ogrzewanie Joule, znane również jako ogrzewanie omowe, służy do bezpośredniego podgrzewania wody prądem elektrycznym.
ogrzewanie Joule jest czasami określane również jako ogrzewanie omowe lub elektryczne ogrzewanie oporowe. Odnosi się do metody ogrzewania wody wypełnionej elektrolitem poprzez bezpośrednie wystawienie jej na działanie prądu elektrycznego.
w tym artykule omówimy znaczenie tej metody podgrzewania wody i sposób jej osiągnięcia.
Krótka historia wodnych urządzeń grzewczych
konieczność ciepłej wody i jej ogólna dostępność jest często brana za pewnik, zwłaszcza gdy przestaje się myśleć o technologii grzewczej i jej historii. Gorąca woda z kranu jest jednym z przykładów i była luksusem niedostępnym dla ogółu społeczeństwa aż do końca XIX wieku.
najwcześniejsze przykłady wykonania obejmowały proste czajniki z otwartym ogniem i ciśnieniowe kotły parowe. Poza domem urządzenia te spełniały również wymagania dla wielu zastosowań przemysłowych, procesów naukowych i przemysłu usługowego. Wraz z postępem technologii materiałowych i upowszechnianiem się miniaturyzacji elektroniki na rynku pojawiły się dodatkowe urządzenia ciepłej wody użytkowej. Przychodzą na myśl Maszyny do gorących napojów, zmywarki do naczyń, myjki do ubrań i systemy ogrzewania podłogowego.
dzisiaj gorąca woda stała się całkowicie utowarowiona i wszechobecna w naszym codziennym życiu. O dziwo, podstawowa technologia do jej generowania ewoluowała bardzo niewiele.
ciepło za pomocą rezystancyjnych elementów grzejnych
źródło energii do podgrzewania wody można podzielić na dwie kategorie: energię elektryczną i paliwa kopalne. Kategoria paliw kopalnych opiera się na palniku i wymienniku ciepła, aby pośrednio przenosić ciepło ze spalania do wody. W kategorii elektrycznej woda jest również ogrzewana pośrednio przez chłodzenie urządzenia rezystancyjnego, które rozprasza moc w postaci ciepła.
te „rezystancyjne elementy grzejne” są zwykle zbudowane ze specjalnego stopu drutu (Nichrom) owiniętego w rurę ze stali nierdzewnej i wypełnionego proszkiem tlenku magnezu. Rezystancja drutu, Zwykle garść omów, powoduje, że staje się bardzo gorący, gdy przepływa przez niego prąd. Ten drut jest izolowany elektrycznie przez proszek tlenku magnezu, a ciepło przenosi się przez proszek do zewnętrznej płaszcza z metalu, który ma kontakt z podgrzewaną wodą.
Obliczanie wzrostu temperatury wody
ciepło właściwe wody jest stałą fizyczną, która dyktuje 4,186 dżuli energii wymaganej do ogrzania jednego centymetra sześciennego wody o jeden stopień Celsjusza. Znając opór elementu grzejnego, można obliczyć rozproszoną moc i obliczyć, ile czasu zajmie podgrzanie określonej objętości wody.
w przepływającej wodzie składowa czasowa ekspozycji wody na ciepło jest określana przez natężenie przepływu. W poniższym wyprowadzeniu końcowe równanie powie Ci wzrost temperatury płynącej wody dla danej mocy grzewczej zastosowanej do niej.
we wspomnianej dyskusji na temat podgrzewania wody mechanizm podgrzewania wody jest zasadniczo taki sam.
źródło ciepła, albo elektryczny element grzejny, albo palnik gazowy, staje się bardzo gorące w stosunku do końcowej pożądanej temperatury wody, a ta energia cieplna jest przekazywana do wody.
co ciekawe, istnieje inny paradygmat podgrzewania wody i działa on w zupełnie inny sposób.
ogrzewanie Joule 'a / ogrzewanie omowe (AKA, gdy woda jest elementem rezystancyjnym)
ogrzewanie Joule’ a, często określane jako ogrzewanie omowe, ogrzewa wodę za pomocą energii elektrycznej, przepuszczając prąd elektryczny bezpośrednio przez wodę. Nie stosuje się żadnych elementów grzejnych i w rzeczywistości równoważny obwód elektryczny przedstawiałby samą wodę jako element rezystancyjny.
czysta woda jest okropnym przewodnikiem elektrycznym. Na szczęście woda, z którą codziennie wchodzimy w interakcję, zawiera rozpuszczone sole, co czyni ją elektrolitem.
te rozpuszczone sole przyjmują postać jonów w wodzie i pozwalają wodzie wspierać przewodzenie prądu elektrycznego. Bardzo ważne jest, aby pamiętać, że ten prąd elektryczny nie jest podobny do typowego przewodzenia elektronów przez metalowy drut. Opiera się na transporcie jonów i jest niezwykle złożonym procesem chemicznym.
krytycznymi parametrami, które określają ilość przewodzenia, a z kolei efektywny opór elektryczny wody, są przewodność elektrolitu i ilość elektrolitu narażonego na potencjał elektryczny.
aby uprościć problem, Załóżmy, że potencjał napięcia jest przykładany do wody za pomocą dwóch elektrod w kształcie płaskich płytek. Efektywna rezystancja roztworu jest zatem odległością między dwiema płytami podzieloną przez pole powierzchni płytek i dalej podzieloną przez przewodność elektrolitu.
przykład obliczenia podgrzewania Dżula
jako szybki przykład, zacznij od dwóch płyt elektrodowych, każda 5 cm na 5 cm, które są oddalone od siebie o 10 mm i zanurzone w typowej wodzie pitnej o przewodności 400 uS / cm. Efektywna rezystancja tego obwodu wynosi 100 omów. Gdyby zastosować 240 VAC do dwóch elektrod, uzyskany prąd wynosiłby 2,4 A. moc rozproszona w wodzie wynosi 576 W, a całość jest zamieniana na ciepło.
ważne jest, aby podkreślić, że przewodność elektrolitu może się znacznie różnić. Typowa woda pitna może wynosić od około 50 uS / cm do 2000 uS / cm. Na najwyższym poziomie powyższy przykład wykorzystałby ponad 2,5 kW mocy.
po określeniu mocy rozproszonej w obwodzie, wynikową zmianę temperatury można łatwo określić ponownie za pomocą ciepła właściwego wody. W naszym przykładzie powyżej Załóżmy, że dwie elektrody były zanurzone w 1 litrze wody. Po przyłożeniu napięcia 576 watów zostanie rozproszonych przez wodę w sposób ciągły. W ciągu 60 sekund wyniosłoby to 34,5 kJ. Ponieważ jest 1000 cm3 wody, po prostu podziel 34,5 przez 4,186, aby określić, że temperatura wzrośnie o około 8 stopni Celsjusza.
warto zauważyć, że woda wykazuje efekt drugiego rzędu, w którym przewodność faktycznie zmienia się wraz z temperaturą. Dla każdego stopnia wzrostu temperatury przewodność wzrasta o około 2%. Tak więc, gdy podgrzewamy wodę, prąd faktycznie wzrośnie, a woda nagrzeje się jeszcze bardziej, niż przewidywano.
potencjał AC vs. potencjał DC
ważne jest, aby pamiętać, że w przykładzie, potencjał AC został zastosowany do elektrolitu. Jest to kluczowy szczegół w stosowaniu tej metody do generowania ciepła w wodzie. Gdyby zamiast tego zastosowano DC, zachodzi zupełnie inny proces zwany elektrolizą. Różne gazy, w tym wodór i tlen, będą generowane na interfejsach elektrod, a same elektrody mogą stać się częścią reakcji w szkodliwy sposób.
podsumowanie
jak widać, ogrzewanie omowe jest nietrywialne i stawia kilka ciekawych wyzwań z punktu widzenia sterowania. Z tego powodu został on historycznie zdegradowany do zastosowań przemysłowych i komercyjnych, takich jak masowe podgrzewanie żywności w celu pasteryzacji. Kontrolowane środowisko, znany elektrolit i stały monitoring sprawiają, że proces jest wysoce wydajny i przewidywalny.
Technika Grzewcza omowa jednak dojrzewa. Nowe techniki dynamicznego dostosowywania się do szerokich przewodzeń w połączeniu z niektórymi sprytnymi algorytmami sterowania znacznie zwiększyły jego wytrzymałość. W związku z tym zaczyna znajdować zastosowanie w produktach konsumenckich, takich jak domowe podgrzewacze wody i czajniki do herbaty. W niedalekiej przyszłości może bardzo dobrze zastąpić rezystancyjne elementy grzejne razem.
