Сложные гидродинамические и теплообменные процессы приводят к неравномерному распределению температуры в электротермическом оборудовании. Эта температурная неоднородность является фундаментальной причиной, ограничивающей эффективность и надежность работы оборудования. Традиционные методы устранения локальных перегревов путем увеличения общей мощности или применения внешних систем автоматического регулирования, основанных на одном обобщенном показателе, ведут к избыточному потреблению энергии, не позволяют точно управлять распределением тепловыделения на микроуровне. Целью настоящего исследования является разработка системы автоматического управления технологическим процессом производства полимерных ленточных нагревательных элементов с задаваемыми характеристиками удельной мощности, обеспечивающей синтез изделий с требуемым распределением температуры поверхности. Методологическая основа работы базируется на решении обратной задачи теплопроводности, в рамках которой целевое температурное поле достигается за счет формирования переменного электрического сопротивления токопроводящего слоя как управляемого параметра. Предложен двухстадийный технологический процесс, реализующий замкнутый контур автоматического регулирования: после предварительной полимеризации карбоновой пасты в резистивный слой дозированно вводится диэлектрическое связующее, что обеспечивает градиентное изменение удельного сопротивления. Экспериментально получены калибровочные зависимости сопротивления от массовой доли связующего, используемые в алгоритме управления. Испытания опытных образцов, проведенные в условиях, имитирующих эксплуатационные нагрузки, подтвердили эффективность предложенного подхода. Отклонение температуры поверхности у модифицированных нагревателей не превысило 5–15%, тогда как у классических аналогов достигало 180%. Применение разработанной системы автоматического управления позволяет формировать равномерное либо заданное распределение температурного поля, что способствует снижению энергозатрат и увеличению срока службы оборудования.
Complex hydrodynamic and heat exchange processes lead to uneven temperature distribution in electrothermal equipment. This temperature non-uniformity is a fundamental factor limiting the efficiency and reliability of the equipment. Traditional methods of eliminating localized overheating by increasing overall power or using external automatic control systems based on a single generalized indicator lead to excessive energy consumption and do not allow for precise control of heat generation distribution at the micro level. The objective of this study is to develop an automatic process control system for the production of polymer ribbon heating elements with specified specific power characteristics, ensuring the synthesis of products with the required surface temperature distribution. The methodological basis of the study is based on solving the inverse problem of heat conduction, in which the target temperature field is achieved by shaping the variable electrical resistance of the conductive layer as a controlled parameter. A two-stage process is proposed, implementing a closed-loop automatic control system: after preliminary polymerization of the carbon paste, a dielectric binder is gradually introduced into the resistive layer, providing a gradient change in resistivity. Calibration curves of resistance versus binder mass fraction, used in the control algorithm, were experimentally obtained. Testing of prototypes, conducted under conditions simulating operational loads, confirmed the effectiveness of the proposed approach. Surface temperature deviations for the modified heaters did not exceed 5–15%, while for conventional heaters, they reached 180%. The developed automatic control system enables the formation of a uniform or specified temperature distribution, which helps reduce energy costs and extend the service life of the equipment.
1. Малин Н. И. Термоустойчивость и неравномерность нагрева как факторы воздействия на режим сушки зерна // Международный технико-экономический журнал. 2018. № 4. С. 26-36. EDN: YOFNHF.
2. Захаров А. С., Крымов Р. С. Исследование системы теплоснабжения с использованием пленочного инфракрасного обогревателя // Экономика строительства и природопользования. 2025. № 1 (94). С. 42-49. EDN: KZTOCE.
3. Шелехов И. Ю., Бугаев В. А., Пиксаев Д. А., Алтухов И. В. Энергоэффективные методы отопления зданий сельскохозяйственного назначения // Актуальные вопросы аграрной науки. 2024. № 52. С. 39-48. DOI: 10.51215/2411-6483-2024-52-39-48. EDN: YZSKGY.
4. Митькина Е. Б., Фурсова И. Н. Исследование распределения температуры на поверхности системы панельно-лучистого отопления во влажных помещениях // Инженерный вестник Дона. 2017. № 4 (47). С. 198. EDN: OYJBEY.
5. Торопов А. Л. Подготовка горячей воды в автономных системах теплоснабжения с несколькими точками водоразбора // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 9. С. 1541-1549. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.9.1541-1549. EDN: HPRKRV.
6. Шувалов А. М., Дементьева Т. Н. Сравнительная оценка средств удаления накипи в водонагревателях // Техника в сельском хозяйстве. 2010. № 1. С. 13-15. EDN: NORDLL.
7. Шелехов И. Ю., Радин В. А., Андропова О. Ю. Оптимизация параметров микроклимата в помещении автосервиса // Тенденции развития науки и образования. 2023. № 95-5. С. 163-165. DOI: 10.18411/trnio-03-2023-265. EDN: UFRMIC.
8. Невзоров Д. С., Бородкина С. В., Астапов А. Ю. Система электрообогрева кровли и водостоков // Наука и Образование. 2023. Т. 6. № 2. EDN: IDIDLJ.
9. Патент на полезную модель № RU 219638 U1 Российская Федерация, МПК H05B 3/16, H05B 3/34, H05B 3/38. Гибкий нагревательный элемент с неравномерной удельной мощностью: № 2022133257: заявл. 19.12.2022: опубл. 31.07.2023 / И. В. Шелехова, И. Ю. Шелехов, А. И. Шелехова; заявитель ООО «Промышленные Технологические Инновации». EDN: JINDIL.
10. Патент № RU 2713729 C1 Российская Федерация, МПК H05B 3/36. Нагревательный элемент широкого спектра применения: № 2018116517 заявл. 03.05.2018: опубл. 07.02.2020 / И. Ю. Шелехов. EDN: NSFAST.
11. Зеньков С. А., Дрюпин П. Ю. Выбор ленточных нагревательных элементов при борьбе с адгезией грунта к рабочим органам землеройных машин // Механики XXI веку. 2021. № 20. С. 13-17. EDN: GBESYT.
12. Леухин В. Н., Андрейкин А. В., Нагаев А. А. Анализ влияния технологических операций на выходные показатели качества резистивных сборок // Вестник Марийского государственного технического университета. Серия: Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. 2008. № 2 (3). С. 56-62. EDN: MSPJLJ.
13. Путырская М. Ю., Щегольков А. В., Щегольков А. В., Никулин П. Н. Полимерные нанокомпозиты с положительным температурным коэффициентом сопротивления // Новые материалы и технологии для устойчивого развития: Материалы IV Международной научной конференции, Москва, 23–24 сентября 2025 года. Москва: Российский экономический университет имени Г.В. Плеханова, 2025. С. 155-158. EDN: KTDKSL.
14. Сокуренко В. А., Сахаров Ю. В., Артищев C. А. Исследование влияния величины сопротивления толстоплёночных резистивных компонентов на мощность низкочастотного шума // Прикладная физика. 2025. № 3. С. 74-80. DOI: 10.51368/1996-0948-2025-3-74-80. EDN: NSEWXB.
15. Антонова Е. О., Рыдалина Н. В., Степанов О. А., Аксенов Б. Г. Изучение влияния температуры теплоносителя в системе теплоснабжения на температуру воздуха в помещении // Вестник Тюменского государственного университета. Физико-математическое моделирование. Нефть, газ, энергетика. 2021. Т. 7. № 3 (27). С. 53-70. DOI: 10.21684/2411-7978-2021-7-3-53-70. EDN: TFBBSM.
16. Ташкинов М. А., Добрыднева А. Д., Матвеенко В. П., Зильбершмидт В. В. Моделирование эффективных электропроводящих свойств полимерных нанокомпозитов со случайным расположением частиц оксида графена // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2021. № 2. С. 167-180. DOI: 10.15593/perm.mech/2021.2.15. EDN: YGDGKQ.
17. Шелехов И. Ю., Федотова М. И., Шелехова А. И. Оптимизация параметров микроклимата в спортивных каркасно-тентовых зданиях // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2023. Т. 13. № 2 (45). С. 369-377. DOI: 10.21285/2227-2917-2023-2-369-377. EDN: HATVRN.
18. Земцова Н. В., Щегольков А. В. Электронагреватели на основе эластомеров, модифицированных углеродными наноструктурами, для 3D принтеров // Актуальные проблемы в машиностроении. 2021. Т. 8. № 3-4. С. 115-120. EDN: HPZTLX.
19. Попкова О. С., Чернова О. С. Численное моделирование теплообмена в производственном помещении агропромышленного предприятия // Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2025. № 205. С. 56-62. DOI: 10.21515/1990-4665-205-006. EDN: NQJVTZ.