Requerimientos de potencia y factibilidad para ráfagas cortas de alta potencia (aplicación de calentamiento muy rápido)

Me gustaría que me ayudaran a evaluar la viabilidad eléctrica de un sistema para calentar 35 gramos de material termoplástico (para el control activo de la rigidez) en 50 ms, a unos 100 grados centígrados.

El material será por ejemplo un polímero termoplástico como policarbonato, o un composite. La idea es tener algún tipo de cables resistivos integrados en el material para el proceso de calentamiento, similar a como se hizo en [1]. Pero por favor, no se preocupe demasiado por la parte material.

De un cálculo aproximado, obtengo que la energía requerida es:

1200 [J/kg°C]*0.035 [kg]*100[°C]=4000[J]

para calentarlo en 50 ms, la potencia requerida sería aproximadamente:

4000[J]/0.050[s]=80 000 W o 80kW.

En este punto, me gustaría saber si esto es aproximadamente factible o no desde el punto de vista de la potencia y la corriente con un juego de baterías o condensadores superiores de un automóvil eléctrico "típico". ¿Qué tipo de consumos de energía para picos cortos son factibles con los condensadores y las baterías que normalmente están disponibles en los automóviles eléctricos? ¿Cuál es el rango aproximado? ¿Necesito bajar un factor de 10, o puedo subir un factor de 10?

[1] Tridech, Charnwit, et al. "Compuestos de alto rendimiento con control de rigidez activo". Materiales e interfaces aplicados de ACS 5.18 (2013): 9111-9119.

Eso sería totalmente inviable con un objeto no conductor térmico.
Todo esto depende de la masa térmica involucrada. Aquí usa 1kJ/g, pero puede encontrar que los materiales reales involucrados tienen una masa térmica más alta o más baja. Además, si bien el requerimiento de potencia instantánea puede ser alto, es muy posible que un banco de condensadores pueda lograrlo. Necesitará averiguar los voltajes y las corrientes involucradas, y el método de calentamiento. Tal vez se podría usar algo como un láser de microondas pulsado.
Supongo que el "no conductor" debía significar "eléctricamente no conductor".
¿Qué material exactamente?
Suena como si estuvieras tratando de convertir un motor de combustión en un motor de vapor. Pero lo que sea, realmente depende del material también. Líquido, sólido. ¿gas? La geometría también importa. Sea lo que sea, supongo que será terriblemente ineficiente. Posiblemente podría usar un horno de arco, aunque el material puede ser diferente después de calentarlo.
La idea es usar un polímero termoplástico para decidir cuál pero, por ejemplo, algo como el policarbonato (el calor específico fue una estimación). El proceso solo tendrá lugar muy raramente, y solo una vez en la vida útil del producto.
Debido a las muchas preguntas, modifiqué el contenido de las preguntas con más detalles y referencias. Quizás es más interesante así. No se preocupe demasiado en esta etapa por la parte material de la calefacción. Solo me gustaría saber los límites de factibilidad desde el punto de vista de la energía eléctrica.
Podría mejorar mucho la viabilidad si eliminara el requisito de 100C, por ejemplo, precalentando la cosa. O usando un material de cambio de fase con un punto de fusión más bajo.
@ pjc50, entiendo que disminuir la temperatura facilita las cosas. Me gustaría saber la viabilidad eléctrica en el rango de estos números, tal vez sea posible con 50°C, pero tal vez necesito 100 gramos de material. Mi problema es encontrar especificaciones sobre la salida de potencia máxima en ráfagas cortas de baterías o condensadores (no soy ingeniero eléctrico).
@next-hack posiblemente, pero necesitaría un calentador distribuido de manera muy uniforme para calentar el plástico globalmente sin derretirse por completo o quemarlo localmente.
Pensamiento loco: caliéntalo con un gran láser. Hay láseres de fibra de clase kW, por ejemplo. Ahora tienes un problema óptico pero al menos tu problema eléctrico está resuelto.
Chris, sí, pero un láser es mucho más caro, ¿y también necesito alimentar el láser? La pregunta es más sobre la energía y obtener la energía de las fuentes de energía disponibles en un vehículo eléctrico, que sobre la parte material. Entiendo que la parte de calentamiento del material también es difícil, pero lograron hacerlo también en el documento de referencia.
El láser tampoco es completamente eficiente. Pero con un conocimiento limitado de su aplicación y sin conocimiento de su presupuesto, valió la pena mencionarlo.
Me parece que incrustar suficientes cables o especialmente fibras de carbono en su polímero tendrá un gran efecto en la rigidez y otras propiedades del material. La geometría va a ser clave ya que el problema sería mucho menor con una losa delgada. Necesita un modelado térmico transitorio, y todo el software que he encontrado que lo hace es muy costoso. También se basa en tener un buen diseño mecánico. Un modelo DIY 1d puede ser útil en esta etapa inicial

Respuestas (2)

3,5 kJ es algo que un banco de condensadores puede producir en poco tiempo. Por ejemplo, eso podría ser 48 V en aproximadamente 3 F. Debería asegurarse de que los capacitores puedan manejar la alta corriente. Múltiples condensadores en paralelo, que es lo que se necesitará para llegar a 3 F de todos modos, ayuda con esto.

Sin embargo , habrá mucha pérdida al entregar esa energía a una carga, especialmente porque no es "conductora". No está claro si quiere decir que no es conductor eléctrico o térmico, pero de cualquier manera, dificulta este problema. Si hace esto eléctricamente, necesitará almacenar varias veces la energía que finalmente se entrega al objeto.

Calentar el objeto químicamente podría ser más fácil. Por ejemplo, una capa de pólvora negra cuidadosamente calibrada debería poder entregar la energía en el breve tiempo que especifique. Probablemente haya reactivos químicos mucho mejores que la pólvora negra. Solo estoy usando eso como un ejemplo.

Sí, quise decir eléctricamente conductor. La idea general era tener pequeños alambres inquietos a través del material. Sin embargo, los reactivos químicos también son una idea interesante, en la que no pensé.

Bueno, los autos Tesla afirman tener una potencia máxima de 581kW (!), lo que sugiere que podría ser factible. En general, las baterías de alta potencia tienen una clasificación "C" que indica qué tan rápido pueden descargarse de manera segura. Multiplique por la capacidad de la batería para obtener una cifra actual. Entonces, si una batería es "10C, 1000mAh" , entonces puede descargar 10A. Sugeriría mirar las celdas redondas "18650".

Apile suficientes de ellos juntos y luego tendrá, digamos, un paquete de 800V 100A. Probablemente necesitará un poco más para superar las pérdidas en el cableado, que será gordo, Google sugiere AWG 6. También necesitará algún medio para encender y apagar esta cosa, un medio para cargarlo y un toda una carga de consideraciones de seguridad ya que es bastante capaz de iniciar un incendio y matar al usuario, no necesariamente en ese orden.

Los tiempos de subida y bajada también son una consideración: no puede simplemente encender y apagar 80kW, tiene que subir y bajar.

Las consideraciones de transferencia de calor pueden ser un problema: necesitará tener muchos cables finos en su material, de hecho, puede ser principalmente alambre, y deberá determinar si se derriten antes de transferir calor al objetivo.

Gracias por dejar claro que no es fácil. No se preocupe, no intentaré esto ingenuamente yo mismo, en esta etapa (todavía estoy en la etapa de concepto de una idea). ¿Cuáles son los tiempos de rampa típicos para este rango de consumo de energía? ¿Va a afectar mucho el intervalo de tiempo de 50 ms?
¿Por qué 80kW tiene que aumentar?
A 100A, la inductancia del cableado será importante. Al igual que lo que use para cambiarlo, que podría tener un tiempo de rebote o, si es un MOSFET grande, una capacitancia de puerta significativa. No tengo un buen sentido de si se trata de milisegundos o no, pero podría ser un problema para los microsegundos.
Dependiendo del material, me pregunto si hay algo así como una versión cargada de carbono que pueda intercalarse entre dos electrodos de placa y actuar como elemento resistivo. Hace años usé algún cable de plástico conductor, por ejemplo
@ChrisH sí, hay algunos papeles que usan fibras de carbono como elementos resistivos. Tal vez la tela tejida de carbono pueda distribuir el calor de manera más equitativa.
Requerimientos de potencia y factibilidad para ráfagas cortas de alta potencia (aplicación de calentamiento muy rápido)
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