Waermeuebertragung/ Waermestrahlung/ Konvektion

Hallo,

meine Frage handelt nach meinen augenblicklichen Informationen um Waermeuebertragung auf Basis von Waermestrahlung und Konvektion.

Um meine Frage naeher zu beschreiben schildere ich erst den Aufbau des Versuchs…

In der Entfernung x zur Spitze eines Loetkolbens befindet sich das Ende eine Polymeren Faser mit einem Durchmesser von beispielsweise 200 bis 400 Micrometer. Durch die Waerme des Loetkolbens soll das Ende der Faser (also die Schnittflaeche bzw. der Querschnitt) erhitzt und zum schmelzen gebracht werden.

Wie ich in Versuchen schon festgestellt habe, ist die Abhaengigkeit in Bezug auf die Temperatur (also irgendwie auch auf die Distanz) nicht linear. Meiner Meinung nach (deswegen auch der Titel des Artikels) haengt das mit dem Boltzmann-Gesetz zusammen. Die Temperatur ist im Boltzmann-Gesetz 4. Grades.

Nun meine Frage: Hat jemand schon Erfahrungen mit sowas gemacht? Gibt es eine Moeglichkeit die Temperatur (also die Temperatur die zum Schmelzen der Oberflaeche fuehrt) an der Oberflaeche des Querschnitts der Faser in Abhaengigkeit zur Entfernung x und der Temperatur des Loetkolbens zu bestimmen? Spielt da auch der Durchmesser der Faser eine Rolle?

Die Faser besteht aus PMMA. Natuerlich ist ein Loetkolben nicht wirklich sehr gut definierbar. Ich hoffe es gibt trotzdem eine Moeglickeit…

Vielen Dank schon mal fuer eure Hilfe

mit freundlichen Gruessen

ThomasRene

Hallo!

Wie ich in Versuchen schon festgestellt habe, ist die
Abhaengigkeit in Bezug auf die Temperatur (also irgendwie auch
auf die Distanz) nicht linear. Meiner Meinung nach (deswegen
auch der Titel des Artikels) haengt das mit dem
Boltzmann-Gesetz zusammen. Die Temperatur ist im
Boltzmann-Gesetz 4. Grades.

Du meinst das Stefan-Boltzmannsche Gesetz. Das Boltzmann-Gesetz ist ein anderes.

Die Strahlungsleistung ist - wie gesagt - proportional zur 4. Potenz der Temperatur des Lötkolbens.

Sie ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes. D. h. wenn Du den Abstand verdoppelst, fällt die empfangene Strahlungsleistung auf ein Viertel.

Nun meine Frage: Hat jemand schon Erfahrungen mit sowas
gemacht? Gibt es eine Moeglichkeit die Temperatur (also die
Temperatur die zum Schmelzen der Oberflaeche fuehrt) an der
Oberflaeche des Querschnitts der Faser in Abhaengigkeit zur
Entfernung x und der Temperatur des Loetkolbens zu bestimmen?
Spielt da auch der Durchmesser der Faser eine Rolle?

Das ist ein nicht-lineares Problem. Insofern spielt alles möglcihe eine Rolle. Weil Du schon die Konvektion erwähnst: Es macht einen Unterschied, ob sich der Faden über, unter oder neben dem Lötkolben befindet. Es macht einen Unterschied, ob sich die Luft unabhängig vom Lötkolben bewegt. Usw. Es macht einen Unterschied, welche Farbe die Faser hat.

Die Faser besteht aus PMMA. Natuerlich ist ein Loetkolben
nicht wirklich sehr gut definierbar. Ich hoffe es gibt
trotzdem eine Moeglickeit…

Es gäbe eine Möglichkeit, wenn man die Konvektion vernachlässigen könnte. Dann würde die Frage lauten: Bei welcher Entfernung befindet sich die Stirnfläche der Faser im thermodynamischen Gleichgewicht, wenn sie die Schmelztemperatur von PMMA erreicht hat?

Dafür musst Du zwei Gleichungen aufstellen:
a) Wie groß ist die Strahlungsleistung, die vom Lötkolben (Temperatur T1) auf die Faser übertragen und von dieser absorbiert wird?
b) Wie groß ist die Strahlungsleistung, die von der Faserspitze (T2=Schmelztemperatur von PMMA)abgestrahlt wird?
Diese beiden Gleichungen musst Du gleichsetzen. Da der Raumwinkel, der von der Faser eingenommen wird, vom Abstand abhängt, kriegst Du dadurch eine Gleichung für r = r(T1, T2).

Unter Umständen kann die Geometrie recht kompliziert sein, je nach Form und Größe von Faser und Lötkolbenspitze. Im einfachsten Fall sind beide Objekte halbkugelförmig.

HTH, Michael

Es macht
einen Unterschied, welche Farbe die Faser hat.

Die Farbe der Faser mach keinen Unterschied, solange der Lötkolben nur dunkelrot und nicht gerade gelb oder weiß glüht :smile:

Die Oberflächenbeschafenheit der Spitze (glänzend blank und glatt vs. zerkrazt und oxidiert) hingegen macht sehr wohl einen Unterschied.

MfG

C.

Es macht
einen Unterschied, welche Farbe die Faser hat.

Die Farbe der Faser mach keinen Unterschied, solange der
Lötkolben nur dunkelrot und nicht gerade gelb oder weiß glüht

-)

Das Absorptionsspektrum im Infrarotbereich spielt aber schon eine Rolle. Das ist zwar streng genommen keine Farbe, aber ich glaube das war gemeint.

Hallo,

In der Entfernung x zur Spitze eines Loetkolbens befindet sich
das Ende eine Polymeren Faser mit einem Durchmesser von
beispielsweise 200 bis 400 Micrometer. Durch die Waerme des
Loetkolbens soll das Ende der Faser (also die Schnittflaeche
bzw. der Querschnitt) erhitzt und zum schmelzen gebracht
werden.

Es geht also um sehr selektive Erwärmung (nur Stirnfläche) ?

Wie ich in Versuchen schon festgestellt habe, ist die
Abhaengigkeit in Bezug auf die Temperatur (also irgendwie auch
auf die Distanz) nicht linear.

Wie schon geschrieben , wirkt natürlich das Abstandsgesetz
P ~ r² mit der Randbedingung x >> Ds (Ds = Durchmesser Stahler)

Meiner Meinung nach (deswegen
auch der Titel des Artikels) haengt das mit dem
Boltzmann-Gesetz zusammen. Die Temperatur ist im
Boltzmann-Gesetz 4. Grades.

Auf Stefan-Boltzmann-Gesetz wurde schon von M.B. hingewiesen.
http://de.wikipedia.org/wiki/Stefan-Boltzmann-Gesetz

Beachte aber, daß Du natürlich mit Kelvin rechnen mußt.

Für den Emmissonsgrad kannst Du sowohl für die Faser als auch
für den Lötkolben (nicht glänzend) erstmal ca. 0.9 annehmen.

Nun meine Frage: Hat jemand schon Erfahrungen mit sowas
gemacht? Gibt es eine Moeglichkeit die Temperatur (also die
Temperatur die zum Schmelzen der Oberflaeche fuehrt) an der
Oberflaeche des Querschnitts der Faser in Abhaengigkeit zur
Entfernung x und der Temperatur des Loetkolbens zu bestimmen?

Zumindest rein rechnerisch wird das nicht so schwer sein.
Allerdings macht das Stefan-Boltzmann-Gesetz mit der Abhängigkeit
zu T^4 da ein paar Probleme. Geringe Temperaturänderungen
bewirken schon heftige Änderungen der Strahlungsleistung.
Der Strahler muß also sehr gut konstant gehalten werden.
Die Messung und Regelung der Stahlungsintensität könnte man
aber wohl mit einem Referenzempfänger z.B. dicht neben der
Faser ganz gut machen (z.B. Thermolelement mit def. Empfangsfläche).

Um überhaupt zu einer ordentlichen Strahlungsleistung zu
kommen, muß der Strahler ausreichend heiß werden.
Sonst sind die Einflüsse durch Umgebungstemperatur und
Konvektion womöglich zu groß.

Ob Lötkolben da überhaupt reicht ? 600-700°C wären gut.
Der Strahler sollte auch eine geeignete Form haben.

Außerdem müßtest Du eine Konstruktion nehme, die Konvektion
weitgehend behindert (z.B. Faser in einen Hohlraum tun, in
dem wenig Strömung stattfindet.

Spielt da auch der Durchmesser der Faser eine Rolle?

Nur in sofern, als daß mit dem Durchmesser das Verhältnis
Stirnfläche zu dahinter liegender Mantelfläche sich ändert.
Von der Stirnfläche wird ja Wärme per Wärmeleitung an das
Faserinnere weitergeleitet.
Mit größer werdender Faser sollte der Einfluß durch
Konvektionskühlung und Abstrahlung geringer werden.

Die Faser besteht aus PMMA. Natuerlich ist ein Loetkolben
nicht wirklich sehr gut definierbar. Ich hoffe es gibt
trotzdem eine Moeglickeit…

Warum soll es denn überhaupt so gemacht werden.
Ist die Erwärmung in einem Luftstrom nicht gut.

Evtl. ist auch die Kombination von Konvektion und Strahlung zweckmäßig. z.B. im Luftstrom bis knapp unter Schmelzpunkt
erwärmen und dann die paar Grad zum selektiven Aufschmelzen
mit entsprechend viel geringerer Strahlungsintensität machen.
Die Störeinflüsse werden damit IMHO deutlich geringer.

Gruß Uwi

genau (owt)
.

Das Absorptionsspektrum im Infrarotbereich spielt aber schon
eine Rolle.

Sicher. Dieses wird aber im besagten Wellenlängenbereich definitiv nicht durch die Farbe (in üblicher Bedeutung dieses Begriffes) des angestrahlten Gegenstandes in irgendwelcher Form bestimmt oder beeeinflusst.

Das ist zwar streng genommen keine Farbe, aber ich
glaube das war gemeint.

Billige Ausrede :wink:

Die Beschaffenheit der Oberfläche (blank oder glatt vs. rauh) und die Art des Stoffes (hier hauptsächlich der Unterschied Metall zu Nichtmetall) wird auch nicht-strenggenommen recht selten mit dem Begriff „Farbe“ bezeichnet 8->

Die besagte Faser kann weiß, schwarz, grün-lila gesprenkelt oder sogar (im sichtbaren Bereich!) durchsichtig (!) sein, das wird aber auf den Emissionsgrad (= Adsorbtionsgrad) keinen Einfluss haben. Bei Kunststoffen wird dieser im Bereich um 0,9 liegen, je nach Oberflächenglätte etwas mehr oder weniger.

Außer man benutze wirklich sehr feine einzelne Faser bestimmter Kunststoffe. Denn diese werden gerne für thermisches Infrarot recht transmissiv (vulgo: transparent), und zwar unabhängig von deren Farbe im sichtbaren Bereich des Spektrums.

Ebenso, wie auch dünne Kunststoff-Folien, die zwar im sichtbaren Bereich beliebige Farben haben und nahezu gänzlich undurchsichtig sein können, aber für die Wärmebildkamera nahezu gänzlich transparent sind.

MfG

C.

Hallo!

Was ich so unpräzise mit „Farbe“ gemeint hatte, waren zusammenfassend alle stofflichen Eigenschaften, die das Absorptionsvermögen bestimmen, also neben dem Absorptionsspektrum auch Albedo und Reflexivität.

Und - nebenbei - wenn Du hier schon so auf begriffliche Korrektheit pochst:

wird aber auf den Emissionsgrad (= Adsorbtionsgrad) keinen

Sag bitte A b sor p tion, denn auch die „Adsorption“ schreibt sich mit hartem „p“, ist aber etwas ganz anderes als die Absorption!

Michael