Metrologia procesów energetycznych

Transkrypt

1 Metrologa procesów energetycznych W badanach wymany cepła, a szczególne do dentyfkacj współczynnka przejmowana cepła gęstośc strumena cepła, są stosowane róŝnorodne ceplne technk pomarowe. W ogólnym przypadku do określena strumena cepła wymenonego przez całe analzowane urządzene lub jego fragment wystarczy posłuŝyć sę blansem ceplnym. Jednak take postępowane pozwala w zasadze na określene tylko średnej wartośc strumena cepła. Równane blansu energ (ale bez wykonywana pracy) w stane neustalonym dla sytemu termodynamcznego ma postać: Granca systemu System de mh & + dt sys + Φ mh & m m Φ de sys dt m& Q Rys.. Blans energ. gdze: h, h entalpe na wloce wyloce z systemu, strumeń cepła doprowadzony z otoczena do systemu, przyrost energ systemu w jednostce czasu (akumulacja), strumeń masowy płynu. ( ) h h Φ m&

2 Wśród lcznej gamy technk ceplnych moŝna wyodrębnć dwe zasadncze kategore. Perwsza z nch to technk nestacjonarne, w których pomar jest realzowany w warunkach nestacjonarnych (zmenne w czase pole temperatury czujnka), druga kategora, to gdy pomar odbywa sę w warunkach stacjonarnych. Stacjonarne technk pomarowe Metody Przewodnoścowe Metody blansu ceplnego Radometry Czujnk typu ścanka pomocncza Czujnk grzane (Aktywne) Czujnk typu ścanka pomocncza Czujnk tarczowe Gardona Czujnk entalpowe Czujnk tarczowe Gardona Czujnk prętowe Czujnk róŝncowe Nestacjonarne technk pomarowe Metoda stanu uporządkowanego Czujnk kalorymetryczne Metody rozwązań odwrotnych Czujnk cenkowarstwowe Czujnk grubowarstwowe Rys.. Klasyfkacja metod pomaru gęstośc strumena cepła.

3 o C W/m -budownctwo; -powerzchne promenujące + konwekcja swobodna; 3-ścany wysoko-temperaturowych peców; 4-powerzchne chłodzone powetrzem; 5- powerzchne chłodzone wodą

4 Czujnk to elementy o bardzo małych gabarytach w stosunku do wymarów urządzena, lub jego fragmentu na powerzchn którego są zamocowane. Zatem w zasadze słuŝą do pomaru lokalnych wartośc strumena cepła. Ilość cepła jaką przekazują czujnk do otoczena wyznacza sę z blansu ceplnego, ale ne płynu, tylko samego czujnka, uzupełnonego o odpowedne prawo (Newtona, Fourera, Pécleta) loścowo opsujące wartość przekazanego strumena cepła. Q K Q R Czujnk Płyn α, f Rys. 3. Blans energ na powerzchn czujnka. R K C Φ + Φ Φ ) ( ) ( 4 4 w o w f K h + ε σ ( ) ) ( ) ( w f w f R K h h h + ( ) w f w f R h 4 4 ε σ

5 Metody pomaru gęstośc strumena cepła Czujnk typu ścanka pomocncza ego typu mernk naleŝą do grupy najczęścej stosowanych w praktyce. Wykorzystywane są przede wszystkm do pomaru strat cepła do otoczena przez przegrody budowlane: ścany, okna, stropy, tp. oraz zolowane przewody rurowe. Znajdują równeŝ zastosowane w medycyne przy określanu lośc cepła oddawanego do otoczena przez cało człoweka. Ponadto wykorzystywane są w przemyśle energetycznym do określana gęstośc strumena cepła przejmowanego przez ścank kotłów oraz w meteorolog do dentyfkacj lośc cepła wymenanego przez grunt z otoczenem. Stosowane są równeŝ do określana współczynnka przewodzena cepła, a takŝe pojemnośc ceplnej w róŝncowej kalorymetr scanngowej (DSC) oraz jako radometry. gdze: w w λ cz cz λ cz współczynnk przewodzena cepła, cz Rys. 4. Przewodzene cepła przez czujnk. cz grubość czujnka, róŝnca temperatury,

6 Konstantan -A Spona termoelementu Medź -B Warstwa materału a) b) A ermoelementy Rys. 5. Pomar róŝncy temperatury mędzy powerzchnam czujnka za pomocą N-termoelementów E B Rdzeń pomarowy Izolacja c) Rys.6. Fotografe róŝnych mernków. λ cz cz e β

7 3 e N E β E N C cz cz 443 β λ E C m W V m W C µ C S W V m S µ E N cz cz λ β N E e β E C czułość

8 f() C E f ( ) kal f ( ) współczynnk uwzględnający wpływ temperatury na współczynnk przewodzena cepła czujnka C λ ( ) cz N β cz

9 Rdzeń pomarowy (czujnk) a) b) hα, f c) Izolacja cz h α, f A B Rys. 7. Przenkane cepła przez ścankę. ' f R' f R ' + + h λ h ' const f R f R h + + λ λ cz + cz h " ' f f R" R' f f " ' R' cz R' + λ cz

10 cz h α, f h α, f Pasta termo-przewodząca R ' + + h λ h " ' R' R' + cz + R λ cz w R w opór kontaktowy

11 Ahlborn Mess- und Regelungstechnk GmbH

12 Hukseflux hermal Sensors B.V.

13 Captec Enterprse DIMENSIONS (mm) SENSING SURFACE AREA (cm) SENSIIVIY µv/( W/m ) SENSIIVIY mv/( W/cm ) 0x x x x x

14 3 Czujnk Schmdta-Boeltera 4 Rys. 8. Schemat pomaru gęstośc strumena cepła za pomocą czujnka Schmdta - Boeltera. -warstwa zolacyjna, -blok chłodncy, 3-profl temperatury, 4-termoelementy. C E Do pomaru duŝych gęstośc strumen cepła stosowane są czujnk Schmdta-Boeltera, rys.8. Są to w stoce zmodyfkowane czujnk typu ścanka pomocncza. Składają sę one z cenkowarstwowej płytk wykonanej z materału o nskm współczynnku przewodzena cepła umeszczonej bloku chłodncy (najczęścej medzanym). Zasada dzałana opera sę na jednowymarowym przewodzenu cepła przez cenką zolacyjną warstwę czujnka. Na podstawe pomary róŝncy temperatury na skrajnych ścankach tej warstwy określa sę gęstość strumena cepła dopływającego do czujnka.

15 Hukseflux hermal Sensors B.V.

16 Q 5 Q 3 r 7 Q r r R r Rys. 9. Zasada dzałana czujnka Gardona. -płytka pomarowa, -blok chłodncy, 3-termoelementy, 4,5-wlot wylot wody, 6-profl temperatury, 7-zolacja. 3 6 r 4 Czujnk tarczowe Gardona Czujnk tarczowe są wykorzystywane zarówno w pomarach współczynnka przejmowana cepła jak gęstośc strumena cepła przekazywanego na drodze promenowana. Podstawowym elementem pomarowym (czujnkem) jest zazwyczaj okrągła płytka metalowa (najczęścej konstantanowa stop CuN) zazolowana od spodu przykrywająca otwór w korpuse sondy pomarowej. Czujnk mogą teŝ meć nne kształty, np. prostokątnej płytk, chłodzonej na dwóch przecwległych bokach zazolowanej na pozostałych. Dopływający do tarczy strumeń cepła jest promenowo przewodzony do zewnętrznego brzegu, gdze jest odberany przez czynnk chłodzący przepływający przez chłodncę (zwykle jest to woda). Czujnk Gardona, w zasadze merzą całkowty strumeń cepła (konwekcyjny radacyjny,) docerający do powerzchn, jednak w zaleŝnośc od stanu powerzchn czujnka (emsyjnośc) moŝna merzyć tylko część konwekcyjną (bardzo mała emsyjność czujnka ε<0,05), lub radacyjną (ε>0,9). Dlatego w celu uzyskana analtycznych formuł, z których w oparcu o zmerzoną róŝncę temperatury moŝna zdentyfkować poszukwaną welkość, przyjmuje sę dwa załoŝena: const, (czujnk merzy składową radacyjną ), hconst, (czujnk merzy składową konwekcyjną ).

17 Przypadek. const, (pomar składowej radacyjnej ) Q 3 Q Q 6 r r r r R r Q& π Q& π r λ ( r + r) λ d dr d dr r r+ r Rys. 9. Zasada dzałana czujnka Gardona. -płytka pomarowa, -blok chłodncy, 3-termoelementy, 4,5-wlot wylot wody, 6-profl temperatury, 7-zolacja. Q& 3 π r r Q & & & + Q3 Q

18 Q 5 Q 3 r 7 Q r r R r Rys. 9. Zasada dzałana czujnka Gardona. -płytka pomarowa, -blok chłodncy, 3-termoelementy, 4,5-wlot wylot wody, 6-profl temperatury, 7-zolacja. 3 6 Rozwązane: r 4 ( r ) Równane róŝnczkowe: Dla warunków brzegowych: + 4 λ ( R r ) d dr λ r ( r d dr ) d dr r R ( r) ( r ) r r 0 r 0 0 e β 4 λ R 443 ( ) 4 λ e R 3 β C C e

19 Q 3 Q r r Przypadek. hconst, (pomar składowej konwekcyjnej ) αh Q f Rys. 0. Schemat pomaru współczynnka przejmowana cepła za pomocą czujnka Gardona. ( r) + ( ) r Q & & Q& + Q3 Q π Równane róŝnczkowe: I 0 Q& 3 m & Q& ( r + r) π r r r R π r λ λ d dr r+ r d dr ( ) h f ( ) d d h λ r r f dr dr f f m R I0( x) I ( m) λ 0 h n 0 n r x n ( n! ) f f I 0 ( m) n 0 n ( m) n ( n! ) + m m m

20 m m f f f f R h λ h R m λ ( ) ( ) ( ) ! m m m n m m I n n n f f r r r f Q Q 3 Q Rys. 0. Schemat pomaru współczynnka przejmowana cepła za pomocą czujnka Gardona. αh Dla małych wartośc m:

21

22 Czujnk prętowe λ ( ) λ ( ) ± K 4 woda

23 Metody ekstrapolacyjne W metodze ekstrapolacyjnej gęstość strumena cepła oraz temp. na powerzchn cała wyznacza sę na podstawe przestrzennego rozkładu temp. w poblŝu jej powerzchn. dx x d ( 0) λ ( ) f w h x b a x + ) ( N N N N N N x x N x x x a N N N N N x x N x x N b b λ f a b h λ w w f a w b a w +

24 Metody blansu ceplnego (czujnk aktywne) -czujnk; -el. grzejnk oporowy; 3-zolacja ceplna; 4-przewody elektryczne; 5-podłoŜe. IU I R l C A c ( ) c w gdze: I natęŝene prądu; U spadek napęca; R l rezystancja przewodów zaslających; C przewodność ceplna uwzględnająca straty cepła od elementu grzejnego do podłoŝa;

25 Radacyjna wymana cepła-prawo Plancka Promenowane występujące w przyrodze, w zaleŝnośc od długośc fal moŝna podzelć na zakresy : kosmczne oraz promenowane gamma: λ<0-5 µm; promenowane typu X: (0-5 < λ<0 - ) µm; ultrafoletowe: (0 - < λ<0,35) µm; promenowane wdzalne (0,35 < λ<0,75) µm; podczerwone (0,75 < λ<000) µm; mkrofale fale radowe 000 µm < λ.

26 Obszar podczerwen ma najstotnejsze znaczene z punktu wdzena technk pomarowych w odnesenu do detekcj oraz rejestrowana promenowana ceplnego. Dla <500 o C obekty emtują promenowane prawe całkowce leŝące w zakrese promenowana podczerwonego. Obszar podczerwen moŝna podzelć na zakresy : Podczerweń blską lub krótkofalową IR-A (0,78-,4 µm); Podczerweń średną lub średnofalową IR-B (,4-3,00 µm); Podczerweń daleką lub średnofalową IR-B (,4-3,00 µm);

27 KaŜde cało o temperaturze wyŝszej od temperatury zera bezwzględnego emtuje promenowane ceplne, zwane temperaturowym. NatęŜene tego promenowana zaleŝy od długośc fal oraz temperatury obektu. E + ER + EP E EA ER EP + + E E E A a + ρ + τ WyróŜna sę szczególne przypadk: a, ρ0, τ0-cało czarne; ρ, a0, τ 0-cało bałe; τ, a0, ρ 0-cało przeźroczyste; E E R E A E P

28 e b ( λ, ) C 5 C λ exp λ 6 [ W ] C 3, 740 m C, e b eb( λ, ) dλ 4 e 0 b σ e b W m σ 5, 670 λ 898 µ max 8 [ m K] W m K [ m K ] 4 e b (,λ) W/m Prawo Wena o C 00 o C 50 o C 300 o C λ, µm a ε Prawo Krchhoffa. Powerzchne cał stałych częścowo pochłanają, częścowo odbjają częścowo przepuszczają padające na ne promenowane. Jednak wększość cał stałych jest neprzeźroczysta dla promenowana podczerwonego. E E R E A E P a + ρ

29 Nenwazyjne metody pomaru temperatury powerzchn Normalne obserwowane obrazy, oglądane są w paśme wdzalnym przy wykorzystanu zjawska rozproszena śwatła. JednakŜe często bardzej wartoścowe są nformacje uzyskwane w paśme newdzalnym promenowana elekromagnetycznego np. zakrese podczerwonym. Strumeń cepła docerający do detektora składa sę ze strumen: -strumena emtowanego przez badany obekt; -strumena emtowanego przez otoczene odbtego od badanego obektu; -strumena emtowanego przez atmosferę;

30 Atmosfera, a τ Obekt, ε ob Φ t Φ ob ε ( 3 ε ) ρ Φ a ( τ ) Φ t Φ ( ε ) τ t Φ ob ε τ ło, t ε t ( ε ) τ Φ + Φ ( τ ) Φ det Φ ob ε τ + t a 3 ε a

31 ( ε ) τ Φ + Φ ( τ ) Φ det Φ ob ε τ + t a 3 ε a U det U ob ( ε ) τ U + U ( τ ) U ob ε τ + t a 3 U det ε τ ( ε ) ( τ ) ε U t ε τ U a ε a U Φ C det det U det U det

32

33

34 Pochłanane promenowana IR przez H O oraz CO

35 Emsyjność spektralna materałów

36 Cała dealne rozpraszające ε(α) ε ε ( α,λ,,czas)

37 Rodzaje detektorów Detektory termczne: Detektory bolometryczne są to rezystory o bardzo malej pojemnośc ceplnej duŝym ujemnym współczynnku temperaturowym zman rezystancj. Pod wpływem merzonego promenowana zmenają, swoje rezystancje. Bolometry metalczne, wykonywane z cenkch fol lub z naparowanych warstw nklu, bzmutu lub antymonu, są stosowane do chwl obecnej. Ich cecha charakterystyczną jest to, Ŝe mogą pracować w temperaturze pokojowej. Budowane są, teŝ detektory bolometryczne półprzewodnkowe, nadprzewodzące oraz ferroelektryczne. Detektory termoelektryczne są zbudowane na baze termostosu (układ szeregowo połączonych termoelementów). Złącze pomarowe jest połączone z elementem fotoczułym, na który pada promenowane podczerwone. Pod wpływem zaabsorbowanego promenowana wzrasta temperatura powerzchn aktywnej od do +, powodując nagrzane złącza. RóŜnca temperatur złączy powoduje powstane sły termoelektrycznej. Detektory proelektryczne są zbudowane z półprzewodnków, w których moŝe wystąpć tzw.,,zjawsko proelektryczne. Detektory te występują jako nechłodzone w kamerach obserwacyjnych.

38 Wśród detektorów fotonowych moŝna wyróŝnć: Detektory fotoprzewodzące Padające promenowane podczerwone powoduje zmanę rezystancj fotorezystora. Zmany przewodnctwa są merzone na kontaktach elektrycznych dołączonych do płytk detektora. Detektory fotoemsyjne są to detektory z tzw. zewnętrzną emsją fotowoltaczną. Zjawsko fotoemsj polega na emsj elektronów z materału na zewnątrz (z fotokatody do wolnej przestrzen) w wynku wybca go przez padający foton. Detektory na studnach kwantowych (QWIP Quantum Well Infrared Photodetector - studnowe fotonowe detektory podczerwen) Strukturę stanową cenke warstwy AGaAs oraz GaAs. W celu zapewnena optymalnych parametrów pracy wymagają schłodzena do temperatury 03ºC ( 70K) za pomocą chłodzark Strlnga zabudowanej w naczynu Dewara, czyl wymagają neco wększego schłodzena nŝ typowe detektory chłodzone: 96ºC ( 77K).

39