Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Эффективность поддержания необходимого микроклимата в сельскохозяйственных и промышленных помещениях, благоустройство жилых зданий, а также эффективность местного обогрева различных устройств и установок зависят от применяемых для обогрева систем отопления.
Традиционные способы тепло-электрообогрева обладают рядом существенных недостатков: невысоким коэффициентом полезного действия, необходимостью применения промежуточных теплоносителей, низким уровнем электробезопасности, большими затратами на обслуживание.
Неизбежный рост энерговооруженности производства и необходимость более рационального использования электроэнергии для нужд электроотопления поставили задачу разработки эффективных поверхностно-распределительных электрообогревателей. Из всего многообразия указанных устройств можно выделить электрообогреватели пластинчатого типа на основе электропроводящих композиционных материалов (ЭПКМ), которые свободны от перечисленных выше недостатков и, кроме того, обладают повышенной коррозионной стойкостью, эластичны и допускают эксплуатацию при многократных деформациях, имеют малый удельный вес на единицу мощности и состоят из недефицитных компонентов.
Широкое использование низкотемпературных (300-400 К) композиционных электрообогревателей (НТКЭ) позволит осуществить массовое внедрение энергосберегающих технологий обогрева в различных областях: сельском хозяйстве (обогрев молодняка животных и птицы), промышленности (обогрев зданий и рабочих мест), энергетике, медицине (локальный обогрев функциональных кроватей, пеленальных столов, установок для проявления рентгеновских пленок), жилищно-коммунальном хозяйстве и быту.
К настоящему времени номенклатура НТКЭ превышает 1000 моделей. Ведущими фирмами и организациями-патентовладельцами в области раз-
работки ЭПКМ и конструкций из них являются: Matorel (Бельгия), Raychem Соф., Flexwatt Соф. (США), Sunbeam Соф. (Франция), TDK Electronics Co. Ltd (Германия), Electro Materials Соф. (ЕПВ), БИМСХ (Белоруссия), ВНИИЭТО, СибНИИЭ, АлтГТУ (Россия).
Качественно новые возможности в разработке композиционных электрообогревателей являются следствием трех обстоятельств: прогресса в области создания новых материалов нагревательного элемента, наличия теории и методики проектирования электрообогревателей и совершенствования технологии их изготовления.
В результате исследований созданы однородные, влагостойкие, механически прочные и стабильные материалы для нагревательного элемента, имеющие низкое удельное объемное сопротивление, малую стоимость и простую технологию изготовления.
Выполненные теоретические и экспериментальные исследования сориентированы в основном только на изучение характеристик составов и механизма электропроводности композиционных материалов с различными структурами, а научно-методическая сторона вопроса по расчету и проектированию изделий из ЭПКМ с заданными техническими характеристиками недостаточно точно сформулирована и не приведена к определенной системе.
Особенно это относится к композиционным электрообогревателям, обеспечивающимтребуемую температуру 310 ±5 К и работающим в непосредственном контакте с человеком и животными. К таким устройствам предъявляются повышенные требования по равномерности распределения теплового поля на поверхности электрообогревателя, электробезопасности, надежности, стойкости к агрессивной среде.
ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является дальнейшее развитие теории создания и функционирования низкотемпературных композиционных электрообогревателей, обеспечивающих требуемую температуру в стационарном однородном электрическом и тепловом полях для решения практических задач их проектирования, производства и эксплуатации.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА выполненной работы заключается в следующем:
-
Разработаны новые расчетные модели при определении электрической и тепловой проводимостей НТКЭ с системами компланарно и копланарно расположенных электродов, размещенных как на поверхности, так и внутри резистивного материала.
-
Впервые разработан аналитический метод расчета и определения электрической и тепловой проводимостей для системы с копланарно расположенными электродами с использованием метода непосредственного определения напряженности поля.
-
Показаны условия функционирования расчетных моделей НТКЭ, включающие требования: квазистационарности и приближенно плоскопараллельности электрического поля в резистивном материале; эквипотенциальности поверхности электродов по всей длине; степени неоднородности резистивного материала, не превышающей 12%.
-
Впервые установлен критерий функционирования НТКЭ, представляющий собой стабильность отклонения температуры на его поверхности (АГ), позволяющий получить в явном виде его зависимость от геометрических и эксплуатационных параметров НТКЭ и допускающий их регулирование.
-
Методом конформных преобразований и непосредственного определения напряженности поля с учетом математической аналогии между потенциальными полями получены точные формулы для расчета: напряженности поля, тока, разности потенциалов и электрической проводимости между копланарными, двумя парами копланарных и компланарными электродами, размещенными на поверхности резистивного материала, а также между копланарными электродами, размещенными в резистивном материале, с учетом их смещения и толщины; потока тепла, количества тепла, разности температур и теплопроводности между рези-ггивным материалом и объектом теплоотвода.
-
Разложением эллиптических функций, эллиптических и гиперэл-шптических интегралов, содержащихся в точных выражениях, в ряды и охранением только первых членов получены простые приближенные формулы для определения электрических и тепловой проводимостей мо-целей электрообогревателей.
-
Проведены расчеты точных (абсолютная погрешность до 10" ) и приближенных значений электрической и тепловой проводимостей различных типов моделей электрообогревателей; показано, что в наиболее часто используемых на практике моделях относительная погрешность полученных приближенных формул составляет до 2%.
-
Установлено, что в практически используемых случаях электрические проводимости между копланарными, двумя парами копланар-ных и компланарными электродами отличаются между собой лишь поправочными членами, причем отклонение толщины электродов приводит к линейному изменению электрической проводимости электрообогревателя, а смещение электродов - к параболическому.
-
На основе уравнения теплового баланса электрообогревателей, полученных расчетных формул предложена методика, обеспечивающая расчет и проектирование электрообогревателей с заданными техническими характеристиками.
-
Разработаны на уровне изобретений новые технические решения, относящиеся к НТКЭ и включающие: составы композиций рези-стивного материала, способы изготовления, организацию промышленного производства и внедрения электрообогревателей.
-
По разработанным методикам выполнен комплекс исследований электрофизических и тепловых параметров резистивных композиционных материалов, различных типов электрообогревателей и технических средств на их основе, позволивших определить технологический регламент промышленного производства НТКЭ.
ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается строгостью постановки решаемых задач, введением в расчетные модели основных физических свойств исследуемых объектов, установлением границ корректности решений и подтверждается сопоставлением результатов аналитического и численного исследований, а также сравнением с экспериментальными данными, полученными на моделях в лабораторных условиях и условиях производства.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем:
-
Получены простые и достаточно точные выражения, позволяющие с малыми затратами времени рассчитать НТКЭ с заданными техническими параметрами.
-
Предложенные методики позволяют получить в явном виде зависимость отклонения температуры на поверхности НТКЭ от его геометрических и эксплуатационных параметров.
-
Разработанные методики расчета НТКЭ дают возможность определить тип и место расположения электродов токоподвода электрообогревателя.
-
Технические решения выполнены на уровне изобретений и защищены 2-мя авторскими свидетельствами и 5-ю патентами, основные положения которых использованы при организации промышленного производства НТКЭ.
-
Разработанные методики расчета и полученные формулы могут быть использованы при решении задач с другим техническим содержанием, например: расчета образцовых резисторов, конструировании печатных плат, интегральных схем, электрокондуктомеров, газоанализаторов, вакуумметров и других приборов, а также электро-, радио- и теплотехнических устройств.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Работа выполнена в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и является составной частью комплексных научно-технических программ:
-
Координационного плана работ на 1981-1985 гг. ГКНТ СМ СССР и Госплана СССР 473/249 от 12.12.80 по программе О.Ц.003, пункта 0.01.06.05Н4.
-
Координационного плана АН СССР по комплексной проблеме "Электрофизика и электроэнергетика" на 1986-1990 гг. (шифр 1.9.2).
-
Проекта системы машин ВАСХНИЛ на 1986-1990 гг. (раздел Ж 12).
Результаты работы по теоретическому исследованию и расчету НТКЭ явились составной частью при организации промышленного выпуска гибких композиционных электрообогревателей на ОАО "Барнаульский шинный завод", где, начиная с 1988 года, выпущено око-
ло 8 тыс. шт. электрообогревателей различной номенклатуры. Научные разработки внедрены в сельском хозяйстве, промышленности, энергетике, медицине, жилищно-коммунальном хозяйстве на предприятиях Алтайского края, Новосибирской и Московской областей, Восточном и Северном Казахстане, Азербайджане. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработок составил около 1,5 млн руб. в ценах 1991 г.
-
Расчетные модели при определении электрической и тепловой проводимостей НТКЭ с системами компланарно и копланарно расположенных электродов, размещенных как на поверхности, так и внутри ре-зистивного материала.
-
Аналитический метод расчета и определения электрической и тепловой проводимостей для системы с копланарно расположенными электродами.
-
Методики расчета напряженности поля, тока, разности потенциалов между копланарными, двумя парами копланарных и компланарными электродами с учетом их смещения и толщины; потока тепла, количества тепла, разности температур между резистивным материалом и объектом теплоотвода.
-
Новые технические решения, относящиеся к НТКЭ и включающие: составы композиций резистивного материала, способы изготовления, организацию промышленного производства и внедрения электрообогревателей.
5. Комплекс исследований электрофизических и теплофизических
параметров резистивных композиционных материалов, различных типов
электрообогревателей и технических средств на их основе, позволивших
определить технологический регламент промышленного производства
НТКЭ.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Электронагревательные устройства на основе композиционных резистивных материалов, их применение в быту и технике", г. Киев, 1982 г.; научно-практической
конференции "Пути и задачи электрификации сельского хозяйства в свете решений Майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС", г. Барнаул, 1983 г.; на Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, г. Новосибирск, 1988 г.; на Всесоюзной научно-практической конференции "Основные тправления экономического и социального развития Алтайского края в 13 пятилетке и на период до 2005 года", г. Барнаул, 1989 г.; на 2-ой, 3-ей, J-ой Международных конференциях "Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов", г. Барнаул, 1991, 1995, 1997 гг.; на Международной научно-технической конференции "Вузовская наука на леждународном рынке научно-технической продукции", г. Барнаул, 1995 \; на 1-ой и 2-ой Международных научно-технических конференциях 'Композиты - в народное хозяйство России", г. Барнаул, 1995, 97 гг.; на Межведомственном семинаре по энергосбережению, г. Барнаул, 1997 г., а акже на научно-технических семинарах НИХТИ, ЭНИНа (г. Москва), осударственного предприятия "Алтаймедтехника", кафедры "Физика и ехнология композиционных материалов" АлтГТУ.
Разработанные экспериментальные и промышленные образцы из-[елий экспонировались и были отмечены на следующих выставках и рмарках:
-
1989 г., ВДНХ, г. Москва. Постоянно действующий павильон Ресурсосбережение".
-
1990 г., февраль, г. Хельсинки, Финляндия. Международная вы-гавка, павильон "Ученые вузов России - науке и производству".
-
1990 г., июнь, г. Братислава, Словакия. Международная хи-[ическая ярмарка "ИНХЕБА".
-
1990 г., июнь, г. Познань, Польша. Международная ярмарка.
-
1990 г., июнь, г. Барнаул, Россия. Региональная выставка-ярмарка.
-
1990 г., декабрь, г. Барнаул, Россия. Ярмарка-аукцион.
-
1995 г., февраль, г. Новосибирск, Россия. Международная уни-ерсальная ярмарка "Транссибзкспо-95".
-
1995 г., май, г. Барнаул, Россия. Выставка в рамках международ-ой научно-технической конференции "Вузовская наука на международ-эм рынке научно-технической продукции".
9. 1997 т., сентябрь, г. Лейпциг, Германия. Международная инова-ционная ярмарка "Иновация-97".
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований изложены в 48 научных трудах, из которых 2 препринта-монографии, 5 патентов, 2 авторских свидетельства, 25 статей, 4 технических условия, 10 отчетов по научно-исследовательским работам.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из "Введения", семи глав, "Заключения", списка литературы и приложений, изложена на 330 страницах машинописного текста, включающего 29 таблиц, 28 рисунков; список литературы содержит 271 наименование; 11 приложений представлены наШстраницах.
