相变蓄热器及其实验台设计毕业设计

1 引言11 概述能源是人类赖以生存的基础，随着全球工业的迅猛发展，能源问题越来越为人们所关注。但是在许多能源利用系统中（如太阳能系统、建筑物空调和采暖系统、冷热电联产系统、废热利用系统等）存在着能量供应和需求之间时间性的差异，即存在着供能和耗能之间的不协调性，从而造成了能量利用的不合理性和大量浪费。有效解决这些问题的技术途径之一就是采用储能系统，它是缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配的有效方式，是合理利用能源及减轻环境污染的有效途径，是广义热能系统优化运行的重要手段，而且使相应系统可按平均负荷设计，节约系统的初投资，对电网负荷峰、谷时间段电价分计的地区，它还可降低系统的运行费用。热能储存的方式主要有显热储热、潜热储热和化学反应储热等三种。显热储热主要是利用蓄热材料的温度变化来储存热能，其蓄热密度小，温度波动较大。但这种蓄热材料本身可以从自然界直接获得，如水，岩石活卵石材料等，化学稳定性好，价廉易得。在传热方面，可以采用直接接触式换热，或者传热流体本身就是蓄热介质，因而蓄、放热过程中强化传热技术相对比较简单，成本低。潜热储热也称相变蓄热，是利用相变材料（PCM）的相转变潜热进行热能储存，具有蓄热密度高、温度波动小（储、放热过程近似等温）、过程易控制等特点1-3。发生的相变过程有四种，常被利用的相变过程有固-液、固-固相变两种类型，而固-气和液-气相变虽然可以储存较多热量，但因气体占有的体积大，使体系增大，设备复杂，所以一般不用于储热。固-液相变是通过相变材料的熔化过程进行热量储存，通过相变材料的凝固过程来放出热量。而固-固相变则是通过相变材料在发生相变时固体分子晶体结构有序-无序的转变而可逆地进行储、放热。化学反应储热是利用可逆化学反应通过热能与化学热的转换储热的，它在受热和受冷时可发生可逆反应，分别对外吸热或放热，这样就可把热能储存起来。其主要优点是蓄热量大，而且如果反应过程能用催化剂或反应物控制，可长期蓄存热量。综合比较三种热能储存方式，相变蓄热以其储热密度大、蓄热器结构紧凑、体积小、热效率高、吸放热温度恒定、易与运行系统匹配、易于控制等突出的优点，日趋成为储热系统的首选系统，在许多节能和新能源利用领域具有诱人的应用前景，因而对相变蓄热材料、相变蓄热器的研究得到了国内外学者的广泛关注。1.2 文献综述1.2.1 相变蓄热材料的研究相变材料就是一种能把过程余热、废热或太阳能吸收并储存起来，在需要的时候再把它释放出来的物质。它的种类很多，从材料的化学组成来看，可分为无机及有机材料（包括高分子类）两类；从储热方式来看，可分为显热、潜热及反应储热三种；从储热的温度来看，可分为高温及低温等类型。图1.1蓄热材料分类示意图1理想的蓄热材料应符合以下条件：（1）热力学条件 合适的相变温度，因为相变温度正是所需要控制的特定温度，对显热储存材料要求材料的热容大，对潜热储存材料要求相变潜热大，对反应热要求反应的热效应大；材料的热导率高，要求材料无论是液态还是固态，都有较高的热导率，以使热量可以方便的存入和取出；性能稳定，可以反复使用熔析和副反应；在冷、热状态下或固、液状态下，材料的密度大，从而体积能量密度大，相变时体积变化小，蒸气压低，使之不易挥发损失。（2）化学条件 腐蚀性小、与容器相容性好、无毒、不易燃、无偏析倾向、熔化或凝固时不分层；对潜热型材料，要求凝固时无过冷现象，熔化时温度变化小；稳定性好。在多组分时，各组分之间的结合要牢固，不能发生离析、分解及其它变化，使用安全，不易燃、易爆或氧化变质。符合绿色化学要求，无毒、无腐蚀、无污染。（3）经济条件 成本低廉，制备方便，便宜易得。在实际研制过程中，要找到满足所有这些条件的相变材料非常困难。因此，人们往往考虑有合适的相变温度和有较大的相变潜热的储热材料，而后再考虑其它因素的影响。国外对蓄热材料的研究工作早在20世纪70年代就已开始。最早是以节能为目的，从太阳能和风能的利用及废热回收，经过不断地发展，逐渐扩展到化工、交通、能源、电子等领域。其中在蓄热材料的理论研究工作方面，重点对蓄热材料的组成、蓄热容量随热循环变化情况、相变寿命、储存设备等进行了详细的理论研究4，讨论了六水氯化钠的相变热稳定性；文献5中详尽讨论了含水钠盐的热稳定性。文献6中介绍了选择相变材料必须以热力学、动力学、化学、经济性准则为依据，并依靠这些准则分析比较，给出了大量的适合于低、中、高温范围内的相变材料及基本的热物理性能参数。我国是在20世纪80 年代开始着手研究蓄热材料的，而且早期主要研究对象是相变蓄热材料中的无机水合盐类，在众多的无机水合盐相变蓄热材料中，Na2SO410H2O是开发研究最早的一种。国内主要的研究工作有：1983年华中师范大学院德水等人对典型的无机水和盐Na2SO410H2O和NaCH3COO3H2O的成核作用进行了系统研究；1985年胡起柱等人用DSC测定了新制备的Na2SO410H2O-NaCl均匀固态物质的初始熔化热及上述样品在150.1长时间保温后的熔化热；1990年哈尔滨船舶工程学院周云峰等人研制的蓄热材料是由结晶碳酸钠、结晶硫酸钠、尿素、硫酸钾、水和结晶剂组成，它具有良好的蓄热性能，原料成本低、无毒、无腐蚀性，生产时对环境不造成任何污染何产品可以数年循环使用，适用于各种温室冬季采暖，节约能源；同年，杭州大学孙鑫泉等人对Na2SO410H2O体系的潜热蓄热及其熔冻行为，并对熔化热的测定技术及计算公式进行了研究。20世纪90年代中期，我国的研究重点才转向有机蓄热材料及固-固相变蓄热材料，但研究的种类和方法还比较少。1.2.1 相变蓄热设备的研究相变蓄能换热设备与普通换热设备和显热储能设备相比，其突出的特点是换热设备中布置流体管道的同时需布置相变材料，并且根据相变传热的特征，相变材料与流体传热的过程中因相变材料不断发生相变而使相变材料侧的传热热阻逐渐增大，当相变材料层完全发生相变后会使系统的有效传热面积逐渐减小，从而导致流体侧的温度随之发生变化。因此采用有效的强化传热技术与设计高效的蓄热换热设备是提高潜热蓄热效率的关键。相变潜热蓄热装置的研究是蓄热技术研究中的重要部分。因为绝大多数的相变材料其导热性能差，所以相变蓄热器有一个传热强化的问题需要解决，以保证小温差快速充热、放热。实际应用中通常采用的方法是加金属肋片及采取扩大接触面积。如果把相变材料先分装在小容器内（盘、球、柱、板等），再以一定的方式排列于蓄热器中，形成了胶囊、圆盘、球、圆柱、周向或纵向翅片管式相变潜热蓄热器7。日本在蓄热装置研究方面取得了较大的成就。对金属氢化物蓄热器、潜热胶囊的蓄热方法、蓄热槽、蓄热材料容器的封口方法等方面研究深入。文献8中详细地介绍了以U型弯头连接的水平管作为蓄热器换热面时相变材料的熔化特性。并获得了相变材料在熔化过程中热阻的变化特性及自然对流强弱。文献9采用管外径向方形翅片来提高蓄热器的传热能力，并实验研究了这种结构的传热特性。文献10对翅片管的结构参数对传热性能影响及管外自然对流效应的效果作了详尽的理论分析求解。得出了结构尺寸、物性参数对蓄热过程的影响，总结指出了优化结构设计的范围。文献11从理论上分析了圆管外相变材料在熔化过程中的温度分布及充热时间的关系式，并探讨了相变材料和流体热物理性能、热交换器的大小、流体在层流或紊流区内热转换性能等。文献12中提出在给定热源情况下，有多少热量可传输到相变材料中。并通过分析充热过程的熵变法，最后结论指出：当相变材料的温度等于环境温度与进口温度积的1/2次幂时，熔化过程传热量最多。分析并得到了熔化过程由纯导热控制仅仅存在于早期一段时间内，且这段时间之外，主要是自然对流驱动熔化过程。文献13对板式、同心套管等相变贮能换热器内传热性能进行了计算分析。随着蓄热材料研究的深入，相变蓄热系统的实际应用领域也逐渐扩大。其应用领域包括：（1）动力系统：小功率电站、太阳能发电、低温热机、热电联产系统、核电站；（2）废热回收：适合于各种工业或公用设施中回收废热；（3）储存太阳能：太阳能供暖、供热水；（4）制冷空调系统：蓄冷、蓄热；（5）建筑材料：空调式建材、防冻式地面、节能式建筑材料；（6）民用设施：保暖服装、高效保温瓶（杯）、暖手器、热水器等；（7）交通设施：用于冬季汽车内采暖、启动和废热利用等；（8）采暖系统：蓄热锅炉等；（9）电子设备：电子元件的热保护与低温环境下的运行。但总的来说，在相变蓄热设备的研究及应用方面，目前进行的工作还较少，国内也只是对应用于太阳暖房、农用日光温室等领域进行了应用研究。因此，在这方面尚有许多工作有待开展。1.3 本课题的来源和主要研究内容本设计是省教育厅课题“新型高效相变蓄热器蓄放热特性”和市科技局课题“太阳能热供暖系统的研制及智能控制系统开发”的一部份。主要是为满足本校热能与动力工程专业实验室建设需要，设计出与太阳能热泵相匹配的相变蓄热器，使其在满足蓄热量要求的前提下，蓄热装置达到较高的蓄放热效率、合适的蓄放热速率；使蓄热装置与空调系统有机配合、高效节能运行。对填充的相变材料进行实验分析，测定相变材料在蓄放热过程中的温度，观察相变材料对热媒体的响应，画出相变材料在蓄放热过程中温度随时间的变化曲线，验证相变材料的相变阶段的位置，得到相变材料的蓄放热时间，找到相变蓄热装置的几何特性、热媒水的流动特性以及相变材料的物化特性对相变蓄热装置放热效率的影响规律。将实验结果和数值计算的结果进行比较，为相变蓄热装置的特性分析以及优化设计提供实验依据。本文将上述内容分述在以下章节：第二章介绍了实验室太阳能热泵系统，并对整个系统进行热量衡算，对系统各单元的基本参数进行确定。绘制了实验台系统流程图。第三章对各种形式的蓄热器进行比较，分析它们的优缺点，设计了符合实验室需求的相变蓄热器，并绘制了其结构图，进行了水压实验设计。第四章针对蓄放热实验要求，设计搭建了蓄放热实验平台，并对实验装置设备进行了详细的介绍。第五章设计了实验方案，绘制了实验原理图，介绍了相变材料的物性，并分析预测了相变材料的蓄放热曲线。对实验中出现的误差因素进行了分析。2 实验室太阳能热泵系统2.1 太阳能热泵系统介绍热泵实际上就是制冷机，所不同的只是工作温度的范围不同，它从周围环境吸取热量传递给高温物体，实现供热目的。其特点是：只需供给少量高位能就可以高效的从周围环境提取低位能。太阳能是一种无污染、无穷无尽的自然能源，但太阳能能流密度低，受气候、季节影响较大，单一的太阳能装置对许多连续用能的用户来说是不能满足要求的。将热泵与太阳能设备、蓄热机构相连接，不仅能够有效的克服太阳能本身所具有的稀薄性和间歇性，而且达到节约高位能减少环境污染的目的。太阳能热泵系统具有以下特点：（1）集热成本低 同传统的太阳能直接供热系统相比，太阳能热泵的最大优点是采用结构简易的低温集热器，降低了集热成本。（2）系统结构紧凑 太阳能热泵基于热泵供热的节能性和集热器的高效性，在相同热负荷条件下太阳能热泵所需集热器面积和蓄热器容积都比常规系统小的多，使系统结构更紧凑，布置更灵活。（3）能耗比高 太阳能热泵蒸发温度更高，具有更高的供热性能系数，可达4以上。（4）应用范围广 太阳能热泵的应用范围十分广泛，且不受水源和地质条件的限制，对自然环境几乎不造成影响。（5）适用于多个系统 非直膨式系统具有形式多样、布置灵活应用范围广等优点，适合集中供热、空调和供热水系统，易于与建筑一体化。考虑到太阳能热泵系统节能的优点，为满足热能与动力工程专业实验教学要求我们建设了实验室太阳能热泵系统。并且我们对系统作了调整增加了冷却水塔，设置了备用风机盘管使其可以实现供热制冷的双重目的。实验室太阳能热泵原理图如下：图2.1太阳能热泵原理图系统主要设备有：太阳能集热器、恒温水箱（下部有电加热器）、蓄热器、数据采集仪、数值分析用的计算机、热泵、风机盘管、冷却塔、泵、阀门和一些自动控制装置等。当系统用于供热时可根据太阳辐射强度和房间热负荷的变化情况进行多种运行工况的调节。工况一：太阳能热泵的常规运行即白天蓄热供热运行。集热器通过吸收太阳能加热流过其中的热媒体，热媒体经过管路流经恒温水箱、蓄热器、蒸发器返回集热器。此过程蓄热器储存热量。工况二：夜间运行即夜间或阴雨天取热供热运行。热媒体流经蓄热器吸收热量经过蒸发器完成热泵循环，此时蓄热器释放热量。工况三：及太阳能直接运行。热媒体由集热器吸收太阳能加热后流经恒温水箱直接通过风机盘管。2.3 系统可完成的相关实验本实验室太阳能热泵系统包含热泵系统、制冷系统、空气处理系统、冷却水循环系统、太阳能蓄热系统、热交换系统、自动控制系统等。包括与热能与动力工程专业相关的大部分设备如压缩机、蒸发器、冷凝器、风机盘管等，可以说是一个多功能实验平台。它不仅能够实现供热并且可以模拟制冷系统及其主要设备的各种工况，因此可以测试到制冷系统及其主要设备的各种工作参数和性能。通用性，多功能化是本系统的最大特点。实验过程中通过对设备及管路布置的观察，使学生能够获得充分得感性认识，便于对实验流程和原理的掌握。本系统可完成的实验有：（1）热泵系统：热泵机组的运行、性能、热平衡试验。（2）制冷系统：冷水机组性能测定，制冷机组热平衡、性能试验。（3）空气调节处理系统：风机盘管性能试验、表面式空气换热器热工性能测定。（4）太阳能蓄热系统：相变材料热物性参数的测试、蓄热器蓄放热性能实验研究、相变传热过程强化技术实验、集热器效率实验等。（5）热交换系统：换热器换热性能实验、有相变传热与无相变传热的比较等。本实验台系统不仅可满足热能与动力工程专业实验要求，还可为老师、研究生对低品位能源研究开发、传热反问题研究、建筑安全研究、选择性表面材料及结构研究等科研项目提供很大的帮助。2.4 主要设备能量衡算2.4.1 热泵循环的热力计算已知：热泵供热量：30kW；蒸发温度：5；冷凝温度：40；热泵中工质为R22；压缩机吸气温度：15；环境温度：-10；室内要保持温度：23；图2.2压力-比焓图上的制热循环假设系统处于稳定状态表2.1确定循环各点的状态参数表状态点01234P(Mpa)0.5840.5841.5341.5341.534t()51060.664035h(kJ/kg)406.92410.86435.46249.6243.101s(kJ/kgK)1.743-1.7581.7581.168(m /kg)0.0410.017（1）单位质量制冷量（简称单位制冷量）表示1kg制冷剂完成循环时从低温热源所吸收的热量。取蒸发器为隔离体，它等于制冷剂在蒸发器出口处与入口处的比焓之差kJ/kg （2.1）（2）单位容积制冷量 表示以压缩机吸入状态计，单位体积（1m3）制冷剂完成一个循环时，从低温热源吸收的热量，即kJ/m3 （2.2）（3）单位冷凝热负荷表示1kg制冷剂完成循环时向高温热汇所排放的热量。它等于制冷剂在冷凝器出口处和入口处的比焓之差，即kJ/kg （2.3）（4）工质单位容积制热量为：kJ/m3 （2.4）（5）单位质量工质被压缩机压缩时消耗的功量为： kJ/kg （2.5）（6）工质质量流量为：kg/s （2.6）（7）压力比 循环中压缩机的排气压力和吸气压力之比，即 （2.7）2.4.2 各设备热平衡计算（1）集热器 （2.8）式中 集热有用效益，kW； 集热器面积，m2； 倾斜表面单位面积上的太阳辐射强度，kW/m2； 盖板对太阳能的透过率与吸收率的乘积； 集热器的热损耗系数，kW/m2K； 集热器吸收板平均温度，K； 室外空气温度，K；热效率 （2.9）式中 集热器换热流体的比热容，kW/K； 、集热器换热流体进、出口温度，K；已知：=100m2，=313K，=283K，=353K，=263K，=0.27kW/K由文献14得=0.3kW/m2，=0.920.94=0.8648，=0.001kW/m2K因此有：=500.30.8648-0.001(313-263)=20.94kW （2）蒸发器 （2.10）式中 热泵工质的质量流量，kg/s； 、蒸发器进、出口工质的比焓，kJ/kg； 蒸发器中冷冻水的质量流量，kg/s；，蒸发器中冷冻水的进、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：kWkg/s（3）压缩机输入理论功 （2.11）式中 热泵工质的质量流量，kg/s；、压缩机进、出口工质的比焓，kJ/kg；输入有效功 (2.12)式中可取=0.85(机械效率)，=0.80（内效率），=0.96（电机效率）由=0.156kg/s，=410.86kJ/kg，=435.46kJ/kg所以有：kW =kW（4）冷凝器 （2.13）式中 热泵工质的质量流量，kg/s； 、冷凝器进、出口工质的比焓，kJ/kg；冷凝器中冷却水的质量流量，kg/s；、冷凝器中冷却水进、出口比焓，kJ/kg；由=0.16kg/s，=435.46kJ/kg，=249.6kJ/kg，=134.06kJ/kg，=154.9kJ/kg所以有： kg/s（5）蓄热器 蓄热器中温度视为线形分布 (2.14)式中 集热器热损耗面积，m2； 集热器热损耗系数，kW/m2K； 蓄热介质的平均温度，K；蓄热介质的比热容，kW/K；、蓄热器中换热流体进、出口温度，K；温度对时间的变化率，用欧拉数值积分法以(T-T)/t表示，获得时间间隔对应得后，可预示蓄热器中一天的温度的变化。蓄热器的效率： (2-15)（6）太阳能热泵系统系统供热性能系数： （2.16）系统供热效率： （2.17）3 蓄热器的设计选型3.1 蓄热装置的简介通常PCM并不参与和外界的质交换，蓄热与放热过程主要由蓄热器来完成，在传热中又主要依靠导热。但大部分PCM在固相与液相时的导热系数很小（1.0W/mK），因此为了获得足够的充放热功率，设计一种高效、紧凑的蓄热装置一直是潜热蓄热器设计和制造的一个难题。另外，多数PCM都具有腐蚀性，相变时又要膨胀和收缩，这就使蓄热装置的成本大大提高。目前研究和应用的蓄热装置结构分类有很多种：（1）整体式蓄热器与小体积封装式蓄热器：整体式蓄热器使用的历史较长，这种蓄热器“浸”于相变材料中，为了强化传热，往往加上肋、翅等扩展表面来增加换热面积。采用整体式蓄热器要解决的问题是PCM在相变时体积变化引起的热应力，有些设计不良的结构，蓄热器经过一二个循环就发生严重的变形现象。小体积封装式蓄热器是以后发展起来的，现在大有取代整体式蓄热器的趋势。其基本结构是用小型容器（球、柱、片状）把PCM封装起来成为蓄热元件，然后按一定方式排列于蓄热器中。它的优点是可以获得较大的换热表面，也能解决PCM充放热时体积应力的难题，它的缺点是制造工艺复杂，成本很高。（2）相变储能蓄热器结构又可分为螺旋形、平板形、管族形、球形堆积床式、同心套管式、双单盘管式蓄热器。结构多样化的目的是通过增加换热面积，强化蓄热装置传热性能，改善PCM导热系数均小的缺点。改善蓄热装置传热性能还有其他方法，一些研究者对其热能进行了模拟和实验研究，S.O.Enibe从PCM材料的封装形式上（集总、密、微封装）对微封装PCM材料的蓄热器进行了热分析，传热性能获得了满意的结果；M.LACROIX对加热方式和合理布置内热源进行实验研究，改进了PCM传热性能。下面简要的介绍了几种常见的蓄热器：（a）双效相变蓄热器该蓄热器是一种涉及相变蓄热领域的双效相变蓄热式热管换热器，由三部分组成，上部是取热流体通道，两端分别连接有流体进口管和流体出口管；下部是供热流体通道，两端分别连接有流体进口管和流体出口管；并在取热流体通道与供热流体通道内加装了扰流板及变截面板；中部是蓄热室，蓄热室上、下端分别连接有充装蓄热介质的入口管和释放蓄热介质的出口管；换热器的上、中、下部分之间分别用上挡板和下挡板隔开；装有工作介质的热管自上而下贯穿三个部分与其组成一个整体。蓄热室部分装有吸收介质膨胀压力的波纹板装置，装置上设有压力调节控制元件。该换热器具备蓄热、释热功能，并可实现同时取、放热功能。图3.1双效相变蓄热器结构图1、取热流体通道 2、蓄热室 3、冷流体通道 4、取热流体进口管 5、取热流体出口管 6、相变材料进口管 7、相变材料出口管 8、供热流体进口管 9、供热流体出口管 10、热管 11、肋片 12、变截面板 13、波纹板装置 14、扰流板 15、上挡板 16、下挡板 17、压力控制元件 18、连接板（b）圆柱形螺旋盘管蓄热器如图3.2所示，蓄热器主要由保温筒、相变材料和三层螺旋盘管组成。保温筒由 1mm 厚的镀锌板煨制而成，在每个加热筒外均匀绕上0.8mm的电加热丝（外套玻纤管电绝缘）作为附加热源，供太阳能热量不足时使用。保温筒的直径分别为1084mm和1144mm。每个加热筒上的加热功率(即电加热丝的电阻值)按每个加热筒上加热的热流密度相等进行计算，三个加热筒的电加热丝串联连接。三层螺旋盘管亦串联连接。蓄热器外绝热层采用32mm的聚氨脂发泡制成的泡沫塑料作绝热材料。在蓄热器内胆高度方向的中心位置沿内胆的直径方向安装有三根铜-康铜热电偶用于测量蓄热器内温度，分别距内胆轴心距离为20mm、56mm和92mm。图中螺旋盘管尺寸和结构图。螺旋盘管由322.5mm的低压聚乙烯管绕制而成。图3.2相变螺旋盘管蓄热器结构图1、六角头螺栓2、蓄热器上盖3、十字槽自攻螺钉4、蓄热器下法兰盘5、蓄热器外壳6、隔热层7、内胆8、耐热橡胶密封垫9、聚乙烯塑料管（c）方形聚乙烯盘管蓄热器图3.3方形聚乙烯盘管蓄热器1、换热器出水管 2、换热盘管 3、通气管 4、箱体 5、外壳 6、换热器进水管 8、泄水管 9、水箱支座 10、保温材料 11、溢水管3.2 蓄热器选材和初步结构设计3.2.1 设计所考虑的主要因素和所需的有关数据蓄热器的大小与为提供所要的热量所需储能材料的数量和类型以及为满足性能要求所选择的隔热情况有关。设计所要考虑的主要因素有蓄热器工作的温度范围、相变材料凝固熔解温度、PCM的潜热以及储能装置的热负荷。由于相变材料的传热能力较差，所以需要通过优化蓄能装置的结构来改善其蓄能和释能能力。如果完全依靠实验研究，需要花费大量时间、人力和财力，因而希望通过建立数学模型，运用数值计算来研究蓄能结构的能量存储和释放规律，获得PCM中的传热和相变过程定量分析的数据。（1）热物性对储热和放热过程的影响程度（2）蓄热装置所需相变材料的数量（3）相变过程所需的时间（4）液相PCM中传导和对流相对重要性，进而对蓄热器的经济性和可行性形成正确的认识本课题设计的蓄热器要与实验室太阳能热泵系统相匹配。综合考虑实用性和经济性确定石蜡为相变料。石蜡由直烷烃混合而成，分子式为CnH2n+2。随链的增加，融点和融解热增加。常用PCM（n=12-36）的融点为-12到75.9。融解热为150kJ/kg到250kJ/kg。优点是融解热大、一般不过冷、不析出、性能稳定、无腐蚀性且在有机PCM中价格最低，缺点是导热系数和密度小。参考下表，考虑到太阳能集热器热媒体所达到的最高温度，选择C27H56 n-Heptacosane作为实验用相变材料表3.1部分石蜡物性英文名称碳原子数分子量融点融解热kJ/kgn-Docosane2231044251n-Tricosane2332447.5234.4n-Tetracosane2433850.6249n-Pentacosane2535253.5n-Hexacosane2636656.3255.3n-Heptacosane2738058.8234.8n-Octacosane2839461.2255.3n-Nonacosane2940864.4238.6n-Triacosane3042265.4251.2n-Hentriacosane3143668242n-Dotricosane3245069.5170.3n-Tritriacosane3346472 为满足实验室长期使用的要求，本设计采用不锈钢作为蓄热器外壳材料，保温材料用的是氧化铝棉和陶瓷纤维纸。3.2.2 蓄热器初步结构设计综合考虑各因素本课题拟采用的是小体积封装式蓄热器。相变材料封装在直径为100mm的不锈钢球内，共有200个不锈钢球，每个球体重量为0.9 kg。蓄热器为方便实验设计成可拆卸式，由筒体、法兰、封头、支腿几部分组成。圆柱形容器是最常见的一种压力容器形式，具有结构简单、易于制造、便于在内部装设附件等优点，因此筒体采用采用单层式圆筒。筒体以不锈钢0Cr13作为原料，内径为600mm，长1172mm。蓄热器上部椭圆封头与筒体通过法兰连接，下部封头与筒体直接焊接在一起。法兰采用甲型平焊法兰，平密封面。整个蓄热器高度初步估算小于2m,属于钢制立式容器并且不与产生脉动载荷的机械设备刚性连接，因此采用B型腿式支座。为满足不同的实验要求应使蓄热球体在蓄热器有不同的排布方式。本设计方案蓄热球体可总体分为有序和无序两种形式，其中有序排列又可分为两种形式。下面为有序排列方式的两种示意图： 图3.4a支架一 图3.4b支架二根据筒体高度与直径，可知蓄热器共可排布11层蓄热球体本蓄热器的特点：（1）蓄热器除支腿外均采用不锈钢做原材料，不锈钢耐腐蚀、强度高，因此适合实验室长期使用。（2）采用石蜡作为相变材料，石蜡融解热大、一般不过冷、不析出、性能稳定、无腐蚀性且在有机PCM中价格最低，符合实验室建设经济性要求。（3）蓄热器采用法兰连接，方便拆卸。并且相变材料封装在直径为100mm的不锈钢球体内，可方便从蓄热器中取出以改变蓄热器的空隙率，实现实验不同工况要求。3.2.3 蓄热器主要部件设计（1） 筒体设计：筒体计算厚度 （3.1）式中 筒体公称直径，mm； 筒体最大工作压力，MPa；设计温度下筒体的计算应力，MPa； 焊接系数；已知：=600mm，=0.6MPa，工作温度t=100，筒体采用GB/T42370Cr13不锈钢钢板作原料，查表得=126MPa，筒体由钢板焊接而成取焊接系数=0.85，腐蚀裕量取=1mm，所以有：mm筒体设计厚度 mm （3.2）对于0Cr13，钢板负偏差=0，因而可取名义厚度=4mm。（2）椭圆形封头设计由上面计算知筒体厚度=4mm，据筒体公称直径=600mm，选取标准椭圆形封头DN40040Cr13 JB/ T4737。下面对选取的封头进行强度校核： （3.3）式中 设计温度下封头的计算应力，MPa； 最大工作压力，MPa； 椭圆形封头形状系数； 封头的内径，mm；有效壁厚，mm； 设计温度下材料的许用应力，MPa；图3.5椭圆形封头示意图已知： 封头为DN40040Cr13 JB/ T4737，则=400mm，=4mm，=126MPa，封头内曲面高度=150mm，由，查表得=1，=0.6MPa，t=100，所以有：MPa126MPa所选封头符合强度要求。3.2.4 压力试验 （1）压力试验的目的除材料本身的缺陷外，容器在制造（特别是焊接过程）和使用中会产生各种缺陷。为考虑缺陷对压力容器安全性的影响。压力容器制造完毕后或定期检查时，都要进行压力试验。（2）实验压力及应力校核耐压试验有液压试验和气压试验两种，是容器在使用前的第一次承压，且试验压力要比容器最高工作压力高。容器发生爆破的可能性比使用时大。由于在相同压力和容积下，试验介质的压缩系数越大，容器所储存的能量就越大。爆炸也就越危险，故应选用压缩系数小的流体作为实验介质。只有因结构或支撑等原因不能向容器内充灌水或其他液体，以及运行条件不允许残留液体时，才用气压实验。本设计只需进行液压试验。在液压试验时，为防止材料发生低应力脆性破坏，液体温度不得低于容器壳体材料的韧脆转弯温度。氯离子能破坏奥氏体，不锈钢制压力容器进行水压试验时，还应将水中氯离子含量控制在内。并在试验后立即将水渍清除干净。内压容器试验压力为：MPa （3.4）为使液压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前必须按下式校核实验时圆筒的薄膜应力。MPa （3.5） （3.6）3.2.5 蓄热器容积、及主要部件质量（1）蓄热器的容积V蓄热器的容积由筒体容积V铜和封头容积V封两部分由化工设备设计手册查得DN=600mm的单位长度的筒体容积为V0=0.283m3，设计筒体高h=1160mm所以筒体容积为：V铜=hV0=0.2831.160=0.328m3 （3.7） 由化工设备设计手册查得DN=600mm，直边高h=25mm的椭圆形封头V封=0.0352m3，所以设计的蓄热器容积V： V=V铜+2V封=0.328+20.0352=0.363m3 （3.8） （2）蓄热器的质量M蓄热器的质量主要由三部分组成：筒体质量M1、封头质量M2及支腿质量M3。由化工设备设计手册查得DN=600mm，厚=4mm的单位长度的筒体质量m=60kg，所以筒体质量M1为： M1=hm=1.16060=69.6kg由化工设备设计手册查得DN=600mm，厚=4mm的直边高h=25mm的椭圆形封头质量M2=22kg，支腿质量M3=16.4kg，所以有 M=M1+2M2+3M3=69.6+222+316.4=162.8kg （3.9） 4 蓄热器蓄放热性能实验台设计4.1 实验台的设计蓄热器蓄放热实验台是由第2章所述太阳能热泵系统的部分设备连接组成的。本实验台的设计充分利用了太阳能热泵系统的现有设备，实现了实验台多功能化的要求，节约了实验室建设投资。由太阳能集热器提供高温热源，减少了能源消耗，符合节约型现代化社会的要求。实验台设计的指导方针是结构紧凑、运行合理、经济适用。我们要进行的是蓄热槽的蓄放热特性实验。蓄热器是实验台的重要组成部分，相变材料放置在其中。为了便于改变蓄热器的空隙率，方便蓄热球体的取出，我们把蓄热器设计为可拆卸的结构，封头和筒体由法兰连接。蓄热器的主要功能是给相变材料提供安放场所。相变材料要进行蓄放热实验，就必须给蓄热器提供高温热源和低温热源。当高温热媒体或低温热媒体流经蓄热器时，热媒体就将与相变材料进行对流换热，以实现相变材料的蓄热或放热过程。为了提供高温热源，我们设计配置太阳能集热器，由集热器吸收太阳能加热流过其中的热媒体水得到高温热媒体。在蓄放热过程中，我们要求热媒体进入蓄热器的温的水温度较恒定。因此，我们配置了恒温水箱，水箱底部设有电加热器，并且为水箱配置了自动温度控制装置，这样的话，我们就可以按实验要求设置恒温水箱中热媒体的温度，保证进入蓄热器的水温度较恒定（精度在1）。同时，在相变材料放热过程中，我们需要提供低温热媒体。由此我们设计了风机盘管系统。在蓄热过程中，系统中的水是高温的，当蓄热结束后，我们开启风机盘管，和蓄热器经过热交换的热媒体流经风机盘管向外散出热量，在泵的作用返回太阳能集热器，同时我们放出部分水箱中的高温水，并向恒温水箱中注入低温的自来水，以此来迅速降低系统中的水温，当系统中的水温低于放热过程所需要的温度时，停止自来水的注入，并打开电加热器，将水温加热到相变材料放热要求的热媒体水的温度。由于恒温水箱配置了温度自控装置，所以系统提供的低温热媒体同样可以达到进入蓄热器时温度较恒定的要求。可见系统可以较方便的提供符合实验要求的高温热媒体与低温热媒体。为使热媒体在系统中循环流动，考虑实验要求的热媒体流量和整个系统的阻力，在系统中布置了水泵为系统提供动力。为研究分析相变材料的蓄放热性能及蓄热器的蓄放热效率，我们在相变材料上布置了热电偶，在管路中布置了铂电阻。另外我们在实验台的管路中布置了许多的阀门，以改变热媒体流经途径和流量使系统在多种工况下运行。本课题设计的蓄热器蓄放热实验台可以实现以下几种运行模式：（1）系统预加热：对整个系统的水进行加热把水温升高到实验所要求的相变材料初始温度。（2）高温水准备：关闭蓄热器进、出口阀门，对系统中其他部分的水继续加热，直至达到与蓄热器蓄热所要求的温度。（3）全流量蓄热：打开蓄热器进、出口阀门，使高温热媒体水流经蓄热器并与之换热。（4）变流量蓄热：改变阀门开度以改变进入蓄热器的热媒体水流量。（5）低温水准备：关闭蓄热器进、出口阀门，迅速降低系统中其它部分水的温度，以达到放热过程所需要的水温。（6）全流量放热：打开蓄热器进、出口阀门，使低温媒体水流经蓄热器与相变材料进行换热（7）变流量放热：改变阀门开度以改变进入蓄热器的低温媒体水的流量。4.2 实验台的测试内容及测试手段（1）测试内容：相变材料及热媒体在蓄放热过程中的温度。（2）测试手段：在实验台的管路上及相变材料中，我们设置了多个温度传感器（铂电阻、热电偶）。在实验过程中，将温度传感器、数据采集仪以及计算机三者正确连接起来，热电偶密封在相变材料被测位置处，铂电阻安装在管段上，正确设定数据采集仪的有关参数，温度传感器将信号传入到数据采集仪，我们便可在电脑中即时观测并自动存储实验过程中热媒体、相变材料的温度变化情况。如图4-1所示。图4.1温度测试示意图4.3 实验数据采集仪器（1）数据采集仪HP34970A数据采集仪将精确的测量能力与灵敏的信号传输能力连接结合起来，集数据记录和数据采集为一体。HP Benchlink Data Logger程序是基于Windows的应用程序，通过它可以很方便地将HP34970A数据采集仪与计算机一起使用以收集与分析测量数据，以及对输入的数据执行实时显示和分析，检测的温度通过HP34970A数据记录仪自动的储存在计算机中。数据采集仪后部内置有三个模块插槽，适应于任何数据采集或开关模块的组合，插入式模块通过内部隔离数字总线与浮地逻辑通信。多路转换模块还通过内部模拟总线连接到内部数字万用表。每个模块都有自己的微处理器，为主机处理器卸载，并使背板通信降到最低限度以获得更快的处理。间隔扫描存储有多达50000个带有时间标记的读数；每台仪器有60个通道，单通道上的读取速度为每秒600个读数，扫描速度为每秒250个通道；标准的HP-IB（IEEE-488）和RS-232接口，一次只能启用一个接口，与SCPI（可编程仪器的标准命令）兼容，数据采集仪中的传感器或热敏元件将所测量的物理量转换为内部数字万用表可以测量的电信号。输入信号被多路传送到内部数字万用表的信号调节部分中，包括切换、量程和放大电路。如果输入信号为直流电压，信号调节器就由衰减器和放大器组成，衰减器用于较高的输入电压，放大器则用于较低的输入电压。如果输入信号是交流电压，则转换器用于将交流电信号转换为等量的直流电（真有效值）。通过为未知的电阻提供已知的直流电并测量电阻器两端的直流电压降进行电阻测量。温度传感器的测量一般是最初的电阻或电压测量，通过仪器内部的软件转换程序转变为相应的温度。首先，传感器或热敏元件将所测量的物理量转换为电量，然后可测量电量结果转换为工程单位，测量热电偶时，仪器测量交流电压并通过数字运算将其转换为相应的或K温度。HP34870A所用的转换程序符合1990年国际温标，即ITS-90。温度测量中最大的误差源是传感器本身的误差。各种传感器有特定的温度范围、准确度和费用。温度传感器中的电阻温度检测器有最高的稳定性。电阻温度检测器是用一种随温度发生电阻精确变化的金属（一般是铂）制成的。内部数字万用表测量出电阻温度检测器电阻的变化并计算出相应的温度变化。电阻温度检测器的输出线性度很高，因此它的精确度就很高，是长期测量的最佳选择。（2）热电偶：蓄热装置蓄热材料的温度检测采用 T 型热电偶。热电偶把温度转换为电压。当两种不同的金属的线绕结时，就有电压产生。这个电压是热电偶线中的结温和金属类型的函数。许多不同金属的温度特性都是众所周知的，因此从电压就可以计算出结温。T型热电偶的温度范围为200400，探头精度0.51。热电偶测量的误差源：(a)参考结误差：热电偶一般是把两根导线焊接在一起形成一个结。这种焊接在结处注入了第三种金属。如果与热电偶的两端处于同一个温度，第三种金属的影响是很小的。市场上销售的热电偶是用电容放电技术焊接在一起的。这种技术可防止热电偶导线在结附近过热，并防止焊气和大气扩散进入热电偶导线。一个焊接不好的连接会在热电偶测量中造成误差。热电偶结的开路可通过测量热电偶的阻抗来检测。一般大于5k的阻抗表示热电偶有缺陷。HP34970A包含一个内置的自动热电偶检测功能。仪器在每次热电偶测量后测量通道阻抗，以确保连接良好。(b)扩散误差：在热电偶的扩散是指沿导线改变其合金类型的过程。大气分子确实会扩散到金属中。这些导线中的合金改变在测量中注入了电压的细微改变。导线暴露在高温中或在承受拉伸或振动的物理应力时，会发生扩散现象。扩散引起的温度误差很难检测到，因为热电偶仍对温度变化有反应，并给出接近正确的结果。扩散的影响经常被作为温度测量的漂移被检测。更换存在扩散误差的热电偶可能不能纠正误差。延伸的导线和连接都会因扩散而改变。仔细检查整个测量路径，寻找温度极点和物理应力。如果可能，最大限度的减少沿导线的温度梯度。(c)分流阻抗：热电偶导线和延伸导线的绝缘会被高温或腐蚀性气体破坏。这种破坏表现为在热电偶结处并联了一个电阻。这在导线串联电阻很高且使用小线经的系统中非常明显。(d)屏蔽：屏蔽减少了共模噪声对热电偶测量的影响。共模噪声是由类似电源线和马达的噪声源产生的。噪声通过分布的电容与未屏蔽的热电偶导线耦合。感应的电流流过内部数字万用表到地时，沿热电偶导线的分布电阻即产生出电压误差。为热电偶线添加屏蔽可以将共模噪声注入地，并保护测量。共模噪声会对内部数字万用表影响很大。典型的热电偶输出是几毫伏，而几毫伏的共模噪声可以使内部数字万用表的输入过载。(e)计算误差：是将热电偶的电压转化为温度的过程中注入的固有误差。计算误差与热电偶、导线连接和参考结的误差相比是很小的。（3）铂电阻铂电阻属于热电阻测温元件，是利用导体的电阻值随温度变化的性质做成的。采用高纯度铂丝制成的铂电阻具有测温精度高，性能稳定，抗氧化等优点。但在高温下容易被还原性气体所污染，使铂丝变脆，改变其电阻温度特性，所以需用套管保护方可使用。（4）流量计实验台选用涡轮流量计，精确度0.5级，量程为0.64m3/h，测量中可能产生的仪表误差不超过满量程的0.51，即(4-0.6)0.5%0.017m3/h，(4-0.6)1%0.034m3/h。4.4 实验台的搭建根据上述设计思路，搭建了实验台。实验台包括太阳能集热器、蓄热器、恒温水箱、风机盘管、水泵、压力表、流量计以及管道、阀门，数据采集仪等。实验装置外观图（见图 4.2a、2b、2c、2d、2e）图4.2a太阳能集热器图4.2b装有相变材料的蓄热球体图4.2c恒温水箱图4.2d风机盘管图4.2e数据采集系统5 蓄热器蓄放热特性实验指导5.1 实验用相变材料物性相变材料的热物性主要包括：相变潜热、相变温度、导热系数、比热、膨胀系数等。测定比热、相变潜热和相变温度的方法可分为三类：（1） 一般卡计法；（2） 差热分析法（Differential Thermal Analysis，简称DTA）；（3） 差式扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter，简称DSC）；膨胀系数的测定，在测量精度不高时，通常采用简单的融化-固化体积计量法：将一定重量的相变材料融化，倒入玻璃量筒中（尽量选取直径较细的），记下体积刻度，待其固化后再记其刻度，由此可算出该材料的膨胀系数。相变材料的工作性能主要包括：过冷度、结晶速度、晶体密度、稳定性等。研究相变材料工作的方法有差式扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter，简称DSC），分析法（Thermal Analysis，简称TA法）。本课题实验中相变材料为石蜡，材料的分子式为C27H56，英文名称是n-Heptacosane，属于低温有机相变材料，融解热大、一般不过冷、不析出、性能稳定、无腐蚀性且在有机PCM中价格最低。材料物性如下：相变潜热：156.819J/g，相变温度 58.8，导热系数：0.284W/(mK)。5.2 相变材料预测的蓄放热曲线相变材料传热过程有以下特点：（1）两相之间存在着移动的分界面或分界区域，直至相变过程结束。（2）相变过程中有相变潜热的释放或吸收。图5.1相变过程形态按照相变材料的特性，蓄热曲线存在两种：相变材料在单点发生相变，见曲线5-2a； 相变材料在一个温度区间发生相变，见曲线5-2b。这两种蓄热曲线都分为四个阶段：一、显热阶段；二、潜热阶段；三、显热阶段；四、稳定阶段。图5.2a蓄热曲线 图5.2b蓄热曲线按照相变材料的特性，放热曲线的种类则复杂一些：相变材料在单点发生相变且不存在过冷度现象，见曲线5-3a；放热曲线5-3b没出现相变平台，这可能存在两种原因：一是相变材料的热迁移速度大于潜热释放速率，或者是前者太大，或者是后者太小，但一般情况下，相变材料的导温系数不很大，因此出现这种融化曲线，可能是由相变潜热太小造成的；二是相变材料是在一个温度区间发生相变。放热曲线同样也分为四个阶段：一、显热阶段；二、潜热阶段；三、显热阶段；四、稳定阶段。 图5.3a放热曲线 图5.3b放热曲线5.3 蓄热器蓄放热性能实验5.3.1 实验目的（1）采集相变材料和流体在蓄放热过程中的温度值，以观测相变材料与流体在蓄放热过程中温度与时间的关系曲线，以此来观察相变材料的相变特性，判断相变材料的相变温度区间，判断相变材料的稳定性；（2）通过观测相变材料和流体的温度与时间的变化关系，得到相变材料的蓄放热时间曲线，以此分析热媒体流量及温度与相变材料蓄放热时间的关系，计算蓄热器的蓄放热效率。5.3.2 实验原理相变材料的利用主要体现在潜热的释放与吸收方面，所以相变过程中材料本身的传热性能是相变材料是否适用与否的关键。通过对相变材料的实验分析对相变材料的有效利用、系统的优化及性能的预测具有重要意义。物质由固态转为液态，由液态转为气态，或由固态直接转化为气态（升华）时，将吸收相变热，进行逆过程时，则将释放相变热。这就是潜热式蓄热的基本原理。蓄热器利用了相变材料高温相变的特性，当相变材料达到熔点时，出现吸收物质熔化潜能的相变化，蓄热器蓄热；蓄热器通过相变材料的倒相，使相变材料释放熔化潜热达到放热目的。这样可以使系统在必要的恒温下能够获取热能。图5.3蓄热实验原理图 1、太阳能集热器 2、蝶形阀门4、恒温水箱（底部有电加热器）6、离心式水泵7、涡轮流量计8、数据采集仪9、供数据分析用的计算机10、蓄热器11、温度计、15、风机盘管16、温度控制装置注：图中3、5、13、14与2相同，6和12相同。蓄热工况：热媒体经太阳能集热器加热后到恒温水箱达到蓄热工况所需温度后经过蓄热器和相变材料换热后由泵打回集热器。基本流程为1-2-4-6-7-10-12-13-1；放热工况：恒温水箱中的水达到放热工况的温度时流经蓄热器完成换热再经过风机盘管向外散热返回集热器。基本流程为4-6-7-10-12-15-1-4。5.3.3 实验中的主要设备及其作用实验中所用的主要设备有：太阳能集热器、恒温水箱、蓄热器、数据采集仪、风机盘管等，另外还有阀门、水泵、温度计、热电偶等附属设备。太阳能集热器：实验系统的高温热源，为实验提供高温热媒体；恒温水箱：稳