Construyendo una caja de calor segura a baja temperatura: fuentes de calor

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No estoy seguro de que esto sea más una cuestión de física o electrónica, pero aquí va:

Uso una caja de calor con una temperatura en el rango de 80-100F para calentar la cera (para modelar esculturas). Mi caja de calor actual es un enfriador de vino termoeléctrico basado en peltier con los polos encendidos en el peltier y un termostato externo que controla la alimentación de toda la unidad.

Tengo un viejo congelador de 7 pies cúbicos y estoy debatiendo sobre cuál sería la mejor fuente de calor. El problema es que (1) no quiero que ningún componente de calefacción dentro del congelador pueda alcanzar los 180F o menos y (2) quiero una transferencia de calor efectiva (por lo tanto, tendré que agregar un ventilador para recircular el aire o usa algo que ya integra un ventilador).

Opciones:

1.) Sé que podría usar un peltier (no puedo llegar a 180F con la temperatura ambiente normal, un diferencial demasiado grande) pero creo que es una solución bastante avanzada para un problema bastante simple. Además, no estoy seguro de si puede aumentar el calentamiento de manera efectiva a este volumen mayor. Mi caja de calor actual (tal vez 2 pies cúbicos) se calienta muy lentamente (24 horas para que la cera alcance la temperatura especificada), no estoy seguro de que esto sea en parte porque el ventilador solo está encendido cuando el peltier está encendido y el aire no recircule una vez que la temperatura del aire alcance el punto de ajuste de los termostatos.

2.) Una bombilla tiene una temperatura alta en la superficie y la posibilidad de romperse, aunque quizás sería más apropiado un halógeno de muy bajo vatio. Muchas personas usan bombillas para este propósito, pero para mí suena arriesgado.

3.) Un dispositivo tipo almohadilla térmica de baja temperatura tendría que tener suficiente área de superficie para una temperatura de superficie baja y suficiente potencia para calentar la caja. Muchos tienen termostatos integrados que pueden ser difíciles de deshabilitar (pueden estar profundamente incrustados) si impiden que la almohadilla térmica funcione en un entorno por encima de 80 o 90F (solo es necesario para llegar a 100 F máximo, por lo que está cerca). Podría hacer mi propio alambre de nicrom incrustado en silicona o cerámica y darle la corriente adecuada para mantener el calor dentro del rango, pero esto parece más complicado que el peltier.

4.) Tengo un secador de pelo de bajo vatio con una temperatura de salida por debajo de 180 (en baja) que tiene la ventaja de actuar como un circulador de aire. Si se encuentra fuera de la caja con una entrada y salida de metal, sus componentes electrónicos están a salvo de que la cera se adhiera a ellos y el patrón de flujo de aire puede optimizarse. Sin embargo, me preocupa que, en caso de un problema con el termostato, se pueda sobrecalentar debido a la recirculación del aire más caliente y más caliente, aunque tiene protecciones incorporadas para muchas de estas condiciones (tanto una seguridad bimetálica como un fusible térmico, así como un GFCI) . No está limitado intrínsecamente en calor, es mi preocupación.

5.) Venden calentadores de recirculación de tanque para automóviles y acuarios. Uno de estos podría instalarse en tubos de cobre que se extienden por toda la caja de calor y generar una temperatura de superficie segura y un buen intercambio de calor (aunque supongo que el ventilador aún sería necesario). Esto garantizaría absolutamente una baja temperatura de la superficie para todos los componentes del calor, pero ¿tengo el potencial para otros problemas de seguridad que imagino? Esto parece una solución complicada, y posiblemente más costosa.

¿Recomendaciones?

EDITAR: Tenga en cuenta que ya tengo un controlador con el que estoy satisfecho y no necesito un control de temperatura preciso (+/- 3.0F ha funcionado bien para mí en el pasado), por lo que no necesito soluciones de calefacción que inherentemente tengo un control estricto, solo busco recomendaciones de seguridad / simplicidad, principalmente.

    
pregunta birchbark

7 respuestas

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Cable de calor autolimitado (también llamado cable de calor autorregulador o cable) cumple con todos estos requisitos . El cable de calor autolimitador consiste básicamente en dos cables con un polímero entre ellos cuya resistencia aumenta en proporción al calor. Básicamente, a medida que el polímero se expande a partir del calor, se vuelve menos conductivo hasta el punto en que a una cierta temperatura de expansión ya no puede circular más corriente a través de él.

El cable de calor autorregulador es un tipo de calentador de "coeficiente de temperatura positivo" . Realmente es el único calefactor PTC fácilmente disponible que se autorregula a las temperaturas más bajas necesarias para una caja de calefacción (los modelos 150F son comunes si recuerdo). Existen otras fuentes de calor autorreguladoras que dependen del efecto PTC, pero han alcanzado temperaturas mucho más altas.

La otra gran ventaja de este cable térmico es que puede instalarse en cualquier configuración dentro de cualquier envolvente y en cualquier densidad de vatios requerida mediante la duplicación o la compra de una mayor densidad de vatios para comenzar. Si desea un intercambio de calor más rápido, simplemente puede agregar ventiladores de circulación.

Desafortunadamente, pasaron años en varios diseños de cajas de calor antes de que mi investigación lo convirtiera en una fuente de calor. No estoy seguro de por qué nadie pudo hacerme saber esto, ya que sé que es la única posibilidad de calefacción eléctrica autolimitada a baja temperatura completamente segura. Incluso el uso de agua caliente u otros líquidos como intermediario para la transferencia de calor significa la posibilidad de explosiones (de agua presurizada) o de ebullición del agua, seguidas de un sobrecalentamiento peligroso del elemento.

    
respondido por el birchbark
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Será difícil construir algo que esté intrínsecamente limitado por su salida de calor a una temperatura baja, pero aún así el contenido se calienta rápidamente.

Haciendo algunas suposiciones sobre el cuadro:

  • grosor de la pared: 3 pulgadas
  • Área de la superficie: 4460 pulgadas cuadradas (congelador de 7 pies cúbicos al azar en línea, dimensiones de inserción por medio de espesor de pared en cada lado)
  • Valor R del aislamiento: 1 (m ^ 2 * K) / (W * in) [estimación basada en los números de Wikipedia]
  • Diferencia de temperatura: (100 - 72) = 28 grados F = 15.6 K
  • Potencia para mantener la diferencia de temperatura = PS \ frac {\ text {área de superficie} * \ text {diferencia de temperatura}} {\ text {espesor de la pared} * \ text {R-value}} = \ frac {\ left (4460 \ text {in} ^ 2 \ left (\ frac {25.4 \ text {m}} {1000 \ text {in}} \ right) ^ 2 \ right) (15.6 \ text {K} )} {\ left (3 \ text {in} \ right) \ left (1 \ frac {\ text {m} ^ 2 \ text {K}} {\ text {W in}} \ right)} = 15 \ texto {W} \ $

Para garantizar que la temperatura dentro de la caja permanezca pasivamente alrededor de los 100 F, tendríamos que limitar la potencia del calentador a 15 W, lo que no es mucho en comparación con la masa térmica de grandes trozos de cera. Si la caja está mejor aislada, entonces la potencia debe ser aún menor. Esto también supone que la temperatura interior es completamente uniforme. Si no, la potencia debe ser aún más baja para garantizar que no haya puntos calientes.

Me gusta la idea del calentador de acuario. Limita la posibilidad de sobrecalentar la cera tanto por las características de seguridad del calentador comercial como por el punto de ebullición del agua.

    
respondido por el Theran
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No hablas de presupuesto, pero Omega Instruments es simplemente fantástico en esto y tiene un precio muy competitivo. Por menos de $ 100 (de hecho, mucho menos), puede obtener un controlador de temperatura de remo-rampa de autoajuste de PID que usa lógica difusa, y no tendrá que preocuparse por el exceso de tiempo si lo hace bien. Le sugiero un calentador en una bandeja de arena para nivelar su masa térmica, pero el controlador debería poder manejar gran parte de lo que puede arrojarle. Pon un termopar barato en tu sistema y listo.

Omega tiene algunas buenas guías de selección a las que he vinculado a continuación, y su servicio al cliente es excelente. Elija un calentador con la alimentación adecuada, utilizando las ecuaciones que otros proporcionaron, cierre su circuito con el termopar. Entonces, es casi tan simple como ingresar al modo de autoajuste, ingresar el tiempo de rampa y la temperatura final, y presionar ir. Por supuesto, es una forma excesiva y puede hacer mucho más de lo que necesita hacer, pero en realidad es barato. Muchos de estos controladores tienen salidas en serie si lo necesita.

Controladores de temperatura

Calentadores

ACTUALIZACIÓN: Veo que estoy fuera de su presupuesto en su publicación a continuación, pero Omega sigue siendo una buena fuente de calentadores confiables a precios razonables, como estos Calentadores de caucho de silicona . Puede comenzar con estos, controlados de la forma que desee para controlarlos, y agregar un termopar, un relé y quizás un controlador más adelante.

    
respondido por el Scott Seidman
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revisado

En primer lugar, hay varias suposiciones de diseño que deben validarse y considerarse;

  1. Tiempo de calentamiento, tiempo de trabajo y frecuencia de recalentamiento

    • Esto tiene que ver con el tipo de cera, el punto de fusión, la temperatura ambiente, la temperatura del horno, la fuente de calor, la relación de energía calorífica / masa, y amp; Aislamiento factores R.
    • ¿Cuánto tiempo se pierde esperando el recalentamiento, 50%? 30%?
    • Idealmente desea que la temperatura sea homogénea para realizar trabajos gruesos a cualquier profundidad.
    • El tiempo de calentamiento aumentará a medida que se establezca la temperatura del aire caliente.
    • El tiempo de trabajo disminuirá cuanto más fresco esté el cuarto, pero es posible que no desee trabajar en una tienda de sudor.
    • Presupuesto: bajo costo y fácil de implementar
    • El corte de seguridad es obligatorio en caso de fallo del ventilador y fallo del regulador

Recomendación

  • Use un calentador del termostato de 120Vac con un ventilador constante DENTRO su congelador cerrado configurado a 85'F o use un termostato Honeywell clasificado para 120Vac con su secador de pelo y el cable del calentador, pero mantenga el ventilador interno en circulación para una temperatura de aire homogénea.
  • Agregueunpardeventiladoresgrandesparapanecillosparamantenerelaireencirculaciónyreducireltiempodecalentamiento.
  • Agregueuninterruptortérmicodeseguridadadicionalencasodeexcesodetemperaturaparaapagar
  • Obtengaunreguladordeintensidaddeluzyunpardelámparasdetrabajohalógenasde300vatiosyutilícelascomolámparasdecalorMIENTRASTRABAJAparairradiarcaloralaceradesdeunadistanciadeaprox.3piesrecordandolaleydelcuadradoinversodondelapotenciaseduplicaalamitaddeladistancia.

  • seagrególaventajadevermejorenquéestástrabajandoyeltiempodetrabajoextendido.

Elmicroondassolopuedefuncionarenceraespecialconunaditivodepolvoplásticoquefunciona.
Laceradeabejastienelapropiedadespecialdesertransparenteosinpérdidasenlasfrecuenciasdemicroondasamenosqueestésucia.Lomismopuedeserciertoparalaceradeparafina,peronoestoyseguro.Sifuncionara,seríantemperaturasrápidasyhomogéneas,peromásconjeturas.

Uncalentadorde1500Wesexcesivoypuedesobrepasar85'Falgoconunciclodetrabajobajo,perounventiladorinternoadicionalaumentarálatasaderegulaciónyreduciráelsobreimpulso,peropuededesgastareltermostatoantes Bueno, son baratos .

  

Un horno profesional utiliza un control de calentador proporcional.

Otro

    
respondido por el Tony EE rocketscientist
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Esto no es realmente una respuesta, pero es demasiado largo para leerlo cómodamente en un comentario:

  1. ¿Cuál es su presupuesto?

  2. Además, ¿has considerado el calentamiento indirecto? En los laboratorios de física, si las personas desean mantener un volumen que se queme fácilmente (en el sentido de que se decolore) a una temperatura constante, la solución a la que se debe acudir es un baño de curie. Básicamente, la idea es tener un recipiente con el material que se mantendrá caliente "flotando" / "colgando" en una tina de agua que se mantiene a una temperatura constante. Puede encontrar soluciones disponibles para mantener caliente un baño de agua. Busque calentadores de inmersión / circulación.

Dependiendo de la consistencia de su cera, podría incluso renunciar al "contenedor" de la cera y simplemente poner sus bloques de cera en bolsas con cierre hermético (trate de sacar todo el aire) y dejar que floten directamente en el agua. .

    
respondido por el ARF
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Tampón de material de cambio de fase de punto de fusión más alto.

  • Baja tecnología

  • Fácil

  • Barato

  • Pasivo

  • No electrónico

solución

  • que en realidad se puede hacer que funcione de manera excelente

No lo pase sin mirar lo que está involucrado.

Para limitar la temperatura máxima de forma segura, puede agregar una gran cantidad de material de cambio de fase que cambie de fase (se derrite, por lo general) ligeramente por encima de su temperatura objetivo máxima.

La masa se puede organizar de modo que no sea posible derretir todo con la energía disponible, ya que el área de superficie adicional proporciona más pérdida de energía que la disponible a temperaturas elevadas. Solo entra en acción cuando la cera del sistema se ha derretido, por lo general es solo una capa aislante. Se pueden agregar aletas de radiación simples a este PCM de búfer que solo proporcionan un camino térmico significativo cuando su host de búfer de PCM comienza a fundirse.

Su cera ya es un PCM: si puede ajustar un poco de cera para que su temperatura de fusión sea ligeramente más alta o si puede comprar un poco de cera que se derrita a una temperatura algo más alta que la que usa ahora, debería hacerlo bien.

Si desea un material con una tasa de transferencia de energía mucho más rápida, mire los PCM metálicos. Galio y similares. Busca "Woods metal" (temperatura incorrecta para ti) y sigue el hilo desde allí. Amplia gama de temperaturas disponibles.

Wikipedia - Material de cambio de fase
Coffee Joulies como demostración.

Relacionados:

NO use un termostato de velocidad de conmutación de baja velocidad de encendido / apagado para controlar un dispositivo Peltier. Si la velocidad de conmutación es lenta en comparación con la constante de tiempo térmica, la destruirá térmicamente mecánicamente antes de lo que sea necesario. es decir, si el Peltier cambia de temperatura significativamente durante un ciclo de conmutación, debe modificar su método de control. Me imagino que una velocidad de conmutación de más de 10 Hz comenzaría a ser segura, con mayor seguridad.

    
respondido por el Russell McMahon
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Probablemente un poco tarde ahora, pero trataría de conseguir una olla de cocción lenta no deseada, mucha gente los compró y luego los dejó sin usar en la parte posterior de un armario [EE. UU. = armario!]. Freecycle o similar puede proporcionar. Estos tienen un largo cable de calefacción cubierto de silicona envuelto alrededor de la olla, generalmente pegado con más manchas de silicona. Córtelo con cuidado y vuelva a colocar la silicona en una lámina de metal en la parte inferior de su viejo congelador, conecte su controlador de temperatura, trabajo hecho.

    
respondido por el engelard

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