Michael Wieckowski
焦耳加热有时也称为欧姆加热或电阻加热。它是一种将充满电解质的水直接暴露在电流中加热的方法。 本文将讨论这种水加热方法的重要性及其实现方法。
水加热装置简史
热水的必要性及其普遍可用性通常被认为是理所当然的，特别是当人们不再考虑加热技术及其历史时。来自水龙头的热水就是一个例子，直到19世纪末才成为普通大众无法享受的奢侈品。最早的实施例包括简单的明火水壶和加压蒸汽锅炉。在家庭外，这些设备还满足了许多工业应用、科学工艺和服务行业的要求。随着材料技术的改进和电子产品的小型化变得普遍，更多的热水设备也进入了市场。热饮机、洗碗机、洗衣机和地板采暖系统浮现在脑海中。
如今，热水已经在我们的日常生活中变得完全商品化和普及。令人惊讶的是，生成它的核心技术发展很少。
通过电阻加热元件加热
加热水的能源可分为两类：电力和化石燃料。化石燃料类别依赖于燃烧器和热交换器来间接地将燃烧产生的热量转移到水中。在电气类别中，水也通过冷却以热量形式耗散功率的电阻装置间接加热。
这些“电阻加热元件”通常由一种特殊的金属丝合金（镍铬合金）制成，金属丝包裹在不锈钢管中，并填充氧化镁粉末。导线的电阻（通常为几欧姆）会使电流在通过电流时变得非常热。该导线由氧化镁粉末电绝缘，并且热量通过粉末传递到金属的最外层，该金属外壳与待加热的水接触。
计算水的温升
水的比热是一个物理常数，它表示将一立方厘米的水加热一摄氏度需要4.186焦耳的能量。知道了加热元件的电阻，可以计算耗散功率并计算加热一定体积的水所需的时间。 在流动的水中，暴露在热中的水的时间成分由流速决定。在下面的推导过程中，最终的方程将告诉你在给定的加热功率下流动水的温升。
在上述水加热讨论中，加热水的机理基本相同。热源（电加热元件或气体燃烧器）相对于最终所需的水温变得非常热，并且该热能被传递到水中。有趣的是，存在另一种加热水的范例，它以完全不同的方式起作用。
焦耳加热/欧姆加热（当水是电阻元件时为AKA）
焦耳加热，通常称为欧姆加热，通过使电流直接通过水来加热水。没有使用加热元件，事实上，等效电路将水本身描述为电阻元件。
纯净水是一种可怕的电导体。幸运的是，我们每天接触的所有水都含有溶解的盐，使其成为电解质。 这些溶解的盐以水中的离子形式存在，并允许水支持电流的传导。重要的是要记住，这种电流不像通过金属线的典型电子传导。它基于离子的传输，是一种非常复杂的化学过程。
确定导电量以及水的有效电阻的关键参数是电解质的导电率和暴露在电位下的电解质的量。为了简化问题，假设使用平板形状的两个电极将电压电位施加到水上。因此，溶液的有效电阻是两块板之间的距离除以板的表面积，再除以电解质的电导率。
计算焦耳加热的实例
作为一个简单的例子，从两个电极板开始，每个电极板相距10厘米，相距10毫米，浸入具有400 us/cm电导率的典型饮用水中。该电路的有效电阻为100欧姆。如果要对两个电极施加240 V交流电，则产生的电流将为2.4 A。耗散到水中的功率达到576 W，并且所有电流都转换为热量。重要的是要指出电解质的电导率可以广泛变化。典型的饮用水可以为约50μS/ cm至2000μS/ cm。在高端，上面的例子将使用超过2.5千瓦的功率。
一旦确定了电路中消耗的功率，就可以使用特定的水热量再次容易地确定所产生的温度变化。在上面的例子中，假设两个电极浸没在1升水中。施加电压后，水将连续消耗576瓦。在60秒内，这将达到34.5千焦。由于有1000毫升的水，简单地将34.5除以4.186以确定温度将升高约8摄氏度。
值得注意的是，水表现出二阶效应，其中电导率实际上随温度而变化。对于每摄氏度的温升，电导率增加约2％。因此，当我们加热水时，电流实际上会增加，水的温度会比预期的更高。
交流电位与直流电位
重要的是要注意，在该实例中，对电解液施加了交流电位。这是使用这种方法在水中产生热量的关键细节。如果使用直流电，则会发生一种完全不同的过程，称为电解。在电极界面处将产生包括氢和氧的各种气体，并且电极本身可能以有害的方式成为反应的一部分。
结论
可以看出，欧姆加热是非常重要的，从控制角度来看，它带来了一些有趣的挑战。由于这个原因，它在历史上一直被归入为工业和商业应用领域，例如用于巴氏杀菌的食品的批量加热。受控环境、已知电解质和持续监控可实现高效且可预测的过程。
然而，欧姆加热技术正在成熟。动态适应宽电导率的新技术与一些巧妙的控制算法相结合，大大提高了其鲁棒性。因此，它开始在家用热水器和茶壶等消费产品中找到应用。在不久的将来，它可以很好地取代电阻加热元件。