Роботу виконав Головко Денис Петрович, Науковий керівник: Воронкін Олексій Сергійович 2014 рік

3. У роботі досліджується експериментальна модель
резистивного електронагрівача з температурою
робочої поверхні до 70 0
С (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».

4. 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).

5. 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.

6. Приклади схем відкритих і закритих
нагрівальних елементів
конфорки
відкриті нагрівальні елементи
ТЕН

7. 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.

8. 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.

9. 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

10. 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.

11. Результати тестування верхньої
сторони
Експериментальне вимірювання Розрахункові значення
№
п/п
Напруга
(U, В)
Сила струму
(I, мА)
Температура одного із 7
стрижнів (t, 0
C)
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)

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

13. Результати тестування нижньої
сторони
Експериментальне вимірювання Розрахункові значення
№
п/п
Напруга
(U, В)
Сила струму
(I, мА)
Температура одного із
7 стрижнів (t, 0
C)
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)

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

15. 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

16. 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 0
C 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 0
С до
70 0
С його опір не змінився.
Таким чином, проявився додатковий опір у місцях з’єднання металевих
контактів з графітовими елементами, що пояснюється коефіцієнтом
теплового розширення.

17. Визначення ККД моделі нагрівника
при нагріванні води
Як відомо, ККД – це відношення корисної роботи до
всієї виконаної роботи

18. 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.

19. 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

20. 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:

21. • 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.

22. 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.

23. ДЯКУЮ ЗА УВАГУ!