Frage von TheJahooo, 43

Wie viel Infraroteinstrahlung sind nötig, um ca. 250ml Wasser auf Körpertemperatur aufzuwärmen - Und gibt es leistungsstarke Infrarot LEDs?

Ich würde gerne wissen, wie viel Infraroteinstrahlung nötig sind, um ca. 250ml Wasser auf Körpertemperatur aufzuwärmen. Das ist dann wahrscheinlich auch abhängig von der bestrahlten Oberfläche oder der Größe des Gefässes?

Was ich bisher herausfinden konnte war, dass man ca 0,3 Wattstunden pro ° der Erwärmung braucht.

Welche Energiequelle (Infrarot LEDs?) bräuchte ich dann, wenn das Wasser innerhalb von 10 min auf Körpertemperatur erwärmt werden soll? und wie kann die bestrahlte Oberfläche in meine Kalkulationen miteinbeziehen (z.B. ein Zylinder mit dem Grundflächenradius 4cm und einer Höhe von 6cm)?

Ich weiß, dass meine Frage sehr schwammig ist. Ich bin aber für jeden Tipp oder Kommentar dankbar, der mir weiterhelfen kann.

Vielen Dank im Voraus! :wink:

Antwort
von DieterSchade, 27

Um 250ml von 17°C auf 37°C zu bringen, brauchst du eine Energie E von

E = 250 * 4,19 * 20 = 21 kJ

Füll dein Wasser doch einfach in ein Gefäß das du mit Alufolie ummantelst. Und dann leuchtest du mit einer alten Glühbirne da rein, die sind nämlich geradezu perfekte Infrarotstrahler. Wenn deine Glühbirne 100 W Leistung zieht, dann brauchst du 21.000 J / 100 J/s = 210s dafür, also ca. 3 bis 4 min.

Das ist schon alles, was du brauchst. 

Antwort
von dompfeifer, 21

Die Bemessung der Infrarotstrahlung beziehe ich hier auf die Wärmeleistung des Strahlers. Die ist gleich seiner elektrischen Leistung bei Vernachlässigung von Wärmeleitung und Wärmekonvektion.

Zunächst ist natürlich die Erwärmung von Wasser ausgerechnet mittels Wärme-Anstrahlung ein äußerst ineffizientes Verfahren, z.B im Vergleich zum Tauchsieder. Du würdest auch einen Wirkungsgrad von nahezu 100% erreichen bei Versenkung des Strahlers in das Wasser. Bei einer Wärme-Anstrahlung des Wassergefäßes von außen schätze ich - je nach technischer Gestaltung des Versuchsaufbaus - den Anteil der Verlustenergie auf etwa 70 bis 99%. Es bedarf schon eines erheblichen technischen Aufwandes, um die Strahlung weitgehend auf die Flüssigkeit zu fokussieren (z.B. mittels Spiegel oder Linsen).

Die reine Nutzenergie (nach Abzug v.a. der Streu-Strahlungsverluste) ist einfach zu berechnen: Mit der zugeführten Energie von knapp 0,0012 kWh wird die Temperatur von einem Liter Wasser um 1°C erhöht. Wenn nun z.B. die Temperatur von 1 Liter Wasser um 20°C erhöht werden soll, dann sind 20 mal 0,0012 kWh = rund 0,023 kWh aufzuwenden. Wenn das in 10 Minuten geschehen soll, also in 1/6 Stunde, dann muss eine Leistung von 0,023 mal 6 Watt = rund 0,14 kW = 140 Watt zugeführt werden. Das kommt mit dem Tauchsieder ziemlich genau hin. Bei Deiner verlustreichen Versuchsanordnung kann sich die Gesamtleistung u.U. verhundertfachen.

Ausgerechnet eine LED wäre hier auch denkbar ungünstig wegen ihres besonders kleinen Anteils an Wärmestrahlung (Die ist ja fast kalt!). Die klassische Glühlampe dagegen gibt ca. 95% ihrer aufgenommenen Leistung als Wärmestrahlung ab (Da verbrennst man sich die Finger!).

Kommentar von jorgang ,

Wasser absorbiert dummerweise erst im IR bei deutlich über einem µm Wellenlänge. Mit den 950-nm-Emittern strahlt man einfach durch das Wasser durch. Es gibt natürlich auch Diodenemitter bei 1,3 µm bis 1,5 µm. Die würden schön vom Wasser absorbiert (was man in Glasfaserübertragungen hasst wie die Pest). Allerdings würde keiner allein aus Kostengründen auf die Idee kommen, solche Dioden zum Wasserkochen zu verwenden. Ich würde dabei auch nicht von großem Aufwand bei der Optik reden. Die Dinger kann man doch einfach ins Wasser wie einen Tauchsieder eintauchen, dann hat man die optische Einstrahlung und auch noch die Verlustleistung als Nutzenergie. Man kann aber auch eine Glühlampe eintauchen, aber am einfachsten dann doch den Tauchsieder. Wenn der nicht eintaucht, dann glüht er, ist also auch dann ein optischer Emitter. ;-)

Antwort
von hrNowdy, 27

Also wenn ich das richtig verstehe, dann ist die Oberfläche, die bestrahlt wird in diesem Fall egal. Du hast einen Infrarotstrahler mit einer bestimmten Leistung, und einfachkeitshalber gehst du davon aus dass die gesamte Energie als Wärme in das Wasser aufgenommen wird. Ich gehe mal davon aus dass das Wasser am Anfang im flüssigen Zustand bei 0°C vorliegt.

Wasser har eine Wärmekapazität von c = 4,18 kj / (kg * K)

Q = dT * c * m
m = V * dichte = 250g = 0,25 kg, dT = 37 K 
Q = 38.666 kJ


Das ist die Gesamtenerie, die du brauchst.
Um das ganze jetzt in 10 Minuten zuschaffen, brauchst du noch folgende Formel:
P = dQ / dt = 36666 J / (10*60 s) = 64,4 W 

deine Infrarotquellen brauchen also eine Gesamtleistung von 64,4 W.



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