Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса 10
1.1 Актуальность применения локального обогрева в АПК 10
1.2 ЭНУ с металлическими резистивными элементами 16
1.3 Дисперсно-наполненные ЭНУ 19
1.4 ЭНУ с неметаллическими резистивными элементами на основе электропроводящих волокон. 22
1.5 Свойства ЭНУ на основе композиционных нагревательных элементов 28
Глава 2. Разработка требований к эну, методика исследований и теоретическое моделирование 32
2.1 Требования к ЭНУ 32
2.2 Методика проведения исследований 34
2.2.1 Методика разработки и изучения свойств исходных материалов и опытных ЭНУ . 34
2.2.2 Методика изучения температурного поля 38
2.2.3 Методика исследования резистивных свойств 39
2.2.4 Методика проведения испытаний на соответствие стандар ту и методика эксплуатационных испытаний 40
2.3 Моделирование электрического и теплового процесса работы ЭНУ 4
Глава 3. Исследование свойств исходных материалов и разработка конструкции опытных моделей ЭНУ 54
3.1 Материалы 54
3.1.1 Исследование свойств ткани из электропроводных волокон 54
3.1.2 Разработка защитно-изоляционного материала 60
3.2 Разработка конструкции и технологии изготовления опытных моделей ЭНУ 67
Глава 4. Исследование температурного поля и электрических свойств опытных моделей ЭНУ 75
4.1. Экспериментальное изучение температурного поля 75
4.2 Влияние изоляции на резистивные свойства 84
Глава 5. Разработка методики прогнозирования свойств и рекомендаций по производству ЭНУ 96
5.1 Анализ результатов экспериментального моделирования 96
5.2 Разработка методики прогнозирования свойств ЭНУ 101
5.3 Разработка рекомендаций по проектированию ЭНУ на основе ткани из теплопроводных волокон 105
Глава 6. Разработка конструкторско-технологической документации для производства ЭНУ 110
6.1 Разработка конструкции ЭНУ 110
6.2 Разработка технологии серийного производства ЭНУ 117
6.3 Испытания ЭНУ 120
6.3.1 Электрическое сопротивление 121
6.3.2 Кратковременное испытание на нагрев 121
6.33 Испытание на качество сварки и определение механических свойств 122
6.3.3.1 Качество сварки 122
6.3.3.2 Определение механических свойств 123
6.3.4 Испытание на пробой (сопротивление изоляции и электрическая прочность) ЭНУ класса 123
6.3.5 Технологичность конструкции 124
6.3.6 Экологическая безопасность 124
6.3.7 Пожарная безопасность 125
6.3.8 Электрическая изоляция 125
6.3.9 Сертификационные испытания 126
6.4 Опыт эксплуатации 127
Основные результаты и выводы 132
Список использованных источников
- Дисперсно-наполненные ЭНУ
- Методика разработки и изучения свойств исходных материалов и опытных ЭНУ
- Исследование свойств ткани из электропроводных волокон
- Влияние изоляции на резистивные свойства
Введение к работе
Развитие современного сельскохозяйственного производства во многом
~ определяется рациональным использованием энергоресурсов, стоимость ко-
торых непрерывно возрастает. Создание требуемых температурных парамет
ров среды в животноводческих помещениях за счет общей тепловентиляци-
онной системы является затруднительным и ведет к перерасходу энергии,
потому для экономии энергоресурсов в сельском хозяйстве перспективно пе
реходить к локальному обогреву низкотемпературными электронагреватель
ными устройствами (ЭНУ), которые создают микроклимат непосредственно
.ф в зоне размещения человека, животных, или приборов. При этом необходимо
строго соблюдать режимы работы установок в соответствии с зооветеринарными требованиями.
Многочисленные исследования показали, что поддержание оптимального микроклимата в животноводческих помещениях позволяет, в частности, добиться увеличения прирб1а>массы животного, сократить отход молодняка, повысить продуктивность при откорме поголовья, снизить удельный расход корма и т.п.
Создание ЭНУ актуально и для других областей применения в АПК, в частности для обогревателей автотракторной техники и обогревателей электросчетчиков. При этом дополнительно необходимо обеспечить высокие механические характеристики при отрицательных температурах, переменную теплоотдачу, и температуру в подшипнике электросчетчика в пределах 0-40 С.
Проведение сравнительного анализа по опубликованным данным показало, что наиболее перспективными из ЭНУ являются устройства на основе электропроводных углеродных тканей. Использование тканого нагревательного элемента имеет ряд преимуществ - повышается технологичность, уменьшается количество ручного труда при изготовлении, что позволяет
»
» 7
уменьшить стоимость изделия, а также повышается равномерность нагрева,
гибкость и надежность изделия.
. В то же время отсутствие рекомендаций по проектированию устройств
на основе электропроводных тканей, данных по теплофизическим и эксплуатационным свойствам, технологии их производства и др. не позволяет создавать ЭНУ различного назначения и технологии их производства. В связи с этим, с целью выполнения требований к ЭНУ для агропромышленного комплекса, является актуальным проведение исследований свойств исходных материалов, особенностей формирования температурного поля, изменения
і* резистивных свойств нагревательных элементов при их производстве и экс-
плуатации, разработка методики прогнозирования свойств и рекомендаций по их проектированию.
В работе сформулирована цель работы и определены задачи, которые необходимо решить для её достижения.
Во второй главе сформулированы основные требования и характеристики, которыми должны обладать ЭНУ с учетом особенностей условий экс-
* плуатации и требований стандартов.
Для решения поставленных задач и создания ЭНУ отвечающим этим
требованиям была разработана общая методика выполнения работы, струк
турная схема которой охватывает весь цикл исследований и состоит из двух
основных частей: моделирование и создание ЭНУ.
1 Исходя из конструктивных особенностей ткани из электропроводных
волокон, были разработаны две теоретические модели ЭНУ, описывающие электрические и тепловые процессы его работы. Моделирование показало, что при проектировании ЭНУ необходимо учитывать изменение сопротивления в процессе производства в зависимости от материала изоляции (матрицы) примерно в 1,8 раза и для обеспечения температуры поверхности нагрева
* в заданном интервале, выполнять нагревательный элемент дискретным.
Третья глава посвящена экспериментальному изучению влияния на
ткань из электропроводных волокон механической нагрузки и температурно-
, го воздействия, которые показали, что для обеспечения стабильных электри-
ческих характеристик ткани необходимо зафиксировать ее структуру и одно-
временно предохранить от механических повреждений при действии растя
гивающих, изгибных и знакопеременных нагрузок, а для повышения механи-
ческих характеристик изоляцию выполнять композиционной с армированием
' хлопчатобумажной тканью. В этой главе приводятся разработанные конст-
рукции моделей, различных размеров и мощностей, с изоляцией из компози-
# ционных материалов на основе поливинилхлорида и полиэтилена.
Четвертая глава посвящена разработке теории проектирования и рекомендаций для создания ЭНУ на основании теоретических моделей и экспериментального исследования температурного поля и электрических свойств
опытных моделей. Экспериментальные исследования теплового поля опытных моделей подтвердили результаты теоретического моделирования и вы-
явили неравномерность температуры от начала к середине модели. Выявлен
различный характер изменения резистивных свойств устройств в процессе
изготовления и эксплуатации в зависимости от типа изоляции.
В пятой главе, учитывая опытные данные, была проведена корректи-
і ровка теоретической модели. Для объяснения причин выявленного распреде-
ления температуры предложен механизм формирования температурного поля
электропроводными волокнами, имеющими цилиндрическую форму, расположенными последовательно. Исходя из предложенного механизма введено понятие «критическая длина», которая в идеальном случае является длиной, при достижении которой прекращается распределение тепла по всем направлениям, исключая нормаль к поверхности сетки.
Экспериментально подтверждены результаты теоретического модели-рования и установлено влияние типа изоляции на резистивные свойства моделей. Для обеспечения стабильных теплофизических характеристик ЭНУ с
' 9
поливинилхлоридной изоляцией разработан процесс термического старения
готовых ЭНУ. Для полиэтиленовой изоляции выявлен механизм «саморегу-
в лирования», который проявляется при нагреве в диапазоне 65-85 С.
Разработаны рекомендации для проектирования ЭНУ, метод расчёта
температурного поля и предложена методика прогнозирования его свойств, включающая определение термического сопротивления системы с учетом теплофизических характеристик составляющих и их толщин, расчёту и построению теплового поля в пределах критической длины по предложенной формуле. Разработанная методика позволяет оценить равномерность темпе-
ф ратурного поля проектируемого устройства.
В шестой главе на основании проведенных исследований и рекомендаций по проектированию были разработаны и созданы конструкции ЭНУ для сельскохозяйственного производства, включающие: обогреватель инкубаторов, «теплый пол», обеспечивающие поддержание микроклимата для животных при одновременном экономии электрической энергии; обогреватели сидений автотракторной техники, имеющие переменную теплопроводность и
* обеспечивающие эксплуатацию в условиях отрицательных температур; на-
греватели счетчиков, обеспечивающие заданную температуру подшипника счетчика. Разработана и освоена технология промышленного производства
і ЭНУ, которая обеспечивает создание единой монолитной конструкции с хо-
рошей адгезионной прочностью и стабильными электрическими характери-
1 стиками, а оборудование — стабильность технологических параметров неза-
висимо от размеров ЭНУ. их конструкции и типа изоляционных материалов.
. Разработаны и зарегистрированы в установленном порядке техниче-
, ские условия и проведена сертификация. Многолетний опыт эксплуатации
| выявил надёжность и долговечность созданных ЭНУ.
Дисперсно-наполненные ЭНУ
Конструктивно металлические резистивные элементы могут быть выполнены, например, в виде проволоки, нити, шнура и т.п. Равномерность на грева обеспечивается за счет частоты размещения ветвей нагревательного элемента, теплопроводности подложки и слоев изоляции. В частности, в ЭНУ с общим обогревом, нагревательным элементом являются две ветви нагревателя в виде ленты, в основе которых находится стеклонить, а в утке зарабо-тана проволока с низким омическим сопротивлением [79, 81] (например, медная, диаметром 0,2мм, покрытая слоем изолирующего лака [99]). Эти ленты закрыты изоляцией в виде волокнистого изоляционного слоя [66, 80], имеющего водонепроницаемое покрытие из резины [75, 89]. Питание осуществляется от автономного источника напряжением 12 В [73, 91]. Часто применяется нагревательный элемент в виде шнура из изоляционного материала, на который с определенным шагом навита проволока. Снаружи шнур имеет электрическую изоляцию [76, 85]. Наиболее простая конструкция такого нагревательного элемента представляет собой асбестовый шнур, на который спирально навиты константановая проволока и изоляция из асбестового шнура [68, 77]. Два шнура укладываются между слоями плотной ткани и прошиваются [78].
Для равномерного нагрева, в качестве еще одного типа металлического нагревательного элемента, используют металлическую фольгу, закрепленную между слоями электрической изоляции в виде пленки или ткани и скрепленную с ними клеем. Для повышения электрического сопротивления нагревателя фольга выполняется в виде сетки или другого рисунка с помощью штамповки, травления и других способов [90]. При этом расход металла значителен. Однако такой способ допускает высокий уровень механизации процесса изготовления. Известна, например, конструкция модуля «теплого пола», нагреватель которого состоит из тонкой стальной фольги, уложенной зигзагообразно между листами электроизоляционного материала. Пленка из тонкой фольги дополнительно служит в качестве отражающей поверхности [83].
В зависимости от требуемого температурного диапазона работы нагревателя и условий его эксплуатации, в качестве непрерывных металлических нагревательных элементов могут применяться самые разнообразные материалы: сплавы высокого сопротивления, чистые металлы и сплавы низкого сопротивления, металлическая пряжа (мишура). Наиболее распространена, например, конструкция ЭНУ, в которой нагревательным элементом является проволока из сплавов высокого удельного сопротивления в электроизоляционной оболочке [64,92,103].
Разновидностью непрерывного металлического резистивного элемента также являются кабельные системы «теплого пола». В настоящее время на рынке представлено достаточное количество производителей электрокабелей - Ceilhit, Терма, DE-VT и т.п.
Нагревательные кабели для систем «теплого пола» (тип: PV, PSV, PSVB) характеризуются наличием одного центрально ориентированного ме таллического проводника по всей длине кабеля. Различия между ними опре деляются наличием дополнительной защитной оболочки или металлической t оплетки, используемой для заземления кабелей, применяемых в помещениях с повышенной влажностью. Структура кабеля выглядит следующим образом: 1) проводник сечением от 1,5 до 2,5 кв. мм (сталь, бронза, медь и др.) 2) изоляционная полиэтиленовая оболочка 3) дополнительная изоляционная защитная оболочка 4) металлическая оплетка 5) внешняя полихлорвиниловая оболочка. Данные кабели достаточно надежны в эксплуатации, однако цена их довольно велика и установка подобного «теплого пола» требует капитально го ремонта помещения, так как при монтаже он сверху заливается бетонной стяжкой. В случае обрыва кабеля в результате эксплуатации (такое случается из-за тепловых флуктуации системы (электро-кабель) - бетон), приходится вскрывать пол. После установки или ремонта «теплым полом» нельзя поль зоваться около 28 дней (время полного отвердевания бетона).
ЭНУ на основе металлических резистивных элементов обладают стабильными электрическими параметрами, температуроустойчивы, но их жесткость на изгиб и кручение довольно велики, а инерционность паковки не по-зволяет перерабатывать в утке микропровода диаметром менее 0,05 мм из-за низкой прочности их на разрыв. Для металлической пряжи характерен целый ряд трудностей в ее изготовлении, вызванных необходимостью включения связующих добавок, что приводит к неравномерности электрического сопро-тивления по длине пряжи. В известной степени это следует отнести и к металлизированным нитям. Кроме того, при производстве ЭНУ на основе таких проводящих элементов доля ручного труда довольно высока из-за необходи мости равномерной укладки нити для получения равномерного температур ного поля.
Методика разработки и изучения свойств исходных материалов и опытных ЭНУ
Для изучения влияния на эту ткань факторов механической нагрузки и температуры были созданы специальные стенды, позволяющие измерять электрические свойства волокон в нагруженном состоянии и при температурных воздействиях.
Стенд механического нагружения (рисунок 2.1) состоит из опорной рамы, с закреплённым к ней зажимом. Зажим позволяет закреплять отдельное волокно в вертикальном положении. Ко второму зажиму, укреплённому на другом конце волокна, прикладывается нагрузка, которая изменяется с шагом 0,1 Н от 0 до предела прочности отдельного волокна. Стенд оснащен прибором для измерения электросопротивления с точностью ОД Ом.
Стенд для изучения температурного воздействия (рисунок 2.2) состоял из термошкафа с максимальной температурой нагрева 250 С, с шагом изменения температуры 2 С, оснащенным приспособлением для крепления волокна в горизонтальном положении в его свободном ненагруженном состоянии и прибором для измерения электросопротивления с точностью 0,1 Ом.
Исследование структуры волокон до и после испытаний проводили на оптическом и электронном микроскопах марок «NEOFOT» и «Дрон» при увеличении от 60 до 4100.
Согласно требованиям к ЭНУ изоляция должна обеспечивать высокую механическую прочность при изгибе, сжатии и растяжении, в том числе и при отрицательных температурах, электрическую, экологическую и пожарную безопасность. В связи с этим при разработке изоляции проводятся её испытания на прочность, гибкость, влаго- и теплостойкость, горючесть, а также испытания на электрическую прочность и на ток утечки. Эти испытания проводили по методикам, приведенным в соответствующем стандарте.
По результатам испытаний выбирается изоляция, определяются составы для изготовления опытных образцов ЭНУ. Разрабатывается конструкция опытных образцов ЭНУ, технология их изготовления. Электрическая мощность устройств рассчитывается по результатам измерения электрического сопротивления согласно закону Ома для замкнутой цепи. Для изготовления опытных образцов разрабатывается стенд, позволяющий изготавливать ЭНУ различных размеров. Стенд позволяет изменять три технологических пара 38 метра: давление, температуру и время. Для проведения экспериментальных исследований были изготовлены опытные ЭНУ различных конструкций, размеров и удельной мощности. Размеры ЭНУ и их удельная мощность подбирались так, чтобы охватить весь диапазон ЭНУ, используемых на практике.
Методика изучения температурного поля. Основное назначение ЭНУ - обеспечение заданной температуры на на греваемой поверхности в процессе эксплуатации, поэтому при их конструи ровании и прогнозировании свойств необходимо знать как будут влиять на температурное поле и его динамику размеры и удельная мощность нагрева теля. В связи с этим экспериментально изучили температурное поле нагрева тельных элементов по следующей методике.
ЭНУ устанавливалось на специально разработанный стенд, который позволял имитировать различные условия эксплуатации и теплоотвода и подключался к электросети соответствующего напряжения. Стенд представ ляет собой стол размером 3000x1000мм, покрытый листом стеклотекстолита толщиной 20 мм. Стенд оснащён электронными приборами ИТ-1 и ДТ-838М [ с вынесенными термочувствительными элементами малой массы, которые позволяют измерить мгновенную температуру в точке с точностью 0,1 С, а также через заданный интервал времени. Стенд позволяет изменять условия теплоотвода за счёт установки на поверхность нагревателя теплоизоляции или теплоотдающей пластины. Для создания условий «ухудшенного» тепло ( отвода образцы накрывали слоем минеральной ваты, толщиной 100мм, «улучшенного» - накрывали медным листом, толщиной 1мм, «нормального» - измеряли в свободном состоянии. Стенд позволяет имитировать условия эксплуатации, в частности, сидящего на нагревателе человека. Измерение температуры поверхности нагревателя производится с наружной стороны по сетке с шагом 30мм. Результаты измерений обрабатывались по программе «ViewLab 3.51» и строились графики изменения температуры поверхности в зависимости от размеров, условий теплоотвода, а также динамики формирования температурного поля в среде «AutoCAD R14».
По результатам обработки экспериментальных данных характер кривых распределения температур описывался математическими зависимостями, ис-следование которых позволило разработать методику прогнозирования свойств ЭНУ.
Исследование свойств ткани из электропроводных волокон
Ткань из электроприводных волокон (таблица 3.1) выпускается по ТУ 3469-046-00203996-94. Исходным сырьем для получения ткани является электропроводящая нить бикарболон-2м Тн56текс, в качестве электроизоляционной нити используется ацетохлориновая нить Тн55текс.
Ткань представляет собой сетчатую структуру (рисунок 3.1) с величиной ячейки около 0,8мм.
Из-за наличия электропроводных нитей, как в основе ткани, так и в утке она проводит электрический ток в двух взаимно перпендикулярных направлениях. В таких электропроводных тканях работает принцип замещения (рисунок 3.2) который заключается в том, что при обрыве нити, из-за наличия ортогональных нитей ее функцию возьмет на себя соседняя и, несмотря на обрыв, нить будет продолжать оставаться в рабочем состоянии. Это повышает надежность работы устройства.
На ткань из электропроводящих волокон воздействуют механические нагрузки и температура, как при производстве ЭНУ, так и при их эксплуатации, что может привести к изменению ее электрофизических характеристик, а опубликованные данные по этому вопросу отсутствуют. В связи с этим изучили влияние на ткань механических и температурных воздействий.
Для исследований отбирали отдельные волокна из основы и утка ткани в количестве 15-ти штук. С помощью оптического микроскопа «NEOFOT» при увеличении в 60 раз измерялся диаметр волокна для подсчета напряже ния, создаваемого в волокне приложенной нагрузкой. К краям волокна крепились металлические контакты в виде скобы, которая пропаивалась сплавом Розе для обеспечения хорошего электрического контакта между волокном и металлом скобы. Затем волокно устанавливали в специальные зажимы, предназначенные для разрыва волокон, таким образом, чтобы опаянные концы волокна выступали за пределы зажима. После этого производили измерение сопротивления волокна в собранном, зажатом, но ненагруженном состоянии.
Это сопротивление принимали за базовое. Нагружение производили с шагом 0,1Н с одновременным измерением электросопротивления. Результаты изме рений проходили статистическую обработку на ПЭВМ с помощью статисти ческих программ по методу наименьших квадратов. Исследования показали, что при первоначальном нагружении в пределах 5 МПа резко изменяется электросопротивление волокна на 180 %. Дальнейшее увеличение нагрузки не приводит к заметному изменению сопротивления, однако во всем изучен І ном диапазоне наблюдается медленное увеличение сопротивления, вплоть до разрушения волокна (рисунок 3.3).
Для изучения влияния температуры на электрические свойства волокон изготовили стенд состоящий из термошкафа с максимальной температурой нагрева 250 С. Внутрь термошкафа устанавливали приспособления для кре пления волокна и тоководов в горизонтальном положении. Измерение элек ( тросопротивления производили прибором DT-838M при изменении темпера [ туры на каждые 2 С. Термошкаф в зимнее время года помещали в не отап ливаемое помещение при температуре окружающей среды -20 С. Результа ты измерений обрабатывались статистически. Анализ результатов исследо ваний (рисунок 3.4) показал, что в диапазоне температур от -20 до +5 С ! электросопротивление волокна не изменяется. От +5 до 25 С наблюдается небольшой рост электросопротивления и затем до температуры около +60 С происходит его уменьшение. Дальнейшее увеличение температуры приводит к стабильному росту электросопротивления волокна вплоть до деструкции
Для изучения такого поведения волокна было проведено исследование структуры электропроводной нити при различном увеличении до и после испытаний. Исследования проводили на оптическом и электронном микроскопах марок «NEOFOT» и «Дрон» при увеличении от 60 до 4100 раз. Исследования показали, что структура нити представляет собой не непрерывную электропроводящую solid-структуру, как у углеродных волокон. Токопрово-дящей структурой данного волокна является мелкодисперсный углерод (рисунок 3.5), смешанный с резиноподобной матрицей (рисунок 3.6) и нанесенный на ацетохлориновую нить основы.
Следует отметить, что прочность волокна определяется прочностью ацетохлориновой нити, так как сам токопроводящий слой не способен держать нагрузку. Таким образом, даже незначительное нагружение волокна может существенно влиять на его резистивные свойства. Ацетохлориновая нить имеет определенную степень скрутки, и в начале нагружения происходит ее ориентация вдоль оси действия нагрузки, что приводит к изменению ее длины и растяжению токопроводящего слоя. Как следствие происходит ухудшение контакта между его частицами. При дальнейшем нагружении ацетохлориновая нить практически остается нерастяжимой, следовательно, токопроводящий слой не подвергается деформации, и электропроводные свойства волокна остаются неизменными.
Проведенные исследования по влиянию на электропроводную нить температуры показали, что электросопротивление волокна остается стабильным при низких температурах. Увеличение температуры до +25 С вызывает его небольшой рост, вероятно из-за явлений температурных флуктуации ре-зиноподобной матрицы и частиц графита
Влияние изоляции на резистивные свойства
В третьей серии экспериментов изучили поведение ЭНУ в процессе эксплуатации, т.е. как повлияет на их сопротивление повторное увеличение температуры при их работе.
Образцы помещались в специальный стенд (описание стенда см. п.п. 2.2.1), который позволял изменять температуру от +25 до +100 С с непрерывным измерением электросопротивления. После достижения температуры в 100С образцы охлаждали до комнатной температуры.
Результаты показали, что модели ЭНУ с ПВХ-изоляцией при температуре больше 60 С начинают непрерывно увеличивать свое сопротивление (рисунок 4.16, кривые 1,2). При охлаждении сопротивление не возвращается в исходное.
Модели с ПЭ-изоляцией увеличивают при нагреве свое сопротивление (рисунок 4.16, кривая 5). После охлаждения, сопротивление возвращается в исходное (рисунок 4.16, кривая 6). При этом наблюдается явление гистерезиса.
Однако, сопротивление ЭНУ с изоляцией из полиэтилена ниже исходного примерно в 2 раза, и при нагреве не возрастает до первоначальной величины. Проведенные замеры электросопротивления показывают, что в процессе изготовления в мастике остается пластификатор в свободном состоянии, который при нагреве в процессе эксплуатации взаимодействует с волокном и изменяет его сопротивление. Поэтому необходимо для стабилизации свойств ЭНУ удалить из мастики свободный пластификатор. В связи с этим изучили влияние процесса удаления пластификатора, которое оценивалось по степени стабилизации электросопротивления.
4 Для этого изготавливались опытные ЭНУ по вышеуказанным режимам и после производства помещались в стенд изучения температурного воздействия (п.п 2.2.1, рисунок 2.2) внутри которого поддерживалась температура 60, 80 и 100 С. Образцы в количестве пяти штук помещались внутрь стенда и выдерживались при одной из указанных температур пока их сопротивление не стабилизировалось. Сопротивление считалось стабилизированным, если в течение 30 минут не было зафиксировано его изменения. Результаты показали, что через 7, 5 и 2,5 часов прогрева соответствен но ЭНУ стабилизируют свое сопротивление (рисунок 4.17).
Для ЭНУ с ПЭ-изоляцией изучение не проводилось, т.к. предыдущий опыт показал, что они способны без изменения характера кривых переносить процессы нагрева и охлаждения и имеют замкнутый цикл изменений (все процессы проходят обратимо).
J\jw. исследования причин резкого изменения электросопротивления ЭНУ при изготовлении и появления гистерезиса при повторном нагреве в процессе эксплуатации, провели исследования структуры ткани и установили, что в результате прессования изменяется параметр решетки ткани и диаметр волокон. Изменение диаметра волокон связано с тем, что при прессова нии происходит размягчение полиэтилена, его продавливание сквозь ячейки ткани и соединение противоположных слоев с образованием замкнутого кон тура вокруг волокна. При охлаждении происходит усадка и упругое сжатие волокон.
Выводы по главе 4:
1. Экспериментальные исследования теплового поля опытных моделей подтвердили результаты теоретического моделирования и выявили возрастание температуры от начала к середине модели, при этом на некотором расстоянии, в зависимости от условий теплоотвода наступает насыщение и температура поверхности становится постоянной и максимальной для данной модели.
Выявлен различный характер изменения резистивных свойств устройств в процессе изготовления и эксплуатации в зависимости от типа изоляции:
Для ПВХ - изоляции реализуется первая теоретическая модель нагревательного элемента - вследствие изоляции волокон друг от друга, при этом нарушается структура волокон и растет сопротивление ЭНУ в процессе изготовления и эксплуатации, вследствие взаимодействия токопроводящего слоя волокна с пластификатором. Для обеспечения стабильных теплофизических характеристик ЭНУ разработан процесс термического старения готовых ЭНУ.
Для полиэтиленовой изоляции реализуется вторая теоретическая модель -в процессе производства сопротивление снижается и остаётся постоянным при эксплуатации, однако при нагреве в диапазоне 65-85 С оно скачком возрастает почти до исходного.
На основании проведенных опытов по определению температурного поля опытных моделей ЭНУ и влияния на их резистивные свойства изоляции были сделаны следующие выводы:
Выявленный в результате экспериментальных исследований различный характер распределения температур вдоль осей X и Y (см. главу 4), а также наличие точки насыщения трудно объяснить только наличием тепло-отвода по краям устройства. Для объяснения причин выявленного распределения температуры рассмотрим механизм формирования температурного поля электропроводными волокнами, имеющими цилиндрическую форму, расположенными последовательно.
