智能風(fēng)能及熱能高效利用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

付濤　石黃霞　張發(fā)年　馬錦程　李博浩

摘 要：為解決廚房燃?xì)庠睢⒊橛蜔煓C(jī)等設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)能及余熱未得到充分收集與利用的問題，本文設(shè)計(jì)了一套智能風(fēng)能及熱能高效利用控制系統(tǒng)，對(duì)廚房風(fēng)能及余熱進(jìn)行高效利用，以提高能源利用效率，減少環(huán)境污染。

關(guān)鍵詞：風(fēng)能;熱能;自動(dòng)控制;高效利用

中圖分類號(hào)：TP273.5;TM614 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）26-0137-03

The Design of Intelligent Wind and Heat Energy Efficient

Utilization Control System

FU Tao SHI Huangxia ZHANG Fanian MA Jincheng LI Bohao

（Xinjiang Institute of Engineering，Urumqi Xinjiang 830091）

Abstract： In order to solve the problem of insufficient collection and utilization of wind energy and waste heat generated by kitchen gas stove and range hood， an intelligent control system for efficient utilization of wind energy and heat energy was designed to make efficient use of kitchen wind energy and waste heat， so as to improve the energy utilization efficiency and reduce environmental pollution.

Keywords： wind energy;heat energy;the automatic control;efficient utilization

近年來(lái)，隨著人們生活水平不斷提高，家用灶具數(shù)量以每年大約7%的速度增加。各廚具設(shè)備生產(chǎn)廠家將焦點(diǎn)主要集中在設(shè)備的集成化、美觀化及改變?nèi)細(xì)庠罱Y(jié)構(gòu)、燃燒方式、優(yōu)化抽油煙機(jī)的清洗方式等方面，而對(duì)設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)能和熱能并未進(jìn)行充分收集與利用。如果對(duì)設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的風(fēng)能及熱能進(jìn)行收集和利用，人們既能減少電能的消耗，同時(shí)又可以有效地減少干電池使用所帶來(lái)的環(huán)境問題，從而達(dá)到能源高效利用的目的。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能風(fēng)能及熱能高效利用控制系統(tǒng)主要包括抽油煙機(jī)、風(fēng)管、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、燃?xì)庠钆_(tái)、保溫水箱、循環(huán)水鋼管、蓄電池和單片機(jī)控制系統(tǒng)[1-4]，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

各部分連接如下：保溫水箱設(shè)置于燃?xì)庠钆_(tái)一側(cè)，且通過(guò)循環(huán)水鋼管與燃?xì)庠钆_(tái)連接，燃?xì)庠钆_(tái)內(nèi)部?jī)蓚?cè)分別設(shè)有第一爐盤和第二爐盤，單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)置于燃?xì)庠钆_(tái)內(nèi)部;抽油煙機(jī)設(shè)置于燃?xì)庠钆_(tái)頂部，風(fēng)管設(shè)置于

抽油煙機(jī)頂部且內(nèi)部設(shè)有抽風(fēng)泵，抽風(fēng)泵頂部傳動(dòng)連接有風(fēng)力發(fā)電機(jī)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)輸出端與蓄電池輸入端連接，蓄電池輸出端連接燃?xì)庠畲蚧痣姵睾腿細(xì)獗黼姵兀L(fēng)管內(nèi)部固定設(shè)有煙霧濃度傳感器和溫度傳感器;循環(huán)水鋼管包括蛇形鋼管、四通鋼管、Y型鋼管、進(jìn)水鋼管和出水鋼管，蛇形鋼管設(shè)置為兩個(gè)且分別纏繞設(shè)置于第一爐盤和第二爐盤外壁，四通鋼管兩端分別連接兩個(gè)蛇形鋼管，進(jìn)水鋼管連接第一爐盤外側(cè)對(duì)應(yīng)的蛇形鋼管，Y型鋼管一側(cè)兩端分別連接四通鋼管前端和第二爐盤外側(cè)對(duì)應(yīng)的蛇形鋼管，Y型鋼管另一側(cè)端部連接出水鋼管，四通鋼管后端連接進(jìn)水鋼管;進(jìn)水鋼管和出水鋼管分別與保溫水箱相連通，保溫水箱一側(cè)連接有進(jìn)水管和出水管，循環(huán)水鋼管靠近第一爐盤的位置、四通管的每個(gè)管道上以及與第二爐盤連接的Y型鋼管上均設(shè)有電磁閥，進(jìn)水鋼管靠近保溫水箱的一端連接水泵和流量控制閥;抽油煙機(jī)前側(cè)設(shè)有報(bào)警器，風(fēng)管內(nèi)部還設(shè)有燃?xì)鉂舛葌鞲衅鳎愿鶕?jù)采集的燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行報(bào)警提醒。單片機(jī)A與報(bào)警器電性連接，用于根據(jù)采集的燃?xì)鉂舛冗M(jìn)行報(bào)警提醒;保溫水箱夾層內(nèi)設(shè)有加熱保溫層，加熱保溫層包括加熱絲，其與蓄電池電連接，用于給保溫水箱保溫;進(jìn)水管上設(shè)有進(jìn)水開關(guān)，進(jìn)水開關(guān)與單片機(jī)A電性連接，用于智能控制進(jìn)水;火焰?zhèn)鞲衅髋c單片機(jī)A電性連接，用于采集火焰大小信息;流量控制閥與單片機(jī)A電性連接，用于根據(jù)火焰大小流量控制進(jìn)水流量，使循環(huán)水快速加熱。風(fēng)力發(fā)電機(jī)與蓄電池通過(guò)導(dǎo)線連接，蓄電池設(shè)置于燃?xì)庠钆_(tái)內(nèi)部，單片機(jī)A和單片機(jī)B分別設(shè)置于蓄電池兩側(cè)且與蓄電池電連接，蓄電池給單片機(jī)A和單片機(jī)B供電。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能風(fēng)能及熱能高效利用控制系統(tǒng)的核心控制器為單片機(jī)，通過(guò)TC89C52單片機(jī)可調(diào)節(jié)抽油煙機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制蓄電池的充放電，對(duì)保溫箱進(jìn)行保溫，進(jìn)行水流量控制等，其工作原理如圖2所示，控制電路如圖3所示。

具體設(shè)計(jì)如下。

第一，風(fēng)力發(fā)電。安裝在抽油煙機(jī)出口處的風(fēng)力發(fā)電裝置在工作時(shí)將產(chǎn)生的電能持續(xù)不斷地給蓄電池充電。TC89C52單片機(jī)將接收的電能給蓄電池充電，當(dāng)檢測(cè)到蓄電池充滿電后自動(dòng)斷電。

第二，電池充電。燃?xì)庠詈腿細(xì)獗聿捎每沙潆姼呻姵兀鶕?jù)電池使用頻率及充放電特性，通過(guò)TC89C52單片機(jī)設(shè)定充電時(shí)間及斷電時(shí)間，自動(dòng)對(duì)燃?xì)庠詈腿細(xì)獗淼母呻姵剡M(jìn)行充電。

第三，煙霧濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)。煙氣濃度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)廚房煙氣濃度，當(dāng)煙氣濃度低于30mL/kL時(shí)，抽油煙機(jī)工作在低速;當(dāng)煙氣濃度介于30～60mL/kL時(shí)，抽油煙機(jī)自動(dòng)切換至中速;當(dāng)煙氣濃度介于60～100mL/kL時(shí)，抽油煙機(jī)自動(dòng)切換至高速;當(dāng)煙氣濃度超110mL/kL時(shí)，將自動(dòng)啟動(dòng)燃?xì)鈭?bào)警器報(bào)警，同時(shí)切斷燃?xì)夤?yīng)，確保安全。

3 水循環(huán)及余熱收集系統(tǒng)

當(dāng)燃?xì)庠顔?dòng)時(shí)，連鎖開關(guān)將循環(huán)水的供水開關(guān)打開，并隨著燃?xì)忾_放大小調(diào)節(jié)水閥開度，從而調(diào)節(jié)循環(huán)水流量。經(jīng)燃?xì)庠顮t盤加熱溫水，經(jīng)檢測(cè)，溫度達(dá)到設(shè)定值后流入水箱。當(dāng)水箱水量達(dá)到設(shè)定值后，自動(dòng)關(guān)閉循環(huán)水的進(jìn)水開關(guān)，此時(shí)打開水箱下部的反向水循環(huán)開關(guān)，繼續(xù)對(duì)加熱后的溫水進(jìn)行再次加熱，直至燃?xì)庠铌P(guān)閉。當(dāng)水箱溫度低于設(shè)定值，TC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)接通水箱加熱棒上的繼電器，對(duì)水箱內(nèi)的水加熱，達(dá)到水箱預(yù)設(shè)溫度后，TC89C52單片機(jī)控制的加熱棒繼電器斷開，加熱棒停止加熱，能量循環(huán)流程如圖4所示。

4 創(chuàng)新點(diǎn)及應(yīng)用

4.1 創(chuàng)新點(diǎn)

第一，通過(guò)對(duì)燃?xì)庠钣酂岬氖占M(jìn)行冷水加熱，并儲(chǔ)存于溫水箱備用，可減少燃?xì)馐褂茫档铜h(huán)境污染。

第二，通過(guò)傳感器檢測(cè)煙霧濃度，經(jīng)TC89C52單片機(jī)控制系統(tǒng)，可自動(dòng)調(diào)整抽油煙機(jī)轉(zhuǎn)速，減少電能使用，減少碳排放。

第三，利用抽油煙機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)能，帶動(dòng)小型風(fēng)力機(jī)發(fā)電，所得電能可用于水箱保溫，對(duì)燃?xì)庠铍姵亍⑷細(xì)獗黼姵氐冗M(jìn)行充電，減少一次性電池的使用，降低汞、鉛、金屬鎘的污染。

4.2 應(yīng)用前景

由于抽油煙機(jī)、燃?xì)庠钍敲恳粋€(gè)家庭必備的用電設(shè)備，故該控制系統(tǒng)的應(yīng)用前景廣闊，對(duì)減少碳排放量和降低一次性干電池使用造成的汞、鉛、金屬鎘等污染，提高能源利用效率，具有良好的促進(jìn)作用。

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