小さな箱で空気を加熱する

背景私は、小さな箱の中で空気を加熱し、時間の経過とともに温度を測定するプロジェクトに取り組んでいます。このボックスの目的は、PID実験用の基本的なテストチャンバーになることです。

最初のテスト 3 mmの合板から10 cm * 10 cm * 10 cmの箱を作りました。次に、温度プローブ付きの小さな〜1 Wヒーターを内部に配置し、温度の上昇を観察しました...非常にゆっくりと。

提案された新しいプロトタイプボックス内の空気をセットポイントまで温めるおおよその時間を計算する方法を決定したら、新しいプロトタイプを作成します。いくつかの仕様と仮定を以下に示します。

〜1 Wヒーターは、4つの並列100オーム抵抗器と5 V電源で構成されます（330オーム抵抗器と視覚表示用のLEDもあります）。このヒーターの設計を変更したくないのは、複製が簡単で、簡単にアクセスできる5 Vの電源と電子部品を使用するからです。
現在、ファンは使用されていませんが、注文時に小さな20 mm、5 Vのファンがあるため、これをある時点でデザインに統合します。
ボックスは21〜23°Cの室温で使用されます
理想的には、5〜10分間で最大30°C（またはそれ以上）の温度上昇が可能です。
新しく提案された箱のサイズは5 cm * 5 cm * 5 cmで、以前のプロトタイプよりも8倍小さくなっています。これは、最大温度上昇の前の2つの要件と、その変更を達成するのにかかる時間に応じて変更される可能性があります。

私は正確なタイミングを求めていません-ボックスによる損失が影響を与えることを認識しています。ただし、この効果が最小の場合、一部の設計パラメーターがわずかに変化する可能性があるため、簡略化された近似解が望ましいです。別のボックスを作成して試行錯誤で学習する代わりに、時間を節約できるガイダンスと計算を探しています。

thermodynamics heat-transfer heat-exchange

— 蟻
ソース

私は間違いなく空気を混合するためにファンを使用します。そうしないと、非常に大きな温度勾配を持つことができます。温度プローブはどこにありますか？また、木材は優れた断熱材ではありません。代わりにプラスチック（polyprop、polycarb、または同様のもの）を使用します。

— am304

こんにちはAm304、おそらく2つの側面がアクリルで作られて表示窓として機能しますが、PIDアルゴリズムがこれに対処するために変動を示すため、小さな損失は問題ではありません。温度プローブは、おそらく上部近くにあり、わずかに側面にオフセットされているため、発熱体の真上ではありません。ファンは間違いなく助けてくれるでしょう、ただこれを手に入れることができなかったのです。

— アント

あなたは本当に30℃で熱損失を計算する必要があります。ANDファンは不可欠ですが、ファンは1ワットのヒーターでかなりのエネルギーを追加するリスクがあります。私の上げられた濡れた指が空中に振られた（そうである）評価は、遭遇しやすい損失と比較して1ワットは非常に小さいと言います。| ファンを使用する場合、モーターは外側にあり、ローターはシャフトで駆動されます。ファンが完全に内部にある場合、ヒーターは必要ありません-必要なレベルでファンに電力を供給します。1ワットの電気信号（例：5V 200 mA）を入力すると、いずれにせよ熱となります。Windows->見たいものは？

— ラッセルマクマホン

私は、小さな容器の中で一度に摂氏約1度で非常にゆっくりと空気を加熱しなければならない同様のシーンを扱っています。ヒーターの詳細を教えていただければ本当に助かります。加熱容器を単独で使用して、密閉容器内に配置できますか？

@sara、ヒーターの場合、並列に4 * 100オームの抵抗器を使用しました。これは25オームに相当します。USBポートから供給される5V電源を使用しました。したがって、オームの法則（V / R）5V / 25オーム= 200mAを使用すると、V * Aを乗算するだけでワットを計算できます。したがって、5V * 200mA = 1W

— Ant

単純なアプローチは、追加される熱だけを考慮することです。

比熱方程式は、加熱による温度変化を次のように与えます

Q = m c Δ T

$Q=mc\Delta T$ ここで、は追加される熱、は質量です。は問題の材料の比熱（室温の空気では〜1.005kJ / kgK）で、は温度変化です。

Q

$Q$

m

$m$

c

$c$

Δ T

$\Delta T$

5x5x5 cmの箱の空気質量は約0.15 g（空気密度は約1.2 kg / m）です。 $^3$

1W（1 J / s）ヒーターの場合、これは温度変化を与えます

Δ T = \frac{Q}{m c} = \frac{1}{0.00015 * 1005} = 6.6 K / s

$\Delta T = \frac{Q}{mc}= \frac{1}{0.00015*1005}= 6.6 K/s$

これは、大きな箱で見たよりもはるかに高いことをお勧めします（ボリュームの増加を考慮しても）、考慮されていない要因があることを示唆しています。

2つの要因が思い浮かびます。

1）ボックスからの熱損失。箱が十分に断熱されていない限り、放射と伝導により熱が失われます。ただし、室温に近い温度では。私はこれらの損失が低くなると期待しています。

2）ボックスを加熱します。必然的に、ボックス内の空気を加熱すると、ボックス自体に移動します。箱の重量ははるかに大きいため、加熱するにはより多くのエネルギーが必要になります（おそらく100倍以上）。直観的には、空気から箱への熱の伝達は、空気の加熱に比べて遅いと思います。しかし、私はこれに関する専門家ではないので、間違っているかもしれません。

おそらく、問題は、空気よりもはるかに優れた木材の熱伝導率のために、ヒーターがそれに接触している場合、ほとんどの熱が最初にボックスに入ることであると思われます。これは私が加熱速度を改善するために見ているものです。

— ニヴァグ
ソース

10cm x 10cm x 10cmのボックスでは、1 K / sまで低下します。

— am304

こんにちは、Nivag、応答と計算に感謝します。今、これを実際の時間と同等にする必要がありますが、前の10 * 10 * 10の例で計算を使用できます。木材なので、ボックス全体の熱損失は最小限です。抵抗器は小さなPCBの上にあるので、箱からある程度離れていますが、あなたが提案するように抵抗を少し上げて、伝導損失を制限します。私はコミュニティから他の答えが来るのを待っており、保留中の担当者はこれを回答として受け入れます。

— アント

こんにちはAm304。コメントありがとうございます。10* 10 * 10ボックスの熱伝達を計算する手間が省けます。5cmの箱は10cmの箱の8倍小さいと言えますが、加熱は6.6倍速くなりますか

— アリ

@Antはい、それは正しいです。温度変化は質量に反比例し、質量は体積に比例します。

— am304

@Ant 8倍小さいボックスは8倍速く加熱されますが、6.6 / 8 =〜1です。

— nivag