Mérnök szemmel

Mi hülyeség és mi nem az , de ha mégis az akkor mit kezdjünk vele

Miért 1000 óra a villanykörte élettartama? (Tervezett elavulás legendája 4. rész)

2018. április 15. 19:49 - NMEszeme

A tervezett elavulást hirdetők szent grálja a villany körték gyártók által meghatározott 1000 órás élettartama. A következő levezetésben fizikai alapokra helyezve, de azért az érthetőség terepén maradva, megpróbálom elmagyarázni, miért is volt erre szükség. 

 lights-2618332_1920.jpg

A világítás árát két dolog határozza meg: az egységnyi fényerőre elfogyasztott elektromos áram ára, és az izzó cseréjének a költsége, beleértve az izzó és a csere munka árát is. Nézzük meg előbb mitől függ az egységnyi fényerőre jutó elektromos áram költségünk.

Az izzó szálak hősugárzást bocsájtanak ki, ennek a sugárzásnak a látható fény hullámhosszába tartozó része a számunka hasznos fény. Korai grafit és a mai wolfram szálak is jó közelítéssel sugárzás szempontjából tökéletes fekete testnek tekinthetjük.

A kisugárzott energia mennyiségét Boltzmann állapította meg. A képletben a róla elnevezett állandó őrzi a nevét. Ez a képlet az összes kisugárzott energiát adja meg, tehát a számukra veszteség hőt és a fényt is. A hőmérséklet 4. hatványával arányos a kisugárzott energia. 

boltzmann.JPG

Wien alkotta meg a képletet, amelyik megmutatja, milyen hullámhosszon van a sugárzott energia maximuma. Ő arra jött rá, hogy a hőmérséklettel fordítottan arányos a maximális energia hullámhosszával.  

Wien képletét használva a rövidebb hullámhosszak felé, ellentmondásra akadtak a fizikusok. Ez az ellentmondás akkora volt, hogy Planck-ra kellett várni aki felfedezve az energia adagosságát megteremtette a quantum fizikát.

wien.JPG 

Az alább szemléltetés mutatja meg, hogy milyen hőmérsékleten, hol oszlik el a kisugárzott energia.(Flash kell hozzá, de szépen működik) Akinek nem működne, annak bemásoltam 4 képet 2500K-4000K. ig. A piros vonal alatti terület a kisugárzott energia, ebből a szivárványba eső rész a fény. Azért fontos ez nekünk, mert az összes energia minél nagyobb hányada esik a szivárvány tartományba, annál jobb az égő hatásfoka. Tehát az egységnyi fényerőhöz annál kevesebb elektromos teljesítményre van szükség minél magasabb hőmérsékleten üzemeltetjük az izzót.

 

 

 

sunlight.JPG

Ezt a hőmérsékletet úgy érték el, hogy grafit majd később wolfram szálon vezettek át elektromos áramot. A kialakult hőmérsékletet úgy számíthatjuk ki, hogy a Boltzmann képletében felírt teljesítmény egyenlő az izzó szál elektromos teljesítményével, ami pedig a keresztmetszet, a hossz és anyagi jellemző határoz meg. 

Így elég egyszerű beállítani a kívánt magas hőmérsékletet. A grafit szálas izzók, viszont jóval olvadáspontjuk alatt tönkrementek. Ennek oka a párolgás. Ahogy az izzószál felmelegszik lokális részeken párologni kezd, itt csökken a keresztmetszet ami gyorsítja a folyamatot. 10% körüli tömeg csökkenés után kiég az izzószál. A wolfram párolgása fele a grafitének, gyártása viszont pont a magas olvadáspont miatt sokáig nem volt megoldható. A wolfram  magasabb hőmérsékleten tudott üzemelni.

parolgas.JPG

A párolgás továbbra is gondot jelentett. Ezért a vákuum helyett, nemes gázból készült védőgázt kezdtek alkalmazni. Itt egy újabb probléma lépett fel, a gáztöltet hővezető tulajdonsága több teljesítmény veszteséget okozott, mint amit a magasabb hőmérsékleten történő működéssel nyerhettünk a jobb hatásfokkal. A kutatók észrevették, hogy az izzó szál közelében létrejövő 1 mm-es rétegben nem történik hővezetés. Ennek okát most az áramlástan bonyolultsága miatt, most el kell engednünk. A lényeg, viszont az, hogy a hővezetés egy 1 mm átmérőjű henger oldalán jön létre.

burok.JPG

Ez az oka, hogy a mérnökök kettős spirálba tekerik az izzószálat, így az belefér az 1 mm-es képzeletbeli hengerbe, de a henger hossza a 12-ed része lesz és ezzel a hővezetés általi hőveszteség is. Ehhez persze a gyártás technológia fejlődésére is szükség volt.  Így működik a mai izzó szálunk. 

  • Ebben az izzóban a jó hatásfok miatt, magas hőmérsékletre kell törekednünk. 
  • A magas hőmérséklet növeli a wolfram párolgását ezzel csökkentve az élettartamot
  • A párolgást csökkenti a gáz töltet
  • A gáz töltet hővezetés általi veszteséget okoz
  • A hővezetés veszteségét a kettős spirál csökkenti. 

 

tablazat.JPG

 Jól látszik a fent ismertetett fizikai paraméterek miatt, hogy a gyártóknak az élettartam és a hatások közötti arany középútra kell törekedni. Nagyon könnyű lenne 1000 óráról akár 5000 órás élettartamot elérni, pl a táp feszültség csökkentésével, de ezzel a hatásfok annyira csökkenne, hogy egy ugyanolyan fény igényhez nagyobb teljesítményű izzót kellene használni. Az izzócsere árát is többszörösen elhasználnánk áramköltségben. Így magyarázható a sokak által érvként felhozott szánalmas fényerővel narancssárgán pislogó 100 éves tűzoltósági lámpa. Ami remek táptalaj az összeesküvés gyártóknak, akik nem szánnak a fizika megértésére időt. Az 1000 óra élettartam amiben többek állítása szerint a gyártók megállapodtak, egy nagyon jó kompromisszum. Ha a gyártók üzemidő versenybe kezdenének, az a hatásfok így a világítás költségének növekedését jelentené. 

  • Ott ahol nagyon drága a csere megérheti a rosszabb hatásfok és hosszabb élettartam pl közlekedési lámák..
  • Ugyanígy néha speciális nagy fényerőt igénylő helyeken pl a fotózásban filmezésben nem ritkák az akár 1-2 üzemórás izzók, itt csúcs teljesítményere van szükség rövid időre.

Ezen a példán is jól látszik, hogy sokkal egyszerűbb hinni egy összeesküvés elméletben, mint megérteni a dolgok működését. Egy ilyen végtelen egyszerű dologhoz is, mint a villanykörte, áramlástanra, quantum fizikára, elektrokémiára stb van szükség. Inkább utáljuk együtt a szemét gyártókat és tájékozódjunk igénytelen youtube videókból, amikre a korábbi posztokban már kitértem:

Tervezett elavulás legendája

 

A prezentáció részei a BME előadás anyagaiból lett válogatva.

Olvasd el rövid bemutatkozásom és támogass patreonon, hogy podcast és video blog formában is megjelenhessen a blog:https://www.patreon.com/mernokszemmel

Facebookon várom a kommenteket, értelmes kérdésekre felvetésekre válaszolok is. A helyesírásom rossz, tudom. Ezt kár megírni, 27 éve hallgatom. Ha eltűnnek a hibák akkor feltörték a profilom. https://www.facebook.com/mernokiszem/ 

 

 

 

 

A bejegyzés trackback címe:

https://mernokiszem.blog.hu/api/trackback/id/tr2713836626