Ćwiczenie 1 BADANIE PRZEMIANY ELEKTROTERMICZNEJ W CIECZY

Transkrypt

1 Ćwiczenie 1 BADANIE PRZEMIANY ELEKTROTERMICZNEJ W CIECZY Ciecze, podobnie jak ciała stałe podzielić można na nieprzewodzące i przewodzące. Mnogość zastosowań tych ciał w różnorodnych dziedzinach elektrotechniki i elektrochemii wynika między innymi z ich doskonałych własności, zarówno jeżeli chodzi o elektroizolację jak i przewodnictwo prądu. W niniejszym ćwiczeniu badane będą zjawiska związane z przewodzeniem prądu w wodzie będącej elektrolitem o zróżnicowanych parametrach cieplno elektrycznych. Zdolność przewodzenia prądu w elektrolitach uwarunkowana jest bowiem obecnością jonów dodatnich kationów, oraz ujemnych anionów. Pole elektryczne w cieczach wytwarzane jest zazwyczaj przy wykorzystaniu dwóch elektrod dodatniej (anody) i ujemnej ( katody). W takim układzie kationy poruszają się w kierunku katody, a aniony w kierunku anody. Przepływ prądu elektrycznego przez ciecze związany jest zatem z ruchem zarówno ładunków dodatnich, jak i ujemnych. Jako, że ładunki związane są z jonami zawartymi w elektrolitach, przepływ prądu wywołuje również przepływ masy. Tym niemniej, zjawiska przewodzenia w cieczach są zazwyczaj skomplikowane i trudno o jednoznaczny ich opis ilościowy. Nagrzewanie elektrodowe Energia cieplna w cieczy może być wytwarzana, między innymi, przez prąd przewodzenia płynący przez ciecz. Taka metoda elektrotermiczna nosi nazwę elektrodowej, zaś ciecz przewodząca stanowi ośrodek elektrodowej przemiany elektrotermicznej. Ośrodek ciekły z umieszczonymi w nim, w pewnej odległości, elektrodami stanowi rezystancję na drodze przepływu prądu. Elektryczne urządzenia grzejne wytwarzające na tej zasadzie ciepło nazywają się elektrodowymi urządzeniami grzejnymi. Nagrzewanie w urządzeniach elektrodowych może być bezpośrednie i pośrednie. Elektrodowe urządzenie grzejne zalicza się do bezpośrednich wtedy, gdy służy ono wyłącznie do nagrzania cieczy, przez która płynie prąd elektryczny. Taki przypadek zachodzi np. przy nagrzewaniu wody w kotle elektrodowym. Pośrednie nagrzewanie elektrodowe występuje wtedy, gdy ciepło, powstające w cieczy, przez którą płynie prąd elektryczny, służy do ogrzania innego ciała, np. zanurzonego w ogrzewanej cieczy. Tak dzieje się przy nagrzewaniu metalowego wsadu w kąpieli solnej grzanej elektrodowo prądem elektrycznym przepływającym przez nią. Działanie prądu elektrycznego przepływającego przez ciecz może być nie tylko cieplne, lecz również elektrolityczne. Prąd elektryczny przepływający przez zjonizowaną ciecz wywołuje jej rozkład chemiczny, to znaczy powoduje w rezultacie elektrolizy wydzielanie się na elektrodach substancji powstających albo przez zobojętnienie jonów, albo stanowiących produkt reakcji wtórnych. W praktyce w elektrodowych urządzeniach grzejnych wykorzystuje się zjawiska zarówno czysto cieplne, jak i cieplno elektrolityczne. Urządzenia elektrodowe, w których wykorzystuje się zjawiska cieplne występujące łącznie z elektrolitycznymi, nazywają się termoelektrolizerami. Rodzaj prądu jest jednym z czynników decydujących o zjawiskach towarzyszących przepływowi prądu przez ciecze. Na przykład, w zastosowaniu do elektrodowego grzania wody użycie prądu stałego powoduje wydzielenie na elektrodach tlenu (na anodzie) i wodoru (na katodzie), co daje mieszaninę wybuchową. Do elektrodowego nagrzewania wody powinien wiec być używany prąd przemienny. Ta sama zasada stosowania prądu przemiennego obowiązuje zawsze w praktyce, gdy chodzi wyłącznie o wytwarzanie ciepła metodą elektrodową. Gdy nagrzewanie elektrodowe ma się odbywać równocześnie z pożądanym rozkładem chemicznym ośrodka ciekłego, stosuje się do zasilania urządzenia elektrodowego prąd stały,

2 uzyskiwany zwykle z prądu przemiennego przy użyciu prostowników. Prąd przewodzenia powoduje wydzielanie się ciepła bądź w samym wsadzie (przewodzącej cieczy), bądź też ciepło to jest przenoszone, zgodnie z prawami termokinetyki, z przewodzącej cieczy do nagrzewanego wsadu. Do podstawowych elektrodowych przetworników elektrotermicznych, stosowanych w praktyce, można zaliczyć wodę oraz roztopione sole, takie jak chlorki, węglany, azotany i cyjanki. Nagrzewanie wody w kotłach elektrodowych Woda jest wsadem i zarazem ośrodkiem przemiany elektrotermicznej przy nagrzewaniu elektrodowym bezpośrednim, w kotłach elektrodowych, które służą do nagrzewania wody lub do wytwarzania pary wodnej na skalę przemysłową. Moce budowanych kotłów elektrodowych dochodzą do kilkudziesięciu megawatów, a napięcia stosowane w kotłach elektrodowych sięgają kilkudziesięciu kilowoltów. Rozróżnia się kotły elektrodowe parowe, przeznaczone do wytwarzania pary wodnej, oraz kotły elektrodowe wodne, przeznaczone jedynie do podgrzewania wody do określonej temperatury. Sprawność kotłów elektrodowych jest bardzo duża, bowiem wynosi około 95 %, a może osiągać nawet 99 %. Tak duże sprawności wynikają między innymi z 100% sprawności przemiany energii elektrycznej w ciepło. Elektrodowe kotły wodne dużych mocy są używane głównie w elektrowniach, bądź w zakładach przemysłowych mających własne elektrownie, do gromadzenia zasobu energii cieplnej w okresie zmniejszonego zapotrzebowania na energię elektryczną. Koszty inwestycyjne kotłów elektrodowych są bardzo małe i wynoszą około 10 % kosztów kotłów płomieniowych. Koszty obsługi są znikomo małe. Ponadto, woda spełniająca w kotle elektrodowym rolę elementu grzejnego, nie może się przepalić brak wody w kotle jest równoznaczny z przerwaniem pracy kotła. Uruchomienie kotła elektrodowego wymaga bardzo krótkiego czasu. Kocioł elektrodowy daje się bez trudu użyć w nocy lub w dni, gdy kotły płomieniowe są nieczynne. Rezystywność wody nagrzewanej w kotłach elektrodowych, w zależności od jej czystości, waha się w bardzo szerokich granicach. Absolutnie czysta woda nie zawiera żadnych naładowanych cząstek, zdolnych do przemieszczania się pod wpływem przyłożonego napięcia. Bardzo czysta woda destylowana, ze względu na występujące w niej pewne zanieczyszczenia, ma skończoną wartość rezystywności, rzędu Ωcm. W zależności od stopnia czystości rezystywność wody źródlanej lub wodociągowej, zmienia się w bardzo szerokich granicach. O stopniu czystości wody decyduje głównie jej pochodzenie i jej rezystywności może wynosić w temperaturze pokojowej do 5 kω cm. Cieplny współczynnik rezystywności wody naturalnej jest ujemny, wobec czego jej rezystywność maleje ze wzrostem temperatury. W przybliżeniu można określić rezystywność ρt wody o temperaturze t C z wzoru doświadczalnego: w którym ρ20 [kω cm; Ωm] oznacza rezystywność wody w temperaturze t20 = 20 C. Rezystywność czystej wody przy 20 C jest bardzo duża. Maleje ona pod wpływem domieszek soli i innych substancji rozpuszczalnych w wodzie. Orientacyjnie można się liczyć z rezystywnością wody naturalnej ρ20 = 1 10 kω cm (przeciętnie ok. 3 kω cm). Przykładowe

3 charakterystyki pokazujące zmianę rezystywności wody w funkcji temperatury pokazano na rys. 1 [3]. Rys.1. Przykładowe zmiany rezystywności wody w funkcji temperatury przy napięciu fazowym (1) i przewodowym (2) oraz po długotrwałym parowaniu Piece solne elektrodowe Podstawowym ośrodkiem przemiany elektrotermicznej, przy nagrzewaniu elektrodowym pośrednim, są stopione sole. Wszystkie sole w normalnych warunkach są złymi przewodnikami, charakteryzującymi się rezystywnością rzędu kω cm. Wynika to z wiązań jonowych atomów soli w kryształach. Przy podgrzewaniu kryształów soli, siły elektrostatyczne wzajemnego przyciągania się jonów stają się coraz mniejsze w porównaniu z rosnącymi siłami spowodowanymi zwiększającą się amplitudą drgań siatki krystalicznej. Po osiągnięciu odpowiednio wysokiej temperatury następuje rozpad kryształów soli na jony, czemu odpowiada zamiana ciała stałego na ciecz. Jony, z których składa się roztopiona sól, mogą stać się po przyłożeniu napięcia nośnikami prądu elektrycznego. Rezystywność soli po roztopieniu spada o kilkanaście rzędów. Do najczęściej stosowanych w piecach elektrodowych przetworników elektrotermicznych należą chlorki sodu, potasu, baru i wapnia, oraz węglany, azotany i cyjanki sodu i potasu. Temperatury kąpieli solnych, składających się z mieszanin soli, wynoszą C. W piecach elektrodowych można nagrzewać wsady skrośnie oraz powierzchniowo. Czas nagrzewania wsadów w piecu elektrodowym w porównaniu z czasem nagrzewania się tego samego wsadu w piecu rezystancyjnym o temperaturze komory grzejnej równej temperaturze kąpieli solnej, jest kilkakrotnie krótszy, dzięki dużemu współczynnikowi przejmowania ciepła pomiędzy roztopioną solą i wsadem. Cel ćwiczenia Opisane zastosowania praktyczne efektów związanych z przepływem prądu przez elektrolity ukazują szereg zjawisk zachodzących podczas przemian energii w środowiskach płynnych. Tym, niemniej, intensywność tych zjawisk jest niesłychanie zróżnicowana w zależności od szeregu czynników, jak choćby geometria układu, czy parametry materiałowe, na które często nie mamy wpływu ani możliwości ich ilościowego zbadania. Głównym celem ćwiczenia jest wyznaczenie parametrów wody, stosowanej jako ośrodek przemiany elektrodowej bezpośredniej, w urządzeniu modelującym kocioł elektrodowy. W praktyce, zarówno względy eksploatacyjne jak i sterowania układami cieplnymi wymagają, by

4 parametry wody wykorzystywanej w procesach cieplno chemicznych charakteryzowały się dużą stałością. Tym niemniej, istnieje szereg czynników, od których uzależniona jest rezystywność wody. Czynnikami badanymi w niniejszym ćwiczeniu będą: - temperatura cieczy; - zanurzenie elektrod w cieczy; - skład chemiczny cieczy; - odległość elektrod; - natężenie prądu; - badanie wpływu rodzaju sygnału na rezystywność cieczy. Przebieg ćwiczenia Pomiary wykonywane będą na dwóch stanowiskach: a) modelu kotła elektrodowego; b) układach do badania wybranych parametrów wpływających na rezystywność wody. Ad a) Celem tej części ćwiczenia jest wykonanie pomiarów parametrów elektrycznych modelu kotła elektrodowego podczas procesu nagrzewania celem wyznaczenia temperaturowej charakterystyki wody wodociągowej. Metodyka: Połączyć badany układ według schematu z rys.2, Nagrzewać wodę wodociągową do temperatury t = 80 C, przy elektrodach umieszczonych w odległości l = 12 cm zanurzonych w wodzie na głębokość h1 = 4 cm oraz h2 = 6 cm. W trakcie nagrzewania wody mierzyć co ok. 5 K wartości U, I, t, Wyniki pomiarów zestawić w Tabl. 1. Oznaczenia:

5 to temperatura otoczenia [oc], Ex wskazania miliwoltomierza [mv], Eo temperatura otoczenia [mv], E temperatura wody [mv], t temperatura wody [oc], U napięcie na elektrodach [V], I prąd [A], S powierzchnia elektrody zanurzona w wodzie [cm2], l odległość elektrod [cm], Ad b) W tej części ćwiczenia należy zbadać wpływ rodzaju zasilania, zanurzenia elektrod, odległości między elektrodami, składu wody oraz wartości prądu przepływającego przez elektrolit na wartość jej rezystancji i, w konsekwencji, rezystywność. Metodyka: - Do dyspozycji są układy pomiarowe składające się z naczyń z elektrolitem, elektrod, źródeł zasilania ( prądu stałego i przemiennego), oraz zestawu mierników ( według rys. 3). Rys. 3. Elementy stanowiska - Elementy układów pomiarowych łączyć z zachowaniem szczególnej ostrożności, jedynie przy źródle zasilania odłączonym od napięcia sieciowego! - (B1)Zbadać wpływ wartości prądu przepływającego przez elektrolit na rezystywność. Badania wykonywać, zmieniając wartość napięcia zasilającego w zakresie 5 50 V. Podczas pomiarów notować wartość temperatury, oraz napięcia i prądu. Wyniki odnotować w tablicy wg poniższego wzoru: L.P. Zanurzenie, mm Temperatura, C Napięcie, V Prąd, A - (B2) Zbadać wpływ zanurzenia elektrod na rezystywność elektrolitu. Wykonać pomiary dla napięcia zasilającego według wskazań prowadzącego, przy zmianie zanurzenia elektrod w granicach mm. Wyniki notować w tablicy analogicznej jak dla (B1). - (B3) Zbadać wpływ odległości między elektrodami na rezystywność elektrolitu. Pomiary wykonywać analogicznie jak w (B1), przy zadanej przez prowadzącego wartości napięcia zasilającego. Podczas pomiarów zmieniać odległości między elektrodami. - (B4) Zbadać wpływ środowiska transmisji na rezystywność. Badania wykonywać w układzie analogicznym jak (B1) przy umieszczeniu między elektrodami elementu dielektrycznego oraz przewodzącego.

6 - (B5) Zbadać wpływ rodzaju napięcia zasilającego na rezystywność. Badania wykonać analogicznie jak (B1) przy zmianie źródła zasilania na stałoprądowy zasilacz. - (B6) Zbadać wpływ rodzaju elektrolitu na wartość rezystywności. Pomiary wykonać analogicznie jak (B1) przy zmianie elektrolitu. Na podstawie otrzymanych wyników sporządzić stosowne obliczenia oraz charakterystyki rezystywności w funkcji prądu według wymagań zawartych w (B1) (B6). Opracowanie sprawozdania Sprawozdanie powinno zawierać wyniki wszystkich pomiarów i obliczeń, Wykresy przebiegu rezystywności w funkcji temperatury ( z części A), - Wyznaczenie współczynnika mocy na podstawie pomiarów ( z części A), - Wykresy przebiegu rezystywności w funkcji prądu dla pomiarów z części (B) z zaznaczeniem wpływu badanych czynników kształtujących zjawisko przewodzenia prądu w cieczach, Analizę uzyskanych wyników, Wnioski i spostrzeżenia. Literatura 1. Hauser J., Domke K.: Laboratorium Elektrotermii. Wyd. Pol. Pozn., Poznań Hering M.: Podstawy Elektrotermii cz. I. WNT, Warszawa Niedbała R.: Wytwornice pary z elektrodami odkrytymi w komorach cieplnowilgotnościowych. W: Modelowanie i sterowanie procesów elektrotermicznych materiały konferencyjne Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2002