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1、 相變蓄熱器及其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 1 引言 1．1 概述 能源是人類賴以生存的基礎(chǔ)，隨著全球工業(yè)的迅猛發(fā)展，能源問題越來(lái)越為人們所關(guān)注。但是在許多能源利用系統(tǒng)中（如太陽(yáng)能系統(tǒng)、建筑物空調(diào)和采暖系統(tǒng)、冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、廢熱利用系統(tǒng)等）存在著能量供應(yīng)和需求之間時(shí)間性的差異，即存在著供能和耗能之間的不協(xié)調(diào)性，從而造成了能量利用的不合理性和大量浪費(fèi)。有效解決這些問題的技術(shù)途徑之一就是采用儲(chǔ)能系統(tǒng)，它是緩解能量供求雙方在時(shí)間、強(qiáng)度及地點(diǎn)上不匹配的有效方式，是合理利用能源及減輕環(huán)境污染的有效途徑，是廣義熱能系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的重要手段，而且使相應(yīng)系統(tǒng)可按平均負(fù)荷設(shè)計(jì)，節(jié)約系統(tǒng)的初投資，對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷峰、谷時(shí)間段電

2、價(jià)分計(jì)的地區(qū)，它還可降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。 熱能儲(chǔ)存的方式主要有顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱等三種。顯熱儲(chǔ)熱主要是利用蓄熱材料的溫度變化來(lái)儲(chǔ)存熱能，其蓄熱密度小，溫度波動(dòng)較大。但這種蓄熱材料本身可以從自然界直接獲得，如水，巖石活卵石材料等，化學(xué)穩(wěn)定性好，價(jià)廉易得。在傳熱方面，可以采用直接接觸式換熱，或者傳熱流體本身就是蓄熱介質(zhì)，因而蓄、放熱過程中強(qiáng)化傳熱技術(shù)相對(duì)比較簡(jiǎn)單，成本低。 潛熱儲(chǔ)熱也稱相變蓄熱，是利用相變材料（PCM）的相轉(zhuǎn)變潛熱進(jìn)行熱能儲(chǔ)存，具有蓄熱密度高、溫度波動(dòng)小（儲(chǔ)、放熱過程近似等溫）、過程易控制等特點(diǎn)[1-3]。發(fā)生的相變過程有四種，常被利用的相變過程有固-液、固-固相

3、變兩種類型，而固-氣和液-氣相變雖然可以儲(chǔ)存較多熱量，但因氣體占有的體積大，使體系增大，設(shè)備復(fù)雜，所以一般不用于儲(chǔ)熱。固-液相變是通過相變材料的熔化過程進(jìn)行熱量?jī)?chǔ)存，通過相變材料的凝固過程來(lái)放出熱量。而固-固相變則是通過相變材料在發(fā)生相變時(shí)固體分子晶體結(jié)構(gòu)有序-無(wú)序的轉(zhuǎn)變而可逆地進(jìn)行儲(chǔ)、放熱。 化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)通過熱能與化學(xué)熱的轉(zhuǎn)換儲(chǔ)熱的，它在受熱和受冷時(shí)可發(fā)生可逆反應(yīng)，分別對(duì)外吸熱或放熱，這樣就可把熱能儲(chǔ)存起來(lái)。其主要優(yōu)點(diǎn)是蓄熱量大，而且如果反應(yīng)過程能用催化劑或反應(yīng)物控制，可長(zhǎng)期蓄存熱量。 綜合比較三種熱能儲(chǔ)存方式，相變蓄熱以其儲(chǔ)熱密度大、蓄熱器結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、熱效率高、

4、吸放熱溫度恒定、易與運(yùn)行系統(tǒng)匹配、易于控制等突出的優(yōu)點(diǎn)，日趨成為儲(chǔ)熱系統(tǒng)的首選系統(tǒng)，在許多節(jié)能和新能源利用領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景，因而對(duì)相變蓄熱材料、相變蓄熱器的研究得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。 1.2 文獻(xiàn)綜述 1.2.1 相變蓄熱材料的研究 相變材料就是一種能把過程余熱、廢熱或太陽(yáng)能吸收并儲(chǔ)存起來(lái)，在需要的時(shí)候再把它釋放出來(lái)的物質(zhì)。它的種類很多，從材料的化學(xué)組成來(lái)看，可分為無(wú)機(jī)及有機(jī)材料（包括高分子類）兩類；從儲(chǔ)熱方式來(lái)看，可分為顯熱、潛熱及反應(yīng)儲(chǔ)熱三種；從儲(chǔ)熱的溫度來(lái)看，可分為高溫及低溫等類型。 圖1.1蓄熱材料分類示意圖[1] 理想的蓄熱材料應(yīng)符合以下條件： （1）熱力

5、學(xué)條件 合適的相變溫度，因?yàn)橄嘧儨囟日撬枰刂频奶囟囟?，?duì)顯熱儲(chǔ)存材料要求材料的熱容大，對(duì)潛熱儲(chǔ)存材料要求相變潛熱大，對(duì)反應(yīng)熱要求反應(yīng)的熱效應(yīng)大；材料的熱導(dǎo)率高，要求材料無(wú)論是液態(tài)還是固態(tài)，都有較高的熱導(dǎo)率，以使熱量可以方便的存入和取出；性能穩(wěn)定，可以反復(fù)使用熔析和副反應(yīng)；在冷、熱狀態(tài)下或固、液狀態(tài)下，材料的密度大，從而體積能量密度大，相變時(shí)體積變化小，蒸氣壓低，使之不易揮發(fā)損失。 （2）化學(xué)條件 腐蝕性小、與容器相容性好、無(wú)毒、不易燃、無(wú)偏析傾向、熔化或凝固時(shí)不分層；對(duì)潛熱型材料，要求凝固時(shí)無(wú)過冷現(xiàn)象，熔化時(shí)溫度變化??；穩(wěn)定性好。在多組分時(shí)，各組分之間的結(jié)合要牢固，不能發(fā)生離析、分解

6、及其它變化，使用安全，不易燃、易爆或氧化變質(zhì)。符合綠色化學(xué)要求，無(wú)毒、無(wú)腐蝕、無(wú)污染。 （3）經(jīng)濟(jì)條件 成本低廉，制備方便，便宜易得。 在實(shí)際研制過程中，要找到滿足所有這些條件的相變材料非常困難。因此，人們往往考慮有合適的相變溫度和有較大的相變潛熱的儲(chǔ)熱材料，而后再考慮其它因素的影響。 國(guó)外對(duì)蓄熱材料的研究工作早在20世紀(jì)70年代就已開始。最早是以節(jié)能為目的，從太陽(yáng)能和風(fēng)能的利用及廢熱回收，經(jīng)過不斷地發(fā)展，逐漸擴(kuò)展到化工、交通、能源、電子等領(lǐng)域。其中在蓄熱材料的理論研究工作方面，重點(diǎn)對(duì)蓄熱材料的組成、蓄熱容量隨熱循環(huán)變化情況、相變壽命、儲(chǔ)存設(shè)備等進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究[4]，討論了六水氯化

7、鈉的相變熱穩(wěn)定性；文獻(xiàn)[5]中詳盡討論了含水鈉鹽的熱穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[6]中介紹了選擇相變材料必須以熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)、化學(xué)、經(jīng)濟(jì)性準(zhǔn)則為依據(jù)，并依靠這些準(zhǔn)則分析比較，給出了大量的適合于低、中、高溫范圍內(nèi)的相變材料及基本的熱物理性能參數(shù)。 我國(guó)是在20世紀(jì)80 年代開始著手研究蓄熱材料的，而且早期主要研究對(duì)象是相變蓄熱材料中的無(wú)機(jī)水合鹽類，在眾多的無(wú)機(jī)水合鹽相變蓄熱材料中，Na2SO4·10H2O是開發(fā)研究最早的一種。國(guó)內(nèi)主要的研究工作有：1983年華中師范大學(xué)院德水等人對(duì)典型的無(wú)機(jī)水和鹽Na2SO4·10H2O和NaCH3COO·3H2O的成核作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究；1985年胡起柱等人用DSC測(cè)定了

8、新制備的Na2SO4·10H2O-NaCl均勻固態(tài)物質(zhì)的初始熔化熱及上述樣品在15±0.1℃長(zhǎng)時(shí)間保溫后的熔化熱；1990年哈爾濱船舶工程學(xué)院周云峰等人研制的蓄熱材料是由結(jié)晶碳酸鈉、結(jié)晶硫酸鈉、尿素、硫酸鉀、水和結(jié)晶劑組成，它具有良好的蓄熱性能，原料成本低、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性，生產(chǎn)時(shí)對(duì)環(huán)境不造成任何污染何產(chǎn)品可以數(shù)年循環(huán)使用，適用于各種溫室冬季采暖，節(jié)約能源；同年，杭州大學(xué)孫鑫泉等人對(duì)Na2SO4·10H2O體系的潛熱蓄熱及其熔凍行為，并對(duì)熔化熱的測(cè)定技術(shù)及計(jì)算公式進(jìn)行了研究。20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)的研究重點(diǎn)才轉(zhuǎn)向有機(jī)蓄熱材料及固-固相變蓄熱材料，但研究的種類和方法還比較少。 1.2.1

9、相變蓄熱設(shè)備的研究 相變蓄能換熱設(shè)備與普通換熱設(shè)備和顯熱儲(chǔ)能設(shè)備相比，其突出的特點(diǎn)是換熱設(shè)備中布置流體管道的同時(shí)需布置相變材料，并且根據(jù)相變傳熱的特征，相變材料與流體傳熱的過程中因相變材料不斷發(fā)生相變而使相變材料側(cè)的傳熱熱阻逐漸增大，當(dāng)相變材料層完全發(fā)生相變后會(huì)使系統(tǒng)的有效傳熱面積逐漸減小，從而導(dǎo)致流體側(cè)的溫度隨之發(fā)生變化。因此采用有效的強(qiáng)化傳熱技術(shù)與設(shè)計(jì)高效的蓄熱換熱設(shè)備是提高潛熱蓄熱效率的關(guān)鍵。 相變潛熱蓄熱裝置的研究是蓄熱技術(shù)研究中的重要部分。因?yàn)榻^大多數(shù)的相變材料其導(dǎo)熱性能差，所以相變蓄熱器有一個(gè)傳熱強(qiáng)化的問題需要解決，以保證小溫差快速充熱、放熱。實(shí)際應(yīng)用中通常采用的方法是加金屬肋

10、片及采取擴(kuò)大接觸面積。如果把相變材料先分裝在小容器內(nèi)（盤、球、柱、板等），再以一定的方式排列于蓄熱器中，形成了膠囊、圓盤、球、圓柱、周向或縱向翅片管式相變潛熱蓄熱器[7]。日本在蓄熱裝置研究方面取得了較大的成就。對(duì)金屬氫化物蓄熱器、潛熱膠囊的蓄熱方法、蓄熱槽、蓄熱材料容器的封口方法等方面研究深入。文獻(xiàn)[8]中詳細(xì)地介紹了以U型彎頭連接的水平管作為蓄熱器換熱面時(shí)相變材料的熔化特性。并獲得了相變材料在熔化過程中熱阻的變化特性及自然對(duì)流強(qiáng)弱。文獻(xiàn)[9]采用管外徑向方形翅片來(lái)提高蓄熱器的傳熱能力，并實(shí)驗(yàn)研究了這種結(jié)構(gòu)的傳熱特性。文獻(xiàn)[10]對(duì)翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱性能影響及管外自然對(duì)流效應(yīng)的效果作了詳

11、盡的理論分析求解。得出了結(jié)構(gòu)尺寸、物性參數(shù)對(duì)蓄熱過程的影響，總結(jié)指出了優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的范圍。文獻(xiàn)[11]從理論上分析了圓管外相變材料在熔化過程中的溫度分布及充熱時(shí)間的關(guān)系式，并探討了相變材料和流體熱物理性能、熱交換器的大小、流體在層流或紊流區(qū)內(nèi)熱轉(zhuǎn)換性能等。文獻(xiàn)[12]中提出在給定熱源情況下，有多少熱量可傳輸?shù)较嘧儾牧现?。并通過分析充熱過程的熵變法，最后結(jié)論指出：當(dāng)相變材料的溫度等于環(huán)境溫度與進(jìn)口溫度積的1/2次冪時(shí)，熔化過程傳熱量最多。分析并得到了熔化過程由純導(dǎo)熱控制僅僅存在于早期一段時(shí)間內(nèi)，且這段時(shí)間之外，主要是自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)熔化過程。文獻(xiàn)[13]對(duì)板式、同心套管等相變貯能換熱器內(nèi)傳熱性能進(jìn)行

12、了計(jì)算分析。 隨著蓄熱材料研究的深入，相變蓄熱系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域也逐漸擴(kuò)大。其應(yīng)用領(lǐng)域包括： （1）動(dòng)力系統(tǒng)：小功率電站、太陽(yáng)能發(fā)電、低溫?zé)釞C(jī)、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)、核電站； （2）廢熱回收：適合于各種工業(yè)或公用設(shè)施中回收廢熱； （3）儲(chǔ)存太陽(yáng)能：太陽(yáng)能供暖、供熱水； （4）制冷空調(diào)系統(tǒng)：蓄冷、蓄熱； （5）建筑材料：空調(diào)式建材、防凍式地面、節(jié)能式建筑材料； （6）民用設(shè)施：保暖服裝、高效保溫瓶（杯）、暖手器、熱水器等； （7）交通設(shè)施：用于冬季汽車內(nèi)采暖、啟動(dòng)和廢熱利用等； （8）采暖系統(tǒng)：蓄熱鍋爐等； （9）電子設(shè)備：電子元件的熱保護(hù)與低溫環(huán)境下的運(yùn)行。 但總的來(lái)說，在相變蓄

13、熱設(shè)備的研究及應(yīng)用方面，目前進(jìn)行的工作還較少，國(guó)內(nèi)也只是對(duì)應(yīng)用于太陽(yáng)暖房、農(nóng)用日光溫室等領(lǐng)域進(jìn)行了應(yīng)用研究。因此，在這方面尚有許多工作有待開展。 1.3 本課題的來(lái)源和主要研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)是省教育廳課題“新型高效相變蓄熱器蓄放熱特性”和市科技局課題“太陽(yáng)能熱供暖系統(tǒng)的研制及智能控制系統(tǒng)開發(fā)”的一部份。主要是為滿足本校熱能與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要，設(shè)計(jì)出與太陽(yáng)能熱泵相匹配的相變蓄熱器，使其在滿足蓄熱量要求的前提下，蓄熱裝置達(dá)到較高的蓄放熱效率、合適的蓄放熱速率；使蓄熱裝置與空調(diào)系統(tǒng)有機(jī)配合、高效節(jié)能運(yùn)行。對(duì)填充的相變材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，測(cè)定相變材料在蓄放熱過程中的溫度，觀察相變材料對(duì)熱媒

14、體的響應(yīng)，畫出相變材料在蓄放熱過程中溫度隨時(shí)間的變化曲線，驗(yàn)證相變材料的相變階段的位置，得到相變材料的蓄放熱時(shí)間，找到相變蓄熱裝置的幾何特性、熱媒水的流動(dòng)特性以及相變材料的物化特性對(duì)相變蓄熱裝置放熱效率的影響規(guī)律。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較，為相變蓄熱裝置的特性分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。 本文將上述內(nèi)容分述在以下章節(jié)：第二章介紹了實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行熱量衡算，對(duì)系統(tǒng)各單元的基本參數(shù)進(jìn)行確定。繪制了實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)流程圖。第三章對(duì)各種形式的蓄熱器進(jìn)行比較，分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了符合實(shí)驗(yàn)室需求的相變蓄熱器，并繪制了其結(jié)構(gòu)圖，進(jìn)行了水壓實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。第四章針對(duì)蓄放熱實(shí)驗(yàn)要求，

15、設(shè)計(jì)搭建了蓄放熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。第五章設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案，繪制了實(shí)驗(yàn)原理圖，介紹了相變材料的物性，并分析預(yù)測(cè)了相變材料的蓄放熱曲線。對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差因素進(jìn)行了分析。 2 實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng) 2.1 太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)介紹 熱泵實(shí)際上就是制冷機(jī)，所不同的只是工作溫度的范圍不同，它從周圍環(huán)境吸取熱量傳遞給高溫物體，實(shí)現(xiàn)供熱目的。其特點(diǎn)是：只需供給少量高位能就可以高效的從周圍環(huán)境提取低位能。太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、無(wú)窮無(wú)盡的自然能源，但太陽(yáng)能能流密度低，受氣候、季節(jié)影響較大，單一的太陽(yáng)能裝置對(duì)許多連續(xù)用能的用戶來(lái)說是不能滿足要求的。將熱泵與太陽(yáng)能設(shè)備、蓄熱機(jī)構(gòu)相連接，不

16、僅能夠有效的克服太陽(yáng)能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且達(dá)到節(jié)約高位能減少環(huán)境污染的目的。太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)： （1）集熱成本低 同傳統(tǒng)的太陽(yáng)能直接供熱系統(tǒng)相比，太陽(yáng)能熱泵的最大優(yōu)點(diǎn)是采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易的低溫集熱器，降低了集熱成本。 （2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊 太陽(yáng)能熱泵基于熱泵供熱的節(jié)能性和集熱器的高效性，在相同熱負(fù)荷條件下太陽(yáng)能熱泵所需集熱器面積和蓄熱器容積都比常規(guī)系統(tǒng)小的多，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，布置更靈活。 （3）能耗比高 太陽(yáng)能熱泵蒸發(fā)溫度更高，具有更高的供熱性能系數(shù)，可達(dá)4以上。 （4）應(yīng)用范圍廣 太陽(yáng)能熱泵的應(yīng)用范圍十分廣泛，且不受水源和地質(zhì)條件的限制，對(duì)自然環(huán)境幾乎不造成影響。

17、（5）適用于多個(gè)系統(tǒng) 非直膨式系統(tǒng)具有形式多樣、布置靈活應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，適合集中供熱、空調(diào)和供熱水系統(tǒng)，易于與建筑一體化。 考慮到太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，為滿足熱能與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求我們建設(shè)了實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)。并且我們對(duì)系統(tǒng)作了調(diào)整增加了冷卻水塔，設(shè)置了備用風(fēng)機(jī)盤管使其可以實(shí)現(xiàn)供熱制冷的雙重目的。實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能熱泵原理圖如下：圖2.1太陽(yáng)能熱泵原理圖 系統(tǒng)主要設(shè)備有：太陽(yáng)能集熱器、恒溫水箱（下部有電加熱器）、蓄熱器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)值分析用的計(jì)算機(jī)、熱泵、風(fēng)機(jī)盤管、冷卻塔、泵、閥門和一些自動(dòng)控制裝置等。 當(dāng)系統(tǒng)用于供熱時(shí)可根據(jù)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和房間熱負(fù)荷的變化情況進(jìn)行多種運(yùn)行工況

18、的調(diào)節(jié)。工況一：太陽(yáng)能熱泵的常規(guī)運(yùn)行即白天蓄熱供熱運(yùn)行。集熱器通過吸收太陽(yáng)能加熱流過其中的熱媒體，熱媒體經(jīng)過管路流經(jīng)恒溫水箱、蓄熱器、蒸發(fā)器返回集熱器。此過程蓄熱器儲(chǔ)存熱量。工況二：夜間運(yùn)行即夜間或陰雨天取熱供熱運(yùn)行。熱媒體流經(jīng)蓄熱器吸收熱量經(jīng)過蒸發(fā)器完成熱泵循環(huán)，此時(shí)蓄熱器釋放熱量。工況三：及太陽(yáng)能直接運(yùn)行。熱媒體由集熱器吸收太陽(yáng)能加熱后流經(jīng)恒溫水箱直接通過風(fēng)機(jī)盤管。 2.3 系統(tǒng)可完成的相關(guān)實(shí)驗(yàn) 本實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)包含熱泵系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、空氣處理系統(tǒng)、冷卻水循環(huán)系統(tǒng)、太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。包括與熱能與動(dòng)力工程專業(yè)相關(guān)的大部分設(shè)備如壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、風(fēng)機(jī)

19、盤管等，可以說是一個(gè)多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)供熱并且可以模擬制冷系統(tǒng)及其主要設(shè)備的各種工況，因此可以測(cè)試到制冷系統(tǒng)及其主要設(shè)備的各種工作參數(shù)和性能。通用性，多功能化是本系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)過程中通過對(duì)設(shè)備及管路布置的觀察，使學(xué)生能夠獲得充分得感性認(rèn)識(shí)，便于對(duì)實(shí)驗(yàn)流程和原理的掌握。本系統(tǒng)可完成的實(shí)驗(yàn)有： （1）熱泵系統(tǒng)：熱泵機(jī)組的運(yùn)行、性能、熱平衡試驗(yàn)。 （2）制冷系統(tǒng)：冷水機(jī)組性能測(cè)定，制冷機(jī)組熱平衡、性能試驗(yàn)。 （3）空氣調(diào)節(jié)處理系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)盤管性能試驗(yàn)、表面式空氣換熱器熱工性能測(cè)定。 （4）太陽(yáng)能蓄熱系統(tǒng)：相變材料熱物性參數(shù)的測(cè)試、蓄熱器蓄放熱性能實(shí)驗(yàn)研究、相變傳熱過程強(qiáng)化技術(shù)

20、實(shí)驗(yàn)、集熱器效率實(shí)驗(yàn)等。 （5）熱交換系統(tǒng)：換熱器換熱性能實(shí)驗(yàn)、有相變傳熱與無(wú)相變傳熱的比較等。 本實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)不僅可滿足熱能與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)要求，還可為老師、研究生對(duì)低品位能源研究開發(fā)、傳熱反問題研究、建筑安全研究、選擇性表面材料及結(jié)構(gòu)研究等科研項(xiàng)目提供很大的幫助。 2.4 主要設(shè)備能量衡算 2.4.1 熱泵循環(huán)的熱力計(jì)算 已知：熱泵供熱量：30kW； 蒸發(fā)溫度：5℃； 冷凝溫度：40℃； 熱泵中工質(zhì)為R22； 壓縮機(jī)吸氣溫度：15℃； 環(huán)境溫度：-10℃； 室內(nèi)要保持溫度：23℃； 圖2.2壓力-比焓圖上的制熱循環(huán) 假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài) 表2.1確定循環(huán)

21、各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)表 狀態(tài)點(diǎn) 0 1 2 3 4 P(Mpa) 0.584 0.584 1.534 1.534 1.534 t(℃) 5 10 60.66 40 35 h(kJ/kg) 406.92 410.86 435.46 249.6 243.101 s(kJ/kg?K) 1.743- 1.758 1.758 1.168 — ν(m /kg) — 0.041 0.017 — — （1）單位質(zhì)量制冷量（簡(jiǎn)稱單位制冷量） 表示1kg制冷劑完成循環(huán)時(shí)從低溫?zé)嵩此盏臒崃?。取蒸發(fā)器為隔離體，它等于制冷劑在蒸發(fā)器出口處與入口處

22、的比焓之差 kJ/kg （2.1） （2）單位容積制冷量 表示以壓縮機(jī)吸入狀態(tài)計(jì)，單位體積（1m3）制冷劑完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，從低溫?zé)嵩次盏臒崃浚? kJ/m3 （2.2） （3）單位冷凝熱負(fù)荷 表示1kg制冷劑完成循環(huán)時(shí)向高溫?zé)釁R所排放的熱量。它等于制冷劑在冷凝器出口處和入口處的比焓之差，即 kJ/kg （2.3） （4）工質(zhì)單位容積制熱量為： kJ/m3 （2.4） （5）單位質(zhì)量工質(zhì)被壓縮機(jī)壓縮時(shí)消耗的功量為：

23、 kJ/kg （2.5） （6）工質(zhì)質(zhì)量流量為： kg/s （2.6） （7）壓力比 循環(huán)中壓縮機(jī)的排氣壓力和吸氣壓力之比，即 （2.7） 2.4.2 各設(shè)備熱平衡計(jì)算 （1）集熱器 （2.8） 式中 —集熱有用效益，kW； —集熱器面積，m2； —傾斜表面單位面積上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，kW/m2； —蓋板對(duì)太陽(yáng)能的透過率與吸收率的乘積；

24、 —集熱器的熱損耗系數(shù)，kW/m2·K； —集熱器吸收板平均溫度，K； —室外空氣溫度，K； 熱效率 （2.9） 式中 —集熱器換熱流體的比熱容，kW/K； 、—集熱器換熱流體進(jìn)、出口溫度，K； 已知：=100m2，=313K，=283K，=353K，=263K，=0.27kW/K 由文獻(xiàn)[14]得=0.3kW/m2，=0.92×0.94=0.8648，=0.001kW/m2·K 因此有： =50×[0.3×0.8648-0.001×(313-263)]=20.94kW

25、 （2）蒸發(fā)器 （2.10） 式中 —熱泵工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s； 、—蒸發(fā)器進(jìn)、出口工質(zhì)的比焓，kJ/kg； —蒸發(fā)器中冷凍水的質(zhì)量流量，kg/s； ，—蒸發(fā)器中冷凍水的進(jìn)、出口比焓，kJ/kg； 由=0.16kg/s，=410.86kJ/kg，=243.101kJ/kg，=50.38kJ/kg，=28.35kJ/kg 所以有：kW kg/s （3）壓縮機(jī) 輸入理論功 （2.11） 式中 —熱泵工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s； 、—壓縮機(jī)進(jìn)、出口工質(zhì)的比焓，kJ

26、/kg； 輸入有效功 (2.12) 式中可取=0.85(機(jī)械效率)，=0.80（內(nèi)效率），=0.96（電機(jī)效率） 由=0.156kg/s，=410.86kJ/kg，=435.46kJ/kg 所以有：kW =kW （4）冷凝器 （2.13） 式中 —熱泵工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s； 、—冷凝器進(jìn)、出口工質(zhì)的比焓，kJ/kg； —冷凝器中冷卻水的質(zhì)量流量，kg/s； 、—冷凝器中冷卻水進(jìn)、出口比焓，kJ/kg； 由=0.16kg/s，=435.46kJ/kg，=

27、249.6kJ/kg，=134.06kJ/kg，=154.9kJ/kg 所以有： kg/s （5）蓄熱器 蓄熱器中溫度視為線形分布 (2.14) 式中 —集熱器熱損耗面積，m2； —集熱器熱損耗系數(shù)，kW/m2·K； —蓄熱介質(zhì)的平均溫度，K； —蓄熱介質(zhì)的比熱容，kW/K； 、—蓄熱器中換熱流體進(jìn)、出口溫度，K； —溫度對(duì)時(shí)間的變化率，用歐拉數(shù)值積分法以(T′-T)/△t表示，獲得時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)得后，可預(yù)示蓄熱器中一天的溫度的變化。 蓄熱器的效率：

28、 (2-15) （6）太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng) 系統(tǒng)供熱性能系數(shù)： （2.16） 系統(tǒng)供熱效率： （2.17） 3 蓄熱器的設(shè)計(jì)選型 3.1 蓄熱裝置的簡(jiǎn)介 通常PCM并不參與和外界的質(zhì)交換，蓄熱與放熱過程主要由蓄熱器來(lái)完成，在傳熱中又主要依靠導(dǎo)熱。但大部分PCM在固相與液相時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)很小（<1.0W/m·K），因此為了獲得足夠的充放熱功率，設(shè)計(jì)一種高效、緊湊的蓄熱裝置一直是潛熱蓄熱器設(shè)計(jì)和制造的一個(gè)難題。另外，多數(shù)PCM都具有腐蝕性，相變時(shí)又要膨脹和收縮，這就使蓄熱裝置的成本大大提高。 目前研究和應(yīng)用的蓄熱裝置結(jié)構(gòu)分類有很多種： （1）整體

29、式蓄熱器與小體積封裝式蓄熱器：整體式蓄熱器使用的歷史較長(zhǎng)，這種蓄熱器“浸”于相變材料中，為了強(qiáng)化傳熱，往往加上肋、翅等擴(kuò)展表面來(lái)增加換熱面積。采用整體式蓄熱器要解決的問題是PCM在相變時(shí)體積變化引起的熱應(yīng)力，有些設(shè)計(jì)不良的結(jié)構(gòu)，蓄熱器經(jīng)過一二個(gè)循環(huán)就發(fā)生嚴(yán)重的變形現(xiàn)象。小體積封裝式蓄熱器是以后發(fā)展起來(lái)的，現(xiàn)在大有取代整體式蓄熱器的趨勢(shì)。其基本結(jié)構(gòu)是用小型容器（球、柱、片狀）把PCM封裝起來(lái)成為蓄熱元件，然后按一定方式排列于蓄熱器中。它的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較大的換熱表面，也能解決PCM充放熱時(shí)體積應(yīng)力的難題，它的缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，成本很高。 （2）相變儲(chǔ)能蓄熱器結(jié)構(gòu)又可分為螺旋形、平板形、管族形

30、、球形堆積床式、同心套管式、雙單盤管式蓄熱器。 結(jié)構(gòu)多樣化的目的是通過增加換熱面積，強(qiáng)化蓄熱裝置傳熱性能，改善PCM導(dǎo)熱系數(shù)均小的缺點(diǎn)。改善蓄熱裝置傳熱性能還有其他方法，一些研究者對(duì)其熱能進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究，S.O.Enibe從PCM材料的封裝形式上（集總、密、微封裝）對(duì)微封裝PCM材料的蓄熱器進(jìn)行了熱分析，傳熱性能獲得了滿意的結(jié)果；M.LACROIX對(duì)加熱方式和合理布置內(nèi)熱源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，改進(jìn)了PCM傳熱性能。下面簡(jiǎn)要的介紹了幾種常見的蓄熱器： （a）雙效相變蓄熱器 該蓄熱器是一種涉及相變蓄熱領(lǐng)域的雙效相變蓄熱式熱管換熱器，由三部分組成，上部是取熱流體通道，兩端分別連接有流體進(jìn)口管和

31、流體出口管；下部是供熱流體通道，兩端分別連接有流體進(jìn)口管和流體出口管；并在取熱流體通道與供熱流體通道內(nèi)加裝了擾流板及變截面板；中部是蓄熱室，蓄熱室上、下端分別連接有充裝蓄熱介質(zhì)的入口管和釋放蓄熱介質(zhì)的出口管；換熱器的上、中、下部分之間分別用上擋板和下?lián)醢甯糸_；裝有工作介質(zhì)的熱管自上而下貫穿三個(gè)部分與其組成一個(gè)整體。蓄熱室部分裝有吸收介質(zhì)膨脹壓力的波紋板裝置，裝置上設(shè)有壓力調(diào)節(jié)控制元件。該換熱器具備蓄熱、釋熱功能，并可實(shí)現(xiàn)同時(shí)取、放熱功能。 圖3.1雙效相變蓄熱器結(jié)構(gòu)圖 1、取熱流體通道 2、蓄熱室 3、冷流體通道 4、取熱流體進(jìn)口管 5、取熱流體出口管 6、相變材料進(jìn)口管 7、相變

32、材料出口管 8、供熱流體進(jìn)口管 9、供熱流體出口管 10、熱管 11、肋片 12、變截面板 13、波紋板裝置 14、擾流板 15、上擋板 16、下?lián)醢?17、壓力控制元件 18、連接板 （b）圓柱形螺旋盤管蓄熱器 如圖3.2所示，蓄熱器主要由保溫筒、相變材料和三層螺旋盤管組成。保溫筒由 1mm 厚的鍍鋅板煨制而成，在每個(gè)加熱筒外均勻繞上φ0.8mm的電加熱絲（外套玻纖管電絕緣）作為附加熱源，供太陽(yáng)能熱量不足時(shí)使用。保溫筒的直徑分別為φ1084mm和φ1144mm。每個(gè)加熱筒上的加熱功率(即電加熱絲的電阻值)按每個(gè)加熱筒上加熱的熱流密度相等進(jìn)行計(jì)算，三個(gè)加熱筒的電加熱絲串聯(lián)連接。三層螺旋盤管

33、亦串聯(lián)連接。蓄熱器外絕熱層采用32mm的聚氨脂發(fā)泡制成的泡沫塑料作絕熱材料。在蓄熱器內(nèi)膽高度方向的中心位置沿內(nèi)膽的直徑方向安裝有三根銅-康銅熱電偶用于測(cè)量蓄熱器內(nèi)溫度，分別距內(nèi)膽軸心距離為20mm、56mm和92mm。圖中螺旋盤管尺寸和結(jié)構(gòu)圖。螺旋盤管由φ32×2.5mm的低壓聚乙烯管繞制而成。 圖3.2相變螺旋盤管蓄熱器結(jié)構(gòu)圖 1、六角頭螺栓2、蓄熱器上蓋3、十字槽自攻螺釘4、蓄熱器下法蘭盤5、蓄熱器外殼6、隔熱層 7、內(nèi)膽8、耐熱橡膠密封墊9、聚乙烯塑料管 （c）方形聚乙烯盤管蓄熱器 圖3.3方形聚乙烯盤管蓄熱器 1、換熱器出水管 2、換熱盤管 3、通氣管 4、箱體 5

34、、外殼 6、換熱器進(jìn)水管 8、泄水管 9、水箱支座 10、保溫材料 11、溢水管 3.2 蓄熱器選材和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1 設(shè)計(jì)所考慮的主要因素和所需的有關(guān)數(shù)據(jù) 蓄熱器的大小與為提供所要的熱量所需儲(chǔ)能材料的數(shù)量和類型以及為滿足性能要求所選擇的隔熱情況有關(guān)。設(shè)計(jì)所要考慮的主要因素有蓄熱器工作的溫度范圍、相變材料凝固熔解溫度、PCM的潛熱以及儲(chǔ)能裝置的熱負(fù)荷。 由于相變材料的傳熱能力較差，所以需要通過優(yōu)化蓄能裝置的結(jié)構(gòu)來(lái)改善其蓄能和釋能能力。如果完全依靠實(shí)驗(yàn)研究，需要花費(fèi)大量時(shí)間、人力和財(cái)力，因而希望通過建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算來(lái)研究蓄能結(jié)構(gòu)的能量存儲(chǔ)和釋放規(guī)律，獲得PCM中

35、的傳熱和相變過程定量分析的數(shù)據(jù)。 （1）熱物性對(duì)儲(chǔ)熱和放熱過程的影響程度 （2）蓄熱裝置所需相變材料的數(shù)量 （3）相變過程所需的時(shí)間 （4）液相PCM中傳導(dǎo)和對(duì)流相對(duì)重要性，進(jìn)而對(duì)蓄熱器的經(jīng)濟(jì)性和可行性形成正確的認(rèn)識(shí) 本課題設(shè)計(jì)的蓄熱器要與實(shí)驗(yàn)室太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)相匹配。綜合考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性確定石蠟為相變料。石蠟由直烷烴混合而成，分子式為CnH2n+2。隨鏈的增加，融點(diǎn)和融解熱增加。常用PCM（n=12-36）的融點(diǎn)為-12℃到75.9℃。融解熱為150kJ/kg到250kJ/kg。優(yōu)點(diǎn)是融解熱大、一般不過冷、不析出、性能穩(wěn)定、無(wú)腐蝕性且在有機(jī)PCM中價(jià)格最低，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)和密度小。

36、參考下表，考慮到太陽(yáng)能集熱器熱媒體所達(dá)到的最高溫度，選擇C27H56 n-Heptacosane作為實(shí)驗(yàn)用相變材料 表3.1部分石蠟物性 英文名稱 碳原子數(shù) 分子量 融點(diǎn)℃ 融解熱kJ/kg n-Docosane 22 310 44 251 n-Tricosane 23 324 47.5 234.4 n-Tetracosane 24 338 50.6 249 n-Pentacosane 25 352 53.5 — n-Hexacosane 26 366 56.3 255.3 n-Heptacosane 27 380 58.8

37、 234.8 n-Octacosane 28 394 61.2 255.3 n-Nonacosane 29 408 64.4 238.6 n-Triacosane 30 422 65.4 251.2 n-Hentriacosane 31 436 68 242 n-Dotricosane 32 450 69.5 170.3 n-Tritriacosane 33 464 72 — 為滿足實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期使用的要求，本設(shè)計(jì)采用不銹鋼作為蓄熱器外殼材料，保溫材料用的是氧化鋁棉和陶瓷纖維紙。 3.2.2 蓄熱器初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 綜合考慮各因素

38、本課題擬采用的是小體積封裝式蓄熱器。相變材料封裝在直徑為100mm的不銹鋼球內(nèi)，共有200個(gè)不銹鋼球，每個(gè)球體重量為0.9 kg。蓄熱器為方便實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成可拆卸式，由筒體、法蘭、封頭、支腿幾部分組成。圓柱形容器是最常見的一種壓力容器形式，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、便于在內(nèi)部裝設(shè)附件等優(yōu)點(diǎn)，因此筒體采用采用單層式圓筒。筒體以不銹鋼0Cr13作為原料，內(nèi)徑為600mm，長(zhǎng)1172mm。蓄熱器上部橢圓封頭與筒體通過法蘭連接，下部封頭與筒體直接焊接在一起。法蘭采用甲型平焊法蘭，平密封面。整個(gè)蓄熱器高度初步估算小于2m,屬于鋼制立式容器并且不與產(chǎn)生脈動(dòng)載荷的機(jī)械設(shè)備剛性連接，因此采用B型腿式支座。為滿足不同

39、的實(shí)驗(yàn)要求應(yīng)使蓄熱球體在蓄熱器有不同的排布方式。本設(shè)計(jì)方案蓄熱球體可總體分為有序和無(wú)序兩種形式，其中有序排列又可分為兩種形式。下面為有序排列方式的兩種示意圖： 圖3.4a支架一 圖3.4b支架二 根據(jù)筒體高度與直徑，可知蓄熱器共可排布11層蓄熱球體 本蓄熱器的特點(diǎn)： （1）蓄熱器除支腿外均采用不銹鋼做原材料，不銹鋼耐腐蝕、強(qiáng)度高，因此適合實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)期使用。 （2）采用石蠟作為相變材料，石蠟融解熱大、一般不過冷、不析出、性能穩(wěn)定、無(wú)腐蝕性且在有機(jī)PCM中價(jià)格最低，符合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)濟(jì)性要求。 （3）蓄熱器采用法蘭連接，方便拆卸。并且相變材料封裝在直徑

40、為100mm的不銹鋼球體內(nèi)，可方便從蓄熱器中取出以改變蓄熱器的空隙率，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)不同工況要求。 3.2.3 蓄熱器主要部件設(shè)計(jì) （1） 筒體設(shè)計(jì)： 筒體計(jì)算厚度 （3.1） 式中 —筒體公稱直徑，mm； —筒體最大工作壓力，MPa； —設(shè)計(jì)溫度下筒體的計(jì)算應(yīng)力，MPa； —焊接系數(shù)； 已知：=600mm，=0.6MPa，工作溫度t=100℃，筒體采用GB/T42370Cr13不銹鋼鋼板作原料，查表得=126MPa，筒體由鋼板焊接而成取焊接系數(shù)=0.85，腐蝕裕量取=1mm，所以有：

41、 mm 筒體設(shè)計(jì)厚度 mm （3.2） 對(duì)于0Cr13，鋼板負(fù)偏差=0，因而可取名義厚度=4mm。 （2）橢圓形封頭設(shè)計(jì) 由上面計(jì)算知筒體厚度=4mm，據(jù)筒體公稱直徑=600mm，選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭DN400×4—0Cr13 JB/ T4737。下面對(duì)選取的封頭進(jìn)行強(qiáng)度校核： （3.3） 式中 —設(shè)計(jì)溫度下封頭的計(jì)算應(yīng)力，MPa； —最大工作壓力，MPa； —橢圓形封頭形狀系數(shù)； —封頭的內(nèi)徑，mm； —有效壁厚，mm； —設(shè)計(jì)溫度下材料的許

42、用應(yīng)力，MPa； 圖3.5橢圓形封頭示意圖 已知： 封頭為DN400×4—0Cr13 JB/ T4737，則=400mm，=4mm，=126MPa，封頭內(nèi)曲面高度=150mm，由，查表得=1，=0.6MPa，t=100℃，所以有： MPa126MPa 所選封頭符合強(qiáng)度要求。 3.2.4 壓力試驗(yàn) （1）壓力試驗(yàn)的目的 除材料本身的缺陷外，容器在制造（特別是焊接過程）和使用中會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。為考慮缺陷對(duì)壓力容器安全性的影響。壓力容器制造完畢后或定期檢查時(shí)，都要進(jìn)行壓力試驗(yàn)。 （2）實(shí)驗(yàn)壓力及應(yīng)力校核 耐壓試驗(yàn)有液壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)兩種，是容器在使用前的第一次承壓，且試驗(yàn)壓力

43、要比容器最高工作壓力高。容器發(fā)生爆破的可能性比使用時(shí)大。由于在相同壓力和容積下，試驗(yàn)介質(zhì)的壓縮系數(shù)越大，容器所儲(chǔ)存的能量就越大。爆炸也就越危險(xiǎn)，故應(yīng)選用壓縮系數(shù)小的流體作為實(shí)驗(yàn)介質(zhì)。只有因結(jié)構(gòu)或支撐等原因不能向容器內(nèi)充灌水或其他液體，以及運(yùn)行條件不允許殘留液體時(shí)，才用氣壓實(shí)驗(yàn)。本設(shè)計(jì)只需進(jìn)行液壓試驗(yàn)。在液壓試驗(yàn)時(shí)，為防止材料發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞，液體溫度不得低于容器殼體材料的韌脆轉(zhuǎn)彎溫度。氯離子能破壞奧氏體，不銹鋼制壓力容器進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，還應(yīng)將水中氯離子含量控制在內(nèi)。并在試驗(yàn)后立即將水漬清除干凈。 內(nèi)壓容器試驗(yàn)壓力為： MPa （3.4） 為使液壓試驗(yàn)時(shí)

44、容器材料處于彈性狀態(tài)，在壓力試驗(yàn)前必須按下式校核實(shí)驗(yàn)時(shí)圓筒的薄膜應(yīng)力。 MPa （3.5） （3.6） 3.2.5 蓄熱器容積、及主要部件質(zhì)量 （1）蓄熱器的容積V 蓄熱器的容積由筒體容積V銅和封頭容積V封兩部分 由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得DN=600mm的單位長(zhǎng)度的筒體容積為V0=0.283m3，設(shè)計(jì)筒體高h(yuǎn)=1160mm所以筒體容積為： V銅=hV0=0.283×1.160=0.328m3 （3.7） 由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得DN=600mm，直邊高h(yuǎn)=2

45、5mm的橢圓形封頭V封=0.0352m3，所以設(shè)計(jì)的蓄熱器容積V： V=V銅+2V封=0.328+2×0.0352=0.363m3 （3.8） （2）蓄熱器的質(zhì)量M 蓄熱器的質(zhì)量主要由三部分組成：筒體質(zhì)量M1、封頭質(zhì)量M2及支腿質(zhì)量M3。由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得DN=600mm，厚δ=4mm的單位長(zhǎng)度的筒體質(zhì)量m=60kg，所以筒體質(zhì)量M1為： M1=hm=1.160×60=69.6kg 由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得DN=600mm，厚δ=4mm的直邊高h(yuǎn)=25mm的橢圓形封頭質(zhì)量M2=22kg，支腿質(zhì)量M3=1

46、6.4kg，所以有 M=M1+2M2+3M3=69.6+2×22+3×16.4=162.8kg （3.9）

47、 4 蓄熱器蓄放熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 4.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 蓄熱器蓄放熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)是由第2章所述太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的部分設(shè)備連接組成的。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)充分利用了太陽(yáng)能熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)有設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)多功能化的要求，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投資。由太陽(yáng)能集熱器提供高溫?zé)嵩?，減少了能源消耗，符合節(jié)約型現(xiàn)代化社會(huì)的要求。 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)方針是結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行合理、經(jīng)濟(jì)適用。我們要進(jìn)行的是蓄熱槽的蓄放熱特性實(shí)驗(yàn)。蓄熱器是實(shí)驗(yàn)臺(tái)的重要組成部分，相變材料放置在其中。為了便于改變蓄熱器的空隙率，方便蓄熱球體的取出，我們把蓄熱器設(shè)計(jì)為可拆卸的結(jié)構(gòu)，封頭和筒體由法蘭

48、連接。蓄熱器的主要功能是給相變材料提供安放場(chǎng)所。相變材料要進(jìn)行蓄放熱實(shí)驗(yàn)，就必須給蓄熱器提供高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩?。?dāng)高溫?zé)崦襟w或低溫?zé)崦襟w流經(jīng)蓄熱器時(shí)，熱媒體就將與相變材料進(jìn)行對(duì)流換熱，以實(shí)現(xiàn)相變材料的蓄熱或放熱過程。為了提供高溫?zé)嵩?，我們?cè)O(shè)計(jì)配置太陽(yáng)能集熱器，由集熱器吸收太陽(yáng)能加熱流過其中的熱媒體水得到高溫?zé)崦襟w。在蓄放熱過程中，我們要求熱媒體進(jìn)入蓄熱器的溫的水溫度較恒定。因此，我們配置了恒溫水箱，水箱底部設(shè)有電加熱器，并且為水箱配置了自動(dòng)溫度控制裝置，這樣的話，我們就可以按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置恒溫水箱中熱媒體的溫度，保證進(jìn)入蓄熱器的水溫度較恒定（精度在±1℃）。 同時(shí)，在相變材料放熱過程中，我們需

49、要提供低溫?zé)崦襟w。由此我們?cè)O(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。在蓄熱過程中，系統(tǒng)中的水是高溫的，當(dāng)蓄熱結(jié)束后，我們開啟風(fēng)機(jī)盤管，和蓄熱器經(jīng)過熱交換的熱媒體流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管向外散出熱量，在泵的作用返回太陽(yáng)能集熱器，同時(shí)我們放出部分水箱中的高溫水，并向恒溫水箱中注入低溫的自來(lái)水，以此來(lái)迅速降低系統(tǒng)中的水溫，當(dāng)系統(tǒng)中的水溫低于放熱過程所需要的溫度時(shí)，停止自來(lái)水的注入，并打開電加熱器，將水溫加熱到相變材料放熱要求的熱媒體水的溫度。由于恒溫水箱配置了溫度自控裝置，所以系統(tǒng)提供的低溫?zé)崦襟w同樣可以達(dá)到進(jìn)入蓄熱器時(shí)溫度較恒定的要求?？梢娤到y(tǒng)可以較方便的提供符合實(shí)驗(yàn)要求的高溫?zé)崦襟w與低溫?zé)崦襟w。 為使熱媒體在系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，考

50、慮實(shí)驗(yàn)要求的熱媒體流量和整個(gè)系統(tǒng)的阻力，在系統(tǒng)中布置了水泵為系統(tǒng)提供動(dòng)力。為研究分析相變材料的蓄放熱性能及蓄熱器的蓄放熱效率，我們?cè)谙嘧儾牧仙喜贾昧藷犭娕?，在管路中布置了鉑電阻。另外我們?cè)趯?shí)驗(yàn)臺(tái)的管路中布置了許多的閥門，以改變熱媒體流經(jīng)途徑和流量使系統(tǒng)在多種工況下運(yùn)行。 本課題設(shè)計(jì)的蓄熱器蓄放熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)以下幾種運(yùn)行模式： （1）系統(tǒng)預(yù)加熱：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的水進(jìn)行加熱把水溫升高到實(shí)驗(yàn)所要求的相變材料初始溫度。 （2）高溫水準(zhǔn)備：關(guān)閉蓄熱器進(jìn)、出口閥門，對(duì)系統(tǒng)中其他部分的水繼續(xù)加熱，直至達(dá)到與蓄熱器蓄熱所要求的溫度。 （3）全流量蓄熱：打開蓄熱器進(jìn)、出口閥門，使高溫?zé)崦襟w水流經(jīng)蓄熱器并與

51、之換熱。 （4）變流量蓄熱：改變閥門開度以改變進(jìn)入蓄熱器的熱媒體水流量。 （5）低溫水準(zhǔn)備：關(guān)閉蓄熱器進(jìn)、出口閥門，迅速降低系統(tǒng)中其它部分水的溫度，以達(dá)到放熱過程所需要的水溫。 （6）全流量放熱：打開蓄熱器進(jìn)、出口閥門，使低溫媒體水流經(jīng)蓄熱器與相變材料進(jìn)行換熱 （7）變流量放熱：改變閥門開度以改變進(jìn)入蓄熱器的低溫媒體水的流量。 4.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試手段 （1）測(cè)試內(nèi)容：相變材料及熱媒體在蓄放熱過程中的溫度。 （2）測(cè)試手段：在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的管路上及相變材料中，我們?cè)O(shè)置了多個(gè)溫度傳感器（鉑電阻、熱電偶）。在實(shí)驗(yàn)過程中，將溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀以及計(jì)算機(jī)三者正確連接起來(lái)，熱電偶

52、密封在相變材料被測(cè)位置處，鉑電阻安裝在管段上，正確設(shè)定數(shù)據(jù)采集儀的有關(guān)參數(shù)，溫度傳感器將信號(hào)傳入到數(shù)據(jù)采集儀，我們便可在電腦中即時(shí)觀測(cè)并自動(dòng)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過程中熱媒體、相變材料的溫度變化情況。如圖4-1所示。 圖4.1溫度測(cè)試示意圖 4.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集儀器 （1）數(shù)據(jù)采集儀 HP34970A數(shù)據(jù)采集儀將精確的測(cè)量能力與靈敏的信號(hào)傳輸能力連接結(jié)合起來(lái)，集數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)采集為一體。HP Benchlink Data Logger程序是基于Windows的應(yīng)用程序，通過它可以很方便地將HP34970A數(shù)據(jù)采集儀與計(jì)算機(jī)一起使用以收集與分析測(cè)量數(shù)據(jù)，以及對(duì)輸入的數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時(shí)顯示和分析，檢測(cè)的溫度

53、通過HP34970A數(shù)據(jù)記錄儀自動(dòng)的儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。 數(shù)據(jù)采集儀后部?jī)?nèi)置有三個(gè)模塊插槽，適應(yīng)于任何數(shù)據(jù)采集或開關(guān)模塊的組合，插入式模塊通過內(nèi)部隔離數(shù)字總線與浮地邏輯通信。多路轉(zhuǎn)換模塊還通過內(nèi)部模擬總線連接到內(nèi)部數(shù)字萬(wàn)用表。每個(gè)模塊都有自己的微處理器，為主機(jī)處理器卸載，并使背板通信降到最低限度以獲得更快的處理。間隔掃描存儲(chǔ)有多達(dá)50000個(gè)帶有時(shí)間標(biāo)記的讀數(shù)；每臺(tái)儀器有60個(gè)通道，單通道上的讀取速度為每秒600個(gè)讀數(shù)，掃描速度為每秒250個(gè)通道；標(biāo)準(zhǔn)的HP-IB（IEEE-488）和RS-232接口，一次只能啟用一個(gè)接口，與SCPI（可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令）兼容，數(shù)據(jù)采集儀中的傳感器或熱敏元件將

54、所測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為內(nèi)部數(shù)字萬(wàn)用表可以測(cè)量的電信號(hào)。輸入信號(hào)被多路傳送到內(nèi)部數(shù)字萬(wàn)用表的信號(hào)調(diào)節(jié)部分中，包括切換、量程和放大電路。如果輸入信號(hào)為直流電壓，信號(hào)調(diào)節(jié)器就由衰減器和放大器組成，衰減器用于較高的輸入電壓，放大器則用于較低的輸入電壓。如果輸入信號(hào)是交流電壓，則轉(zhuǎn)換器用于將交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為等量的直流電（真有效值）。通過為未知的電阻提供已知的直流電并測(cè)量電阻器兩端的直流電壓降進(jìn)行電阻測(cè)量。 溫度傳感器的測(cè)量一般是最初的電阻或電壓測(cè)量，通過儀器內(nèi)部的軟件轉(zhuǎn)換程序轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的溫度。首先，傳感器或熱敏元件將所測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為電量，然后可測(cè)量電量結(jié)果轉(zhuǎn)換為工程單位，測(cè)量熱電偶時(shí)，儀器測(cè)量交流電

55、壓并通過數(shù)字運(yùn)算將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的℃或K溫度。HP34870A所用的轉(zhuǎn)換程序符合1990年國(guó)際溫標(biāo)，即ITS-90。 溫度測(cè)量中最大的誤差源是傳感器本身的誤差。各種傳感器有特定的溫度范圍、準(zhǔn)確度和費(fèi)用。溫度傳感器中的電阻溫度檢測(cè)器有最高的穩(wěn)定性。電阻溫度檢測(cè)器是用一種隨溫度發(fā)生電阻精確變化的金屬（一般是鉑）制成的。內(nèi)部數(shù)字萬(wàn)用表測(cè)量出電阻溫度檢測(cè)器電阻的變化并計(jì)算出相應(yīng)的溫度變化。電阻溫度檢測(cè)器的輸出線性度很高，因此它的精確度就很高，是長(zhǎng)期測(cè)量的最佳選擇。 （2）熱電偶：蓄熱裝置蓄熱材料的溫度檢測(cè)采用 T 型熱電偶。 熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)兩種不同的金屬的線繞結(jié)時(shí)，就有電壓產(chǎn)生。這個(gè)電

56、壓是熱電偶線中的結(jié)溫和金屬類型的函數(shù)。許多不同金屬的溫度特性都是眾所周知的，因此從電壓就可以計(jì)算出結(jié)溫。T型熱電偶的溫度范圍為－200℃～400℃，探頭精度±0.5℃～1℃。 熱電偶測(cè)量的誤差源： (a)參考結(jié)誤差：熱電偶一般是把兩根導(dǎo)線焊接在一起形成一個(gè)結(jié)。這種焊接在結(jié)處注入了第三種金屬。如果與熱電偶的兩端處于同一個(gè)溫度，第三種金屬的影響是很小的。市場(chǎng)上銷售的熱電偶是用電容放電技術(shù)焊接在一起的。這種技術(shù)可防止熱電偶導(dǎo)線在結(jié)附近過熱，并防止焊氣和大氣擴(kuò)散進(jìn)入熱電偶導(dǎo)線。一個(gè)焊接不好的連接會(huì)在熱電偶測(cè)量中造成誤差。熱電偶結(jié)的開路可通過測(cè)量熱電偶的阻抗來(lái)檢測(cè)。一般大于5kΩ的阻抗表示熱電偶有缺

57、陷。HP34970A包含一個(gè)內(nèi)置的自動(dòng)熱電偶檢測(cè)功能。儀器在每次熱電偶測(cè)量后測(cè)量通道阻抗，以確保連接良好。 (b)擴(kuò)散誤差：在熱電偶的擴(kuò)散是指沿導(dǎo)線改變其合金類型的過程。大氣分子確實(shí)會(huì)擴(kuò)散到金屬中。這些導(dǎo)線中的合金改變?cè)跍y(cè)量中注入了電壓的細(xì)微改變。導(dǎo)線暴露在高溫中或在承受拉伸或振動(dòng)的物理應(yīng)力時(shí)，會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散引起的溫度誤差很難檢測(cè)到，因?yàn)闊犭娕既詫?duì)溫度變化有反應(yīng)，并給出接近正確的結(jié)果。擴(kuò)散的影響經(jīng)常被作為溫度測(cè)量的漂移被檢測(cè)。更換存在擴(kuò)散誤差的熱電偶可能不能糾正誤差。延伸的導(dǎo)線和連接都會(huì)因擴(kuò)散而改變。仔細(xì)檢查整個(gè)測(cè)量路徑，尋找溫度極點(diǎn)和物理應(yīng)力。如果可能，最大限度的減少沿導(dǎo)線的溫度梯度

58、。 (c)分流阻抗：熱電偶導(dǎo)線和延伸導(dǎo)線的絕緣會(huì)被高溫或腐蝕性氣體破壞。這種破壞表現(xiàn)為在熱電偶結(jié)處并聯(lián)了一個(gè)電阻。這在導(dǎo)線串聯(lián)電阻很高且使用小線經(jīng)的系統(tǒng)中非常明顯。 (d)屏蔽：屏蔽減少了共模噪聲對(duì)熱電偶測(cè)量的影響。共模噪聲是由類似電源線和馬達(dá)的噪聲源產(chǎn)生的。噪聲通過分布的電容與未屏蔽的熱電偶導(dǎo)線耦合。感應(yīng)的電流流過內(nèi)部數(shù)字萬(wàn)用表到地時(shí)，沿?zé)犭娕紝?dǎo)線的分布電阻即產(chǎn)生出電壓誤差。為熱電偶線添加屏蔽可以將共模噪聲注入地，并保護(hù)測(cè)量。共模噪聲會(huì)對(duì)內(nèi)部數(shù)字萬(wàn)用表影響很大。典型的熱電偶輸出是幾毫伏，而幾毫伏的共模噪聲可以使內(nèi)部數(shù)字萬(wàn)用表的輸入過載。 (e)計(jì)算誤差：是將熱電偶的電壓轉(zhuǎn)化為溫度的過程

59、中注入的固有誤差。計(jì)算誤差與熱電偶、導(dǎo)線連接和參考結(jié)的誤差相比是很小的。 （3）鉑電阻 鉑電阻屬于熱電阻測(cè)溫元件，是利用導(dǎo)體的電阻值隨溫度變化的性質(zhì)做成的。采用高純度鉑絲制成的鉑電阻具有測(cè)溫精度高，性能穩(wěn)定，抗氧化等優(yōu)點(diǎn)。但在高溫下容易被還原性氣體所污染，使鉑絲變脆，改變其電阻溫度特性，所以需用套管保護(hù)方可使用。 （4）流量計(jì) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用渦輪流量計(jì)，精確度0.5級(jí)，量程為0.6～4m3/h，測(cè)量中可能產(chǎn)生的儀表誤差不超過滿量程的0.5～1％，即(4-0.6)×0.5%＝0.017m3/h，(4-0.6)×1%＝0.034m3/h。 4.4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建 根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路，搭建了實(shí)驗(yàn)

60、臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括太陽(yáng)能集熱器、蓄熱器、恒溫水箱、風(fēng)機(jī)盤管、水泵、壓力表、流量計(jì)以及管道、閥門，數(shù)據(jù)采集儀等。實(shí)驗(yàn)裝置外觀圖（見圖 4.2a、2b、2c、2d、2e） 圖4.2a太陽(yáng)能集熱器 圖4.2b裝有相變材料的蓄熱球體 圖4.2c恒溫水箱 圖4.2d風(fēng)機(jī)盤管 圖4.2e數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 5 蓄熱器蓄放熱特性實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 5.1 實(shí)驗(yàn)用相變材料物性 相變材料的熱物性主要包括：相變潛熱、相變溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、膨脹系數(shù)等。測(cè)定比熱、相變潛熱和相變溫度的方法可分為三類： （1） 一般卡計(jì)法； （2） 差熱分析法（Differential Thermal Analysis，簡(jiǎn)稱

61、DTA）； （3） 差式掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter，簡(jiǎn)稱DSC）； 膨脹系數(shù)的測(cè)定，在測(cè)量精度不高時(shí)，通常采用簡(jiǎn)單的融化-固化體積計(jì)量法：將一定重量的相變材料融化，倒入玻璃量筒中（盡量選取直徑較細(xì)的），記下體積刻度，待其固化后再記其刻度，由此可算出該材料的膨脹系數(shù)。 相變材料的工作性能主要包括：過冷度、結(jié)晶速度、晶體密度、穩(wěn)定性等。研究相變材料工作的方法有差式掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter，簡(jiǎn)稱DSC），分析法（Thermal Analysis，簡(jiǎn)稱TA法）。 本課題實(shí)驗(yàn)中相變材料為石蠟

62、，材料的分子式為C27H56，英文名稱是n-Heptacosane，屬于低溫有機(jī)相變材料，融解熱大、一般不過冷、不析出、性能穩(wěn)定、無(wú)腐蝕性且在有機(jī)PCM中價(jià)格最低。材料物性如下：相變潛熱：156.819J/g，相變溫度 58.8℃，導(dǎo)熱系數(shù)：0.284W/(m·K)。 5.2 相變材料預(yù)測(cè)的蓄放熱曲線 相變材料傳熱過程有以下特點(diǎn)： （1）兩相之間存在著移動(dòng)的分界面或分界區(qū)域，直至相變過程結(jié)束。 （2）相變過程中有相變潛熱的釋放或吸收。 圖5.1相變過程形態(tài) 按照相變材料的特性，蓄熱曲線存在兩種：相變材料在單點(diǎn)發(fā)生相變，見曲線5-2a；

63、 相變材料在一個(gè)溫度區(qū)間發(fā)生相變，見曲線5-2b。這兩種蓄熱曲線都分為四個(gè)階段：一、顯熱階段；二、潛熱階段；三、顯熱階段；四、穩(wěn)定階段。 圖5.2a蓄熱曲線 圖5.2b蓄熱曲線 按照相變材料的特性，放熱曲線的種類則復(fù)雜一些：相變材料在單點(diǎn)發(fā)生相變且不存在過冷度現(xiàn)象，見曲線5-3a；放熱曲線5-3b沒出現(xiàn)相變平臺(tái)，這可能存在兩種原因：一是相變材料的熱遷移速度大于潛熱釋放速率，或者是前者太大，或者是后者太小，但一般情況下，相變材料的導(dǎo)溫系數(shù)不很大，因此出現(xiàn)這種融化曲線，可能是由相變潛熱太小造成的；二是相變材

64、料是在一個(gè)溫度區(qū)間發(fā)生相變。放熱曲線同樣也分為四個(gè)階段：一、顯熱階段；二、潛熱階段；三、顯熱階段；四、穩(wěn)定階段。 圖5.3a放熱曲線 圖5.3b放熱曲線 5.3 蓄熱器蓄放熱性能實(shí)驗(yàn) 5.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? （1）采集相變材料和流體在蓄放熱過程中的溫度值，以觀測(cè)相變材料與流體在蓄放熱過程中溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線，以此來(lái)觀察相變材料的相變特性，判斷相變材料的相變溫度區(qū)間，判斷相變材料的穩(wěn)定性； （2）通過觀測(cè)相變材料和流體的溫度與時(shí)間的變化關(guān)系，得到相變材料的蓄放熱時(shí)間曲線，以此分析熱媒體流量及溫度與相變材料蓄放熱時(shí)間的關(guān)

65、系，計(jì)算蓄熱器的蓄放熱效率。 5.3.2 實(shí)驗(yàn)原理 相變材料的利用主要體現(xiàn)在潛熱的釋放與吸收方面，所以相變過程中材料本身的傳熱性能是相變材料是否適用與否的關(guān)鍵。通過對(duì)相變材料的實(shí)驗(yàn)分析對(duì)相變材料的有效利用、系統(tǒng)的優(yōu)化及性能的預(yù)測(cè)具有重要意義。 物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，由液態(tài)轉(zhuǎn)為氣態(tài)，或由固態(tài)直接轉(zhuǎn)化為氣態(tài)（升華）時(shí)，將吸收相變熱，進(jìn)行逆過程時(shí)，則將釋放相變熱。這就是潛熱式蓄熱的基本原理。蓄熱器利用了相變材料高溫相變的特性，當(dāng)相變材料達(dá)到熔點(diǎn)時(shí)，出現(xiàn)吸收物質(zhì)熔化潛能的相變化，蓄熱器蓄熱；蓄熱器通過相變材料的倒相，使相變材料釋放熔化潛熱達(dá)到放熱目的。這樣可以使系統(tǒng)在必要的恒溫下能夠獲取熱能。

66、 圖5.3蓄熱實(shí)驗(yàn)原理圖 1、太陽(yáng)能集熱器 2、蝶形閥門4、恒溫水箱（底部有電加熱器）6、離心式水泵7、渦輪流量計(jì)8、數(shù)據(jù)采集儀9、供數(shù)據(jù)分析用的計(jì)算機(jī)10、蓄熱器11、溫度計(jì)、15、風(fēng)機(jī)盤管16、溫度控制裝置 注：圖中3、5、13、14與2相同，6和12相同。 蓄熱工況：熱媒體經(jīng)太陽(yáng)能集熱器加熱后到恒溫水箱達(dá)到蓄熱工況所需溫度后經(jīng)過蓄熱器和相變材料換熱后由泵打回集熱器?；玖鞒虨?-2-4-6-7-10-12-13-1； 放熱工況：恒溫水箱中的水達(dá)到放熱工況的溫度時(shí)流經(jīng)蓄熱器完成換熱再經(jīng)過風(fēng)機(jī)盤管向外散熱返回集熱器?；玖鞒虨?-6-7-10-12-15-1-4。 5.3.3 實(shí)驗(yàn)中的主要設(shè)備及其作用 實(shí)驗(yàn)中所用的主要設(shè)備有：太陽(yáng)能集熱器、恒溫水箱、蓄熱器、數(shù)據(jù)采集儀、風(fēng)機(jī)盤管等，另外還有閥門、水泵、溫度計(jì)、熱電偶等附屬設(shè)備。 太陽(yáng)能集熱器：實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的高溫?zé)嵩矗瑸閷?shí)驗(yàn)提供高溫?zé)崦襟w； 恒溫水箱：穩(wěn)定熱媒體水的溫度，使其熱媒體水能夠以實(shí)驗(yàn)所要求的溫度進(jìn)入蓄熱器； 蓄熱器：提供相變材料放置場(chǎng)所，儲(chǔ)存并釋放能量。相變材料蓄熱時(shí)，熱媒體自上而下流過蓄熱器；相變