CC BY
152
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузьмин В.М. Электронагревательные устройства трансформаторного типа. - Владивосток: Дальнаука, 2001. - 144 с.
2. Сериков А.В., Кузьмин В.М. Рекомендации для расчёта трансформатора с короткозамкнутой кольцевой вторичной обмоткой // Известия Томского политехнического университета. -2011. - Т 319. - №4. - С. 79-84.
3. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 160 с., ил.
4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в МАТЬАБ, втРсдаег^ет и вітиііпк. - М.: ДМК Пресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.: ил.
5. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - Взамен ГОСТ 13109-87; Введ. 01.01.99 г. - М.: Изд-во стандартов, 1999. - 32 с.; Переиздание. Август 2006 г. - М.: Стандартин-форм, 2006. - 32 с.
Поступила 20.01.2012 г.
УДК 621.3:536.7:678
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ ЭЛЕКТРООБОГРЕВАТЕЛИ АНТИОБЛЕДЕНИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ
М.В. Халин, Е.И. Востриков
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул E-mail: [email protected]
Выполнен анализ существующих кабельных антиобледенительных систем, выявлены ихдостоинства и недостатки. Поставлены задачи исследований для широкого применения пластинчатых и объемных многоэлектродных композиционных электрообогревателей на основе бутилкаучука в антиобледенительных системах. Проведен комплекс электрофизических испытаний, который определил условия технологического регламента изготовления электрообогревателей сэффектами самостабилизации и саморегулирования. Доказана возможность длительной эксплуатации электрообогревателей во влажной и агрессивной среде и целесообразность их использования в антиобледенительных системах.
Ключевые слова:
Антиобледенительная система, многоэлектродный композиционный электрообогреватель, самостабилизация, саморегулирование, влажная и агрессивная среды.
Key words:
Anti-ice system, multi-electrode composite electric heater, self-stabilization, self-regulation, damp and aggressive environments.
Введение
Антиобледенительные системы зданий и сооружений, появившиеся сравнительно недавно, доказали свою эффективность и во всем мире используются в строительном производстве. Использование таких систем позволяет исключить образование наледи в водосточных трубах, желобах, воронках и других местах ее наиболее вероятного появления. Образование наледи приводит к уменьшению (вплоть до полного прекращения) оттока воды через водосточные желоба и трубы, что представляет серьезную опасность для жизни и здоровья людей и может привести к значительному материальному ущербу.
Основным элементом антиобледенительной системы являются нагревательные секции, назначение которых преобразовывать протекающий по ним ток в тепловую энергию. Поэтому мощность на единицу длины (удельное тепловыделение), а также площадь нагревательного элемента -их важнейшие электро-, теплофизические параметры.
Современные антиобледенительные системы базируются на четырёх типах кабелей: резистивных, бронированных, зональных и саморегулируе-
мых, которые на российском рынке представлены следующими фирмами производителями «СПЕЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ТЕХНОЛОГИИ» или ССТ (Россия), THERMO, KIMA Heating Cable (Швеция), CEILHIT (Испания), ENSTO, TASH (Финляндия), NEXaNs Norway, AS ALCATEL (Норвегия/ Франция), DEVI (Дания) [1].
Анализ кабельных систем обогрева (табл. 1), выявил следующие недостатки:
• одинаковая теплоотдача кабеля по всей длине, что приводит к тому, что на одних участках кабель перегревается, а на других выделяемого им тепла может быть недостаточно для обеспечения удовлетворительного функционирования системы;
• малая площадь теплоотдачи кабеля, что требует использования значительной мощности для успешной работы системы;
• потеря работоспособности кабеля на всей длине секции при выходе из строя нагревательной жилы или повреждении изоляции.
Наиболее эффективными являются саморегу-
лируемые кабели, которые в отличие от резистивных автоматически меняют мощность по длине секции в зависимости от фактических потерь те-
пла: при повышении температуры их тепловыделение падает, что создает эффект саморегулирования. Однако значительная стоимость саморегулируе-мых кабелей ограничивает их широкое применение.
Таблица 1. Технические обогрева
характеристики кабельных систем
Тип кабеля Объект подогрева Диапазон мощностей, Вт/м Длина секции Применимость на кровлях
Резистив- ные Полы 5...30 Фиксированная 10.200 м Ограничен- ная
Брониро- ванные Открытые площадки, водостоки 20...45 Фиксированная с возможностью прирезки по месту 1.2 м Подогрев длинных водостоков, капельников, бетонных лотков
Зональные Трубопро- воды 15.70 Любая, до 150 м резка по месту Подогрев длинных водостоков
Саморегу- лируемые Трубопроводы, лотки, водостоки 8.90 Любая, до 150 м резка по месту Полная
тилкаучука с выраженными электроизоляционными свойствами и улучшенными физико-механическими показателями, электропроводный слой -
4 изготовлен на основе бутилкаучука с техническим углеродом марок N-330, N-220. Электроды -2 и токоподводы - 1 выполнены из медного гибкого провода сечением 1,5 мм2.
Постановка задач
В связи с необходимостью совершенствования функционирования антиобледенительных систем определены следующие задачи исследований:
• разработка конструкций на основе энергоэффективного поверхностно-распределенного способа обогрева с использованием пластинчатых и объемных многоэлектродных композиционных электрообогревателей (МКЭ) и обоснование их технико-экономической целесообразности;
• выполнение комплексных экспериментальных исследований электро-, теплофизических характеристик композиционных электрообогревателей с целью определения необходимых параметров композиции и конструкции электрообогревателя;
• разработка устройств антиобледенительных систем водостоков кровли и подходов к зданиям на базе композиционных электрообогревателей с учетом предъявляемых к ним специальных требований: высокой прочности электрической изоляции; небольших токов утечки; достаточной теплоотдачи; стойкости к воздействию влаги, солнечной радиации; работе в широком диапазоне температур; низким энергопотреблением и т. д.
Результаты и их обсуждение
Предлагается система обогрева на базе многоэлектродных композиционных электрообогревателей [2, 3], рис. 1. Электроизоляционный слой -
3 представляет собой композицию на основе бу-
Рис. 1. Схематическое изображение МКЭ: а) пластинчатого; б) объемного
Проведенные исследования [4, 5] различных резиновых смесей доказали, что изделия из бутил-каучука обладают рядом отличительных свойств, достаточных и необходимых для создания электрообогревателей, работающих в антиобледенитель-ных системах. Резины на основе бутилкаучука обладают высоким сопротивлением тепловому старению, устойчивы к действию азота, влаги, кислот и щелочей, а так же имеют высокие электроизоляционные свойства в широком диапазоне температур [6].
Для изоляционного слоя МКЭ получены зависимости удельного объемного сопротивления р¥, тангенса угла диэлектрических потерь tg5 и электрической прочности ипр от времени воздействия влаги (полное погружение изделия в воду) при нормальных температурных условиях (20±5 °С), рис. 2. Исследования проведены по ГОСТ [7] с использованием измерителя ёмкости и tg5 Е8-4 и установки высокого напряжения ПУС-4.
-4
>9,Ом*см tgS'lO С/пр,кВ/мм
8 — 6 — 4 — 2 — 35 ~1 30
25 / у.
20 /
0 2 4 6 8 10 12 14
Время, сутки
Рис. 2. Зависимость р, 1д8 и ипр от времени воздействия влаги
Для определения показателей физико-механической прочности (ФМП), характеризующих старение резин в агрессивной среде, а, значит, и условий эксплуатации изоляционного слоя МКЭ, проведены исследования в ЦЗЛ ОАО «Барнаульская шинная компания» в соответствии с действующими методиками по ГОСТ [8, 9].
В табл. 2 приведены показатели ФМП, соответствующие производственным нормам по ГОСТ, и полученные усредненные значения для четырёх образцов резиновых смесей, используемых для изоляционного слоя МКЭ (ПРИ-1-11).
Анализ данных табл. 2 позволяет сделать вывод о пригодности резиновой смеси ПРИ в качестве изоляционного слоя для производства электрообо-греватей МКЭ.
Таблица 2. Показатели ФМП резиновых смесей
Тип смеси Показатели ФМП
Условная прочность при растяжении ^, МПа Относительное удлинение Ер, % Пластичность Р, у.е. Относительное остаточное удлинение 0, %
По ГОСТ [8, 9] 8,0 не менее 500 не менее 0,30 не менее 30 не более
ПРИ-1-11 12,9 530 0,39 16
Методика испытаний МКЭ на стойкость к агрессивным средам определяется поГОСТ [10]. Сущность метода заключается в том, что образцы в ненапряженном состоянии подвергаются воздействию сред при заданной температуре и продолжительности и определяют их стойкость к указанному воздействию по изменению массы, объема или размеров.
В качестве агрессивной среды в исследованиях использованы: 5 % раствор аммиака; 10 и 20 % растворы серной кислоты; 10 и 20 % растворы гидрооксида натрия; вода. Время набухания в агрессивной среде - 24 ч.
Показатели ФМП после воздействия агрессивной среды приведены в табл. 3, где АР - изменение пластичности образца.
Таблица 3. Показатели ФМП образцов резиновой смеси ПРИ-1-11 после воздействия агрессивной средыы
Вид среды ^, МПа Ер, % 0, % АР, %
\1Н4ОН, 5 % 11,1 530 21 3,85
Н2ПО4, 10 % 11,5 570 22 1,30
2=с п о 2 О % о4 11,5 550 19 2,60
№ОН, 10 % 10,4 550 20 2,52
№ОН, 20 % 8,4 560 23 7,41
Н2О 12,3 540 16 0,51
Анализ данных табл. 3 показывает, что резиновая смесь ПРИ-1-11 в нормальных условиях соответствующая требованиям, предъявляемым к данному типу резин, после воздействия агрессивной среды незначительно теряет прочность и имеет небольшой процент набухания.
С учетом специфики эксплуатации и функционирования антиобледенительных систем из всего многообразия разработанных конструкций МКЭ в качестве базовых выбраны два типа: пластинчатые, размером 200x135x10 мм, и объемные цилиндрического типа, размерами: внутренний 024 и внешний 044x200 мм [11]. Первый тип может эксплуатироваться на карнизах, яндовых, воронках и коробах, второй - в водосточных трубах.
Для энергоэффективного использования элек-тообогревателей МКЭ необходимо определить состав электропроводящей композиции, обеспечивающей эффекты саморегулирования и самостаби-лизации мощности в зависимости от окружающей температуры и условий эксплуатации.
Для исследования зависимости р¥ электропроводного слоя от изменения температуры были выбраны две партии в каждой по пять МКЭ из высо-конаполненных (41...52,5 м.ч. технического углерода (ТУ) и слабонаполненных (30.35 м.ч. ТУ) бу-тилкаучуков. 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 МКЭ и температура
на его поверхности. Измерения проводились в течение 2 ч. Результаты исследований представлены на рис. 3.
р, Ом*см
14
12
10
1
2 /
г/ —Ц Е—
Т,°С
15
20 25 30 35 40 45
Рис. 3. Усредненные зависимости рч электропроводного слоя образцов МКЭ от температуры: 1) первой партии; 2) второй партии
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 ру=Д Т) 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 сопротивлений (рис. 4), что характеризуется отрицательным температурным коэффициентом. Анализ приведенных зависимостей свидетельствует о преобладании связей полимер - проводящий наполнитель в резистивной фазе КМ, что характерно для полупроводниковых материалов и делает возможным работу МКЭ в режиме саморегулирования. В данном случае рецептура композиции в отличие от высоконаполненных полимеров содержит: 30...35 м.ч. ТУ, уменьшенное количество жирных органических кислот, например, стеариновой (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 80 °С. Таким образом, направленным изменением состава и соотношения ингредиентов композиции и регулированием технологического регламента изготовления можно получить МКЭ, обеспечивающие работу в режиме саморегулирования. При работе в этом режиме в отдельных случаях необходимо устанавливать терморегулирующие устройства.
По результатам электрофизических исследований установлены основные принципы реализации технологий поверхностно-распределенного элек-
трообогрева как со самостабилизацией температуры на поверхности композиционного электрообогревателя, так и с эффектом саморегулирования, включающие определение интервала температур, конструктивных параметров, рецептуры композиции проводящей фазы полимерного материала, технологических параметров изготовления.
Электрофизические характеристики исследовались на электрообогревателях - образцах: пластинчатых, размером 200x135x10 мм, и объемных, размером 200x024x10 мм. Результаты теплофизических исследований для объемного МКЭ приведены на рис. 4.
Рис. 4. Зависимость температуры на поверхности объемного МКЭ от времени при выходе на рабочий режим: 1) внутри; 2) снаружи
Разработанная антиобледенительная система, рис. 5, обеспечивает надежную работу и исключает вышеперечисленные недостатки кабельных систем [2, 11].
На ремне - 1с помощью заклепочного соединения - 2 закреплены электрообогреватели - 3, расположенные с интервалом друг от друга (рис. 5, а). 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. Собранный ремень с электрообогревателями крепится на входе пристенного водостока - 7 с помощью штанги - 8 и кронштейнов - 9.
На рис. 5, б, представлена схема подключения объемных электрообогревателей - 3, расположенных в пристенном водостоке - 10, соединенном с карнизом - 11. На тросе - 12 с помощью металлического зажима - 13 закреплены электрообогреватели - 3, расположенные с интервалом друг от друга. Вдоль заземленного стального троса -12 проложены и соединены посредством хомутов -14 электрические провода - 4, к которым параллельно подключены электрообогреватели - 3 через токоподводы - 5. Собранный трос с электрообогревателями крепится на входе водостока - 10 к стене с помощью болтового соединения - 15.
Опытная эксплуатация электрообогревателей МКЭ на двух объектах г. Барнаула в течение трех лет показала надежность и эффективность разработанной конструкции и позволила уменьшить затраты на электроэнергию по сравнению с кабельными системами обогрева в два раза [11].
а б
Рис. 5. Расположение МКЭ: а) пластинчатых на монтажном ремне; б) объемных на стальном тросе
Выводы
Разработана антиобледенительная система на основе поверхностно-распределенных пластинчатых и объемных многоэлектродных композиционных электрообогревателей, преимущества которой состоят в следующем:
• выход из строя нескольких электрообогревателей существенно не влияет на работу всей нагревательной секции, если неработающие нагреватели не сосредоточены на небольшом участке длины;
• значительная площадь поверхности обогрева;
• регулирование распределения мощности по длине секции: в местах наибольшего скопления льда (например, на входах и выходах водостоков) устанавливаются электрообогреватели большей мощности.
Многоэлектродные композиционные электрообогреватели обеспечивают:
• равномерность распределения и необходимые параметры температурного поля на поверхности электрообогревателя;
• условия электро-, пожаробезопасности, надежности, влаго- и химической стойкости в агрессивной среде, экологической чистоты;
• теплостойкость, высокие диэлектрические показатели, теплоаккумулирующие свойства, значительную наработку на отказ;
• надежность системы управления мощностью электрообогрева и выполнение условий саморегулирования и самостабилиза-ции температуры;
• энергоэффективность и экономическую целесообразность применяемых технических средств электрообогрева.
1
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антиобледенительные системы // Строительный сезон. -2001. - №5. - С. 28-33.
2. Способ удаления льда с водостоков крыш зданий и сооружений: пат. 2209906 Рос. Федерация. № 2002118385/03; заявл. 08.07.02; опубл. 10.08.03, Бюл. № 22. - 5 с.
3. ТУ 3468-007-02067824-2003. Многоэлектродные композиционные электрообогреватели (МКЭ). № Гос. рег. 004026 / Разработчик М.В. Халин. - Барнаул, 2003. - 24 с.
4. Евстигнеев В.В., Пугачев ГА., Халина Т.М., Халин М.В. Расчет и проектирование низкотемпературных композиционных электрообогревателей. - Новосибирск: Наука, 2001. - 168 с.
5. Халин М.В. Теория и разработка низкотемпературных электрообогревателей: дис.... д-ра техн. наук. - Барнаул, 1998. -330 с.
6. Справочник резинщика / ред. кол. П.И. Захарченко, Ф.И. Яшунская, В.Ф. Евстратов, П.Н. Орловский. - М.: Химия, 1971. - 608 с.
7. ГОСТ 20214-74. Пластмассы электропроводящие. Метод определения удельного объемного электрического сопротивления при постоянном напряжении.
8. ГОСТ 270-75. Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении.
9. ГОСТ 415-75. Каучуки и резиновые смеси. Метод определения пластоэластичных свойств на пластомере.
10. ГОСТ 9.030-74. Резина. Методы испытания на стойкость в ненапряженном состоянии к воздействию жидких агрессивных сред.
11. Халин М.В., Востриков Е.И., Бутцев Д.В. Энергоэффективная антиобледенительная система на основе композиционных электрообогревателей // Энергообеспечение и энергосбережение - региональный аспект: Матер. докл. XII Всеросс. со-вещ. - Томск: Изд-во «СПБ Графикс», 2011. - С. 32-35.
Поступила 26.12.2011 г.
УДК 621.374.4/5:517
УНИВЕРСАЛЬНЫЙ КРИТЕРИЙ ДЛЯ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ НЕЛИНЕЙНОГО КОЛЕБАТЕЛЬНОГО КОНТУРА С ПЕРИОДИЧЕСКИ ИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ПАРАМЕТРОМ
Р.А. Вайнштейн, Н.В. Коломиец, В.В. Шестакова
Томский политехнический университет E-mail: [email protected]
Показано, что выполнение условия равенства среднего за период значения собственной частоты параметрических колебаний позволяет получить соотношения между электромагнитными и конструктивными параметрами делителя частоты на границе возникновения колебаний половинной частоты и в стационарном режиме. Полученные соотношения позволяют произвести расчеты сдостаточной точностью.
Ключевые слова:
Делитель частоты, параметрические колебания, средняя частота.
Key words:
Frequency demultiplier, parametric variation, medium frequency.
Данная работа выполнена в связи с использованием электромагнитного параметрического делителя частоты на два в качестве основного элемента источника контрольного тока, используемого для выполнения защиты от замыканий на землю в электроустановках напряжением 6-35 кВ [1].
Электромагнитный параметрический делитель частоты является известным устройством. Впервые параметрические колебания в электрических системах были реализованы и теоретически описаны Л.И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси [2]. Также они предложили использовать для реализации параметрических колебаний в электрических цепях индуктивность с нелинейным ферромагнитным сердечником.
Электромагнитный параметрический делитель частоты содержит два замкнутых магнитопровода из электротехнической стали А и Б, на каждом из которых нанесены по две обмотки с числом витков щ и м2, рис. 1.
Ь
Рис. 1. Схема делителя частоты с вентилем в цепи питания
Обмотки щ вместе с вентилем ¥Б образуют цепь, называемую цепью возбуждения, которая подключается к источнику переменного тока с частотой 2ю. Обмотки w2 образуют вместе с конденсатором СК параметрически возбуждаемый колебательный контур. Обмотки сердечников А и В соединены так, что между ними нет электромагнитной связи, и поэтому вынужденные колебания с частотой 2ю в колебательном контуре отсутствуют. Роль
