Diseño de una caja de cultivo utilizando un alambre de resistencia como elemento calefactor

Estoy tratando de diseñar una caja de cultivo que mantenga una temperatura estable para la germinación de las semillas.

Estoy planeando usar un Arduino con un sensor de temperatura para controlar un elemento calefactor. Estoy pensando en usar un cable de resistencia como elemento calefactor, ya que es una solución simple y económica. Digamos que el tamaño de la caja será de 1 m 3 . No estoy seguro de cuál será el aislamiento de la caja, pero estoy considerando una caja de plástico o un refrigerador viejo. La temperatura objetivo es de 30 °C (86 °F).

Necesito elegir el elemento calefactor correcto y determinar qué fuente de alimentación usar para ese elemento calefactor.

Ya he hecho algunos cálculos para alcanzar este objetivo.

Potencia necesaria para calentar la caja

En primer lugar, necesito determinar cuánta energía se requiere para calentar la caja a la temperatura deseada. Supongamos que la temperatura es de 20 °C y quiero calentarla hasta 30 °C en 30 minutos.

Usé una ecuación de https://www.engineeringtoolbox.com/heat-up-energy-d_1055.html para determinar la energía requerida para calentar una sustancia.

m = 1,2 kg (la masa de 1 m 3 de aire)
c p = 1,006 kJ/(kg°C) (calor específico de la sustancia)
dT = 10°C (cambio de temperatura requerido [30° - 20° = 10 °])
t = 1800 s (tiempo de calentamiento)

q = metro ⋅ C pag ⋅ d T t q = 1.2   k gramo ⋅ 1.006   k j / ( k gramo ° C ) ⋅ 10 ° C 1800   s = = 1.2 ⋅ 1.006   k j ⋅ 10 1800   s = 6.7   W

Entonces, la potencia necesaria para calentar la caja a la temperatura deseada en 30 minutos es de 6,7 vatios. Esta es la primera vez que he calculado algo como esto. Por favor, dime si cometí un error. ¿Significa esto que necesito un elemento calefactor que consuma 6,7 ​​vatios? Si es así, continuemos:

Cálculo del voltaje requerido para alimentar el elemento calefactor

Tengo tres cables de resistencia. Cada uno de ellos tiene un metro de largo. Se especifica que tienen las siguientes resistencias: 5,4 ohm/m, 20 ohm/m y 55,4 ohm/m. Suponiendo que necesito 6,7 vatios para calentar la caja y que elijo el cable de 5,4 ohm/m, puedo calcular el voltaje requerido a partir de la fórmula:

PAG = V 2 R
V = 6.7   W ⋅ 5.4   Ω = 6   V

Por lo tanto, el voltaje requerido usando este cable sería de 6 V, que puedo lograr con 4 pilas alcalinas AA en serie.

conclusión

Soy un principiante en electrónica, así que necesito un poco de ayuda. ¿Estoy en el camino correcto, o es lo que escribí arriba una completa tontería? ¿Qué recomendaría como fuente de alimentación para esta tarea? Por lo que sé, cuanto menor es la resistencia, mayor es el poder. Pero, ¿está bien usar una resistencia tan baja en un circuito? Si tienes alguna otra recomendación, no dudes en compartirla.

Si realmente necesita 7 W más o menos, obtendría un elemento calefactor de 10 ~ 20 W y lo controlaría con un sensor de temperatura. 4 baterías AA y 3 cables diferentes con diferentes resistencias suena más como un problema de tarea que como una solución viable real.
Tengo la intención de usar solo un cable, no todos. Sin embargo, creo que es un buen bricolaje.
Sería más seguro y duraría más simplemente calentar una resistencia de alambre enrollado con relleno de cerámica con una carcasa de aluminio de 50 o 100 W, que cuesta solo unos pocos dólares y durará para siempre sin presentar un riesgo de quemadura. Simplemente puede conducir un 1 o 2 ohmios a 5v con PWM para obtener la corriente promedio deseada. Mire el control PID si quiere ser realmente malo.
@dandavis gracias por tu respuesta! Encontré una resistencia de 50 vatios y 680 ohmios en Internet. Supongo que necesitaría usar una fuente de alimentación mayor que las pilas alcalinas normales, ¿verdad? Ciertamente miraré PWM y PID. ¡Soy nuevo en esto!
680 son demasiados ohmios. 5v/680 = 0.007A y 0.007a * 5v = 0.035w, necesita 7w. un 4ohm estaría bastante cerca de 7w (dados 5.15v desde usb) sin meterse con pwm.
Sus cálculos han tenido en cuenta la pérdida de calor a través de las paredes de la caja, lo que podría ser significativo si usa una caja de plástico simple. Dices que quieres calentar suelo pero tu cálculo asume una caja llena de aire. Creo que estás equivocado por al menos un factor de 2.
@ElliotAlderson Gracias por su aporte. No me di cuenta de que, de hecho, también necesito calentar el suelo. No incluí la pérdida de calor, ya que haría que el cálculo fuera mucho más complicado y no estoy seguro de qué voy a usar como aislamiento. Además, ¡no tengo idea de cómo calcular la pérdida de calor de las paredes de plástico! ¡Gracias de nuevo!
@dandavis Sí, tienes toda la razón. Fácilmente podría calcular eso. Ahora tiene sentido.
Las baterías son una opción muy mala para operar cualquier tipo de calentador, a menos que planee reemplazar las baterías dos veces al día. Sería mucho mejor usar un calentador alimentado por línea de CA; una pequeña bombilla incandescente puede funcionar bien.
El suelo tendrá una alta resistencia térmica y el contenedor será desconocido, así como la temperatura ambiente. Si solo necesita aumentar la temperatura de 3 a 5'C y Rth ≈50'C/W, es posible que solo necesite de 0,5 a 1 W con un termistor cerca del calentador> 1 cm

Respuestas (1)

En primer lugar, necesito determinar cuánta energía se requiere para calentar la caja a la temperatura deseada. Supongamos que la temperatura es de 20 °C y quiero calentarla hasta 30 °C en 30 minutos.

No es la forma en que la mayoría de nosotros lo haría. Su carga a largo plazo es la pérdida de calor a través de las paredes. Tienes que asegurarte de tener suficiente poder para soportar eso. Una vez hecho esto, no es necesario especificar el tiempo de calentamiento real, tomará el tiempo que sea necesario para alcanzar la temperatura. Con las escalas de tiempo asociadas con una caja de cultivo, 30 minutos parece excesivamente rápido. Podemos ver qué tan cerca de eso llegaremos más tarde cuando tengamos estimaciones de potencia y la masa de lo que hay en la caja.

Estime la pérdida de calor de una caja con un volumen de 1 m 3 . Haga algunas suposiciones, es fácil modificar la respuesta más tarde si alguna está muy equivocada. Esto producirá una respuesta mínima absoluta, probablemente querrá usar de 2 a 10 veces esta cifra, por seguridad.

Área de superficie de un cubo regular de 1 m 3 A = 6 m 2
Conductividad térmica para espuma aislante de PU nueva K = 22 mW/K/m
Espesor de espuma t = 50 mm
Aumento de temperatura de la caja dT = 10 °C

Pérdida de calor = dT.KA/t = 26 W

Ese es el mejor de los casos. A medida que envejece la espuma, K aumentará. Cualquier cable que pase o el aire que entre o salga aumentará la pérdida. El uso de un paralelepípedo en lugar de un cubo aumentará el área de superficie por volumen. Cualquier punto delgado o estructura que pase a través de la espuma, también conocido como "puente frío", aumentará la pérdida. Si la temperatura ambiente cae y necesita un aumento de más de 10 °C, o si utiliza un material de aislamiento menor como poliestireno o lana de roca, o una pared más delgada por razones de costo, su requerimiento de energía aumentará.

Puede salirse con la suya con 50 vatios si usa PU nuevo de al menos ese grosor, bien sellado, pero 100 vatios le darían más margen para defectos de construcción.

A este nivel de potencia, las bombillas incandescentes, por ejemplo, las bombillas para automóviles o los focos MR16, constituyen un excelente calentador autoindicador de bajo costo. No hace falta decir que no usará baterías. Para esos calentadores de 12 V, una fuente de alimentación de PC ATX antigua sería buena, ya que también tiene una salida de 5 V para la electrónica.

No olvides que debes elevar la temperatura del suelo, su contenido de humedad y el interior de las paredes de la caja, así como el aire. La temperatura puede tardar mucho en volverse uniforme en todo el suelo, 30 minutos no serían suficientes.

La capacidad térmica del suelo varía enormemente dependiendo de si se trata principalmente de vermiculita seca o marga muy húmeda. Si asumimos un espesor de suelo de 50 mm y un 30 % de humedad, son 15 kg de agua, incluso despreciando el suelo mismo. La capacidad térmica de 15 kg de agua a 10 °C es 15x4200x10 = 630 kJ, lo que equivale a unas 2 horas a 100 vatios. Esto sugiere que es bastante posible un calentamiento en menos de 24 horas, y uno de 30 minutos necesitaría una potencia excesivamente alta.

Si se trata de una caja de cultivo, entonces presumiblemente también necesitará una fuente de luz allí. ¿Quizás cambiar su fuente de luz entre LED y MR16 modularía la entrada de calor en la caja lo suficiente como para darle control?

¡Esa es una respuesta maravillosa! La potencia de las lámparas MR16 varía de 3 W a 7 W. ¿No significa que necesitaría usar muchas de ellas? Además, no sé cuánto calor hacen. ¿La potencia siempre se corresponde con el calor producido? No estoy seguro de si las bombillas son la elección correcta como elemento calefactor, porque no quiero tener las luces encendidas durante la noche, ya que las plantas necesitan oscuridad.
@LadislavOndris Estaba pensando en los halógenos de 50 W, no en los LED de pocos vatios. Pero tomo el punto sobre la luz. Puede colocarlos en una caja de metal con orificios de ventilación, pero un poco de cable de resistencia probablemente sea menos problemático.
¡Gracias por todas las sugerencias! Estoy muy contento de que hayas mencionado la fuente de alimentación ATX. ¡Parece una gran idea!
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