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理解红外辐射采暖

红外辐射知识

为了更好的选择高强度或低强度红外加热设备进行空间采暖,对电磁能有一个非常基本的了解是非常有帮助的。我们从太阳接收到的所有能量被广泛识别为电磁(e.m.)波,物理学家将波长和频率的属性归因于它们。

的确,波长乘以频率等于一个常数,即3 x 10^8米/秒,也就是光速。

太阳的电磁(e.m.)能量中,大约3%是紫外线或更短的波长,大约50%处于可见光波段,而大约47%的能量处于红外波长及更长波长。只有红外波段为地球提供热能。

所有物理体都能吸收和发射电磁(e.m.)能量,而且体温度(作为体热量的度量,就像电压是电的度量)与体发射的能量波长之间存在一定的关系。随着发射体温度的升高,主导波长变短,频率升高。

红外相机能够接收并记录电磁(e.m.)能量,并在屏幕上为每个波长的大小分配一种颜色。屏幕上眼睛看到的强度和颜色是相机接收器测量到的特定波长的电磁能量量的翻译。

对于红外辐射加热器,上述所有物理原理都适用。所谓的高强度加热器,因其发射能量的频率带宽普遍高于低强度,其名义发射体温度在1600 – 1900º F之间。结果是,80%的发射电磁能量在大约1到6微米(10^-6米)的波长内。实际上,这意味着能量带非常接近可见光谱的能量带,因此我们看到发射体为红色。颜色越亮,即趋向于橙色和黄色,发射体的平均能量波长就越短。

低强度加热器在大约600ºF到1100ºF的温度范围内运作,相应的电磁波长为2到10微米。这比可见光谱更远,因此不发光,即没有光芒。

以下图表说明了上述内容。

在决定某一空间的加热设备时,首要的问题是:使用高强度还是低强度加热器对我来说更有效?为了得出结论,必须将这个广泛的问题分解成几个更简单的问题,我们可以根据简单的物理学原理来回答。例如,在1800ºF(高强度加热器)时,总辐射量的25%位于2.8微米处;在900ºF(低强度加热器)时,总辐射量的15%位于4.5微米处。

1. 高强度加热器中辐射效率更高,即热能向辐射能的转化增加,是否自动提供改善的空间加热效果?答案是否定的!

根据之前的物理原理,我们知道随着我们向给定的辐射体供给更多的热能,温度会上升,同样,所发射的电磁能量的平均频率也会上升。例如,随着给定面积的高强度加热器的辐射效率越来越高,它在频率带的顶端产生的能量也越来越多(如颜色转变为更明亮、更白的颜色所证明的)。我们也知道白光具有较少的加热特性。一个白炽灯的钨丝灯丝工作温度约为2000ºF,产生的红外能量微乎其微。结论是,随着红外加热器被推向更亮的波长,它们的整体红外加热特性实际上会开始减弱。

2. 材料是否以相同的方式吸收所有电磁能量的波长?答案是否定的!

我们将限制讨论范围,只讨论混凝土和水作为红外能量的接收者,因为它们是空间加热应用中较大的热汇成分。混凝土代表建筑结构的地板,而水代表人体(人体按重量计97%为水)。所有元素都对吸收特定波长的电磁能有其独特的亲和力。以下是混凝土和水的图表。

我们注意到水对3和6微米波长有亲和力;混凝土对大约3到6微米波长有亲和力。

显而易见的结论是,产生超过3微米的红外能量的红外加热器,尽管它们的辐射效率可能非常高,但产生了无法被空间中主要热汇吸收的电磁能量,即无法使用的能量。

3. 在选择高强度或低强度加热设备时,安装距离是否是一个因素?从实际角度来看,答案是否定的!

红外加热设备的输出强度主要取决于温度,而温度又是辐射体单位面积的热量的度量(我们假设辐射体是薄的)。通过一个3平方英尺的辐射体释放的10万BTU每小时的热量会感觉比相同输出的30平方英尺辐射体更强烈。在较小的区域释放假定的BTU每小时将需要更高的温度。更高的温度会更快地“驱动”电磁能量离开辐射体表面。然而,正如我们之前看到的,这将导致总体上频率更高的电磁分布,这可能无法实现改进的加热效率。

正如太阳的作用所证明的,红外能量穿过空间并到达地球时几乎没有明显的损失。能量可以被尘埃和湿气粒子截取,例如云层。除非建筑物内有云层,否则相同BTUH等级的高强度或低强度加热器的红外能量将同样到达加热应用中的较远点。

尽管增加了反射器,通常可用的高强度加热设备实际上是作为电磁能量的点源运行的。图A是代表性的示例。

一个配有适当设计的反射器的低强度加热器将产生如图B所示的热模式。在良好的红外空间加热设计中,对建筑结构上部墙面的红外辐射几乎无用。更糟糕的是,这种能量会提高墙面的表面温度;增加墙面的温度梯度,并增加建筑物的热损失。

4. 高强度和低强度加热器的热效率评级是否为选择两种设备选项提供了良好的标准?答案是否定的!

热效率是一种只能用于通风设备的工程标准。

根据其物理设计的定义,高强度加热器消耗的所有热能都留在建筑空间内,因此其热效率为100%。如果低强度红外加热器排气至室外,其热效率百分比可能在中70%到高80%之间。但无论何时使用非通风的加热器,强制性的建筑规范要求每1000 BTUH的热量要引入3立方英尺/分钟的新鲜空气。换句话说,建筑规范要求每小时为一个10万BTUH的加热器增加18,000立方英尺的新鲜空气。如果我们假设安大略南部的供暖需求较大,这可能每小时表示建筑物体积的约一半。无论各个制造商声称什么,如果我们将建筑物及其红外加热设备视为一个总体系统,那么对于高强度系统来说,“总系统的热效率”更接近50%而不是99%,当然也低于低强度系统,后者需要的通风要少得多。

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