Diseñar un sistema simple de ventilador + resistencia para calentar el aire

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Tengo una aplicación de investigación que requiere un suministro constante de aire caliente. Mi plan actual es imprimir en 3D un tanque pequeño (6 "x 6" x 4 ") al cual se abrirá un ventilador de muffin. El ventilador soplará aire a través de una resistencia de 20W dentro del tanque para calentar el aire. El aire calentado dejará el tanque continuamente a través de un puerto de salida y viajará a la aplicación para la que se necesita el aire. El aire de salida deberá mantenerse a 37C +/- 1C.

Aquí hay un esquema del dispositivo:

Para obtener la temperatura correcta, ajustaré la velocidad del ventilador (CFM variable). Este es mi intento de calcular la velocidad del ventilador necesaria:

Ambient air temp: T1 = 25C

Final air temp: T2 = 37C

Resistor power: P = 20 W

Heat capacity of air: c = 1 J/gK

Density of air: d = 1.15 g/L

air flow rate: f = P/[(c)(d)(T2-T1)] = 20/[(1)(1.15)(37-25)] 

= 1.45 L/s = 3.1 CFM

Esta no es mi área de experiencia, por lo que me preguntaba si podría obtener algún comentario sobre mi método propuesto. ¿Los cálculos parecen sólidos? ¿Prevén algún problema con este sistema en su conjunto?

    
pregunta Chase Kayrouz

2 respuestas

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Toda la salida de energía de la resistencia terminará en el flujo de aire de salida, independientemente de la velocidad del ventilador (de primer orden).

Su plan es variar la temperatura de salida mediante el control del caudal de aire, es decir, la masa de aire en la que se diluye la energía. La mayoría de las personas (yo incluido) habrían adoptado una velocidad de ventilador fija y variaría la cantidad de El poder es entregado por la resistencia.

Si bien son básicamente equivalentes, los dos esquemas tienen características diferentes, ninguno de los cuales hace que ninguno de los dos sea un pan comido.

  • El método de flujo de aire variable tendrá una latencia ligeramente menor desde la entrada de control a la salida de temperatura, especialmente si se usa una resistencia de grasa grande para el calentador, muchas resistencias pequeñas en paralelo serían más rápidas en ese caso. La latencia es importante para la estabilidad con control de retroalimentación, aunque esperaría que la mayor parte de la latencia provendría del transporte físico, y luego el calentamiento del tanque, el tubo y los componentes en línea con la salida monitoreada.

  • En contraste, el método de velocidad variable del ventilador tendrá una latencia variable, debido al cambio del tiempo de tránsito del tubo. Si está sirviendo la temperatura en la salida, esto podría causar problemas de estabilidad y sintonización de bucle, a menos que sintonice la velocidad más baja del ventilador.

  • La velocidad variable del ventilador actuará como un monitor audible de lo que está haciendo el bucle. Eso puede ser útil, irritante o inaudible sobre el laboratorio.

  • La dinámica del fluido en el experimento puede ser sensible a la velocidad del ventilador. Es posible que me preocupe que al tener el diseño correcto a una velocidad, las cosas puedan cambiar a otra.

  • El control de potencia usa menos energía. Ajuste el flujo de aire al mínimo requerido, entonces la salida de la resistencia se controla automáticamente a la salida mínima. Aunque con 20w y presumiblemente con alimentación de red, esta es una pequeña consideración.

  • El rebasamiento aparente está integrado en el sistema de flujo regulado. Considere una ducha de flujo regulado. Digamos que el agua está demasiado caliente. Subo el flujo y, hasta que el agua más fría alcanza el cabezal de la ducha, me siento aún más caliente a medida que el flujo más rápido entrega calor a mi piel más rápido, pero no se enfría hasta después de la latencia de tránsito. Dependiendo de si se está perdiendo calor continuamente de su experimento, este efecto puede o puede ser relevante.

Debo confesar que pensé que encontraría más razones para apoyar la forma "normal" de control de poder (para la mayoría de la gente).

Si el tubo de plástico en la lengüeta está destinado a ser el suministro de aire para su experimento, entonces se ve muy mal en la resistencia de carga del ventilador y del ventilador. Ese es un ventilador de alto flujo de baja altura, y será esencialmente bloqueado en ese tubo largo y delgado.

    
respondido por el Neil_UK
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Dado que es el ventilador el que emitirá el aire a través del tubo del puerto de salida, sugeriría que no desee variar la velocidad del ventilador, ya que esto provocará una variación en el flujo de aire que sale del puerto de salida.

En su lugar, debe configurar un controlador PWM para variar el ciclo de trabajo de la potencia a la resistencia. Este ciclo de trabajo de PWM se controlaría a través de un sistema de retroalimentación que controla la temperatura del aire en el puerto de salida de la caja. Este esquema permite que la velocidad del ventilador se mantenga constante y permite un flujo de aire constante en el tubo de salida.

Uno de los métodos más fáciles de controlar la temperatura del aire en el puerto de salida es colocar un diodo 1N4148 en la corriente de aire que está polarizada con una corriente constante de 1 mA. Luego mida la caída de tensión directa a través del diodo con un circuito de ganancia operativa y un convertidor A / D.

    
respondido por el Michael Karas

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