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Forum: Offtopic elektrische Leistung für Heizung


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Autor: Daniel F. (dani1632)
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Hallo,

ich müsste folgendes berechnen für die Auslegung eines elektrischen 
heizungsmodules:

Ein Raum mit ca 50 dm³ (kleine Kammer) soll auf eine Temperatur von 65°C 
bei einer Umgebungstemperatur von 20°C geheizt werden. Isolierung kann 
als eher gering angesehen werden, es ist nur eine Kunststoffwand mit 1cm 
Stärke. Es geht hier nur überschlagsmäßig um eine Abschätzung, wieviel 
elektrische Leistung hier gebraucht wird (z.B. wenn die Leistung über 
einen Leistungswiderstand + Kühlkörper + Lüfter verbraten wird). Kann 
mir hier jemand eine Ansatz geben?

Danke,

Autor: vn n. (wefwef_s)
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Was soll das ganze werden wenn es fertig ist?

Autor: Joachim B. (jar)
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bevor man blind schätzt hätte man schon mit einigen Leistungwiderständen 
und einem Labornetzteil das ausprobiert.

Zuerst reicht ja ein Lötkolben und ein Temperaturmessgerät, unter 30€ zu 
bekommen.

Autor: Daniel F. (dani1632)
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Hallo,

es gibt ja bestimmt eine Formal, mit der man das zuerst überschlagsmäßig 
berechnen kann, kennt die jemand?

Autor: Rainer U. (r-u)
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Wenn es so eine Formel geben soll, dann wird die Zeit darin eine Rolle 
spielen müssen:

Zum einen müsste man unterscheiden zwischen der Aufheizphase (wie viel 
Zeit hast Du dafür bzw. wie oft wird abgekühlt/aufgeheizt? Wie kalt sind 
die Objekte, die in die Kammer kommen, und welche Wärmekapazität haben 
die) und der "Warmhaltephase"; wofür man bei perfekter Isolierung kaum 
Energie braucht. Je schlechter die Isolierung, je mehr musst Du auch da 
heizen.

Also für die Auslegung brauchst Du mindestens 2 Formeln/Rechnungen und 
musst dann den größeren Wert nehmen.

Ich würde auch Tests machen wie oben erwähnt (Lötkolben o.Ä. vorhandene 
Heizung in gleich großem Raum) eine Temperaturkennlinie aufnehmen beim 
Aufheizen und nach dem Abschalten und daraus schätzen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Joe D. (joerjen)
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....gibt es eine Vorgabe zur Aufheizzeit?

Ich habe irgendwann mühsam mal eine Tabelle zusammengetragen, um 
Aufheizzeiten für einen Ofen zu "berechnen"...da braucht man aber 
Materialdaten vom Kunststoff...setze ich C auf 1 und die Kantenlängen 
des Raums auf 37cm und die Dichte des Kunststoffs auf 1, dann brauchst 
Du bei 100W Heizleistung etwa 62 Minuten zum Aufheizen von 20°C auf 
65°C....200W - 31 Minuten...

Autor: vn n. (wefwef_s)
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Nochmal:

vn n. schrieb:
> Was soll das ganze werden wenn es fertig ist?

Zur reinen Leistungsabschätzung um die Temperatur zu halten ist der 
Wärmedurchgangskoeffizient dein Freund, dafür zählt aber die Oberfläche, 
nicht das Volumen. Diese verschweigst du gekonnt.
Da du die "Kammer" aber sicher nicht zum reinen Selbstzweck heizen 
willst, könnte z.B. interessant sein, wie schnell sie aufgeheizt wird, 
möglicherweise willst du keine 5 Stunden warten bis sie warm ist.

Siehe auch: 
https://www.lifehack.org/articles/lifehack/how-to-ask-questions-the-smart-way.html

Autor: H. O. (oster)
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Neben dem Volumen selber ist auch die Oberflaechenverteilung  und die 
Aufstellungsart nicht ganz unwichtig.

http://www.rittal.us/pub/media/catalog/catalog_pdf/3_4364.pdf
Schaltschrank- und Prozesskühlung Rittal

Seiten 29, 24.

*dann nochmal von vorn

Autor: Joachim B. (jar)
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Daniel F. schrieb:
> es gibt ja bestimmt eine Formal, mit der man das zuerst überschlagsmäßig
> berechnen kann, kennt die jemand?

klar gibt es Formeln, aber hast du die
1. Oberfläche deiner "Kammer"?
2. hast du die Wärmekapzität in deiner "Kammer"?
3. hast du die Wärmeübergangskoeffizienten deiner "Kammerwände"?

da du sie nicht nennst tippe ich auf du hast die Daten nicht, also 
würden dir alle Formeln nicht helfen.

Autor: Daniel F. (dani1632)
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OK, danke schon mal für euro inputs, die Kammer ist aus Glas.
Den Wärmeübergangskoeffizienten von Glas kenne ich leider nicht.

Kann jemand mit diesen Angaben aus Erfahrung dagen, welche Größenordnung 
hier für eerste Tests recihen könnte, liegen wir hier im bereich von 
100W oder sind heir gar kW notwendig?

Danke!

Autor: Daniel F. (dani1632)
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Nachtrag: Aufheizzeit ca 10 min

Autor: Thomas S. (cassini)
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Bei einer Kammer mit 50l Inhalt kannst Du mit ca. 15W / K über RT 
Verlustleistung abschätzen. In Deinem Fall wären es bei Tsoll = 65°C und 
20°C Raumtemperatur ca. 45*15W = 675W.

Ich würde die Heizung also schon auf 1kW auslegen.

Autor: Harald W. (wilhelms)
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Daniel F. schrieb:

> es gibt ja bestimmt eine Formal, mit der man das zuerst überschlagsmäßig
> berechnen kann, kennt die jemand?

In einer solchen Formel steht die Wärmeleitfähigkeit Deiner
Ummantelung drin. Kennst Du diese?

Autor: H. O. (oster)
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Joachim B. schrieb:
> Daniel F. schrieb:
>> es gibt ja bestimmt eine Formal, mit der man das zuerst überschlagsmäßig
>> berechnen kann, kennt die jemand?
>
> klar gibt es Formeln, aber hast du die
> 1. Oberfläche deiner "Kammer"?
> 2. hast du die Wärmekapzität in deiner "Kammer"?

wird erst interessant wenn Heiz bzw. Abkuehlzeiten zu betrachten waeren

> 3. hast du die Wärmeübergangskoeffizienten deiner "Kammerwände"?
>
> da du sie nicht nennst tippe ich auf du hast die Daten nicht, also
> würden dir alle Formeln nicht helfen.

Schau halt was passiert;

nimm an freistehende Kiste


50 dm³
e(1/3*l(50))
3.684

Würfel freistehend, Kantenlänge 368mm
1,8xHx(B+T)+1,4xB*T effekt. Oberfläche*

1.8*.368*(.368+.368)+1.4*(.368*.368)
.677

0,68 m^2


das ist der ungewisse Teil
> Kunststoffwand mit 1cm Stärke.

Acrylglas (Plexiglas)   5 mm   5,3 W/(m²·K)
10mm ~ villeicht um 4W/(m²·K)

[wird besser dämmen als das Blech eines Schaltschranks ~5,5]

Aussen 20° innen 65°C dT 45°

Q = A*k*(Ti-Tu)

0.68*4*45
122.4

~ min. 123W Heizleistung

----

*https://www.rittal.com/imf/none/5_263/

Autor: Matthias X. (current_user)
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https://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmeleitf%C3%A4higkeit

folgende Abschätzung:
Lambta Plexiglas:0,2W/(m*K)
Delta T = (65-20)K
Fläche A bei einem 50dm³  Würfel: 6*0,05m³)^(2/3)= 0,63m²
Wandstärke: 1cm

Da komme ich auf 0,2W/(m*K)*0,63m²*45K/0,01m = 567W

Bei dieser Leistung wird nach unendlich langer Zeit 65°C Innentemperatur 
erreicht.

Was geht alles nicht mit ein in die Berechnung:
- Verluste durch Strahlungswärme
- Die Außenwand wird sich erwärmen und nicht bei 20°C bleiben. d.h. Die 
Temperaturdifferenz ist geringer. Wie stark sich die Wänden erwärmen ist 
abhängig vom Luftstrom bzw. Konfektion. Geschätzt vielleicht auf 40°C? 
Dann wären nur noch 315W notwendig.
Ich würde es mal mit einem 300-500W Heizelement versuchen. Das schöne an 
elektrischen Heizung ist ja, dass man sie sehr gut im Teillastbereich 
benutzen kann (zweipunktreglung, PWM,...).

: Bearbeitet durch User
Autor: Daniel F. (dani1632)
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perfekt, danke für eure Antworten!

Die Leistungsklasse wäre nun für einen ersten Test ungefähr definiert.

Auf die Schnelle fällt mir ein Leistungswiderstand + Kühlkörper und 
Lüfter oder ein fertiges Heizmodul mit integriertem Lüfter, was oft für 
Autoheizungen verwendet wird, ein.
Welche Möglichkeiten gibt es denn noch, eine kleine Luftkammer zu 
erwärmen? Hat jemand noch eine andere Idee?

DAnke

Autor: Harald W. (wilhelms)
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Daniel F. schrieb:

> Welche Möglichkeiten gibt es denn noch, eine kleine Luftkammer zu
> erwärmen?

Willst Du nur die Luft erwärmen oder auch einen Gegenstand
innerhalb Deiner "Luftkammer"? Bei letzterem könnte eine
Heizplatte am Boden sinnvoll sein.

Autor: Unbekannt U. (unbekannter)
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Matthias X. schrieb:
> Da komme ich auf 0,2W/(m*K)*0,63m²*45K/0,01m = 567W

Das ist zu viel. Kennt denn keiner mehr eine 100 Watt Glühbirne?

Naja, egal. Vergessen in dieser Rechnung wurde der 
Wärmeübergangskoeffizient. Denn die Wärme wird einmal von der Innenluft 
auf das Plexiglas und ein zweites mal vom Plexiglas auf die Außenluft 
übertragen.

Innerhalb dieses Würfel wird die Konvektion wohl kaum für 
Geschwindigkeiten von über 0,5m/s sorgen. Außen gehen wir mal von 1,5m/s 
aus.

Das ergibt dann:

  * Innen: 12 * sqrt(0,5) + 2 = 10,5 W/(m² * K)
  * Außen: 12 * sqrt(1,5) + 2 = 16,7 W/(m² * K)

Die Oberfläche eines Würfels mit 50 Liter ist übrigens 0,82m² (und nicht 
0,63m²). Das ergibt dann:

  * Innen: 10,5 * 0,82 =  8,6 W/K
  * Außen: 16,7 * 0,82 = 13,7 W/K

Dazu noch:

  * Plexiglas: 0,2 / 0,01 = 20 W/K

Nun sind diese Koeffizienten noch in "Reihe" geschaltet, also so wie 
Parallelschaltung von Widerständen ;-)

  * Gesamt: 1 / ( 1/8,6 + 1/20 + 1/13,7 ) = 4,2 W/K

Heizleistung:

  * (65 - 20) * 4,2 = 190 Watt.


Und das passt zur "Schaltschrank-Formel" weiter oben. Denn die 
Schaltschrankberechnungsmethode wird immer konservativ sein, weil sie ja 
die maximal abführbare Leistung berechnet, und nicht die minimal 
notwendige Leistung.

Dazu kommt dann noch etwas Verlust durch Strahlung, wo ich jetzt zu Faul 
bin, das auszurechnen... Dafür schwebt der Würfel aber auch nicht frei 
im Raum...

Autor: H. O. (oster)
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Unbekannt U. schrieb:
> Matthias X. schrieb:
>> Da komme ich auf 0,2W/(m*K)*0,63m²*45K/0,01m = 567W
>
> Das ist zu viel. Kennt denn keiner mehr eine 100 Watt Glühbirne?
>
> Naja, egal. Vergessen in dieser Rechnung wurde der
> Wärmeübergangskoeffizient. Denn die Wärme wird einmal von der Innenluft
> auf das Plexiglas und ein zweites mal vom Plexiglas auf die Außenluft
> übertragen.
>
> Innerhalb dieses Würfel wird die Konvektion wohl kaum für
> Geschwindigkeiten von über 0,5m/s sorgen. Außen gehen wir mal von 1,5m/s
> aus.
>
> Das ergibt dann:
>
>   * Innen: 12 * sqrt(0,5) + 2 = 10,5 W/(m² * K)
>   * Außen: 12 * sqrt(1,5) + 2 = 16,7 W/(m² * K)
>
> Die Oberfläche eines Würfels mit 50 Liter ist übrigens 0,82m² (und nicht
> 0,63m²). Das ergibt dann:


:) *


>
>   * Innen: 10,5 * 0,82 =  8,6 W/K
>   * Außen: 16,7 * 0,82 = 13,7 W/K
>
> Dazu noch:
>
>   * Plexiglas: 0,2 / 0,01 = 20 W/K
>
> Nun sind diese Koeffizienten noch in "Reihe" geschaltet, also so wie
> Parallelschaltung von Widerständen ;-)
>
>   * Gesamt: 1 / ( 1/8,6 + 1/20 + 1/13,7 ) = 4,2 W/K
>
> Heizleistung:
>
>   * (65 - 20) * 4,2 = 190 Watt.
>
>
> Und das passt zur "Schaltschrank-Formel" weiter oben. Denn die
> Schaltschrankberechnungsmethode wird immer konservativ sein, weil sie ja
> die maximal abführbare Leistung berechnet, und nicht die minimal
> notwendige Leistung.

Das ist die minimal nötige Leistung darunter gibt es keine Mglkt. die 
gewünschte temp. zu erreichen, das ist auch Strahlungsleistung, 
verbessert man den Wärmeübergang zur Aussenluft durch eine erzwungene 
Konvektion muss man eben mehr Leistung aufbringen.

Und die ~ 4 oder deine 4,2 W/(m²·K) berücksichten ja nicht die 
Einbaulage wenn man die Gesamtoberfläche hernimmt. Insofern das 
Konstrukt nicht frei schwebt oder auf stelzen steht wird wenigsten eine 
Seite Boden oder Wandkontakt mit schlechtem wärmeübergang haben.

>
> Dazu kommt dann noch etwas Verlust durch Strahlung, wo ich jetzt zu Faul
> bin, das auszurechnen... Dafür schwebt der Würfel aber auch nicht frei
> im Raum...

Klar warum nicht Kretschmann will ja auch Null-Emission ;)

*vive la lévitation

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