Введение к работе
Актуальность проблемы. Произошедшие в России изменения экономических отношений, переход сельского хозяйства на работу в рыночных условиях, акционирование сельскохозяйственных предприятий, создание фермерских хозяйств потребовали изменения подхода к энергопотреблению в агропромышленном комплексе, призванному обеспечить интенсификацию сельскохозяйственного производства в условиях ограниченных финансовых средств.
Недостаточная эффективность использования энергии отнимает необходимые как отдельному хозяйству, региону, так и стране в целом финансовые средства, увеличивает загрязнение окружающей среды, снижает общую эффективность экономики. Потенциал энергосбережения в каждом секторе российской экономики огромен и составляет до 40 - 45 % от сложившегося уровня потребления топливо-энергетических ресурсов. Перевод экономики на энергосберегающий путь развития в соответствии с федеральной программой Правительства РФ «Энергосбережение в России в 1998 - 2005 гг.» и региональными программами предусматривает снижение энергоемкости внутреннего валового продукта на 13,4 %, разработку нормативов на энергетическую эффективность основных видов энергопотребляющего оборудования, введение гибкой тарифной политики на энергоносители, первостепенную поддержку организационных и технических мероприятий, обеспечивающих наибольший эффект при минимальных затратах.
Для осуществления энергосбережения в агропромышленном комплексе (АПК) необходима разработка и внедрение эффективных технических средств и технологий электронагрева, обеспечивающих гарантированное увеличение количественных и качественных показателей сельскохозяйственного производства, способных значительно снизить весовой коэффициент потребления тепловой и электрической энергии в себестоимости продукции; позволяющих организовать раздельный учет электрической энергии, потребляемой населением сельских населенных пунктов и предприятиями сельского хозяйства, на основе использования щитов учета с электроподогревом индукционных счетчиков электроэнергии, что особенно актуально для районов Сибири и Дальнего Востока.
Применение высокоэффективных средств и технологий электронагрева в тепловых процессах сельскохозяйственного производства в сравнении с топливными средствами и системами в большей степени соответствует интенсификации технологических процессов, сопровождается положительными экономическим и социальным эффектами, улучшает экологическую обстановку.
В условиях современного состояния экономики возрастает роль локального низкотемпературного поверхностно-распределенного обогрева (300-400 К), осуществляемого как с помощью протяженных металлических электрона-
гревательных устройств (ЭНУ): трубчатых электронагревателей (ТЭН), спиралей, нагревательных проводов, обладающих повышенной энерго-, металлоемкостью, требующих расхода дефицитных сплавов для ТЭН, обладающих малым сроком службы в условиях сельскохозяйственного производства, так и более эффективных композиционных электрообогревателей в виде пленок, плиток, панелей, ковриков.
Проведенный анализ известных отечественных и зарубежных низкотемпературных композиционных электрообогревателей (НТКЭ) по физическим процессам, особенностям конструкции и технологии производства, эксплуатационным характеристикам позволил в систематизированном виде выполнить оценку состояния и определить перспективы их применения на предприятиях АПК. Он также выявил необходимость решения проблемы разработки теории многоэлектродных систем НТКЭ и создания на ее основе новых электротехнических конструкций в различных областях науки и сельскохозяйственной техники. Разработка научно обоснованных методов расчета и регулирования электро-, теплофизических параметров обеспечивает решение инженерных задач проектирования и производства низкотемпературных многоэлектродных композиционных электрообогревателей (НТМКЭ) с необходимыми техническими и геометрическими характеристиками, отвечающих требованиям электробезопасности, стойкости к агрессивным средам, экологичности.
Целью работы является теоретическое обоснование и разработка многоэлектродных систем низкотемпературных композиционных электрообогревателей пластинчатого и цилиндрического типов на основе анализа особенностей структуры электрических и тепловых полей в резистивных материалах, обеспечивающих снижение энергоматериальных затрат, экологическую безопасность, повышающих сохранность и улучшающих качество сельскохозяйственной продукции.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
провести системный анализ методов и технических средств низкотемпературного электрообогрева и разработать основные требования к системам электрообогрева с учетом специфики сельскохозяйственного производства;
обосновать расчетные модели при определении электрических и тепловых проводимостей сложных многоэлектродных систем пластинчатого и цилиндрического типов при учете реальных граничных условий;
разработать теоретические методы расчета электрических и тепловых проводимостей, распределения потенциала и температуры по поверхности для многоэлектродных систем пластинчатого и осесимметричного типов;
разработать инженерную методику проектирования и новые технические решения конструкций НТМКЭ и систем обогрева на их основе для предприятий АПК, и внедрить их в производство;
- выполнить комплекс экспериментальных исследований структуры
резистивного композиционного материала на основе бутилкаучука и тех
нического углерода и комплекс электро-, теплофизических характеристик с
целью разработки рекомендаций по совершенствованию технологий про
изводства электрообогревателей;
разработать конструкторско-технологическую документацию на организацию промышленного производства предлагаемых типов электрообогревателей.
Объект исследования. Объектом исследования являются многоэлектродные системы низкотемпературных композиционных электрообогревателей пластинчатого и цилиндрического типов.
Предмет исследования состоит в теоретическом обосновании и разработке методов расчета электро-, теплофизических параметров многоэлектродных систем НТКЭ, разработке конструкций и технологий их производства.
Методы исследования. При выполнении работы применялись основные положения теории потенциальных полей, электрофизики, методы системного анализа, математической статистики и теории вероятностей, методы теории комплексного переменного, численные методы решения нелинейных трансцендентных уравнений, методы оптической микроскопии, растровой и просвечивающей электронной микроскопии.
Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:
разработаны новые расчетные модели при определении комплекса электро-, теплофизических характеристик для многоэлектродных систем НТКЭ пластинчатого и осесимметричного типов с расположением электродов в резистивном материале равномерно и группами;
выполнен теоретический анализ и разработан метод расчета, позволяющий получить общее решение и точные формулы для определения напряженности поля, электрического тока, электрической и тепловой про-водимостей, распределения потенциала и температуры по поверхности НТМКЭ пластинчатого типа с учетом различных влияющих величин, в том числе: систем организации, смещения и толщины электродов;
разработан аналитический метод определения электрической проводимости многоэлектродной осесимметричной системы в условиях квазиоднородной среды. Получены новые точные и приближенные формулы, позволяющие определить в явном виде зависимость электрической проводимости двух-, трех-, пятиэлектродных систем цилиндрического типа от конструктивных параметров для целей расчета и проектирования НТМКЭ с требуемой температурой на поверхности;
теоретически обоснованы и разработаны методы расчета тепловой проводимости системы с учетом ширины теплоизоляционного слоя электрообогревателя, толщины и смещения резистивного слоя;
разработана инженерная методика проектирования и выполнены расчеты электрообогревателей, обеспечивающие заданные электро-, теп-
лофизические характеристики и конструктивные параметры;
выполнен анализ структуры электропроводящей фазы различных составов разработанного композиционнрго материала на основе бутилкаучу-ка с наполнителем в виде дисперсного технического углерода (ТУ) с нахождением количественных и качественных характеристик комплексными методами, позволяющими установить объективную взаимосвязь между структурными параметрами и электро-, теплофизическими характеристиками;
разработаны на уровне изобретений новые технические решения, относящиеся к многоэлектродным и осесимметричным системам НТКЭ, включающие разработку конструкций, составов композиций и технологий промышленного производства НТМКЭ, энергоэффективных, экономичных, экологически чистых.
Новизна технических решений защищена шестью патентами.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются научной строгостью разработанных теоретических и экспериментальных методик; сопоставлением результатов аналитического и численного исследований; экспериментальной проверкой результатов расчетов; практической реализацией разработанных методов, технических устройств и технологии.
Практическая ценность. Проведенная обобщенная информационная оценка методов и средств низкотемпературного локального электрообогрева на предприятиях АПК позволила выбрать наиболее эффективную систему обогрева объектов (индукционные счетчики электроэнергии в щитах учета, напольный обогрев молодняка животных и птицы, подогрев зерна и сыпучих продуктов на предприятиях переработки, локальный обогрев водоводов, поилок КРС, маралов, устьев скважин водозаборов и др.) на основе НТМКЭ.
На основе определения структуры потенциальных полей многоэлектродных систем получен массив численных значений электрических и тепловых параметров электрообогревателя для основных используемых на практике типоразмеров НТМКЭ, а также простые и достаточно точные аналитические зависимости электро-, теплофизических характеристик от конструктивно-технологических параметров.
Предложенные научно-методические и проектно-технологические рекомендации положены в основу проектирования и создания эффективных установок электрообогрева заданных форм и типоразмеров с различной структурой электропроводящей фазы, удовлетворяющих требованиям эксплуатации в условиях сельскохозяйственного производства.
Разработаны на уровне изобретений конструкции электрообогревателей пластинчатой и цилиндрической форм, а также энергоэффективные системы обогрева на их основе.
Предложены составы композиций, технология изготовления, в том числе: режимы смешения и вулканизации резиновых смесей, позволяющие уменьшить структурную неоднородность резистивного слоя и повысить стабильность эксплуатационных характеристик композиционных электро-
обогревателей.
При соответствующем обосновании область применения разработанных методик расчета может быть расширена за счет их использования при создании приборов измерения и контроля линейно-угловых величин, емкости, расчете образцовых конденсаторов и резисторов, электро-, теплотехнических установок для борьбы с гидратобразованиями и нефтепарафина-ми в нефтегазовой промышленности.
Реализация и внедрение результатов работы. Настоящая диссертация выполнена в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и является составной частью комплексных научно-технических программ:
«Энергосбережение Минобразования России на 1999-2005 гг.» во исполнение постановлений Правительства РФ №588 «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России» от 15.06.1998.
Проекта системы машин ВАСХНИЛ на 1986-1990 гг. (раздел Ж12).
Краевой программы научных исследований и инновационных проектов 2005-2008 гг. раздел «Разработка и создание промышленного образца низкотемпературных композиционных электрообогревателей для АПК, промышленности и ЖКХ», тематическим планам АлтГТУ.
Разработанные методы расчета плоскопараллельных полей в приближенно однородных средах для многоэлектродных систем и методика определения электро-, тешюфизических характеристик приняты к использованию в Институте электродинамики НАЛ Украины и Институте физики НАН Азербайджанской республики.
Результаты теоретических исследований и расчетов в совокупности с экспериментальными испытаниями положены в основу разработки технических условий (ТУ) и организации сертифицированного промышленного производства многоэлектродных композиционных электрообогревателей на ОАО «Барнаульский шинный завод» и ОАО «Восток-Латекс» (г. Барнаул), выпуск которых с 1999 г. составил 30 тыс. шт.
Реализация результатов работы заключалась в широких промышленных испытаниях и внедрении электрообогревательных установок на основе НТМКЭ на предприятиях АПК Алтайского края, Томской, Московской областей и Азербайджанской республики, в том числе: в ЗАО «Союзмука», СПК «Жилино», СПК «Повалихинский», АКГУП «ПТФ Молодежная», ОАО «Первомайское Агропромэнерго», ООО «Алтайсельэлектросетьст-рой», ООО «Алтайизвесть». Научно-технические разработки и материалы расчетов приняты к внедрению Главным управлением сельского хозяйства и продовольствия администрации Алтайского края и Союзом зерноперера-ботчиков Алтайского края.
Основные положения и результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Электротехнологические установки сельскохозяйственного производства», «Теоретические
основы электротехники», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», а также в курсовом и дипломном проектировании в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ), Алтайском государственном агроуниверситете (АГАУ). На защиту выносятся:
теоретическое обоснование расчетных моделей многоэлектродных систем НТКЭ пластинчатого и осесимметричного типов, позволяющих с достаточной степенью достоверности определить комплекс электро-, теп-лофизических характеристик в зависимости от конструктивных параметров электрообогревателей;
теория расчета многоэлектродных систем НТКЭ пластинчатого типа;
аналитический метод определения электрической проводимости осесимметричныхНТМКЭ;
методики проектирования и расчета электрических и тепловых параметров НТМКЭ, удовлетворяющих требованиям агропромышленного производства, с учетом различных влияющих величин;
результаты экспериментального исследования влияния ингредиентов композиции, технологических режимов на организацию структуры и формирование свойств КМ, обеспечивающие степень неоднородности до 7%;
новые конструкции, эффективные технологические режимы, промышленные образцы НТМКЭ, результаты их производственных испытаний и внедрений на предприятиях АПК.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 12 международных, 2 всесоюзных, 3 российских и других научных (научно-технических) симпозиумах, совещаниях и конференциях. Основными из них являются: межвузовская конференция «Роль Алтайского края в решении Продовольственной программы» (г. Барнаул, 1987 г.); 1-я и 4-я Всесоюзные конференции «Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов «ИКАПП-91» (г. Барнаул, 1991, 1997 гг.); 1-я и 2-я международные научно-технические конференции «Композиты - в народное хозяйство России» (г. Барнаул, 1995, 1997 гг.); 5-е, 6-е, 7-е всероссийские совещания «Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» (г. Томск, 2001, 2002, 2003 гг.); международная конференция «Вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции» (г. Барнаул, 1995 г.); 2-я международная конференция «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2001 г.); международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); 1-я и 2-я международные конференции «Technical & Physical Problems in Power Engineering» (г. Баку, 2002 г., Иран, г. Тебриз, 2004 г.); международная научно-техническая конференция «Энергетика и будущее цивилизации» (г. Томск, 2004 г.), а также на научно-технических семинарах ЭНИНа, НИХТИ, ЗАО ИЦ «Планета» (г. Москва 199К2004 г.), института физики НАН Азербайджана (г. Баку, 1998г.,
2002-2004 гг.), кафедрах «Физика» ТГАСУ, «ТОЭ» ТПУ (г. Томск, 2000-2004 гг.), «Теория электромагнитного поля и электроэнергосбережение» АлтГТУ (г. Барнаул, 1990-2004 гг.).
Разработанные экспериментальные и промышленные образцы изделий экспонировались и были отмечены на следующих выставках и ярмарках: выставка-конгресс «Энергосбережение», Томск, 2001, 2002 г. (дипломы); ВВЦ, павильон Электрификация, 3-я всероссийская выставка «Энергосбережение в регионах России», Москва, 2001 г. (диплом); 7-я специализированная выставка-ярмарка «Строительство. Благоустройство. Интерьер», Барнаул, 2001 г.(диплом); выстака-конгресс «Неделя высоких технологий - 300-летие Санкт-Петербурга», Санкт-Петербург, 2003 г.(диплом I степени, медаль).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 82 печатных работах, в том числе в 5-ти патентах, 2-х научно-методических и практических рекомендациях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и основных выводов по диссертации, списка литературы, включающего 239 наименований, и приложений. Диссертационная работа изложена на 445 страницах.
