tło

Współpracuję z małym zespołem przy projekcie uniwersyteckim dotyczącym budowy radiatora cieplarnianego. To przepuści ciepłe powietrze u szczytu szklarni przez komorę podziemną wypełnioną materiałem do pochłaniania i magazynowania ciepłego powietrza. Mamy dwie prototypowe szklarnie; jeden będzie działał jako kontrola dla pomiarów podstawowych, a drugi będzie miał radiator.

Ustawiać

Zbudowałem kilka czujników temperatury i rejestratorów do ostatecznego prototypu, ale przeprowadzane są wstępne testy różnych materiałów:

1. Wióry granitowe o grubości 15–25 mm, nieregularny kształt
2. Szkło hartowane podzielone na małe kawałki o średnicy około 7–15 mm, co najmniej 2 boki są płaskie
3. Fragmenty betonu 30–80 mm, nieregularny kształt - test nie ukończony

Zostały one umieszczone w pudełku o pojemności 5 L. Skrzynia ma mały wentylator i rurkę u dołu, aby wdmuchiwać powietrze do komory i wypuszczać powietrze przez szereg otworów o średnicy 6 mm w rurze u podstawy skrzynki. Górna część pudełka jest uszczelniona, z wyjątkiem odpowietrznika, który ma taką samą średnicę jak rura z wentylatorem. Czujnik temperatury PT1000 jest również wstawiany do środka każdego materiału, aby rejestrować pomiary co sekundę. Oto obraz pola testowego:

Procedura

Wolną przestrzeń powietrzną obliczono na mniejszej próbce obu materiałów, uzyskując przybliżoną wartość 42% dla granitu i 43% dla szkła. Następnie przeprowadzono dwa testy granitu, a następnie szkła:

1. Oba ochłodzono na zewnątrz przez kilka godzin do około 5,5 ° C, a następnie wprowadzono do pomieszczenia i pozostawiono na 1 godzinę z włączonym wentylatorem. Temperaturę rejestrowano jako materiał ogrzany do temperatury pokojowej.
2. Po pierwszym teście materiały umieszczono następnie w zamrażarce i ochłodzono do -20 ° C, temperaturę ponownie zarejestrowano.

Wyniki

Jak widać poniżej, szkło wykazuje opóźnienie w obu zestawach danych, nagrzewa się i ochładza, po czym zmiana temperatury staje się bardziej liniowa. Podczas gdy granit wykazuje bardziej liniową zmianę temperatury w całym tekście.

Ocieplenie szkła (sekundy w osi x, temperatura w osi y)

Chłodzenie szkła (sekundy w osi x, temperatura w osi y)

Ocieplenie granitu (sekundy na osi x, temperatura na osi y)

Chłodzenie granitu (sekundy na osi x, temperatura na osi y)

pytania

Obecnie omawiamy wyniki i jestem zainteresowany opiniami ekspertów na temat zebranych danych. Dane są interesujące i interpretujemy je poprawnie. Konkretnie:

• Kształt fragmentów szkła pozwala na bardziej zazębiający się kształt, który mógłby bardziej ograniczyć przepływ powietrza, ale czy to nie miałoby bardziej liniowej zmiany temperatury?
• Czy dane dotyczące szkła mogą wynikać z niewielkich zmian rozszerzalności cieplnej w materiale?
• Szkło ma niższą ocenę przewodności cieplnej niż granit, czy to jest powód opóźnienia?

Skoncentrowałbym się na dwóch rzeczach - 1) różnicy współczynników przenikania ciepła między dwoma materiałami i 2) różnicy pojemności cieplnej dwóch materiałów.

1. Współczynnik przenikania ciepła zależy od fizycznej granicy między powietrzem a ciałem stałym. Uwzględnia się zarówno powierzchnię materiałów, jak i wielkość przepływu powietrza. Jak wspomniano powyżej, im mniejsze cząstki, tym większa powierzchnia, ale tym bardziej będzie ograniczony przepływ powietrza. Jest tam szczęśliwa równowaga, którą możesz ustalić eksperymentalnie.

2. Pojemność cieplna materiału zlewu określa, jak szybko temperatura materiału zareaguje na zmianę temperatury otoczenia. Im wyższa, tym lepsza wydajność zlewu. Wzrost gęstości i ciepła właściwego zapewnia lepszy materiał radiatora. Jest to niezależne od wielkości skał i szybkości przepływu powietrza - większa pojemność cieplna zawsze będzie lepsza.

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

Moja hipoteza jest taka, że ​​szkło miało granit zamiast granitu, ponieważ szkło odbija światło podczerwone zamiast granitu - osłaniając w ten sposób przeważnie promieniowanie cieplne.

Założenia: Znalazłem online 5-litrowe pudełko o wymiarach 340 mm x 200 mm x 125 mm - co przy izolowanym dnie prowadzi do 0,203 metra kwadratowego powierzchni pudełka. W oparciu o niektóre obliczenia i wykorzystanie podanych tutaj emisji , jest to, że podczas „cyklu ogrzewania”, w ciągu 1600 sekund plateau, szkło traci ciepło z powodu promieniowania o mocy 22 W - mówi Wolfram powinno to być około 6,53 K, ale pudełko nie uległo tej zmianie.

Biorąc pod uwagę, że eksperyment polegał na sprawdzeniu całkowitej zmiany 15K, jest to znaczna część wymiany ciepła. Dlatego wentylator naprawdę wykonuje tylko niewielką część pracy termicznej, a promieniowanie pochłania znaczną część.

W widmie w podczerwieni , gdzie większość tego ciepła zostałaby utracona, szkło i granit wydają się zachowywać zupełnie inaczej. Granit wydaje się nieco przezroczysty na połączonym obrazie. Jest to oparte na fakcie, że krawędzie na obrazie są rozmazane - gdyby była nieprzezroczysta krawędzie rurociągów byłyby ostre w gorących miejscach (takich jak w połączonej szkła video) - ale ja nie ekspertem w promieniowaniu właściwości materiałów. Szkło nie tylko blokuje promieniowanie podczerwone w filmie, ale zgodnie z filmem wydaje się odbijać promieniowanie. To ma sens, tak działają szklarnie.

Oznaczałoby to, że ponieważ czujnik znajduje się bezpośrednio na środku pudełka z materiałem, warstwy szkła nieustannie odbijają z powrotem wszelkie przenoszenie ciepła (wyobraź sobie stek z warstwami dobrze wykonanych i rzadkich) - co opóźnia proces. Granit nie miał tego efektu i dlatego zaczął promieniować w przybliżeniu równomiernie.

Bez dalszych eksperymentów trudno jest dojść do ostatecznego wniosku. Dalsze eksperymenty usuwające skutki promieniowania potwierdzą hipotezę.