Общие сведения

Электродный нагрев применяют для нагрева электропроводящих материалов, обладающих ионной проводимостью. По принципу действия электродный нагрев относится к прямому, так как сам материал является средой, в которой электрическая энергия превращается в тепловую. Электроды служат для подвода электрического тока к нагреваемому материалу. Электродный нагрев прост в эксплуатации, доступен в использовании, поэтому нашел широкое применение в хозяйстве для отопления и нагрева воды в технологических целях.

В электродных аппаратах используют только переменный ток во избежание электролиза воды. Электроды изготавливают из металлических материалов: титана, нержавеющей и углеродистой стали, электротехнического графита и др. При плотности тока до 2·10³ А/м² для из­готовления электродов по условиям коррозионной стой­кости целесообразно применять нержавеющую сталь, а при больших значениях плотности тока — углеродистую. Для изготовления электродов не рекомендуется использовать медь, алюминий и оцинкованную сталь из-за низ­кой коррозионной стойкости и загрязнения воды продуктами коррозии этих материалов.

Как правило, в установки электродного нагрева вода подается из естественных источников. Пригодность воды для того или иного технологического процесса определяется ее физико-химическими показателями - солесодержание, удельное электрическое сопротивление. Солесодержание, т. е. суммарная концентрация всех содержащихся в 1 кг воды катионов и анионов, в различных зонах России колеблется от 50 мг/кг до нескольких граммов на килограмм.

Режим работы электродных аппаратов в основном зависит от удельного электрического сопротивления воды, которое в любой момент времени определяет ток и мощность аппарата. Удельное сопротивление воды зависит от времени года по причине изменения солесодержания, а так же от температуры.

Удельное электрическое сопротивление , Οм·м, при температуре Τ слабых растворов электролитов, в том числе и природной воды, описывается гиперболической функцией от температуры

, (5.1)

где ρ₂₉₃ — удельное электрическое сопротивление при температуре 293 К;

α_Т — температурный коэффициент электрического сопротивления, отражающий относительное уменьшение электрического сопротивления при возрастании температуры на 1 К.

Для растворов щелочей и солей α_Т=0,02...0,035 К^-1 кислот α_Т =0,01...0,016 К^-1.

В практических расчетах его определяют по упрощенному выражению, принимая α_Т=0,025 К^-1

. (5.2)

Электрические водонагреватели, как правило, работают в замкнутых системах теплоснабжения без отбора воды, что позволяет стабилизировать электрическое сопротивление, электрический ток и мощность водонагревателя на расчетном уровне. В отличие от водонагревателей удельное сопротивление воды в паровом котле (парогенераторе) меняется по высоте электродной системы. В нижней зоне системы вода нагревается до 358...368 К, в средней — до температуры кипения при заданном давлении.

Удельное электрическое сопротивление такой сложной по структуре рабочей среды — пароводяной смеси — зависит от температуры и концентрации солей в котловой воде, объемного паросодержания, конструктивных параметров электродной системы и других параметров. В практике расчета паровых котлов удельное электрическое сопротивление пароводяной смеси определяют по опытным данным.

Для электродной системы с коак­сиальными цилиндрическими электродами удельное электрическое сопротивление пароводяной смеси , Ом·м

, (5.3)

где ρ_Т - удельное электрическое сопротивление воды при температуре кипения, Ом·м;

β — коэффициент, учитывающий влияние паробразования на удельное электрическое сопротивление котловой воды (β = 1,25...1,3);

Ρ — мощность электродной системы парового котла, Вт;

d_B —диаметр внутреннего электрода, м;

h — высота электродной системы, м;

r _Θ— теплота парообразования, Дж/кг;

ρ _п — плотность пара при заданном давлении, кг/м³.

Фазное сопротивление электродного аппарата, может быть определено по геометрическим размерам электродной системы R_ф, Ом

, (5.4)

где k_ЭГ — геометрический коэффициент электродной системы;

h — высота электродной системы, м;

ρ_Т — удельное электрическое сопротивление нагреваемого материала, Ом·м.

Коэффициент k_ЭГ для несложных электродных систем определяют на основе метода электростатической анало­гии, а для сложных электродных систем — на основе конформных отображений.

Для любой температуры мощность электродного аппарата по геометрическим параметрам электродной системы с учетом выше приведенных выражений Р, Вт

. (5.5)

Коэффициент геометрической формы электродов для модели k_ЭГ

. (5.6)

где l_Э - межэлектродное расстояние, мм;

b - ширина электродов, мм.

Допустимая плотность тока, А/м², на электродах

, (5.8)

Для электродных водо­нагревателей β=1, для парогенераторов β=1.1…1.2.

Максимальная плотность тока, А/м², на электродах:

, (5.9)

где k_H = 1,1…1,4 — коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электрода;

I — сила тока, стекаю­щего с электрода, А;

А_Э — наименьшая активная поверхность элек­трода, м².

Напряженность электрического поля в межэлектродном пространстве для системы электродов "треугольник"

, (5.7)

где k – коэффициент запаса по перенапряжению, гарантирующий отсутствие

возникновения дугового разряда, k=1.2…1.4.

Напряженность электрического поля можно определить по графикам, представленным на рисунке 5.1.

Рисунок 5.1 Зависимость допустимой напряженности от

удельного элек­трического сопротивления воды:

1 — для водонагревателей; 2 — для па­ровых котлов

Допустимая плотность тока, А/м², на электродах

, (5.8)

Для электродных водо­нагревателей β=1, для парогенераторов β=1.1…1.2.

Максимальная плотность тока, А/м², на электродах:

, (5.9)

где k_H = 1,1…1,4 — коэффициент, учитывающий неравномерность плотности тока по поверхности электрода;

I — сила тока, стекаю­щего с электрода, А;

А_Э — наименьшая активная поверхность элек­трода, м².

Дата добавления: 2015-12-07