Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и выработка основных требований к техническим средствам локального обогрева 13
1.1 Определение объекта исследований 13
1.2 Микроклимат и его влияние на продуктивность животных 13
1.2.1 Основные показатели температурно-влажностного режима животноводческого помещения 15
1.3 Обзор исследований в области, технологий и технических средств локального обогрева в АПК 18
1.3.1 Традиционные электронагревательные устройства применяемые для создания микроклимата в сельскохозяйственных помещениях 18
1.3.2 Электротехнические устройства локального обогрева полов животноводческого помещения 21
Выводы 23
Глава 2 Расчет и анализ электро-, теплофизических параметров композиционных электрообогревателей для агропромышленного комплекса 25
2.1 Методика энергетического расчета животноводческого предприятия 25
2.2 Расчет электро-, теплофизических и конструктивных параметров композиционного электрообогревателя 30
2.2.1 Метод расчета и обоснование расчетных моделей 30
2.2.2 Расчет электрической проводимости многоэлектродного композиционного электрообогревателя пластинчатого типа 35
2.2.3 Расчет электрической проводимости многоэлектродного композиционного электрообогревателя цилиндрического типа 43
Выводы 49
Глава 3 Комплекс экспериментальных исследований физических свойств композиционных электрообогревателей 50
3.1 Исследование электрофизических характеристик композиционных электрообогревателей 50
3.2 Анализ удельных объемных сопротивлений композиционных электрообогревателей из бутилкаучука 57
3.2.1 Исследование удельных объемных сопротивлений композиционных электрообогревателей при выходе на рабочий режим 57
3.2.2 Исследование температурных зависимостей удельного объемного сопротивления композиционных электрообогревателей 63
3.3 Исследование разработанных композиционных электрообогревателей на безопасность и соответствие требованиям агропромышленного производства 68
3.4 Исследования композиционных электрообогревателей пластинчатого типа неразрушающими методами 70
3.4.1 Задачи и методы томографического исследования 70
3.4.2 Определение соответствия геометрических параметров электропроводного и электроизоляционного слоев заданным значениям... 72
3.4.3 Оценка степени взаимного проникновения электропроводящего и электроизоляционного полимерных материалов 75
3.4.4 Оценка изменения плотности электропроводного и электроизоляционного полимерных слоев композиционного электрообогревателя до и после нагрева 77
3.4.5 Сопоставление результатов томографического и тепловизион-ного исследований 83
Выводы 85
Глава 4 Расчет и проектирование устройств и установок на основе многоэлектродиых композиционных электрообогревателей 87
4.1 Определение надежности, пожаробезопасности и экологической чистоты композиционных электрообогревателей на основе бутил каучука 87
4.2 Расчет энергетических потоков свинарника-маточника на 56 голов..90
4.3 Применение саморегулируемых электрообогревателей МКЭ в ан-тиобледенительных системах 96
4.4 Устройство подогрева воды поилок маралоферм 98
Заключение 101
Список литературы 103
Приложение
- Основные показатели температурно-влажностного режима животноводческого помещения
- Расчет электро-, теплофизических и конструктивных параметров композиционного электрообогревателя
- Анализ удельных объемных сопротивлений композиционных электрообогревателей из бутилкаучука
- Применение саморегулируемых электрообогревателей МКЭ в ан-тиобледенительных системах
Введение к работе
Актуальность темы. В результате анализа тенденций развития агропромышленного комплекса России можно констатировать наметившейся спад производства в животноводстве, растениеводстве, перерабатывающей промышленности и отметить, что рост энергоматериальных затрат на производство продукции опережает темпы ее прироста. Увеличение выпуска сельскохозяйственной продукции, обеспечение ее конкурентоспособности на мировом рынке связано со снижением весового коэффициента тепловой и электрической энергии в себестоимости продукции, который в настоящее время достигает 40 - 60 % от общей себестоимости и при этом наблюдается устойчивая тенденция к росту данного показателя.
Перевод экономики на энергосберегающий путь развития в соответствии с федеральной программой Правительства РФ «Энергосбережение в России на 1998 - 2005 гг.», региональными и отраслевыми программами, в частности, «Энергосбережение в АПК на 2001 - 2006 гг.» предусматривает снижение энергоемкости внутреннего валового продукта, разработку энергоэффективных технологий и технических средств, обеспечивающих наибольший экономический, экологический и социальный эффект при минимальных затратах.
Системно-аналитическая оценка низкотемпературного поверхностно-распределенного электрообогрева для осуществления энергосбережения в агропромышленном производстве, направленного на увеличение продуктивности сельского хозяйства, раскрывает нерешенную проблемную ситуацию повышения валовой продуктивности при снижении энергоматериальных затрат в агропромышленном производстве и приводит к постановке народнохозяйственной проблемы - интенсификации сельского хозяйства при снижении энергоматериальных затрат.
Актуальность решения этой проблемы связана не только с обоснованием и разработкой энергоэкономичных, экологически безопасных технологий, технологических приемов и технических средств поверхностно распределенного электрообогрева, но и с созданием систем обогрева на их основе для различных отраслей агропромышленного комплекса (АПК): напольного обогрева молодняка животных и птицы, локального обогрева пола небольших вспомогательных помещений, обогрева водоводов и поилок для животных, шнекового подогрева зерна. Это предопределило постановку научных задач, решению которых посвящена диссертационная работа.
Работа выполнялась в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ: федеральной целевой программой «Социальное развитие села до 2010 года» и краевой программой научных исследований и инновационных проектов на 2005 - 2008 гг. (раздел «Разработка и создание промышленного образца низкотемпературных композиционных обогревателей для АПК, промышленности и ЖКХ»),
Целью работы является снижение энергетических и материальных затрат в производственных процессах животноводческих комплексов за счет применения энергоэффективных и экологически безопасных технологий и технических средств поверхностно-распределенного обогрева на основе композиционных электрообогревателей (КЭ).
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Провести анализ эффективности технологий и технических средств локального электрообогрева с учетом обеспечения требований температурно-влажностного режима и определить основные направления повышения энергоэффективности и экологической безопасности композиционных электрообогревателей.
Сформулировать основные требования к системам поверхностно-распределенного электрообогрева на основе пластинчатых обогревателей и обогревателей цилиндрической формы, учитывающих специфику сельскохозяйственного производства.
Разработать математическую модель функционирования композиционного электрообогревателя, учитывающую энергетические потоки животноводческого помещения, и установить зависимости между факторами энергоэффективности, режимами работы композиционного электрообогревателя и его конструктивными параметрами и ингредиентами композиции электропроводного слоя.
Разработать методы расчета электрофизических и конструктивных параметров композиционного электрообогревателя с учетом условий теплообмена, обеспечивающие работу КЭ в режимах самостабилизации температуры и ее саморегулирования.
Провести экспериментальные исследования по обоснованию рациональных энергетических режимов КЭ и определить электро -, теплофизиче-ские и конструктивные параметры технических средств, их обеспечивающих.
Провести оценку эффективности разработанных технологий и технических средств электрообогрева в сельскохозяйственном производстве.
Объект исследования. Энергоэффективные процессы поверхностно распределенного электрообогрева на основе технических средств из композиционных материалов в технологических процессах животноводческих комплексов.
Предмет исследования. Обоснование и разработка технологий и технических средств электрообогрева на основе бутилкаучука со свойствами самостабилизации и саморегулирования температуры на поверхности, обеспечивающих снижение энергоматериальных затрат и повышающих сохранность и качество животноводческой продукции.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались методы математического и физического моделирования, методы электрофизических измерений, неразрушающего контроля: томографические и тепловизионные, методы математической статистики при обработке результатов.
Научная новизна. Решение вышеизложенных задач определило научную новизну выполненной работы: обосновано направление повышения энергоэффективности технологических процессов в агропромышленном производстве путем использования экономически эффективных, экологически чистых способов поверхностно-распределенного электрообогрева на основе электрообогревателей из композиционных материалов заданного состава и необходимых типоразмеров; разработана математическая модель функционирования композиционного электрообогревателя с учетом энергетических потоков животноводческого помещения и установлена взаимосвязь основных факторов, влияющих на энергоэффективность работы композиционного электрообогревателя; разработана технология формирования заданных свойств композиционного электрообогревателя, позволяющая обеспечить эффект самостабилизации и саморегулирования температуры на поверхности; экспериментально установлены электрофизические характеристики технических средств обогрева из композиционных материалов и обоснована их связь с теплофизическими параметрами; разработан алгоритм направленного регулирования параметров композиционного электрообогревателя с учетом конкретных условий сельскохозяйственного производства.
Практическая ценность. На основе учета фактических энергетических потоков животноводческих помещений обоснованы требования к их температурпо-влажностному режиму. Разработанная методика определения энергетических потоков с использованием поверхностно-распределенного электрообогревателя позволяет установить аналитическую зависимость между электрофизическими и конструктивными параметрами композиционного электрообогревателя и рассчитать их.
Предложенные научно-методические и проектно-технологические рекомендации положены в основу проектирования и создания энергоэффективных установок электрообогрева заданных форм и размеров, удовлетворяющих требованиям агропромышленного производства.
Разработанная система напольного обогрева для молодняка животных обладает надежностью (наработка на отказ - не менее 30 тыс. часов) экологической безопасностью, позволяет снизить энергоматериальные затраты по сравнению с традиционными вариантами обогрева от 20 до 35%.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации методы, модели энергоэффетивных технологий и технических средств на основе КЭ были использованы в Региональном центре ресурсосбережения Томского политехнического университета, научном центре электроэнергосбережения института топливно-энергетических ресурсов Алтайского государственного технического университета (АлтГТУ), в проблемной лаборатории Института электрофизики Уральского отделения РАН, Алтайском межрегиональном управлении по технологическому и экологическому надзору РОСТЕХНАДЗОРА.
Результаты теоретических исследований и расчетов в совокупности с экспериментальными испытаниями использованы при разработке технических условий (ТУ) и изготовлении опытно - промышленной партии на ОАО «Восток-Латекс» (г. Барнаул), объемом 1,3 тыс. шт.
Результаты работы внедрены на предприятиях АПК Алтайского края, в том числе: в АКГУП «ПТФ Молодежная», ООО «Алтай-Известь», а также в 000 «Строительное управление Алтайский моторный завод». Научно-технические разработки и материалы расчетов приняты для практического использования Главным управлением сельского хозяйства и продовольствия администрации Алтайского края.
Основные положения и результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Электротехнологические установки сельскохозяйственного производства», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», а также в курсовом и дипломном проектировании в Алтайском государственном техническом и Томском политехническом университетах.
Основные положения, выносимые на защиту:
Метод энергоэффективного, экологически безопасного поверхностно-распределенного локального электрообогрева на основе самостабилизированных и саморегулируемых композиционных электрообогревателей из бутилкаучука, отвечающий требованиям сельскохозяйственного производства.
Теоретические положения по определению и обоснованию параметров и условий функционирования композиционных электрообогревателей различных типоразмеров и форм, учитывающие энергетические потоки животноводческого помещения.
Комплекс экспериментальных исследований по определению электро-, теплофизических характеристик и показателей однородности структуры в зависимости от ингредиентов композиции и технологических режимов изготовления для обеспечения заданных свойств технических средств из композиционных материалов.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 4 международных, 3 всероссийских и других научных (научно-технических) симпозиумах, совещаниях и конференциях. Основными из них являются: 5-е, 6-е, 9-е всероссийские совещания «Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» (г. Томск, 2001, 2002, 2006 гг.); международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); 2-я и 3-я международные конференции «Technical & Physical Problems in Power Engineering» (Иран, г. Тебриз, 2004 г., Турция, г. Анкара, 2006г.); международная научно-техническая конференция «Энергетика и будущее цивилизации» (г. Томск, 2004 г.), а также на научно-технических семинарах НИХТИ, ЗАО ИЦ «Планета» (г. Москва 200К2006 г.), института физики НАН Азербайджана (г. Ба- ку, 2002-К2006 гг.), кафедре «Теория электромагнитного поля и электроэнергосбережение» АлтГТУ (г. Барнаул, 200К2006 гг.).
Разработанные экспериментальные и промышленные образцы изделий экспонировались и были отмечены на следующих выставках и ярмарках: 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); выставка-конгресс «Энергосбережение», Томск, 2002 г. (диплом) (Приложение 4).
Публикации. Результаты исследований опубликованы в 19 печатных работах, в том числе в 2-х патентах и научно-методической и практической рекомендации.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и основных выводов по диссертации, списка литературы, включающего 131 наименование, и приложений. Диссертационная работа изложена на 137 страницах.
Основные показатели температурно-влажностного режима животноводческого помещения
Для определения целесообразности использования напольного электрообогрева необходимо знать нормы расхода электроэнергии на одно сви-номесто, а также нормы содержания животных в свинарниках. Эти показатели требуются для рациональной системы регулирования микроклимата и как части этой системы, устройства электрообогрева пола.
Для животноводческих ферм разработаны технологические карты комплексной механизации и электрификации отдельных производственных процессов. Практическая проверка в передовых хозяйствах подтвердила их обоснованность и соответствие действительному положению дел [9, 10, 15, 16-18, 22, 23]. На основании технологических карт определен общий годовой расход электроэнергии по ферме с учетом всех вспомогательных цехов. Сюда включены затраты электроэнергии, связанные с выращиванием молодняка и первичной обработкой продукции. Общий суммарный расход электроэнергии отнесен на одну голову основного стада.
Полученные нормативы дифференцированы по отдельным процессам. Это позволяет легко корректировать итоговые показатели в случае изменения технологии производства, способа содержания и уровня электрификации отдельных операций.
В практике свиноводства сложилось три типа специализации: фермы с законченным циклом; фермы-репродукторы молодняка; откормочные фермы [1, 2].
Для репродукторных ферм годовая норма расхода электроэнергии подсчитана на одну основную или разовую свиноматку, для откормочных ферм, где цикл откорма продолжается 6-8 месяцев, - на одно свиноместо (таблица 1).
В зависимости от числа электрифицированных процессов расход электроэнергии на современных свиноводческих фермах составляет за год: при репродукции на одну свиноматку - 220-250 кВт.ч.; при откорме на одно сви-номесто-25-35 кВт-ч. Известные нормы температуры, влажности и скорости движения воздуха, содержания газов в свинарниках разного назначения [18, 19], (таблица 2) позволяют проводить теплоэлектрические расчеты и определять параметры микроклимата заданных объектов. При создании микроклимата в свинарниках необходимо учесть, что количество приточного воздуха в зимний период на 1 ц живого веса животных должен быть не менее 15 м3/ч для подсосных, легкосупоросных маток, поросят отьемышей и хряков. Для откормочных свиней, тяжелосупоросных свиноматок, ремонтного молодняка - 20 м3/ч, в переходный период - 45 м3/ч для всех групп свиней. Учитывая рекомендуемые расчетные температуры напольного электрообогрева [2, 8, 9, 13,14] (таблица 3), нами получена зависимость (рисунок 1) необходимой температуры пола от возраста (веса) свиней, которая позволяет формировать систему регулирования температуры КЭ и многоэлектродных композиционных электрообогревателей. Основоположниками современных теоретических, методических, экспериментальных и эксплуатационных направлений применения локального обогрева на предприятиях АПК являются: Герасимович Л.С., Расстригин В.Н., Растимешин С.А., Кудрявцев И.Ф. и другие [1-5, 63-66]. Значительный вклад в изучение температурно-влажностных режимов, разработку теоретических основ и практических рекомендаций по выбору рациональных параметров микроклимата животноводческих помещений внесли ученые ВИЭСХа, БИМСХа, СибИМЭ Пчелкин Ю.Н., Демин А.В., Герасимович Л.С., Делягин В.Н., Меновщиков Ю.А. и другие [6, 18,19, 52, 63-66, 70,71,116-119]. Электрическая энергия, особенно в современных рыночных условиях, является самым дорогим энергоносителем. Поэтому использовать ее необходимо в комбинированных, смешанных схемах теплоснабжения с энергоэффективным сочетанием огневого и электрического, централизованного и локального обогрева. Применение комбинированного обогрева позволяет до 40% уменьшить расход тепловой энергии на поддержание требуемой температуры в помещениях, в том числе до 20-25% за счет допустимого зоотехническими нормами снижения технологической температуры и до 15-20% за счет дополнительного локального обогрева [1, 8, 56-60]. Установлено, что наибольший эффект от местного электрообогрева молодняка животных достигается сочетанием обогрева сверху (электрические лампы, инфракрасные излучатели) и снизу - напольными электрообогревателями [53-57]. Широкое распространение для нагрева воздуха и создания общего температурного фона в животноводческом помещении получили электрокалориферы и электрокалориферные установки. Достоинством электрокалориферных установок является то, что в одном агрегате совмещаются функции отопления и вентиляции, а также простота регулировки теплопроизводительности и количества подаваемого воздуха. Установки работают без обслуживающего персонала. Недостатками электрокалориферных установок является высокая металлоемкость, трудности при их транспортировке, не высокая надежность нагревательных элементов, особенно открытых. Установки неэффективны еще и потому, что система регулирования, предназначенная для поддержания температурного режима быстро выходит из строя, и калориферы работают в ручном режиме. При калориферном способе обогрева наблюдается большая неравномерность температуры воздуха в помещении, а при отключении электрокалориферной установки наступает быстрое охлаждение. Как было отмечено ранее для создания требуемого температурного режима выгодно применять дополнительный обогрев помощений в зоне расположения молодняка. По сравнению с общим отоплением помещений преимущества локального электрообогрева - пониженный расход электроэнергии. Обеспечивая необходимую температуру, средства локального обогрева позволяют сохранить в целом во всем помещении достаточно низкую температуру. Уменьшается перепад между внутренней и наружной температурой , что сокращает теплопотери через ограждающие конструкции здания, а также теплопотери с удаляемым отработанным воздухом. Разделение средств локального обогрева можно осуществить по способу теплопередачи: устройства лучистого, контактного и конвективного действия. Лучистый обогрев основан на использовании инфракрасных (ИК) лучей, которые хорошо поглощаются влагой и поверхностными слоями тела животного. Инфракрасное излучение воспринимается органами чувств как поток тепла. Под инфракрасными лучами животное высушивается и согревается, что особенно важно для молодняка. Эффект теплового воздействия ИК - лучей ощущается сразу же после включения ламп. Чистый воздух лучи не поглощает, поэтому достаточный тепловой комфорт может быть создан даже при относительно низкой окружающей температуре воздуха. Поглощение ИК - лучей поверхностными тканями тела вызывает интенсивный приток крови к периферическим сосудам, создавая тепловой барьер, препятствующий переохлаждению организма [58]. Промышленностью выпускаются электрические инфракрасные облучатели, которые принято делить на светлые и темные. Светлые вместе с инфракрасным излучением испускают видимый свет, темные излучатели не создают светового потока. Светлыми излучателями являются лампы-термоизлучатели типа ИКЗ (мощность 250 - 500 Вт), ИКЗК-220-250, КИ-220-1000, [22,23] Кроме того, используются установки ИКУФ-1М, «Луч», облучатели ССП0І-250, ОРИ-1, ОВИ-1, ОРИ-2, ОВИ-2, ОЗИ-500, [23] Темные излучатели применяются в специальной арматуре, которая служит для перераспределения лучистого потока в пространстве, для защиты нагревательного элемента от механических повреждений и препятствует прикосновению к нему обслуживающего персонала. В качестве темных излучателей используются трубчатые электронагреватели (ТЭНы) с температурой наружной поверхности трубки до 450-500 С, а также керамические. Установки лучистого обогрева имеют следующие достоинства: - возможность обогрева без повышения температуры окружающего воздуха, что позволяет поддерживать в помещении относительно низкие температуры и уменьшить тем самым расход тепла на отопление;
Расчет электро-, теплофизических и конструктивных параметров композиционного электрообогревателя
Многоэлектродные композиционные электрообогреватели представляют собой сложную систему, преобразующую в соответствии с электро-, теплофнзическими параметрами МКЭ электрическую энергию в тепловую и обеспечивающую заданную температуру на поверхности электрообогревателя.
Уравнение теплового баланса композиционного электрообогревателя с учетом формулы (2Л5) может быть представлено в следующем виде: Кэ - коэффициент электропроводности МКЭ, имеющий размерность длины, при этом Ko=Go/y; у - удельная проводимость композиционного материала, См/м; где G3 - электрическая проводимость МКЭ, определяемая точными и приближенными методами, См.
Для того, чтобы выполнить расчет этих параметров применительно к системе п - электродов, расположенных в электропроводном композиционном материале, рассмотрим систему локального поверхностно-распределенного обогрева (рисунок 2.2).
Решение задачи выполнено методом непосредственного определения напряженности электрического поля в сочетании с методом конформных преобразований. Этот метод основан на введении вспомогательной функции у(х,у), выражающей величину угла, образуемого вектором напряженности плоскопараллельного поля Я, в какой-либо точке рассматриваемой области с одной из осей декартовой системы координат. Функция является гармонической, удовлетворяющей двухмерному уравнению Лапласа и граничным усло виям первого рода [24, 84]. При решении уравнения Лапласа необходимо подбирать функцию, удовлетворяющую этому уравнению, что возможно только для простых задач, затем по найденному электрическому потенциалу рассчитать напряженность электрического поля; метод непосредственного определения напряженности электрического поля позволяет сразу найти напряженность электрического поля по конструктивным параметрам, а для многоэлектродных систем учесть особенные точки первого рода, в которых напряженность электрического поля равна бесконечности (концы электродов), и второго рода, в которых напряженность электрического поля равна нулю. В то же время этим методом можно воспользоваться только для систем копланарных электродов, поэтому реальную систему необходимо перевести в систему электродов, лежащих в одной плоскости, для этого целесообразно использовать метод конформных преобразований [24, 85].
Система локального поверхностно-распределенного электрообогрева, где 1 - электрообогреватель МКЭ; 2 - изоляционный слой; 3 -электропроводящий слой; 4 - электроды; 5 - токоподводы; 6 - деревянное покрытие; 7 - основание пола; 8 - заземляющая металлическая сетка; В, L, Н, h, , d, d2, t, a - геометрические размеры МКЭ
Известны решения общих задач, касающихся точного и приближенного расчета электрической проводимости композиционного электрообогревателя, но без учета реальных условий теплоотвода, максимально приближенных к сельскохозяйственному производству [12, 30, 33, 85]. Поэтому определение электрофизических характеристик МКЭ в соответствии с требованиями температурно-влажностного режима при локальном обогреве в свинарниках-маточниках должно быть непосредственно связано с расчетом конструктивных параметров электрообогревателя при учете условий теплопередачи, при этом электрообогреватель должен обеспечивать саморегулирование мощности для наиболее энергоэффективного способа обогрева.
Для точного определения электрической проводимости многоэлектродного композиционного электрообогревателя Ga на основе анализа структуры электрического поля в проводящей квазиоднородной среде полимерного материала воспользуемся расчетной плоскопараллельной моделью (рисунок 2.3).
Расчетная модель электрообогревателя принята с учетом следующих граничных условий: поверхности электродов по всей длине можно принять эквипотенциальными в связи с тем, что удельная электропроводность резистивного слоя намного больше удельной электропроводности изоляционного слоя; резистивный материал приближенно однородный; так как длина электродов совпадает с размером резистивного слоя в направлении длины электродов и намного больше их поперечных размеров, а толщина бесконечно мала, электрическое поле между электродами электрообогревателя принимается плоскопараллельным; границу по периметру резистивного материала можно считать непроницаемой для силовых линий электрического поля [24, 51]. Плоскопараллельным считается поле одинаковое во всех сечениях по координате z, направленной вдоль длины электродов. Так, для систем рисунка 2.3 плоскопараллельным считается поле в плоскости, перпендикулярной плоскости чертежа, т.е. в каждой из плоскостей, параллельных плоскости чертежа, картина поля идентична. При построении расчетной модели резистивный материал электрообогревателя принимается приближенно однородным по удельной проводимости, что определяется регулярностью структуры электропроводного наполнителя - технического углерода в бутилкаучуковой матрице.
Анализ удельных объемных сопротивлений композиционных электрообогревателей из бутилкаучука
При проектировании и изготовлении опытно-промышленной партии многоэлектродных композиционных электрообогревателей МКЭ-1,2 необходимо решить задачу стабильности электротехнических характеристик разрабатываемых изделий. С этой целью был проведен ряд экспериментов и испытаний для выявления мероприятий, которые позволили бы повысить качество выпускаемой продукции и прогнозировать поведение КЭ в условиях эксплуатации.
Вначале исследовались зависимости удельного объемного сопротивления и электропроводности от времени в процессе нагрева электрообогревателей МКЭ-1. При проведении эксперимента использовалось следующее оборудование: генератор ГЗ-118, усилитель опорного напряжения УМ-16, вольтметр Щ301-1ВЫЗ, хронометр.
На электрообогреватель МКЭ-1 подавалось переменное напряжение 220 В, частотой 50 Гц, и измерялось омическое сопротивление. Измерения проводились через каждую минуту в течение 30 минут после включения. Удельное объемное сопротивление рассчитывалось в соответствии с (3.1). Результаты измерений сведены в таблицу 3.3 и представлены на рисунке 3.4. Для обеспечения стабильности электрофизических характеристик, в том числе удельного объемного сопротивления доля технического углерода в проводящей фазе должна составлять не менее 52,5 массовых частей ТУ ТТ-324 и 42,5- -52,5 м.ч. для ТУ П-234, анизотропия свойств уменьшается с увеличением дисперсности и структурности ТУ.
Выход МКЭ-1 на рабочий режим, то есть достижение рабочей температуры на поверхности, происходит за 30 минут.
Полимерные образцы в исследованных температурных интервалах имеют незначительное изменение сопротивления с возрастанием температуры.
Исследования по температурной стабильности выполнены при тех же условиях на образцах МКЭ-2. Измерения температуры проводились пирометром ESI (модель ТРТ-62) через 5 минут в течение первого часа, через 10 минут в течение второго часа и через 20 минут в течение последующих трех часов. Температура измерялась на внутренней и внешней поверхностях объемного МКЭ-2. Результаты измерений приведены в таблице 3.4 и на рисунке 3.6. Выход МКЭ-2 на рабочий режим, т.е. стабилизация температуры на поверхности, происходит через 3 часа.
Стабильность удельного объемного сопротивления pv, проводимости у и температуры поверхности электрообогревателей после выхода на рабочий режим позволяет установить рецептуру проводящей фазы и параметры технологического режима изготовления МКЭ-1 и МКЭ-2 (рисунки 3.4 + 3.6).
Для исследования зависимости удельного объемного сопротивления электропроводного слоя от изменения температуры были выбраны две партии МКЭ-1 из высоконаполненных (41+52,5 м.ч. ТУ) и слабонаполненных (ЗСН-35 м.ч. ТУ) бутилкаучуков. Измерения проводились при температуре окружающей среды 18+20 С, образец располагали на деревянном основании, на электрообогреватель подавалось напряжение 220 В, частотой 50 Гц, через каждые пять минут в течение первого часа и через каждые десять в течение второго измерялись напряжение, ток, проходящий через электрообогреватель, и температура на его поверхности. Измерения проводились в течение 2 часов. Затем по известным формулам были рассчитаны значения удельных объемных сопротивлений. Результаты измерений и расчетов для первой партии образцов представлены в таблице 3.5 и на рисунке 3.7. Для второй партии образцов результаты измерений и расчетов приведены в таблице 3.6 и на рисунке 3.8.
Для приведенных зависимостей характерно, что в первое время идет увеличение удельного сопротивления, затем оно стабилизируется или незначительно меняется для первой партии образцов, что характеризуется положительным температурным коэффициентом. Установлено, что характер зависимости pv = /(7) аналогичен для образцов всей партии, среднее отклонение составило ±7% от измеряемой величины. Полученные характеристики подтверждают возможность работы МКЭ в режиме самостабилизации температуры на поверхности.
У второй партии образцов после достижения определенной температуры наблюдается снижение удельных объемных сопротивлений, что свидетельствует об отрицательном температурном коэффициенте, присущем полимерным полупроводниковым материалам. Характер приведенных зависимостей показывает преобладание связей проводящий наполнитель - проводящий наполнитель по отношению к связям полимер - проводящий наполнитель в резистивной фазе КМ, сложившееся в результате усиления тепловой эмиссии электронов в бутилкаучуковой матрице, увеличения их подвижности и осуществления перемещения зарядов в местах разрыва токо-проводящих цепочек за счет туннельного эффекта [25-27, 41]. Это обстоятельство делает возможным работу МКЭ в энергоэффективном режиме саморегулирования. В данном случае рецептура композиции в отличие от вы-соконаполненных полимеров содержит: 30-35 м.ч. ТУ, уменьшенное количество жирных органических кислот, например, стеариновой кислоты (до 2,5 м.ч.); вследствие этого при технологии изготовления следует увеличить время смешения до 9 мин., температуру вулканизации снизить до 165 С при давлении 11 МПа, время вулканизации - 30 мин., температуру выгрузки смеси довести до 180С. Таким образом, направленным изменением ингредиентов композиции и регулированием технологического регламента изготовления получим МКЭ, обеспечивающие работу в режиме саморегулирования. При работе в этом режиме в отдельных случаях необходимо устанавливать терморегул ирующие устройства. Вариант композиции, сложившийся на основе теоретических и экспериментальных исследований, обеспечивающей работу МКЭ в режиме саморегулирования, представлен в таблице 3.7.
Применение саморегулируемых электрообогревателей МКЭ в ан-тиобледенительных системах
Антиобледенительные системы обогрева кровли зданий и сооружений состоят из подсистемы автоматического управления, включающую шкаф управления, цепи питания и регулирования, датчиков осадков и температуры и подсистемы устройств обогрева карнизов и водосточных труб на основе саморегулируемых электрообогревателей МКЭ-1.
При использовании любых систем обогрева (кабели, ленты, электрообогреватели МКЭ) должна происходить очистка карнизов и водосточных труб от наледи для свободного удаления осадков с кровли.
Как указано в [ 131 ] суммарная удельная мощность на единицу площади поверхности обогреваемой части (карниз, желоб и т.п.) должна составлять не менее 180-250 Вт/м2, а удельная мощность нагревательного кабеля в водостоках на единицу длины обогреваемого участка 60-70 Вт/м.
Следует принимать во внимание и особенности функционирования греющего элемента на реальной кровле. Потребность в тепловой мощности существенно меняется от одного участка к другому, так на горизонтальных участках (ендовы, карнизы) она значительно (1,5-2 раза) превышает мощность, необходимую для обогрева центральной части водосточных труб и меньше требуемой мощности для обогрева воронок и отмета. Это приводит к тому, что на одних участках нерегулируемые обогревательные элементы перегреваются, а на других выделяемой ими тепловой мощности недостаточно для обеспечения надежного функционирования системы.
Разработанная антиобледенительная система на базе электрообогревателей МКЭ доказала свои преимущества по сравнению с греющими кабелями и лентами [101, 103-105], однако она не обеспечивает регулирования мощности обогрева. Применение электрообогревателей МКЭ-1 с саморегулированием позволяет создать наиболее энергоэффективные системы обогрева водостоков кровли [111,112].
Сущность системы поясняется рисунком 4.3. На ремне 1 с помощью заклепочного соединения 2 закреплены электрообогреватели 3, расположенные с интервалом друг от друга. Вдоль ремня 1 проложены электрические провода 4, к которым параллельно подключены электрообогреватели 3 посредством токоподводов 5. Для обеспечения электробезопасности используется заземляющий кабель 6, который крепится с помощью заклепок между ремнем 1 и электрообогревателями 3.
Преимущества такой системы состоят в следующем: выход из строя нескольких электрообогревателей существенно не повлияет на работу всей нагревательной секции, если неработающие нагреватели не сосредоточены на небольшом участке длины; значительная площадь поверхности обогрева; регулирование распределения мощности по длине секции за счет саморегулируемых мкэ.
Подсистема питания и управления состоит из шкафа управления с пусковыми автоматами, устройств защитного отключения (УЗО), реле времени, датчиков температуры, осадков и воды. Кабельная сеть включает силовые и информационные кабели, а также средства их защиты. Управление и регулирование системой обогрева осуществляется контроллером по критериям: наличия воды, установленного диапазона температур.
Экономическую оценку разработанной технологии электрообогрева следует осуществлять методом сопоставления экономической эффективности различных вариантов проектных решений. При этом необходимо, чтобы сравниваемые способы обогрева имели сопоставимые технико-экономические и производственно-технологические показатели: энергоэффективность, надежность, срок окупаемости [128,129].
Расчет экономической эффективности от внедрения разработанной системы приведен в Приложении 3 и составил 151 тыс. руб.
В условиях предгорья и резко-континентального климата, когда суточные перепады температур весной и осенью достигают 20 С и более, а также в зимнее время возникает проблема в поении маралов.
Разработанное устройство поения животных показано на рисунке 4.4. Оно состоит из бака № 1, находящемся в закрытом неотапливаемом помещении, бака №2, который по всему периметру и нижнему основанию с наружной стороны футерован пластинчатыми композиционными электрообогревателями МКЭ-1 размером 200x135x10 мм в количестве 48 шт, установленной суммарной мощностью 1,0 кВт. Трубопроводы на выходе из баков №1 и №2 оборудованы электроклапанами, на которых установлены объемные электрообогреватели МКЭ-2, длиной 200 мм и внутренним диаметром 24 мм, номинальной мощностью 10 Вт каждый. Электрообогреватели закрыты металлическими кожухами и прикреплены к корпусу бака или трубопроводов. Все металлические конструкции заземлены.
Устройство работает в автоматическом режиме следующим образом. Щит управления ЩУ снабжен программным реле времени типа 2РВМ-2, которое в определенное время суток примерно за 2 часа до поения животных подает сигнал на включение электрообогревателей МКЭ-1 и МКЭ-2. Вода из бака №1 с температурой около 0 С через подогретый электроклапан №1 поступает в бак №2 до определенного уровня и подогревается до температуры +10 С, электроклапан №1 при этом закрывается. Непосредственно перед поением маралов срабатывает электроклапан №2, вся вода из бака №2 поступает в поилку, и электрообогреватели МКЭ-1 отключаются. После поения вода сливается через сливное отверстие, что предотвращает обледенение поилки. В течение суток осуществляется три цикла поения. За сутки потребление мощности всего устройства не превышает 20 кВгч. Ранее в бак №1 устанавливались водяные ТЭНы, суммарной мощностью 6 кВт и в холодное время года (ниже -20 С) для подогрева воды до +10 С суммарный расход электроэнергии составлял до 50 кВт-ч. (см, Приложение 3) Таким образом, расход электроэнергии при использовании разработанного устройства для поения маралов снизился более чем в 2 раза.
