Thermodynamische Grundlagen zur Strahlungswirkungsgrad-Messung

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1 Thermodynamische Grundlagen zur Strahlungswirkungsgrad-Messung 1. Internationaler Workshop Infrarotheizung Prüfmethode für den Strahlungswirkungsgrad von Niedertemperatur- Infrarotheizungen und deren Normung 10. April Dr.-Ing. Peter Kosack Technische Universität Kaiserslautern Inhalt 1 Begriffsbestimmungen 2 Thermodynamische Grundlagen 3 Prüfmethode im Überblick Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 1 Diese Vortragsfolien wurden auf dem oben genannten Workshop präsenert. Falls Interesse an einem Vortrag vor Ort besteht, bite per unter kosack@rhrk.uni-kl.de 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 Diese PDF-Datei darf ausschließlich nur als Ganzes beliebig kopiert und weiter gegeben werden. Jede auszugsweise Weitergabe ist aus Gründen der inhaltlichen Verfälschung und zur Vorbeugung von Missverständnissen ausdrücklich untersagt.

2 Strahlereinteilung nach Temperatur und Strahlungsspektrum Niedertemperatur- Infrarotstrahler Infrared Low Temperature Emitter 523 (ca.250 C) Hochtemperatur- Dunkelstrahler Infrared Medium Temperature Emitter Infrared Dark Emitter 800 (ca.500 C) K Hochtemperatur- Hellstrahler Infrared High Temperature Emitter Infrared Bright Emitter Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 2 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 Besmmung 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.

3 Unterschied Leistung, Wirkungsgrad, Energie-Effizienz Leistung = umgesetzte Energie pro Zeitraum bei konstantem Systemzustand Angabe in W oder kw Normen (IR-Strahler): Normen zu elektrischen Heizgeräten (Strahlungs-) Wirkungsgrad = Verhältnis von zugeführter Leistung oder Energie zu abgegebener Leistung oder Energie bei konstantem Systemzustand Angabe in % Normen (IR-Strahler): DIN EN 416 / 419 für Hochtemperatur-Gasstrahler Energieeffizienz = Maß für den Energieaufwand zur Erreichung eines festgelegten Nutzens (Nutzenprofil) Angabe in Wh oder kwh Normen (IR-Strahler): Keine Vergleich PKW: Angabe der Motorleistung in kw oder PS bei einer bestimmten Motordrehzahl Vergleich PKW: Verhältnis von zugeführter chemischer Energie (Benzin) zu abgegebener mechanischer Energie am Motor bei einer bestimmten Motordrehzahl Vergleich PKW: Angabe des Energieverbrauchs in Litern/100km z.b. beim Neuen Europäischen Fahrzyklus (NEFZ) Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 3 In vielen Veröfentlichungen zu Infrarotstrahlern werden die Begrife Leistung, Wirkungsgrad und Energie-EAzienz verwechselt oder völlig falsch verwendet. Insbesondere der für Infrarotstrahler wichge und kennzeichnende Begrif des Strahlungswirkungsgrades wird häufg falsch verwendet und mit dem elektrothermischen 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 Defnion, da für die verschiedenen Anwendungszwecke wie z.b. Raumheizung noch kein Nutzenprofl wie bei anderen Produkten defniert wurde.

4 Prinzipielle Formen der Wärme-Übertragung Wärme bewegt sich als Wärmestrom immer von Warm zu Kalt, bis alles gleich warm ist, d.h. alle Moleküle gleich stark schwingen. Wärmeleitung Konvektion Wärmestrahlung Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 4 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.

5 Wärmeübertragung im System NT-Infrarotstrahler/Raum Wand Konvektion Rück-Strahlung Infrarot-Strahlung Luft- Absorption Wärmeleitung in die Wand Wärmeleitung in die Luft Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 5 Die Folie veranschaulicht die Wärmeübertragung bezüglich der drei Übertragungsarten in einem Raum. Ein an der Wand monerter Niedertemperatur-Infrarotstrahler gibt Strahlungswärme sowohl raumseig als auch wandseig ab. Die raumseig 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 refekerten Strahlung und der Strahlungswärme der Wand. Die wandseig abgegebene Strahlungswärme erwärmt die rückwärge 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 Konvekon. Parallel zu Wärmestrahlung und Konvekon 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.

6 Die Energiebilanz und daraus abgeleitete Messgrößen Elektrisch erzeugte Wärmeleistung = Wärmeleitung + Konvektion + Wärmestrahlung = Einstrahlzahl von A 2 = 1 in Räumen 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). Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 6 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 berücksichgen, muss für die Wärmestrahlung die sogenannte Strahlungsaustausch-Formel verwendet werden, die die efekv 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 dorgen 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 efekven Strahlungsleistung im Verhältnis zur zugeführten elektrischen Leistung, die der elektrisch erzeugten Wärmeleistung entspricht. Besonders krisch ist die Messung des Emissionsgrades, da dieser auch für die exakte Temperaturmessung besmmend ist. Fehlerbetrachtungen im Zusammenhang mit der Entwicklung des Messverfahrens haben gezeigt, dass kleine Ungenauigkeiten bei der Besmmung des Emissionsgrades zu großen Gesamtehlern von bis zu 20% und mehr führen können.

7 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!!! Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 7 Mit Hilfe der Gleichungen aus Folie 6 lässt sich auch die theoresche 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 Gülgkeit. Oberhalb des dargestellten Bereichs facht die Kurve ab und erreicht bei 250 C, also der Grenze zu den Hochtemperatur-Infrarotstrahlern, ca. 72 %.

8 Einfluss von Luftabsorption und Aufheizzeit Für die Behaglichkeit ist die Aufheizung der Raum-Oberflächen entscheidend! Die Luftabsorption muss daher beim Strahlungswirkungsgrad insbesondere oberhalb ca. 100 C berücksichtigt werden (roter Bereich). Die Speichermasse wirkt sich zwar erst im Zusammenspiel mit der Temperatur-Regelung aus, mindert jedoch die effektive Erwärmung der Raum-Oberflächen. Sie wird indirekt über die Aufheizzeit erfasst. Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 8 Wie in den früheren Folien bereits angedeutet, ist die efekv abgegebene Strahlungsleistung entscheidend, da dadurch die Raumoberfächen erwärmt werden, was wiederum entscheidend ist für thermische Behaglichkeit ist (Schwort Operave 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 Lufabsorpon kann dabei bis über 20% betragen und ist bei den Messungen ebenfalls zu berücksichgen. Die efekv 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 Konvekons-Bereich mit nur geringer efekver 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.

9 Zusammenhänge im Überblick Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 9 Die Folie zeigt die wichgsten, den Strahlungswirkungsgrad besmmenden Aspekte im Überblick. Den Infrarotstrahler mit seinen Kenngrößen Temperatur und Emissionsgrad, die Besmmung der efekven Strahlungsleistung (Neto-Strahlung) mitels Strahlenaustausch-Formel, den Strahlungswirkungsgrad als Verhältnis von efekver Strahlungsleistung und zugeführter elektrischer Leistung und die Berücksichgung der Absorpon in Luf.

10 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dr.-Ing. Peter Kosack Graduate School CVT Arbeitskreis Ökologisches Bauen Technische Universität Kaiserslautern Gottlieb-Daimler-Straße, Gebäude D Kaiserslautern Telefon: +49-(0) Telefax: +49-(0) Dr.-Ing. Peter Kosack, Technische Universität Kaiserslautern, www-user.rhrk.uni-kl.de/~kosack/forschung Folie 10