一種高原用便攜式供暖裝置的設(shè)計與研究

馬強強

（中國船舶集團有限公司 第七一一研究所，上海201100）

0 引言

在我國寒冷的高原地區(qū)，由于特定的地理與氣候環(huán)境，使得交通和建設(shè)條件變得復(fù)雜，無法鋪設(shè)管道通入暖氣，當(dāng)?shù)鼐用裆钊∨瘑栴}一直難以得到保障，在過去都是依靠熱水袋或者燃煤鍋爐進行供暖，但是熱水袋散熱快，保溫效果差，根本無法滿足正常生活的取暖要求，另外燃煤鍋爐不僅造成環(huán)境污染，排放粉塵和有害氣體，而且需晝夜頻繁填充柴煤、爐子還經(jīng)常熄滅，給生活帶來了諸多不便[1]。

目前當(dāng)?shù)氐娜丝诰幼”容^分散，依靠常規(guī)電網(wǎng)延伸的方式來解決電力供應(yīng)很不現(xiàn)實，但是當(dāng)?shù)仫L(fēng)能資源豐富日照充足，利用風(fēng)能發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電，組成“風(fēng)光互補供電系統(tǒng)”，已經(jīng)滿足用戶的基本電力需求。現(xiàn)在家用的供暖裝置耗電量大、容易出現(xiàn)灼熱感與燙傷問題，亟需一種制熱節(jié)能、溫度可控、移動方便的小型供暖設(shè)備。

本研究針對當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有條件設(shè)計一種便攜式供暖裝置，采用恒溫電加熱方式，利用陶瓷片作為加熱體，熱效率可達95%以上，具有不發(fā)紅光、不燃燒、升溫快等特點，而且陶瓷發(fā)熱體表面溫度可以恒溫控制，當(dāng)溫度過高或過低，可自動啟停，避免了高溫燙傷及干燒現(xiàn)象。該裝置可有效滿足人們對取暖的要求，節(jié)能環(huán)保，而且還提高了使用的舒適度。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對目前外界條件的限制及現(xiàn)有供熱裝置存在的問題，研究設(shè)計了一種新型便攜式供暖裝置。圖1所示為供暖裝置示意圖，主要包括殼體支撐部分、產(chǎn)熱輸出部分和溫控系統(tǒng)部分。殼體側(cè)面經(jīng)過鏤空工藝處理，有利于風(fēng)機的吸氣，同時可以將有熱量穩(wěn)定輸出，防止局部過熱現(xiàn)象；產(chǎn)熱輸出部分為該供熱裝置加熱的核心區(qū)域，通過PTC發(fā)熱體進行產(chǎn)熱，風(fēng)機將產(chǎn)生的熱量吹出；溫控系統(tǒng)通過溫度傳感器的感應(yīng)實現(xiàn)溫度可控可調(diào)，達到理想的舒適效果。

1.1 殼體結(jié)構(gòu)的模塊化設(shè)計

殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計屬于工業(yè)化設(shè)計的一種，設(shè)計過程中要充分體現(xiàn)出模塊化設(shè)計理念，通過各部分之間的獨立設(shè)計最終實現(xiàn)整體化設(shè)計，不僅可以降低生產(chǎn)成本，而且能夠使產(chǎn)品外形更加人性化、簡潔化、多樣化[2]。本產(chǎn)品外殼設(shè)計為長方體結(jié)構(gòu)，選用304不銹鋼材質(zhì)，表面經(jīng)過研磨拋光處理，起到較好的支撐保護作用，表面采用激光進行鏤空處理，增加了殼體空氣流動性，提升了美觀度；采用雙層流道結(jié)構(gòu)，使外殼整體溫度不會過高，安全可靠；另外殼體的上下方設(shè)置橫梁，增加殼體結(jié)構(gòu)的整體強度，頂部配置有提手，攜帶方便。

圖1 供暖裝置示意圖

1.2 產(chǎn)熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與排布

陶瓷加熱片是該產(chǎn)品的主要加熱體，采用220 V交流電進行加熱，加熱時無明火，避免造成燙傷，圖2所示為本產(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其功率設(shè)計為3 kW，選用4組加熱體并排布置在殼體的中部，每組加熱體的功率為0.75 kW，加熱體兩端使用耐高溫的絕緣板，絕緣板固定在殼體兩側(cè)的面板上，絕緣板的材質(zhì)為環(huán)氧樹脂板，環(huán)氧樹脂板可以在200 ℃以下穩(wěn)定運行，在加熱體的正下方設(shè)有2個軸流風(fēng)機，風(fēng)機功率21 W，轉(zhuǎn)速為2600 r/min，風(fēng)量為2.3 m3/min，上電時風(fēng)機開始運轉(zhuǎn)，風(fēng)機可迅速將加熱體產(chǎn)生的熱量沿著圖2中箭頭方向送至出風(fēng)口吹出，減少余熱輻射的影響，根據(jù)溫控系統(tǒng)的控制原理，在風(fēng)機進風(fēng)口設(shè)置的溫度傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度，通過殼體面板上的溫控顯示器實時顯示，加熱功率隨環(huán)境溫度的降低而增大，升高而降低[3]，即使進風(fēng)口被堵塞時加熱體溫度也不會超過200 ℃，不會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。

圖2 供熱裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

2 溫控系統(tǒng)的設(shè)計

溫控系統(tǒng)的主要功能是根據(jù)外界溫度的變化對加熱體進行實時調(diào)整[4]，它是整個供熱裝置設(shè)計的重點。為適應(yīng)不同地區(qū)使用，本產(chǎn)品設(shè)置了2個供熱擋位（如圖3），用戶可根據(jù)需要選擇合適的擋位：零擋為停止按鈕；一擋啟動功率范圍為0～1.5 kW；二擋啟動功率范圍為0～3 kW。啟動時，軸流風(fēng)機開始運轉(zhuǎn)，此時開關(guān)撥動至一擋或者二擋，如果外界溫度低于24 ℃時，4組加熱體同時通電加熱，溫度慢慢上升，軸流風(fēng)機將熱量迅速吹出與外界冷空氣進行交換，為監(jiān)測進風(fēng)口處的溫度，在供熱裝置底部設(shè)有溫度傳感器，當(dāng)外界溫度加熱到26 ℃時，風(fēng)機進風(fēng)口溫度也達到26 ℃時，加熱體停止加熱，溫度不再繼續(xù)上升；當(dāng)溫度冷卻再次低于設(shè)定的24 ℃，加熱體重新被加熱，使外界溫度始終保持在24～26 ℃之間，此時的溫度是最適合人體的舒適溫度，達到了節(jié)能環(huán)保的目的。

圖3 恒溫控制系統(tǒng)圖

3 加熱體熱態(tài)仿真分析

3.1 有限元模型

供熱裝置主要生熱部分為加熱體，外圍殼體為次要因素，對熱量影響不大，因此在分析時可以對模型進行簡化[5]，簡化后加熱體模型如圖4所示。

圖4 加熱體簡化模型

3.2 材料參數(shù)

選擇加熱體作為分析對象，根據(jù)加熱體的材料屬性，設(shè)置加熱體各材料參數(shù)：陶瓷加熱片的比熱容為850 J/(kg·℃)，導(dǎo)熱系數(shù)為1.5 W/(m·K)。

3.3 載荷與約束

熱量的傳熱方式有傳導(dǎo)、對流、輻射等3種，在本研究中加熱體的主要傳熱方式是對流[6-8]，傳導(dǎo)與輻射影響較小，因此對加熱體模型進行穩(wěn)態(tài)熱分析，施加溫度載荷，施加在加熱體表面，環(huán)境溫度設(shè)為24 ℃。

3.4 網(wǎng)格劃分

由于本研究對象是加熱體幾何形狀相對規(guī)則，采用掃掠網(wǎng)格劃分，劃分后的網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 加熱體網(wǎng)格劃分

3.5 仿真結(jié)果與分析

根據(jù)簡化建立的供熱裝置加熱體的有限元模型，利用ANSYS進行熱態(tài)仿真分析，得到加熱體溫度場在熱輻射下的溫度分布，最高溫度可達119 ℃，根據(jù)溫度場的分布可以為加熱體的結(jié)構(gòu)改善提供一定的理論依據(jù)。

圖6 加熱體溫度場分布

4 現(xiàn)場試驗

在機械結(jié)構(gòu)與溫控系統(tǒng)設(shè)計完成后，需要對整個供熱裝置進行相關(guān)試驗，主要檢測防水等級、熱效率、功率、擋位出風(fēng)溫度、溫控范圍等性能參數(shù)，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 試驗結(jié)果記錄

具體實施步驟如下：為檢測產(chǎn)品是否能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，首先做了防水試驗，設(shè)置水流量為10 L/min,試驗時間為10 min，擺動120°，試驗結(jié)束后檢測有無積水，然后試驗產(chǎn)品是否正常工作。

將產(chǎn)品放置于20～30 m2的房間內(nèi)，房間配有220 V、50 Hz的交流電，被測房間內(nèi)室溫低于24 ℃，接通電源之后，啟動擋位開關(guān)1，在產(chǎn)品正前方出風(fēng)口處設(shè)置溫度計，每隔1 min記錄一次溫度值，直至溫度不再變化為止，此時的溫度即為一擋下額定出風(fēng)溫度，測量此時電路中的電流值，計算產(chǎn)品的功率；然后撥動開關(guān)至二擋，同理，每隔1 min記錄一次溫度值，直至溫度不再變化為止，此時的溫度即為二擋下額定出風(fēng)溫度，測量此時電路中的電流值，計算產(chǎn)品的功率。

隨著時間的推移，房間內(nèi)的溫度逐漸上升，當(dāng)溫控顯示器26 ℃時，加熱體停止工作，記錄此時房間內(nèi)的溫度，觀察房間內(nèi)的溫度是否控制在24～26 ℃之間。為提高產(chǎn)品的性能，使用噪聲測試儀記錄產(chǎn)品正常工作時的噪聲，為后期產(chǎn)品優(yōu)化提供數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種便攜式供暖裝置，有效解決了高原取暖難、取暖灼熱不適與高溫燙傷的問題，與現(xiàn)有供暖裝置相比，熱量轉(zhuǎn)化效率高，節(jié)能無污染，設(shè)備體積小，攜帶方便，溫度可以根據(jù)用戶自行設(shè)置，保持舒適溫度運行。利用仿真完成加熱部件溫度場的模擬，可根據(jù)實際使用情況，繼續(xù)優(yōu)化供熱裝置，提高發(fā)熱效率，可靠保證寒冷冬季的室內(nèi)溫度。