CC BY
3УДК 691.335, 697.7
Кальчев Д.Н.
ст. преподаватель Белгородский государственный технологический университет
им. В.Г. Шухова (г. Белгород, Россия)
ПРОТОЧНЫЙ ВОДОНАГРЕВАТЕЛЬ НА ОСНОВЕ ГРАФИТА И СИЛИКАТОВ
Аннотация: в статье рассматриваются способы применения электропроводящих композиционных материалов в виде картриджей и использования в них композиционного состава на основе графита и карбоната кальция.
Ключевые слова: графит, традиционное отопление, композиционный материал, электропроводность.
В настоящее время использование инженерных конструкций и сооружений для отопления, нагрева воды и других видов нагревательных процессов напрямую связано с их энергоэффективностью, экологической и технической безопасностью. Перспективным направлением для решения таких проблем является использование композиционных материалов на основе различных форм углерода.
Резистивные композиционные материалы, основанные на главной производственной силе - электрической энергии имеет широкое применение в Российской Федерации и за рубежом в энергетике, строительстве, транспорте, авиационной и ракетной техники, газовой, нефтяной, радиотехнической и электротехнической промышленности. Одним из важных способов применения резистивных материалов является производство нагревательных элементов.
Актуальность изучения таких материалов заключается в создании и развитии технологии дисперсных композитов на основе силикатных вяжущих и электропроводящих наполнителей, обладающих набором характеристик для применения в энергосберегающих системах. Адекватность физической модели и реальной композиции оценивается по совпадению результатов расчёта с экспериментальными данными.
Углеродсодержащий наполнитель в качестве токопроводящего компонента позволяет создавать необходимые тепловые параметры. Углеродные наполнители отличаются друг от друга размером и формой частиц и их агрегатов, химическим составом поверхности и рядом других показателей. Влияние этих показателей на электропроводность композиции исследовано в основном для технического углерода. Основу частиц технического углерода составляет вещество графитового типа. Графит, одна из простых форм углерода, имеет кристаллическую структуру, в которой атомы располагаются гексагонально, образуя параллельные слои.
На кафедре «Безопасность жизнедеятельности» БГТУ им. В.Г. Шухова был разработан состав электропроводящих композиционных материалов на основе графита с целью получения и внедрения в производство композиционных функциональных электронагревательных элементов (рис.).
В рамках данных исследований разработаны композиционные резистивные материалы с положительным коэффициентом электрического сопротивления. На их основе предложена конструкция проточного водонагревателя на основе графита, карбида кремния и метасиликата натрия (табл. 1).
Таблица 1 - Основные параметры водонагревателя
Сечение протока водонагревателя й, м 0,0035
Длина протока водонагревателя 1, м 0,095
Рабочее напряжение водонагревателя и, В до 22
Г
Рисунок. Макет проточного водонагревателя
Для проведения исследований использовали графит марки ГС-2 (ГОСТ 17022-81). Дисперсии графита рассеивали на ситах, отбирали фракцию 20-50 мкм. Для проведения измерений исходные материалы высушивали при 200 оС, формировали цилиндрические образцы под давлением 2108 Па. Результаты испытаний предложены в табл. 2 и 3.
Таблица 2 - Результаты контрольных замеров при объеме протока воды, V, 7.7-10"7 м3/сек
Измеряемые параметры Номер испытания
1 2 3 4 5 6 7 8
Начальная температура воды Тн, К 292 292 292 292 292 292 292 292
Конечная температура воды Тк, К 296 302 308 316 325 336 348 360
Время проведения испытания 1, сек 100 100 100 100 100 100 100 100
Входное напряжение электросети и, В 2.9 4.7 7.1 9.6 12.8 15.9 18.8 21
Мощность водонагревателя Ы, Вт 14.0 36.8 84.0 153.6 273.1 421.4 589.1 735.0
Таблица 3 - Результаты контрольных замеров при объеме протока воды, V, 2-10" 6 м3/сек
Измеряемые параметры Номер испытания
1 2 3 4 5 6 7 8
Начальная температура воды Тн, К 292 292 292 292 292 292 292 292
Конечная температура воды Тк, К 296 300 305 310 318 326 335 347
Время проведения испытания 1, сек 50 50 50 50 50 50 50 50
Входное напряжение электросети и, В 3.5 6.3 9.0 11.5 14.0 16.6 19.4 22.2
Мощность водонагревателя N Вт 20.4 66.2 135.0 220.4 326.7 459.3 627.3 821.4
Анализируя результаты испытаний можно сделать следующие выводы: оптимальная температура нагрева воды составляет 313...333 К; необходимое напряжение для нагрева воды 9.19 В (данное низкое напряжение является безопасным и гарантией надежной и долговременной работы); низкое энергопотребление 150.620 Вт, что значительно ниже имеющихся аналогов современных водонагревателей.
Такие энергосберегающие водонагреватели можно использовать в качестве систем нагрева воды для обеспечения комфортных условий жизнедеятельности человека.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Горелов, С.В. Электротеплоснабжение сельскохозяйственных объектов с применением электронагревателей и резисторов из композиционных материалов автореф. дис. ... докт. техн. наук: 05.20.02 / Горелов Сергей Валерьевич. -Красноярск, 2008. - 48 с.
2. Фанина Е.А. Напольные токопроводящие смеси на основе углеродсодержащих перколяторов для низкотемпературных систем
электрического обогрева: монография / Е.А. Фанина, О.Н. Томаровщенко. -Белгород: Изд-во БГТУ, 2020. - 118 с.
3. Лопанов А.Н., Фанина Е.А., Прушковский И.В. Агрегация дисперсий графита в гетерогенных системах на основе карбонатов щелочноземельных металлов // Изв. вузов. Химия и химическая технология. - N°1. - 2014, Т.57, С.56-61.
4. Лопанов А.Н., Фанина Е.А., Прушковский И.В. Агрегация дисперсий антрацита и графита действием карбонатов щелочноземельных металлов // Химия твердого топлива, № 2, 2014, с. 65-70.
Kalchev D.N.
senior lecturer
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov
(Belgorod, Russia)
FLOW-THROUGH WATER HEATER BASED ON GRAPHITE AND SILICATES
Abstract: the article discusses the ways of using electrically conductive composite materials in the form of cartridges and the use of composite composition based on graphite and calcium carbonate in them.
Keywords: graphite, traditional heating, composite material, electrical conductivity.
