Diseño de un sistema simple de ventilador + resistencia para calentar aire

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 que se sujetará un ventilador para muffins. El ventilador soplará aire a través de una resistencia de 20 W en el tanque para calentar el aire. El aire calentado saldrá continuamente del tanque a través de un puerto de salida y viajará a la aplicación para la cual se necesita el aire. El aire que sale deberá mantenerse a 37C +/- 1C.

Aquí hay un esquema del dispositivo:

ingrese la descripción de la imagen aquí

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

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 especialización, por lo que me preguntaba si podría obtener algún comentario sobre mi método propuesto. ¿Los cálculos parecen sólidos? ¿Prevé algún problema con este sistema en su conjunto?

Parece plausible, aunque como dice Michael, varíe la potencia de la resistencia usando PWM. Es posible que desee colocar algunos deflectores (como muselina o red) en la caja para mezclarlo bien. Además, asegúrese de que su ventilador pueda entregar 3.1 CFM a la cabeza que anticipa . Puede volver a calcular a partir de la caída de presión utilizando la dinámica de fluidos elemental. Use un sensor de temperatura de respuesta rápida en el puerto de salida: ya tiene un problema de tiempo muerto de control debido a la transferencia de masa y agregar un retraso innecesario es agregar insulto a la lesión.
Si esto es solo una construcción de prototipo/I + D de un pf, usaría un disipador de calor grande en el deflector/cámara con un to-220 o to-247 montado a la temperatura de salida regulada
¿Imprimir en 3D una caja así? probablemente más barato comprar o fabricar uno. o reutilice un contenedor de almacenamiento de alimentos (lata de galletas o lonchera). una resistencia de 20 W tiene aproximadamente 2" de largo y los cables se calentarán.
Parece probable que gran parte de la producción de energía terminará calentando radiantemente el centro del ventilador, hasta que se agarrote, deje de soplar y posiblemente se incendie.
@Jasen, haría un agujero en una caja de metal para hacer esto. De esa manera, cuando el ventilador falla o algo cae y lo bloquea, la caja no se derretirá antes de que se abra el interruptor térmico (OP: ¿dónde está eso en el esquema, por cierto?)
¿Qué tan grande es el orificio de salida? ¿Puede el ventilador acumular suficiente presión para forzar todo ese aire a través del orificio? El tubo en su esquema parece bastante pequeño, intuitivamente dudo que un ventilador de caja de computadora (como el que se muestra en la imagen) pueda acumular suficiente presión.
Para agregar: un cálculo rápido de la parte posterior del sobre muestra que necesitaría 112 Pa de presión para un tubo de 1 m de largo con 10 mm de diámetro para lograr 1,45 L/s. Un ventilador industrial rápido podría proporcionar eso, por ejemplo: ebmpapst.com/en/products/compact-fans/axial-compact-fans/… Para un tubo de 5 mm de diámetro necesitaría 1800 Pa. Editar: Sin embargo, el flujo de aire del ventilador para lograr una presión lo suficientemente alta es demasiado grande. Todo escaparía por el ventilador.

Respuestas (2)

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

Su plan es variar la temperatura de salida controlando la velocidad del flujo de aire, es decir, la masa de aire en la que se diluye la energía. La mayoría de las personas (incluido yo mismo) habrían adoptado una velocidad de ventilador fija y variado la cantidad de energía que se entrega. por la resistencia.

Si bien son básicamente equivalentes, los dos esquemas tienen características diferentes, ninguna de las cuales hace que ninguno de los enfoques sea una obviedad.

  • El método de flujo de aire variable tendrá una latencia ligeramente más baja desde la entrada de control hasta la salida de temperatura, especialmente si se usa una resistencia grande y gruesa 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 provenga del transporte físico, luego del calentamiento del tanque, el tubo y los componentes en línea con la salida monitoreada.

  • Frente a eso, el método de velocidad variable del ventilador tendrá una latencia variable, debido al cambio del tiempo de tránsito del tubo. Si está ajustando la temperatura en la salida, esto podría causarle problemas de estabilidad y ajuste de bucle, a menos que ajuste la velocidad del ventilador más baja.

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

  • La dinámica de fluidos alrededor del experimento bien puede ser sensible a la velocidad del ventilador. Puede que me preocupe que, habiendo logrado el diseño correcto a una velocidad, las cosas puedan cambiar a otra.

  • El control de potencia utiliza menos energía. Establezca el flujo de aire al mínimo requerido, luego la salida de la resistencia se controla automáticamente a la salida mínima. Aunque a 20w y presumiblemente alimentado por la red eléctrica, esta es una pequeña consideración.

  • El sobreimpulso 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 llega al cabezal de la ducha, me siento aún más caliente ya 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 el calor se pierde continuamente de su experimento, este efecto puede ser relevante.

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

Si el tubo de plástico en la lengüeta está destinado a ser el suministro de aire para su experimento, entonces parece una combinación muy pobre de ventilador y resistencia a la carga del ventilador. Ese es un ventilador de cabeza baja de alto flujo, y esencialmente se estancará en ese tubo largo y delgado.

Dado que es el ventilador el que entregará el aire a través del tubo del puerto de salida, le sugiero que no desee variar la velocidad del ventilador, ya que eso 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 alimentación a la resistencia. Este ciclo de trabajo de PWM se controlaría a través de un sistema de retroalimentación que monitorea 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 monitorear 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 voltaje directo a través del diodo con un circuito de ganancia opamp y un convertidor A/D.

La tasa de flujo volumétrico en realidad no es importante para mí, siempre que sea la temperatura correcta. Planeamos modular la velocidad del ventilador a través de la retroalimentación de una sonda de temperatura aguas abajo a un arduino. Sin embargo, tal vez una resistencia variable simplificaría la imagen ...
Conduzca una resistencia fija a través de un transistor controlado por una señal PWM (para generar PWM a partir del uso de arduinoanalogwrite()
“Uno de los métodos más fáciles de monitorear 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”. o utiliza uno de los sensores fiables y calibrados con interfaz I2C que puedes conseguir por <2€.
@Michael - Tiendo a no estar de acuerdo. Los sensores de circuito integrado que tendrían una interfaz I2C son generalmente mucho más difíciles de empaquetar en una solución de trabajo real. Un sensor I2C generalmente requiere al menos cuatro cables y tal vez incluso una placa de circuito en el punto del sensor. Tenga en cuenta que hay varios chips de monitor disponibles que puede colocar en una placa de circuito y conectar a diodos de Si externos o uniones BE de transistores de Si discretos, como el ADT7476.
@MichaelKaras: Aquí hay una placa base de un MCP9808 por 4,95 $ que cabría fácilmente en la caja: adafruit.com/product/1782 También ofrecen una biblioteca Arduino que sería ventajosa ya que OP usa un Arduino. Otra idea: Colocar dicho Arduino dentro de la caja y usar su sensor de temperatura interno. Sin embargo, supongo que la precisión no sería muy buena.
Agregar generadores de calor adicionales al sistema parece complicar las cosas mucho más de lo necesario si se trata de un chip de sensor de temperatura, una placa de ruptura o incluso una placa MCU. Así que sigo en desacuerdo contigo.
Una de las formas más fáciles de medir la temperatura, especialmente con un rango estrecho como el que solicita el OP, es con un termistor, una salida mucho más grande y fácil de medir que un diodo de silicio.
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