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散热器的二三事

作者:波音直营平台 日期:2020-12-11 23:07

  早期的人会在他可燃的小屋或潮湿的洞穴中间生火。即使后来煤炭成为主要的热量来源,但每个有明火产生的地方,其效率也是大大折扣的,因为大部分的热量都会通过烟囱散发出去。所以,无论为家庭提供热量的材料是什么,早期的人类都需要留下一只警惕的眼睛“看住”它们,因为随着圆木或煤炭的移动,它们很可能会失去控制,火花会有机会落在附近的室内装潢上,造成明显的后果。

  即使聪明的人类后来引入了人工煤气,进一步的危险也存在着,煤气本身含有剧毒,如果火焰熄灭,煤气供应仍在继续,房主中毒的概率会大大增加。所以,人类需要更好、更有效、更安全的东西来为家庭供暖,因此发明了可控热量的巧妙方法。这种可控热量以管道循环热水的形式存在铸铁容器中,在你需要的地方和时间将热量辐射出去。

  俄罗斯位于地球上最寒冷的版图中,俄罗斯冬日里的日均温度值大约是-14℃。相比而言,加拿大的温度大约是-11℃。

  18世纪初,俄罗斯的工程师承担起家庭供暖的重任,面对数月的零下气温,他们最终成功地设计出了一种基于水的中央供暖系统。而出生在波兰的俄罗斯商人弗朗兹·圣加利更是在1855年至1857年在圣彼得堡发明了暖气片。1855年,他还在用冰冷的手指拨弄着金属碎片,两年后,他就可以在室内脱下帽子,用暖气片捂暖他喜爱的伏特加。他的发明被维多利亚时代富有的人们视为当时的“必需品”。

  几乎在同一时期,美国的发明家们也捣鼓出了类似的东西。而我们今天看到的散热器的概念主要就是基于美国人约瑟夫·尼森和罗伯特·布里格斯在1863年的设计而延伸出来的。不过,当时大多数的散热器都是蒸汽供暖,而不是热水供暖。蒸汽在很大的压力下工作,因此早期的散热器都装有蒸汽阀,一旦压力上升太多,蒸汽阀就会将多余的蒸汽释放出来。而随着热水加热系统的广泛应用和推广,使用热水而不是蒸汽加热散热器也减少了诸多危险。例如,用铸钢建造的维多利亚式散热器,它是一个密封的钢空心容器,里面装满热水,管道由电动压力泵提供。所有的散热器都需要一个高效的锅炉来加热循环水,循环水会绕着散热器流动。

  再后来,有一项散热器发明在世界范围内获得了比其他任何发明都多的认可,它为我们理解的“现代”散热器设计做出了更大的贡献,这就是“邦迪环路”。纳尔逊H·邦迪在1872年开发的邦迪环是一个铸铁散热器系统,特点是线圈拧入铸铁基地,它的发明为现代散热器打下了基础。

  20世纪初,散热器大多是普通的灰色金属。其中许多都是华丽的、维多利亚风格的装饰。散热器制造商这样做是因为当时的中央供暖是新的,他们想让散热器成为房间装饰的一部分。结果很好,生意越做越大。

  时间快进到1918年冬天,西班牙流感来袭,迅速演变成大流行。西班牙流感在第二年结束,但在这期间,世界上5%的人口在疫情中死亡。很多人害怕西班牙流感卷土重来,所以当时美国卫生委员会规定人们必须打开卧室的窗户。他们认为新鲜空气能对抗流感。美国人非常喜欢这个主意,他们不仅打开了卧室的窗户,而且打开了其他所有的窗户。当然,这对那些实践相对较新的集中供暖技术的人提出了挑战。

  设计师需要在一年中最冷的日子里,在寒风呼啸、窗户敞开的情况下,为锅炉和散热器设定合适的尺寸。但没过多久,美国人就发现了,开着窗户加热房子要花很多钱。在后来的一段时间里,像西班牙流感这样的疫情再也没有发生,所以人们互相看了看,耸了耸肩,关上了窗户,但是散热器的尺寸没有变,所以人们坐在闷热的家里和公寓里喘着粗气。在沮丧中,他们呼吁政府制定措施来扭转这混乱的局面。

  当时的科学家发现,一个独立的铸铁散热器大约70%的热量将通过对流的方式从散热器流出。空气接触热金属而上升,寒冷的空气取而代之,摩天轮般的加热循环开始了。散热器输出总量的30%以辐射的形式散出。它从散热器中蒸发出来,以阳光同样的方式进入人体。对于这30%,科学家决定做点什么。研究发现,有两方面因素影响辐射,一是散热器表面的温度;二是发射率。如果散热器尺寸不能改变,那么就只能想起他的办法,后来发现,涂料的颜色会影响发射率。确定了这点,科学家就开始着手找出最适合的涂层颜色。我们知道,如果一种颜色善于散发热量,它也善于吸收热量。这就是为什么在夏天,一辆黑色汽车的内部会比一辆白色汽车的内部热得多。黑色屋顶也是如此。一些屋顶公司喜欢在沥青屋顶上涂铝涂料,因为铝的低发射率不会吸收那么多阳光,这就增加了屋顶的使用寿命。所以,在多次对比后发现,铝的发射率非常低。政府测试了一堆含有铝片涂料,结果显示,如果散热器的最外层主要是铝片,辐射率会急剧下降。所以,利用金属涂料来削减散热器最后30%的热量输出是他们想出的对策。

  1935年7月19日,美国商务部国家标准局发表了他们的报告。报告建议人们在散热器上使用金属涂料,但仅限于过热的房间。他们还建议人们在散热器背面涂上金属涂料,以减少可能没有隔热的墙壁上的辐射传热。

  从19世纪末开始,公众对于散热器有了更多的要求。散热器不再仅仅是散发热量的盒子,而是被视为可以改变房间外观的更具装饰性的物品。所以在过去10年左右的时间里,复古、传统风格与现代室内设计相结合的趋势越来越多,人们开始接受更古老的风格,修复旧散热器,并投资于带有复古风格的当代散热器。

  祝叶华,北科大小学士,清华大学小博士,目前就职于科技导报社,副编审一枚。

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