Электродный метод нагрева используют для нагрева проводников II рода: воды, молока, фруктовых и ягодных соков, земли, бетона и т.д. Электродный нагрев обширно всераспространен в электродных водонагревателях, водогрейных и паровых котлах, также в процессах пастеризации и стерилизации водянистых и мокроватых сред, термический обработки кормов.

Материал помещают меж электродами и нагревают электронным током, протекающим по материалу от 1-го электрода к другому. Электродный нагрев считается прямым нагревом — тут материал служит средой, в какой электронная энергия преобразуется в термическую.

Электродный нагрев — более обычный и экономный метод нагрева материалов, не просит особых источников питания либо нагревателей из дорогостоящих сплавов.

Электроды подводят ток к нагреваемой среде и сами током фактически не греются. Электроды изготавливают из недифицитных материалов, в большинстве случаев из металлов, да и могут быть и неметаллическими (графитовыми, угольными), Во избежание электролиза для электродного нагрева употребляют только переменный ток.

Проводимость мокроватых материалов обуславливается содержанием воды, потому в предстоящем электродный нагрев будем рассматривать, приемущественно, к нагреву воды, но приводимые зависимости применимы и к нагреву других мокроватых сред.

Нагрев в электролите

В машиностроении и ремонтном производстве используют нагрев в электролите. Железное изделие (деталь) помещают в электролитическую ванну (5 — 10 %-ный раствор Na₂CO₃ и др.) и подсоединяют к отрицательному полюсу источника неизменного тока. В итоге электролиза на катоде выделяется водород, а на аноде — кислород. Слой пузырьков водорода, покрывающий деталь, представляет для тока высочайшее сопротивление. В нем выделяется основная толика теплоты, нагревающая деталь. На аноде , имеющем еще огромную поверхность, плотность тока мала. При определенных критериях деталь греется электронными разрядами, возникающими в водородном слое. Газовый слой сразу служит термоизоляцией, предотвращающей остывание детали электролитом.

Преимущество нагрева в электролите — значимая плотность энергии (до 1 кВт / см2), обеспечивающая высшую скорость нагрева. Но это достигается завышенным расходом энергии.

Электронное сопротивление проводников II рода

Проводники II рода именуют электролитами. К ним относятся водные смеси кислот, щелочей, солей, также разные водянистые и влагосодержащие материалы (молоко, мокроватые корма, почва).

Дистиллированная вода имеет удельное электронное сопротивление порядка 10⁴ ом х м и фактически не проводит электронный ток, а химически незапятнанная вода является неплохим диэлектриком. «Рядовая» вода содержит в растворенном виде соли и другие хим соединения, молекулы которых диссоциируют в воде на ионы, сообщая ей ионную (электролитическую проводимость). Удельное электронное сопротивление воды находится в зависимости от концентрации солей и приближенно может быть определено по эмпирической формуле

p₂₀ = 8 х 10 / С,

где p₂₀ — удельное сопротивление воды при 20⁰ С, Ом х м, С — суммарная концентрация солей, мг/г

Атмосферная вода содержит растворенных солей менее 50 мг/л, воды рек — 500 — 600 мг/л, подземные воды — от 100 мг/л до нескольких граммов на литр. Более распространенные значения удельного электронного сопротивления p₂₀ для воды находятся в спектре 10 — 30 Ом х м.

Электронное сопротивление проводников II рода значительно находится в зависимости от температуры. С ее возрастанием возрастает степень диссоциации молекул солей на ионы и их подвижность, вследствие чего проводимость увеличивается, а сопротивление понижается. Для хоть какой температуры t до начала приметного парообразования удельная электронная проводимость воды, Ом х м ^-1, определяется линейной зависимостью

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

где y20 — удельная проводимость воды при температуре 20 o C, а — температурный коэффициент проводимости, равный 0,025 — 0,035 ^oC^-1.

В технических расчетах обычно пользуются не проводимостью, а удельным сопротивлением

pt = 1/yt = p20 / [1 + a (t-20)]  (1)

и его облегченной зависимостью p (t), принимая a = 0,025 ^oC^-1.

Тогда удельное сопротивление воды определяют по формуле

pt = 40 p20 / (t +20)

В спектре температур 20 — 100 ^оС удельное сопротивление воды растет в 3 — 5 раз, во столько же раз меняется мощность, потребляемая из сети. Это один из существенных недочетов электродного нагрева, приводящий к завышению сечения питающих проводов и усложняющий расчет установок электродного нагрева.

Удельное сопротивление воды подчиняется зависимости (1) только до пришествия приметного парообразования, интенсивность которого находится в зависимости от давления и плотности тока в электродах. Пар не является проводником тока, и потому при парообразовании удельное сопротивление воды растет. В расчетах это учитывается коэффициентом b, зависящим от давления и плотности тока:

pcм = pв b = pв a e k J

где pcм — удельное сопротивление консистенции вода — пар, pв — удельное сопротивление воды без приметного парообразования, a — неизменная, равная для воды 0,925, k — величина, зависящая от давления в котле (можно принять k = 1,5), J — плотность тока на электродах, А/см2.

При обычном давлении воздействие парообразования сказывается при температуре выше 75 ^оС. Для паровых котлов коэффициент b добивается значения 1,5.

Электродные системы и их характеристики

Электродная система — совокупа электродов, спецефическим образом связанных меж собой и питающей сетью, созданных для подвода тока к нагреваемой среде.

Параметрами электродных систем являются: число фаз, форма, размеры, число и материал электродов, расстояние меж ним, электронная схема соединения («звезда», «треугольник», смешанное соединение и т. п.).

При расчете электродных систем определяют их геометрические характеристики, обеспечивающие выделение в нагреваемой среде данной мощности и исключающих возможность ненормальных режимов.

Мощность трехфазной электродной системы при соединении звездой:

P = U₂л / Rф = 3Uф / Rф

Мощность трехфазной электродной системы при соединении треугольником:

P = 3U₂л / Rф

При данном напряжении Uл питания мощность электродной системы P определяется сопротивлением фазы Rф, которое представляет собой сопротивление тела нагрева, заключенного меж электродами, образующими фазу. Конфигурация и размеры тела зависят от формы, размеров и расстояния меж электродами. Для простейшей электродной системы с плоскими электродами шириной каждого b, высотой h и расстоянием меж ними:

Rф = pl / S = pl / (bh)

где, l, b, h — геометрические характеристики плоскопараллельной системы.

Для сложных систем зависимость Rф от геометрических характеристик не представляется выразить настолько просто. В общем случае ее можно представить в виде Rф = с х ρ, где с — коэффициент, определяемый геометрическими параметрами электродной системы (его можно найти по справочникам).

Размеры электродов, обеспечивающие нужное значение Rф, могут быть рассчитаны, если понятно аналитического описание электронного поля меж электродами, также зависимость p от определяющих ее причин (температура, давление и др.).

Геометрический коэффициент электродной системы находят как k = Rф h / ρ

Мощность хоть какой трехфазной электродной системы можно представить в виде P = 3U²h /(ρ k)

Не считая этого, принципиально обеспечить надежность электродной системы, исключение порчи продукта и электронного пробоя меж электродами. Эти условия производятся ограничением напряженности поля в межэлектродном пространстве, плотности тока на электродах и правильным выбором материала электродов.

Допустимую напряженность электронного поля в межэлектродном пространстве ограничивают требованием недопущения электронного пробоя меж электродами и нарушения работы установок. Допустимую напряженность Eдоп поля выбирают по электронной прочности Епр поля выбирают по электронной прочности Епр материала с учетом коэффициента припаса: Едоп = Епр / (1,5 … 2)

Величина Едоп определяет расстояние меж электродами:

l = U / Едоп = U / (Jдоп ρт),

где Jдоп — допустимая плотность тока на электродах, ρт — удельное сопротивление воды при рабочей температуре.

По опыту проектирования и эксплуатации электродных водонагревателей значение Едоп принимают в границах (125 … 250) х 102 Вт/м, малое значение соответствует удельному сопротивлению воды при температуре 20 ^оС наименее 20 Ом х м, наибольшее — удельному сопротивлению воды при температуре 20 ^оС более 100 Ом х м.

Допустимую плотность тока ограничивают из-за способности загрязнения нагреваемой среды вредными продуктами электролиза на электродах и разложения воды на водород и кислород, которые в консистенции образуют гремучий газ.

Допустимую плотность тока определяют по формуле:

Jдоп = Едоп / ρт,

где ρт — удельное сопротивление воды при конечной температуре.

Наибольшая плотность тока:

Jmax = kн Iт / S,

где, kн = 1,1 … 1,4 — коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электрода, Iт — сила рабочего тока, стекающего с электрода при конечной температуре, S — площадь активной поверхности электрода.

Во всех случаях должно быть соблюдено условие:

Jmaх доп

Материалы для электродов должны быть электрохимически нейтральны (инертны) относительно нагреваемой среды. Неприемлимо делать электроды из алюминия либо покрытой цинком стали. Наилучшими материалами для электродов служат титан, нержавеющие стали, электротехнический графит, графитизированные стали. При нагреве воды для технологических нужд употребляют обыденную (черную) углеродистую сталь. Для питья такая вода неприменима.

Регулирование мощности электродной системы может быть при изменении значений U и R. В большинстве случаев при регулировании мощности электродных систем прибегают к изменению рабочей высоты электродов (площади активной поверхности электродов) методом введения меж электродами диэлектрических экранов либо конфигурацией геометрического коэффициент электродной системы (определяется по справочникам зависимо от схем электродных систем).