Joule topení, také známé jako ohmické vytápění, se používá k přímému ohřevu vody elektrickým proudem.
Joule topení je někdy také označováno jako ohmické vytápění nebo elektrické odporové vytápění. Jedná se o způsob ohřevu vody naplněné elektrolytem přímým vystavením elektrickému proudu.
v tomto článku budeme diskutovat o významu této metody ohřevu vody a o tom, jak je dosaženo.
Stručná historie Zařízení pro ohřev vody
nutnost teplé vody a její obecná dostupnost je často považována za samozřejmost, zvláště když člověk přestane přemýšlet o technologii vytápění a její historii. Teplá voda z kohoutku je jedním z příkladů a byla luxusem nedostupným pro širokou veřejnost až do konce 19. století.
nejčasnější provedení zahrnovaly jednoduché kotle s otevřeným ohněm a tlakové parní kotle. Mimo domov tato zařízení také splňovala požadavky na řadu průmyslových aplikací, vědeckých procesů a odvětví služeb. Jak se zlepšovaly materiálové technologie a miniaturizace elektroniky se stala samozřejmostí, na trh se dostaly další teplovodní spotřebiče. Na mysl přicházejí stroje na horké nápoje, myčky nádobí, pračky na prádlo a systémy podlahového vytápění.
dnes se horká voda stala zcela komoditizovanou a všudypřítomnou v našem každodenním životě. Je úžasné, že základní technologie pro její generování se vyvinula velmi málo.
teplo pomocí odporových topných těles
zdroj energie pro ohřev vody lze rozdělit do dvou kategorií: elektřina a fosilní paliva. Kategorie fosilních paliv se spoléhá na hořák a výměník tepla, které nepřímo přenášejí teplo ze spalování do vody. V elektrické kategorii je voda také nepřímo ohřívána chlazením odporového zařízení, které odvádí energii ve formě tepla.
tyto „odporové topné články“jsou obvykle vyrobeny ze speciální slitiny drátu (nichrom) zabalené v trubce z nerezové oceli a naplněné práškem oxidu hořečnatého. Odpor drátu, obvykle hrst ohmů, způsobuje, že se extrémně zahřeje, když jím prochází proud. Tento drát je elektricky izolován práškem oxidu hořečnatého a teplo se přenáší práškem do nejvzdálenějšího pláště kovu, který je ve styku s vodou, která má být ohřátá.
výpočet zvýšení teploty vody
specifické teplo vody je fyzikální konstanta, která diktuje, že 4,186 joulů energie je zapotřebí k ohřevu jednoho kubického centimetru vody o jeden stupeň Celsia. Znát odpor topného tělesa, lze vypočítat rozptýlený výkon a vypočítat, kolik času bude trvat na zahřátí určitého objemu vody.
v tekoucí vodě je časová složka vystavení vody teplu určena průtokem. V odvození níže, konečná rovnice vám řekne nárůst teploty tekoucí vody pro danou topnou energii, která se na ni aplikuje.
ve výše uvedené diskusi o ohřevu vody je mechanismus ohřevu vody v zásadě stejný.
zdroj tepla, buď elektrický topný článek nebo plynový hořák, se extrémně zahřívá vzhledem k konečné požadované teplotě vody a tato tepelná energie se přenáší do vody.
je zajímavé, že existuje další paradigma topné vody a funguje úplně jiným způsobem.
Joule Heating / Ohmic Heating (AKA když voda je odporová složka)
Joule heating, často označovaný jako Ohmic heating, ohřívá vodu pomocí elektřiny průchodem elektrického proudu přímo vodou. Nepoužívají se žádné topné články a ve skutečnosti by ekvivalentní elektrický obvod zobrazoval samotnou vodu jako odporovou složku.
čistá voda je hrozný elektrický vodič. Naštěstí, veškerá voda, se kterou denně interagujeme, má v sobě rozpuštěné soli, což z něj činí elektrolyt.
tyto rozpuštěné soli mají formu iontů ve vodě a umožňují vodě podporovat vedení elektrického proudu. Je velmi důležité si uvědomit, že tento elektrický proud není jako typické vedení elektronů kovovým drátem. Je založen na transportu iontů a je pozoruhodně složitým chemickým procesem.
kritické parametry, které určují množství vedení a následně účinný elektrický odpor vody, jsou vodivost elektrolytu a množství elektrolytu vystaveného elektrickému potenciálu.
aby byl problém jednoduchý, předpokládejme, že napěťový potenciál je aplikován na vodu pomocí dvou elektrod ve tvaru plochých desek. Účinným odporem roztoku je tedy vzdálenost mezi dvěma deskami dělená povrchovou plochou desek a dále dělená vodivostí elektrolytu.
příklad výpočtu Jouleova ohřevu
jako rychlý příklad začněte dvěma elektrodovými deskami, každá 5 cm x 5 cm, které jsou od sebe vzdáleny 10 mm a ponořené do typické pitné vody s vodivostí 400 uS / cm. Efektivní odpor tohoto obvodu je 100 ohmů. Pokud by se na dvě elektrody aplikovalo 240 VAC, výsledný proud by byl 2,4 a. výkon rozptýlený do vody vyjde na 576 W a vše se přemění na teplo.
je důležité zdůraznit, že vodivost elektrolytu se může značně lišit. Typická pitná voda se může pohybovat od asi 50 uS / cm do 2000 uS / cm. Na horním konci by výše uvedený příklad využíval více než 2, 5 kW výkonu.
jakmile se určí výkon rozptýlený v obvodu, výsledná změna teploty může být snadno znovu stanovena pomocí měrného tepla vody. V našem příkladu výše předpokládejme, že obě elektrody byly ponořeny do 1 litru vody. Po přivedení napětí bude voda nepřetržitě rozptylována 576 watty. Za 60 sekund by to činilo 34,5 kJ. Vzhledem k tomu, že existuje 1000 cc vody, jednoduše vydělte 34.5 o 4.186, abyste zjistili, že teplota stoupne asi o 8 stupňů Celsia.
stojí za zmínku, že voda vykazuje účinek druhého řádu, kde se vodivost skutečně mění s teplotou. Pro každý stupeň Celsia zvýšení teploty se vodivost zvyšuje přibližně o 2%. Takže jak ohříváme vodu, proud se skutečně zvýší a voda se bude ohřívat ještě více, než se očekávalo.
AC potenciál vs. DC potenciál
je důležité si uvědomit, že v příkladu byl na elektrolyt aplikován AC potenciál. Toto je kritický detail při použití této metody k výrobě tepla ve vodě. Pokud byl místo toho použit DC, dochází k úplně jinému procesu zvanému elektrolýza. Na rozhraní elektrod budou generovány různé plyny včetně vodíku a kyslíku a samotné elektrody se mohou stát součástí reakce škodlivým způsobem.
závěr
jak je vidět, ohmické zahřívání je netriviální a představuje některé zajímavé výzvy z hlediska řízení. Z tohoto důvodu byla historicky zařazena do průmyslových a komerčních aplikací, jako je hromadné zahřívání potravin pro pasterizaci. Řízené prostředí, známý elektrolyt, a neustálé monitorování přispívá k vysoce účinnému a předvídatelnému procesu.
ohmická technologie vytápění však zraje. Nové techniky pro dynamické přizpůsobení se širokým vodivostem spolu s některými chytrými řídicími algoritmy výrazně zvýšily jeho robustnost. Jako takový začíná hledat uplatnění ve spotřebních výrobcích, jako jsou domácí ohřívače vody a čajové konvice. V blízké budoucnosti může velmi dobře nahradit odporové topné články dohromady.
