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电热服加热功率与内外层服装热阻的关系是怎么样的?

摘 要:基于传热学原理,推导电源加热功率与面料热阻的关系模型,并通过实验对理论模型进行验证。通过分析模型得出:在面料总热阻不变的条件下,当紧贴平板保温仪热板的面料热阻增大时,电热层供热量随之增大;同理,当电热层上层面料热阻增大时,电热层供热量随之减小,且减小趋势明显。即在人体穿衣数量一定的情况下,电加热服越靠近人体皮肤,其加热效率越高,电加热服起到的保暖效果越好。

关键词:电加热服;加热功率;面料热阻;关系模型;加热效率


电热服加热功率封面.jpg


电加热服是将电源、控温装置、安全保护装置、发热元件等通过导线连接组成电路,利用电源控制服装内部的电热元件产生热量的一类服装的总称。组成电加热服的各要素中,电源的发热元件是关键要素,它的设置将直接影响电加热服的安全性和使用效果。

本文旨在通过建立电源加热功率与面料热阻的数学模型,量化供热过程,进而以理论指导电源供热,为实际生产提供理论依据,为提高电加热服的舒适性和穿着适用性提供科学指导。


发热夹克智能化.jpg

1.理论模型

通过建立面料传热模型研究人体所穿服装热阻一定的情况下,电加热服内外层服装热阻与电源供热量的关系。


1.1传热原理

在实际生活中,人们所穿的服装在大多数情况下是多层的。多层服装的传热过程很复杂,受很多因素的影响。假设多层服装彼此相互贴紧,内层服装紧贴人体皮肤,衣下空气与周围环境没有直接的热交换,这时多层服装的传热主要是服装材料本身的热传导。根据传热学原理,在稳定传热状态下,通过各层服装的热流量相等,并与人体皮肤表面通过各层服装向环境散失的干热量相等。


1.2模型建立

在实际电加热服穿着过程中,人体会在电加热服内外层穿有其他服装(例如内层可能穿背心等服装,外层可能穿外套等服装),把这种状态简化为平板保温仪热板通过面料向环境散热。在面料层问加入电热层。假设靠近平板保温仪热板的面料热阻为R1,另外一层面料的热阻为R2,双层面料间加入电热层后,其传导传热模型见图1。


电热服图1.png


该模型模拟的是人在穿电加热服过程中,电加热服内外层都穿着服装的情况。根据人体舒适性原理,人在舒适状态下,皮肤温度基本稳定在33℃,穿上电加热服后,即使电源给人体提供一定的热量,人体与所穿服装以及外界环境的传导传热过程始终是人体向服装及环境散热,散热过程的温度始终呈现由高到低的走向,人体为保持舒适状态,电加热服的温度不应高于人体的皮肤温度,又根据传热原理得紧贴平板保温仪热板的面料。


2.实验部分

2.1实验仪器及材料

仪器:PBBY一2型智能织物平板保温仪(北京*有限公司制造),S一350单路输出开关电源(上海*集团制造)。

材料:针织3层保暖面料(热阻为0.038 9(℃·m2)/W,面积为(0.35×0.35)m2,定义为面料

a)电加热层(总面积为(0.35×0.35)m2,电热层有效面积为(0.25×0.25)m2,定义为面料b)。


2.2实验方法

利用PBBY一2型智能织物平板保温仪测试不同面料层在不同面料组合状态下传热稳定后的平板保温仪加热功率。测试的面料组合包括单层(a),单层(b),双层(a+b),3层(a+a+b),4层(a+a+a+b),5层(a+a+a+a+b),6层(a+a+a+a+a+b),7层(a+a+a+a+a+a+b)等。而每种组合中,面料b的位置也是不同的,例如5层面料时,定义面料b放在最上层为5层(1下),第2层为5层(2下),…,最下层为5层(5下),其他组合同理。


发热服市场分析2021(工厂2).jpg


3.结果与讨论

3.1 平板保温仪的加热功率及理论计算功率值

面料和空气层热阻见表1。5层和7层面料的平板保温仪传热稳定后的加热功率计算值见表2。根据式(6)及公式q=GAs(Q表示外加电源加热功率,A.代表平板保温仪通过面料的有效面积,为0.062 5 m2),带人不同层状态时的热阻值(通过表1数据求得)、平板保温仪加热功率值及温度值。



电热服加热功率2.png


3.2模型验证

实验过程中加热层面料b加热的实际功率为1.137 5 w。表2中功率值都在1.148 2~1.250 5 W范围内。引起偏差的原因可能是测试过程中不同层的差异、叠加的状态、边缘效应等。对表2中所有电源加热功率值q取平均值,得出带入理论模型的电源加热功率值q=1.191 5 W,实验过程中电源加热的实际功率为1.137 5 W,误差为5.4%。因此实验数据与理论模型计算结果是相符的,理论模型可以应用到电加热类面料或者服装的开发中。


电热服功率3.png


从图2可以看出,G随着R1,的增大而增大。说明在人体所穿衣服热阻一定的情况下,保持舒适状态时,电加热服穿着离人体皮肤越远,需要电加热服供热越多。从图3可以看出,G随着R2的增大而减小,且减小趋势明显。说明在人体所穿衣服热阻一定的情况下。保持舒适状态时,电加热服外层所穿衣服越多,需要电加热服供热越小。

综上可得出,紧贴平板保温仪热板的面料热阻R1,电热层上层面料热阻R2,电热层的供热量G三者存在一定的关系,即在人体所穿衣服热阻一定的情况下,电加热服越靠近人体皮肤。加热效率越高,发挥的作用越明显,电加热服起到的保暖效果越好。


4.结 论

研究电源加热功率与多层面料热阻的关系。

1)通过实验对理论模型进行验证,得出模型电加热服加热功率4.png,此公式可用于研究电源加热功率与多层面料热阻的关系。

2)面料总热阻不变,紧贴平板保温仪热板的面料热阻R。增大时,电热层供热量G随之增大。面料总热阻不变,电热层上层面料热阻尺:增大时,电热层供热量G随之减小,且减小趋势明显。

3)在人体穿衣数量一定的情况下,电加热服越靠近人体皮肤,加热效率越高,电加热服起到的保暖效果越好。



(本文摘自论文,内容有删减)

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