一種可調節風向的送風供暖器

馬梓媛

（武漢理工大學，湖北 武漢430070）

1 內部結構

本文介紹了一種可調節風向的送風供暖器，在傳統供暖器具有的加熱送風裝置的基礎上還設計了定向送風裝置和渦環產生裝置。定向送風裝置設置于加熱送風裝置的上端，使用的時候可以得到多種組合效果，節省動力來源。渦環產生裝置設于加熱送風裝置內，兩裝置同軸心安裝，方便調節風向，并滿足精度要求。

加熱送風裝置不同于傳統設計，為排除因功率過大造成的安全隱患，并且實現能源的循環利用，主要使用碳纖維紙加熱片進行熱量的傳遞。碳纖維是一種新型非金屬材料，具有輕質高強的突出特點，并且化學性能非常穩定，耐高溫和低溫以及耐腐蝕性非常高，可加工性能很好，利用碳纖維的優點，解決了傳統設計中存在的某些弊端。除此之外，加熱送風裝置還包括主送風腔、輪流風機、吊頂支架以及顯示系統。在主送風腔內設計有環形換熱流道和增速流道，環形換熱管道的出口端與增速流道的進口端相接設計實現風的加熱、換向以及增速。其中環形換熱流道包括供暖外管，由于碳纖維的良好導熱性，需在供暖外管與碳纖維接觸的內壁處設置隔熱布料。在供暖外管的外側還設有四個定向送風裝置安裝支架，以便實現確切風向的控制。增速流道包括增速外管和增速內管，兩管下端之間沒有連接，形成增速流道出風口，在增速外管最低端連接環形密封盤，防止污染。

定向送風裝置包括一號電控驅動殼體、二號電控驅動殼體和電控伸縮桿。一號電控驅動殼體的外端與吊頂支架安裝孔相連，其中吊頂支架通過螺紋孔安裝于天花板上。一號電動驅動殼體的內端與電控伸縮桿一端相連。二號電驅動殼體外端與主送風腔外部機架相連，內端則與電控伸縮桿另一端相連，吊頂支架與主送風腔之間通過四個定向送風裝置連接。

渦環產生裝置包括主通風管道、漸縮噴嘴、頂蓋、夾板薄膜組合體、絲桿、控制器、驅動器、開關電源、步進電動機支架和步進電機等。頂蓋位于渦環產生裝置的最上端，并且置于主通風管道的頂部，將渦環產生裝置和其他裝置分隔開。漸縮噴嘴設置于主通風管道的底部，此處設置的漸縮噴嘴并非縮放噴嘴，由于噴嘴的速度系數與壓力比之間有一定的關系，根據資料可知，在壓力比大于一定數值時，對于漸縮噴嘴，此時速度系數與壓力比基本無關，而縮放噴嘴只在設計工況下才能得到較高的速度系數，在工況變化下產生沖波，速度系數劇烈下降，為保證裝置平穩連續，此處采用漸縮噴嘴比較合適。夾板薄膜組合體設置于主通風管道內，步進電動機通過步進電機支架固定在頂蓋之上，為裝置提供動力來源，同時使裝置更加緊固。絲桿的上端與步進電機連接，絲桿下端通過上、下T型螺母與夾板薄膜組合體通過螺紋夾連接。裝置由此可以實現步進電機驅動絲桿轉動，帶動夾板薄膜組合體沿絲桿在主通風管道內上下移動，同時在主通風管道上設有進風口，使風源通向渦環產生裝置。主要結構如圖1所示。

圖1 一種可調節風向的送風供暖器的爆炸示意圖

2 工作原理

一種可調節風向的送風供暖器在供暖器工作時，首先需要軸流風機將外界空氣泵入主送風腔內，氣體進入主送風腔內后首先進入其內部的環形流道，之后氣流流過主送風腔內置環繞的碳纖維加熱片，由于碳纖維的熱傳導作用，氣流的溫度上升，隨后氣流由環形流道一端的環形流道出口流出，進而進入由主送風腔增速外管、增速內管、頂蓋以及主送風管道共同組成的增速流道內。氣流向下流動時由于增速流道通風面積小于環形換熱流道，因此氣流速度上升，加速過的氣流在經過導流板時，在導流板的作用下進入主送風管道，當夾板薄膜組合體處于進風口上端時，氣流涌上主通風管道，此后夾板薄膜組合體在步進電機絲桿的驅動下運動，當夾板薄膜組合體運動到進風口下端時，氣流被截斷，截斷的氣流經過整流板的整流后，經過漸縮噴嘴時，由于受到剪切力而卷曲形成渦環氣流。漸縮噴嘴出風口處設置有風速傳感器及溫度傳感器，傳感器收集到的溫度及風速信號會在主送風腔側壁上的顯示屏顯示。且通過控制四根定向送風裝置伸縮桿的不同伸縮量，可以調節出風口角度。當室內人數較少時，該裝置的定向送風可以局部調溫代替整體調溫，進而降低調溫所需能耗；當室內人數較多時，該裝置的吊頂垂直風送設計可以緩解縱向溫度分布不均勻導致的能源浪費問題，可以大批量產生渦環，且渦環的傳播速度及通風量相較于傳統產生方式均大幅提升，安全性、可靠性大大提高。

3 設計意義

本文介紹的設計成果主要對傳統設計產品的缺點和弊端進行了改進，同時還從用戶的實際需求出發在供暖期的功能和要求上進行了創新。

在傳熱裝置上應用了綠色環保的碳纖維材料，中國制備碳纖維材料的技術現在已經比較成熟，由于碳纖維具備多方面的優點，在其他方面比如航天技術上應用也非常廣泛。成熟的碳纖維產品技術使此次原材料獲得非常容易，減少了制作成本，同時還具備輕質、環保等多方面的優點。

定向送風裝置和渦環產生裝置使送風式供暖器打破傳統供暖期供熱不均等局限性，一種可調節風向的送風供暖器不僅可以提供定向的暖風服務，還可以完成不同大小風速多方向送風的要求。其中，現有的渦環產生方式主要是靠夾板或者活塞來推動一段流體柱，通過流體柱在出口的卷曲來產生渦環，其產生渦環的傳播速度受夾板活塞運動速度或者出口增速倍數的限制，增大出口增速倍數，則會降低渦環的通風量，而夾板活塞的運動速度受電機的限制，不能大幅度增加，導致渦環的通風量與傳播速度往往不能兼顧，達不到預期的供暖需求。考慮到這些因素對渦環產生裝置進行了改進，同時采用局部定向化調溫代替整體調溫還可節約能源。該設計不受地域的限制，成本較傳統送風供暖器較少，不僅對送風供暖器的功能進行了改進，還在能源節約以及環保方面做出了改善，具有非常廣闊的應用前景。

4 總結

本文主要介紹了一種創新型可調節風向的送風供暖器的設計過程、工作原理和現實意義，該設計解決了傳統送風供暖器耗能、低效以及存在安全隱患等多方面的問題，是一種符合綠色環保、經濟減排要求的設計，同時還從保證用戶良好體驗感出發，具有非常好的應用前景。文章中一種可調節方向的送風供暖器的設計靈感來源于航天事業中碳纖維被廣泛應用，碳纖維的發展為設計該裝置提供了綠色材料支持，摒棄了傳統送風供暖裝置中的非綠色材料。

本文介紹的該種可調節風向的送風供暖器有非常強的現實意義，在裝置結構的零件介紹中，由于涉及機械專業問題，并未做詳細注解，還請參考有關書籍。