Joule uppvärmning, även känd som ohmisk uppvärmning, används för att direkt värma vatten med elektrisk ström.
Joule uppvärmning kallas ibland också ohmisk uppvärmning eller elektrisk motståndsuppvärmning. Det hänvisar till metoden för uppvärmning av elektrolytfyllt vatten genom att utsätta det direkt för elektrisk ström.
i den här artikeln kommer vi att diskutera betydelsen av denna metod för vattenuppvärmning och hur den uppnås.
en kort historia av Vattenuppvärmningsanordningar
nödvändigheten av varmt vatten och dess allmänna tillgänglighet är något som ofta tas för givet, särskilt när man slutar tänka på värmeteknik och dess historia. Varmt vatten från kranen är ett exempel och var en lyx otillgänglig för allmänheten fram till slutet av 19-talet.
de tidigaste utföringsformerna inkluderade enkla vattenkokare med öppen eld och ångpannor under tryck. Utanför hemmet uppfyllde dessa enheter också kraven för många industriella applikationer, vetenskapliga processer och serviceindustrier. När materialtekniken förbättrades och miniatyriseringen av elektronik blev vanligt, tog ytterligare varmvattenberedare sig in på marknaden. Varm dryck maskiner, diskmaskiner, tvättmaskiner, och golvvärmesystem kommer att tänka på.
idag har varmvatten blivit helt commoditized och genomgripande i vår vardag. Otroligt nog har kärntekniken för att generera den utvecklats väldigt lite.
värme via resistiva värmeelement
energikällan för att värma vatten kan delas in i två kategorier: el och fossila bränslen. Kategorin fossila bränslen är beroende av en brännare och en värmeväxlare för att indirekt överföra värmen från förbränning till vattnet. I den elektriska kategorin värms också vatten indirekt genom att kyla en resistiv anordning som släpper ut kraft i form av värme.
dessa ”resistiva värmeelement” är vanligtvis konstruerade av en speciell legering av tråd (nikrom) insvept i ett rostfritt stålrör och fyllt med magnesiumoxidpulver. Trådens motstånd, vanligtvis en handfull ohm, får den att bli extremt varm när en ström passerar genom den. Denna tråd är elektriskt isolerad av magnesiumoxidpulvret och värmen överförs genom pulvret till den yttersta manteln av metall, som är i kontakt med vattnet som ska värmas upp.
beräkning av temperaturökningen av vatten
den specifika värmen av vatten är en fysisk konstant som dikterar 4.186 Joule energi krävs för att värma en kubikcentimeter vatten med en grad Celsius. Att veta värmeelementets motstånd kan man beräkna den avledda effekten och beräkna hur mycket tid det tar att värma upp en viss volym vatten.
i strömmande vatten bestäms tidskomponenten för vattenexponeringen för värme av flödeshastigheten. I härledningen nedan kommer den slutliga ekvationen att berätta temperaturökningen av strömmande vatten för en given värmekraft som appliceras på den.
i ovannämnda vattenuppvärmningsdiskussion är mekanismen för uppvärmning av vatten i grunden densamma.
en värmekälla, antingen ett elvärmeelement eller en gasbrännare, blir extremt varm i förhållande till den slutliga önskade vattentemperaturen, och denna värmeenergi överförs till vattnet.
intressant finns det ett annat paradigm för uppvärmning av vatten, och det fungerar på ett helt annat sätt.
Joule uppvärmning / ohmisk uppvärmning (AKA när vatten är en resistiv komponent)
Joule uppvärmning, ofta kallad ohmisk uppvärmning, värmer vatten med el genom att leda elektrisk ström direkt genom vattnet. Inga värmeelement används och i själva verket skulle den ekvivalenta elektriska kretsen avbilda själva vattnet som resistiv komponent.
rent vatten är en fruktansvärd elektrisk ledare. Lyckligtvis har allt vatten vi interagerar med dagligen löst salter i det, vilket gör det till en elektrolyt.
dessa upplösta salter har formen av joner i vattnet och låter vattnet stödja ledningen av elektrisk ström. Det är mycket viktigt att komma ihåg att denna elektriska ström inte är som den typiska ledningen av elektroner genom en metalltråd. Det är baserat på transport av joner och är en anmärkningsvärt komplex kemisk process.
de kritiska parametrarna som bestämmer mängden ledning och i sin tur det effektiva elektriska motståndet hos vattnet är elektrolytens ledningsförmåga och mängden elektrolyt som utsätts för den elektriska potentialen.
för att göra problemet enkelt antar du att spänningspotentialen appliceras på vattnet med två elektroder i form av plana plattor. Lösningens effektiva motstånd är därför avståndet mellan de två plattorna dividerat med plattans yta och vidare dividerat med elektrolytens ledningsförmåga.
ett exempel på beräkning av Joule-uppvärmning
som ett snabbt exempel börjar du med två Elektrodplattor, vardera 5 cm x 5 cm, som är 10 mm från varandra och nedsänkta i typiskt dricksvatten med en konduktivitet på 400 uS/cm. Det effektiva motståndet hos denna krets är 100 ohm. Om man skulle applicera 240 VAC på de två elektroderna skulle den resulterande strömmen vara 2,4 A. effekten som släpps ut i vattnet fungerar till 576 W, och allt omvandlas till värme.
det är viktigt att påpeka att elektrolytens ledningsförmåga kan variera mycket. Typiskt dricksvatten kan sträcka sig från ca 50 uS / cm till 2000 uS/cm. I den höga änden skulle exemplet ovan använda över 2,5 kW effekt.
när den effekt som släpps ut i kretsen har bestämts kan den resulterande temperaturförändringen lätt bestämmas igen med hjälp av den specifika värmen i vatten. I vårt exempel ovan antar du att de två elektroderna nedsänktes i 1 liter vatten. Efter att spänningen applicerats kommer 576 Watt att spridas kontinuerligt av vattnet. På 60 sekunder skulle detta uppgå till 34,5 kJ. Eftersom det finns 1000 cc vatten, dela helt enkelt 34,5 med 4,186 för att bestämma att temperaturen kommer att ha stigit med cirka 8 grader Celsius.
det är värt att notera att vatten uppvisar en andra ordningseffekt där konduktiviteten faktiskt förändras med temperaturen. För varje grad Celsius av temperaturökning ökar konduktiviteten med cirka 2%. Så när vi värmer vattnet kommer strömmen faktiskt att öka och vattnet värms ännu mer än förväntat.
AC-Potential vs. DC-Potential
det är viktigt att notera att i exemplet applicerades en AC-potential på elektrolyten. Detta är en kritisk detalj i att använda denna metod för att generera värme i vattnet. Om DC hade använts istället inträffar en helt annan process som kallas elektrolys. Olika gaser inklusive väte och syre kommer att genereras vid elektrodgränssnitten, och elektroderna själva kan bli en del av reaktionen på ett skadligt sätt.
slutsats
som framgår är ohmisk uppvärmning nontrivial och utgör några intressanta utmaningar ur kontrollperspektivet. Av denna anledning har det historiskt förflyttats till industriella och kommersiella tillämpningar, såsom bulkuppvärmning av mat för pastörisering. Den kontrollerade miljön, känd elektrolyt och konstant övervakning ger en mycket effektiv och förutsägbar process.
ohmisk värmeteknik mognar dock. Nya tekniker för att anpassa sig dynamiskt till breda konduktiviteter i kombination med några smarta kontrollalgoritmer har förbättrat sin robusthet kraftigt. Som sådan börjar det hitta applikationer i konsumentprodukter som hemvattenberedare och tekokare. I den närmaste framtiden kan det mycket väl ersätta resistiva värmeelement tillsammans.
