Светодиодная лампа или нагревательный элемент?

Лампы накаливания превращают около 1-2% электроэнергии в свет, остальное теряется в виде тепла и инфракрасного излучения. Тем не менее, они довольно хороши в качестве инфракрасных обогревателей, но вам не нужен инфракрасный обогреватель, поскольку инфракрасное излучение проходит через воздух и будет нагревать сам воздушный шар, а не воздух внутри.

Светодиоды не очень эффективны, современные превращают только около 25% электроэнергии в видимый свет, а остальные 75% электроэнергии превращаются в тепло.

Таким образом, светодиоды намного более эффективны, чем лампы накаливания, но утверждение, что «очень мало электричества превращается в тепло», неверно, поскольку 75% — это не «очень мало».

Если вы хотите нагреть воздух внутри воздушного шара электричеством, лучше всего использовать легкий нагревательный элемент, поскольку светодиод позволяет значительной части энергии выходить за пределы воздушного шара в виде света.

Это будет работать только в том случае, если у вас есть очень легкий источник электроэнергии. Если вам нужно тепло, современная технология не может конкурировать с бутановой/пропановой горелкой. Сравните плотности энергии:

Текущие LiIon аккумуляторы содержат 150-200 Втч/кг.

Пропан содержит 12000 Втч/кг тепловой энергии.

Батареи хороши тем, что электрическая энергия намного полезнее, чем тепло, которое вы получаете при сжигании пропана, но это не относится к вашему случаю.

Если ваш воздушный шар привязан, то вес батареи не имеет значения, но вес кабеля является проблемой.

Вы хотели бы использовать нагревательный элемент. Если вы используете свет (будь то видимый свет от светодиода или инфракрасный свет от кварцевого нагревательного элемента), часть энергии превращается в свет, а не в тепло. Если у вас есть прозрачный воздушный шар, он улетит. Если у вас есть черный шарик, он нагревается, когда достигает края. Но есть одна загвоздка. Это тепло направляется прямо на край воздушного шара, который легче всего охлаждается снаружи. Чтобы свести к минимуму отток тепла от вашего воздушного шара, вы хотите, чтобы оболочка воздушного шара была самой прохладной частью, а не самой теплой.

Таким образом, решение состоит в том, чтобы иметь нагревательный элемент внутри воздушного шара с небольшим вентилятором, обдувающим его воздухом. Таким образом, у вас есть одна горячая точка в середине воздушного шара (у нагревателя), и тепло должно медленно перемещаться к краям (посредством конвекции), пока оно не достигнет оболочки и не сможет обменяться теплом с внешним миром.

Здесь можно обсудить различные КПД светодиодов, но здесь скорее упущен фундаментальный момент, в котором этот вопрос кажется немного абсурдным.

Тепло — самая глупая форма энергии.

Что бы вы ни делали, когда обращаетесь с энергией/преобразовываете ее между различными формами, она всегда будет ускользать у вас сквозь пальцы, просто рассеиваясь в тепло, которое, как правило, довольно сложно использовать . И наоборот, электрическая энергия — это довольно «сложная» форма, которую можно легко использовать для самых разных целей.

Вы можете удивиться, почему я так говорю — разве большинство электростанций не вырабатывают электричество из тепла? Ну, не совсем, это невозможно согласно второму закону термодинамики . Что на самом деле делают угольные электростанции, так это преобразование теплового потока с разницей температур в электричество. То есть они пропускают тепло в некую охлаждающую свалку (обычно речную воду), а через турбины способны вытягивать часть этой энергии в более полезную форму (вращательное движение и, в конечном счете, электричество). Но этот процесс по своей природе расточительный: даже хорошо спроектированная современная угольная электростанция имеет коэффициент преобразования всего около 33%.

Обратный путь всегда тривиален: если вы позволите току течь практически по любой цепи, энергия в основном всегда будет в основном теплом . Иногда бит также преобразуется в другую энергию, в частности, антенна может посылать электромагнитную энергию (радиоволны). Имейте в виду, что в конечном итоге они также преобразуются в тепло, но до того, как это произойдет, они могут пройти долгий путь. И для светодиодов в основном то же самое: они преобразуют значительное количество энергии в свет , а не прямо в тепло, но все, что достигается, это то, что вы даете энергии дополнительный шанс вырваться из баллона неиспользованной. Итак, это действительно плохая идея: светодиоды по своей конструкции «необычно плохо преобразуют электричество в тепло».

Но плохая идея на самом деле начинается гораздо раньше, когда вообще предлагается электрическое отопление. Как я уже сказал, электричество бесценно. Если вы преодолели все трудности, связанные с получением энергии в тяжелых, неэффективных батареях вместо дешевых, наполненных энергией газовых баллонов, последнее, что вам нужно сделать, это просто сжечь ее для нагревания. Однако есть один трюк, который теоретически может оправдать затраты: используйте тепловой насос . По сути, это обратная сторона электростанции: вместо того , чтобы преобразовывать электричество в тепло , она направляет поток тепла из окружающего воздуха в воздушный шар. Таким образом, на бумаге вы можете получить «эффективность преобразования» более 100%.

С практической точки зрения это, к сожалению, не компенсирует недостатков: тепловые насосы сами по себе не идеально эффективны, и они тяжелые, что увеличивает вес батарей.

Будьте благоразумны, нагревайте свой шар газом или солнечным теплом, а не электричеством.

Вот еще одна идея, но для прямой видимости: используйте черный воздушный шар и нагревайте его ИК-лазерным лучом от источника питания на земле (на коротких расстояниях вы действительно можете использовать точку сопровождения). Вы можете поставить 1 кВт без особых проблем. Обратите внимание, что вам нужно расширить луч почти до размера воздушного шара, чтобы не расплавить его. Это также обеспечивает контроль высоты за счет изменения мощности нагрева.

(a) Потребляемая мощность (например, ваши 20 ватт) описывает все, что делает схема, включая выделение тепла. Все электрические цепи выделяют некоторое количество тепла, потому что (по крайней мере, при комнатной температуре) все цепи имеют сопротивление, а где сопротивление, там и тепло.

(b) Светодиоды не являются лампами накаливания. Это диоды (светоизлучающий диод = светодиод). Диоды имеют очень, очень низкое удельное сопротивление. Следовательно, очень небольшая часть используемой энергии теряется в виде тепла. Это то, что делает их такими эффективными для освещения комнаты. Большая часть вашей энергии используется для генерации света, а не тепла.

(c) Ваши старые лампы накаливания («лампы накаливания») были гораздо менее эффективными. Например, лампа накаливания мощностью 75 Вт будет генерировать около 1100 люмен. Для светодиодного освещения мощностью 1100 люмен требуется всего около 10 Вт. На самом деле все не так просто, но в целом можно сказать, что лампа накаливания выделяет 65 ватт тепла для освещения комнаты (на самом деле она теряет только около 50 ватт, если я правильно помню, из-за неэффективности освещения в самой нити накала — но нас это не волнует).

Откровенно говоря, то, что вы действительно хотите, это кварцевый нагревательный элемент. Вы хотите тратить как можно меньше ватт на генерацию видимого света. Хотите инфракрасный свет — обратите внимание на инфракрасные обогреватели .

Вот несколько чисел, с которыми можно поиграть.

10 Вт энергии производят 34,121416 БТЕ/час, если все это преобразуется в тепло.

Чтобы изменить температуру одного фунта воздуха на один градус Фаренгейта, требуется 0,24 БТЕ тепла.

Таким образом, 10 Вт электричества нагреют 14 фунтов воздуха на 10 градусов по Фаренгейту, если мои расчеты верны.

1 кубический фут воздуха при стандартной температуре и давлении при среднем составе весит примерно 0,0807 фунта.

Таким образом, теоретически мы говорим о нагреве 173 кубических футов воздуха (воздушный шар размером 5,5 фута на 5,5 фута на 5,5 фута) на 10 градусов по Фаренгейту, предполагая отсутствие потерь тепла в STP.

Я не уверен, что повышение температуры на 10 градусов по Фаренгейту поднимет ее очень, очень высоко.

РЕДАКТИРОВАТЬ

Только для того, чтобы поднять вес взрослого человека, вам понадобится воздушный шар радиусом около 4 м (13 футов) с воздухом внутри, нагретым до температуры около 120°C (250°F). Это объясняет, почему воздушные шары обычно такие большие.

Из воздушных шаров

При средней массе человека 80 кг литий-ионному аккумулятору весом 1 кг потребуется, возможно, 1/80 объема, но вы все равно должны обеспечить перепад температур около 100 градусов по Цельсию.

Быстрый ответ заключается в том, что светодиодная лампа мощностью 20 Вт и нагревательный элемент мощностью 20 Вт производят по 20 Вт тепла, а внутри черного (непрозрачного) воздушного шара они оба производят одинаковое количество тепла, чтобы поднять воздушный шар.

Теперь очевидно, что это не говорит всей истории; интуиция, кажется, подсказывает, что нагревательный элемент больше подходит для производства тепла, чем устройство, предназначенное для производства света, не говоря уже о различиях в весе между устройствами.

Многие люди упоминали, что светодиодное освещение не так эффективно, как многие думают.

Хотя неверно говорить, что светодиодное освещение превращает большую часть своей входной мощности в свет, это не значит, что это утверждение не имеет под собой никакой реальной основы, и я чувствую, что это делает его чем-то вроде отвлекающего маневра в рассуждениях, лежащих в основе ответов.

Светодиоды обычно превращают большую часть потребляемой мощности в свет ( если больше половины считается большей частью). Это силовая схема, которая управляет светодиодом, на которую приходится большая часть энергии, теряемой в виде тепла.

У меня больше опыта работы с лазерными диодами, чем со светодиодами, но чаще всего более 60% мощности, используемой в диоде, превращается в излучение, а процесс модуляции тока, протекающего через светодиод, намного менее эффективен.

В простейших конструкциях 20-ваттный источник света может иметь силовой каскад, который рассеивает 18 Вт в виде тепла и отдает 2 Вт на фактический светодиод, который может производить 1,5 Вт в виде видимого света. Возможно, вы могли бы утверждать, что эффективность составляет 75% (1,5/2) и что она равна 7,5% (1,5/20).

(Проблемы, возникающие при работе с рассеиванием тепла, в большей степени связаны с относительно небольшим размером светодиодов, а не с количеством выделяемого тепла. Я понимаю, что лазерные диоды значительно отличаются от светодиодов, но я предполагаю, что большинство светодиодов более эффективны, но тут я могу ошибаться)

Таким образом, во многих случаях сравнение между 20-ваттной светодиодной лампой и 20-ваттным (резистивным) нагревательным элементом в основном сводится к сравнению дорогого, излишне запутанного нагревательного элемента на 20 Вт и нагревательного элемента на 20 Вт, и, как люди уже обсуждали, конвекция была бы лучшей. более важный вопрос. Я бы предположил, что оптимальным омическим нагревательным элементом в этой ситуации был бы двигатель определенного размера с вентилятором, прикрепленным к его шпинделю таким образом, чтобы он охлаждал двигатель.

Но, и я думаю, что это может быть ближе к цели вопроса, если вы спрашиваете, «предполагая, что вы могли бы превратить 20 Вт электричества либо в 20 Вт света, либо в 20 Вт тепла, что было бы более эффективно для создания подъемной силы в горячем состоянии». воздушный шар?», ответ таков: это зависит от обстоятельств.

Вы уже приняли во внимание цвет воздушного шара, сказав, что он черный. Это будет содержать свет, производимый внутри воздушного шара, но, как вы сказали, черный воздушный шар будет поглощать свет и нагреваться.

Чтобы создать подъемную силу, мы не хотим, чтобы воздушный шар нагревался. Мы хотим, чтобы воздух внутри воздушного шара нагревался.

Итак, давайте сделаем шар блестящим, т.е. со 100% отражающей способностью (это можно сделать, используя металлизированный майлар). Тогда вы сохраняете весь свет внутри воздушного шара, и он не теряет тепло, нагреваясь.

Теперь, когда у нас есть вся эта световая энергия, заключенная в воздушном шаре, нам просто нужно превратить ее в тепло в воздухе. Шучу, нет. Свет, не способный покинуть воздушный шар, в конечном итоге будет поглощен молекулами самого воздуха. Это как закон или что-то в этом роде, свет в какой-то момент в какой-то момент превратится в тепло. При этом одновременно нагревается весь объем воздуха . Конвекция не требуется. Свет явно выигрывает по скорости в данном случае.

В зависимости от уровня материаловедения создание воздушного шара с почти идеальной отражательной способностью, который был бы одновременно легким и достаточно прочным, чтобы выдержать любую нагрузку, которую он несет, может оказаться невозможным.

Вернемся к черному. Скорее всего нейлон или какая-то другая ткань. Тогда воздушный шар будет нагреваться, поглощая свет лучше, чем воздух, и, хотя он будет нагревать воздух внутри воздушного шара, он также будет нагревать воздух снаружи (т.е. терять тепло).

Но на самом деле, это неизбежно, независимо от того, что вы делаете. Даже если вы использовали нагревательный элемент для нагревания воздуха внутри воздушного шара, когда воздух стал горячим, он нагрел бы воздушный шар, который отдал бы тепло наружу.

Основное различие будет заключаться в том, сколько времени потребуется для того, чтобы шар оторвался от земли. Для моделирования потребовалось бы какое-то уродливое исчисление (если вы нагреваете воздух светом через воздушный шар, у вас больше площадь поверхности = более высокая теплопроводность, но вы теряете половину наружу, и температура ниже, а гидродинамика мне не нужна). даже хочется начать думать об этом), но, проще говоря, использование света означало бы более длительное ожидание до того, как воздушный шар взлетит, чем использование тепла, но как только воздух достигнет заданной температуры, разницы в эффективности не будет.

Эти мысленные эксперименты, казалось бы, указывающие на вывод о том, что свет и тепло одинаково эффективны, вероятно, можно проследить (очень окольным путем) к одному из следующих фактов: свет есть тепло или в конечном итоге становится теплом; где тепло, там и свет; большая часть тепла (или все, в зависимости от того, в каком масштабе вы мыслите) передается через свет; и, самое главное, теплота — такое расплывчатое слово, что оно используется в бесчисленных контекстах и ​​значениях, но его трудно дать четкое определение. Также см. излучение черного тела.

Между прочим, ничего из этого не будет работать с 20 Вт.

Светодиоды изначально выделяют очень мало тепла. Учитывая, что мощность — это просто расход энергии, вам лучше сосредоточить все эти 20 Вт на тепле, а не на свете.

Так много ответов, и все они хороши. Я беру компиляцию этих ответов и публикую свой собственный ответ.

Здесь никто не говорил, что это невозможно. Нагревательный элемент мощностью 20 Вт тонкий, светодиоды неэффективны для обогрева, но УФ-светодиоды производят больше тепла, чем светодиоды видимого света. УФ-светодиоды позволяют видеть его ночью с правильным материалом.

Использование УФ-светодиода и корпуса из черного материала, поглощающего УФ-излучение, чтобы окружить УФ-светодиод, сделает его видимым с люминесцентными частями, легким, надежным, дешевым и обильным в качестве источника тепла. Я до сих пор не уверен, могут ли солнечные элементы преобразовать достаточное количество света в тепло изнутри воздушных шаров вместо батарей. Ограничения солнечных элементов составляют 18% света, поглощаемого солнечными элементами, преобразуется в электричество, которое будет использоваться для производства тепла от солнца. В зависимости от площади поверхности всех частей (все в черном цвете) и преобразования солнечного света будет способствовать общему произведенному теплу. Большая площадь поверхности деталей с наименьшим объемом и весом лучше всего подходит для захвата солнечного света и ультрафиолетового излучения. Подобно черному радиатору, он улавливает свет и преобразует его в тепло.

В заключение следует отметить неэффективность УФ-излучения светодиодов и эффективность поглощения центральными частями воздушного шара Солнца снаружи и УФ-излучения внутри вместе, нагревая воздух внутри воздушного шара для подъема электричеством и солнечным светом.

Ночью лучше всего подойдет черный шар с черным ящиком вокруг УФ-светодиода. Я могу поэкспериментировать с нагревом смеси гелия и воздуха в герметичном воздушном шаре, если воздух сам по себе не создает достаточной плавучести для создания подъемной силы.

Плюс 1 всем.....Спасибо