14735

Исследование радиационных характеристик источников ИК излучения

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Исследование радиационных характеристик источников ИК излучения Цель работы: Изучить характеристики и конструкции источников ИК излучения Овладеть приемами аналитического расчета Овладеть приемами экспериментального определения облученности ...

Русский

2013-06-09

1.03 MB

11 чел.

Исследование радиационных характеристик источников ИК излучения

Цель работы:

  1.  Изучить характеристики и конструкции источников ИК излучения
  2.  Овладеть приемами аналитического расчета
  3.  Овладеть приемами экспериментального определения облученности

Теоретические сведения

Характеристики источников излучения

Анализ состояния техники ИК нагрева в электронной промышленности, применяемых типов и конструкций ИК излучателей показывает целесообразность и перспективность применения галогенных ламп накаливания ( ГЛН ). Эти лампы по энергетическим, эксплуатационным и конструктивным параметрам превосходят все известные ИК излучатели.

Конструктивно галогенная лампа состоит из кварцевой колбы 10 - 12 мм, в которой на кольцевых распорках по оси размещена вольфрамовая спираль со специальными, герметично запаянными в цоколях выводами. Колба заполнена аргоном или ксеноном высокой чистоты с небольшими добавками галогенов ( йода и др.  ), обеспечивающими регенерацию испаряемого со спирали вольфрама. Это исключает осаждение вольфрама на стенках лампы, сохраняет постоянное свечение спирали, что обеспечивает стабильность параметров лампы за время службы. Суть процесса, происходящего в лампе, заключается в связывании испаряющегося вольфрама вблизи стенок в галогенид его ( например, WJ2 ) с последующей диссоциацией галогенида вольфрама ( на галоген и вольфрам ) на поверхности спирали, имеющей высокую температуру. Для нормального процесса регенерации температура стенок колбы должна лежать в пределах 250 - 1200 С.

 

                   Рис. 1. Спектры излучения ГЛН КИ 220 - 1000 - 1  

                           -  спектральная интенсивность излучения

                              -  длина волны

                         - напряжение питания

                            - температура тела канала  

Кривая

Uпит,В

Tтн,K

1

220

2475

2

200

2400

3

180

2300

4

160

2200

5

140

2100

Спектральный состав излучения ГЛН представляет собой комбинацию спектров излучения  вольфрама, кварца и некоторого излучения паров йода в видимой области. Более 90% энергии потока излучения лампы приходится на инфракрасную область  спектра в интервале 0,77 - 3,9 мкм. ( спектральное распределение ГЛН показано на рис. 1.)

Специфика работы ГЛН в отражательных печах не позволяет осуществлять нагрев в длительном режиме до температуры выше 1200 - 1250 С

В последнее время предприняты попытки применения в технологическом оборудовании для высокотемпературного нагрева газоразрядных высокоинтенсивных источников света ( ВИС ), в которых излучение возникает при прохождении электрического тика через газы или пары ( ртути, ксенона, аргона, водорода и др.).  Более половины излучаемой энергии ВИС лежит в ближней ИК области. Поэтому они могут рассматриваться как ИК излучатели.

Применение ВИС для высокотемпературных процессов, безусловно, целесообразно, оно снимает практические ограничения по максимальной температуре нагрева изделий, имеющие место при применении ГЛН. Однако опыт применения ВИС в качестве высокотемпературных термоизлучателей еще невелик.

Уравнения теплового баланса галогенной лампы накаливания и определение ее энергетического лучистого КПД

Основные теплотехнические характеристики галогенной лампы могут быть определены на основании теплового баланса, связывающего ее мощность о лучистыми потоками от опирали и колбы, с учетом теплообмена между спиралью, колбой и окружающей средой [1].

При прохождении электрического тока по спирали лампы в ней выделяется мощность РСП . На пути своего распространения часть энергии P2погл поглощается газом, заполняющим объем лампы, часть поглощается стенками колбы. За пределы колбы в виде лучистой энергии выходит оставшаяся часть . Таким образом,

                                                                (1)

                                              

 Рис. 2.  К тепловому балансу галогенной       лампы накаливании (ГЛН):       - электрическая мощность, подведённая к спирали;      - мощность излучения спирали после прохождения      лучистого потока через стенки колбы;  - мощность,      поглощенная  газом наполнителем; - мощность,      поглощенная  стенками колбы;,  - мощность,      отдаваемая колбой в окружающую среду соответственно      конвекцией и излучением (1 –застойная зона;  2 – стенка      колбы)

газом, заполняющим объем лампы, часть поглощается стенками колбы. За пределы колбы в виде лучистой энергии выходит оставшаяся часть . Таким образом,

                                                                (1)

Энергия, поглощенная газом, превращается в тепловую, которая теплопроводностью и конвекцией передается стенкам колбы. Очень незначительная часть энергии газа в виде лучистой энергии выходит в окружающую среду. Поглощенная стенками и подведенная газом к колбе энергия в виде конвективной и лучистой  энергии выходит за пределы колбы в окружающую среду, то есть:  

                                            (2)

Сравнивая уравнения (1) и (2), получаем:

     (3)     где - суммарная лучистая энергия, отводимая от спирали и колбы.

Доля энергии лампы, расходуемая на излучение, или энергетический лучистый КПД определяются как :

                                                                                                  (4)    или с учетом уравнения (3):

                                                 (5)

Значение  можно измерить ваттметром. Таким образом, для определения  требуется найти только , которая может быть рассчитана по формуле:

                                 ( Вт )                 (6)  

где -  средняя температура колбы, К; -  температура окружающей среды, K;

- площадь поверхности колбы, м2;  - диаметр и длина колбы, м;  - коэффициент теплоотдачи, зависящий от значения критерия Nu :

   

                                                                          (7)     где  - коэффициент теплопроводности воздуха.

Численное значение Nu при естественном охлаждении может быть найдено из уравнения теплоотдачи от горизонтальных труб в условиях свободной конвекции при ( ламинарный режим ) по формуле : 

         (8)    при числах   ( турбулентный режим ) - по формуле :

         (9)   Здесь  - число Прандтля, для воздуха Pr = 0,705;  Gr - число Грасгофа,

     (10)

где :  - ускорение свободного падения;   - коэффициент объемного расширения газа, окружающего колбу ( К-1 ) ;  - разность температуры поверхности лампы и окружающей среды, град;    - коэффициент кинематической вязкости среды ( воздуха );

                 , для tc=20 °C;

Расчет облученности от галогенной лампы накаливания

Одним из условий создания требуемого распределения плотности лучистого потока от источника излучения является рациональное расположение излучателей относительно облучаемых объектов. Оптимизация размещения ламп может быть осуществлена путем анализа энергетических характеристик и полей облученности, создаваемых как одиночным излучателем, так и группой излучателей [2].

В зависимости от соотношения размеров излучателя и расстояния от него до исследуемой точки облучаемой поверхности все излучатели принято делить на три группы:

точечные;

линейные;

излучатели конечных размеров;

К группе линейных излучателей принято относить такие излучатели, у которых размер вдоль оси значительно превышает размер поперек нее.       Для многих практически задач при расчете облученности галогенные лампы можно считать     линейными источниками.

Для определения облученности точки A, лежащей в плоскости, расположенной под углом  к вертикальной плоскости, проходящей через линейный излучатель (галогенную лампу), воспользуемся  рис.2. Выделим на излучателе длиной   элемент , находящийся к облучаемой точке под углом .

Рис. 3. Схема к расчету облученности от линейного источника: A1 - одна из точек,         в которых рассчитывается облученность.

Согласно закону Ламберта для серого излучения запишем уравнение, определяющее количество энергии  , падающей на площадку с точкой  от линейного излучателя :    

                (11)

Здесь  - степень черноты, определяемая отношением энергии излучения реальной поверхности к энергии излучения абсолютно черного тела при прочих равных условиях; Eo,E - поверхностные плотности энергии излучаемой абсолютно черным и реальным телами;   - элементарный телесный угол.

Из формулы (11) следует, что облученность  единицы поверхности  будет:

   (12)

где B - интенсивность ( яркость ) излучения.

Подставив в уравнение (12) выражение для телесного угла , получим

                 (13)

Из рис. 3  видно, что для линейного источника

                                     (14)

Произведя подстановку в (13), получим:  

                                                (15)

После интегрирования по  в пределах  ( проекция точки А на ось излучателя совпадает с его концом ) до  получим:

            (16)

В том случае, если проекция точки А на ось линейного излучателя не совпадает с его концом, облученность может быть рассчитана как сумма облученностей от двух линейных источников I и II ( Рис.3 ):   

        (17)

Величины  и  рассчитываются по формуле (16). Подставляя значения  и       в (17), получаем:                                                

                                         (18)    Из рис. 3 следует, что,  ,  , , где ; , , .

Подставляя эти значения в формулу (18) и произведя тригонометрические преобразования с функциями  и , получим следующее выражение для  вычисления облученности  в точке A с координатами X и Y

 (19)  

Методы экспериментального определения облученности

Кроме аналитического расчета, облученность может быть определена экспериментальными методами, например методами компенсации тепловых потерь и калориметрирование с помощью радиометра

1) Суть метода компенсации состоит в следующем. Под излучателем в исследуемой точке пространства помещают  "свидетель" ( керамическую двухканальную трубку, в одном из каналов которой находится электрический нагреватель, а в другом - термопара.) (рис. 3).

Под действием излучения свидетель нагревается  до определенной температуры, которая фиксируется термопарой (электронагреватель при этом отключен). В стационарном состоянии, когда температура свидетеля не изменяется со временем, энергия , поступающая на свидетель от лампы, равна конвективно-радиационным потерям  энергии свидетелем в окружающую среду:

     Рис. 3. Керамический свидетель        для определения облученности :       1 - керамическая двухканальная трубка;

  1.  – нагреватель ; 3 - термопара

Под действием излучения свидетель нагревается  до определенной температуры, которая фиксируется термопарой (электронагреватель при этом отключен). В стационарном состоянии, когда температура свидетеля не изменяется со временем, энергия , поступающая на свидетель от лампы, равна конвективно-радиационным потерям  энергии свидетелем в окружающую среду:

        (20)  

  где - температура свидетеля; - температура окружающей среды; - площадь боковой поверхности свидетеля; - приведенный коэффициент теплоотдачи, учитывающий радиационно - конвективные потери.

Площадь поверхности свидетеля, воспринимающей излучение от лампы, равна :

            (21)

где -  длина свидетеля и его диаметр .

Величина облученности вычисляется по уравнению :

    

                                       (22)

Величины - измеряются в эксперименте. Следовательно, в уравнении (22) неизвестным является только и его зависимость от .

Для нахождения зависимости  делают следующее. Нагревают свидетель электрическим нагревателем до температуры   ( компенсируя нагрев от излучателя ). При этом энергия, рассеиваемая свидетелем в окружающую среду:

 

                      (23)

а энергия, поступающая от нагревателя к свидетелю определяется по формуле :

 ,                   (24)

где  - энергия выделяемая на нагревателе длиной .

В стационарном состоянии =, поэтому получаем:

             (25)         Затем нагревают свидетель до температуры и по формуле (25) находят . Повторив измерения и расчеты несколько раз, строят график зависимости .

2) Для определения облученности калориметрическим радиометром последний размешают под излучателем. Радиометр представляет собой полый диск (рис.4), через который протекает вода. По величине массового расхода и изменению температуры воды на выходе и входе в радиометр определяют количество тепла, поглощенного им. Чтобы обеспечить максимальное поглощение падающего излучения, поверхность радиометра покрывают слоем сажи, имеющей степень поглощающей способности= 0,95-0,98.

                                     Рис. 4. Калориметрический радиометр

                              

Средняя облученность радиометра есть отношение поглощенного калориметром тепла к площади поглощающей поверхности :

                 (26)

      где  G - массовый расход воды, протекающий через радиометр, кг/с;  - удельная теплоемкость воды; температура воды на выходе и входе в радиометр, C.

   Лабораторное задание

  1.  Изучить конструкцию и определить энергетический лучистый                                          КПД лампы КИ - 220 - 1000 - 1.

Исследовать  распределение облученности поверхности аналитическим методом с помощью расчета на ЭВМ типа IBM PC.

Определить облученность поверхности методом компенсации тепловых  потерь.

Определить облученность поверхности методом калориметрического радиометра.

Оборудование и приборы

  1.  Лампа ИК излучения  КИ - 220 - 1000 - 1;

Цифровой термометр;

Термопары градуировки хромель - копель (ХК);

Ротаметр;

Калориметрический радиометр;

Свидетели (Керамические двухканальные трубки со встроенными нагревателем и термопарой;)

Ваттметр;

Лабораторный автотрансформатор;

Переключатель термопар ПМТ - 20.

Все приборы установлены на лабораторном стенде. ГЛН размещена внутри         водоохлаждаемой камеры с зачерненными стенками ( для устранения влияния отраженного излучения).

                                            Методика выполнения работы

Рекомендуется следующий порядок выполнения работы:

  •  для определения лучистого энергетического КПД
  1.  Включить лабораторный стенд
  2.  Подать напряжение на лампу КИ – 220 –1000 – 1 через ЛАТР и по ваттметру установить мощность PСП =100 Вт.
  3.  переключая позиции на переключателе ПМТ – 20 записать значения цифрового термометра размещенного на стенде для термопар установленных на лампе  в форму таблицы 1.

Рис. 5. Схема размещения термопар на колбе лампы КИ – 220 – 1000 – 1 :

1 – колба; 2 – цоколи; 3 – термопары. Цифры у термопар показывают при каком положении переключателя ПМТ – 20 они подключаются к  цифровому термометру.

  1.  По формулам (5) – (10) рассчитать лучистый энергетический КПД лампы              ( диаметр и длина колбы лампы: , );
  2.  По заданию преподавателя установить следующее значения мощности PСП. При каждом значении PСП выполнить пункты 3 и 4;
  3.  построить график зависимости ;

  •  для исследования распределения облученности аналитическим методом

  1.  рассчитать интенсивность излучения B для PСП =500 Вт и PСП =1000 Вт по формуле:

                                                  (27)

      ; - соответственно диаметр и длина спирали,

      значения  взять из графика зависимости ;

  1.  произвести расчет облученности в нескольких точках плоской горизонтальной поверхности, расположенной под лампой на расстоянии h = 70 мм, по      формуле (19), координаты x и y исследуемых точек отсчитывать в соответствии   с рис. 2. Расчет может быть произведен на калькуляторе или на IBM PC по программе LabWork1.exe. Программа разработана для операционных систем Windows 95/98/NT.
  2.  по расчетным данным построить график распределения облученности при PСП =500 Вт и PСП =1000 Вт;

  •  для определения облученности методом компенсации тепловых потерь:

  1.  включить лабораторный стенд;
  2.  подать напряжение на лампу и по заданию  преподавателя установить требуемое значение мощности;
  3.  в стационарном состоянии (не меняется со временем) поочередно подключить термопары свидетелей к цифровому термометру. (Свидетели (по 5 шт.) расположены на трех нихромовых нитях, натянутых под лампой. Термопары свидетелей, расположенных на нити с координатой Y = 0 (Рис. 2.), соответствуют положения 6 – 10 переключателя ПМТ – 20, с Y = 20 мм – положения 11 – 15, Y = 40 мм – положения 16 – 20.) Результаты измерения занести в форму табл. 1.
  4.  по графику  определить  в зависимости от температуры свидетелей;
  5.  рассчитать по формулу (22) облученность, используя полученные значения ;

  •  для определения облученности методом калориметрического радиометра

  1.  включить лабораторный стенд
  2.  подать напряжение на лампу и по заданию преподавателя установить требуемое значение мощности;
  3.  по ротаметру установить расход воды G, обеспечивающий перепад температур на выходе и входе в радиометр 5 – 10 °C, записать значения G и  в форму табл. 1;
  4.  по формуле (26) рассчитать облученность. Считать диаметр радиометра ;
  5.  повторить пункты 3 и 4 при следующем значении мощности на лампе.

                                     Требования к отчету

Отчет должен содержать:

  1.  название работы;
  2.  цель работы;
  3.  краткие теоретические сведения по характеристикам источников излучения, определению КПД галогенной лампы и облученности от нее с указанием основных расчетных формул;
  4.  экспериментальные данные и расчет энергетического лучистого КПД. График зависимости
  5.  распечатку программы расчета облученности. График зависимости  при РСП = 500 и 1000 Вт;
  6.  экспериментальные и расчетные данные по измерению облученности методом компенсации тепловых потерь.
  7.  экспериментальные и расчетные данные по измерению облученности методом калориметрического радиометра.

Контрольные вопросы

  1.  Какие источники ИК излучения применяются в технологических установках микроэлектроники? Назвать их характеристики.
  2.  Какие требования предъявляются к конструкции и спектральному составу излучения источников, используемых для нагрева?
  3.  Каковы основные преимущества и недостатки лучистого нагрева по сравнению с другими видами нагрева?
  4.  Что называется потоком излучения, поверхностной и угловой плотностью излучения, интенсивностью (яркостью) излучения?
  5.  Как производится расчет облученности от линейных источников излучения?
  6.  Что называется энергетическим лучистым КПД излучателя и как он рассчитывается?
  7.  В чем состоит суть метода компенсации тепловых потерь?
  8.  От чего зависят погрешности измерения облученности калориметрическим радиометром?
  9.  Произвести сравнение результатов расчета и измерения облученности. Объяснить расхождение.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

  1.  1. САМОЙЛИКОВ В.К. Теплообмен излучением и его использование в физикотермическом оборудовании (учебное пособие по курсу "Проектирование физикотермического оборудования"). - М.: МИЭТ, 1981.
  2.  ЗВОРЫКИН Д.Б., ПРОХОРОВ Й.И. Применение лучистого инфракрасного нагрева в электронной промышленности. - М.: Энергия, 1980.


Таблица 1. Результаты эксперимента.

Назначение

Обозначение

ПМТ-20

Мощность на лампе, Вт

100

100+

200

200+

300

300+

400

400+

500

500+

600

600+

700

700+

800

800+

1000

1000+

Аналитический метод

t1

1

t2

2

t3

3

t4

4

t5

5

Метод компенсации тепловых потерь

У= 0 мм

t6

6

t7

7

t8

8

t9

9

t10

10

У = 20 мм

t11

11

t12

12

t13

13

t14

14

t15

15

У = 40 мм

t16

16

t17

17

t18

18

t19

19

t20

20

Метод радиометра

dT

G

Примечание: Температура в [°C]. Расход воды G в [кг/сек].

Обработка результатов измерений проводится помощью файла « Labwork 1. exe»

     

PAGE  19


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16329. Программирование алгоритмов линейной структуры 131.5 KB
  Лабораторная работа № 1 Программирование алгоритмов линейной структуры Цель: приобретение навыков программирования алгоритмов линейной структуры с помощью подпрограммыфункции вычисляющей значение арифметических выражений. Индивидуальные варианты лаборатор
16330. Программирование алгоритмов разветвляющейся структуры 293 KB
  Лабораторная работа № 2 Программирование алгоритмов разветвляющейся структуры Цель: приобретение навыков программирования алгоритмов разветвляющейся структуры с помощью пользовательской подпрограммыпроцедуры где на определенном этапе производится выбор очеред...
16331. Программирование алгоритмов ветвлений со многими вариантами 54.5 KB
  Лабораторная работа № 3 Программирование алгоритмов ветвлений со многими вариантами Цель: приобретение навыков программирования алгоритмов ветвлений со многими вариантами с помощью пользовательской подпрограммыфункции позволяющей выбрать необходимый вариант из...
16332. Программирование алгоритмов циклической структуры 128.5 KB
  Лабораторная работа № 4 Программирование алгоритмов циклической структуры Цель: приобретение навыков программирования алгоритмов циклической структуры с помощью подпрограммыпроцедуры позволяющую вычислять сумму произведение конечного ряда с помощью операторо
16333. Табулирование функции 209.5 KB
  Лабораторная работа № 5 Табулирование функции Цель: приобретение навыков программирования вычисления значений функции вида y=fx на промежутке [ab] с шагом h и z=fxy на промежутке [ab] и [cd] с шагом hx и hy с помощью пользовательской подпрограммыпроцедуры. Индивидуальные в
16334. Одномерные массивы 60 KB
  Лабораторная работа № 6 Одномерные массивы Цель: приобретение навыков программирования обрабатывать последовательности с помощью пользовательской подпрограммыпроцедуры. Индивидуальные варианты лабораторной работы № 6 представлены в таблице 22 Таблица 22 ...
16335. Двумерные массивы. Вложенные циклы 112 KB
  Лабораторная работа № 7 Двумерные массивы. Вложенные циклы Цель: приобретение навыков программирования обработки табличных данных с помощью пользовательской подпрограммыпроцедуры. Индивидуальные варианты лабораторной работы № 7 представлены в таблицах 23 24
16336. Разработка пользовательского приложения с помощью объектов: кнопки-переключателя, контрольного индикатора, рамки 258.5 KB
  Лабораторная работа № 8 Разработка пользовательского приложения с помощью объектов: кнопкипереключателя контрольного индикатора рамки Цель: приобретение навыков разработки проекта VBA с помощью объектов Формы кнопкапереключатель контрольный индикатор рамка. ...
16337. Массивы в VBA 61.5 KB
  Массивы В VBA различают два вида переменных простые переменные и переменные структурного типа. Простые переменные служат для идентификации и резервирования памяти для одного данного. Переменные структурного вида предназначены для идентификации и резервирования па