Membandingkan kinerja kaca dan granit dalam aplikasi penyimpanan panas


10

Latar Belakang

Saya bekerja dengan tim kecil di proyek universitas untuk membangun pendingin rumah kaca. Ini akan mengalirkan udara hangat di bagian atas rumah kaca ke bawah melalui ruang bawah tanah yang diisi dengan bahan untuk menyerap dan menyimpan udara hangat. Kami memiliki dua rumah kaca prototipe; satu akan bertindak sebagai kontrol untuk pengukuran dasar dan yang lainnya akan memiliki heat sink.

Mendirikan

Saya telah membangun beberapa sensor suhu dan penebang untuk prototipe akhir, tetapi beberapa tes pendahuluan sedang dilakukan pada berbagai bahan:

  1. Chip granit antara 15-25mm, bentuknya tidak beraturan
  2. Kaca temper pecah menjadi potongan-potongan kecil sekitar 7-15mm, minimal 2 sisi rata
  3. Fragmen beton 30-80mm, bentuk tidak beraturan - uji tidak selesai

Ini ditempatkan dalam kotak 5 L. Kotak memiliki kipas kecil dan pipa di bagian bawah untuk meniup udara ke dalam ruangan dan melepaskan udara melalui sejumlah lubang 6 mm di pipa di dasar kotak. Bagian atas kotak tertutup rapat kecuali lubang yang memiliki diameter sama dengan tabung dengan kipas. Sensor suhu PT1000 juga dimasukkan ke tengah setiap bahan untuk menangkap pengukuran setiap detik. Berikut adalah gambar dari kotak tes:

mengatur kotak tes

Prosedur

Ruang udara bebas dihitung pada sampel yang lebih kecil dari kedua bahan untuk memberikan angka kasar 42% untuk granit dan 43% untuk kaca. Dua tes kemudian dilakukan pada granit dan kemudian kaca:

  1. Keduanya didinginkan di luar selama beberapa jam hingga sekitar 5,5 ° C, kemudian dibawa ke dalam ruangan dan dibiarkan selama 1 jam dengan kipas menyala. Suhu dicatat sebagai bahan yang dipanaskan hingga suhu kamar.
  2. Setelah pengujian pertama, bahan-bahan tersebut kemudian ditempatkan dalam freezer dan didinginkan hingga -20 ° C, suhu dicatat kembali.

Hasil

Seperti dapat dilihat di bawah, kaca menunjukkan kelambatan pada kedua set data, pemanasan dan pendinginan, setelah itu perubahan suhu menjadi lebih linier. Sedangkan granit menunjukkan perubahan suhu yang lebih linier.

Pemanasan Kaca (detik sumbu x, suhu sumbu y) masukkan deskripsi gambar di sini

Pendinginan Kaca (detik sumbu x, suhu sumbu y) masukkan deskripsi gambar di sini

Pemanasan Granit (detik sumbu x, suhu sumbu y) masukkan deskripsi gambar di sini

Pendinginan Granit (detik sumbu x, suhu sumbu y) masukkan deskripsi gambar di sini

Pertanyaan

Kami sedang mendiskusikan hasil saat ini dan saya tertarik pada pendapat ahli dari data yang kami kumpulkan. Data menarik dan kami menafsirkannya dengan benar. Secara khusus:

  • Bentuk pecahan kaca memungkinkan bentuk yang lebih saling terkait, yang dapat membatasi aliran udara lebih banyak, tetapi bukankah ini masih memiliki perubahan suhu yang lebih linier?
  • Mungkinkah data gelas disebabkan oleh perubahan ekspansi termal minor pada material?
  • Kaca memiliki peringkat konduktivitas termal yang lebih rendah daripada granit, apakah ini alasan untuk lag?

1
Pikiran cepat: Massa termal, konduktivitas termal, rata-rata ukuran fragmen yang setara, dan jalur udara mungkin relevan. Tampaknya logis bahwa bahan konduktivitas termal yang tinggi akan dibatasi terutama oleh efek permukaan. Sebagai konduktivitas turun kemampuan untuk mendapatkan panas juga dan dari inti lebih penting. Area per volume (hukum potong dadu persegi) penting seperti halnya ukuran absolut dan bahkan bentuk. Apa yang MUNGKIN berguna adalah pengujian pada sejumlah item dengan dimensi dan pengemasan yang identik. Saya membayangkan ini telah dimodelkan dengan sangat baik selama beberapa dekade.
Russell McMahon

1
FWIW - ( hanya pendapat ): Air adalah raja :-). Beberapa wadah tertutup yang lebih kecil dengan pewarnaan hitam - sesuaikan kepadatan warna untuk dimainkan dengan sifat konvektif / radiasi. Aliran udara di sekitar kontainer. Botol Pepsi 1.5l berpotensi cukup baik pada volume total yang lebih besar. Plastik PET sangat baik untuk degradasi jangka panjang.
Russell McMahon

Russell terima kasih, luas permukaan jelas sesuatu yang kami pertimbangkan dan uji fragmen beton yang lebih besar diharapkan akan menghasilkan beberapa data yang baik. Namun memeriksa luas permukaan total bukanlah tes yang mudah, karena kami memiliki 3 bahan yang tidak seragam. Kami mungkin tidak akan punya waktu untuk menguji kumpulan seragam yang lebih kecil tetapi setuju ini akan menghasilkan data yang lebih baik.
Semut

Semua alternatif untuk heat sink pasti akan dipertimbangkan dan kami berbagi semua temuan kami, sehingga orang-orang dapat bermain dengan ide itu, botol-botol anggur tua yang diisi dengan air dll. Atau memecahkan china karena tidak mudah untuk didaur ulang tetapi memiliki sifat konduktivitas termal yang baik. Sistem kami akan memiliki mikrokontroler yang mengendalikan kecepatan kipas, sehingga ketika lebih banyak panas yang tersedia, sistem akan memutar kecepatan dan memperlambatnya untuk melepaskan panas dengan cara yang lebih terkontrol.
Semut

Pertanyaan yang bagus, satu-satunya saran saya sejauh presentasi adalah bahwa Anda dapat memotong jumlah angka menjadi dua dengan menyusun materi bersama-sama (yaitu, masing-masing satu angka untuk pemanasan dan pendinginan), karena timbangannya sama. Semakin sedikit orang harus menggulir ke bawah halaman untuk menemukan pertanyaan Anda, mereka akan lebih bahagia.
Air

Jawaban:


2

Saya akan fokus pada dua hal - 1) perbedaan koefisien perpindahan panas antara kedua bahan dan 2) perbedaan kapasitas panas kedua bahan.

  1. Koefisien perpindahan panas tergantung pada antarmuka fisik antara udara dan padatan. Luas permukaan bahan dan jumlah aliran udara akan menjadi faktor kedua. Seperti disebutkan di atas, semakin kecil partikelnya, semakin banyak luas permukaan, tetapi semakin ketat akan aliran udara. Ada keseimbangan bahagia di sana yang mungkin harus Anda tentukan secara eksperimental.

  2. Kapasitas panas dari material bak menentukan seberapa cepat suhu material akan merespon perubahan suhu sekitar. Semakin tinggi ini, semakin baik kinerja wastafel. Peningkatan kepadatan dan panas spesifik membuat bahan heatsink lebih baik. Ini tidak tergantung pada ukuran batuan atau laju aliran udara - kapasitas panas yang lebih besar akan selalu lebih baik.

T=CAebx


1

Hipotesis saya adalah bahwa gelas itu memiliki dataran tinggi dan bukan granit karena kaca lebih memantulkan cahaya inframerah daripada granit - karena itu melindungi sebagian besar perpindahan panas radiatif.

Asumsi: Saya menemukan kotak 5L online dengan dimensi 340mm x 200mm x 125mm - yang, dengan bagian bawah yang terisolasi, mengarah ke area permukaan 0,203 meter persegi untuk kotak tersebut. Berdasarkan beberapa perhitungan, dan menggunakan emisstivitas yang diberikan di sini, adalah bahwa selama "siklus pemanasan", selama 1600 detik dataran tinggi, kaca akan kehilangan panas karena radiasi pada kecepatan 22W - Wolfram memberi tahu saya seharusnya sekitar 6,53 K perubahan, tetapi kotak tidak mengalami perubahan itu.

Mengingat percobaan mengamati perubahan total 15K, ini adalah bagian yang signifikan dari perpindahan panas. Oleh karena itu kipas hanya melakukan sebagian kecil dari pekerjaan termal dan radiasi mengambil porsi yang signifikan.

Dalam spektrum inframerah , di mana sebagian besar panas ini akan hilang, kaca dan granit tampaknya berperilaku sangat berbeda. Granit tampak agak transparan pada gambar yang ditautkan. Ini didasarkan pada kenyataan bahwa tepi dalam gambar buram - jika buram, tepi pipa akan garing di hot spot (seperti dalam video kaca terkait) - tapi saya bukan ahli dalam radiasi sifat bahan. Kaca tidak hanya menghalangi radiasi infra merah dalam video, tetapi menurut video tersebut sepertinya mencerminkan radiasi. Masuk akal, begitulah cara rumah kaca bekerja.

Ini akan menyiratkan bahwa karena sensor langsung di tengah kotak material, lapisan kaca terus memantulkan kembali setiap perpindahan panas (membayangkan steak dengan lapisan yang dikerjakan dengan baik dan langka) - menghentikan proses. Granit tidak memiliki efek ini dan karena itu terus memancar dengan cara yang kurang lebih seragam.

Tanpa eksperimen lebih lanjut, sulit mencapai kesimpulan yang pasti. Eksperimen lebih lanjut menghilangkan efek radiasi akan membuktikan hipotesis.


ini adalah beberapa informasi yang berguna dan beberapa contoh praktis yang bagus menunjukkan granit dan kaca. Kami bertujuan untuk melakukan beberapa tes lagi pada bahan, tetapi membangun heat sink di rumah kaca dan mengelola kenaikan suhu 1 ~ 2C di atas kontrol rumah kaca
Semut

1
Itu awal yang menggembirakan. Jangan lupa semuanya dianggap penting dalam hal penyimpanan termal. 22 watt kecil, tetapi lebih dari 30 menit akan bertambah.
Tandai
Dengan menggunakan situs kami, Anda mengakui telah membaca dan memahami Kebijakan Cookie dan Kebijakan Privasi kami.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.