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

12 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

21288. Методологія IDEF 387 KB
  Методологія IDEF Сімейство стандарту IDEF На даний момент до сімейства IDEF [ІДЕФ] можна віднести такі стандарти: IDEF0 методологія функціонального моделювання. За допомогою наочного графічного мови IDEF0 що розробляється система постає перед проектувальниками у вигляді набору взаємозалежних функцій функціональних блоків у термінах IDEF0. Як правило моделювання засобами IDEF0 є першим етапом вивчення будьякої системи; IDEF1 методологія моделювання інформаційних потоків усередині системи що дозволяє відображати і аналізувати їх...
21289. Відношення між класами 407 KB
  Відношення між класами Вступ Крім внутрішнього пристрою або структури класів на відповідній діаграмі вказуються різні відносини між класами. Базовими відносинами або зв'язками в мові UML є: Відношення залежності dependency relationship Ставлення асоціації association relationship Відношення узагальнення generalization relationship Ставлення реалізації realization relationship Кожне з цих відносин має власне графічне подання на діаграмі яке відображає взаємозв'язки між об'єктами відповідних класів. На діаграмі класів дане...
21290. Діаграма станів 479.5 KB
  Діаграма станів Вступ Розглянута в попередній лекції діаграма класів є логічний модель статичного подання модельованої системи. Справа в тому що характеристика станів системи не залежить або слабко залежить від логічної структури зафіксованої в діаграмі класів. Тому при розгляді станів системи припадає на час відволіктися від особливостей її об'єктної структури і мислити зовсім іншими категоріями які утворюють динамічний контекст поведінки модельованої системи. Тому при побудові діаграм станів необхідно використовувати спеціальні...
21291. Діаграма діяльності 625.5 KB
  Діаграма діяльності Вступ При моделюванні поведінки проектованої або аналізованої системи виникає необхідність не тільки уявити процес зміни її станів але і деталізувати особливості алгоритмічної та логічної реалізації виконуваних системою операцій. Для моделювання процесу виконання операцій в мові UML використовуються так звані діаграми діяльності. Застосовувана в них графічного багато в чому схожа на нотацію діаграми станів оскільки на діаграмах діяльності також присутні позначення станів і переходів. Кожен стан на діаграмі діяльності...
21292. Діаграма послідовності 571.5 KB
  Іншими словами хоча повідомлення і має інформаційний зміст воно набуває додаткове властивість надавати направлений вплив на свого одержувача. Повідомлення зображуються у вигляді горизонтальних стрілок з ім'ям повідомлення і також утворюють порядок за часом свого виникнення. Іншими словами повідомлення розташовані на діаграмі послідовності вище ініціюються раніше тих що розташовані нижче. Графічне зображення актора рекурсії та рефлексивного повідомлення на діаграмі послідовності 2.
21293. Методологія обєктно-орієнтованого аналізу і проектування ПЗ. Мова UML 72.5 KB
  Мова UML Зіставлення і взаємозв'язок структурного та об'єктноорієнтованого підходів Граді Буч сформулював головне достоїнство об'єктноорієнтованого підходу ООП наступним чином: об'єктноорієнтовані системи більш відкриті і легше піддаються внесенню змін оскільки їх конструкція базується на стійких формах. Буч відзначив також ряд наступних переваг ООП: об'єктна декомпозиція дає можливість створювати програмні системи меншого розміру шляхом використання загальних механізмів що забезпечують необхідну економію виразних засобів. Системи...
21294. Структурний підхід до проектування інформаційних систем 477 KB
  Основними з цих принципів є наступні: принцип абстрагування полягає у виділенні істотних аспектів системи і відволікання від несуттєвих; принцип формалізації полягає в необхідності суворого методичного підходу до вирішення проблеми; принцип несуперечності полягає в обгрунтованості та узгодженості елементів; принцип структурування даних полягає в тому що дані повинні бути структуровані і ієрархічно організовані. Кожній групі засобів відповідають певні види моделей діаграм найбільш поширеними серед яких є наступні: SADT...
21295. Мета та завдання дисципліни 88.5 KB
  CASEтехнологія являє собою методологію проектування ІС а також набір інструментальних засобів що дозволяють в наочній формі моделювати предметну область аналізувати цю модель на всіх етапах розробки і супроводу ІС і розробляти програми відповідно до інформаційними потребами користувачів. Поняття моделі та моделювання Модель це об'єкт або опис об'єкта системи для заміщення однієї системи оригіналу іншою системою для кращого вивчення оригіналу або відтворення будьяких його властивостей. Слово модель лат. При моделюванні...
21296. Діаграма варіантів використання (use case diagram) 504 KB
  Діаграма варіантів використання use case diagram Вступ Візуальне моделювання в UML можна уявити як певний процес поуровневого спуску від найбільш обший і абстрактної концептуальної моделі вихідної системи до логічної а потім і до фізичної моделі відповідної програмної системи. Для досягнення цих цілей спочатку будується модель у формі так званої діаграми варіантів використання use case diagram яка описує функціональне призначення системи або іншими словами те що система буде робити в процесі свого функціонування. Діаграма...