Uso de la electricidad para generar la cantidad correcta de calor

Repasemos las matemáticas que se requieren para diseñar una solución.

En primer lugar, como algunos comentaristas han señalado, no proporcionó toda la información necesaria.

• Cuando dice aire caliente a 50 ° C, no pudo especificar el inicio temperatura. Así que asumamos que es 20 ° C por ahora.
• Tampoco especificó las propiedades aislantes del contenedor. Esto es importante porque afecta la cantidad de calor requerido para Subir la temperatura y mantenerla. Así que para este ejemplo, nosotros asumirá que el contenedor está tan bien aislado, que una vez calentado No requiere calor adicional para mantener la temperatura. Esto es No es un mundo real, por supuesto, pero al menos nos permite aproximarnos a la cantidad de calor necesaria para realizar la tarea de calentamiento inicial.
• Tampoco especificó en qué cantidad de tiempo le gustaría elevar la temperatura Puedes imaginarte que cuanto más rápido quieras Caliéntalo, más calor tomará para hacer el trabajo. Para este ejemplo, Asumiremos 2 minutos.
• No especificaste qué hay dentro del contenedor. Para este ejemplo, Asumiremos que es aire.

Por lo tanto, la tarea es elevar la temperatura del aire dentro del cilindro en 30 ° C.

El volumen del aire en un cilindro viene dado por r ² hπ, por lo que su cilindro tiene un volumen de 103378 mm ³ o ~ 0.000103 m ³ .

La densidad del aire a 20 ° C es 1.025 kg / m ³ por lo que el cilindro contiene 0.000103m ³ * 1.025 kg / m ³ o 0.00106 kg (~ 1 g) de aire.

El calor específico del aire a 20 ° C es 1.005 kJ / (kg C). Entonces, para aumentar el volumen de aire en el cilindro en 30 ° C, tomará 0.00106 kg * 30 ° C * 1.005 kJ / (kg C) o ~ 0.032 kJ (32 J).

La potencia en vatios es igual a julios / segundos. Entonces, si deseamos aumentar la temperatura en 120 segundos, la fuente de calor debería ser de 32 julios / 120 segundos o 0.267 vatios durante un período de 120 segundos.

Tres celdas alcalinas tendrían un voltaje de 4.5 voltios cuando se configuran como batería. Podemos calcular la resistencia requerida ya que R = E ² / P. Entonces 4.5 ² /0.267 produce ~ 75 ohms.

Verifiquemos si esta es una corriente razonable para el suministro de la batería. Dado que I = E / R, tenemos 4.5 voltios / 75 ohmios o 60 mA. La batería puede suministrar ~ 1150 mAh o 5000 J (consulte aquí ). Así que esto parece razonable, al menos para el ciclo de calentamiento inicial.

Esto es lo que se llama un análisis de primer orden. Luego debe considerar otros factores, como que el aire en el contenedor no circule, por lo que el calor no se desembolsará de manera uniforme por sí solo. Debe volver a la cuestión del aislamiento, ya que sabemos que no será perfecto, que la atmósfera circundante perderá parte del calor. Esto sugiere que se requerirá un valor de resistencia más bajo para compensar esta pérdida de calor. Si necesita mantener el aire a esa temperatura, entonces se requerirán calor y cálculos adicionales. También debe revisar cualquier otra suposición o simplificación para determinar su impacto en el análisis de primer orden.

He hecho esto antes al calentar las cajas Xtals HC49 con aislamiento de espuma, elevando Xtal 50'C en 10 segundos debido a la baja masa con 1 / 4W usando solo varios resistores 1206 SMD, comparador y interruptor para conducir resistencias acopladas térmicamente a DUT .

Puede diseñar en función de su Rth de su caja para el aumento de calor de la bobina en relación con el contenedor. Si dice 10'C / W, elija un calentador de 1 vatio. si es 20'C / W, reduzca la potencia < 1 W. Elija 70'C como su temperatura segura de cable máx. con margen para permitir un contacto pobre o una resistencia térmica deficiente del contenedor y evite la tensión en el vidrio fino, a menos que Pyrex exija una mayor resistencia térmica área de superficie del calentador, por lo tanto, baja la Rth del calentador al contacto. < 10'C / W

En mi caso (juego de palabras), utilicé Polyamid o FPD o Kapton Copper con resistencias SMD y Termistor con 2oz de cobre, por lo tanto rígidos y con forma DUT dentro de 1 cm de espuma. Puede usar alambre de nicrom plano con una forma epoxi con alto contenido de metal para hacer un estuche rodeado por 1 cm de espuma azul resistente al fuego. La temperatura de la resistencia será mucho mayor que el contenido debido al mal Rth de su caja, a menos que tenga cuidado de minimizar los huecos de aire y de encapsular con un compuesto de bajo Rth (no silicona). Debido a la constante de tiempo térmica, el control de apagado es adecuado con 0.1 ' Histéresis C o relación de realimentación positiva de la oscilación de la tensión de entrada / entrada / oscilación de la temperatura. Así que puede ser < Relación del 1% R de realimentación R a Req de Vin (+)

• m = 15 mg de recipiente de alumbre + 5 mg de líquido
• calor específico, c
• líquido ~ 4.2 J / gm ° C

• alumbre ~ 0.9 J / gm ° C

• Por lo tanto, energía necesaria = \ $ E = cmΔT = (50-20) ° ((15 * 0.9) + (5 * 4.2)) ~ 1kJ \ $

E = P · t = V · I · t

• Duracell AA: (2.85 Ah) x (1.5 V) x (3600 s) ~ 15 kJ se usa a una tasa de descarga de 20 h
• asumiendo que no quieres esperar 20h
• la tasa de amp-hora de 2.85Ah reducida a 2 h = la tasa de descarga de la hoja de datos de Coppertop es de carga constante de 0.3W con capacidad reducida a 1.8Ah
• La vida útil de 2 h produce una corriente constante de 750 mA a 0,8 V de muerte. o una capacidad de energía de 1 Vavg * 0.75A * 2h * 3600s = 5.4kJ o aproximadamente 1/3 de la capacidad de 20h. Reducir el tiempo aún más degrada la capacidad de Joule incluso más rápido debido al aumento de la temperatura interna de Pd * Rjc de 0.15 Ohm ESR

Espera comprar una gran cantidad de baterías u obtener una celda Lipo.

^{simular este circuito : esquema creado usando CircuitLab}

Necesitas una resistencia . Para fines de calefacción, a menudo se usa alambre con alta resistividad, como el nicrom.

Puede envolver un calentador de poliimida flexible (o envolver un poco de cable de NiCr) alrededor de la parte interior de su alojamiento bien aislado. Imagina un tubo delgado de metal con un calentador envuelto alrededor de él. En algún lugar en las decenas de ohmios, aproximadamente 1W de potencia.

1W no es mucha potencia, necesitará un diseño térmico decente, que está fuera del alcance de esta pregunta.

El control de temperatura podría ser tan simple como esto :

UsesusbateríasAA(4.5V)enlugardelsuministrode3.3V.Eludircon1000uF/6.3Vasícomoconlacerámica2uF.ConectelasalidaaunMOSFETdecanalPdenivellógico,fuentea+4.5,drenealcalentadoryconecteatierraelotroladodelcalentador.Elchipestádisponibleconunpuntodeajustede45°Co55°C(ajustedefábrica).Elsensor(quesemuestradentrodeunauP)puedeserun2N4403.Tieneunagranhistéresisde5°C,porloquelatemperaturaseráde"aproximadamente" 50 ° C para una definición de "aproximadamente", y como no se presentaron especificaciones, esto cumple con las especificaciones.