¿Qué Es la Calefacción en Julios? La producción de calor con corriente eléctrica

El calentamiento de Julios, también conocido como calentamiento óhmico, se utiliza para calentar directamente el agua con corriente eléctrica.

El calentamiento de julios a veces también se conoce como calentamiento óhmico o calentamiento por resistencia eléctrica. Se refiere al método de calentar agua llena de electrolitos al exponerla directamente a la corriente eléctrica.

En este artículo, discutiremos la importancia de este método de calentamiento de agua y cómo se logra.

Una breve historia de los Dispositivos de Calentamiento de agua

La necesidad de agua caliente y su disponibilidad general es algo que a menudo se da por sentado, especialmente cuando uno se detiene a pensar en la tecnología de calefacción y su historia. El agua caliente del grifo es un ejemplo y era un lujo que no estaba disponible para el público en general hasta finales del siglo XIX.

Las primeras realizaciones incluían calderas simples a fuego abierto y calderas de vapor presurizadas. Fuera del hogar, estos dispositivos también satisfacían los requisitos de numerosas aplicaciones industriales, procesos científicos e industrias de servicios. A medida que las tecnologías de materiales mejoraban y la miniaturización de la electrónica se hacía común, otros aparatos de agua caliente se abrieron paso en el mercado. Me vienen a la mente máquinas de bebidas calientes, lavavajillas, lavadoras de ropa y sistemas de calefacción por suelo radiante.

Hoy en día, el agua caliente se ha convertido en un producto básico y omnipresente en nuestra vida cotidiana. Sorprendentemente, la tecnología básica para generarla ha evolucionado muy poco.

Calentar a través de elementos calefactores resistivos

La fuente de energía para calentar el agua se puede dividir en dos categorías: electricidad y combustibles fósiles. La categoría de combustibles fósiles se basa en un quemador y un intercambiador de calor para transferir indirectamente el calor de la combustión al agua. En la categoría eléctrica, el agua también se calienta indirectamente enfriando un dispositivo resistivo que disipa la potencia en forma de calor.

Estos «elementos de calentamiento resistivos» se construyen típicamente a partir de una aleación especial de alambre (nicrom) envuelta en un tubo de acero inoxidable y llena de polvo de óxido de magnesio. La resistencia del cable, generalmente un puñado de ohmios, hace que se caliente extremadamente cuando se pasa una corriente a través de él. Este cable está aislado eléctricamente por el polvo de óxido de magnesio y el calor se transfiere a través del polvo a la cubierta más externa de metal, que está en contacto con el agua que se va a calentar.

Calculando el Aumento de temperatura del Agua

El calor específico del agua es una constante física que dicta que se requieren 4.186 Julios de energía para calentar un centímetro cúbico de agua en un grado Celsius. Conociendo la resistencia del elemento calefactor, se puede calcular la potencia disipada y calcular cuánto tiempo tomará calentar un cierto volumen de agua.

En el agua corriente, el componente de tiempo de la exposición al calor del agua está determinado por el caudal. En la derivación a continuación, la ecuación final le indicará el aumento de temperatura del agua corriente para una potencia de calentamiento dada aplicada a ella.

En la discusión sobre calentamiento de agua mencionada anteriormente, el mecanismo de calentamiento de agua es fundamentalmente el mismo.

Una fuente de calor, ya sea un elemento calefactor eléctrico o un quemador de gas, se calienta extremadamente en relación con la temperatura final deseada del agua, y esta energía térmica se transfiere al agua.

Curiosamente, existe otro paradigma de calentamiento de agua, y funciona de una manera completamente diferente.

Calentamiento de Julios/Calentamiento Óhmico (TAMBIÉN conocido como Cuando el agua es un Componente Resistivo)

Calentamiento de julios, a menudo denominado calentamiento óhmico, calienta el agua utilizando electricidad al pasar corriente eléctrica directamente a través del agua. No se utilizan elementos calefactores y, de hecho, el circuito eléctrico equivalente representaría el agua en sí como el componente resistivo.

El agua pura es un conductor eléctrico terrible. Afortunadamente, toda el agua con la que interactuamos a diario tiene sales disueltas en ella, lo que la convierte en un electrolito.

Estas sales disueltas toman la forma de iones en el agua y permiten que el agua apoye la conducción de la corriente eléctrica. Es muy importante recordar que esta corriente eléctrica no es como la conducción típica de electrones a través de un alambre de metal. Se basa en el transporte de iones y es un proceso químico notablemente complejo.

Los parámetros críticos que determinan la cantidad de conducción y, a su vez, la resistencia eléctrica efectiva del agua, son la conductividad del electrolito y la cantidad de electrolito expuesta al potencial eléctrico.

Para simplificar el problema, suponga que el potencial de voltaje se aplica al agua utilizando dos electrodos en forma de placas planas. La resistencia efectiva de la solución es, por lo tanto, la distancia entre las dos placas dividida por el área de superficie de las placas y dividida aún más por la conductividad del electrolito.

Un ejemplo de cálculo de Calentamiento de Julios

Como ejemplo rápido, comience con dos placas de electrodos, cada una de 5 cm por 5 cm, que están separadas por 10 mm y sumergidas en agua potable típica con una conductividad de 400 uS/cm. La resistencia efectiva de este circuito es de 100 ohmios. Si uno aplicara 240 VCA a los dos electrodos, la corriente resultante sería de 2,4 A. La potencia disipada en el agua llega a 576 W, y toda se convierte en calor.

es importante señalar que la conductividad del electrolito puede variar ampliamente. El agua potable típica puede variar de aproximadamente 50 uS / cm a 2000 uS / cm. En el extremo superior, el ejemplo anterior usaría más de 2,5 kW de potencia.

Una vez que se determina la potencia disipada en el circuito, el cambio de temperatura resultante se puede determinar fácilmente de nuevo utilizando el calor específico del agua. En nuestro ejemplo anterior, supongamos que los dos electrodos se sumergieron en 1 litro de agua. Después de aplicar el voltaje, el agua disipará 576 vatios de forma continua. En 60 segundos, esto ascendería a 34,5 kJ. Dado que hay 1000 cc de agua, simplemente divida 34.5 por 4.186 para determinar que la temperatura habrá aumentado unos 8 grados centígrados.

Vale la pena señalar que el agua exhibe un efecto de segundo orden en el que la conductividad realmente cambia con la temperatura. Por cada grado Celsius de aumento de temperatura, la conductividad aumenta en aproximadamente un 2%. Así que a medida que calentamos el agua, la corriente en realidad aumentará y el agua se calentará incluso más de lo previsto.

Potencial de CA vs. Potencial de CC

Es importante señalar que en el ejemplo, se aplicó un potencial de CA al electrolito. Este es un detalle crítico en el uso de este método para generar calor en el agua. Si se hubiera utilizado DC en su lugar, se produce un proceso completamente diferente llamado electrólisis. Se generarán varios gases, incluidos hidrógeno y oxígeno, en las interfaces de los electrodos, y los electrodos en sí pueden convertirse en parte de la reacción de una manera perjudicial.

Conclusión

Como se puede ver, el calentamiento óhmico no es trivial y plantea algunos desafíos interesantes desde la perspectiva del control. Por esta razón, históricamente ha sido relegado a aplicaciones industriales y comerciales, como el calentamiento a granel de alimentos para pasteurización. El entorno controlado, el electrolito conocido y el monitoreo constante hacen que el proceso sea altamente eficiente y predecible.Sin embargo, la tecnología de calentamiento óhmico está madurando. Las nuevas técnicas para adaptarse dinámicamente a conductividades amplias, junto con algunos algoritmos de control inteligentes, han mejorado en gran medida su robustez. Como tal, está comenzando a encontrar aplicaciones en productos de consumo como calentadores de agua domésticos y teteras de té. En un futuro próximo, puede muy bien reemplazar todos los elementos de calentamiento resistivos juntos.