Обогрев. Делимся опытом.


Посетитель





78
Palestinian Territory Ramallah
6 мес. назад
Обогрев. Делимся опытом.
В данной теме я бы хотел поделиться опытом использования различных приспособлений, касаемых увеличения/уменьшения температуры в террариуме.
Если у Вас есть интересные идеи, делитесь пожалуйста.

Сегодня я расскажу, как из обычных резисторов сделать устройство обогрева. Сразу оговорюсь, эту идею я почерпнул на одном из сайтов любителей муравьев, к сожалению источник не помню.

Сначала немного теории.
Резистор - пассивный элемент электрической цепи характеризуемый Сопротивлением электрическому току, для которого выполняется закон Ома для участка цепи U=I*R.
Побочным продуктом деятельности резистра является тепло. Второй важной характеристикой резистора является Мощность, определяющая максимальное количество тепла, которое может рассеить резистор. Определяется по формуле: P=I*U. Если данное значение превысит номинал резистора, то он перегреется и выйдет из строя.

Т.о. нам надо подобрать n-ое количество резисторов, соединить их последовательно и получить тепло.

Расчет:
Пусть n - количество одинаковых резисторов.
r - сопротивление резистора.
p - мощность резистора.

Необходимо узнать максимум мощности, при условии что номинал резистора не будет превышен:


Получаем согласующее неравнество, максимум которого будет достигнут при равенстве:


Вариантов исполнения масса. Самый простой - спаять резисторы последовательно, поместить это все в термоусадочную трубку и усадить, получив термокабель.
Экономичнее всего использовать резисторы мощностью 1W, стоят они по 5р в розничных магазинах, т.о. цена 1W тепла обойдется в 5р плюс термоусадочная трубка 15р за метр.

С теорией все ясно, осталось проверить на практике как это работает:
У меня в загажнике есть резисторы сопротивлением 1Ом, мощностью 0,25W.

Я хочу рассчитать сколько их понадобится для изготовления обогревателя максимальной мощности для тока напряжением 12V (одно из самых распространенных напряжений, в частности это напряжение компьютерно блока питания).
Подставляем значения в формулу, получаем n = 24. Максимум мощности 6W - отлично! (Аналогичную мощность можно было получить используюя 6 резисторов номиналом 4Om, 1W)

Важно! Необходимо проверить, что сила тока, проходящая через устройство меньше, чем указано на блоке питания, иначе блок питания будет работать с перегрузкой и может выйти из строя. В данном случае I = U/R = 0,5A.

В качестве основы я использовал керамическую пластину от испорченного опытами элемента Пельтье.


Подключаем к питанию. Ух ты, теория подтверждается практикой! Работает! Добавляем еще один резистор, чтобы не использовать максимальные характеристики, уменьшив тем самым максимальную мощьность на пару десятых, но добавив запас для безопасности. Добавляем провода и изолируем заднюю поверхность герметиком (от влаги и от потери тепла).


Готово. Выглядит как керамическая панель в стиле Хай-тек


Соединяем термоклеем с радиатором для эффективного рассеивания тепла:


В чем преимущество:
1. Стоимость такого устойства сущие копейки. Я использовал резисторы, цена которых 70коп за шт (правда магазине шаговой доступности чуть дороже 3р)
2. Устройство подключается к постоянному току. Что дает возможность расширить возможности его использования (к примеру подключить его в разрез полевого транзистора к контролеру: см. статью №3 этой темы: Контроллер своими руками).
3. Кстати ничего не мешает расчитать номиналы и для сети 220V переменного тока.
4. Можно точечно подогревать различные элементы декора, будь то камень, коряга, укрытие и пр.
5. Использовать различные дизайнерские решения.

Важно! Если Вы не уверенны в правильности расчетов, то лучше переспросить. Пожар у Вас вряд ли получиться, но дымок и испорченное оборудование можно устроить.

В следующий раз поговорим об элементе Пельтье.


Изменено 13-9-2012 автор CiberRus
2012-03-29 добавлено 29/03/2012 10:00:55#365989

Посетитель





78
Russian Federation Moscow
6 мес. назад
Элемент Пельтье
Во-первых, развенчаю миф о стоимости элементов Пельтье. Купить их можно от 100р за штуку. Я брал тут: TEC1-12706

Не буду рассказывать, что такое элемент Пельтье, всю теорию можно найти в сети. Остановлюсь на неочевидных для новичка деталей, которые помогут избежать порчи адаптеров питания и самих элементов.

Для примера возьмет один из наиболее распространенных: TEC1-12706.

Для расчетов нам понадобятся:
1. Даташит: http://www.hebeiltd.com.cn/peltier.datasheet/TEC1-12706.pdf;
2. Закон Ома: U=I*R;
3. Эффект Пельтье: Q=П*I - Количество тепла, выделенного элементом Пельтье. В нашем случае П=10 (около того, судя по графикам документации). Единица измерения Q - Ватт.
4. dt=2U+40. Достигаемая разница температур холодной и горячей стороны. Примерная формула, исходя из графиков документации.
5. Закон Джоуля-Ленца: P=I*U. Собственно помимо тепла, переносимого с одной стороны на другую из п.3, выделяется еще тепло - побочный продукт работы элемента.

Из даташита сопротивление устройства 2-2.3Ом. В нашем случае температура горячей стороны будет ближе к 50, а это значит, что расчеты стоит вести для R=2.3Ом, а то и более.

Важно! Для того, чтобы адаптер питания не вышел из строя, необходимо учитывать, что сила тока при номинальном напряжении не выходит за его пределы. Например, у нас есть адаптер 12v, для нормальной работы элемента Пельтье потребуется I=U/R=12/2,3=5,2A. Это значит, что если на адаптере указана сила тока меньше расчетной, то это может привести к выходу его из строя.
Далее все рассуждения будут строиться на том, что мы не ограничиваем модуль по силе тока.

Максимально допустимая температура - 138 градусов. Это температура плавления припоя, т.е. критическая. Длительный нагрев выше 80 градусов приведет к постепенному разрушению полупроводников и как следствие к потере мощьности.

Нагрев.

Самое простое, использовать модуль Пельтье для обогрева.
1. Если система замкнута, т.е. полностью находится в террариуме, то количество выделенного тепла будет рассчитано по Закону Д-Л. Тепловой насос будет разве что переносить часть тепла из холодного угла в теплый (т.е. тепло из формулы п.3 сократиться).
Пример. Если нам необходим обогрев мощностью 15W, то нам необходимо запитать элемент напряжением U=SQRT(P*R)=6V (немногим менее 6v) (SQRT - корень квадратный. Лень формулы оформлять...)
В данном случае элемент Пельтье выполняет функцию резистора и полностью подчиняется рассуждениям из предыдущей статьи.
2. Если холодная часть находится вне террариума, тепло, попадающее в террариум теоретически будет равно P/2+Q (т.е. половина тепла по закону Д-Л уйдет на холодную сторону).
Например, при том же напряжении получаем около 30W.
Примечание.Важно отметить, что в данном случае теория будет тем ближе к практике, чем лучше будет организован тепло/холодо отвод.

Важно. Если нам не удастся отводить выделяемое тепло, то температура теплой стороны будет постоянно увеличиваться, что приведет к перегреву элемента Пельтье. Формула п.4 поможет представить температуру горячей стороны, приложив руку к холодной.

К примеру мы используем питание 12V. Количество тепла, которое будет выделяться с теплой стороны - около 80W. Для сравнения: штатный активный процессорный кулер помогает процессору рассеять около 50-70W.

На фото приспособление, которое когда-то использовалось для нижнего обогрева. Два слоя алюминия 300*50*1мм+300*40*1мм с трудом справляются с отводом тепла при напряжении 6v.


Охлаждение.

Из п.1 Нагрева ясно, что замкнутую систему охлаждения сделать не удастся. Поэтому в случае решения задачи понижения температуры необходимо позаботиться об отводе лишнего тепла.
В теории количество выделенного холода будет P/2-Q (холод за разницей половины выделенного тепла по закону Д-Л). При напряжении 6v: -17W.

Примечание. Идеальных (теоретических) значений конечно же не удастся достичь из-за сложностей связанных с теплоотводом.

На фото опыт с каплей воды. Напряжение 12v. Капля успевает замерзнуть, но на долго включенного кулера не хватает, и охлаждение теряет эффективность:


Попробуем рассчитать, при каком напряжении можно добиться оптимального охлаждения. Т.е. решим задачу: P/2-Q -> min. При условии, что U находится в допустимом промежутке [0v, 16v]
Выразим левую часть через U: U*U/(2*2.3)-10*U/2.3 -> min.
Найдем производную и приравняем ее к нулю, получим U = 10v.

Плюсы элемента Пельтье очевидны.

Что можно отметить из не очевидных минусов с которыми пришлось столкнуться:
1. При необходимости определенной мощности обогрева требуется подбирать вольтаж адаптера питания (а между стандартными 5v и 12v достаточно большой пробел). Иначе необходим специальный регулятор.
2. Попытка менять мощность с помощью широтно-имульсной модуляции приводит к тому что модуль начинает "петь" - издает высокочастотный писк, причем на пару с адаптером. Поэтому в данной связке необходимо стабилизировать напряжение, что не удобно.

Выводы:
1. С помощью элемента Пельтье можно организовать эффективную систему обогрева с КПД больше 100%. Но делать обогреватель из модуля - это как из пушки по воробьям.
2. Система охлаждения сопряжена с массой трудностей, а ее КПД при этом стремится к Нулю. Но как не парадоксально, именно это направление оправдывает применение модуля, из-за отсутствия альтернатив.

PS. Мною был испорчен 1 адаптер питания, 1 модуль Пельтье, и еще 1 перегрет. Только после этого я заглянул в документацию и ознакомился с мат частью. Поэтому, если кто-то собирается экспериментировать, не поленитесь ознакомиться с теорией. Это поможет Вам избежать разочарования и быстрее разработать эффективное устройство.

Изменено 3-4-2012 автор CiberRus
2012-04-03 добавлено 02/04/2012 23:04:47#366541

Посетитель





92
Russian Federation Novokuznetsk
5 г. назад
сообщение CiberRus

Выводы:
1. С помощью элемента Пельтье можно организовать эффективную систему обогрева с КПД больше 100%.

Изменено 2-4-2012 автор CiberRus


В нарушение закона о сохранении энергии?

Изменено 3-4-2012 автор Пол
2012-04-03 добавлено 03/04/2012 06:21:16#366555

Посетитель





78
Palestinian Territory Ramallah
6 мес. назад
сообщение Пол
сообщение CiberRus

Выводы:
1. С помощью элемента Пельтье можно организовать эффективную систему обогрева с КПД больше 100%.

Изменено 2-4-2012 автор CiberRus


В нарушение закона о сохранении энергии?

Изменено 3-4-2012 автор Пол


Закон сохранения работает в замкнутой системе. В данном случае мы используем помощь окружающей среды (аналогия с тем, что ветер крутит мельничный круг - энергию не затрачиваем, а работу получаем).

К примеру при 12v, 5А закон сохранения ограничивает нас 60W энергии.
Но элемент Пельтье помимо этой энергии высвободит 50W c с теплой стороны и -50W c холодной.
Суммарно получаем: 60W+50W-50W=60W - о чудо, закон сохранения работает.
Но система у нас не замкнута, и мы условились, что 30-50 = -20W будем рассеивать в окражающую среду, тогда теплая сторона теоретически будет давать 50W+30W=80W. И теория будет тем ближе к истине, чем эффективнее будет излучатель.

Считаем КПД: 80W/60W*100%>100%. (Т.е. относительно затраченной мною (а не приложенной) энергии, а мною затрачено 60W я получил 80W полезного тепла). Это относительно террариума, а относительно замкнутой системы - комнаты, все те же теоретические 100%.

В рамках вселенной мы ничего не нарушили, эти -20W конечно же никуда не делись. Но в рамках террариума мы от них благополучно избавились за счет теплообмена со средой (иными словами мы заставили внешнюю среду работать на нас и помчь внести свой 20 копеек на шару, т.к. потеря 20W тепла относительно квартиры - ничтожна, и находится в рамках погрешности, то ей можно пренебречь как затратой).
Вот в каком контексте я считал КПД. Не хочу я учитывать "зеленую" энергию как затрату, она же бесплатная, иначе как мне отличить эффективность модуля от обычного резистора?

Если в моих умозаключениях есть ошибка, укажите на нее!

Изменено 3-4-2012 автор CiberRus
2012-04-03 добавлено 03/04/2012 07:24:40#366557

Посетитель





78
Palestinian Territory Ramallah
6 мес. назад
Линейный стабилизатор напряжения
Основным недостатком линейного стабилизатора напряжения является то, что понижая текущее напряжение до необходимого, лишнее он преобразует в тепло. Т.е. если у нас есть источник питания на 24v, а потребитель требует 16v 2A, то стабилизатор будет выделять тепла (24-16)*2=16W, которые придется рассеивать.

В применении к нашему случаю недостаток превращается в достоинство.

Рассмотрим пример на основе стабилизатора LM314t. Стоимость в розничной сети от 30р за штуку. Даташит: Datasheet

Пусть у нас есть источник питания 24v 2A, и мы хотим иметь возможность выжать из него максимум тепла исходя из ограничений.


Берем простейшую схему включения. В качестве нагрузки лучше использовать нагрузочный резистор. В нашем случае нагрузка не требует включения в схему конденсаторов:


Чтобы минимизировать характеристики нагрузочного резистора, будем стремиться получить минимальное напряжение на выходе.

Формулы, которые нам пригодяться:
1. Выходное напряжение на стабилизаторе: Vout = 1.25(1 + R2/R1) (немного сокращена. В зависимости от R2 к ней прибавится порядка 0.1-0.2v).
2. Закон Ома: U=I*R.

Т.о. чем больше R1, тем меньше будет напряжение на выходе. Пусть R2=100, R1=1K: Vout = 1.5v (+-0.1v).
Замкнем схему через резистор. Обращаем внимание, что номинальный ток у данного стабилизатора = 1.5А. R=1.5/1.5=1. Харакреристика резистора в данном случае не менее 1.5*1.5 = 2.25W. Цена резистора (5W) 20р.

Т.о. Мы получили что резистор выделит 2.25W энергии, стабилизатор при этом выделит (24-1.5)*1.5=33.75W. Итого 36W.
Через термопасту соединяем стенку стабилизатора с подходящим радиатором и используем.

Пример:

Данный радиатор эффективно отводит порядка 10W тепла.

Предупреждение. Предельно допустимой температурой рассмотренного стабилизатора LM317T является 125С. Если отвод тепла будет недостаточен, то он сгорит.

Изменено 24-9-2012 автор CiberRus
2012-05-21 добавлено 21/05/2012 14:29:34#370881

Посетитель





78
Palestinian Territory Ramallah
6 мес. назад
Мощный резистор
Частным случаем описанного в 1-ом посте является использование мощного резистора (15-100W).
Замыкаем источник тока резистором и получаем обогрев.

Отечественные (от 40р):


Импортные (от 70р):


Из формулы электрической мощности можно расчитать необходимый номинал резистора. К примеру на ток 12v необходимо нагрузить резистор 20W.
Тогда P=U*U/R или R=U*U/P=144/20=7,2Ом.
Берем ближайший стандартный номинал 7,5Ом тогда из закона ома I=12/7,5=1,6A - это минимальные требования для источника питания.
P=12*1,6=19,2 - мощность обогревателя.

Рассмотрим использование резистора при использовании 220v переменного тока. Мощность резистора 20W.
Мне лично не нравится работать с 220v, во-первых это опасно, во-вторых формулы для расчетов сложнее, в-третьих ошибка в схеме может дорого обойтись. Т.к. я не профессионал, и с темой радиоэлектроники знаком поверхностно, то указанные факторы для меня критичны.
В случае резистора все просто, и номинал рассчитывается по той же формуле, что и для постоянного тока, т.е. R=U*U/P=220*220/20=2420 Ом. (2,4К для 20W, 2,2K для 25W)

Изменено 17-9-2012 автор CiberRus
2012-09-17 добавлено 17/09/2012 09:29:50#381294

Постоянный посетитель





176
Russian Federation Dolgoprudnyy
27 дн. назад
Спасибо за описание!
Как я понимаю, температура, до которой нагревается полученный источник тепла, зависит от того, насколько эффективна теплоотдача. Расскажите, пожалуйста, как вы организуете ее.
И еще, вопрос блондинки: как технически организуется заземление в третьем примере?
2012-10-10 добавлено 10/10/2012 14:35:05#383605

Посетитель





78
Russian Federation Moscow
6 мес. назад
сообщение Ребекка
Спасибо за описание!
Как я понимаю, температура, до которой нагревается полученный источник тепла, зависит от того, насколько эффективна теплоотдача. Расскажите, пожалуйста, как вы организуете ее.


Теплоотдача от источника нагрева к радиатору организуется их прямым контактом с помощью термопасты.
Эффективность теплопередачи от радиатора в среду зависит от размера и формы радиатора. В качестве радиаторов можно использовать либо радиаторы от РЭА либо кусок металла с хорошей теплоемкостью (алюминиевый лист или пластина).

И еще, вопрос блондинки: как технически организуется заземление в третьем примере?

У источника питания есть 2 провода. Один из них "+", а второй "Земля" (иногда его называют "-").
2012-10-12 добавлено 11/10/2012 23:35:44#383752

Создать новую темуБыстрый ответ