CC BY
28
Т.И.Шишедова
Новые системы отопления сельскохозяйственных потребителей
В настоящее время существуют различные системы отопления зданий сельскохозяйственного назначения. Примером могут служить электронагревательные коврики и полы, изготавливаемые в основном из полихлорвинилового провода, заключенного в бетон. Такая конструкция имеет высокое водопоглощение, кроме того, существенным недостатком электронагревателей такого типа является быстрое старение полихлорвиниловой изоляции и наличие толстого слоя бетонного основания. Применяемые в репродуктивных помещениях светильники инфракрасного, ультрафиолетового излучения (ИКУФ) имеют низкий срок службы и высокую энергоемкость. Обогрев такими светильниками происходит сверху, в результате чего наблюдается большой перепад температур, и тепло в неполной мере расходуется по назначению. Сотрудниками Иркутского государственного технического университета предложены новые системы отопления зданий сельскохозяйственного назначения, Были разработаны специальные модульные конструкции (нагревательная панель) из слюдокермических нагревательных элементов (СКЭ-Иов). Эти нагревательные элементы позволили устранить указанные недостатки за счет высоких электрических, механических свойств, химической стойкости в агрессивных средах и низкого водопоглощения [1,2], Они широко используются для отопления репродуктивных животноводческих ферм, обогрева молодняка и птичников, а также для бытовых целей.
Способ изготовления слюдокерамического нагревательного элемента состоит из нескольких операций. Нагревательный элемент из нихрома помещают в смесь тонкой измельченной слюды и легкоплавкого стекла в определенном процентном содержании. Изготавливают брикет методом холодного прессования. Брикет нагревают по определенному режиму, подвергают горячему прессованию с последующим отжигом в термостате. Полученные таким способом нагревательные элементы обладают высокой механической прочностью (предел прочности при статическом изгибе составляет не менее 80 МПа), высокой химической стойкостью, кроме того, нагревательное устройство отличается высокой электробезопасностью (электрическая прочность Е, МВ/м - 10-20, удельное электрическое сопротивление Ю1О-1012 Ом-м), имеет малый расход электроэнергии, неметаллоемкое.
Были изучены физико-химические явления, происходящие при изготовлении нагревательных элементов [3]. Особо большой практический интерес представ-
ляют вопросы их долговечности и механической прочности, которые в значительной степени зависят от результатов взаимодействия нихрома с компонентами легкоплавкого стекла. Для решения этих проблем были использованы микроскопические, спектральные, рентгеновские и термогравиметрические методы (ДТА) [4-9].
Рентгенофазовый и термогравиметрический анализы показали, что при термической обработке порошков нихрома и стекла происходит образование новой фазы. Наличие экзоэффектов в интервале температур 620-840°С (на кривой ДТА смеси) свидетельствует об интенсивном взаимодействии расплавленного стекла с нихромом. До температуры 820° эффекты увеличения массы связаны с образованием низких оксидов металла (никеля и хрома) на поверхности ни-хромовой проволоки. В этом температурном интервале предусмотрена технология изготовления нагревательных элементов, небольшая степень окисления нихро-мовой проволоки и связанное с ним возрастание массы, не превышающее десятых долей процента, гарантируют надежность работы нагревательного устройства в условиях его эксплуатации.
Технологический режим изготовления слюдокерамического нагревателя для нихромовой проволоки не опасен, Микроскопические и спектральные методы показали, что граница нихрома в электроизоляционном основании смеси нечеткая, размытая, имеет следы взаимного растворения, что свидетельствует о несомненном взаимодействии нихрома с композиционной смесью, Данные эмиссионного анализа показали содержание никеля и хрома до 001-0,03% в составе стекла, контактирующего с нихромом,
Содержащиеся на поверхности проволоки оксиды никеля и хрома взаимодействуют с компонентами стекла на стадии высокотемпературной обработки с образованием соответствующих силикатов. Эти системы обеспечивают довольно хороший контакт между нихромом и электроизоляционной смесью, что способствует снижению теплопотерь на границе раздела нихром - электроизоляционная смесь, Тонко измельченное стекло в процессе термообработки растекается по нихромовой поверхности резистивного нагревателя, обеспечивая заполнения рельефа поверхности нихрома и хорошее сцепление с, образованием на границе раздела мелко кристаллизационного покрытия. Это приводит к механическому упрочнению конструкции в целом,
К современным нагревательным элементам предъявляется ряд требований, наиболее важными из которых являются повышение сопротивления изоляции, сохранение механической прочности при повышенных температурах и высокая теплопроводность.
С целью повышения механической прочности, снижения водопоглощения предложен состав шихты для электроизоляционного слоя нагревателя при следующем соотношении компонентов, масс.%: слюда мусковит - 25-35; слюда флогопит - 25-35; легкоплавкое алюмоборосиликатное стекло - 35-45 [10]. Добавление в электроизоляционный состав слюды флогопита активизирует межфазовые взаимодействия компонентов в процессе нагрева и горячего прессования, В результате этого происходит формирование плотной, монолитной структуры,
В процессе нагрева происходит дегидроксилация как мусковита, так и флогопита. В результате проведённых нами исследований методами термографии и ИК-спектроскопии установлено, что процесс дегидрок-силации резко интенсифицируется в смеси мусковита с флогопитом при почти равном их процентном соотношении. Это создаёт предпосылки для более глубокого последующего взаимодействия слюды со стеклом, В процессе взаимодействия в такой системе на границах кристалликов слюды наряду с полевым шпатом, силлиманитом и лейцитом образуются алюмомагнези-альные шпинели, оливин, дополнительно упрочняющие материал,
Кроме того, наличие в составе флогопита оксида магния и фтора обеспечивает образование легкоплавких эвтектик с компонентами стекла, что способствует более глубокому стеклообразованию. Часть гидро-ксильных ионов во флогопите заменены фтором, который не удаляется в процессе нагрева, т.к. химически связанный фтор менее летуч по сравнению с ионами гидроксила. В процессе нагрева фтор может образовывать фториды, взаимодействующие с компонентами стекла и в особенности с кварцем и алюминием. Более низкое процентное содержание тугоплавкого оксида А1203 во флогопите, по сравнению с мусковитом, также создаёт предпосылки для эвтектик в системе слюда - легкоплавкое стекло. В процессе дегидрокси-лации мусковита образуется А1203, а при дегидрокси-лации флогопита - МдО; при их взаимодействии образуется шпинель. Основной вклад в упрочнение конструкции вносит алюмомагнезиальная шпинель А12Мд04. Предел прочности при статическом изгибе увеличивается на 40-45% , водопоглощение уменьшается в 5 раз. Таким образом, в процессе изготовления рези-стивного нагревателя обеспечивается более глубокое межфазовое взаимодействие в системе слюда-стекло, приводящее к созданию монолитного, плотного материала с высокими механическими свойствами и с низким водопоглощением.
При введении в состав электроизоляционной шихты нагревателя модифицирующей добавки в виде 5%-ного топливного шлака, также можно снизить водопоглощение на 50%, при этом удельное объемное сопротивление увеличивается в 10 раз [11-13].
Хороший эффект повышения влагостойкости при сохранении сопротивления изоляции нагревателей при их длительной эксплуатации во влажных средах достигается тем, что после операции отжига производят обработку их поверхностей 3-5%-ными растворами органических кубовых остатков при производстве ме-тилхлорсиланов, с последующим прогревом при 110-150°С.
Предложенный нами олигометилхлорсилан, взаимодействуя с поверхностью слюдокерамического материала, образует на поверхности нагревателя плотный гидрофобный электроизоляционный слой путём замены ионов гидроксида слюды на ионы хлора, и создаёт трудности для проникновения влаги к поверхности за счёт образования разветвлённых структур продуктов взаимодействия многофункциональных орга-нохлорсиланов.
Качественные результаты получены при использовании в нагревателях фосфатного стекла и других композиций [14-17].
Для повышения предела прочности при сжатии и термостойкости композита рекомендуется использовать стекло дисперсностью 0,07-0,04мм, в отличие от ранее используемой дисперсности стекла (-0,16 + 0,10) мм, При этом снижается температура обжига изделий до 650-700°С, а следовательно, и энергоемкость технологического процесса.
Температура обжига композита определяется физико-химическим взаимодействием частичек слюды с размягчённым стеклом. Чем меньше частицы, тем глубже, активнее и при более низких температурах происходит взаимодействие между частицами, а получаемый при этом материал обладает повышенными термомеханическими характеристиками. Применение в качестве связующего стекла крупностью -0,07 мм +0,04 мм позволяет получить композит при температуре обжига 650-700°С, Его предел прочности при сжатии повышается на 35-40 МПа, а термостойкость возрастает на 10-12 теплосмен.
Используя определённый температурный режим обработки шихты нагревателя из- флогопита, можно получить композиты с улучшенными диэлектрическими свойствами [18], Установлено, что во флогопите удаление межслоевой воды завершается при температурах до 800°С. При температуре около 850°С начинается процесс дегидроксилации, предшествующий процессу микалексообразования, Технологический процесс производства нагревателя предусматривает нагрев композита лишь до 730-750°С. В этих условиях дегидроксилация флогопита и его взаимодействие со стеклом ослаблены, Поэтому предварительное термирование
Состав электроизоляционного слоя слюдокерамического нагревателя (СКЭНа)
флогопита при 850-950°С является технологически оправданной операцией, которая создаёт предпосылки для более глубокого взаимодействия флогопита с размягчённым стеклом.
С целью повышения эффективности и надёжности плоского электронагревателя предложено использовать флогопит с частично замещёнными (3,0-6,5%) гидро-ксильными группами на фтор [19],
Хороший эффект дает введение в состав шихты нагревателя других модифицирующих добавок и других
наполнителей [20-23]. Схема, приведенная на рисунке, иллюстрирует возможные составы для электроизоляционного слоя нагревателя. Сотрудниками ИрГТУ были разработаны специальные модульные конструкции слюдокерамических нагревательных элементов - нагревательная панель. Она состоит из нескольких рези-стивных электронагревателей, обрамленных уголком и размещенных на асфальтобетонном основании. При этом поверхность электронагревателя со стороны асфальтобетонного основания плакирована битумом.
Большая часть механических нагрузок, воздействующих на поверхность нагревателя при его эксплуатации, воспринимается жестким асфальтобетонным основанием, предохраняющим резистивные элементы от разрушения.
Образование слюдобинозного пластика между битумом и слюдокерамической поверхностью нагревателя обеспечивает высокую надежность антикоррозионной защиты, электроизоляцию и хорошую связь между нагревателем и асфальтобетонным основанием. Все это способствует надежности панелей при их эксплуатации. Опытные испытания образцов указанной панели проведены на сельскохозяйственных фермах. В течение нескольких лет нагревательные панели имели высокие эксплуатационные характеристики.
Проведенные испытания показали, что при применении нагревательных панелей в животноводческих помещениях сохранность животных увеличилась на 18%. Средний объемный вес одного поросенка в возрасте до 2-х месяцев увеличился на 3,5 кг,
Нагревательные панели внедрены в животноводческие хозяйства Иркутской и Московской областей, проходили испытания в институте птицеводства в Загорске (ныне Сергиев Посад). За время эксплуатации они показали себя незаменимыми в работе, экономичными по расходу энергии в сравнении с применяемыми для тех же целей лампами ИКУФ. При температуре внешней поверхности модуля 31-32°С расход электроэнергии составляет 100-120 Вт-ч (электролампа 250-500 Вт-ч), Сборка, монтаж и установка нагревателей такого типа является простой и нетрудоемкой операцией.
Преимущество данного типа обогрева заключается в том, что обогрев идет снизу, создается благоприятный микроклимат, хорошо влияющий на развитие организма, животные находятся на теплой внешней поверхности плит, лампы же осуществляют нагрев только сверху.
Наличие повышенной агрессивности среды в животноводческих помещениях, где находятся металлические трубы, водяные радиаторы, часто приводит к их коррозии, бетон разрушается. Нагревательное устройство, изготовленное на основе слюдокерамических нагревательных элементов, обладает высокой кислос-тойкостью, что намного предпочтительнее перед существующими типами нагревателя, Отмечается большая стерильность нагревательной панели, что связано с большим содержанием в ней слюды. С применением нагревателей такого типа появилась реальная возможность автоматического регулирования температуры, что позволяет экономично расходовать электроэнергию. Электроотопление с помощью таких нагревателей в 1,5-2,0 раза экономичнее, чем отопление водяной системой.
Новые технологии отопления на основе СКЭНов широко используются в сельском хозяйстве: животно-
водстве, птицеводстве, парниковом хозяйстве, в бытовой технике, автохозяйстве, Они могут быть также использованы и как товары народного потребления: для отопления жилых помещений, дач, коттеджей, торговых помещений легкого типа, в городской застройке, где возникают проблемы получения централизованного тепла, для обогрева картера автомобиля,
Использование новых систем отопления в сельском хозяйстве позволяет получить большой экономический и экологический эффект.
Библиографический список
1, А.с. № 1139367 СССР. МКИ3 Н 05 В 3/10, Способ изготовления резистивного нагревателя, / Т.И. Шишелова, Б.А, Байбородин и др.
2, А,с, № 1555922 СССР, МКИ3 Н 05 В 3/28. Способ изготовления плоского электронагревателя. / Т.И. Шишелова, В.Г, Гаврилов, Г.И. Боброва, М.Е, Белицкий, - №4358237 / 24-07, Заявл, 16,11.87, Опубл, 07.04.90, Бюл, №13.
3, Шишелова Т.И. Физико-химические процессы в нагревательных устройствах на основе слюды, используемых для отопления жилых и промышленных помещений II Вестник ИрГТУ. - 2001. - № 11,
4, Шишелова Т.И. и др, Рентгенографическое изучение термического разложения слюд в расплавленном стекле: Материалы X Всесоюз, совещ, по рентгенографии мине-ралного сырья, 21 ав, 1986, - Тбилиси, 1986,
5, Шишелова Т.И, и др, Исследование взаимодействия компонентов в композиционном материале методом ИК -спектроскопии II Труды ИПИ. - Иркутск, 1981.
6, Шишелова Т.И. и др, Взаимодействия компонентов в слюдокерамических нагревательных элементах, II Жур. прик. спектроскопии. - 1985. - №5, - С. 1135-1137,
7, Шишелова Т,И„ Чиликанова Л,В,, Созинова Т.В. Электрическая прочность - критерий качества СКЭНов, Межд. науч-тех. конф, "Изоляция - 99", - СПб, 1999,
8, Шишелова Т.И,, Созинова Т.В. Исследование слюдокера-мического нагревателя. IX Междун, конф. "Физика-диэлектриков" (Диэлектрик - 2000). - СПб, 2000.
9, Шишелова Т.И., Аробот Н.М. Взаимодействие флогопита со стеклом при образовании микалекса. II Изв, ВУЗов, Химия и хим. технология,- 1987,-Т.30,-С. 72-74
10, А,с, № 1545263. СССР. МКИ5 Н 01 В 3/04, Шихта для изготовления микалекса. / Т.И. Шишелова, В.Н. Курбаловв, Н.В. Леонова и др, - №4347964/24-07. Заявл, 28.12.87. Опубл 23,02,090. Бюл,№7,
11, А.с. № 1443032. СССР. МКИ3 Н 01 В 3/04, Шихта для получения микалекса, / Шишелова Т.И., Н.В. Леонова, Э.З. Аснович, - №4276741 / 24-07, Заявл, 25,05.87. Опубл 07.12,88. Бюл.№ 45.
12, А.с, № 1491852, СССР. МКИ3 С 04 В 35/00, Состав для изготовления микалекса. / Т.И, Шишелова, В,А., В,А. Пе-репелицын, Т.В. Созинова и др. - № 4260555/29-33. Заявл, 04.05,87, Опубл 07.07,89, Бюл.№ 25
13, Шишелова Т.И. Резистовые композиционные материалы на основе ЗШО ТЭЦ II Междун. конф, "Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири". 2000,
14, А.с, № 975620, СССР МКИ3 С 03 С 3/12. Легкоплавкое стекло, / Г.И. Артамонова, Т.И. Шишелова, Л.В. Чиликанова и др. - № 3288719 / 29-33. Заявл, 07,05.81. Опубл, 23,11,82, Бюл, № 43.
15. А.с. № 989587. СССР СМК3 И 01 В 3/08, Электроизоляционный состав, / Т.И. Шишелова, У.Я. Седмалис, ЛВ, Чи-ликанова и др. - № 3335001 / 24-07. Заявл. 10.09.81, Опубл. 15.01.83. Бюл. № 2.
16. А.с. № 12899838. СССР МКИ3 С 03 С 10/16, С 04 В 32/00, Композиция для получения микалекса, / Г,И, Атра-монова, Т.И. Шишелова, Э.З, Аснович, - № 3906303/29-33. Заявл. 29.05.85, Опубл. 15,02,87. Бюл. № 6.
17. А.с. № 1318564. СССР МКИ3 С 03 С 10/00. Композиционный материал, / Г,И. Артамонова, Т.И, Шишелова, Э.З. Аснович и др. - № 3966066 / 29-33, Заявл, 10.10.85, Опубл, 23.06.87. Бюл. № 23.
18. А.с. № 106651. СССР МКИ3 С 03 С 3/08, Стекло, / Г.И.Артамонова, Т.И Шишелова, АВ, Чиликанова и др. -№ 3503778/29-33, Заявл. 27.10.82, Опубл, 15,01,84, Бюл. № 2.
19. А.с, № 1203074. СССР МКИ5 С 04 В 35/00. Состав шихты для изготовления слюдокерамического материала. I Т.И Шишелова, Г.И. Артамонова, Э.З. Аснович, - № 3752972 / 29-33. Заявл, 19.04,84, Опубл. 07,01,86, Бюл. № 1.
20. А,с, № 1304094, СССР МКИ3 Н 01 В 19/00. Способ изготовления микалекса. / Т.И. Шишелова, В.Г, Борзов, Н.8.
Леонова и др, - № 3931364 / 24-07, Заявл, 18,07,85. Опубл, 15,04.87, Бюл, № 14,
21. А,с. № 1705886. СССР МКИ3 И 01 В 19/00. Способ изготовления слюдокерамического материала. / Т.И, Шишелова, Э.З. Аснович, Н.В. Леонова и др. - № 4677913 / 07. Заявл. 14.04.89, Опубл. 15,01.92, Бюл. № 2,
22. А.с. № 1053166, СССР МКИ3 Н 01 В 3/04, Н 01 В 3/10. Состав для получения микалекса. / Т.И. Шишелова, ЛВ. Чиликанова, В.А, Перепилицин. - № 3463174 / 24-07. Заявл. 02.07.82. Опубл. 07,11,83. Бюл, № 41.
23. А.с. № 1219566, СССР МКИ3 С 04 В 35/00. Состав для получения огнеупорного микалекса. / Т.И, Шишелова, Н.Г, Тюрин, Н,В, Леонова и др, - № 3714989 / 29-33, Заявл. 26.03.84, Опубл. 23,03,86. Бюл, № 11.
24. А.с, № 1029235, СССР МКИ3 Н 01 В 3/04, Состав для изготовления микалекса. / Т.И Шишелова, ЛВ, Чиликанова, М.С, Мецик и др, - № 3326826 / 24-07, Заявл, 10.08,81, Опубл. 15.07.83. Бюл. № 26.
25. А,с, № 1051587. СССР МКИ3 Н 01 В 3/04, Н 01 В 3/08. Композиция для получения микалекса. / Т.И. Шишелова, ЛВ, Чиликанова, Б,А, Байбородин и др, - №34477434 / 24-07, Заявл, 07.06,82, Опубл, 30.10,83. Бюл. № 40,
