Energía requerida para elevar la temperatura del agua que fluye a través de un calentador.


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Estoy tratando de calcular cuánta energía (idealmente calefacción eléctrica) necesito colocar en un calentador para elevar la temperatura del agua, por ejemplo, de 10 grados C a 40 grados C, si el agua fluye a 10 litros por hora.

Supongamos que el calentador es 80% eficiente.

Sé que el calor específico del agua entra en esto a 4.18 J/g grados C, pero ¿cómo trabajo en el caudal?

+4

Los calentadores eléctricos son básicamente 100% eficientes.Parte del calor del sistema en general puede perderse en el medio ambiente, pero toda la energía eléctrica que ingresa a una resistencia se convertirá en calor. 11 mar. 162016-03-11 13:10:07

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Sí, está de acuerdo, pero la eficiencia en la transferencia de esa energía eléctrica al agua es donde se producen pérdidas.Este calor se perderá en los cables que van al calentador y, a medida que aumenta la temperatura de la resistencia, también aumentará su resistencia. 11 mar. 162016-03-11 15:14:29

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1: la energía eléctrica no se transfiere al agua, solo el calor de la resistencia lo es.2: El aumento de la resistencia no cambia la eficiencia.Para una fuente de voltaje fijo, habrá menos potencia en la resistencia.Sin embargo, toda esta potencia aún se convierte en calor con una eficiencia esencialmente del 100%. 11 mar. 162016-03-11 15:19:07

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La eficiencia depende de donde se mida.Si mide la energía en la entrada de los elementos calefactores, probablemente sea del 100% o muy cerca de ella.Si mide en el receptáculo y está alimentando el calentador a través de 4 o 5 cables de extensión, será menor. 11 mar. 162016-03-11 15:56:15

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La energía se transfiere al agua, la energía eléctrica se convierte en calor en la resistencia y parte de este calor se transfiere al agua, también se conduce parte del calor a lo largo de los cables.Estos cables son cortos y gruesos, por lo que las pérdidas deben ser pequeñas. 11 mar. 162016-03-11 17:17:40

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El OP no dice en qué tipo de recipiente se producirá este calentamiento, pero mi preocupación por la pérdida de calor (y la pérdida correspondiente de la eficiencia del sistema) se debe a la pérdida de calor a través de la atmósfera hacia el exterior. 11 mar. 162016-03-11 17:54:51

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El recipiente es una tubería plástica de agua, que podría aislar si fuera necesario, pero la eficacia no es realmente el objetivo de la prueba.Solo necesito obtener un aumento de 30 grados en la temperatura del agua con una cantidad modesta de energía eléctrica a un caudal manejable. 11 mar. 162016-03-11 22:10:36

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Solo necesita convertir el caudal volumétrico en un caudal másico multiplicando por su densidad.Esto es fácil para el agua:

$10 \\mathrm{l/hr}\cdot 1 \\mathrm{kg/l}= 10 \\mathrm{kg/hr = = 10^4 \\mathrm{g/hr}= \frac{10^4 }{3600}\\mathrm{g/sec}= 2.78 \\mathrm{g/sec}$

Ahora puede multiplicarse por el calor específico y el aumento de temperatura para obtener la potencia requerida.


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$P = \dot m \cdot C_p \cdot \Delta T$

Donde $P$ es la potencia requerida en vatios ( $julios/seg$ )

$dot m$ es el caudal másico ( $kg/s$ ) (deberá convertir el caudal volumétrico dado a un caudal másico utilizando $dot m = Flow_{Vol}\cdot \rho$ $rho$ es la densidad del fluido)

$C_p$ es el calor específico del fluido ( $frac{Joules}{kilogram \cdot K}$ )

y $Delta T$ es la diferencia de temperatura en $K$

Esto le dará la energía necesaria para calentar el agua a medida que fluye.La cantidad de energía dependerá, por supuesto, de cuánto fluya el agua.


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  • 10 litros por hora
  • 10 kg por hora
  • 10,000 g por hora
  • 166.66 g por minuto
  • 2,77 g por segundo

Cada segundo, debe elevar la temperatura de 2,77 g de agua en 30 ° C.

  • 2,77 g de agua
  • 4.18 J/g calor específico
  • 11.6 J cada segundo por 1 grado
  • 348 J cada segundo por 30 grados

Suponiendo un 80% de eficiencia.

  • 348 J/80% = 435 J

Necesitas 435 J/s.

Joules por segundo es unVatio

  • 435 W
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Te olvidaste del aumento de temperatura 30C requerido. 11 mar. 162016-03-11 15:31:40

+1

OK, ¿entonces 14.51 W es la potencia requerida para aumentar en 1 grado C?Para obtener un aumento de 30 grados C, necesitaría 435.3 vatios?Eso suena más razonable. 11 mar. 162016-03-11 17:13:38

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En realidad, más como 350W.Como dijo Olin, perder el 20% del calor en el medio ambiente sería una situación extremadamente inusual. 11 mar. 162016-03-11 17:17:58

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Bien, asumiendo pérdidas del 5%, 366 vatios.En mi prueba, puse 144 vatios (DC 12v @ 12A) y obtuve un aumento de 20 grados, lo que parece ser un poco menos de la mitad de la potencia requeridaIgnorando las pérdidas, un aumento de 20 grados requiere 11.6 * 20 = 232 vatios.Solo debería haber visto un aumento de 12.4 grados ... 11 mar. 162016-03-11 17:27:54

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Probablemente sea solo errores de medición combinados, ya que no tengo un medidor de flujo preciso, por lo que una caída en el flujo me proporcionaría agua más caliente para tener menos energía. Confío en el indicador de temperatura, es un termopar digital y confío en la pantalla de la fuente de alimentación. corriente y voltaje, pero la medición del flujo fue solo el tiempo que tardó en obtener 100 ml de agua ... 11 mar. 162016-03-11 17:32:09

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@DaveTweed Whoa, gracias por eso.Fijo. 12 mar. 162016-03-12 00:20:28

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Se volvió a probar con una velocidad de flujo más precisa (más constante) y el resultado coincidió exactamente con las matemáticas. 14 mar. 162016-03-14 09:28:31