Фон

Я працюю з невеликою командою над університетським проектом будівництва теплового радіатора. Це буде пропускати тепле повітря у верхній частині теплиці вниз через камеру під землею, наповнену матеріалом для поглинання та зберігання теплого повітря. У нас є два прототипи теплиць; один буде виконувати функції контролю за базовими вимірюваннями, а другий матиме тепловідвід.

Налаштування

Я створив кілька датчиків температури та реєстраторів для остаточного прототипу, але деякі попередні випробування проводяться на різних матеріалах:

1. Гранітна стружка між 15-25мм, неправильної форми
2. Загартоване скло розбивається на невеликі шматочки приблизно 7-15 мм, принаймні 2 сторони плоскі
3. Осколки бетону 30-80мм, неправильної форми - випробування не завершені

Їх помістили в 5-літрову коробку. У коробці є невеликий вентилятор і трубопроводи на дні, щоб нагнітати повітря в камеру і випускати повітря через декілька 6 мм отворів у трубі в основі коробки. Верх коробки герметичний, за винятком вентиляційного отвору, який має той же діаметр, що і трубка з вентилятором. Датчик температури PT1000 також вставляється в центр кожного матеріалу для фіксації вимірювань щосекунди. Ось зображення тестового вікна:

Порядок

Вільний простір повітря був розрахований на меншому зразку обох матеріалів, щоб отримати приблизну цифру в 42% для граніту і 43% для скла. Потім було проведено два випробування на граніті, а потім на склі:

1. Обидва охолоджувались на вулиці протягом декількох годин до приблизно 5,5 ° C, потім приносили в приміщення і залишали на 1 годину з включеним вентилятором. Температуру реєстрували, коли матеріал нагрівався до кімнатної.
2. Після першого випробування матеріали потім поміщали в морозильну камеру і охолоджували до -20 ° C, температуру знову реєстрували.

Результати

Як видно нижче, скло демонструє відставання в обох наборах даних, прогріваючись і охолоджуючись, після чого зміна температури стає більш лінійною. Тоді як граніт демонструє більш лінійну зміну температури протягом усього часу.

Прогрівання скла (секунди по осі, температура y-осі)

Охолодження скла (секунди на осі x, температура y-осі)

Прогрівання граніту (секунди по осі, температура y-осі)

Охолодження граніту (секунди по осі x, температура y-осі)

Запитання

Наразі ми обговорюємо результати, і мене цікавлять думки експертів зібраних нами даних. Дані цікаві, і ми їх правильно інтерпретуємо. Конкретно:

• Форма фрагментів скла дозволяє отримати більш замикаючу форму, яка може більше обмежувати потік повітря, але хіба це все ж не матиме лінійніші зміни температури?
• Чи можуть бути дані про скло через незначні зміни термічного розширення матеріалу?
• Скло має нижчий показник теплопровідності, ніж граніт, це причина відставання?

Я б зосередив увагу на двох речах - 1) різниці коефіцієнтів тепловіддачі між цими двома матеріалами та 2) різниці теплоємності двох матеріалів.

1. Коефіцієнт тепловіддачі залежить від фізичної поверхні між повітрям і твердим тілом. Площа поверхні матеріалів і кількість повітряного потоку будуть впливати на. Як було сказано вище, чим менше частинок, тим більше площа поверхні, але тим більш обмежувальним буде повітряний потік. Там є щасливий баланс, який, можливо, доведеться визначити експериментально.

2. Теплоємність матеріалу для мийки визначає, наскільки швидко температура матеріалу буде реагувати на зміну температури навколишнього середовища. Чим це вище, тим краще буде працювати мийка. Збільшення щільності та питомої теплоти сприяють кращому радіаційному матеріалу. Це не залежить від розміру гірських порід або швидкості потоку повітря - більша теплоємність завжди буде кращою.

Що стосується форми кривих, то я ніколи не очікую, що швидкість зміни температури в цьому випадку буде лінійною, тому що швидкість зміни буде змінюватися з різницею температур. Це експоненціальні відносини. Крива нагрівання граніту виглядає найбільше, як я б очікував побачити конвекційне охолодження / нагрівання в теплообміннику. Форма кривої є досить передбачуваною, і, прилаштувавши її до кривої форми ми можемо передбачити, що температура в приміщенні становить близько 24ºC. Початковий підйом температури охолодження скла особливо викликає здивування.$T = C-A e^{-b x}$

Моя гіпотеза полягає в тому, що скло має плато замість граніту, оскільки скло відбиває інфрачервоне освітлення замість граніту - тому захищає переважно радіаційну передачу тепла.

Припущення: я знайшов 5-літрову коробку в Інтернеті з розмірами 340 мм х 200 мм х 125 мм, яка з ізольованим дном призводить до площі поверхні для коробки площею 0,203 квадратних метра. Виходячи з деяких розрахунків та використовуючи наведені тут випромінювання , полягає в тому, що під час "циклу нагріву" протягом 1600 секунд плато скло втрачало б тепло від випромінювання зі швидкістю 22 Вт - Вольфрам мені каже це повинно було приблизно змінити 6,53K, але поле не зазнало цих змін.

Зважаючи на те, що експеримент спостерігав за загальною зміною 15 К, це значна частина тепловіддачі. Тому вентилятор дійсно виконує лише невелику частину теплової роботи, і випромінювання набирає значну частину.

В інфрачервоному спектрі , де втрачається більша частина цього тепла, скло та граніт, схоже, ведуть себе дуже по-різному. Граніт здається дещо прозорим на зв'язаному зображенні. Це ґрунтується на тому, що краї на зображенні розмиті - якби воно було непрозорим, краї трубопроводів були б чіткими у гарячих точках (як, наприклад, у відео з пов’язаним склом) - але я не знавець радіації властивості матеріалів. Скло не тільки блокує інфрачервоне випромінювання у відео, але згідно з відео, здається, відображає випромінювання. Це має сенс, саме так працюють теплиці.

Це означає, що оскільки датчик знаходиться безпосередньо в середині коробки з матеріалами, то скляні шари безперервно відбивають назад будь-який тепловідвід (передбачте стейк із шарами добре зробленого та рідкісного) - затримуючи процес. Граніт не мав цього ефекту і тому продовжував випромінювати приблизно рівномірно.

Без подальших експериментів важко дійти до остаточного висновку. Подальші експерименти щодо усунення радіаційних ефектів виявлять гіпотезу.