太阳能转化原理与技术课件- 第八章太阳能中低温热利用技术

太阳能转换原理与技术8.1太阳能热水系统8.2

太阳能热水系统设计8.3太阳能制冷8.4太阳能干燥8.5太阳能海水淡化第八章

太阳能中低温热利用技术8.1.1太阳能热水系统的分类太阳能热水系统（SolarWaterHeatingSystem）是将太阳能转化为热能并加热水的装置，包括太阳能集热系统和热水供应系统。太阳能集热系统（SolarCollectorSystem）是吸收太阳能并将产生的热能传递到传热介质并最终得到热水的装置。太阳能集热系统通常包括太阳能集热器、储热水箱、泵、连接管道和控制系统等。热水供应系统（HotWaterSupplySystem）是将储热水箱中的热水通过泵、配水管道和控制系统等输送到各个热水配水点的装置，通常还包括必要的辅助加热设备。8.1.1太阳能热水系统的分类按循环方式分类（1）直流式：传热工质通过集热器加热后进入储热水箱或直接利用，不再循环。属于直接式热水系统。（2）自然循环式：传热工质内部的温度梯度产生密度差，进而通过形成的自然对流进行循环的太阳能热水系统，属于直接式太阳能热水系统。储水箱要高于集热器顶部（3）强制循环式：利用外部动力迫使传热工质通过集热器并进行循环加热的太阳能热水系统。直接式或间接式按集热系统与热水供应系统之间的关系分类（1）直接式系统又称为一次循环系统，指的是太阳能集热器加热的热水直接供给用户（2）间接式系统又称为二次循环系统，指的是太阳能集热器先加热某种传热介质，该传热介质再通过换热器加热水并供给热用户8.1.1太阳能热水系统的分类按有无辅助加热设备分类（1）对于有辅助热源加热设备的系统而言，当没有太阳能或太阳能不足时，可利用辅助加热设备为热用户提供热水（2）对于没有辅助热源加热设备的系统而言，只能依靠太阳能提供热水，当没有太阳能或太阳能不足时，系统无法产出热水按传热介质与大气的连通状况分类（1）敞开系统：传热介质与大气有大面积接触，接触面主要在蓄热系统的敞开面（2）开口系统：传热介质与大气的接触仅限于补给箱和膨胀箱的自由表面或排气口的系统（3）封闭系统：传热介质与大气完全隔绝的系统。8.1.2自然循环太阳能热水系统自然循环式：依靠水自身温差所产生的浮升力进行集热循环。过程简介：水在集热器中通过吸收太阳辐射能被加热，水温升高且密度减小，与储水箱中未被加热的冷水形成密度差和热虹吸压头。被加热的水在浮升力的推动下在集热器内上升并经过上循环管进入储水箱；而储水箱中的冷水温度较低且密度较大，将经过下循环管流入集热器下部被集热管加热。经过不断地循环加热，储水箱中的水最终会达到某一平衡温度。自然循环系统示意图8.1.2自然循环太阳能热水系统过程简介：该系统装有一套温度传感器，当所测水温达到预设的温度后，电磁阀打开，循环水箱中的热水通过热水管流入位置较低的储水箱中；同时，外界向循环水箱下部补充冷水，储水箱的温度下降。当温度传感器所测的温度达到下限温度时，电磁阀关闭，循环水箱中的热水不再流入储水箱，而外界也不会向循环水箱补水。该系统减少了必须置于集热器高度之上的储水箱重量，但增加了控制系统及一个额外的水箱。自然循环定温放水式太阳能热水系统示意图8.1.2自然循环太阳能热水系统集热器的热平衡方程储水箱的热平衡方程热虹吸压头pT8.1.3强制循环式太阳能热水器系统强制循环太阳能热水系统需要借助外力（如水泵）迫使传热介质在集热器与储水箱之间循环。特点：（1）储水箱位置不受集热器位置的制约；（2）储水箱内的传热介质可以得到充分混合，没有明显的分层现象，因此，储水箱位置不受集热器位置的制约。8.1.3强制循环式太阳能热水器系统直接强制循环式系统储水箱中的水直接供热用户使用，中间不设置热交换器。控制器的作用在于检测太阳能集热器出口温度（Tfo）与储水箱温度（Ts）的温差(Tfo-Ts)来控制泵的启停。直接强制循环式太阳能热水系统示意图储水箱的热平衡方程间接强制循环式系统中，集热循环常采用防冻液等传热介质集热，其防冻性能通常优于直接强制循环式。8.1.3强制循环式太阳能热水器系统间接式强制循环式太阳能热水系统示意图换热器在储水箱内换热器在储水箱外常见的分析方法是将太阳能集热器与换热器视为一个新的“集热器”。8.1.3强制循环式太阳能热水器系统太阳能集热器与换热器所组成的新“集热器”集热量新“集热器”的热迁移因子与集热器的热迁移因子之比定义为集热器性能的削弱因子FHX，表示设置集热器时换热器输出的有用能量与不设置换热器且集热器流体进口温度等于储水箱温度时的有效收益之比8.1.4直流式太阳能热水器系统直流式太阳能热水系统是水只通过一次太阳能集热器后便进入储水箱或到达热用户处的非循环热水系统。热虹吸型：集热过程：热虹吸型系统中，补集水箱的水位由箱中的浮球阀控制，使之与集热器出口热水器上升段的最高位置一致。无阳光照射时，集热管热水管和下降管均充满水，但不流动；有阳光照射后，内部的水温升高，在系统中形成热虹吸压力使，从而使热水从热水管流入储水箱，同时补给水箱的冷水则自动经下降管进入集热器。特点：太阳升起后即可产生热水缺点：用户不能自行调节供水温度，应用较少。8.1.4直流式太阳能热水器系统定温放水型：在集热器出口处装设温度传感器，通过温控器控制电磁阀开闭，将定温热水排入储热水箱中。优点：①补给水压来自自来水，不需设置水泵；②储水箱可以因地制宜地放在室内，减轻楼层载荷；③完全避免了热水与集热器入口冷水的掺混；④短暂晴天也能得到一定量的热水。定温放水直流式太阳能热水系统示意图8.1.4直流式太阳能热水器系统集热器输出的有用能集热器此时的瞬时集热效率ηth8.1太阳能热水系统8.2

太阳能热水系统设计8.3太阳能制冷8.4太阳能干燥8.5太阳能海水淡化第八章

太阳能中低温热利用技术设计前调研（1）环境条件，包括安装地点的经纬度、年平均日太阳辐照量、日照时间、环境温度、风速等。（2）用水条件，即日平均用水量、用水方式（用水时间）、用水温度、用水流量、用水位置（水位落差）等。（3）场地情况，即场地面积与形状、建筑物的承载能力及遮挡情况。（4）其他情况，如水电情况、辅助热源情况和管理方式等。8.2.1太阳能热水系统和太阳能集热器的选型8.2.1太阳能热水系统和太阳能集热器的选型8.2.1太阳能热水系统和太阳能集热器的选型表8‑2太阳能集热器的选型表相关要素居住建筑平板型全玻璃真空管热管真空管建筑气候严寒地区○—●寒冷地区○●●夏热地区○●●温和地区●●●承压能力开式系统●●●闭式系统●—●换热方式直接系统●●●间接系统●—●8.2.2太阳能集热系统关键参数的确定集热面积的确定热用户的平均日耗热量直接太阳能热水系统集热总面积Ac,d8.2.2太阳能集热系统关键参数的确定太阳能保证率取值资源区划年太阳辐照量指标/MJ·m-2·d-1太阳能保证率fI类地区≥670060%~80%II类地区5400~670050%~60%III类地区4200~540040%~50%IV类地区≤420030%~40%8.2.2太阳能集热系统关键参数的确定间接太阳能热水系统8.2.2太阳能集热系统关键参数的确定安装方位角和安装倾斜角的确定对于北半球而言，集热器的最佳安装方位角为朝南布置，其偏差尽量不超过±15°。如果受安装条件的影响无法实现上述布置，也可以将集热器朝东或朝西布置。集热器的安装倾斜角可遵循以下原则：（1）当太阳能热水系统全年使用时，倾斜角为当地纬度，即β=φ；（2）当太阳能热水系统侧重于夏季使用时，倾斜角为当地纬度减10°，即β=φ-10°；（3）当太阳能热水系统侧重于冬季使用时，倾斜角为当地纬度加10°，即β=φ+10°。集热器的前后排间距（1）对于全年运行的太阳能热水系统而言，应满足在春分或秋分太阳上中天前后3h（即真太阳时9：00-15：00）互不遮挡；（2）对于春、夏、秋三季运行的太阳能热水系统，需要满足在春分或秋分太阳上中天前后4h（即真太阳时8：00-16：00）互不遮挡；（3）对于冬季运行的太阳能热水系统，需要满足在冬至太阳上中天前后2h（即真太阳时10：00-14：00）互不遮挡。式中，H为集热器最高点距离地面的高度，m。正南布置：储水箱容积（1）对于集中集热、集中供热的太阳能热水系统，储热水箱和供热水箱应分开设置，串联连接，储水箱的有效容积与集热面积成正比，储水箱容积（2）对于分散集热、分散供热太阳能热水系统并采用集热、供热共用储水箱的情况，其有效容积应按公式(8-21)计算。（3）对于集中集热、分散供热太阳能热水系统且分散供热用户采用容积式热水器间接换热冷水时，其储水箱的有效容积应按公式(8-21)计算，（4）集中集热、分散供热太阳能热水系统，当分散供热用户采用热水器辅热直接供水时，其储水箱的有效容积应按公式(8-21)计算。8.1太阳能热水系统的分类、原理与热性能分析8.2

太阳能热水系统设计8.3太阳能制冷8.4太阳能干燥8.5太阳能海水淡化第八章

太阳能中低温热利用技术8.3.1压缩气体制冷循环与压缩蒸气制冷循环1.设备流程和循环图及图压缩气体制冷循环压缩空气制冷循环系统图T-s图p-v图压缩空气制冷循环的T-s图和p-v图2.制冷系数（thecoefficientofperformanceCOP）定比热容1、压缩蒸气制冷循环设备流程压缩蒸气制冷循环（Thevapor-compressioncycle）？2、循环T-s图和制冷系数ε压缩蒸气制冷循环系统图压缩蒸气制冷循环的T-s图8.3.3太阳能吸收式制冷循环吸收式制冷循环主要由发生器、吸收器、冷凝器、蒸发器、节流阀和溶液泵等设备构成。工作过程可分为两个部分，制冷剂循环和溶液循环。常见制冷工质：H2O/LiBr工质对和NH3/H2O工质对吸收式制冷循环系统图过程1-2的整体效果是对制冷剂的增压，相当于压缩蒸气制冷循环中的压缩机吸收式制冷循环的制冷系数8.3.3太阳能吸收式制冷循环吸收式制冷循环的优点：（1）吸收式制冷循环对制冷剂增压过程是在溶液泵中完成的，耗功较小；压缩蒸气制冷循环对制冷剂的增压过程是在压缩机中完成的，耗功较大。（2）除了溶液泵以外，发生器是吸收式制冷循环另一处需要外界输入外热源的地方，但是，此处所需的热量温度并不高，可以用中低温太阳能热为蒸汽发生器提供相应的热量。8.3.4太阳能吸附式制冷吸附式制冷是一种利用多孔固体表面吸附现象的制冷方式。吸附式制冷循环的工质由固体微孔吸附工质和制冷工质组成，其中，固体微孔吸附工质固定不流动，而制冷工质是可流动的。较为常见的工质对有沸石分子筛-水、活性炭-甲醇以及氯化钙-氨。(a)受热解吸过程(b)吸附制冷过程吸附式制冷循环系统图8.3.4太阳能吸附式制冷过程描述：（1）受热脱附过程关闭阀门，等容加热→打开阀门，等压加热，水蒸汽脱附→水蒸汽在冷凝器中等压冷却（2）吸附制冷过程关闭阀门，等容冷却→打开阀门，压力骤降，水蒸汽吸附放热，需不断地对沸石分子筛用冷却水或外界空气进行冷却。优点：不需要溶液泵，系统结构和运行控制简单；无污染缺点：不稳定、制冷量小8.3.5太阳能喷射式制冷系统描述：（1）集热系统。（2）制冷系统。过程描述：（1）制冷剂的增压、加热（水泵+锅炉）→高温高压蒸气（2）制冷剂的降压、蒸发（节流阀+蒸发器）→低压蒸气（3）高温高压蒸气在喷嘴2绝热膨胀→动能增加，从而卷吸低压蒸气→蒸发器低压维持+高低压蒸气混合→低压蒸气升压（压缩机的作用！！）优点：热驱动，回收低品位的热缺点：制冷系数较低气流引射式制冷循环系统图8.1太阳能热水系统的分类、原理与热性能分析8.2

太阳能热水系统设计8.3太阳能制冷8.4太阳能干燥8.5太阳能海水淡化第八章

太阳能中低温热利用技术8.4.1干燥介质的性质干空气指完全不含有水蒸气的气体。而湿空气是干空气和少量水蒸气的混合气体。太阳能干燥的干燥介质一般为湿空气。湿空气的总压力p为干空气分压pa和水蒸气分压pv之和，即p=pa+pv。水蒸气分压pv低于湿空气温度t对应的饱和蒸汽压力ps(t)时，湿空气称为未饱和湿空气，未饱和湿空气具有吸收水分的能力。水蒸气分压pv等于湿空气温度t对应的饱和蒸汽压力ps(t)时，此时的湿空气称为饱和湿空气，饱和湿空气不具有吸收水分的能力。8.4.1干燥介质的性质水蒸气分压pv所对应的饱和温度td称为露点。在水蒸气分压pv不变的情况下，将湿空气冷却至露点温度时，湿空气变成饱和湿空气，若继续冷却将有水分析出。湿空气的相对湿度φ表示湿空气的水蒸气质量与同温度下水蒸气的最大可能含量之比8.4.1干燥介质的性质湿空气的含湿量d表示1kg干空气（DryAir，DA）所含的水蒸气质量包含1kg干空气的湿空气焓值8.4.2湿物料的性质物料干燥过程的实质就是不断除去湿物料中水分的过程。湿物料通常是由各种类型的干骨架（绝干料）和水分组成。根据水分与物料的结合方式，物料中的水分可分为机械结合水、物理化学结合水和化学结合水。机械结合水包括存在于物料空隙或表面的游离水分、润湿水分和大毛细管的自由水分等。此类水分与物料的结合力较弱，脱除较为容易，除了用热能将其汽化外，还可以借助机械设备脱除，生活中洗衣机的甩干功能就是脱除机械结合水。8.4.2湿物料的性质物理化学结合水是以一定的物理化学结合力与物料结合起来的水分，包括吸附水分、小毛细管内的渗透水分和结构水分等。此类水分与物料结合比较稳定，结合力较强，通常需要通过加热并将水分蒸发后才能脱除水分。物理化学结合水是干燥的重点。化学结合水指的是物料中的结晶水，此类水分与物料结合得非常牢固，一般的常温干燥过程难以除去，必须在较高的温度下加热才能够脱除。一般的干燥过程可不予考虑化学结合水。8.4.2湿物料的性质干基含水量x式中，mw为湿物料中水分的质量，kg；

md为湿物料中绝干物料的质量，kg。8.4.2湿物料的性质湿基含水量ω干基含水量x和湿基含水量ω的转化物料的平衡含水率当物料与一定温度和一定相对湿度的空气接触后，物料中的水分被汽化并被湿空气带走，直至物料表面的水蒸气压力与空气中水蒸气分压力相等为止，此时物料的含水率称为平衡含水率。若继续延长干燥时间也不会减少物料的水分。平衡含水率是物料在一定状态湿空气下可能达到的最大干燥效果，其数值与湿空气的状态和物料有关。8.4.2湿物料的性质8.4.3物料的干燥过程（1）热量传递至物料表面和内部：太阳能直接或间接加热物料表面，表面获得热量后，热量会逐渐传递到物料内部。（2）表面水分的蒸发：物料表面的水分会首先蒸发，蒸发后的水分被流过表面的空气带走。此过程的速率主要受空气温度、湿度、流速以及物料表面积等因素影响，这一过程又称为外部条件控制过程。（3）内部水分的迁移：物料内部的水分在热量驱动下，从内部迁移到表面。此时，水分的迁移主要受到内部水分浓度梯度或蒸汽压力梯度的影响，其迁移速率取决于物料的特性、温度和含水率等因素，这一过程又称为内部条件控制过程。8.4.3物料的干燥过程（1） 预热阶段（过程A-B）预热阶段的目的是使物料温度升高，这一步对于较厚的物料尤为重要。预热阶段时，干燥室不排气并保持干燥室较高的相对湿度，热风不断将热量传递到物料表面并使物料表面的温度上升；物料水分开始蒸发，蒸发速度将随着表面温度的升高而升高，物料的含水率逐渐下降。物料的干燥过程曲线8.4.3物料的干燥过程（2） 恒速干燥阶段（过程B-C）当热量转移和水分蒸发达到平衡时，物料表面温度基本保持定值，此阶段水分由物料内部向表面扩散的速率与表面蒸发的速率基本相同，传入物料的热量完全消耗在水分的蒸发阶段，含水率随干燥时间呈直线下降，干燥速率基本保持定值。大多数物料的干燥在恒速干燥阶段即可完成。物料的干燥过程曲线8.4.3物料的干燥过程（3） 降速干燥阶段（过程C-D-E）当物体表面含水率较低时，水分的内部扩散速率将会低于表面蒸发速率，干燥速率随着干燥时间的增加而减小，其中，由恒速干燥阶段转为降速干燥阶段的含水率称为临界含水率。降速干燥阶段用于对物料的深度干燥，降速干燥阶段又可分为两个子阶段。物料的干燥过程曲线8.4.4太阳能干燥装置的热平衡关系太阳能干燥装置的热平衡是指输入干燥装置的能量等于有效利用能和各项热损失之和8.4.4太阳能干燥装置的热平衡关系干燥物料的有效得量由湿物料预热升温需热量和物料中水分蒸发所需的热量构成，8.4.5干燥系统的集热面积太阳能集热器的有效面积Ac8.1太阳能热水系统的分类、原理与热性能分析8.2

太阳能热水系统设计8.3太阳能制冷8.4太阳能干燥8.5太阳能海水淡化第八章

太阳能中低温热利用技术8.5.1太阳能海水淡化及其分类水中各种电解质（盐类）的总量称为总含盐量，单位为mg/L。未经处理的海水称为原海水。淡水是指总含盐量小于或等于1000mg/L的水，苦咸水是指总含盐量大于1000mg/L的水。将海水中的盐分与水分开，得到淡水的过程称为海水淡化。海水淡化后得到的处理水称为淡化水，排放比原海水总含盐量高的水称为浓盐水。8.5.1太阳能海水淡化及其分类太阳能海水淡化分为热法海水淡化技术和膜法海水淡化技术。热法海水淡化技术是将太阳能转化为热能，并通过海水蒸馏或空气加湿除湿生产淡水，包括太阳能蒸馏法和太阳能加湿除湿法等。膜法海水淡化技术是将太阳能通过光伏发电或光热发电等方式转化为电能，再用电能驱动反渗透装置或其他联合装置生产淡水，包括太阳能反渗透法和太阳能电渗析法。太阳能蒸馏法海水淡化盘式太阳能蒸馏法浅槽涂黑并装有原海水，顶层盖板用透明玻璃或透明塑料密封。绝大部分太阳辐射能可透过顶层盖板并被浅槽内的海水吸收，从而使海水升温并将部分水蒸发。水蒸气在盖板表面凝结成小液滴，在重力作用下沿着有一定倾角的盖板流入集水槽，再通过装置的泄水孔流出蒸馏器外形成淡化水。由于运行过程能耗很少，其成本主要取决于设备的最初投资。盘式太阳能蒸馏器的原理图8.5.2太阳能蒸馏法海水淡化盘式太阳能蒸馏法优点：盘式太阳能蒸馏法不受原海水浓度的限制，淡水纯度高，特别适用于气温高、日照时间长的缺水地区。缺点：产水率低且占地面积较大，同时，水蒸气在顶层盖板凝结会使盖板升温，影响凝结效果，该热量也会散失到大气中造成热量损失。盘式太阳能蒸馏器的原理图8.5.2太阳能蒸馏法海水淡化太阳能多效蒸馏法太阳能集热系统所产生的热蒸汽进入第一效蒸发冷凝器，与原海水进行热交换后冷凝成凝结水，而原海水吸热后产生第一效热蒸汽；由于第二效蒸发冷凝器的压力比第一效蒸发冷凝器低，因而，第一效原海水蒸发产生的热蒸汽在压力差的作用下将进入第二效蒸发冷凝器，被原海水冷却后形成淡化水并被回收，其放出的热量用于加热第二效蒸发冷凝器内的原海水并产生第二效蒸汽。太阳能多效闪蒸法工艺流程图8.5.2太阳能蒸馏法海水淡化太阳能多效蒸馏法多效蒸馏要求后一效的原海水沸点比前一效蒸汽凝结温度低，否则没有传热温差，也无法进行后续蒸发。因此，需要后一效的蒸发室压力低于前一效。多效蒸馏法可以充分利用太阳能低品位热能，使系统在更低温度下运行，降低了海水淡化的制水成本。太阳能多效闪蒸法工艺流程图8.5.2太阳能蒸馏法海水淡化太阳能多级闪蒸法每一级闪蒸室的压力均通过真空调节阀控制。原海水先后流经若干级闪蒸室并被预热后进入太阳能集热系统加热，加热后的热海水进入第一级闪蒸室。真空调节阀将第一级闪蒸室的压力调至低于热海水对应的饱