Elektrode verwarming van vloeibare media

Methode voor het verwarmen van een elektrode die wordt gebruikt voor het verwarmen van draden II mil: water, melk, fruit- en bessensappen, aarde, beton, enz. Elektrodeverwarming is wijdverspreid in elektrodeketels, ketels voor heet water en stoom, evenals in de processen van pasteurisatie en sterilisatie van vloeibare en natte media, warmtebehandeling van voer.

Het materiaal wordt tussen de elektroden geplaatst en verwarmd door een elektrische stroom die door het materiaal gaat van de ene elektrode naar de andere. Elektrodeverwarming wordt beschouwd als directe verwarming - hier dient het materiaal als een medium waarin elektrische energie wordt omgezet in warmte.

Elektrodeverwarming is de eenvoudigste en meest economische manier om materialen te verwarmen; er zijn geen speciale voedingen of verwarmers van dure legeringen voor nodig.

De elektroden leveren stroom aan het te verwarmen medium en worden zelf praktisch niet verwarmd door de stroom. Elektroden zijn gemaakt van niet-deficiënte materialen, meestal metalen, maar ze kunnen ook niet-metalen zijn (grafiet, koolstof). Alleen gebruiken om elektrolyse te voorkomen wisselstroom.

De geleidbaarheid van natte materialen wordt bepaald door het watergehalte, daarom zal in het volgende elektrodeverwarming voornamelijk worden overwogen voor het verwarmen van water, maar de gegeven afhankelijkheden zijn ook van toepassing op het verwarmen van andere natte media.

Verwarming in een elektrolyt

Bij machinebouw en reparatieproductie gebruiken ze verwarming in een elektrolyt... Het metalen product (onderdeel) wordt in een elektrolytbad geplaatst (5-10% oplossing Na2CO3 en andere) en aangesloten op de negatieve pool van de gelijkstroombron. Bij elektrolyse komt waterstof vrij aan de kathode en zuurstof aan de anode. De laag waterstofbellen die het onderdeel bedekt, vertegenwoordigt een hoge stroomweerstand. De meeste warmte komt erin vrij, waardoor het onderdeel wordt verwarmd. Aan de anode, die een veel groter oppervlak heeft, is de stroomdichtheid laag. Onder bepaalde omstandigheden wordt het onderdeel verwarmd door elektrische ontladingen die optreden in de waterstoflaag. De gaslaag dient tegelijkertijd als thermische isolatie en voorkomt dat de elektrolyt van het onderdeel afkoelt.

Het voordeel van verwarming in de elektrolyt is een aanzienlijke energiedichtheid (tot 1 kW / cm2), wat zorgt voor een hoge verwarmingssnelheid. Dit wordt echter bereikt door een hoger stroomverbruik.

Elektrische weerstand van draden II mil

Geleiders II type genaamd elektrolyten\u200b Ze omvatten waterige oplossingen van zuren, basen, zouten, evenals verschillende vloeibare en vochthoudende materialen (melk, natvoer, aarde).

Gedestilleerd water is beschikbaar elektrische weerstand ongeveer 104 ohm x m en geleidt praktisch geen elektriciteit, en chemisch zuiver water is een goed diëlektricum. "Gewoon" water bevat opgeloste zouten en andere chemische verbindingen waarvan de moleculen in water dissociëren tot ionen, waardoor ionische (elektrolyt) geleidbaarheid ontstaat.De specifieke elektrische weerstand van water hangt af van de concentratie van zouten en kan bij benadering worden bepaald door de empirische formule

p20 = 8 x 10 / C,

waar p20 - specifieke weerstand van water bij 200 C, Ohm x m, C - totale concentratie van zouten, mg / g

Atmosferisch water bevat niet meer dan 50 mg/l opgeloste zouten, rivierwater - 500 - 600 mg/l, grondwater - van 100 mg/l tot enkele grammen per liter. De meest gebruikelijke waarden voor effectieve elektrische weerstand p20 voor water liggen in het bereik van 10 - 30 Ohm x m.

De elektrische weerstand van type II-geleiders is sterk afhankelijk van de temperatuur. Naarmate het toeneemt, neemt de mate van dissociatie van zoutmoleculen in ionen en hun mobiliteit toe, waardoor de geleidbaarheid toeneemt en de weerstand afneemt. Voor elke temperatuur T vóór het begin van merkbare verdamping, wordt de specifieke elektrische geleidbaarheid van water, Ohm x m -1, bepaald door de lineaire afhankelijkheid

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

waarbij y20 — specifieke geleidbaarheid van water bij een temperatuur van 20 o C, a — temperatuurcoëfficiënt van geleidbaarheid gelijk aan 0,025 — 0,035 o° C-1.

Bij technische berekeningen gebruiken ze meestal weerstand in plaats van geleidbaarheid.

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

en zijn vereenvoudigde afhankelijkheid p (t), uitgaande van a = 0,025 o° C-1.

Dan wordt de waterdichtheid bepaald door de formule

pt = 40 p20 / (t +20)

In het temperatuurbereik 20 - 100 OS neemt de waterbestendigheid 3 - 5 keer toe, terwijl tegelijkertijd het stroomverbruik van het netwerk verandert.Dit is een van de belangrijke nadelen van elektrodeverwarming, wat leidt tot een overschatting van de doorsnede van de voedingsdraden en de berekening van elektrodeverwarmingsinstallaties bemoeilijkt.

De specifieke weerstand van water gehoorzaamt pas aan afhankelijkheid (1) voordat merkbare verdamping begint, waarvan de intensiteit afhangt van de druk en stroomdichtheid in de elektroden. Stoom is geen stroomgeleider en daarom neemt de weerstand van water toe tijdens verdamping. In de berekeningen wordt hiermee rekening gehouden door de coëfficiënt bv afhankelijk van de druk en stroomdichtheid:

desktop pcm = strv b = pv a e k J

waar desktop m - specifieke weerstand van het mengsel water - stoom, strc - specifieke weerstand van water zonder merkbare verdamping, a - een constante gelijk aan 0,925 voor water, k - waarde afhankelijk van de druk in de ketel (u kunt k = 1,5 nemen ), J — stroomdichtheid op de elektroden, A / cm2.

Bij normale druk is het verdampingseffect effectief bij temperaturen boven 75 °C. Voor stoomketels bereikt de coëfficiënt b een waarde van 1,5.

Elektrodesystemen en hun parameters

Elektrodesysteem - een set elektroden, op een bepaalde manier met elkaar en met het voedingsnetwerk verbonden, ontworpen om stroom te leveren aan de verwarmde omgeving.

De parameters van elektrodesystemen zijn: aantal fasen, vorm, grootte, aantal en materiaal van elektroden, afstand daartussen, electronisch circuit verbindingen («ster», «delta», gemengde verbinding, enz.).

Bij het berekenen van elektrodesystemen worden hun geometrische parameters bepaald, die zorgen voor het vrijgeven van een bepaald vermogen in de verwarmde omgeving en de mogelijkheid van abnormale modi uitsluiten.

Voeding van een driefasig elektrodensysteem in sterschakeling:

P = U2l / Rf = 3Uf / Re

Voeding van een driefasig elektrodensysteem met een driehoekschakeling:

P = 3U2l / Re

Bij een gegeven spanning Ul wordt het vermogenelektrodesysteem P bepaald door de faseweerstand Rf, dat is de weerstand van het verwarmingslichaam gesloten tussen de elektroden die de fase vormen. De vorm en grootte van het lichaam hangt af van de vorm, grootte en afstand tussen de elektroden. Voor het eenvoudigste elektrodensysteem met platte elektroden elk b, hoogte h en de onderlinge afstand:

Rf = pl / S = pl / (bh)

waar, l, b, h — geometrische parameters van het planparallelle systeem.

Voor complexe systemen lijkt de afhankelijkheid van Re van geometrische parameters niet zo eenvoudig uit te drukken. In het algemeen kan het worden weergegeven als Rf = s x ρ, waarbij c een coëfficiënt is die wordt bepaald door de geometrische parameters van het elektrodesysteem (kan worden bepaald uit naslagwerken).

Afmetingen van de elektroden om de vereiste waarde Rf te garanderen, kunnen worden berekend als de analytische beschrijving van het elektrische veld tussen de elektroden bekend is, evenals de afhankelijkheid p van de factoren die het bepalen (temperatuur, druk, enz.).

De geometrische coëfficiënt van het elektrodesysteem wordt gevonden als k = Re h / ρ

Het vermogen van elk driefasig elektrodesysteem kan worden weergegeven als P = 3U2h / (ρ k)

Daarnaast is het belangrijk om de betrouwbaarheid van het elektrodesysteem te waarborgen, om productschade en elektrische storing tussen de elektroden uit te sluiten. Aan deze voorwaarden wordt voldaan door beperking van de veldsterkte in de ruimte tussen de elektroden, de stroomdichtheid op de elektroden en de juiste keuze van het elektrodemateriaal.

De toelaatbare sterkte van het elektrisch veld in de ruimte tussen de elektroden wordt beperkt door de eis om elektrische doorslag tussen de elektroden te voorkomen en de werking van de installaties te verstoren. Toelaatbare spanning Eadd de velden worden geselecteerd op basis van de diëlektrische sterkte Epr de velden worden geselecteerd op basis van de diëlektrische sterkte Epr van het materiaal, rekening houdend met de veiligheidsfactor: Edop = Epr / (1,5 … 2)

De Edon-waarde bepaalt de afstand tussen de elektroden:

l = U / Edop = U / (Jadd ρT),

waar Jadd — toelaatbare stroomdichtheid op de elektroden, ρt is de weerstand van water bij bedrijfstemperatuur.

Volgens de ervaring met het ontwerp en de werking van elektrodeboilers, wordt de waarde van Edon genomen in het bereik (125 ... 250) x 102 W / m, de minimumwaarde komt overeen met de weerstand van water bij een temperatuur van 20 О Bij minder dan 20 Ohm x m is de maximale weerstand van water bij een temperatuur van 20 OC meer dan 100 Ohm x m.

De toegestane stroomdichtheid is beperkt vanwege de mogelijkheid van verontreiniging van de verwarmde omgeving met schadelijke producten van elektrolyse aan de elektroden en ontleding van water in waterstof en zuurstof, die een explosief gas in het mengsel vormen.

De toelaatbare stroomdichtheid wordt bepaald door de formule:

Jadd = Edop / ρT,

waarbij ρt de waterweerstand is bij de eindtemperatuur.

Maximale stroomdichtheid:

Jmax = kn AzT / C,

waar, kn = 1,1 ... 1,4 - een coëfficiënt die rekening houdt met de ongelijkheid van de stroomdichtheid op het oppervlak van de elektrode, Azt is de sterkte van de werkstroom die uit de elektrode stroomt bij de eindtemperatuur, C is het gebied van het actieve oppervlak van de elektrode.

In alle gevallen moet aan de volgende voorwaarde worden voldaan:

ДжаNS toevoegen

Elektrodematerialen moeten elektrochemisch neutraal (inert) zijn ten opzichte van de verwarmde omgeving. Het is onaanvaardbaar om elektroden te maken van aluminium of gegalvaniseerd staal. De beste materialen voor elektroden zijn titanium, roestvrij staal, elektrisch grafiet, gegrafitiseerd staal. Bij het verwarmen van water voor technologische behoeften wordt gewoon (zwart) koolstofstaal gebruikt. Dergelijk water is niet geschikt om te drinken.

Aanpassing van het vermogen van het elektrodesysteem mogelijk door de U- en R-waarden te wijzigen... Meestal nemen ze bij het aanpassen van het vermogen van de elektrodesystemen hun toevlucht tot het veranderen van de werkhoogte van de elektroden (het gebied van de actieve oppervlak van de elektroden) door diëlektrische schermen tussen de elektroden te introduceren of door de geometrische coëfficiënt van het elektrodesysteem te wijzigen (bepaald door naslagwerken afhankelijk van de diagrammen van de elektrodesystemen).