| FORFATTER | DATO OPRETTET | VERSION | DOKUMENT NUMMER |
|---|---|---|---|
| Dr. Peter Marshall | 9 februar 2017 | V1.5 | CC11 - 00107 |
Introduktion
Dette papir indeholder detaljerede undersøgelser af det bedste glas til beskyttelse af Ceramicx 'kvarts-kassettevarmer, der muliggør bedst mulig transmission af infrarød stråling. Der findes et antal forskellige briller; disse vil imidlertid have forskellige karakteristiske transmissionsspektre på grund af forskellige sammensætninger. Ved at indstille emissionsspektret for elementet til transmissionsspektret af glasset, kan den optimale kombination til opvarmningsproces energieffektivitet identificeres.
Metode
2.1 Materialer
Fem forskellige kvartsglas blev købt, hver med en tykkelse på 3 mm. Det første glas var Ceramicx standardbeskyttelse Robax® glas. Yderligere to briller blev opnået fra Schott-glassets NextremaTM-serie (Materialer 712-3 & 724-3). Yderligere to glas blev hentet fra en anden tredjepart. Disse var gennemsigtige med en let grå nuance og en hvid, uigennemsigtig farve eller frostet udseende.
Hvert glas blev monteret direkte foran et 500W, 230V HQE-element (dimensioner: 123.5 x 62.5mm). Opvarmningsspolen blev anbragt inden for 6 fra de 7-tilgængelige kvartsglasrør med det centrale rør efterladt uopvarmet. Et billede af hvert af 5-brillerne in situ på HQE-varmeapparaterne er vist i figur 1
Dataarket for de tre Schott-briller (NextremaTM 712-3, NextremaTM 724-3 & Robax®) viser de infrarøde transmissionsspektre, der er vist i figur 2. Dette viser, at NextremaTM 712-3 transmitterer ringe eller ingen stråling i det synlige spektrum, i overensstemmelse med materialets mørke farve, mens langt mere stråling overføres af NextremaTM 724-3 (figur 2Error! Reference kilde ikke fundet.) Og Robax® briller. Ved længere bølgelængder er den procentvise stråling transmitteret af NextremaTM 724-3-materialet højere end Robax® glas.
HQE 500W varmeapparatet har en høj spektral effekttæthed (emission) i bølgebåndet til 2 - 4.2μm som vist i spektret (Fejl! Reference kilde ikke fundet.). Derfor kunne det forventes, at glasset med den største transmission i denne region udviser den største varmeflux i eksperimentet. Dette er især vigtigt ved lavere bølgelængder, der er mere energiske end længere bølgelængder.
2.2-metode
Varmeapparaterne blev monteret i Herschel-platformen og tændt. Spændingen blev indstillet således, at effektudgangen var 500 ± 1 W. Opvarmningen fik lov til at varme op i en periode på 10 minutter inden testingen startede. Hver varmeapparat blev testet tre gange for at øge nøjagtigheden.
2.3 Herschel
Ceramicx Herschel varmefluxrobot undersøger den samlede varmeflux (W.cm)-2) der er hændelse på sensoren. Varmeapparater kan monteres i Herschel og analyseres ved hjælp af 3D Infrarød varmeflux kortlægningsrutine. Dette automatiserede system bruger en infrarød sensor, der er robotstyret rundt om et forudbestemt koordinatsnitsystem foran varmeapparatet, der testes. Sensoren har et maksimalt varmefluxniveau på 2.3 W.cm-2 og måler IR i båndet 0.4-10 mikrometer. Koordinatsystemet er et 500mm kubisk gitter foran varmeapparatet, se figur 3. Robotten bevæger sensoren i 25mm-trin langs en serpentinbane i X- og Z-retningen, mens opvarmningsemitteren er monteret på en glidevogn, der trinvis trækkes i 100mm trin langs Y-retningen.
Resultaterne fra maskinen kan omdannes til en procentdel af den samlede forbrugte energi, der returneres som strålevarmeflux fra varmeren. Dette aftager med stigende afstand fra varmeapparatet, når den strålende varmeflux afviger fra varmeapparatet.
Resultater
Resultaterne af testen viser nogle interessante data, som skal fortolkes sammen med transmissions- og emissionsspektre for henholdsvis glas og Ceramicx HQE-varmeelementer. Alle konturplaner blev lavet ved hjælp af den samme farveskala for at sikre visuel sammenligning er mulig.
3.1 NextremaTM 712-3
Dette mørke tonede glas viser ringe eller ingen strålingstransmission i det synlige spektrum (figur 2); dog ved længere bølgelængder er den mere gennemsigtig. Transmissionen falder til <10% i bølgebåndet på ≈ 2.8 - 3.2 μm, men genopretter til ≥40% i området 3.5 - 4.2 μm.
Resultaterne viser, at der ved 100mm er en maksimal effekttæthed på 0.6 W. cm-2som vist i figur 4. Dette viser, at den maksimale varmeflux, som forventet, kommer fra midten af elementet og aftager koncentrisk med afstanden fra midten af elementet.
En lignende plot kan produceres i alle afstande fra varmeapparatet; den generelle tendens med faldende varmeflux fra elementcentret er imidlertid den samme.
Tilsvarende falder den registrerede procentvise radiative varmeflux, når afstanden fra elementet øges (langs y-aksen) som angivet i afsnit 2.3. Størrelsen på dette fald er vist i figur 5
3.2 NextremaTM 724-3
Det gennemsigtige NextremaTM-glas (724-3) viser en lidt højere varmestrøm end 712-3-glasset. Dette skyldes primært dets bedre gennemsigtighed (~ 90%) i de mere energiske synlige og nær-IR-regioner (0.5 <λ <2.8 um). Når det kombineres med kvartselementets emissionsspektrum, ses en bedre match, hvilket bekræftes af den højere varmestrøm registreret på kortet (figur 6)
Faldet i energi, der detekteres som en funktion af afstanden fra varmeren, svarer meget til det, der er vist i figur 5 for det samme element med 712-3 beskyttelsesglas.
3.3 Robax®
Robax® glas viser en markant højere varmeflux ved det centrale punkt af elementet, der ligger uden for den generelle skala, der blev anvendt, som vist i figur 7. I dette tilfælde er den maksimale strålende varmeflux 0.80 W. cm-2. Den højere varmeflux i midten er tegn på større transmission på grund af højere kildetemperatur (kortere IR-bølgelængder).
Årsagen til denne lidt bedre ydeevne er den øgede IR-transmission i det primære bånd (0.4 <λ <2.8 μm). For Robax®-glas opstår transmissionsfaldet ved en lidt længere bølgelængde, hvilket øger output fra varmelegemet. Den nedsatte og smallere båndbredde for transmission i det sekundære bånd (3.2 <λ <4.2 μm) har ikke den samme indflydelse, da disse bølgelængder ikke er så energiske som de kortere bølgelængder. Den samlede varmestrøm registreret ved 100 mm er som forventet lidt højere end for de briller, der er undersøgt i afsnit 3.1 og 3.2 på grund af glassets forbedrede transmissionsegenskaber. Dette er vist i figur 8 nedenfor.
3.4 Frostet glas
Varmefluxkortet for den frostede glasbeskyttede varmeovn er vist i figur 9. Dette viser et lignende mønster af energiemission fra varmeapparatet som dem, der er beskrevet ovenfor. Den detekterede varmefluxstørrelse er højere end dem med NextremaTM beskyttelse, men lavere end Robax® glas. Da der ikke er noget transmissionsspektrum til rådighed for dette materiale, kan der ikke gives indsigt i årsagerne til dette.
Når afstanden mellem emitteren og varmeflukssensoren øges, falder den detekterede varmeflux. Den procentvise varmeflux detekteret ved 100mm er lavere end for Robax® glas, der er vist i figur 7, men højere end NextremaTM briller.
3.5 Gennemsigtig glas
Varmefluxkortet til det gennemsigtige glas er vist i figur 11. Dette viser en meget lille mærkbar forskel med det frostede glasmateriale, der blev undersøgt i sektion 3.4, hvilket indikerer meget lille ændring i glassets transmissionsspektrum i det aktive bølgebåndregion (2-4.2μm).
Den samlede varmeflux er lidt forhøjet sammenlignet med den i det frostede glas; det er dog stadig under Robax® glas. Uden transmissionsspektrumdata kan der ikke gives nogen forklaring på denne observation.
Tabel 1 viser den gennemsnitlige maksimale varmeflux, der blev registreret for elementet på tværs af de tre udførte tests samt den gennemsnitlige procentvise varmeflux registreret ved 100 og 200mm fra elementoverfladen. Dette indikerer, at de to NextremaTM og de frostede briller fungerede dårligt, men der er ikke meget at adskille Robax® og de gennemsigtige briller.
Et målefænomen forekommer under kortvarme-flux-kortlægning, hvor den indledende aflæsning er en referenceværdi, der er betegnet som nul, og hver registreret værdi måles i forhold til dette. Ved korte adskillelser kan varmefluxen derfor registreres som negativ, hvilket giver anledning til de ufarvede områder i konturplanerne.
Normalisering af rådataene afslører, at Robax® og Transparent-brillerne faktisk er det mest effektive glas til transmission af strålingen, som vist i tabel 2.
Da der ikke er tilgængelige spektrale data for det gennemsigtige glas, er det ikke muligt at give en endelig grund til, hvorfor forskellen mellem dette og Robax® forekommer, og om det er gennemsigtighedsniveauet i det synlige / nær-IR (0.5 - 2.8μm) eller i mellembølgeregionen (≥3 μm).
Det bemærkes, at den maksimale varmeflux, der er registreret for Robax® er højere end for det gennemsigtige glas. Dette kan indikere en ændring i den infrarøde gennemsigtighed som en funktion af temperaturen med Robax® bliver mere gennemsigtig ved de forhøjede temperaturer, der ses i elementets centrale del.
Konklusion
Resultaterne af eksperimentet ovenfor viser, at Robax® glas, der i øjeblikket bruges af Ceramicx, til at beskytte dets varmeapparater besidder en af de bedste IR-transmissionsegenskaber til kvarts-kassetvarmere. Dette skyldes, at transmissionsspektret for dette glas er maksimalt i det aktive bølgebånd på varmeapparatet.
For optimal opvarmning skal beskyttelsesglasets transmissionsspektrum matches med det emissionsspektrum for varmelegemet, som det beskytter. I dette tilfælde skal glasset være så gennemsigtigt som muligt i 1 - 3.2 um bølgebånd.
Det skal bemærkes, at elementets effekttæthed og en række andre faktorer vil påvirke resultaterne af dette eksperiment. Hvis strømmen pr. Enhedsareal for elementet ændres, ændres resultaterne. Desuden er resultaterne, der er indikeret i dette eksperiment, ikke repræsentative for en konfiguration af pladetypen.
1 En 1000W FQE og 500W HQE har den samme effektdensitet og derfor lignende emissionskarakteristika
Ansvarsfraskrivelse
Disse testresultater skal overvejes omhyggeligt, inden der fastlægges, hvilken type infrarød emitter, der skal bruges i en proces. Gentagne test udført af andre virksomheder opnår muligvis ikke de samme fund. Der er en mulighed for fejl ved opnåelse af opsætningsbetingelserne og variabler, der kan ændre resultaterne inkluderer: mærket anvendt emitter, effektiviteten af emitteren, den leverede effekt, afstanden fra det testede materiale til den anvendte emitter og miljø. De steder, hvor temperaturerne måles, kan også variere og påvirker derfor resultaterne.
