книги из ГПНТБ / Кудрявцев И.Ф. Полупроводниковые пленочные электронагреватели в сельском хозяйстве

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»

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

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

полимеров с р=103 —1,0 Ом - см . Для их изготовления чаще всего используют саженаполненные резины. При­

смешению; изготовления резиновых смесей; каландрования и дублирования электропроводящего слоя с изо­

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

наиболее перспективным изоляционным материалом яв­

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