Chauffage par électrode de milieux liquides

Procédé de chauffage d'une électrode utilisée pour chauffer des fils II mil : eau, lait, jus de fruits et de baies, terre, béton, etc. Le chauffage des électrodes est répandu dans les chaudières à électrodes, les chaudières à eau chaude et à vapeur, ainsi que dans les processus de pasteurisation et de stérilisation des milieux liquides et humides, le traitement thermique des aliments pour animaux.

Le matériau est placé entre les électrodes et chauffé par un courant électrique traversant le matériau d'une électrode à l'autre. Le chauffage des électrodes est considéré comme un chauffage direct - ici, le matériau sert de milieu dans lequel l'énergie électrique est convertie en chaleur.

Le chauffage par électrode est le moyen le plus simple et le plus économique de chauffer des matériaux ; il ne nécessite pas d'alimentations électriques spéciales ni d'éléments chauffants en alliages coûteux.

Les électrodes fournissent du courant au milieu à chauffer et elles-mêmes ne sont pratiquement pas chauffées par le courant. Les électrodes sont constituées de matériaux non déficients, le plus souvent des métaux, mais elles peuvent aussi être non métalliques (graphite, carbone). Pour éviter l'électrolyse, utilisez uniquement courant alternatif.

La conductivité des matériaux humides est déterminée par la teneur en eau, par conséquent, dans ce qui suit, le chauffage des électrodes sera considéré principalement pour chauffer l'eau, mais les dépendances données sont également applicables pour chauffer d'autres milieux humides.

Chauffage dans un électrolyte

Dans la construction mécanique et la production de réparation, ils utilisent le chauffage dans un électrolyte... Le produit métallique (pièce) est placé dans un bain d'électrolyte (solution à 5-10% Na2CO3 et autres) et connecté au pôle négatif de la source de courant continu. À la suite de l'électrolyse, de l'hydrogène est libéré à la cathode et de l'oxygène à l'anode. La couche de bulles d'hydrogène recouvrant la pièce représente une résistance élevée au courant. La majeure partie de la chaleur y est libérée, chauffant la pièce. A l'anode, qui a une surface beaucoup plus grande, la densité de courant est faible. Dans certaines conditions, la pièce est chauffée par des décharges électriques qui se produisent dans la couche d'hydrogène. La couche de gaz sert en même temps d'isolation thermique, empêchant l'électrolyte de la pièce de se refroidir.

L'avantage du chauffage dans l'électrolyte est une densité d'énergie importante (jusqu'à 1 kW/cm2), qui permet d'obtenir une vitesse de chauffage élevée. Cependant, ceci est réalisé grâce à une consommation d'énergie accrue.

Résistance électrique des fils II mil

Conducteurs II type appelé électrolytes... Ils comprennent des solutions aqueuses d'acides, de bases, de sels, ainsi que divers matériaux liquides et contenant de l'humidité (lait, aliments humides, sol).

L'eau distillée est disponible résistance électrique environ 104 ohm x m et ne conduit pratiquement pas l'électricité, et l'eau chimiquement pure est un bon diélectrique. L'eau "ordinaire" contient des sels dissous et d'autres composés chimiques dont les molécules se dissocient dans l'eau en ions, donnant une conductivité ionique (électrolyte).La résistance électrique spécifique de l'eau dépend de la concentration de sels et peut être déterminée approximativement par la formule empirique

p20 = 8 x 10 / C,

où p20 — résistance spécifique de l'eau à 200 C, Ohm x m, C — concentration totale de sels, mg/g

L'eau atmosphérique ne contient pas plus de 50 mg/l de sels dissous, l'eau de rivière — 500 — 600 mg/l, l'eau souterraine — de 100 mg/l à plusieurs grammes par litre. Les valeurs les plus courantes de résistance électrique efficace p20 pour l'eau se situent entre 10 et 30 Ohm x m.

La résistance électrique des conducteurs de type II dépend fortement de la température. À mesure qu'il augmente, le degré de dissociation des molécules de sel en ions et leur mobilité augmentent, ce qui entraîne une augmentation de la conductivité et une diminution de la résistance. Pour toute température T avant le début de l'évaporation perceptible, la conductivité électrique spécifique de l'eau, Ohm x m -1, est déterminée par la dépendance linéaire

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

où y20 — conductivité spécifique de l'eau à une température de 20 o C, a — coefficient de température de conductivité égal à 0,025 — 0,035 o° C-1.

Dans les calculs d'ingénierie, ils utilisent généralement la résistance plutôt que la conductivité.

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

et sa dépendance simplifiée p (t), en prenant a = 0,025 o° C-1.

Ensuite, la résistance à l'eau est déterminée par la formule

pt = 40 p20 / (t +20)

Dans la plage de température de 20 à 100 OS, la résistance à l'eau augmente de 3 à 5 fois, tout en modifiant la puissance consommée par le réseau.C'est l'un des inconvénients majeurs du chauffage des électrodes, qui conduit à une surestimation de la section des fils d'alimentation et complique le calcul des installations de chauffage des électrodes.

La résistance spécifique de l'eau n'obéit à la dépendance (1) qu'avant le début d'une évaporation sensible dont l'intensité dépend de la pression et de la densité de courant dans les électrodes. La vapeur n'est pas un conducteur de courant et donc la résistance de l'eau augmente lors de l'évaporation. Dans les calculs, ceci est pris en compte par le coefficient bv en fonction de la pression et de la densité de courant :

ordinateur de bureau pcm = strv b = pv a e k J

où bureau m — résistance spécifique du mélange eau — vapeur, strc — résistance spécifique de l'eau sans évaporation notable, a — constante égale à 0,925 pour l'eau, k — valeur dépendant de la pression dans la chaudière (vous pouvez prendre k = 1,5 ), J — densité de courant sur les électrodes, A / cm2.

A pression normale, l'effet d'évaporation est efficace à des températures supérieures à 75 °C. Pour les chaudières à vapeur, le coefficient b atteint une valeur de 1,5.

Systèmes d'électrodes et leurs paramètres

Système d'électrodes - un ensemble d'électrodes, connectées d'une certaine manière les unes aux autres et au réseau d'alimentation, conçues pour fournir du courant à l'environnement chauffé.

Les paramètres des systèmes d'électrodes sont : le nombre de phases, la forme, la taille, le nombre et le matériau des électrodes, la distance entre elles, circuit électrique connexions (« étoile », « triangle », connexion mixte, etc.).

Lors du calcul des systèmes d'électrodes, leurs paramètres géométriques sont déterminés, ce qui garantit la libération d'une puissance donnée dans l'environnement chauffé et exclut la possibilité de modes anormaux.

Alimentation d'un système d'électrodes triphasé en étoile :

P = U2l / Rf = 3Uf / Re

Alimentation d'un système d'électrodes triphasé avec une connexion en triangle :

P = 3U2l / Ré

A une tension donnée Ul, le système d'électrodes de puissance P est déterminé par la résistance de phase Rf, qui est la résistance du corps de chauffe fermé entre les électrodes qui forment la phase. La forme et la taille du corps dépendent de la forme, de la taille et de la distance entre les électrodes. Pour le système d'électrodes le plus simple avec des électrodes plates chacune b, hauteur h et la distance entre elles :

Rf = pl / S = pl / (bh)

où, l, b, h — paramètres géométriques du système plan-parallèle.

Pour les systèmes complexes, la dépendance de Re aux paramètres géométriques ne semble pas si facile à exprimer. Dans le cas général, il peut être représenté par Rf = s x ρ, où c est un coefficient déterminé par les paramètres géométriques du système d'électrodes (peut être déterminé à partir d'ouvrages de référence).

Les dimensions des électrodes pour assurer la valeur requise Rf, peuvent être calculées si la description analytique du champ électrique entre les électrodes est connue, ainsi que la dépendance p sur les facteurs qui le déterminent (température, pression, etc.).

Le coefficient géométrique du système d'électrodes se trouve sous la forme k = Re h / ρ

La puissance de tout système d'électrode triphasé peut être représentée par P = 3U2h / (ρ k)

De plus, il est important d'assurer la fiabilité du système d'électrodes, d'exclure les dommages au produit et les pannes électriques entre les électrodes. Ces conditions sont remplies en limitant l'intensité du champ dans l'espace interélectrodes, la densité de courant sur les électrodes et le bon choix du matériau des électrodes.

L'intensité admissible du champ électrique dans l'espace interélectrodes est limitée par la nécessité d'éviter les claquages ​​électriques entre les électrodes et de perturber le fonctionnement des installations. Contrainte admissible Eajoutez les champs sont sélectionnés en fonction de la rigidité diélectrique Epr les champs sont sélectionnés en fonction de la rigidité diélectrique Epr du matériau en tenant compte du facteur de sécurité : Edop = Epr / (1,5 … 2)

La valeur Edon détermine la distance entre les électrodes :

l = U / Edop = U / (Jadd ρT),

où Jadd - densité de courant admissible sur les électrodes, ρt est la résistance de l'eau à la température de fonctionnement.

Selon l'expérience de la conception et du fonctionnement des chauffe-eau à électrodes, la valeur d'Edon est prise dans la plage (125 ... 250) x 102 W / m, la valeur minimale correspond à la résistance de l'eau à une température de 20 О. À moins de 20 Ohm x m, le maximum est la résistance de l'eau à une température de 20 OC supérieure à 100 Ohm x m.

La densité de courant admissible est limitée en raison de la possibilité de contamination de l'environnement chauffé par des produits nocifs d'électrolyse au niveau des électrodes et de décomposition de l'eau en hydrogène et oxygène, qui forment un gaz explosif dans le mélange.

La densité de courant admissible est déterminée par la formule :

Jadd = Edop / ρT,

où ρt est la résistance à l'eau à la température finale.

Densité de courant maximale :

Jmax = kn AzT / C,

où, kn = 1,1 ... 1,4 - un coefficient tenant compte de l'inégalité de la densité de courant à la surface de l'électrode, Azt est l'intensité du courant de travail provenant de l'électrode à la température finale, C est l'aire de la surface active de l'électrode.

Dans tous les cas, la condition suivante doit être remplie :

ДжаNS ajouter

Les matériaux des électrodes doivent être électrochimiquement neutres (inertes) par rapport à l'environnement chauffé. Il est inacceptable de fabriquer des électrodes en aluminium ou en acier galvanisé. Les meilleurs matériaux pour les électrodes sont le titane, l'acier inoxydable, le graphite électrique, les aciers graphités. Lors du chauffage de l'eau pour des besoins technologiques, de l'acier au carbone ordinaire (noir) est utilisé. Cette eau n'est pas potable.

Ajustement de la puissance du système d'électrodes possible en modifiant les valeurs U et R... Le plus souvent, lors du réglage de la puissance des systèmes d'électrodes, ils ont recours à la modification de la hauteur de travail des électrodes (la zone de l'actif surface des électrodes) en introduisant des écrans diélectriques entre les électrodes ou en modifiant le coefficient géométrique du système d'électrodes (déterminé par des ouvrages de référence en fonction des schémas des systèmes d'électrodes).