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¶

# Hier de data en de analyse

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



def exp_func(t, A, tau):
    # vaste omgevingstemperatuur
    T_omg = 29.0  # bijvoorbeeld, kies ~laatste meetwaarde of gemeten lokaaltemperatuur
    return A * np.exp(-t/tau) + T_omg

tijd_1 = np.array([0,10,20,28,37,44,52,60,66,76,85,93,103,113,123,137,148,160, 
                  172,184,197,210,223,240,256,270,286,310,327,340,355,370,
                  404,426])
tijd_2 = np.array([47.1,45.5,45,44.4,43.2,42.7,41.2,40.7,40.2,39.7,39.2,38.7,
                   38.2,37.8,37.3,36.8,35.8,35.3,34.8,34.4,34.3,33.8,33.4,
                   32.8,32.4,31.9,31.4,31,30.6,30.3,30.0,29.5,29.3,28.9])

# goede startwaarden
A0 = tijd_2[0] - 29.0   # beginverschil
tau0 = 300.0            # orde van grootte in seconden

popt, pocv = curve_fit(exp_func, tijd_1, tijd_2, p0=[A0, tau0], bounds=([0, 0], [np.inf, np.inf]))
A_exp, tau_exp = popt

print("A_exp =", A_exp)
print("tau_exp =", tau_exp)

# plot
T_omg = 29.0
y_fit = exp_func(tijd_1, *popt)

plt.figure()
plt.xlabel('Tijd [s]')
plt.ylabel('Temperatuur [°C]')
plt.plot(tijd_1, tijd_2, 'o', label='datapunten')
plt.plot(tijd_1, y_fit, 'r-', 
         label=f'T = {A_exp:.2f} e^(-t/{tau_exp:.1f}) + {T_omg:.1f}')
plt.legend()
plt.show()


buitenoppervlak = 0.00974  # m^2, mantel + dop (zoals eerder uitgerekend)
warmtecapaciteit = 156     # J/K, b.v. voor massieve messingbuis

h_exp = warmtecapaciteit / (tau_exp * buitenoppervlak)
print("h_exp =", h_exp, "W/(m^2 K)")

A_exp = 18.142280783428216
tau_exp = 147.9730376258281

h_exp = 108.23882081290185 W/(m^2 K)

Discussie en conclusie¶

Uit de afkoelcurve van de metalen buis is een tijdsconstante tau bepaald waarmee, in combinatie met het oppervlak en de warmtecapaciteit van de buis, de warmteoverdrachtscoëfficiënt h is berekend. De uiteindelijke waarde ligt rond de 108 W/(m^2)K, wat aangeeft dat de buis relatief snel warmte verliest aan de omringende lucht. De afkoeling volgt goed het exponentiële gedrag dat voorspeld wordt door Newtons wet van afkoeling, wat bevestigt dat het model bruikbaar is voor dit temperatuurbereik. De gevonden waarde van h is hoger dan verwacht op basis van natuurlijke convectie en straling alleen. Dit komt waarschijnlijk doordat de warmtecapaciteit C aanvankelijk is overschat: de buis is hol, maar in de berekening is eerst uitgegaan van een massieve cilinder. Een te grote C leidt direct tot een te grote h. Daarnaast kan het effectieve koeloppervlak kleiner zijn dan aangenomen, bijvoorbeeld door isolatie van de grijparm of doordat delen van de buis niet volledig vrij in de lucht hangen. Ook meetruis in de temperatuurdata en onzekerheid in de omgevingstemperatuur beïnvloeden de fit. Ondanks deze afwijkingen laat de proef duidelijk zien dat convectie het dominante warmtetransportmechanisme is, met straling als kleinere maar niet verwaarloosbare bijdrage.