. (21)

Рисунок 11 - Расчётные граничные условия резистивного диска

Решение уравнения может быть представлено в виде , где ц(Z) является решением задачи при равномерном распределении потенциала, а ш(Z, r) учитывает стягивание линий тока к электроду, т.е. контактное сопротивление [13, 16, 41]. Для ц(Z) уравнение и граничные условия запишутся

, , (22)

где с - удельное сопротивление материала резистивных дисков; J(h,r) - плотность тока через торцевую часть диска; h - высота диска.

С учётом определения функции ц(Z) и J(h,r) = const, решение имеет вид

ц(Z) = I•Z•с/р?R,

где I - ток через резистивный диск и R - его радиус. Граничные условия для функции ш(Z, r)

, (23)

где.

Тогда общее решение уравнения (21) для ш(Z, r)

ш(Z, r) = . (24)

С учётом граничных значений окончательно получаем

, (25)

где- положительные корни уравнения ; - функции Бесселя первого рода нулевого и первого порядка, соответственно.

Выражение (25) получено без учёта переходного сопротивления между электродом и самим резистивным диском. Однако, исходя из граничных условий (23), т.е. постоянной плотности тока через поверхность электрода, легко учесть и переходное сопротивление, которое в ряде случаев влияет на распределение потенциала в большей мере, чем сопротивление стягивания, значение которого оценивается вторым слагаемым выражения (25).

Численное решение позволяет рассчитывать поля в резисторах с различной степенью нелинейности вольт-амперных характеристик. В этом случае уравнение, описывающее распределение потенциала имеет вид

, (26)

где д - проводимость материала диска; ц - потенциал.

Граничные условия при решении уравнения (26) записываются следующим образом

, (27)

где R - радиус; Z₀ - полувысота; r - текущая координата в радиальном направлении и Z - координата по высоте диска (причём начало координат выбрано в середине диска).

Условие = 0; R = r >R; Z = Z₀ ; справедливо лишь для уединенного резистивного диска. Если же учитывать влияние соседних дисков, то при подаче напряжения на резистивный элемент, в зазоре между кромками дисков появляется разность потенциалов, которая индуцирует поверхностный заряд и поэтому приведённое граничное условие нарушается, а вместо уравнения Лапласа необходимо решать уравнение Пуассона. Однако из-за сложности прямого решения задачи предложен и реализован способ последовательного приближения, когда на первом этапе принимается первоначальное граничное условие, а затем, после решения интегральных уравнений и определения поверхностного заряда, граничное условие уточняется и задача решается вновь до тех пор, пока разница в определении плотности заряда на кромках дисков не станет меньше требуемой.

При апроксимации нелинейной вольт-амперной характеристики резисторов использовано выражение [15-17, 21, 40]

U = R₀ ·I ^б , (28)

где U - напряжение, приложенное к резистору; R₀ - сопротивление резистора при токе I = 1А; б - степень нелинейности.

Из формулы (28) следует

д = д₀ ^(1/б) • Е ^{(1- б)/б}, (29)

где д - удельная электропроводность; д₀ - удельная электропроводность при I = 1А; Е - напряжённость электрического поля.

По составленной программе рассчитывались электрические поля в резистивных дисках с различной степенью нелинейности вольт-амперных характеристик, исследовалось влияние на параметры резисторов переходных сопротивлений между слоем металлизации (электродом) и диском. При этом оценивалось сопротивление, обусловленное разницей диаметров электрода и диска, рассматривалось сопротивление всего резистивного элемента с учётом контактных сопротивлений между резистивными дисками и т.д.

Наличие в контактных узлах резисторов воздушных зазоров снижает электрическую прочность резисторов и поэтому напряжение пробоя зависит не только от электрической прочности самих резистивных дисков, но и от значения контактного сопротивления, а также способа соединения дисков друг с другом. Экспериментальные значения напряжённости электрического поля в зазорах между резистивными дисками можно снизить: изоляцией стыков между дисками с помощью различных клеевых составов; шоопированием торцевых поверхностей дисков алюминием, кадмием, цинком и другими металлами с дальнейшим покрытием аквадагом или контактолом. Подготовленные таким образом резистивные диски собирают в виде колонки, которую обжимают с усилием от 0,3 до 2,0 МПа.

При этом обеспечивается надёжное контактирование металлизированных поверхностей и исключается наличие воздушных пустот между ними. Поверхность резистивной колонки по специальной технологии покрывают слоем электроизоляционных кремнийорганических эмалей. Типовые промышленные конструкции резисторов приведены на рисунке 12 [13-17].

Статистическая обработка экспериментальных данных осуществлялась по разработанным программам и с использованием диалоговой системы «Stadia», которая дополнительно обеспечила систематизацию результатов исследований [13-15].

а) б)

Рисунок 12 - Конструкция бетэловых резисторов типов: а - РБШН-3,5; б - РСК-Н-02, выпущенных предприятием «Энерготехпром»: 1 - активная часть; 2 - резистивные диски (галеты); 3 - фарфоровая покрышка; 4, 5 - металлические верхняя и нижняя крышка с предохранительными клапанами; 6 - тарельчатая пружина; 7 - скосы дисков; 8 - диэлектрический наполнитель; 9 - электроизоляционное покрытие

В третьей главе приводится обоснование применения ингредиентов в резистивных композиционных материалах (РКМ) и электротехнических конструкциях (резисторах, электронагревателях и др.), предназначенных для работы в схемах электротеплоснабжения объектов АПК. Использование гетерогенной системы для бетэла, состоящей из электропроводной фазы, цемента и диэлектрических наполнителей, позволило создать бетэловые резисторы и ЭНУ с большой энергией рассеяния при минимальной индуктивности [13-15] .

Повышенные тепло- и электрофизические параметры РКМ получены при применении силикатной связки - натриевого жидкого стекла - вместо цемента. Например, диэлектрические композиционные материалы на основе натриевого жидкого стекла имеют: повышенную нагреваемость, позволяющую длительное время работать при температурах, превышающих 500 К; стойкость к воздействию минеральных кислот большой концентрации; высокие адгезивные свойства, позволяющие при максимальном количестве компонентов получать необходимые механические свойства (высокую механическую прочность в воздушно-сухом состоянии) [13, 21].

Диэлектрические наполнители не только участвуют со связкой в создании структуры композиции, но и оказывают решающее влияние на физико-механические, тепло- и электрофизические свойства.

Стремлением к повышению водостойкости бетэла обусловлено использование в его составе коллоидной смеси каучука и других полимеров в водной среде - различных типов латексов с добавлением неионогенных поверхностно-активных веществ (НПАВ). В этом случае латексы при смешивании не коагулируют с активными наполнителями, например, содержащими поливалентные ионы цемента, глины, гипса и т.п.

Выбор полимерного связующего для РКМ с необходимыми эксплуатационными характеристиками определяется возможностью реализации производства при комбинировании связующего с армирующими наполнителями, то есть возможностью создания эффективной технологии. К связующим предъявляется ряд специальных требований: стабильность характеристик в заданном температурном интервале, негорючесть, нетоксичность, водо- и химостойкость и т.д. [17, 26, 33].

Применение электропроводных полимерных композиций для резисторов различного назначения оценивалось в зависимости от их состава и последующей обработки. Электрическая проводимость их осуществляется техническим углеродом, дисперсным графитом или порошковыми металлами, введёнными в структуру полимеров.