Joule-lämmityksellä, joka tunnetaan myös ohmisena lämmityksenä, käytetään veden suoraan lämmittämiseen sähkövirralla.
Joulelämmitystä kutsutaan joskus myös ohmislämmitykseksi tai sähkövastuslämmitykseksi. Sillä tarkoitetaan menetelmää, jossa elektrolyytillä täytetty vesi lämmitetään altistamalla se suoraan sähkövirralle.
tässä artikkelissa käsitellään tämän vedenlämmitysmenetelmän merkitystä ja sitä, miten se saavutetaan.
Vedenlämmityslaitteiden lyhyt historia
kuuman veden tarve ja sen yleinen saatavuus on usein itsestäänselvyys, varsinkin kun pysähdytään miettimään lämmitystekniikkaa ja sen historiaa. Kuuma vesi hanasta on yksi esimerkki, ja se oli ylellisyyttä, jota suuri yleisö ei voinut käyttää 1800-luvun loppupuolelle asti.
varhaisimpiin suoritusmuotoihin kuuluivat yksinkertaiset avotulen vedenkeittimet ja paineistetut Höyrykattilat. Kodin ulkopuolella nämä laitteet täyttivät myös vaatimukset lukuisille teollisille sovelluksille, tieteellisille prosesseille ja palvelualoille. Kun materiaalitekniikat paranivat ja elektroniikan pienennykset yleistyivät, markkinoille tuli lisää kuumavesilaitteita. Mieleen tulevat kuumien juomien koneet, astianpesukoneet, vaatteiden Pesulaitteet ja lattialämmitysjärjestelmät.
nykyään kuuma vesi on tullut täysin kauppatavaraksi ja läpitunkevaksi jokapäiväisessä elämässämme. Hämmästyttävää kyllä, ydinteknologia sen aikaansaamiseksi on kehittynyt hyvin vähän.
resistiivisten lämmityselementtien kautta saatava lämpö
veden lämmittämiseen käytettävä energialähde voidaan jakaa kahteen luokkaan: sähkö ja fossiiliset polttoaineet. Fossiilisten polttoaineiden luokka perustuu siihen, että poltin ja lämmönvaihdin siirtävät palamisesta syntyvän lämmön epäsuorasti veteen. Sähköisessä luokassa vettä lämmitetään myös epäsuorasti jäähdyttämällä resistiivistä laitetta, joka haihduttaa tehoa lämmön muodossa.
nämä ”resistiiviset vastukset” on tyypillisesti valmistettu erikoislangasta (NiChrome), joka on kääritty ruostumattomaan teräsputkeen ja täytetty magnesiumoksidijauheella. Vaijerin vastus, yleensä kourallinen ohmia, saa sen kuumenemaan äärimmäisen kuumaksi, kun sen läpi kulkee virta. Tämä Lanka eristetään sähköisesti magnesiumoksidijauheella ja lämpö siirtyy jauheen kautta uloimpaan metallin vaippaan, joka on kosketuksissa lämmitettävän veden kanssa.
veden lämpötilan nousun laskeminen
veden ominaislämpö on fysikaalinen vakio, jonka mukaan yhden kuutiosenttimetrin veden lämmittämiseen yhdellä celsiusasteella tarvitaan 4,186 joulea energiaa. Tietäen vastus lämmityselementti, voidaan laskea haihtunut teho ja laskea, kuinka paljon aikaa se kestää lämmittää tietyn vesimäärän.
virtaavassa vedessä veden lämpöaltistuksen aikakomponentti määräytyy virtausnopeuden mukaan. Alla olevassa derivoinnissa lopullinen yhtälö kertoo virtaavan veden lämpötilan nousun sille määrätylle lämmitysteholle.
edellä mainitussa veden lämmityskeskustelussa veden lämmitysmekanismi on pohjimmiltaan sama.
lämmönlähde, joko sähkölämmityselementti tai kaasupoltin, kuumenee äärimmäisen paljon suhteessa lopulliseen haluttuun veden lämpötilaan, ja tämä lämpöenergia siirtyy veteen.
mielenkiintoista on, että on olemassa toinen paradigma veden lämmittämisestä, ja se toimii aivan eri tavalla.
Joule Heating/ohminen Lämmitys (eli kun vesi on resistiivinen komponentti)
Joule heating, jota usein kutsutaan Ohiseksi lämmitykseksi, lämmittää vettä sähköllä johtamalla sähkövirtaa suoraan veden läpi. Lämmityselementtejä ei käytetä, ja itse asiassa vastaava virtapiiri kuvaisi itse veden resistiivisenä komponenttina.
puhdas vesi on surkea sähköjohdin. Onneksi kaikki vesi, jonka kanssa olemme päivittäin tekemisissä, on liuottanut siihen suoloja, mikä tekee siitä elektrolyytin.
nämä liuenneet suolat ottavat veteen ioneja ja antavat veden tukea sähkövirran johtumista. On erittäin tärkeää muistaa, että tämä sähkövirta ei ole kuin tyypillinen elektronien johtuminen metallilangan läpi. Se perustuu ionien kuljetukseen ja on huomattavan monimutkainen kemiallinen prosessi.
kriittiset parametrit, jotka määrittävät johtumisen määrän ja vuorostaan veden tehokkaan sähkövastuksen, ovat elektrolyytin johtavuus ja sähköiselle potentiaalille altistuvan elektrolyytin määrä.
jotta ongelma olisi yksinkertainen, oletetaan, että jännitepotentiaali kohdistetaan veteen käyttäen kahta elektrodia, jotka ovat litteiden levyjen muotoisia. Liuoksen tehokas vastus on siis kahden levyn välinen etäisyys jaettuna levyjen pinta-alalla ja edelleen jaettuna elektrolyytin johtavuudella.
esimerkki Joulen lämmityksen
laskemisesta nopeana esimerkkinä aloitetaan kahdella 5 cm x 5 cm: n elektrodilevyllä, jotka ovat 10 mm: n etäisyydellä toisistaan ja upotetaan tyypilliseen juomaveteen, jonka johtavuus on 400 uS/cm. Tämän piirin tehokas vastus on 100 ohmia. Jos kahteen elektrodiin sovellettaisiin 240 VAC, tuloksena oleva virta olisi 2,4 A. veteen haihtunut teho toimii 576 W: iin, ja kaikki se muunnetaan lämmöksi.
on tärkeää huomauttaa, että elektrolyytin johtavuus voi vaihdella suuresti. Tyypillinen juomavesi voi vaihdella noin 50 uS / cm – 2000 uS/cm. Ylimmässä päädyssä yllä oleva esimerkki käyttäisi yli 2,5 kilowatin tehoja.
kun virtapiirissä haihtunut teho on määritetty, siitä aiheutuva lämpötilan muutos voidaan helposti määrittää uudelleen veden ominaislämmön avulla. Yllä olevassa esimerkissä oletetaan, että kaksi elektrodia upotettiin 1 litraan vettä. Kun jännite on sovellettu, 576 wattia haihtuu veden jatkuvasti. 60 sekunnissa tämä olisi 34,5 kJ. Koska vettä on 1000 kuutiosenttimetriä, Jaa 34,5: stä 4,186: een sen määrittämiseksi, että lämpötila on noussut noin 8 astetta.
on syytä huomata, että vedellä on toisen kertaluvun vaikutus, jossa johtavuus todella muuttuu lämpötilan mukana. Jokaista celsiusastetta kohti lämpötilan nousu, johtavuus kasvaa noin 2%. Kun lämmitämme vettä, virta todella kasvaa ja vesi lämpenee jopa ennakoitua enemmän.
VAIHTOVIRTAPOTENTIAALI vs. TASAVIRTAPOTENTIAALI
on tärkeää huomata, että esimerkissä elektrolyyttiin sovellettiin VAIHTOVIRTAPOTENTIAALIA. Tämä on kriittinen yksityiskohta käytettäessä tätä menetelmää tuottaa lämpöä veteen. Jos DC: tä olisi käytetty sen sijaan, tapahtuu täysin erilainen prosessi, jota kutsutaan elektrolyysiksi. Elektrodien rajapinnoissa syntyy erilaisia kaasuja, kuten vetyä ja happea, ja itse elektrodit voivat tulla osaksi reaktiota haitallisella tavalla.
Conclusion
kuten voidaan nähdä, ohminen lämmitys ei ole relevanttia ja aiheuttaa säätönäkökulmasta mielenkiintoisia haasteita. Tästä syystä se on historiallisesti siirretty teollisiin ja kaupallisiin sovelluksiin, kuten elintarvikkeiden massalämmitykseen pastörointia varten. Valvotussa ympäristössä, tunnettu elektrolyytti ja jatkuva seuranta tekee erittäin tehokas ja ennustettava prosessi.
ohminen lämmitystekniikka on kuitenkin kypsymässä. Uudet tekniikat, joilla mukautetaan dynaamisesti laajoihin konduktiviteetteihin yhdistettynä joihinkin näppäriin ohjausalgoritmeihin, ovat parantaneet huomattavasti sen kestävyyttä. Sellaisenaan se alkaa löytää sovelluksia kuluttajatuotteissa, kuten kodin vedenlämmittimissä ja teepannuissa. Lähitulevaisuudessa se voi hyvinkin korvata resistiiviset vastukset kaikki yhdessä.
