CN106913195A - 高效吸收太阳辐射能的加热器皿 - Google Patents

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张俊辉
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Abstract

本发明属于太阳灶技术领域,公开了高效吸收太阳辐射能的加热器皿,所述加热器皿包括有玻璃器皿,所述玻璃器皿的形状为圆柱形、圆锥台形或倒圆锥台形,所述玻璃器皿的直径为8至40cm,还包括有容器和液体水,所述容器在所述玻璃器皿内,所述液体水在所述玻璃器皿内的底部,所述容器浮在所述液体水的液面上,所述容器底部与所述玻璃器皿底部之间的距离为2至10cm,所述容器的内部盛放所烹饪的食物,也可以包括有容器、液体水、支架和圆盘,所述容器在所述玻璃器皿内,所述液体水在所述玻璃器皿内的底部,所述支架用于支承所述容器,所述圆盘是安装在所述支架上。本发明能够高效吸收太阳辐射能,减少光反射损失和散热损失,取得较高的热效率。

Description

高效吸收太阳辐射能的加热器皿
技术领域
本发明涉及太阳灶技术领域,更具体地涉及高效吸收太阳辐射能的加热器皿。
背景技术
我们的祖先早在公元前11世纪的青铜器时代已经发明了“阳燧取火”。所谓阳燧就是一种金属的凹面镜,它能汇聚阳光点燃艾绒之类东西而取得火种。史书记载“阳燧以铜为之,形如镜,照物则景倒,向日生火”。又有记载“阳燧,金也。日高三四丈,持以向日,燥艾承之寸余,有顷,焦吹之则得火”。可见,前人早已利用阳光聚焦达到高温来加热物体,这是最古老的太阳能热利用方法之一。
用高聚光效率的光学透镜聚焦阳光来烹饪食物是由德国人Tschirnhausen(1651-1708)首先试验的。用抛物面镜反射太阳能集中到悬挂的锅上的太阳灶则是由法国人穆肖在1860年首先研制的。1890年前欧洲已开始工业化生产用旋转抛物面镜反射太阳能集中到烹饪锅上的太阳灶。1970年“石油危机”后,太阳能利用技术研发得到了更大的重视。太阳灶作为一种既不消耗矿物燃料,又不排放任何污染物,最为节能环保的烹饪方式也得到了较多的研究。在太阳能资源丰富的国家和地区太阳灶已得到了一定程度的应用。
自1980年以来我国也积极在太阳能资源丰富的省份(如甘肃、青海、宁夏、内蒙、新疆、西藏、云南)推广使用太阳灶。2006年国家农业部组织实施“太阳能温暖工程”等重大项目,使得我国的太阳灶保有量迅速增加。2014年在中国西部地区太阳灶的保有量已达120万台以上,取得了一定的节能减排的效果。
常用的反射聚光型太阳灶如图1所示。反射聚光器R将太阳光反射聚焦到支架S上的锅具P的底部来加热锅内食物,锅具P为人们日常生活使用的普通金属锅。已有的太阳灶技术研究主要涉及反射聚光器R的反光面形状(如旋转抛物面、槽形抛物面、球面、圆锥面等)和结构参数(如口径、焦距、聚光比等)、反光面材料(如玻璃镜面、金属镜面、反光膜等)、布置方式(如正轴式、偏轴式设计)、自动跟踪太阳的装置(如单轴式、双轴式自动跟踪太阳装置)等。
太阳灶的光学性能参数中最重要的是聚光效率。聚光效率定义为由反射聚光器R聚焦到达锅具P的太阳辐射量与反射聚光器R采光面积接收的太阳直射辐射量之比。目前常见的旋转抛物面太阳灶的聚光效率一般达到85%。
太阳灶的热性能参数中最重要的是光效率和热效率。《聚光型太阳灶》NY/T219-2003定义光效率为:“热损为零时,太阳灶测试锅具吸收到的能量和垂直投射到截光面积上的太阳直射辐射量之比”。该标准规定测试太阳灶的光效率时初始温度为低于环境温度10℃,终止温度为高于环境温度10℃,并规定太阳灶产品的光效率不低于65%。《聚光型太阳灶》NY219-1992则定义煮水热效率为:“太阳灶锅具内的水从某一初始温度升高到某一终止温度的全过程中所得的总热量与该过程中垂直投射到采光面积上的累积太阳直射辐照量之比”。该标准规定测试太阳灶的煮水热效率时初始温度为环境温度,终止温度为高于环境温度50℃,并规定太阳灶产品的煮水热效率不低于55%。
上述两个标准中测试锅具的温度偏低,NY/T219-2003仅高于环境温度10℃,热损失小;NY219-1992仅高于环境温度50℃,热损失也不大。但实际使用太阳灶烹饪食物时锅具温度一般需要达到100℃且保持100℃一段时间才能煮熟食物。假定气温为10℃,锅具与环境空气的温度差高达90℃,锅具热损失相当大。因此在实际使用条件下太阳灶的热效率低于上述两个标准给出的65%和55%。实际上现有太阳灶的热效率一般仅有45%左右。
太阳灶如此低的热效率对于其实际使用效果有很大的影响。因为,实际加热功率=太阳辐照度x太阳灶采光面积x热效率。常见太阳灶的采光面积为1.7m2,在晴天时太阳辐照度可达1000W/m2。此时,实际加热功率=1000W/m2x 1.7m2x 45%=765W。该加热功率可用于烹煮食物,但加热速度不快。在多云天气时太阳辐照度只有600W/m2,实际加热功率=600W/m2x 1.7m2x 45%=459W。该加热功率过小,加热速度缓慢,导致在太阳辐照度600W/m2的多云天气时太阳灶不可用。但如果太阳灶的热效率是75%的话,实际加热功率=600W/m2x 1.7m2x 75%=765W,这样在太阳辐照度600W/m2的多云天气仍然是可用的。可见,太阳灶的实际使用效果和可用率都受到了其低热效率的很大影响。
如上所述,本来太阳灶的聚光效率达到了85%。为什么热效率只有45%?本发明人认为主要原因在于:
1、光反射损失较大
反射聚光器R聚焦照射到金属锅具P底部的太阳辐射只有部分能够被金属锅具P底部吸收转化为热能,其余会被金属锅具P底部反射损失掉(图1中锅底下方的粗箭头表示聚焦到锅底的太阳辐射,细箭头表示锅底反射引起的光反射损失)。新的表面抛光的不锈钢或铝合金锅底对于太阳光的反射率高达80至90%。实际使用的旧锅的锅底有颜色发黑的垢层和积碳层,因此旧锅的锅底的太阳光反射率约为25%至35%。就是说,太阳灶聚焦照射到金属锅具P底部的焦斑辐射能的25%至35%被金属锅底反射向周围而损失掉。
2、散热损失较大
(a)对流热损失较大:太阳灶烹饪时锅具P整个锅体裸露在周围的流动空气中,当环境气温低,风速大时,其对流热损失相当大。
(b)长波红外辐射热损失:当锅体尤其是锅底焦斑处达到较高温度时,锅体本身也向外界发出长波红外辐射,因此会有锅体本身的长波红外辐射热损失。
3、传热步骤多、传热面积小、传热热阻较大
在锅底外表面发生的太阳光热转换产生的热量需要以热传导的方式依次经过锅底外表面垢层和积碳层、锅底壁、锅底内表面垢层和沉积在锅底内表面的食物层传导至锅内,然后再以对流传热和/或热传导的方式传递给锅内食物。其传热面积等于锅底面积(直径24cm锅具的锅底面积只有0.045m2)。太阳光热转换产生的热量从锅底向锅内食物传递的传热步骤多、传热面积小、传热热阻较大。
以旋转抛物面太阳灶的典型数据为例:反射聚光器R聚光效率85%,就是说,其采光面积接收的太阳辐射能的85%能够被反射聚焦到达锅具P底部(其余的15%为反光面的散射和聚焦误差损失)。那些被反射聚焦到达锅具P底部的太阳辐射能的70%能够被锅具P底部吸收转换为热能(其余的30%为金属锅底的光反射损失)。而那些被锅具P底部吸收转换产生的热能的70%能够传递至锅内食物(其余的30%为锅具P向环境空气的散热损失)。则热效率为:85%x 70%x 70%=41.7%。可见,锅具P的光反射损失和散热损失是造成太阳灶热效率低的主要原因。
一直以来,人们在太阳灶上烹饪食物时使用的锅具均为普通家用金属锅。已有的太阳灶技术极少研究适合在太阳灶上使用的锅具。但太阳灶的加热机理明显不同于一般厨房灶具,因此适合在太阳灶上使用的锅具应该不同于一般厨房用的金属锅具。如上所述,本发明人认为太阳灶加热普通金属锅具时光反射损失较大、散热损失较大、传热步骤较多、传热面积较小、传热热阻较大。因此,本发明提供适用于太阳灶的、能够高效吸收太阳辐射能的加热器皿,对于太阳灶的实际应用有着积极意义。
发明内容
本发明的目的是针对在太阳灶上使用普通金属锅具烹煮食物时光反射损失较大、散热损失较大、传热步骤较多、传热面积较小、传热热阻较大等问题,提供适用于在现有太阳灶上烹煮日常食物、能够高效吸收太阳辐射能的、成本低廉且使用方便的加热器皿,该加热器皿与现有各种形式的太阳灶配合使用时能够取得较高的热效率。
为此,本发明提供:
高效吸收太阳辐射能的加热器皿,所述加热器皿包括有玻璃器皿,所述玻璃器皿的形状为圆柱形、圆锥台形或者倒圆锥台形,所述玻璃器皿的直径为8至40cm。
进一步地,还包括有容器和液体水,所述容器在所述玻璃器皿内,所述液体水是在所述玻璃器皿内的底部,所述容器浮在所述液体水的液面上,所述容器底部与所述玻璃器皿底部之间的距离为2至10cm,所述容器的内部盛放所烹饪的食物。
进一步地,还包括有容器、液体水、支架和圆盘,所述容器在所述玻璃器皿内,所述液体水是在所述玻璃器皿内的底部,所述支架用于支承所述容器,所述圆盘是安装在所述支架上,所述容器的内部盛放所烹饪的食物。
进一步地,所述圆盘具有倾斜度。
进一步地,所述玻璃器皿具有凹底。
进一步地,还包括有圆筒,所述圆筒的上边缘与所述圆盘的外边缘固定连接。
进一步地,还包括有平底煎锅或者圆底炒锅,所述平底煎锅或者圆底炒锅置于所述玻璃器皿的内部,所述平底煎锅或者圆底炒锅内有所烹饪的食物。
优选的,所述容器的外表面、圆盘的上表面和下表面、圆筒的内表面和外表面是经过发黑处理或者有太阳光选择吸收膜层或者有黑色油漆层。
优选的,还包括有玻璃盖子。
优选的,所述玻璃器皿的制作材料为耐热无机玻璃或者耐热有机玻璃。
本发明的加热器皿采用玻璃器皿,太阳灶聚焦光斑的绝大部分能够透过玻璃器皿壁射入其内部。因此,本发明的加热器皿可以显著地减少光反射损失。那些射入玻璃器皿内部的太阳辐射可被所烹饪的食物吸收。由于太阳光热转换是发生在玻璃器皿内的食物表面上,本发明为内加热方式,使得本发明的加热器皿在太阳灶上使用时具有传热步骤少、传热热阻低的优点。另外,玻璃器皿的外表面温度较低,因此其与周围流动冷空气接触的对流热损失较低。本发明的加热器皿能够高效吸收太阳辐射能,减少光反射损失和散热损失,取得较高的热效率。
本发明的其它有益效果将在具体实施方式中予以说明。
附图说明
图1是现有技术的反射聚光型太阳灶示意图。
图2是本发明实施例1的加热器皿示意图。
图3是本发明实施例2的内有容器的加热器皿示意图。
图4是本发明实施例3的内有容器、支架和圆盘的加热器皿示意图。
图5是本发明实施例4的凹底加热器皿示意图。
图6是本发明实施例5的煎炒用器皿示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中,附图仅用于示例性说明,表示的仅是示意图,而非实物图,不能理解为对本专利的限制;为了更好地说明本发明的实施例,附图某些部件会有省略、放大或缩小,并不代表实际产品的尺寸;对本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
参见图1,安放在支架S上的锅具P的“朝向太阳光自然辐照方向的一侧”为观察者面向图1时的右侧;锅具P的“背向太阳光自然辐照方向的一侧”为观察者面向图1时的左侧。
实施例1
如图2所示,为本发明的一种高效吸收太阳辐射能的加热器皿示意图。参见图2,玻璃器皿1为薄壁圆柱容器形状,其顶部开口配有盖子2。盖子2亦由玻璃材料制作成。
使用时揭开盖子2,将需要烹煮的食物3放入玻璃器皿1内部,再将适量的液体水4倒入玻璃器皿1内部(液体水4具有液面5),盖上盖子2。将玻璃器皿1置于现有技术的聚光型太阳灶的支架S上,调整反射聚光器R,使反射聚光器R采光面积上的太阳光自然辐照被反射聚焦到玻璃器皿1底部和/或侧壁。聚焦光斑沿a方向透过玻璃器皿1到达食物3外表面,然后在食物3外表面发生太阳光热转换,所产生的热量加热食物3,部分热量传递给玻璃器皿1内部的液体水4。盖子2上的直射太阳光沿d方向透过盖子2到达食物3外表面后转换为热量来加热食物3。类似地,玻璃器皿1的朝向太阳光自然辐照方向的一侧接收的直射太阳光透过玻璃器皿1侧壁到达食物3外表面后转换为热量来加热食物3。玻璃器皿1内部的液体水4发生自然对流,使得玻璃器皿1内部的液体水4全部得到加热直至沸腾。继续加热并适当搅拌食物3和液体水4直至食物3煮熟。
本实施例适用于烹煮那些人们日常食用的食物中可以直接接受太阳灶聚焦光斑加热的食物,例如煮稀饭、面条、汤粉、粥品、水饺、燕麦、肉汤、水煮鱼、鸡蛋等颗粒状、块状、条状或者其它不规则形状的固体食物与液体水的混合物,以及米糊、芝麻糊、红豆沙等糊状食物。
本实施例加热器皿使用时只需要放置于现有技术的聚光型太阳灶的支架S上,大致位于反射聚光器R的焦点处,使得聚焦光斑能够透过玻璃器皿1的底部和/或侧壁照射到玻璃器皿1内部的食物3即可。在太阳辐照高度角(太阳光自然辐照方向与水平面的夹角)较小且反射聚光器R聚焦光斑主要是透过玻璃器皿1底部的情况下,可以在玻璃器皿1的背向太阳光自然辐照方向的一侧底部放垫块,使玻璃器皿1的背向太阳自然辐照方向的一侧抬高,玻璃器皿1的中轴线与垂线的夹角约为10度至20度,玻璃器皿1朝向太阳光自然辐照方向倾斜,其有益效果是可让太阳灶反射聚光器R聚焦光斑在玻璃器皿1底部的光反射损失进一步降低(因为a方向与玻璃器皿1中轴线的夹角越小,光反射越小)。
本发明中玻璃器皿1的形状和尺寸与普通家用金属锅相同。玻璃器皿1的制作材料优选采用耐热无机玻璃或者耐热有机玻璃:(a)耐热无机玻璃:例如石英玻璃、高硼硅酸盐玻璃,或者类似成分的Pyrex玻璃、Supremax玻璃、Corning玻璃,或者微晶玻璃。其中高硼硅酸盐玻璃的耐热性能优良,价格适中,在民用领域广泛用于制作实验室玻璃器皿(如烧杯、烧瓶)、需高温消毒灭菌的医疗用玻璃器皿(如吊瓶、安瓿)、耐热餐具等。高硼硅酸盐玻璃的太阳光透过率约为85%至92%。石英玻璃的耐热性能和透光性能更佳,但价格较贵。无机玻璃的缺点是脆性较大,意外磕碰时可能破裂损坏。因此使用由耐热无机玻璃制作的玻璃器皿1时应该如同使用实验室玻璃器皿烧杯、烧瓶那样小心谨慎。(b)耐热有机玻璃:甲基丙烯酸甲酯与侧基交联剂的共聚物的耐热温度可达110至140℃,太阳光透过率约为88%至92%。有机玻璃的优点是具有较高的韧性,意外磕碰时不容易破裂,安全性较高。耐热有机玻璃的导热系数仅为0.15至0.2W//m·K,具有一定的保温性能。
玻璃器皿1配有提手或锅耳(图2中未示出)。当玻璃器皿1材料为无机玻璃时,提手或锅耳也为无机玻璃。无机玻璃器皿1与提手或锅耳的连接可采用玻璃工艺的熔接法。当玻璃器皿1材料为有机玻璃时,因为有机玻璃具有良好的可加工性(如可钻孔),提手或锅耳为金属或其它材料。有机玻璃器皿1与提手或锅耳的连接可采用密封紧固件。
本实施例中玻璃器皿1内部的液体水4起到了对于玻璃器皿1和食物3的冷却和传热作用。以旋转抛物面太阳灶的典型数据为例:采光面积1.7m2太阳灶的聚焦光斑直径约15cm,光斑面积0.0177m2,聚光比为:1.7/0.0177=96.6。太阳辐照度1000W/m2时聚焦光斑强度为:1000W/m2x 1.7m2x 85%/0.0177m2=81.6kW/m2,为太阳辐照度的81.6倍。这种高强度聚焦光斑直接照射食物3会引起局部高温,甚至烧焦、损坏食物3。本实施例中玻璃器皿1内部的液体水4与食物3密切接触,使得聚焦光斑产生的热量可迅速传递给液体水4。液体水4容易发生自然对流,将热量向低温处传递,因此本实施例中液体水4的作用之一是避免被聚焦光斑直接照射的食物3出现局部高温。另外,液体水4升温、沸腾、蒸发为水蒸气时吸收大量蒸发潜热。液体水4的存在使得玻璃器皿1的壁面温度维持低于100℃,有利于增加本实施例玻璃器皿1的使用安全性和降低玻璃器皿1制作材料的耐热性能要求,使得玻璃器皿1可以采用耐热有机玻璃材料制作。
与现有技术在太阳灶上使用普通金属锅烹煮食物相比较,在太阳灶上使用本实施例的加热器皿可取得一系列的有益效果:
1、光反射损失较小
玻璃材料具有高透光度(普通玻璃的太阳光透过率约为85%)。本实施例中由反射聚光器R聚焦的光斑能量的很大部分能够射入玻璃器皿1内部,光反射损失较小。例如,本实施例玻璃器皿1的制作材料选用太阳光透过率为92%的耐热无机玻璃时,聚焦光斑在玻璃器皿1底部的光反射损失约为8%(这部分辐射沿b方向射向周围空间而被浪费掉)。
相比较,现有技术普通金属锅的锅底的光反射损失高达25%至35%。
2、传热步骤少、传热面积大、传热热阻较低
本实施例中透射入玻璃器皿1的太阳光热转换发生在玻璃器皿1内部的食物3外表面,所产生的热量马上直接用于加热食物3,传热面积为食物3外表面积。因此传热步骤最少、传热面积大、传热热阻低。
相比较,现有技术使用太阳灶加热普通金属锅时太阳光热转换发生在金属锅底,所产生的热量需要以热传导的方式依次经过锅底外表面垢层和积碳层、锅底壁、锅底内表面垢层和沉积在锅底内表面的食物层传导至锅内,然后再以对流传热和/或热传导的方式传递给锅内食物,其热量传递的步骤多、传热面积小、传热热阻大。
3、散热损失较小
本实施例加热器皿的最高温度部位为发生太阳光热转换的食物3外表面,食物3外表面温度高于液体水4的温度,液体水4的温度高于玻璃器皿1壁面温度,玻璃器皿1壁面温度高于周围空气的温度。由于耐热无机玻璃的导热系数为0.7至1.2W/m·K,耐热有机玻璃的导热系数为0.15至0.2W//m·K,因此玻璃器皿1壁面的内外表面有一定的温度差。例如,当玻璃器皿1内液体水4的温度为100℃时,玻璃器皿1壁面外表面温度约为60℃。玻璃器皿1壁面外表面的较低温度可减少与周围冷空气接触的对流热损失,且可避免玻璃器皿1壁面本身的长波红外辐射热损失。
相比较,现有技术使用太阳灶加热普通金属锅时,太阳光热转换发生在金属锅底,使得金属锅底外表面温度远高于100℃(太阳光强烈时太阳灶聚焦光斑处的金属锅底温度可高达数百度)。由于金属锅底温度高,金属锅底与周围冷空气接触的对流热损失相当大,且数百度温度的金属锅底本身的长波红外辐射热损失相当大。
另外,本实施例加热器皿中热量是由内向外传递,因此玻璃器皿1外壁升温慢,散热损失显著降低。而现有技术太阳灶加热金属锅时热量是由外向内传递,金属锅底升温快,散热损失大,太阳光热转换产生的热量还未传递入锅内就已经被周围流动冷空气吹走一部分了。
由以上可见,本实施例加热器皿的散热损失远小于现有技术太阳灶加热普通金属锅的散热损失。
4、直射太阳光得到高效利用
参见图2,d方向的直射太阳光可以透过玻璃盖子2到达食物3外表面后转换为热量来加热食物3。玻璃器皿1的朝向太阳光自然辐照方向的一侧接收的直射太阳光可以透过玻璃器皿1侧壁到达食物3外表面后转换为热量来加热食物3。因此,本实施例中直射太阳光全部得到高效利用。
相比较,现有技术太阳灶加热普通金属锅时,射向普通金属锅的锅盖和锅体的直射太阳光的相当大部分被锅盖和锅体反射损失掉,且太阳灶支架S上的普通金属锅具P会遮挡部分太阳光,在反射聚光器R采光面上形成一个阴影,降低其采光能力。
5、本实施例的加热速度快
本实施例加热器皿为内加热方式(即太阳光热转换在玻璃器皿1内发生,所产生热量立即用于加热食物3),因此本实施例对食物3的加热速度很快。
相比较,现有技术太阳灶加热普通金属锅为外加热方式(即太阳光热转换在锅外发生,所产生热量的一部分经过多个步骤从锅外向锅内传递后加热锅内食物),加热速度缓慢。
6、本实施例加热均匀
本实施例加热器皿内部容易发生液体水4的自然对流,传热条件良好,不会出现局部高温区,食物3受热均匀。
相比较,现有技术使用太阳灶加热普通金属锅时在锅底出现达数百度温度的局部高温区,有可能烧焦锅底的食物。
7、本实施例的热效率较高
一般太阳灶的反射聚光器R的聚光效率约为85%。本实施例玻璃器皿1的制作材料采用太阳辐射透过率为92%的耐热无机玻璃时,焦斑在玻璃器皿1底部的光反射损失约为8%。在加热初期,发生在玻璃器皿1内部的食物3外表面的太阳光热转换产生的热量还未传递至玻璃器皿1外表面,因此玻璃器皿1外表面温度较低,基本无散热损失。此时热效率为:85%x 92%=78.2%。在加热后期,玻璃器皿1外表面达到一定温度时,外表面散热损失约为焦斑能量的20%。此时热效率为:85%x 92%x 80%=62.6%。平均热效率约为70%。
相比较,现有技术太阳灶加热普通金属锅时,金属锅底的光反射损失约为30%,金属锅底与周围冷空气接触引起的的对流热损失约为焦斑产生的能量的30%,则热效率为:85%x 70%x 70%=41.7%。
由以上可见,与现有技术相比较,本实施例热效率提高了约21%至36%。
8、制造成本低
玻璃器皿的工业制造技术十分成熟,且材料成本低。例如,玻璃器皿的压制、吹制或离心浇注工艺早已全面采用机械化生产线,可以规模化、低成本地生产各种玻璃器皿。
9、使用方便
(1)本实施例加热器皿的形状和尺寸与现有技术在太阳灶上使用的普通金属锅具相同。因此,本实施例加热器皿可与现有技术的各种类型的太阳灶聚光器配合使用,尤其是无需改动现有太阳灶的支架和锅圈,本实施例加热器皿就可以直接放置在现有太阳灶的支架和锅圈上使用,具有广泛的适应性。除了反射聚光器之外,本实施例加热器皿还可以与透射聚光器、复合抛物面聚光器等各种类型聚光器配合使用,只需要将本实施例加热器皿置于各种类型聚光器的焦点位置即可。
(2)使用者对各种类型食物进行烹饪时,只需要打开盖子2,就可以很方便地将各种类型食物放入玻璃器皿1内,再将内有食物3的玻璃器皿1放上太阳灶的支架和锅圈就可以很方便地对食物3进行烹饪,具有操作便利性。
(3)本实施例加热器皿可以大为降低对于反射聚光器R的聚焦精度和调焦操作的要求。即使在某些不良情况下,如聚光器反光面质量不佳导致焦斑直径散大,或者在上午和下午太阳高度角较小时形成椭圆形焦斑,或者太阳方位移动使聚焦光斑偏离锅底中心,本实施例都可取得比较好的加热效果。本实施例只需将反射聚光器R反射的太阳光大致照射到玻璃器皿1内部的食物3即可,不需要精确调焦和频繁调焦。因此,本实施例可大为降低太阳灶使用者调整太阳灶的对焦操作所花费的时间。
(4)使用者能够从各个方向十分清楚地看到玻璃器皿1内食物的烹饪情况,便于适时地进行各种烹饪操作如搅拌或翻动食物、加水、加调味品等。在锅内食物沸腾将近溢锅时使用者容易及时发现,并避免溢锅(如揭开盖子2、用遮阳物盖住部分太阳灶反光面来降低温度)。相比较,现有技术太阳灶加热普通金属锅时使用者难以发现溢锅,溢锅物直接掉到太阳灶反光面上,严重影响太阳灶的使用寿命,这是太阳灶实际应用中经常出现的问题。采用本实施例加热器皿有利于避免溢锅,保持太阳灶反光面清洁,长期维持其高反光率。
(5)本实施例加热器皿体积小巧,便于清洗和存放。
本实施例玻璃器皿1的形状一般为圆柱形,但玻璃器皿1也可以采用其它的形状。例如,煮锅亦可以采用上大下小的圆锥台形;烧水壶亦可以采用上小下大的倒圆锥台形。本发明可使用各种形式的玻璃器皿1,并非局限于使用玻璃器皿1的某种具体形式。
本实施例玻璃器皿1的直径一般为8至40cm,但玻璃器皿1也可为更小或更大的直径。例如,用于加热少量食物的小锅的直径可小于8cm;而大炒锅的直径可大于40cm。本发明可使用各种直径的玻璃器皿1,并非局限于玻璃器皿1的某些具体尺寸。
由于本发明拟提供与目前已定型、量产的太阳灶产品能够配合使用的加热器皿,该加热器皿替代目前在太阳灶上普遍使用的家用金属锅具,因此一般来说,本发明玻璃器皿1的形状和尺寸与现有技术在太阳灶上使用的普通家用金属锅具相同。具体来说,玻璃器皿1的形状一般为圆柱形、圆锥台形或者倒圆锥台形。玻璃器皿1的直径一般为8至40cm(指圆柱形容器的外径或圆锥台形容器的大端外径)。
实施例2
本实施例与以上实施例类似,其不同之处在于,本实施例在玻璃器皿1内增设有容器。如图3所示,为本发明的一种内有容器的加热器皿示意图。其中容器6的外径稍小于玻璃器皿1的内径。容器6可以为本发明专门制作的金属、陶瓷或搪瓷容器,也可以为人们在厨房里已有的各种盛器如适当大小的碗、盘、钵、壶。容器6可以有或者没有盖子。专门制作的容器6的所有外表面经过发黑处理或者具有太阳光选择吸收膜层。
使用时将适量的液体水4倒入玻璃器皿1内部,将适量的食物3和液体水7倒入容器6内(液体水7具有液面8),然后将容器6放入玻璃器皿1内,容器6浮在液体水4的液面5上,容器6底部的外表面与玻璃器皿1底部的内表面之间的距离为2至10cm。盖上盖子2,将玻璃器皿1置于现有技术的聚光型太阳灶的支架S上,使聚焦光斑透过玻璃器皿1底部或侧壁照射容器6。在容器6外表面发生太阳光热转换,所产生的热量加热玻璃器皿1内部的液体水4和容器6内的食物3和液体水7。
本实施例除了可用于烹煮与实施例1相同的食物之外,还适用于烹煮那些人们日常食用的食物中受到太阳灶聚焦光斑照射时其营养成分在一定程度上被破坏的食物,如青菜、米饭、水蛋。本实施例还适用于加热牛奶和各种饮料(如果汁、凉茶)、熬中药汤、解冻冷藏食物等。
与实施例1类似,本实施例中液体水4起到了对于玻璃器皿1和容器6的冷却和传热作用。液体水4的存在使得容器6均匀受热,容器6内的食物3不会糊底。
本实施例除了具有如实施例1所述的有益效果之外,还具有以下的有益效果:
1、食物3不与玻璃器皿1内壁面接触,有利于保持玻璃器皿1的透光度。
2、可避免食物3受到焦斑直接照射而导致其营养成分被破坏。
3、可避免食物3受到焦斑直接照射而导致其局部过热烧焦。
4、可避免玻璃器皿1或太阳光选择吸收膜层或黑色涂层可能溶出的微量元素对食物3品质的影响。
5、容易保持清洁(因为食物3只与容器6内壁面接触,而容器6的清洗较为方便)。
6、本实施例可采用太阳光选择吸收膜层来进一步提高太阳辐射吸收率。具体来说,由于液体水4与容器6外表面密切接触,这些液体水4对容器6外表面有良好的冷却作用,因此容器6外表面在81.6kW/m2的高强度聚焦光斑照射下并不会出现数百度温度的局部高温区,从而可降低容器6的散热损失,并且可以在容器6外表面涂覆或镀上太阳光选择吸收膜层(太阳光选择吸收膜层为已有技术),从而大为提高容器6外表面对于太阳辐射的吸收率,取得更佳的吸收太阳辐射能的效果。
相比较,现有技术使用太阳灶加热普通金属锅时,由于高强度聚焦光斑温度超过了太阳光选择吸收膜层能够承受的温度,太阳光选择吸收膜层在高强度聚焦光斑照射下将很快损坏失效,因此现有技术无法在金属锅底采用太阳光选择吸收膜层来提高太阳辐射吸收率。现有技术一般是在太阳灶用的金属锅底涂抹黑色油漆、煤灰或木炭来提高太阳辐射吸收率,但效果欠佳,原因在于:(a)油漆、煤灰或木炭的导热系数小。金属锅底存在的油漆、煤灰或木炭增加了传热热阻。更重要的是(b)黑色油漆、煤灰或木炭具有高的太阳辐射吸收率,同时也具有高的长波红外发射率。这些物质和不锈钢、铝合金表面一样,在受到太阳灶高强度聚焦光斑照射时,其表面最外的若干分子层吸收太阳辐射产生高温,这些高温的分子层马上以各种方式向外散失热量,其中一种方式是这些高温的分子层发出长波红外辐射来向环境散失热量。就是说,黑色油漆、煤灰或木炭吸收太阳辐射达到高温后能够很快地发出长波红外辐射来向环境散失热量。
前述的在本发明容器6外表面涂覆或镀上的太阳光选择吸收膜层是具有高的太阳辐射吸收率和低的长波红外发射率的物质,因此本实施例采用太阳光选择吸收膜层能够减少散热损失、提高热效率,使得本实施例的热效率高于实施例1的热效率。本实施例的热效率大约为75%。
本实施例未提及的部分与实施例1类似,此处不再赘述。
实施例3
本实施例与以上实施例类似,其不同之处在于,本实施例的玻璃器皿1内增设支架和圆盘。如图4所示,为本发明的一种内有容器、支架和圆盘的加热器皿示意图。参见图4,支架9用于支承容器6。圆盘10是安装在支架9中部。圆盘10有一定的倾斜度,使得园盘10背向太阳光自然辐照方向的一侧高于朝向太阳光自然辐照方向的一侧。圆盘10的上表面和下表面经过发黑处理或者具有太阳光选择吸收膜层或者黑色油漆层。
使用时将适量的液体水4倒入玻璃器皿1内部,将支架9及圆盘10放入玻璃器皿1内,使得圆盘10位于液面5以下。将适量的食物3和液体水7倒入容器6内,然后将容器6放入玻璃器皿1内,容器6由支架9支承。盖上盖子2,将玻璃器皿1置于现有技术的聚光型太阳灶的支架S上,使聚焦光斑透过玻璃器皿1底部或侧壁照射圆盘10下表面。同时,部分直射太阳光透过玻璃器皿1侧壁照射圆盘10上表面。在圆盘10上下表面发生太阳光热转换所产生的热量使玻璃器皿1内部的液体水4加热沸腾,水蒸气在容器6的底部和侧壁冷凝释放冷凝潜热用于加热容器6内的食物3。
本实施例除了可用于烹煮与实施例1和2相同的食物之外,还适用于蒸馒头、包子、花卷、蒸饭、蒸肉、蒸鱼、蒸菜、蒸蛋、蒸糕点等(取决于所烹饪食物3的种类,容器6亦可选用蒸笼或蒸盘)。实际上所有食物均可用本实施例加热器皿蒸煮。
圆盘10的倾斜度有利于液体水4的自然对流且有利于接收太阳辐射。其它各种形式、材质和表面性质的构件都可以接收太阳辐射因而可以替代圆盘10。但结构越复杂的构件越难以清洁。本实施例采用圆盘10已能达到较好的接收太阳辐射和传热的效果,且容易保持清洁。
圆盘10对于聚焦光斑的吸收率除了与圆盘10的表面性质有关之外,还与a方向相关。当a方向垂直于圆盘10时,圆盘10对于聚焦光斑的吸收率达到最大值。因此,圆盘10亦可以活动地安装在支架9上,圆盘10的倾斜度随a方向的不同而进行调节,从而使圆盘10尽量保持垂直于a方向,可增加圆盘10对于聚焦光斑的吸收率。
本实施例热效率与实施例2大致相同,约为75%。
本实施例未提及的部分与以上实施例类似,此处不再赘述。
实施例4
本实施例与以上实施例类似,其不同之处在于,本实施例的玻璃器皿1具有凹底。如图5所示,为本发明的一种凹底加热器皿示意图。参见图5,凹底玻璃器皿1内部具有与其凹底相匹配的圆盘10和圆筒11,所述圆盘10的外边沿与圆筒11的上边缘固定连接。圆盘10和圆筒11的所有表面经过发黑处理或者具有太阳光选择吸收膜层或者黑色油漆层。圆盘10和圆筒11上还开设有许多的小孔(图5中未示出),使得液体水4可在圆筒11内外自然对流。
使用时将玻璃器皿1置于现有技术的聚光型太阳灶的支架S上,使聚焦光斑透过玻璃器皿1凹底照射圆盘10和圆筒11。参见图5,当聚焦光斑沿a方向射入凹底时,大部分太阳辐射到达圆盘10下表面,被凹底反射的小部分太阳辐射沿b方向射向圆筒11内表面,因此全部聚焦光斑都能够被圆盘10和圆筒11接收并转换为热量用于加热液体水4。可见,玻璃器皿1的凹底能够进一步减少光反射损失。另外,玻璃器皿1的凹底可减少其与周围冷空气接触的对流热损失(因为凹底内的热气体具有的浮升力能够保持这些热气体存留在凹底内,不容易受到外界风吹的影响)。采用凹底玻璃器皿1后热效率接近聚光器的聚光效率。本实施例的热效率达到80%左右。
当太阳辐照高度角较大时,聚焦光斑射入凹底的效果较好。当太阳辐照高度角较小时,聚焦光斑可能被圆筒11的背向太阳光自然辐照的一侧遮挡一部分。这种情况下可以在玻璃器皿1的背向太阳光自然辐照方向的一侧底部放垫块或者使圆筒11的背向太阳光自然辐照的一侧具有缺口。
本实施例所描述的玻璃器皿1的凹底结构可应用于其它所有的实施例。例如,图2所示的玻璃器皿1增设凹底后同样能够取得进一步减少光反射损失和对流热损失、提高热效率的效果。
凹底玻璃器皿1可采用玻璃工艺的熔模压制法制造。
本实施例未提及的部分与以上实施例类似,此处不再赘述。
实施例5
本实施例与以上实施例类似,其不同之处在于,本实施例用于煎和炒食物。如图6所示,为本发明的煎炒用器皿示意图。参见图6,凹底玻璃器皿1内有与其相匹配的平底煎锅12,所述平底煎锅12具有底部12-1和侧壁12-2。所述底部12-1的下表面连接圆筒11的上边缘。玻璃器皿1采用石英玻璃制作。使用时太阳灶聚焦光斑透过玻璃器皿1凹底照射加热平底煎锅12内的食物3。
本实施例中平底煎锅12可用圆底炒锅替代,玻璃器皿1需要改为与圆底炒锅底部相匹配的半球面形状。
本实施例未提及的部分与以上实施例类似,此处不再赘述。
以上的实施例1至5提供的加热器皿在太阳灶上使用可以满足各种日常的烹饪需求。以烹饪鸡蛋为例,图2所示加热器皿可用于煮鸡蛋(带壳鸡蛋);图4所示加热器皿可用于蒸蛋(如蛋羹);图6所示加热器皿可用于煎蛋(如荷包蛋)。做米饭可以使用图2至图5任一种加热器皿,但最好是使用图4的加热器皿蒸饭。煮开水可使用图2的加热器皿,但在图2中没有了食物3的情况下,需要将图4的圆盘10放入图2的玻璃器皿1内,利用圆盘10吸收太阳辐射能将热量传递给液体水4。
目前市场上有众多厂家生产、销售各种形式和规格的定型太阳灶产品。本发明的加热器皿可与这些现有的太阳灶产品配合使用。以三种太阳灶产品作为例子说明如下:
1、圆形太阳灶
以山东省宁津县立进太阳灶厂生产的圆形太阳灶为例:圆形太阳灶由6块反光板组装成,反光板为碳钢板磷化处理后烤漆,表面有真空镀铝反光膜。该太阳灶直径1.5m,焦距0.58m,采光面积1.7m2,最大仰角90度,最小俯角30度,可360度旋转。淘宝价¥205.00(含快递费),重量17kg,包装尺寸80*70*10cm(内叠放有6块反光板、支架、配件和使用说明书,由使用者收货后自行组装为圆形太阳灶)。
本发明图5所示加热器皿的成本约¥100.00每个,热效率80%。使用上述圆形太阳灶在太阳辐照度1000W/m2时,加热功率为:1000W/m2x 1.7m2x 80%=1360W。使用该太阳灶373小时节省的电费为¥304.00(电价¥0.60每度),即可收回该太阳灶和加热器皿的购买费用。按每天使用3小时计,资金回收期为4个月。
圆形太阳灶的缺点是体积和重量较大,使用后不便存放。
2、可折叠伞式太阳灶
以广州环球贸易有限公司生产的可折叠伞式太阳灶为例:反光面为特制布+真空镀铝反光膜,直径1.2米,可调节仰度,360度旋转。淘宝价¥698.00,重量约4kg,包装尺寸95*16.5*9.5cm。可折叠伞式太阳灶的优点是重量轻,容易打开和收起,便于使用、携带和收藏,除了在室外使用外,还可在室内如阳台、窗边使用。本发明的加热器皿适合在可折叠伞式太阳灶上使用。
3、菲涅尔透镜
深圳美英科技有限公司生产的菲涅尔透镜有数十种规格,例如:产品尺寸900*800mm,厚度5mm,焦距700mm,材质为光学级PMMA,光学透过率92%,聚光比大于200,光斑最小直径70mm,光斑温度超过1000摄氏度,重量6kg每块,淘宝价¥1000.00。菲涅尔透镜的优点是:透光率高,重量轻,使用方便,除了在室外使用外,还可在室内如阳台、窗边使用(由于太阳方位移动时,聚焦光斑的位置随之移动,聚焦光斑温度足以点燃可燃物如纸张,因此需注意防止聚焦光斑位置移动后照射其它室内物品引发火灾)。本发明的加热器皿可与这些菲涅尔透镜配合使用(例如,图4的加热器皿用于菲涅尔透镜时,容器6用稍小的尺寸,并偏向玻璃器皿1内的背向太阳光自然辐照方向的一侧,使得菲涅尔透镜聚焦光斑能够透过玻璃器皿1照射至圆盘10上表面)。
自古至今,太阳时刻照耀着地球。由太阳到达地球大气层顶部的太阳辐照度称为太阳常数(在1981年,世界气象组织将太阳常数修订为:1367W/m2)。而到达地面的太阳辐照度受到地理位置和天气状况等诸多因素的影响,在晴天时大致为1000W/m2。或者说,1m2采光面积接收的太阳辐射能为1000W,将1m2面积上的太阳光聚焦可获得接近1000W的聚焦光斑功率。我们的祖先在公元前11世纪的青铜器时代已经能够用阳燧取得火种,就是利用了聚光加热的原理。后来德国人Tschirnhausen用大直径凸透镜聚焦阳光、法国人穆肖用抛物面反光镜聚焦阳光烹饪食物同样是聚光加热。进入二十一世纪的今天,我们用一个包含了多种高新技术的圆形太阳灶可以很容易地将1.7m2上的阳光聚焦为一个光斑。当然,早已清楚的是仅仅用十几个日用镜子反射阳光至同一位置也可以很容易地将阳光聚焦为一个光斑。显然,将1m2面积上的太阳光聚焦为一个光斑从来都不成问题。问题只不过是将一个金属锅具放置在此聚焦光斑的位置时,光斑辐射又被该金属锅具的外壁面反射走相当大部分,同时金属锅具的外壁面又不断地散失热量至周围流动的冷空气中。因此放置在此聚焦光斑位置的金属锅具实际得到的加热功率不是1000W,而是只有400W左右。本课题只不过是传热学上的传热效率的问题,而且仅仅涉及物理过程。
本发明在“背景技术”部分首先分析确定了在太阳灶技术领域存在使用金属锅具造成光反射损失大、散热损失大等问题,然后在“发明内容”部分提出了针对这些问题的解决方案,在“具体实施方式”中给出了多个实施例,并运用传热学上的知识(传热机理、过程、定律或规律)充分说明了本发明能够克服这些问题。
本发明的用途不限于烹饪食物,而是可用于任何与物体的加热相关的用途。以下给出四个例子(均为本发明在人居生活方面的应用):
1、烘干衣物
在南方的梅雨季节,气温低且湿度大,衣物难以晾干,是日常生活的一个常见问题。使用太阳灶和本发明图5所示的加热器皿,在太阳辐照度300W/m2的阴天,可以获得的加热功率为:300W/m2x 1.7m2x 80%=408W。图5的加热器皿中取消食物3、液体水4和7、容器6后将衣物放在支架9上。只要天气有微弱的阳光,太阳灶反射阳光在该加热器皿的凹底形成一些明显的聚焦光斑,就可以烘干衣物。
2、储热
储热器为内有相变储热材料的金属容器(相变储热材料为已有技术)。将储热器置于本发明图3至图5的容器6的位置,即可利用太阳灶为储热器充热。晚上储热器放热可用于取暖(如暖床、暖手)。
3、蒸馏
人们未能在海洋上的许多无人岛屿上长期生活的主要原因是这些岛屿上缺乏淡水源。使用太阳灶和本发明图2的加热器皿,可进行海水的蒸馏来获得淡水:将经过滤去除杂物的干净海水倒入本发明的加热器皿利用太阳灶煮沸,在盖子2上加装水蒸气排出管和冷凝器来收集冷凝水。在60至100℃温度下海水的水分能够蒸发,而盐分完全不蒸发,所以该冷凝水为淡水。
4、吸附取水
人们未能在沙漠无人区长期生活的主要原因是沙漠缺乏淡水源。虽然沙漠的降雨量稀少,但沙漠空气仍然含有一定的湿度。利用吸湿剂如硅胶、沸石分子筛可吸附空气中的水分。然后将内有饱和吸湿剂的透气盒放入图5加热器皿内容器6的位置(取消容器6、食物3、液体水4和7),使用太阳灶进行加热解吸产生水蒸气,在盖子2上加装水蒸气排出管和冷凝器来收集冷凝水,可取得淡水。
以上的实施例仅仅是为了清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、简化、替代、添加、组合、修饰、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:所述加热器皿包括有玻璃器皿,所述玻璃器皿的形状为圆柱形、圆锥台形或者倒圆锥台形,所述玻璃器皿的直径为8至40cm。
2.根据权利要求1所述的高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:还包括有容器和液体水,所述容器在所述玻璃器皿内,所述液体水是在所述玻璃器皿内的底部,所述容器浮在所述液体水的液面上,所述容器底部与所述玻璃器皿底部之间的距离为2至10cm,所述容器的内部盛放所烹饪的食物。
3.根据权利要求1所述的高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:还包括有容器、液体水、支架和圆盘,所述容器在所述玻璃器皿内,所述液体水是在所述玻璃器皿内的底部,所述支架用于支承所述容器,所述圆盘是安装在所述支架上,所述容器的内部盛放所烹饪的食物。
4.根据权利要求3所述的高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:所述圆盘具有倾斜度。
5.根据权利要求3所述的高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:所述玻璃器皿具有凹底。
6.根据权利要求3所述的高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:还包括有圆筒,所述圆筒的上边缘与所述圆盘的外边缘固定连接。
7.根据权利要求1所述的高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:还包括有平底煎锅或者圆底炒锅,所述平底煎锅或者圆底炒锅置于所述玻璃器皿的内部,所述平底煎锅或者圆底炒锅内有所烹饪的食物。
8.根据权利要求6所述的高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:所述容器的外表面、圆盘的上表面和下表面、圆筒的内表面和外表面是经过发黑处理或者有太阳光选择吸收膜层或者有黑色油漆层。
9.根据权利要求1-8任一所述的高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:还包括有玻璃盖子。
10.根据权利要求1-8任一所述的高效吸收太阳辐射能的加热器皿,其特征在于:所述玻璃器皿的制作材料为耐热无机玻璃或者耐热有机玻璃。
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