التسخين الكهربائي للوسائط السائلة

طريقة لتسخين قطب كهربائي يستخدم لتسخين الأسلاك II ميل: الماء ، الحليب ، عصائر الفاكهة والتوت ، التربة ، الخرسانة ، إلخ. ينتشر التسخين الكهربائي على نطاق واسع في غلايات الإلكترود ، وغلايات الماء الساخن والبخار ، وكذلك في عمليات البسترة وتعقيم الوسائط السائلة والرطبة ، والمعالجة الحرارية للأعلاف.

يتم وضع المادة بين الأقطاب الكهربائية ويتم تسخينها بواسطة تيار كهربائي يمر عبر المادة من قطب كهربائي إلى آخر. يعتبر تسخين القطب الكهربائي تسخينًا مباشرًا - هنا ، تعمل المادة كوسيط يتم فيه تحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة.

التسخين الكهربائي هو الطريقة الأسهل والأكثر اقتصادا لتسخين المواد ؛ لا يتطلب إمدادات طاقة خاصة أو سخانات مصنوعة من سبائك باهظة الثمن.

تقوم الأقطاب الكهربائية بتزويد الوسط المراد تسخينه بالتيار ، ولا يتم تسخينها عمليًا بواسطة التيار. تصنع الأقطاب الكهربائية من مواد غير معيبة ، وغالبًا ما تكون من المعادن ، ولكن يمكن أيضًا أن تكون غير معدنية (الجرافيت ، والكربون). لتجنب التحليل الكهربائي ، استخدم فقط التيار المتناوب.

يتم تحديد موصلية المواد الرطبة من خلال محتوى الماء ، وبالتالي ، في ما يلي ، سيتم اعتبار تسخين القطب بشكل أساسي لتسخين المياه ، ولكن التبعيات المعطاة قابلة للتطبيق أيضًا لتسخين الوسائط الرطبة الأخرى.

التسخين في المنحل بالكهرباء

في الهندسة الميكانيكية وإنتاج الإصلاح ، يستخدمون التسخين في المنحل بالكهرباء ... يتم وضع المنتج المعدني (الجزء) في حمام بالكهرباء (محلول 5-10٪ Na2CO3 وغيره) ويتم توصيله بالقطب السالب لمصدر التيار المباشر. نتيجة للتحليل الكهربائي ، يتم إطلاق الهيدروجين عند الكاثود والأكسجين عند القطب الموجب. تمثل طبقة فقاعات الهيدروجين التي تغطي الجزء مقاومة عالية للتيار. يتم إطلاق معظم الحرارة فيه ، مما يؤدي إلى تسخين الجزء. عند القطب الموجب ، الذي يحتوي على مساحة سطح أكبر بكثير ، تكون كثافة التيار منخفضة. في ظل ظروف معينة ، يتم تسخين الجزء عن طريق التفريغ الكهربائي الذي يحدث في طبقة الهيدروجين. تعمل طبقة الغاز في نفس الوقت كعزل حراري ، مما يمنع تبريد المنحل بالكهرباء.

تتمثل ميزة التسخين في المنحل بالكهرباء في كثافة طاقة كبيرة (تصل إلى 1 كيلو واط / سم 2) ، مما يوفر معدل تسخين مرتفعًا. ومع ذلك ، يتم تحقيق ذلك من خلال زيادة استهلاك الطاقة.

المقاومة الكهربائية للأسلاك II مل

الموصلات من النوع الثاني تسمى الإلكتروليتات ... وهي تشمل المحاليل المائية للأحماض والقواعد والأملاح ، بالإضافة إلى مختلف المواد السائلة والتي تحتوي على الرطوبة (الحليب ، الأعلاف الرطبة ، التربة).

يتوفر الماء المقطر المقاومة الكهربائية حوالي 104 أوم × م وعمليا لا توصل الكهرباء ، والماء النقي كيميائيا هو عازل جيد للكهرباء. يحتوي الماء "العادي" على أملاح مذابة ومركبات كيميائية أخرى تتفكك جزيئاتها في الماء إلى أيونات ، مما يعطي الموصلية الأيونية (بالكهرباء).تعتمد المقاومة الكهربائية النوعية للماء على تركيز الأملاح ويمكن تحديدها تقريبًا بواسطة الصيغة التجريبية

ص 20 = 8 × 10 / درجة مئوية ،

حيث p20 - المقاومة النوعية للماء عند 200 درجة مئوية ، أوم × م ، C - التركيز الكلي للأملاح ، مجم / جم

لا تحتوي مياه الغلاف الجوي على أكثر من 50 مجم / لتر من الأملاح الذائبة ، ومياه النهر - 500-600 مجم / لتر ، والمياه الجوفية - من 100 مجم / لتر إلى عدة جرامات لكل لتر. تتراوح القيم الأكثر شيوعًا للمقاومة الكهربائية الفعالة p20 للمياه في النطاق 10-30 أوم × م.

تعتمد المقاومة الكهربائية للموصلات من النوع الثاني بشكل كبير على درجة الحرارة. وكلما ازدادت درجة تفكك جزيئات الملح في الأيونات وتزداد قدرتها على الحركة ، ونتيجة لذلك تزداد الموصلية وتقل المقاومة. لأي درجة حرارة T قبل بدء التبخر الملحوظ ، يتم تحديد الموصلية الكهربائية النوعية للماء ، أوم × م -1 ، من خلال الاعتماد الخطي

yt = y20 [1 + a (t-20)] ،

حيث y20 - الموصلية النوعية للماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية ، أ - معامل درجة الحرارة للتوصيل يساوي 0.025 - 0.035 درجة مئوية -1.

في الحسابات الهندسية ، يستخدمون عادةً المقاومة بدلاً من الموصلية.

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

واعتماده المبسط p (t) ، مع الأخذ = 0.025 درجة مئوية -1.

ثم يتم تحديد مقاومة الماء من خلال الصيغة

pt = 40 p20 / (t +20)

في نطاق درجة الحرارة من 20 إلى 100 OS ، تزداد مقاومة الماء من 3 إلى 5 مرات ، وفي نفس الوقت تغير الطاقة التي تستهلكها الشبكة.هذا هو أحد العيوب المهمة لتسخين الإلكترود ، مما يؤدي إلى المبالغة في تقدير المقطع العرضي لأسلاك الإمداد ويعقد حساب تركيبات تسخين الإلكترود.

تخضع المقاومة المحددة للماء للاعتماد (1) فقط قبل بدء التبخر الملحوظ ، والذي تعتمد شدته على الضغط وكثافة التيار في الأقطاب الكهربائية. البخار ليس موصلًا للتيار وبالتالي تزداد مقاومة الماء أثناء التبخر. في الحسابات ، يؤخذ ذلك في الاعتبار بواسطة المعامل bv اعتمادًا على الضغط وكثافة التيار:

سطح المكتب pcm = strv b = pv a e k J

حيث سطح المكتب م - مقاومة محددة لخليط الماء - بخار ، مقاومة محددة للماء بدون تبخر ملحوظ ، أ - ثابت يساوي 0.925 للمياه ، ك - القيمة اعتمادًا على الضغط في الغلاية (يمكنك أخذ k = 1.5 ) ، J - كثافة التيار على الأقطاب الكهربائية ، A / cm2.

عند الضغط العادي ، يكون تأثير التبخر فعالاً في درجات حرارة أعلى من 75 درجة مئوية. بالنسبة للغلايات البخارية ، يصل المعامل b إلى 1.5.

أنظمة الأقطاب الكهربائية ومعلماتها

نظام القطب الكهربي - مجموعة من الأقطاب الكهربائية ، متصلة بطريقة معينة ببعضها البعض وبشبكة إمداد الطاقة ، مصممة لتزويد البيئة الساخنة بالتيار.

معلمات أنظمة الأقطاب الكهربائية هي: عدد المراحل والشكل والحجم وعدد الأقطاب الكهربائية ومادةها ، والمسافة بينها ، دائرة كهربائية اتصالات («نجمة» ، «دلتا» ، اتصال مختلط ، إلخ).

عند حساب أنظمة الأقطاب الكهربائية ، يتم تحديد معلماتها الهندسية ، والتي تضمن إطلاق طاقة معينة في بيئة ساخنة واستبعاد إمكانية وجود أوضاع غير طبيعية.

تزويد نظام قطب كهربائي ثلاثي الطور بوصلة نجمية:

P = U2l / Rf = 3Uf / Re

تزويد نظام إلكترود ثلاثي الأطوار بوصلة دلتا:

P = 3U2l / Re

عند جهد معين ، يتم تحديد نظام القطب الكهربائي P بواسطة مقاومة الطور Rf ، وهي مقاومة جسم التسخين المغلق بين الأقطاب الكهربائية التي تشكل المرحلة. يعتمد شكل وحجم الجسم على الشكل والحجم والمسافة بين الأقطاب الكهربائية. لأبسط نظام قطب كهربائي مع أقطاب كهربائية مسطحة كل ب ، الارتفاع h والمسافة بينهما:

Rf = pl / S = pl / (bh)

حيث ، ل ، ب ، ح - المعلمات الهندسية للنظام الموازي للمستوى.

بالنسبة للأنظمة المعقدة ، لا يبدو من السهل التعبير عن اعتماد Re على المعلمات الهندسية. في الحالة العامة ، يمكن تمثيله كـ Rf = s x ρ ، حيث c هو معامل تحدده المعلمات الهندسية لنظام القطب (يمكن تحديده من الكتب المرجعية).

يمكن حساب أبعاد الأقطاب الكهربائية لضمان القيمة المطلوبة Rf ، إذا كان الوصف التحليلي للمجال الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية معروفًا ، وكذلك اعتماد p على العوامل التي تحدده (درجة الحرارة ، الضغط ، إلخ).

تم العثور على المعامل الهندسي لنظام القطب ك = Re h / ρ

يمكن تمثيل قوة أي نظام قطب كهربائي ثلاثي الطور على النحو التالي P = 3U2h / (ρ k)

بالإضافة إلى ذلك ، من المهم ضمان موثوقية نظام القطب الكهربائي ، لاستبعاد تلف المنتج والانهيار الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية. يتم استيفاء هذه الشروط عن طريق الحد من شدة المجال في الفضاء بين القطب ، وكثافة التيار على الأقطاب والاختيار الصحيح لمادة القطب.

القوة المسموح بها للمجال الكهربائي في الفضاء بين الأقطاب الكهربائية محدودة بشرط منع الانهيار الكهربائي بين الأقطاب الكهربائية وتعطيل تشغيل التركيبات. الضغط المسموح به يتم اختيار الحقول وفقًا لقوة العزل Epr ، يتم اختيار الحقول وفقًا لقوة العزل Epr للمادة ، مع مراعاة عامل الأمان: Edop = Epr / (1.5 ... 2)

تحدد قيمة Edon المسافة بين الأقطاب الكهربائية:

l = U / Edop = U / (Jadd ρT) ،

حيث Jadd - كثافة التيار المسموح بها على الأقطاب الكهربائية ، ρt هي مقاومة الماء عند درجة حرارة التشغيل.

وفقًا لتجربة تصميم وتشغيل سخانات المياه ذات الإلكترود ، يتم أخذ قيمة Edon في النطاق (125 ... 250) × 102 واط / م ، وتتوافق القيمة الدنيا مع مقاومة الماء عند درجة حرارة 20 О. عند أقل من 20 أوم × م ، يكون الحد الأقصى هو مقاومة الماء عند درجة حرارة 20 درجة مئوية أكثر من 100 أوم × م.

كثافة التيار المسموح بها محدودة بسبب احتمال تلوث البيئة الساخنة بمنتجات ضارة من التحليل الكهربائي في الأقطاب الكهربائية وتحلل الماء إلى هيدروجين وأكسجين ، مما يشكل غازًا متفجرًا في الخليط.

يتم تحديد كثافة التيار المسموح بها بواسطة الصيغة:

Jadd = Edop / ρT ،

حيث ρt هي مقاومة الماء عند درجة الحرارة النهائية.

أقصى كثافة تيار:

Jmax = kn AzT / C ،

حيث ، kn = 1.1 ... 1.4 - معامل يأخذ في الاعتبار تفاوت كثافة التيار على سطح القطب ، Azt هو قوة تيار العمل المتدفق من القطب عند درجة الحرارة النهائية ، C هي مساحة السطح النشط للقطب الكهربائي.

في جميع الأحوال يجب استيفاء الشرط التالي:

аNS تضيف

يجب أن تكون مواد الإلكترود محايدة كهربائياً (خاملة) فيما يتعلق بالبيئة الساخنة. من غير المقبول صنع أقطاب كهربائية من الألومنيوم أو الفولاذ المجلفن. أفضل المواد للأقطاب الكهربائية هي التيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ والجرافيت والفولاذ الجرافيت. عند تسخين المياه لتلبية الاحتياجات التكنولوجية ، يتم استخدام الفولاذ الكربوني العادي (الأسود). هذه المياه غير صالحة للشرب.

تعديل قوة نظام القطب ممكن عن طريق تغيير قيم U و R ... في أغلب الأحيان ، عند ضبط قوة أنظمة الأقطاب ، يلجأون إلى تغيير ارتفاع عمل الأقطاب الكهربائية (منطقة النشاط النشط سطح الأقطاب الكهربائية) عن طريق إدخال شاشات عازلة بين الأقطاب الكهربائية أو تغيير المعامل الهندسي لنظام القطب (تحدده الكتب المرجعية اعتمادًا على الرسوم البيانية لأنظمة الأقطاب الكهربائية).