基于壓力發(fā)電和太陽(yáng)能產(chǎn)熱的蒸汽微水洗車(chē)系統(tǒng)

鄭聯(lián)慶 丁越 楊明軒 廖永昌 劉康 何嘉

摘 要：文章提供了一套基于壓力發(fā)電和太陽(yáng)能產(chǎn)熱的蒸汽微水洗車(chē)系統(tǒng)，安裝液壓發(fā)電裝置供給電能，使用自動(dòng)追蹤式太陽(yáng)灶提供主要熱能，電熱管產(chǎn)生蒸汽，拉法爾管加速蒸汽，最終通過(guò)噴槍噴出清洗車(chē)輛。相對(duì)于傳統(tǒng)洗車(chē)，該方案節(jié)水節(jié)電率高，提供了一種高效、便捷、舒適的洗車(chē)方式。

關(guān)鍵詞：壓力發(fā)電；自動(dòng)追蹤；太陽(yáng)灶；蒸汽清洗；微水

中圖分類(lèi)號(hào)：U472 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）23-0064-02

Abstract： This paper provides a steam micro-water washing system based on pressure power generation and solar energy heating. Hydraulic power generating device is installed to supply electric energy. Automatic tracking solar cooker is used to provide main heat energy. Electric heating tube generates steam and Laval Nozzle accelerates steam. The vehicle is eventually cleaned with a spray gun. Compared with the traditional car washing， this scheme has higher water and electricity saving rate， and provides an efficient， convenient and comfortable way of car washing.

Keywords： pressure power generation； automatic tracking； solar cooker； steam cleaning； micro-water

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)成為人們生活中常用的出行工具，汽車(chē)清洗也成了人們生活的一部分。傳統(tǒng)的高壓水槍洗車(chē)仍是主流，其造成的水資源浪費(fèi)、能量消耗及污染問(wèn)題十分嚴(yán)重。為此，我們提出一套基于壓力發(fā)電和太陽(yáng)能產(chǎn)熱的蒸汽微水洗車(chē)系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)洗車(chē)方式現(xiàn)狀

據(jù)某市一街區(qū)調(diào)查顯示[1]，傳統(tǒng)高壓水槍洗車(chē)仍是洗車(chē)主要方式，該調(diào)查統(tǒng)計(jì)了不同時(shí)段的洗車(chē)平均用水量及時(shí)間，而高壓水槍功率一般為15kW-25kW，將其換算成單車(chē)耗電量，如圖1所示：

可見(jiàn)，傳統(tǒng)洗車(chē)水資源浪費(fèi)嚴(yán)重，并且耗費(fèi)了較多電能，為此，我們提出基于壓力發(fā)電的太陽(yáng)能微水洗車(chē)設(shè)施，在很大程度上達(dá)到了節(jié)能減排的目的。

2 設(shè)施基本原理

該設(shè)施的原理如圖2所示：水源通過(guò)管路輸水到集水器，集水器置于自動(dòng)追蹤式太陽(yáng)灶上，此裝置可根據(jù)陽(yáng)光自動(dòng)選擇合適角度聚焦。當(dāng)溫度傳感器達(dá)到合適溫度時(shí)，單向閥打開(kāi)，熱水經(jīng)水泵進(jìn)入蒸汽發(fā)生罐，電熱管對(duì)熱水加熱使其迅速沸騰產(chǎn)生蒸汽，通過(guò)壓力控制器及溫度傳感器控制，當(dāng)其溫度與壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)閥門(mén)打開(kāi)，水蒸氣進(jìn)入拉法爾管進(jìn)行加速，隨后通過(guò)高壓軟管進(jìn)入蒸汽噴槍?zhuān)逑雌?chē)表面、車(chē)內(nèi)及發(fā)動(dòng)機(jī)艙?？紤]到對(duì)能量的充分利用，在相應(yīng)路面鋪設(shè)液壓發(fā)電裝置。當(dāng)汽車(chē)經(jīng)過(guò)該路面時(shí)，對(duì)液壓囊產(chǎn)生壓力，使高壓油經(jīng)出油管與節(jié)流閥沖向液壓飛輪，液壓飛輪的速度經(jīng)增速箱內(nèi)齒輪放大后帶動(dòng)永磁發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能并儲(chǔ)存到蓄電池中，為系統(tǒng)提供部分電量，隨后油液經(jīng)緩沖室流回液壓囊，完成循環(huán)。

3 部分參數(shù)計(jì)算及結(jié)果分析

3.1 太陽(yáng)灶燒水功率及時(shí)間

單位時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)灶吸收的熱輻射：

P1=Id1×A×α

其中，Id1為太陽(yáng)直接輻射能量強(qiáng)度，A為太陽(yáng)灶鏡面投影面積，α為太陽(yáng)灶鏡面吸收效率。又知：

Id1=S×β

其中，S為太陽(yáng)常數(shù)，約為S=1.367kW/m2，β為大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收率，約為β=47%[2]。

取太陽(yáng)灶鏡面投影面積A=2m2，求得

P1=1.367×0.47×2×0.9kW=1.156kW

太陽(yáng)灶的有用能效率η=0.412，水接收的熱功率

P1=P1×η=1.156×0.412=0.476kW

水的比熱容C=4.2KJ/（kg·℃），在陽(yáng)光充足的晴天20min內(nèi)水接收到的能量：

W1=P2×20×60=571.2kJ

將2L水溫度由常溫20℃提高：

？駐t=571.2÷4.2×2℃=68℃

由計(jì)算結(jié)果知，滿足使用要求。

3.2 系統(tǒng)耗電量

設(shè)備中主要耗電源為電熱管，功率為3kW，當(dāng)2升88℃的熱水泵入蒸汽發(fā)生器時(shí)，不考慮能量損失，則產(chǎn)生的熱量為：

Q=cmΔt

其中：c為水的比熱容，4.2×103J/（kg℃）；m為水的質(zhì)量，2kg；Δt為沸騰溫度與當(dāng)前水溫的溫度差，12℃。計(jì)算得：

Q1=4.2x1000x2x12=100800J=100.8kJ

查飽和水的熱力性質(zhì)表知，0.1Mpa的飽和水汽化潛熱γ約為2257.6kJ/kg，所以Q2=mr=4515.2kJ。

當(dāng)蒸汽繼續(xù)升溫到140℃，按定容過(guò)程計(jì)算

最終計(jì)算得Q1+Q2+Q3=4731.24kJ，耗電量為1.314°；其中，水泵耗電量不到0.1°，可以忽略。

3.3 洗一輛車(chē)耗水量

由設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算得蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的蒸汽壓力約為4.5bar，估算一輛車(chē)洗凈所需蒸汽體積，對(duì)應(yīng)符合太陽(yáng)灶設(shè)計(jì)加熱體積。

對(duì)于家庭用車(chē)，取車(chē)寬1.8m，長(zhǎng)4.5m，側(cè)面高約1.5m，考慮到汽車(chē)側(cè)面流線型設(shè)計(jì)，清洗一輛汽車(chē)，表面積約為15m2。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，出口處設(shè)計(jì)壓強(qiáng)為1.4bar，飽和蒸汽溫度為110℃，蒸汽發(fā)生器中140℃蒸汽對(duì)應(yīng)2732.15kJ/kg，110℃對(duì)應(yīng)焓值2691.26kJ/kg，忽略蒸汽發(fā)生器的出口流速，計(jì)算得：噴口處流速為6m/s到9m/s。又經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，根據(jù)設(shè)計(jì)噴口處壓強(qiáng)與溫度，在距離噴頭0.2m處，溫度大約為80℃，符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

按實(shí)際清洗需要，每4dm2需要噴頭停留2s即可滿足清洗要求，清洗一輛車(chē)的時(shí)間t=15×100×0.75s=18min，噴頭處噴頭半徑為0.8cm，面積s=π×0.8×0.8=2.01cm2，則V=2.01 10000×81500×0.75=1.8m3；由于飽和蒸汽比體積變化較大，取其為出口處110℃與100℃比體積中間值，查表得到為1.440m3/kg，故所用水的質(zhì)量為1.25kg等同于1.25L水的體積，可見(jiàn)，太陽(yáng)灶每次所加熱水的體積仍有約60%的蒸汽富余。

3.4 液壓發(fā)電裝置計(jì)算

液壓發(fā)電裝置主要由液壓囊、出油管、回油管、油液緩沖室、液壓飛輪、永磁發(fā)電機(jī)等零部件組成，如圖2所示。估測(cè)一輛標(biāo)準(zhǔn)小汽車(chē)以60km/h的速度通過(guò)長(zhǎng)為100m的液壓發(fā)電裝置區(qū)域，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式并查閱數(shù)據(jù)得[3]：

3.5 結(jié)果分析

（1）單車(chē)節(jié)電量：經(jīng)統(tǒng)計(jì)，以液壓發(fā)電裝置鋪設(shè)公路每經(jīng)過(guò)50輛有1輛車(chē)洗車(chē)進(jìn)行計(jì)算，則單車(chē)耗電量為：Ws=1.314kW·h-50×0.0078kW·h=0.924kW·h

以傳統(tǒng)高壓水槍洗車(chē)平均耗電量Wt=7.83kW·h計(jì)算，則單車(chē)節(jié)電百分比：αe=（Wt-Ws）/Wt×100%=88.19%

（2）單車(chē)節(jié)水量：此設(shè)計(jì)常壓下單車(chē)耗水量：Vs=1.25L

以傳統(tǒng)高壓水槍洗車(chē)平均耗水量：Vt=38.53L計(jì)算，則單車(chē)節(jié)水百分比為：αw=（Vt-Vs）/Wt×100%=96.76%

4 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)及推廣性

（1）該系統(tǒng)充分利用太陽(yáng)能資源對(duì)水進(jìn)行加熱，大大減小了電量損耗。（2）充分利用壓力能產(chǎn)生電能，為系統(tǒng)提供電力，節(jié)約能源。（3）利用拉法爾管進(jìn)行加速，提高了清洗效率，更加快速。（4）節(jié)水約96%，可清洗邊角內(nèi)飾等，無(wú)需化學(xué)清潔劑，效果好，零污染。（5）可以解決冬季洗車(chē)房地面積水結(jié)冰以及作業(yè)人員手部不適的問(wèn)題。（6）成本與市場(chǎng)主流洗車(chē)方式接近，甚至更有競(jìng)爭(zhēng)力。

綜上所述，該設(shè)施完全符合節(jié)能減排的理念，有很大的推廣性。

參考文獻(xiàn)：

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