| AUTOR | DATUM ERSTELLT | VERSION | DOKUMENTNUMMER |
|---|---|---|---|
| Dr. Peter Marshall | 9 Februar 2017 | V1.5 | CC11 - 00107 |
Einführung
In diesem Artikel werden Untersuchungen zu den besten Gläsern zum Schutz der Quarz-Heizkassetten von Ceramicx durchgeführt, die die beste Übertragung von Infrarotstrahlung ermöglichen. Es sind verschiedene Gläser erhältlich. Diese weisen jedoch aufgrund unterschiedlicher Zusammensetzungen unterschiedliche charakteristische Transmissionsspektren auf. Durch Abstimmung des Emissionsspektrums des Elements auf das Transmissionsspektrum des Glases kann die optimale Kombination für die Energieeffizienz des Heizprozesses ermittelt werden.
Methodik
2.1-Materialien
Es wurden fünf verschiedene Quarzgläser mit einer Dicke von jeweils 3 mm bezogen. Das erste Glas war Ceramicx Standardschutz Robax® Glas. Zwei weitere Gläser wurden aus der NextremaTM-Reihe von Schott Glass (Materials 712-3 & 724-3) erhalten. Weitere zwei Gläser wurden von einem anderen Dritten bezogen. Diese waren transparent mit einem leichten Grauton und einer weißen, undurchsichtigen Farbe oder einem mattierten Aussehen.
Jedes Glas wurde direkt vor ein 500W, 230V HQE-Element montiert (Abmessungen: 123.5 x 62.5mm). Die Heizspirale wurde in 6 der 7-verfügbaren Quarzglasröhren platziert, wobei das Zentralrohr unbeheizt blieb. Ein Bild jeder 5-Brille in situ auf den HQE-Heizungen ist in Abbildung 1 dargestellt
Das Datenblatt für die drei Schott-Gläser (NextremaTM 712-3, NextremaTM 724-3 & Robax®) zeigt die Infrarot-Transmissionsspektren, die in Abbildung 2 dargestellt sind. Dies zeigt, dass der NextremaTM 712-3 nur wenig oder gar keine Strahlung im sichtbaren Bereich durchlässt, was mit der dunklen Farbe des Materials vereinbar ist, wohingegen der NextremaTM 724-3 (Abbildung 2Error! Referenzquelle nicht gefunden) und Robax weitaus mehr Strahlung durchlassen® Brille. Bei längeren Wellenlängen ist die prozentuale Strahlung, die vom NextremaTM 724-3-Material übertragen wird, höher als die des Robax® Glas.
Das HQE 500W-Heizelement hat eine spektrale Spitzenleistungsdichte (Emission) im Wellenbereich von 2 - 4.2μm, wie im Spektrum gezeigt (Fehler! Referenzquelle nicht gefunden.). Daher ist zu erwarten, dass das Glas mit der größten Transmission in diesem Bereich den größten Wärmefluss im Experiment aufweist. Dies ist besonders wichtig bei niedrigeren Wellenlängen, die energiereicher sind als längere Wellenlängen.
2.2-Methode
Die Heizungen wurden in die Herschel-Plattform eingebaut und mit Strom versorgt. Die Spannung wurde so eingestellt, dass die Ausgangsleistung 500 ± 1 W betrug. Man ließ das Heizgerät vor Beginn des Tests für einen Zeitraum von 10 Minuten aufheizen. Jedes Heizelement wurde dreimal getestet, um die Genauigkeit zu erhöhen.
2.3 Herschel
Der Ceramicx Herschel Wärmestromroboter untersucht den gesamten Wärmestrom (W.cm.-2), der auf den Sensor auftrifft. Heizungen können im Herschel montiert und mithilfe der Infrarot-Wärmestrom-Mapping-Routine 3D analysiert werden. Dieses automatisierte System verwendet einen Infrarotsensor, der vor dem zu testenden Heizstrahler robotisch um ein vorbestimmtes Koordinatengittersystem geführt wird. Der Sensor hat einen maximalen Wärmestrom von 2.3 W.cm.-2 und misst die IR in der Bande 0.4-10 Mikrometer. Das Koordinatensystem ist ein kubisches 500mm-Gitter vor dem Heizstrahler, siehe Abbildung 3. Der Roboter bewegt den Sensor in 25mm-Schritten entlang einer Serpentinenbahn in X- und Z-Richtung, während der Heizstrahler auf einem Schlitten montiert ist, der in 100mm-Schritten entlang der Y-Richtung inkrementiert.
Die Ergebnisse der Maschine können in einen Prozentsatz der insgesamt verbrauchten Energie umgewandelt werden, die als Strahlungswärmestrom von der Heizung zurückgegeben wird. Diese nimmt mit zunehmender Entfernung vom Heizgerät ab, da der Strahlungswärmestrom vom Heizgerät abweicht.
Ergebnisse
Die Testergebnisse zeigen einige interessante Daten, die neben den Transmissions- und Emissionsspektren von Glas- bzw. Ceramicx-HQE-Heizelementen interpretiert werden müssen. Alle Konturdiagramme wurden mit der gleichen Farbskala erstellt, um einen visuellen Vergleich zu ermöglichen.
3.1 NextremaTM 712-3
Dieses dunkel getönte Glas zeigt im sichtbaren Spektrum nur eine geringe oder keine Strahlungsübertragung (Abbildung 2). Bei längeren Wellenlängen ist es jedoch transparenter. Die Transmission fällt im Wellenbereich von ≈ 10 - 2.8 μm auf <3.2% ab, erholt sich jedoch im Bereich von 40 - 3.5 μm auf ≥ 4.2%.
Die Ergebnisse zeigen, dass bei 100mm eine Spitzenleistungsdichte von 0.6 W.cm vorliegt-2, wie in Abbildung 4 gezeigt. Dies zeigt, dass der Spitzenwärmefluss wie erwartet von der Mitte des Elements ausgeht und konzentrisch mit dem Abstand von der Mitte des Elements abnimmt.
Ein ähnliches Diagramm kann für alle Abstände von der Heizung erstellt werden; Der allgemeine Trend zur Abnahme des Wärmeflusses vom Elementzentrum ist jedoch der gleiche.
In ähnlicher Weise nimmt der prozentuale Strahlungswärmefluss mit zunehmendem Abstand zum Element (entlang der y-Achse) ab, wie in Abschnitt 2.3 angegeben. Das Ausmaß dieser Abnahme ist in Abbildung 5 dargestellt
3.2 NextremaTM 724-3
Das transparente NextremaTM-Glas (724-3) zeigt einen etwas höheren Wärmefluss als das 712-3-Glas. Dies ist hauptsächlich auf die bessere Transparenz (~ 90%) in den energetischeren sichtbaren Bereichen und im nahen IR-Bereich (0.5 <λ <2.8 μm) zurückzuführen. In Kombination mit dem Emissionsspektrum des Quarzelements wird eine bessere Übereinstimmung erzielt, die durch den in der Karte aufgezeichneten höheren Wärmefluss bestätigt wird (Abbildung 6).
Die in Abhängigkeit vom Abstand zum Heizgerät festgestellte Energieverringerung ist der in Abbildung 5 für dasselbe Element mit 712-3-Schutzglas gezeigten sehr ähnlich.
3.3 Robax®
Der Robax® Glas zeigt einen deutlich höheren Wärmefluss im Mittelpunkt des Elements, der von der angewendeten allgemeinen Skala abweicht, wie in Abbildung 7 dargestellt. In diesem Fall beträgt der maximale Strahlungswärmestrom 0.80 W.cm.-2. Der höhere Wärmefluss in der Mitte weist auf eine größere Transmission aufgrund einer höheren Quellentemperatur (kürzere IR-Wellenlängen) hin.
Der Grund für diese etwas bessere Leistung ist die erhöhte IR-Transmission im Primärband (0.4 <λ <2.8 μm). Bei Robax®-Glas tritt der Transmissionsabfall bei einer etwas längeren Wellenlänge auf, wodurch die Leistung des Heizgeräts erhöht wird. Die verringerte und engere Übertragungsbandbreite im Sekundärband (3.2 <λ <4.2 um) hat nicht den gleichen Einfluss, da diese Wellenlängen nicht so energiereich sind wie die kürzeren Wellenlängen. Der bei 100 mm aufgezeichnete Gesamtwärmefluss ist aufgrund der verbesserten Transmissionseigenschaften des Glases erwartungsgemäß geringfügig höher als bei den in den Abschnitten 3.1 und 3.2 untersuchten Gläsern. Dies ist in Abbildung 8 unten dargestellt.
3.4 Milchglas
Die Wärmestromkarte für das Heizelement mit Milchglasschutz ist in Abbildung 9 dargestellt. Dies zeigt ein ähnliches Muster der Energieemission von der Heizeinrichtung wie die oben beschriebenen. Die ermittelte Wärmestromstärke ist höher als bei NextremaTM Schutz aber niedriger als der des Robax® Glas. Da für dieses Material kein Übertragungsspektrum zur Verfügung steht, kann kein Einblick in die Gründe dafür gegeben werden.
Wenn der Abstand zwischen dem Emitter und dem Wärmestromsensor vergrößert wird, fällt der erfasste Wärmestrom ab. Der prozentuale Wärmestrom, der bei 100mm festgestellt wird, ist niedriger als der des Robax® Glas, das in Abbildung 7 gezeigt wird, aber höher als der NextremaTM Brille.
3.5 Transparentes Glas
Die Wärmestromkarte für das transparente Glas ist in Abbildung 11 dargestellt. Dies zeigt einen sehr geringen erkennbaren Unterschied zu dem in Abschnitt 3.4 untersuchten Mattglasmaterial, was auf eine sehr geringe Änderung des Transmissionsspektrums des Glases im aktiven Wellenbereich (2-4.2μm) hinweist.
Der Gesamtwärmestrom ist im Vergleich zum Milchglas leicht erhöht; es liegt jedoch immer noch unter dem des Robax® Glas. Ohne Übertragungsspektrumdaten kann für diese Beobachtung keine Erklärung angeboten werden.
Tabelle 1 zeigt den durchschnittlichen maximalen Wärmestrom, der für das Element über die drei durchgeführten Tests aufgezeichnet wurde, sowie den durchschnittlichen prozentualen Wärmestrom, der bei 100 und 200mm von der Elementoberfläche aufgezeichnet wurde. Dies zeigt an, dass die beiden NextremaTM und die Mattgläser schnitten schlecht ab, es gibt jedoch wenig, was den Robax trennt® und die transparenten Gläser.
Während der Wärmestromkartierung tritt ein Messphänomen auf, bei dem der anfängliche Messwert ein Referenzwert ist, der als Null bezeichnet wird, und jeder aufgezeichnete Wert relativ dazu gemessen wird. Bei kurzen Abständen kann der Wärmefluss daher als negativ aufgezeichnet werden, wodurch die ungefärbten Bereiche in den Konturdiagrammen entstehen.
Die Normalisierung der Rohdaten zeigt, dass die Gläser Robax® und Transparent tatsächlich das effizienteste Glas für die Übertragung der Strahlung sind, wie in Tabelle 2 gezeigt.
Da für das transparente Glas keine spektralen Daten verfügbar sind, kann kein definitiver Grund angegeben werden, warum der Unterschied zwischen diesem und Robax® auftritt und ob es sich um den Transparenzgrad im sichtbaren / nahen IR handelt (0.5 - 2.8μm). oder im mittelwelligen Bereich (≥ 3 μm).
Es fällt auf, dass der maximale Wärmestrom für Robax aufgezeichnet wird® ist höher als für das transparente Glas. Dies kann auf eine Änderung der Infrarottransparenz in Abhängigkeit von der Temperatur bei Robax hindeuten® transparenter werden bei den erhöhten Temperaturen im mittleren Teil des Elements.
Fazit
Die Ergebnisse des obigen Experiments zeigen, dass der Robax® Glas, das derzeit von Ceramicx zum Schutz seiner Heizungen verwendet wird, besitzt eine der besten IR-Übertragungseigenschaften für die Quarz-Heizkassetten. Dies liegt daran, dass das Transmissionsspektrum für dieses Glas im aktiven Wellenbereich der Heizung maximal ist.
Für eine optimale Erwärmung sollte das Transmissionsspektrum des Schutzglases an das Emissionsspektrum des zu schützenden Heizgeräts angepasst werden. In diesem Fall sollte das Glas im Wellenbereich von 1 - 3.2 μm so transparent wie möglich sein.
Es ist zu beachten, dass die Leistungsdichte des Elements und eine Vielzahl anderer Faktoren die Ergebnisse dieses Experiments beeinflussen. Sollte sich die Leistung pro Flächeneinheit des Elements ändern, ändern sich die Ergebnisse. Darüber hinaus sind die in diesem Experiment angegebenen Ergebnisse nicht repräsentativ für eine Konfiguration vom Plattentyp.
1 Ein 1000W FQE und ein 500W HQE haben die gleiche Leistungsdichte und daher ähnliche Emissionseigenschaften
Haftungsausschluss
Diese Testergebnisse sollten sorgfältig geprüft werden, bevor bestimmt wird, welcher Infrarot-Strahlertyp in einem Prozess verwendet werden soll. Wiederholte Tests anderer Unternehmen führen möglicherweise nicht zu den gleichen Ergebnissen. Es besteht die Möglichkeit von Fehlern beim Erreichen der Einstellbedingungen und Variablen, die die Ergebnisse verändern können. Dazu gehören: die Marke des verwendeten Emitters, der Wirkungsgrad des Emitters, die zugeführte Leistung, der Abstand zwischen dem getesteten Material und dem verwendeten Emitter und Umgebung. Die Orte, an denen die Temperaturen gemessen werden, können ebenfalls unterschiedlich sein und daher die Ergebnisse beeinflussen.
