超导电暖器

定义

超导电暖器指以电为热源、把电热元件与真空超导传热腔体结合成一体的散热式取暖器具。它与充水暖气片的外形相近,区别在于腔体内不充水,而是注入少量特制导热介质,并把内腔抽成负压后密封。常见的结构由下横管、上横管和若干纵向散热管连通而成,加热装置置于下横管内,通电后管内介质受热汽化上行,在散热管表面冷凝放热^[2]。

同类的取暖设备按热源可分为水暖型与电暖型两类:前者接热水炉或集中供热管网,后者内置电热元件,超导电暖器属于后者。按内腔封装工艺,又可分为需要真空泵抽真空后密封的真空型和利用热排法自行形成负压的免抽真空型。

需要说明的是,产品名称中的「超导」属于行业沿用的商品用语。物理学意义上的超导要求在极低温度等特定条件下才出现,而商用「超导液」实际是导热能力较强的液体工质,两者并不相同。

原理

超导电暖器沿用热管的相变传热思路。封闭腔体抽成负压后,介质沸点随之下降,受热到约30至35摄氏度就开始汽化;蒸汽携带潜热向上流动,接触到温度较低的散热管壁后放热并凝结成液体,液体沿内壁在重力作用下回流至加热段,再次被加热汽化,由此形成连续循环。由于热量主要靠汽化潜热搬运,而非靠金属或水的显热传导,散热片的等温性较好,表面温度分布相对均匀^[3]。

若以热流量描述,热管轴向传热能力可写成 $Q = \dot{m} \, h_{fg}$,其中 $\dot{m}$ 为工质的循环质量流率,$h_{fg}$ 为汽化潜热;潜热越大,同样流率下搬运的热量越多。相关文献给出的介质汽化潜热可达水的1.5倍以上,而腔体在负压状态下工作,故起动快、噪声小。

flowchart LR

A[电热元件通电] --> B[加热段介质吸热汽化]

B --> C[蒸汽沿腔体上行至散热管]

C --> D[壁面向室内放热、蒸汽冷凝]

D --> E[凝液在重力作用下回流]

E --> B

D --> F[自然对流与辐射散热]

热超导介质的适用温区较宽,公开资料称可在数十摄氏度至千摄氏度范围内工作,且不依赖水的循环泵,结构上没有运动部件^[3]。电暖器产品通常还配有温控器与温度传感器,达到设定温度后自动断电,温度低于设定值一定幅度时重新接通,以控制耗电^[2]。

发展历程

热管技术起源于20世纪60年代的航天热控需求,此后逐步向民用换热领域扩散^[3]。国内把这一思路移植到采暖器具上的尝试出现较早,1992年即有以超导管、电阻线和散热片组成的超导电暖器实用新型专利申请,该申请于1993年获得授权,1994年专利权终止^[4]。

2006年至2008年间,多项改进型结构相继申请专利,例如在导热管直管段加装放射状散热鳍与上下导流罩的设计,以及在电加热管外套翅片套管、以降低运行噪声的速热静音方案^[5][6]。2010年,一种以陶瓷加热板配合真空管的电暖结构被提出申请,把加热元件由金属电热管改为PTC陶瓷^[7]。

2020年,含上下横管与多根散热管、并配温控器和温度传感器的智能超导电暖器结构获得实用新型授权^[2]。

应用

这类设备主要用于住宅房间、办公室、宾馆客房等室内空间的间歇取暖。因不充水、不怕冻裂,在无集中供热或需要分室独立控温的场合较为适用;部分型号支持壁挂或落地安装,便于在既有房间内补充布置。

在农业与养殖场景中,同类设备被用于禽舍、畜舍和大棚的增温,以维持作物与畜禽所需的温度环境^[7]。相关技术也被用于工业余热回收、烘干等场合,但那些应用多为换热装置而非家用电暖器。

行业资料给出的额定功率参考值约为每平方米50至60瓦,明显低于传统电暖器常见的每平方米100瓦左右,其依据是同功率下散热片表面温度更高。

局限

产品的散热能力最终受电功率与散热面积约束。介质相变只影响腔体内部的热量输送,并不能凭空增加热量输出,因此厂商标称的节电幅度存在较大差异,不同型号的输入功率从一两百瓦到上千瓦不等^[7]。封闭腔体的温度不会超过热源侧温度,这一物理限制同样适用于该结构^[8]。

密封工艺是决定寿命的关键。内腔一旦微量泄漏,负压状态被破坏,相变循环即告中断,整机失去供暖功能;介质挥发后还会出现起动温度升高、上下受热不均等现象^[9]。此外,部分真空间超导产品采用浸在液体介质中的金属电热管为发热体,水电分离不彻底,是结构设计上需要关注的问题^[10]。

运行中还可能出现「响边」噪声与气阻。液态介质升温至35摄氏度以上时,腔内会发出类似水壶烧水的声响;若局部蒸汽无法及时冷凝回流,相应部位会形成温度死角,表现为机体局部不热^[10]。安装姿态也有影响,热管在水平放置时传热效果较差^[11]。

需要区分的是,同名的水暖型超导散热器对热源进水温度有要求,在进水温度偏低的集中供热系统中可能无法正常起动,这类限制虽不针对电暖型产品,却常被视为该技术路线共有的短板。

参见

• 热管 —— 超导电暖器腔内相变循环所依据的传热元件与技术基础。

• 温控器 —— 与超导电暖器配套、实现自动通断与温度设定的控制部件。

• 相变 —— 介质在液态与气态之间转换并借此输送热量的物理过程。

• 电暖器 —— 超导电暖器所属的电器类别。