新能源集成厨用加热系统

蔡长庸，惠 尧，陈 彤，翟雪发，战洪仁，曾祥福

(沈阳化工大学 能源与动力工程学院，辽宁 沈阳 110142)

目前我国主流商用和家用炉灶大多采用开放式的燃烧方式，在开放式燃烧过程中，能量只有很少一部分传递给被加热器皿，其他大部分能量在火焰流动中散失到环境中，加热效率在30 %以下.另外，在开放式燃烧过程中还存在很多燃料燃烧不完全的状况，不但增加了热损失，而且还产生了有毒有害气体.传统加热炉不仅热效率低、污染环境,还存在一定的安全隐患.太阳能作为地球上最广泛的可再生能源，热管作为当代一门新兴技术，它的传热效率远远超过了任何一种已知金属[1-2]，可以以很小的截面远距离输送大量的热而无需外加动力[3]，因而受到广大研究者的青睐，若能通过太阳能和热管技术的结合在餐饮、取暖领域内应用、推广会产生巨大反响，为供热行业带来巨大收益的同时为我国节省大量的资源，符合我国“节能减排”的大政方针，对建设资源节约型、环境友好型社会有着重要意义.为此本文研制出一款新型的太阳能加热器，有效地解决传统加热炉具的弊端，为用户打造高品质的生活环境.

1 新能源集成厨用加热系统的设计

1.1 工作原理

(1)利用热力学第一定律、热力学第二定律[4]，通过集热器将太阳的辐射能转换为热能加热热管，热管将热能通过介质传输到另一端[5-6]，给用户提供热源，完成能量的转换和传递的需求，如图1所示.

图1 热管工作简图

(2)通过电池板将太阳能转化成电能储存于蓄电池，以备天气不合适时使用.

1.2 新能源集成厨用加热系统的初步设计

整个系统由室内和室外两部分组成，如图2所示.室外主要是由太阳能集热器与热管组成，太阳能通过太阳能集热器传递给热管，热管将太阳能转换成热能，并传递给室内的主灶加热器具.由于热管的高效传热，实现了太阳能的高效利用；同时，引入太阳能电池板，用蓄电池对太阳能电池板转化的电能进行收集和储存，解决加热设备空闲时弃光的问题；利用热二极管与热开关(图3和图4)实现了热量需求高低的可控[7]，节约能源，实现热量的最大化利用；应用温度计与控制台，除了可直观地了解炉灶的温度外，还为设备的安全性能提供保障，实现系统的安全可靠理念.

图2 系统整体结构

图3 热二极管

图4 热开关

2 新能源集成厨用加热系统设计计算

2.1 热管的选取设计

根据民用电磁炉最高温度一般要求控制在250 ℃左右，功率在2 000 W左右，因此选用质地坚硬、延展性好、热导率高的紫铜管作为壳体材料；考虑到与壳体的相容性[1]、工作温度及经济性，选择水作为工作介质的铜-水热管[8-9]作为加热系统的加热源.

2.2 太阳能集热器的选取设计

产品采用圆弧凹槽式太阳能集热器，利用凹面镜聚光集热原理[10]，聚光光线在热管的加热段如图5～图7所示，使其功率不超过2 000 W，以保证温度达到所设定的温度值，根据集热器面积计算公式，加热系统所需集热器的面积应为

式中：Ac为集热器面积，m2；Qout为集热器的输出功率，选取为2 000 W；f为太阳能保证率，选取为0.5；JT为年平均日太阳辐照量，选取为5 400 kJ/m2；ηcd为集热效率，选取为0.48；ηL为热损失率，选取为0.2.

图5 热管与凹面镜装配图

图6 凹面镜直观图

图7 凹面镜聚光原理

2.3 太阳能电池板的选取设计

目前，太阳能电池板主体材料采用多晶硅光伏电池，按有效日照时间6 h、电池板实际使用效率0.7计算[11-12]，产生2 000 W·h电能所需太阳能电池板输出功率为2 000 W·h÷6 h÷0.7=476.19 W.

一片0.156 m×0.156 m多晶太阳能板的电池效率约为3.9 W，故需476.19÷3.9=122片，面积为122×0.156×0.156=2.97 m2.

3 新能源集成厨用加热系统与传统加热灶的对比

新能源集成厨用加热系统与传统加热灶的综合性能对比如表1所示.

表1 新能源集成厨用加热系统与传统加热灶的对比

注：再创新性是指改进与加入新功能的前景，如智能化、加入烟机、加入消毒柜等功能.

综合各方面的对比可知：新能源集成式厨用加热系统从成本、功能、环保、安全、效率等方面均比传统式加热炉有优势；经济价值与应用价值相比较高，有一定的推广价值.

4 结 论

设计了一款新能源集成式厨用加热系统，不但大大减少了能源的消耗，而且降低了环境污染，打造了绿色品质生活.该系统具有如下特点：

(1)很好地将可再生能源太阳能与高效传热热管相结合，设计了绿色、节能、安全的厨具，是独具想象力的创新之举，引领了城市未来生活.

(2)该厨用加热器运行成本低，结构简单，易使用，不易损坏，使用寿命长.

(3)不使用化学燃料，清洁、无污染.

(4)此装置设计合理，具有较高的科学性、先进性，具有较强的理论依据.推广前景大，应用价值高，与传统加热灶对比有较高的可行性，现实意义明显.