以空气为携热介质的开式太阳能蓄热油罐自动切水器的研究

田东伟，卢江涛，吴昆鹏，周金鹏，吴玉国



以空气为携热介质的开式太阳能蓄热油罐自动切水器的研究

田东伟，卢江涛，吴昆鹏，周金鹏，吴玉国

（辽宁石油化工大学 石油天然气工程学院, 辽宁 抚顺 113001）

根据太阳能的特点和切水器的工作原理，秉承环保节能的原则，依据吸收式热泵的原理研制开发了一种开式太阳能蓄热装置，该装置采用溴化锂作为太阳能蓄热工质，以空气作为携热介质，实现了加热与蓄能功能的一体化。采用切水器伴热控制装置并凭借开式太阳能蓄热装置的加热与蓄能优势，设计了一套开式太阳能加热循环系统，可实现全天候对切水器伴热管道的加热，克服了太阳能使用的局限性。

开式太阳能蓄热装置；溴化锂；开式太阳能加热循环系统；伴热控制装置

在储油罐底部一般安装有切水阀门，可将生产储运过程中混入的一些水排除出去。由于阀门开启大小对脱水质量影响较大，人工脱水只是凭经验及视觉观察，脱水效率低下[1]。为了克服人工切水的弊端，人们开始更加关注自动切水器的研究。自动切水器极大的提高了生产效率，克服了人工脱水的弊端。由于我国原油具有凝点较高、黏度较大、常温下流动性能较差等特点，在环境温度较低的情况下，为防止油品凝固且实现降黏减阻，在对储油罐切水的过程中必须对输送管道进行加热。目前工业上均采用蒸汽加热管作为应对措施，但其存在热效率较低、能耗高、维修维护成本高等弊端。为此可以考虑利用清洁、分布广泛的可再生能源太阳能，具有良好的开发条件和应用价值。

针对目前油罐切水器存在的问题，本文提出了一种太阳能油罐自动切水器，并对该系统的组成、工作原理及性能进行了研究；同时设计出了一种适用于切水器伴热过程的太阳能集热装置以及一套开式太阳能油罐自动切水器加热系统，并对太阳能集热装置的热力学工程一些工况进行了计算。

1 研究实施方案

1.1 自动切水器结构原理

如图1所示， 自动切水器主要由罐体浮球连杆、侧板、无压切水阀、液体配重、油罐体等组成。该自动切水器以重力为动力源, 利用液体在容器内的压强和油、水间的密度差产生较大的浮力[2]。采用浮体和高灵敏度的杠杆原理来控制无压阀门的开启和关闭。具体工作过程如下：当储油罐中的水进入切水器罐体内，随着水量的增加，浮球受到的浮力也随之增加，当浮力大于浮球的配重时，浮球上浮，从而带动连杆机构，在连杆机构的挤压作用下，螺杆向里压缩并将阀门打开，从而将切水器中的水排出。当切水器中的水排到一定程度时，浮球所受浮力减小，浮球下沉并通过连杆带动阀门并将阀门关闭，停止排水。该装置的优点是通过调节浮球中液体的配重应用于各种不同密度油品的储油罐中，同时切水器中的水积累到一定程度时，阀门才会开启并完成排水过程，在完成排水过程之后，切水器罐体底部仍有一定高度的水，这样就有效的防止了油品的泄漏（图2）。

图1 自动切水器结构示意图

图2 无压切水阀结构示意图

1.2 太阳能蓄热装置结构原理

如下图3所示，为提高进入太阳能集热器的空气温度，在循环流程中增加了气/气热交换器。且冷却吸收器的水温较高，出吸收器的稀溶液不必再流经溶液热交换器。溶液储罐需采取保温措施以减少散热损失。太阳能蓄热装置具体工作原理如下（工作工质采用溴化锂-水溶液）[3,4]：

图3 太阳能蓄热装置循环流程图

储罐内的稀溶液在足够的太阳辐射强度下经溶液泵和气／液热交换器加压、加热后进入开式发生器与热空气发生热量和质量交换，失去部分水分的浓溶液具备一定的吸收水蒸汽的能力被存入相应的浓溶液储罐。白天对进入切水器中的油品加热就是利用排出系统的湿热空气来进行。而在太阳能辐射强度不够的情况下，能量转换不能进行，回收的太阳能被转成溶液化学势能并储存起来，水箱内的水和浓溶液分别进入蒸发器和吸收器。浓溶液吸收了水在蒸发器内吸收低温热源的热量而产生的水蒸汽，所产生的吸收热用于夜间对进入切水器的油品加热。

1.3 太阳能蓄热工质的选择

吸收剂须具备强烈的吸收制冷剂的能力，选取制冷剂要考虑热物性并综合考虑其毒性、爆炸性等物理化学性质。溴化锂在大气中不分解变质、不挥发、且极易溶于水而形成溴化锂溶液，是一种非常稳定的物质。常温下，溴化锂无毒、无臭，为无色颗粒状晶体；其溶解度随温度变化而变化，一定工况下的溴化锂饱和水溶液，当溶液的质量分数过高或温度过低时均会出现结晶现象。在常压下，溴化锂溶液的沸点是1 265 ℃，与水的沸点相差非常大[5,6]。溴化锂溶液的稀释能力很强，无需进行蒸发等措施就可以得到纯冷剂蒸汽，因而可采用溴化锂-水溶液作为太阳能集热装置中的蓄热工质。

1.4 油罐自动切水器示意图

如图4所示，该装置即为以空气为携热介质的开式太阳能蓄热油罐自动切水器的整体工作流程图，通过该装置可实现对太阳能的利用及存储作用，夜晚通过提取出储存在溴化锂浓溶液的能量来实现对进入切水器的油品进行加热，以此来实现对白天太阳能电池板吸收的能量的充分利用。

图4 以空气为携热介质的开式太阳能蓄热油罐自动切水器示意图

1.5 切水器伴热控制装置

热空气伴热控制装置示意图如图5，其由热空气总管、热空气引出管、热空气分配站、热空气伴管四部分组成，其中热空气总管是收集热空气型太阳能集热器加热完的空气的管道，热空气分配站是分配热空气的系统，可以充分控制热空气的流量，并且多余的热空气通过控制可以用于生活供热。

图5 热空气伴热控制装置

图6为双管伴热结构剖视图，伴热管采用DN20的无缝钢管，保温层宜选用硬质圆形保温材料制品，在被伴热管与保温层之间形成一个“加热空间”， 在太阳能辐射强度较大时溶液伴热管处于关闭状态，仅通过热空气伴热管进行加热，当太阳辐射强度较低时或夜间时，热空气伴热管关闭，开启溶液伴热管，利用溴化锂浓溶液储存的能量进行加热。

图6 双管伴热剖面图

2 开式太阳能循环加热系统

图7为开式太阳能循环加热系统图，其主要组成部分包括：油罐自动切水器、太阳能蓄能装置及热空气伴热控制装置。其工作原理如下：白天在太阳辐射的作用下，太阳能集热板吸收太阳能并对空气进行加热，空气温度升高并作为携热介质进入发生器，在热空气的作用下，发生器溴化锂水溶液中的水分被热空气带出进入气/气热交换器，这部分带有较多能量的湿空气进入热空气伴热控制装置对切水器伴热管道进行加热，通过热空气伴热控制装置控制对这一部分能量进行合理分配，在满足切水器伴热需求的前提下，多余的能量可用于生活供热；发生器中的溴化锂水溶液与热空气发生传质传热作用而使溴化锂浓度升高，同时，因热交换作用一部分太阳能被储存在溴化锂浓溶液中，夜晚当无太阳能辐射时，吸收器吸收来自蒸发器中的水分变成稀溶液并放出能量，此时，具有较多能量的溴化锂稀溶液经管道被引入切水器伴热管道，通过换热作用完成对伴热管道的加热过程，同时当完成换热后溴化锂稀溶液回到发生器再次进行蓄热。通过以上过程，可以实现全天候对切水器伴热管道的加热，克服了太阳能使用的局限性。

图7 开式太阳能循环加热系统

3 循环热力学过程的计算

热平衡：

质平衡：

溴化锂溶液中水蒸气的分压计算式：

其中，

表1 各参数对应值

吸收热：

浓溶液质量蓄能密度：

浓溶液体积蓄能密度：

针对目前国内打了生产的铜铝复合材料翼型管板作为吸热板的平板集热器，吸收率为0.94，发射率为0.4，则第时段太阳能平板集热器效率计算式为：

假设在冬季有效收集太阳能的时间为小时，则1天内获得的供热潜能的总能量为

通过计算可知，如果有温度为14~16 ℃的水源，设定太阳能集热面积为4.04，系统蒸发温度为10 ℃，采暖热水的进／出口温度分别为32 ℃／40 ℃。取环境空气温度5 ℃，相对湿度35％，冷剂水温10 ℃，采用串联多级加热的太阳能集热板出口空气温度85 ℃，工作溶液浓度差为0.05，气／气热交换器冷端温差25 ℃，气／液热交换器热端温差13 ℃，吸收器冷端温差8 ℃[4]。则湿空气温度能达到45 ℃，也能达到45 ℃，能满足切水器伴热过程的热量供应。现以兰州地区一设计日系统工作为例，（此数据来源于文献[4]）依据以上公式进行热力学循环计算，计算结果如表2。

表2 兰州地区一设计日系统工作性能表

以此为基础，如若用于工厂实际，则可以依据工厂实际生产规模通过计算来得出符合本工厂实际情况的太阳能集热板面积以及所需的空气流量及蓄能工质溴化锂溶液的循环量。由以上可以看出，该系统具有较大的灵活性。

4 结束语

通过开发设计的以溴化锂为太阳能蓄热工质，以空气为携热介质的开式太阳能蓄热装置实现了加热与蓄能功能的一体化。采用切水器伴热控制装置并凭借开式太阳能蓄热装置的加热与蓄能优势，实现了对切水器伴热管道全天候的加热，克服了太阳能使用的局限性。但要使蓄能热泵系统可以运行，必须有一定温度的低温热源可被利用。鉴于该系统的经济性和节能性，因此具有广泛的应用前景。

参考文献：

［1］ 蒲健全. 自动切水器在储运罐区的应用[J]. 化学工程与装备，2010(1)：98-100.

［2］ 李祖荣. 油罐全自动切水器：中国，98225755.4[P]. 1999-07-14.

［3］ 徐士鸣，刘渝宏. 以空气为携热介质的开式太阳能吸收式制冷循环的研究[J]. 太阳能学报，2004，25(2)：204-210.

［4］ 胡艳，徐士鸣. 以空气为携热介质的开式太阳能蓄能热泵循环特性研究[J]. 太阳能学报，2005，26 (4)：497-502.

［5］ 邱中举. 溴化锂吸收式热泵系统的研究[D]. 杭州：浙江大学，2011.

［6］ 徐国平，胡德福. 溴化锂水溶液热物性研究进展[C]. 第七届全国余热制冷和热泵学术会议，1991.

Study on Oil Tank Automatic Dewatering Device With Solar Energy Heating System Using Air as Heat Carrying Medium

( College of Petroleum Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China )

Based on solar water characteristics and dewatering device working principle, according to the principle of absorption heat pump, an open solar thermal storage device that uses lithium bromide as the working fluid and air as the heat carrying medium was developed to achieve the integration of heating and energy storage functions. And an open-loop solar heating system was designed for heating heat tracing pipe of oil tank automatic dewatering device, overcoming the limitation of solar energy use.

open solar thermal storage device; bromide; open-loop solar heating system; heating control device

TE 832

A

1671-0460（2016）09-2116-05

2016-07-02

田东伟（1992-），男，研究方向：油气储运工程。

吴玉国（1977-），男，副教授，博士，研究方向：油气储存与运输。E-mail：wyg0413@126.com。