fundo

Estou trabalhando com uma pequena equipe em um projeto universitário para construir um dissipador de calor com efeito de estufa. Isso passará o ar quente no topo da estufa através de uma câmara subterrânea cheia de material para absorver e armazenar o ar quente. Temos duas estufas protótipo; um atuará como um controle para medições da linha de base e o outro terá o dissipador de calor.

Configuração

Eu construí vários sensores de temperatura e registradores para o protótipo final, mas alguns testes preliminares estão sendo feitos em vários materiais:

1. Lascas de granito entre 15-25mm, formato irregular
2. Vidro temperado fraturado em pequenos pedaços de 7 a 15 mm aprox., Pelo menos 2 lados são planos
3. Fragmentos de concreto 30-80mm, formato irregular - teste não concluído

Estes foram colocados em uma caixa de 5 litros. A caixa possui um pequeno ventilador e tubulação na parte inferior para soprar ar na câmara e liberar o ar através de vários orifícios de 6 mm no tubo na base da caixa. A parte superior da caixa é selada, exceto por uma abertura com o mesmo diâmetro do tubo com o ventilador. Um sensor de temperatura PT1000 também é inserido no centro de cada material para capturar medições a cada segundo. Aqui está uma imagem da caixa de teste:

Procedimento

O espaço livre foi calculado em uma amostra menor de ambos os materiais para fornecer um valor aproximado de 42% para o granito e 43% para o vidro. Dois testes foram realizados no granito e depois no vidro:

1. Os dois esfriaram do lado de fora por várias horas a cerca de 5,5 ° C, depois entraram na sala e saíram por 1 hora com o ventilador ligado. A temperatura foi registrada quando o material foi aquecido até a temperatura ambiente.
2. Após o primeiro teste, os materiais foram então colocados em um freezer e resfriados a -20 ° C, a temperatura foi registrada novamente.

Resultados

Como pode ser visto abaixo, o vidro apresenta um atraso nos dois conjuntos de dados, aquecendo e esfriando, após o que a mudança de temperatura se torna mais linear. Considerando que o granito mostra uma mudança mais linear na temperatura por toda parte.

Aquecimento do vidro (segundos do eixo x, temperatura do eixo y)

Refrigeração de vidro (segundos do eixo x, temperatura do eixo y)

Aquecimento de granito (segundos do eixo x, temperatura do eixo y)

Arrefecimento por granito (segundos do eixo x, temperatura do eixo y)

Questões

Estamos discutindo os resultados no momento e estou interessado em opiniões de especialistas sobre os dados que coletamos. Os dados são interessantes e estamos interpretando corretamente. Especificamente:

• A forma dos fragmentos de vidro permite uma forma mais interligada, o que poderia restringir mais o fluxo de ar, mas isso ainda não teria uma mudança de temperatura mais linear?
• Os dados do vidro podem ser devidos a pequenas alterações de expansão térmica no material?
• O vidro tem uma classificação de condutividade térmica mais baixa que o granito, é este o motivo do atraso?

Eu focaria em duas coisas - 1) a diferença nos coeficientes de transferência de calor entre os dois materiais e 2) a diferença na capacidade de calor dos dois materiais.

1. O coeficiente de transferência de calor depende da interface física entre o ar e o sólido. A área de superfície dos materiais e a quantidade de fluxo de ar seriam levadas em consideração. Como mencionado acima, quanto menores as partículas, maior a área de superfície, mas mais restritivo será o fluxo de ar. Existe um equilíbrio feliz lá que você pode ter que determinar experimentalmente.

2. A capacidade de calor do material do coletor determina a rapidez com que a temperatura do material responderá a uma mudança na temperatura ambiente. Quanto mais alto, melhor o desempenho da pia. Um aumento na densidade e calor específico contribuem para um melhor material do dissipador de calor. Isso é independente do tamanho das rochas ou da taxa de fluxo de ar - maior capacidade de calor sempre será melhor.

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

Minha hipótese é que o vidro tenha um platô em vez do granito porque o vidro reflete a iluminação infravermelha em vez do granito - protegendo, portanto, atransferência de calor principalmente radiativa.

Pressupostos: Encontrei online uma caixa de 5L com dimensões de 340 mm x 200 mm x 125 mm - que, com o fundo isolado, leva a uma área de superfície de 0,203 metros quadrados para a caixa. Com base em alguns cálculos, e usando a emissividade s dada aqui, é que durante o "ciclo de aquecimento", ao longo dos 1600 segundos de platô, o vidro teria perdido calor devido à radiação a uma taxa de 22W - Wolfram me diz isso deveria ter sido uma mudança de 6,53K, mas a caixa não passou por essa mudança.

Considerando que o experimento estava observando uma mudança total de 15 mil, essa é uma parte significativa da transferência de calor. Portanto, o ventilador realmente está apenas fazendo uma pequena fração do trabalho térmico e a radiação está captando uma parcela significativa.

No espectro infravermelho , onde a maior parte desse calor seria perdida, o vidro e o granito parecem se comportar de maneira muito diferente. O granito parece um pouco transparente na imagem vinculada. Isso se baseia no fato de que as bordas da imagem estão tremidas - se opacas, as bordas da tubulação ficariam nítidas nos pontos quentes (como no vídeo de vidro vinculado) - mas eu não sou especialista em radiação propriedades dos materiais. O vidro não apenas bloqueia a radiação infravermelha no vídeo, mas, de acordo com o vídeo, parece refletir a radiação. Faz sentido, é assim que as estufas funcionam.

Isso implicaria que, como o sensor está diretamente no meio da caixa de material, as camadas de vidro refletiam continuamente qualquer transferência de calor (imagine um bife com camadas de bem feito e raro) - interrompendo o processo. O granito não teve esse efeito e, portanto, passou a irradiar de maneira aproximadamente uniforme.

Sem novas experiências, é difícil chegar a uma conclusão definitiva. Experiências adicionais removendo os efeitos da radiação provariam a hipótese.