基于蜂窝罩的平板型远红外电暖器的节能机理

颉未凤 刘文斌

（1、甘肃钢铁职业技术学院，甘肃 嘉峪关735100 2、甘肃省嘉峪关市科技局，甘肃 嘉峪关735100）

1 概述

电热板是一种加装电路的平板，通电后可以发热，通常用电热薄膜作为发热元件。它以电为能源,电热板为载荷。通电后,电热板发热，辐射远红外光，并向接触的空气散发热量。电热板的另一面必须紧贴保温材料，以减小背部散热，使红外光能量都朝向人体一侧。和传统的散热器采暖方式相比,电热板供暖系统加热均匀舒适，柔和不刺眼, 解决了传统供暖方式所带来的光污染、热启动慢等问题,更主要的是采暖效果好,节能。

2 远红外电热板的热辐射

理论上,热量传递有热传导、热对流和热辐射3 种方式，这三种方式一般情况下是同时存在的。根据国家标准GB8623-88的规定, 红外辐射转换效率大于50%的电暖气才能称为远红外辐射电暖气。目前国内出现的电热板辐射率高通常大于0.9,在100℃的工作温度下，可以达到红外辐射50%规定。

在家庭采暖中, 主要采用以加热空气为主的对流取暖或以远红外为主的辐射采暖。这两种采暖方式,发热体的温度直接影响到散热量的大小。

以对流散热采暖器散发的热量可以表示为:

式中:A、为对流传热系数系数;

tpj——散热器的平均温度,℃;

t——室内空气的温度,℃;

F——散热器的表面积,m2。

以远红外辐射为主的电热器所散发的热量可以表示为:[2]

式中:ε——电热板的发射率;σb——黑体辐射常数,

σ=5.67×10-8W(m2·K4);

F——平板散热器的表面积,m2。

T1——电热板工作温度,k;

T2——周围环境的温度,k。

辐射采暖散发的热量与电暖气温度的四次方呈正比, 而对流采暖中与电暖气与环境的温差成正比。高温条件下辐射相对占优势，而低温工作温度下对流占优势。远红外辐射电热板的发射率ε 一般在0.9 左右,在100℃的工作温度下，辐射采暖中远红外能量比例可以达到50%的转化率。

3 远红外电热板辐射能量的传播过程

电热板在工作状况发热时，所产生的远红外辐射透过空气，以光的速度传播到人体衣物或皮肤,大部分被人体吸收,少部分反射到人体之外的环境空间。辐射的传播可以不受空气阻碍,而是直接达到人体。空气的成分几乎不吸收远红外光的能量,因此辐射采暖的热启动很快，加热几秒钟就能感受到热量，而普通的热油汀采暖需要半个小时才能感受到室温上升。辐射与对流能的传播是直接与间接的区别；对流采暖首先要加热空气,使室内空气温度升高, 加热后的空气再通过与人体的对流接触减少人体在空气中的散热量。传统对流取暖方式需要将空气气温加热升高一定温度,散热器的能量主要在于加热屋顶，增加了向户外环境的散热能量,造成了热量的损失和浪费，因此对流采暖的能量利用效率不高,采暖升温过程也很缓慢。而远红外为主的辐射采暖,辐射远红外光到人体,对人体产生直接的加热效果。室内的空气可以不需要明显加热，因此室温比传统采暖方式温度低，向环境的热损失也要低于传统采暖，需要较小的电功率就可以维持，这是传统的对流散热所不能达到的。

4 现有远红外电热板的缺点

目前这种平板式远红外热辐射加热装置存在空气对流散热大的问题，即辐射板的热量通过热传导的形式传递给空气，引起空气对流散热。使得这一部分热量散失在空气中，不能转化为直接作用在人体等加热目标上的远红外辐射，从而降低了红外辐射装置将热能转化为远红外辐射的效率。空气对流也导致了室内灰尘上扬。

由于电热板材料性能的限制, 电热板的加热温度为50～70℃, 且不能超过85℃的材料极限温度。当电热板裸露在空气（20℃）中时，空气对流散热功率可以达到500W/m2，而红外辐射功率为340w/m2。红外辐射效率仅为40%，达不到国家标准50%的要求。

5 加装蜂窝罩方案

在电热板平面外5-30mm 处平行加装图2 所示的金属蜂窝罩，其内部结构如图1 所示，平板1，其上设置有蜂窝状通孔3，其中，平板1 包括第一表面和第二表面，通孔从第一表面延伸至第二表面；通孔3 的深度与其孔径的比值为1.5-6，例如2,3,4,5,6 等；平板1 设有至少一个固定件2，通过固定件，将板安装在平板型远红外辐射装置的辐射平板的辐射面的正前方。蜂窝罩可以将人与加热装置隔离，起到防烫伤的作用，抑制空气热对流，防止灰尘随热空气上扬。其中，具体制作过程中，所述平板边缘做平齐处理，金属可以采用多种金属，优选地，采用铝、铜或银，这三种金属相比其它金属，反射率高。上述通孔的形状可以采用三角形、四边形（正方形、长方形、菱形等）或者六边形等。同时封闭四周边框，可以有效抑制电热板附近的空气对流，从而达到减少对流散热的目的。结构图见图2。

图1 蜂窝罩内部结构示意图

图2 蜂窝罩结构示意图

图3 加装蜂窝罩的平板型远红外电暖器结构示意图

原理：蜂窝罩为空气对流带来阻力，从而抑制了空气对流散热。但由于蜂窝罩由红外反射率高的金属材料（铝、不锈钢、铜）制成，红外线可以像光纤中的激光一样多次反射而不衰减，从而产生透射的效果。电暖气产生的总热量等于红外辐射热量加空气对流散热热量。当空气对流散热减少时，电热板辐射的红外线能量就会提高。当工作温度80 摄氏度，红外发射系数0.9时，对流散热可以减少到250W/m2，而红外辐射功率可以达到350w/m2。红外辐射率为58%，使红外辐射率达到国家标准的50%以上。

6 结论

电热板采暖较传统的散热器形式采暖节能是缘于它们传热机理不同，电热板的辐射方式要热于传统暖气的对流散热方式。为电热板加装金属蜂窝罩装置能够明显抑制电热板接触的空气对流散热，却不阻碍电热板红外辐射，从而达到提高红外辐射效率的目的。