Композитный электропроводный материал - RU2245859C2
Код документа: RU2245859C2
Чертежи
Описание
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к композитному электропроводному материалу такого типа, который содержит, по меньшей мере, одно связующее на основе цемента, по меньшей мере, один электропроводный компонент на основе углерода и термически стабильный наполнитель.
Настоящее изобретение дополнительно относится к применению указанного материала, в особенности, к использованию его в качестве электронагревательного элемента в электроэнергетической промышленности, строительстве и в строительстве гражданских сооружений, а также в сельском хозяйстве.
Уровень техники
В данной области техники известны материалы вышеописанного типа, которые изготавливаются из портландцемента и из углеродистых материалов, таких как технический уголь, сажа и тому подобное, характеризующиеся высокой степенью фрагментации частиц.
Однако при нагреве до высоких температур материалы такого типа проявляют исключительную нестабильность, особенно при длительной работе.
Фактически, компоненты портландцемента, в частности гидратированные минералы, формирующие так называемый клинкер портландцемента, подвергаются тепловому разрушению из-за декристаллизации.
При температуре выше 120°С происходит дегидратация сульфатсодержащих фаз и гидроалюминатсодержащих фаз до полного их разрушения, что вызывает существенную нестабильность электрических свойств композитного материала.
Кроме того, обычные компоненты на основе углерода, в частности сажа, которая обеспечивает наилучшие электрические характеристики, подвергаются окислению, особенно при температурах выше 400°С.
Такая температура легко достигается в точках контакта между отдельными углеродными частицами, где электрическое сопротивление, и поэтому выделение тепла достигает наивысшего значения.
При этом окисление может необратимо испортить материал, что приводит к увеличению общего электрического сопротивления.
Сущность изобретения
Техническая проблема, лежащая в основе настоящего изобретения, состоит в создании композитного электропроводного материала, который позволяет преодолеть проблемы, описанные со ссылкой на известный уровень техники.
Указанные проблемы преодолеваются с помощью композитного электропроводного материала, включающего цемент, термически стабильный наполнитель - непластичное вещество и электропроводный компонент на основе углерода - графит. Материал содержит в качестве цемента быстротвердеющий цемент, в качестве графита - коллоидный графит в пределах от 2 до 17 мас.%, в качестве указанного наполнителя - по меньшей мере, один из группы: шамот, кварцевый песок, диабаз.
Предпочтительно, материал содержит коллоидный графит в пределах 3-15 мас.%.
Целесообразно, чтобы материал содержал быстротвердеющий цемент в пределах от 34 до 50 мас.%.
Материал может содержать указанный наполнитель в количестве не выше 53 мас.%.
Материал содержит смесь шамота и кварцевого песка при соотношении от 0,5 до 2,0.
Материал содержит шамот в количестве не меньше 15 мас.%, при этом шамот имеет частицы размером от 0,1 до 2,0 мм.
Предпочтительно, шамот имеет частицы размером от 0,15 до 0, 20 мм.
Предпочтительно, кварцевый песок имеет размер частиц от 0,1 до 2,5 мм.
Материал может быть изготовлен из смеси, содержащей компоненты, в мас.%:
быстротвердеющий цемент 34-50
указанный наполнитель - по меньшей мере,
один компонент из группы: шамот, диабаз с
размером частиц от 0,15 до 0,2 мм 1-45
указанный наполнитель - кварцевый песок 1-52
коллоидный графит 2-17
вода остальное.
Согласно изобретению, нагревательный элемент содержит сердцевину, изготовленную из композитного электропроводного материала, описанного выше, в котором установлены провода.
Указанная сердцевина содержит, по меньшей мере, один слой покрытия.
По меньшей мере, один слой покрытия является изолирующим.
По меньшей мере, один слой покрытия выполнен водонепроницаемым.
По меньшей мере, один слой покрытия может быть изготовлен из материала, выбранного из группы: изолирующий лак, керамика, пластик, в частности полимерный пластик в виде пленки, указанный композитный материал, который не содержит электропроводный компонент.
Согласно еще одному варианту изобретения, нагревательное устройство содержит последовательность нагревательных секторов, изготовленных из композитного электропроводного материала, описанного выше.
Предпочтительно, указанные сектора содержат множество электрически взаимно соединенных нагревательных элементов, напряжение на которые подают с помощью средства (20) подачи электрического напряжения.
Указанное средство подачи напряжения содержит коммутатор, подключенный к источнику напряжения, с помощью которого подключают напряжение питания, и переключаемый с помощью блока управления, который представляет собой источник поочередной подачи питания на указанные сектора.
Дорожное покрытие, согласно изобретению, содержит множество нагревательных пластин, изготовленных из композитного электропроводного материала, описанного выше, электрически взаимно соединенных, напряжение на которые подают от средства подачи напряжения, и расположенных между слоем, по которому проходит движение машин и пешеходов, и поддерживающим слоем.
Указанные пластины подключены последовательно, разделены на подсекции, каждая из которых подключена параллельно для формирования секции подачи напряжения, которую подключают к основной линии сетевого питания через указанное средство подачи напряжения, которое имеет блок управления для каждой секции подачи питания, к которому, в свою очередь, подключены датчики температуры, расположенные на поверхности слоя, по которой проходит движение машин и пешеходов, и на указанных пластинах, которые подают на выход сигнал обратной связи, передаваемый на указанный блок.
Согласно изобретению, сельскохозяйственная структура содержит множество нагревательных пластин, изготовленных из композитного электропроводного материала, описанного выше, расположенная в верхнем слое почвы.
Указанные пластины расположены на глубине от 0,4 до 0,5 м и, по существу, расстояние между ними составляет от 0,5 до 1,0 м, причем указанные пластины подключены к средству подачи питания, содержащему блоки управления включением и датчики температуры для обратной связи.
Главное преимущество композитного электропроводного материала в соответствии с настоящим изобретением состоит в том, что он позволяет достичь и поддерживать в течение длительного времени работы достаточно высокие температуры, которые позволяют использовать его в качестве электронагревательного элемента.
Перечень фигур чертежей
Настоящее изобретение далее будет раскрыто в соответствии с его предпочтительным вариантом воплощения вместе с несколькими предпочтительными вариантами его применения, которые приведены в качестве примера, а не для ограничения, со ссылкой на нижеследующие примеры и на предложенные чертежи, на которых:
фигура 1 представляет схему поперечного сечения нагревательного элемента с использованием композитного материала в соответствии с настоящим изобретением;
фигура 2 изображает вид в перспективе первого варианта воплощения нагревательного устройства, в котором используется элемент по фигуре 1, применяемый для центральной системы отопления;
фигура 3 схематично изображает детализацию устройства по фигурам 2 и 4;
фигура 4 представляет схему поперечного сечения второго варианта воплощения нагревательного устройства, которое применяется для местной системы нагрева;
фигура 5 изображает схему поперечного сечения покрытия моста, в котором используется устройство по фигуре 4;
фигура 6 изображает подробный чертеж покрытия по фигуре 5;
фигура 7 изображает чертеж детали по фигуре 6; и
фигура 8 изображает схему другого варианта применения элемента по фигуре 1.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
В наиболее общей форме композитный электропроводный материал в соответствии с настоящим изобретением, в общем, представляет собой цемент со специальным составом, который содержит четыре основных компонента: связующее на основе цемента, электропроводный компонент на основе углерода, термически стабильный наполнитель и вода, в процентном отношении, которое будет подробно описано ниже.
Цемент представляет собой общеизвестный быстротвердеющий цемент, который позволяет поддерживать практически постоянные физико-механические характеристики до температур приблизительно 1200°С, используемый в качестве связующего.
Весовой процент быстросхватывающегося цемента составляет от 34% до 50%.
Композитный материал в соответствии с настоящим изобретением содержит непластичное вещество в качестве термически стабильного наполнителя, предназначенное для ограничения его пластичности.
Непластичное вещество предназначено для связывания свободной окиси кальция, которая может формироваться в массе цемента при высоких температурах. При отсутствии этого связующего эффекта формирование такого оксида кальция может привести к растрескиванию твердого материала.
В предпочтительном варианте указанного материала указанное непластичное вещество выбирается из группы, состоящей из шамота, то есть оно представляет собой искусственный непластичный материал, который, в основном, содержит раздробленную обожженную до общей дегидратации глину, диабаз, кварцевый песок и их смеси.
Весовое процентное отношение непластичного вещества, применяемого в качестве термически стабильного наполнителя, не превышает 53%.
В частности, шамот является особенно эффективным материалом, применяемым в качестве связующего СаО2.
В соответствии с более предпочтительным вариантом воплощения настоящего изобретения указанный композитный материал содержит в качестве непластичного вещества смесь шамота и кварцевого песка со взаимным весовым отношением, по существу, составляющим от 0,5 до 2, 0.
В частности, указанный материал имеет содержание шамота не меньше, чем 15 вес.%.
Что касается размеров частиц этого непластичного вещества, они предпочтительно составляют от 0,1 мм до 2,5 мм.
В частности, используются частицы шамота, имеющие размеры от 0,1 мм до 2,0 мм, предпочтительно с размерами от 0,15 мм до 0,20 мм.
Что касается электропроводного компонента, композитный материал содержит коллоидный графит.
В качестве коллоидного графита следует понимать графит, изготовленный в виде хлопьев малого размера, который может быть тонко диспергирован в смеси.
Предпочтительно, весовое процентное содержание коллоидного графита в указанном композитном электропроводном материале составляет от 2% до 17%, предпочтительно от 3% до 15%.
В общем, указанный композитный электропроводный материал изготавливают, начиная со смешивания составляющих компонентов в весовом процентном соотношении, которое выбирают между следующими минимальными и максимальными значениями:
где указанный первый наполнитель представляет собой непластичное вещество, выбранное из группы, содержащей шамот, диабаз и их смеси, и указанный второй наполнитель представляет собой кварцевый песок.
Указанные процентные соотношения относятся к сухому весу компонентов.
Сухие компоненты смешивают друг с другом и перемешивают от 5 до 7 минут. Затем добавляют необходимое количество воды и полученную таким образом смесь перемешивают в течение еще 3 минут.
Из этой смеси может быть сформирован электротермический элемент, нагревающийся при пропускании через него электрического тока при подключении к нему электрического напряжения.
После изготовления такой элемент может иметь, по существу, стабильные электрические характеристики в течение длительного срока службы при температурах выше 100°.
Процесс формовки указанного элемента состоит в следующем.
Подходящее количество полученной смеси выливают в форму. Электрические проводники, то есть голые провода, устанавливаются в заранее определенных местах внутри формы.
Затем смесь в форме подвергают прессованию при приложении заранее определенного давления.
Влажный продукт, полученный после этого этапа формования, подвергают гидротермической обработке и затем высушивают.
Конечный продукт, используемый в качестве электронагревательного элемента, имеет отличную тепловую емкость, позволяющую ему высвобождать тепло даже в течение периодов отключения электричества после соответствующего его нагрева.
Примеры
С помощью вышеописанного процесса производства были изготовлены четыре различных образца, обозначенных А, В, С и D, которые были изготовлены с различным составом, приведенным в Таблице 2. Величины выражены в весовых процентах.
Указанные образцы имели цилиндрическую форму с размерами 50 мм в длину и 50 мм в диаметре.
Перед подключением напряжения проверялись исходные физико-механические характеристики этих образцов. Результаты измерений электрического сопротивления и механической прочности приведены в Таблице 3.
Такие характеристики, по существу, сравнимы с характеристиками, получаемыми в образцах, изготовленных в соответствии с известными составами, в которых используются портланд цемент и сажа.
Эти образцы А, В, С и D подвергались воздействию электрического напряжения, величину которого изменяли, но первоначально его выбирали такой величины, чтобы вырабатывалась тепловая мощность Wo, равная 64 Вт.
При подаче на них энергии указанные образцы нагревались до температуры 150°С. Свойства образцов измеряли после 100 часов, 500 часов и 1000 часов для имитации работы с различной продолжительностью.
При испытаниях величину напряжения изменяли для поддержания постоянного тока.
В Таблице 4 приведены результаты испытаний. В частности, электрическое сопротивление обозначено R1 после 100 часов, R2 после 500 часов и R3 после 1000 часов испытаний; затраченная электрическая мощность обозначена W1, W2 и W3, соответственно; отношение между указанным полученным сопротивлением R1, R2, R3 и указанным исходным сопротивлением и отношение между указанной приложенной мощностью W1, W2, W3 и исходной электрической мощностью Wo выделены для каждого образца.
Анализ результатов этих испытаний подтвердил, что в образцах, имеющих процентное отношение графита, превышающее крайние пределы интервала, соответствующие физические свойства изменяются в диапазоне 5-10%.
Очевидно, что образец С, имеющий низкое содержание графита (2%), имеет хорошие механические характеристики, но при этом имеет высокое электрическое сопротивление, которое увеличивается со временем работы образца при высокой температуре.
Кроме того, очевидно, что образец D, имеющий высокое содержание графита (17%), не имеет хороших механических характеристик, хотя и имеет хорошие электрические свойства.
Образцы А, В, С, D показали такую же теплоемкость, как и у обычного красного кирпича, широко используемого в строительстве.
Из вышеописанного композитного материала можно изготовить электронагревательный элемент, используемый в строительном секторе, в системе центрального отопления зданий, сельскохозяйственной деятельности, для нагрева почвы, который позволяет заниматься садоводством даже в холодных районах (например, на высоких широтах и/или в зимнее время), в помещениях с нагревательными стенками, или в сараях, или хлевах для обогрева обширных площадей, в которых требуется низкая температура нагревательного элемента для обеспечения пожарной безопасности.
Для обеспечения приемлемого уровня безопасности, в частности для защиты от удара электрическим током, который может быть вызван при контакте с указанным композитным материалом, для указанных нагревательных элементов следует использовать источники питания с низким напряжением.
Кроме того, поверхности указанного элемента могут предпочтительно быть покрыты одним или большим количеством слоев изолирующего лака, изолирующим слоем композитного материала, в котором отсутствует электропроводный компонент, слоями водостойкого и изолирующего материала, например керамическими плитками, полимерными пластмассами, в частности полиэтиленовой пленкой, и т.п.
Эти защитные слои могут накладываться отдельно или в комбинации для удовлетворения различным условиям работы.
Как видно на фигуре 1, электронагревательный элемент 1 содержит сердцевину 2, изготовленную из описанного изолированного электропроводного материала. Сердцевина 2 имеет первый внутренний слой покрытия, изготовленный из указанного композитного материала, сформованного без коллоидного графита, который, в свою очередь, имеет второй внутренний слой покрытия 4, изготовленный из изолирующего лака.
Кроме того, указанный элемент 1 имеет первый внешний слой 5 покрытия, состоящий из керамических плиток, наложенных на указанный второй внутренний слой 4.
И, наконец, элемент 1 имеет второй внешний слой 6, изготовленный из пластиковой пленки, предпочтительно пленки полимерного типа.
На основе элемента вышеописанного типа может быть выполнено нагревательное устройство, через которое проходит теплоноситель, например воздух, соответствующим образом направляемый внутри центральной системы отопления здания.
Как видно на фигуре 2, нагревательное устройство вышеуказанного типа, в общем, обозначено позицией 10. Оно содержит трубопровод 11 для потока теплоносителя, который имеет секцию 12 входного отверстия и секцию 13 выходного отверстия.
Указанный трубопровод 11 ограничен стенками, изготовленными из последовательности нагревательных секторов 14, изготовленных из указанного композитного электропроводного материала в соответствии с настоящим изобретением, и изолирующих секторов 15, изготовленных, например, из обычного непроводящего цемента, причем все эти указанные сектора 14, 15 удерживаются вместе с помощью корпуса 16.
Сектора 14 содержат множество нагревательных элементов вышеописанного типа, которые электрически соединены друг с другом. К ним подводится соответствующее электрическое напряжение, подаваемое от блока питания, который схематично изображен на блок-схеме на фигуре 3 и, в общем, обозначен позицией 20.
Схема содержит коммутатор 21, подключенный к блоку 22 питания, который обеспечивает подачу напряжения Ve и который управляется блоком 23 управления заранее запрограммированного типа.
На примере этой схемы понятно, как можно выполнить попеременную подачу энергии на указанные сектора 14 для использования удовлетворительной индивидуальной теплоемкости каждого из них.
В частности, нагревающие сектора 14 могут включаться по одному одновременно с приложением мощности 1 кВ. Время подачи энергии на каждый из секторов 14 определяется его тепловой инерцией. Например, указанное время подачи может составлять 20-30 секунд.
Поэтому количество нагревающихся секторов может выбираться в соответствии с требуемой тепловой мощностью и тепловой инерцией каждого сектора.
В отличие от устройств известного типа, содержащих нагревательный элемент, к которому подключается источник энергии (химический, тепловой и т.д.), описанное устройство нагрева отличается низким уровнем потребления энергии и незначительными потерями тепла благодаря его изолированной конструкции.
Как видно на фигуре 4, нагревающее устройство 30, в соответствии со вторым предпочтительным вариантов его воплощения, используется для нагрева стен комнаты 31, в частности потолка 32 указанной комнаты, и содержит рыхлую структуру 33 основания, покрытую удерживающей структурой 34 нагревательных элементов 35, изготовленных из композитного материала в соответствии с настоящим изобретением и формирующих нагревающий слой, разделенный на нагревающие сектора.
Пол 2 дополнительно содержит теплоизоляцию 36, расположенную между структурой рыхлого фундамента 33 и нагревающим слоем. Поверх последнего пол содержит обычное внешнее покрытие 37.
Устройство 30 может получать питание от средства 20 источника питания, изображенного на фигуре 3.
Даже нагревающий пол, изготовленный из указанного композитного материала, показывает исключительные преимущества в смысле изоляции пола и низкого потребления энергии.
Указанный композитный материал может предпочтительно применяться в нагревательных устройствах вышеуказанного типа, специально установленных для подогрева дорожного покрытия, на котором образуется гололед, представляющий опасность для движения автомобилей и пешеходов, в области, используемой для движения транспорта и пешеходов.
В особенности предпочтительно использовать его в структуре дорожного покрытия мостов, которые особенно подвержены влиянию плохих погодных условий и которые имеют секционную структуру дороги, выполненную с использованием металлических частей, которые позволяют сформировать тепловые мостики к данному месту и которые особенно подвержены этой проблеме. Аналогично, настоящее изобретение может применяться для поддержания требуемого состояния дорог, тротуаров, которые расположены в тени или так или иначе подвержены холоду, скользких покрытий и так далее.
Слой композитного материала в форме нагревательных пластин может быть установлен под слоем, по которому происходит движение, например под слоем асфальта.
Размеры и место расположения таких пластин должны выбираться таким образом, чтобы они не подвергались нагрузкам, передаваемым от дорожного покрытия, но чтобы указанная нагрузка передавалась на поддерживающую структуру дороги или моста.
На фигуре 5 схематично изображено поперечное сечение моста 40, который имеет центральную секцию 41, удерживаемую боковыми колоннами 42.
В центральной секции 41 мост 40 содержит дорожное покрытие 43, которое имеет слой, по которому происходит движение транспорта 44, изготовленный из обычного асфальта толщиной приблизительно 20 мм.
Кроме того, дорожное покрытие 43 имеет поддерживающий слой 45, непосредственно установленный на указанной центральной секции 41, изготовленный из армированных бетонных плит.
Между слоем 44 и поддерживающим слоем 45 дорожное покрытие 43 содержит множество нагревательных пластин 46 такого типа, как описано выше.
К последним подводится энергия от средства 47 источника энергии, содержащего основную линию 48 электрической сети и блок 49 управления мощностью, который содержит соответствующие трансформаторы и переключатели (фигура 6).
Пластины 46 последовательно подключаются между собой с помощью соединителей 60, изображенных на фигуре 7, содержащих стержневой элемент 61, завинчиваемый в соответствующую пластину 46, который соединен с соответствующим охватывающим элементом 62, который также имеет резьбу.
Указанные пластины 46 подключаются последовательно и разделяются на подсекции 50, которые соединяются параллельно для организации секции 51 электропитания, которая подключается к указанной основной линии сети.
К блоку управления также подключены датчики температуры, которые не показаны и которые представляют собой датчики традиционного типа, установленные на поверхности пластин 46, и выводы которых подведены к выходным выводам указанной группы.
Очевидно, что указанные пластины 46 будут включаться в соответствии с погодными условиями: в частности в зависимости от температуры поверхности дороги и скорости ветра, поскольку повышение скорости последнего приводит к увеличению потерь тепла на конвекцию.
Например, вышеописанная структура пластин 46, температура которых поддерживается на уровне 40°С, может поддерживать температуру поверхности асфальта на уровне 5°С при скорости ветра меньше 10 м/с и наружной температуре не ниже, чем -5°С.
Как видно на фигуре 8, последний предпочтительный вариант применения указанного композитного электропроводного материала описан в отношении сельскохозяйственного комплекса 70, который содержит верхнюю часть почвы, поверх которой установлена структура 72 теплицы, предназначенная для защиты растений 73, имеющих подземные корни 74, растущие в указанной верхней части почвы 71.
На глубине от 0,4 м до 0,5 м структура 70 содержит нагревательные пластины 75, взаимно соединенные (76) электрически и установленные на подходящем расстоянии от 0,5 до 1,0 м друг от друга.
Пластины 75 подключены к средству 76 подачи электроэнергии, аналогичному средству 47, изображенному на фигурах 5, 6, 7, которое содержит блоки управления мощностью и датчики температуры.
Температура, подходящая для выживания и роста корней указанных растений, может поддерживаться с помощью соответствующей регулировки температуры, что обеспечивает рост даже в холодных или замерзших грунтах, что является частым явлением в зимнее время и/или в северных странах.
Очевидно, что пластины 75 могут быть расположены в соответствии со структурами теплиц или с использованием других подходов.
Вышеописанный композитный электропроводный материал и способы его применения, как очевидно для специалиста в данной области техники, для удовлетворения других и соответствующих потребностей могут быть выполнены с различными модификациями и вариациями, но все они будут находиться в пределах объема защиты настоящего изобретения, как описано в прилагаемой формуле изобретения.
Реферат
Композитный электропроводный материал, который может использоваться в качестве электронагревательного элемента в широком диапазоне вариантов применения, без воздействия высоких температур и условий работы на его физические характеристики, содержит в качестве связующего быстротвердеющий цемент, в качестве электропроводного компонента коллоидный графит и в качестве термостабильного наполнителя антипластичные вещества, например шамот, диабаз, кварцевый песок или их смеси. Технический результат – создание композитного электропроводного материала, который длительное время может работать в качестве нагревательного элемента при достаточно высоких температурах. 5 с. и 17 з.п. ф-лы, 8 ил., 4 табл.
