Σύγκριση αλουμινίου και χάλυβα ως προς τις θερμικές τους ιδιότητες σε χρήση τους ως ηλιακά κάτοπτρα και μελέτη γήρανσης δοκιμίων πολυαιθυλενίου

Abstract

Η παρούσα πειραματική διπλωματική εργασία χωρίζεται σε δύο μέρη. Στο πρώτο μέρος, αναλύεται ένα πείραμα που πραγματοποιήθηκε με σκοπό την σύγκριση υλικών χρησιμοποιούμενων σε ηλιακά θερμικά συστήματα. Πιο συγκεκριμένα τα υλικά που μελετήθηκαν ως προς τις ιδιότητες απορρόφησης της ηλιακής ενέργειας ήταν αλουμίνιο και χάλυβας καθώς και περιπτώσεις μοντέλων αφροδών καταστάσεων αλουμινίου και χάλυβα. Για την μελέτη των υλικών κατασκευάστηκαν απλές θερμιδομετρικές διατάξεις που αποτελούνταν από κατάλληλως θερμικά μονωμένα κουτιά ώστε να μελετήσουμε την απορρόφηση της ακτινοβολίας και την μετατροπή της σε θερμότητα από το κάθε υλικό, μέσω της μέτρησης της επιφανειακής θερμοκρασίας που αναπτύσσεται σε κάθε ένα από αυτά. Η θερμοκρασία που αναπτυσσόταν σε κάθε υλικό καταγραφόταν με τη βοήθεια μιας θερμοκάμερας, με ακρίβεια ενός δεκαδικού. Επίσης έγινε μία εκτενής αναφορά στους τρόπους μετάδοσης θερμότητας, σε βασικές αρχές της οπτικής (ανάκλαση, διάθλαση, διάχυση του φωτός) αλλά μελετήθηκαν επίσης, όσον αφορά τις γενικότερες ιδιότητες τους κυρίως, και τα υλικά τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στο πείραμα, το αλουμίνιο και ο χάλυβας. Το κύριο συμπέρασμα που προκύπτει από την πραγματοποίηση των παραπάνω πειραμάτων είναι ότι ο χάλυβας βρέθηκε να απορροφάει την μεγαλύτερη θερμότητα και είχε τις μικρότερες απώλειες ενέργειας προς το εξωτερικό περιβάλλον. Ειδικότερα σε κλίση 45ο, που είναι και η βέλτιστη κλίση των ηλιακών θερμικών συστημάτων στη χώρα μας, ο χάλυβας ανέπτυσσε πολύ μεγαλύτερες θερμοκρασίες συγκριτικά με το αλουμίνιο. Ένα επίσης σημαντικό πλεονέκτημα του αφρώδη χάλυβα είναι το γεγονός ότι παρόλο που η θερμοκρασία στην επιφάνεια του αυξανόταν με πολύ πιο αργό ρυθμό σε σχέση με το αλουμίνιο, (λόγω της μεγαλύτερης θερμικής αγωγιμότητας του αλουμινίου), όταν επικρατούσαν συνθήκες διάχυτου φωτός (συννεφιάς) το αλουμίνιο έχανε πολύ γρήγορα την θερμότητα του, ενώ ο χάλυβας παρουσίαζε καλύτερη φαινόμενη θερμοχωρητικότητα, η θερμοκρασία του έπεφτε με αρκετά πιο αργό ρυθμό και διατηρούσε υψηλότερη θερμοκρασία σε συνθήκες θερμικής ισορροπίας ακόμη και από τον ίδιο τον συμπαγή χάλυβα. Στο δεύτερο μέρος μελετάται αναλυτικά το φαινόμενο της γήρανσης (φυσική και τεχνητή) στα υλικά, και πιο συγκεκριμένα στο πολυαιθυλένιο. Το δεύτερο πείραμα που πραγματοποιήθηκε, είναι η γήρανση δοκιμίων πολυαιθυλενίου διπλής στρώσης με εγκλωβισμένο αέρα στο ενδιάμεσο των στρώσεων, σε ειδικό θάλαμο επιταχυνόμενης γήρανσης όπου προσομοίαζε κατάλληλα τις εξωτερικές περιβαλλοντικές συνθήκες. Σκοπός του πειράματος αυτού ήταν η παρατήρηση αλλαγών στις μηχανικές ιδιότητες των δοκιμίων πολυαιθυλενίου, σε πείραμα μονοαξονικού εφελκυσμού πριν και μετά την γήρανση. Το πείραμα εφελκυσμού πραγματοποιήθηκε στην μηχανή εφελκυσμού Instron, στο εργαστήριο Πολυμερών του κτιρίου Αντοχής Υλικών. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων εφελκυσμού επεξεργάστηκαν μέσω του λογισμικού Origin και προέκυψαν καμπύλες δύναμης- επιμήκυνσης και για τα μη γηρασμένα αλλά και για τα γηρασμένα δοκίμια, και τα συμπεράσματα της σύγκρισης αυτής παρουσιάζονται στο τέλος του δεύτερου μέρους της διπλωματικής. Η σημαντικότερη παρατήρηση που προκύπτει από τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν είναι πως η γήρανση των δοκιμίων πολυαιθυλενίου επέφερε σημαντική μείωση στην αντοχή τους σε πείραμα εφελκυστικής καταπόνησης, ελαττώνοντας σημαντικά και το μέτρο ελαστικότητας τους. Ενδεχομένως λοιπόν τα υλικά αυτά θα πρέπει να ενισχυθούν με προστατευτικά για την υπεριώδη ακτινοβολία για την χρήση τους σε ηλιακά θερμικά συστήματα.

The present experimental diploma thesis is separated in two parts. In the first part, is analyzed an experiment that was realised aiming at the comparison of materials used as solar mirrors. Specifically the materials that were studied as for the attributes of absorption of solar energy were aluminium and steel as well as cases of models of sparkling situations of aluminium and steel. For the study of materials were manufactured simple calorimetric provisions that were constituted by suitably thermal insulated boxes so that we study the absorption of radiation and her transformation in heat from each material, via the measurement of surface temperature that is developed in each one of them. The temperature that was developed in each material was recorded with the help of a thermal camera, with precision of one decimal. Also became an extensive report in the ways of transmission of heat, in basic principles of optics (reflection, diffraction, diffusion of light) but was studied also, with regard to their general attributes mainly, and the materials which were used in the experiment, aluminium and the steel that is to say. The main conclusion that results from the realisation of the above experiments is that the steel found to absorb the biggest heat and had the smallest losses of energy to the exterior environment. More specifically in bent 45th, that is also the most optimal bent of solar thermal systems, developed much bigger temperatures comparatively with aluminium. Also an important advantage foamy steel is the fact that even if the temperature in his surface increased with much more slow rhythm concerning aluminium, (because the bigger thermal conductivity of aluminium), when prevailed conditions of diffusion light (cloudless) the aluminium lost very fast his heat, while the steel presented better heat capacity and his temperature fell with enough more slow rhythm and maintained higher temperature in conditions of thermal balance even from himself the compact steel. In the second part is studied analytically the phenomenon of ageing (natural and artificial) in the materials, and more concrete in polyethylene. The second experiment that was realised, is the ageing of essays of polyethylene of double layer with trapped air in the intermediary of layers, in special booth of accelerating ageing where simulated suitably the exterior environmental conditions. Aim of this experiment was the observation of changes in the mechanic attributes of essays of polyethylene, in a single-axis tension experiment , before and afterwards the ageing. The tension experiment was realised in the tension machine Instron, in Polymers laboratory of building of Resistance of Materials. The results of tension experiments processed via computational Origin and resulted curve of tendency of elongation and for not aging but also for the aging essays, and the conclusions of this comparison are presented in the end of second part of diplomatic. The more important observation that results from the experiments that were realised they are that the ageing of essays of polyethylene it involved important reduction in their resistance in tensile load experiment decreasing considerably and their metre of elasticity. Potentially therefore these materials should be strengthened with protective for the ultraviolet radiation for their use in solar thermal systems.