Wat is Joule-verwarming? Het produceren van warmte met elektrische stroom

Joule-verwarming, ook bekend als ohmische verwarming, wordt gebruikt om water rechtstreeks met elektrische stroom te verwarmen.

Jouleverwarming wordt soms ook wel ohmische verwarming of elektrische weerstandsverwarming genoemd. Het verwijst naar de methode om met elektrolyt gevuld water te verwarmen door het direct aan elektrische stroom bloot te stellen.

In dit artikel zullen we de Betekenis van deze methode van waterverwarming bespreken en hoe deze wordt bereikt.

een korte geschiedenis van waterverwarmingsapparaten

de noodzaak van warm water en de algemene beschikbaarheid ervan wordt vaak als vanzelfsprekend beschouwd, vooral wanneer men stopt met nadenken over verwarmingstechnologie en de geschiedenis ervan. Warm water uit de kraan is een voorbeeld en was een luxe niet beschikbaar voor het grote publiek tot het einde van de 19e eeuw.

de vroegste uitvoeringsvormen omvatten eenvoudige ketels voor open vuur en stoomketels onder druk. Buiten het huis voldeden deze apparaten ook aan de eisen voor talrijke industriële toepassingen, wetenschappelijke processen en dienstverlenende industrieën. Naarmate de materiaaltechnologieën verbeterden en de miniaturisatie van elektronica gemeengoed werd, kwamen extra warmwatertoestellen op de markt. Machines voor warme dranken, vaatwassers, wasmachines en vloerverwarming komen bij me op.Tegenwoordig is warm water volledig commoditised en alomtegenwoordig in ons dagelijks leven. Verbazingwekkend genoeg is de kerntechnologie om het te genereren zeer weinig geëvolueerd.

warmte via resistieve verwarmingselementen

de energiebron voor het verwarmen van water kan worden onderverdeeld in twee categorieën: elektriciteit en fossiele brandstoffen. De categorie fossiele brandstoffen is afhankelijk van een brander en een warmtewisselaar om de warmte van verbranding indirect in het water over te brengen. In de elektrische categorie wordt water ook indirect verwarmd door het koelen van een resistief apparaat dat energie afvoert in de vorm van warmte.

deze “resistieve verwarmingselementen” zijn gewoonlijk vervaardigd uit een speciale legering van draad (nichroom), verpakt in een roestvrijstalen buis en gevuld met magnesiumoxidepoeder. De weerstand van de draad, meestal een handvol ohm, zorgt ervoor dat het extreem heet wordt wanneer er een stroom doorheen wordt geleid. Deze draad wordt elektrisch geïsoleerd door het magnesiumoxidepoeder en de warmteoverdracht via het poeder naar de buitenste omhulsel van metaal, die in contact is met het te verwarmen water.

het berekenen van de temperatuurstijging van Water

de soortelijke warmte van water is een fysische constante die 4.186 joule energie vereist om één kubieke centimeter water met één graad Celsius te verwarmen. Het kennen van de weerstand van het verwarmingselement, kan men het afgevoerde vermogen berekenen en berekenen hoeveel tijd het zal duren om een bepaald volume water op te warmen.

in stromend water wordt de tijdscomponent van de blootstelling van het water aan warmte bepaald door het debiet. In de afleiding hieronder, de uiteindelijke vergelijking zal u vertellen de temperatuurstijging van stromend water voor een bepaald verwarmingsvermogen toegepast op het.

in de eerder genoemde discussie over waterverwarming is het mechanisme van het verwarmen van water fundamenteel hetzelfde.

een warmtebron, hetzij een elektrisch verwarmingselement, hetzij een gasbrander, wordt extreem heet ten opzichte van de uiteindelijke gewenste watertemperatuur en deze warmte-energie wordt overgebracht naar het water.

interessant is dat er een ander paradigma van het verwarmen van water bestaat en dat het op een heel andere manier werkt.

Joule verwarming / ohmische Verwarming (ook bekend als Water is een resistieve Component)

Joule verwarming, vaak aangeduid als ohmische verwarming, verwarmt water met behulp van elektriciteit door elektrische stroom direct door het water. Er worden geen verwarmingselementen gebruikt en in feite zou het equivalente elektrische circuit het water zelf afschilderen als de resistieve component.

zuiver water is een vreselijke elektrische geleider. Gelukkig heeft al het water waar we dagelijks mee omgaan, er zouten in opgelost, waardoor het een elektrolyt is.

deze opgeloste zouten nemen de vorm aan van ionen in het water en zorgen ervoor dat het water de geleiding van elektrische stroom ondersteunt. Het is zeer belangrijk om te onthouden dat deze elektrische stroom is niet zoals de typische geleiding van elektronen door een metalen draad. Het is gebaseerd op het transport van ionen en is een opmerkelijk complex chemisch proces.

de kritische parameters die de hoeveelheid geleiding en op hun beurt de effectieve elektrische weerstand van het water bepalen, zijn de geleidbaarheid van de elektrolyt en de hoeveelheid elektrolyt die aan de elektrische potentiaal wordt blootgesteld.

om het probleem eenvoudig te maken, wordt aangenomen dat de spanningspotentiaal op het water wordt toegepast met behulp van twee elektroden in de vorm van platte platen. De effectieve weerstand van de oplossing is daarom de afstand tussen de twee platen gedeeld door het oppervlak van de platen en verder gedeeld door de geleidbaarheid van de elektrolyt.

een voorbeeld van het berekenen van Joule verwarming

als snel voorbeeld, beginnen met twee elektrode platen, elk 5 cm bij 5 cm, die 10 mm Uit elkaar liggen en ondergedompeld in typisch drinkwater met een geleidbaarheid van 400 uS/cm. De effectieve weerstand van dit circuit is 100 ohm. Als men 240 VAC op de twee elektroden zou toepassen, zou de resulterende stroom 2,4 A. Het vermogen dat in het water wordt afgevoerd, werkt tot 576 W, en alles wordt omgezet in warmte.

het is belangrijk erop te wijzen dat de geleidbaarheid van de elektrolyt sterk kan variëren. Typisch drinkwater kan variëren van ongeveer 50 uS / cm tot 2000 uS / cm. Op de high-end, het voorbeeld hierboven zou worden met behulp van meer dan 2,5 kW vermogen.

zodra het in het circuit gedispergeerde vermogen is bepaald, kan de resulterende temperatuurverandering gemakkelijk opnieuw worden bepaald met behulp van de soortelijke warmte van water. In ons voorbeeld hierboven, veronderstellen dat de twee elektroden werden ondergedompeld in 1 liter water. Nadat de spanning is toegepast, wordt 576 watt continu door het water afgevoerd. In 60 seconden zou dit neerkomen op 34,5 kJ. Aangezien er 1000 cc water is, deel dan gewoon 34,5 door 4.186 om te bepalen dat de temperatuur met ongeveer 8 graden Celsius is gestegen.

het is vermeldenswaard dat water een tweede-orde-effect vertoont, waarbij de geleidbaarheid daadwerkelijk verandert met de temperatuur. Bij elke graad Celsius van temperatuurstijging neemt de geleidbaarheid met ongeveer 2% toe. Dus als we het water verwarmen, zal de stroming toenemen en zal het water zelfs meer verwarmen dan verwacht.

WISSELSTROOMPOTENTIAAL Versus GELIJKSTROOMPOTENTIAAL

het is belangrijk op te merken dat in het voorbeeld een WISSELSTROOMPOTENTIAAL werd toegepast op de elektrolyt. Dit is een cruciaal detail bij het gebruik van deze methode om warmte in het water te genereren. Als DC was gebruikt in plaats daarvan, een heel ander proces genaamd elektrolyse optreedt. Verschillende gassen, waaronder waterstof en zuurstof zullen worden gegenereerd op de elektrode interfaces, en de elektroden zelf kunnen deel uitmaken van de reactie op een schadelijke manier.

conclusie

zoals te zien is, is ohmische verwarming niet triviaal en vormt het een aantal interessante uitdagingen vanuit het controleperspectief. Om deze reden is het historisch gedegradeerd tot industriële en commerciële toepassingen, zoals bulkverwarming van voedsel voor pasteurisatie. De gecontroleerde omgeving, bekende elektrolyt en constante monitoring zorgen voor een zeer efficiënt en voorspelbaar proces.

ohmische verwarmingstechnologie rijpt echter. Nieuwe technieken om zich dynamisch aan te passen aan brede geleidbaarheid in combinatie met enkele slimme besturingsalgoritmen hebben de robuustheid ervan sterk verbeterd. Als zodanig begint het toepassingen te vinden in consumentenproducten zoals huishoudelijke boilers en theewaterkokers. In de nabije toekomst kan het heel goed resistieve verwarmingselementen bij elkaar vervangen.