太阳能暖风干衣机的设计.docx

1、太阳能暖风干衣机的设计太阳能暖风干衣机一 作品介绍.21.1思想来源.21.2作品名称及使用方法.31.3原理简介.4二 外形设计.5三 原理阐述.63.1集热原理.63.2追踪原理.153.3鼓风原理.19四 应用范围及前景.234.1社会背景及调查.234.2应用范围.274.3应用前景.29附录 调查问卷.32一 作品介绍1.1思想来源本次作品的想法来源有三个方面:1.洗衣、晾衣是人们生活中每天都要经历的事，但是，经常会碰上梅雨天气或沙尘天，衣服就会干的很慢，尤其是对于大学生，白天需要上课，没有时间晾衣服收衣服，这时人们就发明出来了各种使衣服干的更快的机器，“干衣机”就是其中的一种。干衣

2、机是利用电加热来使洗好的衣物中的水分即时蒸发干燥的清洁类家用电器，但是市场上的干衣机通过电加热来达到烘干效果，不仅限制工作时间，而且功率大，烘干的衣服少，便浪费电能，烘干的衣服多，便浪费时间（因为现在市场上的干衣机工作一会之后还要休息）。通过观察和比较，我们想到，如果收集太阳能，把太阳能转换成热能来加热空气，直接让热气流来烘干衣服，从而达到节能、环保、省时等目的。2. 特别的，作为当代大学生，我们从生活中的细节出发，试图将低碳的意义在身边展开。在宿舍生活中，每所高校几乎都有上万的学生有洗衣服晾衣服的需要，但是作为学生白天需要上课，根本没有时间晾衣服，就算利用早上的时间晾衣服也常常会由于阴天下雨

3、而来不及收衣服，这也是住校生活的一大难题。我们发明的太阳能暖风干衣机，将晾衣服的地点放在室内，首先解决了大家为收衣服担心的问题。而且将晾衣服的数量和质量提高，方便了大家的生活。同时，我们的装置由太阳能发电发热，自给自足，完全不需要消耗其他资源，节能减排，低碳环保。3. 随着我国经济的不断飞速发展，人们的生活水平越来越高，而人们的生活节奏也在不断的加快，时间对于人们来说尤为宝贵。因此，如果有一个装置，它可以再主人不在身边的时候自动烘干衣服，没有任何危险性，且不浪费能源的话，这样对人们生活质量的提高也是很有帮助。（详见应用范围及前景）4.将湿衣服挂在阳台，无疑会阻碍阳光射入室内，浪费空间。而且衣服

4、上也会因此感染细菌，不利于健康。但这个新型太阳能烘干机却能够节省空间，加快干衣速度，无需任何复杂操作，即可达到干衣效果。1.2作品名称及使用方法名称：太阳能暖风干衣机使用方法： 1.当主人想要晾衣服时，只需把将太阳能集热装置上的罩取走（此时太阳能集热装置开始工作），并将离心通风机的开关打开（此时通风机向干衣机的机箱里鼓风），便会在机箱内360散发热风，形成旋涡式气流，快速带走衣服湿气。 2.当主人晾完衣服后，只需将离心通风机的开关关闭，再将太阳能集热装置上的罩盖上，此时太阳能暖风干衣机停止工作，主人将衣服取下即可，或者不取下，不工作时的暖风干衣机可以当做衣柜来存放衣服。 通过这种方式，达到了无

5、需用电便可快速晾干、熨烫衣物等等的目的。可以节约时间，方便快捷的晾晒衣物，节约了能源，提高了生活质量，有使用简单方便、受外界环境影响小以及节约能源等特点。1.3 原理简介传统的晾衣服方式就是将衣物挂在阳光下，让其自然变干，这种方法受到时间上和空间上的限制，常常会有诸如阴雨或沙尘天气来不及收衣服的情况出现。本次作品我们主要基于的原理是：通过装置吸收太阳辐射能，并向空气传递热量，利用加热后的工质热气流促使衣服的水分蒸发，达到干燥衣物的目的。其原理主要分为几部分：集热部分、追踪部分、鼓风部分。集热部分利用吸热材料吸收太阳能，将空气加热成热气流。追踪部分可以使装置实现每时每刻追踪太阳光强最大的方向来吸

6、收太阳能，提高效率，实现自行工作。鼓风原理便是将热气流通入到烘干箱内使湿衣服的水分蒸发，并将湿空气从排气口排出。二 外形设计 图一 外观设计图一为我们此次作品中外形设计图，通过图可以清楚我们对各个部件的安排及太阳能暖风干衣系统的整体外观。图一中a处是太阳能集热装置及太阳能发电板部分，b处为鼓风及出风系统，而c处为放置衣物区域。鼓风机由太阳能电池板供电，太阳能集热装置用于加热气流。d处为太阳能集热装置的具体构造。三 原理阐述本次作品我们主要基于的原理是：吸收太阳辐射能，并向空气传递热量，利用加热后的工质空气来干燥衣物。其原理主要分为几部分：太阳能集热部分、太阳能追踪部分、太阳能发电部分、进风及出

7、风部分。3.1太阳能集热原理：太阳能集热装置主要由太阳能聚热板组成。太阳能聚热板的具体构造见图二 图二 太阳能聚热板太阳能聚热板的基本工作原理十分简单。概括地说，阳光透过透明盖板照射到表面涂有吸收层的吸热体上，其中大部分太阳辐射能为吸收体所吸收，转变为热能，并传向流体通道中的空气。这样，从集热装置进去口进入的冷空气，在流体通道中被太阳能所加热，温度逐渐升高，加热后的热空气，带着有用的热能从集热装置的出气口流出，成为我们需要的热空气。3.1.1透明盖板透明盖板在装置中中覆盖吸热板、并由透明（或半透明）材料组成的板状部件。它的功能主要有3个：一是透过太阳辐射，使其投射在吸热板上；二是保护吸热板，使

8、其不受灰尘及雨雪的侵蚀；三是形成温室效应，阻止吸热板在温度升高后通过对流和辐射向周围环境散热。太阳能集热装置透明盖板的层数及间距一般情况下，随着透明盖板层数的增多，虽然可以进一步减少集热装置的对流和辐射热损失，但同时会大幅度降低实际有效的太阳透射比，因此本装置选择双层结构。对于透明盖板与吸热板之间的距离，国内外文献提出过各种不同的数值，有的还根据平板夹层内空气自然对流换热机理提出了最佳间距。本装置采用的是使透明盖板与平板太阳能集热装置吸热板之间的距离应大于20mm。透明盖板的材料选择用于透明盖板的材料主要有两大类：平板玻璃平板玻璃具有红外透射比低、导热系数小、耐候性能好等特点，在这些方面无疑是

9、可以很好地满足太阳能集热装置透明盖板的要求。然而，对于平板玻璃来说，太阳透射比和冲击强度是两个需要重视的问题。目前常用的透明盖板材料是厚度为35mm的平板玻璃，超白低铁钢化玻璃或超白低铁布纹钢化玻璃，透过率高，能够抗冰雹，抗击打，安全可靠。常用玻璃厚度为3.2mm和4.0mm两种。 独特优势：A、玻璃的自爆率低：采用高纯度原材料，相对普通玻璃不含各种引爆杂质，从而大大降低了钢化后的自爆率。B、颜色一致性：超白玻璃采用先进的色度分析仪和分析软件，确保了玻璃颜色的一致性。C、可见光透过率高，通透性好：大于93%的可见光透过率，使集热装置得到更多太阳能量。D、紫外线透过率低：降低对其他材料的老化影响

10、。玻璃钢板。太阳能集热装置玻璃钢板（即玻璃纤维增强塑料板）具有太阳透射比高、导热系数小、冲击强度高等特点，在这些方面无疑也是可以很好地满足太阳能集热装置透明盖板的要求。然而，对于玻璃钢板来说，红外透射比和耐候性能是两个需要重视的问题。玻璃钢板的单色透射比与波长关系曲线表明，单色透射比不仅在2pm以内有很高的数值，而且在2.5pm以上仍有较高的数值。 因此，太阳能集热装置玻璃钢板的太阳透射比一般都在0.88以上，但它的红外透射比也比平板玻璃高得多。平板太阳能集热装置玻璃钢板通过使用高键能树脂和胶衣，可以减少受紫外线破坏的程度。但是，玻璃钢板的使用寿命是无论如何不能跟作为无机材料的平板玻璃相比拟的

11、。当然，玻璃钢板具有一些平板玻璃所没有的特点。例如：玻璃钢板的质量轻，便于太阳能集热装置的运输及安装；玻璃钢板的加工性能好，便于根据太阳能集热装置产品的需要进行加工成型。两者相比，本装置采用的是平板玻璃。3.1.2吸热板吸热板是太阳能集热装置内吸收太阳辐射能并向空气传递热量的部件，其基本上是平板形状。 在平板形状的吸热板上，通常都布置有排管和集管。排管是指吸热板纵向排列并构成流体通道的部件；集管是指吸热板上下两端横向连接若干根排管并构成流体通道的部件。吸热板的材料种类很多，有铜、铝合金、铜铝复合、不锈钢、镀锌钢、塑料、橡胶等。太阳能集管和支管采用TP2铜TP2铜磷脱氧铜是熔解高纯度的原材料把熔

12、化铜中产生的氧气用亲氧性的磷（P）脱氧，使其氧含量降低到100PPm以下，从而提高其延展性、耐蚀性、热传导性、焊接性、抽拉加工性，在高温中也不发生氢脆现象。太阳能集热装置吸热板材料特性及适用范围：氧的含量极低，纯度高，导电导热性极好，延展性极好，透气率低，无“氢病”或极少“氢病”；加工性能和焊接、耐蚀耐寒性均好。本装置采用蛇管式吸热板，是将金属管弯曲成蛇形，然后再与平板焊接构成吸热板。吸热板材料一般采用铜，焊接工艺可采用高频焊接或超声焊接。具体如图二所示。蛇管式吸热板优点：不需要另外焊接集管，减少泄漏的可能性；热效率 高，无结合热阻；水质清洁，铜管不会被腐蚀；保证质量，整个生产过程实现机械化；

13、耐压能力强，铜管可以承受较高的压力。蛇管式吸热板缺点：流动阻力大，流体通道不是并联而是串联；焊接难度大，焊缝不是直线而是曲线。3.1.3涂层为了使太阳能集热装置吸热板可以最大限度地吸收太阳辐射能并将其转换成热能，在吸热板上应覆盖有深色的涂层，这称为太阳能吸收涂层。吸热板的涂层材料对吸收太阳辐射能量起非常重要的作用。因为太阳辐射的波长主要集中在0.32.5m的范围内，而吸热板的热辐射则主要集中在220m的波长范围内，要增强吸热板对太阳辐射的吸收能力，又要减小热损失，降低吸热板的热辐射，就需要采用选择性涂料。选择性涂料是对太阳短波辐射具有较高吸收率，而对长波热辐射发射率却较低的一种涂料，目前国内外

14、的生产厂大多采用磁控溅射的方法制作选择性涂层，可达到吸收率0.930.95，发射率0.120.04，大大提高了产品热性能。吸收涂层可分为两大类：非选择性吸收涂层和选择性吸收涂层。非选择性吸收涂层是指其光学特性与辐射波长无关的吸收涂层；选择性吸收涂层则是指其光学特性随辐射波长不同有显著变化的吸收涂层。一般而言，要单纯达到高的太阳吸收比并不十分困难，难的是要在保持高的太阳吸收比的同时又达到低的发射率。对于选择性吸收涂层来说，随着太阳吸收比的提高，往往发射率也随之升高；对于通常使用的黑板漆来说，其太阳吸收比可高达0.95，但发射率也在0.90左右，所以属于非选择性吸收涂层。选择性吸收涂层可以用多种方

15、法来制备，如喷涂方法、化学方法、电化学方法、真空蒸发方法、磁控溅射方法等。采用这些方法制备的选择性吸收涂层，绝大多数的太阳吸收比都可达到0.90以上，但是它们可达到的发射率范围却有明显的区别。从发射率的性能角度出发，上述各种方法优劣的排列顺序应是：磁控溅射方法、真空蒸发方法、电化学方法、化学方法、喷涂方法。当然，每种方法的发射率值都有一定的范围，某种涂层的实际发射率值取决于制备该涂层工艺优化的程度。按吸热板涂层可分类为：电镀涂层、化学表面转化涂层、真空镀涂层。电镀涂层：黑铬涂层黑铬涂层的吸收比和发射比分别为0.930.97和0.070.15，/为613，具有优良的光谱选择性。黑铬涂层的热稳定性

16、和抗高温性能也很好，适用于高温条件，在300能长期稳定工作。此外，黑铬涂层还具有较好的耐候性和耐蚀性。但是，现在采用的电镀黑铬工艺，电流密度大（15200A/dm2），溶液导电性差，电镀时会产生大量的焦耳热，需要冷却和通风排气才能维持正常生产。另外，黑铬镀在非铜件上，需要先预镀铜，再镀光亮镍，最后镀黑铬，生产成本较高。黑镍涂层黑镍涂层的吸收比可达0.930.96，热发射比为0.080.15，/接近612，其吸收性能较好。黑镍涂层很薄，为了提高涂层与基体的结合力和耐蚀性，常采用中间涂层（如Ni，Cu，Cd）或双层镍涂层。由于黑镍涂层的热稳定性、耐蚀性较差，通常只适用于低温太阳能热利用。黑钴涂层黑

17、钴涂层的主要成分是CoS，具有蜂窝型网状结构，其吸收比可达0.940.96，发射比为0.120.14，/为6.78。电化学表面转化涂层 铝阳极氧化涂层铝及铝合金的阳极氧化可在硫酸介质中进行，但在太阳能热利用中，主要用磷酸介质。铝氧化涂层着色有多种工艺，其中电解着色工艺获得的涂层，具有牢固、稳定、耐晒优良特性，并且可进行大规模生产。铝阳极氧化涂层是一种多孔膜，孔隙率达22%，电解着色时金属易沉积在微孔中。用于电解着色的金属盐类有：镍盐、锡盐、钴盐和铜盐等。铝阳极氧化涂层，耐蚀、耐磨和耐光照等性能也相当好。CuO转化涂层以阳极氧化法制取的CuO转化涂层，NaOH电解液的浓度为1mol/L，电流密度

18、为2mA/cm2，温度为5057。涂层的吸收比可达0.880.95，法向发射比为0.150.30。这种CuO涂层有一层黑色绒面，保护不好，会导致吸收比的降低。真空镀涂层可以采用真空蒸发和磁控溅射技术制备选择吸收性能优良的涂层，但后者的设备比较简单，工艺控制方便，容易在大面积上获得均匀一致的涂层。目前，国内生产的全玻璃真空集热管和高档平板集热装置吸热板都采用磁控溅射技术制备吸收涂层。 本装置采用的是电化学表面转化涂层中的铝阳极氧化涂层3.1.4隔热层隔热层是集热装置中抑制吸热板通过传导向周围环境散热的部件。隔热层的厚度隔热层的厚度应根据选用的材料种类、集热装置的工作温度、使用地区的气候条件等因素

19、来确定。隔热层的厚度应当遵循这样一条原则：材料的导热系数越大、平板太阳能集热装置的工作温度越高、使用地区的气温越低则隔热层的厚度就要求越大。一般来说，底部隔热层的厚度选用3050mm，侧面隔热层的厚度与之大致相同。隔热层材料用于隔热层的材料有：岩棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯等。聚苯乙烯的导热系数很小，但在温度高于70时就会变形收缩，影响它在集热装置中的隔热效果。在实际使用时，往往需要在底部隔热层与吸热板之间放置一层薄薄的玻璃棉或岩棉，在四周隔热层的表面贴一层薄的镀铝聚酯薄膜，使隔热层在较低的温度条件下工作。即便如此，时间长久后，仍会有一定的收缩， 所以使用聚苯乙烯时，应给予足够的重视。玻璃棉是

20、将熔融玻璃纤维化，形成棉状的材料，化学成分属玻璃类，是一种无机质纤维，具有成型好、体积密度小、热导率低、保温绝热、吸音性能好、耐腐饰、化学性能稳定。此外，酚醛泡沫是一种新型的可以提高太阳能集热装置的高效保温材料。市场 上已逐渐有厂家在使用。酚醛泡沫（PhenolicFoam，简称PF），是以酚醛树脂和乳化剂、发泡剂、固化剂及其他助剂等多种物质，经科学配方发泡固化而成的闭孔型硬质泡沫塑料。酚醛泡沫材料的特性总结如下：A、出色的保温隔热性能，导热系数0.03W/mK。B、较高的工作温度。酚醛泡沫能在-200160(允许瞬时250）长期工作，无收缩。C、出色的耐候性。长期暴露在高温之下，仍然有较好的

21、保温隔热性能，不会释放任何可能阻隔太阳能辐射的挥发性物质。D、不燃性。酚醛泡沫（100mm厚）抗火焰能力可达1小时以上不被穿透，且无烟，无有害气体散发。酚醛泡沫见明火时，表面形成结构碳，无滴落物、无卷曲、无融化现象。过火后，表面形成结构碳的石墨层，有效地保护了泡沫的内结构。E、环保。采用无氟发泡技术，无纤维，符合国家、国际的环保要求。酚醛泡沫与聚氨酯相比：相近的保温性能，却具有更高的工作温度，且不燃。酚醛泡沫与岩棉相比：更好的保温性能，更干净，对人体无害。因此，本装置采用酚醛泡沫作为隔热层。3.2追踪原理本次作品采用单轴跟踪系统，摒弃了精密传感器，而采用简易的光敏三极管，虽无法达到很高的精度要

22、求，但却在保证正常的使用的情况下，降低了生产成本。它是根据太阳的周日视运行规律制作的，在一天内只需要单轴跟踪。高度角的跟踪由手动调节，这主要是考虑到太阳的高度角变化不是很明显。按照太阳运行规律，只需一周左右调整一次。这样只要能控制方位角的变化，基本上就能满足正常使用的要求。 图三 感光系统自动随动系统制动装置如图三，太阳能自动随动系统制动装置，方向角的调节是通过偏重实现的。每天早晨需要人为地把太阳集热面板转向太阳，这时由于偏重的作用，具有和太阳运动方向一致的转动趋势，但为了保证其在偏转过程中的平稳性，不发生倾倒，采用了图三所示的制动装置。在太阳集热面板的中心位置安装控制盒，盒中心位置开有小孔，

23、内置带有光敏电阻的控制电路，当有光线照射到时，光敏电阻的阻值降低，使得电路中三极管处于截止状态，电磁铁不吸合，棘爪未被提起，从而保证其不会发生偏转。当太阳转过一定角度时，光线将不会照到光敏电阻，光敏电阻的阻值会增大很多，电路近似处于断路状态，这时电路中的三极管处于导通状态，电磁铁通电吸合，提起棘爪，太阳能集热面板在偏重的作用下发生偏转，直到光线照到三极管时，电磁铁因断电而断开，棘爪下放，制动太阳能集热面板，开从而达到制动的目的。 但是，制动装置施以反向的力，控制着太阳能集热面板的转动。由于太阳的运动，当焦面偏离板部中心时感受元件就发出讯号，使制动装置放松制动绳链，太阳能集热面板就自动转动一下，

24、焦斑又回到板部中心上。 图四 感光系统自动随动系统制动机结构图如图四，外侧大圆环1用于固定太阳能集热追踪装置聚光板，采用两个相互垂直的轴实现太阳能集热追踪装置沿高度角及方位角的变化，其中竖直方向的轴由固结在中心的一个小圆环2上的两部分结构构成，太阳能集热追踪装置可以绕着此轴旋转以实现方位角的调整。在此轴的一段连接有制动装置，用以保证太阳能集热追踪装置能在与太阳垂直的位置静止不动。内侧的小圆环可以通过固结于其上的这两个轴4而带动外侧的大圆环，绕着水平的转轴转动，其下方连接一支撑杆5，手动调节杆的长度，以实现对高度角的调节，通过紧固螺栓保持太阳能集热追踪装置与太阳垂直。采用棘爪和推杆式的电磁铁相结

25、合的方式。 为了避免偏转时惯性过大问题，电路 采用555多谐振电路。图五 太阳能集热自动追踪系统电路图系统采用丝杠传动，用12或220微电机就能驱动。光敏跟踪装置采用单片设计。电子控制系统模块化。整体结构紧凑轻便，安装简单，调试方便，无须维修，室外全天候条件运行。此装置含有横向和纵向两种自动跟踪太阳移动功能，二维定位，跟踪精确。晴天时自动跟踪太阳。时晴时阴，（晴时跟踪，阴时停止）。3.3鼓风系统原理3.3.1 鼓风过程从风机将空气鼓入集热装置，得到的加热后的空气，通过管道进入到烘干室，热气流促使湿衣服的水分蒸发。利用热能使固体物料中的水分汽化并扩散到空气中去的过程，物料表面获得热量后，将热量传

26、入物料内部，使物料中所含的水分从物料内部以液态或气态方式进行扩散，逐渐到达物料表面，然后通过物料表面的气膜而扩散到空气中去，使物料中所含的水分逐步减少，最终成为干燥状态。风机需要的电能由图二中集热板上装有的太阳能电池提供。3.3.2.离心风机的工作过程 离心风机主要由叶轮、进风口及蜗壳等组成。叶轮转动时，叶道（叶片构成的流道）内的空气，受离心力作用而向外运动，在叶轮中央产生真空度，因而从进风口轴向吸入空气（速度为c0）。吸入的空气在叶轮入口处折转90后，进入叶道（速度为c1），在叶片作用下获得动能和压能。从叶道甩出的气流进入蜗壳，经集中、导流后，从出风口排出。1.出风口 2.蜗壳 3.叶轮 4

27、.进风口 5.进气室图5 离心通风机内气体流动方向3.3.3 叶轮的工作原理 （一）速度三角形 空气在叶道上任一点处，有绝对速度c，它是气流与叶轮的相对速度与牵连速度的向量和。绝对速度c与牵连速度的夹角以表示。相对速度与牵连速度的反方向的夹角以表示。通常只画出叶片入口及出口的速度三角形，并以1点表示叶轮入口；2点表示叶轮出口。图6 速度分析及速度三角形（二）基本方程欧拉方程 为便于计算，作假设如下： 1）、气体为理想气体，流动中没有任何能量损失，故驱动风机的功全部转化为气流的能量。 2）、叶轮叶片数无限多、叶片无限薄。所以气体在叶道内的流线与叶片形状一致，气流相对速度2的出口角2与叶片出口安装

28、角2A一致。 3）、气流是稳定流，其流动不随时间而变化。 当风机流量为Q（m3/s）、压力为PT N/m2 时（PT 叶片数无限多时的理论压力），气流则得到的能量为 N=Q PT （Nm/s） 如风机轴上阻力矩为 M（Nm）、角速度为（1/s），）则驱动风机的功为 N=M （Nm/s） 根据假设1，驱动风机的功全部转换为气流的能量，则根据动量定律，单位时间内，叶轮中气流对风机的动量矩的变化，等于外力对此轴线的力矩和。叶道内气体abcd经时间t后，移动到efgh。根据假设3，气流为稳定流，截面abgh内气体动量矩不变。因而在t时间内，气体动量矩的变化为面积abfe与dcgh动量矩之差，而面积ab

29、fe与dcgh内体质量相等，并等于每秒钟流过叶轮气体质量乘以时间t，即 m=Qt叶轮入口及出口处的动量矩M1及M2分别为单位时间内动量矩的变化为力矩M 或所以上式为离心通过风机的基本方程，又叫欧拉方程。因略去了全部损失，所以PT称为无穷多叶片时的理论全压。在上式中，C1u是叶轮进口处气流绝对速度C1在圆周方向的速度分量。由于叶轮入口处具有切线速度u1 ，按速度场作用规律，气流在进入叶轮时应该存在切向分速。但是空气的粘性很小，在没有导流器时，可以认为气流是径向进入叶轮的，即在叶轮入口处，1=90，C1=C1r，C1u=0。代入欧拉方程，可得： PT=u2C2u四 应用前沿与背景4.1社会背景及调查（一）社会背景据中国人民大学环境学院等机构发布的 中国城市空气质量管理绩效评估显示，空气质量好的城市个数占10.67%，差的城市占 75.80% ，极 差 的 城 市 占13.52%。并且空气质量水平正在整体恶化之中。这些颗粒物漂浮在空气中，当人们把衣服挂在外面晒时，晾晒衣物对微生物的杀灭不彻底，其中的细菌、病毒以及各种颗粒物便会吸附在衣服上，从而感染致病。如果遇到梅雨天气，衣服上的细菌更是会成倍增长，这对儿童和老人的危害更大。但是如果用干衣机来晾