バックグラウンド

私は温室ヒートシンクを構築するために大学のプロジェクトで小さなチームと協力しています。これにより、温室の上部にある暖かい空気が、暖かい空気を吸収して保存するための材料で満たされた地下室を通過します。2つのプロトタイプの温室があります。1つはベースライン測定のコントロールとして機能し、もう1つはヒートシンクを備えています。

セットアップ

私は最終的なプロトタイプ用にいくつかの温度センサーとロガーを構築しましたが、いくつかの予備テストがさまざまな材料で行われています：

1. 15〜25mmの花崗岩チップ、不規則な形状
2. 強化ガラスは約7-15mmの小さな断片に砕かれ、少なくとも2つの側面は平らです
3. コンクリート破片30〜80 mm、不規則な形状- テストは完了していません

これらを5 Lの箱に入れました。箱の下部には小さなファンと配管があり、チャンバーに空気を吹き込み、箱の底にあるパイプの6 mmの穴から空気を放出します。ボックスの上部は、ファン付きのチューブと同じ直径のベントを除いて密閉されています。PT1000温度センサーも各材料の中心に挿入され、毎秒の測定値を取得します。これがテストボックスの画像です。

手順

両方の材料の小さいサンプルで自由空間が計算され、花崗岩では42％、ガラスでは43％の大まかな数値が得られました。次に、花崗岩とガラスの2つのテストが行​​われました。

1. 両方とも数時間外で約5.5°Cに冷却され、その後部屋に持ち込まれ、ファンをオンにして1時間放置されました。温度は、材料が室温まで温まったときに記録されました。
2. 最初のテスト後、材料を冷凍庫に入れて-20°Cに冷却し、温度を再度記録しました。

結果

以下に示すように、ガラスは両方のデータセットでウォームアップと冷却の遅れを示し、その後温度変化はより線形になります。一方、花崗岩は全体的に温度の線形変化を示します。

ガラスの加温（x軸秒、y軸温度）

ガラス冷却（x軸秒、y軸温度）

花崗岩の温暖化（x軸秒、y軸温度）

花崗岩の冷却（x軸秒、y軸温度）

ご質問

現在、結果について議論しており、収集したデータに関する専門家の意見に興味があります。データは興味深いものであり、正しく解釈しています。具体的には：

• ガラスの破片の形状により、より連動する形状が可能になり、空気の流れがより制限される可能性がありますが、これにはまだより線形の温度変化があるのではないでしょうか？
• ガラスのデータは、材料の小さな熱膨張の変化によるものですか？
• ガラスの熱伝導率は花崗岩よりも低くなっていますが、これが遅れの原因ですか？

1つは2つの材料間の熱伝達係数の違い、2）2つの材料の熱容量の違いです。

1. 熱伝達係数は、空気と固体の間の物理的界面に依存します。材料の表面積と気流の量の両方が考慮されます。前述のように、粒子が小さいほど表面積は大きくなりますが、気流に対する制限が大きくなります。実験的に決定しなければならないかもしれない幸せなバランスがあります。

2. シンク材料の熱容量は、材料の温度が周囲温度の変化に応答する速度を決定します。これが高いほど、シンクのパフォーマンスが向上します。密度と比熱の増加は、より良いヒートシンク材料になります。これは、岩のサイズや気流の速度とは無関係です。熱容量が大きいほど、常に優れています。

曲線の形状については、温度の変化によって変化率が変化するため、この場合は温度変化率が線形になるとは思いません。それは指数関数的な関係です。花崗岩の温暖化曲線は、熱交換器での対流による冷却/加熱で予想されるものに最も似ています。曲線の形状はかなり予測可能であり、 -bxの形の曲線に適合させることにより、室温が約24℃であると予測できます。ガラス冷却の最初の温度上昇は、特に困惑しています。$T = C-A e^{-b x}$

私の仮説は、ガラスが花崗岩の代わりに高原を持っているためです。ガラスは花崗岩の代わりに赤外線照明を反射するため、ほとんどの放射熱伝達を遮蔽します。

前提条件： 340mm x 200mm x 125mmの寸法の5Lボックスをオンラインで見つけました-絶縁された底面を使用すると、ボックスの表面積は0.203平方メートルになります。いくつかの計算に基づいており、ここで与えられた放射率 s を使用すると、「加熱サイクル」の間、1600秒のプラトーの過程で、ガラスが22Wの速度で輻射のために熱を失うことになります-Wolframは私に言いますそれは約6.53Kの変更でしたが、ボックスはその変更を受けませんでした。

実験が合計15Kの変化を監視していたことを考えると、これは熱伝達の重要な部分です。したがって、ファンは実際には熱仕事のごく一部しか実行しておらず、放射はかなりの部分を占めています。

で赤外線スペクトルこの熱の大半が失われてしまう、ガラス、花崗岩は非常に異なる動作をするように見えます。 花崗岩は、リンクされた画像ではやや透明に見えます。これは、画像のエッジがぼやけているという事実に基づいています-不透明である場合、配管のエッジがホットスポットで鮮明になります（リンクされたガラスのビデオなど）-しかし、私は放射線の専門家ではありません材料の特性。 ガラスはビデオの赤外線放射を遮断するだけでなく、ビデオによると放射を反射するようです。それが理にかなっている、それが温室の働きです。

これは、センサーが直接材料の箱の真ん中にあるため、ガラスの層が連続的に熱伝達を反射し続けることを意味します（よくできて珍しい層のあるステーキを想像してください）-プロセスを停止します。花崗岩はこの効果がなかったため、ほぼ均一に放射し始めました。

さらなる実験がなければ、決定的な結論に達するのは困難です。放射線の影響を取り除くさらなる実験は、仮説を証明するでしょう。