4.3 Электрообогрев

Способ организации безгаражного хранения с электрообогревом достаточно эффективен и позволяет осуществлять регулирование количества подаваемого к автомобилям тепла в широких пределах. Электрообогрев автомобилей распространен не только в нашей стране, но и в северных зарубежных странах. В Финляндии каждая вторая из новых машин оборудуется устройством для электрообогрева.

При групповом обогреве автомобилей электрическую энергию от трансформаторной подстанции используют для нагрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения или масла в двигателе.

Для преобразования электрической энергии в тепловую применяются нагревательные элементы, которые можно разделить на две группы: с твердым проводником и жидкостные.

В качестве твердых проводников используют сплавы нихром, фехраль, кантал, хромаль. Лучшим из них является нихром, имеющий при высокой температуре достаточно большое удельное сопротивление, мало зависящее от изменения температуры, и малый температурный коэффициент линейного расширения. В табл.4.6 приводятся характеристики некоторых твердых проводников, используемых в нагревательных устройствах.

Применяются электронагревательные элементы из твердых проводников с открытой или закрытой спиралью. У закрытого нагревательного элемента проволочная спираль помещена в тонкостенную трубку, заполненную изолирующим материалом (порошок окиси магния — периклаз или очищенный сухой кварцевый песок). Такие нагревательные элементы могут быть использованы для нагрева воды (антифриза) и масла. При нагреве воды (антифриза) трубка с нагревательным элементом устанавливается в нижней части системы охлаждения. В результате нагрева жидкости в системе охлаждения возникает термосифонная циркуляция и тепло распределяется по массе двигателя.

Таблица 4.6

Характеристики твердых проводников

Материал	Состав, %	Допустимая температура элемента, не выше, °С	Удельное сопротивле­ние, Ом /мм2, 'при 20° С	Электриче­ский темпе­ратурный коэффици­ент, Ом / °С	Коэффици­ент линейно­го расшире­ния	Предельная рабочая температу­ра, °C	Температу­ра плавле­ния, °С
Константан	Cr — 50 Ni — 40	400—500	0,48	0,0005	14	500	1275
Нихром	Cr — 15 —18 Ni — 60 — 65 Fe — 18 — 20	950	1,1-1,13	0,00017	13-14	1050	1380—1410
Нихром	Cr — 15—16 Ni — 60 — 62 Fe — 11 —15 Mo — 6 — 8	950	1,16	0,0001	13	1050	1365
Фехраль	Сг— 13—14,5 А1 — 3,5—4,5 Fe — осталь­ное С— <2	700	1,25-1,35	0,0001	—	850	1450
Хромаль ( ЭИ-87)	Cr — 28—31 Al — 3 — 4,5 Fе — остальное С<2	1100	1,4-1,5	0,00005	—	1200	1500

Среди электронагревателей с твердым проводником хорошо зарекомендовали себя цилиндрические электронагреватели, у которых спираль монтируется внутри патрубка системы охлаждения (рис. 4.22). Характеристики некоторых цилиндрических электронагревателей приведены в табл. 4.7.

Таблица 4.7.

Характеристики цилиндрических электронагревателей

Марка автомобиля	Мощность электрона­гревателя, кВт	Длина, мм	Диаметр проволоки, мм	Длина проволоки, мм	Удельная мощность, Вт/см2	Сопротивле­ние, Ом	Сила тока, А	Напряжение, В
МАЗ-500	2,5	150	0,63	5,30	10	19,3	11,36	220
ЗИЛ-130	2,0	120	0,50	4,18	10	24,5	9,5	220
ГАЗ-53	1,7	120	0,50	4,86	10	29,5	7,75	220
ГАЗ-51	1,2	100	0,40	4,47	10	40,0	5,45	220
ГАЗ-24	1,0	80	0,40	5,48	10	49,0	4,50	220

Возможны и другие способы использования электронагревателей для нагрева охлаждающей жидкости. На рис. 4.23, а показан нагреватель с твердым проводником, установленный внутри шланга нижнего патрубка системы охлаждения, а на рис. 4.23, б изображен способ нагрева охлаждающей жидкости путем установки нагревателя в рубашке блока двигателя взамен заглушки блока. По данным испытаний, проведенных в НИИАТ, такой способ использования подогревателя с твердым проводником для подогрева охлаждающей жидкости недостаточно эффективен.

Рис. 4.22. Электронагревательные элементы с твердым проводником:

а — трубчатый; б — цилиндрический (ЦЭН); в — установка трубчатого элемента на соединительный патрубок системы охлаждения; 1 — штуцер выходной; 2 — стержень контактный; 3 — изолятор из эпоксидной смолы; 4 — патрубок резиновый; 5 — внутренний цилиндр; 6 — наружный цилиндр; 7 — проволочный твердый проводник

Рис. 4.23. Установка электроподогревателя с твердым проводником:

а — внутри шланга системы охлаждения; б — в рубашке блока

Рекомендуемая и предельно допустимая удельная нагрузки, на активную поверхность элемента приведены в табл. 4.8.

Таблица 4.8.

Рекомендуемая и предельно допустимая удельная нагрузки, на активную поверхность элемента

Характер работы электронагревателя	Наполнитель (изолятор)	Рекомендуемая удельная нагрузка, Вт/см2	Предельно допустимая нагрузка, Вт/см2.
Нагрев воды	Кварцевый песок Периклаз	6,0 8,0	10,0 15,0
» масла	Кварцевый песок или периклаз	2,5	3,0
» в движущемся потоке воздуха при скорости воздуха 6 м/с и выше (электрокалориферы)	Кварцевый песок Периклаз	3,0 4,0	5,0 6,0

Закрытый нагревательный элемент для масла на твердых проводниках показан на рис. 4.24, а. В нем трубку с нагревательным элементом изгибают так, чтобы ее можно было разместить непосредственно в картере двигателя.

На автотранспортных предприятиях Западно-Сибирского территориального транспортного управления разработан электронагревательный элемент с оребрением (рис. 4.24,б), который имеет большую поверхность теплоотдачи, что обеспечивает ускоренный разогрев масла в картере двигателя.

Рис. 4.24. Электронагреватели с твердым проводником для нагрева масла в картере двигателя:

а — трубчатый; б — стержневой; 1 — гайка; 2 — стержень; 3 — нихромовая спираль; 4 — корпус

Примером электронагревательного элемента с твердым проводником могут служить разработанные в СКБ «Транснефтеавтоматика» и изготавливаемые заводом «Сокол» гибкие ленты (рис. 4.25). Основу такой ленты составляет ткань из теплостойких стеклонитей, в которую заложены нихромовые жилы. Поверх стеклопроволочной ленты надета герметическая оболочка из кремне-органической резины. В зависимости от схем соединения нагревательных жил и подключения их к токонесущим проводам получают нагреватели различной удельной мощности. Такие ленты могут быть применены не только для обогрева автомобильных двигателей, но и для задних мостов, аккумуляторов и т. д.

Рис: 4.25. Электронагревательный элемент — гибкая лента:

1 — стеклопроволочная фиксирующая основа; 2 — нагревательные жилы (нихром); 3 — герметизирующая оболочка; 4 — перемычка; 5 — токоведущий провод

Роль проводника в жидкостных нагревательных элемент играет вода или антифриз. Чистая вода — диэлектрик. Однако практически в составе воды всегда имеется значительное коли­чество солей. Вода с такими примесями является электролитом и проводит электричество. В этом случае нагревательный элемент представляет собой две концентрично расположенные изолированные трубки (рис. 4.26,а), в зазор между которыми поступает вода. Подогреваемые автомобили заземляют, трубки соединяют с электрической сетью. При прохождении электрического тока через жидкость выделяется тепло, жидкость нагревается и в системе начинается циркуляция.

Рис. 4.26. Жидкостные трубчатые электроподогреватели:

а — без регулирования: 1 — клеммы; 2 — наружный электрод; 3 — внутренний электрод; 4 — шланг: 5 — изоляционная втулка; б — с автоматическим регулированием: 1 — резиновый патрубок; 2, 8 — клеммы; 3 — распорное кольцо-изолятор; 4 — калиброванное отверстие: 5 — наружный электрод; 6 — внутренний электрод; 7 — изолирующая втулка

Ю. И. Спиридоновым и Д. В. Конрадом в Западно-Сибирском территориальном управлении предложен жидкостный электронагреватель (рис. 4.26, б), позволяющий автоматически поддерживать температуру жидкости в системе охлаждения двигателя в заданных пределах без отключения от электрической сети (применявшиеся ранее электроподогреватели при регулировании режима отключались от сети). Устройство подогревателя ясно из рисунка. Он устанавливается вертикально на резиновых патрубках между нижним бачком радиатора и водяным насосом системы охлаждения двигателя. При подключении подогревателя к источнику энергии охлаждающая жидкость в пространстве между трубками нагревается и закипает. Образовавшийся пар собирается в верхней части межэлементного пространства, вытесняет нагретую жидкость через нижнюю ее полость и одновременно выходит через калиброванное отверстие (диаметром 6 мм) внутреннего электрода, в результате чего межэлементное пространство снова заполняется охлаждающей жидкостью.

После вытеснения жидкости давление в межэлектродном пространстве снижается к нагретая жидкость вновь частично заполняет это пространство. Высота заполнения зависит от температуры жидкости и интенсивности парообразования. По мере стабилизации температуры жидкости (80—90° С) в пространство между электродами поступает горячая жидкость. При небольших затратах энергии начинается интенсивное парообразование, В результате большая часть межэлектродного пространства заполняется паром, что соответствует меньшей мощности нагревателя. Если температура жидкости снижается, она вытесняет пар и заполняет пространство. Это соответствует работе нагревателя на полной мощности. Таким образом, мощность нагрева зависит от температуры жидкости. Ее изменение влияет и на площадь контакта жидкости с электродами.

Электроподогревательные элементы могут применяться как для подогрева, так и для разогрева двигателей. Однако, если мощность, потребляемая закрытым элементом для подогрева двигателя грузового автомобиля без отключения радиатора в процессе подогрева составляет около 3 кВт, то для его предпускового разогрева необходима мощность 5—6 кВт. Применение нагревателей меньшей мощности приводит к значительному увеличению времени и расхода энергии.

Схема включения злектроподогревателей в сеть при электрообогреве показана на рис. 4.27. При использовании способа электрообогрева необходимо выполнение норм и правил электробезопасности.

Рис. 4.27. Схема включения автомобиля для электроподогрева (Финляндия):

а — настенная розетка; б — розетка на стойке; 1 — электропечь обогрева салона; 2, 4 разъемные соединения; 3 — подогреватель двигателя

Лучшим решением было бы применение «безопасного напряжения», т. е. напряжения не выше 36 В. Однако такое решение потребовало бы громоздких и дорогих проводов (при заданной мощности сила тока в этом случае была бы велика). При применении для автомобильных двигателей напряжения выше 36 В должны применяться нагреватели промышленного изготовления, отвечающие ряду специфических требований.

Безопасное напряжение можно получить с помощью понижающих трансформаторов, у которых токонесущие части защищены от прикосновения. Корпус трансформатора должен был обязательно заземлен, а электрическое сопротивление не более 4 Ом, чтобы параллельное присоединение человека даже при минимальном сопротивлении его тела не привело к прохождению через него тока, опасного для жизни. Для питания системы электрообогрева используют шланговый гибкий провод с заземлением. Штепсельные розетки и вилки должны иметь специальную конструкцию, а заземляющий штырь розетки быть длиннее других (сначала отключается напряжение, затем заземление). Выполнение этих требований позволит использовать более высокое напряжение.

Следует также отметить, что чехлы или коробки штепсельных разъемов должны быть после выключения розетки всегда закрыты.

Присоединение установок электрообогрева автомобилей к электроисточникам проводится по письменному разрешению органов электронадзора в соответствии с «Правилами использования электроэнергии». Ввод установки электрообогрева в эксплуатацию оформляется приказом по АТП с одновременным назначением лиц, ответственных за их эксплуатацию.

Мощность электронагревательного элемента, необходимая для получения расчетной теплопроизводительности, определяется из выражения W = q_pacч.

При практических расчетах необходимо учесть тепловые потери, зависящие от температуры окружающего воздуха, скорости ветра, наличия утепления. Поэтому мощность нагревателя следует принимать (Вт):

W_наг=kW, (4.2.)

где k — коэффициент запаса; для нагревания жидкостей k = 1,3; для нагревания жидкостей k = 1,5.

При известном напряжении электрической сети U определяется сила тока (А)

(4.3.)

Сопротивление электронагревательного элемента в рабочем (нагретом) состоянии (Ом)

(4.4.)

В холодном состоянии (при 20° С) сопротивление элемент

(4.5.)

где t_хол и t_гор — соответственно температура нагревательного элемента в холодном и горячем состоянии, °С;

а — температурный коэффициент сопротивления, Ом/°С.

По полученным R_хол и i можно подобрать диаметр спирали и размеры элемента. Необходимая длина (м) проволоки спирали определяется по формуле

(4.6.)

где S – площадь сечения проволоки (при расчетах величиной S задаются);

Р_раб – удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре, Ом·мм2/м.

Для жидкостного электроподогревателя в этой формуле L расстояние между электродами, см; S — площадь электродов, см2; (раб — удельное сопротивление 1 см3 жидкости, Ом/см2.

По величине S определяют диаметр проволоки D мм.

Удельное сопротивление проволоки при рабочей температуре

Р_раб = р[1+(t-20)a], (4.7.)

где р — удельное сопротивление проволоки при 20°С, Ом·мм2/м; t — рабочая температура спирали, °С.

Активная длина трубчатого элемента (см)

(4.8.)

где D1 — наружный диаметр трубки, см; Nуд — рекомендуемая (допустимая) нагрузка на активную поверхность элемента, Вт/см2.