Wirkungsweise und Effektivität einer Wasserwand als Abschirmung gegen Wärmestrahlung.

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1 Wirkungsweise und Effektivität einer Wasserwand als Abschirmung gegen Wärmestrahlung. Mittwoch, 24. November 2010

2 Inhaltsverzeichnis 1. Einleitung Motivation für das Projekt 2. Theorie 3. Experiment (Labor) 4. Feldversuch 5. Ausblick und Zusammenfassung 2

3 1. Einleitung 3

4 Motivation Wie sind wir auf das Problem gestoßen? Praktischer Hintergrund: Feuerwehr Frage, ob eine Abschirmung von Wärmestrahlung durch eine Wasserwand erfolgen kann und wie effizient dies ist. 4

5 2. Theorie 5

6 Wärmestrahlung Elektromagnetische Strahlung Festkörper und Flüssigkeiten kontinuierliches Spektrum (siehe schwarzer Strahler) Gase charakteristisches Linienspektrum Großteil der Wärmestrahlung Infrarot-Bereich Aber: Wärmestrahlung auch im sichtbaren Bereich 6

7 Plancksches Strahlungsgesetz 7

8 Schwarzer Strahler / Schwarzer Körper Idealisierter Körper mit folgenden Eigenschaften: Absorption aller Wellenlängen Aussendung eines charakteristischen Spektrums, das nur von der Temperatur abhängt Absorptions- und Emissiongrad = 1 8

9 Absorptionsgesetz Allgemeine Form des Lambert-Beerschen-Gesetzes: d = 0 exp { d } d : Intensität in Abhängigkeit von d 0 : Intensität bei d = 0 : Absorptionskoeffizient d : Schichtdicke 9

10 Absorptionskoeffizient von Wasser 10

11 Wie funktioniert die Absorption in Wasser? Wärmestrahlung energetisch im Bereich der Rotationsniveaus kleiner Moleküle bzw. der Schwingungsniveaus von Molekülbindungen. Änderung des Dipolmoments 11

12 Thermosäule Konische Öffnung durch die die Strahlung direkt oder indirekt auf die geschwärzte Detektorfläche trifft. Zwei verschiedene Metalle es kommt auf Grund des Temperaturunterschieds zu einer Thermospannung (Seebeck-Effekt) 12

13 Wiensches Verschiebungsgesetz näherungsweise auch für die von nicht schwarzen Strahlern abgegebene Wärmestrahlung geeignet Wellenlänge λmax bei der die größte Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der Temperatur abgestrahlt wird max= 2897,8 mk T 13

14 Stefan Boltzmann Gesetz für nicht-schwarze Strahler verbindet Intensität mit Temperatur Strahlungsdichte in alle Richtungen konstant ( Lambert-Strahler ) = T T 4 : Stefan Boltzmann Konstante 0..1 : Emissionsgrad Leistung : = Intensität = Fläche AS [ W ] 2 m Annahme: ε(t) = const. 14

15 Fotometrisches Grundgesetz Strahlungsausbreitung von Infrarotstrahlung Annahme: ideale Strecke zwischen Sender und Empfänger 2 d = L cos 1 cos 2 r 2 da 1 da 2 = L cos 1 da 1 d : Strahlungsleistung [W ] L : Strahlungsdichte [W / m 2 sr] 1 : Ausstrahlungswinkel 2 : Einstrahlungswinkel da i : Flächenelement r : Abstand Sender und Empfänger 15

16 Rechnung (ohne Wasserwand) gemessen wird eine Thermospannung U U = Φ : Empfindlichkeit d 2 = L da 1 d /2 = L da 1 d = L A 1 sin d d = L A 1 0 mit = A1 folgt 0 L= 16

17 Aus d 2 = = L cos 1 cos 2 da 1 da 2 wird mit 1 = 2 = 0 2 r L A1 A 2 r2 folglich mit L = U = = L A1 A 2 r2 = A1 A2 r2 = A1 A 2 r2 T4 und dem Stefan Boltzmann Gesetz. 17

18 3. Experiment (Labor) 18

19 Aufbau Wasserwand Idee: überlaufendes Wasserbecken, angeschlossen an Pumpprozess 19

20 Problem: optimale Abrisskante? Dreiecksprofil eignet sich am besten 20

21 Problem: zu geringe Pumpleistung 12 V-Pumpe & 9 V-Pumpe (max. Laufzeit begrenzt) nahezu homogene Wasserwand; Messfenster: Breite ca. 12 cm Höhe ca. 6 cm Dicke ca. 4 mm 21

22 Bestimmung der Wasserwanddicke Mittelwertbildung aus 12 Bildern inhomogene Ränder durch Einschnürung der Wasserwand 22

23 Thermosäule Anschluss an Cassy 23

24 Eichung der Thermosäule Vergleichende Eichmessung zwischen Nullpunkt mit und ohne eingeschalteter WW Thermospannung / 10^- 5 V 1,50 1,00 U sys mit WW : 0,50 0, V 0, ,50 U sys ohne WW : -1,00 0, V -1,50-2,00-2,50-3,00-3,50 Messzeit / s ohne WW mit WW 24

25 Wärmequelle Ideen: Heizofen Paladiumstreifen Fön Wasserwandstörung Bunsenbrenner Wasserwandstörung erhitzte Metallplatte zu geringe Strahlungsintensität zu geringe Strahlungsintensität 25

26 Metallsorte Kupfer & Messing Platten zu dick Zeit zum Erhitzen und Abkühlen zu lang Aluminium schnelles Erhitzen schnelles Abkühlen reproduzierbare Ergebnisse Halterung der Aluminiumplatte und Erhitzen? 26

27 Halterung 1 Problem dieser Halterung: Halterung wird zu heiß 27

28 Halterung 2 hitzebeständig geringe Wärmeleitfähigkeit 28

29 Erhitzen durch Heißluftfön linearer Zusammenhang? Vergleich der Thermospannung in Abhängigkeit von der Temperatur 5,00 Aluplatte muss stärker erhitzt werden Bunsenbrenner Thermospannung / 10^-4 V 4,50 4,00 3,50 3,00 ohne WW mit WW 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Temperatur / C

30 Der etwas andere Bunsenbrenner 30

31 Endgültiger Aufbau 31

32 Messungen ohne Wasserwand Thermospannung in Abhängigkeit der Temperatur der Aluminumplatte ohne Wasserwand 13,00 Thermospannung / 10^-4V 12,00 11,00 Messung 1 Messung 2 Messung 3 Messung 4 Messung 5 Messung 6 Messung 7 Messung 8 Messung 9 Messung 10 10,00 9,00 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 250,00 270,00 290,00 310,00 330,00 350,00 Temperatur / C 32

33 Messungen mit Wasserwand Thermospannung in Abhängigkeit der Temperatur der Aluminumplatte mit Wasserwand 2,4 Thermospannung / 10^-4V 2,2 Messung 1 Messung 2 Messung 3 Messung 4 Messung 5 Messung 6 Messung 7 Messung 8 Messung 9 Messung ,8 1,6 1,4 1, Temperatur / C 33

34 Statistische Daten ohne Was s erwand mit Was s erwand Abs chwächung T / C U /1 0-4 V T / C U /1 0-4 V % MW S td.abw. 359,86 0,76 10,35 1,39 359,81 0,69 1,75 0,27 83 MW S td.abw. 299,91 0,5 7,47 1,32 300,22 0,39 1,77 0,23 76 MW S td.abw. 260,02 0,15 6,36 1,26 260,06 0,18 1,86 0,22 71 statistische Abweichungen bei der Thermospannung unter 20% 34

35 Gesamtmesskurven Vergleich der Messungen der Thermospannungen in Abhängigkeit der Temperatur im Bereich zwischen 100 und ,00 Thermospannung / 10 ^ -4 V 14,00 12,00 Messung 1 ohne WW Messung 2 ohne WW Messung 3 ohne WW Messung 4 ohne WW Messung 1 mit WW Messung 2 mit WW Messung 3 mit WW Messung 4 mit WW 10,00 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 100,00 150,00 200,00 250,00 300,00 350,00 400,00 Temperatur/ C 35

36 Auswertung ohne WW ohne WW : U = T A 2 =5, m 2 = 0,2 0,3 11 V 7 10 K4 11 V Fit : 6 10 K4 Abweichung 14 % r2 T 4 = T 4 Fehlerbetrachtung Thermospannung/10^(-4)V = 0,1 V / W R = 0,665 m A 1 = 0,01344 m 2 A1 A Temperatur/K gemittelte Kurve 550 Stefan Boltzmann T^4-Fit 36

37 Auswertung mit WW keine Temperaturabhängigkeit mehr vorhanden konstanter Verlauf, aber keine komplette Abschirmung, da positive Thermospannung gemessen wird Vermutung: Graph wird durch Abschwächungsfaktor so weit nach rechts verschoben, dass wir nur den nahezu geradlinigen (fehlerbehafteten) Ausläufer sehen 37

38 Erläuterung Nach dem Stefan Boltzmann Gesetz gilt 0 ~ T 4 0 : Strahlungsintensität ohne WW W = 0 exp d W : Strahlungsintensität mit WW W ~ T 4 exp d mit der Annahme, dass ~ ~ 1 und der Relation U ~ folgt : T W ~ T 4 exp 1 T 38

39 Graphische Darstellung omega VergleichT^4 und T^4*exp(-1/T) T^4 T^4*exp(-1/T) T 39

40 Fehlerquellen Luftzirkulationen im Raum zusätzliche Wärmestrahlung durch Heizung & BeobachterInnen Inhomogenität der Wasserwand durch Strömungseffekte und Randerscheinungen Pumpenlaufzeit beschränkt 40

41 4. Feldversuch 41

42 Aufbau des Feldversuchs 42

43 Einsatz des Hydroschilds 43

44 Technische Daten: Hydroschild Anschluss: B-Leitung (75 mm Innendurchmesser) Nennleistung: 1400 l/min (bei 5 bar Eingangsdruck) Wurfhöhe: 7 m (=a) Wurfweite: 13 m (=b) Abgedeckte Fläche: a b 2 A HS = 143 m 2 sehr geringe Dicke der Wasserwand 44

45 Hydroschild-Wasserwand 45

46 Verbrennungstemperatur von Propangas Gemessener Wert (nach Literatur): 1925 C Theoretischer Wert: HU tb tu = t b 2293 K 2020 C kg c p 1,24 H 1 kwh U t b = Verbrennungstemperatur t U = Umgebungstemperatur = 295 K kwh H U = Heizwert = 12,89 kg c p = spezifische Wärmekapazität der Abgase = 3, kwh kgk 46

47 Messkurve (Cassy) Ergebnisse des Feldversuchs (mit Cassy gemessen) 4,50 4,00 Thermospannung / mv 3,50 3,00 2,50 ohne WW mit WW 2,00 1,50 1,00 0,50 0, Messpunkt 47

48 Messkurve (Multimeter) Ergebnisse des Feldversuchs (mit dem Multimeter gemessen) 3,50 Thermospannung / mv 3,00 2,50 2,00 ohne WW mit WW 1,50 1,00 0,50 0, Messpunkt 48

49 Zusammenfassung der Ergebnisse Versuch mit dem Multimeter Versuch mit Cassy ohne WW mit WW Thermosp. in mv Thermosp. in mv Mittelwert 2,72 2,17 Standardabw. 0,07 0,05 ohne WW mit WW Thermosp. in mv Thermosp. in mv Mittelwert 3,73 3,01 Standardabw. 0,10 0,12 Differenz in % 0,55 20,22 Differenz in % 0,72 19,3 Fehler: 0,09 Fehler: 0,16 Schwächung entspricht in % (20 ± 3) % 3,16 Schwächung entspricht (in%) 4,19 (19 ± 4) % 49

50 5. Fazit und Ausblick 50

51 Fazit Laborexperiment: es lässt sich keine prozentuale Abschwächung über unsere Temperaturintervall bestimmen signifikante Abschwächung ist jedoch vorhanden Feldversuch: Abschwächung der Wärmestrahlung liegt bei ca. 20% Effizienz für Einsatzzwecke der Feuerwehr zu gering 51

52 Ausblick (Laborversuch) wesentlich höhere Temperaturen homogenere Strahlungsquelle, bestenfalls schwarzer Strahler Laborwasserwand an Hydroschildwasserwand anpassen bestenfalls Vakuumaufbau Absorptionskoeffizienten von Wasser aufnehmen 52

53 Quellenverzeichnis Bild Deckblatt: Pressestelle Feuerwehr Herdecke (FFH) Rechtes Bild Folie 4: Pressestelle Feuerwehr Herdecke (FFH) Grafik Folie 7: (Urheber: Sch) Graph Folie 10: Grafik Folie 11: Oberes Bild Folie 12: Unteres Bild Folie 12: Ursprünglich Gerthsen Physik, 23. Auflage, Springer, 2006, S.589 durch uns bearbeitet. Bild Folie 15: (Urheber: Cepheiden) Emissionswert Folie 36: Literatur zur Folie 45: Handbuch Verfahrenstechnik und Anlagenbau: Chemie, Technik und Wirtschaftlichkeit, Hirschberg, Springer,

54 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dank an alle Mitarbeiter des Praktikums, der Werkstatt und an die Feuerwehr Herdecke, die uns bei diesem Projekt tatkräftig unterstützt haben! 54