Elektrodenerwärmung flüssiger Medien

Methode zum Erhitzen einer Elektrode zum Erhitzen von Drähten II mil: Wasser, Milch, Frucht- und Beerensäfte, Erde, Beton usw. Die Elektrodenheizung ist in Elektrodenkesseln, Heißwasser- und Dampfkesseln sowie bei der Pasteurisierung und Sterilisation von flüssigen und nassen Medien sowie bei der Wärmebehandlung von Futtermitteln weit verbreitet.

Das Material wird zwischen die Elektroden gelegt und durch einen elektrischen Strom erhitzt, der von einer Elektrode zur anderen durch das Material fließt. Als direkte Erwärmung gilt die Elektrodenerwärmung – hier dient das Material als Medium, in dem elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird.

Die Elektrodenheizung ist die einfachste und wirtschaftlichste Art, Materialien zu erwärmen; Es sind keine speziellen Netzteile oder Heizungen aus teuren Legierungen erforderlich.

Die Elektroden versorgen das zu erwärmende Medium mit Strom und werden selbst durch den Strom praktisch nicht erhitzt. Elektroden bestehen aus minderwertigen Materialien, meist Metallen, können aber auch nichtmetallisch sein (Graphit, Kohlenstoff). Um Elektrolyse zu vermeiden, verwenden Sie nur Wechselstrom.

Die Leitfähigkeit nasser Materialien wird durch den Wassergehalt bestimmt, daher wird die Elektrodenheizung im Folgenden hauptsächlich für die Erwärmung von Wasser betrachtet, die angegebenen Abhängigkeiten gelten jedoch auch für die Erwärmung anderer nasser Medien.

Erhitzen in einem Elektrolyten

Im Maschinenbau und in der Reparaturproduktion nutzen sie die Erwärmung im Elektrolyten... Das Metallprodukt (Teil) wird in ein Elektrolytbad (5-10 %ige Lösung Na2CO3 und andere) gelegt und an den Minuspol der Gleichstromquelle angeschlossen. Durch die Elektrolyse wird an der Kathode Wasserstoff und an der Anode Sauerstoff freigesetzt. Die das Teil bedeckende Wasserstoffblasenschicht stellt einen hohen Stromwiderstand dar. Der Großteil der Wärme wird an das Bauteil abgegeben und erhitzt. An der Anode, die eine viel größere Oberfläche hat, ist die Stromdichte gering. Unter bestimmten Bedingungen wird das Teil durch elektrische Entladungen erhitzt, die in der Wasserstoffschicht auftreten. Die Gasschicht dient gleichzeitig als Wärmeisolierung und verhindert so ein Abkühlen des Elektrolyten des Bauteils.

Der Vorteil der Erwärmung im Elektrolyten ist eine erhebliche Energiedichte (bis zu 1 kW/cm2), die eine hohe Heizrate ermöglicht. Dies wird jedoch durch einen erhöhten Stromverbrauch erreicht.

Elektrischer Widerstand von Drähten II mil

Leiter vom Typ II namens Elektrolyte... Dazu gehören wässrige Lösungen von Säuren, Basen, Salzen sowie verschiedene flüssige und feuchtigkeitshaltige Materialien (Milch, Nassfutter, Erde).

Destilliertes Wasser ist verfügbar elektrischer Wiederstand etwa 104 Ohm x m und leitet praktisch keinen Strom, und chemisch reines Wasser ist ein gutes Dielektrikum. „Gewöhnliches“ Wasser enthält gelöste Salze und andere chemische Verbindungen, deren Moleküle im Wasser in Ionen dissoziieren, wodurch eine ionische (Elektrolyt-)Leitfähigkeit entsteht.Der spezifische elektrische Widerstand von Wasser hängt von der Salzkonzentration ab und kann durch die empirische Formel näherungsweise ermittelt werden

p20 = 8 x 10 / C,

wo p20 – spezifischer Widerstand von Wasser bei 200 °C, Ohm x m, C – Gesamtsalzkonzentration, mg/g

Atmosphärisches Wasser enthält nicht mehr als 50 mg/l gelöste Salze, Flusswasser – 500 – 600 mg/l, Grundwasser – von 100 mg/l bis zu mehreren Gramm pro Liter. Die gebräuchlichsten Werte für den effektiven elektrischen Widerstand p20 für Wasser liegen im Bereich 10 – 30 Ohm x m.

Der elektrische Widerstand von Leitern vom Typ II hängt maßgeblich von der Temperatur ab. Mit zunehmendem Wert nimmt der Dissoziationsgrad der Salzmoleküle in Ionen und deren Beweglichkeit zu, wodurch die Leitfähigkeit zunimmt und der Widerstand abnimmt. Für jede Temperatur T vor dem Beginn einer spürbaren Verdunstung wird die spezifische elektrische Leitfähigkeit von Wasser, Ohm x m -1, durch die lineare Abhängigkeit bestimmt

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

wobei y20 die spezifische Leitfähigkeit von Wasser bei einer Temperatur von 20 °C ist und a der Temperaturkoeffizient der Leitfähigkeit gleich 0,025 – 0,035 °C-1 ist.

In technischen Berechnungen verwenden sie normalerweise eher den Widerstand als die Leitfähigkeit.

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

und seine vereinfachte Abhängigkeit p (t), wobei a = 0,025 o° C-1 angenommen wird.

Dann wird die Wasserbeständigkeit durch die Formel bestimmt

pt = 40 p20 / (t +20)

Im Temperaturbereich von 20 bis 100 °C erhöht sich der Wasserwiderstand um das 3- bis 5-fache, gleichzeitig ändert sich die vom Netzwerk verbrauchte Leistung.Dies ist einer der wesentlichen Nachteile der Elektrodenheizung, der zu einer Überschätzung des Querschnitts der Versorgungsleitungen führt und die Berechnung von Elektrodenheizungsanlagen erschwert.

Der spezifische Widerstand von Wasser unterliegt der Abhängigkeit (1) erst vor Beginn einer spürbaren Verdunstung, deren Intensität vom Druck und der Stromdichte in den Elektroden abhängt. Dampf ist kein Stromleiter und daher erhöht sich der Widerstand von Wasser beim Verdampfen. In den Berechnungen wird dies durch den Koeffizienten bv in Abhängigkeit von Druck und Stromdichte berücksichtigt:

Desktop pcm = strv b = pv a e k J

wobei Desktop m – spezifischer Widerstand des Gemisches Wasser – Dampf, strc – spezifischer Widerstand von Wasser ohne merkliche Verdunstung, a – eine Konstante gleich 0,925 für Wasser, k – Wert abhängig vom Druck im Kessel (Sie können k = 1,5 annehmen ), J – Stromdichte an den Elektroden, A / cm2.

Bei Normaldruck ist der Verdampfungseffekt bei Temperaturen über 75 °C wirksam. Bei Dampfkesseln erreicht der Koeffizient b einen Wert von 1,5.

Elektrodensysteme und ihre Parameter

Elektrodensystem – eine Reihe von Elektroden, die auf bestimmte Weise miteinander und mit dem Stromversorgungsnetz verbunden sind und dazu dienen, die beheizte Umgebung mit Strom zu versorgen.

Die Parameter von Elektrodensystemen sind: Anzahl der Phasen, Form, Größe, Anzahl und Material der Elektroden, Abstand zwischen ihnen, Stromkreis Verbindungen («Stern», «Dreieck», gemischte Verbindung usw.).

Bei der Berechnung von Elektrodensystemen werden deren geometrische Parameter ermittelt, die die Freisetzung einer bestimmten Leistung in der beheizten Umgebung gewährleisten und die Möglichkeit abnormaler Modi ausschließen.

Versorgung eines dreiphasigen Elektrodensystems in Sternschaltung:

P = U2l / Rf = 3Uf / Re

Versorgung eines dreiphasigen Elektrodensystems mit Dreieckschaltung:

P = 3U2l / Re

Bei einer gegebenen Spannung Ul wird die Leistung des Elektrodensystems P durch den Phasenwiderstand Rf bestimmt, der der Widerstand des Heizkörpers ist, der zwischen den Elektroden liegt, die die Phase bilden. Die Form und Größe des Körpers hängt von der Form, Größe und dem Abstand zwischen den Elektroden ab. Für das einfachste Elektrodensystem mit flachen Elektroden jeweils b, Höhe h und dem Abstand zwischen ihnen:

Rf = pl / S = pl / (bh)

wobei l, b, h geometrische Parameter des planparallelen Systems sind.

Für komplexe Systeme scheint die Abhängigkeit von Re von geometrischen Parametern nicht so einfach auszudrücken. Im allgemeinen Fall kann es als Rf = s x ρ dargestellt werden, wobei c ein Koeffizient ist, der durch die geometrischen Parameter des Elektrodensystems bestimmt wird (kann aus Nachschlagewerken ermittelt werden).

Die Abmessungen der Elektroden zur Sicherstellung des erforderlichen Rf-Wertes können berechnet werden, wenn die analytische Beschreibung des elektrischen Feldes zwischen den Elektroden sowie die Abhängigkeit p von den es bestimmenden Faktoren (Temperatur, Druck usw.) bekannt ist.

Der geometrische Koeffizient des Elektrodensystems ergibt sich zu k = Re h / ρ

Die Leistung eines beliebigen dreiphasigen Elektrodensystems kann als P = 3U2h / (ρ k) dargestellt werden.

Darüber hinaus ist es wichtig, die Zuverlässigkeit des Elektrodensystems sicherzustellen, um Produktschäden und Stromausfälle zwischen den Elektroden auszuschließen. Diese Bedingungen werden durch die Begrenzung der Feldstärke im Zwischenelektrodenraum, die Stromdichte an den Elektroden und die richtige Wahl des Elektrodenmaterials erfüllt.

Die zulässige Stärke des elektrischen Feldes im Zwischenelektrodenraum wird durch die Anforderung begrenzt, einen elektrischen Durchschlag zwischen den Elektroden und eine Störung des Betriebs der Anlagen zu verhindern. Zulässige Beanspruchung Eadd Die Felder werden entsprechend der Spannungsfestigkeit Epr ausgewählt. Die Felder werden entsprechend der Spannungsfestigkeit Epr des Materials unter Berücksichtigung des Sicherheitsfaktors ausgewählt: Edop = Epr / (1,5 … 2)

Der Edon-Wert bestimmt den Abstand zwischen den Elektroden:

l = U / Edop = U / (Jadd ρT),

wobei Jadd die zulässige Stromdichte an den Elektroden ist und ρt der Widerstand von Wasser bei Betriebstemperatur ist.

Nach den Erfahrungen mit der Konstruktion und dem Betrieb von Elektroden-Warmwasserbereitern wird der Edon-Wert im Bereich (125 ... 250) x 102 W/m angenommen, der Mindestwert entspricht dem Widerstand von Wasser bei einer Temperatur von 20 °C О. Bei weniger als 20 Ohm x m beträgt der maximale Widerstand von Wasser bei einer Temperatur von 20 °C mehr als 100 Ohm x m.

Die zulässige Stromdichte ist begrenzt, da die erhitzte Umgebung möglicherweise mit schädlichen Produkten der Elektrolyse an den Elektroden und der Zersetzung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff kontaminiert wird, die im Gemisch ein explosives Gas bilden.

Die zulässige Stromdichte wird durch die Formel bestimmt:

Jadd = Edop / ρT,

wobei ρt der Wasserwiderstand bei der Endtemperatur ist.

Maximale Stromdichte:

Jmax = kn AzT / C,

wobei kn = 1,1 ... 1,4 – ein Koeffizient, der die Ungleichmäßigkeit der Stromdichte auf der Oberfläche der Elektrode berücksichtigt, Azt die Stärke des von der Elektrode fließenden Arbeitsstroms bei der Endtemperatur ist, C die Fläche von ​​die aktive Oberfläche der Elektrode.

In jedem Fall muss folgende Bedingung erfüllt sein:

ДжаNS hinzufügen

Elektrodenmaterialien müssen gegenüber der erhitzten Umgebung elektrochemisch neutral (inert) sein. Es ist nicht akzeptabel, Elektroden aus Aluminium oder verzinktem Stahl herzustellen. Die besten Materialien für Elektroden sind Titan, Edelstahl, Elektrographit und graphitierte Stähle. Beim Erhitzen von Wasser für technologische Zwecke wird gewöhnlicher (schwarzer) Kohlenstoffstahl verwendet. Dieses Wasser ist nicht zum Trinken geeignet.

Anpassung der Leistung des Elektrodensystems möglich durch Änderung der U- und R-Werte... Am häufigsten wird bei der Anpassung der Leistung der Elektrodensysteme darauf zurückgegriffen, die Arbeitshöhe der Elektroden (die Fläche des Aktiven) zu ändern Oberfläche der Elektroden) durch Einführung dielektrischer Schirme zwischen den Elektroden oder Änderung des geometrischen Koeffizienten des Elektrodensystems (bestimmt durch Nachschlagewerke in Abhängigkeit von den Diagrammen der Elektrodensysteme).