Hintergrund

Ich arbeite mit einem kleinen Team an einem Universitätsprojekt zum Bau eines Gewächshauskühlkörpers. Dadurch wird warme Luft oben im Gewächshaus durch eine unterirdische Kammer geleitet, die mit einem Material gefüllt ist, um die warme Luft aufzunehmen und zu speichern. Wir haben zwei Prototypen von Gewächshäusern; Einer dient als Kontrolle für Basislinienmessungen und der andere verfügt über den Kühlkörper.

Installieren

Ich habe mehrere Temperatursensoren und Logger für den endgültigen Prototyp gebaut, aber einige vorläufige Tests werden an verschiedenen Materialien durchgeführt:

1. Granitspäne zwischen 15-25mm, unregelmäßige Form
2. Gehärtetes Glas in ca. 7-15 mm große Stücke zerbrochen, mindestens 2 Seiten sind flach
3. Betonfragmente 30-80 mm, unregelmäßige Form - Test nicht abgeschlossen

Diese wurden in eine 5 l Box gegeben. Die Box hat einen kleinen Ventilator und Rohrleitungen am Boden, um Luft in die Kammer zu blasen und die Luft durch eine Anzahl von 6 mm Löchern im Rohr am Boden der Box abzulassen. Die Oberseite der Box ist bis auf eine Entlüftung, die den gleichen Durchmesser wie das Rohr mit dem Lüfter hat, versiegelt. Ein PT1000-Temperatursensor wird ebenfalls in die Mitte jedes Materials eingesetzt, um Messungen jede Sekunde zu erfassen. Hier ist ein Bild der Testbox:

Verfahren

Der freie Luftraum wurde an einer kleineren Probe beider Materialien berechnet, um eine grobe Zahl von 42% für den Granit und 43% für das Glas zu ergeben. Anschließend wurden zwei Tests am Granit und dann am Glas durchgeführt:

1. Beide kühlten sich einige Stunden im Freien auf etwa 5,5 ° C ab, wurden dann in den Raum gebracht und 1 Stunde bei eingeschaltetem Ventilator stehen gelassen. Die Temperatur wurde aufgezeichnet, als sich das Material auf Raumtemperatur erwärmte.
2. Nach dem ersten Test wurden die Materialien dann in einen Gefrierschrank gestellt und auf -20ºC abgekühlt, die Temperatur wurde erneut aufgezeichnet.

Ergebnisse

Wie unten zu sehen ist, weist das Glas in beiden Datensätzen eine Verzögerung auf, die sich erwärmt und abkühlt, wonach die Temperaturänderung linearer wird. Während der Granit durchgehend eine linearere Temperaturänderung zeigt.

Glaserwärmung (Sekunden der x-Achse, Temperatur der y-Achse)

Glaskühlung (Sekunden der x-Achse, Temperatur der y-Achse)

Erwärmung des Granits (Sekunden der x-Achse, Temperatur der y-Achse)

Granitkühlung (Sekunden der x-Achse, Temperatur der y-Achse)

Fragen

Wir diskutieren derzeit die Ergebnisse und ich bin an Expertenmeinungen zu den von uns gesammelten Daten interessiert. Die Daten sind interessant und wir interpretieren sie richtig. Speziell:

• Die Form der Glasfragmente ermöglicht eine stärker ineinandergreifende Form, die den Luftstrom stärker einschränken könnte, aber hätte dies nicht immer noch eine linearere Temperaturänderung?
• Könnten die Glasdaten auf geringfügige Änderungen der Wärmeausdehnung im Material zurückzuführen sein?
• Das Glas hat eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit als der Granit. Ist dies der Grund für die Verzögerung?

Ich würde mich auf zwei Dinge konzentrieren - 1) den Unterschied in den Wärmeübergangskoeffizienten zwischen den beiden Materialien und 2) den Unterschied in der Wärmekapazität der beiden Materialien.

1. Der Wärmeübergangskoeffizient ist abhängig von der physikalischen Grenzfläche zwischen Luft und Feststoff. Die Oberfläche der Materialien und die Menge des Luftstroms würden beide berücksichtigt. Wie oben erwähnt, ist die Oberfläche umso größer, je kleiner die Partikel sind, aber desto restriktiver ist der Luftstrom. Dort gibt es ein glückliches Gleichgewicht, das Sie möglicherweise experimentell bestimmen müssen.

2. Die Wärmekapazität des Spülenmaterials bestimmt, wie schnell die Materialtemperatur auf eine Änderung der Umgebungstemperatur reagiert. Je höher dieser Wert ist, desto besser funktioniert die Spüle. Eine Erhöhung der Dichte und der spezifischen Wärme sorgen für ein besseres Kühlkörpermaterial. Dies ist unabhängig von der Größe der Gesteine ​​oder der Luftströmungsrate - eine größere Wärmekapazität ist immer besser.

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

Meine Hypothese ist, dass das Glas anstelle des Granits ein Plateau hatte, weil Glas anstelle von Granit für Infrarotlicht reflektiert - und somit die meist strahlende Wärmeübertragungabschirmt.

Annahmen: Ich habe online eine 5L-Box mit Abmessungen von 340 mm x 200 mm x 125 mm gefunden - was mit dem isolierten Boden zu einer Oberfläche der Box von 0,203 Quadratmetern führt. Basierend auf einigen Berechnungen und unter Verwendung der hier angegebenen Emisstivität ist, dass während des " Heizzyklus " im Verlauf der 1600 Sekunden des Plateaus das Glas aufgrund von Strahlung mit einer Geschwindigkeit von 22 W Wärme verlieren würde - sagt Wolfram Das hätte ungefähr eine Änderung von 6,53 KB sein sollen, aber die Box hat diese Änderung nicht erfahren.

In Anbetracht der Tatsache, dass das Experiment auf eine Änderungssumme von 15 K hinwies, ist dies ein wesentlicher Teil der Wärmeübertragung. Daher macht der Lüfter wirklich nur einen kleinen Teil der thermischen Arbeit und die Strahlung nimmt einen erheblichen Teil auf.

Im Infrarotspektrum , wo der größte Teil dieser Wärme verloren gehen würde, scheinen sich Glas und Granit sehr unterschiedlich zu verhalten. Granit wirkt im verknüpften Bild etwas transparent. Dies basiert auf der Tatsache, dass die Ränder im Bild verschwommen sind - wenn es undurchsichtig wäre, wären die Ränder der Rohrleitungen an den heißen Stellen scharf (wie im Video mit verknüpftem Glas) -, aber ich bin kein Experte für Strahlung Eigenschaften von Materialien. Glas blockiert nicht nur die Infrarotstrahlung im Video, sondern scheint laut Video die Strahlung zu reflektieren. Es macht Sinn, so funktionieren Gewächshäuser.

Dies würde bedeuten, dass die Glasschichten, da sich der Sensor direkt in der Mitte des Materialkastens befindet, die Wärmeübertragung kontinuierlich reflektieren (stellen Sie sich ein Steak mit gut gemachten und seltenen Schichten vor), wodurch der Prozess blockiert wird. Der Granit hatte diesen Effekt nicht und strahlte daher ungefähr gleichmäßig aus.

Ohne weitere Experimente ist es schwierig, zu einer endgültigen Schlussfolgerung zu gelangen. Weitere Experimente zur Entfernung von Strahlungseffekten würden die Hypothese bestätigen.