joule oppvarming, også kjent som ohmisk oppvarming, brukes til å varme vann direkte med elektrisk strøm.
joule oppvarming er noen ganger også referert til som ohmisk oppvarming eller elektrisk motstand oppvarming. Det refererer til metoden for oppvarming av elektrolyttfylt vann ved å utsette det direkte for elektrisk strøm.
i denne artikkelen vil vi diskutere betydningen av denne metoden for oppvarming av vann og hvordan det oppnås.
En Kort Historie Av Vann Oppvarming Enheter
nødvendigheten av varmt vann og dens generelle tilgjengelighet er noe ofte tatt for gitt, spesielt når man slutter å tenke på oppvarmingsteknologi og dens historie. Varmt vann fra springen er et eksempel og var en luksus utilgjengelig for allmennheten til slutten av det 19. århundre.
de tidligste utførelser omfattet enkle åpen ild kjeler og trykk dampkjeler. Utenfor hjemmet tilfredsstilte disse enhetene også kravene til mange industrielle applikasjoner, vitenskapelige prosesser og tjenesteytende næringer. Etter hvert som materialteknologiene ble forbedret og miniatyriseringen av elektronikk ble vanlig, gjorde flere varmtvannsapparater seg inn i markedet. Varm drikke maskiner, oppvaskmaskiner, vaskemaskiner og gulvvarmesystemer kommer til tankene.
i Dag har varmtvann blitt fullstendig kommodisert og gjennomgripende i vår hverdag. Utrolig, kjerneteknologien for å generere den har utviklet seg svært lite.
Varme Via Resistive Varmeelementer
energikilden til varmevann kan deles inn i to kategorier: elektrisitet og fossilt brensel. Den fossile brenselkategorien er avhengig av en brenner og en varmeveksler for indirekte å overføre varmen fra forbrenning til vannet. I den elektriske kategorien oppvarmes vann også indirekte ved å kjøle en resistiv enhet som sprer kraft i form av varme.
disse «resistive varmeelementene» er vanligvis konstruert av en spesiell legering av wire (NiChrome) innpakket i et rustfritt stålrør og fylt med magnesiumoksidpulver. Motstanden av ledningen, vanligvis en håndfull ohm, fører til at den blir ekstremt varm når en strøm går gjennom den. Denne ledningen er elektrisk isolert av magnesiumoksidpulveret og varmen overfører gjennom pulveret til den ytre kappen av metall, som er i kontakt med vannet som skal varmes opp.
Beregning Av Temperaturstigningen Av Vann
den spesifikke varmen av vann er en fysisk konstant som dikterer at 4.186 joules energi kreves for å varme en kubikkcentimeter vann Med En Grad Celsius. Å vite motstanden til varmeelementet, kan man beregne den spredte kraften og beregne hvor mye tid det tar å varme opp et visst volum vann.
i rennende vann bestemmes tidskomponenten av vanneksponeringen for varme av strømningshastigheten. I avledningen nedenfor vil den endelige ligningen fortelle deg temperaturstigningen av rennende vann for en gitt varmekraftpåført den.
i den nevnte vannoppvarmingsdiskusjonen er mekanismen for oppvarming av vann fundamentalt det samme.
en varmekilde, enten et elektrisk varmeelement eller en gassbrenner, blir ekstremt varm i forhold til den endelige ønskede vanntemperaturen, og denne varmeenergien overføres til vannet.
Interessant, finnes et annet paradigme av oppvarming vann, og det fungerer på en helt annen måte.
Joule Oppvarming/Ohmisk Oppvarming (AKA Når Vann er En Resistiv Komponent)
Joule oppvarming, ofte referert Til Som Ohmisk oppvarming, varmer vann ved hjelp av elektrisitet ved å sende elektrisk strøm direkte gjennom vannet. Ingen varmeelementer brukes, og faktisk vil den tilsvarende elektriske kretsen skildre selve vannet som resistiv komponent.
Rent vann er en forferdelig elektrisk leder. Heldigvis har alt vannet vi samhandler med daglig, oppløst salter i det, noe som gjør det til en elektrolytt.
disse oppløste saltene tar form av ioner i vannet og tillater vannet å støtte ledningen av elektrisk strøm. Det er veldig viktig å huske at denne elektriske strømmen ikke er som den typiske ledningen av elektroner gjennom en metalltråd. Den er basert på transport av ioner og er en bemerkelsesverdig kompleks kjemisk prosess.
de kritiske parametrene som bestemmer mengden ledning, og i sin tur den effektive elektriske motstanden til vannet, er ledningsevnen til elektrolytten og mengden elektrolytt utsatt for det elektriske potensialet.
for å gjøre problemet enkelt, anta at spenningspotensialet påføres vannet ved hjelp av to elektroder i form av flate plater. Den effektive motstanden til løsningen er derfor avstanden mellom de to platene dividert med platens overflateareal og videre dividert med elektrolyttens ledningsevne.
Et eksempel På Beregning Av Joule Oppvarming
som et raskt eksempel, begynn med to elektrodeplater, hver 5 cm med 5 cm, som er 10 mm fra hverandre og nedsenket i typisk drikkevann med en ledningsevne på 400 uS/cm. Den effektive motstanden til denne kretsen er 100 ohm. Hvis man skulle bruke 240 VAC til de to elektrodene, ville den resulterende strømmen være 2,4 A. strømmen som er spredt i vannet, virker ut til 576 W, og alt omdannes til varme.
det er viktig å påpeke at ledningsevnen til elektrolytten kan variere mye. Typisk drikkevann kan variere fra ca 50 uS / cm til 2000 uS / cm. I den høye enden vil eksemplet ovenfor bruke over 2,5 kW strøm.
Når strømmen i kretsen er bestemt, kan den resulterende temperaturendringen lett bestemmes igjen ved hjelp av den spesifikke varmen av vann. I vårt eksempel ovenfor, anta at de to elektrodene ble nedsenket i 1 liter vann. Etter at spenningen er påført, vil 576 watt bli spredt av vannet kontinuerlig. På 60 sekunder vil dette utgjøre 34,5 kJ. Siden det er 1000 cc vann, bare dele 34.5 av 4.186 for å fastslå at temperaturen vil ha gått opp med ca 8 grader Celsius.
det er verdt å merke seg at vann utviser en annenordenseffekt hvor ledningsevnen faktisk endres med temperaturen. For hver Grad Celsius av temperaturstigning øker ledningsevnen med ca 2%. Så når vi oppvarmer vannet, vil strømmen faktisk øke og vannet vil varme enda mer enn forventet.
VEKSELSTRØMSPOTENSIAL vs LIKESTRØMSPOTENSIAL
det er viktig å merke seg at I eksemplet ble ET VEKSELSTRØMSPOTENSIAL påført elektrolytten. Dette er en kritisk detalj i å bruke denne metoden for å generere varme i vannet. HVIS DC hadde blitt brukt i stedet, oppstår en helt annen prosess som kalles elektrolyse. Ulike gasser, inkludert hydrogen og oksygen, vil bli generert ved elektrodegrensesnittene, og elektrodene selv kan bli en del av reaksjonen på en skadelig måte.
Konklusjon
Som man kan se, Er Ohmisk oppvarming ubehagelig og gir noen interessante utfordringer fra kontrollperspektivet. Av denne grunn har det historisk blitt henvist til industrielle og kommersielle applikasjoner, for eksempel bulkoppvarming av mat til pasteurisering. Det kontrollerte miljøet, kjent elektrolytt og konstant overvåking gir en svært effektiv og forutsigbar prosess.
Ohmsk oppvarmingsteknologi er imidlertid moden. Nye teknikker for å tilpasse dynamisk til brede ledningsevne kombinert med noen smarte kontrollalgoritmer har i stor grad forbedret sin robusthet. Som sådan, er det i ferd med å finne programmer i forbrukerprodukter som hjem varmtvannsberedere og te kjeler. I nær fremtid kan det godt erstatte resistive varmeelementer sammen.
