Làm nóng điện cực của môi trường chất lỏng

Phương pháp làm nóng điện cực được sử dụng để làm nóng dây II triệu: nước, sữa, nước trái cây và quả mọng, đất, bê tông, v.v. Gia nhiệt bằng điện cực phổ biến trong nồi hơi điện cực, nồi hơi nước nóng và hơi nước, cũng như trong quá trình thanh trùng và khử trùng chất lỏng và môi trường ướt, xử lý nhiệt thức ăn.

Vật liệu được đặt giữa các điện cực và được làm nóng bằng dòng điện chạy qua vật liệu từ điện cực này sang điện cực kia. Gia nhiệt bằng điện cực được coi là gia nhiệt trực tiếp—ở đây, vật liệu đóng vai trò là môi trường trong đó năng lượng điện được chuyển thành nhiệt.

Gia nhiệt điện cực là cách đơn giản và kinh tế nhất để gia nhiệt vật liệu; nó không yêu cầu nguồn điện đặc biệt hoặc máy sưởi làm bằng hợp kim đắt tiền.

Các điện cực cung cấp dòng điện cho môi trường được làm nóng và bản thân chúng thực tế không được làm nóng bởi dòng điện. Các điện cực được làm bằng vật liệu không thiếu, thường là kim loại, nhưng chúng cũng có thể là phi kim loại (than chì, carbon). Để tránh điện phân, chỉ sử dụng Dòng điện xoay chiều.

Độ dẫn điện của vật liệu ướt được xác định bởi hàm lượng nước, do đó, trong phần dưới đây, việc gia nhiệt bằng điện cực sẽ được xem xét chủ yếu để đun nóng nước, nhưng các yếu tố phụ thuộc đã cho cũng có thể áp dụng để gia nhiệt các phương tiện ướt khác.

Đun nóng trong chất điện phân

Trong sản xuất cơ khí và sửa chữa, họ sử dụng phương pháp nung nóng trong bình điện phân... Sản phẩm (bộ phận) kim loại được đặt trong bình điện phân (dung dịch 5-10% Na2CO3 và các loại khác) và nối với cực âm của nguồn điện một chiều. Kết quả của quá trình điện phân, hydro được giải phóng ở cực âm và oxy ở cực dương. Lớp bong bóng hydro bao phủ bộ phận thể hiện khả năng chống dòng điện cao. Hầu hết nhiệt được giải phóng vào nó, làm nóng bộ phận. Tại cực dương, nơi có diện tích bề mặt lớn hơn nhiều, mật độ dòng điện thấp. Trong những điều kiện nhất định, bộ phận được làm nóng bằng cách phóng điện xảy ra trong lớp hydro. Lớp khí đồng thời đóng vai trò cách nhiệt, ngăn không cho chất điện phân của bộ phận nguội đi.

Ưu điểm của việc gia nhiệt trong chất điện phân là mật độ năng lượng đáng kể (lên tới 1 kW / cm2), mang lại tốc độ gia nhiệt cao. Tuy nhiên, điều này đạt được thông qua việc tăng mức tiêu thụ điện năng.

Điện trở của dây II triệu

Chất dẫn điện Loại II được gọi là chất điện phân... Chúng bao gồm dung dịch nước của axit, bazơ, muối, cũng như các vật liệu lỏng và ẩm khác nhau (sữa, thức ăn ướt, đất).

Nước cất có sẵn điện trở khoảng 104 ohm x m và thực tế không dẫn điện và nước tinh khiết về mặt hóa học là chất điện môi tốt. Nước "thông thường" chứa muối hòa tan và các hợp chất hóa học khác mà các phân tử của chúng phân ly trong nước thành ion, tạo ra độ dẫn ion (chất điện phân).Điện trở cụ thể của nước phụ thuộc vào nồng độ muối và có thể được xác định gần đúng bằng công thức thực nghiệm

p20 = 8x10/C,

trong đó p20 - lực cản riêng của nước ở 200 C, Ohm x m, C - nồng độ tổng của muối, mg / g

Nước trong khí quyển chứa không quá 50 mg/l muối hòa tan, nước sông - 500 - 600 mg/l, nước ngầm - từ 100 mg/l đến vài gam trên lít. Các giá trị phổ biến nhất cho điện trở hiệu dụng p20 đối với nước nằm trong khoảng 10 — 30 Ohm x m.

Điện trở của dây dẫn loại II phụ thuộc đáng kể vào nhiệt độ. Khi nó tăng lên, mức độ phân ly của các phân tử muối thành các ion và tính linh động của chúng tăng lên, do đó độ dẫn điện tăng lên và điện trở giảm xuống. Đối với bất kỳ nhiệt độ T nào trước khi bắt đầu bay hơi đáng chú ý, độ dẫn điện cụ thể của nước, Ohm x m -1, được xác định bởi sự phụ thuộc tuyến tính

yt = y20 [1 + a (t-20)],

trong đó y20 — độ dẫn điện riêng của nước ở nhiệt độ 20 o C, a — hệ số nhiệt độ dẫn điện bằng 0,025 — 0,035 o° C-1.

Trong tính toán kỹ thuật, họ thường sử dụng điện trở hơn là độ dẫn điện.

pt = 1/yt = p20 / [1 + a (t-20)] (1)

và sự phụ thuộc đơn giản của nó p(t), lấy a = 0,025 o° C-1.

Khi đó khả năng chống nước được xác định theo công thức

điểm = 40 p20 / (t +20)

Trong khoảng nhiệt độ 20 — 100 OS, khả năng chống nước tăng gấp 3 — 5 lần, đồng thời làm thay đổi điện năng tiêu thụ của mạng.Đây là một trong những nhược điểm đáng kể của việc gia nhiệt điện cực, dẫn đến việc đánh giá quá cao mặt cắt ngang của dây cung cấp và làm phức tạp việc tính toán lắp đặt hệ thống sưởi điện cực.

Điện trở cụ thể của nước tuân theo sự phụ thuộc (1) chỉ trước khi bắt đầu bay hơi đáng chú ý, cường độ phụ thuộc vào áp suất và mật độ dòng điện trong các điện cực. Hơi nước không phải là chất dẫn điện và do đó điện trở của nước tăng lên trong quá trình bay hơi. Trong các tính toán, điều này được tính đến bởi hệ số bv tùy thuộc vào áp suất và mật độ dòng điện:

máy tính để bàn pcm = strv b = pv a e k J

trong đó máy tính để bàn m - lực cản riêng của hỗn hợp nước - hơi nước, strc - lực cản riêng của nước mà không có sự bay hơi đáng kể, a - hằng số bằng 0,925 đối với nước, k - giá trị tùy thuộc vào áp suất trong nồi hơi (bạn có thể lấy k = 1,5 ), J — mật độ dòng điện trên các điện cực, A/cm2.

Ở áp suất bình thường, hiệu ứng bay hơi có hiệu quả ở nhiệt độ trên 75°C. Đối với nồi hơi, hệ số b đạt giá trị 1,5.

Hệ thống điện cực và các thông số của chúng

Hệ thống điện cực — một tập hợp các điện cực, được kết nối theo một cách nhất định với nhau và với mạng cấp điện, được thiết kế để cung cấp dòng điện cho môi trường nóng.

Các thông số của hệ thống điện cực là: số pha, hình dạng, kích thước, số lượng và vật liệu của các điện cực, khoảng cách giữa chúng, mạch điện kết nối («star», «delta», kết nối hỗn hợp, v.v.).

Khi tính toán các hệ thống điện cực, các thông số hình học của chúng được xác định, đảm bảo giải phóng một năng lượng nhất định trong môi trường nóng và loại trừ khả năng xảy ra các chế độ bất thường.

Cung cấp hệ thống điện cực 3 pha đấu nối sao:

P = U2l / Rf = 3Uf / Re

Cung cấp hệ thống điện cực ba pha với kết nối tam giác:

P = 3U2l/Lại

Ở một điện áp Ul nhất định, hệ thống điện cực công suất P được xác định bởi điện trở pha Rf, là điện trở của vật nung nóng được đóng giữa các điện cực tạo thành pha. Hình dạng và kích thước của cơ thể phụ thuộc vào hình dạng, kích thước và khoảng cách giữa các điện cực. Cho hệ điện cực đơn giản nhất với mỗi điện cực phẳng b, chiều cao h và khoảng cách giữa chúng:

Rf = pl / S = pl / (bh)

trong đó, l, b, h - các tham số hình học của hệ song song phẳng.

Đối với các hệ thống phức tạp, sự phụ thuộc của Re vào các tham số hình học dường như không dễ dàng để biểu thị. Trong trường hợp tổng quát, nó có thể được biểu diễn dưới dạng Rf = s x ρ, trong đó c là hệ số được xác định bởi các thông số hình học của hệ thống điện cực (có thể xác định từ sách tham khảo).

Kích thước của các điện cực để đảm bảo giá trị Rf yêu cầu, có thể được tính toán nếu biết mô tả phân tích của điện trường giữa các điện cực, cũng như sự phụ thuộc của p vào các yếu tố xác định nó (nhiệt độ, áp suất, v.v.).

Hệ số hình học của hệ thống điện cực được tìm thấy là k = Re h / ρ

Công suất của bất kỳ hệ thống điện cực ba pha nào có thể được biểu diễn dưới dạng P = 3U2h / (ρ k)

Ngoài ra, điều quan trọng là phải đảm bảo độ tin cậy của hệ thống điện cực, loại trừ hư hỏng sản phẩm và sự cố điện giữa các điện cực. Những điều kiện này được đáp ứng bằng cách giới hạn cường độ trường trong không gian giữa các điện cực, mật độ dòng điện trên các điện cực và lựa chọn chính xác vật liệu điện cực.

Cường độ cho phép của điện trường trong không gian xen kẽ bị giới hạn bởi yêu cầu ngăn ngừa sự cố điện giữa các điện cực và làm gián đoạn hoạt động của hệ thống lắp đặt. Ứng suất cho phép Epr Các trường được chọn theo cường độ điện môi Epr Các trường được chọn theo cường độ điện môi Epr của vật liệu, có xét đến hệ số an toàn: Edop = Epr / (1,5 … 2)

Giá trị Edon xác định khoảng cách giữa các điện cực:

l = U / Edop = U / (Jadd ρT),

trong đó Jadd - mật độ dòng điện cho phép trên các điện cực, ρt là khả năng chống nước ở nhiệt độ vận hành.

Theo kinh nghiệm thiết kế và vận hành máy nước nóng điện cực, giá trị Edon lấy trong khoảng (125…250) x 102 W/m, giá trị nhỏ nhất tương ứng với khả năng chống chịu của nước ở nhiệt độ 20 О Dưới 20 Ohm x m, tối đa là khả năng chống nước ở nhiệt độ 20 OC hơn 100 Ohm x m.

Mật độ dòng điện cho phép bị hạn chế do khả năng ô nhiễm môi trường nóng với các sản phẩm điện phân có hại ở các điện cực và phân hủy nước thành hydro và oxy, tạo thành khí nổ trong hỗn hợp.

Mật độ dòng điện cho phép được xác định theo công thức:

Jadd = Edop / ρT,

trong đó ρt là khả năng chống nước ở nhiệt độ cuối cùng.

Mật độ dòng điện tối đa:

Jmax = kn AzT/C,

trong đó, kn = 1,1 ... 1,4 — hệ số tính đến sự không đồng đều của mật độ dòng điện trên bề mặt điện cực, Azt là cường độ dòng điện làm việc chạy từ điện cực ở nhiệt độ cuối cùng, C là diện tích của bề mặt hoạt động của điện cực.

Trong mọi trường hợp, điều kiện sau đây phải được đáp ứng:

Thêm

Vật liệu điện cực phải trung hòa về điện hóa (trơ) đối với môi trường nóng. Không thể chấp nhận làm điện cực từ nhôm hoặc thép mạ kẽm. Các vật liệu tốt nhất cho điện cực là titan, thép không gỉ, than chì điện, thép graphit hóa. Khi đun nước cho nhu cầu công nghệ, thép carbon thông thường (đen) được sử dụng. Nước như vậy không thích hợp để uống.

Có thể điều chỉnh công suất của hệ thống điện cực bằng cách thay đổi các giá trị U và R... Thông thường, khi điều chỉnh công suất của hệ thống điện cực, họ sử dụng đến việc thay đổi chiều cao làm việc của các điện cực (diện tích hoạt động bề mặt của các điện cực) bằng cách đặt màn chắn điện môi giữa các điện cực hoặc thay đổi hệ số hình học của hệ thống điện cực (được xác định bằng sách tham khảo tùy thuộc vào sơ đồ của hệ thống điện cực).