배경

온실 히트 싱크를 만들기 위해 소규모 팀과 함께 대학 프로젝트를 진행하고 있습니다. 이것은 온실 상단의 따뜻한 공기를 따뜻한 공기를 흡수하고 저장하는 재료로 채워진 지하 챔버를 통해 아래로 통과시킵니다. 우리는 두 개의 원형 온실을 가지고 있습니다. 하나는 기준선 측정을위한 제어 역할을하고 다른 하나는 방열판을 갖습니다.

설정

최종 프로토 타입을 위해 몇 가지 온도 센서와 로거를 만들었지 만 다양한 재료에 대해 몇 가지 예비 테스트가 수행되고 있습니다.

1. 15-25mm 사이의 화강암 칩, 불규칙한 모양
2. 약 7-15mm의 작은 조각으로 부서지는 강화 유리, 적어도 2면이 평평
3. 콘크리트 조각 30-80mm, 불규칙한 모양- 테스트 완료

이것을 5 L 상자에 넣었다. 상자에는 바닥에 작은 팬과 배관이있어 챔버로 공기를 불어 넣고 상자 바닥의 파이프에있는 6mm 구멍을 통해 공기를 방출합니다. 팬이있는 튜브와 직경이 같은 통풍구를 제외하고 상자 상단을 밀봉합니다. PT1000 온도 센서는 각 재료의 중앙에 삽입되어 매 초마다 측정을 캡처합니다. 테스트 상자의 이미지는 다음과 같습니다.

순서

자유 공기 공간은 두 재료의 더 작은 샘플에서 계산되어 화강암의 경우 42 %, 유리의 경우 43 %의 대략적인 수치를 나타 냈습니다. 그런 다음 화강암과 유리에서 두 가지 테스트를 수행했습니다.

1. 둘 다 몇 시간 동안 약 5.5 ° C로 외부 냉각 한 다음 방으로 가져 와서 팬을 켠 상태에서 1 시간 동안 그대로 두십시오. 물질이 실온으로 가온됨에 따라 온도가 기록되었다.
2. 첫 번째 시험 후, 재료를 냉동고에 넣고 -20 ℃로 냉각시킨 후, 온도를 다시 기록 하였다.

결과

아래에서 볼 수 있듯이 유리는 두 데이터 세트 모두에서 지연이 발생하여 예열 및 냉각되며 온도 변화가 더 선형화됩니다. 화강암은 전반적으로 온도의 선형 변화를 보여줍니다.

유리 온난화 (x 축 초, y 축 온도)

유리 냉각 (x 축 초, y 축 온도)

화강암 온난화 (x 축 초, y 축 온도)

화강암 냉각 (x 축 초, y 축 온도)

질문

현재 결과에 대해 논의 중이며 수집 한 데이터에 대한 전문가 의견에 관심이 있습니다. 데이터는 흥미롭고 올바르게 해석하고 있습니다. 구체적으로 특별히:

• 유리 파편의 모양은 공기 흐름을 더 제한 할 수있는 더 연동 된 모양을 허용하지만 여전히 더 선형적인 온도 변화는 없습니까?
• 유리 데이터가 재료의 약간의 열팽창 변화로 인한 것일 수 있습니까?
• 유리는 화강암보다 열전도율이 낮습니다. 이것이 지연의 이유입니까?

나는 두 가지에 중점을 둘 것입니다-1) 두 재료 사이의 열전달 계수의 차이와 2) 두 재료의 열 용량의 차이.

1. 열전달 계수는 공기와 고체 사이의 물리적 계면에 의존합니다. 재료의 표면적과 기류의 양은 모두 영향을 미칩니다. 위에서 언급 한 바와 같이, 입자가 작을수록 표면적은 커지지 만 기류에 대한 제한은 커집니다. 실험적으로 결정해야 할 행복한 균형이 있습니다.

2. 싱크 재료의 열 용량은 재료 온도가 주변 온도의 변화에 ​​얼마나 빨리 반응 하는지를 결정합니다. 이 값이 높을수록 싱크 성능이 향상됩니다. 밀도와 비열이 증가하면 방열판 재료가 더 좋습니다. 이것은 암석의 크기 또는 공기 흐름 속도와 무관합니다. 열 용량이 클수록 항상 좋습니다.

곡선의 모양에 관해서는 온도 변화율이 온도의 차이에 따라 변하기 때문에이 경우 온도 변화율이 선형이 될 것으로 기대하지 않습니다. 지수 관계입니다. 화강암 온난화 곡선은 열 교환기의 대류 냉각 / 가열에 대해 예상되는 것과 가장 비슷합니다. 곡선의 모양은 꽤 예측 가능하며 -bx 형식의 곡선 에 맞추면 실내 온도가 약 24ºC 인 것으로 예측할 수 있습니다. 유리 냉각의 초기 온도 상승은 특히 당황하다.$T = C-A e^{-b x}$

내 가설 은 유리가 화강암 대신 적외선 조명에 반사되므로 유리가 화강암 대신 고원을 가졌다는 것이므로 대부분 복사 열 전달을차단합니다.

가정 : 나는 340mm x 200mm x 125mm 크기의 5L 상자를 온라인으로 찾았습니다. 어떤 계산을 기반으로하고, 사용 emisstivity 여기에 주어진 s의 것은, 고원의 1,600초의 과정을 통해 "가열주기", 동안, 유리 인해 22W의 속도로 방사선에 열을 잃는 것이다 - 볼프람이 나에게 말한다 약 6.53K의 변화가 있었지만 상자에는 그 변화가 없었습니다.

실험이 총 15K의 변화를 관찰 한 것을 고려할 때, 이것은 열전달 의 중요한 부분입니다. 따라서 팬은 실제로 열 작업의 작은 부분 만 수행하고 복사는 상당한 부분을 차지합니다.

에서 적외선 스펙트럼 이 대부분의 열이 손실 될 것이다, 유리, 화강암은 매우 다르게 행동하는 것. 화강암 은 연결된 이미지에서 다소 투명 해 보입니다. 이것은 이미지의 가장자리가 흐릿하다는 사실을 기반으로합니다. 불투명 한 경우 파이프의 가장자리가 핫스팟 (예 : 링크 된 유리 비디오)에서 선명하게 나타납니다. 그러나 방사선 전문가는 아닙니다 . 재료의 특성. 유리 는 비디오에서 적외선을 차단할뿐만 아니라 비디오에 따르면 방사선을 반사하는 것으로 보입니다. 그것은 온실이 작동하는 방식입니다.

이것은 센서가 재료 상자의 중간에 직접 있기 때문에 유리 층이 열 전달에 지속적으로 반사되어 (스테이크가 잘되고 희소 한 층으로 스테이크를 상상 함) 프로세스가 중단됩니다. 화강암은이 효과를 갖지 않아서 대략 균일 한 방식으로 방출되었다.

추가 실험이 없으면 결정적인 결론을 내리기가 어렵습니다. 방사선 효과를 제거하는 추가 실험은 가설을 입증 할 것입니다.