Перспективы применения напольных электрообогревателей с фазопереходным материалом

Графики нагрузок сельскохозяйственных электрических сетей имеют переменный характер. В них наблюдаются два спада: дневной и ночной. Первый вызван отключением части потребителей в обеденные часы, второй – в ночные. Снижение нагрузки и длительность провала в ночные часы гораздо значительнее, чем в дневные. Заполнение этих провалов ведет к уменьшению расхода топлива на электростанциях и увеличению эффективности использования электрических сетей.

Кроме того, в настоящее время электроснабжение сельскохозяйственных объектов осуществляется от централизованных источников. В связи с этим возникает большая вероятность отключения потребителей из-за низкой надежности системы электроснабжения. Согласно обработке данных, за первые два часа восстанавливается только 66% всех отказов, 20% отказов ликвидируется в интервале от 2 до 6 часов. Среднее время одного восстановления составляет 3±1 ч [1].

Уменьшить потери в сельскохозяйственном производстве от перебоев энергоснабжения и заполнить провалы графиков электрической нагрузки можно за счет

ΔQ = m 1 ∙ Δ h 1 + m 2 ∙ Δ h 2 = m 1 ∙ c 1 ∙ dt + m 2 (с 2Т ∙( t Ф – t 1 ) + Δh Ф + с 2Ж ∙( t 2 – t Ф )),

использования теплового резервного аккумулирования.

Нами предлагается для местного электрообогрева использовать напольный обогреватель со специальным аккумулирующим веществом (рис. 1).

В качестве аккумулирующих веществ рекомендуется принимать вещества, использующие теплоту фазовых превращений. Принцип аккумулирования теплоты заключается в том, что материал накапливает значительное количество тепловой энергии при переходе из твердого состояния в жидкое (в период плавления) и отдает накопленную теплоту при затвердевании [2].

При аккумулировании теплоты бетонным напольным электрообогревателем тепловая емкость Q определится внутренней энергией, как составляющей энтальпии:

dQ = m 1 ∙ dh 1 = m 1 ∙ c 1 ∙ dt, (1) где m 1 – масса бетона, кг ; h 1 – энтальпия напольного обогревателя, Дж/кг ; с 1 – теплоемкость бетона, Дж/(кг ∙ ⁰С).

Тепловая емкость напольного электрообогревателя с фазопереходным материалом при изменении температуры от t1 до t2 определится из выражения hy

12  3      45

Рис. 1. Напольный электрообогреватель с фазопереходным материалом:

1 – фазопереходный материал; 2 – бетон; 3 – нагревательный провод; 4 – рубероид;

5 – теплоизоляция; h Y – шаг между фазопереходным материалом; h Y – глубина заложения фазопереходного материала

где m 2 – масса фазопереходного материала, кг; с 2Т – удельная теплоемкость твердой фазы, Дж/(кг ∙ ⁰С ); Δh Ф – энтальпия фазового превращения, Дж/кг; с 2Ж – удельная теплоемкость жидкой фазы, Дж/(кг ∙ ⁰С ).

В этом выражении наибольшее значение имеет энтальпия фазового превращения, она может превосходить остальные величины, входящие в это выражение на один или даже два порядка.

В процессе фазового превращения вещества его температура не изменяется, а выделяется теплота фазового перехода. Благодаря этому такие обогреватели обладают более высокой тепловой инерцией. Так, при толщине напольного электрообогревателя 6 см и температуре окружающего воздуха 14 оС температура на поверхности обогревателя с фазопереходным материалом снизилась с 30 до 22 оС за 4,25 ч, а без фазопереходного материала – за 1,6 ч [3].

Для теплоаккумулирующих материалов с использованием теплоты фазового перехода важны такие свойства, как низкая стоимость; высокая энтальпия фазового перехода; удобная из эксплуатационных условий температура плавления; высокая теплопроводность и теплоемкость твердой и жидкой фазы; отсутствие тенденции к расслоению, температурная стабильность; отсутствие возможности переохла- ждения или затвердевания и перегрева при плавлении; низкое термическое расширение и незначительное изменение объема при плавлении; слабая химическая активность; безопасность (отсутствие ядовитых паров и опасных реакций с рабочей средой).

Веществ, которые в полном объеме отвечали бы всем перечисленным требованиям, практически нет. Поэтому для оценки пригодности вещества для аккумулирования необходимо в каждом конкретном случае проводить дополнительные исследования.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяют кристаллогидраты неорганических солей, среди которых наибольшее распространение получила глауберова соль (Na 2 SO 4 ·10H 2 O). Известны практически все её основные характеристики: она обладает достаточно высокой энтальпией фазового перехода (250 кДж/кг), достаточно высокой теплоемкостью (1760 Дж/(кг∙^оС) в твердом и 3310 Дж/(кг∙^оС) в расплавленном состоянии), малым изменением объема при плавлении, не токсична.

Необходимый микроклимат в зоне содержания молодняка животных, а также реальные условия энергоснабжения сельскохозяйственных потребителей предъявляют ряд требований к напольным элек- трообогревателям с фазопереходным материалом:

– температура на поверхности обогревателя должна изменяться в зависимости от возраста содержащихся на ней животных от 30 оС в первую неделю с последующим понижением до 22 оС [4];

– температура на поверхности обогревателя должна быть рекомендуемой для содержания животных при плавлении фазопереходного материала (для использования преимущества равномерной теплоотдачи при постоянной температуре);

– период изменения агрегатного состояния фазопереходного вещества должен быть максимально возможным;

– толщина обогревателя должна быть минимальной, чтобы его внедрение было возможно при минимальных затратах без капитального ремонта пола.

Изменение агрегатного состояния фазопереходного материала происходит при постоянной температуре, что соответствует требованиям помещений для взрослых животных. Для свинарников-маточников температура на поверхности обогревателя должна изменяться в зависимости от возраста животных, что создает определенные трудности при практическом использовании таких обогревателей. Но при располо- жении фазопереходного материала с шагом в процессе фазового перехода температура на поверхности не остается постоянной, а изменяется, и чем больше шаг в расположении фазопереходного материала, тем больше это изменение. Это происходит из-за того, что часть теплового потока идет на изменение агрегатного состояния фазопереходного материала, а часть – на изменение температурного поля напольного обогревателя.

При расположении фазопереходного материала с шагом h У = 2 см температура на поверхности обогревателя изменится на 5 ^оС. Для создания теплоаккумуляционного резерва при температуре на поверхности обогревателя 22 ^оС можно принять температуру в начале процесса плавления 20 ^оС. В этом случае температура в конце плавления будет равна 25 ^оС [3].

Зависимость требуемой глубины заложения фазопереходного материала от его температуры изменения агрегатного состояния для наиболее распространенных обогревателей (из бетона, керамзитобетона и асфальтобетона) при удельной мощности нагревателя 250 Вт/м2 и температуры в конце плавления 25 оС представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Зависимость требуемой глубины заложения фазопереходного материала от его температуры изменения агрегатного состояния:

1 – керамзитобетон; 2 – асфальтобетон; 3 – бетон

Из анализа рисунка 2 видно, что, например, глауберову соль для напольного обогревателя, выполненного из керамзито-бетона, следует располагать на глубине 1 см, из асфальтобетона – 3,1 см; из бетона – 3,8 см.

Одной из трудностей использования фазопереходных материалов является изменение объема (плотности) при изменении агрегатного состояния. Так, у глауберовой соли при плавлении объем изменяется на 3,4%.

Для устранения этого недостатка рекомендуется фазопереходный материал располагать в трубках, герметичных с одного конца, а на другом конце устанавливать выходную трубку меньшего диаметра. Выводить концы этих трубок рекомендуется в торцевую часть, так как в этом случае они будут расположены в месте, малодоступном для животных.

Еще одним существенным недостатком при использовании кристаллогидратов является расслоение твердой и жидкой фазы при плавлении. Вследствие этого уменьшается энтальпия фазового перехода с ростом числа циклов «плавление– кристаллизация» и снижается эффективность аккумулирования теплоты. Стабилизировать обратимость фазового перехода можно введением гетерогенных добавок, выполняющих роль центров кристаллизации, например натрий тетраборнокислый 10-водный (бура) в количестве 3% [5]. Это позволяет стабилизировать обратимость фазовых переходов.

Таким образом, уже в настоящее время возможно создание напольных электрообогревателей с фазопереходным материалом не только в помещениях, требующих постоянных температур (для взрослых животных), но и в свинарниках-маточниках при выращивании молодняка животных.