东北农村冬季太阳能导热油取暖装置设计

第十届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛选题推举表工程东北农村冬季太阳能导热油取暖装置名称工程科技作品类：节能类、减排类、节能减排类； 类型社会实践类工程姓名教师推举职称人情姓名学生况联系 单位 联系 专业班级煤的使用给我国生态环境带来了巨大的破坏，尤其是冬季北方大量燃煤取暖导致全国雾霾加重，人们的安康受到了严峻的威逼。尽管政府一再呼吁并实行措施限制煤的开采和使用，还是解决不了煤照旧是北方地区冬季主要能源的问题。近年来，局部北方的城镇在国家的补贴和居民集资的前提下间续改进冬季取暖的方式，即通过燃烧自然气加热锅炉水循环以实现楼宇的地热或墙壁暖气片供暖；同时，工程政府加大投入建太阳能发电站以削减火力发电时煤的使用。这些措施虽然在城镇有乐观简介的意义，但是，燃煤和烧木材由于低本钱照旧是大量北方农村首选的取暖方式。目前室重内的供暖形式主要有三种：一是燃烧木材烘烤加热炕取暖；二是房间燃烧煤炉取暖；三点说是燃煤加热锅炉水在墙壁取暖片循环取暖。明选太阳能作为一种清洁能源，随着相关产品的渐渐增多和技术的不断改进，一般老题与百姓家庭的使用也越来越普及，最典型的要数太阳能热水器。但在东北地区，尤其是零竞赛下几十度的环境条件下，承受太阳能加热的热水取暖存在水管冻堵的现象。而且，温度宗旨到达 100水会蒸发。和主同样作为流淌介质的导热油相比较水有众多无可替代的优点。导热油化学性质稳题的关系定，不像轻质油那么简洁着火燃烧；吸热力气强，散热慢。在许用温度范围内，热稳定性好，270以内不易结焦；凝固点较低，-50以上不会分散，完全适用于东北极端的天气。另外，导热油不腐蚀设备，常温下与空气接触不易氧化，密封状态下可达几十年的使用寿命。假设再与只适合在 400以上高温范围使用的固态传热介质熔盐相比较， 在实现取暖的功能方面优势更加明显。所以，在我国东北地区农村，大规模推广和承受太阳能导热油取暖技术对于削减煤的燃烧和雾霾的产生有重大的意义。本工程的拟争论的内容主要包括以下几个局部：1、导热油的选型和传热计算（1） 导热油的选型：一般导热油在温度低于50时才有可能凝固，温度高于270时才可能结碳，不同型号的导热油工作范围略有不同，所以要依据冬季室内需要的取暖温度计算导热油的工作温度范围来确定选用的导热油型号。（2） 导热油导热系数的计算：水在 0100温度范围变化的导热系数为 0.550.683Wm，导热油的则小很多，及同样温度的水和导热油，导热油温度下降的速度慢得多。（3） 室内热量需求和导热油用量、价格的计算：依据室内面积大小计算每天需要的根本供热量，以及导热油的用量，依据约 10 元升的单价计算独立用户的供暖费用， 并同燃煤取暖费用进展比较和综合分析。2、取暖装置构造设计与参数选择拟争论的内容图 1 太阳能导热油取暖装置构造原理图如图 1 所示，太阳能对导热油的加热可以借鉴真空管式太阳能热水器，马上热水器真空管内的介质水换成导热油。屋顶加热后温度较高的导热油循环至真空保温的储油罐进展热量储存，当热量超过取暖所需热量时起动淡水换热器，一方面可以防止导热油温度过高；另一方面充分利用导热油充裕的能量给淡水加热以供用户使用。当需要进展室内取暖时，翻开室内旁通阀，借助导热油循环泵将储油罐里面的高温导热油循环至室内的换热油汀。（1） 真空管式太阳能集热器选择：通过对真空管式集热器的构造、光学原理和热力学原理进展分析，建立太阳能辐射强度的数学模型，对真空管式太阳能集热器的温度、能量效率和热损失等参数进展计算。初步可用每 m2 面积真空管的吸热功率为 800W 来估算，真空管两端用可伐合金密封。（2） 真空蓄热器储油罐的选择：真空蓄热器承受热水瓶式夹层构造，夹层中间为真空以保持导热油的热量不流失。设计方面包括箱体材料的选择，依据所需要热量和热损失进展的蓄热器容积的计算，同时还要考虑蓄热器的安装位置尽可能靠近室内取暖地点以削减循环管路的长度，真空蓄热器考虑到导热油温度上升后的膨胀，可以在油的液面上面留有布满氮气的空间。（3） 导热油循环泵的选择：白天或者寻常不用取暖时循环泵需要将被太阳能加热过后的真空管内的导热油循环到真空蓄热油箱储存热量，取暖时开通室内旁通阀，将蓄热器的高温导热油循环到油汀取暖片。为此，循环泵应满足以上功率和扬程的要求，依据东北农村住房的特点和循环的导热油量，选用 5m 扬程，200W 功率的循环泵能满足要求。3、导热油温把握一个把握系统包括软件、硬件和把握算法，把握系统设计主要是人工本钱，在实际的产品中把握器的本钱是比较低的，所以一旦把握系统在取暖装置中能够正常运行，就根本不会增加整个初装费用。把握有多种方法，包括双位把握或规律关系把握；定值的闭环把握。本装置对导热油温度的把握可承受简洁的双位把握，这主要是把握冬季环境温度较低时当油温下降到取暖温度下限值时起动电加热。油温把握可以通过两种方式来实现，一种是用温度传感器测量油汀取暖片内的油温，依据人感知的舒适程度设定油温的参数区间；另一种是测量室内的环境温度并设定室内温度区间来打算是否启动导热油循环泵，以便将蓄热器中的高温导热油循环到油汀取暖片。在导热油热量充分且有充裕的状况下，导热油温不得超过设计值，那么在装置的设计中必需考虑到带走导热油的热量。最可行和直接的方法就是在真空蓄热器里面事先布置不锈钢盘管，为后面循环冷水做预备，这样一方面吸取了导热油多余的热量，另一方面也得到了日常生活中可以使用的热水，同样节约了能量，削减了加热淡水时燃煤和电能的使用。但是水的工作温度范围较小，而且是直接给用户使用的，需要一个固定的温度值，就可以承受定值把握了。（1） 基于室内温度的把握系统设计：室内温度可以比较便利地用温度传感器测量，全部的空调系统就是利用该原理起停压缩机。本装置也可以设定一个上下限温度，当室温低于下限值时开起循环泵和室内旁通阀，假设蓄热器由于阴天或者白天光照缺乏没有储存足够的热量，则可以直接关闭室内旁通阀之外的太阳能系统而承受电加热的方法加热室内取暖片中的导热油，这就等同于是一个一般的电热油汀。温度高于上限值关闭室内旁通阀。这种室内温度感知的优点是可以将上下限值进展合理设置，而起到节约热能和电能的目的。解决了燃烧木材和燃煤造成的室内温度过高铺张热量的问题。（2） 基于室内取暖片温度的把握系统设计：取暖片底部装有两组电加热装置，一档是两个热电阻同时加热的高温档；一档是一个热电阻加热的低温档。可以通过检测取暖片内的油温是否在上下限油温范围内来打算是否开启循环泵和室内旁通阀，当没有太阳能时同上面一样启用电加热。电加热可选择低档或高档加热。id（3） 水温的把握：温度是惯性大的物理量，传统的温度把握用 PID，虽然把握方法简洁，但是超调量、调整时间和上升时间等把握参数指标在实际的 PID 把握系统中不太稳定和抱负，尤其是PB、T 、T 等参数的最优组合是很难找到的，而且参数一旦变动将不简洁恢复到最好的把握效果。为此本工程将承受现代把握理论中的滑模变构造把握算法，把水温把握系统当作非线性系统来争论，建立准确的数学模型，保持它的原始非线性特性，再进展把握。其把握流程如图 2 所示。图 2 温度把握流程图为了更好地实施该工程，前期毛小兵教师在航海楼二楼试验室水温、水位把握台架上做了基于滑模变构造把握算法的温度试验，所取得的争论成果可以在该工程中得到较好的应用。即先建立系统的准确数学模型， cm1dT=1Qdt1dT- a(T11- T) F21 cm22= a(T dt21- T) F22- cku(T222- T)0再求出把握器的构造形式：11u + = d=-1 (c x( 12- a T - b T1 11 2+ k s + e )s 01 1 )11u 0d -1 c x- a T- b T+ k ss= 0 11( 121 11 21 1)1u - = d -1 c x- a T - b T+ k s - es 011121 11 21 111通过在试验装置上进展比照 PID 把握方法的试验效果，可以看消灭代的滑模把握算法对大惯性的温度把握格外适用。如图 3 和图 4 所示：图 3 PID 温度把握效果图图 4 滑模温度把握效果图以上双位把握局部可以承受开关、接触器和继电器等简洁的电气元件或者 PLC 来实现；而水温的把握涉及到数学模型的建立、把握算法的实现，宜承受嵌入式单片机系统来进展把握。其中，把握局部可以依据争论进度、经费的预算等因素进展灵敏的调整； 也可以把简洁的把握作为后续的争论。预期可取得的与经济效益和社会效益相关的成果：1. 削减燃煤的使用。本装置的争论最重要的目的就是学习兴盛国家逐步取缔煤的使预期用。考虑冬季的阴天和雨天，该取暖装置投入使用后能削减 1/31/2 的燃煤使用量。取得2. 削减室内 CO 和 CO 的排放以及减轻室外大气中雾霾的产生。传统的取暖方式除2的成了造成自身室内生活环境的污染之外，还会带来大气环境的破坏，该装置承受科学的、果环保的取暖方式一方面改善自身的生活环境；另一方面为群众的减排做出自己的奉献。3. 可以实现不同环境温度对水资源的合理利用。北方农村冬季为了节约费用，加上低温结冰的影响，很多农户在洗澡等用水方面尽量削减。本装置充分利用阳光充分时来获得尽可能多的不需要进展其次次投资的热水。4. 维护和改善农村环境，为城镇化、现代化和智能化的推动打下良好的根底。本工程的实施除了节能减排的目的之外，还为太阳能在农村的大力推广与合理利用打下了根底。同欧美兴盛资本主义国家一样，农村的城镇化需要独立的供电系统、供热和制冷系统、生活污水处理系统，加上学校、医院、超市和消遣等设施的配备以及农业的机械化普及，现代化农村的美景必将呈现。预期完成的形式上的成果：1、基于太阳能加热的导热油取暖装置方案，制造专利 12 项；2、重要期刊或 EI 检索以上国际会议发表相关论文 23 篇；3、装置全套工程图和缩小版装置实物。经费工程单位/元图书资料费调研费设备费测试费2023在试验室进展装置实体测试所需，以及关心设备测试；加工费2023加工蓄热油箱试验材料费3000导热油等其他4500发表学术论文，申请国家专利。总计19000备注：不够的费用由教师工程解决经费预算50020235000打印、复制所需材料，装订最终说明书，购置相关书籍 到导热油和太阳能厂家实地考察，了解现有的热油加热和太阳能使用的现状购置电机设备、温度传感器、取暖片及真空管等；科技作品实物 、产品模型 图纸磁盘 现场演示类作图片录像 样品品可呈现的形社会实践走访问卷 现场采访人员介绍个别交谈 亲临实践类调会议图片、照片书报刊物 统计报表查方影视资料文件 集体组织自发其它式