基于壓力發電和太陽能產熱的蒸汽微水洗車系統

鄭聯慶 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電和太陽能產熱的蒸汽微水洗車系統，安裝液壓發電裝置供給電能，使用自動追蹤式太陽灶提供主要熱能，電熱管產生蒸汽，拉法爾管加速蒸汽，最終通過噴槍噴出清洗車輛。相對于傳統洗車，該方案節水節電率高，提供了一種高效、便捷、舒適的洗車方式。

關鍵詞：壓力發電；自動追蹤；太陽灶；蒸汽清洗；微水

中圖分類號：U472 文獻標志碼：A 文章編號：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

隨著國民經濟的快速發展，汽車成為人們生活中常用的出行工具，汽車清洗也成了人們生活的一部分。傳統的高壓水槍洗車仍是主流，其造成的水資源浪費、能量消耗及污染問題十分嚴重。為此，我們提出一套基于壓力發電和太陽能產熱的蒸汽微水洗車系統。

1 傳統洗車方式現狀

據某市一街區調查顯示[1]，傳統高壓水槍洗車仍是洗車主要方式，該調查統計了不同時段的洗車平均用水量及時間，而高壓水槍功率一般為15kW-25kW，將其換算成單車耗電量，如圖1所示：

可見，傳統洗車水資源浪費嚴重，并且耗費了較多電能，為此，我們提出基于壓力發電的太陽能微水洗車設施，在很大程度上達到了節能減排的目的。

2 設施基本原理

該設施的原理如圖2所示：水源通過管路輸水到集水器，集水器置于自動追蹤式太陽灶上，此裝置可根據陽光自動選擇合適角度聚焦。當溫度傳感器達到合適溫度時，單向閥打開，熱水經水泵進入蒸汽發生罐，電熱管對熱水加熱使其迅速沸騰產生蒸汽，通過壓力控制器及溫度傳感器控制，當其溫度與壓力達到預定值時閥門打開，水蒸氣進入拉法爾管進行加速，隨后通過高壓軟管進入蒸汽噴槍，清洗汽車表面、車內及發動機艙。考慮到對能量的充分利用，在相應路面鋪設液壓發電裝置。當汽車經過該路面時，對液壓囊產生壓力，使高壓油經出油管與節流閥沖向液壓飛輪，液壓飛輪的速度經增速箱內齒輪放大后帶動永磁發電機產生電能并儲存到蓄電池中，為系統提供部分電量，隨后油液經緩沖室流回液壓囊，完成循環。

3 部分參數計算及結果分析

3.1 太陽灶燒水功率及時間

單位時間內太陽灶吸收的熱輻射：

P1=Id1×A×α

其中，Id1為太陽直接輻射能量強度，A為太陽灶鏡面投影面積，α為太陽灶鏡面吸收效率。又知：

Id1=S×β

其中，S為太陽常數，約為S=1.367kW/m2，β為大氣層對太陽輻射的吸收率，約為β=47%[2]。

取太陽灶鏡面投影面積A=2m2，求得

P1=1.367×0.47×2×0.9kW=1.156kW

太陽灶的有用能效率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·℃），在陽光充足的晴天20min內水接收到的能量：

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℃

由計算結果知，滿足使用要求。

3.2 系統耗電量

設備中主要耗電源為電熱管，功率為3kW，當2升88℃的熱水泵入蒸汽發生器時，不考慮能量損失，則產生的熱量為：

Q=cmΔt

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

Q1=4.2x1000x2x12=100800J=100.8kJ

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

當蒸汽繼續升溫到140℃，按定容過程計算

最終計算得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 洗一輛車耗水量

由設計參數，計算得蒸汽發生器產生的蒸汽壓力約為4.5bar，估算一輛車洗凈所需蒸汽體積，對應符合太陽灶設計加熱體積。

對于家庭用車，取車寬1.8m，長4.5m，側面高約1.5m，考慮到汽車側面流線型設計，清洗一輛汽車，表面積約為15m2。

本系統設計中，出口處設計壓強為1.4bar，飽和蒸汽溫度為110℃，蒸汽發生器中140℃蒸汽對應2732.15kJ/kg，110℃對應焓值2691.26kJ/kg，忽略蒸汽發生器的出口流速，計算得：噴口處流速為6m/s到9m/s。又經實驗發現，根據設計噴口處壓強與溫度，在距離噴頭0.2m處，溫度大約為80℃，符合安全標準。

按實際清洗需要，每4dm2需要噴頭停留2s即可滿足清洗要求，清洗一輛車的時間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，故所用水的質量為1.25kg等同于1.25L水的體積，可見，太陽灶每次所加熱水的體積仍有約60%的蒸汽富余。

3.4 液壓發電裝置計算

液壓發電裝置主要由液壓囊、出油管、回油管、油液緩沖室、液壓飛輪、永磁發電機等零部件組成，如圖2所示。估測一輛標準小汽車以60km/h的速度通過長為100m的液壓發電裝置區域，結合經驗公式并查閱數據得[3]：

3.5 結果分析

（1）單車節電量：經統計，以液壓發電裝置鋪設公路每經過50輛有1輛車洗車進行計算，則單車耗電量為：Ws=1.314kW·h-50×0.0078kW·h=0.924kW·h

以傳統高壓水槍洗車平均耗電量Wt=7.83kW·h計算，則單車節電百分比：αe=（Wt-Ws）/Wt×100%=88.19%

（2）單車節水量：此設計常壓下單車耗水量：Vs=1.25L

以傳統高壓水槍洗車平均耗水量：Vt=38.53L計算，則單車節水百分比為：αw=（Vt-Vs）/Wt×100%=96.76%

4 系統優點及推廣性

（1）該系統充分利用太陽能資源對水進行加熱，大大減小了電量損耗。（2）充分利用壓力能產生電能，為系統提供電力，節約能源。（3）利用拉法爾管進行加速，提高了清洗效率，更加快速。（4）節水約96%，可清洗邊角內飾等，無需化學清潔劑，效果好，零污染。（5）可以解決冬季洗車房地面積水結冰以及作業人員手部不適的問題。（6）成本與市場主流洗車方式接近，甚至更有競爭力。

綜上所述，該設施完全符合節能減排的理念，有很大的推廣性。

參考文獻：

[1]王伊安，梁文博，王法耀.節水型空氣溫度濕度可調式汽車外部清洗機[J].黑龍江交通科技，2011，5.

[2]王錦俠，車茂隆.拋物盤鏡太陽灶熱性能的試驗研究[J].太陽能學報，1982，7.

[3]于振亞，彭金栓.基于液壓發電和閉塞原理的新型突起路標設計[J].科學技術與工程，2016，9.