Încălzirea cu electrozi a mediului lichid

Metodă de încălzire a unui electrod utilizat pentru încălzirea firelor II mil: apă, lapte, sucuri de fructe și fructe de pădure, pământ, beton etc. Încălzirea cu electrozi este răspândită în cazanele cu electrozi, cazane pentru apă caldă și abur, precum și în procesele de pasteurizare și sterilizare a mediilor lichide și umede, tratarea termică a furajelor.

Materialul este plasat între electrozi și încălzit de un curent electric care trece prin material de la un electrod la altul. Încălzirea cu electrozi este considerată încălzire directă - aici, materialul servește ca mediu în care energia electrică este convertită în căldură.

Încălzirea cu electrozi este cea mai simplă și mai economică modalitate de a încălzi materialele; nu necesită surse de alimentare speciale sau încălzitoare din aliaje scumpe.

Electrozii furnizează curent mediului de încălzit și ei înșiși practic nu sunt încălziți de curent. Electrozii sunt fabricați din materiale nedeficiente, cel mai adesea metale, dar pot fi și nemetalici (grafit, carbon). Pentru a evita electroliza, utilizați numai curent alternativ.

Conductivitatea materialelor umede este determinată de conținutul de apă, prin urmare, în cele ce urmează, încălzirea electrodului va fi luată în considerare în principal pentru încălzirea apei, dar dependențele date sunt aplicabile și pentru încălzirea altor medii umede.

Încălzire într-un electrolit

În inginerie mecanică și producție de reparații, folosesc încălzirea într-un electrolit... Produsul metalic (piesa) este plasat într-o baie de electrolit (soluție 5-10% Na2CO3 și altele) și conectat la polul negativ al sursei de curent continuu. Ca rezultat al electrolizei, hidrogenul este eliberat la catod și oxigenul la anod. Stratul de bule de hidrogen care acoperă piesa reprezintă o rezistență mare la curent. Cea mai mare parte a căldurii este eliberată în el, încălzind piesa. La anod, care are o suprafață mult mai mare, densitatea de curent este scăzută. În anumite condiții, piesa este încălzită prin descărcări electrice care apar în stratul de hidrogen. Stratul de gaz servește în același timp ca izolație termică, împiedicând răcirea electrolitului piesei.

Avantajul încălzirii în electrolit este o densitate energetică semnificativă (până la 1 kW / cm2), care asigură o rată mare de încălzire. Cu toate acestea, acest lucru se realizează printr-un consum crescut de energie.

Rezistența electrică a firelor II mil

Conductori de tip II numiți electroliți... Cuprind soluții apoase de acizi, baze, săruri, precum și diverse materiale lichide și care conțin umiditate (lapte, furaje umede, sol).

Este disponibilă apă distilată rezistență electrică aproximativ 104 ohm x m și practic nu conduce electricitatea, iar apa pură din punct de vedere chimic este un bun dielectric. Apa „obișnuită” conține săruri dizolvate și alți compuși chimici ale căror molecule se disociază în apă în ioni, dând conductivitate ionică (electrolită).Rezistența electrică specifică a apei depinde de concentrația de săruri și poate fi determinată aproximativ prin formula empirică

p20 = 8 x 10 / C,

unde p20 — rezistența specifică a apei la 200 C, Ohm x m, C — concentrația totală de săruri, mg/g

Apa atmosferică nu conține mai mult de 50 mg/l de săruri dizolvate, apa de râu — 500 — 600 mg/l, apa subterană — de la 100 mg/l la câteva grame pe litru. Cele mai comune valori pentru rezistența electrică efectivă p20 pentru apă sunt în intervalul 10 - 30 Ohm x m.

Rezistența electrică a conductoarelor de tip II depinde în mod semnificativ de temperatură. Pe măsură ce crește, gradul de disociere a moleculelor de sare în ioni și mobilitatea acestora crește, drept urmare conductivitatea crește și rezistența scade. Pentru orice temperatură T înainte de începerea evaporării vizibile, conductivitatea electrică specifică a apei, Ohm x m -1, este determinată de dependența liniară

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

unde y20 — conductivitate specifică a apei la o temperatură de 20 o C, a — coeficient de temperatură de conductivitate egal cu 0,025 — 0,035 o° C-1.

În calculele de inginerie, de obicei folosesc rezistența mai degrabă decât conductivitatea.

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

și dependența sa simplificată p (t), luând a = 0,025 o° C-1.

Apoi, rezistența la apă este determinată de formula

pt = 40 p20 / (t +20)

În intervalul de temperatură 20 - 100 OS, rezistența la apă crește de 3 - 5 ori, în același timp modifică puterea consumată de rețea.Acesta este unul dintre dezavantajele semnificative ale încălzirii cu electrozi, ceea ce duce la o supraestimare a secțiunii transversale a firelor de alimentare și complică calculul instalațiilor de încălzire cu electrozi.

Rezistența specifică a apei se supune dependenței (1) numai înainte de începerea evaporării vizibile, a cărei intensitate depinde de presiunea și densitatea curentului din electrozi. Aburul nu este un conductor de curent și, prin urmare, rezistența apei crește în timpul evaporării. În calcule, acest lucru este luat în considerare de coeficientul bv în funcție de presiune și densitatea de curent:

desktop pcm = strv b = pv a e k J

unde desktop m — rezistența specifică a amestecului de apă — abur, strc — rezistența specifică a apei fără evaporare vizibilă, a — o constantă egală cu 0,925 pentru apă, k — valoare în funcție de presiunea din cazan (se poate lua k = 1,5 ), J — densitatea curentului pe electrozi, A / cm2.

La presiune normală, efectul de evaporare este eficient la temperaturi peste 75 °C. Pentru cazanele cu abur, coeficientul b atinge o valoare de 1,5.

Sisteme de electrozi și parametrii acestora

Sistem de electrozi — un set de electrozi, conectați într-un anumit mod între ei și la rețeaua de alimentare cu energie, proiectați să furnizeze curent mediului încălzit.

Parametrii sistemelor de electrozi sunt: ​​numărul de faze, forma, mărimea, numărul și materialul electrozilor, distanța dintre ei, circuit electric conexiuni («stea», «triunghi», racord mixt etc.).

La calcularea sistemelor de electrozi se determină parametrii geometrici ai acestora, care asigură eliberarea unei anumite puteri în mediul încălzit și exclud posibilitatea unor moduri anormale.

Furnizarea unui sistem de electrozi trifazici într-o conexiune în stea:

P = U2l / Rf = 3Uf / Re

Furnizarea unui sistem de electrozi trifazici cu o conexiune delta:

P = 3U2l / Re

La o tensiune dată Ul sistemul de electrozi de putere P este determinat de rezistența de fază Rf, care este rezistența corpului de încălzire închis între electrozii care formează faza. Forma și dimensiunea corpului depind de forma, dimensiunea și distanța dintre electrozi. Pentru cel mai simplu sistem de electrozi cu electrozi plati fiecare b, înălțimea h și distanța dintre ei:

Rf = pl / S = pl / (bh)

unde, l, b, h — parametrii geometrici ai sistemului plan-paralel.

Pentru sistemele complexe, dependența lui Re de parametrii geometrici nu pare atât de ușor de exprimat. În cazul general, acesta poate fi reprezentat ca Rf = s x ρ, unde c este un coeficient determinat de parametrii geometrici ai sistemului de electrozi (poate fi determinat din cărțile de referință).

Dimensiunile electrozilor pentru a asigura valoarea cerută Rf, pot fi calculate dacă se cunoaște descrierea analitică a câmpului electric dintre electrozi, precum și dependența p de factorii care îl determină (temperatura, presiunea etc.).

Coeficientul geometric al sistemului de electrozi se găsește ca k = Re h / ρ

Puterea oricărui sistem de electrozi trifazici poate fi reprezentată ca P = 3U2h / (ρ k)

În plus, este important să se asigure fiabilitatea sistemului de electrozi, pentru a exclude deteriorarea produsului și defecțiunea electrică între electrozi. Aceste condiții sunt îndeplinite prin limitarea intensității câmpului în spațiul interelectrod, a densității de curent pe electrozi și alegerea corectă a materialului electrodului.

Intensitatea admisibilă a câmpului electric în spațiul interelectrozi este limitată de cerința de a preveni defecțiunile electrice între electrozi și de a perturba funcționarea instalațiilor. Efort admisibil Eadd câmpurile sunt selectate în funcție de rigiditatea dielectrică Epr câmpurile sunt selectate în funcție de rigiditatea dielectrică Epr a materialului, ținând cont de factorul de siguranță: Edop = Epr / (1,5 … 2)

Valoarea Edon determină distanța dintre electrozi:

l = U / Edop = U / (Jadd ρT),

unde Jadd — densitatea de curent admisibilă pe electrozi, ρt este rezistența apei la temperatura de funcționare.

Conform experienței de proiectare și funcționare a încălzitoarelor de apă cu electrozi, valoarea Edon este luată în intervalul (125 ... 250) x 102 W / m, valoarea minimă corespunde rezistenței apei la o temperatură de 20 О. La mai puțin de 20 Ohm x m, maximul este rezistența apei la o temperatură de 20 OC mai mult de 100 Ohm x m.

Densitatea de curent admisă este limitată din cauza posibilității de contaminare a mediului încălzit cu produse nocive de electroliză la electrozi și descompunerea apei în hidrogen și oxigen, care formează un gaz exploziv în amestec.

Densitatea de curent admisibilă este determinată de formula:

Jadd = Edop / ρT,

unde ρt este rezistența la apă la temperatura finală.

Densitatea maximă de curent:

Jmax = kn AzT / C,

unde, kn = 1,1 ... 1,4 — un coeficient care ține cont de neuniformitatea densității de curent pe suprafața electrodului, Azt este puterea curentului de lucru care curge de la electrod la temperatura finală, C este aria de suprafața activă a electrodului.

În toate cazurile, trebuie îndeplinită următoarea condiție:

ДжаNS adaugă

Materialele electrozilor trebuie să fie neutre din punct de vedere electrochimic (inerte) în raport cu mediul încălzit. Este inacceptabil să se facă electrozi din aluminiu sau oțel galvanizat. Cele mai bune materiale pentru electrozi sunt titanul, oțelul inoxidabil, grafitul electric, oțelurile grafitizate. La încălzirea apei pentru nevoi tehnologice, se folosește oțel carbon obișnuit (negru). O astfel de apă nu este potrivită pentru băut.

Ajustarea puterii sistemului de electrozi posibilă prin modificarea valorilor U și R... Cel mai adesea, la ajustarea puterii sistemelor de electrozi, aceștia recurg la modificarea înălțimii de lucru a electrozilor (zona activului suprafața electrozilor) prin introducerea de ecrane dielectrice între electrozi sau modificarea coeficientului geometric al sistemului de electrozi (determinat prin cărți de referință în funcție de schemele sistemelor de electrozi).