CC BY
54
УДК 621.3
ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТЕПЛОАККУМУЛИРУЮЩЕГО НАГРЕВАТЕЛЯ
А.В. Щегольков, А.С. Юдин
Кафедра «Техника и технологии производства нанопродуктов», ФГБОУ ВПО «ТГТУ»; [email protected]
Ключевые слова и фразы: теплоаккумулятор; углеродный наноматери-ал; электрический нагреватель; эффект памяти.
Аннотация: Проведены экспериментальные исследования наномодифици-рованного материала с фазовым переходом. Выявлены особенности вольт-амперных характеристик при различных физико-механических изменениях в материале.
Разработка материалов, обеспечивающих новые функциональные возможности в процессе наномодифицирования, является перспективным научно-техническим направлением [1]. Весьма актуальным является исследование характеристик наномодифицированных парафинов, которые вследствие введения в них углеродного наноматериала (УНМ) «Таунит» и воздействия физических полей различной природы, на стадии модификации приобретают особые электрические и теплофизические свойства.
Методика экспериментальных исследований. Целью экспериментальных исследований является изучение электро- и теплофизических характеристик электрического теплоаккумулирующего нагревателя (ЭТН), изготовленного на основе наномодификации парафинов [2].
Перечень приборов и оборудования для исследования электрофизических параметров ЭТН включает: блок питания постоянного тока Б-5-18-20, обеспечивающий стабилизацию по току и напряжению, а также возможность изменения напряжения с шагом 0,1 В; преобразователь переменного тока - лабораторный автотрансформатор (ЛАТР) с максимальным нагрузочным током 15 А. Для измерений электрофизических параметров использован мультиметр Актаком-1097, для исследования теплофизических параметров - измеритель теплоемкости ИТ-С и теплопроводности ИТП-МГ4 «Зонд».
В качестве наноструктурного углерода использовали УНМ серий «Таунит», полученный на активированном катализаторе [3].
Количество УНМ варьировали от 0,01 до 15 масс.% в органическом диэлектрике, при этом исследования проводили с образцами, которые имели стабильные характеристики. Органический диэлектрик - парафин, обеспечивающий возможность получения пластичного ЭТН. Для получения ЭТН в твердом состоянии использовали состав: цемент - 30 %, кварцевый песок - 68 %, парафин - 2 %; представленный состав заливали дистиллированной водой в количестве 30 % от массы состава. Материал электродов для ЭТН - алюминий.
1 3 4 5 6
Рис. 1. Приборы и оборудование для исследования электрофизических параметров ЭТН:
1 - блок питания; 2 - мультиметр (В830); 3 - ЭТН; 4 - мультиметр (Актаком-1097); 5 - ЛАТР
На рисунке 1 представлен внешний вид приборов и оборудования для исследования электрофизических параметров ЭТН. В ходе экспериментальных исследований за основные электрофизические параметры выбирались вольт-амперные характеристики (ВАХ) ЭТН, которые определяли, задавая величину питающего напряжения на электродах ЭТН с шагом 0,1 В и снимая показания силы тока на амперметре блока питания.
Проводилось измерение ВАХ при введении в полость ЭТН металлических стальных опилок (рис. 2).
Материал разделителя объема ЭТН - диэлектрик (картон) и проводящий материал (алюминиевая пластинка).
Результаты экспериментальных исследований. На рисунке 3 представлены ВАХ ЭТН.
На рисунке 4 показано, как изменяется ВАХ при нарушении сплошности ЭТН за счет введения пластинок из картона и алюминия. Линия 1 соответствует целому состоянию ЭТН. При напряжении 6 В и силе тока 1,7 А ЭТН рассекли алюминиевой пластинкой, в результате чего точка 1 перешла в точку 2. Далее из
точки 2 путем повышения питающего напряжения получена линия 2. После того, как алюминиевую пластинку изъяли из образца, линия 2 перестроилась в линию 1. Опыт повторили с картонной пластинкой той же толщины, при этом линии 1 и 2 приняли то же самое положение. Рассечение ЭТН пластинками большей толщины приводит к тому, что точка 1 переходит в точку 3. Если убрать пластику из ЭТН то в этом случае линия 3 переходит в положение линии 1 .
Явление, обнаруженное при исследовании ВАХ ЭТН в результате введения инородных тел, указывает на существование эффекта памяти, который графически соответствует возвращению ВАХ из позиций 2 и 3 в начальное положение 1, при этом позиции ВАХ 2 и 3 достигнуты сечением пластинками с разной толщиной и сделанными из различных материалов.
I
1
3
Рис. 2. Схема исследования параметров ЭТН:
1 - ЭТН в форме перевернутой буквы «П»; 2 - металлические опилки; 3 - питающие электроды
U, В
30 25 20
15 10
2,
3,
\ \< ><
I, А
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика ЭТН:
1 - ЭТН (твердый наполнитель) с использованием цемента с 2%-м добавлением парафина; 2 - ЭТН на основе парафина; 3 - ЭТН на основе церезина
и, В 10
у у У У
У У У У / N.
у у у Л у у у у / у
3 2 / 1 3
о
1
2
3
I, А
4
Рис. 4. Вольт-амперная характеристика ЭТН (эффект памяти):
1 - целое состояние ЭТН; 2 - рассеченное состояние ЭТН алюминиевой пластинкой (токопроводящий материал); 3 - рассеченное состояние ЭТН картонной пластинкой (диэлектрический материал)
5
0
0
1
2
3
4
2
о
Таким образом, под эффектом памяти ЭТН понимается воспроизведение ВАХ после рассечения (механического изменения, вызванного инородным телом) материалом ЭТН, ВАХ, имевшей место в исходном (целом) состоянии.
На рисунке 5 показано, как изменится ВАХ ЭТН, если во внутренний П-образный промежуток ЭТН ввести металлические опилки. Сила тока при введении металлических опилок возрастает, точка 1 на линии ВАХ переходит в положение 2. Это можно объяснить тем, что происходит увеличение электропроводности за счет мостиков, образуемых вкраплениями опилок. При этом кромки промежутков ЭТН, где есть контакт с металлическими опилками, подвергаются более интенсивному нагреву, что объясняется более высоким локальным электрическим сопротивлением. После того как из промежутка ЭТН извлекаются металлические опилки, ВАХ изменяются - линия 2 переходит в линию 1.
Таким образом, линейность ВАХ свидетельствует о равновесии электрофизических процессов при переходе электрической энергии в тепловую. При этом нарушение равновесного процесса перехода электрической энергии в тепловую при рассечении ЭТН электропроводящими и диэлектрическими пластинками не приводит к прекращению тепловыделения, а лишь уменьшает его интенсивность в случае промежутка в ЭТН от 0,5 до 3 мм.
U, В 25
20
15
10
I, А
Рис. 5. Динамика изменения силы тока при введение во внутреннее пространство ЭТН металлических опилок: 1 - до введения; 2 - после введения
5
0
0
2
4
6
8
Рис. 6. Температурная зависимость теплоемкости ЭТН:
1 - парафин модифицированный УНМ; 2 - парафин модифицированный УНМ М;
3 - парафин модифицированный УНМ МД
Линейность ВАХ сохраняется и при дальнейшем увеличение температуры, а также при изменении объема и сплошности ЭТН. Все это указывает на стабильность тепловыделения в условиях механических и тепловых нагрузок.
Температурные зависимости теплоемкости для ЭТН с различным типом углеродного наноматериала УНМ, УНМ М и УНМ МД приведены на рис. 6.
Из температурных зависимостей следует, что модифицирование парафина различными типами УНМ дает возможность изменить его теплофизические параметры, следствием чего является изменение положения точки фазового перехода, а также расширение границ фазового перехода. Это позволяет повысить эффективность системы теплоаккумуляции, так как расширяется диапазон температур фазового перехода, что, в свою очередь, приводит к увеличению накопленной теплоты на 30-50 %.
В ходе проведенных исследований установлена возможность получения различных типов теплоаккумулирующих материалов с разнообразными теплофизи-ческими и физико-механическими характеристиками, что дает возможность подстраивать под конкретные температурные режимы параметры систем теплоакку-муляции в целях повышения их эффективности [4].
Список литературы
1. Технология и эффективность модифицирования углепластиков углеродными наночастицами / Г.М. Гуняев [и др.] // Конструкции из композиционных материалов. - 2004. - № 4. - С. 77-79.
2. Пат. 2466333 Российская Федерация, МПК Б 24 Н 7/00, В 82 В 1/00. Элект-ротеплоаккумулирующий нагреватель / Калинин В.Ф., Щегольков А.В. ; заявитель и патентообладатель Тамб. гос. техн. ун-т. - № 2011118301/06 ; заявл. 05.05.2011 ; опубл. 10.11.2012, Бюл. № 24. - 8 с.
3. Рухов, А.В. К вопросу о механизмах формирования каталитических систем для синтеза углеродных нанотрубок методом химического осаждения из газовой фазы / А.В. Рухов, Е.А. Буракова, О.Н. Марадудина // Альтернативная энергетика и экология. - 2013. - № 1(1). - С. 27-31.
4. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения / Р.Р. Авезов [и др.] ; под ред. Э.В. Сарнацкого, С. А. Чистовича. - М. : Стройиздат, 1990. - 328 с.
Electrical and Thermo-Physical Characteristics of Electric Thermal Storage Heater
A.V. Shchegolkov, A.S. Yudin
Department "Equipment and Production Technology of Nanoproducts", TSTU;
Key words and phrases: carbon nanomaterial; electric heater; effect of memory; heat accumulator.
Abstract: Experimental studies of nanomodified phase change material have been conducted. The features of the current-voltage characteristics under different physical and mechanical changes in the material have been identified.
Elektrische und wärmephysikalische Charakteristiken des elektrischen wärmeakkumulierenden Erhitzers
Zusammenfassung: Es sind die experimentalen Forschungen des nanomodifizierten Materials mit dem Phaseübergang durchgeführt. Es sind die Besonderheiten von VAC bei den verschiedenen physikalisch-mechanischen Veränderungen im Material enthüllt.
Caractéristiques électriques et thermpphysiques du réchauffeur électrique thermoaccumulant
Résumé: Sont effectuées les études expérimentales du matériel nanomodifié avec une transition de phase. Sont déduites les particularitées VAC lors de différents changements physiques et mécaniques dans le matériel.
Авторы: Щегольков Александр Викторович - кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Техника и технологии производства нанопро-дуктов»; Юдин Андрей Сергеевич - магистрант кафедры «Техника и технологии производства нанопродуктов», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
Рецензент: Ткачев Алексей Григорьевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Техника и технологии производства нанопродук-тов», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
