郭廷玮CPC蒸饭器(开水器)的研制

1、CPC蒸饭器(开水器)的研制郭廷玮，寿 健，陆高林，高纪庆，高纪凡（天合光能有限公司新能源研究院，213022）摘要本文介绍了CPC太阳能蒸饭器（开水器）各主要构成部件的设计、优化及制造工艺，并对整个蒸饭器系统的传热、工质流动阻力进行了详细的计算和分析，最后给出了设计与实验结果的比较，得出了一些对CPC聚光集热器设计和应用十分有用的结论。关键词：CPC太阳能蒸饭器、传热、工质流动阻力、CPC聚光集热器。前言12千瓦CPC太阳能蒸饭器（开水器）已于2004年8月在常州天合光能新能源研究院研制成功。在太阳辐照条件下，一天67小时可蒸两次米饭（馒头），每次50kg，供200人食用，并还可烧开水400

2、600kg，耗电仅为35度，为广大缺电或无电地区（可采用小型发电机供电）提供了一种理想的炊事用具。以前，国内一些厂家和科研机构，对于太阳能炊具的研制仅限于像太阳灶一类一体式结构，功率小，操作不便，尤其是在太阳辐射较强的条件下室外使用简直成了一件非常艰苦的事情，虽有一些大专院校，科研机构提出用CPC聚光集热器作为中温热源来蒸饭，烧开水的设想，并做过类似模型实验的尝试，但由于聚光集热器的反射面多采用贴膜方式或者一些简易的薄膜，耐候性差、使用寿命短，成本高，用户难以接受。天合新能源研究院总结国内外在CPC聚光集热器研制方面的经验教训，采用表面陶瓷处理技术研制成功高反射率（8090），长寿命CPC聚光

3、集热器的反射面，为CPC聚光集热器的广泛应用开辟了一条新的道路。一、CPC蒸饭器的聚光集热器CPC是英文Compound parabolic concentrator的缩写，意思是复合抛物面聚光集热器，它是聚光集热器中唯一的不需要连续跟踪太阳的一种高效聚光集热器，一年中只需24次调整聚光器的倾角，就可以获得最大的集光比。长期以来，国内外科学家和工程技术人员已对CPC聚光器的光学设计进行了大量的研究，提出了许多设想，并逐渐趋于一种共识，这就是，对圆柱型吸热器而言，选用圆的渐开线外接抛物线，形成一种复合抛物面聚光器。根据渐开线的特性，渐开线上任一点的法线一定是基圆的切线，这就是说，凡射入渐开线构成

4、的反射面内的光线，除直接照射到吸热管上的一部分外，其余光线都被反射面全部反射到吸热面的两侧或底面上；同样，抛物面的特点，也保证了在一定的角度内（采光半角）入射到抛物面反射器上的所有光线全部反射到吸热管上（焦线）。因此这种复合抛物面聚光集热器具有最高的集光能力。由于它有较大的接收角，故在运行时不需要连续跟踪太阳，只需根据接收角的大小和收集阳光的小时数，每年定期调整倾角若干次(24次)就可以有效的工作，其集光比可达10。位于复合抛物面聚光器焦线上的吸热管采用全玻璃真空管，管内插带有圆形铜质翅片的U型管。众所周知，全玻璃真空管由双层玻璃管构成，其内外玻璃管夹层为真空，其真空度可达，内层玻璃管表面有耐

5、高温、抗高寒、不氧化、不老化、不脱膜、不衰减的选择性吸收膜。优质的全玻璃真空管保证了由直射和反射面反射到达全玻璃真空管的太阳光绝大部分为内层玻璃管表面吸收，再将热能传导给与其紧贴的铜翅片及U型管，为U型管内的传热介质所吸收。由于双层玻璃管之间的高真空，消除了内层玻璃管对外的对流损失，所以可以认为全玻璃真空管是最理想的CPC聚光集热器的吸热管。二、CPC聚光集热器的设计（1） 复合抛物面的型线设计如前所述，CPC聚光集热器的型线选用吸热管的渐开线外接抛物线，吸热管选用耐高温的全玻璃真空管，其结构如右图1所示：其集光比： (1)式中：开口面积吸热体表面积于是： （2）式中，开口宽的一半吸热体半径集

6、光比C反映集热器使能量集中的可能程度，是聚焦型集热器的特征系数。在吸热体与反射板交线之间留些空间是为了调节玻璃管在安装或对准玻璃管中心时产生的偏差。根据文献1，图2表示集光比与接收器工作温度之间的关系，从图看出，要求集热器的供热温度越高，就需要更大的集光比。图中集热器效率为40%60%的区域是良好的工作范围。文献2提供了如图3所示的与C的关系及与采光半角的关系。显然， 代表材料的消耗，比值越大，材料消耗越大，从图看出，较小的采光半角对应着较大的材料消耗和较大的集光比，从经济性考虑，应当尽可能选较大的采光半角，我们详细计算了（吸热体半径选定为23.5mm时）的集光比和值，综合考虑采光半角（与年调

7、节角度次数有关），集光比和之比，发现选用，CR2.48,截短66.6，即高度与光孔宽度之比减小66.6，只引起集光比降低23。因此，我们的复合抛物面确定为，高度取H320.87mm，W182.97mm，L1700mm，U型吸热管，间隙11.5mm。 其集光比： 反射面积与光孔面积比：反射面积：（3）式中， 构成CPC曲线的渐开线长构成CPC曲线的抛物线长代入具体数值，有（2） 反射面的工艺设计R.Almanza等3对铝前表面进行了许多研究，包括铝膜的厚度，均匀性，沉积速度；保护膜的材料，沉积方式，厚度，均匀性及沉积速度等，并对不同条件下制成的反射膜进行长时间的老化实验研究。P.Nostell等

8、人6对真空蒸镀铝膜反射镜的老化实验长达67年之久。T.Fend等5对铝前表面镜进行了室外加速曝晒实验和实验室加速老化实验。根据国外的经验和国内现有的设备，我们选用了一条比较可靠的反射面制造工艺路线。基材选用23mm纯铝板，冲压成型，抛光，氧化，镀高纯铝（99.99）膜，厚度适当且均匀，沉积速度适当，再镀一层陶瓷保护膜，厚度适当，沉积速度适当；消除应力处理之后，最后再涂一层有机保护膜，这层膜对太阳光有非常高的透过性，在紫外线辐射下又非常稳定，与陶瓷层又结合的非常好，对反射率的影响几乎可以忽略不计。我们把它叫做涂层，经过上述工艺路线制成的反射镜面，我们把它叫做表面陶瓷处理镜面。这种镜面具有如下4方

9、面特点：1） 高反射。镜面反射高达8085以上。2） 耐腐蚀。表面陶瓷镜面耐蚀性大大提高，一般可使用1520年；3） 防灰尘。表面陶瓷处理技术，使得反射表面呈很高的绝缘性能。在高温下也能保持稳定的介电性能，不易粘灰尘，清洗非常容易。4） 低衰减。陶瓷保护膜及涂层具有透红外和可见光的特性，化学稳定性好，抗紫外线，保持了反射镜面高反射性能的长期稳定。三、CPC蒸饭器（开水器）的蒸箱设计（1） 蒸箱换热器设计的基本构想与传热分析蒸箱设计的关键在选择设计一个理想的换热器，用它高效加热水并产生蒸汽，再用蒸汽蒸饭或蒸煮其他食品。这种换热器也叫蒸汽发生器，显然，传热介质应当走管内，水在管外比较合理。我们设计

10、如图4所示蒸饭箱。蒸饭箱的上部是食品盒，下部为蒸汽发生器。在任何换热器的分析中，一个最重要的任务是确定总传热系数。对于流体用管壁隔开（如图5所示）的换热器而言，总传热系数的公式为： （4）考虑到实际应用中存在着污垢产生的污垢系数。式（4）变为：（5）式中，管侧传热介质的换热系数 管内侧污垢系数管内径 管外侧污垢系数管外径 管外侧水的核沸腾换热系数管壁材料的导热系数从式（5）看出，要使总传热系数增大，只能增大和。其他系数都是固定的，即使可选择，但也影响不大。这就是说，要增大总传热系数，就要增加油在管内对流换热系数，增加管外的沸腾换热系数。而本来就比较大，因此，式（5）的关键在于增加，即增大管内油

11、的对流换热系数。要增大管内侧油的对流换热系数有几种方法，其一是增大内侧油的流速，但增大流速又会增加流阻，系统功耗增加，因此，过分增加管内侧油流速的方法不可取；第二，扩大内侧表面积，如拉槽或挤压形成内翅片，这样做传热系数和传热面积增加了，但换热器成本大大增加；第三种方法就是选螺旋管式或者缠绕管式，相比直管而言，传热系数大。我们决定选用螺旋管式换热器，它的特点是传热系数大，结构紧凑，易于清洗，污垢热阻小，容易维修等，同时，因为传热管呈蛇型管状，具有弹簧作用，没有应力造成的破坏。适用于高粘流体的加热和冷却。（2） 螺旋盘管换热器的传热计算图6 是螺旋盘管换热器的外形实物照片。图7换热器平面图。螺旋盘

12、管的型线为阿基米德螺旋线。选盘管，每根长，共12盘，管与管间距4mm，螺旋管心间距令螺旋的最大直径由下式确定（6）代入，有平均直径由下式确定代入具体数值，1） 管侧传热系数的确定依托6提出，作为在螺旋经一定的盘管中流动的流体从层流向湍流过渡的临界雷诺数由下式确定：（7） 式中， 管内径；螺旋径，在这里为平均值。代入具体数值，有适用选择库贝尔等人膜传热系数公式7 （8）式中，比热 管内流量 管长，米管内流体导热系数，对本问题，选传热工质为WD300导热油，流量为，代入具体数值：2） 壳侧换热系数的确定壳侧为浸没在水中的外表面的沸腾换。采用雅各布和霍金斯对一个大气压下，浸没在水中的外表面的沸腾公式

13、8（并考虑了压力影响）。 （9） （10）压力P下的换热系数在大气压下的换热系数系统压力标准大气压表面与饱和水的温差，这里取，则：3） 污垢系数油侧，水侧4） 总传热系数在式（5）中代入具体数值，有5） 对数平均温差管内侧流体由螺旋热管中心进入，由螺旋盘管最外侧流出，壳侧为沸腾换热，严格讲，不是逆流流动。而实用上，可以当作逆流流动处理。利用下式计算对数平均温差。 （11）式中， 热流体进口温度热流体出口温度冷流体进口温度冷流体出口温度设 代入上式，有6） 换热量 （12）（3） 螺旋盘管换热器的流阻计算 1）螺旋盘管流阻如前所述，螺旋管用铜管为，而于是，选用如下Shaukat公式9计算流体压力

14、损失（）； （13）式中，管内流动的摩擦损失，螺旋的最大半径，m螺旋的最小半径，m雷诺数管内质量流速，粘度重力换算系数，代入具体数值：（水柱）2）盘管出入口压力损失盘管出入口的压力损失由下式确定： （14）代入具体数值，管内侧总压力损失：这一数值与实测值水柱非常近似。四、CPC蒸饭器的系统设计CPC蒸饭器的系统由两大部分组成，一是集热器，二是蒸饭器，如图8所示，集热器选用复合抛物面聚光集热器，东西放置，每排8个，共5排，40个集热器，组成一个集热器阵列，每个集热器开口面积为，40个共计，蒸饭箱结构如图5所示，其上部有蒸盘10个，可蒸50公斤米饭，供200人食用。为了节约能源，降低能耗，蒸箱系统

15、采用自动控制（设有手动控制），当系统最高处测温探头测得温度时，控制器指令工质循环泵开启，工质油开始循环，由于循环前油箱内及蒸饭器内的油温比较低，温度传感器在运行开始后测得的油温可能，油泵停止循环；当太阳辐射再次将管道系统加热到时，油泵重新启动，直到系统油温高于后，循环泵连续运行，当系统油温时，控制器铃响，表示可以放入可蒸食品，如米、馒头等，食品放好后，关好蒸箱门，系统进入蒸饭状态，控制器根据食品的种类，设定在不同位置，当食品蒸熟时控制器铃响，这时通过手动将系统切换到开水系统。开水器由两部分组成：开水箱和储水箱，之间用管道相连，装有自动控制器，当开水箱中的水温达到设定温度时，开水阀自动打开，开水

16、流入储水箱；当水温等于时，开水阀自动关闭，开水箱又处于加热过程中。为防止空晒造成系统油温过高引起不应有的破坏，系统设有超温保护装置，在不蒸饭时，系统一般都切换到开水系统，当系统最高处油温时，控制器指令循环泵开启，开水系统正常运行，当储水箱储满时，自动关闭，这时，开水箱由于装有排气和自动补水器，多余热量将使水变成蒸汽并由排气管排出，再由自动补水器补给冷水。通过将冷水变为蒸汽，将多余的热量带走。五、设计与实验结果的比较（1） 辐照量温度及流量测量太阳辐照量、温度（多点）测量采用数字采集系统，这样可以保证辐照量与多点温度测量的同时性。温度测量设定：蒸箱内蒸汽温度，蒸箱进口油温，蒸箱出口油温，吸热管的

17、外表面（两端及中间），U型管（两个测点），环境温度。总辐射仪安装在与CPC开口同一平面上，可测量入射到CPC开口面积上的太阳总辐照量。导热油的流量测量采用型漩涡流量传感器，这种流量计的特点是：1、耐高温（最高可达）。2、压电元件镶嵌在探头体中，桥测元件不接触介质，可靠性高。3、压电元件内部无填充料，性能稳定，使用寿命长；4、传感器抗震与抗脉动流性能优越；5、结构简单，无可动件，压力损失小，耐用性强；6、在规定的雷诺数范围内，输出信号不受流体温度、压力、粘度的影响。（2） 压力降测量压力降测量采用三块精密压力表，分别放在蒸箱进口和出口及泵后。（3） 设计与实验结果的比较设计与实验结果的比较比较项

18、目设计值（kw）实测值平均太阳总辐照量（）蒸箱功率（kw）平均太阳总辐照量（）环境温度（）蒸箱功率（kw）蒸箱功率95012.32951.832.712.23换热器管内侧工质阻力降3.265m（水柱）3.5m（水柱）整个系统工质阻力降9.5m（水柱）10.0m（水柱）能耗220V，0.55kw，一天一般6小时8小时，耗电34度。六、结论1） 实验结果表明，在太阳总辐照量的情况下，通过换热器进口的工质油的温度一般在左右，出口为，蒸汽温度左右，只要时间超过1小时就可以把米饭蒸熟；在太阳总辐照量时，蒸汽温度可达102.5连续6小时，可蒸米饭两次，每次50kg，烧开水400kg左右。2） 在无电地区，

19、可配2kw汽油发电机作电源（发电机2000元），最低耗油330克/千瓦时，一天耗4度电，一天不到5元（按目前油价）。3） 在4000米（西藏大多数地区为4000米及4000米以下）高原，大气压约为61.61kpa，我们专门研制成功一种高压差（0.05Mpa）蒸箱，保证在那种低气压条件下，箱内压力仍可达0.11Mpa，与普通海拔高度条件一样蒸饭。参考文献1郭廷玮，刘鉴民，M.DAGUENET,“太阳能的利用”，科学技术文献出版社，1987.2陆高林，郭廷玮，寿健，高纪庆，高纪凡“复合抛物面聚光器（CPC）的型线设计”，待发表，2004.3R.Almanza ,J.F.Chen,G.Correa and M.Mazari, Further option for sol