So ung an ei nfrarootstrahler - Heat4All · 2016. 8. 9. · ung Prüfber Stuttg udolf KO udolf-Kol 02 Vitis USTRIA udolf KO L-750 16 etechnik (ITW 9(0)711/685-UND TE ARANLA odynamik

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Prüfbericht-Nr.: 16SU079 Seite 2 von 13 Datum: 25.07.2016

Institut für Thermodynamik und Wärmetechnik (ITW) Pfaffenwaldring 6 70550 Stuttgart Tel. 0049(0)711/685-63536 Fax 0049(0)711/685-63503 e-mail: [email protected]

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung ..................................................................................................................................... 3

2 Bestimmung der Emissionsgrade von Vorder- und Rückseite des Infrarotstrahlers ................... 3 3 Elektrische Leistungsaufnahme des Infrarotstrahlers ................................................................. 4 4 Bestimmung der Aufheizdauer .................................................................................................... 4 5 Bestimmung der Oberflächentemperatur des Infrarotstrahlers mittels Infrarot-Thermographie . 6 6 Berechnung der Strahlungsanteile des Infrarotstrahlers ........................................................... 11 7 Berechnung der Strahlungsleistung, des Strahlungswirkungsgrades und der konvektiv abgegebenen Wärme ................................................................................................................ 12 8 Prüfverfahren ............................................................................................................................. 13

PrüfbericDatum: 2

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U079


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Die Temperaturverläufe an den Messstellen nach dem Einschalten des Strahlungsheizkörpers sind in Abbildung 4 dargestellt. Der Heizkörper wurde um 13:26 Uhr eingeschaltet. Die Erwärmung im Zentrum auf der Vorderseite erfolgt praktisch verzögerungsfrei. Nach 35 Minuten erreicht die Temperatur an dieser Stelle den Endwert. Die Temperaturen am Rand des Strahlungsheizkörpers steigen hingegen langsamer und erreichen erst nach ca. 50 Minuten ihren Endwert. Im Zentrum auf der Rückseite beträgt die Aufheizzeit auf Grund der Wärmedämmung im Inneren und der Temperaturleitfähigkeit des Stahlbleches ca. 75 Min.

Die Aufheizdauer beträgt ca. 45 Minuten, da der Strahlungsheizkörper nach dieser Zeit nach vorne quasi seine volle Strahlungsleistung abgibt.

Die Welligkeit der Temperaturverläufe nach ca. 45 Minuten ist auf die leichte Schwankung der Netzspannung zurückzuführen. Für die Bestimmung der Zeitkonstanten wurden die Mittelwerte der Temperaturen zwischen 14:20 und 15:00 verwendet.

Abbildung 4: Temperaturverläufe der 4 Temperaturmessstellen sowie der Lufttemperatur

20

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U079


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Tabelle 1: Flächenanteile sowie mittlere, minimale und maximale Temperaturen der markierten Flächen

Rückseite Für die Rückseite des Strahlungsheizkörpers wurde ebenfalls Ɛ = 0,96 verwendet.

Das Thermogramm der Rückseite des Strahlungsheizkörpers ist in Abbildung 7 dargestellt. Der Darstellungsbereich reicht von 34 °C bis 71 °C. Das entsprechende Foto ist darunter in Abbildung 8 zu sehen. Der Strahlungsheizkörper wurde mit dem mitgelieferten Montagematerial an ein Gestell mit zwei vertikalen L-Profilen montiert. Dadurch wurden Teile der Rückseite verdeckt. Montagematerial und L-Profile haben annähernd Lufttemperatur und zudem einen niedrigen Emissionsgrad. Aus diesem Grund werden diese in der Thermografie-Aufnahme schwarz dargestellt. In den vier Ecken und an der Unterkante in der Mitte des Heizkörpers sind insgesamt 5 kleine dunkelblaue Punkte zu sehen. An den Stellen der kleinen Punkte befinden sich die Verbindungsschrauben zwischen dem vorderen Stahlblech und der Rückwand. Da der Emissionsgrad von blankem Metall sehr gering ist und die Temperaturen der gesamten Fläche für einen Emissionsgrad von 0.96 berechnet wurden, sind die Temperaturen der Schraubenköpfe in den Abbildungen 7 und 9 deutlich zu niedrig dargestellt. Des Weiteren sind vier größere dunkelblaue Punkte in den Ecken zu sehen, hier befinden sich die Abstandshalter aus Kunststoff. An der Oberkante in der Mitte befinden sich noch das Produktlabel sowie die Abdeckung des elektrischen Anschlusses und das Anschlusskabel.

Umlaufend am Rand, der nicht von der Abdeckhaube aus Stahlblech abgedeckt wird, ergeben sich die höchsten Temperaturen von bis zu 69 °C. Die Wärmeleitung des Stahlblechs, begünstigt durch den direkten Kontakt der Abdeckhaube mit der Frontplatte, führt zu einer Erwärmung des Randbereichs der Abdeckhaube.

Im Zentrum der Rückseite beträgt die Oberflächentemperatur 46 °C.

Zur Bestimmung der Mitteltemperatur der Rückseite wurde die Fläche in Teilflächen (R1 bis R10) aufgeteilt, wie in Abbildung 9 dargestellt. Die Mitteltemperaturen dieser Teilflächen wurden mit der Auswertesoftware der Thermografie-Kamera berechnet. Die durch das Montagegestell und das Anschlusskabel verdeckte Fläche wurde in 7 weitere Teilflächen (R11 bis R17) aufgeteilt. Die Mittelwerte hierzu wurden teilweise aus Mitteltemperaturen der angrenzenden Teilflächen oder aus mehreren Einzeltemperaturen an den jeweiligen Rändern der Teilflächen ermittelt. Aus allen Mittelwerten wurde dann entsprechend den Flächengrößenverhältnissen ein gewichteter Mittelwert für die Oberflächentemperatur der Rückseite berechnet. Messwerte und berechnete Werte (kursiv) sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Bei denselben Bedingungen wie für die Thermographie-Aufnahme der Vorderseite beträgt die mittlere Oberflächentemperatur der Rückseite 46,1 °C.

PrüfbericDatum: 2

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cht-Nr.: 16SU25.07.2016


Abbildung

Abbildung 8

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PrüfbericDatum: 2

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cht-Nr.: 16SU25.07.2016


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U079



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n °C Min

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Seite 1


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6 Berechnung der Strahlungsanteile des Infrarotstrahlers Die in den unterschiedlichen Wellenlängenbereichen auftretenden Strahlungsanteile des Strahlungsheizkörpers wurden aus der in den jeweiligen Wellenlängenbereichen berechneten Strahlungsleitung bestimmt. Die Strahlungsleistung wurde berechnet aus dem Emissionsgrad und der mittleren Temperatur der Oberfläche der Vorderseite mit Hilfe des Planck’schen Strahlungsgesetzes:

1

Mit: Strahlungsleistung M in W/m² Strahlungskonstante C1 = 3,741775 * 10-16 W*m² Strahlungskonstante C2 = 1,43877 * 10-2 K*m Emissionsgrad Ɛ: 0,96 Absolute Temperatur der Oberfläche T: 87,47 °C + 273,15 K = 360,62 K Wellenlänge λ: IR-A 0,78 µm – 1,4 µm, IR-B 1,4 µm – 3,0 µm, IR-C 3,0 µm – 1000 µm

In Tabelle 3 sind die Ergebnisse der Berechnung der Strahlungsanteile aufgeführt.

99,9 % der abgestrahlten Leistung wird im Wellenlängenbereich IR-C und damit zwischen 3,0 µm und 1000 µm emittiert.

M(IR‐A ) M(IR‐B) M(IR‐C) Mges

Strahlungsleistung (W/m²) ~ 0 ~ 0.7 ~ 920.0 ~ 920.7

Strahlungsanteil (%) ~ 0 ~ 0.1 ~ 99.9 100

Tabelle 3: Absolute Strahlungsleistung und relative Strahlungsanteile des Strahlungsheizkörpers für verschiedene Wellenlängenbereiche



7 Berechnung der Strahlungsleistung, des Strahlungswirkungsgrades und der konvektiv abgegebenen Wärme Die emittierte Nettostrahlung einer Fläche, welche mit den sie umgebenden Flächen im Strahlungsaustausch steht wird nach folgender Formel berechnet:

A ∗ ∗ / 1/Ɛ )+(1/Ɛ ‐1) ∗ A /A ] Mit: A1 = Emittierende Teilfläche des Strahlungsheizkörpers (R1vorne – R10vorne bzw. R1hinten – R17hinten) A2 = Umgebende Fläche, Wände ohne Rückwand, Decke und Boden Ɛ1 = Emissionsgrad des Strahlungsheizkörpers: 0,96 Ɛ2 = Emissionsgrad der umgebenden Fläche: 0,90 (bestimmt mit Thermografie-Kamera) T1 = Absolute Temperatur der Oberfläche des Strahlungsheizkörpers, Teilflächen siehe oben T2 = Absolute Temperatur der umgebenden Fläche: 296,15 K σ = Stefan-Boltzmann-Konstante: 5,67 * 10-8 W/m2K4

Für die Berechnungen wurden dieselben Randbedingungen und Messwerte wie für die Thermographie-Aufnahmen verwendet. Die Strahlungsleistung wurde für jede Teilfläche separat mit der Mitteltemperatur der Teilfläche (siehe Tabellen 1 und 2) berechnet und jeweils für Vorder- und Rückseite aufsummiert.

Die Strahlungsleistung der Vorderseite beträgt 320 W. Die Strahlungsleistung der Rückseite beträgt 92 W.

Der Strahlungswirkungsgrad berechnet sich wie folgt:

∗ 100% Bei einer elektrischen Leistungsaufnahme des Strahlungsheizkörpers von 580 W ergibt sich ein Strahlungswirkungsgrad für die Vorderseite allein von 55 % und insgesamt, d.h. für die Vorder- und die Rückseite zusammen von 71 %.

Bei einem elektrischen Heizkörper dieser Bauart wird die gesamte elektrisch zugeführte Leistung in Wärme umgewandelt. Auf Grund der beiden punktförmigen Montagehalterungen des Heizkörpers an der Gehäuserückseite kann eine Wärmeabgabe durch Wärmeleitung vernachlässigt werden. Damit berechnet sich die Konvektionsleistung wie folgt:

Bei einer elektrischen Leistungsaufnahme des Strahlungsheizkörpers von 580 W beträgt die Konvektionsleistung 168 W bzw. 29 %.

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