什么是焦耳加熱？其實(shí)現(xiàn)方法是什么？

焦耳加熱有時(shí)也稱為歐姆加熱或電阻加熱。它是一種將充滿電解質(zhì)的水直接暴露在電流中加熱的方法。 本文將討論這種水加熱方法的重要性及其實(shí)現(xiàn)方法。

水加熱裝置簡(jiǎn)史

熱水的必要性及其普遍可用性通常被認(rèn)為是理所當(dāng)然的，特別是當(dāng)人們不再考慮加熱技術(shù)及其歷史時(shí)。來(lái)自水龍頭的熱水就是一個(gè)例子，直到19世紀(jì)末才成為普通大眾無(wú)法享受的奢侈品。最早的實(shí)施例包括簡(jiǎn)單的明火水壺和加壓蒸汽鍋爐。在家庭外，這些設(shè)備還滿足了許多工業(yè)應(yīng)用、科學(xué)工藝和服務(wù)行業(yè)的要求。隨著材料技術(shù)的改進(jìn)和電子產(chǎn)品的小型化變得普遍，更多的熱水設(shè)備也進(jìn)入了市場(chǎng)。熱飲機(jī)、洗碗機(jī)、洗衣機(jī)和地板采暖系統(tǒng)浮現(xiàn)在腦海中。

如今，熱水已經(jīng)在我們的日常生活中變得完全商品化和普及。令人驚訝的是，生成它的核心技術(shù)發(fā)展很少。

通過電阻加熱元件加熱

加熱水的能源可分為兩類：電力和化石燃料。化石燃料類別依賴于燃燒器和熱交換器來(lái)間接地將燃燒產(chǎn)生的熱量轉(zhuǎn)移到水中。在電氣類別中，水也通過冷卻以熱量形式耗散功率的電阻裝置間接加熱。

這些“電阻加熱元件”通常由一種特殊的金屬絲合金（鎳鉻合金）制成，金屬絲包裹在不銹鋼管中，并填充氧化鎂粉末。導(dǎo)線的電阻（通常為幾歐姆）會(huì)使電流在通過電流時(shí)變得非常熱。該導(dǎo)線由氧化鎂粉末電絕緣，并且熱量通過粉末傳遞到金屬的最外層，該金屬外殼與待加熱的水接觸。

計(jì)算水的溫升

水的比熱是一個(gè)物理常數(shù)，它表示將一立方厘米的水加熱一攝氏度需要4.186焦耳的能量。知道了加熱元件的電阻，可以計(jì)算耗散功率并計(jì)算加熱一定體積的水所需的時(shí)間。 在流動(dòng)的水中，暴露在熱中的水的時(shí)間成分由流速?zèng)Q定。在下面的推導(dǎo)過程中，最終的方程將告訴你在給定的加熱功率下流動(dòng)水的溫升。

在上述水加熱討論中，加熱水的機(jī)理基本相同。熱源（電加熱元件或氣體燃燒器）相對(duì)于最終所需的水溫變得非常熱，并且該熱能被傳遞到水中。有趣的是，存在另一種加熱水的范例，它以完全不同的方式起作用。

焦耳加熱/歐姆加熱（當(dāng)水是電阻元件時(shí)為AKA）

焦耳加熱，通常稱為歐姆加熱，通過使電流直接通過水來(lái)加熱水。沒有使用加熱元件，事實(shí)上，等效電路將水本身描述為電阻元件。

純凈水是一種可怕的電導(dǎo)體。幸運(yùn)的是，我們每天接觸的所有水都含有溶解的鹽，使其成為電解質(zhì)。 這些溶解的鹽以水中的離子形式存在，并允許水支持電流的傳導(dǎo)。重要的是要記住，這種電流不像通過金屬線的典型電子傳導(dǎo)。它基于離子的傳輸，是一種非常復(fù)雜的化學(xué)過程。

確定導(dǎo)電量以及水的有效電阻的關(guān)鍵參數(shù)是電解質(zhì)的導(dǎo)電率和暴露在電位下的電解質(zhì)的量。為了簡(jiǎn)化問題，假設(shè)使用平板形狀的兩個(gè)電極將電壓電位施加到水上。因此，溶液的有效電阻是兩塊板之間的距離除以板的表面積，再除以電解質(zhì)的電導(dǎo)率。

計(jì)算焦耳加熱的實(shí)例

作為一個(gè)簡(jiǎn)單的例子，從兩個(gè)電極板開始，每個(gè)電極板相距10厘米，相距10毫米，浸入具有400 us/cm電導(dǎo)率的典型飲用水中。該電路的有效電阻為100歐姆。如果要對(duì)兩個(gè)電極施加240 V交流電，則產(chǎn)生的電流將為2.4 A。耗散到水中的功率達(dá)到576 W，并且所有電流都轉(zhuǎn)換為熱量。重要的是要指出電解質(zhì)的電導(dǎo)率可以廣泛變化。典型的飲用水可以為約50μS/ cm至2000μS/ cm。在高端，上面的例子將使用超過2.5千瓦的功率。

一旦確定了電路中消耗的功率，就可以使用特定的水熱量再次容易地確定所產(chǎn)生的溫度變化。在上面的例子中，假設(shè)兩個(gè)電極浸沒在1升水中。施加電壓后，水將連續(xù)消耗576瓦。在60秒內(nèi)，這將達(dá)到34.5千焦。由于有1000毫升的水，簡(jiǎn)單地將34.5除以4.186以確定溫度將升高約8攝氏度。

值得注意的是，水表現(xiàn)出二階效應(yīng)，其中電導(dǎo)率實(shí)際上隨溫度而變化。對(duì)于每攝氏度的溫升，電導(dǎo)率增加約2％。因此，當(dāng)我們加熱水時(shí)，電流實(shí)際上會(huì)增加，水的溫度會(huì)比預(yù)期的更高。

交流電位與直流電位

重要的是要注意，在該實(shí)例中，對(duì)電解液施加了交流電位。這是使用這種方法在水中產(chǎn)生熱量的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。如果使用直流電，則會(huì)發(fā)生一種完全不同的過程，稱為電解。在電極界面處將產(chǎn)生包括氫和氧的各種氣體，并且電極本身可能以有害的方式成為反應(yīng)的一部分。

結(jié)論

可以看出，歐姆加熱是非常重要的，從控制角度來(lái)看，它帶來(lái)了一些有趣的挑戰(zhàn)。由于這個(gè)原因，它在歷史上一直被歸入為工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，例如用于巴氏殺菌的食品的批量加熱。受控環(huán)境、已知電解質(zhì)和持續(xù)監(jiān)控可實(shí)現(xiàn)高效且可預(yù)測(cè)的過程。

然而，歐姆加熱技術(shù)正在成熟。動(dòng)態(tài)適應(yīng)寬電導(dǎo)率的新技術(shù)與一些巧妙的控制算法相結(jié)合，大大提高了其魯棒性。因此，它開始在家用熱水器和茶壺等消費(fèi)產(chǎn)品中找到應(yīng)用。在不久的將來(lái)，它可以很好地取代電阻加熱元件。