什么是焦耳加熱？其實現方法是什么？

焦耳加熱有時也稱為歐姆加熱或電阻加熱。它是一種將充滿電解質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現方法。

水加熱裝置簡史

熱水的必要性及其普遍可用性通常被認為是理所當然的，特別是當人們不再考慮加熱技術及其歷史時。來自水龍頭的熱水就是一個例子，直到19世紀末才成為普通大眾無法享受的奢侈品。最早的實施例包括簡單的明火水壺和加壓蒸汽鍋爐。在家庭外，這些設備還滿足了許多工業應用、科學工藝和服務行業的要求。隨著材料技術的改進和電子產品的小型化變得普遍，更多的熱水設備也進入了市場。熱飲機、洗碗機、洗衣機和地板采暖系統浮現在腦海中。

如今，熱水已經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，生成它的核心技術發展很少。

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?；剂项悇e依賴于燃燒器和熱交換器來間接地將燃燒產生的熱量轉移到水中。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。導線的電阻（通常為幾歐姆）會使電流在通過電流時變得非常熱。該導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。

計算水的溫升

水的比熱是一個物理常數，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，可以計算耗散功率并計算加熱一定體積的水所需的時間。 在流動的水中，暴露在熱中的水的時間成分由流速決定。在下面的推導過程中，最終的方程將告訴你在給定的加熱功率下流動水的溫升。

在上述水加熱討論中，加熱水的機理基本相同。熱源（電加熱元件或氣體燃燒器）相對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（當水是電阻元件時為AKA）

焦耳加熱，通常稱為歐姆加熱，通過使電流直接通過水來加熱水。沒有使用加熱元件，事實上，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體。幸運的是，我們每天接觸的所有水都含有溶解的鹽，使其成為電解質。 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。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。它基于離子的傳輸，是一種非常復雜的化學過程。

確定導電量以及水的有效電阻的關鍵參數是電解質的導電率和暴露在電位下的電解質的量。為了簡化問題，假設使用平板形狀的兩個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，再除以電解質的電導率。

計算焦耳加熱的實例

作為一個簡單的例子，從兩個電極板開始，每個電極板相距10厘米，相距10毫米，浸入具有400 us/cm電導率的典型飲用水中。該電路的有效電阻為100歐姆。如果要對兩個電極施加240 V交流電，則產生的電流將為2.4 A。耗散到水中的功率達到576 W，并且所有電流都轉換為熱量。重要的是要指出電解質的電導率可以廣泛變化。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生的溫度變化。在上面的例子中，假設兩個電極浸沒在1升水中。施加電壓后，水將連續消耗576瓦。在60秒內，這將達到34.5千焦。由于有1000毫升的水，簡單地將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，水表現出二階效應，其中電導率實際上隨溫度而變化。對于每攝氏度的溫升，電導率增加約2％。因此，當我們加熱水時，電流實際上會增加，水的溫度會比預期的更高。

交流電位與直流電位

重要的是要注意，在該實例中，對電解液施加了交流電位。這是使用這種方法在水中產生熱量的關鍵細節。如果使用直流電，則會發生一種完全不同的過程，稱為電解。在電極界面處將產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的一部分。

結論

可以看出，歐姆加熱是非常重要的，從控制角度來看，它帶來了一些有趣的挑戰。由于這個原因，它在歷史上一直被歸入為工業和商業應用領域，例如用于巴氏殺菌的食品的批量加熱。受控環境、已知電解質和持續監控可實現高效且可預測的過程。

然而，歐姆加熱技術正在成熟。動態適應寬電導率的新技術與一些巧妙的控制算法相結合，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產品中找到應用。在不久的將來，它可以很好地取代電阻加熱元件。