基于蜂窩罩的平板型遠(yuǎn)紅外電暖器的節(jié)能機(jī)理

頡未鳳 劉文斌

（1、甘肅鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 嘉峪關(guān)735100 2、甘肅省嘉峪關(guān)市科技局，甘肅 嘉峪關(guān)735100）

1 概述

電熱板是一種加裝電路的平板，通電后可以發(fā)熱，通常用電熱薄膜作為發(fā)熱元件。它以電為能源,電熱板為載荷。通電后,電熱板發(fā)熱，輻射遠(yuǎn)紅外光，并向接觸的空氣散發(fā)熱量。電熱板的另一面必須緊貼保溫材料，以減小背部散熱，使紅外光能量都朝向人體一側(cè)。和傳統(tǒng)的散熱器采暖方式相比,電熱板供暖系統(tǒng)加熱均勻舒適，柔和不刺眼, 解決了傳統(tǒng)供暖方式所帶來的光污染、熱啟動(dòng)慢等問題,更主要的是采暖效果好,節(jié)能。

2 遠(yuǎn)紅外電熱板的熱輻射

理論上,熱量傳遞有熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射3 種方式，這三種方式一般情況下是同時(shí)存在的。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB8623-88的規(guī)定, 紅外輻射轉(zhuǎn)換效率大于50%的電暖氣才能稱為遠(yuǎn)紅外輻射電暖氣。目前國內(nèi)出現(xiàn)的電熱板輻射率高通常大于0.9,在100℃的工作溫度下，可以達(dá)到紅外輻射50%規(guī)定。

在家庭采暖中, 主要采用以加熱空氣為主的對(duì)流取暖或以遠(yuǎn)紅外為主的輻射采暖。這兩種采暖方式,發(fā)熱體的溫度直接影響到散熱量的大小。

以對(duì)流散熱采暖器散發(fā)的熱量可以表示為:

式中:A、為對(duì)流傳熱系數(shù)系數(shù);

tpj——散熱器的平均溫度,℃;

t——室內(nèi)空氣的溫度,℃;

F——散熱器的表面積,m2。

以遠(yuǎn)紅外輻射為主的電熱器所散發(fā)的熱量可以表示為:[2]

式中:ε——電熱板的發(fā)射率;σb——黑體輻射常數(shù),

σ=5.67×10-8W(m2·K4);

F——平板散熱器的表面積,m2。

T1——電熱板工作溫度,k;

T2——周圍環(huán)境的溫度,k。

輻射采暖散發(fā)的熱量與電暖氣溫度的四次方呈正比, 而對(duì)流采暖中與電暖氣與環(huán)境的溫差成正比。高溫條件下輻射相對(duì)占優(yōu)勢(shì)，而低溫工作溫度下對(duì)流占優(yōu)勢(shì)。遠(yuǎn)紅外輻射電熱板的發(fā)射率ε 一般在0.9 左右,在100℃的工作溫度下，輻射采暖中遠(yuǎn)紅外能量比例可以達(dá)到50%的轉(zhuǎn)化率。

3 遠(yuǎn)紅外電熱板輻射能量的傳播過程

電熱板在工作狀況發(fā)熱時(shí)，所產(chǎn)生的遠(yuǎn)紅外輻射透過空氣，以光的速度傳播到人體衣物或皮膚,大部分被人體吸收,少部分反射到人體之外的環(huán)境空間。輻射的傳播可以不受空氣阻礙,而是直接達(dá)到人體。空氣的成分幾乎不吸收遠(yuǎn)紅外光的能量,因此輻射采暖的熱啟動(dòng)很快，加熱幾秒鐘就能感受到熱量，而普通的熱油汀采暖需要半個(gè)小時(shí)才能感受到室溫上升。輻射與對(duì)流能的傳播是直接與間接的區(qū)別；對(duì)流采暖首先要加熱空氣,使室內(nèi)空氣溫度升高, 加熱后的空氣再通過與人體的對(duì)流接觸減少人體在空氣中的散熱量。傳統(tǒng)對(duì)流取暖方式需要將空氣氣溫加熱升高一定溫度,散熱器的能量主要在于加熱屋頂，增加了向戶外環(huán)境的散熱能量,造成了熱量的損失和浪費(fèi)，因此對(duì)流采暖的能量利用效率不高,采暖升溫過程也很緩慢。而遠(yuǎn)紅外為主的輻射采暖,輻射遠(yuǎn)紅外光到人體,對(duì)人體產(chǎn)生直接的加熱效果。室內(nèi)的空氣可以不需要明顯加熱，因此室溫比傳統(tǒng)采暖方式溫度低，向環(huán)境的熱損失也要低于傳統(tǒng)采暖，需要較小的電功率就可以維持，這是傳統(tǒng)的對(duì)流散熱所不能達(dá)到的。

4 現(xiàn)有遠(yuǎn)紅外電熱板的缺點(diǎn)

目前這種平板式遠(yuǎn)紅外熱輻射加熱裝置存在空氣對(duì)流散熱大的問題，即輻射板的熱量通過熱傳導(dǎo)的形式傳遞給空氣，引起空氣對(duì)流散熱。使得這一部分熱量散失在空氣中，不能轉(zhuǎn)化為直接作用在人體等加熱目標(biāo)上的遠(yuǎn)紅外輻射，從而降低了紅外輻射裝置將熱能轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)紅外輻射的效率。空氣對(duì)流也導(dǎo)致了室內(nèi)灰塵上揚(yáng)。

由于電熱板材料性能的限制, 電熱板的加熱溫度為50～70℃, 且不能超過85℃的材料極限溫度。當(dāng)電熱板裸露在空氣（20℃）中時(shí)，空氣對(duì)流散熱功率可以達(dá)到500W/m2，而紅外輻射功率為340w/m2。紅外輻射效率僅為40%，達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)50%的要求。

5 加裝蜂窩罩方案

在電熱板平面外5-30mm 處平行加裝圖2 所示的金屬蜂窩罩，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示，平板1，其上設(shè)置有蜂窩狀通孔3，其中，平板1 包括第一表面和第二表面，通孔從第一表面延伸至第二表面；通孔3 的深度與其孔徑的比值為1.5-6，例如2,3,4,5,6 等；平板1 設(shè)有至少一個(gè)固定件2，通過固定件，將板安裝在平板型遠(yuǎn)紅外輻射裝置的輻射平板的輻射面的正前方。蜂窩罩可以將人與加熱裝置隔離，起到防燙傷的作用，抑制空氣熱對(duì)流，防止灰塵隨熱空氣上揚(yáng)。其中，具體制作過程中，所述平板邊緣做平齊處理，金屬可以采用多種金屬，優(yōu)選地，采用鋁、銅或銀，這三種金屬相比其它金屬，反射率高。上述通孔的形狀可以采用三角形、四邊形（正方形、長方形、菱形等）或者六邊形等。同時(shí)封閉四周邊框，可以有效抑制電熱板附近的空氣對(duì)流，從而達(dá)到減少對(duì)流散熱的目的。結(jié)構(gòu)圖見圖2。

圖1 蜂窩罩內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 蜂窩罩結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 加裝蜂窩罩的平板型遠(yuǎn)紅外電暖器結(jié)構(gòu)示意圖

原理：蜂窩罩為空氣對(duì)流帶來阻力，從而抑制了空氣對(duì)流散熱。但由于蜂窩罩由紅外反射率高的金屬材料（鋁、不銹鋼、銅）制成，紅外線可以像光纖中的激光一樣多次反射而不衰減，從而產(chǎn)生透射的效果。電暖氣產(chǎn)生的總熱量等于紅外輻射熱量加空氣對(duì)流散熱熱量。當(dāng)空氣對(duì)流散熱減少時(shí)，電熱板輻射的紅外線能量就會(huì)提高。當(dāng)工作溫度80 攝氏度，紅外發(fā)射系數(shù)0.9時(shí)，對(duì)流散熱可以減少到250W/m2，而紅外輻射功率可以達(dá)到350w/m2。紅外輻射率為58%，使紅外輻射率達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的50%以上。

6 結(jié)論

電熱板采暖較傳統(tǒng)的散熱器形式采暖節(jié)能是緣于它們傳熱機(jī)理不同，電熱板的輻射方式要熱于傳統(tǒng)暖氣的對(duì)流散熱方式。為電熱板加裝金屬蜂窩罩裝置能夠明顯抑制電熱板接觸的空氣對(duì)流散熱，卻不阻礙電熱板紅外輻射，從而達(dá)到提高紅外輻射效率的目的。