CN110207252A - 指向型辐射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种指向型辐射装置：包括管道和反射罩；所述反射罩的内表面设置有反射面；所述管道设于所述反射罩的内表面一侧。所述指向型辐射装置还包括驱动装置；所述驱动装置包括传动杆和调节机构；所述传动杆与反射罩固定连接；所述调节机构与传动杆连接。本发明通过调整反射罩和管道的相对位置，可以调整指向辐射的角度，从而使得室内目标空间的温湿度得到调节，而不是整个室内空间无差别散射，最终实现了能源利用效率达到最大化，减少能源消耗，达到节能目的。

Description

指向型辐射装置

技术领域

本发明涉及空调系统末端设备及辐射热回收技术领域，更具体地说，涉及一种指向型辐射装置。

背景技术

现有的水-空气辐射板空调系统末端设备-辐射板主要安装在吊顶、地面水平位置或者墙壁垂直位置，按结构划分有“混凝土土拉心”型、“三明治”型、“冷网格”型、“双层波状不锈钢”型及“多通道塑料板”型等，一般以水为冷热媒将能量传递到辐射板表面，其能量再通过对流和辐射方式与室内空气环境进行热交换，使得室内空气温湿度达到设计要求。

现有的辐射板主要是通过辐射方式对室内空气环境进行热交换，由于辐射板表面温度低，其辐射波长λ较长，主要集中在4～120微米范围之内，因此属于长波辐射。因为长波辐射受空气悬浮微粒的影响会向室内空间各个方向进行散射，所以辐射板辐射的总能量用于调节室内整个空间的空气环境。但是，由于室内人员的工作区域只占整个空间的一小部分，调节到满足人员舒适度所需的能量只占辐射板辐射的总能量的一小部分，其他能量则消耗在上部空间和下部空间的盆栽等非目标区域，因此，不可避免的造成了能源的浪费。

因此，需要对现有技术进行改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高效的指向型辐射装置。

为解决上述技术问题，本发明提供一种指向型辐射装置：包括管道和反射罩；

所述反射罩的内表面设置有反射面；所述管道设于所述反射罩的内表面一侧。

作为对本发明指向型辐射装置的改进：所述指向型辐射装置还包括驱动装置；

所述驱动装置包括传动杆和调节机构；所述传动杆与反射罩固定连接；所述调节机构与传动杆连接。

作为对本发明指向型辐射装置的进一步改进：

所述反射罩的数量为至少三个，管道的数量为一个；所述反射罩以一定间隔依次等距平行设置；所述管道呈S形次穿过所有的反射罩。

作为对本发明指向型辐射装置的进一步改进：所述反射罩为圆弧形，反射罩的反射面为圆弧面；所述管道沿反射罩的焦点连线延伸。

作为对本发明指向型辐射装置的进一步改进：所述反射罩通过连杆装置与管道连接。

作为对本发明指向型辐射装置的进一步改进：所述连杆装置包括连杆和轴承；所述连杆与反射罩内表面固定连接；所述轴承设置在连杆上；所述管道通过轴承与连杆连接。

作为对本发明指向型辐射装置的进一步改进：所述反射罩的反射面为由高反射率膜层或涂层形成，反射率大于等于0.97。

作为对本发明指向型辐射装置的进一步改进：所述反射罩的外表面设有保温层。

作为对本发明指向型辐射装置的进一步改进：所述管道外表面设有高辐射率涂层，反射率为1。

作为对本发明指向型辐射装置的进一步改进：所述高辐射率涂层为非氧化物单晶和过渡金属氧化物的复合物。

本发明的辐射强度计算方法：

物体表面温度只要高于0K，就会朝表面上方半球空间的各个不同方向发射包括各种不同波长的辐射能。需要指出，辐射能是按空间方向分布的，往往不同方向有不同的数值；辐射能也是按波长分布的，不同波长具有不同的能量。为了描述辐射能的这些性质，需要使用不同的参量。下面先介绍定向辐射强度和辐射力这两个基本概念。

定向辐射强度

在某给定辐射方向上，单位时间、单位可见辐射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量称为定向辐射强度，用符号I_θ表示，单位为所谓可见辐射面积，是指站在给定辐射方向上所看到的发射辐射能物体的表面积。按定义

式中d_ω—单位微元立体角，sr；

dA'—单位微元可见辐射面积，m²；

dA—单位微元辐射面积，m²。

定向辐射力

在某给定辐射方向上，单位时间、物体单位辐射面积、在单位立体角内所发射全部波长的能量称为定向辐射力，用符号E_θ表示，单位为显然

由于定向辐射力E_θ是以发射辐射能物体的单位面积作为计算依据，而定向辐射强度I_θ是站在给定辐射方向上所看到的单位面积作为计算依据，所以两者之间存在如下关系

E_θ＝I_θcosθ (1-3a)

不难看出，在发射辐射能物体表面的法线方向θ＝0°，故有

E_n＝I_n (1-3b)

辐射力

单位时间内、物体单位辐射面积向半球空间所发射全部波长的总能量称为辐射力，用符号E表示，单位为辐射力E和定向辐射力E_θ之间关系

光谱辐射力

单位时间内、物体单位辐射面积、在波长λ附近的单位波长间隔内，向半球空间所发射的能量称为光谱辐射力，又称为单色辐射力，用符号E_λ表示，单位为显然

黑体

黑体即是一个理想的吸收体，又是理想的发射体，在热辐射中可把它作为标准物体以衡量实际物体的吸收率和发射率。为了方便计算，凡与黑体辐射有关的物理量，均在其右下角标以“b”(Blackbody)。下面在讨论黑体辐射定律的基础上，再进一步讨论实际物体的辐射特性。

普朗克定律

1900年，普朗克(M.Planck)从量子理论出发，揭示了黑体辐射光谱的变化规律，或着说给出了黑体光谱辐射力E_bλ和波长λ、热力学温度T之间的函数关系，它可表达为

式中λ—波长，μm；

T—热力学温度，K；

C₁—普朗克第一常数，

C₂—普朗克第二常数，C₂＝1.439×10⁴μm*K。

斯蒂芬—玻尔兹曼定律

在辐射传热计算中，确定黑体的辐射力E_b是至关重要的。根据式(1-5)和(1-6)，可得

式中σ_b—黑体辐射常数，σ_b＝5.67×10^-8W/(m²*K⁴)。

为了便于计算，上式也可以写成

式中C_b—黑体辐射系数，C_b＝5.67W/(m²*K⁴)。

漫射表面

在辐射计算中，有时会遇到不同方向上的定向辐射强度I_θ问题。把物体发射的定向辐射强度I_θ与方向无关的特性称为漫反射，而反射的定向辐射强度与方向无关的性质称为漫反射。若某个表面既具有漫发射，又具有漫反射特性，则该表面统称为漫射表面。

兰贝特余弦定律

黑体发射辐射能在空间的分布遵循兰贝特(Lambert)定律。理论上可以证明，黑体表面具有漫辐射的性质，在半球空间各个方向上的定向辐射强度相等，即

式(1-9)是兰贝特定律的表达式，说明黑体在任何方向上的定向辐射强度与方向无关。

根据式(1-3)，得

E_θ＝I_θcosθ＝I_ncosθ＝E_ncosθ[W/(m²*sr)] (1-10)

式(1-10)是兰贝特定律的另一表达式，说明黑体的定向辐射力随方向角θ按余弦规律变化，法线方向的定向辐射力最大。

除了黑体以外，只有漫射表面才遵循兰贝特定律。对于漫射表面，根据式(1-3)和(1-4)，辐射力为

由于把它代入上式，得

因此，对于漫射表面，半球空间的辐射力是任意方向定向辐射强度的π倍。

灰体

实际物体的辐射不同于黑体。它的光谱辐射力E_λ随波长和温度的变化是不规则的，不遵守普朗克定律。我们把实际物体的辐射力与同温度黑体的辐射力之比称为该物体的发射率ε。假如某物体的光谱发射率ε_λ不随波长发生变化，即ε＝ε_λ＝常数，则这种物体称为灰体。

灰体的光谱辐射力E_λ与同温度黑体光谱辐射力E_bλ随波长λ的变化曲线完全相似，因此灰体也是一种理想化的物体。

实际物体的辐射力计算

在工程实践中，参与辐射传热的物体温度大多低于2000K，此时实际物体在红外波段范围内可近似地视为灰体。只要参与辐射传热的各物体温差不过分悬殊，可以把物体表面当作漫射灰表面。这种简化处理给辐射传热计算带来很大的方便。所以如果已知某物体的发射率ε，则该物体的辐射力可用下式确定：

本发明指向型辐射装置的技术优势为：

本发明提供了一种指向型辐射装置，包括管道和反射罩，反射罩的内表面为用于反射辐射波的反射面，管道设于所述反射罩的内表面同侧。管道中有冷热传递媒介流动，媒介中携带的能量通过管壁向外进行辐射，辐射波到达反射面后被定向反射，从而实现指向辐射的目的。通过调整反射罩和管道的相对位置，可以调整指向辐射的角度，从而使得室内目标空间的温湿度得到调节，而不是整个室内空间无差别散射，最终实现了能源利用效率达到最大化，减少能源消耗，达到节能目的。此外，为了实现反射角度的实时调节，指向型辐射装置还包括驱动装置，驱动装置与反射罩连接，能够驱动反射罩转动，以方便随时根据需要调整反射角度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为现有技术中水-空气辐射板空调系统工作示意图；

图2为本发明指向型辐射装置的结构示意图；

图3为图2中A-A’的横截面示意图；

图4为安装有本发明指向型辐射装置的空调系统；

图5为图2中传动杆与反射罩120连接的结构示意图；

图6为图2中连杆装置的结构示意图；

图7为反射罩120通过连杆装置与管道110连接示意图。

其中，附图中标记如下：

100-指向型辐射装置，110-管道110，120-反射罩120，121-反射面，122-保温层，130-传动杆，200-连杆装置，210-连杆，220-轴承。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、指向型辐射装置，如图2-7所示，包括管道110和反射罩120。

反射罩120的内表面为反射面121，管道110位于反射罩120的设置有反射面121的一侧。本发明指向型辐射装置属于辐射板空调系统中的末端设备。管道110中有水等冷热传递媒介循环流动，媒介中携带的能量通过管道110的管壁向外进行辐射传播，管道110外侧的辐射波到达反射罩120的反射面121后发生反射，而实现定向、集中辐射的效果。通过调整反射罩120和管道110的相对位置，可以指定辐射的角度，从而维持室内目标空间的温湿度，而不是像现有技术中的辐射板一样，对室内空间进行无差别的辐射，进而实现了能源利用效率的最大化，减少能源消耗。

如图4所示，安装有本发明指向型辐射装置的空调系统，可以将辐射出的总能量有针对性的传递给工作区域、墙面及窗户等真正需要空气调节的区域(目标区域)，不用消耗在其他不需要进行空气调节的区域(非目标区域)，对能量进行最合理的分配，使得室内人员在得到相同舒适环境的同时，能源利用效率达到最大化，并极大地降低了能源消耗，达到了节能的目的。

反射罩120与管道110的相对位置可以根据室内空间的利用规划预先进行调整设置，从而保证辐射定向传播至目标区域。但是，在实际应用中，室内空间的规划是会变动的，因此目标区域也不是固定的，如果在使用过程中无法方便地对反射罩120进行调整，那么会大大降低辐射装置的实用性。为了实现反射罩120的实时调整，本发明指向型辐射装置还可以包括驱动装置，驱动装置与反射罩120连接，用于驱动反射罩120运动以调整反射角度，驱动装置可以实现反射罩120位置的实时调整，从而达到实时调节反射角度的目的。反射罩120运动方式可以根据具体的需求进行设置，比如平行移动、转动或混合方式运动等，只要能达到调节反射角度的目的即可。

如图5所示，驱动装置包括传动杆130和调节机构，传动杆130与反射罩120外侧固定连接，调节机构与传动杆连接，调节机构通过控制传动杆130运动，从而带动反射罩120进行相应的调整，最终达到调节反射角度的目的。调节机构可以为现有技术中的手动调节机构，比如通过啮合齿轮传动进行调节控制。为了增加操作的便捷性，调节机构也可以是现有技术中的电动调节机构，通过电控方式更加便捷、精确地进行调整。

为了实现更好的定向辐射效果，根据凹面镜平行反射光线的原理，如图3所示，可以将反射罩120的内表面设置为一圆弧面，并且管道110沿圆弧面的焦点连线延伸，且反射罩120能够围绕管道110转动以调整反射角度。此时，从横截面上观察，管道110发出的辐射波经反射面121反射后会以平行的方式传播，从而使得辐射更加集中，定向效果更好。

反射罩120通过连杆装置200与管道110连接。连杆装置200用于固定反射罩120和管道110的相对位置，即将管道110通过连杆装置200固定在反射罩120的几何焦点处，从而使得反射罩120围绕管道110转动。此时，不论反射罩120如何转动，都能确保管道110被牢固地固定于反射罩120的焦点位置。优选地，如图6所示，连杆装置200包括连杆210和轴承220，连杆210与反射罩120固定连接，轴承220设于连杆210上，轴承220套设在管道110上(管道110穿过轴承220)，管道110通过轴承220与连杆210连接。使用轴承220连接，一方面可以减少管道110和连杆210之间相互转动时产生的摩擦，使得转动更加顺滑，另一方面可以提高整体结构的寿命，降低故障率。此外，如图7所示，根据具体需求，一个反射罩120通过多个连杆装置200与管道110连接，本发明对此不做限定。

形成反射面121的方法可以有多种选择，比如整个反射罩120都利用能够反射辐射波的金属或非金属材质制作，则反射罩120的内表面自然会成为反射面121。但是上述方法无疑在生产成本上是没有优势的，并且受限于材料本身的性能，上述方法形成的反射面121的反射率ρ可能较小，反射效果较差。因此，在本发明上述实施例基础上，反射罩120的内表面上设有高反射膜层或涂层，从而形成反射面121。此时，反射罩120可以由成本更加低廉的材料制作，反射效果更佳。高反射膜层或涂层可以是现有技术中的材料，比如各种金属、合金材料膜层、复合膜层等。优选地，高反射率膜层或涂层的反射率大于等于0.97。

如图2所示；反射罩120的数量为若干个，管道110的数量为一个。所有反射罩120以一定间隔依次等距平行设置；管道110呈S形，依次穿过所有的反射罩120，即为管道110以从反射罩120首端到尾端、尾端到首端依次交替的顺序穿过所有反射罩120。

管道110辐射能量到达反射罩120时，可能会有部分能量通过反射罩120流失，从而造成能量损失。为了尽可能减少能量损失，如图3所示，可以在反射罩120的外表面上设置保温层122。保温层122可以有效地防止辐射能量从反射罩120流失，实现能量的最大化利用。保温层122的材质可以是现有技术中的隔热材质，比如橡塑海绵、珍珠棉(环保型)等，本发明在此不作限制。

物体对外进行能量辐射时，其辐射发射率越大，表明辐射出能量的能力越强。为了提高管道110的辐射发射率，在本发明上述实施例基础上，在管道110表面设有高辐射率涂层。高辐射率涂层可以有效提高管道110的辐射能力，使得其辐射发射率ε接近于1。高辐射率涂层可以选用现有的提高辐射发射率的材料。优选地，高辐射率涂层为非氧化物单晶和过渡金属氧化物的复合物，材料复合物形成的高辐射率黑体材料喷涂于管道110表面，能够有效提高管道110的辐射发射率。其中，非氧化物单晶可以为SiC等，过渡金属氧化物可以为Fe₂O₃、MnO₂、TiO₂、Cr₂O₃、NiO中的一种或几种。高辐射率涂层还可以添加纳米氧化物等填料增加辐射率，并提高其耐热耐高温性，比如Expert(易斯柏)公司的AD160耐热红外热辐射黑体增强散热漆，其辐射率≥0.93。

实验：本发明指向型辐射装置与现有辐射装置的定向辐射强度比较

在实施例1中，取一段1m长，外径为20mm的辐射管进行计算。在冬天保持低温供暖，所以管内水温为16℃。管道110表面有高辐射率涂层，在此计算中取ε＝0.97。辐射管被反射罩120包裹，反射罩120内表面有高反射率膜层或涂层，在此计算中取ρ＝1。反射罩120一侧有一个矩形开口，使得热辐射以平行的形式从矩形开口向室内目标区域定向辐射。

1、没有反射罩120的辐射管(现有辐射装置)

根据斯蒂芬—玻尔兹曼定律可知，辐射管的辐射力为：

辐射管表面向半球空间辐射的总能量为：

F＝A₁E＝0.02π×1×383.66＝24.11(W)

辐射管定向辐射强度为：

2、拥有反射罩120的辐射管(本发明指向型辐射装置)

根据斯蒂芬—玻尔兹曼定律可知，辐射管的辐射力为：

矩形开口向室内目标区域辐射的总能量＝辐射管表面向半球空间辐射的总能量：

F＝A₁E＝0.02π×1×383.66＝24.11(W)

由于拥有反射罩120，热辐射从矩形开口向室内辐射，0°≤θ≤90°，根据式(1-11)，假定则：

拥有反射罩120辐射管定向辐射强度为：

由于0°≤θ≤90°，所以辐射力E是任意方向定向辐射强度I_θ的nπ倍。由于0＜n＜1，而辐射力不变，则定向辐射强度I_θ将变大。

对比例1：将实施例1中的“反射面121的反射率大于等于0.97”改成“反射面121的反射率小于0.97，如0.95”，其余等同于实施例1。

取一段1m长，外径为20mm的辐射管进行计算。在冬天保持低温供暖，所以管内水温为16℃。管道110表面有高辐射率涂层，在此计算中取ε＝0.95。辐射管被反射罩120包裹，反射罩120内表面有高反射率膜层或涂层，在此计算中取ρ＝1。反射罩120一侧有一个矩形开口，使得热辐射以平行的形式从矩形开口向室内目标区域定向辐射。

1、没有反射罩120的辐射管(现有辐射装置)

根据斯蒂芬—玻尔兹曼定律可知，辐射管的辐射力为

辐射管表面向半球空间辐射的总能量为

F＝A₁E＝0.02π×1×375.75＝23.61(W)

辐射管定向辐射强度为

2、拥有反射罩120的辐射管(本发明指向型辐射装置)

根据斯蒂芬—玻尔兹曼定律可知，辐射管的辐射力为

矩形开口向室内目标区域辐射的总能量＝辐射管表面向半球空间辐射的总能量

F＝A₁E＝0.02π×1×375.75＝23.61(W)

由于拥有反射罩120，热辐射从矩形开口向室内辐射，0°≤θ≤90°，根据式(1-11)，假定则

拥有反射罩120辐射管定向辐射强度为：

对比例2：将管道110外表面的高辐射率涂层从“非氧化物单晶和过渡金属氧化物的复合物”替换成“过渡金属氧化物”，其余等同于实施例1。

自然界中物质的存在状态有三种：气态、液态、固态。

固体又可分为两种存在形式：晶体和非晶体。

常见的非晶体：石蜡，松香，沥青、橡胶，塑料、玻璃等。

常见的晶体：如钻石、石英、云母、食盐、金刚石、干冰和各种金属等。

晶体特点：是经过结晶过程而形成的具有规则的几何外形的固体；晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列。

晶体性质：

均匀性：晶体内部各个部分的宏观性质是相同的。

对称性：晶体的理想外形和晶体内部结构都具有特定的对称性。

各向异性：晶体中不同的方向上具有不同的物理性质。

固定熔点：晶体具有周期性结构，熔化时，各部分需要同样的温度。

规则外形：理想环境中生长的晶体应为凸多边形。有一定的几何外形。

晶体分为：单晶体，多晶体。

晶粒：晶粒是另外一个概念，首先提出这个概念的是凝固理论。从液态转变为固态的过程首先要成核，然后生长，这个过程叫晶粒的成核长大。晶粒内分子、原子都是有规则地排列的，所以一个晶粒就是单晶。多个晶粒，每个晶粒的大小和形状不同，而且取向也是凌乱的，没有明显的外形，也不表现各向异性，是多晶。

单晶体：整块晶体由一颗晶粒组成，或是能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。例如雪花、食盐小颗粒、天然水晶、钻石、单晶硅等。单晶体具有晶体的所有特征。

多晶体：整块晶体由大量晶粒组成，或是不能用一个空间点阵图形贯穿整个晶体。例如：常用的金属、石头、玉石、陶瓷、飞到地球上的陨石等。多晶体与单晶体相比，除了各向同性，其他特征相同。

过渡金属：过渡金属元素(transition metals)是指元素周期表中d区与ds区(d区元素包括周期系第ⅢB～ⅦB,ⅦI族的元素。不包括镧系和锕系元素。ds区包括周期表第ⅠB～ⅡB族元素。)的一系列金属元素，又称过渡金属。一般来说，这一区域包括3到12一共十个族的元素，但不包括f区(周期表中58～71号元素叫做4f内过渡元素，90～103号元素叫做5f内过渡元素，它们都属于f区元素。)的内过渡元素。例如：Sc-钪、Ti-钛、V-钒、Cr-铬、Mn-锰、Fe-铁、Co-钴、Ni-镍等。

过渡金属氧化物；大多数过渡金属都是以氧化物或硫化物的形式存在于地壳中。其中过渡金属氧化物有：Fe2O3、MnO2、TiO2、Cr2O3、NiO等。

根据常用材料辐射率系数表可知：在全光谱辐射下，非氧化物单晶石墨粉辐射率可达0.97，金刚砂可达0.85。过渡金属氧化物二氧化钛辐射率最高只有0.60(在高温中，随温度降低，辐射率降低)，氧化镍辐射率最高只有0.87(在高温中，随温度降低，辐射率降低)。由此我们发现非氧化物单晶的辐射率普遍较高，而过渡金属氧化物的辐射率普遍较低。单独的非氧化物单晶不能制作成涂料，所以需要将非氧化物单晶与过渡金属氧化物复合制成涂料，此时涂料的辐射率将低于非氧化物单晶并高于过渡金属氧化物。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (10)

1.指向型辐射装置，其特征在于：包括管道和反射罩；

所述反射罩的内表面设置有反射面；所述管道设于所述反射罩的内表面一侧。

2.根据权利要求1所述的指向型辐射装置，其特征在于：所述指向型辐射装置还包括驱动装置；

所述驱动装置包括传动杆和调节机构；所述传动杆与反射罩固定连接；所述调节机构与传动杆连接。

3.根据权利要求2所述的指向型辐射装置，其特征在于：

所述反射罩的数量为至少三个，管道的数量为一个；所述反射罩以一定间隔依次等距平行设置；所述管道呈S形依次穿过所有的反射罩。

4.根据权利要求3所述的指向型辐射装置，其特征在于：所述反射罩为圆弧形，反射罩的反射面为圆弧面；所述管道沿反射罩的焦点连线延伸。

5.根据权利要求4所述的指向型辐射装置，其特征在于：所述反射罩通过连杆装置与管道连接。

6.根据权利要求5所述的指向型辐射装置，其特征在于：所述连杆装置包括连杆和轴承；所述连杆与反射罩内表面固定连接；所述轴承设置在连杆上；所述管道通过轴承与连杆连接。

7.根据权利要求1-6任一所述的指向型辐射装置，其特征在于：所述反射罩的反射面的反射率大于等于0.97。

8.根据权利要求1-6任一所述的指向型辐射装置，其特征在于：所述反射罩的外表面设有保温层。

9.如权利要求1～6任一项中所述的指向型辐射装置，其特征在于：所述管道外表面设有高辐射率涂层，反射率为1。

10.根据权利要求9所述的指向型辐射装置，其特征在于：所述管道外表面的高辐射率涂层为非氧化物单晶和过渡金属氧化物的复合物。