| FÖRFATTARE | SKAPAT DATUM | VERSION | DOKUMENTNUMMER |
|---|---|---|---|
| Dr Peter Marshall | 9 februari 2017 | V1.5 | CC11 - 00107 |
Beskrivning
Detta dokument beskriver undersökningar om det bästa glaset för att skydda Ceramicx kvartskassettvärmare som möjliggör bästa överföring av infraröd strålning. Ett antal olika glasögon finns tillgängliga; emellertid kommer dessa att ha olika karakteristiska transmissionsspektra på grund av olika kompositioner. Genom att ställa in emissionsspektret för elementet till transmissionsspektret för glaset, kan den optimala kombinationen för uppvärmningsprocessens energieffektivitet identifieras.
Metod
2.1 Material
Fem olika kvartsglas ficks, var och en med en tjocklek på 3 mm. Det första glaset var Ceramicx standardskydd Robax®-glas. Ytterligare två glas erhölls från Schott-glasets NextremaTM-sortiment (Material 712-3 & 724-3). Ytterligare två glas hämtades från en annan tredje part. Dessa var genomskinliga med en lätt grå nyans och en vit, ogenomskinlig färg eller frostat utseende.
Varje glas monterades direkt framför ett 500W, 230V HQE-element (mått: 123.5 x 62.5mm). Värmespolen placerades inom 6 från de tillgängliga 7-kvartsglasrören med det centrala röret kvarlämnat ouppvärmt. En bild av vart och ett av 5-glasögonen på plats på HQE-värmaren visas i figur 1
Datablad för de tre Schott-glasögonen (NextremaTM 712-3, NextremaTM 724-3 & Robax®) visar de infraröda transmissionsspektra som visas i figur 2. Detta visar att NextremaTM 712-3 överför liten eller ingen strålning i det synliga spektrumet, i överensstämmelse med den mörka färgen på materialet, medan mycket mer strålning överförs av NextremaTM 724-3 (figur 2Error! Referenskälla inte hittad.) Och Robax® glasögon. Vid längre våglängder är den procentuella strålningen som överförs av NextremaTM 724-3-materialet högre än Robax® glas.
HQE 500W-värmaren har en topp spektral effektdensitet (emission) i vågbandet för 2 - 4.2μm som visas i spektrumet (Fel! Referenskälla hittades inte.). Därför kan man förvänta sig att glaset med den största transmissionen i detta område kommer att uppvisa det största värmeflödet i experimentet. Detta är särskilt viktigt vid lägre våglängder som är mer energiska än längre våglängder.
2.2-metod
Värmaren monterades i Herschel-plattformen och laddades. Spänningen justerades så att effektuttaget var 500 ± 1 W. Värmaren fick värmas upp under en 10 minutsperiod innan testningen påbörjades. Varje värmare testades tre gånger för att öka noggrannheten.
2.3 Herschel
Ceramicx Herschel värmeflödesrobot undersöker det totala värmeflödet (W.cm)-2) som inträffar på sensorn. Värmare kan monteras i Herschel och analyseras med 3D-rutin för kartläggning av infraröd värmeflöde. Detta automatiska system använder en infraröd sensor som är robotstyrd runt ett förutbestämt koordinatsnitsystem framför värmeavgivaren som testas. Sensorn har en maximal värmeflödesnivå på 2.3 W.cm-2 och mäter IR i bandet 0.4-10 mikrometer. Koordinatsystemet är ett kubiknät 500mm framför värmeavgivaren, se figur 3. Roboten förflyttar sensorn i steg om 25mm längs en serpentinväg i X- och Z-riktningarna, medan värmeavgivaren är monterad på en glidvagn som steg i 100mm steg längs Y-riktningen.
Resultaten från maskinen kan omvandlas till en procentandel av den totala energiförbrukade energin som returneras som strålande värmeflöde från värmaren. Detta minskar med ökande avstånd från värmaren när strålningsvärmeflödet avviker från värmaren.
Resultat
Resultaten av testet visar några intressanta data som måste tolkas vid sidan av transmissions- och utsläppsspektra för glas respektive Ceramicx HQE-värmeelement. Alla konturplott gjordes med samma färgskala för att säkerställa visuell jämförelse är möjlig.
3.1 NextremaTM 712-3
Detta mörkt tonade glas visar liten eller ingen strålningstransmission i det synliga spektrumet (figur 2); men vid längre våglängder är den mer transparent. Överföringen sjunker till <10% i vågbandet of 2.8 - 3.2 μm, men återhämtar sig till ≥40% i bandregionen 3.5 - 4.2 μm.
Resultaten visar att det vid 100mm finns en toppeffektdensitet på 0.6 W.cm-2såsom visas i figur 4. Detta visar att toppvärmeflödet, som förväntat, kommer från elementets centrum och minskar koncentriskt med avståndet båda från elementets centrum.
En liknande tomt kan produceras för alla avstånd från värmaren; emellertid är den allmänna trenden med minskande värmeflöde från elementcentret densamma.
På motsvarande sätt minskar det registrerade strålningsvärmeflödet som registreras när avståndet från elementet ökar (längs y-axeln) som anges i avsnitt 2.3. Storleken på denna minskning visas i figur 5
3.2 NextremaTM 724-3
Det genomskinliga NextremaTM-glaset (724-3) visar en något högre värmeflöde än 712-3-glaset. Detta beror främst på dess bättre transparens (~ 90%) i de mer energiska synliga och nära IR-regionerna (0.5 <λ <2.8 μm). I kombination med utsläppsspektrumet för kvartselementet ses en bättre matchning som bekräftas av det högre värmeflöde som registrerats på kartan (Figur 6)
Minskningen av energi som detekteras som en funktion av avståndet från värmaren är mycket lik den som visas i figur 5 för samma element med 712-3 skyddsglas.
3.3 Robax®
Robax® glas visar ett tydligt högre värmeflöde vid den centrala punkten för elementet som ligger utanför den allmänna skalan som applicerades, såsom visas i figur 7. I detta fall är det maximala strålningsvärmeflödet 0.80 W.cm-2. Det högre värmeflödet i mitten tyder på större överföring på grund av högre källtemperatur (kortare IR-våglängder).
Anledningen till denna något bättre prestanda är den ökade IR-överföringen i primärbandet (0.4 <λ <2.8 μm). För Robax®-glas sker överföringsfallet med en något längre våglängd vilket ökar effekten från värmaren. Den minskade och smalare bandbredden för transmission i sekundärbandet (3.2 <λ <4.2 μm) har inte samma inflytande eftersom dessa våglängder inte är lika energiska som de kortare våglängderna. Det totala värmeflödet registrerat vid 100 mm är som förväntat något högre än för glasen som undersöktes i avsnitt 3.1 och 3.2 på grund av de förbättrade överföringsegenskaperna hos glaset. Detta visas i figur 8 nedan.
3.4 Frostat glas
Värmeflödeskartan för det frostade glasskyddade värmaren visas i figur 9. Detta visar ett liknande mönster för energiutsläpp från värmaren som de som beskrivs ovan. Den detekterade värmeflödesstorleken är högre än de med NextremaTM skydd men lägre än Robax® glas. Eftersom inget överföringsspektrum är tillgängligt för detta material kan ingen insikt ges i skälen bakom detta.
När avståndet mellan emittern och värmeflödesgivaren ökar, faller det detekterade värmeflödet av. Den procentuella värmeflödet som detekteras vid 100mm är lägre än för Robax® glas som visas i figur 7, men högre än NextremaTM glasögon.
3.5 Transparent glas
Värmeflödskartan för det transparenta glaset visas i figur 11. Detta visar väldigt liten märkbar skillnad med det frostade glasmaterialet som undersöktes i avsnitt 3.4, vilket tyder på mycket liten förändring i glasets transmissionsspektrum i det aktiva vågbandregionen (2-4.2μm).
Det totala värmeflödet är något förhöjt jämfört med det för det frostade glaset; emellertid är det fortfarande under Robax® glas. Utan överföringsspektrumdata kan ingen förklaring erbjudas för denna observation.
Tabell 1 visar det genomsnittliga maximala värmeflödet som registrerades för elementet över de tre genomförda testerna samt det genomsnittliga procentuella värmeflödet registrerat vid 100 och 200mm från elementytan. Detta indikerar att de två NextremaTM och de frostade glasögonen presterade dåligt, men det finns lite att skilja Robax® och de transparenta glasögonen.
Ett mätfenomen uppstår under värmeflödeskartläggning, varvid den initiala avläsningen som gjorts är ett referensvärde, betecknat noll och varje registrerat värde mäts relativt detta. Vid korta separationer kan värmeflödet därför registreras som negativt vilket ger upphov till de ofärgade områdena i konturområdena.
Normalisering av rådata visar att Robax® och Transparent-glasögonen verkligen är det mest effektiva glaset för överföring av strålningen, som visas i tabell 2.
Med tanke på att det inte finns några spektraldata för det transparenta glaset, är det inte möjligt att ge en definitiv anledning till varför skillnaden mellan detta och Robax® inträffar och huruvida det är transparensnivån i den synliga / nära-IR (0.5 - 2.8μm) eller i området med medelvåg (≥3 μm).
Det märks att det maximala värmeflödet som registrerats för Robax® är högre än för Transparent glas. Detta kan indikera en förändring av den infraröda transparensen som funktion av temperaturen med Robax® blir mer transparent vid de förhöjda temperaturerna som ses i elementets centrala del.
Slutsats
Resultaten från experimentet ovan visar att Robax® glas, som för närvarande används av Ceramicx, för att skydda dess värmare har en av de bästa IR-överföringsegenskaperna för kvartskassettvärmare. Detta beror på att transmissionsspektrumet för detta glas är maximalt i värmarens aktiva vågband.
För optimal uppvärmning bör skyddsglasets överföringsspektrum matchas med värmaren som det skyddar. I det här fallet bör glaset vara så transparent som möjligt i vågbandet 1 - 3.2 μm.
Det bör noteras att elementets effekttäthet och en mängd andra faktorer kommer att påverka resultaten av detta experiment. Om kraften per enhetsarea för elementet ändras ändras resultaten. Dessutom är resultaten som anges i detta experiment inte representativa för en plattformskonfiguration.
1 En 1000W FQE och 500W HQE har samma effektdensitet och därför liknande utsläppsegenskaper
Villkor
Dessa testresultat bör noggrant övervägas innan en bestämning av vilken typ av infraröd emitter som ska användas i en process. Upprepade tester utförda av andra företag kan inte uppnå samma resultat. Det finns en möjlighet till fel vid uppnåendet av inställningsförhållandena och variabler som kan förändra resultaten inkluderar: märket av emitter som används, emitterns effektivitet, den levererade kraften, avståndet från det testade materialet till den använda emittern och miljö. Platserna där temperaturen mäts kan också variera och påverkar därför resultaten.
