实用型油汀太阳能加热器设计论.doc

实用型油汀太阳能加热器设计 摘要：实用型油汀太阳能加热器是将原有的太阳能热水器的以水作为导热介质改为以油作为导热介质，并按照导热油的特性进一步改进完善而设计成的一种更高效，更环保，更安全，适用范围更广的太阳能利用设备。以油做导热介质有加热速度快，保温效果好，温度上限高（100c以上），低温无冻裂，器件使用寿命长，可作为独立热源使用等优点。本方案通过双层管道，减凝颗粒，粘性检测过滤器，胀缩缓冲箱，光电池循环加速装置，中置水箱换热器和金属离热活散热片的设计解决了导热油的粘性大，流通不畅，热胀冷缩幅度大，热交换困难的问题。方案又通过格栅式聚光器和光栅吸光保护装置进一步提高了太阳能的光热利用效率，脆弱部件的保护性。关键词：导热油 陶瓷小球 向阳控制 太阳能 黑体Abstract: the practical oil heater solar heater is solar water heater of the original water as heat transfer medium was changed to oil as the heat conducting medium, and in accordance with the characteristics of heat transfer oil further improvement and design into a more efficient, more environmentally friendly, more safety, solar energy utilization device is applicable to a wider range of. With oil as heat conducting medium has fast heating speed, good insulation effect, the temperature limit high (above 100 C), low temperature without cracking, long service life of parts, can be used as an independent source using etc. This scheme through the double pipe, reducing condensate particles, viscosity detection filter, swelling-shrinkage buffer box, circular accelerator cell, middle water tank heat exchanger and metal from hot work heat sink design solves the heat conduction oil viscosity, poor circulation, thermal expansion and contraction amplitude, heat exchange problem. And through the grille type condenser and grating light absorption protective device further improves the utilization efficiency of solar energy photothermal, protective fragile parts.Keywords: heat conduction oil ceramic pellet exposed to the sun control solar blackbody一、引言：随着生活水平的提高及环保意识的逐渐增强, 清洁无污染的太阳能得到了越来越广泛的应用目前流行的全玻璃真空管家用太阳能热水器就是很好的例子, 其工作原理是利用全玻璃真空管的高吸热性吸收太阳能, 加热冷水, 用来满足人们的需要但全玻璃真空管家用太阳能热水器由于其结构及材质的原因, 存在明显的不足, 使它的应用具有一定的局限性。现在，通过导热油间接供热成为一种可能，由于太阳能需要完全依靠太阳能来提供热量，因此，阴天条件下，如何持续供热就成了必须考虑的环节，利用导热油的储能作用，较好地解决了目前太阳能热水器遇到的各个方面的问题。二、玻璃真空集热管的工作原理及缺点如图1所示, 玻璃真空集热管由内、外两层玻璃套合密封而成, 两层玻璃管图1 玻璃真空管结构图之间抽真空其外层玻璃透明, 内层玻璃管外壁镀上一层黑色吸热薄膜, 管内充满水当太阳光透过外层的透明玻璃管照射到内管的外壁, 壁上的吸热薄膜吸收太阳光能量, 使内层玻璃管外壁升温, 与周围介质形成温差根据热传导原理,高温物体将向低温物体传输能量, 由于两层玻璃管间为真空, 无导热介质, 因此热量无法以热传导的方式向外扩散, 只有少部分的热量以热辐射的形式向外传递, 大部分热量在温差推动力的作用下以热传导方式通过内管玻璃传递到内管中的水, 将内管中的水加热内管中的热水再以热传导和热对流的方式将热量传递到水箱的冷水, 使其升温以供利用。根据传热学的知识, 太阳的温度很高, 其发射的辐射能量中较短波长（波长小于2m）的部分占98%左右, 而普通的玻璃管具有使2m以下波长的辐射呈现较高透射率的性质, 即98%以上的短波辐射能能够进人管内, 并被内管外壁上的吸热薄膜吸收, 使其升温至180左右同时, 约180的玻璃内管温度将产生波长在3m以上的热辐射, 而玻璃却对3m以上波长的热辐射呈现出较低的透射率（小于2%）这样, 进人玻璃管内的热能不易失散, 就产生了所谓的温室效应。虽然玻璃真空集热管有上述优点, 但仍存在以下缺点：（1）内管的导热介质为水, 而水的导热性能差, 使得热量不易以热传导的方式很快传输到冷水箱；（2）真空管为细长管, 管内的水很难实现对流, 因此也不能以顺畅的对流方式将管内的热水输送到冷水箱；（3）由于管内热水不能将热能及时传送到水箱,管内水温升高过快, 使得管内水温与内管外壁的温差减小, 从而一方面向管内水的传热量减小, 另一方面向管外的热辐射量增加, 这两种效应的共同作用将玻璃真空太阳能集热管的热效率随着光照时间的延长而降低。以上是从传热性能对玻璃真空集热管的优缺点进行的简单分析, 除此之外, 玻璃真空集热管还有以下几点明显不足。（1）易破损。真空集热管的材料为玻璃, 而它的工作环境又必须在露天状态, 所以当出现意外时, 就有可能损坏管子而且整个热水器若有一根管子损坏时, 则水箱中的水将全部从破损管插孔处流出, 致使太阳能热水器无法工作。（2）水质差。常用的玻璃真空管一般内径为或科, 长度为或, 是典型的细长管, 且下端封口所以管内底部的水难以流动, 呈长期积存状态, 一段时间后, 管内水质变坏水有异味, 并将影响到整个水箱的水质, 使热水的使用范围受到一定的限制。（3）管内热水不能很好利用。受结构的影响, 真空管内有约巧的热水仍未能很好的利用为取出真空管内的全部热水, 获取这部分损失的热能, 采用了多种方法, 但由于这些方法结构设计复杂, 增加了成本, 降低了热效率, 因此并不理想。（4）温带和寒带地区不适用。在温带和寒带地区，当气温降低到0以下时，普通太阳能热水器不仅不能正常提供热水，还因部分水管暴露在室外，有冻裂报废的危险。且水管易形成水垢。若采用油作为导热介质将能改变上述问题，并且由于油在100以上也不会汽化，将进一步提高太阳能加热器的最大加热温度，进而扩大太阳能加热器的使用范围。三、油汀太阳能加热器的原理及优点实用型油汀太阳能加热器是将原有的太阳能热水器的以水作为导热介质改为以油作为导热介质，并按照导热油的特性进一步改进完善而设计成的一种更高效，更环保，更安全，适用范围更广的太阳能利用设备。以油做导热介质有加热速度快，保温效果好，温度上限高（100c以上），低温无冻裂，器件使用寿命长，可作为独立热源使用等优点。本方案通过双层管道，减凝颗粒，粘性检测过滤器，胀缩缓冲箱，光电池循环加速装置，中置水箱换热器和金属离热活散热片的设计解决了导热油的粘性大，流通不畅，热胀冷缩幅度大，热交换困难的问题。方案又通过格栅式聚光器和光栅吸光保护装置进一步提高了太阳能的光热利用效率，脆弱部件的保护性。 加热器以导热油作为热介质，对少部分水能够快速加热，且能作为取暖和厨房热源，适用范围更广，使用更方便。四、设计具体方案实用型油汀式太阳能加热器的总体结构是保留了普通太阳能热水器的基础上将储水箱移入室内，将导热介质改成油，并针对导热油的特性进行了如密封，管道和换热器等相关设备的增设改进。加热器由真空玻璃管太阳能吸收箱，导热油循环系统，散热储热器，储水桶及附加部件四部分组成，每部分具体结构如下;1.太阳能吸收箱太阳能吸收箱有两种完全不同的两种设计方案，可根据不同的用户需求进行选用。第一种结构是单根真空玻璃管与光栅式聚光器的组合。光栅式聚光器结构类似于折扇，由若干个窄长的平面反光板编成，每一个反光板都能在向阳控制器的作用下独立调节角度，使太阳光经反射照射到真空玻璃管上，由此可以达到聚焦的作用。光栅式聚光器在不工作时可折叠包裹在真空玻璃管上，起到保护作用，并便于运输。第二种结构是在普通太阳能热水器集热管排布方式的基础上外加一个光栅吸光保护箱，光栅吸光保护箱依照黑体原理，箱子的内壁完全为光滑的反光面，箱体的向阳面为百叶窗结构，窗口叶片可任意角度打开，在向阳控制器的调整下，窗口叶片与阳光光路平行，阳光进入箱体后，便因内壁的反射作用，改变角度，无法再从箱中射出，进而使向阳面所有光线进入箱中不被反射，达到类似吸光的效果。光栅式吸光箱不用时可关闭起到保护作用。两种结构各有优点，前者造价更低，后者效率更高。结构中所使用的向阳控制器由单片机电路实现，其功能为感知太阳光强弱，控制器件转动角度，控制器也将参与油温，水温的感知和控制。控制器由太阳能电池板供电，具体由光度感受器，温度感受器，单片机，控制开关，动作电机及相关电路构成。2.导热油循环系统导热油循环系统中的循环管道是完全密封的，导热油不跟外界直接接触，这既减少了热量损失，避免污染水质，同时也增加了设备的使用寿命。油本身具有保护工件防止氧化的优点。但由于导热油的黏度比水要高很多，且温度较低时易凝固，密封较为复杂极易渗出，密封时会产生油热胀冷缩胀破管道的严重问题，本设计做了多方面的优化。（1）将在普通塑料管内壁上附加一层泡沫，形成双层结构，这既起到保温的作用，也能缓冲导热油热胀冷缩的体积变化，解决了胀管问题。（2）在管道连接处将设置直径约10cm左右的球形箱体，箱内留有适量空间，进一步缓冲因导热油热胀冷缩产生的体积变化。（3）为了克服油较黏流动不畅的问题，循环系统中设置了小功率油泵，油泵与加热装置一起安置在室外，其噪音不会对用户产生影响。（4）导热油中加入陶瓷小球，经试验，在粘性液体中加入直径在5mm左右的陶瓷小球，能有效提高导热油流动的顺畅程度，减轻油泵的负担，并减小管道堵塞的概率。（5）设置粘性检测过滤器，过滤器为一双层锥形结构，能将导热油中的异物过滤并留存在过滤器中（过滤器中有专门的小孔让陶瓷小球通过）。导热油在长时间使用后，有变质问题，粘性检测过滤器在油变质后，能通过检测油的流速检测出来，并向控制器发出告警。3.散热储热器散热器为多重环路铜质结构，负责导热油和其他物质的热交换，将导热油的温度降低。散热器设有多个，其中储水箱中，室内，室外各一个。储热器为一块大石板或其他高热熔材质板，板材被散热器加热后，能储存大量热，保持一个较高温度很长时间，以供烧水做饭用，其原理与烤肉石板类似，储热器放置在保温箱中，其最高温度与导热油最高温度相同。4.储水桶及附加设备储水桶为不锈钢真空保温桶，保温性能比室外储水箱要高两倍。能保证开水在12小时内不低于80。储水箱外附加有带数字显示屏的温控器，用户可以通过此温控器对整个加热器进行调控。温控器由微电脑电路构成，兼做向阳控制器，导热油温度监测及油泵控制等数据信息的中心处理器。另外，微电脑控制器，传感器，小功率油泵等部件工作时需要少量电能，为此，方案在室外加热箱上设置了小型太阳能电池板给各部件供电。由于太阳能电池板和加热器工作时都需要阳光，加热器工作时，电池板亦开始工作，各部件也开始工作，这样各部件能够很好的协调统一。当然对于一些不能掉电的系统，如储水桶的温控器，另设可充电电池进行供电。因此本加热器所有能量消耗均有太阳能停供，不需要任何外部能量投入，真正做到了环保高效。5. 加热流程在有阳光的情况下，导热油在真空玻璃管中加热，当温度超过100时，循环系统中的油泵开始工作，将高温导热油输送到室内，进入到储水箱里的换热器中，换热器将热量传递到水中，使水温升高，油温降低，降温后的导热油将经循环系统送入真空玻璃管中再次被加热，这样形成一个循环，储水箱的水将被加热直至接近沸点。当温度接近水的沸点低，循环系统将停止把导热油送入储水箱，转而送至储热器，由于储热器最高温度可与热油同温，从储热器流出的导热油将被送至散热器，若室内温度宜人，导热油会在室外散热器降温，若室内温度较低，导热油会作为暖气在室内降温，降温后导热油的循环同上（再次进入真空玻璃管加热）。另外储水桶，储热器和散热器三大部件在导热油的管道上并联相接，所以用户可以通过控制阀来根据自己的需求设