幾種太陽能熱水系統(tǒng)的火用分析(共14頁)

1、能源(nngyun)系統(tǒng)的評估原理 學(xué) 生：梁洪康學(xué) 號：20123884指導(dǎo)(zhdo)教師：解輝專 業(yè)：新能源科學(xué)與工程(gngchng) TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc419644463 一、引言(ynyn) PAGEREF _Toc419644463 h 3 HYPERLINK l _Toc419644464 二、太陽能系統(tǒng)的工作原理及主要(zhyo)類型 PAGEREF _Toc419644464 h 4 HYPERLINK l _Toc419644465 1.工作(gngzu)原理 PAGEREF _Toc419644465 h 4 HYPERLI

2、NK l _Toc419644466 2.主要類型 PAGEREF _Toc419644466 h 4 HYPERLINK l _Toc419644467 三、熱效率分析 PAGEREF _Toc419644467 h 6 HYPERLINK l _Toc419644468 1.集熱器瞬時熱效率 PAGEREF _Toc419644468 h 6 HYPERLINK l _Toc419644469 2.自然循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)熱效率 PAGEREF _Toc419644469 h 6 HYPERLINK l _Toc419644470 3.強(qiáng)制循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)熱效率 PAGEREF _To

3、c419644470 h 7 HYPERLINK l _Toc419644471 4.直流式太陽能熱水系統(tǒng)熱效率 PAGEREF _Toc419644471 h 7 HYPERLINK l _Toc419644472 四、火用效率分析 PAGEREF _Toc419644472 h 7 HYPERLINK l _Toc419644473 1、主要計算式 PAGEREF _Toc419644473 h 7 HYPERLINK l _Toc419644474 （1）熱水通過集熱器吸收的熱量火用 PAGEREF _Toc419644474 h 7 HYPERLINK l _Toc419644475

4、（2）管路溫差傳熱火用損 PAGEREF _Toc419644475 h 7 HYPERLINK l _Toc419644476 （3）管路散熱火用損失 PAGEREF _Toc419644476 h 8 HYPERLINK l _Toc419644477 （4）貯水箱溫差傳熱火用損 PAGEREF _Toc419644477 h 8 HYPERLINK l _Toc419644478 （5）貯水箱散熱火用損 PAGEREF _Toc419644478 h 8 HYPERLINK l _Toc419644479 (6)泵消耗轉(zhuǎn)移的熱量火用 PAGEREF _Toc419644479 h 8 H

5、YPERLINK l _Toc419644480 2、火用平衡方程及火用效率 PAGEREF _Toc419644480 h 8 HYPERLINK l _Toc419644481 （1）自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)火用平衡方程 PAGEREF _Toc419644481 h 8 HYPERLINK l _Toc419644482 (2) 強(qiáng)制循環(huán)式熱水系統(tǒng)火用平衡方程 PAGEREF _Toc419644482 h 9 HYPERLINK l _Toc419644483 (3) 直流式熱水系統(tǒng)火用平衡方程 PAGEREF _Toc419644483 h 9 HYPERLINK l _Toc419644

6、484 （4）火用效率計算式 PAGEREF _Toc419644484 h 9 HYPERLINK l _Toc419644485 五、計算模型及結(jié)果 PAGEREF _Toc419644485 h 9 HYPERLINK l _Toc419644486 1、計算模型 PAGEREF _Toc419644486 h 9 HYPERLINK l _Toc419644487 2、計算結(jié)果 PAGEREF _Toc419644487 h 9 HYPERLINK l _Toc419644488 （1）數(shù)據(jù)表格 PAGEREF _Toc419644488 h 9 HYPERLINK l _Toc419

7、644489 （2）圖像比較 PAGEREF _Toc419644489 h 10 HYPERLINK l _Toc419644490 六、結(jié)論分析 PAGEREF _Toc419644490 h 12 HYPERLINK l _Toc419644491 【參考文獻(xiàn)】 PAGEREF _Toc419644491 h 12 HYPERLINK l _Toc419644492 幾種太陽能熱水系統(tǒng)(xtng)的火用分析摘要(zhiyo) 運(yùn)用熱力學(xué)的熱平衡和火用分析原理，對幾種太陽能熱水系統(tǒng)(xtng)進(jìn)行了用能效率分析，我們針對熱效率和火用效率這兩項指標(biāo)來評價系統(tǒng)的用能效率。并根據(jù)設(shè)計模型計算出相

8、關(guān)數(shù)據(jù)對三種典型太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行比較。 關(guān)鍵詞 太陽能熱水系統(tǒng) 強(qiáng)制循環(huán) 自然循環(huán) 直流式 火用效率一、引言 70年代以來,我國對太陽能熱水系形成了具有我國特色的太陽能熱水技術(shù)與產(chǎn)業(yè),其產(chǎn)量、使用量均居全球之冠。目前大多數(shù)研究者將熱效率作為衡量太陽能熱水系統(tǒng)熱性能優(yōu)劣的主要標(biāo)準(zhǔn),但它只反映了能量在“量”上的關(guān)系,而沒反映出“質(zhì)”上的關(guān)系;同時,熱水系統(tǒng)中不可避免的存在因不可逆溫差造成可用能的損失（由于溫差傳熱過程中，效率不可能達(dá)到100%，而溫差傳熱又是不可逆的過程，所以一定會有一部分的能量既沒有由高溫物體傳給低溫物體，也沒有辦法再利用起來，我們就把這部分能量稱為不可逆溫差傳熱的可用能損失）

9、。因此,本文針對幾種典型的太陽能熱水系統(tǒng)進(jìn)行了用能效率的分析。二、太陽能系統(tǒng)的工作原理及主要類型1.工作原理太陽能熱水系統(tǒng)的主要工作原理分為兩個：熱虹吸水循環(huán)原理和集熱器吸熱原理。熱虹吸水循環(huán)原理利用冷水比熱水密度大，冷水下沉，熱水上升，形成自然對流循環(huán)、使水箱中的水逐漸變熱，達(dá)到設(shè)定的水溫為止。當(dāng)太陽強(qiáng)度不足以滿足循環(huán)需要的時候，可以在水循環(huán)閉路加一水泵，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制循環(huán)。集熱器吸熱原理利用太陽能熱水器的集熱器表面的特殊涂層實(shí)現(xiàn)，此涂層對太陽能可見光范圍具有很大的吸收率，吸收為熱以后，集熱器的散熱熱輻射波長在長波范圍，該涂層對長波的發(fā)射率很低，這樣就有效的保留了太陽能的熱量。再通過這種熱量將冷水

10、逐漸加熱為熱水。2.主要(zhyo)類型根據(jù)熱水動態(tài)流動方式(fngsh)，將太陽能熱水系統(tǒng)分為自然循環(huán)式、強(qiáng)制循環(huán)式和直流式三種主要類型。 圖(a)所示為自然循環(huán)式,依靠集熱器與貯水箱中水的溫差形成系統(tǒng)的熱虹吸壓頭,使水在系統(tǒng)中循環(huán),并將集熱器的有用(yu yn)收益?zhèn)鬏數(shù)剿渲杏枰再A存。在運(yùn)行過程中,集熱器出口的熱水由上循環(huán)管進(jìn)人水箱的上部,同時箱底的冷水由下循環(huán)管流人集熱器經(jīng)過一段時間,水箱中形成明顯的溫度分層,上部水溫已達(dá)到可供使用的水平。用熱水的同時由補(bǔ)給水箱向貯水箱底部補(bǔ)充冷水用熱水時，有兩種取熱水的方法。一種是有補(bǔ)水箱，由補(bǔ)水箱向儲水箱底部補(bǔ)充冷水，將儲水箱上層熱水頂出使用，其水

11、位由補(bǔ)水箱內(nèi)的浮球閥控制，有時稱這種方法為頂水法；另一種是無補(bǔ)水箱，熱水依靠本身重力從儲水箱底部落下使用，有時稱這種方法為落水法。Q0補(bǔ)給水帶人系統(tǒng)的熱量 Q1管路散熱損失 Q2貯水箱的熱量 Q3水箱散熱損失 QU集熱器獲得的有用熱量 圖(b)所示為強(qiáng)制循環(huán)式,唯一與自然循環(huán)式不同的是在集熱器前添加水泵,當(dāng)泵運(yùn)行時,系統(tǒng)以固定的大流量進(jìn)行循環(huán),在貯水箱內(nèi)引起劇烈的摻混,因此水箱內(nèi)溫度可視為均勻。系統(tǒng)運(yùn)行過程中，循環(huán)泵的啟動和關(guān)閉必須要有控制，否則既浪費(fèi)電能又損失熱能。通常溫差控制較為普及，有時還同時應(yīng)用溫差控制和光電控制兩種。溫差控制是利用集熱器出口處水溫和貯水箱底部水溫之間的溫差來控制循環(huán)泵

12、的運(yùn)行。用熱水時，同樣有兩種取熱水的方法：頂水法和落水法。頂水法是向貯水箱底(xingd)部補(bǔ)充冷水（自來水），將貯水箱上層熱水頂出使用；落水法是依靠熱水本身重力從貯水箱底部落下使用。在強(qiáng)制循環(huán)條件下，由于貯水箱內(nèi)的水得到充分的混合，不出現(xiàn)明顯的溫度分層，所以頂水法和落水法都一開始就可以取到熱水。頂水法與落水法相比，其優(yōu)點(diǎn)是熱水在壓力下的噴淋可提高使用者的舒適度，而且不必考慮向貯水箱補(bǔ)水的問題；缺點(diǎn)也是從貯水箱底部進(jìn)入的冷水會與貯水箱內(nèi)的熱水摻混。落水法的優(yōu)點(diǎn)是沒有冷熱水的摻混，但缺點(diǎn)是熱水靠重力落下而影響使用者的舒適度，而且必須每天考慮向貯水箱補(bǔ)水的問題。Q0補(bǔ)給水帶人系統(tǒng)(xtng)的熱量

13、 Q1管路(un l)散熱損失 Q2貯水箱的熱量 Q3水箱散熱損失 QU集熱器獲得的有用熱量 W1水泵帶入系統(tǒng)的能量 圖(c)所示為直流式,當(dāng)集熱器接收太陽輻射后,其內(nèi)部水溫升高,從而在系統(tǒng)中形成熱虹吸壓頭。熱水由上升管流人貯熱水箱,補(bǔ)給水箱中的冷水則自動下降進(jìn)人集熱器。系統(tǒng)(xtng)運(yùn)行過程中，為了得到溫度符合用戶要求的熱水，通常采用定溫放水(fn shu)的方法。集熱器進(jìn)口管與自來水管連接。集熱器內(nèi)的水受太陽輻射能加熱后，溫度逐步升高。在集熱器出口處安裝測溫元件，通過溫度控制器，控制安裝在集熱器進(jìn)口管理上電動閥的開度，根據(jù)集熱器出口溫度來調(diào)節(jié)集熱器進(jìn)口水流量，使出口水溫始終保持恒定。這種

14、系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性取決于變流量電動閥和控制器的工作質(zhì)量。有些系統(tǒng)為了避免對電動閥和控制器提出苛刻的要求，將電動閥安裝在集熱器出口處，而且電動閥只有開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)。當(dāng)集熱器出口溫度達(dá)到某一設(shè)定值時，通過溫度控制器，開啟電動閥，熱水從集熱器出口注入貯水箱，與此同時冷水（自來水）補(bǔ)充進(jìn)入集熱器，直至集熱器出口溫度低于設(shè)定值時，關(guān)閉電動閥，然后重復(fù)上述過程。這種定溫放水的方法雖然比較簡單，但由于(yuy)電動閥關(guān)閉有滯后現(xiàn)象，所以得到的熱水溫度會比設(shè)定值低一些。 Q0補(bǔ)給水帶人系統(tǒng)的熱量 Q1管路散熱損失 Q2貯水箱的熱量 Q3水箱散熱損失 QU集熱器獲得的有用熱量 三、熱效率分析1.集熱器瞬時熱效

15、率 =QUArI QU-集熱器獲得的有用熱量，單位KJ Ar-集熱器有效采光面積,單位m2 I -太陽(tiyng)瞬時輻射強(qiáng)度，單位KJ/ hm22.自然(zrn)循環(huán)式太陽能熱水系統(tǒng)熱效率 QU+Q0=Q1+Q2+Q3 熱效率 t=Q2QU+Q0 3.強(qiáng)制循環(huán)式太陽能熱水(r shu)系統(tǒng)熱效率 QU+Q0+W1=Q1+Q2+Q3 熱效率 t=Q2QU+Q0+W1 4.直流式太陽能熱水系統(tǒng)熱效率 QU+Q0=Q1+Q2+Q3 熱效率 t=Q2QU+Q0 四、火用效率分析 1、主要計算式（1）熱水通過集熱器吸收的熱量火用 E1=mCpT2-T1(1-T0T2-T1lnT2T1) m-質(zhì)量(z

16、hling)流量，單位kg/hCP-水的定壓比熱容，單位(dnwi)KJ/kgKT0-環(huán)境溫度，單位(dnwi)KT1-集熱器進(jìn)口溫度，單位KT2-集熱器出口溫度，單位K（2）管路溫差傳熱火用損 E2=Q1TU1T3-1Tm1 T3-貯水箱進(jìn)口溫度，單位K Tm1=T2+T32,單位K（3）管路散熱火用損失 E3=Q11-T0T2-T3lnT2T3 （4）貯水箱溫差傳熱火用損 E4=mCPT3-T4T01T4-1Tm2 T4-貯水箱出口溫度，單位K Tm2=T3+T42,單位K（5）貯水箱(shuxing)散熱火用損 E5=Q31-T0T3-T4lnT3T4 (6)泵消耗轉(zhuǎn)移(zhuny)的熱

17、量火用 EP=W13.680% 2、火用平衡(pnghng)方程及火用效率Ein-吸收的熱量火用Eef有效的熱量火用（1）自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)火用平衡方程 Ein=E1 Eef=E1-E2-E3-E4-E5 (2) 強(qiáng)制循環(huán)式熱水系統(tǒng)火用平衡方程 Ein=E1EP Eef=Ein-E2-E3-E4-E5 (3) 直流式熱水系統(tǒng)(xtng)火用平衡方程 Ein=E1 Eef=E1-E2-E3-E4-E5 （4）火用效率(xio l)計算式 e=EefEin 五、計算(j sun)模型及結(jié)果1、計算模型 按9月份晴朗天氣模型正午時的太陽輻射進(jìn)行計算，且熱水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，集熱器總采光面積為10.56m

18、2，正南向布置，傾角40o，輻射強(qiáng)度為I=3189KJ/m2h，自然循環(huán)式和直流式太陽能熱水系統(tǒng)的水質(zhì)量流量為200kg/h，強(qiáng)制循環(huán)式的質(zhì)量流量為280kg/h,定壓比熱取Cp=4. 1868KJ/(KgK)，環(huán)境溫度T=25oC，自然循環(huán)和直流式系統(tǒng)中集熱器進(jìn)、出口溫度分別為T1=26 oC, T2=49 oC,它們的貯水箱進(jìn)出口溫度分別為T3=47 oC, T4=40 oC和T3=43 oC, T4=40 oC;強(qiáng)制循環(huán)式集器進(jìn)、出口溫度分別為T1= 35 oC , T2= 54 oC，其貯水箱進(jìn)出口溫度分別為T3=5 oC和T4=45 oC,W1= 30W。熱效率分別按(3)、(5)、

19、(7)式計算，火用分析計算按式(8)到(20)中有關(guān)公式進(jìn)行計算。2、計算結(jié)果（1）數(shù)據(jù)(shj)表格圖一（2）圖像(t xin)比較 圖二圖三圖四六、結(jié)論(jiln)分析1.根據(jù)圖二，強(qiáng)制循環(huán)式熱水系統(tǒng)的熱效率和火用效率都是最高的，其次是自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)和直流式熱水系統(tǒng)。單從熱效率分析，強(qiáng)制循環(huán)式熱水系統(tǒng)的效率值比自然循環(huán)式高較多。然而從火用效率分析，兩者的效率值幾乎相同，再結(jié)合考慮強(qiáng)制循環(huán)式熱水系統(tǒng)的成本更高，而自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)在更低成本的情況下達(dá)到如此高質(zhì)量的能源利用率。所以一般生活(shnghu)用的熱水系統(tǒng)推薦自然循環(huán)式熱水系統(tǒng)。2.結(jié)合圖二、圖三，直流式熱水(r shu)系統(tǒng)的效率值和火用損值相比自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)式都不是很理想。但直流式熱水系統(tǒng)依然有許多優(yōu)點(diǎn)：其一，與強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)相比，不需要設(shè)置水泵；其二，與自然循環(huán)系統(tǒng)相比，貯水箱可以放在室內(nèi)；其三，與循環(huán)系統(tǒng)相比，每天較早地得到可用熱水，而且只要有一段見晴時刻，就可以得到