CN111623406A - 一种严寒环境户外可携带相变蓄热供暖装置 - Google Patents
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Abstract
一种严寒环境户外可携带相变蓄热供暖装置涉及相变储能技术领域，其特征在于：包括容器、注液口、注液口密封盖和固‑液相变材料；固‑液相变材料由注液口注入后密封在容器中。将固体状态时的固‑液相变材料注入容器中后，拧紧注液口密封盖对其密封；将密封后的相变板放入蓄热水箱中进行蓄热；蓄热水浴温度控制在65～70℃，蓄热6‑7小时。使用时，将蓄热完毕的可携带相变蓄热供暖装置放置于户外坐席或站席下方的安装槽，可携带相变蓄热供暖装置通过与人体直接接触，以导热方式向人体臀部或脚部释放热量，持续供暖；放热结束后，将放热完毕的相变蓄热供暖装置回收，放入蓄热的水浴中再次进行蓄热。
Description
技术领域
本发明涉及相变储能技术领域，具体涉及一种在严寒环境可携带的户外局部供暖装置。
背景技术
近年来，随着冰雪运动在我国的掀起，为严寒环境户外观赛人员、执勤民警、保安人员、工作人员等提供必要的局部供暖装置，具有非常重要的意义。
根据美国供暖、制冷与空调工程师协会(ASHRAE)相关标中关于评价人体主观热感觉的11点尺度量化指标，可将人体对热感觉的主观感受分为极冷(-5)、很冷(-4)、冷(-3)、凉(-2)、微凉(-1)、中性(0)、微暖(+1)、暖(+2)、热(+3)、很热(+4)、极热(+5)。研究团队大量试验研究结果表明(图1)：1)在低于-14℃的严寒环境条件下，人们即使穿着了耐寒性比较服装，但最终因手指、脚趾远离核心区，手指和脚趾温度迅速下降至低温，这样的低温很难让人在严寒露天环境条件下以坐姿或站姿持续停留1个小时；2)在低于-14℃的严寒环境条件下，即使解决了手部保暖问题，但仍然会因为人员脚趾皮肤温度低于17℃，无法以静坐或站立姿势持续停留1个小时。因此，在严寒环境条件下，为了延长户外人员持续停留时间，为户外人员提供有效且简单易行的局部供暖措施、特别是脚部的供暖措施，是至为关键的影响因素。
固-液相变材料具有储能密度大、蓄放热过程近似恒温且体积变化小、过程易控制等优点；较显热蓄热材料，放热温度稳定、占用空间体积小，得到各国科学家的广泛重视。
发明内容
本发明旨在提出一种在严寒环境条件下，户外可携带的局部(包括手部、脚部、臀部等)供暖的新型相变蓄热装置。
本发明的关键技术是，研发了一种可携带相变蓄热供暖装置(图2)，由板状容器1、注液口2、注液口密封盖3、固-液相变材料4构成。
所述板状容器1，采用的是HEPE(聚乙烯塑料)材料，容器基本几何尺寸为300～350mm(长)x250～300mm(宽)x20～30mm(高)。
所述固-液相变材料4，采用的是结晶水合盐类混合物，相变温度为43-54℃、相变潜热量为170～220kJ/kg、密度为1200～1280kg/m3。
将固体状态时的相变材料4注入1中后，拧紧注液口密封盖3对其密封；将密封后的相变板放入蓄热水箱中进行蓄热；蓄热水浴温度控制在65～70℃，蓄热6小时左右。可采用夜间低谷电或清洁能源对蓄热水箱的热媒水进行加热。
本发明的工作过程如下：使用时，将蓄热完毕的可携带相变蓄热供暖装置放置于户外坐席(或站席)下方的安装槽5内(图3)，可携带相变蓄热供暖装置通过与人体直接接触，以导热方式向人体臀部或脚部释放热量，可持续1.5-2小时近似等温的局部供暖；放热结束后，将放热完毕的相变蓄热供暖装置回收，放入蓄热的水浴中再次进行蓄热。
所述安装槽5四周及下方采用厚度导热系数λ＝0.03～0.05W/(m·℃)、厚度约为50mm～80mm保温材料板；安装槽内径尺寸可按2个可携带相变蓄热供暖装置上下叠放(坐席)或并排放置(站席)的尺寸设计。
可携带相变蓄热供暖装置内配置相变材料用量，根据式(1)～式(3)计算。
PPCM×t＝m×hPCM (2)
Hu,max＝hFuΔT (3)
式中，PPCM——可携带相变蓄热供暖装置供热功率，W；
——供暖装置平板表面平均散热功率，W；Hu,max——供暖装置平板与空气接触表面最大散热量，W；t为持续供暖时间，s；m为相变材料质量，kg；hPCM—为相变材料的焓(2.2×105J/kg)，J/kg；h为综合换热系数，h＝9.0-9.7W/(m2·℃)；Fu供暖装置平板表面与空气接触表面积(即与人体脚部直接接触以外的供暖装置表面积)，m2，站立时取值范围0.099～0.108m2；ΔT为相变材料温度与周围环境空气温度差值，℃。
该装置具有携带方便、持续供暖时间长、蓄热简便、蓄放热效率高、循环使用次数超过1000次、价格低廉、应用范围广等特点。
附图说明
图1a手指的皮肤温度与局部热感觉
图1b脚趾的皮肤温度与局部热感觉
图2a可携带相变蓄热供暖装置俯视图
图2b可携带相变蓄热供暖装置主视图
图3a坐席可携带相变蓄热供暖装置安装示意图
图3b站席可携带相变蓄热供暖装置安装示意图
1-板状容器，2-注液口，3-注液口密封盖，4-固-液相变材料，5-安装槽
具体实施方式
以崇礼赛区为例，室外温度-14℃～-16℃为例，该环境下脚部散热功率为33W，人体足底面积为0.052m2(一个标准成年男子)，则供暖装置非接触表面积Fu取值为0.103m2综合换热系数此时按照无风考虑则应为9.7W/(m2·℃)，则计算此时Hu,max＝69,此时可携带相变蓄热装置的供暖功率PPCM为102W；为满足冬奥会观赛时长，考虑持续供暖时间为90min并考虑30min富余量，则相变材料供暖总时长为120min则持续供暖时间t取120min，则共需要相变材料质量为3.4kg。
崇礼赛区在站席安装槽内并列放置2个注入了相变材料4约1.7kg/个的可携带相变蓄热供暖装置，可为脚部持续90min提供供热功率为36W～40W的供热量，以维持脚部皮肤温度在22℃以上，为户外人员提供了较好的抵御寒冷保暖措施。
Claims (7)
1.一种严寒环境户外可携带相变蓄热供暖装置，其特征在于：包括容器、注液口、注液口密封盖和固-液相变材料；固-液相变材料由注液口注入后密封在容器中。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：
容器采用的是聚乙烯塑料材料，容器内几何尺寸为300～350mm(长)x250～300mm(宽)x20～30mm(高)。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于：
所述固-液相变材料采用的是结晶水合盐类混合物，相变温度为43-54℃、相变潜热量为170～220kJ/kg、密度为1200～1280kg/m3。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于：可携带相变蓄热供暖装置内配置相变材料用量，根据式(1)～式(3)计算；
PPCM×t＝m×hPCM (2)
Hu，max＝hFuΔT (3)
式中，PPCM——可携带相变蓄热供暖装置供热功率，W；
——供暖供暖装置平板表面平均散热功率，W；Hu，max——供暖装置平板与空气接触表面最大散热量，W；t为持续供暖时间，s；m为相变材料质量，kg；hPCM-为相变材料的焓，J/kg；h为综合换热系数，h＝9.0-9.7W/(m2·℃)；Fu供暖装置平板表面与空气接触表面积，m2，站立时取值范围0.099～0.108m2；ΔT为相变材料温度与周围环境空气温度差值，℃。
5.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于：
将固体状态时的固-液相变材料注入容器中后，拧紧注液口密封盖对其密封；将密封后的相变板放入蓄热水箱中进行蓄热；蓄热水浴温度控制在65～70℃，蓄热6-7小时。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
使用时，将蓄热完毕的可携带相变蓄热供暖装置放置于户外坐席或站席下方的安装槽，可携带相变蓄热供暖装置通过与人体直接接触，以导热方式向人体臀部或脚部释放热量，持续供暖；放热结束后，将放热完毕的相变蓄热供暖装置回收，放入蓄热的水浴中再次进行蓄热。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：
所述安装槽四周及下方采用厚度导热系数λ＝0.03～0.05W/(m·℃)、厚度为50mm～80mm保温材料板；安装槽内径尺寸按2个可携带相变蓄热供暖装置上下叠放或并排放置的尺寸设计。
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