Проектирование ящика для выращивания с использованием резистивной проволоки в качестве нагревательного элемента

Я пытаюсь сконструировать ящик для выращивания, в котором будет поддерживаться стабильная температура для прорастания семян.

Я планирую использовать Arduino с датчиком температуры для управления нагревательным элементом. Я думаю использовать провод сопротивления в качестве нагревательного элемента, так как это простое и дешевое решение. Допустим, размер коробки будет 1 м 3 . Я не уверен, какая будет изоляция коробки, но я рассматриваю либо пластиковую коробку, либо старый холодильник. Целевая температура составляет 30°C (86°F).

Мне нужно выбрать правильный нагревательный элемент и определить, какой источник питания использовать для этого нагревательного элемента.

Я уже сделал некоторые расчеты для достижения этой цели.

Мощность, необходимая для нагрева коробки

Прежде всего, мне нужно определить, какая мощность требуется для нагрева бокса до заданной температуры. Предположим, что температура 20°C, и я хочу нагреть ее до 30°C за 30 минут.

Я использовал уравнение из https://www.engineeringtoolbox.com/heat-up-energy-d_1055.html , чтобы определить энергию, необходимую для нагревания вещества.

m = 1,2 кг (масса 1 м 3 воздуха)
c p = 1,006 кДж/(кг°C) (удельная теплоемкость вещества)
dT = 10°C (необходимое изменение температуры [30° - 20° = 10 °])
t = 1800 с (время нагрева)

д "=" м ⋅ с п ⋅ д Т т д "=" 1,2   к г ⋅ 1,006   к Дж / ( к г ° С ) ⋅ 10 ° С 1800   с "=" "=" 1,2 ⋅ 1,006   к Дж ⋅ 10 1800   с "=" 6.7   Вт

Таким образом, необходимая мощность для нагрева бокса до заданной температуры за 30 минут составляет 6,7 Вт. Это первый раз, когда я вычислил что-то подобное. Пожалуйста, скажите мне, если я сделал ошибку. Значит ли это, что мне нужен нагревательный элемент, который потребляет 6,7 Вт? Если да, то продолжим:

Расчет необходимого напряжения для питания нагревательного элемента

У меня есть три провода сопротивления. Каждая из них длиной в метр. Уточняется, что они имеют следующие сопротивления: 5,4 Ом/м, 20 Ом/м и 55,4 Ом/м. Предполагая, что мне нужно 6,7 Вт для нагрева коробки, и я выбираю провод 5,4 Ом/м, я могу рассчитать необходимое напряжение по формуле:

п "=" В 2 р
В "=" 6.7   Вт ⋅ 5.4   Ом "=" 6   В

Следовательно, требуемое напряжение с использованием этого провода будет 6 В, чего я могу добиться, подключив последовательно 4 щелочные батареи типа АА.

Заключение

Я новичок в электронике, поэтому мне нужна небольшая помощь. Я на правильном пути, или то что я написал выше полный бред? Что порекомендуете в качестве блока питания для этой задачи? Насколько я знаю, чем меньше сопротивление, тем больше мощность. Но можно ли использовать такое низкое сопротивление в цепи? Если у вас есть другие рекомендации, не стесняйтесь поделиться ими.

Если вам действительно нужно 7 Вт или около того, я бы взял нагревательный элемент мощностью 10–20 Вт и контролировал его с помощью датчика температуры. Батареи 4AA и 3 разных провода с разным сопротивлением больше походят на домашнюю задачу, чем на реальное жизнеспособное решение.
Я собираюсь использовать только один провод, а не все. Я думаю, что это хороший DIY, хотя.
Было бы безопаснее и дольше просто нагревать 50- или 100-ваттный алюминиевый корпус с керамическим заполненным проволочным резистором, который стоит всего несколько долларов и будет служить вечно, не представляя опасности ожога. Вы можете просто управлять 1 или 2 Ом при 5 В с ШИМ, чтобы получить желаемый средний ток. Посмотрите на ПИД-регулирование, если вы хотите быть действительно плохим задницей.
@dandavis спасибо за ответ! В интернете нашел резистор 50 ватт 680 Ом. Я предполагаю, что мне нужно будет использовать более мощный источник питания, чем обычные щелочные батареи, верно? Я обязательно рассмотрю ШИМ и ПИД. Я новичок в этом!
680 это слишком много Ом. 5В/680 = 0,007А и 0,007А * 5В = 0,035Вт, вам нужно 7Вт. 4 Ом было бы довольно близко к 7 Вт (учитывая 5,15 В от USB) без возни с ШИМ.
В ваших расчетах учтены потери тепла через стенки коробки, которые могут быть значительными, если вы используете простую пластиковую коробку. Вы говорите, что хотите нагреть почву, но в ваших расчетах предполагается, что ящик наполнен воздухом. Я думаю, что вы ошиблись как минимум в 2 раза.
@ElliotAlderson Спасибо за ваш вклад. Я не понимал, что мне, на самом деле, нужно еще и прогревать почву. Я не учитывал потери тепла, так как это усложнило бы расчеты, и я не уверен, что буду использовать в качестве изоляции. Кроме того, я понятия не имею, как рассчитать теплопотери от пластиковых стен! Еще раз спасибо!
@dandavis Да, ты абсолютно прав. Я мог бы легко вычислить это. Теперь это имеет смысл.
Батареи — очень плохой выбор для работы любого обогревателя, если только вы не планируете заменять батареи два раза в день. Вам было бы намного лучше использовать какой-нибудь нагреватель с питанием от сети переменного тока - небольшая лампочка накаливания может работать хорошо.
Почва будет иметь высокое тепловое сопротивление, а контейнер неизвестен, а также температура окружающей среды. Если вам нужно только поднять температуру от 3 до 5°C и Rth ≈50°C/Вт, вам может понадобиться от 0,5 до 1 Вт с термистором около нагревателя >1 см.

Ответы (1)

Прежде всего, мне нужно определить, какая мощность требуется для нагрева бокса до заданной температуры. Предположим, что температура 20°C, и я хочу нагреть ее до 30°C за 30 минут.

Не так, как поступило бы большинство из нас. Ваша долгосрочная нагрузка – это потери тепла через стены. Вы должны убедиться, что у вас достаточно сил, чтобы поддержать это. Как только это будет сделано, фактическое время нагрева на самом деле не нужно указывать, оно займет столько времени, сколько потребуется, чтобы нагреться до температуры. Учитывая временные рамки, связанные с ящиком для выращивания, 30 минут кажутся неоправданно быстрыми. Мы можем увидеть, насколько близко к этому мы подойдем позже, когда у нас будут оценки мощности и массы того, что находится в коробке.

Оцените теплопотери коробки объемом 1 м 3 . Сделайте некоторые предположения, позже легко изменить ответ, если какой-то из них будет грубо неправильным. Это даст абсолютный минимум ответа, вы, вероятно, захотите использовать от 2 до 10 раз больше этого числа для безопасности.

Площадь поверхности обычного куба объемом 1 м 3 A = 6 м 2
Теплопроводность для новой изоляционной пены PU K = 22 мВт/K/м
Толщина пены t = 50 мм
Повышение температуры коробки dT = 10 °C

Тепловые потери = dT.KA/t = 26 Вт

Это лучший случай. По мере старения пены K будет увеличиваться. Любые проходящие провода или утечка воздуха внутрь или наружу увеличат потери. Использование прямоугольного параллелепипеда вместо куба увеличит площадь поверхности на единицу объема. Любые тонкие пятна или структуры, проходящие через пену, также известные как «мостики холода», увеличат потери. Если температура окружающей среды упадет и вам потребуется повышение температуры более чем на 10 °C, или если вы используете более слабый изоляционный материал, такой как полистирол или минеральная вата, или более тонкую стенку из соображений экономии, ваша потребляемая мощность возрастет.

Вам может сойти с рук 50 ватт, если вы используете новый полиуретан, по крайней мере, такой толщины, хорошо герметизированный, но 100 ватт дадут вам больше запаса для дефектов конструкции.

При таком уровне мощности лампы накаливания, например автомобильные лампы или точечные светильники MR16, представляют собой превосходный недорогой обогреватель с самоиндикацией. Излишне говорить, что вы не будете использовать батареи. Для этих нагревателей на 12 В подойдет старый блок питания ATX для ПК, который также имеет выход 5 В для электроники.

Не забывайте повышать температуру почвы, ее влажность, внутреннюю часть стенок ящика, а также воздух. Температура может занять много времени, чтобы стать однородной по всей почве, 30 минут будет недостаточно.

Теплоемкость почвы сильно различается в зависимости от того, состоит ли она в основном из сухого вермикулита или из очень влажного суглинка. Если предположить толщину почвы 50 мм и влажность 30 %, то это 15 кг воды, даже без учета самой почвы. Теплоемкость 15 кг воды при температуре 10 °C составляет 15x4200x10 = 630 кДж, что составляет около 2 часов при мощности 100 Вт. Это говорит о том, что прогрев менее чем за 24 часа вполне возможен, а для 30-минутного потребуется неоправданно высокая мощность.

Если это ящик для выращивания, то, вероятно, вам также понадобится источник света? Возможно, переключение вашего источника света между светодиодами и MR16 будет модулировать подвод тепла в коробку в достаточной степени, чтобы дать вам контроль?

Это прекрасный ответ! Мощность ламп MR16 колеблется от 3 Вт до 7 Вт. Не значит ли это, что мне придется использовать их много? Кроме того, я не знаю, сколько тепла они производят. Всегда ли мощность соответствует произведенному теплу? Я не уверен, что лампочки являются правильным выбором в качестве нагревательного элемента, потому что я не хочу, чтобы свет включался ночью, так как растениям нужна темнота.
@LadislavOndris Я думал о галогенных лампах мощностью 50 Вт, а не о светодиодных на несколько ватт. Но я принимаю точку зрения о свете. Вы можете поместить их в металлическую коробку с вентиляционными отверстиями, но немного резистивной проволоки, вероятно, доставит меньше проблем.
Спасибо за все предложения! Я очень рад, что вы упомянули блок питания ATX. Звучит как отличная идея!
Проектирование ящика для выращивания с использованием резистивной проволоки в качестве нагревательного элемента
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v