Che cos’è il riscaldamento Joule? Produrre calore con corrente elettrica

Il riscaldamento Joule, noto anche come riscaldamento ohmico, viene utilizzato per riscaldare direttamente l’acqua con corrente elettrica.

Il riscaldamento Joule è talvolta indicato anche come riscaldamento ohmico o riscaldamento a resistenza elettrica. Si riferisce al metodo di riscaldamento dell’acqua riempita di elettroliti esponendola direttamente alla corrente elettrica.

In questo articolo, discuteremo il significato di questo metodo di riscaldamento dell’acqua e come viene raggiunto.

Una breve storia dei dispositivi di riscaldamento dell’acqua

La necessità di acqua calda e la sua disponibilità generale è spesso data per scontata, soprattutto quando ci si ferma a pensare alla tecnologia di riscaldamento e alla sua storia. L’acqua calda dal rubinetto è un esempio ed era un lusso non disponibile al grande pubblico fino alla fine del 19 ° secolo.

Le prime realizzazioni includevano semplici bollitori a fuoco aperto e caldaie a vapore pressurizzate. Al di fuori della casa, questi dispositivi soddisfacevano anche i requisiti per numerose applicazioni industriali, processi scientifici e industrie di servizi. Man mano che le tecnologie dei materiali miglioravano e la miniaturizzazione dell’elettronica diventava un luogo comune, altri apparecchi ad acqua calda si fecero strada nel mercato. Vengono in mente macchine per bevande calde, lavastoviglie, lavabiancheria e sistemi di riscaldamento a pavimento.

Oggi, l’acqua calda è diventata completamente mercificata e pervasiva nella nostra vita quotidiana. Sorprendentemente, la tecnologia di base per generarlo si è evoluta molto poco.

Calore tramite resistenze resistive

La fonte di energia per riscaldare l’acqua può essere suddivisa in due categorie: elettricità e combustibili fossili. La categoria dei combustibili fossili si basa su un bruciatore e uno scambiatore di calore per trasferire indirettamente il calore dalla combustione nell’acqua. Nella categoria elettrica, l’acqua viene anche riscaldata indirettamente raffreddando un dispositivo resistivo che dissipa la potenza sotto forma di calore.

Questi “elementi riscaldanti resistivi” sono tipicamente costruiti da una speciale lega di filo (nicromo) avvolta in un tubo di acciaio inossidabile e riempita con polvere di ossido di magnesio. La resistenza del filo, di solito una manciata di ohm, fa sì che diventi estremamente caldo quando viene attraversata una corrente. Questo filo è isolato elettricamente dalla polvere di ossido di magnesio e il calore trasferisce attraverso la polvere al rivestimento più esterno di metallo, che è in contatto con l’acqua da riscaldare.

Calcolo dell’aumento di temperatura dell’acqua

Il calore specifico dell’acqua è una costante fisica che impone 4.186 Joule di energia necessari per riscaldare un centimetro cubo di acqua di un grado Celsius. Conoscendo la resistenza dell’elemento riscaldante, si può calcolare la potenza dissipata e calcolare quanto tempo ci vorrà per riscaldare un certo volume d’acqua.

Nell’acqua corrente, la componente temporale dell’esposizione dell’acqua al calore è determinata dalla portata. Nella derivazione seguente, l’equazione finale ti dirà l’aumento di temperatura dell’acqua che scorre per una data potenza di riscaldamento applicata ad essa.

Nella suddetta discussione sul riscaldamento dell’acqua, il meccanismo di riscaldamento dell’acqua è fondamentalmente lo stesso.

Una fonte di calore, un elemento riscaldante elettrico o un bruciatore a gas, diventa estremamente calda rispetto alla temperatura finale dell’acqua desiderata e questa energia termica viene trasferita all’acqua.

È interessante notare che esiste un altro paradigma di riscaldamento dell’acqua e funziona in un modo completamente diverso.

Riscaldamento Joule / riscaldamento ohmico (OVVERO quando l’acqua è un componente resistivo)

Il riscaldamento Joule, spesso indicato come riscaldamento ohmico, riscalda l’acqua usando l’elettricità facendo passare la corrente elettrica direttamente attraverso l’acqua. Non vengono utilizzati elementi riscaldanti e, di fatto, il circuito elettrico equivalente rappresenterebbe l’acqua stessa come componente resistivo.

L’acqua pura è un terribile conduttore elettrico. Fortunatamente, tutta l’acqua con cui interagiamo quotidianamente ha disciolto i sali, rendendolo un elettrolita.

Questi sali disciolti assumono la forma di ioni nell’acqua e permettono all’acqua di sostenere la conduzione della corrente elettrica. È molto importante ricordare che questa corrente elettrica non è come la tipica conduzione degli elettroni attraverso un filo metallico. Si basa sul trasporto di ioni ed è un processo chimico notevolmente complesso.

I parametri critici che determinano la quantità di conduzione e, a loro volta, l’effettiva resistenza elettrica dell’acqua, sono la conduttività dell’elettrolito e la quantità di elettrolito esposta al potenziale elettrico.

Per semplificare il problema, si supponga che il potenziale di tensione venga applicato all’acqua utilizzando due elettrodi a forma di piastre piatte. La resistenza effettiva della soluzione è, quindi, la distanza tra le due piastre divisa per la superficie delle piastre e ulteriormente divisa per la conduttività dell’elettrolito.

Un esempio di calcolo del riscaldamento Joule

Come esempio rapido, iniziare con due piastre di elettrodi, ciascuna di 5 cm per 5 cm, distanti 10 mm e immerse in acqua potabile tipica con una conduttività di 400 uS/cm. La resistenza effettiva di questo circuito è di 100 ohm. Se si dovesse applicare 240 VAC ai due elettrodi, la corrente risultante sarebbe di 2,4 A. La potenza dissipata nell’acqua arriva a 576 W e tutta viene convertita in calore.

È importante sottolineare che la conduttività dell’elettrolito può variare ampiamente. L’acqua potabile tipica può variare da circa 50 uS / cm a 2000 uS / cm. Nella fascia alta, l’esempio sopra utilizzerebbe oltre 2,5 kW di potenza.

Una volta determinata la potenza dissipata nel circuito, la variazione di temperatura risultante può essere facilmente determinata nuovamente utilizzando il calore specifico dell’acqua. Nel nostro esempio sopra, supponiamo che i due elettrodi siano stati immersi in 1 litro d’acqua. Dopo che la tensione è applicata, 576 watt saranno dissipati dall’acqua continuamente. In 60 secondi, questo ammonterebbe a 34,5 kJ. Poiché ci sono 1000 cc di acqua, basta dividere 34.5 per 4.186 per determinare che la temperatura sarà aumentata di circa 8 gradi Celsius.

Vale la pena notare che l’acqua presenta un effetto di secondo ordine in cui la conduttività cambia effettivamente con la temperatura. Per ogni grado Celsius di aumento di temperatura, la conduttività aumenta di circa il 2%. Quindi, mentre riscaldiamo l’acqua, la corrente aumenterà effettivamente e l’acqua si scalderà ancora più del previsto.

Potenziale CA vs. Potenziale CC

È importante notare che nell’esempio è stato applicato un potenziale CA all’elettrolita. Questo è un dettaglio fondamentale nell’utilizzo di questo metodo per generare calore nell’acqua. Se invece fosse stata usata la DC, si verifica un processo completamente diverso chiamato elettrolisi. Vari gas tra cui idrogeno e ossigeno saranno generati alle interfacce degli elettrodi, e gli elettrodi stessi possono diventare parte della reazione in modo dannoso.

Conclusione

Come si può vedere, il riscaldamento ohmico non è banale e pone alcune sfide interessanti dal punto di vista del controllo. Per questo motivo, è stato storicamente relegato ad applicazioni industriali e commerciali, come il riscaldamento sfuso di alimenti per la pastorizzazione. L’ambiente controllato, l’elettrolito noto e il monitoraggio costante rendono un processo altamente efficiente e prevedibile.

La tecnologia di riscaldamento ohmico sta tuttavia maturando. Nuove tecniche per adattarsi dinamicamente a conduttività ampie abbinate ad alcuni algoritmi di controllo intelligenti hanno notevolmente migliorato la sua robustezza. Come tale, sta cominciando a trovare applicazioni in prodotti di consumo come scaldacqua domestici e bollitori di tè. Nel prossimo futuro, potrebbe benissimo sostituire gli elementi riscaldanti resistivi tutti insieme.