CC BY
149
УДК 621.365,697.278
Вестник СибГАУ Том 17, № 4. С. 1097-1101
ОСОБЕННОСТИ НАГРЕВА ВОДЫ И ВОДНЫХ РАСТВОРОВ ПЕРЕМЕННЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ
И. Я. Шестаков1 , А. А. Фадеев1, В. Н. Докучаев1, И. А. Ремизов2
1Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31 2Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В. Ф. Войно-Ясенецкого Российская Федерация, 660022, г. Красноярск, ул. Партизана Железняка, 1
*Е-шаИ: info@sibsau.ru
В производстве деталей летательных аппаратов используются электрохимические и химические процессы с применением рабочих жидкостей повышенной температуры. Для нагрева жидкостей используют горячую воду, пар, при этом энергозатраты значительны из-за больших объёмов ванн и повышенной теплоёмкости воды и водных растворов. Затраты энергии можно снизить применением прямого нагрева. Об этом свидетельствуют работы, проводимые в Кубанском государственном аграрном университете и в Дальневосточном государственном техническом университете. Представлен обзор работ, проводимых в СибГАУ по исследованию прямого нагрева воды и водных растворов переменным электрическим током при электрическом напряжении, меньшем напряжения разложения жидкостей. В результате экспериментального исследования установлено, что при малых удельных мощностях генерируемая тепловая энергия превышает затраченную электрическую, вводимую в нагреваемую жидкость. Определены физические и химические явления и оценён их вклад в тепловыделение, который позволяет повысить эффективность преобразования электрической энергии в тепловую энергию. Показана экспериментальная установка для нагрева воды и водных растворов переменным током промышленной частоты. Описана методика проведения опытов и даны выражения для расчётов затраченной удельной электрической энергии и полученной удельной тепловой энергии. Подтверждена особенность нагрева воды при малой удельной мощности и отсутствии газообразования на поверхностях электродов. Установлена зависимость эффективности преобразования электрической энергии в тепловую от отношения объёма нагреваемой жидкости к площади поверхности границы раздела фаз «жидкость-воздух». Обозначены области применения исследуемого метода нагрева, который позволит сократить энергозатраты при генерации тепла из электрической энергии, используя водонагреватели прямого действия.
Ключевые слова: электроды, вода, электрический ток, нагрев, удельная мощность.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 4, P. 1097-1101
FEATURES OF WATER AND WATER SOLUTIONS HEATING UNDER THE INFLUENCE OF VARIABLE ELECTROMAGNETIC FIELD
I. Y. Shestakov1*, A. A. Fadeev1, V. N. Dokuchaev1, I. A. Remizov2
1Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation 2Krasnoyarsk State Medical University named after prof. V. F. Voino-Yasenetsky
1, Partizan Zheleznyak Str., Krasnoyarsk, 660022, Russian Federation *E-mail:info@sibsau.ru
In the manufacture of aircraft parts electrochemical and chemical processes with high temperature working liquids are used. Now the use of hot water, steam, electric heaters for heating fluids are not effective. The article presents the experimental setup for hot water and aqueous solutions of AC power frequency. The article describes the method for testing and given expression for calculaion of specific electriciy consumed and the resulting specific heat density. At low power density ratio of the thermal energy released in the fluid by passing an electric current through it to the amount of electrical energy supplied to the heating fluid is close to unity.
The second feature of this process is independent nature of the change ratio of the thermal energy released in the fluid by passing an electric current through it to the amount of electrical energy supplied to the heating fluid, depending on the specific power on the type and concentration of salts in the water. It was found that on heating water and aque-
ous solutions depends on material electrodes. Thus, the use of the titanium electrode gives higher values of the ratio obtained to the thermal energy consumed electric. It is shown that the contribution of the magnetic field in the heating fluid, located between the electrodes, negligible.
The process of heating the water and water solutions is carried out based on independent from each other mechanisms: the electrochemical reactions on the electrodes; heat generation in the electric double layer; by eddy phenomena in the volume of water.
Keywords: electrodes, water, electricity, heating power density.
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 °С). 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).
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 °С, поэтому теплообменом с окружающей средой можно пренебречь. Нагрев воды общим объемом V в течение времени ^ (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 ДТср. 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:
Р = ^;
уд V
где Pуд - удельная мощность, Вт/л; I - электрический ток, подаваемый на электроды, А; U - напряжение, подаваемое на электроды, В; V - объем нагреваемой воды, л;
я =—
*сэл т Г '
где Яэл - затраченная удельная электрическая энергия, Дж/л; I - электрический ток, подаваемый на электроды, А; и - напряжение подаваемое на электроды, В; ^ - время нагрева, с;
стАТ Я =-—,
^степл V
где Ятепл - полученная удельная тепловая энергия, Дж/л; с - удельная теплоемкость, Дж/(кг °С); т - масса нагреваемой воды, кг; АТср - среднее значение изменения температуры в ячейке, °С.
После обработки результатов экспериментов были построены графики зависимостей Ятепл /Яэл 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]:
Ятепл = Е^к,
где к - удельная электропроводность воды. В свою очередь, напряжённость электрического поля в приповерхностном слое воды определяется по формуле
Е = Ш,
где б - 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
ртепл/рэл Ряд 1
1.6- Ряд 2
АХ)=-0.2538*х+1.3194; Ы2=0.9986
АХ)=-0.4067*х+1.5811; Ы2=0.9738
1.4--
Ч-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-►
0.45 0.5 0.55 0.6 0 65 0 7 0.75 0.8 0.85 0 9 0 95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 1 25 1 3 1.35 1.4 1.45 1.5 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.
Библиографические ссылки
1. Перспективы создания энергосберегающих теплогенераторов на основе электротермохимического эффекта в водных растворах / А. И. Стрюк [и др.] // Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов : тезисы докладов Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. В 3 ч. Ч. 2 / КГТУ. Красноярск, 1999. С. 55.
2. Пат. 2187048 Российская Федерация, МКИ3 С 01 Р 24 Н 1/20 Электронагреватель. / Стрюк А. И., Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Фейлер О. В. Опубл. 10.08.2002, Бюл. № 22.
3. Шестаков И. Я., Стрюк А. И., Фадеев А. А. О механизме образования электротермохимического эффекта // Перспективные материалы, технологии, конструкции, экономика : сб. науч. тр. / под ред.
B. В. Стацуры ; ГАЦМИЗ. Красноярск, 2000. Вып. 6.
C. 168-170.
4. Полянин В. И. Исследования напряжения и времени запаздывания пробоя при электроэрозионно-химической обработке // Технология авиастроения : межвуз. науч. сб. / Уфимский авиационный институт. 1976. Вып. 1. С. 43-51.
5. Багманов В. Х. О механизме электрического пробоя электролита в условиях ЭЭХО // Технология авиастроения. Электрические методы обработки материалов : межвуз. науч. сб. Вып. 2 / Уфимский авиационный институт. Уфа, 1982. С. 69-71.
6. Левич В. Г. Физико-химическая гидродинамика. М. : Физматгиз, 1959. 700 с.
7. Ремизов И. А., Шестаков И. Я., Спицын М. П. Эффективный электронагреватель воды // Решетнёв-ские чтения : материалы Х Междунар. научн. конф., посвящ. памяти ген. конструктора ракетно-космических систем акад. М. Ф. Решетнёва / СибГАУ, Красноярск. 2006. С. 190-191.
8. Шестаков И. Я., Докучаев В. Н., Чибаков Д. О. Электросберегающий теплогенератор // Материалы XII Междунар. научн. конф., посвящ. памяти ген. конструктора ракетно-космических систем акад. М. Ф. Ре-шетнёва / СибГАУ, Красноярск. 2008, С. 83-84.
9. Пат. 2279016 Российская Федерация, МКИ3 С 01 Р 24 Н 1/20. Электронагреватель / Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Стрюк А. И. № 2005103779/06 ; заявл. 14.02.2005 ; опубл. 27.06.2006, Бюл. № 18.
10. Пат. 2412403 Российская Федерация, МКИ3 С 01 Р 24 Н 1/20. Электронагреватель / Шестаков И. Я., Докучаев В. Н., Чибаков Д. О. № 2009137673/06 ; заявл. 12.10.2009 ; опубл. 20.02.2011, Бюл. № 5.
11. Шестаков И. Я., Докучаев В. Н., Чибаков Д. О. Эффективный теплогенератор // Проблемы теплофизики и теплоэнергетики : материалы Всерос. науч.-практ. конф. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2008. С. 324325.
12. Фадеев А. А., Шестаков И. Я. О возможном механизме нагрева воды и водных растворов при воздействии переменного электромагнитного поля // Вестник СибГАУ. 2011. № 1(34). С. 76-78.
13. Шестаков И. Я., Раева О. В. Оценка влияния коагуляции на степень очистки воды от ионов металлов // Вестник СибГАУ. 2013. № 1(47). С. 172-174.
14. Канарёв Ф. М. Вода - новый источник энергии. 2-е изд. перераб и доп. Краснодар : Изд-во Кубан. гос. аграр. ун-та, 2000. С. 77-94.
15. Титаев Б. Ф. Вода как источник энергии // Наука в России. Новосибирск : Видеостудия «Радуга», 1996. 103 с.
References
1. Serdyuk A. I., Shestakov I. J., Fadeev A. A., Feiler O. V. [Prospects of energy-efficient heat generators based on electrothermomechanical effect in aqueous solutions]. Dostizheniya nauki i tekhniki-razvitiyu sibirskikh regionov: Tezisy dokladov Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii s mezhdunarodnym uchastiem [Advances in science and technology, the development of Siberian regions: Abstracts of the All-Russian scientific-practical conference with international participation]. Part 2. Krasnoyarsk, KSTU, 1999, P. 55 (In Russ.).
2. Stryuk A. I., Shestakov I. J., Fadeev A. A., Feiler O. V., Elektronagrevatel' [Electric heater]. Patent RF, no. 2187048. 2002.
3. Shestakov I. J., Stryuk A. I., Fadeev A. A. [On the mechanism of formation of electrothermomechanical effect.] Perspektivnye materialy tekhnologii, konstruktsii, ekonomika: Sb. nauch. Tr. [Advanced materials, technology, design, Economics: collection of scientific papers]. 2000, Vol. 6, P. 168-170 (In Russ.).
4. Polyanin V. I. [Research and voltage breakdown delay time when elektroerohionnochemical treatment]. Mezhvuz. nauch. sb. 1976, Iss. 1. Aviation technology, P. 43-51 (In Russ.).
5. Bagmanov V. H. [On the mechanism of electrical breakdown of the electrolyte in a EEHO.] Tekhnologiya aviastroeniya. Elektricheskie metody obrabotki materialov: Mezhvuzovskiynauch. Sb. 1982, Iss. 2, P. 69-71 (In Russ.).
6. Levich V. G. Fiziko-khimicheskaya gidrodinamika [Physico-chemical hydrodynamics]. Moscow, Fizmatgiz Publ., 1959, 700 p.
7. Remizov I. A., Shestakov I. J., Spitcin M. P. [Efficient electric water heater]. Materialy 10 Mezhduna-rodnoy nauchn. konf. Reshetnevskie chteniya [Proceedings of the X th International Science Conf. "Reshetnev readings"]. Krasnoyarsk, SibSAU, 2006, P. 190-191.
8. Shestakov I. Y., Dokuchaev V. N., Chibakov D. O., [Electric saving and heat source] Materialy 12 Mezhdu-narodnoy nauchn. konf. Reshetnevskie chteniya [Proceedings of the XII International Science Conf. "Reshetnev readings"]. Krasnoyarsk, SibSAU, 2008, P. 83-84.
9. Shestakov I. Y., Fadeev A. A., Stryuk A. I., Elektronagrevatel' [Electric heater]. Patent RF, No. 2005103779/06, 2006.
10. Shestakov I. Y., Dokuchaev V. N., Chibakov D. O., Elektronagrevatel' [Electric heater]. Patent RF, No. 2009137673/06, 2011.
11. Shestakov I. Y., Dokuchaev V. N., Chibakov D. O. [Efficient heat source]. Problemy teplofiziki i teploener-getiki: materialy Vserossiyskoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Problems of thermal physics and heat power engineering: Proceed. of All-Russian scientific-practical conference]. Irkutsk, Irkutsk State Technical University Publ., 2008, P. 324-325 (In Russ.).
12. Fadeev A. A., Shestakov I. J. [A possible mechanism of heating of water and aqueous solutions when exposed to an alternating electromagnetic field]. Vestnik SibGAU. 2011, No. 1 (34), P. 76-78 (In Russ.).
13. Shestakov I. J., Rayeva O. V. [Assessing the impact of the degree of coagulation of water purification from metal ions]. VestnikSibGAU. 2013, No. 1 (47), P. 172-174 (In Russ.).
14. Kanarev F. M. Voda - novii istochnik energii. 2-e izdanie dop. Ipererab. [Water as a new source of energy. 2nd ed. Revised and enlarged]. Krasnodar, Cubanskii agrarnii universitet Publ., 2000, P. 77-94.
15. Titaev B. F. [Water as a source of energy]. Nauka vRossii [Science in Russia]. Novosibirsk, Raduga Publ., 1996, 103 p.
© Шестаков И. Я., Фадеев А. А., Докучаев В. Н., Ремизов И. А., 2016
