ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВА ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ

Полный текст

Введение. В производстве деталей ракетно-косми-ческой 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: где Pуд - удельная мощность, Вт/л; I - электрический ток, подаваемый на электроды, А; U - напряжение, подаваемое на электроды, В; V - объем нагреваемой воды, л; где Qэл - затраченная удельная электрическая энергия, Дж/л; I - электрический ток, подаваемый на электроды, А; U - напряжение подаваемое на электроды, В; t - время нагрева, с; 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 Qтепл /Qэл 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 умень-шением 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 = E2k, 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 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.

Об авторах

И. Я. Шестаков

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Email: info@sibsau.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. А. Фадеев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

В. Н. Докучаев

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

И. А. Ремизов

Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В. Ф. Войно-Ясенецкого

Российская Федерация, 660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1

Список литературы

Дополнительные файлы