Теория и разработка низкотемпературных композиционных электрообогревателей

Халин, Михаил Васильевич

Теория и разработка низкотемпературных композиционных электрообогревателей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.13 ВАК РФ

Халин, Михаил Васильевич АВТОР

доктора технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Барнаул МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.13 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Теория и разработка низкотемпературных композиционных электрообогревателей»

Автореферат диссертации на тему "Теория и разработка низкотемпературных композиционных электрообогревателей"

" г О од

2 1 ДЕК

На правах рукописи

Халин Михаил Васильевич

ТЕОРИЯ И РАЗРАБОТКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРООБОГРЕВАТЕЛЕЙ

Специальности 01.04.13 - электрофизика и 01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Томск, 1998 г.

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

Научный консультант: д.ф-м.н., профессор В.В. Евстигнеев Официальные оппоненты:

член-корр. РАН, д.т.н., профессор Ю.Н. Вершинин д.т.н., профессор В .Я. Ушаков д.т.н., профессор В.В. Саломатов

Ведущая организация — Институт теплофизики СО РАН, г. Новосибирск

о<

Защита диссертации состоится ¿¿е./^' ¿7-11 1998 г. в

часов на заседании специализированного с<йета^Дл)0з!41.01 в Институте сильноточной электроники СО РАН по адресу: 634055, Томск-55, пр. Академический, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института сильноточной электроники СО РАН

Автореферат разослан "Л7" *-<-0£ 1998 г.

Ученый секретарь специализированного совета д.ф-м.н., профессор

Д.Й. Проскуровский

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Эффективность поддержания необходимого микроклимата в сельскохозяйственных и промышленных помещениях, благоустройство жилых зданий, а также эффективность местного обогрева различных устройств и установок зависят от применяемых для обогрева систем отопления.

Традиционные способы тепло-электрообогрева обладают рядом существенных недостатков: невысоким коэффициентом полезного действия, необходимостью применения промежуточных теплоносителей, низким уровнем электробезопасности, большими затратами на обслуживание.

Неизбежный рост энерговооруженности производства и необходимость более рационального использования электроэнергии для нужд электроотопления поставили задачу разработки эффективных поверхностно-распределительных электрообогревателей. Из всего многообразия указанных устройств можно выделить электрообогреватели пластинчатого типа на основе электропроводящих композиционных материалов (ЭПКМ), которые свободны от перечисленных выше недостатков и, кроме того, обладают повышенной коррозионной стойкостью, эластичны и допускают эксплуатацию при многократных деформациях, имеют малый удельный вес на единицу мощности и состоят из недефицитных компонентов.

Широкое использование низкотемпературных (300-400 К) композиционных электрообогревателей (Н'ГКЭ) позволит осуществить массовое внедрение энергосберегающих технологий обогрева в различных областях: сельском хозяйстве (обогрев молодняка животных и птицы), промышленности (обогрев зданий и рабочих мест), энергетике, медицине (локальный обогрев функциональных кровавей, пеленальных столов, установок для проявления рентгеновских пленок), жилищно-коммунальном хозяйстве и быту.

К настоящему времени номенклатура НТКЭ превышает 1000 моделей. Ведущими фирмами и организациями-патентовладельцами в области раз-

работки ЭПКМ и конструкций из них являются: Matorel (Бельгия), Raychem Соф., Flexwatt Соф. (США), Sunbeam Соф. (Франция), TDK Electronics Co. Ltd (Германия), Electro Materials Соф. (ЕПВ), БИМСХ (Белоруссия), ВНИИЭТО, СибНИИЭ, АлтГТУ (Россия).

Качественно новые возможности в разработке композиционных электрообогревателей являются следствием трех обстоятельств: прогресса в области создания новых материалов нагревательного элемента, наличия теории и методики проектирования электрообогревателей и совершенствования технологии их изготовления.

В результате исследований созданы однородные, влагостойкие, механически прочные и стабильные материалы для нагревательного элемента, имеющие низкое удельное объемное сопротивление, малую стоимость и простую технологию изготовления.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования сориентированы в основном только на изучение характеристик составов и механизма электропроводности композиционных материалов с различными структурами, а научно-методическая сторона вопроса по расчету и проектированию изделий из ЭПКМ с заданными техническими характеристиками недостаточно точно сформулирована и не приведена к определенной системе.

Особенно это относится к композиционным электрообогревателям, обеспечивающимтребуемую температуру 310 ±5 К и работающим в непосредственном контакте с человеком и животными. К таким устройствам предъявляются повышенные требования по равномерности распределения теплового поля на поверхности электрообогревателя, электробезопасности, надежности, стойкости к агрессивной среде.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является дальнейшее развитие теории создания и функционирования низкотемпературных композиционных электрообогревателей, обеспечивающих требуемую температуру в стационарном однородном электрическом и тепловом полях для решения практических задач их проектирования, производства и эксплуатации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА выполненной работы заключается в следующем:

1. Разработаны новые расчетные модели при определении электрической и тепловой проводимостей НТКЭ с системами компланарно и копланарно расположенных электродов, размещенных как на поверхности, так и внутри резистивного материала.

2. Впервые разработан аналитический метод расчета и определения электрической и тепловой проводимостей для системы с копланарно расположенными электродами с использованием метода непосредственного определения напряженности поля.

3. Показаны условия функционирования расчетных моделей НТКЭ, включающие требования: квазистационарности и приближенно плоскопараллельносги электрического поля в резистивном материале; эквипотенциальное™ поверхности электродов по всей длине; степени неоднородности резистивного материала, не превышающей 12%.

4. Впервые установлен критерий функционирования НТКЭ, представляющий собой стабильность отклонения температуры на его поверхности (ДГ), позволяющий получить в явном виде его зависимость от геометрических и эксплуатационных параметров НТКЭ и допускающий их регулирование.

5. Методом конформных преобразований и непосредственного определения напряженности поля с учетом математической аналогии между потенциальными полями получены точные формулы для расчета: напряженности поля, тока, разности потенциалов и электрической проводимости между копланарными, двумя парами копланарных и компланарными электродами, размещенными на поверхности резистивного материала, а также между копланарными электродами, размещенными в резистивном материале, с учетом их смещения и толщины; потока тепла, количества тепла, разности температур и теплопроводности между рези-л ивным материалом и объектом теплоотвода.

6. Разложением эллиптических функций, эллиптических и гиперэл-шптических интегралов, содержащихся в точных выражениях, в ряды и охранением только первых членов получены простые приближенные формулы для определения электрических и тепловой проводимостей мо-целей электрообогревателей.

7. Проведены расчеты точных (абсолютная погрешность до Ю-6) и приближенных значений электрической и тепловой проводимостей различных типов моделей электрообогревателей; показано, что в наиболее часто используемых на практике моделях относительная погрешность полученных приближенных формул составляет до 2%.

8. Установлено, что в практически используемых случаях электрические проводимости между копланарными, двумя парами копланар-ных и компланарными электродами отличаются между собой лишь поправочными членами, причем отклонение толщины электродов приводит к линейному изменению электрической проводимости электрообогревателя, а смещение электродов - к параболическому.

9. На основе уравнения теплового баланса электрообогревателей, полученных расчетных формул предложена методика, обеспечивающая расчет и проектирование электрообогревателей с заданными техническими характеристиками.

10. Разработаны на уровне изобретений новые технические решения, относящиеся к НТКЭ и включающие: составы композиций рези-ставного материала, способы изготовления, организацию промышленного производства и внедрения электрообогревателей.

11. По разработанным методикам выполнен комплекс исследований электрофизических и тепловых параметров резистивных композиционных материалов, различных типов электрообогревателей и технических средств на их основе, позволивших определить технологический регламент промышленного производства НТКЭ.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ полученных научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается строгостью постановки решаемых задач, введением в расчетные модели основных физических свойств исследуемых объектов, установлением границ корректности решений и подтверждается сопоставлением результатов аналитического и численного исследований, а также сравнением с экспериментальными данными, полученными на моделях в лабораторных условиях и условиях производства.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в следующем:

1. Получены простые и достаточно точные выражения, позволяющие с малыми затратами времени рассчитать НТКЭ с заданными техническими параметрами.

2. Предложенные методики позволяют получить в явном виде зависимость отклонения температуры на поверхности НТКЭ от его геометрических и эксплуатационных параметров.

3. Разработанные методики расчета НТКЭ дают возможность определить тип и место расположения электродов токоподвода электрообогревателя.

4. Технические решения выполнены на уровне изобретений и защищены 2-мя авторскими свидетельствами и 5-ю патентами, основные положения которых использованы при организации промышленного производства НТКЭ.

5. Разработанные методики расчета и полученные формулы могут быть использованы при решении задач с другим техническим содержанием, например: расчета образцовых резисторов, конструировании печатных плат, интегральных схем, электрокондуктомеров, газоанализаторов, вакуумметров и других приборов, а также электро-, радио- и теплотехнических устройств.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Работа выполнена в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и является составной частью комплексных научно-технических программ:

1. Координационного плана работ на 1981-1985 гг. ГКНТ СМ СССР и Госплана СССР 473/249 от 12.12.80 по программе О.Ц.ООЗ, пункта 0.01.06.05Н4.

2. Координационного плана АН СССР по комплексной проблеме "Электрофизика и электроэнергетика" на 1986-1990 гг. (шифр 1.9.2).

3. Проекта системы машин ВАСХНИЛ на 1986-1990 гг. (раздел Ж

12).

Результаты работы по теоретическому исследованию и расчету НТКЭ явились составной частью при организации промышленного выпуска гибких композиционных электрообогревателей на ОАО "Барнаульский шинный завод", где, начиная с 1988 года, выпущено око-

ло 8 тыс. шт. электрообогревателей различной номенклатуры. Научные разработки внедрены в сельском хозяйстве, промышленности, энергетике, медицине, жилищно-коммунальном хозяйстве на предприятиях Алтайского края, Новосибирской и Московской областей, Восточном и Северном Казахстане, Азербайджане. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения разработок составил около 1,5 млн руб. в ценах 1991 г.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ.

1. Расчетные модели при определении электрической и тепловой проводимостей НТКЭ с системами компланарно и копланарно расположенных электродов, размещенных как на поверхности, так и внутри ре-зистивного материала.

2. Аналитический метод расчета и определения электрической и тепловой проводимостей для системы с копланарно расположенными электродами.

3. Методики расчета напряженности поля, тока, разности потенциалов между копланарными, двумя парами копланарных и компланарными электродами с учетом их смещения и толщины; потока тепла, количества тепла, разности температур между резистивным материалом и объектом теплоотвода.

4. Новые технические решения, относящиеся к НТКЭ и включающие: составы композиций резисгивного материала, способы изготовления, организацию промышленного производства и внедрения электрообогревателей.

5. Комплекс исследований электрофизических и теплофизических параметров резистивных композиционных материалов, различных типов электрообогревателей и технических средств на их основе, позволивших определить технологический регламент промышленного производства НТКЭ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Электронагревательные устройства на основе композиционных резистивных материалов, их применение в быту и технике", г. Киев, 1982 г.; научно-практической

конференции "Пути и задачи электрификации сельского хозяйства в свете решений Майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС", г. Барнаул, 1983 г.; на Всесоюзном симпозиуме по сильноточной электронике, г. Новосибирск, 1988 г.; на Всесоюзной научно-практической конференции "Основные тправления экономического и социального развития Алтайского края в 13 пятилетке и на период до 2005 года", г. Барнаул, 1989 г.; на 2-ой, 3-ей, }-ой Международных конференциях "Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов", г. Барнаул, 1991, 1995, 1997 гг.; на Международной научно-технической конференции "Вузовская наука на международном рынке научно-технической продукции", г. Барнаул, 1995 \; на 1-ой и 2-ой Международных научно-технических конференциях 'Композиты - в народное хозяйство России", г. Барнаул, 1995, 97 гг.; на Межведомственном семинаре по энергосбережению, г. Барнаул, 1997 г., а акже на научно-технических семинарах НИХТИ, ЭНИНа (г. Москва), осударственного предприятия "Алтаймедтехника", кафедры "Физика и ехнология композиционных материалов" АлтГТУ.

Разработанные экспериментальные и промышленные образцы из-[елий экспонировались и были отмечены на следующих выставках и рмарках:

1. 1989 г., ВДНХ, г. Москва. Постоянно действующий павильон Ресурсосбережение".

2. 1990 г., февраль, г. Хельсинки, Финляндия. Международная вы-гавка, павильон "Ученые вузов России - науке и производству".

3. 1990 г., июнь, г. Братислава, Словакия. Международная хи-[ическая ярмарка "ИНХЕБА".

4. 1990 г., июнь, г. Познань, Польша. Международная ярмарка.

5. 1990 г., июнь, г. Барнаул, Россия. Региональная выставка-ярмарка.

6. 1990 г., декабрь, г. Барнаул, Россия. Ярмарка-аукцион.

7. 1995 г., февраль, г. Новосибирск, Россия. Международная уни-ерсальная ярмарка "Транссибзкспо-95".

8. 1995 г., май, г. Барнаул, Россия. Выставка в рамках международен! научно-технической конференции "Вузовская наука на международ-эм рынке научно-технической продукции".

9. 1997 г., сентябрь, г. Лейпциг, Германия. Международная инова-ционная ярмарка "Иновация-97".

ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований изложены в 48 научных трудах, из которых 2 препринта-монографии, 5 патентов, 2 авторских свидетельства, 25 статей, 4 технических условия, 10 отчетов по научно-исследовательским работам.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ. Диссертация состоит из "Введения", семи глав, "Заключения", списка литературы и приложений, изложена на 330 страницах машинописного текста, включающего 29 таблиц, 28 рисунков; список литературы содержит 271 наименование; 11 приложений представлены наШстраницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе выполнен анализ состояния вопроса, приведены теоретические основы расчета электрической и тепловой проводимосгей ЭПКМ, разработаны расчетные схемы и модели электрообогревателей при определении электрической и тепловой проводимосгей и сформулированы задачи исследований в области создания НТКЭ, обеспечивающих биологическое тепло.

Современные научные проблемы создания НТКЭ включают три основных направления; разработку новых электропроводящих композиций, обеспечивающих однородность состава при определенном механизме электропроводности; наличие теории и методик проектирования НТКЭ с заданными характеристиками; совершенствование технологии их изготовления.

Как показал опыт длительной эксплуатации различных электрообогревателей, обеспечивающих биологическое тепло, требования к электробезопасности, надежности, стойкости к агрессивной среде, равномерности распределения температурного поля поверхности электрообогрева легче всего выполнить в электрообогревателе с пластинчатой формой. Наиболее полно вышеназванным требованиям отвечает электрообогреватель на основе бушлкаучука, в котором резистивный мате-

тал с техническим углеродом и другими компонентами формируется в ¡иде пластины вместе с плоскими электродами и затем помещается меж-[у резиновыми изоляционными пластинами с последующей вулканиза-

[ией.

Основная обобщенная схема рассматриваемого электрообогрева-еля, состоящая из резистивного материала 3, размещенного в [золяционном покрытии 4, приведена на рис. 1. Резистивный материал 3 набжен электродами 1, 2, к которым подводится напряжение и. В ре-ультате происходит нагревание резистивного материала и, следователь-:о, изоляционного покрытия. Причем электроды 1, 2 могут размещаться ак на поверхности резистивного материала (рис. 1), так и непосредст-енно в нем (рис. 2).

В общем виде температура на поверхности электрообогревателя вязана с многочисленными электрическими и тепловыми параметрами, ажнейшими из которых, как показано в работе, являются электрическая роводнмость Сэ между электродами резистивного материала и тепловая роводимость Су между резистивным материалом и телами, окружающи-и изоляционное покрытие. Для определения указанных проводимостей еобходим выбор расчетной модели композиционного электрообогрева-;ля, который, прежде всего, зависит от условий его эксплуатации. Для табства расчетов и понимания физических процессов целесообразно рас-л огреть раздельно электрическую и тепловую модели электрообогревате-

С учетом того, что резистивный материал является приближенно инородным, удельная электропроводность изоляционного слоя по срав-:нию с удельной электропроводностью у резистивного материала мала ею можно пренебречь, а длина электродов равна длине резистивного атериала, электрическое поле между электродами электрообогревателя ожно принять плоскопараллельным, а границу по периметру резистив-зго материала - непроницаемой для силовых линий электрического эля. В результате, расчетные модели при определении электрической юводимости электрообогревателя могут быть представлены так, как жазано на рис. 3, а, б.

тг 5

Рис. 1. Обобщенная схема электрообогревателя с электродами, размещенными на поверхности резистивного материала: 1,2- электроды; 3 - резистивный материал; 4- изоляционное покрытие; 5 - объект теплоотвода.

Рис. 2. Резистивный материал с размещенными в нем электродами: 1,2 — электроды; 3 — резистивный материал.

В зависимости от назначения электрообогреватели обычно размешаются на поверхностях объектов, изготовленных из различных материалов. Наиболее долговечным и недорогим материалом является бетон.

Поэтому рассмотрим тепловую проводимость электрообогревателя, размещенного на бетонном основании большой толщины (рис. 1; 3, в).

Так как коэффициент теплопроводности бетона составляет Х.^ ж 0,85 Вт/(м-К), а коэффициент теплопроводности изоляционного слоя (резины) - ^«0,16 Вт/(м-К), то и поверхность между

изоляционным покрытием 4 и бетонным основанием 5 приближенно можно считать изотермической с температурой Т2.

Коэффициент теплопроводности воздуха составляет Яа«0,026 Вт/(м К), поэтому Хв « X, и поверхность между изоляционным покрытием и воздухом допустимо считать непроницаемой (адиабатной) для линий потока тепла.

Поскольку резистивный материал является однородным, электроды установлены у самых краев, приближенно можно принять, что температура резистивного материала одинакова по всей поверхности и равна 7].

С учетом того, что изоляционное покрытие является практически однородным, толщины резистивного к и изоляционного t материалов намного меньше ширины В и длины Ь электрообогревателя, приближенно тепловое поле можно считать плоскопараллельным. Толщина Н электрообогревателя обычно намного больше расстояний с1\ и с/2> на этом основании для упрощения расчетов можно принять ^ = с/2 = °° (рис. 1).

Учитывая условия эксплуатации низкотемпературных электрообогревателей в помещениях, где скорость движения воздуха весьма мала (<0,2 м/с), при расчетах теплового состояния объекта конвективным теплообменом можно пренебречь.

При радиационном теплообмене законы Рэлея-Джинса и Вина характеризуют излучение для предельных случаев. При больших и малых значениях аргумента Т, длина волны теплового излучения А." находится в пределах 0,Ы000 мкм .

14 («)

Г...... т

VI и2 ,

од

1 \

\у г м к

;Т

их иг К'

Рис. 3. Расчетные модели при определении электрической (а), (б) и тепловой (в) проводимостей электрообогревателей:

1, 2 - электроды; 3 -резистивный материал; 4 - поверхность, непроницаемая для силовых линий электрического поля; 5 - поверхность, непроницаемая для линий потока тепла; 6 - изоляционное покрытие.

Закон Стефана-Больцмана устанавливает пропорциональную зависимость плотности потока равновесного излучения элемента поверхности абсолютно черного тела (АЧТ) от четвертой степени Т. Учитывая, что температура рабочей поверхности электрообогревателя не превышает 310 К, доля теплового излучения от общего теплового потока составляет несколько процентов.

С учетом перечисленных приближений исходную модель системы можно представить так, как она изображена на рис. 3, в.

Как будет показано, введенные плоскопараллельные расчетные модели достоверно отражают не только качественные особенности работы электрообогревателей, но и дают возможность получить количественные результаты, являющиеся базой для разработки электрообогревателей с заданными технико-экономическими показателями.

Вторая глава посвящена расчету электрических проводимостей электрообогревателей с электродами, размещенными на поверхности ре-зистивного материала.

Методика расчета основывается на выполненных проф. Сочневым А.Я. преобразованях уравнений Лапласа для плоскопараллельного поля. Для расчета электрических параметров электрообогревателя были установлены математические аналогии между электрическим и электростатическим полями, и основные расчетные формулы можно представить в виде:

1м-= 0) у ч

ак+1

Мнм\ ^к-= |£этро(4); (2)

АШ~с0г1

Еэг]=о(§) - п, (3)

У к=\

Тз1 ■

- ¡М

(4)

где ¡ы - ток на единицу длины, проходящий через резистивный материал; у - удельная электропроводность; Еэгр0(£) - модуль напряженности поля в точках плоскости расположения электродов; ак, а'к - координаты краев А-го электрода; - разность потенциалов между к-м и к + 1-м электродом; с0; - координата (в общем случае комплексная) особенной точки второго рода (точка, в которой напряженность поля равна нулю); А - постоянная; п' - число электродов; т = п'-2 - максимально возможное число особенных точек второго рода; С3/ - электрическая

проводимость между электродами на единицу длины.

При практическом использовании рассматриваемого метода сечение плоскопараллельной системы тел принимают за плоскость комплексного переменного г и подбирают такое конформное преобразование Дг), в результате которого система принимает более простой и доступный для расчетов вид (рис. 4). При конформном отображении на верхнюю полуплоскость любая система тел, сечения которых расположены на контуре отображаемой области, преобразуется в систему бесконечно длинных пластин. Это позволяет найти значения электрических проводимостей методом непосредственного определения напряженности поля.

Таким образом, методика расчета электрической проводимости систем заключается в следующем:

1. Для введенной расчетной модели производится конформное отображение поля в плоскости г на плоскость С,.

2. По формуле (3) определяется модуль напряженности поля в плоскости Т1=0. Неизвестная координата особенной точки второго рода со,- находится с помощью уравнений, получаемых на основании формул

(1), (2), путем приравнивания нулю суммарного тока электрода или соответствующей разности потенциалов.

(в)

(б)

)У

-£ .. .Л 'Шйт .. 'А* X

- 1 21

■ 4■ Резистивный материал с копланарными электродами: (а) - исходная схема; (б) - расчетная (в) - система в отображенной плоскости; 1,2- электроды; 3 - резистивный материал.

3. Вычисляются требуемые по условиям задачи ток на единицу длины электрода 1ц по формуле (1) и разность потенциалов ^

между электродами согласно выражению (2), затем находится искомая проводимость СЭ1 по формуле (4).

Определив проводимость композиционного материала для электрообогревателя, далее можно рассчитать его электрические параметры в зависимости от заданных геометрических размеров изделия.

Во второй главе согласно разработанной методике получены точные и приближенные формулы для расчета электрических проводи-мостей электрообогревателей с различным расположением электродов на поверхности электропроводящего материала (см. табл. 1), а именно: ко-планарным (пп. 1-^4), компланарным (п. 5), копланарным с учетом их смещения (п. 6) и двумя электрически соединенными парами копланар-ных электродов (пп. 7-5-9). При этом определены условия применения приближенных формул и относительные погрешности расчетов. Результаты приведены в табл. 1.

Таблица 1

№ Расчетная Условия Относительная

п формула примене погрешность |5|<

п. ния

1 7 Мх\(и!пау " 4е~ 1 ГДСЯ' \п(Шиа) а . т<<1 — » 1 1 0,06% при у < 0,1, у > 3; 0,90% при у <0,3, у >3; 1,98% при у <0,3, у£1

2 А V ~ „/, 2А , 2/Л ' 21 1 + - 1п — Ч к 1 ы) 0,06% при ^ < 0,1, - £ 3; п п 0,67% при - < 0,3, - > 3; п п 1,92%при ^<0,64, |>5 п п

Сэ/

0 + *2>.

Я. 2 =у| 1-0,44-

у 21 а

г'

Продолжение таблицы 1

1,72% при 0,64 < < 1, —2:5;

А я

0,61% при 0,75 < — < 1, — > 5;

А к

1,14% при 0,75 < — < 1, — > 4 _ п_п

1 , 8/г -1п-

7 к п(1 - а)

/-а

«1,

»1

0,05% при 1-—С1- < 0,1, - > 3; п п

0,81% при < 0,3, - > 3; п п

1,63%при ^-<0,4, 1*3 п п

Г ~2/Гц.А|пЛ

V 7С/ 7СЙ

А<<1'

»1

л ^ /

0,06% при — < 0,1, — £ 3; /г п

0,67% при — < 0,3, — > 3; /г п

л л»

1,92% при — < 0,64, — > 5 Н п

у ~21

тоже, что в пп. 1-г4

тоже, что в пп. 1-5- 4

где X, ~ тс -е Л--,

3 Ф

А-величина изменения ширины

_а электрода,

0,05% при 2(/, а)<0,1, — >3; Л Л

0,81% при 2(/Гй)^0Л — >3;

п п

1,63 % при ^^ < 0,4, — > 3

__/г ..: ■■■ А

Оэ/ 2, 4/г

;-1п

/-й

я %(1 - а)

«1

»1

у ~ 21

1 + у(1_0,22а

Г1

1»! А

1,72% при 0,64 < — < 1, —>5;

Л Л

0,61% при 0,75 < — < 1, — > 5;

Л Л

1,14% при 0,75 <~< 1, — >4 Л А

В третьей главе диссертации развита теория расчета электрических проводимостей электрообогревателей с копланарными электродами, размещенными в резистивном материале.

С целью упрощения расчетов введем в исходную систему (рис. 5, а) непроницаемую плоскость, проходящую через ось симметрии параллелепипеда параллельно его основанию, тогда искомое значение проводимости будет равно удвоенному значению проводимости между электродами, представленными на рис. 5, б.

Приняв заштрихованную часть вспомогательной системы (рис. 5, 5) за часть плоскости комплексного переменного г, конформно отобразим на нее верхнюю полуплоскость нового комплексного переменного С, (рис. 5, в). Функция, осуществляющая требуемое отображение, находится с помощью интеграла Кристоффеля-Шварца и имеет вид

где А\ - постоянная.

Уравнения, связывающие геометрические параметры в отображенной плоскости с исходными конструктивными параметрами, находятся с учетом приращений функций (5), получаемых при движении текущей точки по действительной оси плоскости С, и соответствующем обходе особых точек:

(5)

Ь=л1;2 = А1 |

и-б1)

(7)

а = Л,/3 = Л, | аг

(8)

(9)

С целью сокращения постоянной Л] представим систему уравнений 6)-(9) в следующем виде:

к 2(/2 +./4)'

(10)

к 2 (/2+У4)'

(И)

/_ У1+/3

(12)

; которых параметры - а4 следует давать также в безразмерном виде

£1 и £з. г4' о4 а4

С помощью системы уравнений (10)~(12) решается геометрическая асть задачи; все входящие в эту систему интегралы являются гиперэл-иптическими и в общем случае находятся расчетным путем.

Так как при конформных отображениях проводимости между соот-етствующими электродами сохраняются, то для полного решения по-гавленной задачи остается найти проводимость в системе электродов, риведенной на рис. 5, в. Выражение для расчета проводимости (на еди-

Рис. 5. Резнсторный материал с электродами прямоугольного сечения: а - исходная система; 6 - расчетная модель; в - система в отображенной плоскости; 1,2- электроды; 3 - резистивный материал.

шцу длины) искомой системы (с учетом того, что проводимость вспомогательной системы меньше проводимости исходной в два раза) при заме-ie соответствующих обозначений примет вид:

де K(kx) и K(k{) - полные эллиптические интегралы первого рода с мо-

[улями соответственно k\ =—, k{ = т/l - k}.

аъ

Принимаем условие, что — «1, — »1, тогда — ~ 1, —- ~ 1.

hah а2 а4

Упрощая интегралы, входящие в (10)-(12) при указанных условиях, [ применяя правила приближенных вычислений, получим следующую [риближенную формулу для расчета проводимости (на единицу длины) (ежду электродами электрообогревателя

'f-'f, .('♦»> 04)

де

-=о

G3l «_h

~=° 2/(14-1,ПА \ nl ка

(15)

9ь

Ь 2ка

1 + In--

(16)

Выражение (15) представляет собой проводимость системы (рис. 5, а) ри толщине электродов 6 = 0 и совпадает с формулой табл. 1, п. 5, а (16) -гносительное изменение проводимости, связанное с толщиной Ь электро-эв. Как следует из формулы (16), отклонение толщины электродов при-

водит приблизительно к линейному изменению электрической проводимости электрообогревателя.

Относительная погрешность формулы (14) возрастает с повышением отношений а/А, Ь/й и понижением отношения //Л и при -^<0,64, 2|

— < 0,1, — >5 ее значение не превышает 2%, значение относительного а п

изменения проводимости системы, рассчитанное по формуле (16), дъ< 1,6%. Такое изменение проводимости между электродами, размещенными в резистивном материале, следует учитывать при расчете электрообогревателя. На основе предложенной методики выполнены численные расчеты электрической проводимости в зависимости от изменения геометрических параметров электрообогревателя.

Аналогично предыдущим положениям найдены точные уравнения, связывающие геометрические параметры в отображенной плоскости с исходными размерами модели электрообогревателя с учетом смещения электродов б. Систему уравнений удобно представить в виде:

А .

Л ~J2+J5'

а _ Ь .

А -/2+/5

5 _ - 72 . А~ 2(72 + /5)'

(17)

(18)

(19)

где

Л = /4; (20)

J^ = J6■ (21)

(4-е)

(22)

Н-<2)

а3

(24)

(25)

«5

/5=1

(26)

(^з2)

(27)

В результате ряда преобразований и принятых допущений получены приближенные формулы для расчета проводимости (на единицу длины) между электродами с учетом их смещения:

^ Сэ1 У У

О-<7*),

где

Сэ1

г° 2(1+41«-

' V 71/ ЯД

(28)

9* =

71 Я

8/г

(30)

Выражение (29) представляет собой проводимость системы при смещении электродов 5 = 0, а (30) - относительное изменение проводимости, связанное со смещением электродов относительно плоскости симметрии резистивного материала.

Как следует из формулы (30), смещение электродов приводит к относительному изменению электрической проводимости, характеризуемому вторым порядком малости, т.е. уравнением параболы.

Относительная погрешность формулы (28) возрастает с повышением отношений а/к, б/к и понижением отношения //Л, например, при

— < 0,64; — < 0,1 и ^ 5 ее значение не превышает 2,1%, значение отно-п п п

сительного изменения проводимости системы, рассчитанное по формуле (19), ^¿1,23%, которое необходимо учитывать при проектировании

электрообогревателей. На основе предложенной методики выполнены численные расчеты электрической проводимости с учетом смещения электродов электрообогревателей.

Четвертая глава посвящена расчету тепловой проводимости низкотемпературных электрообогревателей.

Расчет основан на методе непосредственного определения напряженности поля и конформных преобразований с учетом математической аналогии между потенциальными полями.

По оси г введем непроницаемую плоскость (рисунок 6, а), примем заштрихованную часть расчетной модели за часть плоскости комплексного переменного г и конформно отобразим на нее верхнюю полуплоскость нового комплексного переменного С, при соответствии точек исходной и отображенной плоскостей, указанном на рис. 6.

Система уравнений, связывающая конструктивные размеры расчетной модели с координатами точек щ - а3 в отображенной плоскости, полученной с помощью интеграла Кристоффеля-Шварца, имеет вид.

(а)

(б)

5гУ X X XX Я ХУ5ППГ5Г

"«2

-а,

*лХХХ*-

А'

Рис. 6. Схема электрообогревателя: а - расчетная модель; б - система тел в отображенной плоскости; 1 - резистивный материал с температурой Т\, 2- поверхность теплоотвода с температурой 7^; 3 - изоляционное покрытие.

(Л \

£2 и?

-1

ПМ)-*(*) ■ ПК *')-*(*')'

н - и Шп2>к) '

(32)

где /С(А), /С(А'), П(«|Д'), П(«2, к) - полные эллиптические

интегралы первого и второго родов, модули и параметры которых приведены в табл. 2.

Таблица 2

Модуль Параметр

к к'-- = Л -А2 п «1 "2

а\ 1 а\ 1 Й1 '-4 «3

1 1 л 4 1 •4 «3 1 2 к аг) «3

Модуль потока тепла в точках £ плоскости расположения пластин ^Гт1=оС4). количество тепла, проходящего через поверхность тела 2 в единицу времени на единицу длины , разность температур АТ между телами / и 2 и тепловая проводимость между ними на единицу длины

определяются по формулам:

(33)

ак

где а^, ¿4 координаты краев к-го тела (пластины); А - постоянная; и' -число электродов; X - коэффициент теплопроводности между телами.

Формулы (36) и (31), (32) показывают, что тепловая проводимость сложным образом зависит от геометрических характеристик системы. Однако следует иметь в виду, что эти формулы получены для общего случая, т.е. произвольных размеров электрообогревателя. Если учесть, что при проектировании электрообогревателей выбирают обычно отношения 0,2 < А/Я <0,4, а 1/Н »I , то все выражения можно существенно

упростить, приведя их к виду, удобному для анализа и непосредственного расчета.

После ряда преобразований формула для определения безразмерной проводимости на единицу длины примет вид:

Я Н~И тг я '

В главе приведены расчеты ¡X для различных значений 21/Н , и <г/Н и показано, что погрешность расчетов по формуле (26) в основном 1е превышает 0,001%.

Глава пятая посвящена разработке методики расчета электрообог-эевателей с различным размещением электродов в резистивном материа-ге.

В результате расчета и принятия проектных решений должны быть определены геометрические размеры резистивного материала и электро-|,ов, физические параметры резистивного материала и изоляционного

покрытия, технологические допуски на их изготовление и допустимые отклонения влияющих величин, при которых обеспечивается номинальное значение температуры на поверхности изделия, а ее колебание в процессе серийного изготовления электрообогревателей не должно превышать заданного результирующего допуска по температуре.

Первый этап расчета представляет собой установление на основе теплового равновесия взаимосвязи между выходной величиной (температурой Т^) и влияющими величинами (напряжением питания,

удельными электрической и тепловой проводимостями и т.д.). Параметр 7| определяется выражением

т1 = т2+щ:и2' (38>

где 7], 72 - температура резистивного материала и объекта теплоотво-да соответственно.

Я - коэффициент теплопроводности изоляционного покрытия; у - удельная электропроводность резистивного материала;

Кэ = —, К-р = - коэффициенты, имеющие размерность длины; Г *

, и - электрическая проводимость и напряжение между электродами резистивного материала соответственно;

Ст - тепловая проводимость между резистивным материалом и

объектом теплоотвода.

Второй этап расчета сводится к определению номинальных значений геометрических размеров изделия, физических параметров резистивного материала и изоляционного покрытия, а также вычислению потребляемой мощности. Определение указанных параметров электрообогревателя производится в основном из условий эксплуатации, долговечности и техники безопасности.

Третий этап расчета сводится к определению требований к допустимым отклонениям параметров г^, входящих в уравнение (38). С этой

целью получена формула для определения допустимого отклонения параметров Аг,

Дг,=-т^Г, (39)

ЩЩ

где АТ - результирующий допуск по температуре; п" - количество составляющих Д7};

—- - производная, определенная при номинальных значениях

дг{)0

параметров

Удельная электропроводность резистивного материала, найденная из (38) при номинальных значениях, имеет вид:

п = ЬоКто{По-Т20) (40)

и о Кэ о

Далее по формуле (39) находятся допустимые отклонения влияющих величин, при которых результирующий допуск по температуре не превышает заданный АТ:

&и= АТ;

2л/61/0у0/Сэ0

(41)

АТ2 = (42)

л/6'

Ькто

\[б и$кэ0

АА = - ГХ^Т0 АТ; (43)

Ду = ^0К/0 АТ; (44)

АКТ =

-АТ>

(46)

где АII, АТ2, АХ, Ду, АКЭ, АКт - отклонения влияющих величин от номинальных параметров Г20, у о, Кэ0, Кт о соответственно.

Аналогично определяются допустимые отклонения влияющих величин, входящих в коэффициенты Кэ и Кт, найденные на основе формул из табл. 1, п. 2 и (37) после некоторых преобразований и упрощений с погрешностью, не превышающей 10%:

(47)

(48)

(49)

(50)

(51)

(52)

(-"О

: АКэ(г, АКэц, АКЭ[, АКэа - составляющие результирующего допус-АКЭ, обусловленные отклонением параметров Л, Ь\, /, а относительно минальных значений Ад, /0, % на величины Д/г, АЦ, А/, Да;

АКТ1, АК-рц , АКТц, АКт/1 - составляющие результирующего до-

:ка АКТ, обусловленные отклонением параметров /, Н, И относи-[ьно номинальных значений /д, ¿ю, Н0, на величины Д/, Д^, АН,

Полученные математические формулы использованы для решения жтро-, теплофизических и конструкционных задач проектирования жтрообогревателей с копланарными электродами, размещенными на зерхности и внутри резистивного материала с учетом отклонения па-детров в соответствии с технологическими особенностями сборки "КЭ.

В шестой главе приведены результаты экспериментальных исследо-шй, а также представлены разработанные технологии производства ¿позиционных электрообогревателей.

Выполненные экспериментальные исследования по определению ктрических и тепловых проводимостей электрообогревателей позво-ш установить следующее:

- соответствие выбранной расчетной модели реальным конструк-[м электрообогревателей, при этом предельная относительная по-шность определения удельной электропроводности составляет 2,1 %, а юсительное изменение удельной электропроводности образцов из рас-)тренного типа ЭПКМ не превышает 7%, что позволяет при расчете ктрообогревателей считать резистивный материал однородным;

- разработанная методика расчета электрической проводимости ктрообогревателя в достаточной степени согласуется с эксперимен-ьными данными, все полученные кривые зависимостей безразмерных гводимостей от геометрических размеров электрообогревателей рас-

положены выше теоретических вследствие влияния толщины электродов, наибольшее расхождение не превышает 5,1 %;

- при расчете тепловой проводимости замена реальной модели на идеализированную не привела к существенной погрешности, так как замены нижней поверхности реального электрообогревателя на изотермическую, верхней - на адиабатную приводят соответственно к понижению и повышению температуры на рабочей поверхности электрообогревателя. В результате совместного воздействия этих двух взаимокомпен-сирующих факторов расчетное значение температуры изменяется мало (не более 4%).

Для организации промышленного производства гибких композиционных электрообогревателей ГКЭ-1 разработана экспериментальная методика определения основных физико-механических показателей (ФМП) качества резиновых смесей, изоляционного (ПРИ-1-90) и электропроводящего (ПРЭ-2-90) слоев. Значения ФМП представлены в табл. 3.

Таблица 3

Вулканизация Относи-

Условная Относи- Твер- тельное

Тип время, темпера- прочность тельное Пласти- дость по остаточ-

резиновой мин тура, К при рас- удлине- чность ШОРу ное удли-

смеси тяжении /"р, Мпа ние £Р) % Р. У-е. А, у.е. нение ©,%

ПРИ-1-90 30±1 446±3 8,0 500 0,30 50 30

60±1 не менее не менее не менее не менее не более

ПРЭ-2-90 30±1 446±3 9,0 450 0,30 50 25

60±1 не менее не менее не менее не менее не более

При подборе оптимального состава проводящего слоя ГКЭ использованы различные марки технического углерода (ТУ): П-234, П-324 и П-514. По предложенной выше методике определены зависимости пластичности (Р), условной прочности на растяжение (/р) и относительного удлинения при разрыве образца (еР) от концентрации ТУ (Ату) для различных марок ТУ.

[а рис. 7 для примера представлены зависимости ФМП образцов из РКМ г концентрации ТУ П-234. Анализ полученных данных показал, что для юсгропроводящей резины ПРЭ-2-90 концентрация ТУ-234 не может ревышать 28% из-за уменьшения показателя Р ниже допустимых норм :м. табл. 3).

15 600

14 520 . и ^^^

С 13 440 N. \

ср, %

12 360 - \ »А

И 280 -

10 200 1111 1 1 1

26 28

0,48

0,40

0,32 и

0,24 «С

0,16

0,08

34 36

Рис. 7. Зависимость физико-механических показателей образца из РКМ ГКЭ-1 от концентрации ТУ П-234.

В результате выполненных экспериментальных исследований, под-¡ерждающих теоретические положения диссертации, предложен состав эмпозиции для низкотемпературных электрообогревателей табл. 4.

В процессе подготовки серийного выпуска ГКЭ был выполнен ана-из существующих способов изготовления аналогичных устройств, ыявлены наиболее характерные особенности и недостатки известных ;хнологий. В результате изготовления нескольких опытно-ромышленных партий ГКЭ был определен наиболее точный регламент ;хнологии сборки и изготовления низкотемпературных электрообогре-ггелей, который позволил:

- добиться равномерности распределения напряженности электрического поля в электрообогревателях и равномерного тепловыделения по всей поверхности;

- уменьшить в процессе изготовления количество бракованных изделий за счет исключения обрывов соединения токоподводов и электродов;

- снизить энергоемкость процесса;

- обеспечить надежное и герметичное закрепление токопод-водящего кабеля в месте его вывода из изоляционного слоя электрообогревателя, что повышает надежность и электробезопасность устройства при работе в жидких и агрессивных средах.

Таблица 4

Ингредиент Состав с оптимальным содержанием компонентов, мае, % Состав с минимальным содержанием компонентов, мае. % Состав с максимальным содержанием компонентов, мае. %

Промышленный бутилкаучук БК-1675 53,00 51,00 55,00

Хлоропреновый каучук ПНК 2,64 2,56 2,73

Оксид цинка БЦО-М 1,59 1,54 1,64

Стеарин 1,59 1,54 1,64

Технический углерод П-324 (ПМ-75) 24,60 28,04 21,17

Баритовый концентрат 7,93 7,75 8,10

Гексахлор-п-ксилол 0,37 0,22 0,52

п-трет-айкилфенол-формальдегидная смола 6,43 5,75 7,10

Стабилойл 1,85 1,60 2,10

Для уточнения технологического регламента промышленного производства были выполнены электрические и тепловые испытания электрообогревателей.

Электрофизические испытания электрообогревателей ГКЭ-2 проводились по специально разработанной программе в электротехнической лаборатории ОАО "Барнаульский шинный завод". Исследовалась промышленная партия электрообогревателей в количестве 50 шт., используемых для обогрева щитов учета электроэнергии.

Измерялись следующие электрофизические характеристики: активное сопротивление R; активное сопротивление при температуре на поверхности ГКЭ 345 К R'; сопротивление изоляции в нормальных условиях при испытательном напряжении 1 ООО В R изол; сопротивление изоляции в нормальных условиях при испытательном напряжении 2500 В R' изол.'» сопротивление изоляции после пробоя R " гоол; удельное объемное электрическое сопротивление pv; напряжение пробоя изоляции i/np.; ток утечки при испытательном напряжении 1000 В /у,. ; вынос потенциала на поверхности ГКЭ при напряжении питания 220 В AU; реактивное сопротивление Хс-

В таблице 5 приведены результаты испытаний, где каждая характеристика представлена тремя значениями: максимальным (шах), минимальным (min) и среднеарифметическим (Ср) для исследуемой партии ГКЭ.

Таблица 5

Знач. R, кОм R', кОм R изол, МОм R' юол» МОм R " топ, МОм

max 1,43 1,39 22-103 18Т03 0,82

min 1,28 1,25 0,5-103 0,3-103 0,22

Ср 1,35 1,32 7,5-103 6-103 0,50

N„.n Знач. pv, Ом м t/пр, KB /уг., мА дг/,в Хс, кОм

max 3,03 4,65 7,5 2,6 1640

min 2,71 4,20 0,5 1,8 1300

Ср 2,86 4,48 4,2 2,2 1418

Данные табл.5 свидетельствуют о стабильности характеристик ГКЭ, например, разброс значений сопротивлений Л не превышает 12 %, а минимальное значение Л изол на порядок выше допустимых норм. Значения С/пр и /ут. находятся в пределах норм, установленных для соответствующих категорий потребителей.

Измерения теплового поля партии электрообогревателей в количестве 10 штук выполнялись с помощью тепловизора ТВЦ-01 "Радуга" с интервалом времени 15 мин., начиная от 15 мин. до 1 часа, т.е. до времени выхода электрообогревателя на рабочий режим.

Испытания показали, что неравномерность распределения теплового поля на поверхности ГКЭ не превышает 12 %. Например, для электрообогревателя, тепловое поле которого представлено на рис. 8, диапазон максимального Ттах и минимального Ттш значения температур составляет Ттах -Тт1Г1 = (44,0-39,0)°С. Кроме того, области вокруг электродов не подвержены локальному перегреву, это свидетельствует об отсутствии контактных сопротивлений между электродами и токоподводящими проводами, а также между электродами и резистивным материалом.

(Л 4

РисЛГТепловое поле ГКЭ через 45 мин.

Седьмая глава посвящена внедрению устройств и установок на ос-юве гибких композиционных электрообогревателей.

Опытно-промышленное производство ГКЭ-1, освоенное на ОАО 'Барнаульский шинный завод", позволило с 1988 г. выпустить около 8 :ыс. изделий различных типоразмеров. Области внедрения устройств и остановок на основе ГКЭ-1 с указанием их количества представлены на рис.

Наиболее широкое применение электрообогреватели нашли в сельском хозяйстве, медицине, энергетике. Суммарный экономический эффект от (недрения разработок составил более 1,5 млн. руб. в ценах 1991 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации на основе проведенных исследований создана теория функционирования низкотемпературных композиционных электрообог->евателей, обеспечивающих биологическое тепло в стационарном одно-юдном электрическом и тепловом полях.

Научные и практические результаты состоят в следующем:

1. Учитывая требования безопасности, надежности и равномерно-ти распределения температурного поля на поверхности НТКЭ, обес-[ечивающих биологическое тепло, предложен электрообогреватель пла-тинчатой формы. Впервые установлен критерий функционирования ТТКЭ, представляющий собой стабильность отклонения температуры на го поверхности (А7"), позволяющий получить в явном виде его зависи-юсть от геометрических и эксплуатационных параметров электрообогревателей.

2. Впервые реализован системный подход в создании теории про-ктирования НТКЭ, заключающийся в следующем: разработке методик асчета электрической и тепловой проводимостей различных моделей лектрообогревателей; получении аналитических зависимостей электро-шзических и геометрических параметров электрообогревателей от вы-одных величин (температуры на его поверхности и ее отклонения); про-едении экспериментальных исследований, подтверждающих теоре-

Рис. 9. Области внедрения электрообогревателя ГКЭ-1.

тические положения; разработке промышленных технологий изготовления электрообогревателей.

3. Впервые предложены расчетные модели при определении электрической и тепловой проводимостей НТКЭ с системами компланарно и копланарно расположенных электродов, размещенными как на поверхности, так и внутри резистивного материала.

Показано, что условиями функционирования расчетных моделей НТКЭ являются квазистационарность и приближенно плоско-параллельность электрического поля в резистивном материале, эквипо-тенциальность поверхности электродов по всей длине, неоднородность резистивного материала допускается до 12%.

4. Разработан аналитический метод расчета для систем с копланарно и компланарно расположенными электродами, базирующийся на методе конформных преобразований и непосредственного определения напряженности поля с учетом математической аналогии между потенциальными полями (электростатическим, электрическим и тепловым). Получены точные формулы для расчета напряженности поля, тока, разности потенциалов и электрической проводимости между различного рода электродами и места расположения электродов с учетом их смещения и толщины; потока тепла, количества тепла, разности температур и теплопроводности между резистивным, изоляционным материалами и объектом теплоотвода.

5. Выполнены аналитические преобразования эллиптических функций, эллиптических и гиперэллиптических интегралов, содержащихся в точных выражениях, в ряды с сохранением только первых членов; получены простые приближенные формулы для определения электрической и тепловой проводимостей моделей электрообогревателей. Показано, что в наиболее часто используемых на практике моделях относительная погрешность полученных приближенных формул составляет до 2%.

6. Аналитически установлено, что при проектировании и расчете НТКЭ отклонение толщины электродов приводит к линейному изменению электрической проводимости, а смещение электродов - к параболическому. Эти положения дают возможность определить тип и место

расположения электродов токоподвода электрообогревателя при его сборке.

7. Разработан и реализован комплекс экспериментальных исследований, включающий подтверждение на соответствие расчетных моделей НТКЭ реальным конструкциям электрообогревателей, выполнение электро- и теплофизических испытаний на стойкость к агрессивным средам резистивного композиционного и изоляционного материалов, а также электрообогревателей на их основе. Доказано совпадение теоретических положений диссертации с результатами экспериментальных исследований.

8. Разработана на уровне изобретений промышленная технология изготовления гибкого композиционного электрообогревателя (ГКЭ) пластинчатого типа на основе бутилкаучука и технического углерода различных марок. Освоен серийный выпуск электрообогревателей на ОАО "Барнаульский шинный завод", объем производства составляет около 8 тыс. шт. Электрообогреватели ГКЭ нашли широкое применение в сельском хозяйстве, энергетике, промышленности, медицине, жилищно-коммунальном хозяйстве, быту.

9. Выполненные теоретические и экспериментальные исследования являются составной частью в решении крупной научно-технической проблемы создания эффективных методов проектирования и создания низкотемпературных композиционных электрообогревателей. Полученные результаты могут быть использованы и при решении задач конструирования различных электро-, радио-, и теплотехнических устройств в различных отраслях науки и техники.

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1. Метод теплового расчета животноводческих помещений, обогреваемых нагревателями из рапита: Научно-технический отчет / АлтПИ; отв. исп. М.В. Халин..- Инв. № 0281.2005774. - Барнаул, 1982. - 96 с.

2. Разработка мероприятий по производству, исследованию и эксплуатации нагревателей из рапита: Научно-технический отчет /АлтПИ; отв. исп. М.В. Халин - Инв. № 0283.0003910. - Барнаул, 1982. - 63 с.

3. Авторское свидетельство СССР № 960967, кл. H 01 С7/00. Резистив-ный материал / М.В. Халин, В.П. Горелов, Г.А. Пугачев и др. Заявлено 12.02.81, № 3247910/18-21. Опубл. 23.09.82. Бюлл. №35.

4. Халин М.В., Горелов В.П., Татьянченко J1.H. Нагревательные элементы на основе полимерной связки для нужд сельского хозяйства // Гибкие электропроводящие материалы и устройства на их основе для обогрева людей и техники. Сборник научных трудов. Киев.: ИПМ АН УССР, 1982. - С. 158-159.

5. Авторское свидетельство СССР № 993342, кл. H 01 С17/00. Способ изготовления композиционных резисторов / М.В. Халин, В.П. Горелов, Г.А. Пугачев и др. Заявлено 06.07.81, № 3313565/18-21. Опубл. 30.01.83. Бюлл. №4.

6. Халин М.В., Хозяйкин C.B. Применение электронагревателей для сельскохозяйственных помещений // Пути и задачи электрофикации сельского хозяйства в свете решений майского (1982 г.) Пленума ЦК КПСС. Тезисы докладов к научно-практической конференции. - Барнаул: Полиграфист, 1983. - С. 73-75.

7. Халин М.В., Хозяйкин C.B. Перспективы применения электронагревателей из композиционных материалов в птицеводстве // Электрификация сельскохозяйственного производства Сибири. Научно-технический бюллетень. - Новосибирск: ВАСХНИЛ СО, 1985. -Вып. 49. - С. 24-26.

8. Разработка технических требований на нагреватели из резистивного композиционного материала, исследование и создание на их основе элекрообогреваемых полов: Научно-технический отчет/ АлтПИ; отв. исп. М.В. Халин. - Инв. № 0286.0019745. - Барнаул, 1985. - 56 с.

9. Электропроводящие полимерные и композиционные материалы и электрообогреватели на их основе. Отчет о пат. исслед. НИР/ АлтГТУ, Барнаульский филиал. Руководитель М.В. Халин - Заказ 230 ВЦПУ. - Барнаул, 1987. - 232 с.

10. Халин М.В., Никольский O.K., Хозяйкин С.В. Электрообогреватели из композиционных материалов II Механизация и электрификация сельского хозяйства. - М.: Агропромиздат, 1987. - № 4. - С. 24-27.

11. Халин М.В., Халина Т.М. 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. Халин М.В., Халина Т.М. Управление микроклиматом на основе энергосберегающей технологии // Структурные пропорции производственной сферы и основные направления ускоренного развития экономики. Тезисы докладов к Всесоюзной научно-практической конференции. - Барнаул: Полиграфист, 1989. - С. 61-62.

13. Разработка технологии низкотемпературных нагревателей и других резистивных изделий из электропроводящих композиционных материалов: Научно-технический отчет / АлтПИ; научн. рук. М.В. Халин - Инв № 0290. 0001497. - Барнаул, 1989. - 90 с.

14. Халин М.В., Автономов И.В., Воронцов В.В., Горелов В.П., Пугачев Г.А. Контактные устройства объемных композиционных резисторов // Изв. СО АН СССР. Серия технических наук. - Новосибирск: Наука. Сибирское отделение, 1989. - Вып. 6. - С. 97-102.

15. Расчет и внедрение композиционных резисторов для электрообогрева животноводческих помещений: Научно-технический отчет/ АлтПИ; научн. рук. М.В. Халин. - Инв. № 0289.0059511. - Барнаул, 1989. - 80 с.

16. Разработка устройства регулирования микроклимата животноводческого помещения: Научно-технический отчет / АлтПИ; науч. рук. М.В. Халин. - Инв. № 0290.0028771. - Барнаул, 1990. - 34 с.

17. Халин М.В., Халина Т.М., Давыдов Я.Я. Анализ работы гибких композиционных электрообогревателей с помощью тепловизора ТВЦ-01 "Радуга" // Оптические сканирующие устройства и измерительные приборы на их основе. Тезисы докладов к 5-му Всесоюзному совещанию. - Барнаул: АлтПИ, 1990. - С. 89-91.

18. Халин М.В., Халина Т.М. Расчет и изготовление устройства для обработки рентгенограмм //Там же. - С. 92-95.

19. Халин М.В., Халина Т.М. Методика выполнения электрических испытаний гибких композиционных электрообогревателей // Измерение и контроль при автоматизации производственных процессов. Тезисы докладов к Всесоюзной конференции, ч. 1. - Барнаул: АлтПИ, 1991.-С. 214-215.

20. Халин М.В., Пугачев Г.А., Автономов И.В. и др. Нагревательный элемент из электропроводного бетона: Информационный листок. -Новосибирск: ЦНТИ, 1991. -№572. - 4 с.

21. Разработка рекомендаций по технологии и составам электронагревательных элементов на основе вторичных углеграфитовых ресурсов: Научно-технический отчет /АлтПИ; науч. рук. М.В. Халин - Инв. 0291.0037904. - Барнаул, 1991. - 92 с.

22. Гибкие композиционные электрообогреватели (ГКЭ)/ Технические условия ТУ 38.35-022. Разработал М.В. Халин. - Барнаул, 1991. - 15 с.

23. Разработка технологии низкотемпературных нагревателей и других резистивных изделий из электропроводных композиционных материалов: Научно-технический отчет/ АлтПИ; научн. рук. М.В. Халин. - Инв. № 0291.0029875. - Барнаул, 1991. - 41 с.

24. Разработка рекомендаций и технологического регламента промышленного производства нагревателей из электропроводной резины: Научно-технический отчет/ АлтПИ; научн. рук. М.В. Халин. - Инв. № 0391.0025648. - Барнаул, 1991. - 20 с.

25. Халин М.В. Внедрение системы электрообогрева полов свинарника-маточника на 100 голов: Рекламно-техническое описание / АлтПИ. -Инв. №0291.30718.-Барнаул, 1991.-5с.

26. Халин М.В., Пугачев Г.А., Халина Т.М. Методика выполнения физико-механических исследований и испытаний на стойкость в агрессивных средах гибких композиционных электрообогревателей для строительства //Изв. ВУЗов. Строительство, 1992. - № 4. - С. 110114.

27. Патент РФ № 2009559, кл. Н 01 С7/00. Резистивный композиционный материал / М.В. Халин, Г.А. Пугачев, И.В. Автономов и др. Заявлено 14.10.91, № 5022155. Опубл. 15.03.94. Бюлл. № 5.

28. Патент РФ № 2037895, кл. Н 01 С7/00. Композиционный резистивный материал / М.В. Халин и др. Заявлено 02.03.93, № 93011354. Опубл. 19.06.95. Бюлл. № 17.

29. Халин М.В. Расчет электрической проводимости в одной плоскопараллельной системе // Машиностроение и приборостроение. Труды АлтГТУ. - Барнаул: АлтГТУ, 1995. - № 5. - С. 256-262.

30. Халин М.В. Расчет электрической проводимости между одной и двумя парами копланарных электродов, размещенных на проводнике прямоугольного сечения: Датчики электрических и неэлектрических величин (Датчик-95). Доклады Четвертой международной конференции. Барнаул: АлтГТУ, 1995. - С. 82-86.

31. Халин М.В. Основные положения расчета электрической проводимости между компланарными электродами, размещенными на проводнике прямоугольного сечения // Композиты в народное хозяйство России (Композиты' 95). Тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Барнаул: АлтГТУ, 1995. - С. 51-52.

32. Халин М.В., Сутормин А.В. Приближенные формулы для расчета электрической проводимости между компланарными электродами, размещенными на проводнике прямоугольного сечения // Там же. -С. 47-49.

33. Халин М.В., Халина Т.М., Сутормин А.В. Расчет электрической проводимости между компланарными электродами, размещенными на проводнике прямоугольного сечения // Там же. - С. 49-51.

34. Халин М.В., Евстигнеев В.В. Расчет тепловой проводимости в одной симметричной плоскопараллельной системе тел. - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 1996. - 18 с. - (Препринт № 278-96).

35. Халин М.В. Расчет электрической проводимости между копланар-ными электродами, размещенными на проводнике прямоугольного сечения // Электротехника, 1996. - № 6. - С. 56-59.

36. 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.

37. Патент РФ № 2064249, кл. А 01 К1/00. Устройство для содержания молодняка животных / М.В. Халин. Заявлено 18.05.93, № 93027848/15. Опубл. 27.07.96. Бюлл. № 21.

38. Патент РФ № 2055446, кл. Н 05 ВЗ/34. Гибкий композиционный электрообогреватель / М.В. Халин и др. Заявлено 03.02.93, № 93006711/07. Опубл. 27.02.96. Бюлл. № 6.

39. Халин М.В., Евстигнеев В.В. Низкотемпературные композиционные электрообогреватели. - Новосибирск: Ин-т теплофизики СО РАН, 1996. - 48 с. - (Препринт № 280-96)

40. Халин М.В. Расчет электрической проводимости гибкого композиционного обогревателя для строительства И Изв. ВУЗов. Строительство, 1996.-№ 12.-С. 127-132.

41. Халин М.В. Методика расчета электрической проводимости плоскопараллельных систем // Композиты в народное хозяйство России (Композит-95). Труды Международной научно-технической конференции. Барнаул: АлтГТУ, 1996. - С. 40-44.

42. Щиты учета электроэнергии ЩУЭ-100, ЩУЭ-600 / Технические условия ТУ 3433-001-02067824-97. Разработал М.В. Халин. - Барнаул, 1997. - 15 с.

43. Щиты учета электроэнергии ЩУЭ-П-100, ЩУЭ-Т-400 / Технические условия ТУ 3433-002-02067824-97. Разработал М.В. Халин. -Барнаул, 1997,- 16 с.

44. Халин М.В. Экспериментальное определение электрической проводимости композиционных электрообогревателей // Измерение, контроль и автоматизация производственных процессов (ИКАПП-97): Сборник докладов четвертой Международной конференции. Том 1: Измерение и информационные технологии в производственных процессах / Под ред. П.И. Госькова. - Барнаул: АлтГТУ, 1997. - С. 5861.

45. Халин М.В., Халина Т.М., Сутормин A.B., Морозов С.П., Ольхин В.Я. Система электрообогрева щитов учета электроэнергии // Там же. - Том 2. -С. 172-174.

46. Халин М.В., Халина Т.М., Сутормин A.B. Распределение электрического потенциала по поверхности композиционного электрообогревателя // Композиты в народное хозяйство России (Композит' 97). Тезисы докладов Международной научно-технической конференции. Барнаул: АлтГТУ, 1997. - С. 90-92.

47. Патент РФ № 2075836, кл. Н 05 ВЗ/28. Способ изготовления гибкого композиционного электрообогревателя / М.В. Халин. Заявлено 16.04.93, Х° 93020034/07. Опубл. 20.03.97. Бюлл. № 8.

48. Гибкие композиционные электрообогреватели (ГКЭ)/ Технические условия ТУ 3442-001-02067824-98. Разработал М.В. Халин. -Барнаул, 1998. - 18 с.

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, доктора технических наук, Халин, Михаил Васильевич, Барнаул

V /

^ *'/ '' ¿„у* '$

алтаискии государственный техническин

университет им. и.и. ползунова

На правах рукописи УДК 621.316.8:691.327.001

Халин Михаил Васильевич

ТЕОРИЯ И РАЗРАБОТКА НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРООБОГРЕВАТЕЛЕЙ

Специальности: 01.04.13 - электрофизика;

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант

д.ф.-м.н., профессор В.В. Евстигнеев

Барнаул, 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список обозначений............................................................................................7

Введение................................................................................................................13

Глава первая. Состояние вопроса и задачи исследований.........................22

1.1 Определение объекта исследований.......................................................22

1.2 Обзор исследований в области создания НТКЭ....................................24

1.2.1 Механизм электропроводности полимерных ЭПКМ..................24

1.2.2 Теоретические основы расчета электрической

и тепловой проводимостей ЭПКМ.........................................................26

1.2.3 Технологические особенности изготовления НТКЭ...................31

1.3 Схемы электрообогревателей и их расчетные модели.........................33

1.3.1 Схемы электрообогревателей.........................................................33

1.3.2 Расчетная модель при определении

электрической проводимости..................................................................35

1.3.3 Расчетная модель при определении

тепловой проводимости...........................................................................37

1.4 Выводы и постановка задач.....................................................................40

Глава вторая. Расчет электрических проводимостей

электрообогревателей с электродами, размещенными

на поверхности резистивного материала.......................................................42

2.1 Методика расчета......................................................................................42

2.2 Электрическая проводимость

между копланарными электродами..............................................................46

2.3 Электрическая проводимость

между компланарными электродами............................................................57

2.4 Электрическая проводимость между копланарными электродами с учетом их смещения..............................................................61

2.5 Электрическая проводимость между двумя электрически

соединенными парами копланарных электродов........................................65

Выводы...................................................................................................................68

Глава третья. Расчет электрических проводимостей

электрообогревателей с копланариыми электродами,

размещенными в резистивном материале.....................................................70

3.1 Электрическая проводимость между

тонкими электродами.....................................................................................70

3.2 Электрическая проводимость между электродами

с учетом их толщины......................................................................................72

3.3 Электрическая проводимость между электродами

с учетом их смещения.....................................................................................84

Выводы...................................................................................................................93

Глава четвертая. Расчет тепловой проводимости

электрообогревателя..........................................................................................94

4.1 Точный расчет...........................................................................................94

4.2 Расчет численных значений.....................................................................98

4.3 Приближенные расчетные формулы....................................................104

Выводы.................................................................................................................111

Глава пятая. Расчет и проектирование электрообогревателей..............112

5.1 Методика расчета....................................................................................112

5.2 Расчет и проектирование электрообогревателя с копланарными электродами, размещенными

на поверхности резистивного материала...................................................116

5.3 Расчет и проектирование электрообогревателя с копланарными электродами, размещенными

в резистивном материале.............................................................................127

Выводы.................................................................................................................132

Глава шестая. Экспериментальные исследования. Разработка технологий производства композиционных электрообогревателей......................................................................................133

6.1 Постановка эксперимента по определению электрических проводимостей электрообогревателей.......................................................133

6.1.1 Уточнение соответствия расчетной модели

реальным конструкциям электрообогревателей.................................133

6.1.2 Проверка методики расчета..........................................................138

6.2 Измерение физико-механических показателей

изоляционного и электропроводящего материалов ГКЭ-1......................146

6.3 Экспериментальное подтверждение методики

расчета электрообогревателей.....................................................................156

6.4 Особенности технологии изготовления

низкотемпературных электрообогревателей.............................................162

6.4.1 Выбор состава резистивной композиции

с целью обеспечения заданных свойств...............................................162

6.4.2 Технология сборки и изготовления

низкотемпературных электрообогревателей.......................................165

Выводы.................................................................................................................170

Глава седьмая. Внедрение устройств и установок на основе

гибких композиционных электрообогревателей........................................171

7.1 Устройство для содержания молодняка животных............................171

7.2 Устройство для обработки рентгенограмм..........................................177

7.3 Система электрообогрева щитов учета электроэнергии....................182

Заключение.........................................................................................................186

Список литературы..........................................................................................189

Приложение 1. Формулы для разложения эллиптических

функций и интегралов........................................................................................217

Приложение 2. Программа для расчета полных

эллиптических интегралов.................................................................................222

Приложение 3. Расчетные формулы для определения электрической и тепловой

проводимостей электрообогревателей.............................................................227

Приложение 4. Документы, подтверждающие выполнение работы

в соответствии с важнейшими тематиками и проблемами............................234

Приложение 5. Акт Секции НТС Минвуза СССР о приемке

законченной научно-исследовательской работы.............................................240

Приложение 6. Акты внедрения и расчеты экономической

эффективности отдельных разработок.............................................................245

Приложение 7. Акты использования изобретений и патентов.....................276

Приложение 8. Документы, подтверждающие потребность в электрообогревателях ГКЭ в различных

областях производства.......................................................................................283

Приложение 9. Документация по испытаниям и эксплуатации

электрообогревателей.........................................................................................290

Приложение 10. Технологическая карта № 1ОШ-97 производства

гибкого композиционного электрообогревателя ГКЭ-2................................299

Приложение 11. Гибкие композиционные электрообогреватели (ГКЭ). Технические условия ТУ 3442-001-02067824-98............................................312

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

математические символы

те/2

к = K(k)= j

о Vl-k2 sin2

k - модуль те/2

£(&) = J Vl-&2 sin2 x dx

те/2

П(пД)= J

0 +/г sin 2 л:j Visin 2 x

n - параметр ф

^(ф, 6) =

о Vi- &2 sin2 X

Ф - аргумент ф

£(<p, fc) =

vi^i

п(ф, w, =

K' = K(k')

2-2 л sin л: ax

б/х

полный эллиптическии интеграл первого рода

полный эллиптический интеграл второго рода

полный эллиптический интеграл третьего рода

о ^1 + wsin2 xj Vl-ß2 sin2x

k' = 4\-k2

E' = E(k')

неполный эллиптическии интеграл первого рода

неполный эллиптический интеграл второго рода

неполный эллиптический интеграл третьего рода полный дополнительный эллиптический интеграл первого рода

дополнительный модуль полный дополнительный эллиптический интеграл второго рода

П\п, к) = П(и, V)

5Г\и = 8п(г/, Щ и - аргумент

сп и = сп(и, к) ёп и = ёп(и, к)

<; = 4 + /л

г = х + ]у

9 й0 -

/1-/5

° ' °тах

полный дополнительный эллиптический интеграл третьего рода эллиптический синус; эллиптическая функция Якоби

эллиптический косинус; эллиптическая функция Якоби дельта амплитуды; эллиптическая функция Якоби

комплексная координата точки в отображенной плоскости комплексная координата точки в исходной плоскости новая переменная координаты точек в отображенной плоскости гиперэллиптические интегралы требования к погрешности п-то и п+ 1-го решения системы уравнений

необходимая и наибольшая погрешности вычислений

угол, образуемый вектором напряженности поля с одной из координатных осей

характеристики электростатического поля

V 8

АУк,к+1 Ё Ё

С,

вектор электрического смещения

электростатический потенциал

диэлектрическая проницаемость

электрическая постоянная

относительная диэлектрическая проницаемость

поток электрического смещения

заряд &-го электрода на единицу длины

разность потенциалов между &-м и к + 1-м электродами

вектор напряженности электростатического поля комплексная напряженность электростатического поля модуль напряженности электростатического поля в точках плоскости

емкость на единицу длины между электродами

¡ы

Аик,к+1

Ёэ

/ Я

характеристики стационарного электрического поля и электрических параметров

- вектор плотности тока

- электрический потенциал, питающее напряжение

- удельная электропроводность резистивного материала

- ток /г-го электрода на единицу длины

- разность потенциалов между /г-м м к + 1-м электродами

- вектор напряженности электрического поля

- комплексная напряженность электрического поля

- модуль напряженности в точках плоскости

- частота питающего напряжения

- активное сопротивление

ру - удельное объемное сопротивление резистивного материала

Ро - удельное объемное сопротивление проводящей фазы

X' - длина волны питающего напряжения

СЭ1 - электрическая проводимость на единицу длины

Сэ - электрическая проводимость

9\ ~ 9ъ ~ относительные изменения электропроводности

дъ - относительное изменение электропроводности

от изменения толщины электродов д5 - относительное изменение электропроводности

от смещения электродов Р - активная мощность

К'э, Кэ - коэффициенты с размерностью длины АК^., - отклонения коэффициентов К'э, Кэ связанные АКэг. с изменением параметра на А

характеристики стационарного теплового поля и тепловых параметров

- вектор теплового потока

- температура

- количество тепла (расход тепла)

- суммарное количество тепла к-то электрода на единицу длины

- разность температур между &-ой и (к + 1)-ой пластинами

- вектор потока тепла

- комплексный поток тепла

- модуль потока тепла в точках Ъ, плоскости

- коэффициент излучения

Я Т

От

Оы

Щ, ¿+1

1гт ¡гт

X — коэффициент теплопроводности изоляционного покрытия

— коэффициент теплопроводности бетона

К - коэффициент теплопроводности воздуха

Тх - температура резистивного материала

Т2 - температура теплоотвода

- тепловая проводимость на единицу длины

Стт - тепловая проводимость

V - длина волны теплового излучения

кт - коэффициент с размерностью длины

ДКТ7. - отклонение коэффициента Кт, связанного

с изменением параметра на

общие характеристики электростатического, электрического и теплового полей

- координаты краев /г-ой пластины

- координата особенной точки второго рода

- постоянные

- число пластин

- максимально возможное число особенных точек второго рода

геометрические характеристики

1г - длина электродов

2/ - ширина резистивного материала

г - радиус проволоки

к — толщина резистивного материала

t - толщина изоляционного покрытия

Н — толщина электрообогревателя

СЫ

А, А1

п'

(¿1, с/2 - расстояния между резистивным материалом

и краями электрообогревателя В - ширина электрообогревателя

Ь - длина электрообогревателя

Ц - длина резистивного материала

а - ширина электродов

2Ь - толщина электродов

<5* - смещение электродов

й - расстояние между краем электрода и осью

резистивного материала А - расстояние между краем электрода и краем

резистивного материала

ОБЩИЕ ПАРАМЕТРЫ

с0 - скорость света

XI ~ индуктивное сопротивление

|10 - магнитная постоянная

5 - относительная погрешность

, ,..., 2г- - параметры электрообогревателя

7 7 7 - номинальные параметры

^г - отклонение параметров ^ от номинальных г^

п" - количество составляющих допуска по температуре

ст - относительный объем проводящей фазы

^ - относительный объем непроводящей фазы

р' - показатель, характеризующий форму

непроводящих включений р" - показатель, характеризующий зависимость

контактной проводимости от относительного объема

ВВЕДЕНИЕ

Широкое использование низкотемпературных (300-400 К) композиционных электрообогревателей (НТКЭ) позволит осуществить массовое внедрение энергосберегающих технологий обогрева в различных областях: сельском хозяйстве (обогрев молодняка животных и птицы), промышленности (обогрев зданий и рабочих мест), энергетике, медицине (локальный обогрев функциональных кроватей, пеленальных столов, установок для проявления рентгеновских пленок), жилищно-коммунальном хозяйстве и быту.

К настоящему времени номенклатура НТКЭ превышает 1000 моделей. Ведущими фирмами и организациями-патентовладельцами в области разработки ЭПКМ и конструкций из них являются: Matorel (Бельгия), Raychem Corp., Flexwatt Corp. (США), Sunbeam Corp. (Франция), TDK Electronics Co. Ltd (Германия), Electro Materials Corp. (ЕПВ), БИМСХ (Белоруссия), ВНИИЭТО, СибНИИЭ, АлтГТУ (Россия).

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования сори-ентированны в основном только на изучение характеристик составов и механизма электропроводности композиционных материалов с различными структурами, а научно-методическая сторона вопроса по расчету и проектированию изделий из ЭПКМ с заданными техническими характеристиками недостаточно точно сформулирована и не приведена к определенной системе.

Особенно это относится к композиционным электрообогревателям, обеспечивающим требуемую температуру (310 ±5 К) и работающим в непосредственном контакте с человеком и животными. К таким устройствам предъявляются повышенные требования по равномерности распределения теплового поля на поверхности электрообогревателя, электробезопасности, надежности, стойкости к агрессивной среде.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является дальнейшее развитие теории создания и функционирования низкотемпературных композиционных электрообогревателей, обеспечивающих требуемую температуру, в стационарном однородном электрическом и тепловом полях для решения практических задач их проектирования, производства и эксплуатации.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА выполненной работы заключается в следующем:

1. Разработаны новые расчетные модели при определении электрической и тепловой проводимостей НТКЭ с системами компланарно и копла-нарно расположенных электродов, размещенных как на поверхности, так и внутри резистивного материала.

3. Показаны условия функционирования расчетных моделей НТКЭ, включающие требования: квазистационарности и приближенно плоскопа-раллельности электрического поля в резистивном материале; эквипотенци-альности поверхности электродов по всей