Особенности нагрева воды и водных растворов переменным электрическим током

Введение. В производстве деталей ракетно-космической техники применяются электрохимические процессы катодного осаждения и анодного растворения металлов и сплавов, а также химическое фрезерование. В качестве рабочих жидкостей используются водные растворы кислот, солей, щелочей при температуре выше температуры окружающей среды (до 60 ºС). Для нагрева ванны с жидкостью требуется значительное количество тепловой энергии, так как для водных растворов характерна значительная теплоёмкость и применяются большие объёмы ванны (1000 л и более). Для нагрева таких объёмов рабочих жидкостей используются горячая вода, пар и электроводонагреватели косвенного действия. Меньшее распространение получили нагреватели прямого действия из-за недостаточной изученности процессов между электродами в связи со сложностью явлений, протекающих как в объёме воды, так и на поверхности электродов, хотя для их применения не требуется специального оборудования.

При отработке технологии очистки сточных вод гальванических производств от ионов металлов нестационарным электрическим полем и электрокоррекции водородного показателя промывных вод был обнаружен эффект интенсивного разогрева жидкости в межэлектродном пространстве [1; 2]. Для очистки сточных вод использовались пары электродов «нержавеющая сталь – титан», поэтому исследовали поведение титана в водных растворах при переменном электрическом токе промышленной частоты [3]. Выявлено, в анодный полупериод переменного тока происходит окисление титана до высших степеней с выделением большего количества тепла, чем в катодный полупериод затрачивается энергии на восстановление окислов титана, что приводит к превышению генерируемой тепловой энергии над затраченной электрической.

Установлено, что при электроэрозионно-химической обработке из-за интенсивного нагрева двойного электрического слоя происходит пробой электролита [4]. В работе [5] представлено выражение для расчёта времени запаздывания пробоя, из которого получена зависимость температуры двойного электрического слоя от напряжённости электрических полей в этом слое и в жидкости. В дальнейшем экспериментальным путем была определена напряжённость электрического поля в двойном электрическом слое, которая оказалась на порядок меньше, чем предполагалось [6].

При использовании графитовых электродов и водопроводной воды удельные энергозатраты меньше, чем для традиционных теплогенераторов [7–10]. Пониженное значение удельных энергозатрат объясняется нагревом двойного электрического слоя и превышением теплоты экзотермических реакций в анодный полупериод переменного тока над поглощением теплоты в катодный полупериод.

Расчётным путём установлено, что основной вклад в теплообразование вносит двойной электрический слой при использовании водного раствора морской соли (2,5 % по массе). Вклад в тепловой баланс окислительных и восстановительных реакций на поверхности электродов не превышает 2 % от джоулева тепла [11].

Анализ многочисленных исследований, в которых изучается вода, позволил выявить другие процессы, сопровождающиеся как выделением тепловой энергии, так и её поглощением [12]. В работе отмечено, что эффективность преобразования электрической энергии в тепловую будет зависеть от площади границы раздела фаз (жидкость–воздух). Для исследования этой зависимости разработана установка для прямого нагрева воды и водных растворов переменным электрическим током промышленной частоты с теплоизоляционным слоем (рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальная установка

Методика проведения экспериментов. На рис. 2

представлена принципиальная схема экспериментальной установки. Начальная температура воды равна комнатной, и температурный напор при проведении опытов не превышал 5 ºС, поэтому теплообменом с окружающей средой можно пренебречь. Нагрев воды общим объемом V в течение времени t (от 10 до 20 мин) производился в корпусе 1, состоящем из диэлектрических стенок и теплоизоляционного материала, где расположены рабочие электроды 2, 3. Для разделения электродов применяются диэлектрические пластины 4. Величины напряжения U, подаваемого на электроды, и тока I определялись с помощью цифровых мультиметров 5, 6. Температура измерялась ртутным термометром с ценой деления 0,1 °С в начальный момент и по окончании процесса в трех точках межэлектродного пространства (у дна, в средней части и на поверхности воды), и рассчитывалось среднее значение изменения температуры ΔТср. Объём заливаемой воды в корпус установки изменялся, тем самым изменялось отношение V к S, где S – площадь границы раздела фаз «жидкость–воздух». В качестве материала электродов применялись пары «нержавеющая сталь – титан». Напряжение, подаваемое на электроды, не превышало напряжения разложения воды с целью исключения газообразования на электродах.

Энергетические параметры рассчитывались по следующим формулам:

P уд

IU

V ^;

где P уд – удельная мощность, Вт/л; I – электрический ток, подаваемый на электроды, А; U – напряжение, подаваемое на электроды, В; V – объем нагреваемой воды, л;

Q эл

IUt V ^,

где Q эл – затраченная удельная электрическая энергия, Дж/л; I – электрический ток, подаваемый на электроды, А; U – напряжение подаваемое на электроды, В; t – время нагрева, с;

^Q тепл

cm A T ср

V, где Qтепл – полученная удельная тепловая энергия, Дж/л; с – удельная теплоемкость, Дж/(кг·°С); m – масса нагреваемой воды, кг; ∆Тср – среднее значение изменения температуры в ячейке, °С.

После обработки результатов экспериментов были построены графики зависимостей Q тепл / Q эл от V / S . Построение осуществлялось с использованием аппроксимирующей линии (рис. 3). Нижняя линия построена при вводимой удельной мощности 12 Вт/л, верхняя – при 6 Вт/л.

Обсуждение результатов экспериментов. При низких значениях удельной мощности (менее 30 Вт/л) отношение тепловой энергии к затраченной электрической больше единицы, тем самым подтверждаются результаты ранее проведённых исследований. С уменьшением отношения объёма нагреваемой воды к площади границы раздела фаз «вода–воздух» эффективность преобразования электрической энергии в тепловую увеличивается (рис. 3). Это явление можно объяснить тем, что тепловая энергия, выделившаяся в единице объёма воды, пропорциональна квадрату напряжённости электрического поля [6]:

Qтепл = E k, где k – удельная электропроводность воды. В свою очередь, напряжённость электрического поля в приповерхностном слое воды определяется по формуле

E = U/d, где d – межэлектродное расстояние, большее расчётного значения [13].

Рис. 2. Принципиальная схема экспериментальной установки для нагрева воды и водных растворов переменным электрическим током: 1 – корпус; 2 – титановые электроды ОТ4-0; 3 – стальные электроды 12Х18Н10Т; 4 – пластины диэлектрические (оргстекло); 5 – амперметр; 6 – вольтметр; 7 – шунт измерительный; 8 – осциллограф С1-83; 9 – автотрансформатор, 10 – термометр

f(V/S) н--------►

0.45      0.5      0.55      0.6      0.65      0.7      0.75      0.3      0.35      0.9      0.95       1       1.05      11      1.15      1.2      1.25      1.3      1.35      1.4      1.45      15      1.55

Рис. 3. Зависимость эффективности преобразования электрической энергии в тепловую от отношения объема нагреваемой жидкости к площади зеркала

Заключение. При малой удельной мощности (менее 30 Вт/л) отношение тепловой энергии к затраченной электрической больше единицы. Повышенная эффективность преобразования электрической энергии в тепловую установлена в работах [14; 15]. Однако в первом случае в качестве нагреваемой жидкости используется водный раствор щёлочи, во втором – морской соли.

С увеличением площади «зеркала» воды эффективность преобразования электрической энергии в тепловую возрастает. Использовать вышеописанный способ возможно в разных областях, от бытовых до промышленных нагревателей, в том числе для прямого нагрева электролита в гальванических ваннах, что позволит сократить расходы на электроэнергию.