新能源集成廚用加熱系統(tǒng)

蔡長(zhǎng)庸，惠 堯，陳 彤，翟雪發(fā)，戰(zhàn)洪仁，曾祥福

(沈陽化工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142)

目前我國(guó)主流商用和家用爐灶大多采用開放式的燃燒方式，在開放式燃燒過程中，能量只有很少一部分傳遞給被加熱器皿，其他大部分能量在火焰流動(dòng)中散失到環(huán)境中，加熱效率在30 %以下.另外，在開放式燃燒過程中還存在很多燃料燃燒不完全的狀況，不但增加了熱損失，而且還產(chǎn)生了有毒有害氣體.傳統(tǒng)加熱爐不僅熱效率低、污染環(huán)境,還存在一定的安全隱患.太陽能作為地球上最廣泛的可再生能源，熱管作為當(dāng)代一門新興技術(shù)，它的傳熱效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了任何一種已知金屬[1-2]，可以以很小的截面遠(yuǎn)距離輸送大量的熱而無需外加動(dòng)力[3]，因而受到廣大研究者的青睞，若能通過太陽能和熱管技術(shù)的結(jié)合在餐飲、取暖領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用、推廣會(huì)產(chǎn)生巨大反響，為供熱行業(yè)帶來巨大收益的同時(shí)為我國(guó)節(jié)省大量的資源，符合我國(guó)“節(jié)能減排”的大政方針，對(duì)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)有著重要意義.為此本文研制出一款新型的太陽能加熱器，有效地解決傳統(tǒng)加熱爐具的弊端，為用戶打造高品質(zhì)的生活環(huán)境.

1 新能源集成廚用加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

(1)利用熱力學(xué)第一定律、熱力學(xué)第二定律[4]，通過集熱器將太陽的輻射能轉(zhuǎn)換為熱能加熱熱管，熱管將熱能通過介質(zhì)傳輸?shù)搅硪欢薣5-6]，給用戶提供熱源，完成能量的轉(zhuǎn)換和傳遞的需求，如圖1所示.

圖1 熱管工作簡(jiǎn)圖

(2)通過電池板將太陽能轉(zhuǎn)化成電能儲(chǔ)存于蓄電池，以備天氣不合適時(shí)使用.

1.2 新能源集成廚用加熱系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)由室內(nèi)和室外兩部分組成，如圖2所示.室外主要是由太陽能集熱器與熱管組成，太陽能通過太陽能集熱器傳遞給熱管，熱管將太陽能轉(zhuǎn)換成熱能，并傳遞給室內(nèi)的主灶加熱器具.由于熱管的高效傳熱，實(shí)現(xiàn)了太陽能的高效利用；同時(shí)，引入太陽能電池板，用蓄電池對(duì)太陽能電池板轉(zhuǎn)化的電能進(jìn)行收集和儲(chǔ)存，解決加熱設(shè)備空閑時(shí)棄光的問題；利用熱二極管與熱開關(guān)(圖3和圖4)實(shí)現(xiàn)了熱量需求高低的可控[7]，節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)熱量的最大化利用；應(yīng)用溫度計(jì)與控制臺(tái)，除了可直觀地了解爐灶的溫度外，還為設(shè)備的安全性能提供保障，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠理念.

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

圖3 熱二極管

圖4 熱開關(guān)

2 新能源集成廚用加熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 熱管的選取設(shè)計(jì)

根據(jù)民用電磁爐最高溫度一般要求控制在250 ℃左右，功率在2 000 W左右，因此選用質(zhì)地堅(jiān)硬、延展性好、熱導(dǎo)率高的紫銅管作為殼體材料；考慮到與殼體的相容性[1]、工作溫度及經(jīng)濟(jì)性，選擇水作為工作介質(zhì)的銅-水熱管[8-9]作為加熱系統(tǒng)的加熱源.

2.2 太陽能集熱器的選取設(shè)計(jì)

產(chǎn)品采用圓弧凹槽式太陽能集熱器，利用凹面鏡聚光集熱原理[10]，聚光光線在熱管的加熱段如圖5～圖7所示，使其功率不超過2 000 W，以保證溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度值，根據(jù)集熱器面積計(jì)算公式，加熱系統(tǒng)所需集熱器的面積應(yīng)為

式中：Ac為集熱器面積，m2；Qout為集熱器的輸出功率，選取為2 000 W；f為太陽能保證率，選取為0.5；JT為年平均日太陽輻照量，選取為5 400 kJ/m2；ηcd為集熱效率，選取為0.48；ηL為熱損失率，選取為0.2.

圖5 熱管與凹面鏡裝配圖

圖6 凹面鏡直觀圖

圖7 凹面鏡聚光原理

2.3 太陽能電池板的選取設(shè)計(jì)

目前，太陽能電池板主體材料采用多晶硅光伏電池，按有效日照時(shí)間6 h、電池板實(shí)際使用效率0.7計(jì)算[11-12]，產(chǎn)生2 000 W·h電能所需太陽能電池板輸出功率為2 000 W·h÷6 h÷0.7=476.19 W.

一片0.156 m×0.156 m多晶太陽能板的電池效率約為3.9 W，故需476.19÷3.9=122片，面積為122×0.156×0.156=2.97 m2.

3 新能源集成廚用加熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)加熱灶的對(duì)比

新能源集成廚用加熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)加熱灶的綜合性能對(duì)比如表1所示.

表1 新能源集成廚用加熱系統(tǒng)與傳統(tǒng)加熱灶的對(duì)比

注：再創(chuàng)新性是指改進(jìn)與加入新功能的前景，如智能化、加入煙機(jī)、加入消毒柜等功能.

綜合各方面的對(duì)比可知：新能源集成式廚用加熱系統(tǒng)從成本、功能、環(huán)保、安全、效率等方面均比傳統(tǒng)式加熱爐有優(yōu)勢(shì)；經(jīng)濟(jì)價(jià)值與應(yīng)用價(jià)值相比較高，有一定的推廣價(jià)值.

4 結(jié) 論

設(shè)計(jì)了一款新能源集成式廚用加熱系統(tǒng)，不但大大減少了能源的消耗，而且降低了環(huán)境污染，打造了綠色品質(zhì)生活.該系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)很好地將可再生能源太陽能與高效傳熱熱管相結(jié)合，設(shè)計(jì)了綠色、節(jié)能、安全的廚具，是獨(dú)具想象力的創(chuàng)新之舉，引領(lǐng)了城市未來生活.

(2)該廚用加熱器運(yùn)行成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易使用，不易損壞，使用壽命長(zhǎng).

(3)不使用化學(xué)燃料，清潔、無污染.

(4)此裝置設(shè)計(jì)合理，具有較高的科學(xué)性、先進(jìn)性，具有較強(qiáng)的理論依據(jù).推廣前景大，應(yīng)用價(jià)值高，與傳統(tǒng)加熱灶對(duì)比有較高的可行性，現(xiàn)實(shí)意義明顯.