一種高原用便攜式供暖裝置的設計與研究

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，由于特定的地理與氣候環境，使得交通和建設條件變得復雜，無法鋪設管道通入暖氣，當地居民生活取暖問題一直難以得到保障，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、爐子還經常熄滅，給生活帶來了諸多不便[1]。

目前當地的人口居住比較分散，依靠常規電網延伸的方式來解決電力供應很不現實，但是當地風能資源豐富日照充足，利用風能發電和太陽能光伏發電，組成“風光互補供電系統”，已經滿足用戶的基本電力需求。現在家用的供暖裝置耗電量大、容易出現灼熱感與燙傷問題，亟需一種制熱節能、溫度可控、移動方便的小型供暖設備。

本研究針對當地現有條件設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，具有不發紅光、不燃燒、升溫快等特點，而且陶瓷發熱體表面溫度可以恒溫控制，當溫度過高或過低，可自動啟停，避免了高溫燙傷及干燒現象。該裝置可有效滿足人們對取暖的要求，節能環保，而且還提高了使用的舒適度。

1 整體結構設計

針對目前外界條件的限制及現有供熱裝置存在的問題，研究設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、產熱輸出部分和溫控系統部分。殼體側面經過鏤空工藝處理，有利于風機的吸氣，同時可以將有熱量穩定輸出，防止局部過熱現象；產熱輸出部分為該供熱裝置加熱的核心區域，通過PTC發熱體進行產熱，風機將產生的熱量吹出；溫控系統通過溫度傳感器的感應實現溫度可控可調，達到理想的舒適效果。

1.1 殼體結構的模塊化設計

殼體結構設計屬于工業化設計的一種，設計過程中要充分體現出模塊化設計理念，通過各部分之間的獨立設計最終實現整體化設計，不僅可以降低生產成本，而且能夠使產品外形更加人性化、簡潔化、多樣化[2]。本產品外殼設計為長方體結構，選用304不銹鋼材質，表面經過研磨拋光處理，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；采用雙層流道結構，使外殼整體溫度不會過高，安全可靠；另外殼體的上下方設置橫梁，增加殼體結構的整體強度，頂部配置有提手，攜帶方便。

圖1 供暖裝置示意圖

1.2 產熱結構設計與排布

陶瓷加熱片是該產品的主要加熱體，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所示為本產品內部結構，其功率設計為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的面板上，絕緣板的材質為環氧樹脂板，環氧樹脂板可以在200 ℃以下穩定運行，在加熱體的正下方設有2個軸流風機，風機功率21 W，轉速為2600 r/min，風量為2.3 m3/min，上電時風機開始運轉，風機可迅速將加熱體產生的熱量沿著圖2中箭頭方向送至出風口吹出，減少余熱輻射的影響，根據溫控系統的控制原理，在風機進風口設置的溫度傳感器監測環境溫度，通過殼體面板上的溫控顯示器實時顯示，加熱功率隨環境溫度的降低而增大，升高而降低[3]，即使進風口被堵塞時加熱體溫度也不會超過200 ℃，不會出現過熱現象。

圖2 供熱裝置內部結構圖

2 溫控系統的設計

溫控系統的主要功能是根據外界溫度的變化對加熱體進行實時調整[4]，它是整個供熱裝置設計的重點。為適應不同地區使用，本產品設置了2個供熱擋位（如圖3），用戶可根據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，軸流風機開始運轉，此時開關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，軸流風機將熱量迅速吹出與外界冷空氣進行交換，為監測進風口處的溫度，在供熱裝置底部設有溫度傳感器，當外界溫度加熱到26 ℃時，風機進風口溫度也達到26 ℃時，加熱體停止加熱，溫度不再繼續上升；當溫度冷卻再次低于設定的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，達到了節能環保的目的。

圖3 恒溫控制系統圖

3 加熱體熱態仿真分析

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

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

3.3 載荷與約束

熱量的傳熱方式有傳導、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]，傳導與輻射影響較小，因此對加熱體模型進行穩態熱分析，施加溫度載荷，施加在加熱體表面，環境溫度設為24 ℃。

3.4 網格劃分

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

圖5 加熱體網格劃分

3.5 仿真結果與分析

根據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 ℃，根據溫度場的分布可以為加熱體的結構改善提供一定的理論依據。

圖6 加熱體溫度場分布

4 現場試驗

在機械結構與溫控系統設計完成后，需要對整個供熱裝置進行相關試驗，主要檢測防水等級、熱效率、功率、擋位出風溫度、溫控范圍等性能參數，試驗結果如表1所示。

表1 試驗結果記錄

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

將產品放置于20～30 m2的房間內，房間配有220 V、50 Hz的交流電，被測房間內室溫低于24 ℃，接通電源之后，啟動擋位開關1，在產品正前方出風口處設置溫度計，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溫度，測量此時電路中的電流值，計算產品的功率；然后撥動開關至二擋，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溫度，測量此時電路中的電流值，計算產品的功率。

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

5 結論

本文設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，與現有供暖裝置相比，熱量轉化效率高，節能無污染，設備體積小，攜帶方便，溫度可以根據用戶自行設置，保持舒適溫度運行。利用仿真完成加熱部件溫度場的模擬，可根據實際使用情況，繼續優化供熱裝置，提高發熱效率，可靠保證寒冷冬季的室內溫度。