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(dòng)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(xué) 石油天然氣工程學(xué)院, 遼寧 撫順 113001）

根據(jù)太陽能的特點(diǎn)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(shí)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(shì)，設(shè)計(jì)了一套開式太陽能加熱循環(huán)系統(tǒng)，可實(shí)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(chǔ)油罐底部一般安裝有切水閥門，可將生產(chǎn)儲(chǔ)運(yùn)過程中混入的一些水排除出去。由于閥門開啟大小對(duì)脫水質(zhì)量影響較大，人工脫水只是憑經(jīng)驗(yàn)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(guān)注自動(dòng)切水器的研究。自動(dòng)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(diǎn)較高、黏度較大、常溫下流動(dòng)性能較差等特點(diǎn)，在環(huán)境溫度較低的情況下，為防止油品凝固且實(shí)現(xiàn)降黏減阻，在對(duì)儲(chǔ)油罐切水的過程中必須對(duì)輸送管道進(jìn)行加熱。目前工業(yè)上均采用蒸汽加熱管作為應(yīng)對(duì)措施，但其存在熱效率較低、能耗高、維修維護(hù)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(yīng)用價(jià)值。

針對(duì)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(dòng)切水器，并對(duì)該系統(tǒng)的組成、工作原理及性能進(jìn)行了研究；同時(shí)設(shè)計(jì)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(dòng)切水器加熱系統(tǒng)，并對(duì)太陽能集熱裝置的熱力學(xué)工程一些工況進(jìn)行了計(jì)算。

1 研究實(shí)施方案

1.1 自動(dòng)切水器結(jié)構(gòu)原理

如圖1所示， 自動(dòng)切水器主要由罐體浮球連桿、側(cè)板、無壓切水閥、液體配重、油罐體等組成。該自動(dòng)切水器以重力為動(dòng)力源, 利用液體在容器內(nèi)的壓強(qiáng)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(guān)閉。具體工作過程如下：當(dāng)儲(chǔ)油罐中的水進(jìn)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(dāng)浮力大于浮球的配重時(shí)，浮球上浮，從而帶動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)，在連桿機(jī)構(gòu)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(dāng)切水器中的水排到一定程度時(shí)，浮球所受浮力減小，浮球下沉并通過連桿帶動(dòng)閥門并將閥門關(guān)閉，停止排水。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是通過調(diào)節(jié)浮球中液體的配重應(yīng)用于各種不同密度油品的儲(chǔ)油罐中，同時(shí)切水器中的水積累到一定程度時(shí)，閥門才會(huì)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(dòng)切水器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 無壓切水閥結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 太陽能蓄熱裝置結(jié)構(gòu)原理

如下圖3所示，為提高進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)罐內(nèi)的稀溶液在足夠的太陽輻射強(qiáng)度下經(jīng)溶液泵和氣／液熱交換器加壓、加熱后進(jìn)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(yīng)的濃溶液儲(chǔ)罐。白天對(duì)進(jìn)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(jìn)行。而在太陽能輻射強(qiáng)度不夠的情況下，能量轉(zhuǎn)換不能進(jìn)行，回收的太陽能被轉(zhuǎn)成溶液化學(xué)勢(shì)能并儲(chǔ)存起來，水箱內(nèi)的水和濃溶液分別進(jìn)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?zé)嵩吹臒崃慷a(chǎn)生的水蒸汽，所產(chǎn)生的吸收熱用于夜間對(duì)進(jìn)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(qiáng)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(xué)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(dāng)溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高或溫度過低時(shí)均會(huì)出現(xiàn)結(jié)晶現(xiàn)象。在常壓下，溴化鋰溶液的沸點(diǎn)是1 265 ℃，與水的沸點(diǎn)相差非常大[5,6]。溴化鋰溶液的稀釋能力很強(qiáng)，無需進(jìn)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(dòng)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(dòng)切水器的整體工作流程圖，通過該裝置可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能的利用及存儲(chǔ)作用，夜晚通過提取出儲(chǔ)存在溴化鋰濃溶液的能量來實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)入切水器的油品進(jìn)行加熱，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(jié)構(gòu)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(gè)“加熱空間”， 在太陽能輻射強(qiáng)度較大時(shí)溶液伴熱管處于關(guān)閉狀態(tài)，僅通過熱空氣伴熱管進(jìn)行加熱，當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度較低時(shí)或夜間時(shí)，熱空氣伴熱管關(guān)閉，開啟溶液伴熱管，利用溴化鋰濃溶液儲(chǔ)存的能量進(jìn)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(dòng)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(duì)空氣進(jìn)行加熱，空氣溫度升高并作為攜熱介質(zhì)進(jìn)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(jìn)入氣/氣熱交換器，這部分帶有較多能量的濕空氣進(jìn)入熱空氣伴熱控制裝置對(duì)切水器伴熱管道進(jìn)行加熱，通過熱空氣伴熱控制裝置控制對(duì)這一部分能量進(jìn)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(shí)，因熱交換作用一部分太陽能被儲(chǔ)存在溴化鋰濃溶液中，夜晚當(dāng)無太陽能輻射時(shí)，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(shí)，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(duì)伴熱管道的加熱過程，同時(shí)當(dāng)完成換熱后溴化鋰稀溶液回到發(fā)生器再次進(jìn)行蓄熱。通過以上過程，可以實(shí)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(xué)過程的計(jì)算

熱平衡：

質(zhì)平衡：

溴化鋰溶液中水蒸氣的分壓計(jì)算式：

其中，

表1 各參數(shù)對(duì)應(yīng)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(duì)目前國內(nèi)打了生產(chǎn)的銅鋁復(fù)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(shí)段太陽能平板集熱器效率計(jì)算式為：

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

通過計(jì)算可知，如果有溫度為14~16 ℃的水源，設(shè)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(jìn)／出口溫度分別為32 ℃／40 ℃。取環(huán)境空氣溫度5 ℃，相對(duì)濕度35％，冷劑水溫10 ℃，采用串聯(lián)多級(jí)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(dá)到45 ℃，也能達(dá)到45 ℃，能滿足切水器伴熱過程的熱量供應(yīng)?，F(xiàn)以蘭州地區(qū)一設(shè)計(jì)日系統(tǒng)工作為例，（此數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[4]）依據(jù)以上公式進(jìn)行熱力學(xué)循環(huán)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2。

表2 蘭州地區(qū)一設(shè)計(jì)日系統(tǒng)工作性能表

以此為基礎(chǔ)，如若用于工廠實(shí)際，則可以依據(jù)工廠實(shí)際生產(chǎn)規(guī)模通過計(jì)算來得出符合本工廠實(shí)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(jié)束語

通過開發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)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(shì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(yùn)行，必須有一定溫度的低溫?zé)嵩纯杀焕?。鑒于該系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

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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(chǔ)運(yùn)工程。

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