Koelen van metalen buizen

Introductie¶

In het boek wordt in hoofdstuk 2 geschreven over warmtetransport. Dat kan op drie manieren plaatsvinden. Het is niet eenvoudig om deze drie verschillende vormen uit elkaar te houden. In het vak ‘Fysische Transportverschijnselen’, dat in het tweede jaar wordt gegeven, zal je zien dat de natuurkunde achter deze verschillende vormen van warmtetransport ook best ingewikkeld is.

In deze proef proberen we een inschatting te maken van de ordegrootte van de verschillende vormen van warmtetransport bij de koeling van een metalen buis aan lucht.

Theorie¶

Volgens Newton’s wet van afkoeling is de snelheid waarmee een voorwerp afkoelt evenredig met het verschil in de temperatuur van het voorwerp ( $T$ ) en de omgeving ( $T_0$ ). We kunnen dit schrijven als:

\dot{Q} = -hA(T(t) - T_0),

(1)

waarin

$\dot{Q}$ de warmtestroom in $\mathrm{W}$ ,
$A$ het oppervlak waardoor koeling optreedt in $\mathrm{m}^2$ ,
$h$ de warmteoverdrachtscoëfficiënt in $\mathrm{W/(m^2 K)}$ .

Dit levert de differentiaalvergelijking

C\dot{T} = -hA(T(t) - T_0),

(2)

met $C$ de warmtecapaciteit in $\mathrm{J/kg}$ . Herschrijven met $\tau = \frac{C}{hA}$ levert:

-\tau\dot{T} = T(t) - T_0,

(3)

met als oplossing:

T(t) - T_0 = (T(0) - T_0)\text{e}^{-t/\tau}.

(4)

We kunnen hieruit dus concluderen dat $\tau$ de karakteristieke tijdsduur is waarin de temperatuur van de buis een factor $\text{e}$ verlaagd ten opzichte van de omgevingstemperatuur.

We zijn hier voor het gemak uitgegaan van een $h$ die onafhankelijk is van de temperatuur. We weten echter dat warmtetransport door straling niet lineair gaat, maar als

\dot{Q}_s = \epsilon \sigma A (T^4 - T_0^4).

(5)

Voor kleine temperatuurverschillen ( $\Delta T = T - T_0$ ) is dit te vereenvoudigen tot

\dot{Q}_s = \epsilon \sigma A ((T_0+\Delta T)^4 - T_0^4) \approx \epsilon \sigma 4A T_0^3 \Delta T.

(6)

Zolang $\Delta T$ dus relatief klein is ten opzichte van $T_0$ , kunnen we $h$ dus inderdaad als een constante beschouwen.

Methode en materialen¶

Ontwerp¶

Materialen¶

standaard met twee thermisch geïsoleerde grijparmen
metalen buis me bijpassende dop
thermometer (infrarood of thermokoppel)
knijper voor bevestigen thermokoppel op buis
warm water tussen 60 en 80 graden Celsius
(evt) schuifmaat voor bepalen dimensies buis

Procedure¶

Stop de buis in warm water en laat deze gedurende een paar minuten zitten om thermisch evenwicht te bereiken. Beantwoord ondertussen de volgende vragen met behulp van de tabel:

Materiaal	$\rho$ in $\text{kg/m}^3$	$C$ in $\text{J} / \text{(kg K)}$
messing	8,73E3	3,8E2
aluminium	2,7E3	8,8E2
staal	7,9E3	4,7E2

Pak de buis op met thermisch isolerende handschoenen (of direct met de geïsoleerde grijparm) en plaats deze in de grijparm met isolatieschoentjes. Positioneer de thermometer voor optimale temperatuurlezing. Meet als functie van tijd hoe lichaam koelt. Wacht voldoende lang zodat je de karakteristieke tijd $\tau$ voor de afkoeling kan bepalen.

Doe dit voor twee of drie configuraties:

De buis met de as in verticale richting en afgesloten met dop.
De buis met de as in verticale richting zonder dop.
(alleen bij voldoende tijd) De buis met de as in horizontale richting en afgesloten met dop.

Data analyse¶

Bepaal de karakteristieke tijd $\tau$ waarin de temperatuur van buis afneemt. Deze kan verschillend zijn voor de drie bovenstaande configuraties.
Bereken hieruit de warmteoverdrachtscoëfficiënt.
Vergelijk je resultaten met je groepsgenoten die een vergelijkbare buis hebben gemeten (dit kan klassikaal).
Welk deel van de warmteoverdrachtscoëfficiënt verwacht je dat gegeven is door de geleiding, straling en convectie? Onderbouw je redenering.

Resultaten¶

import numpy as np
from scipy.optimize import curve_fit
import matplotlib.pyplot as plt

times = np.array([0,10,20,30,40,50,60,70,90,100,110,120,130,140,150,160,170,180,190,200,210,220,230,240,250,260,270], dtype=float)
temps = np.array([49.7,49.5,48.7,48.2,47.4,46.6,46.0,45.3,44.0,43.4,42.7,42.3,41.7,41.3,40.8,40.4,40.0,39.6,39.1,38.7,38.4,38.1,37.7,37.4,37.0,36.7,36.4], dtype=float)

T0 = 21.5  # temperatuur omgeving

def exp_fixed_T0(t, A, tau):
    return A*np.exp(-t/tau) + T0

# fit met vaste omgevingstemperatuur
popt, pcov = curve_fit(exp_fixed_T0, times, temps, p0=[temps[0]-T0, 300], maxfev=10000)
A_exp, tau_exp = popt

t_plot = np.linspace(times.min(), times.max(), 300)
T_fit = exp_fixed_T0(t_plot, A_exp, tau_exp)

plt.figure()
plt.plot(times, temps, "bo", label="metingen")
plt.plot(t_plot, T_fit, "r-", label="fit")
plt.xlabel("tijd [s]")
plt.ylabel("temperatuur [°C]")
plt.legend()
plt.grid(True, alpha=0.3)
plt.show()

# afmetingen koelbuis
L = 0.1531 # lengte in m
D = 0.05 # diameter in m 
r = D/2 # buitensstraal in m 
t = 0.0015 # wanddikte in m
ri = r - t # binnensstraal in m

# oppervlakte berekenen
A_mantel = np.pi*D*L
A_einden = 2*np.pi*r**2
A = A_mantel + A_einden  

# materiaal (messing)
rho = 8.73e3 # in kg/m^3
c = 3.8e2 # in J/(kg*K)

# massa en warmtecapaciteit berekenen
V = np.pi*(r**2 - ri**2)*L # in m^3
m = rho*V # in kg
C = m*c  # in J/K

h = C/(tau_exp*A) # in W/(m^2*K)

# onzekerheden bepalen
A_u, tau_u = np.sqrt(np.diag(pcov))
h_u = h * (tau_u/tau_exp)

print("De warmteoverdrachtscoefficient is", h, "+/-", h_u, "W/(m^2 K)")

De warmteoverdrachtscoefficient is 10.281793968429778 +/- 0.11482384933133961 W/(m^2 K)

Conclusie¶

De warmtecapaciteit van het koelbuis systeem is bepaald door de massa en de specifieke warmtecapaciteit van het materiaal (messing). De berekende warmteoverdrachtscoefficient is 10.281793968429778 +/- 0.11482384933133961 W/(m^2 K)

Discussie¶

De meeste fouten komen niet door de fit van de data, maar door andere factoren zoals de schatting van de warmtecapaciteit, onnauwkeurigheden in de temperatuurmeting en de schatting van de omgevingstemperatuur. Daarnaast kan de aanname dat de warmteoverdrachtscoëfficiënt constant is, leiden tot afwijkingen, vooral als de temperatuurverschillen groter zijn dan verwacht. Het is ook mogelijk dat er extra warmteverliezen zijn door straling of convectie van de lucht die niet zijn meegenomen in de berekeningen. Toekomstige experimenten zouden meetapparatuur die accurater zijn kunnen gebruiken en een beter gecontroleerde omgeving om deze fouten te verminderen.