o que é Aquecimento Joule? Produzir calor com corrente elétrica

o aquecimento Joule, também conhecido como aquecimento óhmico, é usado para aquecer diretamente a água com corrente elétrica.

o aquecimento Joule é por vezes também referido como aquecimento óhmico ou aquecimento por resistência eléctrica. Refere-se ao método de aquecimento da água cheia de eletrólitos, expondo-a diretamente à corrente elétrica.

neste artigo, discutiremos o significado desse método de aquecimento de água e como ele é alcançado.

Uma Breve História dos dispositivos de aquecimento de água

a necessidade de água quente e sua disponibilidade geral é algo muitas vezes dado como certo, especialmente quando se pára para pensar sobre a tecnologia de aquecimento e sua história. A água quente da torneira é um exemplo e era um luxo indisponível para o público em geral até o final do século XIX.

as primeiras formas de realização incluíram chaleiras simples de fogo aberto e caldeiras a vapor pressurizadas. Fora de casa, esses dispositivos também atendiam aos requisitos para inúmeras aplicações industriais, processos científicos e indústrias de serviços. À medida que as tecnologias materiais melhoravam e a miniaturização da eletrônica se tornava comum, aparelhos adicionais de água quente chegavam ao mercado. Máquinas de bebidas quentes, máquinas de lavar louça, lavadoras de roupas e sistemas de aquecimento de piso vêm à mente.Hoje, a água quente tornou-se inteiramente comoditizada e difundida em nossas vidas cotidianas. Surpreendentemente, a tecnologia central para gerá-lo evoluiu muito pouco.

calor através de elementos de aquecimento resistivos

a fonte de energia para aquecer a água pode ser dividida em duas categorias: eletricidade e combustíveis fósseis. A categoria de combustível fóssil depende de um queimador e um trocador de calor para transferir indiretamente o calor da combustão para a água. Na categoria elétrica, a água também é aquecida indiretamente pelo resfriamento de um dispositivo resistivo que está dissipando a energia na forma de calor.Estes “elementos de aquecimento resistive” são construídos tipicamente de uma liga especial do fio (nicromo) envolvido em um tubo de aço inoxidável e enchido com o pó do óxido de magnésio. A resistência do fio, geralmente um punhado de ohms, faz com que ele fique extremamente quente quando uma corrente é passada por ele. Este fio é eletricamente isolado pelo pó de óxido de magnésio e o calor transfere através do pó para a camada mais externa de metal, que está em contato com a água a ser aquecida.

o Cálculo do Aumento de Temperatura da Água

O calor específico da água é um físico constante que determina 4.186 Joules de energia necessária para aquecer um centímetro cúbico de água em um grau Celsius. Conhecendo a resistência do elemento de aquecimento, pode-se calcular a potência dissipada e calcular quanto tempo levará para aquecer um certo volume de água.

na água corrente, o componente de tempo da exposição à água ao calor é determinado pela taxa de fluxo. Na derivação abaixo, a equação final informará o aumento da temperatura da água corrente para uma determinada potência de aquecimento aplicada a ela.

na discussão sobre aquecimento de água mencionada, o mecanismo de aquecimento da água é fundamentalmente o mesmo.

uma fonte de calor, seja um elemento de aquecimento elétrico ou um queimador de gás, fica extremamente quente em relação à temperatura final da água desejada, e essa energia térmica é transferida para a água.

curiosamente, existe outro paradigma de aquecimento de água e funciona de uma maneira completamente diferente.

Aquecimento Joule / Aquecimento óhmico(também conhecido como quando a água é um componente Resistivo)

o aquecimento Joule, muitas vezes referido como aquecimento óhmico, aquece a água usando eletricidade passando a corrente elétrica diretamente pela água. Nenhum elemento de aquecimento é usado e, de fato, o Circuito Elétrico equivalente descreveria a própria água como o componente resistivo.

a água pura é um terrível condutor elétrico. Felizmente, toda a água com a qual interagimos diariamente dissolveu sais, tornando-se um eletrólito.

esses sais dissolvidos assumem a forma de íons Na água e permitem que a água suporte a condução de corrente elétrica. É muito importante lembrar que essa corrente elétrica não é como a condução típica de elétrons através de um fio de metal. Baseia-se no transporte de íons e é um processo químico notavelmente complexo.

os parâmetros críticos que determinam a quantidade de condução e, por sua vez, a resistência elétrica efetiva da água são a condutividade do eletrólito e a quantidade de eletrólito exposta ao potencial elétrico.

para simplificar o problema, suponha que o potencial de tensão seja aplicado à água usando dois eletrodos na forma de placas planas. A resistência efetiva da solução é, portanto, a distância entre as duas placas divididas pela área de superfície das placas e ainda dividida pela condutividade do eletrólito.

um exemplo de cálculo do aquecimento de Joule

como um exemplo rápido, comece com duas placas de eletrodo, cada uma com 5 cm por 5 cm, que estão separadas por 10 mm e submersas em água potável típica com uma condutividade de 400 uS/cm. A resistência efetiva deste circuito é de 100 ohms. Se alguém aplicasse 240 VAC aos dois eletrodos, a corrente resultante seria 2,4 A. a potência dissipada na água funciona para 576 W, e tudo isso é convertido em calor.

é importante ressaltar que a condutividade do eletrólito pode variar amplamente. A água potável típica pode variar de cerca de 50 uS / cm a 2000 uS / cm. No topo, o exemplo acima seria usar mais de 2,5 kW de potência.

uma vez que a potência dissipada no circuito é determinada, a mudança de temperatura resultante pode ser facilmente determinada novamente usando o calor específico da água. Em nosso exemplo acima, suponha que os dois eletrodos foram submersos em 1 litro de água. Depois que a tensão é aplicada, 576 watts serão dissipados pela água continuamente. Em 60 segundos, isso equivaleria a 34,5 kJ. Como há 1000 cc de água, basta dividir 34,5 por 4,186 para determinar que a temperatura terá subido cerca de 8 graus Celsius.

vale a pena notar que a água exibe um efeito de segunda ordem em que a condutividade realmente muda com a temperatura. Para cada grau Celsius de aumento de temperatura, a condutividade aumenta em aproximadamente 2%. Então, à medida que aquecemos a água, a corrente realmente aumentará e a água aquecerá ainda mais do que o previsto.

potencial CA vs. potencial CC

é importante notar que, no exemplo, um potencial CA foi aplicado ao eletrólito. Este é um detalhe crítico ao usar este método para gerar calor na água. Se DC tivesse sido usado, um processo completamente diferente chamado eletrólise ocorre. Vários gases, incluindo hidrogênio e oxigênio, serão gerados nas interfaces do eletrodo, e os próprios eletrodos podem se tornar parte da reação de maneira prejudicial.

conclusão

como pode ser visto, o aquecimento óhmico não é trivial e apresenta alguns desafios interessantes da perspectiva do controle. Por esse motivo, tem sido historicamente relegado a aplicações industriais e comerciais, como aquecimento a granel de alimentos para pasteurização. O ambiente controlado, o eletrólito conhecido e o monitoramento constante proporcionam um processo altamente eficiente e previsível.

A tecnologia de aquecimento Ohmic está amadurecendo, no entanto. Novas técnicas para se adaptar dinamicamente a condutividades amplas, juntamente com alguns algoritmos de controle inteligentes, aumentaram muito sua robustez. Como tal, está começando a encontrar aplicações em produtos de consumo, como aquecedores de água domésticos e chaleiras de chá. Em um futuro próximo, pode muito bem substituir elementos de aquecimento resistivos todos juntos.