încălzirea Joule, cunoscută și sub denumirea de încălzire ohmică, este utilizată pentru încălzirea directă a apei cu curent electric.
încălzirea Joule este uneori denumită și încălzire ohmică sau încălzire cu rezistență electrică. Se referă la metoda de încălzire a apei umplute cu electroliți prin expunerea directă la curentul electric.
în acest articol, vom discuta despre semnificația acestei metode de încălzire a apei și modul în care se realizează.
o scurtă istorie a dispozitivelor de încălzire a apei
necesitatea apei calde și disponibilitatea sa generală este adesea luată în considerare, mai ales atunci când se oprește să se gândească la tehnologia de încălzire și la istoria sa. Apa caldă de la robinet este un exemplu și a fost un lux indisponibil pentru publicul larg până la sfârșitul secolului al 19-lea.
cele mai vechi exemple de realizare au inclus cazane simple cu foc deschis și cazane cu abur sub presiune. În afara casei, aceste dispozitive au îndeplinit, de asemenea, cerințele pentru numeroase aplicații industriale, procese științifice și industrii de servicii. Pe măsură ce tehnologiile materiale s-au îmbunătățit și miniaturizarea electronicii a devenit obișnuită, aparatele suplimentare de apă caldă și-au făcut drum pe piață. Mașini de băuturi calde, mașini de spălat vase, mașini de spălat haine și sisteme de încălzire prin pardoseală vin în minte.
astăzi, apa caldă a devenit în întregime comodificată și omniprezentă în viața noastră de zi cu zi. Uimitor, tehnologia de bază pentru a genera a evoluat foarte puțin.
căldură prin elemente de încălzire rezistive
sursa de energie pentru încălzirea apei poate fi împărțită în două categorii: electricitate și combustibili fosili. Categoria combustibililor fosili se bazează pe un arzător și un schimbător de căldură pentru a transfera indirect căldura din combustie în apă. În categoria electrică, apa este, de asemenea, încălzită indirect prin răcirea unui dispozitiv rezistiv care disipează puterea sub formă de căldură.
aceste „elemente de încălzire rezistive” sunt de obicei construite dintr-un aliaj special de sârmă (nicrom) înfășurat într-un tub din oțel inoxidabil și umplut cu pulbere de oxid de magneziu. Rezistența firului, de obicei o mână de ohmi, face ca acesta să devină extrem de fierbinte atunci când trece un curent prin el. Acest fir este izolat electric de pulberea de oxid de magneziu, iar căldura se transferă prin pulbere către mantaua exterioară a metalului, care este în contact cu apa care trebuie încălzită.
calculul creșterii temperaturii apei
căldura specifică a apei este o constantă fizică care dictează 4.186 jouli de energie sunt necesari pentru a încălzi un centimetru cub de apă cu un grad Celsius. Cunoscând rezistența elementului de încălzire, se poate calcula puterea disipată și se calculează cât timp va dura pentru a încălzi un anumit volum de apă.
în apa curgătoare, componenta de timp a expunerii apei la căldură este determinată de debitul. În derivarea de mai jos, ecuația finală vă va spune creșterea temperaturii apei curgătoare pentru o anumită putere de încălzire aplicată acesteia.
în discuția de încălzire a apei menționată mai sus, mecanismul de încălzire a apei este fundamental același.
o sursă de căldură, fie un element electric de încălzire, fie un arzător cu gaz, devine extrem de fierbinte în raport cu temperatura finală dorită a apei, iar această energie termică este transferată în apă.
interesant este că există o altă paradigmă a încălzirii apei și funcționează într-un mod complet diferit.
încălzire Joule/încălzire ohmică (AKA când apa este o componentă rezistivă)
încălzire Joule, denumită adesea încălzire ohmică, încălzește apa folosind electricitate prin trecerea curentului electric direct prin apă. Nu sunt utilizate elemente de încălzire și, de fapt, circuitul electric echivalent ar descrie apa în sine ca fiind componenta rezistivă.
apa pură este un conductor electric teribil. Din fericire, toată apa cu care interacționăm zilnic a dizolvat săruri în ea, făcându-l un electrolit.
aceste săruri dizolvate iau forma ionilor din apă și permit apei să susțină conducerea curentului electric. Este foarte important să ne amintim că acest curent electric nu este ca conducerea tipică a electronilor printr-un fir metalic. Se bazează pe transportul ionilor și este un proces chimic remarcabil de complex.
parametrii critici care determină cantitatea de conducere și, la rândul lor, rezistența electrică efectivă a apei, sunt conductivitatea electrolitului și cantitatea de electrolit expusă potențialului electric.
pentru a simplifica problema, presupuneți că potențialul de tensiune este aplicat apei folosind doi electrozi în formă de plăci plate. Rezistența efectivă a soluției este, prin urmare, distanța dintre cele două plăci împărțită la suprafața plăcilor și împărțită în continuare la conductivitatea electrolitului.
un exemplu de calcul al încălzirii Joule
ca exemplu rapid, începeți cu două plăci de electrod, fiecare de 5 cm pe 5 cm, care sunt la 10 mm Distanță și scufundate în apă potabilă tipică cu o conductivitate de 400 uS/cm. Rezistența efectivă a acestui circuit este de 100 ohmi. Dacă s-ar aplica 240 VAC la cei doi electrozi, curentul rezultat ar fi de 2,4 A. puterea disipată în apă funcționează la 576 W și totul este transformat în căldură.
este important să subliniem că conductivitatea electrolitului poate varia foarte mult. Apa potabilă tipică poate varia de la aproximativ 50 uS/cm la 2000 uS / cm. La capătul înalt, exemplul de mai sus ar fi utilizarea a peste 2,5 kW de putere.
odată ce puterea disipată în circuit este determinată, schimbarea de temperatură rezultată poate fi ușor determinată din nou folosind căldura specifică a apei. În exemplul nostru de mai sus, presupunem că cei doi electrozi au fost scufundați în 1 litru de apă. După aplicarea tensiunii, 576 wați vor fi disipați de apă continuu. În 60 de secunde, acest lucru s-ar ridica la 34,5 kJ. Deoarece există 1000 cc de apă, pur și simplu împărțiți 34,5 la 4,186 pentru a determina că temperatura va crește cu aproximativ 8 grade Celsius.
este demn de remarcat faptul că apa prezintă un efect de ordinul doi în care conductivitatea se schimbă de fapt odată cu temperatura. Pentru fiecare grad Celsius de creștere a temperaturii, conductivitatea crește cu aproximativ 2%. Deci, pe măsură ce încălzim apa, curentul va crește de fapt și apa se va încălzi chiar mai mult decât se anticipase.
potențial AC vs.potențial DC
este important să rețineți că în exemplu, un potențial AC a fost aplicat electrolitului. Acesta este un detaliu critic în utilizarea acestei metode pentru a genera căldură în apă. Dacă DC ar fi fost folosit în schimb, are loc un proces complet diferit numit electroliză. Diverse gaze, inclusiv hidrogen și oxigen, vor fi generate la interfețele electrodului, iar electrozii înșiși pot deveni parte a reacției într-un mod dăunător.
concluzie
după cum se poate observa, încălzirea ohmică este netrivială și prezintă câteva provocări interesante din perspectiva controlului. Din acest motiv, a fost retrogradat istoric în aplicații industriale și comerciale, cum ar fi încălzirea în vrac a alimentelor pentru pasteurizare. Mediul controlat, electrolitul cunoscut și monitorizarea constantă fac un proces extrem de eficient și previzibil.
tehnologia de încălzire ohmică se maturizează, totuși. Noile tehnici de adaptare dinamică la conductivități largi, cuplate cu niște algoritmi de control inteligenți, i-au îmbunătățit foarte mult robustețea. Ca atare, începe să găsească aplicații în produsele de consum, cum ar fi încălzitoarele de apă pentru casă și ceainicele de ceai. În viitorul apropiat, poate înlocui foarte bine elementele de încălzire rezistive împreună.
