Введение к работе
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 энергообеспечение 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 (ВНИЗ) - ветровой, солнечной, геотермальной, энергии малых рек и др., возрастают требования к надёжности электроснабжения 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.
Социальная значимость электроснабжения 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 системного подхода при решении вопросов электротеплоснабжения, электромагнитной совместимости и 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 для решения возникающих задач в энергетике сельского хозяйства использовали А.А.Багаев, В.Н.Делягин, В.П.Закарюкин, Л.В.Куликова, Н.Н.Макаров, АХМусин, О.К.Никольский, А.М.Худоногов, Г.И.Цугленок, Н.В.Цугленок и др.
Главным го направлений стратегии надёжности электроснабжения и энергосбережения является перестройка энергоёмких производств и повышение эффективности использования электротеплоэнергии с привлечением но-
вых технологий.
Основные положения по повышению эффективности электротепловых
процессов в АПК изложены в трудах Л.А.Астраханцева, В.САханова,
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 системы электротеплоснабжения 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.Елшина, 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.
Системно-аналитический обзор опубликованных отечественных и зарубежных источников выявил перспективность разработок ЭНУ из резистив-ных 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.
В диссертации решается научно-техническая проблема, заключающаяся в разработке путей повышения надёжности и качества энергоснабжения промышленных и бытовых сельскохозяйственных потребителей. Применение новых технологий, обеспечивающих снижение материальных затрат в АПК решает актуальную народнохозяйственную задачу.
Целью работы является разработка методики энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей с применением композиционных электрона-
гревательных устройств и резисторов на основе адекватной им теории электропроводности и физически обоснованной технологии их опытно-промышленного производства с использованием энергосберегающих технологий в АПК.
Для достижения поставленной в работе цели были определены основные задачи исследований:
Провести технико-экономический анализ состояния электро- и теплоснабжения производственных объектов АПК и быта жителей сельских регионов, в том числе целесообразность комплексного использования возобновляемых источников энергии в системе АПК.
Определить с позиций системного подхода области применения низкотемпературного электронагрева.
Обосновать составы резистивных композиционных материалов с учетом требований к электрофизическим и конструкционным параметрам электронагревателей композиционного типа.
Разработать технологию производства изделий из сложных резистивных композиционных материалов.
5 Обосновать эффективные методы повышения энергетических пара
метров изделий из композитов.
Объект исследования - элементы системы энергообеспечения тепловых процессов производственной и бытовой сфер в сельском хозяйстве Сибири и Дальнего Востока.
Предметом исследования являются основные физические закономерности, режимы работы изделий из резистивных композиционных материалов и их применение в 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 Постановле
ния 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, обоснован-
ность и достоверность которых подтверждается научной строгостью, 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 определяется тем, что разработаны:
математические модели для электро-, тепло- и физико-механических характеристик резистивных композиционных материалов;
развитие теории и методов расчёта электропроводности РКМ;
граничные условия действия принятых математических моделей в зависимости от напряжённости электрического поля, температуры, диэлектрической проницаемости, работы выхода электронов ;
основные требования для проектирования и создания электросбере-гающих технических средств систем электротеплоснабжения АПК;
методики анализа структуры РКМ на основе силикатных и полимерных связок, содержащих в качестве электропроводного ингредиента дисперсные углеродистые и другие материалы;
мероприятия по направленному регулированию комплекса характеристик РКМ;
теоретическое обоснование и новые технические средства для пропитки жидкими диэлектриками поверхности изделий из РКМ с помощью ультразвука;
методика тренировки и разбраковки изделий из РКМ в сильных электрических полях.
Практическая ценность результатов работы состоит в том, что на основе теоретически доказанной возможности получения резисторов и электронагревателей из РКМ, повышающих надёжность электротеплоснабжения, проведены экспериментальные исследования образцов, предложена технология изготовления и осуществлено опытно-промьннленное производство:
По формулам для полного тока контактирующих частиц из переходных форм углерода с использованием компьютерных технологий получены более точные данные, объясняющие характер электропроводности РКМ.
Разработаны и апробированы в производственных условиях составы композиций на основе силикатных и полимерных связок, а также технические решения промышленного производства конструкций из РКМ.
Предложены и прошли опытно-промышленную проверку технологические правила изготовления изделий из резистивных композиционных ма-
териалов.
Обоснованы технологические приёмы, позволяющие повышать надёжность контактных устройств изделий.
Разработаны способы пропитки жидкими диэлектриками поверхности изделий из РКМ с помощью ультразвуковых технологий.
Научно-технические результаты использованы при проектировании и изготовлении изделий из РКМ, позволяющих повысить эффективность и надёжность электротеплоснабжения потребителей АПК.
Определены области рационального использования изделий из РКМ.
Предложен способ повышения электромагнитной совместимости электрооборудования в АПК с применением композиционных резисторов.
Разработаны электронагреватели и резисторы из РКМ, используемые в качестве преобразователей электрической энергии нетрадиционных и возобновляемых источников в тепловую энергию, для электротеплоснабжения АПК.
Реализация и внедрение результатов исследований
Разработанные научно-технические и проектно-технологические методики приняты к использованию: в ОАО «Сибирский научно-исследовательский институт энергетики»; при опытном производстве в ВНПО «Энерготех-пром» (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 университете (АлтГТУ), Алтайском государственном аграрном университете (АГАУ), Иркутской сельскохозяйственной академии (ИрСХА), Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС), Томском политехническом университете (ПТУ).
На защиту выносятся следующие результаты:
Математические модели описания макроструктуры РКМ, учитывающие особенности ингредиентов .сложных составов композитов.
Более достоверные данные по механизму электропроводности РКМ на основе силикатных и полимерных связок.
3 Теоретически обоснованные и экспериментально подтверждённые
пути направленного регулирования комплекса характеристик РКМ и изделий
из них.
Методы расчёта электро-, тепло и физико- механических параметров изделий из РКМ для применения их в системах электротеплоснабжения АПК.
Разработанные конструкции изделий из РКМ и технологические режимы, обеспечивающие повышенную надёжность при их эксплуатации на сельскохозяйственных предприятиях и в быту.
Технологический регламент промышленного производства изделий из РКМ.
Способы повышения надёжности электротеплоснабжения и электромагнитной совместимости потребителей АПК.
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;
разработке теоретических моделей и методик расчёта электропроводности резистивных композиционных материалов;
разработке конструкций электронагревателей, резисторов и электроизоляционных материалов и участии в опытно-промышленном производстве;
анализе 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 электронагрева
телей и резисторов из РКМ.
Апробация работы. Основные положения работы представлялись и обсуждались на 13 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-технической 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.); 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.); 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 (1993-2006 г.).
Публикации. Результаты исследований нашли отражение в 120 научных трудах, в том числе: 9 научных и учебных изданиях, 87 статьях.
Структура и объём работы. Диссертационная работа изложена на 382 страницах и состоит из введения, шести глав и основных выводов по диссертации. Список литературы включает 388 наименований. В 10 приложениях приведены вспомогательные материалы.
