Antecedentes

Estoy trabajando con un pequeño equipo en un proyecto universitario para construir un disipador de calor de invernadero. Esto pasará aire caliente en la parte superior del invernadero hacia abajo a través de una cámara subterránea llena de un material para absorber y almacenar el aire caliente. Tenemos dos prototipos de invernaderos; uno actuará como control para las mediciones de referencia y el otro tendrá el disipador de calor.

Preparar

He construido varios sensores de temperatura y registradores para el prototipo final, pero se están realizando algunas pruebas preliminares en varios materiales:

1. Virutas de granito entre 15-25 mm, forma irregular
2. Vidrio templado fracturado en piezas pequeñas de 7-15 mm aprox., Al menos 2 lados son planos
3. Fragmentos de hormigón de 30-80 mm, forma irregular - prueba no completada

Estos se colocaron en una caja de 5 L. La caja tiene un pequeño ventilador y tuberías en la parte inferior para soplar aire en la cámara y liberar el aire a través de varios orificios de 6 mm en la tubería en la base de la caja. La parte superior de la caja está sellada, excepto por una ventilación que tiene el mismo diámetro que el tubo con el ventilador. También se inserta un sensor de temperatura PT1000 en el centro de cada material para capturar mediciones cada segundo. Aquí hay una imagen de la caja de prueba:

Procedimiento

El espacio de aire libre se calculó en una muestra más pequeña de ambos materiales para dar una cifra aproximada de 42% para el granito y 43% para el vidrio. Luego se realizaron dos pruebas en el granito y luego en el vidrio:

1. Ambos se enfriaron al aire libre durante varias horas a aproximadamente 5.5 ° C, luego se llevaron a la habitación y se fueron durante 1 hora con el ventilador encendido. La temperatura se registró a medida que el material se calentó a temperatura ambiente.
2. Después de la primera prueba, los materiales se colocaron en un congelador y se enfriaron a -20 ° C, la temperatura se registró nuevamente.

Resultados

Como se puede ver a continuación, el vidrio exhibe un retraso en ambos conjuntos de datos, calentándose y enfriándose, después de lo cual el cambio de temperatura se vuelve más lineal. Mientras que el granito muestra un cambio más lineal en la temperatura en todo momento.

Calentamiento de vidrio (segundos del eje x, temperatura del eje y)

Enfriamiento de vidrio (segundos del eje x, temperatura del eje y)

Calentamiento de granito (segundos del eje x, temperatura del eje y)

Enfriamiento de granito (segundos del eje x, temperatura del eje y)

Preguntas

Estamos discutiendo los resultados en este momento y estoy interesado en opiniones de expertos sobre los datos que recopilamos. Los datos son interesantes y los estamos interpretando correctamente. Específicamente:

• La forma de los fragmentos de vidrio permite una forma más entrelazada, lo que podría restringir más el flujo de aire, pero ¿no tendría esto un cambio de temperatura más lineal?
• ¿Podrían los datos de vidrio ser debidos a cambios menores de expansión térmica en el material?
• El vidrio tiene una clasificación de conductividad térmica más baja que el granito, ¿es esta la razón del retraso?

Me centraría en dos cosas: 1) la diferencia en los coeficientes de transferencia de calor entre los dos materiales y 2) la diferencia en la capacidad de calor de los dos materiales.

1. El coeficiente de transferencia de calor depende de la interfaz física entre el aire y el sólido. El área de superficie de los materiales y la cantidad de flujo de aire serían factores importantes. Como se mencionó anteriormente, cuanto más pequeñas sean las partículas, mayor será el área de superficie, pero más restrictivo será el flujo de aire. Hay un equilibrio feliz allí que quizás tengas que determinar experimentalmente.

2. La capacidad calorífica del material del sumidero determina qué tan rápido responderá la temperatura del material a un cambio en la temperatura ambiente. Cuanto más alto sea, mejor funcionará el fregadero. Un aumento en la densidad y el calor específico hacen un mejor material del disipador térmico. Esto es independiente del tamaño de las rocas o la velocidad del flujo de aire: una mayor capacidad de calor siempre será mejor.

En cuanto a la forma de las curvas, nunca esperaría que la tasa de cambio de temperatura sea lineal en este caso, porque la tasa de cambio cambiará con la diferencia de temperatura. Es una relación exponencial. La curva de calentamiento de granito se parece más a lo que esperaría ver para el enfriamiento / calentamiento por convección en un intercambiador de calor. La forma de la curva es bastante predecible, y al ajustarla a una curva de la forma podemos predecir que la temperatura ambiente es de aproximadamente 24ºC. El aumento inicial de la temperatura del enfriamiento del vidrio es especialmente desconcertante.$T = C-A e^{-b x}$

Mi hipótesis es que el vidrio tenía una meseta en lugar del granito porque el vidrio es reflectante de la iluminación infrarroja en lugar del granito, por lo tanto, protege latransferencia de calor en su mayoría radiante.

Suposiciones: Encontré una caja de 5L en línea con dimensiones de 340 mm x 200 mm x 125 mm, que, con el fondo aislado, conduce a un área de superficie de 0.203 metros cuadrados para la caja. Basado en algunos cálculos, y usando las emisividades dadas aquí, es que durante el "ciclo de calentamiento", en el transcurso de los 1600 segundos de meseta, el vidrio habría perdido calor debido a la radiación a una tasa de 22W - Wolfram me dice eso debería haber sido un cambio de 6.53K, pero la caja no sufrió ese cambio.

Teniendo en cuenta que el experimento estaba buscando un cambio total de 15K, esta es una parte significativa de la transferencia de calor. Por lo tanto, el ventilador realmente solo está haciendo una pequeña fracción del trabajo térmico y la radiación está captando una porción significativa.

En el espectro infrarrojo , donde se perdería la mayor parte de este calor, el vidrio y el granito parecen comportarse de manera muy diferente. El granito parece algo transparente en la imagen vinculada. Esto se basa en el hecho de que los bordes de la imagen son borrosas - si fuese opaca los bordes de la tubería serían nítido en los puntos calientes (como en el video de vidrio enlazada) -, pero estoy no un experto en radiación propiedades de los materiales. El vidrio no solo bloquea la radiación infrarroja en el video, sino que según el video parece reflejar la radiación. Tiene sentido, así es como funcionan los invernaderos.

Esto implicaría que, dado que el sensor está directamente en el medio de la caja de material, las capas de vidrio reflejan continuamente cualquier transferencia de calor (imagina un filete con capas bien hechas y poco comunes), lo que detiene el proceso. El granito no tuvo este efecto y, por lo tanto, se irradió de manera aproximadamente uniforme.

Sin más experimentos, es difícil llegar a una conclusión definitiva. Otros experimentos que eliminen los efectos de la radiación probarían la hipótesis.