Електродний нагрів рідких середовищ

Електродний метод нагріву використовують для нагрівання провідників II роду: води, молока, фруктових і ягідних соків, землі, бетону і т.д. Електродний нагрів широко поширений в електродних водонагрівачах, водогрійних і парових котлах, також в процесах пастеризації і стерилізації рідких і вологих середовищ, теплової обробки кормів.

Матеріал поміщають між електродами і нагрівають електричним струмом, що протікає по матеріалу від 1-го електрода до іншого. Електродний нагрів вважається прямим нагрівом - тут матеріал служить середовищем, в якій електронна енергія перетворюється в теплову.

Електродний нагрів - найбільш простий і економний метод нагріву матеріалів, не вимагає особливих джерел живлення або нагрівачів з дорогих сплавів.

Електроди підводять струм до нагрівається середовищі і самі струмом практично не гріються. Електроди виготовляють з недіфіцітних матеріалів, в більшості випадків з металів, та й можуть бути і неметалевими (графітовими, вугільними), Щоб уникнути електролізу для електродного нагрівання вживають тільки змінний струм.

Провідність вологих матеріалів обумовлюється вмістом води, тому в майбутньому електродний нагрів будемо розглядати, головним чином, до нагрівання води, але наведені залежності застосовні і до нагрівання інших вологих середовищ.

Нагрівання в електроліті

У машинобудуванні і ремонтному виробництві використовують нагрівання в електроліті. Залізне виріб (деталь) поміщають в електролітичну ванну (5 - 10% -ний розчин Na2CO3 та ін.) І під`єднують до негативного полюса джерела постійного струму. В результаті електролізу на катоді виділяється водень, а на аноді - кисень. Шар бульбашок водню, що покриває деталь, являє для струму найвищу опір. У ньому виділяється основна частка теплоти, що нагріває деталь. На аноді, що має значно більшу поверхню, щільність струму мала. При певних умовах деталь гріється електронними розрядами, що виникають в водневому шарі. Газовий шар водночас служить термоізоляцією, що запобігає охолодження деталі електролітом.

Перевага нагріву в електроліті - значуща щільність енергії (до 1 кВт / см2), що забезпечує високу швидкість нагріву. Але це досягається підвищеною витратою енергії.

Електричний опір провідників II роду

Провідники II роду називають електролітами. До них відносяться водні розчини кислот, лугів, солей, також різні водянисті і влагосодержащих матеріали (молоко, вологі корми, грунт).

Дистильована вода має питомий електричний опір порядку 104 ом х м і практично не проводить електричний струм, а хімічно чиста вода є непоганим діелектриком. «Звичайна» вода містить в розчиненому вигляді солі та інші хімічні сполуки, молекули яких диссоциируют в воді на іони, повідомляючи їй іонну (велектролітичні провідність). Питомий електричний опір води знаходиться в залежності від концентрації солей і приблизно може бути визначено за емпіричною формулою

p20 = 8 х 10 / С,

де p20 - питомий опір води при 200 С, Ом х м, С - сумарна концентрація солей, мг / г

Атмосферні води містить розчинених солей менше 50 мг / л, води річок - 500 - 600 мг / л, підземні води - від 100 мг / л до декількох грамів на літр. Більш поширені значення питомої електричного опору p20 для води знаходяться в спектрі 10 - 30 Ом х м.

Електричний опір провідників II роду істотно залежить від температури. З її зростанням зростає ступінь дисоціації молекул солей на іони і їх рухливість, внаслідок чого провідність збільшується, а опір знижується. Для будь-якої температури t до початку помітного пароутворення питома електронна провідність води, Ом х м -1, визначається лінійною залежністю

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

де y20 - питома провідність води при температурі 20 o C, а - температурний коефіцієнт провідності, рівний 0,025 - 0,035 oC-1.

У технічних розрахунках зазвичай користуються не провідність, а питомим опором

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

і його полегшеної залежністю p (t), приймаючи a = 0,025 oC-1.

Тоді питомий опір води визначають за формулою

pt = 40 p20 / (t +20)

В спектрі температур 20 - 100 ° С питомий опір води зростає в 3 - 5 разів, у стільки ж разів змінюється потужність, споживана з мережі. Це один із суттєвих недоліків електродного нагрівання, що призводить до завищення перетину дротів живлення і ускладнює розрахунок установок електродного нагрівання.

Питомий опір води підпорядковується залежності (1) тільки до пришестя помітного пароутворення, інтенсивність якого залежить від тиску і щільності струму в електродах. Пара не є провідником струму, і тому при паротворенні питомий опір води зростає. У розрахунках це враховується коефіцієнтом b, залежних від тиску і щільності струму:

pcм = PВ b = PВ a e k J

де pcм - питомий опір консистенції вода - пар, PВ - питомий опір води без помітного пароутворення, a - незмінна, рівна для води 0,925, k - величина, що залежить від тиску в котлі (можна прийняти k = 1,5), J - щільність струму на електродах, А / см2.

При звичайному тиску вплив пароутворення позначається при температурі вище 75 ° С. Для парових котлів коефіцієнт b домагається значення 1,5.

Електродні системи і їх характеристики

Електродна система - сукупність електродів, певним чином пов`язаних між собою і мережею живлення, створених для підведення струму до нагрівається середовищі.

Параметрами електродних систем є: число фаз, форма, розміри, число і матеріал електродів, відстань між ним, електронна схема з`єднання ( «зірка», «трикутник», змішане з`єднання і т. П.).

При розрахунку електродних систем визначають їх геометричні характеристики, що забезпечують виділення в нагрівається середовищі даної потужності і що виключають можливість ненормальних режимів.

Потужність трифазного електродної системи при з`єднанні зіркою:

P = U2л / Rф = 3Uф / Rф

Потужність трифазного електродної системи при з`єднанні трикутником:

P = 3U2л / Rф

При цьому напрузі Uл харчування потужність електродної системи P визначається опором фази Rф, яке представляє собою опір тіла нагріву, укладеного між електродами, що утворюють фазу. Конфігурація і розміри тіла залежать від форми, розмірів і відстані між електродами. Для найпростішої електродної системи з плоскими електродами шириною кожного b, висотою h і відстанню між ними:

Rф = pl / S = pl / (bh)

де, l, b, h - геометричні характеристики плоскопараллельной системи.

Для складних систем залежність Rф від геометричних характеристик неможливо висловити настільки просто. У загальному випадку її можна представити у вигляді Rф = с х ρ, де с - коефіцієнт, який визначається геометричними параметрами електродної системи (його можна знайти за довідниками).

Розміри електродів, що забезпечують потрібне значення Rф, можуть бути розраховані, якщо зрозуміло аналітичного опис електронного поля між електродами, також залежність p від визначальних її причин (температура, тиск і ін.).

Геометричний коефіцієнт електродної системи знаходять як k = Rф h / ρ

Потужність будь-якої трифазної електродної системи можна представити у вигляді P = 3U2h / (ρ k)

Крім цього, важливо забезпечити надійність електродної системи, виключення псування продукту і електронного пробою між електродами. Ці умови виробляються обмеженням напруженості поля в міжелектродному просторі, щільності струму на електродах і правильним вибором матеріалу електродів.

Допустиму напруженість електричного поля в міжелектродному просторі обмежують вимогою недопущення електронного пробою між електродами і порушення роботи установок. Допустиму напруженість Eдоп поля вибирають по електронній міцності Епр поля вибирають по електронній міцності Епр матеріалу з урахуванням коефіцієнта запасу: Едоп = Епр / (1,5 ... 2)

Величина Едоп визначає відстань між електродами:

l = U / Едоп = U / (Jдоп ρт),

де Jдоп - допустима щільність струму на електродах, ρт - питомий опір води при робочій температурі.

З досвіду проектування і експлуатації електродних водонагрівачів значення Едоп приймають в межах (125 ... 250) х 102 Вт / м, мінімальне значення відповідає питомому опору води при температурі 20 ° С менше 20 Ом х м, найбільша - питомому опору води при температурі 20 ° С більше 100 Ом х м.

Допустиму щільність струму обмежують через здатність забруднення нагрівається середовища шкідливими продуктами електролізу на електродах і розкладання води на водень і кисень, які в консистенції утворюють гримучий газ.

Допустиму щільність струму визначають за формулою:

Jдоп = Едоп / ρт,

де ρт - питомий опір води при кінцевій температурі.

Найбільша щільність струму:

Jmax = k н Iт / S,

де, k н = 1,1 ... 1,4 - коефіцієнт, що враховує нерівномірність щільності струму по поверхні електрода, Iт - сила робочого струму, що стікає з електрода при кінцевій температурі, S - площа активної поверхні електрода.

У всіх випадках має бути дотримано умову:

Jmaх доп

Матеріали для електродів повинні бути хімічно нейтральні (інертні) щодо нагрівається середовища. Неприпустимо робити електроди з алюмінію або оцинкованої сталі. Найкращими матеріалами для електродів служать титан, нержавіючі стали, електротехнічний графіт, графитизированного стали. При нагріванні води для технологічних потреб вживають звичайну (чорну) вуглецеву сталь. Для пиття така вода непридатна.

Регулювання потужності електродної системи може бути при зміні значень U і R. У більшості випадків при регулюванні потужності електродних систем вдаються до зміни робочої висоти електродів (площі активної поверхні електродів) методом введення між електродами діелектричних екранів чи зміною геометричного коефіцієнт електродної системи (визначається за довідниками залежно від схем електродних систем).