CN111594907A - 一种基于石蜡相变换热的新型取暖器 - Google Patents

一种基于石蜡相变换热的新型取暖器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，包括取暖器外壳、石蜡型储热介质、铜丝骨架、碳纤维发热丝、温控断路器、通电插口、热熔断器、电阻和加热指示灯。本发明在取暖器进行加热时，石蜡除了能吸收非相变阶段温度上升所需的显热外，还能吸收由石蜡融化时所需的潜热，储热量比水将有可观的提升，放热温度低，使热量主要集中在人体适宜的温度范围内释放，延长取暖时间，此外新型取暖器还有取暖温度可控、相比传统热水工质取暖器更安全、能量利用效率更高等优点。此外，本发明在取暖器上设置有标准C型USB接口，可支持固定电源和移动电源进行充电加热，便于户外携带时充电加热。

Description

一种基于石蜡相变换热的新型取暖器
技术领域
本发明属于强化传热领域，具体涉及一种基于石蜡相变换热的新型取暖器。
背景技术
暖手宝等取暖器是人们冬天广泛使用的一种便携式取暖工具。现有的取暖器中储热介质大多为水或者在水中加入少许添加物的混合物，为安全起见，水在加热后的最高温度一般为六七十度，冷水加热后所能储存的热量有限，从而限制了水的储放放热总量和取暖器的使用时间。若将取暖器中的水加热至更高温度，将影响使用的舒适度，长时间接触还会带来高温烫伤等问题。另外更高的温度会产生与环境更大的温差，势必会增大散热速度，降低使用时间，从而降低取暖器效率。目前市面上一种提高取暖器使用性能的措施是在取暖器橡胶外壳外包覆纺织物以降低取暖器散热速度，延长取暖器使用时间，但常规纺织材料的隔热保温能力有限，不能从根本上提高取暖器的储放热总量和热量利用效率。因此，有必要开发一些新的方法解决上述传统取暖器的储存热量少、安全舒适性低、放热时间短、热量利用率低等缺陷。
近年来，相变材料(phase change material，PCM)由于在储热放热方面的显著优势逐渐得到人们的广泛关注。石蜡作为一种典型的PCM具有相变潜热高、化学稳定性好、绝缘性好、无毒无腐蚀性、无过冷或相分离现象、熔化时蒸汽压力低、自成核以及价格较低等优点，目前已经被广泛应用于储能领域。石蜡在由固态融化成液态时将吸收并储存大量的热量即相变潜热，在由液态凝固成固态时又将这部分相变潜热释放出来。石蜡在相变蓄热放热过程中蓄放热量很大且其自身温度几乎保持不变，从而在放热过程中能在一段时间内维持一个相对适中的放热温度，这对于提高取暖器的储热放热总量、延长使用时间、提高热量利用率和对其进行温度调控非常有利。因此，利用相变蓄热技术设计一种能提高储热放热总量，延长使用时间，提高使用安全性和舒适性，以及温度可调的新型取暖器在节约能源和健康医疗等方面具有重要的应用价值。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种温升更小、放热量大、取暖时间长、安全便捷、支持固定电源加热与便携充电设备加热的基于石蜡相变换热的新型取暖器。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，包括取暖器外壳，设置在取暖器外壳内的石蜡型储热介质、铜丝骨架、碳纤维发热丝、温控断路器和电阻，以及设置在取暖器外壳侧壁上的通电插口；其中，表面裹有绝缘层的碳纤维发热丝穿插于铜丝骨架中，碳纤维发热丝的一端和电阻的一端与通电插口的一端连接，碳纤维发热丝的另一端和电阻的另一端与温控断路器的一端连接，温控断路器的另一端与通电插口的另一端连接；铜丝骨架、碳纤维发热丝和电阻均包裹在石蜡型储热介质中，且石蜡型储热介质的主要成分为石蜡。
本发明进一步的改进在于，还包括热熔断器，其连接在碳纤维发热丝的一端与热熔断器串联后和电阻的一端连接，且热熔断器包裹在石蜡型储热介质中，防止温控断路器失效，或供电电压过载时电路烧毁。
本发明进一步的改进在于，还包括加热指示灯，其设置在取暖器外壳侧壁上，电阻的另一端与加热指示灯串联后和温控断路器的一端连接。
本发明进一步的改进在于，使用温控断路器控制加热过程，通电加热时，当石蜡型储热介质温度超过设计温度点时，温控断路器使电路断开，碳纤维发热丝停止加热，同时加热指示灯熄灭；当石蜡型储热介质温度低于设计温度点时，温控断路器使电路接通，碳纤维发热丝正常工作，同时加热指示灯将亮起。
本发明进一步的改进在于，通电插口以标准C型USB(Universal Serial BusType-C，USB Type-C)接口为供电输入端，同时支持移动充电设备和220V交流固定电源供能。
本发明进一步的改进在于，铜丝骨架为蓬松网状结构，以提高蓄热介质的换热速率。
本发明进一步的改进在于，在石蜡型储热粉、石墨烯、膨胀石墨、不锈钢丝和碳纤维丝，用于加强传热，而且为保证石蜡型储热介质的介质中除石蜡外还可以加入其它导热性好的添加物；所述添加物可以是铜粉、铁粉、铝粉、硅相变储热能力，石蜡型储热介质中添加物的质量占比不宜超过10％。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明提供的基于石蜡相变换热的新型取暖器，相比传统取暖器，该新型取暖器的储热量提升，放热温度大大降低，从而延长取暖器的取暖时间并提升能源利用效率。在取暖器进行加热时石蜡除了能吸收非相变阶段温度上升所需要的显热外，还能吸收由固态石蜡融化成液态石蜡所需要的相变潜热，用熔点更可控且接近人体适宜温度的石蜡取代传统的以水及水为主体的混合物作为取暖器的储热介质，同时石蜡较高的相变潜热能够在更小的温升范围内存储更多的热量，既避免传统换热器加热温度过高，导致在高温工作段由于与环境温差较大热量流失较大，又延长了单次加热的使用时间。
以某型石蜡物性参数为参考，并设定水的液相密度为1000kg/m3，比热容为4200J/kg·K，温度范围为30℃至70℃，估算1kg水与1kg石蜡的蓄热量之比。
表1某型石蜡物性参数
Figure BDA0002462495250000031
Figure BDA0002462495250000041
Q石蜡＝CsρsV(Ts-T0)+γmρsV+ClρlV(Tdesign-Ts)
Q石蜡＝CρV(Tdesign-T0)
Figure BDA0002462495250000042
据估算可知1kg石蜡的蓄热量是1kg水的蓄热量的1.63倍，相对提升了63％，因此采用石蜡作为储热介质的取暖器的储热量相比传统取暖器会有可观的提升，从而延长取暖器的取暖时间。除此之外，不同种类的石蜡的相变温度范围在20℃至70℃，使用时可以根据需要选择合适的相变温度的石蜡型号，来调节取暖器的取暖温度；石蜡具有化学稳定性较好、绝缘性好、无毒无腐蚀性这些优点，相比热水工质来说更为安全；石蜡相变潜热在石蜡总蓄热量占了很大一部分，热量主要在相变过程中释放，相变过程中温度变化很小且适于取暖，从而延长取暖器的取暖时间，提高能量使用效率，并降低高温烫伤的风险。
进一步，为克服石蜡在固态时导热系数低而导致加热时局部温度过高的缺点，采用疏松多孔的铜丝骨架能够将碳纤维发热丝产生的热量快速传导到各个区域，实现整体均匀加热以改善加热效果。
进一步，采用精准可靠的温控断路器，保证加热温度达到指定温度点时断开电路，停止加热，冷却后又能接通电源继续加热。
进一步，采用标准USB Type-C接口可通过适配器连接固定电源使用，也可与常见移动充电设备连接，实现产品的便携性。
附图说明
图1中为本发明的简化结构示意图。
图2中为本发明的电路示意图。
附图标记说明：
1-取暖器外壳，2-石蜡型储热介质，3-铜丝骨架，4-碳纤维发热丝，5-温控断路器，6-通电插口，7-热熔断器，8-电阻，9-加热指示灯。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，包括取暖器外壳1，设置在取暖器外壳1内的石蜡型储热介质2、铜丝骨架3、碳纤维发热丝4，以及设置在取暖器外壳1侧壁上的温控断路器5、通电插口6、热熔断器7、电阻8和加热指示灯9，且侧壁上的温控断路器5、通电插口6、热熔断器7、电阻8和加热指示灯9都集成在一个塑料封装件上。
使用时，给取暖器的通电插口6连上Type-C转接线，Type-C转接线既可以直接接至移动电源，也可以通过电源适配器接至固定的220V交流电源。温控断路器5为一个常闭开关，在其探测的温度高于设定温度时断开，低于设定温度时又会重新闭合。温控断路器5串联在电路中，当接通电源时，加热指示灯9亮起，碳纤维发热丝4开始发热，并通过铜丝骨架3加强传热效果，固态石蜡型储热介质2逐渐变软后融化，融化后石蜡型储热介质2继续上升至指定温度后触发温控断路器5断开，加热指示灯9熄灭，碳纤维发热丝4停止发热，加热过程停止。将Type-C转接线从通电插口6上拔下，即可用取暖器进行取暖过程。取暖过程开始时石蜡型储热介质2温度逐渐降低，由液态逐渐过渡至将要凝固的状态，之后在凝固过程，释放充电时吸收的潜热，使温度维持一个比较稳定的区间内。刚凝固完的石蜡型储热介质2具有足够取暖的温度和较柔软的状态，待到固态石蜡温度逐渐降低并变硬，取暖效果逐渐减弱，取暖过程结束。在取暖过程中，石蜡型储热介质2温度逐渐下降，当温控断路器5探测的温度低于设定温度时又会重新闭合，为下一次的充电加热过程做准备。其中铜丝骨架3为蓬松网状结构，且铜丝骨架3的材料、规格和形状可根据实际需求进行选择调整。
如图2所示，本发明提供的一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，除了温控断路器5还设置了其它的安全保护装置。在控制模块中串联着一个热熔断器7，当取暖器连接的电源电压过高或电流过大时，热熔断器7熔断，电路断开，以免加热功率过高或电路短路而发生事故，从而起到保护取暖器的作用。此外，在电路中还设置了与碳纤维发热丝4并联的加热指示灯9，当石蜡型储热介质2继续上升至指定温度后，加热指示灯9熄灭，提醒使用者加热完成，应拔下充电插头。
取暖温度是可以调节的，可以根据需要选择合适的相变温度的石蜡作为储热介质，同时配以合适的温控断路器5和热熔断器7，通过控制相变温度来调节取暖器的取暖温度。石蜡型储热介质2中加强传热的手段也是可以选择的，除了选用本发明中的铜丝骨架3加强传热外，还可以在石蜡型储热介质2中添加铜粉、铁粉、铝粉、硅粉、石墨烯、膨胀石墨、不锈钢丝和碳纤维丝等手段以加强传热，克服石蜡处于固态加热时温度分布不均的问题，且在石蜡型储热介质2中添加物的质量占比不宜超过10％。取暖器的加热功率也可以根据不同的使用条件选择不同规格和长度的碳纤维发热丝来调节。

Claims (7)

1.一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，其特征在于，包括取暖器外壳(1)，设置在取暖器外壳(1)内的石蜡型储热介质(2)、铜丝骨架(3)、碳纤维发热丝(4)、温控断路器(5)和电阻(8)，以及设置在取暖器外壳(1)侧壁上的通电插口(6)；其中，表面裹有绝缘层的碳纤维发热丝(4)穿插于铜丝骨架(3)中，碳纤维发热丝(4)的一端和电阻(8)的一端与通电插口(6)的一端连接，碳纤维发热丝(4)的另一端和电阻(8)的另一端与温控断路器(5)的一端连接，温控断路器(5)的另一端与通电插口(6)的另一端连接；铜丝骨架(3)、碳纤维发热丝(4)和电阻(8)均包裹在石蜡型储热介质(2)中；且石蜡型储热介质(2)的主要成分为石蜡。
2.根据权利要求1所述的一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，其特征在于，还包括热熔断器(7)，其一端与和热熔断器(7)串联的碳纤维发热丝(4)连接，另一端与电阻(8)的一端连接，且热熔断器(7)包裹在石蜡型储热介质(2)中。
3.根据权利要求1所述的一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，其特征在于，还包括加热指示灯(9)，其设置在取暖器外壳(1)的侧壁上，电阻(8)的另一端与加热指示灯(9)串联后和温控断路器(5)的一端连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，其特征在于，使用温控断路器(5)控制加热过程，通电加热时，当石蜡型储热介质(2)温度超过设计温度点时，温控断路器(5)使电路断开，碳纤维发热丝(4)停止加热，同时加热指示灯(9)熄灭；当石蜡型储热介质(2)温度低于设计温度点时，温控断路器(5)使电路连通，碳纤维发热丝(4)正常工作，同时加热指示灯(9)将亮起。
5.根据权利要求1所述的一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，其特征在于，通电插口(6)以标准C型USB接口为供电输入端，同时支持移动充电设备和220V交流固定电源供能。
6.根据权利要求1所述的一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，其特征在于，铜丝骨架(3)为蓬松网状结构。
7.根据权利要求1所述的一种基于石蜡相变换热的新型取暖器，其特征在于，石蜡型储热介质(2)的成分除石蜡外还包括其它导热性好的添加物；其中添加物是铜粉、铁粉、铝粉、硅粉、石墨烯、膨胀石墨、不锈钢丝或碳纤维丝，用于加强传热，而且为保证石蜡型储热介质(2)的相变储热能力，石蜡型储热介质(2)中添加物的质量占比不超过10％。
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