Contexte

Je travaille avec une petite équipe sur un projet universitaire pour construire un dissipateur de chaleur à effet de serre. Cela fera passer de l'air chaud en haut de la serre à travers une chambre souterraine remplie d'un matériau pour absorber et stocker l'air chaud. Nous avons deux serres prototypes; l'un agira comme un contrôle pour les mesures de référence et l'autre aura le dissipateur de chaleur.

Installer

J'ai construit plusieurs capteurs de température et enregistreurs pour le prototype final, mais certains tests préliminaires sont en cours sur différents matériaux:

1. Copeaux de granit entre 15-25 mm, forme irrégulière
2. Verre trempé fracturé en petits morceaux de 7 à 15 mm environ, au moins 2 côtés sont plats
3. Fragments de béton de 30 à 80 mm, forme irrégulière - essai non terminé

Ceux-ci ont été placés dans une boîte de 5 litres. La boîte a un petit ventilateur et une tuyauterie en bas pour souffler de l'air dans la chambre et libérer l'air à travers un certain nombre de trous de 6 mm dans le tuyau à la base de la boîte. Le haut de la boîte est scellé à l'exception d'un évent qui a le même diamètre que le tube avec le ventilateur. Un capteur de température PT1000 est également inséré au centre de chaque matériau pour capturer les mesures à chaque seconde. Voici une image de la boîte de test:

Procédure

L'espace d'air libre a été calculé sur un échantillon plus petit des deux matériaux pour donner un chiffre approximatif de 42% pour le granit et 43% pour le verre. Deux tests ont ensuite été effectués sur le granit puis le verre:

1. Les deux ont refroidi à l'extérieur pendant plusieurs heures à environ 5,5 ° C, puis ont été amenés dans la pièce et laissés pendant 1 heure avec le ventilateur en marche. La température a été enregistrée lorsque le matériau s'est réchauffé à température ambiante.
2. Après le premier test, les matériaux ont ensuite été placés dans un congélateur et refroidis à -20 ° C, la température a été enregistrée à nouveau.

Résultats

Comme on peut le voir ci-dessous, le verre présente un décalage dans les deux ensembles de données, se réchauffant et se refroidissant, après quoi le changement de température devient plus linéaire. Alors que le granit montre un changement de température plus linéaire partout.

Réchauffement du verre (secondes sur l'axe des x, température sur l'axe des y)

Refroidissement du verre (secondes sur l'axe des x, température sur l'axe des y)

Réchauffement du granit (secondes sur l'axe des x, température sur l'axe des y)

Refroidissement du granit (secondes sur l'axe des x, température sur l'axe des y)

Des questions

Nous discutons actuellement des résultats et je suis intéressé par les opinions d'experts sur les données que nous avons collectées. Les données sont intéressantes et nous les interprétons correctement. Plus précisément:

• La forme des fragments de verre permet une forme plus imbriquée, ce qui pourrait restreindre davantage le flux d'air, mais cela n'aurait-il pas encore un changement de température plus linéaire?
• Les données sur le verre pourraient-elles être dues à des changements mineurs de dilatation thermique dans le matériau?
• Le verre a une conductivité thermique inférieure à celle du granit, est-ce la raison du retard?

Je me concentrerais sur deux choses - 1) la différence de coefficients de transfert de chaleur entre les deux matériaux et 2) la différence de capacité thermique des deux matériaux.

1. Le coefficient de transfert de chaleur dépend de l'interface physique entre l'air et le solide. La surface des matériaux et la quantité de flux d'air seraient toutes deux prises en compte. Comme mentionné ci-dessus, plus les particules sont petites, plus la surface est grande, mais plus la circulation d'air sera restrictive. Il y a là un équilibre heureux que vous devrez peut-être déterminer expérimentalement.

2. La capacité thermique du matériau de l'évier détermine la rapidité avec laquelle la température du matériau répondra à un changement de température ambiante. Plus cette valeur est élevée, meilleur sera l'évier. Une augmentation de la densité et de la chaleur spécifique en font un meilleur matériau de dissipateur thermique. Ceci est indépendant de la taille des roches ou du débit d'air - une plus grande capacité thermique sera toujours meilleure.

Quant à la forme des courbes, je ne m'attendrais jamais à ce que le taux de changement de température soit linéaire dans ce cas, car le taux de changement changera avec la différence de température. C'est une relation exponentielle. La courbe de réchauffement du granit ressemble le plus à ce que je m'attendrais à voir pour le refroidissement / chauffage par convection dans un échangeur de chaleur. La forme de la courbe est assez prévisible, et en l'ajustant à une courbe de la forme nous pouvons prédire que la température ambiante est d'environ 24 ° C. L'augmentation initiale de la température du verre de refroidissement est particulièrement troublante.$T = C-A e^{-b x}$

Mon hypothèse est que le verre avait un plateau au lieu du granit parce que le verre réfléchit l'éclairage infrarouge au lieu du granit - protégeant ainsi letransfert de chaleur principalement radiatif.

Hypothèses: J'ai trouvé une boîte de 5 litres en ligne avec des dimensions de 340 mm x 200 mm x 125 mm - ce qui, avec le fond isolé, conduit à une surface de 0,203 mètre carré pour la boîte. Sur la base de certains calculs, et en utilisant l' émisstivité s donnée ici, est que pendant le "cycle de chauffage", au cours des 1600 secondes de plateau, le verre aurait perdu de la chaleur en raison du rayonnement à un taux de 22W - Wolfram me dit cela aurait dû être un changement de 6,53 Ko, mais la boîte n'a pas subi ce changement.

Étant donné que l'expérience cherchait un changement total de 15K, il s'agit d'une partie importante du transfert de chaleur. Par conséquent, le ventilateur ne fait vraiment qu'une petite fraction du travail thermique et le rayonnement capte une partie importante.

Dans le spectre infrarouge , où la majeure partie de cette chaleur serait perdue, le verre et le granit semblent se comporter très différemment. Le granit semble quelque peu transparent dans l'image liée. Cela est basé sur le fait que les bords de l'image sont flous - si elle était opaque, les bords de la tuyauterie seraient nets aux points chauds (comme dans la vidéo en verre liée) - mais je ne suis pas un expert en radiation propriétés des matériaux. Le verre non seulement bloque le rayonnement infrarouge dans la vidéo, mais selon la vidéo semble refléter le rayonnement. C'est logique, c'est comme ça que les serres fonctionnent.

Cela impliquerait que, puisque le capteur est directement au milieu de la boîte de matériau, les couches de verre réfléchissent en continu tout transfert de chaleur (imaginez un steak avec des couches de bien cuit et rares) - ce qui stagne le processus. Le granit n'a pas eu cet effet et a donc commencé à rayonner de façon approximativement uniforme.

Sans autres expériences, il est difficile de parvenir à une conclusion définitive. De nouvelles expériences supprimant les effets des radiations prouveraient l'hypothèse.