Joule fűtés, más néven ohmos fűtés, a víz elektromos árammal történő közvetlen melegítésére szolgál.
a Joule fűtést néha ohmos fűtésnek vagy elektromos ellenállású fűtésnek is nevezik. Az elektrolittal töltött víz melegítésének módszerére utal, közvetlenül elektromos áramnak kitéve.
ebben a cikkben megvitatjuk ennek a vízmelegítési módszernek a jelentőségét és annak elérését.
a vízmelegítő berendezések rövid története
a melegvíz szükségességét és általános rendelkezésre állását gyakran magától értetődőnek tekintik, különösen akkor, ha az ember megáll a fűtési technológiára és annak történetére gondolni. A csapból származó forró víz egy példa, amely a 19.század végéig nem volt elérhető a nagyközönség számára.
a legkorábbi kiviteli alakok egyszerű nyílt tüzelésű vízforralókat és nyomás alatt álló gőzkazánokat tartalmaztak. Az otthonon kívül ezek az eszközök számos ipari alkalmazás, tudományos folyamat és Szolgáltató iparág követelményeinek is megfeleltek. Ahogy az anyagtechnológiák fejlődtek és az elektronika miniatürizálása általánossá vált, további melegvíz-készülékek jelentek meg a piacon. Forró ital gépek, mosogatógépek, mosógépek és padlófűtési rendszerek jönnek szóba.
napjainkban a melegvíz teljesen árucikké vált, és áthatja mindennapjainkat. Meglepő módon a generálásához szükséges alapvető technológia nagyon keveset fejlődött.
hő ellenállásos fűtőelemeken keresztül
a víz melegítésére szolgáló energiaforrás két kategóriába sorolható: villamos energia és fosszilis tüzelőanyagok. A fosszilis tüzelőanyagok kategóriája egy égőre és egy hőcserélőre támaszkodik, amely közvetetten továbbítja az égésből származó hőt a vízbe. Az elektromos kategóriában a vizet közvetett módon melegítik egy ellenállásos eszköz hűtésével is, amely hő formájában eloszlatja az energiát.
ezek az “ellenálló fűtőelemek” jellemzően egy speciális huzalötvözetből (nikróm) készülnek, rozsdamentes acélcsőbe csomagolva, magnézium-oxid porral töltve. A huzal ellenállása, általában egy maroknyi Ohm, rendkívül felforrósodik, amikor áramot vezetnek át rajta. Ezt a huzalt a magnézium-oxid por elektromosan szigeteli, és a hő a poron keresztül a legkülső fémköpenybe jut, amely a felmelegítendő vízzel érintkezik.
A Víz hőmérséklet-emelkedésének kiszámítása
a víz fajlagos hője egy fizikai állandó, amely azt diktálja, hogy 4,186 Joule energiára van szükség egy köbcentiméter víz egy Celsius fokos melegítéséhez. Ismerve az ellenállást a fűtőelem, lehet számítani a disszipált teljesítmény és kiszámítja, hogy mennyi időt vesz igénybe, hogy felmelegedjen egy bizonyos mennyiségű vizet.
áramló vízben a víz hőnek való kitettségének időkomponensét az áramlási sebesség határozza meg. Az alábbi levezetésben a végső egyenlet megmondja az áramló víz hőmérséklet-emelkedését egy adott fűtési teljesítményre.
a fent említett vízmelegítési vitában a víz melegítésének mechanizmusa alapvetően ugyanaz.
egy hőforrás, akár egy elektromos fűtőelem, akár egy gázégő, a végső kívánt vízhőmérséklethez képest rendkívül felforrósodik, és ez a hőenergia átkerül a vízbe.
érdekes módon létezik egy másik paradigma a fűtővízről, amely teljesen más módon működik.
Joule fűtés/ohmos fűtés (más néven amikor a víz ellenállóképes komponens)
a Joule fűtés, amelyet gyakran ohmos fűtésnek neveznek, villamos energiát használva melegíti a vizet azáltal, hogy az elektromos áramot közvetlenül a vízen keresztül továbbítja. Nem használnak fűtőelemeket, sőt, az egyenértékű elektromos áramkör magát a vizet ábrázolja ellenálló komponensként.
a tiszta víz szörnyű elektromos vezető. Szerencsére az összes víz, amellyel napi szinten kölcsönhatásba lépünk, oldott sókat tartalmaz, így elektrolittá válik.
ezek az oldott sók ionok formájában jelennek meg a vízben, és lehetővé teszik, hogy a víz támogassa az elektromos áram vezetését. Nagyon fontos megjegyezni, hogy ez az elektromos áram nem olyan, mint az elektronok tipikus vezetése egy fémhuzalon keresztül. Az ionok szállításán alapul, és rendkívül összetett kémiai folyamat.
a kritikus paraméterek, amelyek meghatározzák a vezetés mennyiségét, és viszont a víz tényleges elektromos ellenállását, az elektrolit vezetőképessége és az elektromos potenciálnak kitett elektrolit mennyisége.
a probléma egyszerűbbé tétele érdekében feltételezzük, hogy a feszültségpotenciált két lapos lemez alakú elektróda segítségével alkalmazzák a vízre. Az oldat effektív ellenállása tehát a két lemez közötti távolság osztva a lemezek felületével, majd tovább osztva az elektrolit vezetőképességével.
példa a Joule fűtés kiszámítására
gyors példaként két, egyenként 5×5 cm-es elektródalemezzel kezdjük, amelyek egymástól 10 mm-re vannak, és tipikus ivóvízbe merítik, 400 uS/cm vezetőképességgel. Ennek az áramkörnek a tényleges ellenállása 100 Ohm. Ha az egyik 240 VAC-ot alkalmazna a két elektródára, akkor az így kapott áram 2,4 A lenne.
fontos kiemelni, hogy az elektrolit vezetőképessége nagymértékben változhat. A tipikus ivóvíz körülbelül 50 uS/cm-től 2000 uS/cm-ig terjedhet. A csúcsminőségben a fenti példa több mint 2,5 kW teljesítményt használna.
miután meghatároztuk az áramkörben eloszlatott teljesítményt, az ebből eredő hőmérsékletváltozás a víz fajlagos hőjével ismét könnyen meghatározható. A fenti példánkban tegyük fel, hogy a két elektródát 1 liter vízbe merítettük. A feszültség alkalmazása után a víz folyamatosan 576 wattot oszt el. 60 másodperc alatt ez 34,5 kJ lenne. Mivel 1000 cc víz van, egyszerűen ossza el a 34,5-et 4,186-tal, hogy megállapítsa, hogy a hőmérséklet körülbelül 8 Celsius-fokkal emelkedik.
érdemes megjegyezni, hogy a víz másodrendű hatást mutat, ahol a vezetőképesség a hőmérséklettel ténylegesen változik. A hőmérséklet-emelkedés Minden Celsius-fokánál a vezetőképesség körülbelül 2% – kal növekszik. Tehát ahogy melegítjük a vizet, az áram valóban növekszik, és a víz még jobban melegszik, mint amire számítottunk.
AC potenciál vs. DC potenciál
fontos megjegyezni, hogy a példában AC potenciált alkalmaztunk az elektrolitra. Ez kritikus részlet ennek a módszernek a használatában a víz hőtermelésére. Ha DC-t használtak volna helyette, akkor egy teljesen más, elektrolízisnek nevezett folyamat következik be. Különböző gázok, köztük hidrogén és oxigén keletkeznek az elektróda interfészein, és maguk az elektródák káros módon a reakció részévé válhatnak.
következtetés
mint látható, az ohmos fűtés nem triviális, és érdekes kihívásokat jelent a szabályozás szempontjából. Ezért történelmileg az ipari és kereskedelmi alkalmazásokhoz, például a pasztőrözéshez használt élelmiszerek ömlesztett melegítéséhez került. Az ellenőrzött környezet, az ismert elektrolit és a folyamatos ellenőrzés rendkívül hatékony és kiszámítható folyamatot tesz lehetővé.
az ohmos fűtési technológia azonban érlelődik. A széles vezetőképességhez való dinamikus alkalmazkodás új technikái, néhány okos vezérlési algoritmussal párosulva nagymértékben növelték robusztusságát. Mint ilyen, kezd olyan alkalmazásokat találni a fogyasztási cikkekben, mint például az otthoni vízmelegítők és a teáskannák. A közeljövőben nagyon jól helyettesítheti az ellenálló fűtőelemeket.
