Электронагреватель на основе эластичной матрицы и проводящих углеродных и металлических добавок

Полезная модель относится к электрическим нагревателям, которые могут быть применены для терморегулирования различных объектов в химической и пищевой промышленности, а также в сфере АПК.
Известно изобретение (патент на изобретение №2439861, дата публикации патента: 10.01.2012), в рамках которого рассматриваются электропроводящие пленки, изготовленные из термопластичной матрицы и электропроводящих армирующих волокон, причем электропроводящие волокна фактически изотропно распределены в электропроводящей пленке, а также описан способ их получения. Электропроводящая пленка содержит от 3 до 45 мас. % армирующих волокон, электрических контактов, причем армирующие волокна по меньшей мере частично включают электропроводящие армирующие волокна длиной от 0,1 до 30 мм, которые распределены в направлении х-у в термопластичной матрице. При этом электрические контакты включены в данный материал надежно и на постоянной основе без применения клея. Обеспечение постоянной электропроводности по всей поверхности и, следовательно, поверхностного сопротивления пленки, а также отсутствие изменения электрического сопротивления в зависимости от давления на поверхность является техническим результатом изобретения.
Недостатком является низкая теплопроводность материала, обусловленная теплопроводностью полимерного композита и углеродных волокон, что снижает эффективную мощность тепловыделений.
Известна полезная модель, которая относится к электротехнике для нагрева жидких и газовых сред, и в том числе высокоагрессивных.
Технический результат - это нагреватель с мощностью от 1 до 50 кВт и более. Электрический нагреватель на основе углеродных волокнистых материалов имеет корпус из внутреннего слоя 1 и наружного слоя 2 с осью вращения, выполненной из стеклокомпозита на основе жидкого связующего, а также диаметр 20÷250 мм, длину, не превышающую 3100 мм, толщину стенки 1,5÷14 мм, внутри которой размещен нагревательный элемент 3 в виде ленты либо из ткани, предварительно разрезанной на ленты, из углеродного волокнистого материала всего ассортимента промышленного производства из гидратцеллюлозных, либо полиакрилонитрильных волокон, при этом каждый конец углеродного волокнистого материала в виде ленты сопряжен с металлической фольгой. В качестве жидкого связующего используют жидкие фенольные смолы; корпус нагревателя выполнен из стеклокерамики, а в качестве жидкого связующего используют фосфатное связующее холодного отверждения (патент на полезную модель №190077 U1, дата публикации патента: 2019.06.18).
К недостатку можно отнести то, что при изготовлении нагревателя используются фенольные смолы, а также при этом необходимо использовать систему автоматического регулирования для поддержания стабильного температурного режима.
В качестве прототипа использован патент РФ №2466333. В данном патенте описан электротеплоаккумулирующий нагреватель в виде оболочки и наполнителя. В объеме наполнителя имеется наноструктурный углерод, а боковые поверхности объема наполнителя содержат электрические контакты, к которым подведены токопроводящие провода, подключенные к источнику электрической энергии.
К недостаткам прототипа следует отнести то, что используемый в устройстве в качестве наполнителя материал имеет невысокую теплопроводность, а также плоскую поверхность, которая снижает эффективность теплообмена.
Технической задачей полезной модели является улучшение теплофизических параметров нагревателя за счет введения микроразмерной меди в качестве дополнительного проводящего дисперсного наполнителя и использование ребристой поверхности нагревателя.
Техническая задача полезной модели достигается тем, что электротеплоаккумулирующий нагреватель выполнен в виде оболочки и наполнителя, при этом в объеме наполнителя имеется наноструктурный углерод и микроразмерная дисперсная медь, а также использованием ребристой поверхности нагревателя.
На фиг. 1 показана структурная схема нагревателя, на фиг. 2 - термограммы образцов без микроразмерной меди и с микроразмерной медью, фиг. 3 - поверхность образца эластомера с добавками металлических дисперсных частиц.
Сущность предлагаемого способа получения электронагревателя на основе эластичной матрицы и проводящих углеродных и металлических добавок заключается в следующем: в качестве оболочки с оперением используется полимерный материал (1): натуральный каучук, кремнийорганический (силиконовый) или полиуретановый компаунд, или любой другой эластомер, термопласт или реактопласт, обладающий диэлектрическими свойствами. В качестве наноструктурного углерода могут быть использованы: фуллерены, однослойные и многослойные нанотрубки (УНТ, графен, оксид графена, углеродные или металлические квантовые точки и т.д. (с мас. % от 0,1 до 55). Полимерная матрица - наполнитель - может быть выполнена из таких материалов, как: полиэтилен, фторопласт, натуральный каучук, кремнийорганический (силиконовый) или полиуретановый компаунд, или любой другой эластомер, термопласт или реактопласт, обладающий диэлектрическими свойствами. Электрические контакты (2) изготавливаются из электропроводящих материалов (металлов, графита и т.д.). Источник электрического напряжения (3) переменного и постоянного тока (от 3 до 220 В). Соединительные токопроводящие провода (4) (фиг. 1).
При подаче питающего напряжения от источника электрической энергии на электрические контакты (2) через соединительные провода (4) происходит прохождение электрического тока за счет наличия электропроводящих частиц углерода и микроразмерной дисперсной меди (фиг. 2), которые находятся в полимерной матрице (3), что приводит к тепловыделению. Прохождение электрического тока сопровождается эффектами поляризации диэлектрика, а также эффектами туннельного тока. Диэлектрическая часть, которая является матрицей, в этом случае накапливает электрический заряд и подвергается поляризации и также накапливает теплоту (фиг. 3).
В таблице 1 представлено сравнение теплопроводности образцов нагревателей с микроразмерной медью (Cu) и МУНТ. Добавление меди (8 мас. %) приводит к росту теплопропроводности до 0,4 с 0,24 Вт/(m⋅°С), также увеличивается температуропроводность.
Распределение и величина температурного поля может быть представлена в виде термограммы (фиг. 3а, b). Термограмма фиг. 3а - представлена для эластомера с МУНТ (маc. 5%) Термограмма фиг. 3b представлена для эластомера при добавлении микроразмерной меди характеризуется увеличением температуры с 47,2 до 96,3°С. Также при этом изменяются режимные параметры нагревателя с МУНТ и микроразмерной медью (табл. 2 и табл. 3). Таблица 2 режимные параметры нагревателя с МУНТ. Таблица 3 режимные параметры нагревателя с МУНТ и микроразмерной медью. При напряжении 25 В - ток в нагревателе с МУНТ составляет 4,28 мкА, а для МУНТ и микроразмерной меди значение тока возрастает до 80,24 мкА.
Таким образом, технический результат был достигнут, что подтверждается улучшением энергетических параметров и приданием свойств нагревания в условиях подвода электрического напряжения от различных групп питающих электродов.