太阳能热水器(毕业论文(编辑修改稿)

太阳能热水器(毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

降低了集热器的热损失，因而使其在高工质温度或低环境温度的运行条件下仍具有良好的热性能，同时运用了热管技术，被加热工质不直接流经真空管，因而跟普通平板式集热器和真空管集热器比较 ，热管式真空集热器除了工作温度高，承压能力大和耐热冲击性能好等优点，还有其显著特点 [5]。 这种集热器的优点： 耐冰冻。 热管由特殊的材料和工艺保证，即使在冬季长时间无晴天及夜间的严寒条件下，真空管也不会冻裂。 启动快。 热管的热容量很小，受热后立即启动，因而在瞬变的太阳辐射条件下能提高集热器的输出能量，而且在多云间晴的低日照天气也能将水加热。 保温好。 热管具有单向传热的特点，即白天由太阳能转换的热量可沿热管向上传输去加热水，而夜间被加热的水的热量不会沿热管向下散发到周围环境。 安装维修方便。 安装方便，操作简单，易于固定，运行可靠。 缺点 : 生产成本。 技术要求高。 上面介绍了目前我国太阳能热水器的种类，并讨论了它们各自的优缺点。 最后，在此基础上提出了本文研究的主要内容为全玻璃真空管太阳能热水器的自动控制系统的设计。 研究的内容 本课题研究的内容是用 PLC 控制太阳能热水器系统，实现太阳能热水器系统自动化控制及手工控制，使其满足实际各种控制需要、使更多的工作免于人参与、使系统更加稳定可靠。 具体研究工作从以下方面展开： 1）确定系统的各种工序，绘制系统的工艺流程 图。 2） PLC 选型及 I/O 分配。 3）设计、绘制梯形图，满足各控制要求。 4）绘制电气原理图、外部接线图等。 5）依据设计要求调试系统成功。 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 6 第二章 全玻璃真空管式 太阳能热水器的综述 太阳能热水器系统功能简介 图 2— 1 热水器系统的结构图 图 2— 2 系统控制原理图 : 注释 : Tl，热水箱的温度传感器 T2， 循环水管中的温度传感器 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 7 T3，集热器中的温度传感器 F1，循环水阀门 F2，冷水阀门 F3，热水阀门 此款热水器利用微机控制主要有以下两种 控制功能 :水温控制、水箱加热控制。 水温控制 为了提供温度不低于 37 摄氏度的水，具体控制过程如下： 首先，关闭冷水阀门 F2 和循环水阀门 F1，然后微机开始进行水箱的温度采集，同时进行温度的比较，当水箱中的温度小于 370C 时，电热器 D 接通进行加热，同时微机继续对热水箱的水温进行采集。 当温度加热到大于 370C 时电热器 D 断开，如此反复循 环保证了温度的稳定。 水箱加热控制 如果没有日照或者日照很弱时，到了晚上我们是否还能洗上热水澡呢 ?答案是肯定的，不要忘了这款热水器还有一个从系统。 这时它就要发挥作用了。 热水箱温度为 T1，将它和设定值 N 相比较，从而控制是否打开电加热。 控制时段为 6 点一 18 点，具体过程如下 : 若TlN，电加热接通。 否则，电加热断开。 最终热水箱的温度加热到设定值 N。 由此可见，即使没有日照我们照样可以洗上热水澡了。 太阳能热水器组成、原理和工作过程 在工农业生产和日常生活中，需要大量的热水。 这类热水的特点是用水量较 大而水温不高，一般为 400C ~600C。 如淋浴的水温在 350C~400C 之间，超过 600C 就会感到太热。 工业上为了清除油污，热水温度要高一些，但一般在 900C 左右。 太阳能热水器能提供的热水，是目前使用最为普遍和效果最好的太阳能利用装置。 这种装置结构简单、使用方位、不用专人管理，故己在全国推广使用。 热水器组成及原理 热水器主要由集热器、循环管道和水箱等组成。 下图为典型的热水器装置简图。 图中集热器 1 按最佳倾角放置，下降水管 2 的一端与循环水箱 3 的下部相连，另一端与集热器1 的下集管接通。 上升水管 5 与循环 水箱 3 的上部相连，另一端与集热器 1 的上集管相接。 补给水箱 4 供给循环水箱 3 所需的冷水。 当集热器吸收太阳辐射后，集热器内温度上升，水温也随之升高。 水温升高后，水的比重减轻，经上升水管进入循环水箱上部。 而循环水箱下部的冷水，比重较大，就由水箱下部流到集热器下方，在集热器内受热后又上升。 这青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 8 样不断对流循环，水温逐渐提高，直到集热器吸收的热量与散失的热量相平衡时，水温不再升高。 这种热水器利用循环加热的原理，因此又称为循环式热水器 [6][7]。 热水器装置简图 1 一集热器 2 一下降水管 3 一循环水管 4 一补给水箱 5 一上 升水管 6 一自来水管 7 一热水出水管 热水器的基本工作过程 1） 吸热过程。 太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收后沿肋片和管壁传递到吸热管内的水。 吸热管内的水吸热后温度升高，比重减小而上升，形成一个向上的动力，构成一个热虹吸系统。 随着热水的不断上移并储存在储水箱上部，同时通过下循环管不断补充温度较低的水，如此循环往复，最终整箱水都升高至一定的温度。 2） 水循环管路。 家用太阳能热水器通常按自然循环方式工作，没有外在的动力，设计良好的系统只要有 5℃ ~6℃以上的温差就可以循环很好。 水循环 管路、管径及管路分布的合理性直接影响到集热器的热交换效率。 多数情况下，自然循环家用热水器系统管路中的流态都可以视为层流。 集热器内管路系统的阻力主要来自沿程阻力，局部阻力的影响要小得多，其中支管的沿程阻力又比主管要大得多。 当水温升高后，由于运动粘度减小，沿程阻力变小，局部阻力的影响变大。 在一定范围内，当主管管径不变时，加大支管管径，不仅沿程阻力迅速减小，而且局部阻力也将跟着减小。 一般地，支管的半径应在 10mm 以上。 当主管管径达到一定值以后，增加主管管径对减小系统阻力意义不大 [8]。 太阳能热水 器各单元介绍 集热器 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 9 平板式太阳能集热器是平板式太阳能热水器的主要部件，它由透明玻璃、吸热体、保温层等组成。 当涂有黑色的金属片置于阳光下，即可吸收太阳辐射能而升高温度，同时也向四周散发热量。 若它吸收的能量与散发的能量相等，此时金属片就不再升温，这就叫“平衡温度”。 如果在金属片内有流道，流体把热量不断带走，为了达到平衡温度，金属片便要不断吸收太阳的辐射能。 利用这种原理，把带有流道的金属板封装在一个保温盒体中，上面盖以玻璃，使太阳的辐射能可以进入盒体，集热器由于吸热体温度较低，其发射出的大部分辐射能波长较长 (位于远红外区域 )，这些辐射不能穿透玻璃而被阻隔在集热器的空腔内，从而产生了所谓的温室效应，提高了集热器的集热效率。 循环管道 在热水器平面布置方案确定后，集热器与循环水箱已基本确定。 但要热水器运行起来，还得配置适当的管道，将集热器与水箱有机的连接起来，才能形成一个完整的循环系统。 热水器管道系统连接正确与否，对热水器循环系统的效率也有很大影响。 热水器水箱及水箱配置 水箱是热水器重要组成部分。 它包括循环水箱和补给水箱；循环水箱与集热器上下水管相连，供热水循环之用。 补给水箱只与循环水箱相通，当循环水箱 水位低时，以补给冷水之用。 1）循环水箱 它的作用是保持最高水位平面，同时让水中空气由此处排出，避免带入管道系统，以致造成气阻损失。 循环水箱的下部均装有冷水进水挡板。 这样冷水进入循环水箱时，通过挡板使之扩散流入不致将箱内上部热水搅混。 2）补给水箱 补给水箱是供给冷水的水箱。 自来水不是直接进入循环。 而是通过补给水箱来补给。 这样做的优点是使冷水和热水隔开，保持循环水箱中的热水水温稳定。 3）水箱配管 水箱配管是指进出水管、排放热水管等在水箱中的高度位置，它对排放水温起着主要作用。 因此，热水出水管位置愈高，其 热水排放温度亦愈高；为此，采用定温自动放水时，它的热水出水口位置较高。 而采用人工放水时，热水出水口位置应较低。 循环水箱内的水温达到一定温度时，将箱内热水几乎全部放掉，然后放入冷水再重新循环加热。 一般人工放水一天中 12 次。 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 10 系统的要求 根据人们对热水器的使用习惯和人性化设计要求 , 设计的控制系统具有以下功能： 自动控制功能。 系统在自动工作方式时 能自动控制供水水泵的运行与停止和各电磁阀的开关。 定时控制器在断电时正常计时 ,故采用其作为 PLC 的电源控制。 在定时控制时间内 ,由定时器接通 PLC 的电源 ,PLC 按预先编制的程序依次打开各控制设备电源 ,并根据输入信号的变化随时调整程序的执行。 在非系统工作时间里 定时器自动断开 PLC 的电源。 工作为 6～ 18 h。 可利用定时控制器和 PLC 自身具有的定时命令加以解决。 除尘功能。 利用温度开关检测环境温度是否适合除尘 ,温度开关为 4 ℃。 除尘 用一个电磁阀连续工作 2 min。 水箱液位控制功能。 水箱 200 L ,液位控制在 180 L。 水箱应具备供热水、保温的基本功能。 报警功能。 当出现故障时，故障指示灯闪烁且 报警电铃响起 ,操作人员可以按下“消音”按钮以解除铃响，但故障指示灯仍在闪烁；直到故障消除；故障指示灯才停止闪烁。 节水功能。 供水阀供水 5 min，停 2 min。 可实现手动 /自动控制切换。 可编程控制器（ PLC）简介 可编程控制器（ PragrammableLogicController,简称 PLC，是一种数字运算操作的电子系统，是在 20 世纪 60 年代末面向工业环境由美国科学家首先研制成功的。 它采用可编程序的存储器，其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作指令，并通过 数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。 可编程序控制器及其有关设备，都是按易于与工业控制系统形成一体、易于扩充其功能的原则设计的。 PLC自产生至今只有 30 多年的历史，却得到了迅速发展和广泛应用，成为当代工业自动化的主要支柱之一。 长期以来， PLC 在工业自动化控制而发挥着巨大作用，为各种各样的自动化控制设备提供了广泛、可靠的控制应用。 这主要是源于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案，适合当前自动化工业企业的需要 [9]。 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 11 PLC 的发展历史 20 世纪 70 年代大规模集成电 路和微处理机出现后，正式生产出了现在模式的可编程序逻辑控制器 PLC（ Programmable Logic Controller）产品。 这类产品具有稳定可靠、价格便宜、功能齐全、体积小、应用灵活方便、工程周期短、操作维护方便、应用领域广阔等优点。 随着集成电路和计算机技术的发展，现在己诞生了第五代 PLC 产品。 而从应用角度看， PLC 大概经历了如下几个阶段： 单机就地控制，取代继电器柜，至今仍然是 PLC 应用的主流。 数台 PLC 与 1 台 PC 相连， PC 完成编程和在运行中作为人机界面（ 80 年代后期）。 90 午代 ，随着系统集成能力的提高， PLC 提供系统通信的能力，构成可编程控制系统 PCS（ Programmable Control System），人机界面逐步完善，具有离散量和模拟量数据采集系统的监控能力。 随着近代现场总线、网络、工业 PC 机（ IPC）、软 PLC 技术的发展，以及系统开放性、电控仪控一体化、管控一体化、 IT 技术发展的需求，新型的覆盖大、中、小系统的PCS 正在形成。 可编程序控制器的工作原理 PLC 采用循环（巡回）扫描工作方式，而大、中型 PLC 还增加了中断工作方式。 循环扫描即可按固定顺序， 也可按用户程序所规定一级顺序（高级和低级顺序）或可变顺序等进行。 因为有的用户程序不需要每扫描一次执行一次，也为的是在控制系统需要处理的 I/O点数较多时，通过不同的模块组合的安排，采用分时分批扫描执行的办法，可缩短循环扫描周期和控制的实时性 [10]。 用户将用户程序设计、调试后，用编程器键入 PLC 的存储器中，并将现场的输入信号和被驱动的执行元件相应地接在输入模板的输入端和输出模板的输出端上，然后用 PLC 的控制开关使其处于运行工作方式， PLC 就以循环扫描的工作方式进行工作。 在输入信号、用户程序的控制上，产生相应 的输出信号，完成预期的控制任务。 PLC 的典型的循环顺序扫描土作过程如图 2－ 4 所示。 青岛农业大学机电工程学院本科毕业设计 12 图 2－ 4 PLC循环顺序扫描工作流程图 从图 2－ 4 中可以看出，一个典型的可编程序控制器在一个扫描周期中要完成六个扫描过程。 在系统软件的指挥下，按图 2－ 4 所示的程序流程顺序地执行，这种工作方式成为顺序扫描方式。 从扫描过程中的某个扫描过程开始，顺序扫描后又回到该过程成为一个扫描周期。 进行一个扫描周期所需的时间称为一个扫描周期时间 [11]。 可编程控制器的的特点 通用性强 ,使用方便。 由于 PLC 产品的系列 化和模块化，配备有品种齐全的各种硬件装置供用户选用。 当控制对象的硬件配置确定以后 ,就可通过修改用户程序 ,方便。