基于压力发电和太阳能产热的蒸汽微水洗车系统

郑联庆 丁越 杨明轩 廖永昌 刘康 何嘉

摘 要：文章提供了一套基于压力发电和太阳能产热的蒸汽微水洗车系统，安装液压发电装置供给电能，使用自动追踪式太阳灶提供主要热能，电热管产生蒸汽，拉法尔管加速蒸汽，最终通过喷枪喷出清洗车辆。相对于传统洗车，该方案节水节电率高，提供了一种高效、便捷、舒适的洗车方式。

关键词：压力发电；自动追踪；太阳灶；蒸汽清洗；微水

中图分类号：U472 文献标志码：A 文章编号：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

隨着国民经济的快速发展，汽车成为人们生活中常用的出行工具，汽车清洗也成了人们生活的一部分。传统的高压水枪洗车仍是主流，其造成的水资源浪费、能量消耗及污染问题十分严重。为此，我们提出一套基于压力发电和太阳能产热的蒸汽微水洗车系统。

1 传统洗车方式现状

据某市一街区调查显示[1]，传统高压水枪洗车仍是洗车主要方式，该调查统计了不同时段的洗车平均用水量及时间，而高压水枪功率一般为15kW-25kW，将其换算成单车耗电量，如图1所示：

可见，传统洗车水资源浪费严重，并且耗费了较多电能，为此，我们提出基于压力发电的太阳能微水洗车设施，在很大程度上达到了节能减排的目的。

2 设施基本原理

该设施的原理如图2所示：水源通过管路输水到集水器，集水器置于自动追踪式太阳灶上，此装置可根据阳光自动选择合适角度聚焦。当温度传感器达到合适温度时，单向阀打开，热水经水泵进入蒸汽发生罐，电热管对热水加热使其迅速沸腾产生蒸汽，通过压力控制器及温度传感器控制，当其温度与压力达到预定值时阀门打开，水蒸气进入拉法尔管进行加速，随后通过高压软管进入蒸汽喷枪，清洗汽车表面、车内及发动机舱。考虑到对能量的充分利用，在相应路面铺设液压发电装置。当汽车经过该路面时，对液压囊产生压力，使高压油经出油管与节流阀冲向液压飞轮，液压飞轮的速度经增速箱内齿轮放大后带动永磁发电机产生电能并储存到蓄电池中，为系统提供部分电量，随后油液经缓冲室流回液压囊，完成循环。

3 部分参数计算及结果分析

3.1 太阳灶烧水功率及时间

单位时间内太阳灶吸收的热辐射：

P1=Id1×A×α

其中，Id1为太阳直接辐射能量强度，A为太阳灶镜面投影面积，α为太阳灶镜面吸收效率。又知：

Id1=S×β

其中，S为太阳常数，约为S=1.367kW/m2，β为大气层对太阳辐射的吸收率，约为β=47%[2]。

取太阳灶镜面投影面积A=2m2，求得

P1=1.367×0.47×2×0.9kW=1.156kW

太阳灶的有用能效率η=0.412，水接收的热功率

P1=P1×η=1.156×0.412=0.476kW

水的比热容C=4.2KJ/（kg·℃），在阳光充足的晴天20min内水接收到的能量：

W1=P2×20×60=571.2kJ

将2L水温度由常温20℃提高：

？驻t=571.2÷4.2×2℃=68℃

由计算结果知，满足使用要求。

3.2 系统耗电量

设备中主要耗电源为电热管，功率为3kW，当2升88℃的热水泵入蒸汽发生器时，不考虑能量损失，则产生的热量为：

Q=cmΔt

其中：c为水的比热容，4.2×103J/（kg℃）；m为水的质量，2kg；Δt为沸腾温度与当前水温的温度差，12℃。计算得：

Q1=4.2x1000x2x12=100800J=100.8kJ

查饱和水的热力性质表知，0.1Mpa的饱和水汽化潜热γ约为2257.6kJ/kg，所以Q2=mr=4515.2kJ。

当蒸汽继续升温到140℃，按定容过程计算

最终计算得Q1+Q2+Q3=4731.24kJ，耗电量为1.314°；其中，水泵耗电量不到0.1°，可以忽略。

3.3 洗一辆车耗水量

由设计参数，计算得蒸汽发生器产生的蒸汽压力约为4.5bar，估算一辆车洗净所需蒸汽体积，对应符合太阳灶设计加热体积。

對于家庭用车，取车宽1.8m，长4.5m，侧面高约1.5m，考虑到汽车侧面流线型设计，清洗一辆汽车，表面积约为15m2。

本系统设计中，出口处设计压强为1.4bar，饱和蒸汽温度为110℃，蒸汽发生器中140℃蒸汽对应2732.15kJ/kg，110℃对应焓值2691.26kJ/kg，忽略蒸汽发生器的出口流速，计算得：喷口处流速为6m/s到9m/s。又经实验发现，根据设计喷口处压强与温度，在距离喷头0.2m处，温度大约为80℃，符合安全标准。

按实际清洗需要，每4dm2需要喷头停留2s即可满足清洗要求，清洗一辆车的时间t=15×100×0.75s=18min，喷头处喷头半径为0.8cm，面积s=π×0.8×0.8=2.01cm2，则V=2.01 10000×81500×0.75=1.8m3；由于饱和蒸汽比体积变化较大，取其为出口处110℃与100℃比体积中间值，查表得到为1.440m3/kg，故所用水的质量为1.25kg等同于1.25L水的体积，可见，太阳灶每次所加热水的体积仍有约60%的蒸汽富余。

3.4 液压发电装置计算

液压发电装置主要由液压囊、出油管、回油管、油液缓冲室、液压飞轮、永磁发电机等零部件组成，如图2所示。估测一辆标准小汽车以60km/h的速度通过长为100m的液压发电装置区域，结合经验公式并查阅数据得[3]：

3.5 结果分析

（1）单车节电量：经统计，以液压发电装置铺设公路每经过50辆有1辆车洗车进行计算，则单车耗电量为：Ws=1.314kW·h-50×0.0078kW·h=0.924kW·h

以传统高压水枪洗车平均耗电量Wt=7.83kW·h计算，则单车节电百分比：αe=（Wt-Ws）/Wt×100%=88.19%

（2）单车节水量：此设计常压下单车耗水量：Vs=1.25L

以传统高压水枪洗车平均耗水量：Vt=38.53L计算，则单车节水百分比为：αw=（Vt-Vs）/Wt×100%=96.76%

4 系统优点及推广性

（1）该系统充分利用太阳能资源对水进行加热，大大减小了电量损耗。（2）充分利用压力能产生电能，为系统提供电力，节约能源。（3）利用拉法尔管进行加速，提高了清洗效率，更加快速。（4）节水约96%，可清洗边角内饰等，无需化学清洁剂，效果好，零污染。（5）可以解决冬季洗车房地面积水结冰以及作业人员手部不适的问题。（6）成本与市场主流洗车方式接近，甚至更有竞争力。

综上所述，该设施完全符合节能减排的理念，有很大的推广性。

参考文献：

[1]王伊安，梁文博，王法耀.节水型空气温度湿度可调式汽车外部清洗机[J].黑龙江交通科技，2011，5.

[2]王锦侠，车茂隆.抛物盘镜太阳灶热性能的试验研究[J].太阳能学报，1982，7.

[3]于振亚，彭金栓.基于液压发电和闭塞原理的新型突起路标设计[J].科学技术与工程，2016，9.