ジュール加熱は、オーミック加熱としても知られており、電流で水を直接加熱するために使用されます。
ジュール加熱は、オーミック加熱または電気抵抗加熱とも呼ばれます。 これは、電解質で満たされた水を電流に直接曝すことによって加熱する方法を指す。
この記事では、この水加熱方法の重要性とそれがどのように達成されるかについて説明します。
水加熱装置の簡単な歴史
お湯の必要性とその一般的な利用可能性は、特に暖房技術とその歴史について考えるのをやめるとき、しばしば当たり前 蛇口からのお湯はその一例であり、19世紀後半まで一般には利用できない贅沢でした。
初期の実施形態には、単純な直火釜と加圧式蒸気ボイラーが含まれていました。 家の外で、これらの装置はまた多数の産業適用、科学的なプロセスおよびサービス産業のための条件を満たした。 材料技術が向上し、電子機器の小型化が一般的になるにつれて、追加の温水器具が市場に参入しました。 熱い飲料機械、ディッシュウォッシャー、衣服洗濯機および床暖房システムは心に来る。
今日、お湯は私たちの日常生活の中で完全にコモディティ化され、普及しています。 驚くべきことに、それを生成するためのコア技術はほとんど進化していません。
抵抗発熱体を介した熱
水を加熱するエネルギー源は、電気と化石燃料の二つのカテゴリに分けることができます。 化石燃料の部門はバーナーおよび熱交換器に間接的に水に燃焼からの熱を移すために頼ります。 電気部門では、水はまた熱の形で力を散らしている抵抗装置を冷却することによって間接的に熱されます。
これらの”抵抗発熱体”は、通常、ステンレス鋼管に包まれ、酸化マグネシウム粉末で満たされたワイヤ（ニクロム）の特別な合金から構成されています。 ワイヤの抵抗、通常は一握りのオームは、電流が通過すると非常に熱くなります。 このワイヤは、酸化マグネシウム粉末によって電気的に絶縁され、粉末を介して加熱される水と接触する金属の最も外側のジャケットに熱伝達さ
水の温度上昇の計算
水の比熱は、4.186ジュールのエネルギーを指示する物理定数であり、水の1立方センチメートルを摂氏1度加熱するために必要です。 発熱体の抵抗を知ることで、消費電力を計算し、一定量の水を加熱するのにどれくらいの時間がかかるかを計算することができます。
流れる水では、熱への水の暴露の時間成分は流量によって決定されます。 以下の導出では、最終的な方程式は、与えられた加熱電力に対する流水の温度上昇を教えてくれるでしょう。
前述の水加熱の議論では、水を加熱するメカニズムは基本的に同じです。
電気加熱要素またはガスバーナーのいずれかの熱源は、最終的な所望の水温に対して非常に高温になり、この熱エネルギーは水に伝達される。
興味深いことに、水を加熱する別のパラダイムが存在し、それは全く異なる方法で動作します。
ジュール加熱/オーム加熱（水が抵抗成分である場合は別名）
ジュール加熱は、しばしばオーム加熱と呼ばれ、水に電流を直接流すことによって電気を使用して水を加熱する。 加熱要素は使用されず、実際には、等価電気回路は水自体を抵抗成分として描写する。
純粋な水はひどい電気導体です。 幸いなことに、私たちが日常的にやりとりするすべての水は、その中に塩を溶解しており、電解質になっています。
これらの溶解した塩は水中のイオンの形をとり、水が電流の伝導を支持することを可能にする。 この電流は、金属線を通る電子の典型的な伝導のようなものではないことを覚えておくことは非常に重要です。 それはイオンの輸送に基づいており、非常に複雑な化学プロセスです。
伝導量、ひいては水の有効電気抵抗を決定する重要なパラメータは、電解質の導電率と電位にさらされる電解質の量です。
問題を簡単にするために、平板状の二つの電極を用いて水に電圧電位を印加すると仮定する。 したがって、溶液の有効抵抗は、プレートの表面積で除算され、さらに電解質の導電率で除算された二つのプレート間の距離である。
ジュール加熱の計算例
簡単な例として、それぞれ5cm x5cmの2つの電極板から始めます。 この回路の有効抵抗は100オームです。 水に放散された電力は576Wになり、そのすべてが熱に変換されます。
電解質の導電率は大きく変化する可能性があることを指摘することが重要です。 典型的な飲料水は、約50uS/cmから2000uS/cmの範囲であり得る。 ハイエンドでは、上記の例では2.5kW以上の電力を使用しています。
回路内で消費される電力が決定されると、結果として生じる温度変化は、水の比熱を用いて容易に再び決定することができる。 上記の例では、2つの電極が1リットルの水に浸漬されたと仮定します。 電圧が印加された後、576ワットは水によって絶えず散ります。 60秒で、これは34.5kJになります。 水の1000ccがあるので、温度が約8の摂氏温度によって上がったことを定めるために34.5によって4.186を単に割る。
水は温度によって導電率が実際に変化する二次効果を示すことは注目に値する。 温度の上昇のあらゆる摂氏温度のために、伝導性はおよそ2%増加します。 私たちが水を加熱すると、電流は実際に増加し、水は予想以上に加熱されます。＜518＞＜2844＞交流電位対直流電位＜6571＞＜87＞この例では、電解質に交流電位を印加したことに注意することが重要である。 これは水の熱を発生させるのにこの方法の使用の重大な細部である。 DCが代わりに使用されていた場合、電気分解と呼ばれる完全に異なるプロセスが発生します。 電極界面には水素や酸素を含む様々なガスが発生し、電極自体が有害な方法で反応の一部になる可能性があります。
結論
見られるように、オーミック加熱は重要ではなく、制御の観点からいくつかの興味深い課題を提起します。 従って、それは低温殺菌のための食糧のバルク暖房のような産業および商用アプリケーションに歴史的に、追いやられました。 制御された環境、既知の電解質、および常時監視により、非常に効率的で予測可能なプロセスが実現されます。
しかし、オーミック加熱技術は成熟しています。 いくつかの巧妙な制御アルゴリズムと相まって、広い導電率に動的に適応するための新しい技術は、そのロバスト性を大幅に強化しました。 そのように、それは家の給湯装置および茶やかんのような消費者製品の適用を見つけ始めています。 近い将来、それは非常によく抵抗発熱体をすべて一緒に取り替えるかもしれません。
