Joule opvarmning, også kendt som ohmisk opvarmning, bruges til direkte opvarmning af vand med elektrisk strøm.
Joule-opvarmning kaldes undertiden også ohmisk opvarmning eller elektrisk modstandsopvarmning. Det henviser til metoden til opvarmning af elektrolytfyldt vand ved at udsætte det direkte for elektrisk strøm.
i denne artikel vil vi diskutere betydningen af denne metode til vandopvarmning og hvordan den opnås.
en kort historie om Vandvarmeanordninger
nødvendigheden af varmt vand og dets generelle tilgængelighed er noget, der ofte tages for givet, især når man holder op med at tænke på opvarmningsteknologi og dens historie. Varmt vand fra hanen er et eksempel og var en luksus utilgængelig for offentligheden indtil slutningen af det 19.århundrede.
de tidligste udførelsesformer omfattede enkle åbne ildkedler og dampkedler under tryk. Uden for hjemmet opfyldte disse enheder også kravene til adskillige industrielle applikationer, videnskabelige processer og serviceindustrier. Efterhånden som materialeteknologierne blev forbedret, og miniaturiseringen af elektronik blev almindelig, kom yderligere varmtvandsapparater ind på markedet. Varm drik maskiner, opvaskemaskiner, tøj skiver og gulvvarmesystemer kommer til at tænke.
i dag er varmt vand blevet fuldstændigt commoditiseret og gennemgribende i vores hverdag. Utroligt nok har kerneteknologien til at generere den udviklet sig meget lidt.
varme via Resistive varmeelementer
energikilden til opvarmning af vand kan opdeles i to kategorier: elektricitet og fossile brændstoffer. Kategorien fossilt brændstof er afhængig af en brænder og en varmeveksler for indirekte at overføre varmen fra forbrænding til vandet. I den elektriske kategori opvarmes vand også indirekte ved afkøling af en resistiv enhed, der spreder strøm i form af varme.
disse “resistive varmeelementer” er typisk konstrueret af en speciel legering af tråd (nichrom) indpakket i et rustfrit stålrør og fyldt med magnesiumfilterpulver. Trådens modstand, normalt en håndfuld ohm, får den til at blive ekstremt varm, når en strøm passerer gennem den. Denne ledning er elektrisk isoleret af magnesiumfiltepulveret, og varmen overføres gennem pulveret til den yderste kappe af metal, som er i kontakt med det vand, der skal opvarmes.
beregning af temperaturstigningen af vand
den specifikke varme af vand er en fysisk konstant, der dikterer, at 4.186 Joule energi kræves for at opvarme en kubikcentimeter vand med en grad Celsius. Når man kender varmeelementets modstand, kan man beregne den spredte effekt og beregne, hvor lang tid det tager at opvarme et bestemt volumen vand.
i strømmende vand bestemmes tidskomponenten af vandets eksponering for varme af strømningshastigheden. I afledningen nedenfor vil den endelige ligning fortælle dig temperaturstigningen af strømmende vand for en given varmekraft, der påføres den.
i den førnævnte vandopvarmningsdiskussion er mekanismen til opvarmning af vand grundlæggende den samme.
en varmekilde, enten et elektrisk varmeelement eller en gasbrænder, bliver ekstremt varm i forhold til den endelige ønskede vandtemperatur, og denne varmeenergi overføres til vandet.
interessant nok eksisterer et andet paradigme for opvarmning af vand, og det virker på en helt anden måde.
Joule opvarmning/ohmisk opvarmning (AKA når vand er en resistiv komponent)
Joule opvarmning, ofte omtalt som ohmisk opvarmning, opvarmer vand ved hjælp af elektricitet ved at føre elektrisk strøm direkte gennem vandet. Ingen varmeelementer anvendes, og faktisk ville det tilsvarende elektriske kredsløb skildre selve vandet som den resistive komponent.
rent vand er en forfærdelig elektrisk leder. Heldigvis har alt det vand, vi interagerer med dagligt, opløst salte i det, hvilket gør det til en elektrolyt.
disse opløste salte har form af ioner i vandet og tillader vandet at understøtte ledningen af elektrisk strøm. Det er meget vigtigt at huske, at denne elektriske strøm ikke er som den typiske ledning af elektroner gennem en metaltråd. Det er baseret på transport af ioner og er en bemærkelsesværdig kompleks kemisk proces.
de kritiske parametre, der bestemmer mængden af ledning og igen den effektive elektriske modstand af vandet, er elektrolytens ledningsevne og mængden af elektrolyt udsat for det elektriske potentiale.
for at gøre problemet enkelt skal du antage, at spændingspotentialet påføres vandet ved hjælp af to elektroder i form af flade plader. Opløsningens effektive modstand er derfor afstanden mellem de to plader divideret med pladernes overfladeareal og yderligere divideret med elektrolytens ledningsevne.
et eksempel på beregning af Joule-opvarmning
som et hurtigt eksempel begynder du med to elektrodeplader, hver 5 cm med 5 cm, der er 10 mm fra hinanden og nedsænket i typisk drikkevand med en ledningsevne på 400 uS/cm. Den effektive modstand af dette kredsløb er 100 ohm. Hvis man skulle anvende 240 VAC på de to elektroder, ville den resulterende strøm være 2,4 A. Den strøm, der spredes i vandet, fungerer til 576 V, og det hele omdannes til varme.
det er vigtigt at påpege, at elektrolytens ledningsevne kan variere meget. Typisk drikkevand kan variere fra omkring 50 uS / cm til 2000 uS/cm. I den høje ende ville eksemplet ovenfor bruge over 2,5 kV strøm.
når den strøm, der spredes i kredsløbet, er bestemt, kan den resulterende temperaturændring let bestemmes igen ved hjælp af den specifikke vandvarme. I vores eksempel ovenfor antager vi, at de to elektroder blev nedsænket i 1 liter vand. Efter at spændingen er påført, vil 576 vand blive spredt af vandet kontinuerligt. På 60 sekunder ville dette udgøre 34,5 kJ. Da der er 1000 cc vand, skal du blot dele 34,5 med 4,186 for at bestemme, at temperaturen vil være steget med omkring 8 grader Celsius.
det er værd at bemærke, at vand udviser en anden ordens effekt, hvor ledningsevnen faktisk ændrer sig med temperaturen. For hver grad Celsius af temperaturstigning øges ledningsevnen med cirka 2%. Så når vi opvarmer vandet, vil strømmen faktisk stige, og vandet vil varme endnu mere end forventet.
AC-potentiale vs. DC-potentiale
det er vigtigt at bemærke, at der i eksemplet blev anvendt et AC-potentiale på elektrolytten. Dette er en kritisk detalje ved at bruge denne metode til at generere varme i vandet. Hvis DC var blevet brugt i stedet, forekommer en helt anden proces kaldet elektrolyse. Forskellige gasser, herunder brint og ilt, vil blive genereret ved elektrodegrænsefladerne, og elektroderne selv kan blive en del af reaktionen på en skadelig måde.
konklusion
som det kan ses, er ohmisk opvarmning nontrivial og udgør nogle interessante udfordringer fra kontrolperspektivet. Af denne grund er det historisk henvist til industrielle og kommercielle anvendelser, såsom bulkopvarmning af mad til pasteurisering. Det kontrollerede miljø, kendt elektrolyt og konstant overvågning giver en meget effektiv og forudsigelig proces.
ohmsk opvarmningsteknologi modnes dog. Nye teknikker til dynamisk tilpasning til brede ledningsevne kombineret med nogle smarte kontrolalgoritmer har i høj grad forbedret dens robusthed. Som sådan begynder det at finde applikationer i forbrugerprodukter som vandvarmere til hjemmet og tekedler. I den nærmeste fremtid kan det meget vel erstatte resistive varmeelementer alle sammen.
