【正文】 熱器內(nèi)裝有吸氣劑 [4]。 這種集熱器的優(yōu)點是： 結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、可靠性強。 集熱效率高，保溫性能好。 可以在中高溫下運行，也能在寒冷地區(qū)的冬季運行。 使 用壽命長，一年四季都可使用。 缺點： 管內(nèi)存水過多，管內(nèi)水溫上升緩慢，而且對于真空管南北放置的熱水裝置，管中的熱水無法全部取出，致使系統(tǒng)熱水利用率降低。 不能承壓，易在玻璃管內(nèi)結(jié)垢，管子易炸裂，而且在嚴寒地區(qū)使用會凍結(jié)。 價格昂貴。 熱管式太陽能熱水器 熱管式熱水器也是一種可以常年使用的太陽能設(shè)備，基本原理同熱管式太陽灶差不多。但是，由于一般提供洗浴用的熱水溫度不太高，所以對熱管的要求也比太陽灶要低。甚至從滿足生活熱水的單項要求來說，這種熱管在技術(shù)上和經(jīng)濟上均優(yōu)于真空集熱管。我國大連生產(chǎn)的熱管 式熱水器雖然初始投資高于平板式集熱器，但是低于真空管集熱器，而使用效果也不差。國外同類熱管式熱水器的產(chǎn)量和型號正在不斷增加。此種熱水器的熱管，結(jié)構(gòu)簡單，工質(zhì)易得，抗凍性和熱效率均好，使用壽命也長。 熱管式熱水器在外形結(jié)構(gòu)上很象管板式熱水器，只不過把普通排管變成了熱管，少個或省去了一個集水管，熱管上同樣可裝翅片吸收太陽能。當熱管收集到太陽的熱之后，立刻把它輸送到集熱管，并在水箱中進行換熱，于是得到熱水。由于熱量是由熱管輸送、選擇合適的工質(zhì)與管材、管芯，就能保證其化學(xué)相容性，避免一般管板式熱水器的腐蝕性。同時， 因為熱管內(nèi)的工質(zhì)很少，不像管板式熱水器里面充滿著水，所以熱損較低，起動也較快。而且熱管式熱水器的工作溫度范圍也比管板式熱水器寬得多，不用擔心 00C 時水會結(jié)冰，也不怕高于 100℃時水會沸騰。 熱管―真空管式太陽能熱水器 熱管―真空管式集熱器是一種新型的太陽能集熱裝置，集中熱管式和真空管式集熱器二者的優(yōu)點，克服彼此的缺點。例如，利用熱管起動快，一通過不同工質(zhì)可以控制熱水器的工作溫度，而真空管集熱器在無負荷悶曬時，往往會出現(xiàn)超過 200℃的高溫，使水的壓力增大，造成使用中的不便等。但真空管集熱器的優(yōu)點在于絕熱性好 ，熱效率高。其原理是太陽輻射穿過真空管玻璃外殼，投射在金屬吸熱板上，吸熱板將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，使熱管蒸發(fā)段內(nèi)的傳熱介質(zhì)汽化。蒸汽上升到熱管冷凝段后，通過導(dǎo)熱塊將熱量傳遞給集熱管內(nèi)的工質(zhì)，而自身又凝結(jié)成液體，依靠重力流回蒸發(fā)段。上述過程重復(fù)循環(huán)，使集熱管內(nèi)的工質(zhì)不斷升溫。由于運用了真空技術(shù)，大幅度降低了集熱器的熱損失，因而使其在高工質(zhì)溫度或低環(huán)境溫度的運行條件下仍具有良好的熱性能，同時運用了熱管技術(shù)，被加熱工質(zhì)不直接流經(jīng)真空管，因而跟普通平板式集熱器和真空管集熱器比較，熱管式真空集熱器除了工作溫度高，承壓 能力大和耐熱沖擊性能好等優(yōu)點，還有其顯著特點 [5]。 這種集熱器的優(yōu)點： 耐冰凍。熱管由特殊的材料和工藝保證，即使在冬季長時間無晴天及夜間的嚴寒條件下，真空管也不會凍裂。 啟動快。熱管的熱容量很小，受熱后立即啟動，因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量，而且在多云間晴的低日照天氣也能將水加熱。 保溫好。熱管具有單向傳熱的特點，即白天由太陽能轉(zhuǎn)換的熱量可沿熱管向上傳輸去加熱水，而夜間被加熱的水的熱量不會沿熱管向下散發(fā)到周圍環(huán)境。 安裝維修方便。安裝方便，操作簡單 ，易于固定，運行可靠。 缺點 : 生產(chǎn)成本。 技術(shù)要求高。 上面介紹了目前我國太陽能熱水器的種類，并討論了它們各自的優(yōu)缺點。最后，在此基礎(chǔ)上提出了本文研究的主要內(nèi)容為全玻璃真空管太陽能熱水器的自動控制系統(tǒng)的設(shè)計。 研究的內(nèi)容 本課題研究的內(nèi)容是用 PLC 控制太陽能熱水器系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能熱水器系統(tǒng)自動化控制及手工控制，使其滿足實際各種控制需要、使更多的工作免于人參與、使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。具體研究工作從以下方面展開： 1）確定系統(tǒng)的各種工序，繪制系統(tǒng)的工藝流程圖。 2） PLC 選型及 I/O 分配。 3）設(shè)計、繪制梯形圖，滿足各控制要求。 4）繪制電氣原理圖、外部接線圖等。 5）依據(jù)設(shè)計要求調(diào)試系統(tǒng)成功。 第二章 全玻璃真空管式太陽能熱水器的綜述 太陽能熱水器系統(tǒng)功能簡介 圖 2― 1 熱水器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖 圖 2― 2 系統(tǒng)控制原理圖 : 注釋 : Tl，熱水箱的溫度傳感器 T2，循環(huán)水管中的溫度傳感器 T3，集熱器中的溫度傳感器 F1，循環(huán)水閥門 F2，冷水閥門 F3，熱水閥門 此款熱水器利用微機控制主要有以下兩種控制功能 :水溫控制、水箱加熱控制。 水溫 控制 為了提供溫度不低于 37 攝氏度的水，具體控制過程如下： 首先，關(guān)閉冷水閥門 F2 和循環(huán)水閥門 F1，然后微機開始進行水箱的溫度采集，同時進行溫度的比較，當水箱中的溫度小于 370C 時，電熱器 D 接通進行加熱，同時微機繼續(xù)對熱水箱的水溫進行采集。當溫度加熱到大于 370C 時電熱器D 斷開，如此反復(fù)循環(huán)保證了溫度的穩(wěn)定。 水箱加熱控制 如果沒有日照或者日照很弱時，到了晚上我們是否還能洗上熱水澡呢 ?答案是肯定的，不要忘了這款熱水器還有一個從系統(tǒng)。這時它就要發(fā)揮作用了。熱水箱溫度為 T1，將它和設(shè)定值 N 相比較，從而控制是 否打開電加熱?？刂茣r段為 6點一 18 點，具體過程如下 : 若 Tl N，電加熱接通 。否則，電加熱斷開。最終熱水箱的溫度加熱到設(shè)定值 N。由此可見，即使沒有日照我們照樣可以洗上熱水澡了。 太陽能熱水器組成、原理和工作過程 在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，需要大量的熱水。這類熱水的特點是用水量較大而水溫不高，一般為 400C ~600C。如淋浴的水溫在 350C~400C 之間，超過 600C就會感到太熱。工業(yè)上為了清除油污，熱水溫度要高一些，但一般在 900C 左右。太陽能熱水器能提供的熱水，是目前使用最為普遍和效果最好的太陽能利 用裝置 。 這種裝置結(jié)構(gòu)簡單、使用方位、不用專人管理，故己在全國推廣使用。 熱水器組成及原理 熱水器主要由集熱器、循環(huán)管道和水箱等組成。下圖為典型的熱水器裝置簡圖。圖中集熱器 1 按最佳傾角放置，下降水管 2 的一端與循環(huán)水箱 3 的下部相連，另一端與集熱器 1 的下集管接通。上升水管 5 與循環(huán)水箱 3 的上部相連，另一端與集熱器 1 的上集管相接。補給水箱 4 供給循環(huán)水箱 3 所需的冷水。當集熱器吸收太陽輻射后，集熱器內(nèi)溫度上升，水溫也隨之升高。水溫升高后，水的比重減輕，經(jīng)上升水管進入循環(huán)水箱上部。而循環(huán)水箱下部的冷水，比重較大，就由 水箱下部流到集熱器下方，在集熱器內(nèi)受熱后又上升。這樣不斷對流循環(huán)，水溫逐漸提高，直到集熱器吸收的熱量與散失的熱量相平衡時，水溫不再升高。這種熱水器利用循環(huán)加熱的原理，因此又稱為循環(huán)式熱水器 [6][7]。 熱水器裝置簡圖 1 一集熱器 2 一下降水管 3 一循環(huán)水管 4 一補給水箱 5 一上升水管 6 一自來水管 7 一熱水出水管 熱水器的基本工作過程 1） 吸熱過程。太陽輻射透過玻璃蓋板，被集熱板吸收后沿肋片和管壁傳遞到吸熱管內(nèi)的水。吸熱管內(nèi)的水吸熱后溫度升高，比重減小而上升，形成一個向上的動力，構(gòu)成一個熱虹吸系統(tǒng) 。隨著熱水的不斷上移并儲存在儲水箱上部，同時通過下循環(huán)管不斷補充溫度較低的水，如此循環(huán)往復(fù)，最終整箱水都升高至一定的溫度。 2） 水循環(huán)管路。家用太陽能熱水器通常按自然循環(huán)方式工作，沒有外在的動力，設(shè)計良好的系統(tǒng)只要有 5℃ ~6℃以上的溫差就可以循環(huán)很好。水循環(huán)管路、管徑及管路分布的合理性直接影響到集熱器的熱交換效率。 多數(shù)情況下，自然循環(huán)家用熱水器系統(tǒng)管路中的流態(tài)都可以視為層流。 集熱器內(nèi)管路系統(tǒng)的阻力主要來自沿程阻力，局部阻力的影響要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。當水溫升高后，由于運動粘度減 小，沿程阻力變小，局部阻力的影響變大。在一定范圍內(nèi)，當主管管徑不變時，加大支管管徑，不僅沿程阻力迅速減小，而且局部阻力也將跟著減小。一般地，支管的半徑應(yīng)在 10mm 以上。當主管管徑達到一定值以后，增加主管管徑對減小系統(tǒng)阻力意義不大 [8]。 太陽能熱水器各單元介紹 集熱器 平板式太陽能集熱器是平板式太陽能熱水器的主要部件，它由透明玻璃、吸熱體、保溫層等組成。當涂有黑色的金屬片置于陽光下，即可吸收太陽輻射能而升高溫度，同時也向四周散發(fā)熱量。若它吸收的能量與散發(fā)的能量相等，此時金屬片就不再升溫，這就叫“平衡溫 度”。如果在金屬片內(nèi)有流道，流體把熱量不斷帶走，為了達到平衡溫度，金屬片便要不斷吸收太陽的輻射能。利用這種原理，把帶有流道的金屬板封裝在一個保溫盒體中，上面蓋以玻璃，使太陽的輻射能可以進入盒體，集熱器由于吸熱體溫度較低，其發(fā)射出的大部分輻射能波長較長 位于遠紅外區(qū)域 ，這些輻射不能穿透玻璃而被阻隔在集熱器的空腔內(nèi)，從而產(chǎn)生了所謂的溫室效應(yīng)，提高了集熱器的集熱效率。 循環(huán)管道 在熱水器平面布置方案確定后，集熱器與循環(huán)水箱已基本確定。但要熱水器運行起來，還得配置適當?shù)墓艿?，將集熱器與水箱有機的連接起來，才能 形成一個完整的循環(huán)系統(tǒng)。熱水器管道系統(tǒng)連接正確與否，對熱水器循環(huán)系統(tǒng)的效率也有很大影響。 熱水器水箱及水箱配置 水箱是熱水器重要組成部分。它包括循環(huán)水箱和補給水箱；循環(huán)水箱與集熱器上下水管相連，供熱水循環(huán)之用。補給水箱只與循環(huán)水箱相通，當循環(huán)水箱水位低時，以補給冷水之用。 1）循環(huán)水箱 它的作用是保持最高水位平面，同時讓水中空氣由此處排出，避免帶入管道系統(tǒng)，以致造成氣阻損失。 循環(huán)水箱的下部均裝有冷水進水擋板。這樣冷水進入循環(huán)水箱時，通過擋板使之擴散流入不致將箱內(nèi)上部熱水攪混。 2）補給水箱 補給水箱是 供給冷水的水箱。自來水不是直接進入循環(huán)。而是通過補給水箱來補給。這樣做的優(yōu)點是使冷水和熱水隔開，保持循環(huán)水箱中的熱水水溫穩(wěn)定。 3）水箱配管 水箱配管是指進出水管、排放熱水管等在水箱中的高度位置，它對排放水溫起著主要作用。因此，熱水出水管位置愈高，其熱水排放溫度亦愈高；為此，采用定溫自動放水時，它的熱水出水口位置較高。而采用人工放水時，熱水出水口位置應(yīng)較低。循環(huán)水箱內(nèi)的水溫達到一定溫度時，將箱內(nèi)熱水幾乎全部放掉，然后放入冷水再重新循環(huán)加熱。一般人工放水一天中 12 次。 系統(tǒng)的要求 根據(jù)人們對熱水器的使用 習(xí)慣和人性化設(shè)計要求 , 設(shè)計的控制系統(tǒng)具有以下功能： 自動控制功能。系統(tǒng)在自動工作方式時 能自動控制供水水泵的運行與停止和各電磁閥的開關(guān)。定時控制器在斷電時正常計時 ,故采用其作為 PLC 的電源控制。在定時控制時間內(nèi) ,由定時器接通 PLC 的電源 ,PLC 按預(yù)先編制的程序依次打開各控制設(shè)備電源 ,并根據(jù)輸入信號的變化隨時調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時間里 定時器自動斷開 PLC 的電源。工作為 6～ 18 h?？衫枚〞r控制器和 PLC 自身具有的定時命令加以解決。 除塵功能。利用溫度開關(guān)檢測 環(huán)境溫度是否適合除塵 ,溫度開關(guān)為 4 ℃。除塵 用一個電磁閥連續(xù)工作 2 min。 水箱液位控制功能。水箱 200 L ,液位控制在 180 L 。 水箱應(yīng)具備供熱水、保溫的基本功能。 報警功能。當出現(xiàn)故障時，故障指示燈閃爍且報警電鈴響起 ,操作人員可以按下“消音”按鈕以解除鈴響，但故障指示燈仍在閃爍；直到故障消除；故障指示燈才停止閃爍。 節(jié)水功能。供水閥供水 5 min，停 2 min。 可實現(xiàn)手動 /自動控制切換。 可編程控制器（ PLC）簡介 可編程控制器（ PragrammableLogicController,簡稱 PLC，是一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，是在 20 世紀 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)和算術(shù)運算等操作指令，并通過數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。可編程序控制器及其有關(guān)設(shè)備，都是按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一體、易于擴充其功能的原則設(shè)計的。 P