ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ОТОПИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

МБОУ «Гимназия №12» Ленинск-Кузнецкого городского округа
НОУ «Интеллектуал»
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ
ОТОПИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Выполнил: Якушина Евгения Александровна, 10 класс
Руководитель: Квасов Евгений Викторович,
учитель физики
Ленинск-Кузнецкий
2015
1
Департамент образования и науки Кемеровской области
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Кемеровский государственный университет»
Центр довузовской подготовки
Научно-практическая конференция исследовательских работ учащихся
«Эрудит-2015»
физика
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ ДЛЯ ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩЕЙ
ОТОПИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
Автор: Якушина Евгения
Александровна
Класс: 10
ОУ: МБОУ «Гимназия № 12»
Город: Ленинск-Кузнецкий
Научный руководитель: Квасов
Евгений Викторович, учитель физики
КЕМЕРОВО 2015
2
Содержание
Введение………………………………………………………………2
Глава 1. Устройство, принцип действия и назначение ЭОУ………6
Глава 2. Исследование электропроводности теплоносителя………7
Глава 3. Исследование зависимости электрического
сопротивления жидкости от температуры………………..12
Глава 4. Расчёт экономичности использования ЭОУ в бытовых
условиях…………………………………………………….13
Заключение…………………………………………………………..16
Список литературы………………………………………………….18
Приложения……………………………………………………….....19
3
«Школьник понимает физический
опыт только тогда хорошо, когда
он его делает сам. Но ещё лучше он
понимает его, если он сам делает
прибор для эксперимента…»
П.Л.Капица
Введение
Однажды мне папа рассказал, как в
студенческие годы в общежитии при
помощи двух бритвочек или ножей
кипятили воду. Модель простая: два
тонких лезвия, между ними две спички,
чтобы они не касались друг друга, и всё
перетянуто ниткой (рис.1). К лезвиям
Рис. 1
подсоединяются провода от источника
тока. Техника безопасности нарушается,
но чай закипает очень быстро! Возник вопрос: почему вода нагревается,
если бритвочки не замкнуты? Ведь мы привыкли, что нагрев происходит за
счёт электрического сопротивления в спирали в ТЭНовом нагревателе. Так
как бритвочки не замкнуты, то нагрев происходит без спирали и
сопротивления металла, а значит без потерь энергии, т. е. вся энергия идёт
на нагревание теплоносителя (воды). Нельзя ли где-то это использовать? С
этим вопросом я пошла на урок физики.
Оказывается, это уже успешно применяется для обогрева жилых
помещений в виде электродного водонагревателя. Ещё в СССР схожие по
принципу действия отопительные приборы использовались на атомных
подводных лодках и кораблях Военно-морского флота. В конце 1980-х
годов
конструкция
использованию
в
электродного
системах
котла
отопления
была
жилых,
адаптирована
к
производственных,
складских и торговых помещений. Мало того, оказалось, что у моего
учителя физики эта установка работает уже два года в частном доме
4
площадью 120 м² и прекрасно справляется с обогревом помещения. Он
рассказал мне, что установка хороша, но есть проблемы с теплоносителем
– не любая вода пригодна для эффективной работы. Мы решили глубже
изучить эту проблему, и по мере изучения данной темы у нас возникали
всё новые и новые вопросы:

Как работает это устройство?

За счёт чего происходит нагревание?

Насколько оно эффективно и надёжно?

Широта области применения?

Почему нет широкого применения данной установки среди
населения?

Какие условия необходимы для наибольшего снижения энергозатрат
при использовании?
Цель исследовательской работы: исследование свойств теплоносителя
для Энергосберегающей отопительной установки (далее ЭОУ) и создание
действующей модели ЭОУ.
Задачи:
1. Изучить принцип работы ЭОУ.
2. Выяснить его эффективность.
3. Исследовать электропроводность различных образцов воды.
4. Выяснить
зависимость
электропроводности
жидкости
от
температуры.
5. Определить
необходимую
и
достаточную
концентрацию
теплоносителя.
6. Создать модель для исследования свойств теплоносителя.
Объект исследования: процесс преобразования электрической энергии
в тепловую.
Предмет исследования: электрические свойства теплоносителя для
ЭОУ.
5
Методы исследования:
1. Сбор и анализ литературных источников, Интернет-ресурсов и
полученных знаний на уроках физики и химии.
2. Физический эксперимент.
3. Наблюдение.
Этапы исследования:
1. Изучение данной темы при помощи научной литературы и Интернетресурсов.
2. Исследование электропроводности воды из разных источников.
3. Исследование зависимости сопротивления теплоносителя от его
температуры.
4. Создание действующей модели ЭОУ из подручных материалов.
5. Расчёт эффективности работы оригинальной ЭОУ.
Используемое оборудование:
1. Доска ДСП;
2. Стеклянная банка ёмкостью 70 мл;
3. Стеклянная трубка;
4. Силиконовые соединительные трубки;
5. Оргстекло;
6. Электронасос;
7. Генератор;
8. Соединительные тройники;
9. Сливной кран;
10.Пластины из нержавеющей стали;
11.Металлические прутья;
12.Электронный датчик температуры.
6
Теоретическая и практическая значимость:
1. Предложен
способ
определения
удельного
сопротивления
теплоносителя для более эффективной работы ЭОУ;
2. Изготовлена наглядная действующая модель отопительной системы,
которая может применяться учителем на уроках химии и физики при
изучении физических и химических свойств жидкости и конвекции в
жидкостях.
7
Глава 1. Устройство, принцип действия и назначение ЭОУ
Процесс нагрева в водонагревателе электродного типа происходит
посредством протекания электрического тока через теплоноситель, за счет
сопротивления которого и происходит нагрев. При этом явление
электролиза (разложение воды на кислород и водород при пропускании
через неё постоянного электрического тока) не наблюдается, так как катод
и анод постоянно меняются местами с частотой тока в электрической сети
(50 Гц). Значит, нагревание происходит из-за колебательных движений
заряженных частиц, и на выходе в считанные секунды теплоноситель
нагревается до 95ºС! Переменный ток не даёт оседать частицам на одном
электроде, поэтому они всё время совершают колебательные, и при их
взаимодействии происходит нагрев теплоносителя, при этом сам электрод,
изготовленный из специального сплава, не нагревается и не окисляется.
Поэтому гарантия данного устройства более 10 лет! Вторым электродом
служит сам цилиндрический корпус водонагревателя, поэтому при
использовании его в бытовых условиях необходимо индивидуальное
заземление. Таким образом, данная установка способна качественно
отапливать помещение на протяжении длительного промежутка времени
практически без ремонта и замены
оборудования.
Для исследования работы ЭОУ мы
изготовили
действующую
модель
данной установки в упрощённом виде
с двумя изолированными электродами
(рис.2). Котёл, расширительный бак,
Рис. 2
теплообменники (батарея), кран для
слива жидкости из системы выполнены из непроводящего электрический
ток оргстекла. Генератор, преобразует ток напряжением 220B в 12B.
Электронасос необходим для постоянной и интенсивной циркуляции
теплоносителя по системе отопления. Регулятор напряжения служит для
8
регулирования силы тока на электродах. Модель готова к работе!
Но,
заливая в систему модели обычную водопроводную воду, мы увидели, что
вода закипает очень быстро, что нежелательно для отопительной системы.
Можно сделать вывод, что сила тока слишком велика, а это указывает на
не
эффективный
расход
электроэнергии
и
излишнее
испарение
теплоносителя.
Глава 2. Исследование электропроводности теплоносителя
В инструкции к электроустановке
рекомендуемая сила тока - 25 Ампер.
Что бы достичь этого значения, мы
изучили
электропроводность
образцов воды.
Рис. 3
Для этого мы взяли
воду из различных источников:

Малиновое озеро (с. Михайловское Алтайского края, рис.3);

Озеро Солёное (с. Новоегорьевское Алтайского края);

Из скважины (глубина 14 м);

Дождевая вода;

Из колодца (глубина 6 м);

Водопроводная (из крана);

Вода питьевая (из кулера);

Дистиллированная вода (куплена в автомагазине).
Для
исследования
жидкостей
мы
разных
электропроводности
использовали
школьное
оборудование: Лаборатория «L-микро» с
компьютерной
которая
измерительной
предназначена
для
системой,
сбора
и
отображения информации, получаемой с
Рис. 4
9
помощью датчиков (рис.4). Измерения мы проводили при помощи датчика
электропроводимости,
предназначенного
для
измерения
удельной
элкетропроводности жидких сред. Датчик включает в себя тефлоновый
щуп с двумя плоскопараллельными электродами. При включении датчика
на электроды подаётся высококачественное напряжение. Измеряется
падение напряжения
между электродами,
зависящее
от удельной
электропроводности раствора. Датчик электропроводности подключается к
компьютеру, полученные данные выводятся на экран в мСм/см.
1 Сименс (См) – это величина, обратная 1 Ому, т. е. величина
электропроводность
G
-
это
величина,
обратная
электрическому
сопротивлению R. Полученные результаты мы занесли в таблицу (табл.1).
Таблица 1. Электропроводность воды из различных источников
оз.
оз.
из
из
Малиновое Солёное скважины колодца
9,995
6.325
мСм/см
В
2,060
1,080
из крана
0,750
дождевая питьевая дистиллиро
вода
из кулера
ванная
0,190
0,186
0,112
мСм/см мСм/см мСм/см мСм/см мСм/см мСм/см
результате
опытов
у
нас
получилось,
что
самая
мСм/см
высокая
электропроводность у образца воды из Малинового озера, и почти не
проводит электрический ток дистиллированная вода.
Но почему вода из солёного озера проводит ток лучше? Вернёмся к
причине возникновения электрического тока в жидкостях. В веществах
имеется два типа носителей зарядов: электроны или ионы. Движение этих
зарядов и создает электрический ток. Для жидкостей характерна ионная
проводимость. Ионы при растворении вещества появляются из-за того, что
ещё до растворения у многих молекул одна часть обладает избыточным
числом электронов, а в другой части их не хватает. Такая молекула,
бывшая до растворения электрически нейтральной, при растворении
диссоциирует (распадается) на два иона, заряженные равными по модулю,
но противоположными по знаку зарядами. Способствуют этому процессу,
10
названному электролитической
диссоциацией,
полярные
молекулы
растворителя (например, воды), разрывающие на части (ионы) молекулы
растворённого вещества.
Положительные и отрицательные ионы в электролите способны
перемещаться независимо друг от друга, участвуя в тепловом движении
(рис.5, а). Однако при таком беспорядочном движении ионов ток через
Рис. 5
электролит остаётся равным нулю. Для пропускания тока через электролит
в него погружают проводники (рис.5, б), которые называют электродами,
создавая с их помощью в электролите электрическое поле. При этом
положительный электрод называют анодом, а отрицательный – катодом.
Когда между электродами возникает разность потенциалов, движение
ионов становится упорядоченным: отрицательные ионы движутся к аноду,
а положительные – к катоду.
В отличие от электронной, ионная проводимость сопровождается,
переносом вещества (ионов). Соприкасаясь с катодом, положительные
ионы
получают
от
него
недостающие
электроны
и
становятся
электрически нейтральными. При соприкосновении отрицательных ионов
с анодом они теряют лишние электроны и тоже становятся нейтральными
атомами или молекулами. Таким образом, ток, проходя через электролит,
приводит к выделению на электродах веществ, входящих в состав
11
электролита. Это явление и сопровождающий его процесс разложения
электролита
при
пропускании
электрического
тока
называют электролизом. В нашем же случае источник тока переменный, и
явление электролиза не наблюдается, так как катод и анод постоянно
меняются местами с частотой тока в электрической сети (50 Гц).
Дистиллированная вода практически не проводит ток из-за малого
количества ионов. Но если добавить в
воду
растворимую
соль,
которая
диссоциируется на ионы, или более
электропроводящую жидкость, то чем
больше ионов солей и металлов будет в
растворе,
тем
проводимость,
будет
что
его
выше
наглядно
можно
Рис. 6
наблюдать на графике, построенном при
помощи Лаборатории «L-микро» (рис.6).
Как правило, в установках электродного нагрева вода используется из
естественных источников. Пригодность воды для того или иного
технологического
процесса
определяется
её
физико-химическими
показателями. В нашем случае важнейшими показателями качества
теплоносителя являются солесодержание и её удельное электрическое
сопротивление. Солесодержание, т.е. суммарная концентрация
всех
содержащихся в 1 кг воды катионов и анионов, колеблется от 50 мг/кг до
нескольких граммов на килограмм. Режим работы электродных аппаратов
в основном зависит от удельного электрического сопротивления воды,
которое в любой момент времени определяет ток и мощность аппарата.
Для разных времен года и географических зон удельное электрическое
сопротивление воды различно и колеблется от 5 до 300 Ом·м. В
специальных лабораториях данное сопротивление
определяют при
температуре воды 293 К, используя кондуктометр (ММ 34-04). На
практике применяют более простые, хотя и менее точные, установки.
12
В инструкции написано, что удельное сопротивление должно быть
примерно 1000 Ом·см, не более. Выразив единицы измерения удельного
сопротивления в единицы электропровдности , мы пришли к выводу, что
ни один из исследуемых образцов не подходит для использования.
Удельное сопротивление либо выше, либо ниже положенного. Поэтому
нам придётся использовать смесь двух различных образцов, наиболее
подходящей концентрации. В качестве теплоносителя в отопительной
системе с электродным котлом вполне сгодятся дождевая вода, питьевая
водопроводная вода, талый снег. Следующие среды как морская вода,
автомобильный тосол, вода из скважин не рекомендуется использовать как
теплоноситель.
Для
изменения
уровня
удельного
электрического
сопротивления теплоносителя есть в наличии специальные добавки к
теплоносителю.
При
использовании
в
системе
отопления
дистиллированной воды в неё требуется добавить не йодированную
поваренную соль, дабы нейтрализовать её диэлектрические свойства. Но в
любом случае перед применением жидкости в качестве теплоносителя не
помешает узнать её удельное эл. сопротивление. В качестве компонентов
необходимой смеси мы выбрали самые доступные и абсолютно
бесплатные образцы: вода из скважины и дождевая вода, так как
изначально ЭОУ нами рассматривалась для применения в домах частного
сектора.
При помощи несложных математических расчётов приходим к выводу,
что удельное сопротивление образца воды из скважины в два раза меньше,
чем требуется в инструкции (1000 Ом·см). Поэтому предполагаем, что,
разбавив данный образец ровно на половину с непроводящей дождевой
водой, мы получим требуемый результат. Смешиваем воду из скважины с
дождевой в пропорции 50×50 и производим контрольный замер
электропроводности.
Получилось
почти
1000
Ом·см.
Данный
теплоноситель мы и залили в нашу модель. Включили водонагреватель,
система работает нормально в течение длительного промежутка времени.
13
Глава 3. Исследование зависимости электрического
сопротивления жидкости от температуры
Но мы заметили, что при повышении
температуры сила тока повышается, а
значит, сопротивление уменьшается. Это
можно доказать при помощи физического
эксперимента (рис.7). Было замечено, что
по мере нагревания теплоносителя при
помощи электрической плитки сила тока
увеличивалась,
уменьшение
проведения
что
указывает
сопротивления.
этого
на
Для
эксперимента
мы
использовали традиционную установку
из физической лаборатории, состоящей
Рис. 7
из
вольтметра,
электрической
лампы
источника
тока,
и
с
стакана
амперметра,
двумя
медными
электродами. Сначала мы исследовали дождевую воду и водопроводную,
но лампочка у нас не загорелась, т. к не хватало силы тока, потому что
удельное сопротивление воды велико, а электропроводность, наоборот,
слабая. Поэтому в следующем эксперименте мы залили самую солёную
воду из Малинового озера и сразу увидели, что лампа загорелась, сила тока
увеличилась на 0,02мА. Затем мы решили нагреть нашу воду, для этого
стакан с электродами поставили на электрическую плитку, и заметили рост
силы тока, а, следовательно, удельное сопротивление уменьшается.
Удельное сопротивление уменьшается за счёт увеличения скорости
движения заряженных частиц. Поэтому сам теплоноситель необходимо
создавать с небольшим запасом для небольшого роста силы тока. В
электрических электродных котлах мощность находится в прямой
зависимости от температуры теплоносителя, потому что при изменении
14
параметра
температуры
меняется
и
удельное
эл.
сопротивление
теплоносителя. В связи с этим электродные котлы надо осмотрительно
использовать с тёплыми полами, поскольку невысокая температура
теплоносителя может не позволить выйти электродному котлу на
паспортные параметры мощности.
Глава 4. Расчёт экономичности использования ЭОУ в
бытовых условиях
Исследуемые электрические котлы электродного типа с помощью
автоматики
можно
приспособить
для
любых
мощностей.
При
нагреве теплоносителя уменьшается его сопротивление и увеличивается
электрическая проводимость, в результате которой соответствующе
постепенно увеличивается потребление мощности в противоположность
ТЭНовому котлу, где номинальная мощность расходуется сразу, при
этом - при включении происходит всплеск мощности. Электродный котел
нагревается
Затрачиваемая
постепенно,
мощность
превращая
электроэнергию
зависит
качества
от
в
тепло.
теплоносителя
и
температуры, установленной пользователем. Подогрев теплоносителя
начинается сразу с подачей электричества и в стояке за 1 минуту
температура достигает 95ºС. ТЭНовые котлы доводят температуру в стояке
от 50 до 70ºС за 10 - 15 минут с максимальным постоянным потреблением
тока, которое на 50% превышает стартовую мощность электродного котла.
15
Мы рассчитали на приме жилого частного дома площадью 100 кв.м. и
объемом отопительной системы 200 л.
потребление электрической
энергии при использовании установки ЭОУ и сравнили с затратами на
естественное топливо (уголь, дрова). Для этого мы использовали
табличные данные, размещённые в паспорте данной установки (табл.2).
Таблица 2. Электротехнические характеристики ЭОУ
Средний расход энергии для пятикиловатного однофазного устройства
возьмём 3 кВт/ч, средняя продолжительность работы в сутки – 8 часов,
умножаем всё это на 30 суток, умножим на 7-8 месяцев непрерывной
эксплуатации и на 2 рубля за 1 кВт/ч:
3×8×30×8×2=11 520 рублей.
Для обогрева жилого дома такой же площади углём и дровами требуется
как минимум 3 т угля и 6 кубометров дров:
3 т угля×3 000 руб. + 6 кубометров дров×1 500 руб.= 18 000 рублей!
А если учесть ещё и физический труд при работе с естественным
топливом? А загрязнение окружающей среды? Эффективность очевидна!
Некоторые
дома
отапливаются
обычными
ТЭНовыми
водонагревателями. Ниже приводится таблица сравнения потребления
электроэнергии таких устройств с ЭОУ (табл.3):
16
Таблица 3. Сравнение электродных (ионных) и ТЭНовых котлов отопления
Электродные
ТЭНовые
Мощность
Площадь Потребление
котла
обогрева
кВ/час
3 кВ 1фазный
0,37 - 1,0
60 м2
5 кВ 1фазный 100 м2
0,9 - 1,6
Мощность
котла
3 кВ 1фазный
Площадь
обогрева
30 м2
Потребление
кВ/час
1,5 - 1,8
5 кВ 1фазный
50 м2
2,0 - 2,5
9 кВ 3фазный
24 кВ
3фазный
9 кВ 3фазный
24 кВ 3фазный
90 м2
240 м2
3,6 - 4,2
9,5 - 11,0
180 м2
480 м2
1,8 - 3,0
4,5 - 8, 0
Здесь тоже очевидна экономия электрической энергии в два раза, да и
долговечность
работы
электрических
ТЭНов
намного
уступает
электродным устройствам – официальная гарантия на ЭОУ 10 лет, а срок
службы по техническому паспорту 30 лет!
Электродные котлы в
сравнении с ТЭНовыми имеют следующие преимущества:
 намного дешевле (средняя цена на ЭОУ 3000-4 000 рублей, зависит
от мощности);
 более долговечны;
 меньшие габаритные размеры;
 ниже эксплуатационные расходы;
 более высокий коэффициент полезного действия (достигает 98%);
 не требуется согласование с "Кузбассэнерго", котлы соответствуют
требованиям бытовой техники
17
Заключение
Таким образом, работая над данной исследовательской работой, мы
можем выделить следующие особенности электродных котлов:
 За счет простоты конструкции и принципа нагрева тепловые
потери в котле сведены к минимуму, благодаря чему КПД
электродных котлов близки к 100 (96-98%)
 Так как теплоноситель является элементом электрической цепи,
то в электродных котлах отсутствует проблема «сухого хода»,
или, другими словами, если из системы отопления по какой-либо
причине вытекает теплоноситель, то электродный котел просто
перестает
работать
из-за
размыкания
цепи,
тем
самым
предотвращая аварийную ситуацию.
 Энергопотребление электродных котлов напрямую зависит от
температуры теплоносителя - чем ниже температура воды в
системе, тем ниже энергопотребление. На номинальный режим
энергопотребления котел выходит при условии, что температура
воды в системе равна 75 градусам.
 Рабочая температура электродного котла не должна превышать 75
градусов - при увеличении температуры увеличивается мощность
котла, и, как следствие, нагрузка на электросеть.
 Электродные котлы менее инертны, что позволяет быстрее
разгонять систему до заданной температуры и эффективнее
применять управляющую автоматику.
 Электродные котлы не чувствительны к перепадам напряжения. С
изменением напряжения изменяется лишь мощность котла, а в
целом он продолжает работать.
 Малые габариты и низкая стоимость.
 Электродные котлы требовательны к качеству теплоносителя.
18
 При установке электродного котла необходимо наличие хорошего
заземления - из-за значительных токов утечки подключение котла
после УЗО (устройства защитного отключения) невозможно.
ЭОУ на сегодняшний день самый экономичный вид отопления среди
электрических котлов и ТЭНовых обогревателей! Благодаря этой
исследовательской работе у нас не
осталось
сомнения
водонагревателя
в
для
выборе
своего
загородного дома (рис.8)! А созданная
нами
действующая
отопительной
системы
модель
с
успехом
может быть использована учителями
физики и химии на уроках для
Рис. 8
демонстрации электрических свойств
жидкости и конвекции!
В дальнейшем представляет интерес выяснить на опыте возможность и
рентабельность использования в качестве теплоносителя жидкостей разной
вязкости.
19
Список литературы
1. Андрюшечкин С. М. Физика: учебниик для 7 кл. ср.шк. /С. М.
Андрюшечкин/ Омск: Изд. СибАДИ, 2010 – 246 с.
2. Буховцев Б. Б. и др. Физика: учебник для 10 кл. ср. шк. / Б. Б. Буховцев,
Ю.Л. Климонтович, Г.Я. Мякишев - 4е изд.- М.: Просвещение, 1988 –
271 с.
3. Кошкин Н. И., Ширкевич М. Г. Справочник по элементарной физике, 10-е изд., испр. и доп. / Н. И. Кошкин, М. Г. Ширкевич / М.: Наука. Гл.
ред. физ.-мат. лит.,1988. – 256 с.
4. Тарасов А. В. Физика в природе: книга для учащихся, А.В. Тарасов – М.:
Просвещение, 1988. – 351 с.
5. Электронный ресурс: Точка доступа:. wikipedia.ru.
6. Электронный ресурс: http://termolife.com/.
20
Приложения
Приложение 1
Исследование электрического сопротивления некоторых жидкостей:
Приложение 2
Исследование электропроводности некоторых жидкостей при помощи
Лаборатории «L-микро»:
21
Приложение 3
Практическое использование ЭОУ
Основные устройства модели ЭОУ
22