Ogrzewanie elektrodowe mediów płynnych

Sposób podgrzewania elektrody stosowanej do podgrzewania drutów II mil: woda, mleko, soki owocowe i jagodowe, ziemia, beton itp. Ogrzewanie elektrod jest szeroko rozpowszechnione w kotłach elektrodowych, kotłach na gorącą wodę i parę, a także w procesach pasteryzacji i sterylizacji mediów płynnych i mokrych, obróbce cieplnej pasz.

Materiał jest umieszczany między elektrodami i podgrzewany prądem elektrycznym przepływającym przez materiał z jednej elektrody na drugą. Ogrzewanie elektrod jest uważane za ogrzewanie bezpośrednie - tutaj materiał służy jako medium, w którym energia elektryczna jest przekształcana w ciepło.

Ogrzewanie elektrod jest najprostszym i najbardziej ekonomicznym sposobem ogrzewania materiałów; nie wymaga specjalnych zasilaczy ani grzałek wykonanych z drogich stopów.

Elektrody dostarczają prąd do ogrzewanego medium, a same praktycznie nie są ogrzewane przez prąd. Elektrody wykonane są z materiałów niewadliwych, najczęściej metali, ale mogą być również niemetaliczne (grafit, węgiel). Aby uniknąć elektrolizy, używaj tylko prąd przemienny.

Przewodność materiałów mokrych zależy od zawartości wody, dlatego w dalszej części rozważania nagrzewania elektrod będą dotyczyły głównie podgrzewania wody, ale podane zależności mają również zastosowanie do podgrzewania innych mokrych mediów.

Ogrzewanie w elektrolicie

W inżynierii mechanicznej i produkcji napraw wykorzystują ogrzewanie w elektrolicie... Metalowy produkt (część) umieszcza się w kąpieli elektrolitycznej (5-10% roztwór Na2CO3 i inne) i podłącza do bieguna ujemnego źródła prądu stałego. W wyniku elektrolizy na katodzie wydziela się wodór, a na anodzie tlen. Warstwa pęcherzyków wodoru pokrywająca część reprezentuje wysoką rezystancję prądową. Większość ciepła jest uwalniana do niego, ogrzewając część. Na anodzie, która ma znacznie większą powierzchnię, gęstość prądu jest niska. W pewnych warunkach część jest podgrzewana przez wyładowania elektryczne, które występują w warstwie wodoru. Warstwa gazowa pełni jednocześnie funkcję izolacji termicznej, zapobiegając wychładzaniu się elektrolitu części.

Zaletą grzania w elektrolicie jest znaczna gęstość energii (do 1 kW/cm2), co zapewnia dużą szybkość nagrzewania. Osiąga się to jednak poprzez zwiększone zużycie energii.

Rezystancja elektryczna przewodów II mil

Przewodniki typu II zwane elektrolitami... Obejmują one wodne roztwory kwasów, zasad, soli, a także różne materiały płynne i zawierające wilgoć (mleko, mokra pasza, gleba).

Dostępna jest woda destylowana opór elektryczny około 104 ohm x m i praktycznie nie przewodzi prądu, a chemicznie czysta woda jest dobrym dielektrykiem. „Zwykła” woda zawiera rozpuszczone sole i inne związki chemiczne, których cząsteczki dysocjują w wodzie na jony, dając przewodnictwo jonowe (elektrolitu).Specyficzny opór elektryczny wody zależy od stężenia soli i można go w przybliżeniu określić za pomocą wzoru empirycznego

p20 = 8 x 10 / C,

gdzie p20 — opór właściwy wody w temperaturze 200 C, Ohm x m, C — całkowite stężenie soli, mg/g

Woda atmosferyczna zawiera nie więcej niż 50 mg/l rozpuszczonych soli, woda rzeczna — 500 — 600 mg/l, woda gruntowa — od 100 mg/l do kilku gramów na litr. Najczęstsze wartości efektywnej rezystancji elektrycznej p20 dla wody mieszczą się w zakresie 10 — 30 Ohm x m.

Rezystancja elektryczna przewodów typu II zależy istotnie od temperatury. Wraz ze wzrostem zwiększa się stopień dysocjacji cząsteczek soli na jony i ich ruchliwość, w wyniku czego wzrasta przewodnictwo i maleje rezystancja. Dla dowolnej temperatury T przed rozpoczęciem zauważalnego parowania właściwa przewodność elektryczna wody, Ohm x m -1, jest określona przez zależność liniową

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

gdzie y20 — przewodność właściwa wody w temperaturze 20 o C, a — współczynnik temperaturowy przewodnictwa równy 0,025 — 0,035 o° C-1.

W obliczeniach inżynierskich zwykle używają rezystancji zamiast przewodnictwa.

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

oraz jej uproszczoną zależność p(t), przyjmując a = 0,025 o° C-1.

Następnie wodoodporność określa wzór

pt = 40 p20 / (t +20)

W zakresie temperatur 20 — 100 OO wodoodporność wzrasta 3 — 5 razy, jednocześnie zmienia się moc pobierana przez sieć.Jest to jedna z istotnych wad ogrzewania elektrod, która prowadzi do przeszacowania przekroju przewodów zasilających i komplikuje obliczenia instalacji ogrzewania elektrod.

Opór właściwy wody spełnia zależność (1) tylko przed rozpoczęciem zauważalnego parowania, którego intensywność zależy od ciśnienia i gęstości prądu w elektrodach. Para nie jest przewodnikiem prądu, dlatego opór wody wzrasta podczas parowania. W obliczeniach uwzględnia to współczynnik bv zależny od ciśnienia i gęstości prądu:

desktop pcm = strv b = pv a e k J

gdzie pulpit m — opór właściwy mieszaniny woda — para, strc — opór właściwy wody bez zauważalnego parowania, a — stała równa 0,925 dla wody, k — wartość zależna od ciśnienia w kotle (można przyjąć k = 1,5 ), J — gęstość prądu na elektrodach, A / cm2.

Przy normalnym ciśnieniu efekt parowania jest skuteczny w temperaturach powyżej 75°C. Dla kotłów parowych współczynnik b osiąga wartość 1,5.

Układy elektrod i ich parametry

Układ elektrod — zestaw elektrod, połączonych w określony sposób ze sobą oraz z siecią zasilającą, przeznaczony do dostarczania prądu do ogrzewanego otoczenia.

Parametrami układów elektrod są: liczba faz, kształt, rozmiar, liczba i materiał elektrod, odległość między nimi, obwód elektryczny połączenia («gwiazda», «trójkąt», połączenie mieszane itp.).

Obliczając układy elektrod, określa się ich parametry geometryczne, które zapewniają uwolnienie określonej mocy w ogrzewanym środowisku i wykluczają możliwość powstania nienormalnych trybów.

Zasilanie trójfazowego układu elektrod w połączeniu w gwiazdę:

P = U2l / Rf = 3Uf / Re

Zasilanie układu elektrod trójfazowych połączeniem w trójkąt:

P = 3U2l / Re

Przy danym napięciu Ul moc układu elektrod P jest określona przez rezystancję fazową Rf, która jest rezystancją korpusu grzejnego zamkniętego pomiędzy elektrodami tworzącymi fazę. Kształt i rozmiar ciała zależy od kształtu, wielkości i odległości między elektrodami. Dla najprostszego układu elektrod z płaskimi elektrodami każda b, wysokość h i odległość między nimi:

Rf = pl / S = pl / (bh)

gdzie, l, b, h — parametry geometryczne układu płasko-równoległego.

Dla układów złożonych zależność Re od parametrów geometrycznych nie wydaje się tak łatwa do wyrażenia. W ogólnym przypadku można go przedstawić jako Rf = s x ρ, gdzie c jest współczynnikiem określonym przez parametry geometryczne układu elektrod (można wyznaczyć z literatury).

Wymiary elektrod zapewniające wymaganą wartość Rf można obliczyć, jeśli znany jest opis analityczny pola elektrycznego między elektrodami oraz zależność p od czynników je determinujących (temperatura, ciśnienie itp.).

Współczynnik geometryczny układu elektrod znajduje się jako k = Re h / ρ

Moc dowolnego układu elektrod trójfazowych można przedstawić jako P = 3U2h / (ρ k)

Ponadto ważne jest zapewnienie niezawodności systemu elektrod, aby wykluczyć uszkodzenie produktu i przebicie elektryczne między elektrodami. Warunki te są spełnione poprzez ograniczenie natężenia pola w przestrzeni międzyelektrodowej, gęstość prądu na elektrodach oraz właściwy dobór materiału elektrody.

Dopuszczalne natężenie pola elektrycznego w przestrzeni międzyelektrodowej jest ograniczone koniecznością zapobieżenia przebiciu elektrycznemu między elektrodami i zakłóceniu pracy instalacji. Dopuszczalne naprężenia Eadd pola dobierane są według wytrzymałości dielektrycznej Epr pola dobierane są według wytrzymałości dielektrycznej Epr materiału z uwzględnieniem współczynnika bezpieczeństwa: Edop = Epr / (1,5 … 2)

Wartość Edon określa odległość między elektrodami:

l = U / Edop = U / (Jadd ρT),

gdzie Jadd — dopuszczalna gęstość prądu na elektrodach, ρt jest oporem wody w temperaturze roboczej.

Zgodnie z doświadczeniem w projektowaniu i eksploatacji elektrodowych podgrzewaczy wody, wartość Edon przyjmuje się w zakresie (125 ... 250) x 102 W / m, minimalna wartość odpowiada oporowi wody w temperaturze 20 ° C О Przy mniej niż 20 omach x m maksymalna oporność wody w temperaturze 20 OC jest większa niż 100 omów x m.

Dopuszczalna gęstość prądu jest ograniczona ze względu na możliwość zanieczyszczenia ogrzewanego środowiska szkodliwymi produktami elektrolizy na elektrodach oraz rozkładu wody na wodór i tlen, które w mieszaninie tworzą gaz wybuchowy.

Dopuszczalną gęstość prądu określa wzór:

Jadd = Edop / ρT,

gdzie ρt jest wodoodpornością w temperaturze końcowej.

Maksymalna gęstość prądu:

Jmax = kn AzT/C,

gdzie kn = 1,1 ... 1,4 — współczynnik uwzględniający nierównomierność gęstości prądu na powierzchni elektrody, Azt to natężenie prądu roboczego płynącego z elektrody w temperaturze końcowej, C to powierzchnia powierzchnia czynna elektrody.

We wszystkich przypadkach musi być spełniony następujący warunek:

ДжаNS dodaj

Materiały elektrod muszą być elektrochemicznie obojętne (obojętne) w stosunku do ogrzewanego środowiska. Niedopuszczalne jest wykonywanie elektrod z aluminium lub stali ocynkowanej. Najlepszymi materiałami na elektrody są tytan, stal nierdzewna, grafit elektryczny, stale grafitowane. Przy podgrzewaniu wody na potrzeby technologiczne stosuje się zwykłą (czarną) stal węglową. Taka woda nie nadaje się do picia.

Regulacja mocy układu elektrod możliwa poprzez zmianę wartości U i R... Najczęściej przy regulacji mocy układów elektrod uciekają się do zmiany wysokości roboczej elektrod (obszar aktywny powierzchni elektrod) poprzez wprowadzenie ekranów dielektrycznych pomiędzy elektrodami lub zmianę współczynnika geometrycznego układu elektrod (określanego na podstawie podręczników w zależności od schematów układów elektrod).