液体媒体の電極加熱

電熱線 II ミルに使用される電極の加熱方法: 水、牛乳、フルーツおよびベリーのジュース、土、コンクリートなど。電極加熱は、電極ボイラー、熱水および蒸気用のボイラー、液体および湿った媒体の低温殺菌および滅菌、飼料の熱処理のプロセスで広く普及しています。

材料は電極の間に配置され、一方の電極からもう一方の電極へと材料を流れる電流によって加熱されます。電極加熱は直接加熱とみなされます。この場合、材料は電気エネルギーが熱に変換される媒体として機能します。

電極加熱は材料を加熱する最も簡単で経済的な方法です。特別な電源や高価な合金で作られたヒーターは必要ありません。

電極は加熱対象の媒体に電流を供給しますが、電極自体は電流によって実質的に加熱されません。電極は欠陥のない材料で作られており、ほとんどの場合は金属ですが、非金属（グラファイト、カーボン）である場合もあります。電気分解を避けるため、次の場合にのみ使用してください。 交流電流.

湿った材料の導電率は水分含有量によって決まります。したがって、以下では、電極加熱は主に水を加熱するために考慮されますが、所定の依存関係は他の湿った媒体の加熱にも適用できます。

電解液中での加熱

機械工学や修理生産では、電解液中での加熱が使用されます。金属製品（部品）は電解液槽（5 ～ 10% Na2CO3 溶液など）に入れられ、直流電源の負極に接続されます。電気分解の結果として、水素が陰極で放出され、酸素が陽極で放出されます。部品を覆う水素の泡の層は、高い電流抵抗を示します。熱の大部分が内部に放出され、部品が加熱されます。アノードでは表面積がはるかに大きいため、電流密度は低くなります。特定の条件下では、水素層内で発生する放電によって部品が加熱されます。ガス層は同時に断熱材としても機能し、部品の電解液の冷却を防ぎます。

電解液中での加熱の利点は、エネルギー密度が高く (最大 1 kW / cm2)、高い加熱速度が得られることです。ただし、これは消費電力の増加によって実現されます。

ワイヤの電気抵抗 II mil

電解質と呼ばれる導体 II タイプ... これらには、酸、塩基、塩の水溶液のほか、さまざまな液体および水分を含む物質 (牛乳、湿った飼料、土壌) が含まれます。

蒸留水が利用可能です 電気抵抗 約 104 オーム x m であり、実質的に電気を通さないため、化学的に純粋な水は良好な誘電体です。 「普通の」水には、溶解した塩やその他の化合物が含まれており、それらの分子は水中でイオンに解離し、イオン（電解質）導電性を与えます。水の比電気抵抗は塩の濃度に依存し、次の経験式によっておおよそ決定できます。

p20 = 8 x 10 / C、

ここで、p20 — 200 C での水の比抵抗、オーム x m、C — 塩の総濃度、mg / g

大気中には 50 mg/l 以下の溶解塩が含まれていますが、川の水には 500 ～ 600 mg/l、地下水には 100 mg/l から数グラム/リットルの溶解塩が含まれています。水の実効電気抵抗p20の最も一般的な値は10〜30オーム×mの範囲にあります。

II 型導体の電気抵抗は温度に大きく依存します。増加すると、塩分子のイオンへの解離の程度とその移動度が増加し、その結果、導電率が増加し、抵抗が減少します。顕著な蒸発が始まる前の任意の温度 T に対して、水の比電気伝導率、オーム x m -1 は線形依存性によって決定されます。

yt = y20 [1 + a (t-20)]、

ここで、y20 - 20℃の温度における水の比導電率、a - 0.025〜0.035℃-1に等しい導電率の温度係数。

工学計算では通常、導電率ではなく抵抗が使用されます。

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

およびその単純化された依存性 p (t)、a = 0.025 o° C-1 とします。

耐水性は次の式で求められます。

pt = 40 p20 / (t +20)

20 ～ 100 OS の温度範囲では、耐水性が 3 ～ 5 倍に増加し、同時にネットワークの消費電力も変化します。これは電極加熱の重大な欠点の 1 つであり、電源ワイヤの断面積の過大評価につながり、電極加熱設備の計算が複雑になります。

水の比抵抗は、顕著な蒸発が始まる前にのみ依存性 (1) に従います。蒸発の強さは、電極内の圧力と電流密度に依存します。蒸気は電流の伝導体ではないため、蒸発中に水の抵抗が増加します。計算では、これは圧力と電流密度に応じた係数 bv によって考慮されます。

デスクトップ pcm = strv b = pv a e k J

ここで、デスクトップ m - 混合物の比抵抗、水 - 蒸気、strc - 顕著な蒸発を伴わない水の比抵抗、a - 水の 0.925 に等しい定数、k - ボイラー内の圧力に応じた値 (k = 1.5 とすることができます) )、J — 電極上の電流密度、A / cm2。

常圧では、75 °C 以上の温度で蒸発効果が有効になります。蒸気ボイラーの場合、係数 b の値は 1.5 に達します。

電極システムとそのパラメータ

電極システム — 一定の方法で互いに接続され、電源ネットワークに接続され、加熱された環境に電流を供給するように設計された一連の電極。

電極システムのパラメータは次のとおりです: 相の数、形状、サイズ、電極の数と材質、電極間の距離、 電子回路 接続 («スター»、«デルタ»、混合接続など)。

電極システムを計算する際、その幾何学的パラメーターが決定され、加熱された環境で所定の電力が確実に放出され、異常モードの可能性が排除されます。

スター結線で三相電極システムに電力を供給する:

P = U2l / Rf = 3Uf / Re

デルタ結線を使用した三相電極システムの供給:

P = 3U2l / Re

所与の電圧ＵＩにおいて、電力電極システムＰは、相を形成する電極間に閉じられた加熱体の抵抗である相抵抗Ｒｆによって決定される。本体の形状とサイズは、電極間の形状、サイズ、距離によって異なります。それぞれの平坦な電極を備えた最も単純な電極システムの場合、各 b、高さ h、およびそれらの間の距離は次のとおりです。

Rf = pl / S = pl / (bh)

ここで、l、b、h — 平行平面系の幾何学的パラメータ。

複雑なシステムの場合、Re の幾何学的パラメーターへの依存性を表現するのはそれほど簡単ではないようです。一般的な場合、これは Rf = s x ρ として表すことができます。ここで、c は電極システムの幾何学的パラメーターによって決定される係数です (参考書籍から決定できます)。

必要な値 Rf を確保するための電極の寸法は、電極間の電場の分析的記述と、それを決定する要因 (温度、圧力など) への依存性 p がわかっていれば計算できます。

電極システムの幾何係数は、k = Re h / ρ として求められます。

三相電極システムの電力は、P = 3U2h / (ρ k) として表すことができます。

さらに、製品の損傷や電極間の絶縁破壊を防ぐために、電極システムの信頼性を確保することも重要です。これらの条件は、電極間空間の電界強度、電極上の電流密度、および電極材料の正しい選択を制限することによって満たされます。

電極間空間における電界の許容強度は、電極間の絶縁破壊を防止し、設備の動作を中断するという要件によって制限されます。許容応力 Eadd フィールドは絶縁耐力 Epr に従って選択されます。フィールドは安全係数を考慮して材料の絶縁耐力 Epr に従って選択されます: Edop = Epr / (1.5 … 2)

Edon 値によって電極間の距離が決まります。

l = U / エドップ = U / (ジャッド ρT)、

ここで、Jadd — 電極上の許容電流密度、ρt は動作温度における水の抵抗です。

電極給湯器の設計と操作の経験によると、Edon の値は (125 ... 250) x 102 W / m の範囲で取得され、最小値は温度 20 の水の抵抗に対応します。 О. 20 オーム x m 未満では、最大値は 20 ℃ の温度で 100 オーム x m を超える水の抵抗です。

許容電流密度は、電極での電気分解による有害な生成物による加熱環境の汚染、および水の水素と酸素への分解により混合物中に爆発性ガスが形成される可能性があるため、制限されています。

許容電流密度は次の式で求められます。

ジャッド = エドップ / ρT、

ここで、ρt は最終温度での耐水性です。

最大電流密度:

Jmax = kn AzT / C、

ここで、kn = 1.1 ... 1.4 — 電極表面の電流密度の不均一性を考慮した係数、Azt は最終温度で電極から流れる動作電流の強さ、C は面積電極の活性表面。

いずれの場合も、次の条件を満たす必要があります。

ДжаNS追加

電極材料は、加熱された環境に対して電気化学的に中性 (不活性) でなければなりません。電極をアルミニウムまたは亜鉛メッキ鋼で作ることは受け入れられません。電極に最適な材料は、チタン、ステンレス鋼、電気黒鉛、黒鉛鋼です。技術的なニーズのために水を加熱する場合、通常の（黒色の）炭素鋼が使用されます。このような水は飲料には適していません。

U と R の値を変更することで、電極システムの出力を調整できます... ほとんどの場合、電極システムの出力を調整するときは、電極の作業高さ (アクティブな領域の面積) を変更する必要があります。電極間に誘電体スクリーンを導入するか、電極システムの幾何学的係数を変更することによって（電極の表面）、（電極システムの図に応じて参考書によって決定されます）。