專利名稱：太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器及檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是通過(guò)利用太陽(yáng)能加熱多孔介質(zhì)材料，而空氣通過(guò)多孔介質(zhì)材料時(shí)被 加熱，出口得到可為空氣調(diào)節(jié)利用的高溫空氣，所以本實(shí)用新型屬于可再生能源里的太陽(yáng) 能利用、熱能動(dòng)力以及材料領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
21世紀(jì)，人類面臨實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大挑戰(zhàn)，在有限可利用資源和 環(huán)境可承載能力的雙重制約下，如何持續(xù)發(fā)展經(jīng)濟(jì)已成為全球關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，其中，能源 資源的不斷匱乏與能源需求的急劇增加是當(dāng)今急需解決的主要矛盾問(wèn)題之一。而我國(guó)屬太 陽(yáng)能資源豐富的國(guó)家之一，陸地面積每年接受的太陽(yáng)輻射能相當(dāng)于2. 4X IO4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤， 約等于數(shù)萬(wàn)個(gè)三峽工程發(fā)電量的總和。如果將這些太陽(yáng)能有效利用，對(duì)于緩解我國(guó)的能源 問(wèn)題、減少(X)2的排放量、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、確保經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中的能源持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)等都將 具有重大而深遠(yuǎn)的意義。所以，由于太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量的“無(wú)限性”，存在的普遍性，利用的清 潔性，開(kāi)發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等若干明顯的優(yōu)越特性，必將在世界能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換中擔(dān)綱重任，成為理 想的替代能源之一。太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換和利用方式主要有光-電轉(zhuǎn)換、光-熱轉(zhuǎn)換和光-化學(xué)轉(zhuǎn)換等。利 用光產(chǎn)生伏打效應(yīng)原理制成的太陽(yáng)能電池，可將太陽(yáng)的光能直接轉(zhuǎn)換成電能，稱為光-電 轉(zhuǎn)換，即太陽(yáng)能光電利用。光-化學(xué)轉(zhuǎn)換目前處于研究階段，這種轉(zhuǎn)換技術(shù)包括半導(dǎo)體電極 產(chǎn)生電而電解水產(chǎn)生氫、利用氫氧化鈣或者金屬氫化物熱解儲(chǔ)能等內(nèi)容。接收或聚集太陽(yáng) 能使之轉(zhuǎn)換為熱能，然后用于生產(chǎn)和生活的一些方面，是光-熱轉(zhuǎn)換即太陽(yáng)能熱利用的基 本方式，我國(guó)的太陽(yáng)能光熱利用在世界上屬于最成功的國(guó)家之一。太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)是太陽(yáng) 能熱利用的主要形式，太陽(yáng)能熱利用后發(fā)電的近年受到廣泛的關(guān)注，將吸收的太陽(yáng)能輻射 熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電目前包括兩大類型一類是利用太陽(yáng)能熱能直接發(fā)電，如半導(dǎo)體或 者金屬材料的溫差發(fā)電、真空器件中的熱電子以及堿金屬熱電轉(zhuǎn)換和磁流體發(fā)電等，目前 這類發(fā)電量較小，有的甚至處于研發(fā)階段；另一類是將太陽(yáng)能通過(guò)熱機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，其基本 組成與常規(guī)的火力發(fā)電類似。除此之外，近年，隨著太陽(yáng)能利用的研究深入，太陽(yáng)能又被逐漸引入到空氣調(diào)節(jié)的 領(lǐng)域來(lái)，并被收到了廣泛的關(guān)注。如利用太陽(yáng)能加熱水后利用加熱空氣、太陽(yáng)能幕墻以及太 陽(yáng)能和熱泵空調(diào)結(jié)合等。專利號(hào)為200510040068. 3的專利“結(jié)合儲(chǔ)熱材料的太陽(yáng)能空氣集熱器”公開(kāi)了一 種結(jié)合儲(chǔ)熱材料的太陽(yáng)能空氣集熱器，它是在傳統(tǒng)的平板式空氣集熱器的吸熱板與底板之 間，填充儲(chǔ)熱材料，利用儲(chǔ)熱材料來(lái)吸收和儲(chǔ)存多余的太陽(yáng)能熱量。儲(chǔ)熱材料封裝在金屬容 器內(nèi)，避免了儲(chǔ)熱材料吸熱融化后的泄漏和變形。本實(shí)用新型使太陽(yáng)能空氣集熱器自身具 備了儲(chǔ)熱功能，提高了集熱效率，但是這種集熱效率的提高非常有限，集熱器本身只是對(duì)常 規(guī)的集熱器稍作了一些改動(dòng)，集熱器的空氣阻力依然較大。
實(shí)用新型內(nèi)容技術(shù)問(wèn)題本實(shí)用新型的目的是開(kāi)發(fā)一種太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器及檢測(cè)系 統(tǒng)，解決空氣對(duì)太陽(yáng)輻射能吸收效率低和阻力大的問(wèn)題。技術(shù)方案本實(shí)用新型為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案本實(shí)用新型太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器，其特征在于包括高穿透率玻璃、多孔介 質(zhì)吸熱體、凸臺(tái)與墊圈、空氣出口、加熱器支架、送風(fēng)機(jī)、空氣加熱器的底板、支架、入口連接 件、出口連接件、下端板、上端板、左側(cè)端板、右側(cè)端板；其中，高穿透率玻璃通過(guò)凸臺(tái)與墊圈 分別與下端板、上端板、左側(cè)端板和右側(cè)端板連接，底板上部設(shè)置支架，支架上設(shè)置多孔介 質(zhì)吸熱體，多孔介質(zhì)吸熱體與高穿透率玻璃對(duì)應(yīng)設(shè)置，底板上還設(shè)置入口連接件和出口連 接件，送風(fēng)機(jī)與入口連接件連通，出口連接件與熱空氣的用戶連接，底板下部加熱器支架安 裝固定。優(yōu)選地，所述送風(fēng)機(jī)采用軸流式風(fēng)機(jī)。優(yōu)選地，所述入口連接件的是由外到內(nèi)的漸擴(kuò)的圓錐形。優(yōu)選地，所述多孔介質(zhì)吸熱體為含硅粘土或堇青石。優(yōu)選地，所述支架由支架和墊片構(gòu)成，所述支架底部設(shè)置于底板上部，支架上部設(shè)
置墊片。優(yōu)選地，所述多孔介質(zhì)吸熱體由多塊多孔介質(zhì)構(gòu)成，采用隔板間隔；所述高穿透率 玻璃由與多孔介質(zhì)塊數(shù)相同的玻璃構(gòu)成，所述玻璃分別與孔介質(zhì)對(duì)應(yīng)設(shè)置。太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器的檢測(cè)系統(tǒng)，包括太陽(yáng)直接輻射測(cè)量?jī)x、空氣溫度傳 感器、空氣出口溫度傳感器、室內(nèi)空氣溫度傳感器、風(fēng)機(jī)電機(jī)和設(shè)備控制器，其中設(shè)備控制 器通過(guò)太陽(yáng)直接輻射測(cè)量?jī)x采集的太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度、空氣溫度傳感器采集的空氣溫度 值、室內(nèi)空氣溫度傳感器采集的溫度值控制送風(fēng)機(jī)電機(jī)開(kāi)啟與否，如果太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度 大于能夠提供空氣最小流量(30%的最大流量)條件下出口溫度大于熱空氣用戶的溫度， 則開(kāi)啟太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器。有益效果能源與環(huán)境制約著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，而太陽(yáng)能由于其自身的優(yōu)點(diǎn)，近年在發(fā)電、 熱水、空調(diào)等領(lǐng)域被廣范利用。利用太陽(yáng)能空氣集熱器加熱空氣后用于空調(diào)或干燥是太陽(yáng) 能的一條有效利用途徑，現(xiàn)存的太陽(yáng)能空氣加熱器的效率相對(duì)較低，并且集熱器的阻力一 般較大。本實(shí)用新型利用一些多孔介質(zhì)對(duì)輻射能吸收率高、導(dǎo)熱系數(shù)大、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，利 用多孔介質(zhì)制成加熱器，太陽(yáng)輻射能量可以通過(guò)表面和表面孔隙被固體骨架吸收，后再通 過(guò)導(dǎo)熱方式在固體骨架中傳遞，當(dāng)空氣通過(guò)多孔介質(zhì)孔隙時(shí)，和固體骨架發(fā)生對(duì)流換熱，并 被加熱。為了提高出口空氣的溫度，設(shè)置空氣與多孔介質(zhì)間多行程換熱。整個(gè)空氣加熱 設(shè)備的沿程阻力可以通過(guò)設(shè)置多孔介質(zhì)參數(shù)以及送風(fēng)機(jī)合理選型來(lái)處理。加熱器的太陽(yáng) 能熱利用效率在90 %以上，而加熱器的粘性系數(shù)kl在2. 5X10_8-3X10-8，而慣性系數(shù)k2在 0. 03-0. 04。加熱器出口空氣溫度可以通過(guò)風(fēng)機(jī)的調(diào)速電機(jī)控制空氣流量來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng) 無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
圖1-多行程太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器設(shè)備主視圖；圖2-主視圖中沿著A-A的刨視圖；圖3-主視圖中沿著B(niǎo)-B的刨視圖。附圖標(biāo)記1-太陽(yáng)直接輻射測(cè)量?jī)x；2-空氣溫度傳感器；3、7_凸臺(tái)與墊圈；4-太陽(yáng)輻射；5、11、14-隔板;6-高透射率玻璃；8-多孔介質(zhì)；9-空氣出口；10-空氣出口溫度傳感器；12、13-支架；15-送風(fēng)機(jī)；16-室內(nèi)空氣溫度傳感器；17-設(shè)備控制器；18、19-高穿透率玻璃；20、21_ 多孔介質(zhì)；22-底板；23-設(shè)備支架；24-入口連接件；25-出口連接件；洸-墊片；27-下端板；28-上端板；29-左側(cè)端板；30-右側(cè)端板；31-風(fēng)機(jī)電機(jī)。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型采用太陽(yáng)輻射加熱多孔介質(zhì)，后應(yīng)用空氣通過(guò)多行程的多孔介質(zhì)而被 加熱，加熱空氣可以供空氣調(diào)節(jié)以及干燥等用途。多孔介質(zhì)材料近年在建筑、水利和能源領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，在能源領(lǐng)域，多孔介 質(zhì)具有可以整流和提高體積對(duì)流換熱效率的作用。一些多孔介質(zhì)材料，如含硅粘土，還具有 對(duì)輻射能吸收率高、導(dǎo)熱系數(shù)大、強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)，所以利用多孔介質(zhì)制成吸熱器，太陽(yáng)輻射 能量可以通過(guò)表面和表面孔隙被固體骨架吸收，后再通過(guò)導(dǎo)熱方式在固體骨架中傳遞，當(dāng) 空氣通過(guò)多孔介質(zhì)孔隙時(shí)，和固體骨架發(fā)生對(duì)流換熱，并被加熱。為了提高出口空氣的溫度，設(shè)置空氣與多孔介質(zhì)間多行程換熱。整個(gè)空氣加熱設(shè)備的沿程阻力可以通過(guò)設(shè)置多孔 介質(zhì)參數(shù)以及送風(fēng)機(jī)合理選型來(lái)處理。如圖1至3所示，本實(shí)用新型多孔介質(zhì)空氣加熱器設(shè)備，包括空氣加熱器本體和空 氣加熱器設(shè)備的檢測(cè)控制系統(tǒng)?？諝饧訜崞鞅倔w包括送風(fēng)機(jī)15、入口連接件M、空氣加熱 器的底板22、多孔介質(zhì)吸熱體20和21、支架23、墊片沈、下端板27、高穿透率玻璃18和19、 墊圈3和7、側(cè)板27 30、出口連接件25、空氣出口 9、支架12和13。其中，送風(fēng)機(jī)15的特 征在于屬于軸流式風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)可以通過(guò)調(diào)頻來(lái)控制送風(fēng)量和送風(fēng)的壓頭，入口連接件M是 由外到內(nèi)的漸擴(kuò)的圓錐形，并在空氣加熱器的底板22處與之相連接；空氣加熱器本體包括 四塊六面體的多孔介質(zhì)吸熱體20和21，吸熱體的吸熱表面是正方形，材質(zhì)為含硅粘土或堇 青石等，吸熱體20和21通過(guò)立在底板22上的支柱23和支柱上的墊片沈支架，由于加熱 器本體頃斜放置，吸熱體20和21的下側(cè)靠在加熱器的下端板27上，支柱和支柱上的墊片 26構(gòu)成的支架各自共16個(gè)，支架焊接在底板上；空氣加熱器本體包括高穿透率玻璃18和 19等共四塊，玻璃的穿透率大，并通過(guò)凸臺(tái)與墊圈3和7與四個(gè)側(cè)板27 30連接；空氣加 熱器本體包括出口連接件25，漸縮型的連接件，直至空氣出口 9，空氣的出口可以和熱空氣 的用戶連接；空氣加熱器本體還包括吸熱器本體的支架12和13等。多行程太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器設(shè)備的檢測(cè)控制系統(tǒng)，空氣加熱器設(shè)備的檢測(cè) 控制系統(tǒng)包括太陽(yáng)直接輻射測(cè)量?jī)x1、空氣溫度傳感器2、空氣出口溫度傳感器10、室內(nèi)空 氣溫度傳感器16、風(fēng)機(jī)電機(jī)31和設(shè)備控制器17。其中設(shè)備控制器17通過(guò)太陽(yáng)直接輻射測(cè) 量?jī)x1采集的太陽(yáng)直接輻射、空氣溫度傳感器2采集的空氣溫度值、室內(nèi)空氣溫度傳感器16 采集的溫度值控制送風(fēng)機(jī)電機(jī)31開(kāi)啟與否，開(kāi)啟與否的方法是如果太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度大 于能夠提供空氣用戶最小流量條件下溫度的能量，則開(kāi)啟加熱器。出口空氣的溫度可以通 過(guò)PID算法控制送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速31從而調(diào)節(jié)送風(fēng)量來(lái)達(dá)到。而空氣每經(jīng)一次多孔介質(zhì)的壓力損失計(jì)算可按照下式計(jì)算其中Δρ 空氣每經(jīng)一次多孔介質(zhì)的壓力損失；L 多孔介質(zhì)厚度；η 空氣動(dòng)力黏度；φ 孔隙率；U?？諝獾倪M(jìn)入多孔介質(zhì)的入口速度；P:空氣密度 kg/m3;kl 粘性系數(shù)，一般取 2. 5X10-8IXlO-8 ；k2 慣性系數(shù)，一般取 0. 03-0. 04。而空氣在孔道內(nèi)(多孔介質(zhì)區(qū)域除外)的速度應(yīng)小于3m/s。本實(shí)用新型工作原理如下太陽(yáng)輻射能量通過(guò)表面和表面孔隙后被固體骨架吸 收，后能量通過(guò)導(dǎo)熱方式在固體骨架中由表及里傳遞，控制器17采集太陽(yáng)直接輻射數(shù)據(jù)1、 空氣用戶內(nèi)的氣溫16和室外空氣溫度2后，判斷能否開(kāi)啟空氣加熱器設(shè)備。如果太陽(yáng)直接 輻射強(qiáng)度大于能夠提供空氣用戶最小流量條件下的能量，則開(kāi)啟加熱器，空氣通過(guò)多孔介
6質(zhì)，并與多孔介質(zhì)的固體骨架對(duì)流換熱，空氣溫度升高，這樣空氣共四次通過(guò)多孔介質(zhì)，空 氣壓力降低，溫度不斷升高，并在出口處9達(dá)到空氣用戶的要求。出口空氣的溫度可以通過(guò) PID算法控制送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速31從而調(diào)節(jié)送風(fēng)量來(lái)達(dá)到。整個(gè)空氣加熱設(shè)備的沿程阻力可以通 過(guò)設(shè)置多孔介質(zhì)參數(shù)以及送風(fēng)機(jī)合理選型來(lái)處理。實(shí)施例對(duì)于一個(gè)室內(nèi)空氣量需求為200m3/h，加熱空氣溫度升高需20°C，即空氣加熱器的 熱功率需求約1. 5kw，太陽(yáng)直接輻射為800w/m2，太陽(yáng)輻射的光熱轉(zhuǎn)化效率約93%條件下，設(shè) 計(jì)的加熱器吸熱面的面積約2m2，吸熱器的寬度為0. 7m，長(zhǎng)度為2. 8m，多孔介質(zhì)塊由四塊組 成，每塊的寬度為0. 7m，長(zhǎng)度為0. 7m，厚度為3cm，多孔介質(zhì)固體骨架的材質(zhì)選用堇青石、含 硅粘土等，孔隙率均勻并為0. 7，空氣進(jìn)入多孔介質(zhì)的速度為1. 5m/s，多孔介質(zhì)與表面透光 玻璃和底板之間的距離均為4cm，整個(gè)空氣加熱器系統(tǒng)的阻力損失為172Pa，而送風(fēng)機(jī)最大 空氣流量為250m3/h，出口的壓頭為200Pa，空氣入口與底板的連接處面積0. Im2,出口處與 底板的連接處面積也為0. lm2，空氣入口面積為0. 25m2。空氣加熱器的傾角視加熱器需放置 的位置來(lái)定，但保證太陽(yáng)輻射的余弦損失最小，空氣加熱器的地板距地面高度為3cm即可?？刂破鞑杉?yáng)直接輻射數(shù)據(jù)、空氣用戶內(nèi)的氣溫和室外空氣溫度后，判斷能否 開(kāi)啟空氣加熱器設(shè)備。如果太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度大于能夠提供空氣用戶最小流量條件下的能 量，則開(kāi)啟加熱器。出口空氣的溫度可以通過(guò)PID算法控制送風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速?gòu)亩{(diào)節(jié)送風(fēng)量來(lái) 達(dá)到。
權(quán)利要求1.一種太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器，其特征在于包括高穿透率玻璃、多孔介質(zhì)吸熱 體、凸臺(tái)與墊圈(3、7)、空氣出口(9)、加熱器支架(12、13)、送風(fēng)機(jī)(15)、空氣加熱器的底 板(22)、支架(23)、入口連接件(M)、出口連接件(25)、下端板(27)、上端板(觀)、左側(cè)端 板( )、右側(cè)端板(30)；其中，高穿透率玻璃通過(guò)凸臺(tái)與墊圈分別與下端板(27)、上端板 ( )、左側(cè)端板(29)和右側(cè)端板(30)連接，底板(22)上部設(shè)置支架(23)，支架(23)上設(shè) 置多孔介質(zhì)吸熱體，多孔介質(zhì)吸熱體與高穿透率玻璃對(duì)應(yīng)設(shè)置，底板0 上還設(shè)置入口連 接件04)和出口連接件(25)，送風(fēng)機(jī)(1 與入口連接件04)連通，出口連接件0 與熱 空氣的用戶連接，底板02)下部加熱器支架安裝固定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器，其特征在于所述送風(fēng)機(jī)(15)采 用軸流式風(fēng)機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器，其特征在于所述入口連接件 (24)的是由外到內(nèi)的漸擴(kuò)的圓錐形。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器，其特征在于所述多孔介質(zhì)吸熱 體為含硅粘土或堇青石。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器，其特征在于所述支架由支 架和墊片06)構(gòu)成，所述支架底部設(shè)置于底板0 上部，支架上部設(shè)置墊片06)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器，其特征在于所述多孔介質(zhì)吸熱 體由多塊多孔介質(zhì)構(gòu)成，采用隔板間隔；所述高穿透率玻璃由與多孔介質(zhì)塊數(shù)相同的玻璃 構(gòu)成，所述玻璃分別與孔介質(zhì)對(duì)應(yīng)設(shè)置。
7.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器的檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包 括太陽(yáng)直接輻射測(cè)量?jī)x(1)、空氣溫度傳感器0)、空氣出口溫度傳感器(10)、室內(nèi)空氣溫 度傳感器(16)、風(fēng)機(jī)電機(jī)(31)和設(shè)備控制器(17)，其中設(shè)備控制器(17)通過(guò)太陽(yáng)直接輻 射測(cè)量?jī)x(1)采集的太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度、空氣溫度傳感器( 采集的空氣溫度值、室內(nèi)空氣 溫度傳感器(16)采集的溫度值控制送風(fēng)機(jī)電機(jī)(31)開(kāi)啟與否，如果太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度大 于能夠提供空氣最小流量條件下出口溫度大于熱空氣用戶的溫度，則開(kāi)啟太陽(yáng)能多孔介質(zhì) 空氣加熱器。
專利摘要本實(shí)用新型公布了一種太陽(yáng)能多孔介質(zhì)空氣加熱器及檢測(cè)系統(tǒng)，所述加熱器包括高穿透率玻璃、多孔介質(zhì)吸熱體、凸臺(tái)與墊圈、空氣出口、加熱器支架、送風(fēng)機(jī)、空氣加熱器的底板、支架、入口連接件、出口連接件、下端板、上端板、左側(cè)端板、右側(cè)端板。所述系統(tǒng)包括太陽(yáng)直接輻射測(cè)量?jī)x、空氣溫度傳感器、空氣出口溫度傳感器、室內(nèi)空氣溫度傳感器、風(fēng)機(jī)電機(jī)和設(shè)備控制器。本實(shí)用新型加熱器出口空氣溫度可以通過(guò)風(fēng)機(jī)的調(diào)速電機(jī)控制空氣流量來(lái)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。
文檔編號(hào)F24J2/48GK201866958SQ201020240459
公開(kāi)日2011年6月15日 申請(qǐng)日期2010年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月25日
發(fā)明者劉德有, 許昌, 鄭源, 郭蘇 申請(qǐng)人:河海大學(xué)