串流管渐进增温太阳能恒温溶胶供热系统设计
浙江嘉兴市正兴能源科技有限公司 刘永久 翟晓强
摘要：本文介绍了U型串流管渐进增温式太阳能集热器以及恒温供热系统设计，为医药工业用空心胶囊的制作提供75°C的热源，对颗粒胶体进行恒温融化。系统设计配合大容量储能以及电辅助加热，完整可靠的综合控制，实现了高效集热并最大程度利用太阳能，达到全年综合利用太阳能的节能目的。
关键词：太阳能 渐进增温 恒温溶胶 供热设计
1. 概述
经济的快速发展，使得世界范围内面临着越来越大的能源压力，能源问题甚至成为诱发战争的主要因素之一。在我国，工业生产用热等各方面能耗的增加，已成为经济发达的地区缺电的主要诱因。地球上的化石燃料——煤、石油、天然气等将逐渐开采枯竭，开发包括太阳能在内的新能源在工业生产中的利用，已十分迫切。所以，应积极创造条件，将现有成熟技术以及创新技术在实际工程中推广应用，以积累经验，通过实践进行技术的改善、提高，起到样板和示范作用。
我国是生产医药用空心胶囊的主要国家，尤其是浙江绍兴新昌县，拥有60多家中小型药用空心胶囊生产加工企业，年产药用空心胶囊2000亿粒，占我国年产量的三分之一。空心胶囊主要是将颗粒状胶体恒温溶解成浓溶液，再进行成型制作，生产过程中需要消耗大量的热水，能源费用很高。为尽可能降低成本费用，减轻企业负担，我们提出了串流管渐进增温承压太阳能集热供热方案，优先利用太阳能进行生产用热供应，并配合低谷电辅助加热，实现全年全天候24小时恒温综合利用，得到了企业的认可和采纳。该系统现已实施并投入使用。
本系统作为医药工业用热，有以下几个特点：一是要求恒温70°C—80°C的热源；二是在用热时段热能要连续供给；三是太阳能集热器要有大于0.4MPa的承压能力；四是符合卫生用热标准。
为实现上述要求，我们对本系统进行了以下设计。
2. U型串流管渐进增温承压式太阳能集热器的设计
结构原理如图1所示。多支连续弯转的U型金属串流管插入全玻璃太阳能真空集热管内，真空管口密封，串流管与真空管内管之间有铝制波纹吸热圈，载热工质在外部动力作用下，在U型管内定向流动，单位质量的载热工质流过每一支真空管后都有一定的热收益。按照一定流量连续的串流多支真空管后温度逐渐升高到一个较大值，从而达到末端用热的要求。
图1 U型串流管结构示意图为满足集热器的设计要求，选取了浙江正兴能源科技有限公司的自主知识产权产品：连续变向串流管全玻璃真空管太阳能集热器。图2表示太阳能集热器模块方式，图3为U型串流管端部结构图。
图2 串流管模块实物图 
图3 串流管端部结构图3.集热器总采光面积的确定
影响太阳能集热系统有效得热量主要因素有两个，一是太阳能集热器本身的热性能质量，二是安装的太阳能集热器总面积。
该连续变向串流管全玻璃真空管太阳能集热器的瞬时集热效率方程为：
η= 0.5608- 0.92 ( Tm-Ta ) / G –0.010 ( Tm-Ta )2 / G
G——太阳辐照度
Tm——太阳集热器平均水温
Ta——环境温度
用该瞬时集热效率方程和绍兴地区10年的气象统计资料，分别按冬季运行和夏季运行的两个工况，逐时计算了冬夏两季在极端条件（1月、7月逐时最大总辐照度情况）和一般条件（1月、7月逐时平均总辐照度情况）下太阳能集热器的集热效率，以及单位面积的累计日得热量。对所得结果进行综合分析，并参照太阳热水器的工程经验，按照最大小时用热负荷确定基本符合用热量要求的太阳能集热器总面积。图4是面积为60平方米条件下冬夏季日均逐时辐照度计算结果。
图4 60平方米集热器条件下冬夏季日均逐时辐照度计算结果4 太阳能集热供热系统设计
本方案太阳能集热系统所用载热工质为高品质纯水，且工程实际使用中，载热工质相对于用热末端，既是载热工质，也是消耗工质。也就是胶体颗粒与75°C左右的热水在器皿内混合，这部分热水被消耗掉；另一部分用热是高于80°C的热水在器皿外循环对器皿实施放热保温，这部分热水不消耗。
另外，在利用太阳能过程中，一个无法逾越的障碍就是它的不稳定和不连续性；基于本实施例为全天候恒温和连续用热。因此，系统设计的关键是基于解决“光热源的不稳定性”和“末端用热的稳定性”。我们对系统引入了储能和电辅助两个环节，并且设计采用复合热环系统。
4.1 储能器的设计
本系统作为以纯水作为热工质的储能器必须满足两个工作条件：一是单位时间内储存的热水量尽量满足阶段性消耗；二是阶段性吸收集热器过热的收益量，并且在末端需要时予以释放。
考虑末端不消耗载热工质以及太阳光高强度辐射极端情况，设计储能器在一定温度下的容积为正常容积的两倍。
4.2 电辅助加热器的设计
在实际的使用过程中，储能器只能阶段性的解决能量缓冲或者延长太阳能收益的使用时间，但是，仍就无法完全解决太阳能不稳定因素带来的影响。因此，必须借助辅助热源才能保证本系统运行的可靠性。
本系统设计采用内置式电加热与外置式高频管道电加热相结合的方式，作为保证系统可靠运行的辅助热源。内置式电加热设计安装在储能器内部，直接对储热器内部的热工质进行加热；高频管道加热器，设计在用热末端管路的高温侧，对流向末端的载热工质实施加热。
4.3 集热循环与供热循环的设计
如前所述，系统设计的关键是基于解决“光热源的不稳定性”和“末端用热的稳定性”。尽管我们对系统引入了储能和电辅助两个环节，在热力过程中对状态参数温度以及过程参数热量进行了充分考虑。但是实际上，整个系统如果采用单一动力循环，仍旧解决不了复杂的太阳能集热器热量输出的不稳定性与末端用热稳定性这一关键问题。因此，设计采用两个热循环泵，一个为集热循环泵，对应构成集热循环；一个为供热循环泵，对应构成供热循环。并且通过电磁阀的开关功能，实现针对在不稳定热源状态下以及末端用热状态下的多个热循环之间的灵活切换；有效的保证整个系统的可靠运行。系统结构原理如图5所示，整个结构上，可以分为如下几个子系统：
图5 系统结构原理图
（1）集热循环子系统：由太阳能集热器、管路、集热循环泵、储能器之间构成一个集热循环系统，也是一个热能量储存状态的工作系统；
（2）供热循环子系统：由电磁阀4、供热循环泵、高频管道加热器、板式换热器、电磁阀2、储能器构成一个供热循环系统，也是一个储能器释放热能状态的工作系统：
（3）电加热工作系统：由电磁阀1、供热循环泵、高频管道加热器、板式换热器之间构成一个独立电加热系统；
（4）直接供热系统：由集热循环泵、太阳能集热器、电磁阀3、供热循环泵、高频管道加热器、板式换热器之间构成一个太阳能集热直接供给末端用热的系统；
各个工作系统是否投入的条件，主要是由系统设计的各测温点的温度以及工作时间来确定。
5 系统运行控制的确定
5.1集热系统的温差循环
太阳能集热循环系统采用温差控制循环。在储能器内和太阳能集热器出口管内设置温度传感器，当太阳集热器温度T1高于储能器水温T2，且温差值等于12°C时，集热循环泵启动，集热系统运行。当温差等于5°C时集热循环泵关闭，集热系统停止运行。
5.2 高频管道电加热的投入
溶胶工作过程中，当太阳能集热器出口温度、储能器温度低于75°C时，高频管道加热器投入，同时电磁阀1打开，电磁阀2关闭，处于独立电加热系统状态。
5.3 储能器放热
当储能器温度大于或者等于75°C，且集热循环泵已停止工作，当需要溶胶工作时，电磁阀4打开，电磁阀3打开，供热循环泵运转，利用储能器热量进行溶胶作业。
5.4 太阳能集热器直接供热
当太阳能集热器出口温度大于75°C，供热循环泵启动工作时，电磁阀1关闭，电磁阀3关闭，电磁阀4关闭，电磁阀2打开；太阳能集热的热水直接进入供热循环泵的吸水口，向末端输送热量。
5.5 定时补水与低谷电加热
根据用热时段，正常情况下的补水时间，设定在每天晚上低谷电时段；因为这时完成了前一个工作日的用水。这时不管水箱内的实际水温水位是多少。控制器都将判断一次，自动确定是否补水，补水上限为第二个工作日需要消耗的热水量。储能器内置电加热，是在连续阴雨天或者水温达不到要求时投入。为了与补水时间相吻合，考虑到充分利用低谷电。设定辅助电加热的投入时间为低谷电时段，最高温度为80°C。
5.6 超温补水
很多的情况下，太阳能集热会将储能器内水的温度，升高到一个很高的温度，甚至100°C或者蒸汽。这对水的质量、对系统都不利。因此，当水箱内的水温接近85°C时，电磁阀打开实施补水降温。把水温降到80°C。如果连续出现超温，系统会连续补水。由于储能器设计有较大的容积余量，可以有效消除超温，并储存更多的高品质热能。
6.结论
低温太阳能热利用技术和产品，在解决人们日常生活用热方面已经相当成熟；但是，进一步提高集热器以及系统的性能，扩大用热范围，尤其是解决许多工业企业的用热需求，更具深远意义。
本太阳能集热系统作为新产品、新技术，针对医药工业用热的特点，一是实现了恒温70°C—80°C的热源恒温输出；二是实现了在用热时段连续的热能输出；三是满足了太阳能集热器大于0.4MPa的承压能力；四是符合卫生用热标准。同时，为相同性质的工业用热用户，尽快利用太阳能资源，实现节能降耗，提升市场竞争力，提供了宝贵经验。
参考文献：
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【2】郭茶秀，魏新利• 热能储存技术与应用• 北京：化学工业出版社，2005.4
【3】陈 礼，吴勇华• 流体力学与热工基础• 北京：清华大学出版社，2002.8
【4】何梓年，朱敦智• 太阳能供热采暖应用技术手册• 北京：化学工业出版社，2009.5
姓名：刘永久
性别：男
出生年月：1961年10月生
工作单位：浙江嘉兴正兴能源科技有限公司
职务：副总经理
职称：高级工程师
通讯地址：浙江省 嘉兴市秀洲区 中山西路上海交大科技园6号楼
邮编：314000
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