Ursprünglicher Umfang:
Ich versuche, der Einfachheit halber ein Heizelement mit einem Flachstab aus Edelstahl 304 herzustellen. Ich wähle Edelstahl anstelle von Nichrom, da es haltbarer ist.
Wenn ich weiß, dass sein elektrischer Widerstand 0,72 x 10-6 Ω.m beträgt, und ich die Masse des Objekts bestimme, wie kann ich dann die Wattleistung berechnen, die erforderlich ist, um diesen Edelstahlstab auf eine bestimmte Temperatur zu bringen?
Alles, was ich bisher finden konnte, sind Formeln für Heizdraht.
Es scheint, als ob es eine sehr einfache Formel geben sollte, um dies zu berechnen, aber bei all meinen Online-Suchen kann ich sie nicht finden. Wenn Ihre Antwort einfach die "so und so" -Formel ist, wäre das die ganze Hilfe, die ich brauche.
Was ich aus euren Antworten gelernt habe:
Erstmal danke an alle für eure Antworten! Aus dem, was viele von Ihnen gesagt haben, verstehe ich jetzt, dass dies ein vielschichtiges Problem ist, das in seiner Gesamtheit ziemlich kompliziert zu lösen ist. Es scheint, dass der beste Weg, dies zu tun, darin besteht, einige Tests durchzuführen und einen Temperaturregelkreis zu konstruieren.
Mein Plan
Mein erster Ansatz wird darin bestehen, das Element mit übermäßig mehr Stromstärke zu versorgen, als ich erwarte. Dann, wenn es sich aufheizt, werde ich die Ampereaufnahme und die Temperatur überwachen, um eine Schätzung der Ampere zu erhalten, die erforderlich sind, um die gewünschte Temperatur zu erreichen. Anhand dieser Informationen kann ich dann ein passendes Netzteil finden. Ich werde auch eine Schaltung bauen, die die Temperatur misst und den Strom ein- oder ausschaltet, um diese Temperatur aufrechtzuerhalten.
Wofür ist das?
Einige von Ihnen haben um mehr Kontext zum Zweck dieses Elements gebeten. Für viele von Ihnen ernsthaften Ingenieuren wird dies albern erscheinen, aber es ist für ein benutzerdefiniertes Schwert. Das Cyberpunk 2077 Thermal Katana, um genau zu sein. Eines meiner Hobbys ist der Versuch, echte Prototypen von Technologie zu bauen, die in Science-Fiction zu finden ist. Was dieses Schwert einzigartig macht, ist, dass die Schneide super erhitzt ist. Warum? Keine Ahnung, es ist ein schreckliches Design. Jedes Metall, das eine Temperatur erreicht hat, die hoch genug ist, um rot zu werden, ist nutzlos. Das Klingendesign selbst ist auch schrecklich, aber ich möchte es trotzdem versuchen und replizieren. Ich habe seitdem mein ursprüngliches Elementdesign geändert, um dies zu erreichen, aber der Prozess wird derselbe sein. Ich möchte, dass dieses Schwert immer noch schneidfähig ist und dennoch die supererhitzte Fähigkeit hat. Also was ich' Jetzt müssen Sie NiChrome-Flachbanddraht auf jeder Seite der Klinge verwenden (Keramikbarriere zwischen 1095-Klinge und Nichrome-Element). Auf diese Weise habe ich eine hohe Kohlenstoffkante, die den Schnitt beginnt und die Seiten, die die Hitze anwenden. Es gibt viele weitere Details im gesamten Build, die ich herausgefunden habe, aber das Element war das Haupthindernis.
Nur zu Ihrer Information für alle, die sich fragen, ja, ich versuche, eine funktionale Waffe herzustellen, nein, ich habe nie vor, sie für mehr als ein Ausstellungsstück und die Herausforderung, sie zum Laufen zu bringen, zu verwenden. Die Gefahren der dafür erforderlichen Spannung und der starken Wärmeabgabe sind mir bekannt. Es gibt auch viele technische und mechanische Herausforderungen, aber das ist genau der Grund, warum ich es machen möchte. Natürlich so sicher wie möglich.
Es gibt keine einfache Formel. Im Allgemeinen müssen Sie Leitungs-, Konvektions- und Strahlungseffekte berücksichtigen, von denen die beiden letzteren stark nichtlinear und von den beteiligten Temperaturen und allen von der Geometrie abhängig sind. Schlagen Sie zum Beispiel ein Buch über Fluiddynamik auf (Luft ist eine Flüssigkeit), um ein Gefühl dafür zu bekommen, womit Sie es bei der Konvektion zu tun haben.
Am einfachsten ist es, es nachzuahmen und zu testen, oder eine ziemlich komplexe Software zu verwenden, die Sie sowieso überprüfen müssten, da es viele Möglichkeiten gibt, Fehler zu machen. Möglicherweise haben Sie genug Intuition, um die erforderliche Leistung aus Erfahrung mit Kühlkörpern und Glühlampen, Brennöfen usw. ungefähr (innerhalb von beispielsweise 5: 1) zu schätzen und von dort aus zu testen.
Abhängig von der Temperatur ist Edelstahl möglicherweise nicht haltbarer als NiCr, insbesondere wenn Feuchtigkeit vorhanden sein kann. Nicht umsonst verwenden wir NiCr und nicht billigere weniger spröde Materialien.
Das Problem ist, dass sobald die Stange heiß wird, sie Wärme an die Umgebung abgibt. Um die Temperatur zu berechnen, müssen Sie genau wissen, wie viel Wärme es überträgt und wie viel Wärme Sie hinzufügen. Dies ist jedoch abhängig von der Umgebungstemperatur, dem Luftstrom sowie der Temperatur und dem Emissionsgrad von Objekten im direkten Sichtfeld der Leiste.
In einigen Spezialfällen kann es möglich sein, die Berechnung durchzuführen. Wenn der Riegel für kurze Zeit schnell an der Luft auf eine Spitzentemperatur erhitzt und dann abgekühlt wird, können Sie möglicherweise die Wärmeübertragung ignorieren und einfach die Wärmekapazität des Riegels nutzen. Wenn Sie jedoch im Laufe der Zeit eine bestimmte Temperatur halten möchten, müssen Sie die Stabtemperatur direkt messen (möglicherweise mit einem Thermoelement) und den Energiefluss zum Stab steuern, um die Temperatur aufrechtzuerhalten.
Für Heißdrahtgeräte (Heißdrahtschaumschneider, Heißdrahtverdampfen usw.) gibt es wahrscheinlich Faustregeln, die von Designern dieser Geräte verwendet werden, die Sie verwenden können (so viele Watt pro Meter oder so).
Ein Grund für die Verwendung von Nichrom anstelle von Edelstahl ist auch, dass Nichrom keinen großen Temperaturkoeffizienten hat. Der Widerstand einer rostfreien Stange nimmt zu, wenn sie heißer wird. Etwa 4% pro 10 Grad C, wenn ich mich recht erinnere. Viele Metalle haben ähnliche positive Temperaturkoeffizienten.
Achtung, Gefahr! Treffen Sie geeignete Sicherheitsmaßnahmen, bevor Sie Ihr Haus in Brand setzen!
Wenn Sie sich fast jedes Heizelement ansehen, werden Sie feststellen, dass es mit einem Thermostat ausgestattet ist und Hysterese verwendet , um die Zieltemperatur (oder genauer gesagt eine Temperatur nahe dem Ziel) aufrechtzuerhalten.
Das liegt daran, dass es schwierig ist, mit einem festen Strom die Zieltemperatur einfach zu erreichen und dort zu bleiben. Und damit es funktioniert, müsste es eine asymptotische Funktion sein, was bedeutet, dass es ewig dauern würde, um die Zieltemperatur tatsächlich zu erreichen.
Es ist also viel einfacher, „überzuschießen“. Sie erhitzen das Element so stark wie praktisch möglich, und sobald Sie etwas über das Ziel kommen, hören Sie auf zu heizen, bis es leicht unter das Ziel gelangt, und Sie fangen wieder an zu heizen, und so weiter (wie viel Spielraum auf beiden Seiten zu haben ist). des Ziels ist ein weiteres interessantes Thema).
Die Frage ist also nicht so sehr, wie viel Strom Sie benötigen, um eine bestimmte Temperatur zu erreichen, oder welche Elementgröße Sie dafür benötigen, sondern eher, wie schnell Sie dorthin gelangen möchten. Außerdem möchten Sie im Allgemeinen nicht das Element an sich erhitzen, sondern etwas anderes erhitzen (Wasser in einem Tank, Luft in Ihrem Ofen oder in Ihrem Haus …). Was Sie erhitzen möchten (Art, Volumen, Anfangstemperatur, Isolierung), wie schnell Sie es erhitzen möchten und wie viel Sie bereit sind auszugeben, sind einige der Parameter, die genau bestimmen, wie viel Strom Sie in das Element einspeisen sollten .
Wenn Sie sich nun die meisten Heizgeräte in Ihrem Haus ansehen, ist ihre Haupteigenschaft normalerweise die Leistung, die sie verbrauchen (in Watt). Werte in Tausenden von Watt sind üblich, obwohl es in einigen Fällen natürlich viel weniger sein kann (denken Sie an einen Lötkolben).
Finden Sie ein Gerät in der Nähe dessen, was Sie zu emulieren versuchen, und sehen Sie sich seine Nennleistung an. Daraus und der Spannung, die Sie anlegen, können Sie leicht den Widerstand ableiten, den Sie benötigen, um dies zu erreichen.
Wenn Sie beispielsweise mit 240 V 2400 W erreichen möchten ( Achtung, Gefahr, das ist viel und erfordert geeignete Sicherheitsmaßnahmen und Isolierung ), benötigen Sie 10 A, was wiederum bedeutet, dass Sie einen Widerstand von 24 Ohm benötigen. Vergessen Sie jedoch nicht einen Thermostat, da Ihr Element sonst weiter heizt und viel höhere Temperaturen als Ihr Ziel erreicht (höchstwahrscheinlich bis etwas kaputt geht oder Feuer fängt).
Natürlich ist eine 2400-W-Stromquelle etwas, bei dem Sie einige Sicherheitsmaßnahmen ergreifen sollten, da dies eine Menge Dinge verbrennen wird! Tun Sie dies nicht, es sei denn, Sie verstehen, was Sie tun.
Denken Sie auch daran, dass Ihr Heizelement Wärme an die meisten Dinge überträgt, mit denen es in Kontakt kommt: das Medium (normalerweise Wasser oder Luft), in das es eingesetzt wird, alles, was es unterstützt, und, das vergisst man leicht, den Rest der Schaltung. Es gibt keinen magischen Grund, warum die Kupferdrähte an beiden Enden nicht zu heizen beginnen. Sie müssen etwas dazwischen haben, das ein guter elektrischer Leiter, aber ein sehr schlechter Wärmeleiter ist, sonst werden die Dinge schlecht enden.
Es ist keine einfache Formel, weil es kein einfaches Problem ist. Sie werden hier viele Beiträge sehen, die nach dem Motto "Warum gibt es keinen einfachen Weg, um festzustellen, wie viel Strom mein Kabel führen kann?", Das ist das gleiche Problem in umgekehrter Richtung. Das liegt daran, dass zwar leicht zu bestimmen ist, wie viel Energie im Material abgeführt wird, aber es ist schwierig zu bestimmen, in welche Temperaturänderung dies übersetzt wird. Die Geometrie Ihrer Stange, ihre Ausrichtung, ihr Finish, die Umgebungstemperatur, die Höhe und die erwartete Luftzirkulation spielen alle eine Rolle, und ich bin sicher, dass andere weitere Variablen finden können.
Als Ausgangspunkt schlage ich vor, den konvektiven Wärmeübertragungskoeffizienten für einen Stab Ihrer Geometrie mit der gewünschten Oberflächentemperatur zu berechnen und den Strahlungswärmeverlust hinzuzufügen, wie @winny vorschlägt. Oder, wenn der Stab in engem thermischen Kontakt mit dem, was er erhitzt, steht, dann der Wärmewiderstand zur erhitzten Masse und ihr Konvektions-/Strahlungswärmeverlust. Dann können Sie den spezifischen Durchgangswiderstand verwenden, um eine (sehr grobe) Schätzung darüber zu erhalten, wie viel Strom Sie benötigen, und darauf vorbereitet sein, entweder einige reale Tests durchzuführen oder ein Regelungsschema mit geschlossenem Regelkreis zu implementieren, um die gewünschte Temperatur zu erreichen.
Sie müssten in Tabellen nach der spezifischen Wärmekapazität von Edelstahl suchen. Es ist ungefähr 450 für 20 ° C, aber Sie müssen die Temperaturcharakteristik finden. Ich nehme an, es ist in EN-Normen.
Jetzt können Sie berechnen, wie viel Wärme Sie hinzufügen müssen, um die Temperatur zu erhöhen.
Aber Sie müssen auch Wärmeverluste an die Umgebung abziehen.
Wie Benutzer Winny sagte, benötigen Sie dafür das Stefan-Boltzmann-Gesetz.
Es wird Ihnen eine Art Schätzung geben, aber Sie benötigen einige Messungen, um Ihre Formel zu erstellen.
Oder machen Sie einfach Experimente und Ihren eigenen Tisch.
Wenn Sie die Dauerleistung berechnen, die erforderlich ist, um eine bestimmte Temperatur aufrechtzuerhalten, führt das konstante Anlegen dieser Leistung dazu, dass die Temperatur asymptotisch in Richtung dieser Temperatur ansteigt. Allerdings ist die Verwendung eines Controllers mit Thermoelement-Feedback wahrscheinlich die beste Idee, da die konvektive Wärmeübertragung je nach Ausrichtung und Wind (herumschwingen) stark variieren wird.
Berechnung der Dauerleistung:
Ihr Schwert verliert Wärme auf drei Arten: Leitung, Konvektion und Strahlung. Die Wärmeleitung ist unbedeutend, da Luft ein schlechter statischer Wärmeleiter ist. Leuchtendes Rot oder Orange bringt Sie in den Bereich, in dem die Strahlung zusätzlich zur natürlichen Konvektion nicht ignoriert werden kann.
Ich modelliere den erhitzten Teil des Schwertes als dünne flache Platte und betrachte der Einfachheit halber nur die breiten Flächen (nicht die dünnen Kanten). Angenommen, Sie möchten Ihr Schwert auf 1000 ° C bringen (eine schöne einfache Zahl, die zu einem ziemlich guten Orange führt) und der flache Teil hat die Abmessungen 1000 x 10 mm. https://www.engineeringtoolbox.com/ behauptet, der Emissionsgrad für Nichrome sei 0,7 ish (kein ungewöhnlicher Wert für silbrige Metalle). Wir gehen auch davon aus, dass die Umgebung weit genug entfernt ist, um ein perfekter Absorber zu sein (Emissionsgrad 1,0) und Raumtemperatur (20 ° C) hat. Wir verwenden dann Boltzman-Gleichungen, um den Energieverlust in Watt zu berechnen:
q = Wärmeübertragung pro Zeiteinheit (W)
σ = 5,6703 · 10-8 (W/m2K4) - Die Stefan-Boltzmann-Konstante
ε = Emissionskoeffizient des Objekts (eins - 1 - für einen schwarzen Körper)
T h = heißer Körper absolut Temperatur (K)
T c = kalte Umgebung absolute Temperatur (K)
A h = Fläche des heißen Objekts (m2)
q = ε σ (T h 4 - T c 4 ) A h ( Quelle )
2079 Watt = 0,7 * σ (1273 4 - 293 4 ) * 2 (1*.01)
Die Berechnung der konvektiven Wärmeübertragung ist viel schwieriger, aber Wikipedia hat einige Gleichungen, mit denen Sie beginnen können. Wie Winny in den Kommentaren vorgeschlagen hat, dominiert bei hohen Temperaturen ohnehin die Strahlung, sodass Sie möglicherweise nur einen "Fudge-Faktor" hinzufügen, um den Konvektionswärmeverlust auszugleichen.
Als reale Referenz hat der YouTube-Kanal Hacksmith Industries ein sehr ähnliches Konzept entwickelt und laut Video in der Größenordnung von 10.000 bis 20.000 Watt verbraucht.
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