CC BY
34
УДК 631.171: 539.219.1
энергоэффективные технологии и технические средства локального обогрева Для АПК
Т.М. ХАЛИНА, доктор технических наук, зав. кафедрой (e-mail: temf@yandex.ru)
М.В. ХАЛИН, доктор технических наук, профессор
А.Б. ДОРОШ, ассистент
Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, просп. Ленина, 46, Барнаул, 656038, Российская Федерация
Резюме. В статье представлены результаты исследования влияния особенностей структуры электрического поля в квазиоднородной среде многоэлектродных композиционных электрообогревателей (МКЭ) различных форм и типоразмеров, а также параметров структурно-ориентированной модели распределения технического углерода в бутикаучуковой матрице на электрофизические характеристики МКЭ и возможность их работы в режиме саморегулирования. Исследования проводили для проектирования наноструктурных МкЭ с заданными свойствами, обеспечивающих энергоэффективные технологии обогрева в условиях сельскохозяйственного производства. Предложено строгое решение задачи определения электрической проводимости для систем пластинчатого типа с двумя парами электродов и трехэлектродных цилиндрических систем в зависимости от их конструктивных параметров, в том числе длины и ширины электропроводного слоя, ширины электродов и расстояния между ними в группе, соотношения внутреннего и внешнего радиусов электропроводного слоя. Получены аналитические зависимости и приведены результаты расчета массива численных значений электрической проводимости для наиболее употребительных размеров электрообогревателей, которые могут быть использованы при проектировании многоэлектродных систем. Для реализации саморегулирования наноструктурный МкЭ должен обладать отрицательным температурным коэффициентом, лежащим в диапазоне значений |orp | <2-3 % 0C-1, что обеспечивает формирование электропроводящего композиционного материала при следующем соотношении основных функциональных ингредиентов: бутилкаучука - 59-60 масс. %, технического углерода (ТУ) №-330 - 19,5-21,1 масс. %. Выбор наиболее подходящей марки ТУ определен по результатам микроскопических исследований с учетом степени регулярности ячеисто-сетчатой структуры его распределения в бутилкау-чуковой матрице. Использование наноструктурных МКЭ для напольного обогрева молодняка животных позволило снизить энергоматериальные затраты на 20-35 %, для аппаратного подогрева зернового материала - на 20-40 %, для обогрева оборудования электронной связи в контейнерах - на 50-60 %, по сравнению с традиционными техническими средствами. Ключевые слова: наноструктурный многоэлектродный композиционный электрообогреватель, саморегулирование, электрическая проводимость, удельная электропроводность. Для цитирования: Халина Т.М., Халин М.В., Дорош А.Б. Энергоэффективные технологии и технические средства локального обогрева для АПК// Достижения науки и техники АПК. 2017. Т. 31. №3. С.
Устойчивое развитие сельских территорий в соответствии с Федеральным законом «О развитии сельского хозяйства», снижение себестоимости и обеспечение экологической безопасности сельскохозяйственной продукции связаны с широким применением электрической энергии в технологических процессах ее производства, сдерживаемым постоянным ростом энерготарифов.
В этой связи разработка энергоэффективных технологий и технических средств, в том числе для напольного обогрева молодняка животных, грунта в тепличных хозяйствах, обогрева водоводов и поилок, подогрева и сушки зернового материала, обогрева трехфазных счетчиков электроэнергии и контейнеров
для средств телекоммуникации и связи приобретает особую актуальность в первую очередь для районов Сибири и Дальнего Востока.
На сегодняшний день наиболее перспективными признаны системы, обеспечивающие энергоэффективный и высокотехнологичный поверностно-распределенный обогрев [1, 2, 3]. К ним относят традиционные технологии обогрева на основе конструкций ВИЭСХ, ЦНИПТИМЭЖ (РФ), БИМЭСХ (Беларусь), современные системы с использованием тонкопленочных ИК-электронагревателей на основе карбоновых термопленок и стержней типов CALEO и UNIMAT (Южная Корея), а также с применением кабельных систем обогрева на базе нагревательных панелей НП (Южная Корея), греющих плит из полимербето-на и стеклопластика компании Big Dutchman (Германия), саморегулирующихся кабелей Nelson (США), RAYCHEM (Бельгия), TDK (Германия), SUNBEAM (Франция) на основе полупроводниковых матриц, обеспечивающие уменьшение потребляемой мощности с увеличением температуры окружающей среды [4, 5].
Проведенный анализ существующих отечественных и зарубежных технологий и технических средств локального обогрева позволил определить перечень их конкурентных преимуществ и перспектив применения на объектах АПК, а также выявил их неспособность обеспечить энергоэффективный целесообразный обогрев и равномерное распределение температуры по поверхности электрообогревателя с высокими диэлектрическими характеристиками во влажных и агрессивных средах.
Поэтому разработка и создание технических средств локального обогрева с комплексом заданных свойств на основе наноструктурных композиционных материалов (КМ), способных функционировать в энергоэффективных режимах, позволяют решить важную научно-техническую проблему.
Цель исследований - определение взаимосвязи комплекса электрофизических характеристик наноструктурных многоэлектродных композиционных электрообогревателей (НМКЭ) с их конструктивными параметрами на базе оценки особенностей формирования структуры электрического поля в квазиоднородной среде.
Условия, материалы и методы. Изучали НМКЭ пластинчатого и объемного типов, обеспечивающие заданную температуру на поверхности и необходимые физико-механические и электро-, теплофизические характеристики (рис. 1) [6]. Электрообогреватель НМКЭ представляет собой закапсулированный пакет, состоящий из изоляционных слоев композиционного материала 1 и расположенного между ними электропроводного слоя 2 с размещенной в нем системой электродов 3. Электропроводящий слой КМ изготавливают на основе кристаллизующегося бутилкаучука (БК) и дисперсного технического углерода (ТУ) промышленных марок, а также дополнительных ингредиентов для придания необходимых при эксплуатации свойств. Выбор БК обусловлен его высокой тепло- и химостойкостью, а также газонепроницаемостью, резины на его основе превосходят по диэлектрическим свойствам резины из натурального каучука и каучуков общего назначения [7].
рис. 1. Общий вид электрообогревателя: а) пластинчатого типа, б) объемного типа; 1 - изоляционный слой; 2 - электропроводный слой; 3 - электроды; 4 - токоподводы; В, Ц Ц, h, I, ^ а, п, г, R0 - геометрические размеры НМКЭ.
Для достижения поставленной цели использовали методы непосредственного определения напряженности электрического поля в сочетании с методом конформных преобразований и с учетом математической аналогии потенциальных полей для установления зависимости электрической проводимости 0( многоэлектродной системы от ее геометрических параметров, комплексные методы оптической микроскопии, растровой и просвечивающей электронной микроскопии при определении организации структуры электропроводящего слоя НМКЭ [8, 9].
Строгое решение задачи определения электрической проводимости 0( может быть получено только путем расчета стационарного электрического поля, создаваемого системой электродов. Электростатическое поле и стационарное электрическое поле в проводящей среде -плоскопараллельные потенциальные поля, которые описываются одним и тем же дифференциальным уравнением в частных производных эллиптического типа, переходящим в условиях однородных и квазиоднородных сред в известное уравнение Лапласа [10]. На сегодняшний день не найдено методов его аналитического решения за исключением ряда задач расчета плоско-
Таблица 1. расчетные модели, системы в отображенной плоскости, параметры отображения, точные и приближенные расчетные выражения для определения электрической проводимости нМкЭ
№
НМКЭ
пластинчатого типа
объемного типа (цилиндрической формы)
Расчетные модели
Системы в отображенной плоскости
/п
I
«
АЛъЛ А а'.А'.А'.ЖА' А', е
Параметры отображения
£=а48п(К0у,к0); / К„'
— = зп
а,
— = вп аЛ
2а + п
И \
Ь . 2а+п
X
2а + п И
1-
1 +
п
2а
£=а4зп(К0у,к0);
К„
2, = 1п г\
к -3--
а2 а5 Л
Э1 _ а2 _ К
2
2
3
параллельных электростатических полей и расчета полей электрического тока с двумя двух-, трехэлектрод-ными системами и системами с тремя, пятью, девятью и так далее электродами для ограниченного диапазона соотношений геометрических параметров. Метод, основанный на точном определении модулей полных эллиптических интегралов (табл. 1), который использовали мы, позволяет определять электрическую проводимость 0( для соотношения геометрических параметров: длина электропроводного слоя / толщина электропроводного слоя (I> 15, что соответствует параметрам эксплуатируемых на практике электрообогревателей [11,12].
результаты и обсуждение. Расчетные модели НТМКЭ (табл. 1, поз. 1) учитывают основные факторы формирования электрического поля. Поскольку длина электродов совпадает с длиной КМ и намного больше их поперечных размеров, удельная электропроводность проводящего слоя намного больше удельной электропроводности изоляционных слоев, поэтому электрическое поле пластинчатого НМКЭ можно принять плоскопараллельным, а объемного (цилиндрическая форма) - плоскомеридианным, границу по периметру проводящего слоя принято считать непроницаемой для силовых линий электрического поля. Для плоскопараллельных и плоскомеридианных расчетных моделей заштрихованные области принимаются за плоскости комплексного переменного Z, в которых заданы исходные конструктивные параметры расчетных моделей НМКЭ (табл. 1, поз. 1), и конформно отображаются на верхние полуплоскости комплексного переменного ^ (табл. 1, поз. 2) с помощью параметров отображения при соответствии точек исходной и отображенной плоскостей (табл. 1, поз. 3).
Таблица 1. Окончание
1
2
Параметры отображения
а1
—1 = ЭП
2а + п
\ И
,к0
— = зп
2а + п 2а+п г.
1 +
п
2а
— = вп
2а + п И
,к0
1 +
п
2а)
Л
где к0=— \л к'0 = ф-кд - модули
Э5
полных эллиптических интегралов Кои к 'о
^ = ао . Л 71К0'
к0 =4еШК°'Гш,
Точные и приближенные расчетные выражения
V
=3 =1
ЦЧ+н"!.)
М4
-где
= 1
№-аЖ-а22)(аН2)(а2Л2)
_^_.
^2-аЖ-а22)(аН2)(а2А2)' _Ъ_.
о V(а12 2 )(а2 2 )(аз 2 )(а4 2 )'
«2 = 1
а, >/й2 -а12)(®2 _^2)(аз -^2)(а4 ~%2) '
2
=1
!1^2-а12)(а22-^)(а32-42)(а42-42)'
4
^2-а12)(42-а22)й2-а2)(а2-42)'
_^_
^2-а?)(42-а22)Й2-а32)(а42Ч2)' I\ гиперэллиптические интегралы, определенные численно [13].
ё, Ь
■ где &
«1 . [ . 2Ь. 2Ь . "VII___ I ^пУ ттд! приближенное
значение электрической проводимости.
1 1 К(ку
где у - удельная электропроводность композиционного материала;
к =
С _ Э" я )(1-Я1а ) ^
35- 32 =
|(1-а )(% -% ) 5 2 2
где г, Я0, а0- конструктивные размеры
электрообогревателя
__
л г
1 Па°Г п2г 2Я?0(Я?0-г)
3
3
4
Таблица 2. Значения безразмерных проводимостей G|/y при использовании точной формулы расчета к0
Наименование //т
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 I 14 15
при (2а+п)/11=0,4 ю со со о о оэ со о со ю со ■■¡г ю со см о 03 со ю о ю со см со со 03 о СП ю оо оо СП ю со ю оо оз со см со ю ю о оо о см оо ю СП сэ оз ю оо оо оо о г~~ см о со оз о со ю о оз оз ю о о ю ю ю со сэ
о о о о о о сэ о о сэ о о о о сэ
при (2а+п)/11=1 см со оо оо СО со см о ■■¡г ю СП со оо оо см оз см см оо СП см оз оо со оз см ю см оз оо оз ю со см о со см оз см о оз со СП см СП о оз оз см оо о оз о оо о СП о 03 сэ
о о о о о сэ о о сэ о о о о сэ
Предлагаемый метод позволяет определить значения модулей полных эллиптических интегралов к0 и к'0 непосредственно из решения трансцендентного уравнения (табл. 1, поз. 3) для соотношений ¡^ >15 [11, 12].
Рис. 2. Зависимости удельной электропроводности вулканизатов резиновой смеси от температуры: —♦— - 1;
Электрическая проводимость упомянутых систем определяется по формулам, приведенным в табл. 1 поз. 4. Использование результатов расчета безразмерной электрической проводимости для наиболее употребительных размеров электрообогревателей с двойными электродами (табл. 2) позволяет рассчитать электрические проводимости НМКЭ в зависимости от их конструктивных размеров (табл.1. поз 1) для электрообогревателей пластинчатого типа - а, п, I, 1п (а -ширина электрода, п - расстояние между электродами в группе, I- длина электропроводного слоя, 1п - толщина электропроводного слоя); для электрообогревателей объемного типа - г, Я0, а0 (г - внутренний радиус, Я0 -внешний радиус, а - ширина электрода).
Электрическая проводимость электрообогревателя зависит не только от указанных параметров, но и от удельной электропроводности у КМ. С целью определения влияния различных факторов на величину этого показателя получены зависимости удельной электропроводности вулканизатов резиновых смесей
от температуры (рис. 2) и значения температурных коэффициентов ар образцов вулканизатов резиновой смеси (табл. 3), свидетельствующие о наличии диэлектрических прослоек между контактирующими частицами проводникового наполнителя в полимерной матрице. При этом диапазон изменения ар в зоне рабочих температур составил « |2-3| % 0С-1. Для реализации режима саморегулирования НМКЭ электропроводящий слой должен обладать отрицательным ар. Механизм электропроводности в слабонаполненных полимерах (30-35 м.ч. ТУ) связан с перемещением зарядов в местах разрыва токопроводящих цепочек благодаря туннельному эффекту, а также с усилением тепловой эмиссии и увеличением подвижности электронов в бутилкаучуковой матрице по мере повышения температуры [9, 14].
Полученные результаты позволяют определить рецептуру композиции электропроводного слоя НМКЭ, обеспечивающую его работу в энергоэффективном режиме саморегулирования, масс. %: БК - 59-60; ТУ - 19,5-21,1; стеарин - 1,44-1,53; дополнительные функциональные ингредиенты - 16,86-19,46 [6].
Работа НМКЭ в технологическом режиме саморегулирования позволяет регулировать расход электроэнергии на местный обогрев, например, молодняка животных в зависимости от условий теплообмена. Принцип действия саморегулируемого НМКЭ состоит в том, что при отсутствии животных он нагревается до температуры 22-25 0С, которой достаточно для их привлечения. При нахождении молодняка на электрообогревателе его теплоотдача в зоне контакта животных с тепловыделяющей поверхностью НМКЭ снижается, что приводит к увеличению температуры и удельной электропроводности, а также сопровождается дополнительным увеличением мощности и установлением необходимой температуры 30-32 0С [1]. Применение саморегулируемых НМКЭ позволяет уменьшить расход электрической энергии на местный обогрев молодняка до 20 %, так как энергозатраты зависят от времени нахождения животных на электрообогревателе [3,6].
Для реализации режима саморегулирования и обеспечения требуемых эксплуатационных свойств НМКЭ выполнен анализ организации наноструктуры технического углерода и установлены микрообъемы каучуковой фазы в сквозных каналах проводимости. Исследования проведены методами оптической и электронной микроскопии с определением фазового состава, морфологии
Таблица 3. Значения температурных коэффициентов а и температуры на поверхности образцов
НМКЭ
№ образца а , "О-1 при температ урах ("С) равных
17,5 \ 19 | 20,5 | 22 | 23,5\ 25 \ 26,5 | 28 \ 29,5 31 | 32,5 | 34 | 35,5 | 37 | 38,5 | 40 | 41,5
1 0,04 0,03 0,01 -0,01 -0,02 -0,03 -0,03 -0,04 -0,03 -0,03 -0,03 -0,02 -0,03 -0,03 -0,04 -0,02 -0,01 2 0,05 0,02 0,01 -0,01 -0,01 -0,02 -0,03 -0,03 -0,02 -0,03 -0,01 -0,03 -0,03 -0,02 -0,03 -0,03 -0,04 3 0,00 -0,03 -0,03 -0,03 -0,04 -0,03 -0,04 -0,03 -0,03 -0,04 -0,03 -0,02 -0,03 -0,03 -0,03 -0,03 -0,02
рис. 3. Электронно-микроскопическое изображение структуры частиц ТУ, присутствующих в исследуемом образце КМ: а - светлопольное изображение; б - микроэлектронограмма
и гранулометрии включений вулканизатов резиновой смеси образцов КМ [3, 9, 11]. Установлено, что основной фазой, экстрагированной методом реплик, может служить ТУ, частицы которого в большинстве случаев имеют гексагональные кристаллические решетки (рис. 3, а). Частицы ТУ имеют нанокристаллическое строение, о чем свидетельствует характерное кольцевое строение микроэлектронограммы (рис. 3, б). Средний размер кристаллитов составляет 20-25 нм.
ческой формы) - 0,8 мкм; типа 3 (многоугольной формы) - 0,75 мкм; среднее расстояние между частицами - 57,5; 4,5; 3,84 мкм соответственно (рис. 4).
Анализ результатов растровой и просвечивающей электронной микроскопии показал, что средний размер частицтипа 4(прослой-ка) составляет 38-42 нм, расстояние между частицами - 5 нм. Проведенная оценка структурообразова-ния дисперсного наполнителя в полимерной матрице позволяет проектировать КМ с заданными электро-, теплофизическими свойствами.
В ходе исследований было установлено, что физико-механические показатели (ФМП) вулканизатов резиновой смеси с маркой ТУ N-550 не соответствуют нормативам [15, 16, 17] (табл. 4) по условной прочности при растяжении (4,3<6,0) и твердости по ШОРу А (37<50). Поэтому в дальнейших исследованиях вулка-низаты этой марки не рассматривали.
С использованием результатов проведенных исследований было организовано сертифицированное промышленное производство поверхностно-
рис. 4. Микрофотографии вулканизатов на основе БК с ТУ N-330 концентрацией 34 масс. %: а) увеличение 2000 крат.; б) увеличение 10000 крат.
По результатам растровой электронной микро- распределенных НМКЭ пластинчатого типов различной скопии средний размер частиц типа 1 (изотропные) номенклатуры (табл. 5) по ГОСТ Р 52161.1-2004 (МЭК составляет 8,7 мкм; типа 2 (анизотропные, эллипти- 60335-1:2001) [18].
Таблица 4. Физико-механические показатели вулканизатов резиновой смеси электропроводного кМ с различными марками тУ
Вулканизат резиновой смеси с различными марками ТУ Концентрация, м.ч./% Условная прочность при растяжении fр, МПА Удельная прочность при разрыве, МПА Относительное удлинени £, % Относительное остаточное удлинение, % Твердость по ШОРу А, у.е.
N-220 45/25 6,4 13,6 517 26 68
N-330 45/25 6,0 12,9 620 26 68
N-550 45/25 4,3 9,6 740 22 37
Норма > 6,0 > 9,0 > 450 < 30 > 50
Таблица 5. Технические характеристики НМКЭ
Наименование параметра Обозначения типоразмеров электрообогревателя
НМКЭ-1/1 1 НМКЭ-1/2 НМКЭ-1/3 НМКЭ-1/4 I НМКЭ-1/5 I НМКЭ-1/6
Длина, мм 200±2 % 570±2 % 600±2 % 900±2 % 1200±2 % 1500±2 %
Ширина, мм 135±2 % 410±2 % 270±2 % 600±2 % 500±2 % 720±2 %
Толщина, мм 10 ± 5 % 10 ± 5 % 10 ± 5 % 10 ± 5 % 10 ± 5 % 10 ± 5 %
Толщина изоляционного слоя,
мм, не менее 2 2 2 2 2 2
Масса, кг 0,30±5 % 3,30±5 % 1,80±5 % 6,50±5 % 7,20±5 % 12,30±5 %
Превышение температуры по-
верхности над температурой
окружающей среды, °С 15-50 20-40 20-30 16-20 16-20 16-20
Потребляемая мощность, Вт,
не более 30 80 50 130 140 300
Удельная мощность электрообогревателя, Вт/м2, не более - 1200
Электрообогреватели НМКЭ пластинчатой и объемной форм неразборной конструкции относятся к резистивным нагревательным элементам с применением электропроводящих композиционных материалов, предназначены для использования на ровных поверхностях, в том числе на земляном или бетонном полу без дополнительного покрытия.
Объемные электрообогреватели внедрены и эксплуатируют для обогрева водоводов и поилок (габаритные размеры 044 х 024 х 200 мм), а также на объектах зернопереработки для шнекого обогрева (габаритные размеры 0250 х 0240 х 300 мм) [3].
По результатам приемных и сертификационных испытаний НМКЭ подтверждены следующие их конкурентные отличительные признаки: высокое сопротивление изоляции - не менее 1000 МОм; малые токи утечки - не более 75х10-6 А; высокое напряжение пробоя изоляции -не менее 7,0 кВ; значительная стойкость к влажной и кислотно-щелочной агрессивной среде (влажность -100 %, концентрация HCl и H2SO4 - до 30 %, концентрация щелочей - без ограничения); наработка на отказ -не менее 15000 ч; стоимость - на 50-150 % меньше аналогичных изделий за рубежом (в РФ аналогов нет); класс защиты от поражения электрическим током - 0; степень защиты от доступа к опасным частям, попадания твердых предметов, воды - IP 57 по ГОСТ 14254; режим работы - продолжительный, без надзора [3].
Использование НМКЭ для обогрева полов свинарника-маточника на 56 гол. позволило снизить материальные затраты на 20-35 % благодаря увеличению срока службы электрообогревателей, по сравнению с лампами ИКУФ, до 15 000 ч и уменьшению удельных энергозатрат [3].
Электрический аппарат подогрева зерна (ЭАПЗ) на основе НМКЭ с саморегулированием обеспечил снижение удельных энергозатрат, по сравнению с наиболее часто применяемыми аналогичными устройствами, на 20-40 % (табл. 6), что обусловлено использованием
номический эффект достигается благодаря локальному обогреву электронных блоков оборудования в отличие от традиционного энергоемкого обогрева, что снижает энергоматериальные затраты на 50-60 %.
Выводы. Таким образом, энергоэффективные, безопасные технологии локального поверхностно-распределенного обогрева могут быть реализованы на основе НМКЭ с саморегулированием температуры на поверхности в зависимости от условий теплообмена.
Теоретический анализ особенностей структуры электрического поля в квазиоднородной среде наноструктур-ного многоэлектродного композиционного электрообогревателя позволил определить зависимость электрической проводимости в системах с двумя парами электродов от конструктивных параметров: длины и толщины электропроводного слоя, ширины электродов и расстояния между ними в группе для наиболее употребительных размеров электрообогревателя при соотношениях > 15. Полученные точные и приближенные формулы, а также массив численных значений электрических проводимостей позволяют более обоснованно проектировать электрообогреватели. Получена аналитическая зависимость электрической проводимости О от конструктивных параметров для систем объемного типа на основе разработанной расчетной модели; установлено, что электрическая проводимость таких систем определяется соотношением внутреннего и внешнего радиусов электропроводного слоя г/И0.
Проведенные электрофизические и комплексные исследования структуры электропроводного слоя позволили установить зависимость удельной электропроводности от параметров структуры и разработать технологию формирования композиционного материала с заданными свойствами, обеспечивающую работу НМКЭ в режиме саморегулирования. Для реализации режима саморегулирования НМКЭ должен обладать отрицательным температурным коэффициентом, лежащим в диапазоне значений |а |<2-3 %0С-1, что обеспечивает изготовление
i р i i
электропроводящего КМ при следующем соотношении
в ЭАПЗ контактного способа подогрева без вторичного энергоносителя [19].
Использование НМКЭ для обогрева контейнеров оборудования спутниковой связи и телекоммуникаций в труднодоступных районах Сибири способствовало уменьшению затрат электроэнергии на эксплуатацию одного контейнера в равнинных районах Алтайского края - на 200 кВтч, в предгорных районах - более чем на 7000 кВтч [3]. Эко-
Таблица 6. Технические характеристик установок подогрева зерна
Наименование
Модель аппарата
Производительность Gп, т/ч 30,0 5,0 Установленная электрическая мощность Р, кВт - -Установленная тепловая мощность Q, кВт 400,0 85,0 Установленная мощность технологических устройств (шнеки, вентиляторы и т.п.), кВт 30,0 0,6 Температура зерна (минимальная начальная - максимальная конечная), °С -5-+15 Удельные энергозатраты, кВтч/т 14,0 Температура энергоносителя
(подогретого воздуха, воды, пара) Тс, °С 40-50 110
Температура нагревательного элемента Тэ,°С - -
НЗШ*\ БПЗ | П3-3,0 | ЭАПЗ
■5-+15 21,0
3,0 24,0
1,1
-5+15 10,0
80
2,2 18,0
1,0
-5-+15 8,6
60
*НЗШ - нагреватель зерна шахтного типа; БПЗ - блок подогрева зерна; ПЗ - подогреватель зерна
функциональных ингредиентов: 59-60 масс. % бутилкаучука; 19,5-21,1 масс. % ТУ №-330; 1,44-1,53 масс. % стеарина; 16,86-19,46 масс. % дополнительных функциональных ингредиентов. Выбор марки технического углерода определен по результатам измерения физико-механических показателей и микроскопических исследований с учетом степени регулярности ячеисто-сетчатой структуры его распределения в бутилкаучуковой матрице.
Разработанная технология формирования НМКЭ с заданными свойствами на основе установленных
функциональных зависимостей электропроводности от конструктивных параметров электрообогревателя позволила организовать серийное производство изделий разной номенклатуры, отвечающих требованиям сельскохозяйственного производства. Их применение для напольного обогрева молодняка животных обеспечивает снижение энергозатрат на 20-35 %; для аппаратного подогрева зернового материала - на 2040 %; для обогрева оборудования электронной связи в контейнерах ее размещения - на 50-60 %.
Литература.
1. Низкотемпературные поверхностно-распределенные электронагреватели в сельском хозяйстве / под ред. Л.С. Герасимовича. Горки : Белорусская сельхозакадемия, 1985. 84 с.
2. Растимешин, С.А. Локальный обогрев молодняка. М.: Агропромиздат, 1991. 139 с.
3. Разработка энергоэффективных технологий обогрева и опытных образцов изделий на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей: отчет о НИОКР / Т.М. Халина, М.В. Халин, А. Б. Дорош и др. // ЭнергоЭффектТехнология - ГР № 01201164482, ГК№8796р/6815. Барнаул, 2012. 123 с.
4. Саморегулирующиеся нагревательные кабели HEAT TRACE. URL: http://www.heat-trace.com/Products/Self-Regulating_ Heaters (дата обращения: 13.04.2017).
5. Инфракрасный пленочный теплый пол CALEO. Каталог систем для обогрева и комфорта URL: http://www.caleo.ru/ docs/kat2016lock2.pdf?utm_source=site&utm_medium=load&utm_campaign=katalog&utm_content=pdf (дата обращения: 13.04.2017).
6. Халина Т.М., Халин М.В., Дорош А. Б. Способ изготовления композиционного электрообогревателя Патент2476033 РФ, МПКH 05 B 3/28./- № 2011136621/07; опубл. 20.02.2013, Бюл. № 5. С. 8.
7. Ронкин Г.М. Свойства и применение бутилкаучука. М.: ЦНИИТЭ нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, 1969. 95с.
8. Расчет электрической емкости / Ю.Я. Иоссель, Э.С. Кочанов, М.Г. Струнский. Л.: Энергоатомиздат, 1981. 288 с.
9. Халина Т.М. Анализ структуры электропроводящего композиционного материала на основе бутилкаучука для низкотемпературных композиционных электрообогревателей// Известия Вузов. Физика. 2004. № 10. С. 38-47.
10. Фильчаков П.Ф., Панчишин. В.И. Интеграторы ЭГДА. Моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге. Киев: Изд-во АН УССР, 1961. 171 с.
11. Calculation of electrikal conductivity of Energy-saving nanostructured composite electric heaters / A.B. Dorosh, T.M. Khalina, M.V. Khalin, S.A. Guseinova // International Journal on Technical and Physical Problems of Engineering (IJTPE). 2016. Vol. 8 No 2. Рр.13-17.
12. Dorosh, A.B. Energy-saving nanostructured composite electric heaters/A.B. Dorosh, T.M. Khalina, M.V. Khalin, S.A. Guseinova / Technical and Physical Problems in Power Engineering 11th International Conference. Bucharest, Romania, 2015. Рр. 359 -362.
13. Халина Т.М. Расчет электрической проводимости между системами электродов в композиционном электрообогревателе // Электричество. 2003. № 10. С. 53-61.
14. Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров. М.: Химия, 1988. 160 с.
15. ГОСТ 270-75. Резина. Метод определения упругопрочностных свойств при растяжении. М.: Изд-во стандартов, 1975. 11 с.
16. ГОСТ 263-75. Резина. Метод определения твердости по Шору А. М.: Изд-во стандартов, 1975. 7 с.
17. ГОСТ415-75. Каучуки и резиновые смеси. Метод определения пластоэластических свойств на пластометре (с Изменениями N 1, 2). М.: Изд-во стандартов, 2002. 14 с.
18. ТУ3468-007-02067824-2003. Многоэлектродные композиционные электрообогреватели (МКЭ). № Гос. рег. 004026/ разраб. Халина Т.М. Барнаул, 2003. 24 с.
19. Разработка проекта и изготовление экспериментального образца аппарата подогрева зерна на основе многоэлектродных электрообогревателей: отчет о НИОКР/М.В. Халин, Т.М. Халина, Д.Г.Часовщиков, В.В. Шатохин// ООО «АгроТермия». ГР № 01201372140, ГК№12012р/21984 - ИКРБС 0W_e000JzQrpl5JHQY2cLb00. Интернет-номер: 214070500001. Барнаул, 2014. 55 с.
POWER-EFFICIENT TECHNOLOGIES AND TECHNICAL MEANS OF LOCAL HEATING FOR THE AGRO-INDuSTRIAL COMPLEx
T.M. Khalina, M.V. Khalin, A.B. Dorosh
I.I. PolzunovAltai State Technical University, prosp. Lenina, 46, Barnaul, 656038, Russian Federation
Abstract. The article presents the results of the research of the influence of the particularities of the electric field structure in the quasihomogeneous ambient of the multi-electrode compositional electric heaters (MCEH) of various forms and dimension-types, as well as parameters of a structure-oriented model of distribution of technical carbon in butyl-rubber matrix on the electrophysical characteristics of MCEH and self-regulation regime of its work. The research work was carried out for designing of nanostructural MCEHs with required properties providing power-efficient technologies of heating under conditions of agricultural production. It was proposed a strict solution for the task of determination of electric conductivity for the systems of a laminar type with two couples of electrodes and three-electrode cylindrical systems depending on their constructional parameters, including the length and width of the electroconductive layer, the width of electrodes and the distance between them in a group, correlation of internal and external radiuses of the electroconductive layer. There were obtained analytic dependences and given the results of the calculation of an array of the numeric value of electric conductivity for the most common dimensions of electric heaters, which can be employed for designing of multi-electrode systems. To realize the self-regulation, a nanostructural MCEH should have a negative temperature coefficient in the diapason of values |ap| < 2-3 % 0C-1, which provides the formation of electroconductive compositional material with the following correlation of the main functional ingredients: butyl-rubber - 59-60 mass percents, technical carbon (TC) No 330 - 19.5-21.1 mass percents. The choice of the suitable mark of TC was determined according to the results of the microscopic research work with the consideration of the grade of the regularity of the cell-reticulate structure of its distribution in the butyl-rubber matrix. The use of nanostructural MCEHs for floor heating of young animals allowed to reduce the energy-material costs by 20-35 %, for conveyor heating of grain material - by 20-40 %, for heating of electric carriers in containers - by 50-60 % compared with traditional technical means. Keywords: nanostructural multi-electrode composition electric heaters, self-regulation, electrical conductivity, specific electrical conduction.
Author Details: T.M. Khalina, D. Sc. (Tech.), head of departament (e-mail: temf@yandex.ru); M.V. Khalin, D. Sc. (Tech.), prof.; A.B. Dorosh, assist.
For citation: Khalina T.M., Khalin M.V., Dorosh A.B. Power-Efficient Technologies and Technical Means of Local Heating for the Agro-Industrial Complex. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2017. Vol. 31. No. 3. Pp. (in Russ.).
