Проектирование простой системы вентилятор + резистор для нагрева воздуха

У меня есть исследовательское приложение, которое требует постоянной подачи нагретого воздуха. Мой текущий план состоит в том, чтобы напечатать на 3D-принтере небольшой резервуар (6" x 6" x 4"), к которому будет прикреплен вентилятор для кексов. Вентилятор будет нагнетать воздух через резистор 20 Вт в резервуар, чтобы нагреть воздух. Нагретый воздух будет постоянно выходить из резервуара через выходное отверстие и направляться к месту применения, для которого необходим воздух.Температура выходящего воздуха должна поддерживаться на уровне 37°C +/- 1°C.

Вот схема устройства:

введите описание изображения здесь

Чтобы получить правильную температуру, я буду регулировать скорость вращения вентилятора (переменная CFM). Это моя попытка рассчитать необходимую скорость вращения вентилятора:

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

Это не моя область знаний, поэтому мне было интересно, могу ли я получить отзыв о предложенном мной методе. Расчеты кажутся правильными? Предвидите ли вы какие-либо проблемы с этой системой в целом?

Это выглядит правдоподобно, хотя, как говорит Майкл, измените мощность резистора с помощью ШИМ. Возможно, вы захотите положить в коробку какие-нибудь перегородки (например, муслин или сетку), чтобы тщательно все перемешать. Кроме того, убедитесь, что ваш вентилятор может выдать 3,1 куб. фута в минуту на голове, которую вы ожидаете . Вы можете выполнить обратный расчет по падению давления, используя элементарную гидродинамику. Используйте быстродействующий датчик температуры на выходе — у вас уже есть проблема с мертвым временем управления из-за массопереноса, а добавление ненужного запаздывания усугубляет травму.
Если это всего лишь сборка опытного образца / опытного образца, я бы использовал большой радиатор в перегородке / камере с установленным на нем to-220 или to-247 для регулируемой температуры на выходе.
3д печать такой коробки? вероятно, дешевле купить или изготовить один. или переделайте контейнер для хранения продуктов (форма для печенья или коробка для завтрака). резистор на 20 Вт имеет длину около 2 дюймов, и провода будут нагреваться.
Кажется вероятным, что значительная часть выходной энергии в конечном итоге будет нагревать ступицу вентилятора до тех пор, пока она не схватится, не перестанет дуть и, возможно, не загорится.
@ Джейсен, для этого я прорезал дырку в металлической коробке. Таким образом, когда вентилятор выйдет из строя или что-то упадет и заблокирует его, коробка не расплавится до того, как сработает термопредохранитель (ОП: кстати, где это на схеме?)
Насколько большое выходное отверстие? Способен ли вентилятор создать достаточное давление, чтобы протолкнуть весь этот воздух через отверстие? Трубка на вашей схеме выглядит довольно маленькой, интуитивно я сомневаюсь, что вентилятор корпуса компьютера (такой, как на фото) способен создать достаточное давление.
Чтобы добавить: быстрый предварительный расчет показывает, что вам потребуется давление 112 Па для трубы длиной 1 м и диаметром 10 мм, чтобы достичь 1,45 л/с. Это может обеспечить быстрый промышленный вентилятор, например: ebmpapst.com/en/products/compact-fans/axial-compact-fans/… Для трубы диаметром 5 мм вам потребуется 1800 Па. вентилятора для достижения достаточно высокого давления слишком велика. Все это вырвалось обратно через вентилятор.

Ответы (2)

Вся выходная энергия резистора попадет в выходящий поток воздуха, независимо от скорости вращения вентилятора (до первого порядка).

Ваш план состоит в том, чтобы изменять температуру на выходе, контролируя скорость воздушного потока, то есть массу воздуха, в котором растворяется энергия. Большинство людей (включая меня) выбрали бы фиксированную скорость вращения вентилятора и варьировали бы количество подаваемой мощности. резистором.

Хотя в основном они эквивалентны, эти две схемы имеют разные функции, ни одна из которых не делает подход простым.

  • Метод с переменным воздушным потоком будет иметь немного меньшую задержку от входа управления до выхода температуры, особенно если для нагревателя используется большой толстый резистор, в этом случае много маленьких резисторов, включенных параллельно, будут быстрее. Задержка важна для стабильности с контролем обратной связи, хотя я ожидаю, что большая часть задержки будет связана с физической транспортировкой, а затем с нагревом резервуара, трубки и компонентов на пути к контролируемому выходу.

  • В отличие от этого, метод переменной скорости вентилятора будет иметь переменную задержку из-за изменения времени прохождения трубки. Если вы поддерживаете температуру на выходе, это может вызвать проблемы с настройкой контура и стабильностью, если только вы не настроите самую низкую скорость вращения вентилятора.

  • Регулируемая скорость вращения вентилятора будет служить звуковым индикатором того, что делает контур. Это может быть полезно, раздражать или быть неслышным над лабораторией.

  • Гидродинамика вокруг эксперимента вполне может быть чувствительна к скорости вращения вентилятора. Я мог бы быть обеспокоен тем, что, получив правильную компоновку на одной скорости, все может измениться на другой.

  • Управление питанием потребляет меньше энергии. Установите минимальный расход воздуха, после чего выход резистора автоматически регулируется до минимального значения. Хотя при 20 Вт и предположительно питании от сети, это небольшое соображение.

  • Очевидное перерегулирование встроено в систему регулирования расхода. Рассмотрим душ с регулируемым расходом. Допустим, вода слишком горячая. Я увеличиваю поток, и пока более холодная вода не достигает насадки для душа, мне становится еще жарче, так как более быстрый поток быстрее доставляет тепло моей коже, но не охлаждается до истечения задержки прохождения. В зависимости от того, постоянно ли теряется тепло в результате вашего эксперимента, этот эффект может иметь значение.

Должен признаться, я думал, что найду больше причин в пользу «нормального» (для большинства людей) способа контроля над властью.

Если пластиковая трубка на зазубрине предназначена для подачи воздуха в ваш эксперимент, то она выглядит очень плохо сочетающейся с вентилятором и сопротивлением нагрузки вентилятора. Это низконапорный вентилятор с высоким расходом, и он, по сути, застрянет в этой тонкой длинной трубке.

Поскольку это вентилятор, который будет подавать воздух через трубку выходного отверстия, я бы посоветовал вам не изменять скорость вентилятора, поскольку это вызовет изменение потока воздуха, выходящего из выходного отверстия.

Вместо этого вам следует настроить драйвер ШИМ для изменения рабочего цикла питания резистора. Этот рабочий цикл ШИМ будет контролироваться с помощью системы обратной связи, которая отслеживает температуру воздуха на выходе из коробки. Эта схема позволяет поддерживать постоянную скорость вращения вентилятора и обеспечивает равномерный поток воздуха в выходной трубе.

Один из самых простых способов контроля температуры воздуха на выходе — поместить диод 1N4148 в поток воздуха, смещенный постоянным током 1 мА. Затем измерьте прямое падение напряжения на диоде с помощью схемы усиления на операционном усилителе и аналого-цифрового преобразователя.

Объемный расход на самом деле не важен для меня, если это правильная температура. Мы планируем модулировать скорость вращения вентилятора с помощью обратной связи от датчика температуры ниже по потоку к Arduino. Хотя, возможно, переменный резистор упростил бы картину...
управлять постоянным резистором через транзистор, управляемый сигналом ШИМ (для генерации ШИМ от использования Arduinoanalogwrite()
«Один из самых простых способов контроля температуры воздуха на выходе — поместить диод 1N4148 в воздушный поток, который смещен постоянным током 1 мА». или используйте один из надежных откалиброванных датчиков с интерфейсом I2C, которые можно приобрести менее чем за 2 евро.
@ Майкл - я склонен не соглашаться. Датчики на интегральных схемах, которые будут иметь интерфейс I2C, как правило, гораздо сложнее упаковать в реально работающее решение. Для датчика I2C обычно требуется как минимум четыре провода и, возможно, даже печатная плата в точке датчика. Обратите внимание, что существует несколько микросхем монитора, которые можно разместить на печатной плате и подключить к внешним кремниевым диодам или дискретным кремниевым транзисторам BE-переходам, таким как ADT7476.
@MichaelKaras: Вот коммутационная плата MCP9808 за 4,95 $, которая легко поместится в коробке: adafruit.com/product/1782 Они также предлагают библиотеку Arduino, что было бы выгодно, поскольку OP использует Arduino. Еще одна идея: поместить указанную Arduino внутрь коробки и использовать ее внутренний датчик температуры. Однако, я думаю, точность не будет большой.
Добавление дополнительных генераторов тепла в систему кажется более сложным, чем необходимо, если это микросхема датчика температуры, разделительная плата или даже плата микроконтроллера. Так что я все же с вами не согласен.
Один из самых простых способов измерения температуры, особенно с узким диапазоном, как запрашивает OP, — это термистор, гораздо больший и более удобный для измерений выход, чем кремниевый диод.
Проектирование простой системы вентилятор + резистор для нагрева воздуха
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v