ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И РЕЗИСТОРОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ

На правах рукописи

ГОРЕЛОВ

СЕРГЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ЭЛЕКТРОТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ОБЪЕКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНАГРЕВАТЕЛЕЙ И РЕЗИСТОРОВ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 05.20.02 – Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Красноярск – 2008

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная

академия водного транспорта»

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Цугленок Николай Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Худоногов Анатолий Михайлович

доктор технических наук, профессор

Маркин Виктор Борисович

доктор технических наук, профессор

Багаев Андрей Алексеевич

Ведущая организация ФГОУ ВПО «Новосибирский государствен-
ный аграрный университет»

Защита состоится 31 октября 2008 г. в 900 на заседании объединённого диссертационного совета ДМ 220.037.01 при ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», по адресу 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90, КрасГАУ (тел./факс: (8-391-2) 27-36-09; E-mail: info@kgau.ru).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет»

Автореферат разослан «______» 2008 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Бастрон А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Изменения экономических отношений и форм собственности в России приводят к структурной перестройке в сельском хозяйстве и к созданию предприятий новых организационных форм. Произошло массовое акционирование сельскохозяйственных предприятий, идёт неуклонный рост числа фермерских хозяйств. При этом отмечается общее увеличение удельных энергетических затрат по большинству видов сельскохозяйственной продукции. Примерно 15% затрат на электро- и теплоснабжение региона приходится на сельскохозяйственных производителей, из которых более половины расходуется в непроизводственной сфере. Потребление тепловой энергии в общем балансе энергоресурсов, например в Западной Сибири, приближается к 80%. Стоимость тепловой энергии, в силу монополизации добычи и переработки энергоресурсов, в ближайшие годы может превысить 500 руб / МДж.

В условиях, когда наряду с традиционными и невозобновляемыми источниками энергии (уголь, нефть, газ и др.), всё большее внимание уделяется возобновляемым и нетрадиционным источникам энергии (ВНИЭ) – ветровой, солнечной, геотермальной, энергии малых рек и др., возрастают требования к надёжности электротеплоснабжения потребителей, к качеству электроэнергии и электромагнитной совместимости. Растут требования к технологиям энергосбережения тепловых процессов производственного и бытового назначения, учитывающих как экологические, так и социальные условия [13-14].

Социальная значимость электротеплоснабжения и энергосбережения в стране подчёркивается решениями, принятыми на государственном уровне. Это нашло отражение в федеральных программах Правительства РФ «Энергосбережение в России в 1998-2005г.г.» и «Энергетическая стратегия России на период до 2020 года».

Поэтому возникает необходимость решения вопросов электротеплоснабжения и использования энергосберегающих технологий в рамках агропромышленного комплекса (АПК), с использованием новых средств преобразования электрической и других видов энергии в тепловую и с учётом социального и экологического аспектов, что является наиболее актуальным в регионах Сибири и Дальнего Востока.

Системные методы решения аналогичных задач в энергетике сельского хозяйства использовали А.А.Багаев, В.Н.Делягин, В.П.Закарюкин, Л.В.Куликова, Н.Н.Макаров, В.И.Мозоль, А.Х.Мусин, О.К.Никольский, А.М.Худоногов, Г.И.Цугленок, Н.В.Цугленок и др.

Главным из направлений стратегии надёжности электротеплоснабжения и энергосбережения является перестройка энергоёмких производств и повышение эффективности использования электротепловой энергии с привлечением новых технологий.

Основные положения по повышению эффективности электротепловых процессов в АПК изложены в трудах Л.А.Астраханцева, В.С.Аханова, Л.А.Баранова, А.Г.Возмилова, Л.С.Герасимовича, В.Н.Делягина, Г.Я.Иванова, И.Ф.Кудрявцева, Ю.А.Меновщикова, О.К.Никольского, А.Г.Прищепы, О.И.Хомутова, А.М.Худоногова, Н.В.Цугленка, Г.Д.Яневского и др. В работах названных авторов показана необходимость учёта причинно-следственных связей функционирующих средств нагрева в составе единой биотехнической системы, направленных на повышение эффективности использования электротепловой энергии и ресурсосбережение. Без этого рост удельных затрат энергии в АПК в существующих условиях ценообразования на энергоресурсы, с одной стороны, и сельскохозяйственную продукцию – с другой, приводит к низкой рентабельности, или убыточности сельскохозяйственного производства, что создаёт проблемную ситуацию и делает ресурсосбережение актуальной народнохозяйственной задачей.

Таким образом, разработка электротеплоснабжения потребителей вызывает необходимость комплексного изучения технических, экономических и социальных сторон вопроса. В сельском хозяйстве, промышленности, транспорте и других отраслях перспективно использование локального обогрева объектов низкотемпературными электронагревательными устройствами (ЭНУ), позволяющими обеспечивать большую гибкость управления при низком расходе электроэнергии. Известны ЭНУ, которые классифицируют по функциональным свойствам, конструктивным признакам, видам теплопередачи. Теоретические основы и практические рекомендации применения ЭНУ изложены в работах российских исследователей: А.А.Багаева, Ю.Н.Вершинина, В.П.Горелова, М.С.Добжинского, Ю.В.Зайцева, А.И.Ёлшина, А.Н.Качанова, Р.В.Манчука, В.Б.Маркина, Н.Н.Минаковой, Л.Б.Первухина, В.Н.Растригина, Л.Н.Татьянченко, В.Я.Ушакова и др. [1-4].

Системно-аналитический обзор опубликованных отечественных и зарубежных источников выявил перспективность разработок ЭНУ из резистивных композиционных материалов (РКМ). При этом показана необходимость исследования механизма электропроводности РКМ и контактных устройств резисторов и ЭНУ, а также обоснования методов регулирования электро-, тепло- и физико-механических характеристик при производстве ЭНУ с электропроводными наполнителями из переходных форм углерода, дисперсных оксидов металлов и их сплавов [8-9].

В диссертации решается научно-техническая проблема использования новых методов электротеплоснабжения с электронагревателями и резисторами из композиционных материалов для производственных и бытовых сельскохозяйственных потребителей.

Целью работы является разработка электротеплоснабжения с электронагревателями и резисторами из композиционных материалов для снижения энергетических и материальных затрат на объектах АПК.

Для достижения поставленной в работе цели были определены основные задачи исследований:

1 Провести анализ состояния электро- и теплоснабжения производственных и бытовых объектов АПК.

2 Разработать методику и теоретические модели применения низкотемпературного электронагрева объектов АПК.

3 Обосновать методику определения составов резистивных композиционных материалов и электронагревателей композиционного типа.

4 Разработать методы и технологические регламенты производства изделий из сложных резистивных композиционных материалов.

5 Дать технико-экономическое обоснование эффективных методов повышения энергетических параметров изделий из резистивных композиционных материалов и областей их применения.

Объект исследования – электротепловые процессы производственной и бытовой сфер в сельском хозяйстве Сибири и Дальнего Востока.

Предметом исследования являются закономерности по взаимосвязи параметров изделий из резистивных композиционных материалов, режимы работы изделий и их применение на объектах АПК.

Работа проводилась в соответствии с планами важнейших научно-исследовательских работ и научно-техническими программами:

– государственной научно-технической программой до 2000 года: № 0.51.21 «Разработать и внедрить новые методы и технические средства электрификации сельского хозяйства»;

– «Концепцией энергетического обеспечения сельскохозяйственного производства в условиях многоукладной экономики», принятой РАСХН в 1993 и 1999г.г.;

– комплексной научно-технической программой Минобразования «Энергосбережение России на 1999-2005г.г.» при исполнении Постановления Правительства РФ № 588 «О дополнительных мерах по стимулированию энергосбережения в России» от 15.06.1998;

– приоритетными национальными проектами с 2004 г. по развитию агропромышленного производства и улучшению жизни на селе;

– тематическим планом научно-технических исследований Новосибирской государственной академии водного транспорта до 2010 года.

Методы исследования. При решении поставленных задач применялись разработанные теоретические и экспериментальные методы, обоснованность и достоверность которых подтверждается удовлетворительным совпадением результатов теоретических и экспериментальных исследований, сопоставительными расчётами, проводимыми на базе специализированных программ. Использовались основные положения теории электромагнитного поля, тепло- и массообмена, методы электрофизики, математической статистики и теории вероятностей. В работе использовано математическое моделирование, методы структурных исследований. Обработка численных результатов физических экспериментов осуществлялась с применением теории планирования экспериментов. Достоверность полученных результатов и выводов подтверждена практической реализацией методов и технических устройств.

Научная новизна работы заключается в том, что разработаны:

– математические модели для электро- и теплофизических характеристик резистивных композиционных материалов;

– модели формирования структуры РКМ на основе силикатных и полимерных связок, содержащих в качестве электропроводного ингредиента дисперсные углеродистые и другие материалы;

– предложения по развитию теории и методов расчёта электропроводности РКМ;

– обоснованные методы разграничения условия действия принятых математических моделей в зависимости от напряжённости электрического поля, температуры, диэлектрической проницаемости, работы выхода электронов;

– методика и технологические регламенты для проектирования и создания электросберегающих технических средств систем электротеплоснабжения объектов АПК;

– методические рекомендации по направленному регулированию комплекса характеристик РКМ;

– технология и предложены технические средства для очистки и пропитки жидкими диэлектриками поверхности изделий из РКМ с помощью ультразвука;

– методика выбраковки изделий из РКМ в сильных электрических полях;

– технико-экономические обоснования эффективных методов повышения энергетических параметров изделий из резистивных композиционных материалов и их применения на сельскохозяйственных объектах.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики расчёта параметров резистивных композиционных материалов и изделий из них, позволяющей создать необходимые сочетания компонентов для получения электронагревателей и резисторов, используемых при создании технических средств электротеплоснабжения.

Разработаны компьютерные программы по определению составов композиций на основе силикатных и полимерных связок; разработаны модели формирования структуры РКМ, описывающие характер электропроводности; разработаны и апробированы в производственных условиях, технические решения при выпуске конструкций из РКМ; предложены и прошли опытно-промышленную проверку технологические правила изготовления изделий из резистивных композиционных материалов; обоснованы технологические приёмы, позволяющие повышать стабильность работы контактных устройств изделий; разработаны способы очистки и пропитки жидкими диэлектриками поверхности изделий из РКМ с помощью ультразвуковых технологий; разработаны электронагреватели и резисторы из РКМ, используемые в качестве преобразователей электрической энергии нетрадиционных и возобновляемых источников в тепловую энергию, для электротеплоснабжения объектов АПК; определены области рационального использования изделий из РКМ.

Реализация и внедрение результатов исследований

Разработанные научно-технические и проектно-технологические методики приняты к использованию: в ОАО «Сибирский научно-исследователь-ский институт энергетики»; при опытном производстве в ВНПО «Энерготехпром» (г. Москва); при опытном производстве в учреждении УФ-91/8 СИД и СР УВД Новосибирской области; на производственном участке в г.Яровое Алтайского края; сельскохозяйственных энергетических предприятиях и организациях Казахстана и других стран СНГ; в ГНУ «Сибирского института механизации и электрификации» СО РАСХН.

Результаты работы используются в учебном процессе при изучении дисциплин «Теоретические основы электротехники», «Технология конструкционных материалов», «Перенапряжения и молниезащита», «Электротехнологические установки сельскохозяйственного производства», «Электроснабжение предприятий, городов и сельского хозяйства», а также при курсовом и дипломном проектировании в Новосибирской государственной академии водного транспорта (НГАВТ), Новосибирском государственном техническом университете (НГТУ), Алтайском государственном техническом универси-тете (АлтГТУ), Алтайском государственном аграрном университете (АГАУ), Иркутской сельскохозяйственной академии (ИрСХА), Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС), Томском политехни-ческом университете (ТПУ).

На защиту выносятся следующие положения:

1 Математические модели и методы расчёта электро- и теплофизических параметров изделий из РКМ для применения их в системах электротеплоснабжения объектов АПК.

2 Методы и математические модели формирования структуры РКМ, учитывающие особенности ингредиентов сложных составов композиционных материалов.

3 Положения по формированию механизма электропроводности РКМ на основе силикатных и полимерных связок.

4 Теоретически обоснованные и экспериментально подтверждённые мероприятию по направленному регулированию комплекса характеристик РКМ и изделий из них.

5 Разработанные конструкции изделий из РКМ и технологические режимы, обеспечивающие стабильность их работы при эксплуатации на сельскохозяйственных предприятиях и в быту.

6 Технологические регламенты и технико-экономическое обоснование промышленного производства изделий из РКМ.

Личный вклад автора в работах, опубликованных в соавторстве, заключается в следующем:

– постановке научных задач и разработке методик проведения экспериментов;

– анализе качества энергообеспечения АПК и сельских жителей с использованием возобновляемых и нетрадиционных источников энергии и поддержанием надёжного электротеплоснабжения;

– обосновании теоретических моделей и методик расчёта электропроводности резистивных композиционных материалов;

– разработке конструкций электронагревателей, резисторов и электроизоляционных материалов и участии в опытно-промышленном производстве;

– развитии теоретических и экспериментальных исследований очистки и пропитки изделий из РКМ в среде диэлектрических жидкостей с применением ультразвуковых технологий;

– разработке технологического правила для опытно-промышленного производства электронагревателей и резисторов из бетэла и рапита;

– авторском надзоре при изготовлении и эксплуатации электронагревателей и резисторов из РКМ.

Апробация работы. Основные положения работы представлялись и обсуждались на 15 международных, всероссийских и региональных конференциях, симпозиумах и совещаниях: международной научно-технической конференции «Проблемы комплексного развития регионов Казахстана» (г. Павлодар, 1996г.); международной научно-практической конференции «Наука и новые технологии в энергетике» (г. Павлодар, 2002г.); международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г. Новосибирск, 2002г.); международной научно-техни-ческой конференции «Передача энергии переменным током на дальние и сверхдальние расстояния» (г. Новосибирск, 2003г.), международной научно-технической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности» (г. Томск, 2004г.); второй международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г.Тобольск, 2004г.); третьей международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (г.Омск, 2007г.); международной научно-практической конференции «Физико-технические проблемы атомной энергетики и промышленности (производство, наука, образование)» (г.Томск, 2005г.); всероссийской научно-технической конференции «Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования» (г.Томск, 2006г., 2008г.); межвузовской научно-технической конференции «Научный потенциал Сибири» (г.Новосибирск, 1993г.); научно-техническом семинаре «Энергетика, экология, надёжность» (г.Томск, 1994г.); научно-практической конференции «Современные проблемы технических наук» (г.Новосибирск, 1996г.) и научно-технических конференциях в Новосибирской государственной академии водного транспорта (1993-2007 г.г.).

Публикации. Результаты исследований нашли отражение в 130 научных трудах, в том числе: 9 научных и учебных изданиях, в 16 статьях журналов, рекомендованных ВАК РФ, в 79 статьях, 26 отчётах по НИР.

Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 395 страницах и состоит из введения, шести глав и основных выводов по диссертации. Список литературы включает 391 наименований. В 9 приложениях приведены вспомогательные материалы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности решаемой в работе научно-технической проблемы. Приведена краткая характеристика и состояние предмета исследований. Сформулированы цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов и основные положения, выносимые на защиту.

Анализ состояния проблемы позволил сформулировать научную новизну, цель и задачи исследований.