ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA ELEKTROTECHNICKÁ KATEDRA ELEKTROENERGETIKY
ELEKTROTEPELNÁ TECHNIKA Infrazářiče Vypracoval: Václav Laxa Ostatní členové měřícího týmu:
Otakar Zavřel Jan Kokeisl Jakub Loquenz
Cvičení Středa 4+5 Datum měření 17.10.2007 Školní rok
Datum vypracování 13.11.2007 Semestr
2007/2008
Ročník 1
1 NMgr
1. Úvod Infračervené záření je neviditelné elektromagnetické vlnění o vlnových délkách 760 - 10 000 nm,přenášející tepelnou energii.V průzračném prostředí se toto záření šíří přímočaře všemi směry a na rozhraní dvou prostředí s různou hustotou dochází k jeho lomu.Mezi další vlastnosti elektromagnetického vlnění z této oblasti vlnových délek patří odraz od lesklých ploch a možnost jeho koncentrace. Toto záření také působí na fotografický materiál. Zdrojem infrazáření se stává každé těleso,jež se nachází v průzračném prostředí a má teplotu vyšší než 0 K. Zářivá energie ,která je pohlcena neprůzračným tělesem se přemění v energii tepelnou. Dopadá-li na povrch tělesa zářivý tok , rozdělí se na Φc = Φp + Φo + Φpr kde Φc .. celkový Φp .. pohlcený Φo .. odražený Φpr .. propustný Vlnovou délku lze pak přepočíst dle Wienova zákona – podle vztahu : λ* T = 2,898*10-3 [mK] Využití infrazáření: Infračervené záření se využívá především při ohřevu látek.Dopadá-li na povrch určitého tělesa zářivá energie,jeho teplota bude nejprve poměrně rychle stoupat a s ní současně i vlastní vyzařování tělesa do chladnějšího okolí. Po určitém čase se vytvoří ustálený stav ,kdy teplota ozařovaného tělesa bude konstantní a nezávislá na čase. Pro využití infrazáření bylo zkonstruováno několik typů infrazářičů, které lze rozdělit do dvou skupin:- infrazářiče svítivé. - infrazářiče temné. 1) Svítivé zářiče vyzařují energii v oblasti vlnových délek od 700 - 2000 mm, to znamená, že část vyzařované energie spadá do oblasti viditelného záření.Zdrojem záření je wolframové vlákno s pracovní teplotou 2100 - 2400 K.Skleněná banka tohoto zářiče má tvar parabolického reflektoru,který je na vnitřní straně opatřen odraznou kovovou vrstvou (hliník,stříbro). Účinnost tohoto zářiče je 65 %. Do skupiny svítivých zářičů patří také infrazářiče křemenné.V křemenné trubce je osově umístěna topná spirála z odporového materiálu, která má pracovní teplotu až 1500 K.Zdrojem infrazáření je jednak vlastní spirála ,ale i ohřátá baňka z křemenného skla.
2) Temné infrazářiče vyzařují energii převážně v rozsahu vlnových délek 1600–4000 mm. Čili v porovnání se zářiči svítivými budou nižší i jejich pracovní teploty,které jsou v rozmezí 450 - 1000 K.Zdrojem zářivé energie bývá nejčastěji keramická hmota, která je ohřívána pomocí topné spirály zalisované uvnitř. Tyto typy keramických zářičů se používají s různým tvarem (korýtkové,hříbkové).Vzhledem k zářičům svítivým jsou tyto zdroje podstatně odolnější proti mechanickému poškození.
Infračervené záření se využívá pro nejrůznější účely .Pro malou pronikavost se elektromagnetické vlnění těchto vlnových délek při průmyslovém využití používá především k sušení laků,papíru, tkanin, smaltu a keramiky - materiálů s malou tloušťkou.Popř. k vytápění místností.
2. Úkol měření 1. Naměřte oteplovací křivku plošného termočlánku při jeho ozařování při různé vzdálenosti 2. Naměřte zářivá pole pro různé typy infrazářičů a různé vzdálenosti od měřící roviny 3. Naměřené hodnoty uveďte do grafů
3. Postup měření: Měření jsme prováděli s dvěma typy infrazářičů. Při prvním měření jsme ozařovali Al desku na které bylo v řadě rozmístěno 25 Fe-Ko termočlánků, pomocí kterých jsme snímali teplotu v různých bodech ozařované roviny. Vyčkali jsme ustálení teploty zářiče a následně provedli odečet teplot pro 2 různé vzdálenosti infrazářičů od hliněné desky.
Druhé měření bylo provedeno s plošným infrazářičem pod kterým byla umístěna rovněž hliníková deska se 49 FeKo termočlánky uspořádanými prostorově (7x7). Postup je analogicklý – tedy po ustálení teploty opět odečítáme pro 2 vzdálenosti infrazářiče od termočlánků. Vzdálenost je třeba volit s ohledem na možné spálení termočlánků – tedy nesmí být menší než 15cm).
4. Naměřené a vypočtené hodnoty 4.1.
Rovinná deska
ustálená teplota t1ust=375 °C ustálená teplota t2ust=376 °C
vzdálenost zářiče l1=22cm vzdálenost zářiče l2=16cm
termočlánek 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 teplota 32 33 36 39 45 44 45 45 46 45 51 48 49 48 50 48 50 44 44 45 45 45 44 42 40 t1[°C] teplota 33 34 41 44 55 55 56 56 55 50 56 56 60 60 66 59 59 50 50 54 54 57 56 52 46 t2[°C]
Teplotní pole 70 60
T [°C]
50 40 30 20 10 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
pořadí term očlánku Vzdálenost 16 cm
Vzdálenost 22 cm
t1ust=375 °C Æ T1ust=375+273,15=648,15 K Î λ = 2,898*10-3 / 648,15 = 4471 nm t2ust=376 °C Æ T1ust=376+273,15=649,15 K Î λ = 2,898*10-3 / 649,15 = 4464 nm
4.2.
Prostorová deska
ustálená teplota t1ust=476 °C ustálená teplota t2ust=483 °C
vzdálenost zářiče l1=22cm vzdálenost zářiče l2=18cm rozložení teplot [°C] v prostoru (l1) osy 1 2 3 4 5 6 7 1 28 28 32 33 30 38 27 2 30 32 35 33 34 30 28 3 30 22 36 36 35 22 30 4 33 35 37 38 35 30 30 5 34 27 30 35 33 32 30 6 32 32 30 33 32 32 28 7 28 30 28 26 30 30 28
Prostorové teplotní pole ve vzdálenosti 22cm 38 36
T [°C]
36-38
34
34-36
32
32-34
30
30-32 28-30
28
26-28
26
24-26
24
S7 S5
22 20 1
S3 2
3
4
5
6
S1
7
Pohled shora na teplotní pole S7
S6
S5
S4
S3
S2
S1 1 22-24
2 24-26
3 26-28
4 28-30
5 30-32
6 32-34
7 34-36
36-38
22-24 20-22
rozložení teplot [°C] v prostoru (l2) osy 1 2 3 4 5 6 7 1 29 27 34 33 30 29 28 2 32 34 38 35 35 31 29 3 32 26 42 41 37 26 30 4 35 38 41 34 36 32 30 5 35 21 37 38 35 34 30 6 32 23 35 33 34 31 29 7 29 30 30 26 30 29 27
Prostorové teplotní pole ve vzdálenosti 18cm 42
40-42
40
38-40
38
36-38
36
34-36
34 T [°C]
32-34
32 30
30-32
28 26
28-30 26-28
24 22 20
S7 S5 1
S3 2
3
4
5
6
S1
7
Pohled shora na teplotní pole S7
S6
S5
S4
S3
S2
S1 1
2
3
4
5
6
7
21-23
23-25
25-27
27-29
29-31
31-33
33-35
35-37
37-39
39-41
41-43
43-45
24-26 22-24 20-22
t1ust=476 °C Æ T1ust=476+273,15=749,15 K Î λ = 2,898*10-3 / 648,15 = 3868 nm t2ust=483 °C Æ T1ust=483+273,15=756,15 K Î λ = 2,898*10-3 / 649,15 = 3833 nm
5. Závěr Z provedeného měření a grafické vizualizace je zřejmé, že s rostoucí vzdáleností je teplotní pole infrazářičů rovnoměrnější, více rozprostřené a dosahuje nižších teplot. Naopak při menší vzdálenosti ozařované desky pole vykazuje více nárůstů a poklesů. Při měření má vliv i umístění ozařované desky – v našem případě u okna – lze pozorovat na pohledu 2D shora ochlazování zadní stěny panelu s termočlánky. Při výpočtu vlnové délky jsme si ověřili, že všechny hodnoty odpovídají spektru neviditelného elektromagnetického vlnění přenášející tepelnou energii (760 - 10 000 nm).
6. Použité přístroje -
Multimetr s teplotním senzorem 7312
-
Multimetr s teplotním senzorem 7313
-
Mastech multimetr MS8217
-
Infrazářiče se senzorovou plochou (s termočlánky)
