| AUTEUR | DATUM GECREEËRD | VERSIE | DOCUMENT NUMMER |
|---|---|---|---|
| Dr. Peter Marshall | 9 februari 2017 | V1.5 | CC11 - 00107 |
Introductie
Dit artikel geeft details over onderzoeken naar het beste glas om de quartzcassettes van Ceramicx te beschermen, waardoor de beste transmissie van infraroodstraling mogelijk is. Een aantal verschillende glazen is beschikbaar; deze zullen echter verschillende karakteristieke transmissiespectra hebben vanwege verschillende samenstellingen. Door het emissiespectrum van het element af te stemmen op het transmissiespectrum van het glas, kan de optimale combinatie voor energie-efficiëntie van het verwarmingsproces worden geïdentificeerd.
Methode
2.1-materialen
Er werden vijf verschillende kwartsglazen gekocht, elk met een dikte van 3 mm. Het eerste glas was Ceramicx-standaardbescherming Robax®-glas. Er werden nog twee glazen verkregen uit het NextremaTM-assortiment van Schott Glass (Materialen 712-3 & 724-3). Nog eens twee glazen waren afkomstig van een andere derde partij. Deze waren transparant met een lichtgrijze tint en een witte, ondoorzichtige kleur of een matte uitstraling.
Elk glas werd direct voor een 500W, 230V HQE-element gemonteerd (afmetingen: 123.5 x 62.5mm). De verwarmingsspiraal werd binnen 6 van de 7 beschikbare kwartsglasbuizen geplaatst met de centrale buis onverwarmd gelaten. Een afbeelding van elk van de 5-glazen in situ op de HQE-kachels wordt weergegeven in figuur 1
Het gegevensblad voor de drie Schott-brillen (NextremaTM 712-3, NextremaTM 724-3 en Robax®) toont de infrarood transmissiespectra die worden getoond in figuur 2. Dit laat zien dat de NextremaTM 712-3 weinig of geen straling in het zichtbare spectrum uitzendt, consistent met de donkere kleur van het materiaal, terwijl veel meer straling wordt uitgezonden door de NextremaTM 724-3 (Figuur 2Error! Referentiebron niet gevonden.) En Robax® bril. Bij langere golflengten is het percentage straling dat wordt overgedragen door het NextremaTM 724-3 materiaal hoger dan de Robax® glas.
De HQE 500W-verwarmer heeft een piekspectrale vermogensdichtheid (emissie) in de golfband van 2 - 4.2μm zoals weergegeven in het spectrum (fout! Referentiebron niet gevonden.). Daarom wordt verwacht dat het glas met de grootste transmissie in dit gebied de grootste warmteflux zal vertonen in het experiment. Dit is vooral belangrijk bij lagere golflengtes die energieker zijn dan langere golflengtes.
2.2-methode
De kachels werden binnen het Herschel-platform gemonteerd en bekrachtigd. De spanning werd zodanig ingesteld dat het uitgangsvermogen 500 ± 1 W was. De verwarmer liet men gedurende een 10 minuut opwarmen voordat het testen begon. Elke verwarmer werd drie keer getest om de nauwkeurigheid te verhogen.
2.3 Herschel
Ceramicx Herschel warmtefluxrobot onderzoekt de totale warmteflux (W.cm-2) die op de sensor valt. Kachels kunnen in de Herschel worden gemonteerd en geanalyseerd met behulp van de 3D Infrarood warmteflux mapping routine. Dit geautomatiseerde systeem maakt gebruik van een infraroodsensor die robotisch wordt geleid rond een vooraf bepaald coördinatenrooster voor de te testen verwarmer. De sensor heeft een maximaal warmtefluxniveau van 2.3 W.cm-2 en meet IR in de band 0.4-10 micrometers. Het coördinatensysteem is een 500mm kubisch rooster voor de verwarmingsemitter, zie figuur 3. De robot beweegt de sensor in stappen van 25mm langs een kronkelig pad in de X- en Z-richtingen, terwijl de verwarmingsemitter op een slede wordt gemonteerd die in stappen van 100mm in stappen langs de Y-richting toeneemt.
De resultaten van de machine kunnen worden omgezet in een percentage van de totale verbruikte energie die wordt geretourneerd als stralingswarmtestroom van de verwarmer. Dit neemt af met toenemende afstand van de verwarmer wanneer de stralingswarmtestroom van de verwarmer afwijkt.
Resultaten
De resultaten van de test tonen enkele interessante gegevens die moeten worden geïnterpreteerd naast de transmissie- en emissiespectra van respectievelijk glas en HQE-verwarmingselementen van Ceramicx. Alle contourplots zijn gemaakt met dezelfde kleurenschaal om visuele vergelijking mogelijk te maken.
3.1 NextremaTM 712-3
Dit donker getinte glas vertoont weinig of geen stralingstransmissie in het zichtbare spectrum (Figuur 2); bij langere golflengten is het echter transparanter. De transmissie daalt tot <10% in de golfband van ≈ 2.8 - 3.2 μm, maar herstelt zich tot ≥40% in het 3.5 - 4.2 μm bandgebied.
De resultaten laten zien dat er bij 100mm een piekvermogensdichtheid is van 0.6 W.cm-2, zoals weergegeven in figuur 4. Dit toont aan dat de piekwarmteflux, zoals verwacht, uit het midden van het element komt en concentrisch afneemt met afstand zowel vanaf het midden van het element.
Een vergelijkbare grafiek kan worden gemaakt voor alle afstanden van de kachel; de algemene trend van het verminderen van de warmteflux vanuit het midden van het element is echter hetzelfde.
Evenzo neemt het geregistreerde percentage stralingswarmteflux af naarmate de afstand tot het element toeneemt (langs de y-as) zoals aangegeven in sectie 2.3. De grootte van deze afname wordt getoond in figuur 5
3.2 NextremaTM 724-3
Het transparante Nextrema TM -glas (724-3) vertoont een iets hogere warmteflux-output dan het 712-3-glas. Dit komt voornamelijk door de betere transparantie (≈90%) in de meer energetische zichtbare en nabij-IR-gebieden (0.5 <λ <2.8 μm). In combinatie met het emissiespectrum van het kwartselement wordt een betere match gezien, wat wordt bevestigd door de hogere warmteflux die op de kaart is geregistreerd (Figuur 6)
De afname van energie gedetecteerd als een functie van de afstand tot de verwarmer is zeer vergelijkbaar met die welke wordt getoond in figuur 5 voor hetzelfde element met 712-3 beschermglas.
3.3 Robax®
De Robax® glas vertoont een duidelijk hogere warmteflux op het centrale punt van het element dat afwijkt van de algemene schaal die werd toegepast, zoals weergegeven in figuur 7. In dit geval is de piek warmtestraling 0.80 W.cm-2. De hogere warmteflux in het midden duidt op een grotere transmissie als gevolg van een hogere brontemperatuur (kortere IR-golflengten).
De reden voor deze iets betere prestatie is de verhoogde IR-transmissie in de primaire band (0.4 <λ <2.8 μm). Voor Robax®-glas vindt de transmissiedaling plaats bij een iets langere golflengte, waardoor de output van de verwarmer toeneemt. De afgenomen en smallere bandbreedte van transmissie in de secundaire band (3.2 <λ <4.2 μm) heeft niet dezelfde invloed aangezien deze golflengten niet zo energetisch zijn als de kortere golflengten. De totale warmteflux geregistreerd bij 100 mm is, zoals verwacht, iets hoger dan voor de glazen die zijn onderzocht in paragraaf 3.1 en 3.2 vanwege de verbeterde transmissie-eigenschappen van het glas. Dit wordt weergegeven in Afbeelding 8 hieronder.
3.4 Matglas
De warmtefluxkaart voor de matglasverwarmde verwarming wordt weergegeven in figuur 9. Dit toont een soortgelijk patroon van energie-emissie door de verwarmer als hierboven beschreven. De gedetecteerde grootte van de warmteflux is hoger dan die met NextremaTM bescherming maar lager dan die van de Robax® glas. Aangezien er geen transmissiespectrum beschikbaar is voor dit materiaal, kan geen inzicht worden gegeven in de redenen hierachter.
Naarmate de afstand tussen de zender en de warmtefluxsensor wordt vergroot, valt de gedetecteerde warmteflux af. Het percentage warmteflux gedetecteerd op 100mm is lager dan dat van de Robax® glas dat wordt weergegeven in figuur 7, maar hoger dan de NextremaTM bril.
3.5 Transparant glas
De warmtefluxkaart voor het transparante glas wordt weergegeven in figuur 11. Dit vertoont zeer weinig waarneembaar verschil met het matglasmateriaal dat werd onderzocht in sectie 3.4, hetgeen wijst op zeer weinig verandering in het transmissiespectrum van het glas in het actieve golfbandgebied (2-4.2μm).
De totale warmteflux is enigszins verhoogd in vergelijking met die van het matglas; het is echter nog steeds lager dan dat van de Robax® glas. Zonder transmissiespectrumgegevens kan geen verklaring worden gegeven voor deze waarneming.
Tabel 1 toont de gemiddelde maximale warmteflux die werd geregistreerd voor het element over de drie uitgevoerde tests, evenals het gemiddelde percentage warmteflux die werd geregistreerd op 100 en 200mm vanaf het elementoppervlak. Dit geeft aan dat de twee NextremaTM en de Frosted-bril presteerde slecht, maar er is weinig om de Robax te scheiden® en de transparante bril.
Een meetverschijnsel treedt op tijdens het in kaart brengen van de warmteflux waarbij de aanvankelijke meetwaarde een referentiewaarde is, aangeduid met nul en elke geregistreerde waarde ten opzichte hiervan wordt gemeten. Bij korte scheidingen kan de warmteflux daarom als negatief worden geregistreerd, wat aanleiding geeft tot de ongekleurde gebieden in de contourplots.
Het normaliseren van de onbewerkte gegevens onthult dat de Robax®- en transparante glazen inderdaad het meest efficiënte glas zijn voor het overbrengen van de straling zoals weergegeven in tabel 2.
Aangezien er geen spectrale gegevens beschikbaar zijn voor het transparante glas, is het niet mogelijk om een definitieve reden te geven waarom het verschil tussen dit en Robax® optreedt en of dit het transparantieniveau is in de zichtbare / bijna-IR (0.5 - 2.8μm) of in het middengolfgebied (≥3 μm).
Het is merkbaar dat de maximale warmteflux geregistreerd voor Robax® is hoger dan voor het transparante glas. Dit kan duiden op een verandering in de infraroodtransparantie als functie van de temperatuur met Robax® transparanter worden bij de verhoogde temperaturen gezien in het centrale deel van het element.
Conclusie
De resultaten van het bovenstaande experiment tonen aan dat de Robax® Glas, momenteel gebruikt door Ceramicx, ter bescherming van zijn kachels bezit een van de beste IR-transmissie-eigenschappen voor de kwartscassettekachels. Dit komt omdat het transmissiespectrum voor dit glas maximaal is in de actieve golfband van de verwarmer.
Voor een optimale verwarming moet het transmissiespectrum van het beschermingsglas worden afgestemd op het emissiespectrum van de verwarmer die het beschermt. In dit geval moet het glas zo transparant mogelijk zijn in de golfband van 1 - 3.2 μm.
Opgemerkt moet worden dat de vermogensdichtheid van het element en een aantal andere factoren de resultaten van dit experiment zullen beïnvloeden. Als het vermogen per oppervlakte-eenheid van het element verandert, zullen de resultaten veranderen. Bovendien zijn de in dit experiment aangegeven resultaten niet representatief voor een configuratie van het degeltype.
1 Een 1000W FQE en 500W HQE hebben dezelfde vermogensdichtheid en daarom vergelijkbare emissiekarakteristieken
Disclaimer
Deze testresultaten moeten zorgvuldig worden overwogen voordat wordt bepaald welk type infraroodzender in een proces moet worden gebruikt. Herhaalde tests uitgevoerd door andere bedrijven kunnen mogelijk niet dezelfde bevindingen opleveren. Er is een mogelijkheid van fouten bij het bereiken van de instellingsvoorwaarden en variabelen die de resultaten kunnen veranderen, zijn onder meer: het gebruikte merk van de zender, de efficiëntie van de zender, de geleverde stroom, de afstand van het geteste materiaal tot de gebruikte zender en de milieu. De locaties waar de temperaturen worden gemeten, kunnen ook verschillen en hebben daarom invloed op de resultaten.
