Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Системный подход к решению вопроса электротеплоснабжения потребителей агропромышленного комплекса 15
1.1 Существующие методы и технические средства электротеплообог-рева производственных и бытовых объектов 19
1.2 Системно-аналитический обзор по изделиям из резистивных композиционных материалов 30
1.2.1 Системные методы при решении задач повышения эффективности электротеплоснабжения потребителей 30
1.2.2 Методы аккумулирования энергии 34
1.2.3 Систематизация электромагнитных помех, воздействующих на сельскохозяйственные потребителей электротеплоэнергии 40
1.2.4 Обоснование использования резистивных композиционных ма териалов в схемах электротеплоснабжения потребителей 47
Выводы по главе 1 53
Глава 2 Методология и модели расчёта параметров и структуры резистивных композиционных материалов и изделий на их основе 54
2.1 Моделирование структуры резистивных композиционных мате риалов 55
2.1.1 Разработка моделей структуры резистивных композиционных материалов 57
2.1.2 Механизм прохождения тока через композиционные материалы. 62
2.1.3 Электропроводность гетерогенных систем в сильных электрических полях 68
2.1.4 Применение теории протекания для сильно неоднородных систем 74
2.1.5 Решение уравнения полного тока контактирующих полупроводниковых частиц 78
2.2 Моделирование параметров изделий из резистивных композиционных материалов 90
2.2.1 Применение компьютерного моделирования при подборе составов композиций 91
2.2.2 Экспериментальное определение основных характеристик изделий из резистивных композиционных материалов 96
2.2.3 Распределение электрического поля в приконтактных областях резисторов 107
2.2.4 Распределение электрического потенциала в объёме и по поверхности резистивных дисков 112
2.2.5 Методика расчёта напряжённости электрического поля в зазорах между резистивными дисками 115
2.3 Влияние температуры на параметры прижимных контактов композиционных изделий 121
2.4 Нелинейность вольт-амперных характеристик материалов контактирующих элементов 123
2.5 Статистическая обработка экспериментальных данных 127
2.5.1 Планирование и математическая обработка результатов экспериментов 127
2.5.2 Применение диалоговой системы «Stadia» для систематизации результатов экспериментов 131
Выводы по главе 2 140
Глава 3 Методы и технологические регламенты производства изделий из резистивных композиционных материалов 142
3.1 Обоснование составов резистивных композиционных материалов... 142
3.1.1 Применение цемента и силиката натрия в качестве связующих .. 142
3.1.2 Полимерные материалы в резистивных композициях 148
3.1.3 Диэлектрические наполнители для композиций 155
3.1.4 Использование технической воды в резистивных композициях.. 161
3.1.5 Выбор электропроводных наполнителей композиционных материалов 161
3.2 Технологические правила изготовления резисторов и электронагревателей из резистивных композиционных материалов 171
3.3 Технологические правила изготовления изделий из фторопласта. 187
Выводы по главе 3 193
Глава 4 Применение ультразвука на агропромышленных объектах 194
4.1 Технологический процесс защиты поверхности резисторов и электронагревателей с использованием ультразвука 196
4.2 Процессы, возникающие при ультразвуковой очистке и пропитке изоляции электротехнических изделий 199
4.3 Волновые процессы в среде диэлектрической жидкости, предназна ченной для отчистки и пропитки изделий из резистивных компози ций и деталей механизмов 205
4.4 Акустические свойства ультразвуковых систем 210
4.5 Техническое обеспечение ультразвуковых технологий.. 228
Выводы по главе 4 238
Глава 5 Методы повышения энергетических параметров изделий из резистивных композиционных материалов 239
5.1 Разработка мероприятий, повышающих энергетические параметры резистивных композиционных материалов 239
5.2 Конструирование контактных узлов изделий из резистивных композиционных материалов 243
5.3 Разработка системы изоляции прижимных контактов резисторов и электронагревателей объёмного типа 252
5.4 Композиционные резисторы в схемах, повышающих электромагнитную помехозащищённость электрооборудования агропромышленных комплексов 257
5.5 Контроль технологических параметров изделий из резистивных композиционных материалов для мобильных и стационарных объектов агропромышленного комплекса 265
Выводы по главе 5 268
Глава 6 Применение композиционных резисторов и электронагрева телей на сельскохозяйственных объектах и их технико-экономическое обоснование 270
6.1 Применение магнитобетэла в реакторах на напряжения от 6 до 35 кВ сельских электрических сетей 270
6.2 Импульсный температурный режим в технологии резистивных композиционных материалов 277
6.3 Применение нагревательных устройств на объектах агропромышленного комплекса и в быту сельского населения 279
6.4 Экономическая эффективность применения электронагревателей из резистивных композиционных материалов в сельском хозяйстве 290
6.4.1 Применение бетэловых электронагревателей в тепличном хозяйстве 290
6.4.2 Технико-экономическое обоснование применения электрона- греваемых полов 294
Выводы по главе 6 309
Основные выводы по результатам научных исследований 310
Список литературы
- Системно-аналитический обзор по изделиям из резистивных композиционных материалов
- Разработка моделей структуры резистивных композиционных материалов
- Применение цемента и силиката натрия в качестве связующих
- Волновые процессы в среде диэлектрической жидкости, предназна ченной для отчистки и пропитки изделий из резистивных компози ций и деталей механизмов
Введение к работе
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.
Системно-аналитический обзор по изделиям из резистивных композиционных материалов
Непосредственно извлекаемая в природе первичная энергия воды, топлива, ветра и других ресурсов, на специальных станциях преобразуется во вторичную энергию (электрическую, горячей воды, пара, переработки твёрдых бытовых отходов - ТБО и т.п.) [284, 340, 389].
В настоящее время наиболее широко используется только энергия химических горючих топлив в основном органического происхождения, запасы которых составляют менее одного процента ресурсов энергии на Земле. В то же время Россия обладает большой возможностью развития энергетики на основе возобновляемых и нетрадиционных энергоресурсов. К твёрдому топливу относятся каменный и бурый угли, торф, сланцы и др.; к жидкому топливу относятся нефть и продукты её переработки; к газообразному топливу - добываемый из недр Земли природный газ, газообразные отходы металлургического производства, крекинговый газ и др.
В развитых странах потребление различных видов энергии возрастает. В тоже время собственные энергоресурсы, например, Европейского Союза (ЕС) ограничены. В настоящее время энергопотребности ЕС удовлетворяются на 41%) за счёт нефти, 22% - газа, 16% - угля, 15% - атомной энергетики и 6% - за счёт возобновляемых и нетрадиционных источников энергии (ВНИЭ), а в дальнейшем планируется увеличение доли ВНИЭ в энергопотреблении с 6% в 1997 г. до 12%) в 2010 г., что окажет позитивное влияние на занятость населения в сельской местности [257, 340].
Следует учитывать, что энергетика от ВНИЭ ориентируется на существующие ресурсы данного региона и их масштабному использованию должен предшествовать длительный мониторинг мощности источников и структурных потребностей региона в энергии. Периодичность потоков энергоресурсов во времени далеко не всегда совпадает с реальными потребностями в энергии. Смена времени года и географическое положение региона влияют на регулярность и интенсивность потоков возобновляемой энергии. В тоже время комплексное применение различных видов ВНИЭ и традиционных источников энергии повышает надёжность энергоснабжения [135, 345, 387-391].
Рост стоимости энергоносителей, в значительной мере обусловленный ограниченностью запасов ископаемых источников энергии, повышает актуальность задачи более широкого использования возобновляемых и нетрадиционных источников энергии: тепла Земли и низкопотенциального тепла, энергии ветра, солнца, рек и водоёмов. Использование ВНИЭ становится частью государственной энергетической политики, предусматривающей: - ускорение развития производства установок и оборудования; - обеспечение устойчивого энергоснабжения предприятий и населения; - создание автономных энергосистем с использованием местных ВНИЗ; - улучшение экологических показателей на территории России, связанных со снижением вредных выбросов в окружающую среду.
Росту производства энергии с использованием нетрадиционных и возобновляемых энергоресурсов будет способствовать строительство объектов малой гидроэнергетики, ветроэнергетики, фотоэнергетики, геотермальных станций и предприятий переработки биомассы [46, 63, 86, 93, 301, 340, 389].
Сельское хозяйство относится к крупным потребителям топливно-энергетических ресурсов [22, 28, 60, 102, 327]. Электротеплоснабжение сельских регионов обеспечивает необходимые потребности объектов сельскохозяйственного производства и населения, которое можно представить в виде блок-схемы системы снабжения и энергопроизводства, а также системы энергопотребления [135, 148-150, 344-345].
В сельскохозяйственном производстве используется до 15% энергоресурсов народного хозяйства, в том числе порядка 10% составляет электроэнергия. При этом значительная часть электроэнергии направляется на отопление жилых помещений и процессы температурновлажностного режима в животноводстве и растениеводстве [121,126, 150, 222, 254].
В развитых странах отмечается рост потребления электрической энергии в жилищно-бытовом секторе и сельскохозяйственном производстве [60, 67, 70, 183, 387-391]. В США на жилищно-бытовой сектор приходится около 40% потребления электрической энергии в стране, во Франции - более 35%, а в России - менее 2%. Основной расход электроэнергии приходится на отопление: в США - 60%, Франции - 50%), Германии - 85%. Во Франции электроотопление используют в 96% строящихся жилых зданий, в Норвегии - 100% [102].
Электротеплоснабжение, несмотря на относительно высокую стоимость электроэнергии по сравнению с твёрдым, жидким и газообразным топливом, имеет следующие достоинства: - возможность выравнивания графика электрических нагрузок и автоматизации регулирования температуры установок индивидуального отопления; - создание комфортных условий в бытовых и служебных помещениях; - выполнение необходимых экологических условий в населённых пунктах.
Электрические системы отопления позволяют не только сберечь топливо, но и отличаются конструктивной компактностью нагревательных приборов, высоким уровнем индустриализации строительно-монтажных работ. Сопоставление экономичности отопления на жидком топливе и электроотопления, проведённое в Норвегии, показало, что если поддерживать одинаковую температуру в помещениях с различными системами отопления, то расход энергии при электроотоплении почти вдвое меньше, чем при центральном водяном отоплении с котлами на жидком топливе. Низкий расход электроэнергии при электроотоплении обусловлен большей гибкостью этого способа отопления и возможностью эффективной регулировки теплоотдачи отопительных приборов в соответствии с фактической потребностью [174, 177, 198, 251].
В общем случае под формулировкой «система электроснабжения сельских регионов» понимают совокупность котельных, электрических и тепловых сетей, технологические электротермические установки в сельскохозяйственном производстве и быту сельского населения [22, 148-150, 212-213, 327]. Эту систему можно представить как развитую иерархическую структуру, в каждом из уровней которой имеется свой управляющий орган (рисунок 1.2) [148-150].
Разработка моделей структуры резистивных композиционных материалов
При создании новых композиционных материалов решение возникающих задач в замкнутой, циклически повторяющейся системе «подбор состава, получение структуры, изучение характерных свойств», можно разделить на несколько направлений [68, 102, 228, 245, 260, 272]: - прогнозирование свойств композитов при подборе ингредиентов на этапе проектирования состава; - определение граничных эксплуатационных условий, исключающих де струкцию материала; - прогнозирование поведения композитов в экстремальных условиях эксплуатации; - специальные перспективные технологии.
Методы планирования эксперимента наиболее часто применяются при анализе сложных композиций для производства электропроводных и электроизоляционных изделий. Оптимизация составов и прогнозирование параметров материалов при этом касается производства электротехнических изделий, энер гетического и гражданского строительства в основном по физико-механическим характеристикам [6, 32, 49, 102, 131, 148, 170]. Достаточно сложной задачей является прогнозирование процесса старения изделий при их эксплуатации [92, 96, 102, 215,227]. В технологии производства строительных и электротехнических конструкций прогнозируют свойства с учётом полуэмпирических формул и корреляционных зависимостей между электрофизическими, теплофизическими характеристиками и технологическими параметрами [92, 96, 102, 174-177]. Разработаны методы прогнозирования свойств химических соединений с использованием теории распознавания образов и представлений о структуре для специальной выборки [116, 228]. При прогнозировании структуры композиционных материалов, планировании экспериментов, анализе их результатов, создании банков данных, используется компьютерное моделирование. Следует отметить, что в большинстве случаев расчёты выполняют для модельных систем, имеющих близкое строение структур. Это позволяет оценивать влияние входных величин на изменение выходных параметров, то есть электро-, теплофизических и физико-механических характеристик [91, 112-113, 157, 223, 226]. В то же время существующие методы прогнозирования основных электрофизических и конструкционных параметров электротехнических композитов, использующие модели структурообразования РКМ, не позволяют сделать однозначный вывод об основном механизме электропроводности и нелинейности большой номенклатуры изделий из РКМ. В целом подчёркивается, что соответствие комплекса характеристик изделий прогнозируемым данным становится более близким при использовании разнообразных методик.
Основой концепции прогнозирования свойств сложных композиций является системный подход к предмету исследования при планировании, математическом моделировании и проведении экспериментов. При этом учитывают влияние сформированной структуры материала на комплекс характеристик изделия с обязательным учётом режимов эксплуатации [66, 256, 264-269]. Технические трудности разработки адекватной модели приводят к необходимости использовать в основе процесса прогнозирования экспериментальные данные. При этом следует учитывать взаимовлияние ингредиентов композиции, например, электропроводной фазы - с диэлектрическими наполнителями и со связкой.
Зависимость электрофизических и физико-механических характеристик от количественного содержание ингредиентов смеси позволяет более детально исследовать возможность применения теории квалиметрии при разработке РКМ. Теория квалитетов в ряде случаев применяется при анализе зависимости свойств материала от его структуры, например, при получении электроизоляционного материала на полимерной основе, или при комплексной оценке качества продукции [226-228]. Задача сводится к выбору свойства материала для количественной оценки качества изделий, представляемого составом и структурой РКМ. Совокупность свойств и меры полезности материала определяют совершенство изделия из РКМ, являющейся критерием качества продукции и удовлетворяющей техническим возможностям производителя (завода) и требования потребителя (энергосистемы). Однако теория квалитетов не получила широкого практического применения для прогнозирования свойств РКМ.
При оценке возможности применения РКМ в реальной области необходимо производить набор ингредиентов, отличающихся маркой производителя, гранулометрическим составом, вязкостью наполнителей и т.п. Стабильность характеристик РКМ в различных условиях необходимо учитывать, основываясь на знаниях эмпирических параметров. Подбор электропроводных дисперсных ингредиентов в РКМ на основе силикатных и полимерных связок, осуществляется при количественной оценке макроструктуры [6, 51, 53, 91, 112-113]. Основываясь на корреляции между физическими и геометрическими параметрами изделий, подбирают РКМ, удовлетворяющих требованиям стабильных электрофизических характеристик при изменении параметров окружающей среды (влажности, температуры, агрессивности, давления и т.д.) При этом задача решается после оценки и подбора электропроводного дисперсного ингредиента и выбора технологии его пространственного распределения в объёме изделия [131, 314, 316]. В качестве одного из основных критериев применяется диапазон изменения величины зазора между контактирующими частицами при рассмотрении системы "полупроводник - диэлектрик - полупроводник" или "металл - диэлектрик - металл", в которых действует туннельный механизм электропроводности [91, 102, 189, 194,215,221,230,311].
Поэтому совершенствование методов разработки РКМ на основе структурных модельных систем осуществляют с использованием статистических данных экспериментальных исследований и модельных вычислительных экспериментов [91, 239, 249, 263, 292-293]. Нами проведён анализ теоретических концепций и экспериментального банка данных по изучению комплекса характеристик РКМ различного состава на основе силикатных и полимерных связок с использованием метода планирования экспериментов. Отметим, что планирование экспериментов предполагает использование математического описания изучаемого явления, когда механизм его неизвестен и, в силу сложности этого явления, практически не может быть установлен [91, 102, 131]. Примером такого объекта исследования в нашей практике может служить рецептурная разработка, в задачу которой входит поиск взаимосвязей в многофакторной системе «состав-свойство». Оптимизация изучаемого объекта, например, получение РКМ с заданными свойствами, осуществляется при помощи ЭВМ, с ориентировкой на оптимальный рецепт путём накладывания на основные свойства определённых ограничений - требований и путём построения графиков разных выходов (контурных графиков) для двухмерных сечений полинома. Это не только позволяет отыскивать требуемый центр, но и даёт наглядное представление о взаимосвязи "состав-свойство" во всём экспериментальном поле.
Применение цемента и силиката натрия в качестве связующих
Основным критерием при разработке современного технологического оборудования является его качество (потребительские и технологические свойства, производительность, безопасность, надёжность, долговечность, уровень стандартизации и унификации деталей и узлов в конструкции) [61, 135-144]. При этом под производительностью оборудования понимается объём продукции (работы), производимой в единицу времени в соответствии с его конструктивными особенностями, технической характеристикой и производственной квалификацией рабочих. Производительность ультразвуковых установок для очистки деталей определяется количеством деталей, очищаемых с их помощью в час.
Для ультразвуковых установок особо важное значение имеет безопасность их эксплуатации. Длительное воздействие мощного ультразвука на человека может вызвать сердечно-сосудистые нарушения, гипертонию и гипотонию, паралич нервных окончаний кистей рук, провоцировать опухоли и снижение слуха. При соблюдении мер безопасности работа с ультразвуком на здоровье не отражается. В качестве основных величин, используемых для нормирования уровня воздушного и контактного ультразвука и расчётов по звукоизоляции, принимают предельно - допустимые уровни (ПДУ) ультразвука в децибелах. ПДУ ультразвука - это уровень, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю, в течение всего рабочего стажа не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений [137, 142-144].
Для низкочастотного ультразвука характерно распространение излучения через воздух, кроме того, присутствует широкополосный спектр шума кавити-рующей рабочей жидкости. Неблагоприятное воздействие воздушного ультра 228 звука на человека-оператора может быть ослаблено путём оборудования стационарных ультразвуковых источников звукопоглощающими кожухами и экранами, а также размещением в отдельных помещениях или звукоизолирующих кабинах [281, 283].
Обрабатываемая деталь Существующая технология Ультразвуковая технология Клапана стационарных компрессоров Время очистки 12 часов Полная разборка клапана Время очистки 1 час Распылители форсунок дизелей Замена на новые 35% Время очистки 30 мин. Фильтрующие элементы фильтров очистки топлива Замена на новые Время очистки60 мин.Комплект из 20 шт. Пластинчато-щелевые фильтры очистки топлива Ручная очистка в керосине 8 часов. Ккомплект Время очистки 60 мин. Комплект Приборы точной механики Ручная очистка с использованием бензина Время очистки 30 мин. Пропитка якорей двигателей и генераторов при капитальном ремонте Полный цикл с двукратной пропиткой вакуумнонагне-тательным способом 82 часа Однократная пропитка. Полный цикл 46 часов Головка блока дизеля Ручная очистка 4 часа с использованием дизтоплива Ручная очистка косточковой крошкой Время очистки 60 мин. Поршни ДВС Ручная очистка 4 часа на комплект Время очистки 60 мин Радиаторы выпрямительных установок Ручная очистка с применением бензина Время очистки30 мин Изоляторы шинного монтажа Предварительное замачивание 2 часа в щавелевой кислоте. Мойка в роторной машине Ручная домывка с использованием едкого натра Время очистки30 мин Ультразвуковые технологические установки относятся к стационарным источникам с постоянным режимом генерирования ультразвуковых колебаний с воздушным или контактным способом распространения ультразвука [181]. Рабочая частота выбирается, исходя из назначения установки в диапазоне низкочастотного ультразвука от 18 кГц до 44 кГц.
При проектировании и изготовлении установок учитывают требования ГОСТ 12.1.001-89 и ГОСТ 12.2.051-80. Управление установкой осуществляют дистанционно с отдельного пульта управления, либо с лицевой панели блока электроники. Предусмотрена электромеханическая блокировка, которая автоматически отключает питание блоков генераторов при открывании крышки моющей ванны. Это исключает случайный контакт рабочего-оператора с ультразвуковой вибрацией. Для подавления воздушного ультразвука применяется внешний кожух, изготовленный из стали толщиной 1,5 мм. Кожух является несущим элементом (рабочая ёмкость вставляется в кожух).
Полное электрическое сопротивление излучателя на собственной резонансной частоте минимально и практически активно. При питании излучателя импульсами прямоугольной формы с частотой, равной собственной резонансной частоте излучателя, в момент переключения транзисторов выходного каскада будет возникать колебательный переходной процесс со значительными выбросами тока, который приведёт к слишком большому рассеиванию тепла на транзисторах. Питание излучателя синусоидальным напряжением устраняет переходные процессы, но транзисторы выходного каскада будут работать в линейном режиме, что тоже приведет к недопустимо большому рассеиванию тепла на транзисторах.
Экспериментальные исследования показали, что интенсивность ультразвука, возбуждаемого на частотах, не равных собственной резонансной частоте излучателя, но близких к этой частоте, не уменьшается при увеличении амплитуды напряжения питающих импульсов. На частотах, отличающихся на 3-5% от собственной резонансной частоты излучателя, активная составляющая сопротивления излучателя пренебрежительно мала по сравнению с реактивной емкостной составляющей. Следовательно, емкостную составляющую на этих частотах можно компенсировать индуктивностью, и тогда в цепи возникнет электрический резонанс напряжений. Электрический резонанс в последовательной цепи характеризуется совпадением фазы тока с фазой входного напряжения, а также многократным увеличением амплитуды напряжения на реактивных элементах. Поскольку в момент перехода напряжения с прямой полярности на обратную полярность (момент коммутации транзисторов) ток в цепи (а также через транзисторы) отсутствует, то на транзисторах будет рассеиваться минимальное количество тепловых потерь и, следовательно, КПД схемы будет максимальным.
При электрическом резонансе напряжение на реактивном сопротивлении излучателя увеличивается примерно в 10 раз и достигает порядка одного кВ, что обеспечивает значительную интенсивность ультразвука (от 3 до 10 Вт/см ).
Во время работы колебательной системы элементы излучателя и также магнитопровод дросселя претерпевают значительное нагревание. В связи, с этим изменяется ёмкость пьезоэлементов и индуктивность дросселя, а это приводит к изменению частоты электрического резонанса (нагрев излучателя до +373 К снижает резонансную частоту на величину от 0.5 до 1,0 кГц). Изменение акустических свойств обрабатываемых сред может также изменять резонансную частоту колебательной системы на 0,5 кГц. Уход колебательной системы от электрического резонанса приведёт к значительному снижению эффективности ультразвука, а также к увеличению потерь на транзисторах. Поэтому генератор ультразвуковых колебаний должен подстраиваться под изменяющиеся внешние условия.
Колебательную систему можно удерживать в состоянии электрического резонанса подстраивая либо индуктивность, либо частоту. Подстройка индуктивности - довольно сложная задача, требующая применения специальных управляемых дросселей. Такие дроссели имеют небольшой диапазон изменения индуктивности, для них характерна сильная нелинейность и они нетехнологичны при серийном производстве. Гораздо проще и эффективнее регулировать частоту генератора, который должен обеспечивать генерацию импульсов в диапазоне частот от 18 кГц до 60 кГц и иметь автоподстройку по частоте. Часто регулируют частоту при электрическом резонансе по разности фаз напряжения тока. Любое отклонение от резонанса приводит либо к положительной разности фаз, либо к отрицательной. Следовательно, по знаку разности фаз можно определить направление изменения частоты генератора. Таким образом, генератор должен вырабатывать такую частоту, при которой разность фаз была бы равна нулю. То есть, управляя частотой, генератор управляет фазой. Такая система называется частотной автоподстройкой фазы (ЧАПФ), структурная схема которой приведена на рисунке 4.12.
В рабочем режиме фазировка вторичных обмоток выполнена таким образом, что транзисторы открываются по плечам. При поступлении сигнала на первичную обмотку плечи поочередно открываются и подключают нагрузку к источнику питания на выходе усилителя. В результате через нагрузку течёт ток переменной полярности.
Нагрузкой усилителя служат включенные последовательно согласующий дроссель (индуктивность) и излучатель (ёмкость). В режиме электрического резонанса их реактивные сопротивления равны и компенсированы, а ток в такой цепи имеет синусоидальную форму.
Волновые процессы в среде диэлектрической жидкости, предназна ченной для отчистки и пропитки изделий из резистивных компози ций и деталей механизмов
Проведённый системно-аналитический обзор особенностей энергообеспечения производственной сферы и населения АПК указал необходимость бесперебойности и качества электротеплоснабжения, особенно в отдалённых районах Сибири и Дальнего Востока, с более широким применением нетрадиционных источников энергии, а в качестве активной нагрузки, электронагревателей и резисторов из РКМ (бетэла и рапита), имеющих низкую себестоимость по сравнению с аналогичными изделиями из металлических и керамических материалов. Это сокращает до 30% затраты на устройства для преобразования электрической энергии в тепловую.
Разработанный системный подход к теоретическому исследованию и конструированию изделий из РКМ создал условия для их математического моделирования при определении характера электропроводности многофазных систем, содержащих полупроводниковые или металлические дисперсные ингредиенты.
По выполненным расчётам установлена применимость теории протекания для определения электропроводности РКМ в слабых электрических полях до 102 В/м. Показана правомерность использования критических индексов пер-коляционной теории - t, q и S к гетерогенным системам типа бетэл-рапит. Сделано заключение о целесообразности применения теории Френкеля для расчёта электропроводности гетерогенных систем в промежуточных электрических полях от 102 до 104 В/м, а в сильных электрических полях от 104 до 107 В/м - по уравнению полного тока контактирующих ПДП-систем.
В результате систематизации теоретических исследований по композиционным резистивным материалам выявлены основные механизмы электропроводности в системах контактирующих полупроводниковых частиц в РКМ, развитие теории электропроводности которых привело к получению расчётных формул, увеличивающих достоверность количественных параметров.
На основании предложенных физико-математических моделей получены формулы и алгоритмы расчёта электропроводности ПДП-систем и контактных сопротивлений изделий из РКМ. Установлено, что увеличение зазора в контакте ПДП на 1 нм приводит к десятикратному уменьшению плотности тока. Проанализированы зависимости электропроводности по уравнению полного тока от напряжённости электрического поля, температуры, работы выхода электронов, диэлектрической проницаемости среды. Так, например, изменение напряжённости электрического поля в 10 раз приводит к увеличению плотности тока ВІЗ раз.
Теоретически обоснован и экспериментально подтверждён выбор ингредиентов до 10 составов РКМ и электротехнических конструкций (резисторов, электронагревателей, заземлителей), предназначенных для работы в схемах электротеплоснабжения и повышающих электромагнитную помехозащищённость электрооборудования АПК и других объектов. Разработаны мероприятия по совершенствованию параметров электронагревательных устройств для условий эксплуатации на предприятиях АПК и в быту: увеличена температура при постоянном включении до 363 К и работе в агрессивной среде при влажности, достигающей 95%.
На основании исследований и расчётов установлены закономерности изменения электрофизических и других характеристик бетэла и рапита в зависимости от структуры материала. Даны рекомендации по технологии изготовления изделий из РКМ, содержащих силикатные и полимерные связки. Предельная плотность тока через изделия увеличена до 20% (при частоте 50 Гц) и удельная энергия рассеяния возросла на 25-40 %.
В результате проведённых натурных экспериментов и их анализа разработаны более 10 конструкций электронагревательных устройств и резисторов для различных областей применения в АПК, со снижением металлоёмкости до 80% и стоимости до 45% от аналогичных устройств отечественного и зарубежного производства. Результаты теоретических исследований распределения
электрического поля в прижимных контактах электротехнических изделий использованы при разработке технологических правил изготовления изделий из РКМ.
По результатам комплексных исследований резисторов и электронагревательных устройств на испытательных установках и в реальных схемах электротеплоснабжения, предложены мероприятия для улучшения параметров изделий из РКМ.
Выполненные исследования и новые технические решения позволили разработать технологические правила изготовления резистивных устройств из РКМ на основе силикатных и полимерных связок, которые прошли промышленную апробацию.
Технико-экономическая эффективность применения электронагрева с изделиями из РКМ на сельскохозяйственных объектах по сравнению с другими способами поддержания температуры подтверждается промышленным производством резисторов и ЭНУ из РКМ, экономический эффект от внедрения которых превысил 3,0 млн. руб. Это доказывается внедрением методических рекомендаций, изложенных в диссертации, в 10 научно-исследовательских и учебных заведениях.
