LED-Licht oder Heizelement?

Glühlampen wandeln etwa 1-2% der elektrischen Energie in Licht um, der Rest geht als Wärme und Infrarotstrahlung verloren. Sie sind zwar ziemlich gut als Infrarotstrahler, aber Sie wollen keinen Infrarotstrahler, da Infrarot durch die Luft geht und den Ballon selbst erwärmen würde, nicht die Luft im Inneren.

LEDs sind nicht sehr effizient, moderne wandeln nur etwa 25 % der elektrischen Energie in sichtbares Licht um und die restlichen 75 % der elektrischen Energie werden zu Wärme.

LEDs sind also viel effizienter als Glühlampen, aber zu sagen, "sehr wenig Strom wird in Wärme umgewandelt", ist falsch, da 75 % nicht "sehr wenig" sind.

Wenn Sie die Luft in Ihrem Ballon mit Strom erwärmen möchten, wäre das Beste ein leichtes Heizelement, da eine LED einen erheblichen Teil der Energie als Licht nach außen aus dem Ballon entweichen lässt.

Dies würde nur funktionieren, wenn Sie eine sehr leichte elektrische Energiequelle haben. Wenn Sie Wärme wünschen, ist die aktuelle Technologie mit einem Butan-/Propanbrenner nicht konkurrenzfähig. Energiedichten vergleichen:

Aktuelle LiIon-Akkus enthalten 150-200 Wh/kg.

Propan enthält 12000 Wh/kg thermische Energie.

Batterien sind großartig, weil elektrische Energie viel nützlicher ist als die Wärme, die Sie beim Verbrennen von Propangas erhalten, aber das gilt nicht für Ihren Fall.

Wenn Ihr Ballon angebunden ist, spielt das Batteriegewicht keine Rolle, aber das Gewicht des Kabels ist ein Problem.

Sie möchten ein Heizelement verwenden. Wenn Sie ein Licht verwenden (ob sichtbares Licht von einer LED oder Infrarot von einem Quarzheizelement), wird ein Teil der Energie in Licht und nicht in Wärme umgewandelt. Wenn Sie einen transparenten Ballon haben, entweicht er. Wenn Sie einen schwarzen Ballon haben, wird er in Hitze umgewandelt, wenn er den Rand erreicht. Aber da ist ein Fang. Diese Wärme wird direkt am Rand des Ballons platziert, der am einfachsten von außen zu kühlen ist. Um den Wärmefluss aus Ihrem Ballon zu minimieren, soll die Ballonhülle der kühlste Teil sein, nicht der wärmste.

Daher besteht die Lösung darin, ein Heizelement an der Innenseite des Ballons anzubringen, über das ein kleiner Lüfter Luft bläst. Auf diese Weise haben Sie einen heißen Punkt in der Mitte des Ballons (an der Heizung), und die Wärme muss sich langsam zu den Rändern bewegen (durch Konvektion), bis sie die Hülle erreicht und die Wärme mit der Außenwelt austauschen kann.

Man kann hier gut über verschiedene LED-Effizienzen diskutieren, aber das verfehlt eher den grundlegenden Punkt, in dem diese Frage etwas absurd ist.

Wärme ist die dümmste Energieform.

Was auch immer Sie tun, wenn Sie mit Energie umgehen / sie zwischen verschiedenen Formen umwandeln, sie wird immer dazu neigen, Ihnen durch die Finger zu gleiten, indem sie sich einfach in Wärme auflöst, was im Allgemeinen ziemlich schwer zu nutzen ist . Umgekehrt ist elektrische Energie eine ziemlich „raffinierte“ Form, die sich problemlos für alles Mögliche nutzen lässt.

Sie fragen sich vielleicht, warum ich das sage – erzeugen die meisten Kraftwerke nicht Strom aus Wärme? Nun, nicht wirklich, das ist nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik unmöglich . Was Kohlekraftwerke wirklich tun, ist, den Wärmestrom entlang einer Temperaturdifferenz in Strom umzuwandeln. Das heißt, sie lassen Wärme in eine Kühlgrube (normalerweise das Wasser eines Flusses) fließen und können durch Turbinen einen Teil dieser Energie in eine nützlichere Form (Rotationsbewegung und letztendlich Elektrizität) ziehen. Aber dieser Prozess ist von Natur aus verschwenderisch: Selbst ein gut konzipiertes modernes Kohlekraftwerk hat nur einen Umwandlungswirkungsgrad von etwa 33 %.

Der umgekehrte Weg ist immer trivial: Wenn Sie Strom durch so ziemlich jeden Stromkreis fließen lassen, wird die Energie im Grunde immer hauptsächlich als Wärme enden . Manchmal wird auch ein Bit in andere Energie umgewandelt, insbesondere kann eine Antenne elektromagnetische Energie (Radiowellen) aussenden. Wohlgemerkt, diese werden schließlich auch in Wärme umgewandelt, aber bevor das passiert, können sie einen langen Weg zurücklegen. Und bei LEDs ist es im Grunde dasselbe: Sie wandeln eine nicht unerhebliche Menge Energie in Licht statt direkt in Wärme um, aber das bewirkt nur, dass Sie der Energie eine zusätzliche Chance geben, ungenutzt aus dem Ballon zu entweichen. Das ist also wirklich eine schlechte Idee: LEDs sind konstruktionsbedingt „ungewöhnlich schlecht darin, Strom in Wärme umzuwandeln“.

Aber die schlechte Idee fängt eigentlich schon viel früher an, indem man überhaupt eine Elektroheizung vorschlägt. Wie gesagt, Strom ist kostbar. Wenn Sie sich die Mühe gemacht haben, Energie in schweren, ineffizienten Batterien statt in billigen, energiegeladenen Benzinkanistern zu bringen, ist das Letzte, was Sie tun möchten, sie einfach zu verbrennen. Es gibt jedoch einen Trick, der sich theoretisch lohnen könnte: Verwenden Sie eine Wärmepumpe . Das ist quasi das Gegenteil eines Kraftwerks: Anstatt Strom in Wärme umzuwandeln , zwingt es einen Wärmestrom aus der Umgebungsluft in den Ballon. Auf diese Weise können Sie auf dem Papier eine „Konversionseffizienz“ von mehr als 100 % erzielen.

Praktisch werden die Nachteile leider nicht kompensiert: Wärmepumpen selbst sind nicht optimal effizient, und sie sind schwer, was das Gewicht der Batterien erhöht.

Seien Sie vernünftig, heizen Sie Ihren Ballon mit Gas oder mit Sonnenwärme, nicht mit Strom.

Hier ist eine andere Idee, aber es ist Sichtverbindung: Verwenden Sie einen schwarzen Ballon und heizen Sie mit einem IR-Laserstrahl von einer Stromquelle auf dem Boden (über kurze Entfernungen könnten Sie tatsächlich einen Verfolgerpunkt verwenden). Sie könnten 1 kW ohne große Probleme liefern. Beachten Sie, dass Sie den Strahl fast so groß wie den Ballon erweitern müssen, um ein Schmelzen zu vermeiden. Dies bietet auch eine Höhensteuerung durch Variieren der Heizleistung.

(a) Der Stromverbrauch (z. B. Ihre 20 Watt) beschreibt alles, was die Schaltung tut, einschließlich der Erzeugung von Wärme. Alle Stromkreise erzeugen etwas Wärme, weil (zumindest bei Raumtemperatur) alle Stromkreise einen Widerstand haben, und wo Widerstand ist, gibt es Wärme.

(b) LEDs sind keine Glühlampen. Das sind Dioden (Light Emitting Diode = LED). Dioden haben einen sehr, sehr niedrigen spezifischen Widerstand. Folglich geht nur sehr wenig der eingesetzten Energie an Wärme verloren. Das macht sie für die Raumbeleuchtung so effizient. Der größte Teil Ihrer Energie wird verwendet, um Licht zu erzeugen, nicht Wärme.

(c) Ihre alten Glühlampen ("Glühlampen") waren viel weniger effizient. Beispielsweise würde eine 75-Watt-Glühlampe etwa 1.100 Lumen erzeugen. Eine LED-Leuchte mit 1.100 Lumen benötigt nur etwa 10 Watt. In Wirklichkeit ist es nicht ganz so einfach, aber man kann im Allgemeinen sagen, dass die Glühlampe 65 Watt Wärme erzeugt, um den Raum zu beleuchten (es verliert tatsächlich nur etwa 50 Watt, wenn ich mich recht erinnere, aufgrund von Beleuchtungsineffizienzen im Glühfaden selbst – aber das interessiert uns nicht).

Ehrlich gesagt, was Sie wirklich wollen, ist ein Quarzheizelement. Sie möchten so wenig Watt wie möglich verschwenden, um sichtbares Licht zu erzeugen. Sie möchten Infrarotlicht – sehen Sie sich Infrarotheizungen an .

Hier sind einige Zahlen zum Spielen.

10 W Energie erzeugen 34,121416 BTU/h, wenn alles in Wärme umgewandelt wird.

Es braucht 0,24 BTU Wärme, um die Temperatur von einem Pfund Luft um ein Grad Fahrenheit zu ändern.

Also werden 10 W Elektrizität 14 Pfund Luft um 10 Grad Fahrenheit erwärmen, wenn meine Berechnungen richtig sind.

1 Kubikfuß Luft bei Standardtemperatur und -druck unter der Annahme einer durchschnittlichen Zusammensetzung wiegt etwa 0,0807 lbs.

Wir sprechen also theoretisch über die Erwärmung von 173 Kubikfuß Luft (ein Ballon 5,5 Fuß mal 5,5 Fuß mal 5,5 Fuß) um 10 Grad Fahrenheit, vorausgesetzt, es gibt keinen Wärmeverlust bei STP.

Ich bin mir nicht sicher, ob eine Erhöhung der Temperatur um 10 Grad F sehr viel, sehr hoch anheben wird.

BEARBEITEN

Um das Gewicht eines erwachsenen Mannes zu heben, benötigen Sie einen Ballon mit einem Radius von etwa 4 m (13 Fuß), dessen Luft auf eine Temperatur von etwa 120 ° C (250 ° F) erhitzt wird. Das erklärt, warum Heißluftballons im Allgemeinen so groß sind.

Von Heißluftballons

Bei einer durchschnittlichen menschlichen Masse von 80 kg würde ein 1-kg-LiIon-Akku vielleicht 1/80 des Volumens benötigen, aber Sie müssen immer noch eine Temperaturdifferenz von etwa 100 Grad C bereitstellen.

Die schnelle Antwort ist, dass ein 20-W-LED-Licht und ein 20-W-Heizelement beide 20 W Wärme erzeugen, und in einem schwarzen (undurchsichtigen) Ballon würden beide die gleiche Wärmemenge erzeugen, um den Ballon anzuheben.

Nun, es ist offensichtlich, dass dies nicht die ganze Geschichte erzählt; Die Intuition scheint darauf hinzudeuten, dass ein Heizelement besser zur Wärmeerzeugung geeignet wäre als ein Gerät, das Licht erzeugen soll, ganz zu schweigen von den Gewichtsunterschieden zwischen den Geräten.

Viele Leute haben erwähnt, dass LED-Beleuchtung nicht so effizient ist, wie viele Leute glauben.

Es ist zwar ungenau zu sagen, dass LED-Beleuchtung den größten Teil ihrer Eingangsleistung in Licht umwandelt, aber es ist nicht so, als hätte die Behauptung keinerlei Grundlage in der Realität, und ich habe das Gefühl, dass dies die Argumentation hinter den Antworten zu einem Ablenkungsmanöver macht.

LEDs wandeln normalerweise den größten Teil ihrer verbrauchten Energie in Licht um (wenn mehr als die Hälfte am meisten zählt). Es ist die Leistungsschaltung, die die LED antreibt, die für den größten Teil der Energie verantwortlich ist, die als Wärme verloren geht.

Ich habe mehr Erfahrung mit Laserdioden als mit LEDs, aber meistens werden über 60 % der in der Diode verbrauchten Leistung in Strahlung umgewandelt, während der Prozess der Modulation des durch die LED fließenden Stroms sehr viel weniger effizient ist.

In den einfachsten Designs kann eine 20-W-Leuchte eine Leistungsstufe haben, die 18 W als Wärme abführt, während sie 2 W an die eigentliche LED liefert, die 1,5 W als sichtbares Licht erzeugen kann. Es ist denkbar, dass Sie argumentieren, dass der Wirkungsgrad 75 % (1,5/2) und 7,5 % (1,5/20) beträgt.

(Die Probleme, die beim Umgang mit der Wärmeableitung auftreten, sind eher auf die relativ geringe Größe von LEDs als auf die erzeugte Wärmemenge zurückzuführen. Mir ist klar, dass sich Laserdioden erheblich von LEDs unterscheiden, aber ich gehe davon aus, dass die meisten LEDs effizienter sind, aber ich kann mich hier irren)

In vielen Fällen läuft der Vergleich zwischen einem 20-W-LED-Licht und einem 20-W-Heizelement (Widerstand) im Wesentlichen auf einen Vergleich zwischen einem teuren, unnötig komplizierten 20-W-Heizelement und einem 20-W-Heizelement hinaus, und wie bereits erwähnt, wäre Konvektion das Richtige wichtigeres Thema. Ich würde mir vorstellen, dass das optimale ohmsche Heizelement in dieser Situation ein Motor einer gewissen Größe mit einem Lüfter ist, der so an seiner Spindel befestigt ist, dass er den Motor kühlt.

Aber, und ich denke, dies könnte der Absicht der Frage näher kommen, wenn Sie fragen: „Angenommen, Sie könnten 20 W Strom in entweder 20 W Licht oder 20 W Wärme umwandeln, was effektiver wäre, um bei Hitze Auftrieb zu erzeugen Luftballon?", die Antwort ist, es kommt darauf an.

Sie haben die Farbe des Ballons bereits berücksichtigt, indem Sie sagen, dass er schwarz ist. Dies würde das im Ballon erzeugte Licht enthalten, aber wie Sie gesagt haben, würde ein schwarzer Ballon das Licht absorbieren und sich erwärmen.

Um Auftrieb zu erzeugen, wollen wir nicht, dass sich der Ballon erwärmt. Wir wollen, dass sich die Luft im Ballon erwärmt.

Lassen Sie uns also den Ballon glänzend machen, dh 100% Reflexionsvermögen (dies könnte durch die Verwendung von metallisiertem Mylar erreicht werden). Dann behalten Sie das gesamte Licht im Ballon, und es wird keine Wärme durch Aufheizen verschwendet.

Jetzt, da wir all diese Lichtenergie im Ballon eingeschlossen haben, müssen wir sie nur noch in Wärme in der Luft umwandeln. Nur ein Scherz, nein, tun wir nicht. Das Licht, das dem Ballon nicht entkommen konnte, würde schließlich von den Molekülen in der Luft selbst absorbiert werden. Es ist so, als wäre es ein Gesetz oder so etwas, Licht wird sich irgendwann in irgendeiner Sache in Wärme verwandeln. Dadurch wird das gesamte Luftvolumen gleichzeitig erwärmt . Keine Konvektion erforderlich. Licht gewinnt hier klar an Geschwindigkeit.

Abhängig vom Stand der Materialwissenschaften kann es unmöglich sein, einen Ballon mit nahezu perfektem Reflexionsvermögen zu schaffen, der sowohl leicht als auch stark genug ist, um jede Last zu tragen, die er trägt.

Kommen wir zurück zu Schwarz. Wahrscheinlich Nylon oder ein anderer Stoff. Dann würde sich der Ballon erwärmen, Licht besser absorbieren als Luft, und während er die Luft im Inneren des Ballons erwärmen würde, würde er auch die Luft außerhalb erwärmen (dh Wärme verlieren).

Aber wirklich, das ist unvermeidlich, egal was Sie tun. Selbst wenn Sie ein Heizelement verwenden würden, um die Luft im Ballon zu erhitzen, würde die Luft, sobald sie heiß ist, den Ballon erwärmen, der Wärme nach außen abgeben würde.

Der Hauptunterschied besteht darin, wie lange es zunächst dauert, bis der Ballon vom Boden abhebt. Zum Modellieren wäre ein hässliches Kalkül erforderlich (wenn Sie die Luft mit Licht über den Ballon erwärmen, haben Sie mehr Oberfläche = schnellere Wärmeleitung, aber Sie verlieren die Hälfte nach außen und die Temperatur ist niedriger, und die Strömungsdynamik tue ich nicht sogar darüber nachdenken möchte), aber einfach ausgedrückt würde die Verwendung von Licht eine längere Wartezeit bedeuten, bevor der Ballon abhebt, als die Verwendung von Wärme, aber sobald die Luft die Zieltemperatur erreicht hat, würde es keinen Unterschied in der Effizienz geben.

Diese Gedankenexperimente, die scheinbar darauf hindeuten, dass Licht und Wärme gleichermaßen effizient wären, können wahrscheinlich (auf sehr umständliche Weise) auf eine dieser Tatsachen zurückgeführt werden: Licht ist Wärme oder wird schließlich zu Wärme; Wo Wärme ist, ist Licht; Ein großer Teil der Wärme (oder die gesamte Wärme, je nach Größenordnung) wird durch Licht übertragen. Und vor allem ist Wärme ein so vages Wort, dass es in unzähligen Kontexten und Bedeutungen verwendet wird, aber es ist schwierig, es klar zu definieren. Siehe auch Schwarzkörperstrahlung.

Mit 20W würde das übrigens alles nicht funktionieren.

LEDs erzeugen zunächst sehr wenig Wärme. In Anbetracht der Tatsache, dass die Wattleistung nur der Stromverbrauch ist, sollten Sie all diese 20 Watt besser auf Wärme und nicht auf Licht konzentrieren.

So viele Antworten und sie sind alle gut. Ich nehme eine Zusammenstellung dieser Antworten und poste meine eigene Antwort.

Niemand hier hat gesagt, dass es nicht möglich ist. Die Suche nach einem 20-Watt-Heizelement ist schlank, LEDs sind nicht effizient für Wärme, aber eine UV-LED erzeugt mehr Wärme als LEDs mit sichtbarem Licht. UV-LEDs machen es mit dem richtigen Material nachts sichtbar.

Die Verwendung einer UV-LED und eines UV-absorbierenden schwarzen Materialgehäuses, um das UV-LED-Licht zu umgeben, macht es mit lumineszierenden Teilen sichtbar, leicht, zuverlässig, billig und als Wärmequelle reichlich vorhanden. Ich bin mir immer noch nicht sicher, ob eine Solarzelle anstelle von Batterien genug Licht in Wärme aus dem Inneren der Ballons umwandeln kann. Grenzen von Solarzellen: 18 % des von Solarzellen absorbierten Lichts werden in Elektrizität umgewandelt, die zur Erzeugung von Wärme aus der Sonne verwendet würde. Abhängig von der Oberfläche aller Teile (alle in Schwarz) und der Umwandlung von Sonnenlicht würde zur erzeugten Gesamtwärme beitragen. Eine größere Oberfläche der Teile mit dem geringsten Volumen und Gewicht der Teile eignet sich am besten zum Einfangen von Sonnenlicht und UV-Licht. Wie ein schwarzer Kühlkörper gestaltet, fangen sie Licht ein und wandeln es in Wärme um.

Zusammenfassend ist es die Ineffizienz des UV-LED-Lichts und die Effizienz der Absorption der Teile in der Mitte des Ballons von der Sonne extern und UV-Licht intern, die zusammen die Luft im Ballon für den Auftrieb durch Elektrizität und Sonnenlicht erwärmen.

Nachts wäre ein schwarzer Ballon am besten mit einer schwarzen Box, die die UV-LED umgibt. Ich kann experimentieren, ein Helium/Luft-Gemisch in einem versiegelten Ballon zu erhitzen, wenn Luft allein nicht genug Auftrieb erzeugt, um Auftrieb zu erzeugen.

Plus 1 alle ..... Danke