Введение к работе
Актуальность темы. Электротехнологические установки низкотемпературного нагрева промышленного, бытового, коммунального и сельскохозяйственного назначения во все исторігіескне периоды их развития как у нас в стране, так и за рубежом испытывали потребность в совершенствовании систем электронагревателей. Особенностью устройств этого класса является рабочий температурный технологический диапазон, не превьппающнй 150 "С. Наибольшая потребность в таких электротехнологических установках имеется в бытовом нагреве (обогрев жилых и производственных помещений), нагреве воды до температуры 60 - 70 С (коммунальное и сельскохозяйственное производство).
Необходимость массового производства рассматриваемых устройств определяет жесткие требования к себестоимости, материалоемкости, сроку службы, экологичное, электробезопасности. Актуальность создания таких устройств на новом техническом уровне особенно остро проявилась при энергетическом кризисе и возникших сложностях в централизованном производстве и транспортировке тепловой энергии. 'Несмотря на ряд преимуществ электроис-пользующих систем преобразования энергии (возможность автоматического регулирования подачи тепла и как следствие экономия тепловой энергии), ограничения в применении электроэнергии для различных технологий в большей мере связаны с несовершенством электронагревателей этого назначения.
Созданные в конце 80 - начале 90-х годов плоские электронагревательные системы на основе плазменного напыления тонких электроизоляционных и электропроводящих слоев, нанесенных на теплопроводяшую основу, оказались перспективными для создания установок низкотемпературного нагрева. Появление принципиально нового техшгческого решения рассматриваемой проблемы определило актуальность комплексного исследования эксплуатационных характеристик и выработки рекомендаций для их совершенствования.
Целью работы является исследование научно-технических основ работы электронагревательных устройств широкого назначения, изготавливаемых методом плазменной электротехнологни - напыле-ния электроизоляционных и электропроводящих покрытии на теплопроводную основу.
Основные положения, выносимые на защиту;
-
Обобщенные технические требования к плоским низкотемпературным нагревателям, включающие возможность работы в условиях стабильности во времени интегрального электрического сопротивления, максимальной мощности при низкой усредненной удельной поверхностюн мощности, минимальных температурных перепадов по поверхности нагревателя.
-
Результаты физико-математического и экспериментального изучения электромагнитных процессов в тонких (пленочных) проводниках, показавших равномерность токовых распределений по сечению токонесущих одиночных слоев и возможность принятия постоянства плотности тока в линейных участках нагревателей; установленные неравномерности плотности тока в торцевых частях нагревателей за счет концевых эффектов и линейных частях нагревателей за счет неравномерностей покрытий по толщине.
-
Результаты численных и экспериментальных исследований температурных полей в пленочных плоских нагревательных элементах, включающих выявленные зависимости абсолютных максимальных значений температур и относительных перепадов температуры по поверхности нагревателей от теплофнзических параметров подложки и электроизоляционных слоев нагревателя.
-
Установленный теплофизический механизм выхода из строя плоских плазменно-напыленных нагревателей, заключающийся в возникновении электродуговых микроразрядных процессов при линейных температурных расширениях нагревателей и появлении зазоров (трещин) между токонесущими порошковыми областями рабочих массивов нанесенных слоев.
-
Рекомендации по совершенствованию технологии нанесення плазменных электропроводящих покрытий, включающие изменение
технических требований к режимам, дисперсности порошка и введением дополнительной технологической операции - обработки нанесенного слоя ламинарной плазменной струей для повышения монолитности электропроводящего слоя.
Научная значимость и новизна результатов работы состоит в том, что исследован комплекс научных и прикладных задач по новому направлению развития нагревателей для низкотемпературного нагрева, обеспечивающего создание более совершенных электротех-нолопгческих устройств. При этом впервые выявлены определяющие причины катастрофического разрушения электропроводящих тонких слоев, полученных с использованием плазменных технологий; получены новые экспериментальные данные об интегральных и удельных электросопротивлениях гокопроводящих нихромовых покрытий и их зависимостях от определяющих параметров (тока, толщины покрытия, температуры).
Разработаны и экспериментально обоснованы электро- и теп-лофизиче.ские модели слоистых электропроводных систем, позволяющих проводить исследование режимов работы и оптимизировать конструктивные исполнения таких нагревателен.
' Доказано отсутствие проявления краевых эффектов при распределении протекающего тока в тонких проводящих системах и, как следствие возможности возникновения неравномерности плотности за счет краевых эффектов в линейных частях нагревателя. При этом установлено, что определяющим фактором для проявления неравномерности протекающего тока является возможная разнотол-щинность электропроводящего слоя по длине и ширине. Выявлена роль теплопроводной подложки в формировании тепловых полей и температурных перепадов на теплоотдаюших поверхностях нагревателей.
Совокупность научных результатов позволила решить вопросы, сдерживающие расширение использования новых техтгческих решений для низкотемпературных электротехнолопш.
Методика проведения исследований. Основные результаты диссертационной работы получены с использованием аналитических
н численных методов расчетов нагревателей, физических исследований. Достоверность методов и результатов исследований проверялась путем сравнения с результатами экспериментов на промышленных изделиях.
Практическая ценность работы определяется тем, что она позволила получіггь обобщенные технические требования к плоским низкотемпературным нагревателям, на основании которых возможно проводить объективные сравнительные оценки различных конструктивных решений и анализ взаимосвязи электротехнологий, используемых при их изготовлении, с эксплуатационными характеристиками. Созданные электро- и теплофизические модели слоистых электропроводных систем и экспериментальные исследования позволили провести совершенствование технологии плазменного нанесения покрытий.
Вклад автора в проведенные исследования состоит в единоличном обосновании общей концепции работы, в формулировании постановки задачи исследований, участии в разработке теоретических положений и анализе результатов, в самостоятельном выборе экспериментальных средств, непосредственном участии в экспериментах и обработке их результатов.
Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены на Российской научно-технической конференции "Физика низкотемпературной плазмы - ФНТП-95" (Петрозаводск, 1995), научно-практической конференции "Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири" (Новосибирск, 1995), на секции Совета межрегиональной ассоциации "Сибирское соглашение", на научных семинарах Томской государственной архитектурно-строительной академии (Томск, 1993, 1994, 1995) и Новосибирского государственного технического университета (Новосибирск, 1994, 1995, 1996).
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 4-х печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения, списка используемой литературы
из 63 наименований; имеет общий объем 144 стр, включая 49 рис. и 4 табл.