【正文】 熱器內(nèi)裝有吸氣劑 [4]。 這種集熱器的優(yōu)點(diǎn)是： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、可靠性強(qiáng)。 集熱效率高，保溫性能好。 可以在中高溫下運(yùn)行，也能在寒冷地區(qū)的冬季運(yùn)行。 使 用壽命長(zhǎng)，一年四季都可使用。 缺點(diǎn)： 管內(nèi)存水過多，管內(nèi)水溫上升緩慢，而且對(duì)于真空管南北放置的熱水裝置，管中的熱水無(wú)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(yán)寒地區(qū)使用會(huì)凍結(jié)。 價(jià)格昂貴。 熱管式太陽(yáng)能熱水器 熱管式熱水器也是一種可以常年使用的太陽(yáng)能設(shè)備，基本原理同熱管式太陽(yáng)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(duì)熱管的要求也比太陽(yáng)灶要低。甚至從滿足生活熱水的單項(xiàng)要求來(lái)說，這種熱管在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上均優(yōu)于真空集熱管。我國(guó)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(guó)外同類熱管式熱水器的產(chǎn)量和型號(hào)正在不斷增加。此種熱水器的熱管，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工質(zhì)易得，抗凍性和熱效率均好，使用壽命也長(zhǎng)。 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(gè)或省去了一個(gè)集水管，熱管上同樣可裝翅片吸收太陽(yáng)能。當(dāng)熱管收集到太陽(yáng)的熱之后，立刻把它輸送到集熱管，并在水箱中進(jìn)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(shí)， 因?yàn)闊峁軆?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(dòng)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(dān)心 00C 時(shí)水會(huì)結(jié)冰，也不怕高于 100℃時(shí)水會(huì)沸騰。 熱管―真空管式太陽(yáng)能熱水器 熱管―真空管式集熱器是一種新型的太陽(yáng)能集熱裝置，集中熱管式和真空管式集熱器二者的優(yōu)點(diǎn)，克服彼此的缺點(diǎn)。例如，利用熱管起動(dòng)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(wú)負(fù)荷悶曬時(shí)，往往會(huì)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(diǎn)在于絕熱性好 ，熱效率高。其原理是太陽(yáng)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(yáng)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(yùn)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(yùn)行條件下仍具有良好的熱性能，同時(shí)運(yùn)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(diǎn)，還有其顯著特點(diǎn) [5]。 這種集熱器的優(yōu)點(diǎn)： 耐冰凍。熱管由特殊的材料和工藝保證，即使在冬季長(zhǎng)時(shí)間無(wú)晴天及夜間的嚴(yán)寒條件下，真空管也不會(huì)凍裂。 啟動(dòng)快。熱管的熱容量很小，受熱后立即啟動(dòng)，因而在瞬變的太陽(yáng)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(diǎn)，即白天由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換的熱量可沿?zé)峁芟蛏蟼鬏斎ゼ訜崴归g被加熱的水的熱量不會(huì)沿?zé)峁芟蛳律l(fā)到周圍環(huán)境。 安裝維修方便。安裝方便，操作簡(jiǎn)單 ，易于固定，運(yùn)行可靠。 缺點(diǎn) : 生產(chǎn)成本。 技術(shù)要求高。 上面介紹了目前我國(guó)太陽(yáng)能熱水器的種類，并討論了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)。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(yáng)能熱水器的自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 研究的內(nèi)容 本課題研究的內(nèi)容是用 PLC 控制太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)自動(dòng)化控制及手工控制，使其滿足實(shí)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(jì)、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(jì)要求調(diào)試系統(tǒng)成功。 第二章 全玻璃真空管式太陽(yáng)能熱水器的綜述 太陽(yáng)能熱水器系統(tǒng)功能簡(jiǎn)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(jī)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(jī)開始進(jìn)行水箱的溫度采集，同時(shí)進(jìn)行溫度的比較，當(dāng)水箱中的溫度小于 370C 時(shí)，電熱器 D 接通進(jìn)行加熱，同時(shí)微機(jī)繼續(xù)對(duì)熱水箱的水溫進(jìn)行采集。當(dāng)溫度加熱到大于 370C 時(shí)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(shí)，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(gè)從系統(tǒng)。這時(shí)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。控制時(shí)段為 6點(diǎn)一 18 點(diǎn)，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(yáng)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(diǎn)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(huì)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(yáng)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(yáng)能利 用裝置 。 這種裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方位、不用專人管理，故己在全國(guó)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(jiǎn)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(bǔ)給水箱 4 供給循環(huán)水箱 3 所需的冷水。當(dāng)集熱器吸收太陽(yáng)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(jìn)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(duì)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(shí)，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(jiǎn)圖 1 一集熱器 2 一下降水管 3 一循環(huán)水管 4 一補(bǔ)給水箱 5 一上升水管 6 一自來(lái)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(yáng)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(gè)向上的動(dòng)力，構(gòu)成一個(gè)熱虹吸系統(tǒng) 。隨著熱水的不斷上移并儲(chǔ)存在儲(chǔ)水箱上部，同時(shí)通過下循環(huán)管不斷補(bǔ)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(yáng)能熱水器通常按自然循環(huán)方式工作，沒有外在的動(dòng)力，設(shè)計(jì)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(lái)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(dāng)水溫升高后，由于運(yùn)動(dòng)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(dāng)主管管徑不變時(shí)，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(dāng)主管管徑達(dá)到一定值以后，增加主管管徑對(duì)減小系統(tǒng)阻力意義不大 [8]。 太陽(yáng)能熱水器各單元介紹 集熱器 平板式太陽(yáng)能集熱器是平板式太陽(yáng)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(dāng)涂有黑色的金屬片置于陽(yáng)光下，即可吸收太陽(yáng)輻射能而升高溫度，同時(shí)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(shí)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(dá)到平衡溫度，金屬片便要不斷吸收太陽(yáng)的輻射能。利用這種原理，把帶有流道的金屬板封裝在一個(gè)保溫盒體中，上面蓋以玻璃，使太陽(yáng)的輻射能可以進(jìn)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(zhǎng)較長(zhǎng) 位于遠(yuǎn)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(yùn)行起來(lái)，還得配置適當(dāng)?shù)墓艿?，將集熱器與水箱有機(jī)的連接起來(lái)，才能 形成一個(gè)完整的循環(huán)系統(tǒng)。熱水器管道系統(tǒng)連接正確與否，對(duì)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(bǔ)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(bǔ)給水箱只與循環(huán)水箱相通，當(dāng)循環(huán)水箱水位低時(shí)，以補(bǔ)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(shí)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(jìn)水擋板。這樣冷水進(jìn)入循環(huán)水箱時(shí)，通過擋板使之?dāng)U散流入不致將箱內(nèi)上部熱水?dāng)嚮臁? 2）補(bǔ)給水箱 補(bǔ)給水箱是 供給冷水的水箱。自來(lái)水不是直接進(jìn)入循環(huán)。而是通過補(bǔ)給水箱來(lái)補(bǔ)給。這樣做的優(yōu)點(diǎn)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(jìn)出水管、排放熱水管等在水箱中的高度位置，它對(duì)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(dòng)放水時(shí)，它的熱水出水口位置較高。而采用人工放水時(shí)，熱水出水口位置應(yīng)較低。循環(huán)水箱內(nèi)的水溫達(dá)到一定溫度時(shí)，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(duì)熱水器的使用 習(xí)慣和人性化設(shè)計(jì)要求 , 設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有以下功能： 自動(dòng)控制功能。系統(tǒng)在自動(dòng)工作方式時(shí) 能自動(dòng)控制供水水泵的運(yùn)行與停止和各電磁閥的開關(guān)。定時(shí)控制器在斷電時(shí)正常計(jì)時(shí) ,故采用其作為 PLC 的電源控制。在定時(shí)控制時(shí)間內(nèi) ,由定時(shí)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(hào)的變化隨時(shí)調(diào)整程序的執(zhí)行。在非系統(tǒng)工作時(shí)間里 定時(shí)器自動(dòng)斷開 PLC 的電源。工作為 6～ 18 h?？衫枚〞r(shí)控制器和 PLC 自身具有的定時(shí)命令加以解決。 除塵功能。利用溫度開關(guān)檢測(cè) 環(huán)境溫度是否適合除塵 ,溫度開關(guān)為 4 ℃。除塵 用一個(gè)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(bào)警功能。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障指示燈閃爍且報(bào)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(shí)現(xiàn)手動(dòng) /自動(dòng)控制切換。 可編程控制器（ PLC）簡(jiǎn)介 可編程控制器（ PragrammableLogicController,簡(jiǎn)稱 PLC，是一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子系統(tǒng)，是在 20 世紀(jì) 60 年代末面向工業(yè)環(huán)境由美國(guó)科學(xué)家首先研制成功的。它采用可編程序的存儲(chǔ)器，其內(nèi)部存貯執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)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(jī)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(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)的。 P