几种太阳能热水系统的火用分析.docx

能源系统的评估原理 学 生：梁洪康学 号：20123884指导教师：解辉专 业：新能源科学与工程一、引言3二、太阳能系统的工作原理及主要类型41.工作原理42.主要类型4三、热效率分析61.集热器瞬时热效率62.自然循环式太阳能热水系统热效率63.强制循环式太阳能热水系统热效率74.直流式太阳能热水系统热效率7四、火用效率分析71、主要计算式7（1）热水通过集热器吸收的热量火用7（2）管路温差传热火用损7（3）管路散热火用损失8（4）贮水箱温差传热火用损8（5）贮水箱散热火用损8 (6)泵消耗转移的热量火用82、火用平衡方程及火用效率8（1）自然循环式热水系统火用平衡方程8(2) 强制循环式热水系统火用平衡方程9(3) 直流式热水系统火用平衡方程9（4）火用效率计算式9五、计算模型及结果91、计算模型92、计算结果9（1）数据表格9（2）图像比较10六、结论分析12【参考文献】12几种太阳能热水系统的火用分析摘要 运用热力学的热平衡和火用分析原理，对几种太阳能热水系统进行了用能效率分析，我们针对热效率和火用效率这两项指标来评价系统的用能效率。并根据设计模型计算出相关数据对三种典型太阳能热水系统进行比较。 关键词 太阳能热水系统 强制循环 自然循环 直流式 火用效率一、引言 70年代以来,我国对太阳能热水系形成了具有我国特色的太阳能热水技术与产业,其产量、使用量均居全球之冠。目前大多数研究者将热效率作为衡量太阳能热水系统热性能优劣的主要标准,但它只反映了能量在“量”上的关系,而没反映出“质”上的关系;同时,热水系统中不可避免的存在因不可逆温差造成可用能的损失（由于温差传热过程中，效率不可能达到100%，而温差传热又是不可逆的过程，所以一定会有一部分的能量既没有由高温物体传给低温物体，也没有办法再利用起来，我们就把这部分能量称为不可逆温差传热的可用能损失）。因此,本文针对几种典型的太阳能热水系统进行了用能效率的分析。二、太阳能系统的工作原理及主要类型1.工作原理太阳能热水系统的主要工作原理分为两个：热虹吸水循环原理和集热器吸热原理。热虹吸水循环原理利用冷水比热水密度大，冷水下沉，热水上升，形成自然对流循环、使水箱中的水逐渐变热，达到设定的水温为止。当太阳强度不足以满足循环需要的时候，可以在水循环闭路加一水泵，实现强制循环。集热器吸热原理利用太阳能热水器的集热器表面的特殊涂层实现，此涂层对太阳能可见光范围具有很大的吸收率，吸收为热以后，集热器的散热热辐射波长在长波范围，该涂层对长波的发射率很低，这样就有效的保留了太阳能的热量。再通过这种热量将冷水逐渐加热为热水。2.主要类型根据热水动态流动方式，将太阳能热水系统分为自然循环式、强制循环式和直流式三种主要类型。 图(a)所示为自然循环式,依靠集热器与贮水箱中水的温差形成系统的热虹吸压头,使水在系统中循环,并将集热器的有用收益传输到水箱中予以贮存。在运行过程中,集热器出口的热水由上循环管进人水箱的上部,同时箱底的冷水由下循环管流人集热器经过一段时间,水箱中形成明显的温度分层,上部水温已达到可供使用的水平。用热水的同时由补给水箱向贮水箱底部补充冷水用热水时，有两种取热水的方法。一种是有补水箱，由补水箱向储水箱底部补充冷水，将储水箱上层热水顶出使用，其水位由补水箱内的浮球阀控制，有时称这种方法为顶水法；另一种是无补水箱，热水依靠本身重力从储水箱底部落下使用，有时称这种方法为落水法。Q0补给水带人系统的热量 Q1管路散热损失 Q2贮水箱的热量 Q3水箱散热损失 QU集热器获得的有用热量 图(b)所示为强制循环式,唯一与自然循环式不同的是在集热器前添加水泵,当泵运行时,系统以固定的大流量进行循环,在贮水箱内引起剧烈的掺混,因此水箱内温度可视为均匀。系统运行过程中，循环泵的启动和关闭必须要有控制，否则既浪费电能又损失热能。通常温差控制较为普及，有时还同时应用温差控制和光电控制两种。温差控制是利用集热器出口处水温和贮水箱底部水温之间的温差来控制循环泵的运行。用热水时，同样有两种取热水的方法：顶水法和落水法。顶水法是向贮水箱底部补充冷水（自来水），将贮水箱上层热水顶出使用；落水法是依靠热水本身重力从贮水箱底部落下使用。在强制循环条件下，由于贮水箱内的水得到充分的混合，不出现明显的温度分层，所以顶水法和落水法都一开始就可以取到热水。顶水法与落水法相比，其优点是热水在压力下的喷淋可提高使用者的舒适度，而且不必考虑向贮水箱补水的问题；缺点也是从贮水箱底部进入的冷水会与贮水箱内的热水掺混。落水法的优点是没有冷热水的掺混，但缺点是热水靠重力落下而影响使用者的舒适度，而且必须每天考虑向贮水箱补水的问题。Q0补给水带人系统的热量 Q1管路散热损失 Q2贮水箱的热量 Q3水箱散热损失 QU集热器获得的有用热量 W1水泵带入系统的能量 图(c)所示为直流式,当集热器接收太阳辐射后,其内部水温升高,从而在系统中形成热虹吸压头。热水由上升管流人贮热水箱,补给水箱中的冷水则自动下降进人集热器。系统运行过程中，为了得到温度符合用户要求的热水，通常采用定温放水的方法。集热器进口管与自来水管连接。集热器内的水受太阳辐射能加热后，温度逐步升高。在集热器出口处安装测温元件，通过温度控制器，控制安装在集热器进口管理上电动阀的开度，根据集热器出口温度来调节集热器进口水流量，使出口水温始终保持恒定。这种系统运行的可靠性取决于变流量电动阀和控制器的工作质量。有些系统为了避免对电动阀和控制器提出苛刻的要求，将电动阀安装在集热器出口处，而且电动阀只有开启和关闭两种状态。当集热器出口温度达到某一设定值时，通过温度控制器，开启电动阀，热水从集热器出口注入贮水箱，与此同时冷水（自来水）补充进入集热器，直至集热器出口温度低于设定值时，关闭电动阀，然后重复上述过程。这种定温放水的方法虽然比较简单，但由于电动阀关闭有滞后现象，所以得到的热水温度会比设定值低一些。 Q0补给水带人系统的热量 Q1管路散热损失 Q2贮水箱的热量 Q3水箱散热损失 QU集热器获得的有用热量 三、热效率分析1.集热器瞬时热效率 =QUArI QU-集热器获得的有用热量，单位KJ Ar-集热器有效采光面积,单位m2 I -太阳瞬时辐射强度，单位KJ/ hm22.自然循环式太阳能热水系统热效率 QU+Q0=Q1+Q2+Q3 热效率 t=Q2QU+Q0 3.强制循环式太阳能热水系统热效率 QU+Q0+W1=Q1+Q2+Q3 热效率 t=Q2QU+Q0+W1 4.直流式太阳能热水系统热效率 QU+Q0=Q1+Q2+Q3 热效率 t=Q2QU+Q0 四、火用效率分析 1、主要计算式（1）热水通过集热器吸收的热量火用 E1=mCpT2-T1(1-T0T2-T1lnT2T1) m-质量流量，单位kg/hCP-水的定压比热容，单位KJ/kgKT0-环境温度，单位KT1-集热器进口温度，单位KT2-集热器出口温度，单位K（2）管路温差传热火用损 E2=Q1TU1T3-1Tm1 T3-贮水箱进口温度，单位K Tm1=T2+T32,单位K（3）管路散热火用损失 E3=Q11-T0T2-T3lnT2T3 （4）贮水箱温差传热火用损 E4=mCPT3-T4T01T4-1Tm2 T4-贮水箱出口温度，单位K Tm2=T3+T42,单位K（5）贮水箱散热火用损 E5=Q31-T0T3-T4lnT3T4 (6)泵消耗转移的热量火用 EP=W13.680% 2、火用平衡方程及火用效率Ein-吸收的热量火用Eef有效的热量火用（1）自然循环式热水系统火用平衡方程 Ein=E1 Eef=E1-E2-E3-E4-E5 (2) 强制循环式热水系统火用平衡方程 Ein=E1EP Eef=Ein-E2-E3-E4-E5 (3) 直流式热水系统火用平衡方程 Ein=E1 Eef=E1-E2-E3-E4-E5 （4）火用效率计算式 e=EefEin 五、计算模型及结果1、计算模型 按9月份晴朗天气模型正午时的太阳辐射进行计算，且热水系统稳态运行，集热器总采光面积为10.56m2，正南向布置，倾角40o，辐射强度为I=3189KJ/m2h，自然循环式和直流式太阳能热水系统的水质量流量为200kg/h，强制循环式的质量流量为280kg/h,定压比热取Cp=4. 1868KJ/(KgK)，环境温度T=25oC，自然循环和直流式系统中集热器进、出口温度分别为T1=26 oC, T2=49 oC,它们的贮水箱进出口温度分别为T3=47 oC, T4=40 oC和T3=43 oC, T4=40 oC;强制循环式集器进、出口温度分别为T1= 35 oC , T2= 54 oC，其贮水箱进出口温度分别为T3=5 oC和T4=45 oC,W1= 30W。热效率分别按(3)、(5)、(7)式计算，火用分析计算按式(8)到(20)中有关公式进行计算。2、计算结果（1）数据表格图一（2）图像比较 图二图三图四六、结论分析1.根据图二，强制循环式热水系统的热效率和火用效率都是最高的，其次是自然循环式热水系统和直流式热水系统。单从热效率分析，强制循环式热水系统的效率值比自然循环式高较多。然而从火用效率分析，两者的效率值几乎相同，再结合考虑强制循环式热水系统的成本更高，而自然循环式热水系统在更低成本的情况下达到如此高质量的能源利用率。所以一般生活用的热水系统推荐自然循环式热水系统。2.结合图二、图三，直流式热水系统的效率值和火用损值相比自然循环和强制循环式都不是很理想。但直流式热水系统依然有许多优点：其一，与强制循环系统相比，不需要设置水泵；其二，与自然循环系统相比，贮水箱可以放在室内；其三，与循环系统相比，每天较早地得到可用热水，而且只要有一段见晴时刻，就可以得到一定量的可用热水。3.根据图三，自然循环式，强制循环式系统中贮水箱火用损较直流式中贮水箱火用损大，这是由于前者的贮水箱中存在较大温差传热所致。4.根据图三、图四，由图三可以看到自然循环式和强制循环式两者的管路火用损和贮水箱火用损的值相当。再比较图四，管路火用损主要集中在管路温差传热的火用损，而管路散热火用损占很小的比例；贮水箱的火用损在温差传热和散热两个环节分布较为平均，换言之，贮水箱的散热火用损占有一部分不可忽视的损失。针对以上分析，可以提出提高热水系统效率的两个可行解决办法： （1）加强贮水箱和循环管路的绝热保温能力，特别是贮水箱的保温，这样可以减小散热火用损，