以空氣為攜熱介質(zhì)的開式太陽能蓄熱油罐自動切水器的研究

田東偉，盧江濤，吳昆鵬，周金鵬，吳玉國

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以空氣為攜熱介質(zhì)的開式太陽能蓄熱油罐自動切水器的研究

田東偉，盧江濤，吳昆鵬，周金鵬，吳玉國

（遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院, 遼寧 撫順 113001）

根據(jù)太陽能的特點和切水器的工作原理，秉承環(huán)保節(jié)能的原則，依據(jù)吸收式熱泵的原理研制開發(fā)了一種開式太陽能蓄熱裝置，該裝置采用溴化鋰作為太陽能蓄熱工質(zhì)，以空氣作為攜熱介質(zhì)，實現(xiàn)了加熱與蓄能功能的一體化。采用切水器伴熱控制裝置并憑借開式太陽能蓄熱裝置的加熱與蓄能優(yōu)勢，設計了一套開式太陽能加熱循環(huán)系統(tǒng)，可實現(xiàn)全天候?qū)η兴靼闊峁艿赖募訜?，克服了太陽能使用的局限性?/p>

開式太陽能蓄熱裝置；溴化鋰；開式太陽能加熱循環(huán)系統(tǒng)；伴熱控制裝置

在儲油罐底部一般安裝有切水閥門，可將生產(chǎn)儲運過程中混入的一些水排除出去。由于閥門開啟大小對脫水質(zhì)量影響較大，人工脫水只是憑經(jīng)驗及視覺觀察，脫水效率低下[1]。為了克服人工切水的弊端，人們開始更加關注自動切水器的研究。自動切水器極大的提高了生產(chǎn)效率，克服了人工脫水的弊端。由于我國原油具有凝點較高、黏度較大、常溫下流動性能較差等特點，在環(huán)境溫度較低的情況下，為防止油品凝固且實現(xiàn)降黏減阻，在對儲油罐切水的過程中必須對輸送管道進行加熱。目前工業(yè)上均采用蒸汽加熱管作為應對措施，但其存在熱效率較低、能耗高、維修維護成本高等弊端。為此可以考慮利用清潔、分布廣泛的可再生能源太陽能，具有良好的開發(fā)條件和應用價值。

針對目前油罐切水器存在的問題，本文提出了一種太陽能油罐自動切水器，并對該系統(tǒng)的組成、工作原理及性能進行了研究；同時設計出了一種適用于切水器伴熱過程的太陽能集熱裝置以及一套開式太陽能油罐自動切水器加熱系統(tǒng)，并對太陽能集熱裝置的熱力學工程一些工況進行了計算。

1 研究實施方案

1.1 自動切水器結構原理

如圖1所示， 自動切水器主要由罐體浮球連桿、側板、無壓切水閥、液體配重、油罐體等組成。該自動切水器以重力為動力源, 利用液體在容器內(nèi)的壓強和油、水間的密度差產(chǎn)生較大的浮力[2]。采用浮體和高靈敏度的杠桿原理來控制無壓閥門的開啟和關閉。具體工作過程如下：當儲油罐中的水進入切水器罐體內(nèi)，隨著水量的增加，浮球受到的浮力也隨之增加，當浮力大于浮球的配重時，浮球上浮，從而帶動連桿機構，在連桿機構的擠壓作用下，螺桿向里壓縮并將閥門打開，從而將切水器中的水排出。當切水器中的水排到一定程度時，浮球所受浮力減小，浮球下沉并通過連桿帶動閥門并將閥門關閉，停止排水。該裝置的優(yōu)點是通過調(diào)節(jié)浮球中液體的配重應用于各種不同密度油品的儲油罐中，同時切水器中的水積累到一定程度時，閥門才會開啟并完成排水過程，在完成排水過程之后，切水器罐體底部仍有一定高度的水，這樣就有效的防止了油品的泄漏（圖2）。

圖1 自動切水器結構示意圖

圖2 無壓切水閥結構示意圖

1.2 太陽能蓄熱裝置結構原理

如下圖3所示，為提高進入太陽能集熱器的空氣溫度，在循環(huán)流程中增加了氣/氣熱交換器。且冷卻吸收器的水溫較高，出吸收器的稀溶液不必再流經(jīng)溶液熱交換器。溶液儲罐需采取保溫措施以減少散熱損失。太陽能蓄熱裝置具體工作原理如下（工作工質(zhì)采用溴化鋰-水溶液）[3,4]：

圖3 太陽能蓄熱裝置循環(huán)流程圖

儲罐內(nèi)的稀溶液在足夠的太陽輻射強度下經(jīng)溶液泵和氣／液熱交換器加壓、加熱后進入開式發(fā)生器與熱空氣發(fā)生熱量和質(zhì)量交換，失去部分水分的濃溶液具備一定的吸收水蒸汽的能力被存入相應的濃溶液儲罐。白天對進入切水器中的油品加熱就是利用排出系統(tǒng)的濕熱空氣來進行。而在太陽能輻射強度不夠的情況下，能量轉(zhuǎn)換不能進行，回收的太陽能被轉(zhuǎn)成溶液化學勢能并儲存起來，水箱內(nèi)的水和濃溶液分別進入蒸發(fā)器和吸收器。濃溶液吸收了水在蒸發(fā)器內(nèi)吸收低溫熱源的熱量而產(chǎn)生的水蒸汽，所產(chǎn)生的吸收熱用于夜間對進入切水器的油品加熱。

1.3 太陽能蓄熱工質(zhì)的選擇

吸收劑須具備強烈的吸收制冷劑的能力，選取制冷劑要考慮熱物性并綜合考慮其毒性、爆炸性等物理化學性質(zhì)。溴化鋰在大氣中不分解變質(zhì)、不揮發(fā)、且極易溶于水而形成溴化鋰溶液，是一種非常穩(wěn)定的物質(zhì)。常溫下，溴化鋰無毒、無臭，為無色顆粒狀晶體；其溶解度隨溫度變化而變化，一定工況下的溴化鋰飽和水溶液，當溶液的質(zhì)量分數(shù)過高或溫度過低時均會出現(xiàn)結晶現(xiàn)象。在常壓下，溴化鋰溶液的沸點是1 265 ℃，與水的沸點相差非常大[5,6]。溴化鋰溶液的稀釋能力很強，無需進行蒸發(fā)等措施就可以得到純冷劑蒸汽，因而可采用溴化鋰-水溶液作為太陽能集熱裝置中的蓄熱工質(zhì)。

1.4 油罐自動切水器示意圖

如圖4所示，該裝置即為以空氣為攜熱介質(zhì)的開式太陽能蓄熱油罐自動切水器的整體工作流程圖，通過該裝置可實現(xiàn)對太陽能的利用及存儲作用，夜晚通過提取出儲存在溴化鋰濃溶液的能量來實現(xiàn)對進入切水器的油品進行加熱，以此來實現(xiàn)對白天太陽能電池板吸收的能量的充分利用。

圖4 以空氣為攜熱介質(zhì)的開式太陽能蓄熱油罐自動切水器示意圖

1.5 切水器伴熱控制裝置

熱空氣伴熱控制裝置示意圖如圖5，其由熱空氣總管、熱空氣引出管、熱空氣分配站、熱空氣伴管四部分組成，其中熱空氣總管是收集熱空氣型太陽能集熱器加熱完的空氣的管道，熱空氣分配站是分配熱空氣的系統(tǒng)，可以充分控制熱空氣的流量，并且多余的熱空氣通過控制可以用于生活供熱。

圖5 熱空氣伴熱控制裝置

圖6為雙管伴熱結構剖視圖，伴熱管采用DN20的無縫鋼管，保溫層宜選用硬質(zhì)圓形保溫材料制品，在被伴熱管與保溫層之間形成一個“加熱空間”， 在太陽能輻射強度較大時溶液伴熱管處于關閉狀態(tài)，僅通過熱空氣伴熱管進行加熱，當太陽輻射強度較低時或夜間時，熱空氣伴熱管關閉，開啟溶液伴熱管，利用溴化鋰濃溶液儲存的能量進行加熱。

圖6 雙管伴熱剖面圖

2 開式太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)

圖7為開式太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)圖，其主要組成部分包括：油罐自動切水器、太陽能蓄能裝置及熱空氣伴熱控制裝置。其工作原理如下：白天在太陽輻射的作用下，太陽能集熱板吸收太陽能并對空氣進行加熱，空氣溫度升高并作為攜熱介質(zhì)進入發(fā)生器，在熱空氣的作用下，發(fā)生器溴化鋰水溶液中的水分被熱空氣帶出進入氣/氣熱交換器，這部分帶有較多能量的濕空氣進入熱空氣伴熱控制裝置對切水器伴熱管道進行加熱，通過熱空氣伴熱控制裝置控制對這一部分能量進行合理分配，在滿足切水器伴熱需求的前提下，多余的能量可用于生活供熱；發(fā)生器中的溴化鋰水溶液與熱空氣發(fā)生傳質(zhì)傳熱作用而使溴化鋰濃度升高，同時，因熱交換作用一部分太陽能被儲存在溴化鋰濃溶液中，夜晚當無太陽能輻射時，吸收器吸收來自蒸發(fā)器中的水分變成稀溶液并放出能量，此時，具有較多能量的溴化鋰稀溶液經(jīng)管道被引入切水器伴熱管道，通過換熱作用完成對伴熱管道的加熱過程，同時當完成換熱后溴化鋰稀溶液回到發(fā)生器再次進行蓄熱。通過以上過程，可以實現(xiàn)全天候?qū)η兴靼闊峁艿赖募訜?，克服了太陽能使用的局限性?/p>

圖7 開式太陽能循環(huán)加熱系統(tǒng)

3 循環(huán)熱力學過程的計算

熱平衡：

質(zhì)平衡：

溴化鋰溶液中水蒸氣的分壓計算式：

其中，

表1 各參數(shù)對應值

吸收熱：

濃溶液質(zhì)量蓄能密度：

濃溶液體積蓄能密度：

針對目前國內(nèi)打了生產(chǎn)的銅鋁復合材料翼型管板作為吸熱板的平板集熱器，吸收率為0.94，發(fā)射率為0.4，則第時段太陽能平板集熱器效率計算式為：

假設在冬季有效收集太陽能的時間為小時，則1天內(nèi)獲得的供熱潛能的總能量為

通過計算可知，如果有溫度為14~16 ℃的水源，設定太陽能集熱面積為4.04，系統(tǒng)蒸發(fā)溫度為10 ℃，采暖熱水的進／出口溫度分別為32 ℃／40 ℃。取環(huán)境空氣溫度5 ℃，相對濕度35％，冷劑水溫10 ℃，采用串聯(lián)多級加熱的太陽能集熱板出口空氣溫度85 ℃，工作溶液濃度差為0.05，氣／氣熱交換器冷端溫差25 ℃，氣／液熱交換器熱端溫差13 ℃，吸收器冷端溫差8 ℃[4]。則濕空氣溫度能達到45 ℃，也能達到45 ℃，能滿足切水器伴熱過程的熱量供應?，F(xiàn)以蘭州地區(qū)一設計日系統(tǒng)工作為例，（此數(shù)據(jù)來源于文獻[4]）依據(jù)以上公式進行熱力學循環(huán)計算，計算結果如表2。

表2 蘭州地區(qū)一設計日系統(tǒng)工作性能表

以此為基礎，如若用于工廠實際，則可以依據(jù)工廠實際生產(chǎn)規(guī)模通過計算來得出符合本工廠實際情況的太陽能集熱板面積以及所需的空氣流量及蓄能工質(zhì)溴化鋰溶液的循環(huán)量。由以上可以看出，該系統(tǒng)具有較大的靈活性。

4 結束語

通過開發(fā)設計的以溴化鋰為太陽能蓄熱工質(zhì)，以空氣為攜熱介質(zhì)的開式太陽能蓄熱裝置實現(xiàn)了加熱與蓄能功能的一體化。采用切水器伴熱控制裝置并憑借開式太陽能蓄熱裝置的加熱與蓄能優(yōu)勢，實現(xiàn)了對切水器伴熱管道全天候的加熱，克服了太陽能使用的局限性。但要使蓄能熱泵系統(tǒng)可以運行，必須有一定溫度的低溫熱源可被利用。鑒于該系統(tǒng)的經(jīng)濟性和節(jié)能性，因此具有廣泛的應用前景。

參考文獻：

［1］ 蒲健全. 自動切水器在儲運罐區(qū)的應用[J]. 化學工程與裝備，2010(1)：98-100.

［2］ 李祖榮. 油罐全自動切水器：中國，98225755.4[P]. 1999-07-14.

［3］ 徐士鳴，劉渝宏. 以空氣為攜熱介質(zhì)的開式太陽能吸收式制冷循環(huán)的研究[J]. 太陽能學報，2004，25(2)：204-210.

［4］ 胡艷，徐士鳴. 以空氣為攜熱介質(zhì)的開式太陽能蓄能熱泵循環(huán)特性研究[J]. 太陽能學報，2005，26 (4)：497-502.

［5］ 邱中舉. 溴化鋰吸收式熱泵系統(tǒng)的研究[D]. 杭州：浙江大學，2011.

［6］ 徐國平，胡德福. 溴化鋰水溶液熱物性研究進展[C]. 第七屆全國余熱制冷和熱泵學術會議，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

田東偉（1992-），男，研究方向：油氣儲運工程。

吳玉國（1977-），男，副教授，博士，研究方向：油氣儲存與運輸。E-mail：wyg0413@126.com。