Файл: Кудрявцев И.Ф. Полупроводниковые пленочные электронагреватели в сельском хозяйстве.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 06.07.2024
Просмотров: 95
Скачиваний: 0
НУДРЯВЦЕВ |
И. Ф., ГЕРАСИМОВИЧ |
Л. С. |
ПО Л У П Р О В О Д Н И К О В Ы Е
ПЛ Е Н О Ч Н Ы Е
ЭЛ Е К Т Р О Н А Г Р Е В А Т Е Л И В С Е Л Ь С К О М Х О З Я Й С Т В Е
И з д а т е л ь с т в о „ У р а д ж а й " Минск 1973 •УРАДЖАЙ»
|
Кудрявцев И. Ф., Герасимович Л. С. |
K8S |
Полупроводниковые пленочные электронагреватели |
|
в сельском хозяйстве. Мн., «Ураджай», 1973. |
112с.
Вкниге изложены вопросы устройства, принцип ра боты и эксплуатации новых прогрессивных полупро водниковых пленочных электронагревателей.
Рассматриваются токопроводящие и электроизоля ционные материалы, а также технология изготовления пленочных электронагревателен. Описаны электротепло вые установки. сельскохозяйственного назначения с пленочным обогревом (напольные электронагреватели для молодняка птицы и поросят, электрокалорнферы и панельные электрообогреватели для отопления живот новодческих и других помещений, электропастеризато ры молочных продуктов н т.д.).
Приведены результаты производственной эксплуа тации н технико-экономической эффективности разра ботанных установок.
Книга предназначена для инженерно-технических работников и механизаторов-животноводов, занятых эксплуатацией, проектированием и изготовлением сель скохозяйственного электротеплового оборудования. Она может быть использована в качестве учебного пособия студентами сельскохозяйственных вузов и техникумов.
Список лит.: с. 3.
631.3
'Л КЗ С. V. '. I.Ui-f*
ЧИТАЛЬНОГО ЗАЛА
/ У Ж ?
Издательство «Ураджай» 1973 г.
к |
0422-63 |
47-73 |
|
М 305(05)-73 |
|||
|
В в е д е н и е
Ежегодное потребление электроэнергии в сельском хозяйстве СССР неуклонно растет. В последний год восьмой пятилетки сельское хозяйство потребило более 38 млрд. кВт-ч. Директивами XXIV съезда КПСС к концу девятой пятилетки потребление электроэнергии намечено увеличить вдвое. Сельское хозяйство должно быть готовым принять и рационально использовать это огромное количество электроэнергии.
С переходом сельскохозяйственного производства на индустриальную основу применение электротепловых установок, особенно в стационарных процессах, непре рывно возрастает. В этой связи большое значение при обретают работы по изысканию новых приемов и мето дов преобразования электроэнергии в тепловую и созда ние высокоэффективных электротепловых установок.
В сельском хозяйстве широкое распространение на ходят установки косвенного электронагрева сопротивле нием. В большинстве случаев электронагревательные элементы сопротивления этих установок выполняются в виде спиралей, лент из жаропрочных дефицитных мате риалов и нагревательного провода. Способ электрона грева посредством таких'протяженных элементов имеет ряд недостатков: низкий тепловой к. п. "д., малая ско рость нагрева, небольшой срок службы, трудность рав номерного нагр'ева больших поверхностей, необходимость прибегать, в случае обогрева оборудования сложных конфигураций, к громоздким и дорогим конструкциям.
В настоящее время намечается тенденция к созда нию электротепловых установок с поверхностно-распре деленными тонкослойными элементами сопротивления в виде полупроводниковых пленок.
Многие вопросы, связанные с выбором материалов, расчетом, проблемами эксплуатации и надежности пле-
3
ночных электротепловых установок еще не нашли доста точного отражения в отечественной и зарубежной лите ратуре. В книге впервые предпринята попытка в систе матизированном виде показать состояние и перспективы использования пленочного электронагрева в сельском хозяйстве. Рассматриваются методы и приемы изготов ления пленочных нагревателей, вопросы расчета, кон струирования и автоматизации установок с пленочным обогревом.
Значительная часть работы носит оригинальный ха рактер и написана по результатам лабораторных и про изводственных исследований, проведенных Белорусским институтом механизации сельского хозяйства.
I . К О Н С Т Р У К Ц И Я И М А Т Е Р И А Л Ы
ПЛ Е Н О Ч Н Ы Х Н А Г Р Е В А Т Е Л Е Й
1.Общее устройство пленочных нагревателей
Пленочным электрическим нагревателем называют
устройство, в котором электронагревательный элемент выполнен в виде пленки, имеющей значительное элек трическое сопротивление. Электрическая энергия преоб разуется в тепло в электронагревательном элементе по закону Ленца-Джоуля при протекании по элементу электрического тока. Длина и ширина пленочного элек тронагревательного элемента несоизмеримо велика в сравнении с его толщиной. Поэтому такой элемент имеет развитую поверхность нагрева, что является основной осо бенностью н преимуществом пленочных нагревателей.
Материал поверхностно-распределенных электрона гревательных элементов сопротивления определяет пре дельную температуру нагрева, механическую и химиче скую стойкость, обусловливает технологические особен ности изготовления и сферу их применения. Пленочные электронагреватели бывают двух классов: с органиче скими и неорганическими пленочными элементами со противления. *
Органические элементы сопротивления. Органические
элементы сопротивления базируются на полимерных ма териалах. Электропроводящие полимерные пленочные материалы — это композиции, состоящие из полимер ного связующего и электропроводящего наполнителя (чаще всего сажи). Теплофизические, механические и другие свойства таких пленок в значительной мере обу словлены соответствующими свойствами полимерного связующего. Электропроводность этих систем в основ ном определяется электрическими свойствами дисперс ного наполнителя, однако иногда связаны с электриче скими свойствами полимерного связующего. Как пра вило, полимерные связующие выполняют роль изоля тора, разъединяющего частицы электропроводного на полнителя [14].
5
|
1 |
|
|
Рис. 1. |
Органический |
пленочный |
||
|
|
|
электронагреватель: |
|||||
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
/ — изолирующий |
слой |
(резины; 2 — |
||
|
|
|
|
токопроводящнп слои резины; 3 — к о н |
||||
|
|
|
|
|
тактный |
электрод. |
||
п |
п |
п |
п |
|
|
|
|
|
I |
и |
П |
м |
По удельному |
объемному |
|||
|
|
|
|
сопротивлению |
электропро |
|||
|
|
|
|
водящие полимеры |
изготов |
|||
|
|
|
|
ляют от Ю - 3 до 1018 Ом-см и |
||||
|
|
|
|
делят на 5 классов. Электро |
||||
|
|
|
|
нагревательные |
пленочные |
|||
полимеры |
относятся |
к |
классу |
. высокопроводящих |
полимеров с р=103 —1,0 Ом - см . Для их изготовления чаще всего используют саженаполненные резины. При
меняют |
каучуки: |
бутилкаучук, |
СКС-30 |
-АРМ-15, |
|
СКМС-30 АРМК-15, натуральный и др. |
|
|
|||
Технологический |
процесс |
производства этих |
элемен |
||
тов состоит из операций: |
подготовки |
ингредиентов к |
смешению; изготовления резиновых смесей; каландрования и дублирования электропроводящего слоя с изо
лирующим; термообработки |
в туннельной |
камере; за |
кладки электродов, сборки |
элементов и |
вулканизации |
на барабанных вулканизаторах. Находят |
применение |
нагревательные элементы (рис. 1), которые представ-- ляют собой трехслойный рулонный материал,, состоящий из среднего слоя электропроводящей резины толщиной 2 мм и двух наружных слоев изолирующей резины тол щиной 1—2 мм. Ширина рулона 800 мм, длина до 15 м.
В зависимости от состава и технологических факто ров изготовления температурный коэффициент сопро тивления <xt элементов может быть как положительным, так и отрицательным. Абсолютная величина at значи тельная (в среднем ± 1,9510~2 1/град).
Для большинства элементов с сажевой структурой температурный коэффициент сопротивления имеет по ложительное значение при температуре до 40°С. Даль нейший нагрев элемента сопровождается резким сниже нием удельного сопротивления (вплоть до самовозгора ния при протекании по нему тока нагрузки). При по вторных циклах «нагрев — охлаждение» наблюдается явление необратимого увеличения удельного сопротив ления элементов.
Химическая стойкость к агрессивным средам опре-
6
деляется свойствами материала полимерного связую щего.
Полимерные электронагреватели рекомендуют для обогрева помещений, рабочих мест на буровых вышках, открытых установок на химзаводах, Железнодорожных вагонов, инкубаторов, теплиц, молодняка животных и
т.д. до температуры 40°С [13, 14}.
Впоследнее время появились высокотемпературные полимерные материалы (например, на основе полипро пилена), температура которых достигает до 60—80°С.
Неорганические элементы сопротивления. В качестве
материала для неорганических электронагревательных пленок используются окиси и силициды различных ме таллов, чаще всего двуокись олова и силициды железа. Эти пленки обладают высокой электропроводностью, до статочной механической и химической стойкостью.
Отличительной особенностью неорганических пленок является то, что они требуют специальной электроизо лированной конструкции, на которую их наносят. В частности, такой конструкцией может быть сама нагре вательная установка.
Технология нанесения токопроводящих пленок из двуокиси олова требует нагрева покрываемых пленкой деталей до высоких температур (400—500°С и выше). Наиболее разработанными считаются следующие мето ды получения пленок: обработка изделий парами двухлористого олова и обработка изделий растворами хлор ного олова [5, 7, 23].
Пленки можно наносить на стеклянные, керамиче ские и фарфоровые плоские и овальные поверхности. Толщина пленок достигает нескольких десятков микрон.
Перспективным материалом является состав, полу чаемый в результате химического соединения ферроси лиция или феррохрома с раствором силиката натрия [20, 32].
Технологический процесс получения ферросилициевой пленки осуществляется следующим образом.
Ферросилиций . технический , размельчается до дис персности 50—100 мк. Полученная пудра после просеи вания смешивается с раствором силиката натрия (жид ким стеклом) и водой в соответствующих соотношениях. Затем пасту методом пульверизации' (или другим пу тем) наносят на изолированную обогреваемую поверх ность при комнатной температуре. После сушки покры-
7
тие подвергают термообработке. Затем на необходимые участки пленки наносят контактные электроды из вы сокопроводного материала, к которым припаивают гиб кие проводники.
Ферросилнциевую пленку можно наносить на метал лические поверхности, защищенные неорганической изо ляцией, в частности, стеклоэмалевым покрытием.
В работах [5, 11, 32] отмечается высокая эффектив ность пленочных электронагревателей, особенно при сов мещении пленок 'с обогревательной установкой в одно целое. Такой вид обогрева условно называют «пленоч ным обогревом». Сельскохозяйственные электротепло вые установки с пленочными нагревателями должны удовлетворять многим требованиям, главными из кото рых являются долговечность, надежность и низкая стои мость. Важнейший показатель — устойчивость изоля ции нагревателей к агрессивным воздействиям внешней среды.
Заслуживает внимания комплексная оценка мате риалов по эффективности защиты от коррозии, получае мая сложением оценок по десятибалльной системе 10 показателей и анализа цифры общей эффективности материала. При этом учитываются даже такие показа тели, как стоимость, вес, склонность к старению. Такое сложение не имеет физического смысла. Однако, когда нет достоверных данных эксплуатационной стойкости материалов в конкретных условиях, в ряде случаев для сравнительной оценки такие «комплексные оценки» весь ма целесообразны.
В табл. 1, по известным данным [28], приведены комплексные оценки стали, жаростойкого стекла и не которых эластомеров, которые можно использовать для изготовления и изоляции пленочного нагревателя.
Очевидно, главным недостатком эластомеров являет ся недостаточная теплостойкость при температуре, пре вышающей 80^—100°. Следует учесть, что комплексная эффективность сочетания сталь-стекло повышается за счет физической стойкости и низкой стоимости стали и за счет антикоррозийной стойкости стекла.
Необходимо отметить, что во многих случаях к сред ствам электронагрева предъявляются повышенные тре бования по электробезопасности, а конструкция без металлического_ экранирования, нагревательных элементов
8
Т а б л и ц а 1. Сводные характеристики |
материалов |
по стоимости, |
весу, прочности, физической и химической стойкости |
||
Практическая |
Химическая |
стойкость |
характеристика |
|
|
Матер нал |
л |
|
Л |
к |
|
|
и |
|
f- |
3 |
J |
|
|
CJ |
5 Й |
||
|
о |
|
О |
о |
о |
|
о |
CJ |
5" |
3* |
у |
|
О |
фИЗ! сто( |
|||
|
й |
а |
С |
||
|
|
V |
О. |
|
|
§
теги
к |
|
|
|
К |
та |
о |
|
|
|
X |
|
ь |
|
X |
X |
о |
о |
с. |
|
СЗ |
аз |
н |
|
с |
|
О" |
О |
ч |
к |
а |
|
о |
с; |
|
|
ч |
CJ |
я |
га |
||
о |
а> |
-З" |
|||
О, |
и |
я |
|
о |
a |
а |
|
а |
я |
а |
ю |
|
|
|
|
|
О |
Сталь (обычная) |
9 |
1 |
10 |
6 |
10 |
10 |
2 |
5 |
1 |
2 |
56 |
|
Стекло |
жаро |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
стойкое |
|
7 |
6 |
5 |
1 |
10 |
10 |
10 |
2 |
9 |
10 |
70 |
Бутнлкаучук |
7 |
9 |
4 |
9 |
2 |
2 |
10 |
10 |
7 |
6 |
70 |
|
Неопрен |
|
6 |
8 |
4 |
9 |
5 |
3 |
9 |
10 |
9 |
2 |
65 |
Натуральный |
7 |
9 |
4 |
10 |
' 4 |
2 |
10 |
10 |
10 |
1 |
67 |
|
каучук |
|
|||||||||||
требует |
пониженного |
напряжения |
питания |
|
(напольные |
|||||||
обогреватели молодняка птицы и животных). |
|
|
|
|||||||||
Анализ свойств пленочных материалов показывает, |
||||||||||||
что в большинстве случаев целесообразно |
использовать, |
|||||||||||
неорганические |
пленочные |
|
элементы, |
совмещенные с |
||||||||
конструкцией электронагревательной |
установки, |
а |
для |
|||||||||
изоляции установки |
|
от электронагревательной |
пленки |
наиболее перспективным изоляционным материалом яв
ляется |
стеклоэмалевое покрытие |
высокотемпературного |
обжига. |
Стоимость стеклоэмалей |
невысокая (от 1 до. |
2 руб. за 1 кг). |
|
Применение стеклоэмалевого покрытия позволяет ис пользовать недорогие конструкционные стали, гаранти рует долговечность и термостойкость конструкции. Глад кая и твердая поверхность стеклоэмалевого покрытия облегчает очистку нагревателей и обеспечивает высокие санитарно-гигиенические условия обогрева.
Принципиальная схема, пленочного нагревателя по казана на рис. 2. Электронагревательная система «ме- талл-эмаль-токопроводящая пленка» как одно целое воспринимает большинство механических, термических и электрических нагрузок. Развитая площадь теплоот* дачи, равномерность нагрева, способность противостоять агрессивным воздействиям окружающей среды, доста точная прочность и небольшой вес являются достоин ствами пленочного электронагревателя.
9