Qu’Est-Ce que le Chauffage Joule? Produire de la chaleur avec un courant électrique

Le chauffage joule, également appelé chauffage ohmique, est utilisé pour chauffer directement l’eau avec un courant électrique.

Le chauffage joule est parfois également appelé chauffage ohmique ou chauffage par résistance électrique. Il fait référence à la méthode de chauffage de l’eau remplie d’électrolyte en l’exposant directement au courant électrique.

Dans cet article, nous discuterons de l’importance de cette méthode de chauffage de l’eau et de la manière dont elle est réalisée.

Une brève histoire des appareils de chauffage de l’eau

La nécessité de l’eau chaude et sa disponibilité générale sont souvent considérées comme acquises, surtout lorsqu’on s’arrête pour penser à la technologie de chauffage et à son histoire. L’eau chaude du robinet en est un exemple et était un luxe inaccessible au grand public jusqu’à la fin du 19ème siècle.

Les premiers modes de réalisation comprenaient de simples bouilloires à feu ouvert et des chaudières à vapeur sous pression. En dehors de la maison, ces appareils répondaient également aux exigences de nombreuses applications industrielles, processus scientifiques et industries de services. À mesure que les technologies matérielles s’amélioraient et que la miniaturisation de l’électronique devenait monnaie courante, d’autres appareils à eau chaude faisaient leur entrée sur le marché. Les machines à boissons chaudes, les lave-vaisselle, les laveuses et les systèmes de chauffage au sol viennent à l’esprit.

Aujourd’hui, l’eau chaude est devenue entièrement banalisée et omniprésente dans notre vie quotidienne. Étonnamment, la technologie de base pour la générer a très peu évolué.

Chaleur par Éléments chauffants résistifs

La source d’énergie pour chauffer l’eau peut être divisée en deux catégories: l’électricité et les combustibles fossiles. La catégorie des combustibles fossiles repose sur un brûleur et un échangeur de chaleur pour transférer indirectement la chaleur de la combustion dans l’eau. Dans la catégorie électrique, l’eau est également chauffée indirectement par refroidissement d’un dispositif résistif dissipant de l’énergie sous forme de chaleur.

Ces « éléments chauffants résistifs » sont généralement construits à partir d’un alliage spécial de fil (NiChrome) enveloppé dans un tube en acier inoxydable et rempli de poudre d’oxyde de magnésium. La résistance du fil, généralement une poignée d’ohms, le fait devenir extrêmement chaud lorsqu’un courant le traverse. Ce fil est isolé électriquement par la poudre d’oxyde de magnésium et la chaleur est transférée à travers la poudre à l’enveloppe métallique la plus externe, qui est en contact avec l’eau à chauffer.

Calcul de l’élévation de température de l’eau

La chaleur spécifique de l’eau est une constante physique qui dicte que 4,186 Joules d’énergie sont nécessaires pour chauffer un centimètre cube d’eau d’un degré Celsius. Connaissant la résistance de l’élément chauffant, on peut calculer la puissance dissipée et calculer combien de temps il faudra pour chauffer un certain volume d’eau.

Dans l’eau courante, la composante temporelle de l’exposition de l’eau à la chaleur est déterminée par le débit. Dans la dérivation ci-dessous, l’équation finale vous indiquera l’élévation de température de l’eau courante pour une puissance de chauffage donnée qui lui est appliquée.

Dans la discussion susmentionnée sur le chauffage de l’eau, le mécanisme de chauffage de l’eau est fondamentalement le même.

Une source de chaleur, qu’il s’agisse d’un élément chauffant électrique ou d’un brûleur à gaz, devient extrêmement chaude par rapport à la température finale de l’eau souhaitée, et cette énergie thermique est transférée à l’eau.

Fait intéressant, un autre paradigme de chauffage de l’eau existe, et il fonctionne d’une manière complètement différente.

Chauffage Joule / Chauffage Ohmique (C’est-à-dire Lorsque l’eau est un Composant Résistif)

Le chauffage Joule, souvent appelé chauffage Ohmique, chauffe l’eau à l’aide d’électricité en faisant passer le courant électrique directement dans l’eau. Aucun élément chauffant n’est utilisé et, en fait, le circuit électrique équivalent représenterait l’eau elle-même comme composant résistif.

L’eau pure est un terrible conducteur électrique. Heureusement, toute l’eau avec laquelle nous interagissons quotidiennement contient des sels dissous, ce qui en fait un électrolyte.

Ces sels dissous prennent la forme d’ions dans l’eau et permettent à l’eau de supporter la conduction du courant électrique. Il est très important de se rappeler que ce courant électrique ne ressemble pas à la conduction typique des électrons à travers un fil métallique. Il est basé sur le transport des ions et est un processus chimique remarquablement complexe.

Les paramètres critiques qui déterminent la quantité de conduction, et à son tour la résistance électrique effective de l’eau, sont la conductivité de l’électrolyte et la quantité d’électrolyte exposée au potentiel électrique.

Pour simplifier le problème, supposons que le potentiel de tension est appliqué à l’eau à l’aide de deux électrodes en forme de plaques planes. La résistance efficace de la solution est donc la distance entre les deux plaques divisée par la surface des plaques et divisée par la conductivité de l’électrolyte.

Un exemple de calcul du chauffage Joule

À titre d’exemple rapide, commencez par deux plaques d’électrodes, chacune de 5 cm sur 5 cm, distantes de 10 mm et immergées dans de l’eau potable typique avec une conductivité de 400 uS / cm. La résistance effective de ce circuit est de 100 ohms. Si l’on appliquait 240 VCA aux deux électrodes, le courant résultant serait de 2,4 A. La puissance dissipée dans l’eau atteint 576 W, et tout cela est converti en chaleur.

Il est important de souligner que la conductivité de l’électrolyte peut varier considérablement. L’eau potable typique peut varier d’environ 50 US / cm à 2000 uS / cm. À l’extrémité haute, l’exemple ci-dessus utiliserait plus de 2,5 kW de puissance.

Une fois la puissance dissipée dans le circuit déterminée, le changement de température résultant peut être facilement déterminé à nouveau en utilisant la chaleur spécifique de l’eau. Dans notre exemple ci-dessus, supposons que les deux électrodes ont été immergées dans 1 litre d’eau. Une fois la tension appliquée, 576 watts seront dissipés par l’eau en continu. En 60 secondes, cela représenterait 34,5 kJ. Puisqu’il y a 1000 cc d’eau, divisez simplement 34,5 par 4,186 pour déterminer que la température aura augmenté d’environ 8 degrés Celsius.

Il est à noter que l’eau présente un effet du second ordre dans lequel la conductivité change effectivement avec la température. Pour chaque degré Celsius d’élévation de température, la conductivité augmente d’environ 2%. Ainsi, au fur et à mesure que nous chauffons l’eau, le courant augmentera et l’eau chauffera encore plus que prévu.

Potentiel ALTERNATIF vs Potentiel continu

Il est important de noter que dans l’exemple, un potentiel alternatif a été appliqué à l’électrolyte. C’est un détail essentiel dans l’utilisation de cette méthode pour générer de la chaleur dans l’eau. Si le DC avait été utilisé à la place, un processus complètement différent appelé électrolyse se produit. Divers gaz, y compris de l’hydrogène et de l’oxygène, seront générés aux interfaces des électrodes, et les électrodes elles-mêmes peuvent faire partie de la réaction de manière préjudiciable.

Conclusion

Comme on peut le voir, le chauffage ohmique n’est pas trivial et pose des défis intéressants du point de vue du contrôle. Pour cette raison, il a été historiquement relégué aux applications industrielles et commerciales, telles que le chauffage en vrac des aliments pour la pasteurisation. L’environnement contrôlé, l’électrolyte connu et la surveillance constante permettent un processus hautement efficace et prévisible.

La technologie de chauffage ohmique arrive cependant à maturité. De nouvelles techniques d’adaptation dynamique à de larges conductivités couplées à des algorithmes de contrôle astucieux ont considérablement amélioré sa robustesse. En tant que tel, il commence à trouver des applications dans les produits de consommation tels que les chauffe-eau domestiques et les bouilloires à thé. Dans un avenir proche, il pourrait très bien remplacer les éléments chauffants résistifs tous ensemble.