У роботі досліджується експериментальна модель резистивного електронагрівача з температурою робочої поверхні до 70 0С (ККД ~ 35%), що потребує джерела живлення з вихідною напругою до 24 В.

У моделі в якості резистивного елементу використовувалися графітові стрижні зі звичайних олівців «СТАРТ 2М–4М».

Ознаки для класифікації електронагрівальних приладів

• Електронагрівальний прилад – пристрій, в якому енергія електричного струму перетворюється на теплову енергію.

• Ознакою класифікації електронагрівальних приладів можуть слугувати як їх функціональні властивості, так і додаткові ознаки для класифікації (спосіб електричного нагрівання, конструктивні та інші признаки).

Фізичні основи електронагрівальних приладів

• Використовують різні види електронагрівання: за рахунок використання провідників високого опору, а також інфрачервоний, індукційний, високочастотний, термоелектричний.

• Нагрівання за рахунок провідників високого опору підпорядковується закону Джоуля-Ленца. При цьому можуть використовуватися електронагрівальні елементи відкритого та закритого типів.

Приклади схем відкритих і закритих нагрівальних елементів

конфорки

відкриті нагрівальні елементи ТЕН

ГРАФІТ ЯК РЕЗИСТИВНИЙ ЕЛЕМЕНТ

• В якості резистивного елементу нами було використано графіт.

• Графіт має низький температурний коефіцієнт лінійного розширення, тому він не деформується при постійному нагріванні й охолодженні, на відміну від металевих нагрівачів.

ВЛАСТИВОСТІ ГРАФІТУ

• Електропровідність. З підвищенням температури електропровідність збільшується - тобто з нагріванням опір матеріалу зменшується

• Теплопровідність. Теплопровідність у графіту вище, ніж у багатьох металів.

• Термостійкість. Графіт не плавиться, витримує різкі перепади температур до 400–450 °С без руйнування. Це пояснюється високою теплопровідністю та малою величиною коефіцієнта лінійного розширення

• Теплове розширення. На величину коефіцієнта термічного розширення графіту впливає його структура.

Експериментальна модель нагрівача

Модель нагрівача – прямокутний діелектричний каркас із закріпленими з двох сторін графітовими стрижнями з зовнішніми габаритами робочої поверхні 130х150 мм.

На кожній стороні розміщено по 7 графітових стрижнів, послідовно з'єднаних за допомогою струмопровідних лап

Фотографії експериментальної моделі

При знятті вольт-амперних характеристик ми

використовували цифровий мультиметри Mastech M830B,

Mastech M890G, термопару TP-01. В якості джерела

живлення ми використовували

стабілізоване джерело напруги.

Результати тестування верхньої сторони

Експериментальне вимірювання Розрахункові значення

№

п/п

Напруга

(U, В)

Сила струму

(I, мА)

Температура одного із 7

стрижнів (t, 0C)

Rрозр=U/I

(Ом)

Потужність

нагрівача

(Pрозр, Вт)

1 5 150 30 (темп. зовн.

середовища)

33,3 0,7

2 10 290 34 34,5 2,9

3 15 430 45 34,8 6,5

4 20 570 56 35,0 11,4

5 22 600 62 36,6 13,2

Електричний опір 7 послідовно увімкнених елементів у середньому Rзаг=34,8 Ом, Опір 1 графітового елементу R=4,97 Ом (~ 5 Ом)

Графік залежності температури 1-го із 7-ми графітних стрижнів від напруги джерела живлення

Результати тестування нижньої сторони

Експериментальне вимірювання Розрахункові значення

№

п/п

Напруга

(U, В)

Сила струму

(I, мА)

Температура одного із

7 стрижнів (t, 0C)

Rрозр=U/I

(Ом)

Потужність

нагрівача

(Pрозр, Вт)

1 5 170 30 (темп. зовн.

середовища)

29,4 0,85

2 10 350 37 28,6 3,5

3 15 500 47 30,0 7,5

4 20 660 58 30,3 13,2

5 22 690 64 31,8 15,2

У середньому Rзаг=30,02 Ом,Опір 1 графітового елементу R=4,28 Ом (~4,3 Ом)

Графік залежності температури 1-го із 7-ми графітних стрижнів від напруги джерела живлення

Отже питомий робочий опір використаного нами графіту на верхній стороні в експерименті склав

Питомий робочий опір використаного нами графіту на нижній стороні в експерименті склав

Розходження значень слід пояснити тим, що технічно ми не змогли забезпечити високу точність збереження ефективної (робочої) довжини кожного графітового елементу l~120 мм, тому, коли з’єднували графітові елементи з перехідними електричними контактами для послідовного увімкнення між собою – ця довжина для кожного стрижня незначно відрізнялася

Незважаючи на те, що температурний коефіцієнт опору графіту повинен бути негативним (із підвищенням температури електропровідність графіту збільшується), у нашому дослідженні ми бачимо зворотне явище – електричний опір графіту збільшується з підвищенням температури.

Однак, наприкінці вимірювань, коли температура досягла 62–64 0C ми залишили нагрівач ще на 30 хвилин роботи, упродовж цього часу покази амперметру, вольтметру не змінювалися.

Для з’ясування цієї причини ми нагріли на вогні графітовий стрижень та слідкували за показником омметру – із збільшенням температури 3 20 0С до 70 0С його опір не змінився.

Таким чином, проявився додатковий опір у місцях з’єднання металевих контактів з графітовими елементами, що пояснюється коефіцієнтом теплового розширення.

Визначення ККД моделі нагрівника при нагріванні води

Як відомо, ККД – це відношення корисної роботи до всієї виконаної роботи

Можливості практичного застосування

Розробка може бути використана в резистивних нагрівача різного типу, зокрема, для підігріву акумуляторів автотранспортних засобів, а також для передпускового підігріву картерного масла та дизельного палива при низьких температурах.

Проведений аналіз Інтернет-джерел дозволив виділити акумуляторні батареї за ємністю, габаритами та напругою в залежності від типу двигуна.

Ємність

акумуляторної

батареї (А•год)

Розміри

(Довжина

/Ширина

/Висота)

Робочий обсяг двигуна, дм3

Бензинові

карбюраторні

(U=12В)

Дизельні

двигуни

(до 2.5 дм3

U=12В, понад

2.5 дм3 U=24 В)

Бензинові

двигуни з

упорскуван-

ням палива

40 187/127/227 Менше 1.2 Менше 1.5 Менше 1.6

45 238/129/227

52 207/175/175 1.2–1.8 1.6–2.5

60 242/175/190 1.8–2.5 1.5–2.0 2.5–3.0

70 261/175/175 2.5–4.5 2.0–2.7 3.0–3.5

75 278/175/190

90 513/185/190 4.5–6.2 2.7–3.5 Понад 3.5

140 513/185/223 6.2–8.0 3.5–6.5

180 513/223/223 Понад 8.0 Понад 6.5

230 518/276/242

Розробка дозволить при низькій температурі підігрівати акумулятор протягом декількох десятків годин після зупинки, використовуючи при цьому енергію самого акумулятора.

При U=24 В струм споживання нагрівача складає 630 мА, тобто акумуляторна батарея, що має, наприклад, ємність 70 А•год, зможе підтримувати такий нагрівач понад 100 годин:

• До переваг розробки слід віднести: 1) для живлення не треба спеціальних високовольтних джерел (або перетворювача напруги бортового акумулятора); 2) розробка є електробезпечною та пожежобезпечною; 3) акумуляторна батарея може підтримувати такий нагрівач понад 100 годин; 4) запропонована конструкція забезпечує рівномірне нагрівання всієї поверхні; 5) нагрівач можуть випускатися різних розмірів у залежності від типу розв'язуваної задачі; 6) низька ціна.

• Окремі питання потребують додаткового вирішення: 1) використані перехідні електричні контакти у місцях з’єднання графітових елементів з часом послабляються; 2) враховуючи крихкість графіту, для практичного застосування розробки, графітові елементи необхідно поміщати в захисні керамічні трубки.

Висновки

• Запропоновано конструкцію електронагрівального приладу на основі графітових циліндричних елементів

• У результаті проведених експериментальних досліджень були зняті вольт-амперні характеристики, визначено ККД нагрівача (η=35%), побудовані графіки залежності температури графітних елементів від напруги джерела живлення.

• Запропоновано використовувати розробку для підігріву акумулятора автотранспортних засобів, а також для передпускового підігріву картерного масла та дизельного палива при низьких температурах.

ДЯКУЮ ЗА УВАГУ!