| AUTOR | DATA UTWORZENIA | WERSJA | NUMER DOKUMENTU |
|---|---|---|---|
| Dr Peter Marshall | 9 lutego 2017 | V1.5 | CC11 - 00107 |
Wprowadzenie
W tym artykule szczegółowo opisano badania najlepszego szkła do ochrony kwarcowych grzejników kasetowych Ceramicx, które umożliwiają najlepszą transmisję promieniowania podczerwonego. Dostępnych jest wiele różnych okularów; będą one jednak miały różne charakterystyczne widma transmisyjne ze względu na różne składy. Dostosowując widmo emisyjne pierwiastka do widma transmisyjnego szkła, można zidentyfikować optymalną kombinację wydajności energetycznej procesu ogrzewania.
Metoda wykonania
Materiały 2.1
Zbierano pięć różnych szkieł kwarcowych, każde o grubości 3 mm. Pierwszym szkłem było standardowe szkło ochronne Ceramicx Robax®. Dwa kolejne szkła otrzymano z serii NextremaTM firmy Schott glass (Materiały 712-3 i 724-3). Kolejne dwa kieliszki pochodziły od innej osoby trzeciej. Były przezroczyste z lekkim szarym odcieniem i białym, nieprzezroczystym kolorem lub matowym wyglądem.
Każda szyba została zamontowana bezpośrednio przed elementem 500W, 230V HQE (wymiary: 123.5 x 62.5mm). Cewkę grzejną umieszczono w 6 dostępnych rur ze szkła kwarcowego 7, a środkowa rurka pozostała nieogrzewana. Zdjęcie każdego z okularów 5 na miejscu na grzejnikach HQE pokazano na rysunku 1
Karta katalogowa trzech okularów Schott (NextremaTM 712-3, NextremaTM 724-3 i Robax®) pokazuje widma transmisji w podczerwieni, które pokazano na rysunku 2. To pokazuje, że NextremaTM 712-3 transmituje niewielkie promieniowanie w widmie widzialnym lub nie emituje go wcale, co odpowiada ciemnemu kolorowi materiału, podczas gdy znacznie więcej promieniowania jest przesyłane przez NextremaTM 724-3 (rysunek 2 Błąd! Nie znaleziono źródła odniesienia.) I Robax® okulary. Przy dłuższych falach procentowe promieniowanie przenoszone przez materiał NextremaTM 724-3 jest wyższe niż Robax® szkło.
Grzejnik HQE 500W ma szczytową gęstość widmową mocy (emisji) w zakresie fal 2 - 4.2μm, jak pokazano w widmie (Błąd! Nie znaleziono źródła odniesienia). Dlatego można oczekiwać, że szkło o największej transmisji w tym obszarze będzie wykazywać największy strumień ciepła w eksperymencie. Jest to szczególnie ważne przy niższych długościach fal, które są bardziej energetyczne niż dłuższe długości fal.
Metoda 2.2
Grzejniki zostały zamontowane na platformie Herschel i zasilone energią. Napięcie dostosowano w taki sposób, aby moc wyjściowa wynosiła 500 ± 1 W. Grzejnik pozostawiono do podgrzania przez okres 10 przed rozpoczęciem testu. Każdy grzejnik został przetestowany trzykrotnie w celu zwiększenia dokładności.
2.3 Herschel
Robot z topnikiem ciepła Ceramicx Herschel sprawdza całkowity strumień ciepła (W.cm-2), który występuje na czujniku. Grzejniki mogą być montowane w Herschel i analizowane przy użyciu procedury mapowania strumienia ciepła w podczerwieni 3D. Ten zautomatyzowany system wykorzystuje czujnik podczerwieni, który jest automatycznie prowadzony wokół wcześniej określonego układu siatki współrzędnych przed testowanym emiterem grzejnika. Czujnik ma maksymalny poziom strumienia ciepła 2.3 W.cm-2 i mierzy IR w zakresie mikrometrów 0.4-10. Układ współrzędnych to sześcienna kratka 500mm przed emiterem grzewczym, patrz rysunek 3. Robot przesuwa czujnik w przyrostach 25mm wzdłuż ścieżki serpentynowej w kierunkach X i Z, podczas gdy emiter ciepła jest zamontowany na wózku ślizgowym, który zwiększa się co 100mm w kierunku Y.
Wyniki z maszyny można przekształcić w procent całkowitej energii zużytej zwróconej jako strumień ciepła promieniowania z grzejnika. Zmniejsza się to wraz ze wzrostem odległości od grzejnika, gdy strumień ciepła promieniowania odbiega od grzejnika.
Efekt
Wyniki testu pokazują kilka interesujących danych, które należy interpretować obok widm transmisyjnych i emisyjnych odpowiednio szkła i elementów grzejnych HQE firmy Ceramicx. Wszystkie wykresy konturowe zostały wykonane przy użyciu tej samej skali kolorów, aby zapewnić wizualne porównanie.
3.1 NextremaTM 712-3
To przyciemniane szkło wykazuje niewielką lub żadną transmisję promieniowania w zakresie widzialnym (rysunek 2); jednak przy dłuższych falach jest bardziej przezroczysty. Transmisja spada do <10% w zakresie fal ≈ 2.8 - 3.2 μm, ale powraca do ≥40% w obszarze pasma 3.5 - 4.2 μm.
Wyniki pokazują, że przy 100mm szczytowa gęstość mocy wynosi 0.6 W.cm-2, jak pokazano na rysunku 4. To pokazuje, że szczytowy strumień ciepła, zgodnie z oczekiwaniami, pochodzi ze środka elementu i maleje koncentrycznie wraz z odległością zarówno od środka elementu.
Podobna fabuła może być wyprodukowana dla wszystkich odległości od grzejnika; jednak ogólny trend zmniejszania strumienia ciepła od środka elementu jest taki sam.
Podobnie procent zarejestrowanego strumienia ciepła promieniowania maleje wraz ze wzrostem odległości od elementu (wzdłuż osi y), jak wskazano w sekcji 2.3. Wielkość tego spadku pokazano na rysunku 5
3.2 NextremaTM 724-3
Przezroczyste szkło NextremaTM (724-3) wykazuje nieco wyższy strumień ciepła niż szkło 712-3. Wynika to przede wszystkim z jego lepszej przezroczystości (≈90%) w bardziej energetycznych obszarach widzialnych i bliskiej podczerwieni (0.5 <λ <2.8 μm). W połączeniu z widmem emisyjnym elementu kwarcowego widać lepsze dopasowanie, co potwierdza wyższy strumień ciepła zarejestrowany na mapie (Rysunek 6)
Spadek energii wykryty w funkcji odległości od grzejnika jest bardzo podobny do pokazanego na rysunku 5 dla tego samego elementu ze szkłem ochronnym 712-3.
3.3 Robax®
Robax® szkło wykazuje wyraźnie wyższy strumień ciepła w centralnym punkcie elementu, który jest poza ogólną skalą, którą zastosowano, jak pokazano na rysunku 7. W tym przypadku szczytowy strumień ciepła promieniowania wynosi 0.80 W. cm-2. Wyższy strumień ciepła w środku wskazuje na większą transmisję ze względu na wyższą temperaturę źródła (krótsze długości fali IR).
Przyczyną tej nieco lepszej wydajności jest zwiększona transmisja IR w paśmie pierwotnym (0.4 <λ <2.8 μm). W przypadku szkła Robax® spadek przepuszczalności występuje przy nieco większej długości fali, co zwiększa moc wyjściową grzejnika. Zmniejszona i węższa szerokość pasma transmisji w paśmie wtórnym (3.2 <λ <4.2 μm) nie ma takiego samego wpływu, ponieważ te długości fal nie są tak energetyczne, jak krótsze długości fal. Całkowity strumień ciepła zarejestrowany na 100 mm jest, zgodnie z oczekiwaniami, nieco większy niż dla szkieł badanych w punktach 3.1 i 3.2 ze względu na lepsze właściwości przepuszczalności szkła. Jest to pokazane na rysunku 8 poniżej.
3.4 Matowe szkło
Mapę strumienia ciepła dla grzejnika chronionego przed matowym szkłem pokazano na rysunku 9. Pokazuje to podobny wzór emisji energii z grzejnika, jak te wyszczególnione powyżej. Wykryta wielkość strumienia ciepła jest wyższa niż w przypadku NextremaTM ochrona, ale niższa niż Robax® szkło. Ponieważ dla tego materiału nie ma widma transmisyjnego, nie można uzyskać wglądu w przyczyny tego.
Wraz ze wzrostem odległości między emiterem a czujnikiem strumienia ciepła wykrywany strumień ciepła spada. Procentowy strumień ciepła wykryty przy 100mm jest niższy niż Robaxa® szkło pokazane na rysunku 7, ale wyższe niż NextremaTM okulary.
3.5 Przezroczyste szkło
Mapę strumienia ciepła dla przezroczystego szkła pokazano na rysunku 11. Pokazuje to bardzo małą dostrzegalną różnicę w stosunku do matowego materiału szklanego, który zbadano w sekcji 3.4, co wskazuje na bardzo niewielką zmianę widma transmisyjnego szkła w aktywnym obszarze pasma falowego (2-4.2μm).
Całkowity strumień ciepła jest nieco wyższy w porównaniu do strumienia matowego szkła; jednak wciąż jest niższy niż Robaxa® szkło. Bez danych widma transmisyjnego nie można wyjaśnić tej obserwacji.
Tabela 1 pokazuje średni maksymalny strumień ciepła zarejestrowany dla elementu w trzech przeprowadzonych testach, a także średni procentowy strumień ciepła zarejestrowany przy 100 i 200mm od powierzchni elementu. Oznacza to, że dwa NextremaTM a Matowe okulary wypadły słabo, jednak Robaxa niewiele jest w stanie oddzielić® i przezroczyste okulary.
Podczas mapowania strumienia ciepła występuje zjawisko pomiaru, w którym odczyt początkowy jest wartością odniesienia, oznaczoną wartością zero, a każda zarejestrowana wartość jest mierzona względem tego. W przypadku krótkich separacji strumień ciepła można zatem zapisać jako ujemny, co powoduje powstanie bezbarwnych obszarów na wykresach konturowych.
Normalizacja surowych danych ujawnia, że szkła Robax® i przezroczyste są rzeczywiście najbardziej wydajnymi szkłami do przesyłania promieniowania, jak pokazano w tabeli 2.
Ponieważ nie są dostępne dane spektralne dla szkła przezroczystego, nie można podać ostatecznego powodu, dla którego występuje różnica między tym a Robax® i czy jest to poziom przezroczystości w świetle widzialnym / bliskiej podczerwieni (0.5 - 2.8μm) lub w obszarze fali średniej (≥3 μm).
Można zauważyć, że maksymalny strumień ciepła zarejestrowany dla Robaxa® jest wyższa niż w przypadku szkła przezroczystego. Może to wskazywać na zmianę przezroczystości podczerwieni w funkcji temperatury w przypadku Robax® stają się bardziej przezroczyste w podwyższonych temperaturach widocznych w środkowej części elementu.
Wnioski
Wyniki powyższego eksperymentu pokazują, że Robax® Szkło, obecnie używane przez Ceramicx do ochrony swoich grzejników, ma jedną z najlepszych właściwości transmisji IR dla kwarcowych grzejników kasetowych. Wynika to z tego, że spektrum transmisji dla tego szkła znajduje się maksymalnie w aktywnym paśmie falowym grzejnika.
Aby zapewnić optymalne ogrzewanie, widmo transmisji szyby ochronnej powinno być dopasowane do widma emisyjnego grzałki, którą chroni. W takim przypadku szkło powinno być jak najbardziej przezroczyste w zakresie fal 1 - 3.2 μm.
Należy zauważyć, że gęstość mocy elementu i wiele innych czynników będzie miało wpływ na wyniki tego eksperymentu. Jeśli moc na jednostkę powierzchni elementu ulegnie zmianie, wyniki się zmienią. Ponadto wyniki wskazane w tym eksperymencie nie są reprezentatywne dla konfiguracji typu płyty.
1 1000W FQE i 500W HQE mają tę samą gęstość mocy, a zatem podobne charakterystyki emisji
Odpowiedzialność
Te wyniki testu należy dokładnie rozważyć przed ustaleniem, jakiego rodzaju emitera podczerwieni należy użyć w procesie. Powtarzane testy przeprowadzone przez inne firmy mogą nie dać takich samych wyników. Istnieje możliwość błędu w osiągnięciu warunków ustawienia, a zmienne, które mogą zmienić wyniki, obejmują: markę zastosowanego emitera, wydajność emitera, dostarczoną moc, odległość od badanego materiału do wykorzystanego emitera oraz środowisko. Miejsca, w których mierzone są temperatury, mogą się również różnić, a zatem wpływać na wyniki.
