Задний план

Я работаю с небольшой командой над университетским проектом по созданию радиатора для теплицы. Это будет пропускать теплый воздух через верхнюю часть теплицы через подземную камеру, заполненную материалом для поглощения и хранения теплого воздуха. У нас есть две опытные теплицы; один будет действовать в качестве контроля для базовых измерений, а другой будет иметь радиатор.

Настроить

Я построил несколько датчиков температуры и регистраторов для окончательного прототипа, но некоторые предварительные испытания проводятся на различных материалах:

1. Гранитная крошка 15-25 мм, неправильной формы
2. Закаленное стекло разбито на мелкие кусочки ок. 7-15 мм, по крайней мере 2 стороны плоские
3. Бетонные фрагменты 30-80 мм неправильной формы - испытание не завершено

Они были помещены в коробку на 5 л. Коробка имеет небольшой вентилятор и трубу внизу для подачи воздуха в камеру и выпуска воздуха через отверстия диаметром 6 мм в трубе в основании коробки. Верхняя часть коробки герметична, за исключением вентиля, диаметр которого равен диаметру трубки с вентилятором. Датчик температуры PT1000 также вставляется в центр каждого материала, чтобы регистрировать измерения каждую секунду. Вот изображение тестового окна:

Процедура

Свободное воздушное пространство было рассчитано на меньшем образце обоих материалов, чтобы получить приблизительное значение 42% для гранита и 43% для стекла. Затем были проведены два испытания гранита и стекла:

1. Оба охлаждали снаружи в течение нескольких часов до примерно 5,5 ° C, затем вносили в комнату и оставляли на 1 час с включенным вентилятором. Температуру регистрировали как материал, нагретый до комнатной температуры.
2. После первого испытания материалы затем помещали в морозильник и охлаждали до -20 ° C, температуру снова регистрировали.

Полученные результаты

Как можно видеть ниже, стекло демонстрирует запаздывание в обоих наборах данных, прогрев и охлаждение, после чего изменение температуры становится более линейным. Принимая во внимание, что гранит показывает более линейное изменение температуры повсюду.

Подогрев стекла (секунды по оси X, температура по оси Y)

Охлаждение стекла (секунды по оси X, температура по оси Y)

Гранитное потепление (секунды по оси X, температура по оси Y)

Охлаждение гранита (секунды по оси X, температура по оси Y)

Вопросов

В настоящее время мы обсуждаем результаты, и мне интересны мнения экспертов по собранным нами данным. Данные интересны, и мы правильно их интерпретируем. В частности:

• Форма осколков стекла позволяет получить более взаимосвязанную форму, которая может еще больше ограничить поток воздуха, но разве это не приведет к более линейному изменению температуры?
• Могут ли данные по стеклу быть вызваны незначительными изменениями теплового расширения материала?
• Стекло имеет более низкий коэффициент теплопроводности, чем гранит, является ли это причиной отставания?

Я бы сосредоточился на двух вещах: 1) разнице в коэффициентах теплопередачи между двумя материалами и 2) разнице в теплоемкости двух материалов.

1. Коэффициент теплопередачи зависит от физического интерфейса между воздухом и твердым телом. Площадь поверхности материалов и величина воздушного потока будут учитываться. Как упомянуто выше, чем меньше частицы, тем больше площадь поверхности, но тем более она ограничивает поток воздуха. Там есть счастливый баланс, который вам, возможно, придется определить экспериментально.

2. Теплоемкость материала поглотителя определяет, насколько быстро температура материала будет реагировать на изменение температуры окружающей среды. Чем выше, тем лучше будет работать мойка. Увеличение плотности и удельной теплоемкости делают материал теплоотвода лучше. Это не зависит от размера камней или скорости воздушного потока - большая теплоемкость всегда будет лучше.

Что касается формы кривых, я никогда не ожидал бы, что скорость изменения температуры будет линейной в этом случае, потому что скорость изменения будет изменяться с разницей в температуре. Это экспоненциальные отношения. Кривая нагревания гранита больше всего похожа на то, что я ожидаю увидеть при конвекционном охлаждении / нагреве в теплообменнике. Форма кривой довольно предсказуема, и, подгоняя ее к кривой вида мы можем предсказать, что комнатная температура составляет около 24ºC. Первоначальный рост температуры охлаждения стекла особенно озадачивает.$T = C-A e^{-b x}$

Моя гипотеза состоит в том, что у стекла было гранитное плато вместо гранита, потому что стекло отражает инфракрасное освещение вместо гранита - поэтому экранирует в основном излучательный теплообмен.

Допущения: я нашел онлайн коробку 5 л с размерами 340 x 200 x 125 мм, которая с изолированным дном приводит к площади поверхности в 0,203 квадратного метра для коробки. Основываясь на некоторых расчетах и ​​используя приведенную здесь излучательную способность, можно сказать , что во время «цикла нагрева» в течение 1600 секунд плато стекло будет терять тепло из-за излучения со скоростью 22 Вт, - говорит мне Вольфрам. это должно было быть около 6,53 КБ, но коробка не претерпела изменений.

Учитывая, что эксперимент наблюдал за общим изменением 15К, это значительная часть теплопередачи. Поэтому вентилятор действительно выполняет лишь небольшую часть тепловой работы, а радиация поглощает значительную часть.

В инфракрасном спектре , где большая часть этого тепла будет потеряна, стекло и гранит ведут себя совершенно по-разному. Гранит кажется несколько прозрачным в связанном изображении. Это основано на том факте, что края на изображении размыты - если бы он был непрозрачным, края труб были бы четкими в горячих точках (например, в видео со связанным стеклом) - но я не эксперт в области излучения свойства материалов. Стекло не только блокирует инфракрасное излучение в видео, но, согласно видео, похоже, отражает это излучение. Это имеет смысл, вот как работают теплицы.

Это будет означать, что, поскольку датчик находится непосредственно в середине ящика с материалом, слои стекла непрерывно отражают любую передачу тепла (представьте стейк со слоями хорошо сделанных и редких), что останавливает процесс. Гранит не имел этого эффекта и поэтому продолжал излучать приблизительно равномерно.

Без дальнейших экспериментов трудно прийти к окончательному выводу. Дальнейшие эксперименты по устранению радиационных эффектов подтвердили бы гипотезу.