太阳灶耦合太阳能热水的供热梯级利用系统

太阳灶耦合太阳能热水的供热梯级利用系统

0带储能箱的系统与热性能的研究太阳灶是利用太阳能热量的重要分支，在许多地区都可以使用。KlemensSchwarzer等对间接加热式平板集热器太阳灶的性能进行了分析,系统不带热储存罐,室内外均可使用。MuthusivagamiRM等对带储能箱与不带储能箱的太阳灶系统进行了对比分析,指出带储能箱的系统具有更好的热性能和稳定性。MirdhaUS等对可调节后窗角度的箱式太阳灶进行了研究,指出其可较长时间获得较高的烹调温度,可满足每天两餐的热量需求。但现行太阳灶普遍存在使用环境恶劣、操作不便、系统单一、利用率较低等问题。WentzelaMarlett等也指出太阳灶拥有者中17%的用户在烹调时并不使用太阳灶。真空管集热器具有集热效率高、热损小、性能稳定等优点,为寒冷及严寒地区太阳热水器的主要集热方式,其在夏季收集温度较高,可考虑将其作为太阳灶的集热端,提供烹饪所需能量。由于太阳热量的收集受气候条件影响较大,所以稳定的能量供给需要能量储存装置。本文基于真空管集热器建立了室内太阳灶耦合太阳能热水系统,该系统是一种新型的太阳能中低温热量梯级利用系统,可同时获得稳定的热水和烹饪热源。1系统设计1.1太阳灶和膨胀罐把控制板上的保护装置打该实验系统由同心套管式真空管集热器、循环泵、管路、保温系统、控制系统、中高温储热箱、热水箱、灶等组成,循环介质采用导热油,保证高温供给,如图1所示。热媒采用耐高温(330℃)导热油,管路系统内侧采用耐高温的岩棉保温,外侧采用聚氨酯保温,太阳灶为夹套形式,即保温层与锅体之间为热媒。膨胀罐装有膨胀管、溢流管、液位计等。膨胀罐正常工作时保持高液位,膨胀罐不采取保温措施,以保证在需冷油置换时有足够的导热油来防止管内导热油的超温过热;膨胀罐的高液位也可避免停止循环时因导热油冷却收缩而致空气进入系统。膨胀槽上的液位计装有低液位报警功能,以防气体进入系统。实验系统由两部分组成,其一为太阳灶系统,主要用来检测太阳灶的性能,测试目的为验证该系统太阳灶的应用特点;另一部分为室内太阳灶耦合太阳能热水测试系统,主要测试系统的热水性能。1.2中温集热循环系统采用双回路主动循环,一是低温循环(45~60℃),即集热器和储热水箱内的换热器及循环泵构成循环回路,利用管路中的热媒,在循环泵的运转下,通过换热盘管,加热水箱,其中储热水箱为封闭承压式。为保证用户使用过程的安全,采用定温控制,当水箱水温接近上限值(一般为60℃)时,循环泵停止运行;二是中温集热循环,即集热器、中温储能箱、灶及微型导热油循环泵等构成循环回路,依据集热器出口温度是否达到上限值(一般为90℃),来控制循环。在回路中安装吸收式膨胀罐,用以吸收或补充由于循环回路中的热媒温度升高或降低而引起的热媒体积膨胀或缩小以及管道容积内超出或减少部分的热媒体积的变化,从而保证热水器循环回路管道安全。1.3系统运行工况1)系统采用定温循环,自动探测集热器出口、水箱、中高温储热罐和灶的温度,根据控制优先级,启动控制相应的循环;2)系统承压运行,工作压力≥0.1MPa;3)实际运行时,热水系统配有恒温阀,以保证热水的舒适温度;太阳灶系统配有温度显示,手动控制阀门,可调大小,来达到烹煮需求。详细控制回路,如表1。1.4集热器存储的热量qloss根据太阳辐射量及系统的优先级循环,即:低温循环具有最优级,中温循环次之,储热循环最低(当热水箱温度达到使用要求,集热量不是很高的情况下,将热量存储在中温箱内,用于再次加热热水和为烹调积蓄基础温度)。依据能量守恒原理,系统能效最高原则,分析太阳能热水耦合太阳灶系统的总体性能。式中,Q0———集热器日得热量,MJ/d;Q1———低温热水箱存储的热量,MJ/d;Q2———太阳灶循环消耗的热量,MJ/d;Q3———中温储能罐存储的热量,MJ/d;Qloss———传输过程中损失的热量,MJ/d。真空管集热器所吸收的总热量:式中,It———太阳辐照度,MJ/(m2·d);ηA———集热器效率,%;η1———真空管热损失系数,%;S———集热器面积,m2。真空管集热效率:式中,η0A———集热器在环境温度和热媒温度相同时的效率,取0.841;Ta———环境温度,℃;Tm———热媒温度,℃;Jt———辐照度,W/m2;a1———基于吸热体面积的系数常量,取1.047W/(m2·℃);a2———基于吸热体面积的系数常量,取0.0102W/(m2·℃)。存储的热量计算公式,Q1与Q3计算公式相同。式中,c1———水的比热容,kJ/(kg·℃);m1———水的质量,kg;Δt1———每天水的温升,℃/d。此外,Q2与Qloss与灶体和管道的保温性能、环境情况等因素密切相关。2系统太阳灶性能测试2.1太阳灶基础简介室内太阳灶性能测试装置系统如图2所示。集热部分由8支2.0m×0.1m的同心套管式真空管组成。储热罐容量为20L,采用3cm厚的岩棉保温,外侧由1cm厚的聚氨酯保温。太阳灶以半球型的不锈钢封头为基础形成夹套形式,外层为保温,中间层为热媒,内层为锅的形式。热媒通过不锈钢直接与被加热物接触,增强导热效果,获得较大的接触传热面积,同时直接在热媒外侧保温,减少了热损失。初始阶段,导热油粘度高、阻力大、系统流量小等因素,选用了上海金港液压设备有限公司YG220/4824Z-VGB系列耐高温微型导热油泵。采用PT100铂电阻,OLD-7412智能温控表采集温度数据,温度点布置,如图1所示,根据系统检测温度,切换系统环路,检测太阳灶的运行效果。2.2测试结果与讨论2.2.1集热器出口温度与储热箱温度关系2010年5月19~21日,对系统进行夏季工况测试,系统的调整过程如表2所示。系统流量较导热油粘度较对应检测的温度曲线如图3所示。当辐照度为900~1000W/m2、集热器出口温度为105~110℃、储热箱温度在80~90℃时,经集热器与中温储箱,太阳灶循环约20min,温度可稳定在105℃,基本满足烹煮(100℃)的温度需求。已知太阳辐射量为24.06MJ/(m2·d),集热器集热体面积为1.390m2,根据式(3),可求得集热器出口温度为97℃。实际运行过程中,真空管出口温度最高时为115℃,储热油温度为100℃,均高于理论计算值97℃。这主要是由于系统为间断运行,达到集热温度才循环,所以真空管出口温度较高,此外,由于储热箱有初始温度(40℃),所以储热油温高于计算温度。2.2.2系统最优循环的确定从2010年1月5~24日对系统进行连续测试,选取1月15日的数据进行分析,结果如图4所示。测试过程中,通过定温控制,改变循环模式,如真空管-储热箱循环(集热器出口温度45~90℃),真空管-储热箱-太阳灶循环(集热器出口温度90~115℃),分析系统特性。09∶30~10∶10的上升曲线为最初的集热循环,即集热器与储热箱的循环;随后10∶10~11∶44的上升曲线部分是储存中温热的循环,即集热器、储热箱上部高温油与太阳灶的循环;11∶44~14∶03升降呈峰谷曲线的为集热器集热与集热器、储热箱上部高温油、太阳灶的交替循环;14∶03~14∶10为集热器与储热箱的循环,储热箱下部出口温度与集热器温度相同;随后14∶10~15∶00为集热器集热与集热器、储热箱上部高温油、太阳灶的交替循环。其中储热箱与集热器出口温度重合的部分,是系统最优循环,储热箱的中温热媒经真空管加热到温后进太阳灶,热损失较小。综上所述,当辐照度在400~500W/m2时,通过定温控制循环,集热器出口温度可达到100℃以上,基于30~40℃的储热箱温度,太阳灶温度可达93℃。在管路热损失高,辐照度低的条件下,基于储热箱累积温度,采用定温循环,太阳灶仍可获得较高温度(100℃)。3系统热水性能试验3.1试验室及装置用于室内太阳灶耦合太阳能热水系统中的热水工况性能测试地点为西班牙马德里,系统收集热水用于提供太阳能十项全能竞赛小屋所需,测试所用装置及竞赛小屋如图5所示。装置中有20支1.5m×0.1m的同心套管式真空管,集热面积为2.85m2,恒温水箱为100L,热水箱为200L,导热油箱为150L。热水箱采用聚氨酯进行保温,导热油箱采用矿棉保温,管路系统采用3cm厚的岩棉复合保温。3.2系统温度出现较大波动测试时间为2010年6月18~25日,主要对该耦合系统的集热和储热能力进行测试。选取6月24日的测试数据进行分析,如图6所示。上午09∶30,恒温水箱测试放水约60L,所以100L恒温水箱和200L热水箱温度整体下降,随后集热器开始为200L热水箱加热,考虑到寄生电耗的影响,系统是间歇式开启,温度较高时,开启,释放热量,随后停止运行,如此交替循环,因此集热器出口温度出现较大波动。系统停止运行期间,集热器出口温度升幅较快,随着热量的累计储存,真空管出口温度可达到160℃,甚至更高。4系统总体性能分析室内太阳灶耦