太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)的研究

汪 琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

上海熱油爐設(shè)計開發(fā)中心

0 前言

太陽能是清潔能源，使用太陽能可生產(chǎn)陶瓷型太陽能集熱器而且沒有環(huán)境污染。在紡織印染工藝中有很多環(huán)節(jié)需要用到熱水。因此，熱水供應(yīng)對于印染企業(yè)有著至關(guān)重要的作用。目前大部分印染企業(yè)都用蒸汽把冷水加熱成熱水，由于蒸汽消耗量過大、能源成本上漲過快，在一定程度上降低了印染企業(yè)的盈利。太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)是利用太陽能光熱技術(shù)[1]制取低溫?zé)崴墓?jié)能減排方法，首先是將冷水輸送到太陽能集熱器中進行加熱，然后通過供水管道系統(tǒng)將熱水輸送到保溫?zé)崴貎?nèi)，最后通過水泵將熱水供給染洗水洗設(shè)備使用。因此，在紡織印染水洗工藝中采用太陽能光熱供水則可以降低能源消耗、減少環(huán)境污染，同時還具有清潔和安全運行的優(yōu)點。

1 太陽能光熱供水技術(shù)

太陽能光熱供水技術(shù)是將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能。太陽能光熱供水系統(tǒng)有四個主要環(huán)節(jié)：集熱、換熱、控制和儲熱，其關(guān)鍵技術(shù)在于集熱和保溫儲熱[2]，太陽能集熱器的功能是最大限度將熱能用于加熱冷水。太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)中經(jīng)常采用的幾種集熱器有：平板型太陽能集熱器、真空管太陽能集熱器和陶瓷型太陽能集熱器。

1.1 平板型太陽能集熱器

平板型太陽能集熱器是由集熱板芯、透明玻璃蓋板、保溫層、邊框外殼四大部分組成。其核心是集熱板芯，它是由銅鋁復(fù)合金屬材料制成的板管式結(jié)構(gòu)，其黑色的吸熱翅片由鋁合金制成，其表面由一層經(jīng)陽極氧化工藝制成的選擇型吸熱層，該吸熱層不易褪色和脫落，吸收率達95%，翅片中間有一條銅管流道，冷水在銅管內(nèi)流動時被加熱，銅管耐腐蝕，其壽命大于15年。平板型太陽能集熱器具有結(jié)構(gòu)簡單、承壓能力強、吸熱性能好、制造成本較低等特點，有利于實現(xiàn)平板型太陽能集熱器安裝布置在紡織印染車間的樓房頂上，從而可節(jié)省土地面積。

1.2 真空管太陽能集熱器

真空管太陽能集熱器是將吸熱體和透明蓋層之間的空間抽成真空。太陽能集熱器真空管可分為兩種類型：一類是玻璃吸熱體真空管，另一類是金屬吸熱體真空管。其特點是防凍結(jié)、不易結(jié)垢，保溫性能好、耐熱沖擊，安裝簡單方便、運行安全可靠。

1.3 陶瓷型太陽能集熱器

陶瓷型太陽能集熱器是由太陽能板、透明蓋、保溫層、外殼等幾部分組成，陶瓷太陽能板的整體材質(zhì)為陶瓷材料，其特點是：防滲水、強度高、不易腐蝕、不易老化、無毒、無害，且吸收太陽能的效率不會隨著時間變化而發(fā)生衰減，具有長期、高效的光熱轉(zhuǎn)換效率。

太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)是通過太陽能集熱器對冷水進行加熱，然后將加熱好的熱水放入儲水罐內(nèi)，當熱水溫度達到了生產(chǎn)工藝設(shè)定溫度時，熱水進入恒溫儲水箱中供生產(chǎn)用戶使用。而當熱水的溫度低于生產(chǎn)工藝設(shè)定溫度或陰雨天及夜晚沒有陽光時，應(yīng)立即啟動輔助加熱系統(tǒng)，經(jīng)輔助加熱裝置對低溫的冷水進行加熱后，達到了生產(chǎn)工藝設(shè)定溫度的熱水則可進入恒溫儲水箱內(nèi)儲存供生產(chǎn)用戶使用。

2 太陽能光熱供水在紡織印染水洗工藝中的應(yīng)用

2.1 太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)

太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)主要由以下四個部分組成：

1)太陽能集熱器

太陽能集熱器是用來吸收太陽能，并把光能轉(zhuǎn)化為熱能的裝置[3]，從而可以把冷水加熱成為熱水。

2)熱水池與清水池

恒溫?zé)崴厥怯脕韮Υ嬉呀?jīng)被加熱的熱水，保溫清水池則是用來儲存冷水，保溫廢熱水池是用來儲存印染水洗后的廢水。

3)余熱回收裝置

余熱回收裝置是用來吸收印染水洗后廢水中的余熱，并將干凈的冷水通過板式熱交換器換熱后變?yōu)闊崴墓?jié)能減排裝置。

4)供水管道系統(tǒng)

如果水溫在95℃以下使用時，供水管道系統(tǒng)可采用太陽能光熱專用塑料管道，其優(yōu)點是防腐蝕、防銹蝕、保溫性能較好。但如果水溫在95℃以上使用時，供水管道系統(tǒng)可以采用金屬碳鋼管或者鍍鋅鐵管，其優(yōu)點是強度好、剛度高、耐壓性能好、且耐高溫；缺點是金屬管道易生銹腐蝕、污染管道內(nèi)的水流體，而且金屬管道的散熱速度快、不容易保溫，冬季建筑物室外安裝的金屬管道容易凍裂損壞，因此需要采用保溫措施。如果水溫在95℃以下使用時，供水管道系統(tǒng)也可以全部采用金屬碳鋼管或者鍍鋅鐵管。

2.2 太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)在紡織印染水洗工藝中的應(yīng)用

天氣晴朗時當太陽能把平板型太陽能集熱器內(nèi)的冷水加熱至60℃時(此工藝溫度是可以進行設(shè)置的)，冷水管上的電磁閥自動打開，冷水由自來水的壓力送入太陽能集熱板內(nèi)，并把太陽能集熱板內(nèi)被加熱好的熱水擠壓到熱水池中儲存待用，當冷水到達太陽能集熱板出口處的溫度探測器位置時，如果探測水溫低于60℃，電磁閥門就會立刻關(guān)閉，冷水則會停留在太陽能集熱板內(nèi)被太陽能繼續(xù)加熱，1～3min之后，水溫會升到60℃，這時電磁門會再次打開，太陽能集熱器內(nèi)的熱水又被擠壓進入熱水池中，按此規(guī)律運行，則會一次又一次產(chǎn)生熱水、進入熱水池中。熱水池內(nèi)的熱水逐漸增加直到熱水池內(nèi)的熱水裝滿為止。

當熱水池內(nèi)的熱水裝滿之后，平板型太陽能集熱器停止進入冷水，如果此時天空中還有太陽光線，為了充分利用太陽能，循環(huán)熱水泵就會自動開啟運轉(zhuǎn)，將熱水池內(nèi)儲存的60℃熱水抽出來進入太陽能集熱器內(nèi)，繼續(xù)經(jīng)過太陽能集熱器的循環(huán)加熱，從而使熱水的溫度進一步升高，并將其儲存在熱水池內(nèi)。

在紡織印染水洗過程中使用熱水時，熱水會從熱水池中輸送至印染水洗設(shè)備內(nèi)，同時冷水管和輔助加熱的蒸汽水管會向印染水洗設(shè)備內(nèi)分別輸入常溫冷水和蒸汽水(溫度達到90℃左右)，以此用來調(diào)節(jié)印染水洗設(shè)備內(nèi)的熱水溫度。而經(jīng)過印染水洗設(shè)備的熱水用于染洗之后就會變?yōu)閺U熱水。印染廢熱水有較高的溫度和余熱，因此，為了充分利用印染廢熱水中的熱能，廢熱水將會通過污水管道輸入到板式熱交換器內(nèi)，通過板式熱交換器回收印染廢水中的余熱，從而將干凈的冷水加熱變成為干凈的熱水，而被加熱后的干凈熱水則會輸送至熱水池中。同時將降溫后的印染廢水通過排水管道排出，進入污水處理系統(tǒng)內(nèi)進行后續(xù)環(huán)保處理。

2.3 太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)的智能化控制

智能化控制可以實現(xiàn)太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)與輔助加熱系統(tǒng)的無縫組合。紡織印染水洗中的輔助加熱系統(tǒng)可以選擇是蒸汽(或熱水鍋爐)，通過一根浸泡在保溫?zé)崴氐撞康慕饘偬间摫P管，浸泡鋼管內(nèi)輸入蒸汽間接加熱保溫?zé)崴刂械乃８鶕?jù)天氣的光照情況，智能化控制啟動或關(guān)閉太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)[4]；同時根據(jù)生產(chǎn)實際使用熱水的情況，智能化控制啟動或關(guān)閉輔助加熱系統(tǒng)中的蒸汽輸入量，并實現(xiàn)兩者的無縫對接組合。此外，智能化控制能夠?qū)崿F(xiàn)太陽能光熱的定溫出水、太陽能集熱器和保溫?zé)崴氐臏夭钛h(huán)、分時段補水、自動和定時啟動輔助加熱系統(tǒng)、定溫或定時回水、定時供水、最低水位保護等功能。綜上所述，在紡織印染水洗工藝中采用太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)具有如下優(yōu)點：

1)增加產(chǎn)量

利用平板型太陽能集熱器對冷水進行加熱，溫度為60℃左右的熱水可以直接進入染缸，從而大幅度縮短了蒸汽加熱的升溫時間，最終可達到增加產(chǎn)量的目的。

2)建筑物樓頂隔熱

印染車間建筑物樓頂?shù)娜照諘r間較長，故會導(dǎo)致車間室內(nèi)的溫度較高，由于平板型太陽能集熱器可以直接放在建筑物樓頂上，擋住并吸收了太陽光線，故利用平板型太陽能集熱器可以有效地進行車間樓頂隔熱，從而降低了車間室內(nèi)的生產(chǎn)環(huán)境溫度。

3)安全生產(chǎn)

太陽能光熱供水產(chǎn)生的熱水溫度一般低于70℃以下，故無任何生產(chǎn)安全隱患。

3 太陽能專用塑料供水管道

太陽能供水管道通常安裝在建筑物外，長期承受熱水燙、寒潮凍、烈日曬的惡劣環(huán)境。太陽能專用塑料供水管道必須同時具備長期抗燙、抗凍、抗曬的功能。太陽能專用塑料供水管道采用防凍抗曬交聯(lián)管，通過先進生產(chǎn)技術(shù)，將聚乙烯的線型分子結(jié)構(gòu)改變成三維網(wǎng)狀分子狀態(tài)，其具備耐高溫、抗凍性能、抗曬性能、機械強度高、使用壽命長、清潔衛(wèi)生等優(yōu)良性能。

3.1 耐高溫、壽命長

由于具有不同于一般塑料的三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)，太陽能專用塑料供水管道是典型的高溫型管道，具有優(yōu)越的耐高溫性能，主要表現(xiàn)在以下兩方面：

1)高溫條件下的高強度

靜液壓強度是表明塑料管道在恒定溫度下耐恒定內(nèi)水壓的性能，對于內(nèi)壓水流體的輸送所采用塑料管道，其靜液壓強度要能全面反映塑料管道的性能[5]；且靜液壓強度也是塑料管道系統(tǒng)進行壽命預(yù)測的主要手段之一。

無壓環(huán)的剛度是表明塑料管材質(zhì)量的關(guān)鍵性能指標，通過無壓環(huán)剛度大小可以確定塑料管材能否長期埋于地下，當受到外力作用下其形狀是否不發(fā)生較大變形。

太陽能專用塑料供水管道的短期使用溫度可達到110℃水溫，在95℃水溫時其爆破壓力為2.0MPa；而一般塑料管道在70℃水溫時已完全失去強度。

2）在高溫下使用壽命長

太陽能專用塑料供水管道在70℃以下水溫使用時，使用壽命可達到50年；如在95℃以下水溫使用時，其使用壽命為30年。而一般塑料管道均為冷水型管道，只能在30℃以下水溫使用，如在較高的水溫條件下使用，很快因熱老化而變脆損壞。

3.2 抗凍性能

縱向回縮率是表明塑料管材處于溫度的影響下，沿縱向的收縮變化及其穩(wěn)定性能[6]?？v向回縮率的大小反映了塑料管材使用過程中對日照、氣溫等環(huán)境變化的承受能力。由于太陽能專用塑料供水管道具有特殊的三維網(wǎng)狀分子結(jié)構(gòu)，從而使該塑料管道具有低溫不脆化及記憶特性，即是在外力作用下發(fā)生變形、在外力消失后能恢復(fù)原來形狀的特性。所以，太陽能專用塑料供水管道能夠歷經(jīng)嚴寒而不會凍裂，其機理是由于該太陽能專用塑料管道在低溫條件下具有良好的彈性和記憶特性。當太陽能專用塑料管道內(nèi)結(jié)冰膨脹時，專用塑料管道靠彈性微量變粗，以吸收結(jié)冰時的脹力。當升溫化凍時，太陽能專用塑料管道靠記憶特性恢復(fù)原狀。如此反復(fù)數(shù)百次而不會發(fā)生破裂損壞。

其它類型塑料管道、特別是鋁塑管不具備這種特性。當鋁塑管道內(nèi)結(jié)冰膨脹時，低溫彈性差的鋁塑管道，由于不能靠彈性變粗，無法吸收管內(nèi)結(jié)冰膨脹時的脹力作用而會發(fā)生一次凍裂損壞。即使低溫彈性好的塑料管道，雖然在管內(nèi)結(jié)冰膨脹時塑料管道能靠彈性微量變粗，但當升溫解凍時，塑料管道則不能恢復(fù)原來形狀；當管內(nèi)再次發(fā)生結(jié)冰時，塑料管道在原來被脹大的基礎(chǔ)上，會再次被脹大；當連續(xù)發(fā)生幾次管內(nèi)結(jié)冰之后，即連續(xù)發(fā)生幾次寒流冰凍之后，便會超出塑料管道延伸極限而發(fā)生破裂損壞。

3.3 抗曬性能

普通交聯(lián)管道雖然具有抗燙、抗凍的優(yōu)良性能，但也有明顯的缺陷，即：怕曬。如果裸露于太陽光之下，不到一年時間，普通交聯(lián)管道便會因為龜裂而脆化，所以，普通交聯(lián)管道是屬于室內(nèi)使用的塑料管道。

太陽能專用塑料供水管道采用先進的抗紫外線配方和共擠復(fù)合工藝，在交聯(lián)管外面復(fù)合上抗紫外線保護層，從而屏蔽了紫外線，由此在室外使用太陽能專用塑料供水管道如同與在室內(nèi)使用的情況相似。因此，當太陽能專用塑料供水管道裸露在陽光之下，其使用壽命是普通交聯(lián)管的5倍以上，從而使太陽能專用塑料供水管道同時具備了長期耐燙、抗凍、抗曬的三大功能。

3.4 機械強度高

太陽能專用塑料供水管道的機械強度是普通塑料管道的3倍以上。

3.5 使用壽命長

太陽能專用塑料供水管道的損壞、失效主要取決于以下因素：太陽能專用塑料管道輸送的水流體壓力、泵送水流體和水流體自身由于落差而產(chǎn)生的水柱，均會在太陽能專用塑料供水管道中產(chǎn)生可能引發(fā)系統(tǒng)損壞、失效的壓力。影響太陽能專用塑料供水管道的實際使用壽命有如下幾個主要因素：

1）原材料因素

包括樹脂的自身特點、原材料的成分和比重、添加劑及其加工助劑和改性助劑、加工工藝及流程等引起太陽能專用塑料管道性能變化的各種因素[7]。

2）使用條件因素

包括太陽能專用塑料管道輸送的水流體溫度影響因素，使用環(huán)境中溫度、氧化、微生物的破壞作用。

3）載荷因素

太陽能專用塑料供水管道系統(tǒng)的運行壓力及其壓力變化、承受的外部荷載、水流體輸送壓力及動態(tài)內(nèi)向載荷等因素，太陽能專用塑料供水管道的切口劃傷等影響因素[8]。

3.6 清潔衛(wèi)生

太陽能專用塑料供水管道采用雙層復(fù)合結(jié)構(gòu)，外層為抗紫外線層，內(nèi)層采用食品級的塑料原材料，故太陽能專用塑料供水管道不僅可抗紫外線而且清潔衛(wèi)生。

4 結(jié)語

太陽能是可再生的能源，且資源豐富、綠色環(huán)保。因此，在紡織印染行業(yè)中采用太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)，可以在印染車間樓頂上安裝使用平板型太陽能集熱器，可以利用太陽能把冷水加熱變成為熱水，并貯存在保溫?zé)崴貎?nèi)。使用太陽能專用塑料供水管道向印染車間中的印染水洗設(shè)備供應(yīng)熱水，還可進行污水的余熱回收利用，從而可大幅度節(jié)約能源費用，減少環(huán)境污染。采用太陽能光熱供水節(jié)能減排系統(tǒng)是紡織印染行業(yè)中實現(xiàn)節(jié)能減排、降低運行成本的一項非常有效的實用方法。