Die Joule-Heizung, auch ohmsche Heizung genannt, wird verwendet, um Wasser direkt mit elektrischem Strom zu erwärmen.
Die Joule-Heizung wird manchmal auch als ohmsche Heizung oder elektrische Widerstandsheizung bezeichnet. Es bezieht sich auf das Verfahren zum Erhitzen von elektrolytgefülltem Wasser, indem es direkt elektrischem Strom ausgesetzt wird.
In diesem Artikel werden wir die Bedeutung dieser Methode der Warmwasserbereitung diskutieren und wie es erreicht wird.
Eine kurze Geschichte der Warmwasserbereiter
Die Notwendigkeit von Warmwasser und seine allgemeine Verfügbarkeit wird oft als selbstverständlich angesehen, insbesondere wenn man über die Heiztechnik und ihre Geschichte nachdenkt. Heißes Wasser aus dem Wasserhahn ist ein Beispiel und war bis Ende des 19.Jahrhunderts ein Luxus, der der Öffentlichkeit nicht zur Verfügung stand.
Zu den frühesten Ausführungsformen gehörten einfache offene Feuerkessel und Druckdampfkessel. Auch außerhalb des Hauses erfüllten diese Geräte die Anforderungen für zahlreiche industrielle Anwendungen, wissenschaftliche Prozesse und Dienstleistungsbranchen. Als sich die Materialtechnologien verbesserten und die Miniaturisierung der Elektronik alltäglich wurde, fanden zusätzliche Warmwassergeräte ihren Weg in den Markt. Heißgetränkemaschinen, Geschirrspüler, Waschmaschinen und Fußbodenheizungen kommen mir in den Sinn.
Heute ist heißes Wasser in unserem täglichen Leben völlig standardisiert und allgegenwärtig. Erstaunlicherweise hat sich die Kerntechnologie zur Erzeugung nur sehr wenig entwickelt.
Wärme über Widerstandsheizelemente
Die Energiequelle zur Erwärmung von Wasser lässt sich in zwei Kategorien einteilen: Strom und fossile Brennstoffe. Die Kategorie der fossilen Brennstoffe beruht auf einem Brenner und einem Wärmetauscher, um die Wärme aus der Verbrennung indirekt in das Wasser zu übertragen. In der elektrischen Kategorie wird Wasser auch indirekt erhitzt, indem ein Widerstandsgerät gekühlt wird, das Leistung in Form von Wärme abgibt.
Diese „Widerstandsheizelemente“ bestehen typischerweise aus einer speziellen Drahtlegierung (Nichrom), die in ein Edelstahlrohr eingewickelt und mit Magnesiumoxidpulver gefüllt ist. Der Widerstand des Drahtes, normalerweise eine Handvoll Ohm, führt dazu, dass er extrem heiß wird, wenn ein Strom durch ihn geleitet wird. Dieser Draht ist durch das Magnesiumoxidpulver elektrisch isoliert und die Wärme überträgt sich durch das Pulver auf den äußersten Metallmantel, der mit dem zu erwärmenden Wasser in Kontakt steht.
Berechnung des Temperaturanstiegs von Wasser
Die spezifische Wärme von Wasser ist eine physikalische Konstante, die vorschreibt, dass 4, 186 Joule Energie erforderlich sind, um einen Kubikzentimeter Wasser um ein Grad Celsius zu erwärmen. Wenn man den Widerstand des Heizelements kennt, kann man die Verlustleistung berechnen und berechnen, wie viel Zeit es braucht, um eine bestimmte Wassermenge aufzuheizen.
In fließendem Wasser wird die Zeitkomponente der Wasserwärmeeinwirkung durch die Durchflussrate bestimmt. In der folgenden Ableitung erfahren Sie in der endgültigen Gleichung den Temperaturanstieg des fließenden Wassers für eine bestimmte Heizleistung.
In der oben genannten Diskussion über die Wassererwärmung ist der Mechanismus der Wassererwärmung grundsätzlich derselbe.
Eine Wärmequelle, entweder ein elektrisches Heizelement oder ein Gasbrenner, wird relativ zur endgültigen gewünschten Wassertemperatur extrem heiß, und diese Wärmeenergie wird auf das Wasser übertragen.
Interessanterweise gibt es ein anderes Paradigma für das Erhitzen von Wasser, das auf völlig andere Weise funktioniert.
Joule-Heizung / Ohmsche Heizung (auch bekannt als Wasser als Widerstandskomponente)
Joule-Heizung, oft als ohmsche Heizung bezeichnet, erwärmt Wasser unter Verwendung von Elektrizität, indem elektrischer Strom direkt durch das Wasser geleitet wird. Es werden keine Heizelemente verwendet, und tatsächlich würde der äquivalente Stromkreis das Wasser selbst als Widerstandskomponente darstellen.
Reines Wasser ist ein schrecklicher elektrischer Leiter. Glücklicherweise enthält das gesamte Wasser, mit dem wir täglich interagieren, gelöste Salze, die es zu einem Elektrolyten machen.
Diese gelösten Salze nehmen die Form von Ionen im Wasser an und ermöglichen es dem Wasser, die Leitung von elektrischem Strom zu unterstützen. Es ist sehr wichtig, sich daran zu erinnern, dass dieser elektrische Strom nicht wie die typische Leitung von Elektronen durch einen Metalldraht ist. Es basiert auf dem Transport von Ionen und ist ein bemerkenswert komplexer chemischer Prozess.
Die kritischen Parameter, die die Leitfähigkeit und damit den effektiven elektrischen Widerstand des Wassers bestimmen, sind die Leitfähigkeit des Elektrolyten und die dem elektrischen Potential ausgesetzte Elektrolytmenge.
Um das Problem zu vereinfachen, nehmen wir an, dass das Spannungspotential mit zwei Elektroden in Form von flachen Platten an das Wasser angelegt wird. Der effektive Widerstand der Lösung ist daher der Abstand zwischen den beiden Platten geteilt durch die Oberfläche der Platten und weiter geteilt durch die Leitfähigkeit des Elektrolyten.
Ein Beispiel für die Berechnung der Joule-Heizung
Beginnen Sie als kurzes Beispiel mit zwei Elektrodenplatten von jeweils 5 cm x 5 cm, die 10 mm voneinander entfernt sind und in typisches Trinkwasser mit einer Leitfähigkeit von 400 US / cm getaucht sind. Der effektive Widerstand dieser Schaltung beträgt 100 Ohm. Wenn man 240 VAC an die beiden Elektroden anlegen würde, wäre der resultierende Strom 2,4 A. Die ins Wasser abgegebene Leistung beträgt 576 W, und alles wird in Wärme umgewandelt.
Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass die Leitfähigkeit des Elektrolyten stark variieren kann. Typisches Trinkwasser kann von etwa 50 uS / cm bis 2000 uS / cm reichen. Am oberen Ende würde das obige Beispiel über 2,5 kW Leistung verbrauchen.
Sobald die im Kreislauf abgeführte Leistung bestimmt ist, kann die resultierende Temperaturänderung anhand der spezifischen Wärme des Wassers leicht wieder bestimmt werden. Nehmen wir in unserem obigen Beispiel an, dass die beiden Elektroden in 1 Liter Wasser getaucht wurden. Nach dem Anlegen der Spannung werden 576 Watt kontinuierlich vom Wasser abgeführt. In 60 Sekunden wären das 34,5 kJ. Da es 1000 ccm Wasser gibt, teilen Sie einfach 34,5 durch 4,186, um festzustellen, dass die Temperatur um etwa 8 Grad Celsius gestiegen ist.
Es ist erwähnenswert, dass Wasser einen Effekt zweiter Ordnung zeigt, bei dem sich die Leitfähigkeit tatsächlich mit der Temperatur ändert. Für jeden Grad Celsius Temperaturanstieg erhöht sich die Leitfähigkeit um etwa 2%. Wenn wir also das Wasser erhitzen, steigt die Strömung tatsächlich an und das Wasser erwärmt sich noch mehr als erwartet.
AC-Potential vs. DC-Potential
Es ist wichtig zu beachten, dass im Beispiel ein AC-Potential an den Elektrolyten angelegt wurde. Dies ist ein kritisches Detail bei der Verwendung dieser Methode zur Erzeugung von Wärme im Wasser. Wenn stattdessen Gleichstrom verwendet worden wäre, tritt ein völlig anderer Prozess namens Elektrolyse auf. Verschiedene Gase, einschließlich Wasserstoff und Sauerstoff, werden an den Elektrodengrenzflächen erzeugt, und die Elektroden selbst können auf schädliche Weise Teil der Reaktion werden.
Fazit
Wie zu sehen ist, ist die ohmsche Erwärmung nicht trivial und stellt aus Sicht der Steuerung einige interessante Herausforderungen dar. Aus diesem Grund wurde es historisch auf industrielle und kommerzielle Anwendungen wie das Erhitzen von Lebensmitteln zur Pasteurisierung beschränkt. Die kontrollierte Umgebung, der bekannte Elektrolyt und die ständige Überwachung sorgen für einen hocheffizienten und vorhersehbaren Prozess.
Die ohmsche Heiztechnik reift jedoch. Neue Techniken zur dynamischen Anpassung an breite Leitfähigkeiten in Verbindung mit einigen cleveren Steuerungsalgorithmen haben die Robustheit erheblich verbessert. Als solches beginnt es, Anwendungen in Konsumgütern wie Warmwasserbereitern und Teekesseln zu finden. In naher Zukunft kann es sehr gut ersetzen resistive Heizelemente alle zusammen.
