CC BY
39
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ЛОКАЛЬНОГО ОБОГРЕВА НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОПРОВОДНЫХ ВОЛОКОН ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Л.В. Первухин,
Развитие современного сельскохозяйственного производства во многом определяется рациональным использованием энергоресурсов, стоимость которых непрерывно возрастает. Для экономии энергоресурсов в сельском хозяйстве перспективно переходить к локальному обогреву низкотемпературными электронагревательными устройствами (ЭНУ), которые создают микроклимат непосредственно в зоне размещения человека, животных или приборов.
Анализ различных областей применения ЭНУ показал, что они перспективны для обогрева сидений тракторов, автомобилей и др. сельскохозяйственной техники, работающей при отрицательных температурах, щитов учета электроэнергии, в качестве нагревательных элементов для инкубаторов, подогрева пчелиных ульев, “теплого пола” для животноводческих комплексов, бытовых и жилых помещений, создания комфортных условий для человека и т.п. Сельские помещения, как правило, имеют малую этажность, что является причиной холодных полов, поэтому создание “теплого і юла” является особо актуальной проблемой как для жилых помещений, гак и для животноводческих. В количест венном отношении потери тепла животными в пол могут составлять от 30 до 50% всего тепла, о тдаваемого живо тными в окружающую среду. Температура поверхности пола в животноводческих помещениях не нормируется, однако для участков пола, предназначенных для содержания молодняка, допускается локальный обогрев. Этот обогрев ЯВЛЯЄ ІСЯ необходимым в случае выполнения полов с использованием твердого покрытия с большим коэффициентом теплоотвода в грунт [I]. Это позволяет, в частности, добиться увеличения прироста массы животного, сократить отход молодняка, повысить продуктивность при откорме
€.10. Бондаренко поголовья, снизить удельный расход корма и т.п.
Таким образом, создание ЭНУ (приборов “мягкой теплоты”) является актуальной задачей в первую очередь для сельскохозяйс твенного производства, рациональное решение которой позволит не только экономить электроэнергию, но и добиться технологического и социального эффекта. 4
Специфика использования ЭНУ в сельском хозяйстве заключает ся в т ом, что необходимо обеспечить электрическую, пожарную и экологическую безопаснос ть при одновременном обеспечении равномерности и стабильности температурного ноля на развит ых поверхностях и надежности работ ы в различных условиях эксплуатации.
Проведение сравнительного анализа по опубликованным данным показало, что наиболее надежными из существующих ЭНУ являются устройства на основе электропроводных углеродных тканей. Использование тканого нагревательного элемента имеет ряд преимуществ: повышается технологичность, уменьшается количество ручного труда при изготовлении, ч то позволяет уменьшит ь стоимост ь изделия, а также повышается равномерность нагрева, гибкость и надежност ь изделия. Из-за наличия электропроводных нитей как в основе ткани, так и в утке, она проводит электрический ток в двух вза-имноперпендикулярных направлениях. В таких электропроводных тканях работает принцип замещения, 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 продолжат ь оставаться в рабочем состоянии. Это повышает надежность работы устройства.
Анализ опубликованных данных показал, чт о резистивные свойства композици-
онных нагревателей - очень сложно описываемый и многообразный показатель, зависящий от множества факторов, возникающих в процессе как производства, так и эксплуатации. В обзорах по электропроводности гетерогенных систем, к которым относятся композиционные нагревательные элементы, указывается, что главную роль в электрической проводимости нагревателей играют цепочки из контактирующих проводниковых частиц [1,2, 3], которые и определяют их резистивные свойства. Для определения коэффициентов проводимости большое распространение получили экспериментальные методы. Полученные аппрокси-мационные зависимости связывают коэффициенты проводимости с размером частиц, объемной концентрацией, пористостью. Проблема в том, что сопротивление резистивного композиционного нагревательного элемента меняется не только по конструкционным или технологическим причинам, но и происходит в процессе эксплуатации. Например, сопротивление нагревателя зависит от температуры. При этом, кроме изменения проводимости собственно ингредиентов композиции от температурных воздействий, на электрическую проводимость гетерогенной системы оказывают влияние также механические деформации, изменяющие зазор в контактах зернистого проводника и размер контактного пятна.
Наличие большого количества конструкций композиционных нагревательных систем обуславливает ряд проблем, возникающих при разработке методов расчета их параметров. Большое число взаимодействующих факторов, влияющих на их параметры, приводит к задаче с множеством решений.
В связи с этим одной из задач создания ЭНУ было проведение исследований влияния материала изоляции и технологии производства на их электрофизические свойства.
При выборе способа электроизоляции нагревательного элемента исходили из проведенных исследований и требова-
ний ГОСТ 27570.01-92, по которому изоляция должна обеспечивать надежную защиту от поражения электрическим током, обладать влагозащитными свойствами, достаточной теплопроводностью для обеспечения хорошего теплового режима работы ЭНУ термостойкостью и теплостойкостью и соответствующей гибкостью. Кроме того, защитно-изоляционный материал должен обеспечивать стабильность электрических свойств ткани из электропроводных волокон и устройства в целом, в процессе эксплуатации не выделять в атмосферу вредные вещества и отвечать санитарно-гигиеническим требованиям.
Наиболее полно этими свойствами обладают композиционные материалы, в которых матрица выполняет роль электроизоляции и связующего, а волокнистый наполнитель обеспечивает требуемую механическую прочность, при этом для получения нагревателей с хорошей механической прочностью и стабильными теплотехническими характеристиками необходимо обеспечить хорошую связь между всеми слоями конструкции.
В качестве связующего были выбраны материалы, которые широко используются в качестве электроизоляции: поливинилхлорид (ПВХ) и полиэтилен высокого давления (ПЭВД).
Для определения влияния изоляции на резистивные свойства ЭНУ на основе электропроводных углеродных тканей проводили исследования изменения электросопротивления при изменении температуры среды и технологических параметров производства.
Исследования показали, что технологические факторы производства: давление, температура и время прессования
- влияют на электросопротивление ЭНУ следующим образом.
Для изоляции из поливинилхлорида на всем изученном интервале давлений наблюдается медленный стабильный рост электросопротивления (рис. 1, кривая 1). Для полиэтиленовой изоляции при увеличении давления электросопротивление
уменьшается более чем в два раза (рис. 1, кривая 2). Влияние температуры более ярко выражено и также приводит к постоянному росту сопротивления устройств с поливинилхлоридной изоляцией (рис. 1, кривая 3). Для устройств с полиэтиленовой изоляцией, примерно до температуры
100 °С (температура размягчения полиэтилена), не наблюдается изменений, затем в промежутке от 100 до 120 °С происходит падение сопротивления более чем в два раза, далее начинается его рост (рис. 1, кривая 4). ., Л-
R
0
70
0.005 0.010 0.015 0.020 0.025
S0
90
100
110
42
0.030
Р(МПа)
120 130т(“С)
Рис. 1. Зависимость электросопротивления готовых ЭНУ (R) от давления (Р) (кривые 1, *2) и температуры (Т) (кривые 3,4) прессования. Время (t) - const: кривая 1,3- устройства с ПВХ-изоляцией; кривая 2,4 - устройства с ПЭВД-изоляцией
Влияние времени прессования сказывается только в течение первых пяти минут для ЭНУ с ПВХ-изоляцией, и в течение одной минуты для полиэтиленовой изоляции, в результате которых устройства изменяют свое сопротивление. Дальнейшее увеличение времени прессования не приводит к существенным изменениям электросопротивления устройств.
Для изучения поведения устройств в процессе эксплуатации, т.е. того, как повлияет на их сопротивление повторное увеличение температуры, образцы устройств помещались в специальный стенд, который позволял изменять температуру от +25 до +100°С с непрерывным измерением электросопротивления. После достижения температуры в 100°С образцы охлаждали до комнатной температуры.
Результаты показали, что устройства с ПВХ-изоляцией при температуре больше 60 °С начинают непрерывно увеличивать свое сопротивление (рис. 2, кривые 1, 3). При охлаждении сопротивление не возвращается в исходное (рис. 2, кривые 2, 4). Устройства с ПЭВД-изоляцией при нагреве выше 70 °С увеличивают свое сопротивление (рис. 2, кривая 5). После охлаждения сопротивление возвращается в исходное (рис. 2, кривая 6). При этом наблюдается явление гистерезиса. Однако сопротивление устройства с изоляцией из полиэтилена ниже исходного примерно в 2 раза и при нагреве не возрастает до первоначальной величины.
Í Сопротивление(Р)
-..і............'
110
Температура(X)
Рис. 2. Зависимость электросопротивления устройства от температуры: 1 - изоляция ПВХ, нагрев; 2 - изоляция ПВХ, охлаждение; 3 - изоляция ПВХ, повторный нагрев; ляция ПВХ, охлаждение после повторного нагрева; 5 - изоляция ПЭВД, нагрев;
б - изоляция ПЭВД, охлаждение
4 -изоляция
Исследования позволили предложить следующий механизм изменения сопротивления. Рост сопротивления у ЭНУ с ПВХ-изоляцией происходит вследствие взаимодействия ткани из электропроводных волокон с пластификатором, входящим в ее состав, который разрушает структуру волокон.
ПЭВД-изоляция при остывании создает упругие сжимающие напряжения в электропроводных волокнах, что приводит к их радиальной деформации и уменьшению контактного сопротивления между элементарными частицами углерода и, как следствие, к уменьшению общего сопротивления. При нагреве, после перехода температуры стеклования полиэтилена, напряжения скачком уменьшаются, что приводит к релаксации упругих напряжений в волокнах, увеличению контактного сопротивления и общего сопротивления ЭНУ При охлаждении сопротивление обогревателя возвращается к исходному.
Выявленный механизм позволил создавать ЭНХ обладающие механизмом “саморегулирования’,’т.е. способностью изменять потребляемую удельную мощность
в зависимости от собственной температуры. То есть, если в процессе работы температура какого-либо участка устройства превысит 65-70°С, то сопротивление этого участка начнет возрастать, а выделяемая им мощность - падать. Этот процесс может продолжаться до достижения температуры в 85°С, при этом мощность ЭНУ упадет в 2 раза. Наличие такого механизма позволяет избежать локальных и общих перегревов в случаях работы устройства в условиях ухудшенного теплоотвода.
Учитывая данные исследований, при проектировании “теплого пола” была разработана гибридная изоляция, которая объединяет преимущества обоих типов изоляции - исключает влияние пластификатора ПВХ на волокно с одновременным созданием эффекта “саморегуляции” (рис. 3). Внутренний, прилегающий к электропроводной ткани слой, выполняется из ПЭВД (4), а внешний - из ПВХ (1). Для обеспечения механической прочности изделия в конструкцию введен волокнистый наполнитель, являющийся и слоем-“по-средником” между ПЭВД и ПВХ, обеспечивающим соединение их друг с другом.
¡4'.; « .
4.i
Рис. 3. Схема гибридной изоляции;
1 ~ поливинилхлорид; 2 - волокнистый наполнитель; 3 - ткань из электропроводных ,, ... волокон; 4 - полиэтилен высокого давления
Для установления надежности и долговом ноет и раз работа« i и ы х устройств провели наблюдения за эксплуатацией опытной партии из 2000 ЭНУ При этом выявлено 35 случаев выхода из строя. Анализ и изучение этих случаев позволил выявить следующие причины выхода:
1. Нарушение условий эксплуатации (включение в сеть большего напряжения, механические повреждения и др.) - 14 случаев.
2. Нарушение электрического контакта внутри нагревателя:
; >' - механическое разрушение по месту пайки - 9;
- увеличение контактного сопротивления -12.
На основании анализа результатов эксплуатационных испытаний была произведена корректировка технологии изготовления и усовершенствована конструкция нагревательного элемента. В дальнейшем из произведенных 5000 ЭНУ возврат в течение гарантийного срока rio причине выхода из строя составил 7 случаев.
Сравнение разработанных ЭНУ с предлагаемыми на рынке аналогами, в частности, с обогрева гелем электросчет* чика, выпускаемым Барнаульским шинным заводом, и “теплым полом” “De-Vi” и “Теплолюкс” показало, что они в 6-8 раз дешевле и в 2-4 раза экономичней по потреблению электроэнергии.
В настоящее время разработан ряд конструкции ЭНУ и освоена технология их промышленного производства. Разработаны и зарегистрированы в установленном порядке технические условия. Сертификационные испы тания, проведенные в испытательном центре Государственного ракетного центра “КБ им. академика В.П. Макеева; г. Миасс, показали, что ЭПУ соответствуют техническим условиям и определенным стандартам. Одновременно разработаны системы защиты нагревателей от перегрева, автоматического регулирования продолжительности включения и т.п. Эти устройства работают во м ноги X СеЛЬХОЗ! I редп риятия х Алтайского края.
ЛИТЕРАТУРА
1.Горелов В.Г1. Низкотемпературные нагреватели из композиционных нагревателей в промышленности и быту. - М.: Энергоатом и,з дат, 1995.
2.Объемные композиционные резисторы в режиме длительного включения / В,П. Горелов, ГА. Пугачев, Л.И.Татьян-ченко // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук.
- 1998.- Вып. 4.-№ 15.-С. 126-131.
З.Пугачев Г.А. Фенрменологическая теория прочности и электропроводности бетэла / О тв. ред. В.Е. Накоряков. - Новосибирск: СО АП СССР, 1990.
