Entwerfen einer Anzuchtbox mit einem Widerstandsdraht als Heizelement

Ich versuche, eine wachsende Box zu entwerfen, die eine stabile Temperatur für die Keimung der Samen aufrechterhält.

Ich plane, ein Arduino mit einem Temperatursensor zu verwenden, um ein Heizelement zu steuern. Ich denke darüber nach, einen Widerstandsdraht als Heizelement zu verwenden, da dies eine einfache und kostengünstige Lösung ist. Nehmen wir an, die Größe der Kiste beträgt 1 m 3 . Ich bin mir nicht sicher, wie die Isolierung der Box sein wird, aber ich erwäge entweder eine Plastikbox oder einen alten Kühlschrank. Die Zieltemperatur beträgt 30 °C (86 °F).

Ich muss das richtige Heizelement auswählen und bestimmen, welche Stromversorgung für dieses Heizelement verwendet werden soll.

Ich habe bereits einige Berechnungen angestellt, um dieses Ziel zu erreichen.

Strom zum Aufheizen der Box benötigt

Zunächst muss ich ermitteln, wie viel Strom benötigt wird, um die Box auf die Zieltemperatur aufzuheizen. Nehmen wir an, die Temperatur beträgt 20°C und ich möchte in 30 Minuten auf 30°C aufheizen.

Ich habe eine Gleichung von https://www.engineeringtoolbox.com/heat-up-energy-d_1055.html verwendet , um die Energie zu bestimmen, die zum Erhitzen einer Substanz erforderlich ist.

m = 1,2 kg (die Masse von 1 m 3 Luft)
c p = 1,006 kJ/(kg°C) (spezifische Wärme des Stoffes)
dT = 10°C (erforderliche Temperaturänderung [30° - 20° = 10 °])
t = 1800 s (Aufheizzeit)

Q = M ⋅ C P ⋅ D T T Q = 1.2   k G ⋅ 1.006   k J / ( k G ° C ) ⋅ 10 ° C 1800   S = = 1.2 ⋅ 1.006   k J ⋅ 10 1800   S = 6.7   W

Die benötigte Leistung, um die Box in 30 Minuten auf die Zieltemperatur aufzuheizen, beträgt also 6,7 Watt. Das ist das erste Mal, dass ich so etwas berechnet habe. Bitte sagen Sie mir, wenn ich einen Fehler gemacht habe. Bedeutet das, dass ich ein Heizelement benötige, das 6,7 Watt verbraucht? Wenn ja, machen wir weiter:

Berechnung der erforderlichen Spannung zur Stromversorgung des Heizelements

Ich habe drei Widerstandsdrähte. Jeder von ihnen ist einen Meter lang. Es wird angegeben, dass sie die folgenden Widerstände haben: 5,4 Ohm/m, 20 Ohm/m und 55,4 Ohm/m. Angenommen, ich benötige 6,7 Watt zum Aufheizen der Box und wähle das 5,4 Ohm/m Kabel, kann ich die benötigte Spannung aus folgender Formel berechnen:

P = v 2 R
v = 6.7   W ⋅ 5.4   Ω = 6   v

Daher wäre die erforderliche Spannung mit diesem Kabel 6 V, was ich mit 4 AA-Alkalibatterien in Reihe erreichen kann.

Schlussfolgerung

Ich bin ein Anfänger in der Elektronik, also brauche ich ein bisschen Hilfe. Bin ich auf dem richtigen Weg oder ist das, was ich oben geschrieben habe, völliger Unsinn? Was würden Sie als Netzteil für diese Aufgabe empfehlen? Soweit ich weiß, ist die Leistung umso größer, je geringer der Widerstand ist. Aber ist es in Ordnung, einen so niedrigen Widerstand in einer Schaltung zu verwenden? Wenn Sie weitere Empfehlungen haben, können Sie diese gerne teilen.

Wenn Sie wirklich etwa 7 W benötigen, würde ich ein 10-20-W-Heizelement besorgen und es mit einer Temperaturmessung steuern. 4AA-Batterien und 3 verschiedene Drähte mit unterschiedlichen Widerständen klingen eher nach einem Hausaufgabenproblem als nach einer tatsächlich praktikablen Lösung.
Ich beabsichtige, nur einen Draht zu verwenden, nicht alle. Ich finde es aber ein schönes DIY.
Es wäre sicherer und langlebiger, einfach einen mit Keramik gefüllten 50- oder 100-W-Drahtwiderstand mit Aluminiumgehäuse zu erhitzen, der nur ein paar Dollar kostet und ewig hält, ohne eine Verbrennungsgefahr darzustellen. Sie können einfach 1 oder 2 Ohm bei 5 V mit PWM ansteuern, um einen gewünschten Durchschnittsstrom zu erhalten. Schauen Sie sich die PID-Steuerung an, wenn Sie wirklich böse sein wollen.
@dandavis danke für deine Antwort! Ich habe im Internet einen 50-Watt-680-Ohm-Widerstand gefunden. Ich nehme an, ich müsste eine größere Stromversorgung als normale Alkalibatterien verwenden, oder? Ich werde mich auf jeden Fall mit PWM und PID befassen. Ich bin neu dabei!
680 sind viel zu viele Ohm. 5 V / 680 = 0,007 A und 0,007 A * 5 V = 0,035 W, Sie benötigen 7 W. Ein 4 Ohm wäre ziemlich nahe an 7 W (bei 5,15 V von USB), ohne mit PWM herumzuspielen.
Ihre Berechnungen haben jeglichen Wärmeverlust durch die Wände der Box berücksichtigt, was erheblich sein könnte, wenn Sie eine einfache Plastikbox verwenden. Sie sagen, Sie möchten den Boden erhitzen, aber Ihre Berechnung geht von einer Kiste voller Luft aus. Ich denke, du liegst mindestens um den Faktor 2 daneben.
@ElliotAlderson Danke für deinen Beitrag. Ich wusste nicht, dass ich tatsächlich auch den Boden erhitzen muss. Ich habe den Wärmeverlust nicht berücksichtigt, da dies die Berechnung viel komplizierter machen würde, und ich bin mir nicht sicher, was ich als Isolierung verwenden werde. Außerdem habe ich keine Ahnung, wie man den Wärmeverlust von Kunststoffwänden berechnet! Danke noch einmal!
@dandavis Ja, du hast absolut Recht. Das könnte ich leicht ausrechnen. Jetzt macht es Sinn.
Batterien sind eine sehr schlechte Wahl, um jede Art von Heizung zu betreiben, es sei denn, Sie planen, die Batterien zweimal täglich auszutauschen. Es wäre viel besser, eine mit Wechselstrom betriebene Heizung zu verwenden - eine kleine Glühlampe kann gut funktionieren.
Der Boden wird einen hohen Wärmewiderstand haben und der Behälter sowie die Umgebungstemperatur unbekannt sein. Wenn Sie nur die Temperatur 3 auf 5 ° C und Rth ≈ 50 ° C / W erhöhen müssen, benötigen Sie möglicherweise nur 0,5 bis 1 W mit einem Thermistor in der Nähe der Heizung> 1 cm

Antworten (1)

Zunächst muss ich ermitteln, wie viel Strom benötigt wird, um die Box auf die Zieltemperatur aufzuheizen. Nehmen wir an, die Temperatur beträgt 20°C und ich möchte in 30 Minuten auf 30°C aufheizen.

Nicht so, wie die meisten von uns es angehen würden. Ihre langfristige Belastung ist der Wärmeverlust durch die Wände. Sie müssen sicherstellen, dass Sie genug Kraft haben, um das zu unterstützen. Sobald dies erledigt ist, muss die tatsächliche Heizzeit nicht wirklich angegeben werden, es dauert so lange, bis die Temperatur erreicht ist. Bei den mit einer Growbox verbundenen Zeitskalen erscheinen 30 Minuten unangemessen schnell. Wir können sehen, wie nah wir dem später kommen, wenn wir Schätzungen für die Leistung und die Masse dessen haben, was in der Box ist.

Schätzen Sie den Wärmeverlust einer Kiste mit 1 m 3 Volumen ab . Machen Sie einige Annahmen, es ist einfach, die Antwort später zu ändern, wenn sie grob falsch ist. Dies wird eine absolute Mindestantwort ergeben, Sie sollten wahrscheinlich das 2- bis 10-fache dieser Zahl zur Sicherheit verwenden.

Fläche eines normalen 1 m 3 -Würfels A = 6 m 2
Wärmeleitfähigkeit für neuen PU-Dämmschaum K = 22 mW/K/m
Schaumdicke t = 50 mm
Temperaturerhöhung des Kastens dT = 10 °C

Wärmeverlust = dT.KA/t = 26 W

Das ist der beste Fall. Wenn der Schaum altert, wird K zunehmen. Durchgehende Drähte oder ein- oder austretende Luft erhöhen den Verlust. Die Verwendung eines Quaders anstelle eines Würfels erhöht die Oberfläche pro Volumen. Alle dünnen Stellen oder Strukturen, die durch den Schaum gehen, auch bekannt als „Kältebrücken“, erhöhen den Verlust. Wenn Ihre Umgebungstemperatur sinkt und Sie mehr als 10 °C ansteigen müssen oder Sie aus Kostengründen ein geringeres Dämmmaterial wie Styropor oder Steinwolle oder eine dünnere Wand verwenden, steigt Ihr Strombedarf.

Sie könnten mit 50 Watt davonkommen, wenn Sie neues PU mit mindestens dieser Dicke verwenden, das gut luftdicht verschlossen ist, aber 100 Watt würden Ihnen mehr Spielraum für Konstruktionsfehler geben.

Bei dieser Leistungsstufe sind Glühlampen, zum Beispiel Autolampen oder MR16-Spotlights, ein ausgezeichnetes, kostengünstiges selbstanzeigendes Heizgerät. Unnötig zu erwähnen, dass Sie keine Batterien verwenden. Für diese 12-V-Heizungen wäre ein altes ATX-PC-Netzteil gut, da es auch einen 5-V-Ausgang für die Elektronik hat.

Vergessen Sie nicht, dass Sie die Temperatur des Bodens, seinen Feuchtigkeitsgehalt und die Innenseite der Wände der Kiste sowie die Luft erhöhen müssen. Es kann lange dauern, bis die Temperatur im ganzen Boden gleichmäßig ist, 30 Minuten wären bei weitem nicht genug.

Die Wärmekapazität des Bodens variiert enorm, je nachdem, ob es sich hauptsächlich um trockenen Vermiculit oder um sehr nassen Lehm handelt. Wenn wir von 50 mm Bodendicke und 30 % Feuchtigkeit ausgehen, sind das 15 kg Wasser, selbst wenn man den Boden selbst vernachlässigt. Die Wärmekapazität von 15 kg Wasser bei 10 °C beträgt 15 x 4200 x 10 = 630 kJ, was etwa 2 Stunden bei 100 Watt entspricht. Dies deutet darauf hin, dass ein Aufwärmen in weniger als 24 Stunden durchaus möglich ist und ein 30-minütiges eine unangemessen hohe Leistung erfordern würde.

Wenn das eine Growbox ist, brauchst du dann vermutlich auch eine Lichtquelle darin? Vielleicht würde das Umschalten Ihrer Lichtquelle zwischen LEDs und MR16s die Wärmezufuhr in die Box ausreichend modulieren, um Ihnen die Kontrolle zu geben?

Das ist eine wunderbare Antwort! Die Wattleistung von MR16-Lampen reicht von 3 W bis 7 W. Bedeutet das nicht, dass ich viele davon verwenden müsste? Ich weiß auch nicht, wie viel Wärme sie machen. Stimmt die Wattzahl immer mit der erzeugten Wärme überein? Ich bin mir nicht sicher, ob Glühbirnen als Heizelement die richtige Wahl sind, da ich nachts das Licht nicht anlassen möchte, da die Pflanzen Dunkelheit brauchen.
@LadislavOndris Ich dachte an die 50-W-Halogenlampen, nicht an die wenigen Watt-LEDs. Aber ich nehme den Punkt mit dem Licht. Sie könnten sie in eine Metallbox mit Belüftungslöchern stecken, aber ein bisschen Widerstandsdraht ist wahrscheinlich weniger problematisch.
Vielen Dank für alle Anregungen! Ich bin wirklich froh, dass Sie das ATX-Netzteil erwähnt haben. Es klingt nach einer großartigen Idee!
Entwerfen einer Anzuchtbox mit einem Widerstandsdraht als Heizelement
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v