一种高原用便携式供暖装置的设计与研究

马强强

（中国船舶集团有限公司 第七一一研究所，上海201100）

0 引言

在我国寒冷的高原地区，由于特定的地理与气候环境，使得交通和建设条件变得复杂，无法铺设管道通入暖气，当地居民生活取暖问题一直难以得到保障，在过去都是依靠热水袋或者燃煤锅炉进行供暖，但是热水袋散热快，保温效果差，根本无法满足正常生活的取暖要求，另外燃煤锅炉不仅造成环境污染，排放粉尘和有害气体，而且需昼夜频繁填充柴煤、炉子还经常熄灭，给生活带来了诸多不便[1]。

目前当地的人口居住比较分散，依靠常规电网延伸的方式来解决电力供应很不现实，但是当地风能资源丰富日照充足，利用风能发电和太阳能光伏发电，组成“风光互补供电系统”，已经满足用户的基本电力需求。现在家用的供暖装置耗电量大、容易出现灼热感与烫伤问题，亟需一种制热节能、温度可控、移动方便的小型供暖设备。

本研究针对当地现有条件设计一种便携式供暖装置，采用恒温电加热方式，利用陶瓷片作为加热体，热效率可达95%以上，具有不发红光、不燃烧、升温快等特点，而且陶瓷发热体表面温度可以恒温控制，当温度过高或过低，可自动启停，避免了高温烫伤及干烧现象。该装置可有效满足人们对取暖的要求，节能环保，而且还提高了使用的舒适度。

1 整体结构设计

针对目前外界条件的限制及现有供热装置存在的问题，研究设计了一种新型便携式供暖装置。图1所示为供暖装置示意图，主要包括壳体支撑部分、产热输出部分和温控系统部分。壳体侧面经过镂空工艺处理，有利于风机的吸气，同时可以将有热量稳定输出，防止局部过热现象；产热输出部分为该供热装置加热的核心区域，通过PTC发热体进行产热，风机将产生的热量吹出；温控系统通过温度传感器的感应实现温度可控可调，达到理想的舒适效果。

1.1 壳体结构的模块化设计

壳体结构设计属于工业化设计的一种，设计过程中要充分体现出模块化设计理念，通过各部分之间的独立设计最终实现整体化设计，不仅可以降低生产成本，而且能够使产品外形更加人性化、简洁化、多样化[2]。本产品外壳设计为长方体结构，选用304不锈钢材质，表面经过研磨抛光处理，起到较好的支撑保护作用，表面采用激光进行镂空处理，增加了壳体空气流动性，提升了美观度；采用双层流道结构，使外壳整体温度不会过高，安全可靠；另外壳体的上下方设置横梁，增加壳体结构的整体强度，顶部配置有提手，携带方便。

图1 供暖装置示意图

1.2 产热结构设计与排布

陶瓷加热片是该产品的主要加热体，采用220 V交流电进行加热，加热时无明火，避免造成烫伤，图2所示为本产品内部结构，其功率设计为3 kW，选用4组加热体并排布置在壳体的中部，每组加热体的功率为0.75 kW，加热体两端使用耐高温的绝缘板，绝缘板固定在壳体两侧的面板上，绝缘板的材质为环氧树脂板，环氧树脂板可以在200 ℃以下稳定运行，在加热体的正下方设有2个轴流风机，风机功率21 W，转速为2600 r/min，风量为2.3 m3/min，上电时风机开始运转，风机可迅速将加热体产生的热量沿着图2中箭头方向送至出风口吹出，减少余热辐射的影响，根据温控系统的控制原理，在风机进风口设置的温度传感器监测环境温度，通过壳体面板上的温控显示器实时显示，加热功率随环境温度的降低而增大，升高而降低[3]，即使进风口被堵塞时加热体温度也不会超过200 ℃，不会出现过热现象。

图2 供热装置内部结构图

2 温控系统的设计

温控系统的主要功能是根据外界温度的变化对加热体进行实时调整[4]，它是整个供热装置设计的重点。为适应不同地区使用，本产品设置了2个供热挡位（如图3），用户可根据需要选择合适的挡位：零挡为停止按钮；一挡启动功率范围为0～1.5 kW；二挡启动功率范围为0～3 kW。启动时，轴流风机开始运转，此时开关拨动至一挡或者二挡，如果外界温度低于24 ℃时，4组加热体同时通电加热，温度慢慢上升，轴流风机将热量迅速吹出与外界冷空气进行交换，为监测进风口处的温度，在供热装置底部设有温度传感器，当外界温度加热到26 ℃时，风机进风口温度也达到26 ℃时，加热体停止加热，温度不再继续上升；当温度冷却再次低于设定的24 ℃，加热体重新被加热，使外界温度始终保持在24～26 ℃之间，此时的温度是最适合人体的舒适温度，达到了节能环保的目的。

图3 恒温控制系统图

3 加热体热态仿真分析

3.1 有限元模型

供热装置主要生热部分为加热体，外围壳体为次要因素，对热量影响不大，因此在分析时可以对模型进行简化[5]，简化后加热体模型如图4所示。

图4 加热体简化模型

3.2 材料参数

选择加热体作为分析对象，根据加热体的材料属性，设置加热体各材料参数：陶瓷加热片的比热容为850 J/(kg·℃)，导热系数为1.5 W/(m·K)。

3.3 载荷与约束

热量的传热方式有传导、对流、辐射等3种，在本研究中加热体的主要传热方式是对流[6-8]，传导与辐射影响较小，因此对加热体模型进行稳态热分析，施加温度载荷，施加在加热体表面，环境温度设为24 ℃。

3.4 网格划分

由于本研究对象是加热体几何形状相对规则，采用扫掠网格划分，划分后的网格如图5所示。

图5 加热体网格划分

3.5 仿真结果与分析

根据简化建立的供热装置加热体的有限元模型，利用ANSYS进行热态仿真分析，得到加热体温度场在热辐射下的温度分布，最高温度可达119 ℃，根据温度场的分布可以为加热体的结构改善提供一定的理论依据。

图6 加热体温度场分布

4 现场试验

在机械结构与温控系统设计完成后，需要对整个供热装置进行相关试验，主要检测防水等级、热效率、功率、挡位出风温度、温控范围等性能参数，试验结果如表1所示。

表1 试验结果记录

具体实施步骤如下：为检测产品是否能够适应恶劣环境，首先做了防水试验，设置水流量为10 L/min,试验时间为10 min，摆动120°，试验结束后检测有无积水，然后试验产品是否正常工作。

将产品放置于20～30 m2的房间内，房间配有220 V、50 Hz的交流电，被测房间内室温低于24 ℃，接通电源之后，启动挡位开关1，在产品正前方出风口处设置温度计，每隔1 min记录一次温度值，直至温度不再变化为止，此时的温度即为一挡下额定出风温度，测量此时电路中的电流值，计算产品的功率；然后拨动开关至二挡，同理，每隔1 min记录一次温度值，直至温度不再变化为止，此时的温度即为二挡下额定出风温度，测量此时电路中的电流值，计算产品的功率。

随着时间的推移，房间内的温度逐渐上升，当温控显示器26 ℃时，加热体停止工作，记录此时房间内的温度，观察房间内的温度是否控制在24～26 ℃之间。为提高产品的性能，使用噪声测试仪记录产品正常工作时的噪声，为后期产品优化提供数据指导。

5 结论

本文设计了一种便携式供暖装置，有效解决了高原取暖难、取暖灼热不适与高温烫伤的问题，与现有供暖装置相比，热量转化效率高，节能无污染，设备体积小，携带方便，温度可以根据用户自行设置，保持舒适温度运行。利用仿真完成加热部件温度场的模拟，可根据实际使用情况，继续优化供热装置，提高发热效率，可靠保证寒冷冬季的室内温度。