Die Bedeutung der Wärmestrahlung beim Heizkörperdesign

Die Rolle der Wärmestrahlung bei der Gestaltung von Heizkörpern wird oft übersehen.Es gibt viele Hinweise auf den Prozentsatz der Wärme, die ein Heizkörper verliert.Wie bei den meisten Phänomenen in der Physik und Technik können die Auswirkungen der Strahlung nicht durch eine Konstante zusammengefasst werden.

Der Einfluss der Wärmestrahlung auf die Leistung des Heizkörpers wird von mehreren Faktoren bestimmt.Bevor diese Faktoren untersucht werden, ist eine kurze Einführung in die Wärmestrahlung erforderlich.

Wärmestrahlung ist die elektromagnetische Welle, die von allen Materien mit einer Temperatur über 0 K (absoluter Nullpunkt) ausgesendet wird.Die maximale Wärme (W), die Strahlung von einer Oberfläche abgeben kann, ergibt sich aus der folgenden Formel:

A:tDie Oberfläche der strahlenden Oberfläche;

σ=5,67*10^-8W/m²K⁴,Stefan Boltzman-Konstante;

T_s:sOberflächentemperatur (K).

Diese Oberfläche gilt als idealer Strahler oder schwarzer Körper.Bei gleicher Temperatur strahlt die Oberfläche eines nicht idealen Strahlers weniger Energie ab als ein schwarzer Körper.Die Strahlungseigenschaften dieser Oberflächen werden als Emissionsgrad bezeichnet.Der Emissionsgrad mit einem Wert zwischen 0 und 1 ist ein Maß dafür, wie gut eine Oberfläche im Vergleich zu einem schwarzen Körper Wärme ableitet.Die Werte gängiger Oberflächenbehandlungen und Materialien für Heizkörper sind in Tabelle 1 aufgeführt:

Tabelle 1. eEmpfindlichkeit gängiger Heizkörpermaterialien und Oberflächenbehandlungen

Wenn zwei oder mehr Oberflächen beteiligt sind, absorbiert jede Oberfläche Strahlungsenergie und gibt sie ab.Eine der einfachsten Formen des Strahlungsaustausches erfolgt auf einer einzelnen Oberfläche in einer viel größeren Hülle.Die Oberflächentemperatur ist höher als die der Hülle, die Oberfläche beträgt A und der Emissionsgrad beträgt ε.In diesem Fall wird die Netto-Energieaustauschrate aufgrund der Strahlung aus Formel 1 abgeleitet. Siehe Abbildung 1:

Abbildung 1. rStrahlungswärmeübertragung zwischen einer kleinen beheizten Oberfläche und dem Inneren eines großen Gehäuses

Da der Strahler aus mehreren Oberflächen besteht, die untereinander und mit der Hülle Strahlung absorbieren und abgeben, ist die Gleichung, die diese Wechselwirkungen darstellt, nicht so einfach wie Gleichung 1. Das durch Gleichung 1 dargestellte allgemeine Prinzip gilt jedoch weiterhin.Eine ausführliche Erläuterung der Strahlungsberechnungen und entsprechenden Gleichungen für Plattenstrahler finden Sie in [1].

Die Berechnungen in [1] erfordern die Verwendung mehrerer Gleichungen und können langwierig zu berechnen sein.Um den Strahlungswärmeverlust eines Lamellenheizkörpers vernünftig abzuschätzen, kann Gleichung 2 weiterhin zur Berechnung der scheinbaren Strahlungsoberfläche verwendet werden.Die scheinbare abgestrahlte Oberfläche wird unter der Annahme berechnet, dass der Strahler ein massiver Block mit den gleichen Außenabmessungen ist.Die in Abbildung 2 gezeigte Blockoberfläche wird dann mit Formel 3 berechnet und für Formel 2 verwendet. Diese Berechnung berücksichtigt nicht die Temperaturschwankung zwischen der Unterseite des Kühlers und der Spitze der Lamellen, die bei erzwungener Kühlung sehr deutlich sein kann Konvektion, lange Rippen, Strahler aus Materialien mit geringer Leitfähigkeit oder eine Kombination der oben genannten.Darüber hinaus lässt sich durch die Verwendung der scheinbaren Strahlungsoberfläche die Oberfläche des Kühlkörpers nicht genau berechnen.Daher sollte diese Methode nicht verwendet werden, wenn sehr genaue Ergebnisse erforderlich sind.

L：lLänge der Kühlkörperrippe.

Figur 2. rAbmessungen des Kühlers

Es gibt zwei Möglichkeiten für einen Heizkörper, Wärme (Leistung) an die Umgebung abzugeben: Strahlung und Konvektion.Die Formel für die Konvektionswärmeableitung lautet 4:

H:cOnvektionskoeffizient;

T_amb:aUmgebungslufttemperatur.

Die Werte des Konvektionskoeffizienten h in der Luft liegen zwischen 2 und 10 W/m2K für natürliche Konvektion und 20 bis 100 W/m2K für erzwungene Ventilatorkonvektion.Da die erzwungene Konvektion einen viel höheren h-Wert hat, ist der Wärmeanteil, den ein Heizkörper verliert, bei der Konvektion in der Regel viel größer als bei der erzwungenen Konvektion.Diese Aussage trifft normalerweise zu, wenn die Temperatur des Heizkörpers unter 150 °C liegt.Aus den Gleichungen 1 und 2 ist ersichtlich, dass die durch Strahlung verlorene Wärmemenge eng mit der Temperatur des Kühlkörpers zusammenhängt, da die abgestrahlte Wärme auf die vierte Potenz erhöht wird.

Um die Auswirkungen der Strahlung auf die Leistung von Plattenheizkörpern zu vergleichen, haben wir zwei Beispiele mit HeatSinkCalculator analysiert.Der erste ist ein durch erzwungene Konvektion gekühlter Kühler.Wie in Abbildung 2 dargestellt, bedeckt die Wärmequelle die gesamte Unterseite des Heizkörpers.Der Luftstrom strömt durch den Kühlkörper parallel zum Kühlkörper und zur Unterseite des Kühlkörpers.Die gesamte Luft strömt durch die Lamellen des Kühlers und es gibt keinen Luftbypass.Tabelle 2 zeigt die Analyseergebnisse für verschiedene Leistungseingänge.Die Abmessungen des Kühlers, das Kühlermaterial und die Durchflussrate durch den Kühler sind unten aufgeführt.

Tabelle 2. rErgebnisse der Analyse von Kühlkörpern mit erzwungener Konvektion

Erwartungsgemäß steigt mit steigender Temperatur des Heizkörpers auch der Anteil der durch Strahlung verlorenen Wärme.Bei höheren Temperaturen übersteigt der Wärmeverlust durch Strahlung 5 % der Gesamtwärme.In einigen kritischen Fällen kann dies den Unterschied zwischen dem Erreichen oder Nichterreichen der Nenntemperatur des zu kühlenden Elements ausmachen.

Das zweite Beispiel ist ein durch natürliche Konvektion gekühlter Kühler, bei dem der Kühlersockel und die Lamellen vertikal angeordnet sind.Wie in Abbildung 2 dargestellt, bedeckt die Wärmequelle die gesamte Unterseite des Heizkörpers.Abmessungen und Heizkörpermaterialien sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.Tabelle 3 zeigt die Analyseergebnisse unter verschiedenen Leistungsaufnahme- und Oberflächenemissionsgradbedingungen.

Tisch 3. aAnalyseergebnisse von Heizkörpern mit natürlicher Konvektion

Bei der natürlichen Konvektion ist der Anteil der durch Strahlung verlorenen Wärme viel höher.In diesem Beispiel nähert sich der Prozentsatz der Strahlungswärmeableitung 30 % oder überschreitet sie.Der Wärmeverlust durch natürliche Konvektion hängt auch eng mit der Oberflächentemperatur des Heizkörpers zusammen.Dies erklärt, warum die Strahlungsdissipationsrate mit sinkender Quellentemperatur zunimmt.Wenn der Oberflächenemissionsgrad auf 0,09 reduziert wird, beträgt die Auswirkung auf die Kühlkörpertemperatur etwa 30 °C.

Die obigen Beispiele verdeutlichen die Bedeutung der Strahlung im Kühlprozess von Heizkörpern.Obwohl der Einfluss der Strahlung auf die Kühlung des Kühlers mit erzwungener Konvektion geringer ist, ist der Effekt dennoch vorhanden bedeutsam wenn ein paar zusätzliche Grad erforderlich sind, um sicherzustellen, dass das Produkt den Spezifikationen entspricht.Offensichtlich ist die Wirkung der Strahlung auf durch natürliche Konvektion gekühlte Heizkörper äußerst wichtig.Durch Eloxieren oder Lackieren der Oberfläche des Heizkörpers und Erhöhen des Oberflächenemissionswerts kann die Temperatur erheblich gesenkt werden.