sfondo

Sto lavorando con un piccolo team a un progetto universitario per costruire un dissipatore di calore in serra. Questo farà passare aria calda nella parte superiore della serra attraverso una camera sotterranea piena di materiale per assorbire e immagazzinare l'aria calda. Abbiamo due serre prototipo; uno fungerà da controllo per le misurazioni di base e l'altro avrà il dissipatore di calore.

Impostare

Ho costruito diversi sensori di temperatura e logger per il prototipo finale, ma alcuni test preliminari sono in corso su vari materiali:

1. Chip di granito tra 15-25 mm, forma irregolare
2. Vetro temperato fratturato in piccoli pezzi 7-15mm circa, almeno 2 lati sono piatti
3. Frammenti di cemento 30-80 mm, forma irregolare - test non completato

Questi sono stati collocati in una scatola da 5 litri. La scatola ha una piccola ventola e tubazioni nella parte inferiore per soffiare aria nella camera e rilasciare l'aria attraverso un numero di fori da 6 mm nel tubo alla base della scatola. La parte superiore della scatola è sigillata ad eccezione di uno sfiato che ha lo stesso diametro del tubo con la ventola. Un sensore di temperatura PT1000 è anche inserito al centro di ciascun materiale per acquisire le misurazioni ogni secondo. Ecco un'immagine della casella di prova:

Procedura

Lo spazio aereo libero è stato calcolato su un campione più piccolo di entrambi i materiali per ottenere una cifra approssimativa del 42% per il granito e del 43% per il vetro. Sono stati quindi eseguiti due test sul granito e poi sul vetro:

1. Entrambi si sono raffreddati all'esterno per alcune ore a circa 5,5 ° C, quindi portati nella stanza e lasciati per 1 ora con il ventilatore acceso. La temperatura è stata registrata mentre il materiale si riscaldava a temperatura ambiente.
2. Dopo il primo test i materiali sono stati quindi posti in un congelatore e raffreddati a -20 ° C, la temperatura è stata nuovamente registrata.

risultati

Come si può vedere di seguito, il vetro presenta un ritardo in entrambi i set di dati, riscaldandosi e raffreddandosi, dopodiché il cambiamento di temperatura diventa più lineare. Considerando che il granito mostra un cambiamento più lineare della temperatura in tutto.

Riscaldamento del vetro (secondi dell'asse x, temperatura dell'asse y)

Raffreddamento del vetro (secondi dell'asse x, temperatura dell'asse y)

Riscaldamento del granito (secondi dell'asse x, temperatura dell'asse y)

Raffreddamento del granito (secondi dell'asse x, temperatura dell'asse y)

Domande

Stiamo discutendo i risultati al momento e sono interessato alle opinioni degli esperti sui dati raccolti. I dati sono interessanti e li stiamo interpretando correttamente. In particolare:

• La forma dei frammenti di vetro consente una forma più incastro, che potrebbe limitare maggiormente il flusso d'aria, ma questo non avrebbe comunque un cambiamento di temperatura più lineare?
• I dati del vetro potrebbero essere dovuti a lievi cambiamenti di dilatazione termica nel materiale?
• Il vetro ha un indice di conducibilità termica inferiore rispetto al granito, è questo il motivo del ritardo?

Mi concentrerei su due cose: 1) la differenza nei coefficienti di trasferimento del calore tra i due materiali e 2) la differenza nella capacità di calore dei due materiali.

1. Il coefficiente di trasferimento del calore dipende dall'interfaccia fisica tra l'aria e il solido. La superficie dei materiali e la quantità di flusso d'aria sarebbero entrambi fattori. Come accennato in precedenza, più piccole sono le particelle, maggiore è la superficie, ma più restrittivo sarà il flusso d'aria. C'è un felice equilibrio lì che potresti dover determinare sperimentalmente.

2. La capacità termica del materiale del lavandino determina la velocità con cui la temperatura del materiale risponderà a una variazione della temperatura ambiente. Più è alto, migliore sarà il funzionamento del lavandino. Un aumento di densità e calore specifico rendono migliore il materiale del dissipatore di calore. Questo è indipendente dalla dimensione delle rocce o dalla velocità del flusso d'aria - una maggiore capacità di calore sarà sempre migliore.

$T = C-A e^{-b x}$

La mia ipotesi è che il vetro avesse un plateau al posto del granito perché il vetro è riflettente all'illuminazione a infrarossi anziché al granito, proteggendo quindi iltrasferimento di calore per lo più radiativo.

Presupposti: ho trovato una scatola da 5L online con dimensioni 340mm x 200mm x 125mm - che, con il fondo isolato, porta a una superficie di 0,203 metri quadrati per la scatola. Sulla base di alcuni calcoli, e usando l' emisstività qui fornita, è che durante il "ciclo di riscaldamento", nel corso dei 1600 secondi di plateau, il vetro avrebbe perso calore a causa delle radiazioni a una velocità di 22 W - Wolfram mi dice quello avrebbe dovuto essere un cambio di 6.53K, ma la scatola non ha subito quel cambiamento.

Considerando che l'esperimento stava osservando un totale di 15K di cambiamento, questa è una parte significativa del trasferimento di calore. Pertanto, la ventola sta davvero facendo solo una piccola parte del lavoro termico e le radiazioni ne raccolgono una parte significativa.

Nello spettro infrarosso , dove gran parte di questo calore andrebbe perso, vetro e granito sembrano comportarsi in modo molto diverso. Il granito sembra in qualche modo trasparente nell'immagine collegata. Questo si basa sul fatto che i bordi dell'immagine sono sfocate - se fosse opaca bordi della tubazione sarebbero nitida con i punti caldi (come nel video vetro linked) - ma sono non esperto di radiazione proprietà dei materiali. Il vetro non solo blocca la radiazione infrarossa nel video, ma secondo il video sembra riflettere la radiazione. Ha senso, è così che funzionano le serre.

Ciò implicherebbe che, poiché il sensore è direttamente al centro della scatola di materiale, gli strati di vetro riflettono continuamente qualsiasi trasferimento di calore (immaginate una bistecca con strati di ben fatto e raro) - bloccando il processo. Il granito non ebbe questo effetto e quindi procedette a irradiarsi in modo approssimativamente uniforme.

Senza ulteriori esperimenti è difficile giungere a una conclusione definitiva. Ulteriori esperimenti sulla rimozione degli effetti delle radiazioni dimostrerebbero l'ipotesi.