Thermodynamische Grundlagen zur Strahlungswirkungsgrad...
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© Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 1
Thermodynamische Grundlagen zurStrahlungswirkungsgrad-Messung
1. Internationaler Workshop Infrarotheizung„Prüfmethode für den Strahlungswirkungsgrad von Niedertemperatur-
Infrarotheizungen und deren Normung“
10. April. 2014
Dr.-Ing. Peter Kosack
Technische Universität Kaiserslautern
Inhalt1 Begriffsbestimmungen
2 Thermodynamische Grundlagen
3 Prüfmethode im Überblick
Diese Vortragsfolien wurden auf dem oben genannten Workshop präsen�ert.
Falls Interesse an einem Vortrag vor Ort besteht, bite per E-Mail unter
[email protected] an mich wenden.
Bei der Zusammenstellung wurde bei allen Abbildungen streng darauf geachtet, dass
diese frei verfügbar waren oder frei gegeben wurden. Falls das im Einzelfall entgegen
meiner Kenntnis nicht der Fall sein sollte, bite ich um Nachricht.
© Dr.-Ing. Peter Kosack
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Strahlereinteilung nach Temperatur und Strahlungsspektrum
Niedertemperatur-Infrarotstrahler
Infrared Low Temperature Emitter
Hochtemperatur-DunkelstrahlerInfrared Medium
Temperature EmitterInfrared Dark Emitter
Hochtemperatur-HellstrahlerInfrared High
Temperature EmitterInfrared Bright Emitter
K800 (ca.500°C) K523 (ca.250°C)
Die Einteilung der Infrarotstrahler richtet sich im Wesentlichen nach der bereits üblichen
Einteilung am Markt.
Die Grenze zwischen Niedertemperatur- und Hochtemperatur-Strahlern markiert auch
die Grenze zwischen den möglichen Messverfahren zur Bes�mmung des
Strahlungswirkungsgrades. Unter 250°C sind die bisherigen Messverfahren aus dem
Hochtemperaturbereich nicht anwendbar (siehe auch Folie 6).
Die Bilder zeigen typische am Markt erhältliche Produkte.
Zur Einordnung bezüglich des ausgestrahlten Strahlungsspektrums dient die mitlere
Grafk. Zum Vergleich sind der Mensch als Infrarotstrahler mit ca. 300 K
Oberfächentemperatur (rote Linie) und die Sonne (gelbe Linie) mit dem zugehörigen
Spektrum gekennzeichnet.
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UnterschiedLeistung, Wirkungsgrad, Energie-Effizienz
Leistung =umgesetzte Energiepro Zeitraum beikonstantemSystemzustand
Angabe in W oder kW
Normen (IR-Strahler):Normen zuelektrischen Heizgeräten
Vergleich PKW:Angabe der Motorleistungin kW oder PSbei einer bestimmtenMotordrehzahl
(Strahlungs-)Wirkungsgrad =Verhältnis von zugeführterLeistung oder Energiezu abgegebenerLeistung oder Energie beikonstantemSystemzustand
Angabe in %
Normen (IR-Strahler):DIN EN 416 / 419 fürHochtemperatur-Gasstrahler
Vergleich PKW:Verhältnis von zugeführterchemischer Energie (Benzin)zu abgegebenermechanischer Energieam Motorbei einer bestimmtenMotordrehzahl
Energieeffizienz =Maß für denEnergieaufwand zurErreichung einesfestgelegten Nutzens(Nutzenprofil)
Angabe in Wh oder kWh
Normen (IR-Strahler):Keine
Vergleich PKW:Angabe desEnergieverbrauchsin Litern/100km z.B. beim Neuen EuropäischenFahrzyklus (NEFZ)
In vielen Veröfentlichungen zu Infrarotstrahlern werden die Begrife Leistung,
Wirkungsgrad und Energie-EAzienz verwechselt oder völlig falsch verwendet.
Insbesondere der für Infrarotstrahler wich�ge und kennzeichnende Begrif des
Strahlungswirkungsgrades wird häufg falsch verwendet und mit dem elektro-
thermischen Wirkungsgrad oder der Energie-EAzienz verwechselt.
Der elektro-thermische Wirkungsgrad ist das Verhältnis von insgesamt abgegebener
thermischer Leistung zur zugeführten elektrischen Leistung und liegt immer bei 100%.
Der Strahlungswirkungsgrad ist das Verhältnis von abgegebener Strahlungs-Leistung zur
zugeführten elektrischen Leistung und liegt bei Niedertemperatur-Infrarotstrahlern
immer weit unter 100% (siehe Folie 7).
Für die EnergieeAzienz gibt es für Infrarotstrahler generell noch keine Defni�on, da für
die verschiedenen Anwendungszwecke wie z.B. Raumheizung noch kein Nutzenprofl
wie bei anderen Produkten defniert wurde.
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Prinzipielle Formen der Wärme-Übertragung
Wärmeleitung
Wärmestrahlung
Wärme bewegt sich als Wärmestrom immer von „Warm“ zu „Kalt“, bis alles gleich warm ist, d.h. alle Moleküle gleich stark schwingen.
Konvektion
Die Folie veranschaulicht die drei grundsätzlichen Formen der Wärme-Übertragung.
Bei der Wärmeleitung wird die Wärme in einem Feststoff oder einem ruhenden Fluid infolge eines Temperaturunterschiedes von Teilchen zu Teilchen durch intermolekulare Wechselwirkung weitergeleitet.
Konvektion ist eine Form der Wärmeübertragung, die auf dem Transport von Teilchen beruht, die die Wärmeenergie mit sich führen. Im Beispiel werden die direkt über der erhitzten Platte befindlichen Luftmoleküle durch Wärmeleitung erhitzt, die Luftschicht über der Platte dehnt sich aus, wird leichter und steigt dadurch auf. Von den Seiten strömt kalte Luft nach und es entsteht eine natürliche (nicht z.B. durch Lüfter erzwungene) Konvektion.
Wärmestrahlung ist die Wärme-Übertragung per elektro-magnetischer Strahlung, die nicht an ein materielles Medium gebunden ist und deshalb auch im Vakuum funktioniert. Typisches Beispiel ist die von der Sonne auf die Erde übertragene Wärmeenergie.
Im Beispiel mit dem Wassertopf über einem Feuer sind nochmals alle drei Übertragungsarten veranschaulicht. Grundsätzlich treten in der Praxis fast immer alle drei Wärme-Übertragungsarten gemeinsam auf und müssen auch gemeinsam betrachtet werden. Dies gilt insbesondere für die Niedertemperatur-Infrarotstrahler.
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Wärmeübertragung im System NT-Infrarotstrahler/Raum
Wand
Luft-Absorption
Rück-Strahlung
Wärmeleitungin die Wand
Konvektion
Infrarot-Strahlung
Wärmeleitungin die Luft
Die Folie veranschaulicht die Wärmeübertragung bezüglich der drei Übertragungsarten
in einem Raum.
Ein an der Wand mon�erter Niedertemperatur-Infrarotstrahler gibt Strahlungswärme
sowohl raumsei�g als auch wandsei�g ab. Die raumsei�g abgegebene Strahlung wird
teilweise durch die Luf absorbiert und gelangt an die Raumoberfächen, die das Meiste
davon absorbieren und dadurch erwärmt werden. Auch die absorbierende Luf wird
erwärmt.
Die Rückstrahlung setzt sich zusammen aus der vom Strahler stammenden refek�erten
Strahlung und der Strahlungswärme der Wand.
Die wandsei�g abgegebene Strahlungswärme erwärmt die rückwär�ge Wandfäche.
Diese so entstandene Wärme wird per Wärmeleitung sowohl in die Wand als auch an
die Lufschicht zwischen Wand und Strahler abgegeben.
Durch die Erwärmung der Lufschichten vor und hinter dem Infrarotstrahler entsteht
natürliche Konvek�on.
Parallel zu Wärmestrahlung und Konvek�on entsteht auch noch Wärmeleitung vom
Strahler in die Raumluf und vom Strahler über die Halterungen in die Wand.
Alle Wärmeübertragungen fndet man in gleicher Weise, nur unterschiedlich in den
Anteilen verteilt bei Deckenmontage des Strahlers.
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Die Energiebilanz und daraus abgeleitete Messgrößen
Zu ermittelnde Größen: Temperatur des Paneels (T1), Temperatur der Raumoberfläche (T2),
Emissionsgrad des Paneels (1), Emissionsgrad der Wände (
2), aktive Vorderfläche
des Paneels (A1) und die zugeführte elektrische Leistung (Pel).
Elektrisch erzeugte Wärmeleistung = Wärmeleitung + Konvektion + Wärmestrahlung
= Einstrahlzahl von A2 = 1 in Räumen
Wie in Folie 5 dargestellt, wird die elektrisch erzeugte Wärmeleistung des
Niedertemperatur-Infrarotstrahlers durch alle drei Wärmeübertragungsarten
abgegeben. Dies wird in der angegebenen Energiebilanz-Gleichung ausgedrückt. Um die
Rückwirkung im Raum zu berücksich�gen, muss für die Wärmestrahlung die sogenannte
Strahlungsaustausch-Formel verwendet werden, die die efek�v in den Raum
abgegebene Strahlungsleistung beschreibt.
In der Tabelle ist dargestellt, wie groß der Fehler werden würde, würde man stat der
Strahlungsaustausch-Formel nur die normale Strahlungsformel verwenden. Bei den
Hochtemperatur-Strahlern spielt der Fehler keine Rolle und wird deshalb in den dor�gen
Messverfahren vernachlässigt. Für die Niedertemperatur-Infrarotstrahler muss jedoch
ein Messverfahren angewendet werden, das auf der Strahlungsaustausch-Formel
beruht. Dieses neu entwickelte Messverfahren wird auf dem vorliegenden Workshop
vorgestellt.
Der Strahlungswirkungsgrad ist dann das Verhältnis der von der Vorderseite des
Strahlers in den Raum abgegebenen efek�ven Strahlungsleistung im Verhältnis zur
zugeführten elektrischen Leistung, die der elektrisch erzeugten Wärmeleistung
entspricht.
Besonders kri�sch ist die Messung des Emissionsgrades, da dieser auch für die exakte
Temperaturmessung bes�mmend ist. Fehlerbetrachtungen im Zusammenhang mit der
Entwicklung des Messverfahrens haben gezeigt, dass kleine Ungenauigkeiten bei der
Bes�mmung des Emissionsgrades zu großen Gesamtehlern von bis zu 20% und mehr
führen können.
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Theoretische Grenzen des Strahlungswirkungsgrads
Idealisierte Annahmen: 1) Homogene Temperaturverteilung auf der Paneel-Vorderseite;2) ideale Dämmung der Paneel-Rückseite; Wandaufhängung
3) ideale Emmissionsgrade = 1; keine Wärmeleitung in Aufhängung oder Luft.4) keine Luft-Absorption, Umgebungstemperaturen homogen und konstant 20°C
d.h., die technisch realisierbaren Wirkungsgrade liegen typisch 5% und mehr darunter !!!
Mit Hilfe der Gleichungen aus Folie 6 lässt sich auch die theore�sche Grenzlinie für den
Strahlungswirkungsgrad in Abhängigkeit von der Oberfächentemperatur des Strahlers
ermiteln. Dies ist für Temperaturen von 30°C bis 130°C dargestellt, in der sich fast alle
am Markt erhältlichen Strahler bewegen.
Dabei wurden die in der Folie genannten idealen Annahmen unterstellt, die so gut in der
Praxis nicht umsetzbar sind und einem idealen MessauMau entsprechen würden.
Diese Grenzlinie hat für alle Größen von Strahlerfächen Gül�gkeit.
Oberhalb des dargestellten Bereichs facht die Kurve ab und erreicht bei 250°C, also der
Grenze zu den Hochtemperatur-Infrarotstrahlern, ca. 72 %.
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Einfluss von Luftabsorption und Aufheizzeit
Für die Behaglichkeit istdie Aufheizung derRaum-Oberflächenentscheidend !
Die Luftabsorptionmuss daher beimStrahlungswirkungsgradinsbesondereoberhalb ca. 100°Cberücksichtigt werden(roter Bereich).
Die Speichermassewirkt sich zwar erst imZusammenspiel mit derTemperatur-Regelungaus, mindert jedoch dieeffektive Erwärmung derRaum-Oberflächen.Sie wird indirekt über dieAufheizzeit erfasst.
Wie in den früheren Folien bereits angedeutet, ist die efek�v abgegebene
Strahlungsleistung entscheidend, da dadurch die Raumoberfächen erwärmt werden,
was wiederum entscheidend ist für thermische Behaglichkeit ist (S�chwort „Opera�ve
Temperatur“).
Sobald die mitlere Oberfächentemperatur des Strahlers über 100°C steigt, gerät das
abgestrahlte Spektrum zunehmend in den Dämpfungsbereich zwischen 5 und 8 µm
Wellenlänge. Die Lufabsorp�on kann dabei bis über 20% betragen und ist bei den
Messungen ebenfalls zu berücksich�gen.
Die efek�v abgegebene Strahlungsleistung wird auch durch die Speichermasse
beeinfusst, was sich jedoch erst im Zusammenspiel mit der Temperatur-Regelung wie
folgt auswirkt:
Beim Einschalten des Strahlers verbleibt dieser bei hoher Speichermasse lange im
Konvek�ons-Bereich mit nur geringer efek�ver Strahlungsleistung. Entsprechendes
geschieht beim Ausschalten. Über gleiche Zeiträume im Vergleich mit einem Strahler mit
niedriger Speichermasse, wird bei etwa gleicher Endtemperatur der Strahleroberfäche
viel weniger Strahlungsenergie abgegeben.
Dieser Efekt wird durch die Messung von AuSeiz- und Abkühlzeit erfasst.
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Zusammenhänge im Überblick
Die Folie zeigt die wich�gsten, den Strahlungswirkungsgrad bes�mmenden Aspekte im
Überblick.
Den Infrarotstrahler mit seinen Kenngrößen Temperatur und Emissionsgrad, die
Bes�mmung der efek�ven Strahlungsleistung (Neto-Strahlung) mitels
Strahlenaustausch-Formel, den Strahlungswirkungsgrad als Verhältnis von efek�ver
Strahlungsleistung und zugeführter elektrischer Leistung und die Berücksich�gung der
Absorp�on in Luf.
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Dr.-Ing. Peter KosackGraduate School CVTArbeitskreis Ökologisches Bauen
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