автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Многоэлектродные системы низкотемпературных композиционных электрообогревателей для агропромышленного комплекса

На правах рукописи

ХАЛИНА Татьяна Михайловна

МНОГОЭЛЕКТРОДНЫЕ СИСТЕМЫ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРООБОГРЕВАТЕЛЕЙ ДЛЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА

Специальность 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Барнаул - 2005

Работа выполнена в Алтайском государственном техническом университете им И.И. Ползунова

Научный консультант - заслуженный деятель науки РФ, доктор

физико-математических наук, профессор Евстигнеев Владимир Васильевич

Официальные оппоненты - член-корреспондент РАН, заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор Вершинин Юрий Николаевич

доктор технических наук, профессор Наумов Игорь Владимирович

доктор технических наук, профессор Возмилов Александр Григорьевич

Ведущая организация - Сибирский научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства (Си-6ИМЭ) СО РАСХН (г. Новосибирск)

00

Защита состоится «29» июня 2005г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.004.02 Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова по адресу: 656038, г. Барнаул, пр. Ленина, 46, E-mail: elnis@ab.ru. тел./факс (3852) 36-84-90

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Алтайского государственного технического университета

Автореферат разослан «28» мая 2005г.

Ученый секретарь диссертационного

совета к.т.н., профессор Порошенко А.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Произошедшие в России изменения экономических отношений, переход сельского хозяйства на работу в рыночных условиях, акционирование сельскохозяйственных предприятий, создание фермерских хозяйств потребовали изменения подхода к энергопотреблению в агропромышленном комплексе, призванному обеспечить интенсификацию сельскохозяйственного производства в условиях ограниченных финансовых средств.

Недостаточная эффективность использования энергии отнимает необходимые как отдельному хозяйству, региону, так и стране в целом финансовые средства, увеличивает загрязнение окружающей среды, снижает общую эффективность экономики. Потенциал энергосбережения в каждом секторе российской экономики огромен и составляет до 40 - 45 % от сложившегося уровня потребления топливо-энергетических ресурсов. Перевод экономики на энергосберегающий путь развития в соответствии с федеральной программой Правительства РФ «Энергосбережение в России в 1998 - 2005 гг.» и региональными программами предусматривает снижение энергоемкости внутреннего валового продукта на 13,4 %, разработку нормативов на энергетическую эффективность основных видов энергопотребляющего оборудования, введение гибкой тарифной политики на энергоносители, первостепенную поддержку организационных и технических мероприятий, обеспечивающих наибольший эффект при минимальных затратах.

Для осуществления энергосбережения в агропромышленном комплексе (АПК) необходима разработка и внедрение эффективных технических средств и технологий электронагрева, обеспечивающих гарантированное увеличение количественных и качественных показателей сельскохозяйственного производства, способных значительно снизить весовой коэффициент потребления тепловой и электрической энергии в себестоимости продукции; позволяющих организовать раздельный учет электрической энергии, потребляемой населением сельских населенных пунктов и предприятиями сельского хозяйства, на основе использования щитов учета с электроподогревом индукционных счетчиков электроэнергии, что особенно актуально для районов Сибири и Дальнего Востока.

Применение высокоэффективных средств и технологий электронагрева в тепловых процессах сельскохозяйственного производства в сравнении с топливными средствами и системами в большей степени соответствует интенсификации технологических процессов, сопровождается положительными экономическим и социальным эффектами, улучшает экологическую обстановку.

В условиях современного состояния экономики возрастает роль локального низкотемпературного поверхностно-распределенного обогрева (300-400 К), осуществляемого как с помощью протяженных металлических электрона-

гревательных устройств (ЭНУ): трубчатых электронагревателей (ТЭН), спиралей, нагревательных проводов, обладающих повышенной энерго-, металлоемкостью, требующих расхода дефицитных сплавов для ТЭН, обладающих малым сроком службы в условиях сельскохозяйственного производства, так и более эффективных композиционных электрообогревателей в виде пленок, плиток, панелей, ковриков.

Проведенный анализ известных отечественных и зарубежных низкотемпературных композиционных электрообогревателей (НТКЭ) по физическим процессам, особенностям конструкции и технологии производства, эксплуатационным характеристикам позволил в систематизированном виде выполнить оценку состояния и определить перспективы их применения на предприятиях АПК. Он также выявил необходимость решения проблемы разработки теории многоэлектродных систем НТКЭ и создания на ее основе новых электротехнических конструкций в различных областях науки и сельскохозяйственной техники. Разработка научно обоснованных методов расчета и регулирования электро-, теплофизических параметров обеспечивает решение инженерных задач проектирования и производства низкотемпературных многоэлектродных композиционных электрообогревателей (НТМКЭ) с необходимыми техническими и геометрическими характеристиками, отвечающих требованиям электробезопасности, стойкости к агрессивным средам, экологичности.

Целью работы является теоретическое обоснование и разработка многоэлектродных систем низкотемпературных композиционных электрообогревателей пластинчатого и цилиндрического типов на основе анализа особенностей структуры электрических и тепловых полей в резистивных материалах, обеспечивающих снижение энергоматериальных затрат, экологическую безопасность, повышающих сохранность и улучшающих качество сельскохозяйственной продукции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести системный анализ методов и технических средств низкотемпературного электрообогрева и разработать основные требования к системам электрообогрева с учетом специфики сельскохозяйственного производства;

- обосновать расчетные модели при определении электрических и тепловых проводимостей сложных многоэлектродных систем пластинчатого и цилиндрического типов при учете реальных граничных условий;

- разработать теоретические методы расчета электрических и тепловых проводимостей, распределения потенциала и температуры по поверхности для многоэлектродных систем пластинчатого и осесимметричного типов;

- разработать инженерную методику проектирования и новые технические решения конструкций НТМКЭ и систем обогрева на их основе для предприятий АПК, и внедрить их в производство;

- выполнить комплекс экспериментальных исследований структуры резистивного композиционного материала на основе бутилкаучука и технического углерода и комплекс электро-, теплофизических характеристик с целью разработки рекомендаций по совершенствованию технологий производства электрообогревателей;

- разработать конструкторско-технологическую документацию на организацию промышленного производства предлагаемых типов электрообогревателей.

Объект исследования. Объектом исследования являются многоэлектродные системы низкотемпературных композиционных электрообогревателей пластинчатого и цилиндрического типов.

Предмет исследования состоит в теоретическом обосновании и разработке методов расчета электро-, теплофизических параметров многоэлектродных систем НТКЭ, разработке конструкций и технологий их производства.

Методы исследования. При выполнении работы применялись основные положения теории потенциальных полей, электрофизики, методы системного анализа, математической статистики и теории вероятностей, методы теории комплексного переменного, численные методы решения нелинейных трансцендентных уравнений, методы оптической микроскопии, растровой и просвечивающей электронной микроскопии.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

- разработаны новые расчетные модели при определении комплекса электро-, теплофизических характеристик для многоэлектродных систем НТКЭ пластинчатого и осесимметричного типов с расположением электродов в резистивном материале равномерно и группами;

- выполнен теоретический анализ и разработан метод расчета, позволяющий получить общее решение и точные формулы для определения напряженности поля, электрического тока, электрической и тепловой про-водимостей, распределения потенциала и температуры по поверхности НТМКЭ пластинчатого типа с учетом различных влияющих величин, в том числе: систем организации, смещения и толщины электродов;

- разработан аналитический метод определения электрической проводимости многоэлектродной осесимметричной системы в условиях квазиоднородной среды. Получены новые точные и приближенные формулы, позволяющие определить в явном виде зависимость электрической проводимости двух-, трех-, пятиэлектродных систем цилиндрического типа от конструктивных параметров для целей расчета и проектирования НТМКЭ с требуемой температурой на поверхности;

- теоретически обоснованы и разработаны методы расчета тепловой проводимости системы с учетом ширины теплоизоляционного слоя электрообогревателя, толщины и смещения резистивного слоя;

- разработана инженерная методика проектирования и выполнены расчеты электрообогревателей, обеспечивающие заданные электро-, теп-

лофизические характеристики и конструктивные параметры;

- выполнен анализ структуры электропроводящей фазы различных составов разработанного композиционнрго материала на основе бутилкаучу-ка с наполнителем в виде дисперсного технического углерода (ТУ) с нахождением количественных и качественных характеристик комплексными методами, позволяющими установить объективную взаимосвязь между структурными параметрами и электро-, теплофизическими характеристиками;

- разработаны на уровне изобретений новые технические решения, относящиеся к многоэлектродным и осесимметричным системам НТКЭ, включающие разработку конструкций, составов композиций и технологий промышленного производства НТМКЭ, энергоэффективных, экономичных, экологически чистых.

Новизна технических решений защищена шестью патентами.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются научной строгостью разработанных теоретических и экспериментальных методик; сопоставлением результатов аналитического и численного исследований; экспериментальной проверкой результатов расчетов; практической реализацией разработанных методов, технических устройств и технологии.

Практическая ценность. Проведенная обобщенная информационная оценка методов и средств низкотемпературного локального электрообогрева на предприятиях АПК позволила выбрать наиболее эффективную систему обогрева объектов (индукционные счетчики электроэнергии в щитах учета, напольный обогрев молодняка животных и птицы, подогрев зерна и сыпучих продуктов на предприятиях переработки, локальный обогрев водоводов, поилок КРС, маралов, устьев скважин водозаборов и др.) на основе НТМКЭ.

На основе определения структуры потенциальных полей многоэлектродных систем получен массив численных значений электрических и тепловых параметров электрообогревателя для основных используемых на практике типоразмеров НТМКЭ, а также простые и достаточно точные аналитические зависимости электро-, теплофизических характеристик от конструктивно-технологических параметров.

Предложенные научно-методические и проектно-технологические рекомендации положены в основу проектирования и создания эффективных установок электрообогрева заданных форм и типоразмеров с различной структурой электропроводящей фазы, удовлетворяющих требованиям эксплуатации в условиях сельскохозяйственного производства.

Разработаны на уровне изобретений конструкции электрообогревателей пластинчатой и цилиндрической форм, а также энергоэффективные системы обогрева на их основе.

Предложены составы композиций, технология изготовления, в том числе: режимы смешения и вулканизации резиновых смесей, позволяющие уменьшить структурную неоднородность резистивного слоя и повысить стабильность эксплуатационных характеристик композиционных электро-

обогревателей.

При соответствующем обосновании область применения разработанных методик расчета может быть расширена за счет их использования при создании приборов измерения и контроля линейно-угловых величин, емкости, расчете образцовых конденсаторов и резисторов, электро-, теплотехнических установок для борьбы с гидратобразованиями и нефтепарафина-ми в нефтегазовой промышленности.

Реализация и внедрение результатов работы. Настоящая диссертация выполнена в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и является составной частью комплексных научно-технических программ:

«Энергосбережение Минобразования России на 1999-2005 гг.» во исполнение постановлений Правительства РФ №588 «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России» от 15.06.1998.

Проекта системы машин ВАСХНИЛ на 1986-1990 гг. (раздел Ж12).

Краевой программы научных исследований и инновационных проектов 2005-2008 гг. раздел «Разработка и создание промышленного образца низкотемпературных композиционных электрообогревателей для АПК, промышленности и ЖКХ», тематическим планам АлтГТУ.

Разработанные методы расчета плоскопараллельных полей в приближенно однородных средах для многоэлектродных систем и методика определения электро-, тешюфизических характеристик приняты к использованию в Институте электродинамики НАН Украины и Институте физики НАН Азербайджанской республики.

Результаты теоретических исследований и расчетов в совокупности с экспериментальными испытаниями положены в основу разработки технических условий (ТУ) и организации сертифицированного промышленного производства многоэлектродных композиционных электрообогревателей на ОАО «Барнаульский шинный завод» и ОАО «Восток-Латекс» (г. Барнаул), выпуск которых с 1999 г. составил 30 тыс. шт.

Реализация результатов работы заключалась в широких промышленных испытаниях и внедрении электрообогревательных установок на основе НТМКЭ на предприятиях АПК Алтайского края, Томской, Московской областей и Азербайджанской республики, в том числе: в ЗАО «Союзмука», СПК «Жилино», СПК «Повалихинский», АКГУП «ПТФ Молодежная», ОАО «Первомайское Агропромэнерго», ООО «Алтайсельэлектросетьст-рой», ООО «Алтайизвесть». Научно-технические разработки и материалы расчетов приняты к внедрению Главным управлением сельского хозяйства и продовольствия администрации Алтайского края и Союзом зерноперера-ботчиков Алтайского края.

Основные положения и результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Электротехнологические установки сельскохозяйственного производства», «Теоретические

основы электротехники», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», а также в курсовом и дипломном проектировании в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ), Алтайском государственном агроуниверситете (АГАУ).

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование расчетных моделей многоэлектродных систем НТКЭ пластинчатого и осесимметричного типов, позволяющих с достаточной степенью достоверности определить комплекс электро-, теп-лофизических характеристик в зависимости от конструктивных параметров электрообогревателей;

- теория расчета многоэлектродных систем НТКЭ пластинчатого типа;

- аналитический метод определения электрической проводимости осесимметричных НТМКЭ;

- методики проектирования и расчета электрических и тепловых параметров НТМКЭ, удовлетворяющих требованиям агропромышленного производства, с учетом различных влияющих величин;

- результаты экспериментального исследования влияния ингредиентов композиции, технологических режимов на организацию структуры и формирование свойств КМ, обеспечивающие степень неоднородности до 7%;

- новые конструкции, эффективные технологические режимы, промышленные образцы НТМКЭ, результаты их производственных испытаний и внедрений на предприятиях АПК.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 12 международных, 2 всесоюзных, 3 российских и других научных (научно-технических) симпозиумах, совещаниях и конференциях. Основными из них являются: межвузовская конференция «Роль Алтайского края в решении Продовольственной программы» (г. Барнаул, 1987 г.); 1-я и 4-я Всесоюзные конференции «Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов «ИКАПП-91» (г. Барнаул, 1991, 1997 гг.); 1-я и 2-я международные научно-технические конференции «Композиты - в народное хозяйство России» (г. Барнаул, 1995, 1997 гг.); 5-е, 6-е, 7-е всероссийские совещания «Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» (г. Томск, 2001, 2002, 2003 гг.); международная конференция «Вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции» (г. Барнаул, 1995 г.); 2-я международная конференция «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2001 г.); международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); 1-я и 2-я международные конференции «Technical & Physical Problems in Power Engineering» (г. Баку, 2002 г., Иран, г. Тебриз, 2004 г.); международная научно-техническая конференция «Энергетика и будущее цивилизации» (г. Томск, 2004 г.), а также на научно-технических семинарах ЭНИНа, НИХТИ, ЗАО ИЦ «Планета» (г. Москва 199К2004 г.), института физики НАН Азербайджана (г. Баку, 1998г.,

2002-2004 гг.), кафедрах «Физика» ТГАСУ, «ТОЭ» ТПУ (г. Томск, 2000-2004 гг.), «Теория электромагнитного поля и электроэнергосбережение» АлтГТУ (г. Барнаул, 1990-2004 гг.).

Разработанные экспериментальные и промышленные образцы изделий экспонировались и были отмечены на следующих выставках и ярмарках: выставка-конгресс «Энергосбережение», Томск, 2001, 2002 г. (дипломы); ВВЦ, павильон Электрификация, 3-я всероссийская выставка «Энергосбережение в регионах России», Москва, 2001 г. (диплом); 7-я специализированная выставка-ярмарка «Строительство. Благоустройство. Интерьер», Барнаул, 2001 г. (диплом); выстака-конгресс «Неделя высоких технологий - 300-летие Санкт-Петербурга», Санкт-Петербург, 2003 г.(диплом I степени, медаль).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 82 печатных работах, в том числе в 5-ти патентах, 2-х научно-методических и практических рекомендациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и основных выводов по диссертации, списка литературы, включающего 239 наименований, и приложений. Диссертационная работа изложена на 445 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность решаемой в диссертационной работе научно-технической проблемы, дана общая характеристика работы, сформулированы цель и задачи исследования, показана научная новизна, практическая значимость полученных результатов, приведены основные положения диссертации, выносимые на защиту.

В первой главе выполнен критический анализ состояния и развития низкотемпературного поверхностно-распределенного электрообогрева, как наиболее эффективного вида в условиях агропромышленного производства, и обоснована научно-техническая проблема создания экологически безопасных НТМКЭ, обеспечивающих увеличение качества получаемой продукции и снижение энергоматериальных и трудовых затрат.

Значительный вклад в разработку основ теории и рекомендаций по практическому использованию электрообогрева в сельскохозяйственном производстве внесли ее основоположники: Л.С. Герасимович, И.Ф. Кудрявцев, В.Н. Расстригин, С.А. Растимешин, P.M. Славин, и другие. Дальнейшее развитие исследований в этой области связано с получением новых электропроводных композиционных материалов и созданием технических средств местного поверхностно-распределенного электрообогрева на их основе и базируется на трудах отечественных и зарубежных ученых: Ю.Н. Вершинина, В.Е. Гуля, Б.А. Догадкина, Ю.П. Емеца, Г.А. Пугачева, В.П. Горелова, В.П. Голицына, Н.Н. Минаковой, A. Milliars, J.R Dunn и д.р.

Показано, что известные средства поверхностно-распределенного обогрева, применяемые в сельскохозяйственном производстве, наряду с несомненными достоинствами обладают и определенными недостатками. Так конструкции ЦНИПТИМЭЖ, ВИЭСХ имеют недостаточно равномерное распределение температуры по поверхности, значительный вес и габариты бетонных изделий, низкую ремонтно-восстановительность установок, повышенную металлоемкость и расход дефицитных сплавов. Кроме того, при нагреве бетонных полов активизируются процессы выделения влаги и вредных газов, что ухудшает микроклимат сельскохозяйственных помещений. Пленочные электрообогреватели на основе стекловидных изоляционных и металлонаполненных покрытий разработок БИМЭСХ, изготовленные аналогично технологии шликерного эмалирования, имеют недостаточные физико-механические и диэлектрические характеристики, обусловленные макронеоднородностью стеклоэмали. В связи с этим, сопротивление основной изоляции между токоведущими частями и корпусом не превышает 2 МОм, ток утечки от пленочного нагревательного элемента (ПЭН) к допустимым металлическим частям при установившемся тепловом состоянии составляет 0,5 мА. Кроме того, ПЭН-элементы имеют достаточно сложную технологию изготовления с обязательным контролем параметров на отдельных стадиях технологического процесса.

Выполненный системно-аналитический обзор отечественных и зарубежных композиционных электрообогревателей низкотемпературного поверхностно-распределенного нагрева позволил установить комплекс основных электро-, теплофизических характеристик НТКЭ таких, как: температура на поверхности или ее отклонение, удельная мощность, диэлектрические характеристики, структура материалов резистивного и изоляционного слоев и выявил необходимость определения их взаимосвязи с важнейшими эксплуатационными характеристиками - надежностью, электробезопасностью, стойкостью к агрессивным средам и тепловому старению, экологичностью, что обуславливает условия и границы применения НТКЭ в АПК. Наиболее объективно эта взаимосвязь может быть установлена в результате исследования особенностей структуры электрических и тепловых полей в резистивном материале НТКЭ с учетом граничных условий, что обеспечит создание нового класса многоэлектродных низкотемпературных композиционных электрообогревателей, адаптированных к агрессивным средам животноводческих, птицеводческих и зерноперерабаты-вающих предприятий. Возможные области их применения поясняются рисунком 1. Таким образом, целью работы явилось теоретическое обоснование и разработка многоэлектродных НТКЭ, обеспечивающих требуемые технико-экономические характеристики, и создание на их основе электрообогревательных систем для предприятий агропромышленного комплекса.

и

Рисунок 1 — Области применения НТМКЭ в АПК

Вторая глава посвящена расчету и анализу электрических параметров многоэлектродных электрообогревателей пластинчатого типа. Оценивание состояния многоэлектродной системы в стационарных однородных электрическом и тепловом полях предполагает определение комплекса электрических и тепловых параметров многоэлектродных НТКЭ (рисунки 2+4), включающего наряду с электрической и тепловой проводимостями распределение потенциала и температуры по поверхности электрообогревателя.

Строгое решение задачи может быть получено только в результате расчета создаваемого системой электродов стационарного электрического поля.

Расчетная модель электрообогревателя должна учитывать основные факторы формирование поля в электрообогревателе: поскольку периодические процессы при частоте /=50 Гц рассматриваются как квазистационарные, НТМКЭ можно считать обладающими сосредоточенными параметрами; в случае анализа поля в среде с малой удельной проводимостью поверхности электродов по всей длине можно принять эквипотенциальными.

Рисунок 3 - Пятиэлектродная обобщенная схема электрообогревателя: 1 - резистивный материал; 2 - электроды; 3 - изоляционное покрытие; 4 - поверхность теплоотвода

Рисунок 4 - Обобщенная схема композиционного электрообогревателя цилиндрического типа: а) двухэлектродный; б) пятиэлектродный (электропроводный слой), 1 - электроды; 2 - электропроводный слой; 3 - изоляционный слой

В связи с тем, что длина электродов НТМКЭ совпадает с длиной ре-зистивного материала и намного больше их поперечных размеров, а толщина бесконечно мала, резистивный материал приближенно однородный, а удельная электропроводность резистивного материала намного больше удельной электропроводности изоляционного покрытия, электрическое поле электрообогревателя можно принять плоскопараллельным, а границу по периметру резистивного материала - непроницаемой для силовых линий электрического поля. Поскольку емкостное сопротивление композиционных электрообогревателей, обусловленное наличием среды с диэлектрической проницаемостью (Сг<3,5) и включенное параллельно активному сопротивлению, на несколько порядков его превышает, им можно пренебречь. Этот вывод завершает обоснование расчетных моделей (рисунок 5). Данные модели справедливы для электрообогревателей с бесконечно малыми зазорами между электродами в группе и при достаточно высокой степени однородности проводящей среды. Правомочность последнего допущения ввиду сложности теоретического обоснования должна подтверждаться экспериментально.

Электростатическое, стационарное электрическое поле в проводящей среде, стационарное тепловое плоскопараллельные потенциальные поля описываются одним и тем же дифференциальным уравнением в частных производных эллиптического типа

АГА1(х,у)^]+±[А2(х,у)Зи]

Зх|_ и 3,дх] Эу|_

которое при Л|(х, у)= Аг(х, у)г=сош1 переходит в уравнение Лапласа.

К настоящему времени не найдено общих эффективных методов аналитического решения уравнения Лапласа за исключением ряда задач расчета плоскопараллельных электростатических полей и расчета полей электрического тока в проводящей среде для двухэлектродных систем. Оценка состоя-

= 0.

(1)

и

ния различных вариантов многоэлектродных систем НТКЭ производится методом непосредственного определения напряженности электрического поля в сочетании с методом конформных преобразований при учете математической аналогии потенциальных полей. Этот метод основан на введении вспомогательной функции у (х, у), выражающей величину угла, образуемого вектором напряженности плоскопараллельного поля в какой-либо точке рассматриваемой области с одной из осей декартовой системы координат. Функция у (х, у) является гармонической, удовлетворяющей двухмерному уравнению Лапласа и граничным условиям первого рода, установленным с учетом ортогональности силовых и эквипотенциальных линий поля на уча-

Рисунок 5 - расчетные модели при определении электрической проводимости электрообогревателей между парами электродов (а), между двумя трехэлектродными системами (б), в трехэлектродной системе (в), в пятиэлектродной системе (г): 1,2 -электроды; 3 - резистивный материал; 4 - поверхность, непроницаемая для силовых линий электрического поля

Известно, что расчет вспомогательной функции у (х, у) оказывается более простым, чем расчет потенциала при смешанных граничных условиях. Определив вспомогательную функцию, можно затем непосредственно найти модуль безразмерной напряженности электрического поля Е из соотношений:

>_а(1п|Ер.

. 54" ^ /г»

сч а(1л|Е[) (2>

ду дк

Комплексная напряженность плоскопараллельного электрического поля Е системы электродов, лежащих в одной плоскости, находится в соответствии с (2) с помощью общей формулы проф. А.Я. Сочнева и в соответствии с математической аналогией электростатического и стационарного электрического полей:

где С, - комплексная координата точки, в которой определяется Е; a¿ и а'к - координаты краев k-ой пластины (электрода); C0¡ - координата (в общем случае комплексная) особенной точки второго рода, т.е. точки, в которой напряженность поля равна нулю, а направление вектора напряженности неопределено; А - постоянная; п - число электродов; m=n-2 - максимально возможное число особенных точек второго рода.

Поскольку метод непосредственного определения напряженности поля применим для системы п - копланарных электродов, необходимо исходную систему перевести в систему п - электродов, лежащих в одной плоскости. Для этой цели эффективно использовать метод конформных преобразований, в основе которого лежит инвариантность проводимости относительно конформного преобразования. Сечение плоскопараллельной системы п - электродов принимается за плоскость комплексного переменного z, так как в этой плоскости заданы исходные конструктивные параметры моделей электрообогревателя, необходимо реализовать конформное преобразование области в плоскости z на верхнюю полуплоскость плоскости <; с помощью отображающей функции f(z). В основу алгоритма конформного преобразования положен интеграл Кристоффеля-Шварца.

Получившаяся система нелинейных трансцендентных уравнений позволяет однозначно определить неизвестные координаты точек ап в отображаемой плоскости; все входящие в эти уравнения интегралы являются гиперэллиптическими и в общем случае находятся численными методами. Таким образом, первый этап расчета электрической проводимости электрообогревателя сводится к замене его реальной модели на расчетную, второй - представляет операцию отображения расчетной модели на верхнюю полуплоскость и третий - сводится к определению напряженности электрического поля в отображенной системе электродов. Неизвестные координаты m-особенных точек второго рода c0¡ находятся из граничных условий.

Выполним расчет электрической проводимости композиционного электрообогревателя между системами, содержащими по три электрически соединенных пластины (рисунок 2).

Введем плоскопараллельную расчетную модель (рисунок 6, б), примем заштрихованную область на рисунке 6, б за часть плоскости комплексного переменного z и конформно отобразим ее на верхнюю полуплоскость нового комплексного переменного (рисунок 6, в) таким образом, чтобы соблюдалось соответствие точек исходной и отображенной плоскостей.

Функция, осуществляющая требуемое отображение, находится по формуле:

(4)

С, = úr6sn(K „ к 0)

где модуль ко эллиптического синуса определяется из соотношения М— Ко/Ко; где Ко и Ко — годные эллиптические интегралы первого рода с модулями ко и к0 = соответственно.

Установив согласно (4) взаимосвязь исходной z и отображенной С, плоскостей с учетом принципа симметрии, получим:

Рисунок 6 - Схема многоэлектродного электрообогревателя: а - исходная система электродов; б - расчетная модель; в - система в отображенной плоскости; 1—6 электроды; 7 — электропроводный композиционный материал

Так как конструктивные параметры электрообогревателя удобнее вы-~ /

ражать через отношения: —=0!; — =Рг; За + 2п =03,

За Ъ ь

то формулы (5) (10) можно представить в зависимости от Рь Рг и Рз. Численные значения модулей ко, к'о для ряда применяемых размеров элетрообогревателей, определяющих отношение 1/Н для прямоугольника в плоскости z, а также соответствующие им значения эллиптических интегралов Ко и К'о, приведены в таблице 1. Таблица 1

1/И ко к; Ко к;

3 0.9993546122061841 0.0359215682038989 4.7139102532100499 1.5713034177366834

2 0.9851714310094160 0.1715728752538099 3.1651034544474318 1.5825517272237159

1 0.7071067811865475 0.7071067811865475 1.8540746773013719 1.8540746773013719

1/2 0.1715728752538099 0.9851714310094160 1.5825517272237159 3.1651034544474318

1/3 0.0359215682038989 0.9993546122061841 1.5713034177366834 4.7139102532100501

При отношениях 1/И>5 значения ко стремятся к единице; при 1/И>7 следует переходить на ведение расчетов с двойной точностью (погрешность расчетов определяется количеством цифр после «девяток»).

Так как при конформных отображениях проводимости между соответствующими электродами сохраняются, достаточно найти проводимость в системе электродов, приведенной на рисунке 6, в.

Комплексная напряженность Е= Е^ — электрического поля системы электродов на плоскости 5 определяется по формуле

Е=

V(C2-«Ж ~а\%г -a¡)'

где i; - комплексная координата точки, в которой определяется Е; c0i и Сог - координаты особенных точек второго рода; - координаты

краев электродов (пластин); А - постоянная.

Так как система является шестиэлектродной, т.е. количество электродов п=6, то количество ш особенных точек второго рода ш=п-2=4, где координаты Coi и с02 имеют в силу симметрии действительные значения, причем из рассмотрения картины поля в системе следует, что они располагаются так, как показано на рисунке 6, в.

Из (11) следует

— "

(12)

j£2!' -а\\

Условием для определения неизвестной координаты Coi является ра^

венство нулю разности потенциалов AU^s между электродами 4 и 5

ди„.5 = jET1=0d§= \

Ш-"¡к1 -Ш-42)

= 0'

(13)

а - равенство нулю разности потенциалов ми5 и 6

ди

между электрода-

лиз,б = }E4.0d4= J

Vfe2-°1Ы

= 0.

И (13) и (14) следует:

с„, =

I -с21

V

■СУз

(14)

(15)

где

(16)

а _ 1,14 -1,1, +У(1,1, -Ц«)* -4(1,1,-1^X1,1, -1,1,)

20Л-1Л)

В выражении (16) перед корнем выбирается знак плюс, т.к. только в этом случае выполняется условие

Разность потенциалов ди между электродами 1-3 и 4-6, ток // (на единицу длины) в электродах 4-6 (с учетом незаштрихованной части системы) находятся соответственно

AU= jE^0d4 = A j-

icí,+4)

Vfc -^lal-^lal-Vlal-^kl-Vkl ~

+ 4^1,]. (17)

= 2A[l,-(<

°3

05

=2Ау[',° -1,3+1,6 - (4+4 Х1,, -1,4+1,7)+ 44 0,2 - 1И+1,.)], (18)

где у - удельная электропроводность резистивного материала; 11-118 — гиперэллиптические интегралы, выраженные через параметры отображения.

На основе (17) и (18) получаем следующее выражение для безразмерной электрической проводимости в,/у системы (на единицу длины):

I, _ 1,0 — ^13 + ^16 ~(С01 ^СсгХ1! 1 + !]7) + С01С02(112 ~ 115 +11»), (19)

у ди i7-(4+4)i8+44i9

где координаты особенных точек Coi И Сог находятся из отношений (15) и (16). При этом для определения безразмерной электрической проводимости системы вычислять постоянную А не требуется, так как согласно (19) она сокращается.

Таким образом, для определения безразмерной электрической проводимости многоэлектродной системы (рисунок 6, а) следует по заданным конструктивным размерам я, п, /, h из уравнений (5) - (10) найти численные значения геометрических коэффициентов а\/аб — a¡/a6, располагая которыми, вычислить интегралы Ii - Iig, на их основе определить координаты особенных точек и затем непосредственно рассчитать искомую проводимость по формуле (19).

Если п=0, то, как следует из рисунка 6, в, ai~a-¡, a¡rOu следовательно приведя интегралы к нормальной форме, получим известное выражение для определения безразмерной электрической проводимости двухэлектродной системы на единицу длины.

Для определения численных значений интегралов Ij — Ijg они были преобразованы к виду, допускающему вычисление на ЭВМ, и рассчитаны методом Симпсона.

Получен массив численных значений коэффициентов а/сг^, где i=l-5, Со,/Об, где i=l,2, а также безразмерной проводимости G/y для наиболее применяемых размеров композиционных электрообогревателей. Проведенные расчеты показали, что при одинаковых значениях ширины электродов a/h, (2a+n)/h, (3a+2n)/h для двух-, четырех-, шестиэлектродных систем соответственно значение безразмерной проводимости остается неизменной.

Так при //А=1

что подтверждает преемственность полученных результатов при расчете различных систем.

Во второй главе приведено теоретическое обоснование и разработан метод строгого решения задачи определения электрической проводимости многоэлектродных систем НТКЭ, содержащих 3, 5, 9, 17, 33 и т.д. электродов (рисунок 3), для осуществления равномерного поверхностно-распределенного электрообогрева протяженных и крупногабаритных объектов. Для отработки методики расчета в соответствии с расчетными моделями (рисунок 5 в,г) вначале рассмотрена наиболее простая трехэлектрод-ная система, затем - пятиэлектродная. При организации расчетной схемы введем непроницаемую плоскость по оси х в плоскости, перпендикулярной чертежу. Тогда искомое значение проводимости равно удвоенному значению проводимости между проводниками, представленными в верхней части системы.

Согласно предыдущим положениям выполнены численные расчеты безразмерных электрических проводимостей в зависимости от изменения геометрических параметров электрообогревателя G^/y И G^y для трехэлек-тродных и пятиэлектродных систем, которые показывают, что с повышением отношения a/h и уменьшением отношения l/h значения Gï/y и G$ly возрастают, что согласуется с физическими представлениями о работе электрообогревателей.

Сопоставление численных значений безразмерных проводимостей двухэлектродного электрообогревателя GJy и трехэлектродного GJy при показывает, что

(20)

Физически это объясняется тем, что электрическая проводимость между двумя проводниками 1 и 2 (рисунок 3, 5, в) в присутствии непроницаемой плоскости MN равна половине проводимости между телами, образованными соединением каждого из рассматриваемых проводников с его зеркальным отражением относительно этой плоскости.

Указанное свойство проводимостей справедливо и для пятиэлектрод-ной системы (рисунки 3, 5, г), что подтверждают и полученные численные значения Gs/y, которые в два раза превышают значения G3/y при Ь/о=1. Следовательно, с учетом (20)

Gs/y = 2G3/r = 4G2/Y. (21)

Количество электродов пк систем, для которых можно использовать описанное свойство проводимостей, находится по формуле

пк = 2пк.,-1, (22)

где к = 1, 2, 3 и т.д. - порядковые номера многоэлектродных систем, причемприк=1,По=2; пк.| - количество электродов в предыдущей системе.

При этом безразмерная проводимость G„^/у многоэлектродной системы в общем виде определяется выражением

С„.Л = (п-1)02/у (23)

Gjy = \Gjy.

Так как точная и приближенная формулы для определения проводимостей двухэлектродной системы известны, то задача решена до конца.

Для обоснованного проектирования НТКЭ с заранее заданными свойствами и обеспечения равномерного распределения температуры по поверхности во второй главе получены точные и приближенные формулы для расчета частичных проводимостей между электродами (п. 1), расчета электрической проводимости системы с учетом толщины электродов и их смещения относительно друг друга (п. 2), распределения потенциала по поверхности НТКЭ (п. 3). Расчетные схемы, параметры отображения, точные и приближенные расчетные формулы приведены в таблице 2.

В третье главе изложены теоретические основы и разработана методика расчета электрической проводимости осесимметричных низкотемпературных композиционных электрообогревателей. Несмотря на требования организации электрообогрева в замкнутом пространстве объектов цилиндрической, шаровой и других форм определение электрической проводимости осесимметричных (плоскомеридианных) электрообогревателей (рисунок 4) отсутствует как в отечественной, так и в зарубежной литературе.

Известно, что при заданных параметрах электростатических систем, содержащих плоские границы сред, емкость между любым проводником и проводящей плоскостью равна удвоенному значению емкости между этим проводником и его зеркальным отражением относительно этой плоскости. В соответствии с математической аналогией между электростатическим и электрическим полями это свойство справедливо и для электрического поля.

Введем на реальной модели (рисунок 7, а) электропроводную плоскость А^Ав, тогда расчетная мод ефИь\пр)и мет вид, изображенный на рисунке 7, б, причем ее электрическая проводимость в/ будет в два раза больше электрической проводимости в/ системы, приведенной на рисунке 7, а. Примем заштрихованную часть расчетной модели за плоскость комплексного переменного z и конформно отобразим ее на внутренность прямоугольника нового комплексного переменного с плоскостью zt.

Конформные отображения плоскости г на плоскость гь 1( на г2, г2 на С, и С, на ш осуществляются следующими функциями:

(24)

(25)

(26) (27)

С учетом соотношений между эллиптическими функциями

на основе (24)-(27) получаем выражения, связывающие координаты исходной z и искомой отображенной плоскостей:

Рисунок 7 - Осесимметричный электрообогреватель (а), расчетная модель (б) и последовательность основных конформных отображений (в) - (е): 1 и 2 - высокопотенциальный и низкопотенциальный электроды; 3 - резистивный материал;

электропроводная граница, хххххх - непроницаемая граница

Параметры отображения

Расчетные формулы

точная

приближенная

9

<¡1 \ е где I ■

0 ' I ~ г

а, / лп

12 У2К(Г)

с„

ф.

2 '

. С„

Ф = агсип,,--,.

л[1-д02/я,2

где к' = ^1-к2, . ¡1 -а!2/а?

ср. =агс51пл\-т—г

1-е;2 /а}

~ [И

~ V Д '

при и

2А л >

у«1.

'Л'

а// = /3//7; й// = /6//7; /2 = /4; /1 + /3 + /5=/7, где 1? - гиперэллиптические

интегралы =у где * = Г = -/П^1.

при Ь=0.

а,=а2; = а4; у = где ¿„ = а5 /о6; К = а,/а54=0 = __________________Дч/Д5|Ь=0 = + _

ГД^ к0 = а,/а2; И/1 = К'0/К0

Ы1Л Л где

^ 2К(к) 1

Ф = агат -

*2-*л2

при

Лся^оуДо^

2 АМ ' 'М- 2 £(*) '

ДС/

- и\

2

г, (. ли -п (г р6>"*У) ,,..

Ч ^ 'Г^фу; где

Ф, = агсзт-

V к )

л/к„уЛ 1 ДС/^ «¿1/^=1/,/2 при Ф2 = агат , ■ ^ ' ■

= 0 ду^ ={/, при > = /-о;УР(фД)=0 ду^ =¿/,/2 при * = 0 Р(<р,к) = К(к). А=0 =£/, при

Так как при конформных отображениях электрические проводимости между соответствующими электродами сохраняются, то для решения поставленной задачи остается найти проводимость в системе электродов в отображенной плоскости (рисунок 7, е).

После некоторых преобразовании получим искомую формулу для определения электрической проводимости О/ (на единицу длины) электрообогревателя:

(32)

' 1 К(к')

где К(к) и К(к') - полные эллиптические интегралы первого рода с модулями кик'

(34)

Таким образом, методика расчета заключается в следующем: по заданным конструктивным размерам определяем модуль ко по формуле (31), затем Ко, по формуле (34) находим аргумент и, затем значения sn(u,k'0) и dn(u,k'0), далее согласно (33) модуль к, на основе которого вычисляем К(к), К(к') и искомое значение проводимости G¡ в соответствии с формулой (32). Как следует из полученного выражения (34), электрическая проводимость довольно сложным образом зависит от геометрических параметров системы. Учитывая, что в практических конструкциях г —> R и, следовательно, согласно ( 3 1 % -> О , формулу (32) можно упростить.

Используя разложение эллиптических интегралов К(к) и К(к') в ряды и пренебрегая в них членами, начиная со второго порядка малости, после ряда преобразований получим приближенную формулу для определения электрической проводимости на единицу длины (при /■—>/? и 2а0 < R-r):

(35)

Как следует из формулы (35), зависимость электрической проводимости от размера а0 носит логарифмический характер. На основе разработанной методики получен массив численных значений безразмерной электрической проводимости G/y для наиболее употребительных размеров электрообогревателей.

Анализ результатов расчета показал, что при постоянных значениях отношения 2ctf/(R-r) увеличение отношения r/R приводит к уменьшению проводимости системы, а при постоянных отношениях r/R возрастание отношения 2d(/(R-r) увеличивает проводимость системы. Для упрощения расчетов осесимметричную модель при f А можно приближенно заменить на плоскую при соответствии размеров. Сопоставление приближенных формул для осесимметричного и плоского электрообогревателей показывает, что при hRq=1 , R-r = 2hnao=a они идентичны.

Обеспечение требуемых электрофизических и эксплуатационных характеристик НТМКЭ обуславливает необходимость дальнейшего совершенствования их конструкций, в том числе определения количества и взаимного расположения электродов в зависимости от требуемого диаметра цилиндрической поверхности. Основой качественного проектирования электрообогревателей необходимой мощности является выраженная в явном виде зависимость электрической проводимости многоэлектродной осесимметричной системы от конструктивно-технологических параметров НТМКЭ.

Аналогично предыдущим положениям выполнены расчеты трех- пяти-электродных систем НТКЭ цилиндрического типа. На первом этапе определения электрической проводимости реальная модель электрообогревателя заменяется расчетной, на втором - производится ряд последовательных конформных преобразований систем, на третьем - определяются напряженность поля в отображенной системе электродов, разность потенциалов АU между электродами, ток // на единицу длины и искомое аналитическое выражение для электрической проводимости на единицу длины.

Выражения для определения точного значения электрической проводимости на единицу длины G/ и ее приближенного значения при 1/И»\,

для трехэлектродного НТМКЭ цилиндрического типа имеют вид соответственно:

4 (Яр-г)

(37)

где dnu-к0; (38) ^

г, Rq, ад - конструктивные размеры электрообогревателя;

(40)

Для пятиэлектродного НТМКЭ цилиндрического типа:

-1

я во_г

, (42)

2Яо (Ъ-г)

гд

dnu - к0

(43)

(44)

г

К

г

Таким образом, алгоритм расчета электрической проводимости на единицу длины в зависимости от конструктивно-технологических параметров НТМКЭ включает нахождение точной формулы, позволяющей получить прямым путем массив численных значений с точностью до шестого знака после запятой, и приближенной, представляющей собой выраженную в явном виде аналитическую зависимость этих величин. Он положен в основу эффективной методики проектирования НТМКЭ, обеспечивающего заданную температуру на поверхности, позволяющей быстрым расчетом на ЭВМ различных вариантов конструкций обеспечить выбор наиболее целесообразного из них.

В четвертой главе решены задачи расчета тепловых параметров композиционных электрообогревателей в зависимости от конструктивно -технологических требований. Выбрана и обоснована расчетная модель системы, состоящая из длинной пластины, размещенной в прямоугольном изолирующем материале, и тела с плоской поверхностью. При выборе расчетной модели были приняты следующие граничные условия: поверхность между объектом теплоотвода и изоляционным покрытием - изотермическая, поверхность между изоляционным покрытием и воздухом - непроницаемая (адиабатная) для линий потока тепла. В следствие того, что изоляционное покрытие однородно, а толщина резистивного и изоляционного слоев намного меньше длины и ширины электрообогревателя, тепловое поле приближенно можно считать плоскопараллельным.

< _Л з 4 Л * Ь> Л

Рисунок 8 - Плоскопараллельная система: а- исходная система тел; б- расчетная модель; в - система тел в отображенной плоскости; 1 - горячее тело (резистивный

материал с температурой 2 - поверхность теплотвода с температурой Т2; 3-теплоизолирующий материал; хххх - поверхность, непроницаемая для линий потока тепла

н

Учитывая вышеперечисленные положения и исходя из условий эксплуатации НТКЭ, теплоперенос в рассматриваемых системах принимается кондуктивным.

Известны расчеты тепловой проводимости для ряда систем с прямоугольными границами; систем, имеющих изотермические поверхности, и частного случая - системы с неограниченной шириной теплоизоляционного слоя.

Корректное использование интеграла Кристоффеля - Шварца и формулы А.Я. Сочнева для непосредственного определения напряженности электростатического поля с учетом математической аналогии потенциальных полей позволили получить аналитические выражения для определения модуля потока тепла Ч^СО, количества тепла на единицу длины разности температур и тепловой проводимости на единицу длины между резистивными, изоляционными материалами и объектом теплоотвода при учете ширины теплоизоляционного слоя.

Эти выражения имеют вид:

где ак ,ак - координаты краев ^го тела (пластины); А - постоянная; п -число пластин;Х, - коэффициент теплопроводности между телами 1 и 2.

Связь конструктивных размеров расчетной модели с координатами точек О] в отображенной плоскости устанавливается с помощью системы уравнений:

М-

-А'

(56)

Приведя полученные в (47) и (48) интегралы к нормальной форме, получим точное выражение искомой теплопроводности системы на единицу длины

Сп _2 К(к1 к К(к)'

(57)

где К(к) и К(к') - полные эллиптические интегралы первого рода с модулями

(1-%1 + ^А)

а3

а2дз

"А

)

к' = у!\-к2.

Безразмерные координаты точек а|/аг; д2/а3 и аг/а* находятся

решением системы уравнений (50)-(56) с помощью дискретного метода Ньютона и квадратурной формулы Ньютона - Котеса.

На основе разработанной методики получен массив численных значений коэффициентов отображения и безразмерной тепловой проводимости системы в зависимости от конструктивных параметров.

В работе показано, что при неограниченной ширине теплоизолирующего слоя, т.е. при Ь—>со, полученное решение совпадает с известным.

Для проведения инженерных расчетов после ряда преобразований и упрощений с применением приближенных вычислений получена простая, но достаточно точная формула для учета толщины теплоизолятора:

тепловая проводимость системы при Ь = оо, А = 0 ;

.-1^211 /4/ 8 , . 8 = 2н / —+ —1п 2

(60)

относительная тепловая проводимость системы, связанная с наличием ее конечного размера Хпри к = 0.

Для практических конструкций при 41/Н>1, (Ь-21)/2И>1 и 2ЫН=0 относительное уменьшение § тепловой проводимости от наличия конечного размера системы составит Как показывают несложные расчеты,

с повышением толщины пластины значения коэффициента падает и при 2}г/Н—*1 значение _ -»0 Последнее обстоятельство объясняется тем, что при большом отношении 2И/Н значение краевой тепловой проводимости стабилизируется, а безразмерная тепловая проводимость и, следо-

вательно, их отношение £->о- Поэтому значение g, рассчитанное для тонкой пластины по формуле (60), можно рассматривать как предельное и использовать при расчете для пластин любой толщины.

В главе приведены расчеты тепловой проводимости между поверхностью и телом прямоугольной формы сечения, размещенным несимметрично в теплоизолирующем материале. Необходимость их выполнения продиктована особенностями технологического процесса изготовления НТМКЭ, приводящими в ряде случаев к смещению резистивного слоя в теплоизолирующем материале относительно оси симметрии.

Рассмотрение несимметричного случая существенно усложнило решаемую задачу, т.к. неизвестные координаты точек определяются из шести уравнений, связывающих координаты исходной и отображенной плоскостей, причем интегралы, входящие в эти уравнения, являются гиперэллиптическими. Корректное использование предлагаемой методики позволило получить массив численных значений безразмерных тепловых проводимо-стей с абсолютной погрешностью, не превышающей 10"6.

Проведенные исследования и полученные результаты позволили теоретически обосновать и практически решить важнейшую задачу - определение распределения температуры по поверхности НТКЭ.

Определение распределения температуры по всей поверхности электрообогревателя приводит к довольно большому численному массиву. Для практических целей обычно достаточно определить разность температур ДТ, ДТ1 ДТ2, ДТ3, ДТ4 между характерными точками соответственно: А, и А3> А«, и А4, А5 и Ат Аб и А5, А7 и А6 (рисунок 8, б) в широком диапазоне изменения геометрических параметров системы.

Разность температур между первым и вторым телами определяется по формуле:

(61)

V ">

Из уравнения (61) следует А=ДТ/1 , (62)

где

-Т

(63)

Так как при конформных преобразованиях температура в сходственных точках остается неизменной, то разность температур между точками А'2 и А, (рисунок 8, в) соответствует разности температур между точками А и А, (рисунок 8, б).

Аналогично с учетом выражения (62) находят относительные разности температур

Определив на основании полученных уравнений по заданным конструктивным размерам координаты точек в отображенной плоскости, а также содержащие в уравнениях интегралы и, выполнив необходимые вычисления, найдем относительные изменения температур между характер-

ными точками электрообогревателя для различных значений 2//Н, 2Ь/Н и Ц/И с абсолютной погрешностью до 10"6.

Анализ полученного массива значений позволяет подобрать такие конструктивные размеры электрообогревателей, при которых относительные разности температур ДТ3/ДТ и ДТ4/ДТ были бы минимальны. Приведенные данные позволяют проектировать электрообогреватели с заданной температурой на его рабочей поверхности при обеспечении минимального ее отклонения.

Полученный комплекс точных и приближенных значений электрических и тепловых проводимостей в зависимости от геометрических параметров НТМКЭ является теоретической основой для разработки инженерной методики расчета.

Выполним расчеты для электрообогревателей, имеющих следующие габариты: Я] = 0,122 м; = 0,116 м; II = 0,118 м; г = 0,114 м; г( = 0,110 м; а0 = 0,004 м, при этом учитывая, что электрообогреватель для обогрева шнеков имеет форму усеченного на 1/4 часть цилиндра с 2-мя, 3-мя и 5-ью электродами. Электрические проводимости Сэ/ электрообогревателей, имеющих 2, 3, и 5 электродов, для расчетных моделей (рисунок 4) определяются соответственно по ранее полученным формулам (35), (37), (42):

Рассчитаем значение безразмерной тепловой проводимости по формуле

ж^У)

От1= -—-+—1п2-4е 2Н-Я„ ж

При / = 27пу0,75 = 0,518 м; Ь = 2пЯ,-0,75 = 0,575 м; Я0 = Ягг, = 0,012 м,

получйм вп = 88,1.

Рассчитаем значения удельных электропроводностей, удельных объемных сопротивлений и мощностей электрообогревателя шнекового обогрева при подключении его на 2,3, и 5 электродов при заданных соответствующих значениях превышения температур ДТ' = 3 К, ДТ" = 12 К и ДТ'" = 25 К:

Из условия теплового баланса электрообогревателя имеем: у = ^,

и ■кэ

где X, - коэффициент теплопроводности, который определяем с уче-

том:

л=^3=2)67.1(Г2 М'-ЮВТ,

_ ч

V.

:0,23-ю-' м2 - К/Вт,

где Хре, - коэффициент теплопроводности резины, 0,16 Вт/(мК); Хст -коэффициент теплопроводности стали, 48,1 Вт/(мК); рт - термический ко-

эффициент сопротивления изоляции, м2-К/Вт; рст - термический коэффициент сопротивления нагреваемой среды (стальной шнек), м2-К/Вт; Кэ, Кт - коэффициенты электрической и тепловой проводимости с размерностью длины, м, соответственно.

Тогда коэффициент теплопроводности будет иметь вид:

и/г

Я = —£L_i— = 0,138 Вт/(м• К).

Рт + Р»

Определим коэффициенты Кэ и Кт по формулам:

где К» = G3 Lj; Кт = GT (L, + 2Q,

тос Li~ В- 2di = 0,27 м;

-да: К,, = 2,02-Ю"3 м; К.,, = 8,18-10"3 м; Кз5 = 16,65'10"3м; К, = 69,42 м.

Определяем электрические параметры у,р„ и Р для различных 2-х, 3-х, 5-

ти электродных электрообогревателей с учетом, что р,= 1/у, а р = и2Кэ -у Результаты расчета приведены в таблице 3.

Таблица 3_

№пп Схема включения у, См/м pv, Ом-м Р, Вт ДТ,К

1 1 и5 0,297 3,37 29,0 3

2 1,5 и 3 0,290 3,45 120,0 12

3 1,3,5 и 2,4 0,297 3,37 240,0 25

В пятой главе приведены экспериментальные исследования, которые включали: анализ структуры образцов из разработанного электропроводного КМ на основе бутилкаучука БК-1675 с ТУ промышленных марок П-245, П-234, П-324, П-514 различных концентраций, измерение электрофизических и теплофизических характеристик композиционных материалов и электрообогревателей на их основе.

Металлографические исследования структуры показали, что в КМ присутствуют трехмерные (в третьем направлении достаточно тонкие -квазичешуйки) частицы ТУ, которые распределены по объему квазиодно-родно. Наблюдаемые частицы по размерам меняются в широком интервале от 0,4 до 100 мкм. Это свидетельствует о том, что основной процесс в создании композита заключается в агломерации частиц ТУ при их квазиоднородном распределении в каучуковой матрице; размер агломератов ТУ очень близок к размеру исходных частиц порошка ТУ. По результатам металлографических исследований и растровой электронной микроскопии определены типы частиц, присутствующих в КМ, их размеры, форма, плотность распределения и осуществлено их разделение по уровням: мезо-уровню I (уровень зерна), мезоуровню II, микроуровню, субмикроуровню. Самые мелкие частицы, размером 38+42 нм (субмикроуровень) округлой формы, являются частицами ТУ и имеют самую высокую плотность распределения - 1-108 мм"2. Эти частицы при концентрации 15+35% образуют цепочки в виде сетчатой структуры, которые распределены в матрице БК (рисунок 9). Методом просвечивающей электронной микроскопии наблю-

даются прослойки ТУ чешуйчатой формы, имеющие средний размер -400 нм и соответствующие микроуровню. На субмикроуровне наблюдаются частицы, размером 20-=-25 нм, что коррелирует с результатами растровой электронной микроскопии. По известной методике определена объемная доля ТУ в образце КМ и вклады в нее, вносимые частицами различного типа. Сравнение расчетной объемной доли с заданной по условиям техно -логии производства служит критерием оценки достоверности структурных исследований. Посредством электронной микроскопии выявлены структурные особенности ТУ и других ингредиентов резиновой композиции для образцов резиновой смеси и вулканизатов, полученных в разных производственных условиях.

Рисунок 9 - Микрофотография вулкани- Рисунок 10-Электронно-

зата на основе БК-1675 с содержанием микроскопическое изображение струк-52,5 м.ч. ТУ П-234 на 100 м.ч. полимера туры частиц, присутствующих в вулка-при увеличении 10000 крат. низате с 52,5 м.ч. ТУ. Метод угольных

реплик: а, в, д - светлопольные изображения, б, г, е - микроэлектронограммы к а, в, д соответственно; на а-г представлены частицы ТУ с гексагональной кристаллической решеткой, на д — е - с кубической (оцк) кристаллической решеткой. Стрелками указаны кристаллиты, формирующие данные частицы

Характерные электронно-микроскопические изображения включений, приведены на рисунке 10. В большинстве случаев частицы представляют собой плоские образования осколочной формы, их средние размеры составляют 96 + 11 нм. Распределение частиц по размерам является мономодальным и может быть описано логарифмически нормальным законом.

По результатам фазового анализа установлено что, основной фазой, экстрагированной методом угольных реплик, является ТУ, в большинстве случаев частицы ТУ имеют гексагональную кристаллическую решетку (рисунок 10, а-г), в отдельных случаях обнаруживаются частицы ТУ с кубической (оцк) кристаллической решеткой (рисунок 10 д, е). Частицы ТУ в образце имеют нанокристаллическое строение (независимо от типа кристаллической решетки). Размеры кристаллитов 20-25 нм. О нанокристал-лической структуре частиц ТУ также свидетельствует характерное кольцевое строение микроэлектронограмм.

Совокупность полученных экспериментальных данных по изучению макро- и микроструктуры КМ на основе БК позволила оценить степени диспергирования и однородности системы, отражающие колебания концентрации или содержания какого-либо компонента в различных ее микрообъемах. Степени диспергирования для 10-ти образцов с ТУ П-234, концентрацией 45 м.ч. на 100 м.ч. БК, определенные на макроуровне по методам Ли-Дагмора и методу сравнения с эталонными фотографиями, составили соответственно: 93,05%, при среднем диаметре наблюдаемых агломератов - 19,95 мкм и 97,4% при среднем диаметре 18,9 мкм; на границе ме-зоуровень II - микроуровень - 95,2%, при среднем диаметре частиц 1,388 мкм. Неоднородность распределения ТУ в каучуковой матрице, определенная в соответствии с уровнем серого, разработанными программными методами обработки изображения, составила для образцов с ТУ П-234 концентрации 45 м.ч. - 13,22%; концентрации 52,5 м.ч. - 7,0%; концентрации 75 м.ч. - 6,9%; для образцов с ТУ П-324 при концентрации 45 м.ч. -11,56%, концентрации 52,5 м.ч. - 12,4%, концентрации 75 м.ч. - 12,7%.

Полученные данные свидетельствуют о статистически беспорядочном распределении электропроводящего наполнителя в полимерной матрице, что доказывает возможность получения по условиям технологического процесса КМ с неоднородностью ~П%. Это с одной стороны, подтверждает положение о возможности рассмотрения резистивного материала НТМКЭ как приближенно однородного по условиям удельной электропроводности, принятое при выборе расчетных моделей, а с другой - позволяет на основе организации регулярной структуры электропроводящего наполнителя формировать КМ со стабильными электро-, теплофизически-ми характеристиками.

По результатам электрофизических исследований наиболее низкие стабильные значения удельных объемных сопротивлений отмечаются у вулка-низатов резиновой смеси, содержащих ТУ П-234, П-245 и связываются с их повышенной дисперсностью, структурностью, определяющими густоту вул-канизационной сетки; кроме того, наблюдается уменьшение анизотропии

свойств у высоконаполненных вулканизатов резиновой смеси с ТУ П-234, что соотносится с результатами микроскопических исследований.

С целью определения преобладающего механизма электрической проводимости разработанных дисперснонаполненных материалов получены зависимости удельного объемного сопротивления вулканизатов резиновой смеси от температуры (рисунок И) и вольтамперные характеристики вулканизатов резиновой смеси (рисунок 12), свидетельствующие об установлении непосредственного контакта между частицами ТУ в полимер -ной матрице, образующими непрерывную пространственную структуру.

> Вулканизат с ТУ П-324, вырезанный продольно —■— Вулканизат с ТУ П-324, вырезанный поперечно - Вулканизат с ТУ П-234, вырезанный продольно —И— Вулканизат с ТУ П-234, вырезанный поперечно

Т)

2

Ж 60 у

О

50 ■

<5.

40 -

30

20

10

0

О 20 40 60 80 100 120 140

Рисунок 11 -Зависимости удельного объемного электрического сопротивления вулканизатов резиновой смеси от температуры

9,0 8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2.0 1,0 0,0

< 2

у»ОВ79х-05288

уЧ

1а»оямв А''

|й|о8э№-оэбвг

/

^ У » 0 28Э2х • 0 0436

>00452 9877

«и*

• Вулканизат с ТУ П-324, вырезанный продольно

Вулканизат с ТУ П-324, вырезанный поперечно

Д Вулканизат с ТУ П-234, вырезанный продольно

X Вулканизат с ТУ П-234, вырезанный поперечно

■--Линейная зависимость (Вулканизат с ТУ

П-234. вырезанный продольно)

Линейная зависимость (Вулканизат с ТУ П-234, вырезанный поперечно)

- Линейная зависимость (Вулканизат С ТУ П-324, вырезанный продольно)

- Линейная зависимость (Вулканизат с ТУ П-324, вырезанный поперечно)

Рисунок 12 - Вольтамперные характеристики вулканизатов резиновой смеси и уравнения аппроксимирующих функций

В главе приведены результаты тепловизионных испытаний НТМКЭ пластинчатого и цилиндрического типов, как наиболее точные и информативные, позволившие оценить неравномерность распределения температуры по рабочей поверхности МКЭ-1, которая составила - 7,5%, МКЭ-2, внутренним диаметром 24мм, - 11,2%, при погрешности измерений ±0,1 °С. Основные электро-, теплофизические и технические характеристики разработанных МКЭ-1,2 приведены в таблице 4.

Таблица 4

Параметр Тип электрообогревателя

пластинчатые (МКЭ-1) объемные (МКЭ-2)

Габаритные размеры: длина, мм; 200-1000±5% 2<ХН1000±5%

1 ширина, мм; толщина, мм; 135-К>00±5% 1(Ы5±5% 10-15±5%

внутренний диаметр, мм - 24+620±5%

2 Масса, кг 0,35-И 2±2% 0,27-50,0±2%

3 Номинальное напряжение, В 220±10% 380/220±10%

4 Удельная мощность, не более, Вт/м2 1200 1000

5 Температура окружающей среды (зоны обогрева), "С от-40 до+25 от-40 до+25

6 Температура на поверхности без теплоотвода, °С от+10 до+90 ±15% от+10 до 70 ±15%

7 Сопротивление изоляции, не менее, МОм 1000 1000

8 Ток утечки, не более, А 25-10"" 75-10"6

9 Напряжение пробоя, не менее, кВ 9,0 7,0

10 Диэлектрическая проницаемость изоляционного слоя, при МкГц, 2,0-3,5 2,0-3,5

И Тангенс диэлектрических потерь (1,4-1,6)10° (1,4-1,6)10"3

Удельное объемное сопротив-

12 ление проводящего слоя для рабочих концентраций ТУ, Ом-м 4,8-10,0 7,4-10,0

13 Наработка на отказ, не менее, ч 50000 10000

Для подтверждения теоретических положений и проектно-конструкторских расчетов выполнены экспериментальные исследования образцов 2-х, 3-х, 5-ти электродных объемных электрообогревателей, используемых для шнекового подогрева зерна.

Данные эксперимента подтвердили совпадение с результатами, полученными теоретическим путем (таблица 5).

Таблица 5

№п.п Схема включения Сопротивление, Ом Средняя температура Градиент температуры, АТ °С Мощность, Вт

МКЭ-2 теплоотвода, Т°С эксперимент расчет эксперимент расчет

1 1637 22 4 29,6

2 1,5 1834 21 3 3 26,4 29,0

3 1874 21 3 25,8

1 382 32 14 126,7

2 • 1,5;3 417 30 12 12 116,1 120,0

3 445 29 11 108,8

1 189 45 27 256,1

2 1,3,5;2,4 210 42 24 25 230,5 240,0

3 236 40 22 205,1

В шестой главе приведена технология производства многоэлектродных композиционных электрообогревателей для обогрева объектов АПК.

Полученный комплекс конструктивно - технологических параметров, а также теоретические и экспериментальные исследования (глава пять), определившие физико-химические основы создания электропроводного слоя КМ, его электро-, теплофизические характеристики позволили установить основные требования и задачи разработки технологии промышленного производства НТМКЭ.

Поставленная задача потребовала системного решения, включающего направленное проектирование рецептуры и технологических режимов создания наполненных полимерных материалов с заранее заданными свойствами и управления ими с использованием методов структурного анализа композиций и комплексной оценки физико-механических и электро-теплофизических параметров на всех этапах изготовления КМ, выработку управляющих воздействий для регулирования свойств КМ на контрольных стадиях технологического процесса.

Вариант композиции сложившийся на основе теоретических и экспериментальных исследований с содержанием 52,5 м. ч. ТУ П-234 в смеси приведен в таблице 6.

Таблица 6 - состав композиции с содержанием 52,5 м. ч. ТУ П-234

№ п.п. Наименование ингредиента Содержание ингредиента на 100 м.ч. каучука Массовые части ингредиента, %

1 Бутилкаучук БК-1675 100 53,22

2 Кислота стеариновая 3,00 1,60

3 Оксид цинка БЦО-М 3,00 1,60

4 Гексол ЗВИ 0,90 0,48

5 Смола октофор ОН 9,00 4,79

6 Барит 15,00 7,98

7 ТУ П-234 52,50 27,94

8 Масло мягчитель ПМ 4,50 2,39

9 Маточная смесь 213,70 100,00

Средняя плотность, г/см3 1,22 ±0,02

В результате изготовления нескольких опытно-промышленных партий НТМКЭ была разработана проектно-конструкторско-технологическая документация на промышленное производство многоэлектродного композиционного электрообогревателя пластинчатого МКЭ-1 и объемного МКЭ-2 типов.

Рисунок 13 - Многоэлектродный композиционный электрообогреватель (общий вид) - а) пластинчатого типа; б) цилиндрического типа.

Пластинчатый электрообогреватель содержит размещенный между изоляционными слоями 1 и 2 электропроводящий слой 3 на основе композиции БК и ТУ и находящуюся в нем систему параллельно расположенных групп электродов 4 и токоподводы 5 (рисунок 13, а).

Предлагаемый гибкий композиционный электрообогреватель МКЭ-1 (на уровне изобретения) по сравнению с известными техническими решениями позволяет за счет группового расположения электродов обеспечить равномерность нагрева протяженных объектов.

На уровне изобретения разработано устройство, позволяющее обеспечить возможность объемного обогрева объектов, имеющих внешнюю цилиндрическую поверхность, путем концентрирования тепловой энергии к обогреваемому объекту и создания теплового барьера за счет воздушного пространства между электрообогревателем и объектом обогрева при минимальных материальных и энергетических затратах.

В композиционном гибком электрообогревателе МКЭ-2 на основе бу-тилкаучука, внутри корпуса из изоляционного слоя 1 размещен электропроводный слой 2, в котором установлены электроды 3, связанные с токо-проводящими жилами кабеля 4. Корпус из изоляционного слоя имеет форму цилиндрической поверхности, электроды расположены вдоль образующей (рисунок 13, б).

Изготовление МКЭ-1 различных типоразмеров и МКЭ-2 внутренним диаметром 24 мм осуществляется вулканизацией прессованием при температуре 173±3 "С, давлении 11 МПа в течение 30±5 мин, вулканизация МКЭ-2, внутренним диаметром 216 мм и более, осуществляется острым паром в паровоздушной среде при давлении 0,45 МПа, температуре в течение 3 часов в автоклаве ВП-6909, емкостью 650 л.

В главе седьмой приведены основные результаты внедрения теоретических положений, а также устройств и установок на основе электрообогревателей МКЭ (таблица 7).

Таблица 7 Основные результаты внедрения

№ п. п. Наименование Характеристика Организация, утвердившая документ

1 2 3 4

Научно-методическая база

1 Методы расчета стационарных плоскопараллельных потенциальных полей в условиях квазиоднородной среды и их программная реализация. Методологические основы исследования, расчета и проектирования электропроводящих композиционных систем пластинчатого и объемного типов Научно-методические рекомендации Национальная ахадемия наук Украины Институт электродинамики, Национальная академия наук Азербайджана Институт физики, АлгГТУ

2 Электротехнология в зернопереработке - проектирование систем подогрева зерна на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей Научно-методические и практические рекомендации Союз зернопереработчиков Алтайского края, ЗАО «Со-юзмука»

3 Система электрообогрева счетчиков электроэнергии в щитах учета с использованием многтоэлеетродных композиционных электрообогревателей на предприятиях АПК Научно-методические и практические рекомендации Главное управление сельского хозяйства администрации Алтайского (фая, Алтайское межрегиональное управление по технологическому и экологическому надзору «Росэнерго»

Проектно-технологическая база

4 Разработка энергоэкономичкых систем обогрева сливов кровли зданий и сооружений на основе обогревателей МКЭ Проекпгсьтехнологическиие и практические рекомендации. Разработка проекта ЗАО Инженерный центр «Планета», Алтайское краевое государственное унитарное предприятие (АКГУП) «Алтайстройза-казчик», ОАО «Алгайгра-ждан проект», ФГУ «Ал-тайгосэнергонадаор»

5 Разработка энергоэффективных систем подогрева трехфазных счетчиков в щитах раздельного учета электроэнергии Проектао-техиологнчесюше и практические рекомендации. Четыре технических условия на изделия ЗАО Инженерный центр «Планета», Главное управление сельского хозяйства администрации Алтайского края, ФГУ «Алгайгосэнер- гонаазор», Алтайский центр стандартизации, метрологии и сертификации (АЦСМиС), Региональный центр управления энергосбережением (г. Томск)

6 Разработка технологии производства многоэлектродных композиционных электрообогревателей МКЭ Проектно-технологическиие и практические рекомендации. Технические условия на изделия ОАО «Баранульский шинный завод», ЗАО Инженерный центр «Планета», Главное управление сельского хозяйства администрации Алтайского края, ФГУ «Алтайгосэнергонад-зор», АЦСМиС, ОАО «Восток-Латекс»

Учебный процесс

7 Расчет и проектирование систем подогрева зерна на основе многголектродных композиционных электрообогревателей Научно-методические и практические рекомендации АлгГТУ, АГАУ, НГАСУ

8 Система электрообогрева счетчиков электроэнергии в щитах учета с использованием многоэлектродных композиционных электрообогревателей на предприятиях АПК Научно-методические и практические рекомендации АлгГТУ, АГАУ

1 2 3 4

9 V Практические методы определения электрофизических характеристик электропроводных и электроизоляционных материалов Методические указания к выполнению лабораторных работ по курсам: «Электротехнические материалы» и «Материаловедение и технология конструкционных материалов» АлгГТУ, АлтГУ, НГАСУ

10 Многоэлектродные композиционные электрообогреватели пластинчатого и цилиндрического типа для предприятий АПК Патент РФ №2177211 «Гибкий композиционный электрообогреватель» (четвертый год использования), Патент РФ №2191486 «Композиционный гибкий электрообогреватель» (соавторы В Л. Тарабанов, С.П. Морозов третий год использования) Кафедра ИИТ, ТЭП и ЭЭС, СМ АлгГТУ,

Ап робация технологий

11 Организация серийного выпуска многоэлектродных композиционных электрообогревателей МКЭ Сертификат соответствия № РОСС RU. АЯ82. H 00628, № roc per. 0230083 от 30.06.2003 Орган по сертификации продукции и услуг ООО «Алгайсертифика», ОАО «Восток-Латекс», ОАО «Барнаульский шинный завод»

12 Разработка и передача технических условий для организации промышленного производства щитов учета электроэнергии с применением электрообогревателей МКЭ Технические условия: ТУ3433-005-02067824-2002, per. №003891 от 04.12 2002; ГУ 3433-006-02067824-2002, реп№ 003895 от 0612 2002; ТУ 3434009-02067824-2003 рег.№ 004403 от 09 03 2004г.; ТУ 3434-011-02067824-2004 рег.№ 004714 от 27.12.2004 Главное управление сельского хозяйства администрации Алтайского края, ФГУ «Алгайгосэнергонад-зор», АЦСМиС, АлгГТУ, ООО «Спецмонтажреги-он», ОАО «Первомайское Агропромэнерго», ЗАО «Запсибэлектромонтаж» (Барнаульский филиал), ООО «БАКО»

13 Внедрение систем обогрева водостоков зданий на основе МКЭ Акт технической готовности от 08.04.2004 г. на выполнение электромонтажных работ по элеюроподогреву крыш (вертикальных водостоков) на Алтайском краевом театре драмы им. В. M Шукшина АКГУП «Алгайстройзаказ-чик», Алтайский краевой театр драмы им. В. М. Шукшина, АлгГТУ

14 Внедрение системы подогрева зерна Акт о внедрении результатов НИР отЗО.12 2004 ЗАО «Союзмука», АлгГТУ

15 Внедрение устройств на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей МКЭ Действующие установки Предприятия АПК Алтайского края, в том числе. ОАО «Алтай-Известь», СПК «Повалихинский», КГУП птицефабрика «Молодежная», предприятия АПК Министерства сельского хозяйства Азербайджана, ОАО «Алтайсельэ-лектросегьстрой»

По результатам теоретических и экспериментальных исследований освоено сертифицированное производство многоэлектродных композиционных электрообогревателей МКЭ, реализуемых через торговую сеть. Общий объем продаж изделий составил более 30 тыс. шт. Внедрение раздельного учета электроэнергии на предприятиях АПК Алтайского края, начиная с 1997 года, включает установку 28,0 тыс. щитов учета (ЩУ) с использовани-

ем электрообогревателей МКЭ-1. Фактический экономический эффект на один ЩУ составил 342 руб., а по краю - 9,6 млн. руб. за счет уменьшения затрат на электрообогрев по сравнению с традиционными способами в 2,5-3 раза.

Использование МКЭ-1,2 для подогрева зерна в перерабатывающей промышленности при производительности мельницы 100-140 т. в сутки дает экономический эффект около 150 тыс. руб. в год за счет снижения удельных энергозатрат по сравнению с известными установками в 1,5-2 раза.

Кроме того, в главе семь приведены результаты исследования на экологическую безопасность электрообогревателей МКЭ. Количественные и качественные исследования выделяющихся газообразных продуктов проводились применительно к птичникам, так как окружающая среда в них считается наиболее агрессивной по сравнению с коровниками, свинарниками и кошарами. Установлено, что в процессе термостатирования при 40 °С в течение 14 сут. из модельной смеси куриного помета с резинами выделяется меньше газообразных продуктов что ниже допустимых норм), чем из помета, что свидетельствует о замедлении процесса разложения помета на резиновом электрообогревателе, и позволяет сохранить помету свойства, присущие ему, как удобрению, что экономически выгодно.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.Системно-аналитическая оценка состояния поверхностно-распределеного электрообогрева в агропромышленном производстве выявила необходимость установления взаимосвязи комплекса электро-, теплофи-зических характеристик с важнейшими эксплуатационными параметрами: надежностью, скойкостью к агрессивным средам, электробезопасностью и позволила выделить основные факторы, определяющие интенсификацию процесса низкотемпературного поверхностно-распределеннного обогрева, обеспечивающие повышение сохранности и улучшение качества сельскохозяйственной продукции при снижении энергоматериальных и трудовых затрат. Это позволило сформулировать требования и рекомендации на разработку и создание электрообогревателей на базе оценки особенностей формирования структуры электрических и тепловых полей в резистивном материале электрообогревателей с системами электродов.

2. Предложены обобщенные схемы многоэлектродных электрообогревателей пластинчатого и осесимметричного типов, обоснованы возможности использования аналогий между электрическим, тепловым и электростатическим полями а также применения аналитических методов комплексного переменного и непосредственного определения напряженности поля. Теоретически обоснованы и разработаны плоскопараллельные расчетные модели НТМКЭ пластинчатого и цилиндрического типов, позволяющие получить с учетом главных определяющих факторов: геометрических параметров, организации систем электродов, электро-, теплофизиче-ских характеристик электропроводящего и изоляционного материалов,

граничных условий наряду с достоверной оценкой качественных особенностей работы многоэлектродных электрообогревателей, количественные результаты, являющиеся основой для расчета и проектирования электрообогревателей с заданными техническими характеристиками.

3. Выполнен теоретический анализ, разработан метод расчета и точные формулы определения комплекса электрических параметров для многоэлектродных систем пластинчатого типа: напряженности поля, электрического тока, электрической проводимости, распределения потенциала по поверхности НТМКЭ, с использованием полученной взаимосвязи координат точек исходной и отображенной плоскостей, выражений напряженности электрического поля в отображенной плоскости, установленных на основе методов конформных преобразований и непосредственного определения напряженности поля.

Показано, что для уменьшения нелинейности распределения потенциала как вдоль нижней, так и вдоль верхней частей системы следует выбирать отношение ширины электрода к толщине резистивного слоя, равное ~0,6, и увеличивать отношение длины резистивного слоя к его толщине; на других участках системы, с погрешностью 0,5%, распределение потенциала является линейным. Изменение приращения потенциала на различных участках системы приводит к соответствующим отклонениям температуры, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации электрообогревателей.

4. Получены новые точные формулы, позволяющие прямым расчетом определить электрическую проводимость в системах: с двумя парами электродов, с двумя трехэлектродными системами, с тремя, пятью, девятью, и т.д. электродами с учетом различных влияющих величин: толщины, смещения электродов, распределения частичных проводимостей в многоэлектродной системе, что позволяет использовать их при проектировании НТМКЭ для обогрева протяженных и крупногабаритных объектов.

Показано, что при одинаковых значениях ширины электродов для двух-, четырех- и шестиэлектродных систем значения безразмерной проводимости остаются неизменными, что подтверждает преемственность полученных результатов при расчете различных систем НТМКЭ.

5. Теоретически обоснован аналитический метод определения электрической проводимости многоэлектродной осесимметричной системы, основанный на методе конформных преобразований и дающий возможность построить достоверную математическую модель; получены точные и приближенные формулы, позволяющие получить в явном виде зависимость электрической проводимости двух-, трех-, пяти-, девятиэлектродных и т.д. систем цилиндрического типа от конструктивных параметров. Показано, что зависимость электрической проводимости электрообогревателя от ширины электродов носит логарифмический характер, увеличение отношения внутреннего радиуса электропроводного слоя к внешнему приводит к уменьшению значений безразмерных проводимостей при постоянных значениях отношения ширины электродов к разности вышеуказанных ра-

диусов, а возрастание последнего отношения при постоянных отношениях радиусов электропроводного слоя увеличивает проводимость электрообогревателя.

6. Предложены методики и получены точные и приближенные формулы для определения потока тепла, количества тепла, разности температур, тепловой проводимости между резистивным материалом и объектом теплоотвода для электрообогревателя при учете ширины теплоизоляционного слоя, толщины и смещения резистивного слоя относительно оси симметрии. Установлено, что относительное уменьшение тепловой проводимости с учетом ширины теплоизолятора составило < 6,6 % при расчете по точной и при расчете по приближенной формулам.

Проведенная оценка распределения температуры по поверхности электрообогревателя, разностей температур между характерными точками позволяет определить конструктивные размеры электрообогревателя, обеспечивающие минимальные отклонения температур на его поверхности - важнейшую характеристику поверхностно- распределенного обогрева. Установлено, что при выборе отношения толщины электропроводного слоя электрообогревателя к его общей толщине > 0,3, а длины к толщине > 0,5 отклонение температур на поверхности А Т, /Л Т с оставит, не более 1,24 %.

7. Проведенные комплексные исследования структуры электропроводящей фазы композиционного материала на основе бутилкаучука с наполнителем в виде дисперсного технического углерода позволили определить качественные и количественные характеристики отдельных стуктурных элементов и установить их связь с конечными тепло-, электрофизическими характеристиками композиционного материала. Установлено, что используемая технология производства КМ позволяет обеспечить статистически беспорядочное распределение электропроводящего наполнителя различных структурных уровней в полимерной матрице, что обеспечивает получение композиционного материала с неоднородностью от 7% при использовании ТУ П-234 до 12,7% - ТУ П-324 рабочих концентраций.

Показано, что критерием обеспечения однородности композиционного материала по удельной электропроводимости является организация регулярности структуры электропроводящего наполнителя в бутилкаучуко-вой матрице.

Разработанный комплекс структурных и электро-, теплофизических исследований подтвердил соответствие расчетных моделей реальным конструкциям НТМКЭ, показал соответствие теоретических положений диссертационной работы результатам экспериментальных исследований.

9. Разработаны научно-методические и проектно-конструкторско-технологические рекомендации по созданию низкотемпературных многоэлектродных композиционных электрообогревателей, обеспечившие: разработку конструкций НТМКЭ пластинчатого и цилиндрического типов (на уровне изобретений); разработку состава композиции электропроводного материала на основе бутилкаучука, разработку технологии промышленного производства обогревателей МКЭ-1,2, объемом 30000 шт., с разработ-

кой технических условий и проведением сертификационных испытаний; создание на их основе систем обогрева для предприятий АПК (подогрев индукционных счетчиков учета на предприятиях Агропромэнерго Алтайского края, напольный обогрев молодняка животных и птицы, подогрев зерна на предприятиях перерабатывающей промышленности), позволяющих снизить энергозатраты по сравнению с известными средствами электрообогрева индукционных счетчиков в щитах учета электроэнергии в 2,5Л-3 раза при снижении материальных затрат. Использование МКЭ-1,2 для подогрева зерна в перерабатывающей промышленности обеспечивает экономический эффект около 150 тыс. руб. в год за счет снижения удельных энергозатрат по сравнению с известными установками в 1,5-Л-2 раза.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Халина Т.М. Теоретический анализ и расчет электрической проводимости многоэлектродных низкотемпературных композиционных электрообогревателей // Электротехника. - 2001. - №8. - С. 57-62.

2. Халина Т.М. Расчет электрической проводимости между системами электродов в композиционном электрообогревателе // Электричество. - 2003. -№10.-С. 53-61.

3. KhalinaT.M. Calculation of electrical conductance between the electrode system in a composite electric heater // Electrical Technology Russia - 2003. - №4. - P. 43-57.

4. Халина Т.М. Анализ структуры электропроводящего композиционного материала на основе бутилкаучука для низкотемпературных композиционных электрообогревателей // Известия Вузов. Физика - 2004. -№10. - С. 38-47.

5. Халина Т.М. Расчет распределения температуры по поверхности низкотемпературного композиционного электрообогревателя для предприятий агропромышленного комплекса // Известия ТПУ. - 2004. - Т. 307: №7. - С. 95-99.

6. Халина Т.М., Пугачев ГА, Строков М.Н. Разработка и применение систем обогрева счетчиков электроэнергии на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей для щитов учета на предприятиях АПК // Ползуновский вестник. - 2005. - №2. - С. 89-94.

7. Халина Т.М.. Марсов В.Ю. Система подогрева зерна на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей // Ползуновский вестник. - 2005. -№2.-С. 116-119.

8. Халина Т.М. Определение распределения потенциала по поверхности низкотемпературного композиционного электрообогревателя с копланарными электродами // Известия вузов. Строительство. -1999. - №6. - С. 80-88.

9. Халина Т.М. Расчет тепловой проводимости в одной несимметричной плоскопараллельной системе тел // Известия вузов. Строительство. - 2002. - №7. -С. 141-146.

10. Пугачев Г. А., Халин М.В., Халина Т.М. Методика выполнения физико-механических исследований и испытаний на стойкость к агрессивным средам гибких композиционных электрообогревателей // Известия вузов. Строительство. - 1992. -№4.-С. 110-114.

11. Халина Т.М., Халин М.В. Рациональное использование напольных электрообогревателей сельскохозяйственного назначения // Роль Алтайского края в решении Продовольственной программы: Сборник тезисов докладов к межвузовской конференции. - Барнаул: АГУ, 1987.-С. 193-194.

12. Никольский O.K, Халин М.В., Халина Т.М., Хозяйкин СВ. Разработка технических требований на нагреватели из резистивного композиционного материала, ис-

следование и создание на их основе электрообогреваемых полов: Научно-технический отчет / АлтПИ. - № Гос. per. 028.60019745. - Барнаул: АлтПИ, 1985. - 56с.

13. Халин М.В., Халина Т.М., Давыдов Я.Я. Расчет и внедрение композиционных резисторов для электрообогрева животноводческих помещений: Научно-технический отчет/АлтПИ. -№ Гос. per. 0289.0059511. -Барнаул: АлтПИ, 1989. - 80с.

14. Халина Т.М. К вопросу выбора состава композиции резистивных электропроводящих материалов // Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе: Тезисы докладов к 5-му Всесоюзному совещанию. — Барнаул: АлтПИ, 1990.-С. 96-99.

15. Халин М.В., Халина Т.М., Автономов И.В. Разработка рекомендаций по технологии и составам электронагревательных элементов на основе вторичных угле-графитовых ресурсов: Научно-технический отчет / АлтПИ. — № Гос. per. 0291. 0037904. - Барнаул: АлтПИ, 1991. - 92с.

16. Халин М.В., Халина Т.М., Автономов И.В. Разработка рекомендаций и технологического регламента промышленного производства нагревателей из электропроводной резины: Научно-технический отчет / АлтПИ. — № Гос. per. 0291. 0025648. -Барнаул: АлтПИ, 1991. - 20с.

17. Патент РФ № 2037895, кл. Н 01 С 7/00 Композиционный резистивный ма-териал/М.В. Халин, Т.М. Халина, П.И. Госьков, В.Л. Тарабанов. -№ 93011354. Заявл. 02.03.93; Опубл. 19.06.95, Бюл. №17.

18. Патент РФ №2055446, кл. Н 05 В 3/34 Гибкий композиционный электрообогреватель / Т.М. Халина, М.В. Халин, И.В. Автономов - №93006711/07. Заявл. 03.02.93; Опубл. 27.02.96., Бюл. №6.

19. Халин М.В., Халина Т.М. Влияние особенностей технологии производства электрообогревателей из композиционных материалов на электрофизические характеристики // Химическое и нефтяное машиностроение. -1996.- №4.- С. 18-20.

20. Технические условия 3433-001-02067824-97. Щиты учета электроэнергии ЩУЭ 100, ЩУЭ-600/ Разработчики Халина Т.М., Халин М.В., Сутормин А.В. - Барнаул: Алтайский ЦСМ, 1997. - 15с.

21. Технические условия 3433-002-02067824-97. Щиты учета электроэнергии ЩУЭ-П-100, ЩУЭ-Т-400/ Разработчики Халина Т.М., Халин М.В., Сутормин А.В. -Барнаул: Алтайский ЦСМ, 1997. - 16с.

22. Т.М. Khalina Calculation of electrical conductivity between two pairs of co-planar electrodes disposed in conductor of rectangular section // Azarbaycan Elmbr Akademiyasi H.M. Abdullayev adina Fizika Institutu. Fizika - BAK1: ELM NOSRIYYATI. -1999. - Cild 5. - №2. - P. 14-22.

23. Евстигнеев В.В., Халин М.В., Халина Т.М., Сутормин А.В., Морозов СП. Расчет тепловой проводимости гибкого композиционного электрообогревателя // Теплоэнергетика: Сборник научных трудов - Новосибирск: НГТУ, 1999. - С. 157-169.

24. Т.М. Khalina Calculation of partial conductivities between the coplanar electrodes of the low temperature composition electrical heater // Azarbaycan Elmbr Akademi-yasi H.M. Abdullayev adina Fizika Institutu. Fizika. - BAKI: ELM NOSRIYYATI. - 1999. - Cild 5. -№3.-P. 67-71.

25. Халин М.В., Халина Т.М., Сутормин А.В., Морозов СП., Тарабанов В.Л. Анализ различных способов обогрева трехфазных счетчиков в щитах раздельного учета электроэнергии // Труды СО АИН РФ. Вып. 1 - Барнаул: АлтГТУ, 2000. - С. 50-55.

26. Евстигнеев В.В., Халина Т.М. Расчет тепловой проводимости между длинной пластиной, размещенной в прямоугольном теплоизоляторе, и телом с плоской поверхностью // Труды СО АИН РФ. Вып. 1 - Барнаул: АлтГТУ, 2000. - С. 15-22.

27. Халина Т.М. Расчет, проектирование и особенности технологии производства многоэлектродного низкотемпературного композиционного электрообогревателя // Фундаментальные и прикладные исследования для производства: Международный межвузовский сборник научных статей. - Барнаул: АлтГТУ, 2000. - С 168-171.

28. T.M. Khalina / Electrical conductivity between the coplanar plates of flexible composite electric heather of rectangular cross section / Transaction of Aserbaijan Academy of sciences: Series ofphysical-mathematical and technical sciences. Physics and astronomy -Baku: ELM Publishers. - 2000. - Vol. XX. - №2. - P. 33-41.

29. Халина Т.М. Расчет тепловой проводимости сложных по конфигурации систем // Измерение, контроль, информатизация: Материалы второй международной научно-технической конференции. - Барнаул: АлтГТУ, 2001. - С. 48-52.

30. Евстигнеев В.В., Пугачев ГА, Халина Т.М., Халин М.В. Расчет и проектирование низкотемпературных композиционных электрообогревателей. - Новосибирск: Наука, 2001. - 168с.

31. Халина Т.М., Халин М.В. Белоусов Р.Н. Жуйков А. В. Совершенствование технологии производства пластинчатых электрообогревателей с целью обеспечения стабильности характеристик изделий // Проблемы качества в XXI веке: Материалы Международной научно-практической конференции - Барнаул: АлтГТУ, 2001. - С. 97-100.

32. Халина Т.М. Разработка конструкции и технологии производства объемных многоэлектродных низкотемпературных электрообогревателей // Проблемы качества в XXI веке: Материалы Международной научно-практической конференции. - Барнаул: АлтГТУ, 2001.-С. 95-97.

33. Халин М.В., Халина Т.М., Строков М.Н. Способы обогрева трехфазных счетчиков в щитах учета электроэнергии // Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России: Тезисы докладов Всероссийского совещания. — Томск: ЦНТИ, 2001.-С. 132-134.

34. Халина Т.М., Марсов В.Ю. Объемный низкотемпературный многоэлектродный композиционный электрообогреватель // Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России: Тезисы докладов Всероссийского совещания. - Томск: ЦНТИ, 2001.-С. 130-132.

35. Патент РФ № 2177211, кл. Н 05 В 3/28. Гибкий композиционный электро-обогреватель/Т.М. Халина-№ 2000119089/09. Заявл. 18.07.2000; Опубл. 20.12.2001, Бюл. №35.

36. Халин М.В., Халина Т.М., Белоусов Р.Н. Методы определения электрической проводимости композиционного материала // Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: Материалы и технологии. - Новосибирск: Наука, 2001.-С. 128-132.

37. Халина Т.М, Халин М.В., Жуйков А.В. Расчетные модели электрической и тепловой проводимости электропроводящих композиционных материалов // Самораспространяющийся высокотемпературный синтез: Материалы и технологии. -Новосибирск: Наука, 2001. - С. 237-247.

38. Халина Т.М. Расчет электрической проводимости осесимметричных низкотемпературных композиционных электрообогревателей // Технические и физические проблемы энергетики (ТРЕ-2002): Сборник статей 1-ой Международной конференции памяти Ч.М. Джуварлы. ИФ НАН Азербайджана. - Баку: NIPA, 2002. - С. 300-305.

39. Халина Т.М., Халин М.В., Строков М.Н Особенности технологического процесса изготовления композиционных электрообогревателей пластинчатого типа // Технические и физические проблемы энергетики (ТРЕ-2002): Сборник статей 1-ой Международной конференции памяти Ч.М Джуварлы. ИФ НАН Азербайджана. - Баку: NIPA, 2002. - С. 480-486.

40. Патент РФ №2191486, кл. Н 05 В 3/26. Композиционный гибкий электрообогреватель/ Т.М. Халина, В.Л. Тарабанов, СП. Морозов. - № 2000119991/09. Заявл. 26.07.2000; Опубл. 20.10.2002, Бюл. №29.

41. Халина Т.М., Халин М.В., Пугачев Г.А., Марсов В.Ю., Строков М.Н., Белоусов Р.Н. Разработка и внедрение системы обогрева сливов кровли зданий и сооружений на базе многоэлектродных электрообогревателей // Энергосбережение и энергети-

ческая безопасность регионов России: Материалы докладов Всероссийского совещания. - Томск: ЦНТИ, 2002. - С. 97-99.

42. Халина Т.М. Расчет проводимости низкотемпературного многоэлектродного композиционного электрообогревателя цилиндрического типа // Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России: Материалы докладов Всероссийского совещания. - Томск: ЦНТИ, 2002. - С. 99-102.

43. Патент РФ № 2209904, кл. Е 04 Д 13/00 Устройство для удаления льда с водостоков крыш зданий и сооружений / Т.М. Халина, М.В. Халин, ГА Пугачев, ВА Тарибанов, В.Ю. Марсов, М.Н. Строков, Р.Н. Белоусов, А.В. Жуйков - № 2002102526/03. Заявл. 28.01.2002; Опубл. 10.08.2003, Бюл. №22.

44. Патент РФ №2209906, кл. Е 04 Д 13/076. Способ удаления льда с водостоков крыш зданий и сооружений / MB. Халин, Т.М. Халина, В.Ю. Марсов, М.Н. Строков, Е.М. Рябикин, Р.Н. Белоусов, А.В. Жуйков - № 2002118385/03. Заявл. 08.07.2002; Опубл. 10.08.2003, Бюл. №22.

45. Халина Т.М., Халин М.В., Белоусов Р.Н., Дорош АБ., Электрофизические характеристики полимерных композиционных материалов // Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Барнаул: АлтГТУ, 2003. - С. 189-192.

46. Халина Т.М., Марсов В.Ю., Жуйков А.В., Пугачев Г.А. Определение теп-лофизических характеристик полимерных композиционных материалов // Проблемы энергосбережения и энергобезопасности в Сибири: Материалы Всероссийской научно-практической конференции. - Барнаул: АлтГТУ, 2003. - С. 193-196.

47. Халина Т.М., Белоусов Р.Н., Жуйков А.В. Исследование электрофизических характеристик электропроводных композиционных материалов и изделий из них // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Материалы Международной научно-технической конференции. -Томск: ТПУ, 2003. - С. 202-204.

48. Халина Т.М., Марсов В.Ю. Объемный многоэлектродный композиционный электрообогреватель // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Материалы Международной научно-технической конференции. — Томск: ТПУ, 2003. -С.202-204.

49. Халина Т.М., Строков М.Н., Дорош А.Б. Особенности производства композиционных электрообогревателей цилиндрического типа // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Материалы Международной научно-технической конференции. -Томск: ТПУ, 2003. - С. 208-210.

50. Халина Т.М., Дорош А.Б., Марсов В.Ю. Основы технологии производства низкотемпературных композиционных электрообогревателей цилиндрического типа // Электроэнергия и будущее цивилизации: Материалы Международной научно-технической конференции. -Томск: ТГУ, 2004. - С. 457-458.

51. Халина Т.М., Халин М.В., Белоусов Р.Н. Исследование физикомеханиче-ских и электрофизических параметров, влияющих на стабильность характеристик многоэлектродных композиционных электрообогревателей // Электроэнергия и будущее цивилизации: Материалы Международной научно-технической конференции. -Томск: ТГУ, 2004. - С. 459461.

52. Т.М. Khalina, V.U. Marsov, A.V. Zhuykov. Structure Formation Analysis of Electro-Conductive Dispersional Filled Polymers by the Electron Microscopy Methods // Technical and Physical Problems in Power Engineering (TPE - 2004): Second International Conference. - Tabriz, Iran, 2004. - P. 328-332.

53. T.M. Khalina, V.L. Tarabanov, M.V. Khalin, R.N. Belousov, M.N. Strokov, V.U. Marsov. Methods of Electrical Conductance Mechanism Analysis of Filled Polymers on the Basis of Butyl Rubber // Technical and Physical Problems in Power Engineering (TPE -2004): Second International Conference. - Tabriz, Iran, 2004. - P. 316-320.

54. Халина Т.М. Низкотемпературные многоэлектродные композиционные электрообогреватели и обогревательные системы на их основе для предприятий агро-

промышленного комплекса // Ползуновский альманах. — № 4. — Барнаул: АлтГТУ, 2004.-С. 206-208.

55. Халина Т.М. Оценивание структуры электропроводящих композиционных материалов на основе бутилкаучука методами электронной микроскопии // Ползуновский альманах. - № 4. - Барнаул: АлтГТУ, 2004. - С. 215-220.

56. Халина Т.М. Комплексное исследование электрофизических характеристик композиционных электрообогревателей сельскохозяйственного назначения // Ползу-новский альманах. - №4. - Барнаул: АлтГТУ, 2004. - С. 231-237.

57. Халина Т.М. Экологические аспекты при использовании поверхностно-распределенного обогрева на основе низкотемпературных многоэлектродных композиционных электрообогревателей в птичниках // Ползуновский альманах. — № 4. -Барнаул: АлтГТУ, 2004. - С. 249-252.

58. Технические условия ТУ 3468-007-02067824-2003 Многоэлектродные композиционные электрообогреватели МКЭ / Разработчик Т.М. Халина - Барнаул: АЦ-СМиС, 2003.-24с.

59. Халина Т.М. Применение низкотемпературных композиционных электрообогревателей на предприятиях АПК в целях эффективного использования электроэнергии // Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России: Материалы докладов 5-го Всероссийского совещания. - Томск: ТПУ, 2004. - С. 121-123.

60. Халина Т.М., Жуйков А.В. Экспериментальное определение теплофизиче-ских характеристик дисперснонаполненных материалов электрообогревателей для предприятий агропромышленного комплекса // Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России: Материалы докладов 5-го Всероссийского совещания. -Томск: ТПУ, 2004.-С. 123-127.

61. Халина Т.М. Система электрообогрева счетчиков электроэнергии в щитах учета с использованием многоэлектродных композиционных электрообогревателей на предприятиях АПК: Научно-методические и практические рекомендации. - Барнаул: АлтГТУ, 2005 - 14с. ISBN 5-7568-0512-5.

62. Халина Т.М. Расчет и проектирование системы подогрева зерна на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей: Научно-методические и практические рекомендации. - Барнаул: АлтГТУ, 2005. - 24 с. ISBN 5-7568-0513-3.

Подписано в печать 26.05.2005г. Формат 60x841/16 Печать - ризография. Усл.п.л. 2,79. Тираж 100 экз. Заказ 2005-23

Издательство Алтайского государственного технического университета им. И.И. Ползунова 656038, г. Барнаул, пр-т. Ленина, 46

Лицензия на издательскую деятельность ЛР № 020822 от 21.09.98г.

15 \:'ñX, ил

1 »„., к. < ->

íi , í.

Список обозначений.

Введение.

Глава первая. Состояние вопроса и задачи исследований.

1.1 Определение объекта исследований.

1.2 Обзор исследований в области моделирования и создания НТМКЭ для агропромышленного комплекса.

1.3 Основные характеристики НТМКЭ для агропромышленного комплекса, выводы и постановка задач.

Глава вторая. Расчет и анализ электрических параметров многоэлектродных электрообогревателей пластинчатого типа.

2.1 Метод расчета и обоснование расчетных моделей.

2.2 Расчет электрической проводимости между двумя парами копла-нарных электродов, расположенных в проводнике прямоугольного сечения.

2.3 Расчет электрической проводимости между трехэлектродными системами.

2.4 Расчет электрической проводимости многоэлектродных систем низкотемпературных композиционных электрообогревателей.

2.5 Расчет частичных проводимостей между копланарными электродами.

2.6 Расчет электрической проводимости между электродами, размещенными в резистивном материале, с учетом их толщины и смещения.

2.7 Определение распределения потенциала электрического поля системы с копланарными электродами.

Выводы.

Глава третья. Расчет электрической проводимости осесимметричных низкотемпературных композиционных электрообогревателей.

3.1 Электрическая проводимость двухэлектродной системы цилиндрического типа.

3.2 Электрическая проводимость трехэлектродной осесимметричной системы.

3.3 Электрическая проводимость многоэлектродной осесимметричной системы.

Выводы.

Глава четвертая. Расчет тепловых параметров низкотемпературных композиционных электрообогревателей.

4.1 Тепловая проводимость электрообогревателя с учетом толщины изоляционного покрытия.

4.2 Тепловая проводимость электрообогревателя с учетом смещения электропроводного материала.

4.3 Распределение температуры по поверхности электрообогревателя с копланарными электродами.

4.4 Расчёт и проектирование многоэлектродного электрообогревателя

4.4.1 Многоэлектродный электрообогреватель пластинчатой формы.

4.4.2 Многоэлектродный электрообогреватель цилиндрической формы.

Выводы.

Глава пятая. Экспериментальные исследования разработанных электропроводных композиционных материалов и электрообогревателей на их основе.

5.1 Определение структурно - ориентированной модели, качественных и количественных характеристик отдельных структурных элементов электропроводного композиционного материала.

5.1.1 Цель и методы исследования структурно - ориентированной модели.

5.1.2 Оценка морфологии, гранулометрии, фазового состава электропроводного композиционного материала.

5.2 Определение однородности композиционного материала.

5.2.1 Цель исследования однородности композиционного материала.

5.2.2 Определение однородности материала стандартными методами.

5.2.3 Определение однородности материала на микроуровнях.

5.2.4 Определение однородности материала с сетчатой структурой распределения наполнителя в полимерной матрице.

5.3 Комплексное исследование электрофизических свойств композиционных материалов.

5.3.1 Исследование удельных объемных сопротивлений электропроводных композиционных материалов.

5.3.2 Определение температурного коэффициента удельного объемного сопротивления композиционного материала.

5.3.3 Исследование вольтамперных характеристик электропроводного композиционного материала.

5.4 Определение теплофизических характеристик композиционных материалов и электрообогревателей на их основе.

5.5 Основные характеристики разработанных электрообогревателей. Экспериментальная проверка методики расчета.

Выводы.

Глава шестая. Разработка технологической и проектно-конструктор-ской документации на изготовление промышленных образцов электрообогревателей.

6.1 Определение рецептуры и технологической карты производства композиционных материалов с заранее заданными свойствами.

6.2 Разработка конструкций НТМКЭ

6.2.1 Многоэлектродные электрообогреватели пластинчатого типа.

6.2.2 Многоэлектродные обогреватели цилиндрического типа.

6.3 Основы технологии производства МКЭ.

6.3.1 Основы технологии производства электрообогревателей цилиндрического типа.

6.4 Экспериментальное подтверждение выбора параметров технологического процесса.

Выводы.

Глава седьмая. Внедрение низкотемпературных многоэлектродных композиционных электрообогревателей и обогревательных систем на Ф их основе на предприятиях АПК.

7.1 Система электрообогрева индукционных трехфазных счетчиков электроэнергии.

7.2 Система подогрева зерна на зерноперерабатывающих комплексах.

7.2.1 Технологическая схема и теоретические основы расчета шне-кового подогрева.

7.2.2 Расчет основных технических характеристик аппарата подогрева зерна.

7.3 Обогревательная система для удаления льда с крыш и водостоков зданий и сооружений.

7.4 Экологические аспекты поверхностно-распределенного обогрева при использовании низкотемпературных многоэлектродных композиционных электрообогревателей на основе бутилкаучука.

Актуальность проблемы. Произошедшие в России изменения экономических отношений, переход сельского хозяйства на работу в рыночных условиях, акционирование сельскохозяйственных предприятий, создание фермерских хозяйств потребовали изменения подхода к энергопотреблению в агропромышленном комплексе, призванному обеспечить интенсификацию сельскохозяйственного производства в условиях ограниченных финансовых средств.

Недостаточная эффективность использования энергии отнимает необходимые как отдельному хозяйству, региону, так и стране в целом финансовые средства, увеличивает загрязнение окружающей среды, снижает общую эффективность экономики. Потенциал энергосбережения в каждом секторе. российской экономики огромен и составляет до 40 45 % от сложившегося уровня потребления топливо-энергетических ресурсов [1]. Перевод экономики на энергосберегающий путь развития в соответствии с федеральной программой Правительства РФ «Энергосбережение в России в 1998 - 2005 гг.» и региональными программами предусматривает снижение энергоемкости ••<• внутреннего валового продукта на 13,4 %, разработку нормативов на энергетическую эффективность основных видов энергопотребляющего оборудования, введение гибкой тарифной политики на энергоносители, первостепенную поддержку организационных и технических мероприятий, обеспечивающих наибольший эффект при минимальных затратах.

Для осуществления энергосбережения в агропромышленном комплексе (АПК) необходима разработка и внедрение эффективных технических средств и технологий электронагрева, обеспечивающих гарантированное увеличение количественных и качественных показателей сельскохозяйственного производства, способных значительно снизить весовой коэффициент потребления тепловой и электрической энергии в себестоимости продукции; позволяющих организовать раздельный учет электрической энергии, потребляемой населением сельских населенных пунктов и предприятиями сельского хозяйства, на основе использования щитов учета с электроподогревом индукционных счетчиков электроэнергии, что особенно актуально для районов Сибири и Дальнего Востока.

Применение высокоэффективных средств и технологий электронагрева в тепловых процессах сельскохозяйственного производства в сравнении с топливными средствами и системами в большей степени соответствует интенсификации технологических процессов, сопровождается положительными экономическим и социальным эффектами, улучшает экологическую обстановку.

В условиях современного состояния экономики возрастает роль локального низкотемпературного поверхностно-распределенного обогрева (30(Ь-400 К), осуществляемого как с помощью протяженных металлических электронагревательных устройств (ЭНУ): трубчатых электронагревателей (ТЭН), спиралей, нагревательных проводов, обладающих повышенной энерго-, металлоемкостью, требующих расхода дефицитных сплавов для ТЭН, обладающих малым сроком службы в условиях сельскохозяйственного производства, так и более эффективных композиционных электрообогревателей в виде пленок, плиток, панелей, ковриков.

Проведенный анализ известных отечественных и зарубежных низкотемпературных композиционных электрообогревателей (НТКЭ) по физическим процессам, особенностям конструкции и технологии производства, эксплуатационным характеристикам позволил в систематизированном виде выполнить оценку состояния и определить перспективы их применения на предприятиях АПК. Он также выявил необходимость решения проблемы разработки теории многоэлектродных систем НТКЭ и создания на ее основе новых электротехнических конструкций в различных областях науки и сельскохозяйственной техники. Разработка научно обоснованных методов расчета и регулирования электро-, теплофизических параметров обеспечивает решение инженерных задач проектирования и производства низкотемпературных многоэлектродных композиционных электрообогревателей (НТМКЭ) с необходимыми техническими и геометрическими характеристиками, отвечающих требованиям электробезопасности, стойкости к агрессивным средам, экологичности.

Целью работы является теоретическое обоснование и разработка многоэлектродных систем низкотемпературных композиционных электрообогревателей пластинчатого и цилиндрического типов на основе анализа особенностей структуры электрических и тепловых полей в резистивных материалах, обеспечивающих снижение энергоматериальных затрат, экологическую безопасность, повышающих сохранность и улучшающих качество сельскохозяйственной продукции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести системный анализ методов и технических средств низкотемпературного электрообогрева и разработать основные требования к системам электрообогрева с учетом специфики сельскохозяйственного производства;

- обосновать расчетные модели при определении электрических и тепловых проводимостей сложных многоэлектродных систем пластинчатого и цилиндрического типов при учете реальных граничных условий;

- разработать теоретические методы расчета электрических и тепловых проводимостей, распределения потенциала и температуры по поверхности для многоэлектродных систем пластинчатого и осесимметричного типов;

- разработать инженерную методику проектирования и новые технические решения конструкций НТМКЭ и систем обогрева на их основе для предприятий АПК и внедрить их в производство;

- выполнить комплекс экспериментальных исследований структуры резистивного композиционного материала на основе бутилкаучука и технического углерода и комплекс электро-, теплофизических характеристик с целью разработки рекомендаций по совершенствованию технологий производства электрообогревателей;

- разработать конструкторско-технологическую документацию на организацию промышленного производства предлагаемых типов электрообогревателей.

Объект исследования. Объектом исследования являются многоэлектродные системы низкотемпературных композиционных электрообогревателей пластинчатого и цилиндрического типов.

Предмет исследования состоит в теоретическом обосновании и разработке методов расчета электро-, теплофизических параметров многоэлектродных систем НТКЭ, разработке конструкций и технологий их производства.

Методы исследования. При выполнении работы применялись основные положения теории потенциальных полей, электрофизики, методы системного анализа, математической статистики и теории вероятностей, методы теории комплексного переменного, численные методы решения нелинейных трансцендентных уравнений, методы оптической микроскопии, растровой и просвечивающей электронной микроскопии.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

- разработаны новые расчетные модели при определении комплекса электро-, теплофизических характеристик для многоэлектродных систем НТКЭ пластинчатого и осесимметричного типов с расположением электродов в резистивном материале равномерно и группами;

- выполнен теоретический анализ и разработан метод расчета, позволяющий получить общее решение и точные формулы для определения напряженности поля, электрического тока, электрической и тепловой проводи-мостей, распределения потенциала и температуры по поверхности НТМКЭ пластинчатого типа с учетом различных влияющих величин, в том числе: систем организации, смещения и толщины электродов;

- разработан аналитический метод определения электрической проводимости многоэлектродной осесимметричной системы в условиях квазиоднородной среды. Получены новые точные и приближенные формулы, позволяющие определить в явном виде зависимость электрической проводимости двух-, трех-, пятиэлектродных систем цилиндрического типа от конструктивных параметров для целей расчета и проектирования НТМКЭ с требуемой температурой на поверхности;

- теоретически обоснованы и разработаны методы расчета тепловой проводимости системы с учетом ширины теплоизоляционного слоя электрообогревателя, толщины и смещения резистивного слоя;

- разработана инженерная методика проектирования и выполнены расчеты электрообогревателей, обеспечивающие заданные электро-, тепло-физические характеристики и конструктивные параметры;

- выполнен анализ структуры электропроводящей фазы различных составов разработанного композиционного материала на основе бутилкаучука с наполнителем в виде дисперсного технического углерода (ТУ) с нахождением количественных и качественных характеристик комплексными методами, позволяющими установить объективную взаимосвязь между структурными параметрами и электро-, теплофизическими характеристиками;

- разработаны на уровне изобретений новые технические решения, от- . носящиеся к многоэлектродным и осесимметричным системам НТКЭ, включающие разработку конструкций, составов композиций и технологий промышленного производства НТМКЭ, энергоэффективных, экономичных, экологически чистых.

Новизна технических решений защищена пятью патентами.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов подтверждаются научной строгостью разработанных теоретических и экспериментальных методик; сопоставлением результатов аналитического и численного исследований; экспериментальной проверкой результатов расчетов; практической реализацией разработанных методов, технических устройств и технологий.

Практическая ценность. Проведенная обобщенная информационная оценка методов и средств низкотемпературного локального электрообогрева на предприятиях АПК позволила выбрать наиболее эффективную систему обогрева объектов (индукционные счетчики электроэнергии в щитах учета, напольный обогрев молодняка животных и птицы, подогрев зерна и сыпучих продуктов на предприятиях переработки, локальный обогрев водоводов, поилок КРС, маралов, устьев скважин водозаборов и др.) на основе НТМКЭ.

На основе определения структуры потенциальных полей многоэлектродных систем получен массив численных значений электрических и тепловых параметров электрообогревателя для основных используемых на практике типоразмеров НТМКЭ, а также простые и достаточно точные аналитические зависимости электро-, теплофизических характеристик от конструктивно-технологических параметров.

Предложенные научно-методические и проектно-технологические рекомендации положены в основу проектирования и создания эффективных установок электрообогрева заданных форм и типоразмеров с различной структурой электропроводящей фазы, удовлетворяющих требованиям эксплуатации в условиях сельскохозяйственного производства.

Разработаны на уровне изобретений конструкции электрообогревателей пластинчатой и цилиндрической форм, а также энергоэффективные системы обогрева на их основе.

Предложены составы композиций, технология изготовления, в том числе: режимы смешения и вулканизации резиновых смесей, позволяющие уменьшить структурную неоднородность резистивного слоя и повысить стабильность эксплуатационных характеристик композиционных электрообогревателей.

При соответствующем обосновании область применения разработанных методик расчета может быть расширена за счет их использования при создании приборов измерения и контроля линейно-угловых величин, емкости, расчете образцовых конденсаторов и резисторов, электро-, теплотехнических установок для борьбы с гидратобразованиями и нефтепарафинами в нефтегазовой промышленности.

Реализация и внедрение результатов работы. Настоящая диссертация выполнена в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и является составной частью комплексных научно-технических программ:

Энергосбережение Минобразования России на 1999-2005 гг.» во исполнение постановлений Правительства РФ №588 «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России» от 15.06.1998.

Проекта системы машин ВАСХНИЛ на 1986-1990 гг. (раздел Ж12).

Краевой программы научных исследований и инновационных проектов 2005-2008 гг. раздел «Разработка и создание промышленного образца низкотемпературных композиционных электрообогревателей для АПК, промышленности и ЖКХ», тематическим планам АлтГТУ.

Разработанные методы расчета плоскопараллельных полей в приближенно однородных средах для многоэлектродных систем и методика определения электро-, теплофизических характеристик приняты к использованию в Институте электродинамики НАН Украины и Институте физики НАН Азербайджанской республики.

Результаты теоретических исследований и расчетов в совокупности с экспериментальными испытаниями положены в основу разработки технических условий (ТУ) и организации сертифицированного промышленного производства многоэлектродных композиционных электрообогревателей на ОАО «Барнаульский шинный завод» и ОАО «Восток-Латекс» (г. Барнаул), выпуск которых с 1999 г. составил 30 тыс. шт.

Реализация результатов работы заключалась в широких промышленных испытаниях и внедрении электрообогревательных установок на основе НТМКЭ на предприятиях АПК Алтайского края, Томской, Московской областей и Азербайджанской республики, в том числе: в ЗАО «Союзмука», СПК «Жилино», СПК «Повалихинский», АКГУП «ПТФ Молодежная», ОАО

Первомайское Агропромэнерго», ООО «Алтайсельэлектросетьстрой», ООО «Алтайизвесть». Научно-технические разработки и материалы расчетов приняты к внедрению Главным управлением сельского хозяйства и продовольствия администрации Алтайского края и Союзом зернопереработчиков Алтайского края.

Основные положения и результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Электротехнологические установки сельскохозяйственного производства», «Теоретические основы электротехники», «Материаловедение и технология конструкционных материалов», а также в курсовом и дипломном проектировании в Алтайском государственном техническом университете (АлтГТУ), Алтайском государственном агроуниверситете (АГАУ).

На защиту выносятся:

- теоретическое обоснование расчетных моделей многоэлектродных систем НТКЭ пластинчатого и осесимметричного типов, позволяющих с достаточной степенью достоверности определить комплекс электро-, теплофи-зических характеристик в зависимости от конструктивных параметров электрообогревателей;

- теория расчета многоэлектродных систем НТКЭ пластинчатого типа;

- аналитический метод определения электрической проводимости осе-симметричных НТМКЭ;

- методики проектирования и расчета электрических и тепловых параметров НТМКЭ, удовлетворяющих требованиям агропромышленного производства, с учетом различных влияющих величин;

- результаты экспериментального исследования влияния ингредиентов композиции, технологических режимов на организацию структуры и формирование свойств КМ, обеспечивающие степень неоднородности до 7%;

- новые конструкции, эффективные технологические режимы, промышленные образцы НТМКЭ, результаты их производственных испытаний и внедрений на предприятиях АПК.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 12 международных, 2 всесоюзных, 3 российских и других научных (научно-технических) симпозиумах, совещаниях и конференциях. Основными из них являются: межвузовская конференция «Роль Алтайского края в решении Продовольственной программы» (г. Барнаул, 1987 г.); 1-я и 4-я Всесоюзные конференции «Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов «ИКАПП-91» (г. Барнаул, 1991, 1997 гг.); 1-я и 2-я международные научно-технические конференции «Композиты - в народное хозяйство России» (г. Барнаул, 1995, 1997 гг.); 5-е, 6-е, 7-е всероссийские совещания «Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России» (г. Томск, 2001, 2002, 2003 гг.); международная конференция «Вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции» (г. Барнаул, 1995 г.); 2-я международная конференция «Измерение, контроль, информатизация» (г. Барнаул, 2001 г.); международная научно-техническая конференция «Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы» (г. Томск, 2003 г.); 1-я и 2-я международные конференции «Technical & Physical Problems in Power Engineering» (г. Баку, 2002 г., Иран, г. Тебриз, 2004 г.); международная научно-техническая конференция «Энергетика и будущее цивилизации» (г. Томск, 2004 г.), а также на научно-технических семинарах ЭНИНа, НИХТИ, ЗАО ИЦ «Планета» (г. Москва 1991+2004 г.), института физики НАН Азербайджана (г. Баку, 1998г., 2002+2004 гг.), кафедрах «Физика» ТГАСУ, «ТОЭ» ТПУ (г. Томск, 2000+2004 гг.), «Теория электромагнитного поля и электроэнергосбережение» АлтГТУ (г. Барнаул, 1990+2004 гг.).

Разработанные экспериментальные и промышленные образцы изделий экспонировались и были отмечены на следующих выставках и ярмарках: выставка-конгресс «Энергосбережение», Томск, 2001, 2002 г. (дипломы); ВВЦ, павильон Электрификация, 3-я всероссийская выставка «Энергосбережение в регионах России», Москва, 2001 г. (диплом); 7-я специализированная выставка-ярмарка «Строительство. Благоустройство. Интерьер», Барнаул, 2001 г.(диплом); выстака-конгресс «Неделя высоких технологий - 300-летие Санкт-Петербурга», Санкт-Петербург, 2003 г.(диплом I степени, медаль).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 82 печатных работах, в том числе в 5-ти патентах, 2-х научно-методических и практических рекомендациях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения и основных выводов по диссертации, списка литературы, включающего 239 наименований, и приложений. Диссертационная работа изложена на 445 страницах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

На основе выполненных в диссертационной работе теоретических и экспериментальных исследований особенностей структуры электрических и тепловых полей в резистивных материалах разработана теория создания многоэлектродных систем низкотемпературных композиционных электрообогревателей пластинчатого и осесимметричного типов, обеспечивающих снижение энергетических и материальных затрат, экологически безопасных, повышающих сохранность и улучшающих качество сельскохозяйственной продукции.

Полученные результаты представляют собой научно-обоснованные, оформленные в виде методик и прикладных программ рекомендации по расчету электро-, теплофизических параметров для проектирования электрообогревателей с заданными эксплуатационными характеристиками и технические и технологические предложения в виде конструкций, технологических режимов изготовления НТМКЭ, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие сельскохозяйственного производства и перерабатывающей промышленности.

С использованием разработанных проектно-технологических рекомендаций организовано сертифицированное промышленное производство МКЭ, удовлетворяющих широкому спектру требований.

Таким образом решение комплексной задачи создания многоэлектродных систем электрообогревателей низкотемпературного поверхностно-распределенного нагрева позволило выработать рекомендации для использования такой технологии в условиях агропроизводства и сформулировать следующие основные научные и практические результаты.

1. Системно-аналитическая оценка состояния поверхностно-распределенного электрообогрева в агропромышленном производстве выявила необходимость установления взаимосвязи комплекса электро-, теплофизических характеристик с важнейшими эксплуатационными параметрами: надеж-^ ностью, скойкостью к агрессивным средам, электробезопасностью и позволила выделить основные факторы, определяющие интенсификацию процесса низкотемпературного поверхностно-распределеннного обогрева, обеспечивающие повышение сохранности и улучшение качества сельскохозяйственной продукции при снижении энергоматериальных и трудовых затрат. Это позволило сформулировать требования и рекомендации на разработку и создание электрообогревателей на базе оценки особенностей формирования структуры электрических и тепловых полей в резистивном материале элек-* трообогревателей с системами электродов.

2. Предложены обобщенные схемы многоэлектродных электрообогре-® вателей пластинчатого и осесимметричного типов, обоснованы возможности использования аналогий между электрическим, тепловым и электростатическим полями а также применения аналитических методов комплексного переменного и непосредственного определения напряженности поля. Теоретически обоснованы и разработаны плоскопараллельные расчетные модели НТМКЭ пластинчатого и цилиндрического типов, позволяющие получить с учетом главных определяющих факторов: геометрических параметров, организации систем электродов, электро-, теплофизических характеристик элек тропроводящего и изоляционного материалов, граничных условий наряду с достоверной оценкой качественных особенностей работы многоэлектродных электрообогревателей, количественные результаты, являющиеся основой для расчета и проектирования электрообогревателей с заданными техническими характеристиками.

3. Выполнен теоретический анализ, разработан метод расчета и точные формулы определения комплекса электрических параметров для многоэлектродных систем пластинчатого типа: напряженности поля, электрического тока, электрической проводимости, распределения потенциала по поверхно-^ сти НТМКЭ, с использованием полученной взаимосвязи координат точек исходной и отображенной плоскостей, выражений напряженности электрического поля в отображенной плоскости, установленных на основе методов конформных преобразований и непосредственного определения напряженности поля.

Показано, что для уменьшения нелинейности распределения потенциала как вдоль нижней, так и вдоль верхней частей системы следует выбирать отношение ширины электрода к толщине резистивного слоя, равное -0,6, и увеличивать отношение длины резистивного слоя к его толщине; на других участках системы, с погрешностью 0,5%, распределение потенциала является линейным. Изменение приращения потенциала на различных участках системы приводит к соответствующим отклонениям температуры, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации электрообогревателей.

4. Получены новые точные формулы, позволяющие прямым расчетом определить электрическую проводимость в системах: с двумя парами электродов, с двумя трехэлектродными системами, с тремя, пятью, девятью, и т.д. электродами с учетом различных влияющих величин: толщины, смещения электродов, распределения частичных проводимостей в многоэлектродной системе, что позволяет использовать их при проектировании НТМКЭ для обогрева протяженных и крупногабаритных объектов.

Показано, что при одинаковых значениях ширины электродов для двух-, четырех- и шестиэлектродных систем значения безразмерной проводимости остаются неизменными, что подтверждает преемственность полученных результатов при расчете различных систем НТМКЭ.

5. Теоретически обоснован аналитический метод определения электрической проводимости многоэлектродной осесимметричной системы, основанный на методе конформных преобразований и дающий возможность построить достоверную математическую модель; получены точные и приближенные формулы, позволяющие получить в явном виде зависимость электрической проводимости двух-, трех-, пяти-, девятиэлектродных и т.д. систем цилиндрического типа от конструктивных параметров. Показано, что зависимость электрической проводимости электрообогревателя от ширины электродов носит логарифмический характер, увеличение отношения внутреннего радиуса электропроводного слоя к внешнему приводит к уменьшению значений безразмерных проводимостей при постоянных значениях отношения ширины электродов к разности вышеуказанных радиусов, а возрастание последнего отношения при постоянных отношениях радиусов электропроводного слоя увеличивает проводимость электрообогревателя.

6. Предложены методики и получены точные и приближенные формулы для определения потока тепла, количества тепла, разности температур, тепловой проводимости между резистивным материалом и объектом тепло* отвода для электрообогревателя при учете ширины теплоизоляционного слоя, толщины и смещения резистивного слоя относительно оси симметрии. Ш Установлено, что относительное уменьшение тепловой проводимости с учетом ширины теплоизолятора составило < 6,6 % при расчете по точной и < 6,2 % при расчете по приближенной формулам.

Проведенная оценка распределения температуры по поверхности электрообогревателя, разностей температур между характерными точками позволяет определить конструктивные размеры электрообогревателя, обеспечивающие минимальные отклонения температур на его поверхности — важнейшую характеристику поверхностно- распределенного обогрева. Установлено, i что при выборе отношения толщины электропроводного слоя электрообогревателя к его общей толщине > 0,3, а длины к толщине > 0,5 отклонение тем-^ ператур на поверхности ATt/ATсоставит, не более 1,24 %.

7. Проведенные комплексные исследования структуры электропроводящей фазы композиционного материала на основе бутилкаучука с наполнителем в виде дисперсного технического углерода позволили определить качественные и количественные характеристики отдельных стуктурных элементов и установить их связь с конечными тепло-, электрофизическими ха рактеристиками композиционного материала. Установлено, что используе-! мая технология производства КМ позволяет обеспечить статистически беспорядочное распределение электропроводящего наполнителя различных структурных уровней в полимерной матрице, что обеспечивает получение композиционного материала с неоднородностью от 7% при использовании ТУ П-234 до 12,7% - ТУ П-324 рабочих концентраций.

Показано, что критерием обеспечения однородности композиционного материала по удельной электропроводимости является организация регулярности структуры электропроводящего наполнителя в бутилкаучуковой матрице.

Разработанный комплекс структурных и электро-, теплофизических исследований подтвердил соответствие расчетных моделей реальным конструкциям НТМКЭ, показал соответствие теоретических положений диссертационной работы результатам экспериментальных исследований.

8. Разработаны научно-методические и проектно-конструкторско-технологические рекомендации по созданию низкотемпературных многоэлектродных композиционных электрообогревателей, обеспечившие: разработку конструкций НТМКЭ пластинчатого и цилиндрического типов (на уровне изобретений); разработку состава композиции электропроводного материала на основе бутилкаучука, разработку технологии промышленного производства обогревателей МКЭ-1,2, объемом 30000 шт., с разработкой технических условий и проведением сертификационных испытаний; создание на их основе систем обогрева для предприятий АПК (подогрев индукционных счетчиков учета на предприятиях Агропромэнерго Алтайского края, напольный обогрев молодняка животных и птицы, подогрев зерна на предприятиях перерабатывающей промышленности), позволяющих снизить энергозатраты по сравнению с известными средствами электрообогрева индукционных счетчиков в щитах учета электроэнергии в 2,5-КЗ раза при снижении материальных затрат. Использование МКЭ-1,2 для подогрева зерна в перерабатывающей промышленности обеспечивает экономический эффект около 150 тыс. руб. в год за счет снижения удельных энергозатрат по сравнению с известными установками в 1,5+2 раза.

353

1. Литвак В.В. Основы регионального энергосбережения (научно-технические и производственные аспекты). Томск: Изд-во НТЛ, 2002. -300 с.

2. Бусленко Н.П. Моделирование сложных систем. М.: Наука, 1978. 399с.

3. Шарактанэ А.С., Железнов И.Г., Ивницкий В.А., Сложные системы. -М.: Высшая школа, 1977.-247 с.

4. Кудрявцев И.Ф., Карасенко В.А. Электрический нагрев и электротехнология. М.: Колос, 1975. - 384 с.

5. Растимешин С.А. Локальный обогрев молодняка. М.: Агропромиздат, 1991.- 139с.

6. Растимешин С.А. Обоснование параметров локальных электрообогревателей для молодняка сельскохозяйственных животных: Автореферат дисс. докт. техн. наук. М.: ВИЭСХ, 1996. - 45 с.

7. Расстригин В.Н. Основы электрификации тепловых процессов в сельскохозяйственном производстве. М.: Агропромиздат, 1988. - 255 с.

8. Растимешин С.А., Расстригин В.Н. Расчет необходимой энергетической освещенности, создаваемой ИК излучателем в установке комбинированного обогрева ягнят // Электротехническая промышленность, -1983. №11.- С. 13-15.

9. Локальный панельный обогрев бройлеров / P.M. Славин, С.А. Растимешин, А.К. Смирнова и др. // Интенсивные технологии производства и переработки мяса и яиц. Тез. докладов Всесоюзной Научно-технической конференции: М.: ЦПТО СХ, 1987. - С. 16-17

10. Герасимович JI.С., Хохлова И.И. Сравнительная оценка инфракрасных обогревателей // Техника в сельском хозяйстве. 1982. -№1. - С.23-24.

11. Слободской А.П., Растимешин С.А., Расстригин В.Н. Обоснование спектральной характеристики инфракрасного излучателя для обогрева ягнят // Электротехническая промышленность. — 1983. №11.- С. 3-8.

12. Лопухов Г.И., Поваров В.Н., Слободской А.П. Установка для местного комбинированного электрообогрева поросят-сосунов // Электротехническая промышленность. 1983. -№11. - С. 8-10.

13. Кисель А.К. Разработка тепловой модели комбинированного электрообогревателя поросят-сосунов // Низкотемпературные поверхностно-распределительные электронагреватели в сельском хозяйстве: Сборник научных трудов. Вып. 124. Горки, 1985. - С. 19-29

14. Иванов Г.Я., Иванов А.Г. Кабельные системы обогрева почвы в теплицах. -Томск: Изд-во ТПУ, 2001. С. 173-174.

15. Лезная О.Н. Электродно-элементный обогрев почвы в теплицах нагревателями, покрытыми токопроводящим полимером: Автореферат дисс. канд. техн. наук. Челябинск, 2000. - 20 с.

16. Герасимович Л.С. Исследование и разработка напольных полупроводниковых пленочных электрообогревателей для молодняка птицы: Автореферат дисс. канд. техн. наук. Минск: БИМНСХ, 1970. - 30 с.

17. Низкотемпературные поверхностно-распределенные электронагреватели в сельском хозяйстве / Под ред. Л.С. Герасимовича. Белорусская сельхозакадемия, 1985. - 84 с.

18. Герасимович Л.С. Пути экономии и интенсивного использования электрической и тепловой энергии в сельском хозяйстве. — Минск: Урад-жай, 1987.-69 с.

19. Герасимович Л.С. Энергосберегающие сельскохозяйственные процессы и установки. Минск: Ураджай, 1991. - С. 8-58.

20. Белокуров Е.М., Вишняков О.В., Копылов В.М. и др. Электропроводный композиционный материал «Эком» и изделия на его основе // Энергетик. 1997.-№2.-С. 10-12.

21. Патент РФ №2074524, кл. Н 05 ВЗ/26. Гибкий электрообогреватель /

22. Ю.М. Сосков, М.Д. Коробленко №95113634/09 Заявл. 22.08.95;1. Опубл. 27.02.97, Бюл. №4.

23. Волков С.В. Электропроводный шлакоблочный бетон для низкотемпературных нагревателей: Автореферат дисс. канд. техн. наук. Новосибирск. СО РАН, 1993.- 15 с.

24. Кудрявцев И.Ф., Герасимович JI.C. Полупроводниковые пленочные электронагреватели в сельском хозяйстве. — Минск: Ураджай, 1984. — 112 с.

25. Патент РФ № 2108690, кл. Н 05 B3/36. Гибкий электронагреватель ^ и способ его изготовления / А.С. Куценко, И.А. Майоров №96120977/09. Заявл. 23.10.96; Опубл. 10.04.98, Бюл. № 8. Ш 27.Патент РФ № 2143791, кл. Н 05 B3/36. Гибкий нагревательный элемент

26. Р.В. Офицерьян, А.О. Скиба-№ 98121182/09, Заявл. 26.11.98; Опубл. 27.12.99, Бюл. №36.

27. Патент РФ № 2119729, кл. Н 05 ВЗ/74. Плоский гибкий электронагреватель / А.Н. Ермилов, М.Е. Катаков, Д.Н. Новичков № 96113524/06, Заявл. 25.06.96; Опубл. 27.09.98, Бюл. № 26.

28. Патент РФ № 2155461, кл. Н 05 B3/34. Гибкий нагревательный элемент / Р.В. Офицерьян, А.О. Скиба -№ 99104250/09, Заявл. 01.03.99; Опубл.2708.2000, Бюл. № 24.

29. Патент РФ № 2187906, кл. Н 05 B3/34. Способ изготовления компози-^ ционного гибкого электронагревателя поверхностного типа / С.П. Семенихин № 2000129276/09, Заявл. 22.11.2000; Опубл. 20.08.2002, Бюл. №23.

30. Патент РФ № 2098927, кл. Н 05 B3/38. Гибкий электронагреватель / В.А. Шляпенков, С.А. Меденков, В.В. Маркин № 96116059/07. Заявл. 02.08.96; Опубл. 10.12.97, Бюл. № 35.

31. Патент РФ № 2094957, кл. Н 05 ВЗ/28. Многослойный нагревательныйэлемент / Б.Г. Степаненко, Ю.А. Осипов № 94016986/07. Заявл. 10.05.94; Опубл. 27.10.97, Бюл. № 30.

32. Патент РФ № 2088049, кл. Н 05 B3/34. Композиционный гибкий электронагреватель поверхностного типа / Н.В. Коваленко № 95120034/07. Заявл. 27.11.95; Опубл. 20.08.97, Бюл. № 28.

33. Патент РФ № 2118070, кл. Н 05 B3/34. Гибкое нагревательное устройство / Ю.А. Пименов, В.К. Романович, А.Ю. Пименов, Ю.Д. Бужан № 94016986. Заявл. 30.09.96; Опубл. 20.08.98, Бюл. № 31.

34. А.С. СССР № 542361, кл. Н 05 B3/34. Гибкий нагревательный элемент / Г.И. Жукова, В.А. Шахов № 5940169/07. Заявл. 12.09.71; Опубл. 25.08.74, Бюл. № 33.

35. Патент США № 6057531, кл. Н 05 ВЗ/44. Ленточный электронагреватель формируемой геометрии / МСХ, Inc., Jones Thaddeus № 09/OSSS36. Заявл. 11.02.98; Опубл. 02.05.2000, НПК 219/544.

36. А.С. СССР № 1048583, кл. Н 05 B3/34. Гибкий электронагревательный элемент / Г.И. Жукова, В.А. Шахов, Л.И. Ермолина № 3437830/07. Заявл. 20.05.82; Опубл. 15.10.83, Бюл. № 38.

37. Патент Германии № 19836148, кл. Н 05 ВЗ/28. Элемент для резистивного нагрева поверхности / Elsaaser Manfred — № 198361483. Заявл. 10.08.98; Опубл. 20.03.2000.

38. Патент США № 6018138, кл. Н 05 В1/00. Способ и устройство для электрообогрева пола в помещении / Kurita Kogyo Co. № 08/938422. Заявл. 25.09.97; Опубл. 25.01.2000, НПК 219/213.

39. Патент США № 6015965, кл. Н 05 В1/00. Способ нагрева твердотельной поверхности объектов, таких как пол, стена и т.п. / Thermion Systems International № 09/311S19. Заявл. 13.05.99; Опубл. 18.01.2000, НПК 219/213.

40. А.С. СССР № 1130285, кл. А 01 К1/015. Напольный обогреватель для животных / Л.С. Герасимович, А.К. Кисель, А.Л. Хомич, И.И. Сосодков -№ 3634398/30. Заявл. 04.08.83; Опубл. 23.12.84, Бюл. № 47.

41. А.С. СССР № 1558351, кл. А 01 К1/015. Напольная электрообогревае-мая панель / М.А. Молявко, Г.С. Герасименко, А.С. Даниленко, Л.В. Королевич -№ 4449087/31. Заявл. 27.06.88; публ. 23.04.90, Бюл. № 15.

42. Патент РФ № 2075836, кл. Н 05 ВЗ/28. Способ изготовления гибкого композиционного электрообогревателя / М.В. Халин № 93020034/07. Заявл. 16. 04. 93; Опубл. 20.03.97, Бюл. № 8.

43. Патент РФ № 2114982, кл. Е 21 В37/00. Способ и устройство для регулирования теплового режима / Ю.С. Самгин — № 97100912. Заявл. 21.01.97; Опубл. 10.07.98, Бюл. № 1.

44. Патент РФ № 2027322, кл. Н 05 В6/42. Нагревательное устройство для трубопроводов / В.Ф. Иващенко № 4927981/07. Заявл. 20.02.91; Опубл. 20.01.95, Бюл. № 1.

45. Патент РФ № 2029069, кл. Е 21 В37/00. Устройство для нагрева скважин и способ поддержания ее теплового режима / Ю.С. Самгин № 92012876/03. Заявл. 16.12.92; Опубл. 20.02.95, Бюл. №4.

46. Патент РФ № 2105134, кл. Е 21 В37/00. Способ и устройство для разрушения асфальто-смолистых, гидратопарафиновых и ледяных отложений в нефтяных и газовых скважинах / С.Н. Головко № 96104756/03. Заявл. 12.03.96; Опубл. 20.02.98, Бюл. № 3.

47. Патент РФ № 2140045 кл. F 24 НЗ/00. Технологический нагреватель / B.JI. Добрянский -№ 98113221. Заявл. 06.07.98; Опубл. 20.10.99, Бюл. №33.

48. Патент США № 6005228, кл. Н 05 В1/02. Система электронагрева / Dickens Michael D № 08/920585. Заявл. 29.09.97; Опубл. 21.12.99, НПК 219/483.

49. Патент США № 6014498, кл. F 24 Н1/10, Устройство для управления обогревом трубопроводов / Fujirin Inc. № 09/035345. Заявл. 05.03.98; Опубл. 11.01.2000, НПК 392/479.

50. Электротехнические бетоны: Тр. СибНИИЭ / Под ред. Ю. Н. Вершинина. Новосибирск: Наука, 1964. - Вып. 2(21). - 102с.

51. Ронкин Г.М. Свойства и применение бутилкаучука. -М.: ЦНИИТЭ нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, 1969. — 95с.

52. Сканави А.Н. Отопление. М.: Стройиздат, 1988. - 416с.

53. Долгинов Б.Н., Маевский Е.К., Врублевский JI.E. и др. Новый строительный материал бетэл. Новосибирск: СибНИИЭ 1973. - 107 с.

54. Патент РФ №2055446, кл. Н 01 С7/00. Композиционный резистивный материал / М.В. Халин, Т.М. Халина, П.И. Госьков, B.J1. Тарабанов. За-явл. 03.02.93, № 93006711/07; Опубл. 27.02.96, Бюл. №6.

55. Халин М.В., Халина Т.М., Давыдов Я.Я. Расчет и внедрение композиционных резисторов для электрообогрева животноводческих помещений: Научно-технический отчет / АлтПИ. № Гос. per. 0289.0059511. -Барнаул: АлтПИ, 1989. - 80с.

56. Корнев А.Е., Овсянников Н.Я. Электропроводящие резины со стабильными электрическими характеристиками. Санкт-Петербург: Химиз-дат.-2001,с. 21-28.

57. Патент РФ №2106765, кл. Н 05 B3/36. Гибкий электронагреватель / В.А. Барынин, И.П. Дмитриенко, А.Ф. Ермоленко № 9701744/09. За-явл. 06.07.97; Опубл. 10.03.98, Бюл. №7.

58. ГОСТ 23630.1-79 «Пластмассы. Методы определения удельной теплоемкости».

59. ГОСТ 23630.2-79 «Пластмассы. Методы определения теплопроводности».

60. Шкилев В.В. Исследование формирования электрических полей при электропрогреве твердеющего бетона // Сб. науч. тр. Магнитогор. гос. техн. ун-т. Магнитогорск: Изд-во МГТУ, 1999. - С. 141-142.

61. Дураченко Л.И. Методические указания по курсу «Теплопередача». -Барнаул: АПИ, 1978. 43 с.

62. Фильчаков П.Ф., Панчишин В.И. Интеграторы ЭГДА. Моделирование потенциальных полей на электропроводной бумаге. Киев: Изд-во АН УССР, 1961.-171 с.

63. Тамм И.Е. Основы теории электричества. Изд. 5-е. -М.: ГИТТЛ, 1954. -324с.

64. Кутателадзе С.С. Анализ подобия физические модели. Новосибирск: Наука, 1986.-296 с.

65. Сочнев А.Я. Расчет напряженности поля прямым методом. Л.: Энер-гоатомиздат, 1984. - 112 с.

66. Струнский М.Г., Горбов М.М. Бесконтактные емкостные микромеры. -Л.: Энергоатомиздат, 1986. 136 с.

67. Струнский М.Г., Горбов М.М. Расчет электрических емкостей в системе трех замкнутых оболочек прямоугольного сечения // Известия РАН. Энергетика. 1994. - № 1. - С. 82 - 91.

68. Методы расчета электростатических полей / Н.Н. Миролюбов, М.В. Кос-тенко, М.Л. Левинштейн, Н.Н. Тихонов. М.: Высш. шк. 1963, - 415 с.

69. Трауб Д. Итерационные методы решения уравнений. М.: Мир, 1985,-263 с.

70. Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. -М.: Физматгиз, 1963. 1100 с.

71. Деннис Д., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений. М.: Мир, 1988. - 440 с.

72. Форсайт Д., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений. -М.: Мир, 1980. 280 с.

73. Byrd Р.Е., Friedman M.D. Handbook for Engineers and Physicists. Berlin; Gottingen; Heidelberg: Springer-Verlag, 1954. 728 p.

74. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. JL: Энергоатомиздат, 1981. - 288 с.

75. Струнский М.Г., Горбов М.М. Емкость экранированной полосковой линии с несимметрично расположенной проводящей пластиной конечной толщины // Электромагнитные волны и электронные системы. -1998. -№4.- С. 51 -56.

76. Матис И.Г. Электроемкостные преобразователи для неразрушающего контроля. Изд. 2-е, перераб. и доп. Рига: Зинатне, 1982. - 304 с.

77. Евстигнеев В.В., Горбов М.М., Хомутов О.И. Параметрические первичные измерительные преобразователи. -М.: Высш. шк., 1997. 181 с.

78. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. -М.: Наука, 1978.-224 с.

79. Теоретические основы электротехники: Том 3. 4-е изд. / К.С. Де-мирчян, JI.P. Нейман, Н.В. Коровкин, B.J1. Чечурин. - СПб.: Питер, 2004.-377 с.

80. Привалов И.И. Введение в теорию фукций комплексного переменного: Изд. 12-е стереотипное. М.: Наука, 1987. - 444 с.84.0ртега Дж., Рейнболт В. Интегральные методы решения нелинейных систем уравнений со многими неизвестными. М.: Мир, 1975. — 588 с.

81. Халин M.B. Расчет электрической проводимости в одной плоскопараллельной системе // Электротехника. 1996. - №6. - С. 56 - 59.

82. Чернявский К.С. Стереология в металловедении. М.: Металлургия, 1977.-280с.

83. Журавский A.M. / Справочник по эллиптическим функциям. М.: АН СССР, 1941.-231 с.

84. Practical Methods in Electron Microscopy / Ed. A.M. Glanert. Amsterdam: North-Holland Publishing Company, 1972. - 192p.

85. Халина T.M. Теоретический анализ и расчет электрической проводимости многоэлектродных низкотемпературных композиционных электрообогревателей // Электротехника. 2001. - №8. - С. 57-62.

86. Халина Т.М. Расчет электрической проводимости между системами электродов в композиционном электрообогревателе // Электричество. — 2003.-№10.-С. 53-61.

87. KhalinaT.M. Calculation of electrical conductance between the electrode system in a composite electric heater // Electrical Technology Russia. 2003. -№4.-P. 43-57.

88. Мак-Кракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на ФОРТРАНЕ. М.: Мир, 1977. - 584 с.

89. Бинс К., Лауренсон П. Анализ и расчет электрических и магнитных полей. Пер. с англ. М.: Энергия, 1970. - 376 с.

90. Тозони О.В. Расчет электромагнитных полей на вычислительных машинах. Киев: Техника, 1967. - 252 с.

91. Халина Т.М. Анализ структуры электропроводящего композиционного материала на основе бутилкаучука для низкотемпературных композиционных электрообогревателей // Известия Вузов. Физика. 2004. -№10.-С. 38-47.

92. Халина Т.М., Пугачев Г.А., Строков М.Н. Разработка и применение систем обогрева счетчиков электроэнергии на основе многоэлектродныхкомпозиционных электрообогревателей для щитов учета на предприятиях АПК // Ползуновский вестник. 2005. - №2. - С. 89-94.

93. Струнский М.Г., Горбов М.М. Расчет частичных емкостей в емкостных преобразователях с учетом формы поперечного сечения контролируемого проводника // Электричество. 1980. - №9. - С. 25-32.

94. Струнский М.Г., Горбов М.М. Расчет частичных емкостей в трех-электродных симметричных емкостных преобразователях // Электричество. 1978. - №6. - С. 33-3 8.

95. Халина Т.М. Марсов В.Ю. Система подогрева зерна на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей // Ползуновский вестник.-2005.-№2.-С. 116-119.

96. Халина Т.М. Определение распределения потенциала по поверхности низкотемпературного композиционного электрообогревателя с копланарными электродами // Известия вузов. Строительство. — 1999. -№6.-С. 80-88.

97. А. с. СССР № 295002, кл. F 26Ь 17/12; F 26Ь 3/34. Шахтная зерносушилка / В.Р. Краусп, И.Э. Мильман, Г.А. Печковский. № 1152008/246. Заявл. 14.04.67; Опубл. 04.11.77, Бюл. №7.

98. Andrews K.W., Dyson D.J., Keorn S.R. Interpretation of Electron Diffraction Patterns. London: Hilger&Watts Ltd, 1967. - 321 p.

99. Kruse J. Rubb. Chem. Technol. 1973. - vol. 46, №3. - p. 653-658.

100. Халина Т.М. К вопросу выбора состава композиции резистивных электропроводящих материалов // Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе: Тезисы докладов к 5-му Всесо- л юзному совещанию. Барнаул: АлтПИ, 1990. - С. 96-99.

101. Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. М.: Изд.иностр. лит., 1958. - 260с.

102. СмайтВ. Электростатика и электродинамика.-М.: Изд. ИЛ, 1954.-427с.

103. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. Электромагнитное поле. -М.: Высшая школа, 1986. 263 с.

104. Поливанов K.M. Теория электромагнитного поля. М.: Энергия, 1975.-208 с.

105. Нетушил А.В., Поливанов К.М. Основы электротехники. Теория электромагнитного поля. М., JL: ГЭИ, 1956. - 192 с.

106. Евстигнеев В.В., Горбов М.М. К теории тепловой проводимости сложных плоскопараллельных систем. АлтГТУ, 1995. - 23 с. -(Препр. АлтГТУ; №95).

107. Евстигнеев В.В., Халин М.В. Расчет тепловой проводимости в одной плоскопараллельной системе тел. Новосибирск, 1996. — 18 с. — (Препр. / ИТ СО РАН; №278-96).

108. Евстигнеев В.В., Халина Т.М. Расчет тепловой проводимости между длинной пластиной, размещенной в прямоугольном теплоизоляторе, и телом с плоской поверхностью // Сб. Тр. СО АИН РФ. Вып. №1. -Изд-во АлтГТУ. Барнаул, 2000. - С. 15 - 22.

109. Халин М.В., Халина Т.М. Влияние особенностей технологии производства электрообогревателей из композиционных материалов на электрофизические характеристики // Химическое и нефтяное машиностроение. 1996. - №4. - С. 18 - 20.

110. Халина Т.М. Расчет тепловой проводимости в одной несимметричной плоскопараллельной системе тел // Изв. ВУЗов. Строительство. — 2002.-№7.-С. 141-146.

111. Халина Т.М. Расчет распределения температуры по поверхности низкотемпературного электрообогревателя для предприятий агропромышленного комплекса // Известия ТПУ. 2004. - т. 307, №7. - С. 95 - 99.

112. Теплообмен и теплофизические свойства пористых материалов. Материалы Всесоюзного семинара СО РАН, Под ред. А.В. Горина, Ю.А. Коваленко. Новосибирск: ИТ СО РАН, 1992. - 284 с.

113. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков JI.H. Теплообмен излучением: Справочник. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 432 с.

114. Теплотехнический справочник / Под ред. В.Н. Юренева и П.Д. Лебедева. В 2-х т., т. 2. М.: Энергия, 1976. - 896 с.

115. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивлел ние: Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

116. Осипова В.А. Экспериментальное исследование процессов теплообмена: Учебн. пособие для вузов. 3-е изд. - М.: Энергия, 1979. - 320 с.

117. Щуклецов В.Г., Орехов С.В., Кунев В.Н. Исследование распределениясажи в полимерах методом электронной микроскопии // Высокомолекулярные соединения.- 1981.-№6.-С. 1192-1196.

118. Евстигнеев В.В., Пугачев Г.А., Халина Т.М., Халин М.В. Расчет и проектирование низкотемпературных композиционных электрообогревателей. Новосибирск: Наука, 2001. - 168 с.

119. А. с. СССР № 890877, кл. Н 01 С7/00. Резистивная композиция / В.П. Горелов, В .Я. Ушаков, Ю.А. Рубченко и др. № 2918122/18-21.3аявл. 06.05.80; Публикации не подлежит.

120. А. с. СССР № 993340, кл. Н 01 С7/00. Композиционный резистивный материал / Г.М. Б. Абдуллаев, В.П. Горелов, Ю.А. Рубченко и др. -№ 3248205/18-21. Заявл. 13.02.81; Опубл. 30.01.83. Бюл. №4.

121. Гуль В.Е., Шенфиль JI.3. Электропроводящие полимерные композиции. М.: Химия, 1984. - 240 с.

122. Горелов В.П., Пугачев Г.А. Резистивные композиционные материалы ® и мощные резисторы на их основе. Новосибирск: Нвука, 1987. - 180 с.

123. Горелов В.П., Пугачев Г.А. Композиционные резисторы для энергетического строительства. Новосибирск: Наука, 1989. -216 с.

124. Горелов В.П. Низкотемпературные нагреватели из композиционных материалов в промышленности и быту. М.: Энергоатомиздат,1995.-208 с.

125. ГОСТ 20214-74. Пластмассы электропроводящие. Метод определения удельного объемного электрического сопротивления при постоянном напряжении.

126. Лущейкин Г.А. Методы исследования электрических свойств полимеров.-М.: Химия, 1988.- 160 с.

127. ТУ 3468-007-02067824-2003. Многоэлектродные композиционныеэлектрообогреватели (МКЭ). № Гос. per. 004026 / Разработчик Т.М. Халина. Барнаул, 2003. - 24 с.

128. Ш 137. Уральский М.Л., Горелик Л.А., Буканов A.M. Контроль и регулирование технологических свойств резиновых смесей. М.: Химия, 1983.- 128 с.

129. Справочник резинщика. -М.: Химия, 1971. 608 с.

130. Усиление эластомеров // Под ред. Дж. Крауса. Пер. с англ. / Под ред. К.А. Печковской. М.: Химия, 1968. - 484 с.

131. Чай Дей Хан. Реология в переработке полимеров. Пер. с англ. / Под ред. Г.В. Виноградова и М.Л. Фридмана. М.: Химия, 1979. - 386 с.i

132. Вострокнутов Е.Г., Новиков М.И., Новиков В.И., Прозоровская Н.Б. Переработка каучуков и резиновых смесей (реологические основы,технология, оборудование). М.: Химия, 1980. — 280 с.

133. Гуль В.Е., Кулезнев В.Н. Структура и механические свойства полимеров. М.: Высшая школа, 1979. - 352 с.

134. Энциклопедия полимеров. М.: Советская энциклопедия, 1972, т.1. - 1223 е.; Т.2.-1932 с.

135. Электрические свойства полимеров / Под ред. Б.И. Сажина. 2-е• изд.-Л.: Химия, 1977.-192 с.t 145. Встрокнутов Е.Г., Виноградов Г.В. Реологические основы переработки полимеров. М.: Химия, 1988. - 232 с.

136. Гуль B.E. Электропроводящие полимерные материалы. М.: Химия,1968.-248 с.Л

137. Аппельт Г. Введение в методы микроскопического исследования. Пер. с нем. / Под ред. Д.Н. Залухина. М.: Медгиз, 1959. - 426 с.

138. Практикум по химии и физике полимеров: Учеб. изд. / Н.И. Авва-кумова, JI.A. Бударина, С.М. Дивгун и др.; Под ред. В.Ф. Куренкова. -М.: Химия, 1990.-304 с.

139. Пугачев Г.А. Электрическая проводимость бетона на основе структурно-агрегатной модели. Новосибирск, 1989. - 107 с. - (Препр. / ИТi СО РАН; №42-89).

140. Пугачев Г.А. Электропроводные бетоны. Новосибирск: Наука,9 1993.-267 с.

141. Пугачев Г.А. Феноменологическая теория прочности и электропроводности бетона. Новосибирск: ИТ СО РАН, 1990. - 247 с.

142. Голицин В.П., Минакова Н.Н. Физико-химические принципы получения резистивных эластомерных композиций. // Композиты в народное хозяйство России (Композит 95): Труды международной научно-технической конференции. - Барнаул: АлтГТУ, 1996. - С. 29 - 33.

143. Дульнев Г.Н., Новиков В.В. Процессы переноса в неоднородныхсредах. JL: Энергоатомиздат, 1991. - 248 с.

144. Зуев В.П., Михайлов B.C. Производство сажи. М.: Химия, 1970.9 -318с.

145. Оськин В.М., Юрцев JI.B. Стабилизация электропроводящих свойств резин, содержащих высокоструктурные марки технического углерода // Сб. докл. междунар. конф. IRS"94.-M.: 1994.-С. 218-223.

146. Голицин В.П., Минакова Н.Н. Управление свойствами поверхности высокодисперсного наполнителя // Композиты в народное хозяйство

147. России (Композит 95): Тезисы докл. Межд. Научно-техн. конф. Барнаул: АлтГТУ, 1995.-С. 43.

148. Липатов Ю.С. Физико-химические основы наполнения полимеров. — М.: Химия, 1991.-260 с.

149. Хольм Р. Электрические контакты. М.: ИЛ, 1961. - 463 с.

150. Козлов Г.В. Контактные взаимодействия в электропроводящих полимерных наполненных композициях: Дисс. д-ра техн. наук. М., 1989.-352 с.

151. Као К., Хуан В. Перенос электронов в твердых телах. М.: Мир, 1984.-Т.1.-350 с.

152. Крикоров B.C., Колмакова Л.А. Электропроводящие полимерные материалы. -М.: Энергоатомиздат, 1984. 174 с.

153. Буланова М.А. Разработка и исследование электропроводящих резин, наполненных углеродными волокнами: Дисс. канд. техн. наук. -Л., 1982.-216 с.

154. Халин М.В. Теория и разработка низкотемпературных электрообогревателей: Дисс. д-ра техн. наук. Барнаул, 1998. — 330с.

155. Вершинин Ю.Н., Горелов В.П., Добжинский М.С. О проводимости системы двух контактирующих полупроводниковых частиц // Тр. Сиб-НИИЭ. Новосибирск, 1974. - Вып.25. - С. 3 -13.

156. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов: Справ, книга. Л.: Энергия, 1974. - 264 с.

157. Емец Ю.П. Электрические характеристики материалов с регулярной структурой. Киев: Наук, думка, 1986. - 192 с.

158. Milliars A, Turner D.T. J. appl. Phys., 1971. - v. 42. - № 2. - P. 614 - 618.

159. А. с. СССР № 252921, кл. F 26b 19/01. Тепломассообменник / B.C. Кучер, А.И. Тюмеров. № 1195097/24-6. Заявл. 03.11.67; Опубл. 22.09.69, Бюл. № 29.

160. Гальперин Б.С. Непроволочные резисторы. — Л.: Энергия, 1968. 284 с.

161. Минакова Н.Н. Научные основы создания и регулирования рези-стивных своств высоконаполненных эластомеров: Дисс. д-ра физ.-мат. наук. Томск, 2001. - 345 с.

162. Печковская К.А. Сажа как усилитель каучука. М.: Химия, 1967. -216с.

163. Хасхачик А.Д., Чавчич Т.А. Влияние пространственных структур при вулканизации наполненных резиновых смесей на основе БСК на их электропроводность. Каучук и резина. - 1972. -№ 9. - С. 22 - 24.

164. Масагутова Д., Микуленко Н. Применение каучуков на основе изо-бутилена в шинной промышленности / Под ред. Г. Хомутинникова. -М.: ФПГ Нефтехимпром, 2001 128 с.

165. Ужевский JI.M. Дифракционная электронная микроскопия в металловедении. М.: Металлургия, 1973. - 584 с.

166. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебн. пособие для вузов. Изд. 7-е, стер. - М.: Высшая школа, 2001.-479 с.

167. Гельман В.Я. Решение математических задач средствами Excel: Практикум. СПб.: Питер, 2003. - 240 с.

168. Догадкин Б.А., Печковская К.А., Мильман Ц.Б. Исследование электропроводности наполненных каучуков. В кн.: Труды НИИШП. - М.: Госхимиздат, 1950.- 103 с.

169. Горелик Р.А. Исследование в области электропроводящих пористых резин: Автореферат дисс. канд. техн. наук. 1971. - 24 с.

170. Никитин Ю.Н., Аникеев В.Н., Никитин И.Ю. Влияние элементного графита на свойства эластомерных композиций с печным техуглеродом //Каучук и резина.-2001.-№ 1.-С. 8 11.

171. Morrissey R.T. // Industrial and Engineering Chemistry, 1955. v. 47. -№6.-P. 1562-1569.

172. Dunn I.R. // Kautschuk und Gummi Kunststoffe, 1985. v. 38. - № 7. -P. 611 -613.

173. James D.I. Recent developments in conductive rubber: Proceedings of RAPRA Seminar. Shobuiy, 1977. P. 10-20.

174. Козлов Э.В., Иванов Ю.Ф., Конева H.A., Игнатенко JI.H. // Функционально-механические свойства материалов и их моделирование. — Псков, 1993.-С. 90-99.j 184. Нормативно-правовая база энергообеспечения и энергосбережения в

175. Томской области 1997 2002 г.г. Сборник документов. - Томск: ЦНТИ, 2002.-224 с.

176. Патент РФ № 2042097, кл. F 26В 11/4. Тепломассообменный аппарат для сыпучих и комкующихся материалов / А.В. Белов, М.И. Королев, Ю.А. Цой, С.М. Спиридонов. № 5047590/13. Заявл. 05.05.92; Опубл. 08.20.95, - Код ММ4А. - Опубл. 08.27.2000, Бюл. № 24.

177. Патент РФ № 2037895, кл. Н 01 С 7/00 Композиционный резистивный материал / М.В. Халин, Т.М. Халина, П.И. Госьков, B.JI. Тарабанов. №1.93011354. Заявл. 02.03.93; Опубл. 19.06.95, Бюл. №17.

178. Технические условия 3433-001-02067824-97. Щиты учета электроt энергии ЩУЭ-100, ЩУЭ-600/ Разработчики Халина Т.М., Халин М.В.,

179. Сутормин А.В. Барнаул: Алтайский ЦСМ, 1997. - 15с.

180. Технические условия 3433-002-02067824-97. Щиты учета электроэнергии ЩУЭ-П-100, ЩУЭ-Т-400/ Разработчики Халина Т.М., Халин М.В., Сутормин А.В. Барнаул: Алтайский ЦСМ, 1997. - 16с.

181. Евстигнеев В.В., Халин М.В., Халина Т.М., Сутормин А.В., Морозов С.П. Расчет тепловой проводимости гибкого композиционного электрообогревателя // Теплоэнергетика: Сборник научных трудов — Новосибирск: НГТУ, 1999.-С. 157-169.

182. Халин М.В., Халина Т.М., Сутормин А.В., Морозов С.П., Тарабанов

183. B.JI. Анализ различных способов обогрева трехфазных счетчиков в щитах раздельного учета электроэнергии // Труды СО АНН РФ. Вып. 1 -Барнаул: АлтГТУ, 2000. С. 50-55.

184. Евстигнеев В.В., Халина Т.М. Расчет тепловой проводимости между длинной пластиной, размещенной в прямоугольном теплоизоляторе, и телом с плоской поверхностью // Труды СО АИН РФ. Вып. 1 Барнаул:1. АлтГТУ, 2000. С. 15-22.

185. Халина Т.М. Расчет тепловой проводимости сложных по конфигурации систем // Измерение, контроль, информатизация: Материалы второй международной научно-технической конференции. Барнаул: АлтГТУ, 2001.-С. 48-52.

186. Халина Т.М. Разработка конструкции и технологии производства объемных многоэлектродных низкотемпературных электрообогревателей // Проблемы качества в XXI веке: Материалы Международной научно-практической конференции. Барнаул: АлтГТУ, 2001. - С. 95-97.

187. Халин М.В., Халина Т.М., Строков М.Н. Способы обогрева трехфазных счетчиков в щитах учета электроэнергии // Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России: Тезисы докладов Всероссийского совещания. Томск: ЦНТИ, 2001. - С. 132-134.

188. Халина Т.М., Марсов В.Ю. Объемный низкотемпературный многоэлектродный композиционный электрообогреватель // Энергосбережение и энергетическая безопасность регионов России: Тезисы докладов Всероссийского совещания. Томск: ЦНТИ, 2001. - С. 130-132.

189. Патент РФ № 2177211, кл. Н 05 В 3/28. Гибкий композиционный электрообогреватель/ Т.М. Халина № 2000119089/09. Заявл. 18.07.2000; Опубл. 20.12.2001, Бюл. №35.

190. Патент РФ №2191486, кл. Н 05 В 3/26. Композиционный гибкий электрообогреватель / Т.М. Халина, B.JI. Тарабанов, С.П. Морозов. № 2000119991/09. Заявл. 26.07.2000; Опубл. 20.10.2002, Бюл. №29.

191. Патент РФ № 2209904, кл. Е 04 Д 13/00 Устройство для удаления льдас водостоков крыш зданий и сооружений / Т.М. Халина, М.В. Халин,

192. Г.А. Пугачев, В.А. Тарабанов, В.Ю. Марсов, М.Н. Строков, Р.Н. Белоусов, А.В. Жуйков № 2002102526/03. Заявл. 28.01.2002; Опубл. 10.08.2003, Бюл. №22.

193. Халина Т.М., Марсов В.Ю. Объемный многоэлектродный композиционный электрообогреватель // Электроэнергетика, электротехнические системы и комплексы: Материалы Международной научно-технической конференции. Томск: ТПУ, 2003. - С. 202-204.

194. Халина T.M. Низкотемпературные многоэлектродные композиционные электрообогреватели и обогревательные системы на их основе для предприятий агропромышленного комплекса // Ползуновский альманах.- № 4. Барнаул: АлтГТУ, 2004. - С. 206-208.

195. Халина Т.М. Оценивание структуры электропроводящих композиционных материалов на основе бутилкаучука методами электронной микроскопии // Ползуновский альманах. № 4. - Барнаул: АлтГТУ, 2004. -С. 215-220.

196. Халина Т.М. Комплексное исследование электрофизических характеристик композиционных электрообогревателей сельскохозяйственного назначения // Ползуновский альманах. №4. - Барнаул: АлтГТУ,2004.-С. 231-237.

197. Халина Т.М. Расчет и проектирование системы подогрева зерна на основе многоэлектродных композиционных электрообогревателей: Научно-методические и практические рекомендации. — Барнаул: АлтГТУ,2005.-24 с. ISBN 5-7568-0513-3.

198. Теплотехника: Учебник для вузов / В.Н. Луканин, М.Г. Шатров, Г.М. Камфер и др.- М.: Высшая школа, 2003. 671с.

199. Автономов И.В., Воронцов В.В., Горелов В.П. и др. Контактные устройства объемных композиционных резисторов // Известия СО АН СССР. 1989. - Вып. 6. - С. 97 - 102.1227. Пугачев Г.А., Автономов И.В., Халина Т.М., Халин М.В., Воронцов

200. В.В., Ильюшенко А.С., Маевский Е.К. Волков С.В. Нагревательныйэлемент из электропроводного бетона // Информационный листок № 572-91 Новосибирской МТЦНТИ -Новосибирск: УНТИ, 1991. 4с.

201. Халин М.В., Халина Т.М., Сутормин А.В. Расчет электрическойпроводимости между компланарными электродами, размещенными на

202. Ш проводнике прямоугольного сечения // Международная научно техническая конференция «Композиты в народное хозяйство России» (Ком позит-95): Тезисы докладов Барнаул: АлтГТУ, 1995. - С. 49-51

203. Халина Т.М., Халин М.В. Организация электрообогрева 3-х фазных счетчиков щитов учета // Тезисы докладов научно-практической конференции «Наука городу Барнаулу» Барнаул: АГУ, 1999. - С. 20-23.

204. Халин М.В., Халина Т.М., Морозов С.П., Белоусов Р.Н., Жуйков

205. А.В. Расчет параметров композиционного электрообогревателя и особенности технологии его производства // Фундаментальные и прикладj) ные исследования для производства: Международный межвузовскийсборник научных статей Барнаул: АлтГТУ, 2000. - С. 172-175.

206. Гинзбург А. С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. -М.: Пищевая промышленность, 1973.-528с.v 236. Жидко В. И., Резчиков В. А., Уколов В. С. Зерносушение и зерносушилки.- М.: Колос, 1982.-239с.

207. Соколов А. Я. Технологическое оборудование предприятий по хранению и переработке зерна.- М.: Колос, 1975. 496с.

208. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ МЕЖДУ ПОТЕНЦИАЛЬНЫМИ ПОЛЯМИ1. Стационарное полеэлектростатическое электрическое тепловое

209. Закон индукции: Закон Ома: Основное уравнение теплопроводности:

210. D = е grad V j -у grad U q - - A grad Т1. Q = $Dds jf I / Q = $qdsdivD — 0 div J = 0 div q = 0rot E = 0; D = eE roti3 = 0; ? = у!э rot hT = 0; q = Xh

211. V — электростатический С/ — электрический по- T — температурапотенциал —> тенциал

212. D — вектор электрическо- У — вектор плотности q — вектор теплового пого смещения тока тока (плотность теплового потока)е — диэлектрическая про- у — удельная электро- А — коэффициент теплоницаемость проводность проводности

213. Q — поток электрического I — сила тока Q — количество тепласмещения -> (расход тепла)

214. Е — вектор напряженно- — вектор напряжен- hT — вектор потока тепласти электростатического ности электрическогополя поля