相變蓄熱器及其實驗臺設計

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1、 相變蓄熱器及其實驗設計 1 引言 1．1 概述 能源是人類賴以生存的基礎，隨著全球工業(yè)的迅猛發(fā)展，能源問題越來越為人們所關注。但是在許多能源利用系統(tǒng)中（如太陽能系統(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）存在著能量供應和需求之間時間性的差異，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。有效解決這些問題的技術途徑之一就是采用儲能系統(tǒng)，它是緩解能量供求雙方在時間、強度及地點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)化運行的重要手段，而且使相應系統(tǒng)可按平均負荷設計，節(jié)約系統(tǒng)的初投資，對電網(wǎng)負荷峰、谷時間段電

2、價分計的地區(qū)，它還可降低系統(tǒng)的運行費用。 熱能儲存的方式主要有顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學反應儲熱等三種。顯熱儲熱主要是利用蓄熱材料的溫度變化來儲存熱能，其蓄熱密度小，溫度波動較大。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，化學穩(wěn)定性好，價廉易得。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、放熱過程中強化傳熱技術相對比較簡單，成本低。 潛熱儲熱也稱相變蓄熱，是利用相變材料（PCM）的相轉變潛熱進行熱能儲存，具有蓄熱密度高、溫度波動小（儲、放熱過程近似等溫）、過程易控制等特點[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-氣相變雖然可以儲存較多熱量，但因氣體占有的體積大，使體系增大，設備復雜，所以一般不用于儲熱。固-液相變是通過相變材料的熔化過程進行熱量儲存，通過相變材料的凝固過程來放出熱量。而固-固相變則是通過相變材料在發(fā)生相變時固體分子晶體結構有序-無序的轉變而可逆地進行儲、放熱。 化學反應儲熱是利用可逆化學反應通過熱能與化學熱的轉換儲熱的，它在受熱和受冷時可發(fā)生可逆反應，分別對外吸熱或放熱，這樣就可把熱能儲存起來。其主要優(yōu)點是蓄熱量大，而且如果反應過程能用催化劑或反應物控制，可長期蓄存熱量。 綜合比較三種熱能儲存方式，相變蓄熱以其儲熱密度大、蓄熱器結構緊湊、體積小、熱效率高、

4、吸放熱溫度恒定、易與運行系統(tǒng)匹配、易于控制等突出的優(yōu)點，日趨成為儲熱系統(tǒng)的首選系統(tǒng)，在許多節(jié)能和新能源利用領域具有誘人的應用前景，因而對相變蓄熱材料、相變蓄熱器的研究得到了國內(nèi)外學者的廣泛關注。 1.2 文獻綜述 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、廢熱或太陽能吸收并儲存起來，在需要的時候再把它釋放出來的物質(zhì)。它的種類很多，從材料的化學組成來看，可分為無機及有機材料（包括高分子類）兩類；從儲熱方式來看，可分為顯熱、潛熱及反應儲熱三種；從儲熱的溫度來看，可分為高溫及低溫等類型。 圖1.1蓄熱材料分類示意圖[1] 理想的蓄熱材料應符合以下條件： （1）熱力

5、學條件 合適的相變溫度，因為相變溫度正是所需要控制的特定溫度，對顯熱儲存材料要求材料的熱容大，對潛熱儲存材料要求相變潛熱大，對反應熱要求反應的熱效應大；材料的熱導率高，要求材料無論是液態(tài)還是固態(tài)，都有較高的熱導率，以使熱量可以方便的存入和取出；性能穩(wěn)定，可以反復使用熔析和副反應；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，相變時體積變化小，蒸氣壓低，使之不易揮發(fā)損失。 （2）化學條件 腐蝕性小、與容器相容性好、無毒、不易燃、無偏析傾向、熔化或凝固時不分層；對潛熱型材料，要求凝固時無過冷現(xiàn)象，熔化時溫度變化??；穩(wěn)定性好。在多組分時，各組分之間的結合要牢固，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)。符合綠色化學要求，無毒、無腐蝕、無污染。 （3）經(jīng)濟條件 成本低廉，制備方便，便宜易得。 在實際研制過程中，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熱材料，而后再考慮其它因素的影響。 國外對蓄熱材料的研究工作早在20世紀70年代就已開始。最早是以節(jié)能為目的，從太陽能和風能的利用及廢熱回收，經(jīng)過不斷地發(fā)展，逐漸擴展到化工、交通、能源、電子等領域。其中在蓄熱材料的理論研究工作方面，重點對蓄熱材料的組成、蓄熱容量隨熱循環(huán)變化情況、相變壽命、儲存設備等進行了詳細的理論研究[4]，討論了六水氯化

7、鈉的相變熱穩(wěn)定性；文獻[5]中詳盡討論了含水鈉鹽的熱穩(wěn)定性。文獻[6]中介紹了選擇相變材料必須以熱力學、動力學、化學、經(jīng)濟性準則為依據(jù)，并依靠這些準則分析比較，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)。 我國是在20世紀80 年代開始著手研究蓄熱材料的，而且早期主要研究對象是相變蓄熱材料中的無機水合鹽類，在眾多的無機水合鹽相變蓄熱材料中，Na2SO4·10H2O是開發(fā)研究最早的一種。國內(nèi)主要的研究工作有：1983年華中師范大學院德水等人對典型的無機水和鹽Na2SO4·10H2O和NaCH3COO·3H2O的成核作用進行了系統(tǒng)研究；1985年胡起柱等人用DSC測定了

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℃長時間保溫后的熔化熱；1990年哈爾濱船舶工程學院周云峰等人研制的蓄熱材料是由結晶碳酸鈉、結晶硫酸鈉、尿素、硫酸鉀、水和結晶劑組成，它具有良好的蓄熱性能，原料成本低、無毒、無腐蝕性，生產(chǎn)時對環(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，杭州大學孫鑫泉等人對Na2SO4·10H2O體系的潛熱蓄熱及其熔凍行為，并對熔化熱的測定技術及計算公式進行了研究。20世紀90年代中期，我國的研究重點才轉向有機蓄熱材料及固-固相變蓄熱材料，但研究的種類和方法還比較少。 1.2.1

9、相變蓄熱設備的研究 相變蓄能換熱設備與普通換熱設備和顯熱儲能設備相比，其突出的特點是換熱設備中布置流體管道的同時需布置相變材料，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的傳熱熱阻逐漸增大，當相變材料層完全發(fā)生相變后會使系統(tǒng)的有效傳熱面積逐漸減小，從而導致流體側的溫度隨之發(fā)生變化。因此采用有效的強化傳熱技術與設計高效的蓄熱換熱設備是提高潛熱蓄熱效率的關鍵。 相變潛熱蓄熱裝置的研究是蓄熱技術研究中的重要部分。因為絕大多數(shù)的相變材料其導熱性能差，所以相變蓄熱器有一個傳熱強化的問題需要解決，以保證小溫差快速充熱、放熱。實際應用中通常采用的方法是加金屬肋

10、片及采取擴大接觸面積。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[8]中詳細地介紹了以U型彎頭連接的水平管作為蓄熱器換熱面時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流強弱。文獻[9]采用管外徑向方形翅片來提高蓄熱器的傳熱能力，并實驗研究了這種結構的傳熱特性。文獻[10]對翅片管的結構參數(shù)對傳熱性能影響及管外自然對流效應的效果作了詳

11、盡的理論分析求解。得出了結構尺寸、物性參數(shù)對蓄熱過程的影響，總結指出了優(yōu)化結構設計的范圍。文獻[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間的關系式，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)熱轉換性能等。文獻[12]中提出在給定熱源情況下，有多少熱量可傳輸?shù)较嘧儾牧现小２⑼ㄟ^分析充熱過程的熵變法，最后結論指出：當相變材料的溫度等于環(huán)境溫度與進口溫度積的1/2次冪時，熔化過程傳熱量最多。分析并得到了熔化過程由純導熱控制僅僅存在于早期一段時間內(nèi)，且這段時間之外，主要是自然對流驅動熔化過程。文獻[13]對板式、同心套管等相變貯能換熱器內(nèi)傳熱性能進行

12、了計算分析。 隨著蓄熱材料研究的深入，相變蓄熱系統(tǒng)的實際應用領域也逐漸擴大。其應用領域包括： （1）動力系統(tǒng)：小功率電站、太陽能發(fā)電、低溫熱機、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)或公用設施中回收廢熱； （3）儲存太陽能：太陽能供暖、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）民用設施：保暖服裝、高效保溫瓶（杯）、暖手器、熱水器等； （7）交通設施：用于冬季汽車內(nèi)采暖、啟動和廢熱利用等； （8）采暖系統(tǒng)：蓄熱鍋爐等； （9）電子設備：電子元件的熱保護與低溫環(huán)境下的運行。 但總的來說，在相變蓄

13、熱設備的研究及應用方面，目前進行的工作還較少，國內(nèi)也只是對應用于太陽暖房、農(nóng)用日光溫室等領域進行了應用研究。因此，在這方面尚有許多工作有待開展。 1.3 本課題的來源和主要研究內(nèi)容 本設計是省教育廳課題“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力工程專業(yè)實驗室建設需要，設計出與太陽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)有機配合、高效節(jié)能運行。對填充的相變材料進行實驗分析，測定相變材料在蓄放熱過程中的溫度，觀察相變材料對熱媒

14、體的響應，畫出相變材料在蓄放熱過程中溫度隨時間的變化曲線，驗證相變材料的相變階段的位置，得到相變材料的蓄放熱時間，找到相變蓄熱裝置的幾何特性、熱媒水的流動特性以及相變材料的物化特性對相變蓄熱裝置放熱效率的影響規(guī)律。將實驗結果和數(shù)值計算的結果進行比較，為相變蓄熱裝置的特性分析以及優(yōu)化設計提供實驗依據(jù)。 本文將上述內(nèi)容分述在以下章節(jié)：第二章介紹了實驗室太陽能熱泵系統(tǒng)，并對整個系統(tǒng)進行熱量衡算，對系統(tǒng)各單元的基本參數(shù)進行確定。繪制了實驗臺系統(tǒng)流程圖。第三章對各種形式的蓄熱器進行比較，分析它們的優(yōu)缺點，設計了符合實驗室需求的相變蓄熱器，并繪制了其結構圖，進行了水壓實驗設計。第四章針對蓄放熱實驗要求，

15、設計搭建了蓄放熱實驗平臺，并對實驗裝置設備進行了詳細的介紹。第五章設計了實驗方案，繪制了實驗原理圖，介紹了相變材料的物性，并分析預測了相變材料的蓄放熱曲線。對實驗中出現(xiàn)的誤差因素進行了分析。 2 實驗室太陽能熱泵系統(tǒng) 2.1 太陽能熱泵系統(tǒng)介紹 熱泵實際上就是制冷機，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，實現(xiàn)供熱目的。其特點是：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。太陽能是一種無污染、無窮無盡的自然能源，但太陽能能流密度低，受氣候、季節(jié)影響較大，單一的太陽能裝置對許多連續(xù)用能的用戶來說是不能滿足要求的。將熱泵與太陽能設備、蓄熱機構相連接，不

16、僅能夠有效的克服太陽能本身所具有的稀薄性和間歇性，而且達到節(jié)約高位能減少環(huán)境污染的目的。太陽能熱泵系統(tǒng)具有以下特點： （1）集熱成本低 同傳統(tǒng)的太陽能直接供熱系統(tǒng)相比，太陽能熱泵的最大優(yōu)點是采用結構簡易的低溫集熱器，降低了集熱成本。 （2）系統(tǒng)結構緊湊 太陽能熱泵基于熱泵供熱的節(jié)能性和集熱器的高效性，在相同熱負荷條件下太陽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)結構更緊湊，布置更靈活。 （3）能耗比高 太陽能熱泵蒸發(fā)溫度更高，具有更高的供熱性能系數(shù)，可達4以上。 （4）應用范圍廣 太陽能熱泵的應用范圍十分廣泛，且不受水源和地質(zhì)條件的限制，對自然環(huán)境幾乎不造成影響。

17、（5）適用于多個系統(tǒng) 非直膨式系統(tǒng)具有形式多樣、布置靈活應用范圍廣等優(yōu)點，適合集中供熱、空調(diào)和供熱水系統(tǒng)，易于與建筑一體化。 考慮到太陽能熱泵系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)點，為滿足熱能與動力工程專業(yè)實驗教學要求我們建設了實驗室太陽能熱泵系統(tǒng)。并且我們對系統(tǒng)作了調(diào)整增加了冷卻水塔，設置了備用風機盤管使其可以實現(xiàn)供熱制冷的雙重目的。實驗室太陽能熱泵原理圖如下：圖2.1太陽能熱泵原理圖 系統(tǒng)主要設備有：太陽能集熱器、恒溫水箱（下部有電加熱器）、蓄熱器、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)值分析用的計算機、熱泵、風機盤管、冷卻塔、泵、閥門和一些自動控制裝置等。 當系統(tǒng)用于供熱時可根據(jù)太陽輻射強度和房間熱負荷的變化情況進行多種運行工況

18、的調(diào)節(jié)。工況一：太陽能熱泵的常規(guī)運行即白天蓄熱供熱運行。集熱器通過吸收太陽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。此過程蓄熱器儲存熱量。工況二：夜間運行即夜間或陰雨天取熱供熱運行。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)，此時蓄熱器釋放熱量。工況三：及太陽能直接運行。熱媒體由集熱器吸收太陽能加熱后流經(jīng)恒溫水箱直接通過風機盤管。 2.3 系統(tǒng)可完成的相關實驗 本實驗室太陽能熱泵系統(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)、太陽能蓄熱系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)等。包括與熱能與動力工程專業(yè)相關的大部分設備如壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器、風機

19、盤管等，可以說是一個多功能實驗平臺。它不僅能夠實現(xiàn)供熱并且可以模擬制冷系統(tǒng)及其主要設備的各種工況，因此可以測試到制冷系統(tǒng)及其主要設備的各種工作參數(shù)和性能。通用性，多功能化是本系統(tǒng)的最大特點。實驗過程中通過對設備及管路布置的觀察，使學生能夠獲得充分得感性認識，便于對實驗流程和原理的掌握。本系統(tǒng)可完成的實驗有： （1）熱泵系統(tǒng)：熱泵機組的運行、性能、熱平衡試驗。 （2）制冷系統(tǒng)：冷水機組性能測定，制冷機組熱平衡、性能試驗。 （3）空氣調(diào)節(jié)處理系統(tǒng)：風機盤管性能試驗、表面式空氣換熱器熱工性能測定。 （4）太陽能蓄熱系統(tǒng)：相變材料熱物性參數(shù)的測試、蓄熱器蓄放熱性能實驗研究、相變傳熱過程強化技術

20、實驗、集熱器效率實驗等。 （5）熱交換系統(tǒng)：換熱器換熱性能實驗、有相變傳熱與無相變傳熱的比較等。 本實驗臺系統(tǒng)不僅可滿足熱能與動力工程專業(yè)實驗要求，還可為老師、研究生對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構研究等科研項目提供很大的幫助。 2.4 主要設備能量衡算 2.4.1 熱泵循環(huán)的熱力計算 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) 假設系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài) 表2.1確定循環(huán)

21、各點的狀態(tài)參數(shù)表 狀態(tài)點 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（簡稱單位制冷量） 表示1kg制冷劑完成循環(huán)時從低溫熱源所吸收的熱量。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 表示以壓縮機吸入狀態(tài)計，單位體積（1m3）制冷劑完成一個循環(huán)時，從低溫熱源吸收的熱量，即 kJ/m3 （2.2） （3）單位冷凝熱負荷 表示1kg制冷劑完成循環(huán)時向高溫熱匯所排放的熱量。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)被壓縮機壓縮時消耗的功量為：

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)中壓縮機的排氣壓力和吸氣壓力之比，即 （2.7） 2.4.2 各設備熱平衡計算 （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輻射強度，kW/m2； —蓋板對太陽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、出口溫度，K； 已知：=100m2，=313K，=283K，=353K，=263K，=0.27kW/K 由文獻[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、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、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 輸入理論功 （2.11） 式中 —熱泵工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s； 、—壓縮機進、出口工質(zhì)的比焓，kJ

26、/kg； 輸入有效功 (2.12) 式中可取=0.85(機械效率)，=0.80（內(nèi)效率），=0.96（電機效率） 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、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、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、出口溫度，K； —溫度對時間的變化率，用歐拉數(shù)值積分法以(T′-T)/△t表示，獲得時間間隔對應得后，可預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 蓄熱器的設計選型 3.1 蓄熱裝置的簡介 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完成，在傳熱中又主要依靠導熱。但大部分PCM在固相與液相時的導熱系數(shù)很小（<1.0W/m·K），因此為了獲得足夠的充放熱功率，設計一種高效、緊湊的蓄熱裝置一直是潛熱蓄熱器設計和制造的一個難題。另外，多數(shù)PCM都具有腐蝕性，相變時又要膨脹和收縮，這就使蓄熱裝置的成本大大提高。 目前研究和應用的蓄熱裝置結構分類有很多種： （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，這種蓄熱器“浸”于相變材料中，為了強化傳熱，往往加上肋、翅等擴展表面來增加換熱面積。采用整體式蓄熱器要解決的問題是PCM在相變時體積變化引起的熱應力，有些設計不良的結構，蓄熱器經(jīng)過一二個循環(huán)就發(fā)生嚴重的變形現(xiàn)象。小體積封裝式蓄熱器是以后發(fā)展起來的，現(xiàn)在大有取代整體式蓄熱器的趨勢。其基本結構是用小型容器（球、柱、片狀）把PCM封裝起來成為蓄熱元件，然后按一定方式排列于蓄熱器中。它的優(yōu)點是可以獲得較大的換熱表面，也能解決PCM充放熱時體積應力的難題，它的缺點是制造工藝復雜，成本很高。 （2）相變儲能蓄熱器結構又可分為螺旋形、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。 結構多樣化的目的是通過增加換熱面積，強化蓄熱裝置傳熱性能，改善PCM導熱系數(shù)均小的缺點。改善蓄熱裝置傳熱性能還有其他方法，一些研究者對其熱能進行了模擬和實驗研究，S.O.Enibe從PCM材料的封裝形式上（集總、密、微封裝）對微封裝PCM材料的蓄熱器進行了熱分析，傳熱性能獲得了滿意的結果；M.LACROIX對加熱方式和合理布置內(nèi)熱源進行實驗研究，改進了PCM傳熱性能。下面簡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部分與其組成一個整體。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，并可實現(xiàn)同時取、放熱功能。 圖3.1雙效相變蓄熱器結構圖 1、取熱流體通道 2、蓄熱室 3、冷流體通道 4、取熱流體進口管 5、取熱流體出口管 6、相變材料進口管 7、相變

32、材料出口管 8、供熱流體進口管 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，供太陽能熱量不足時使用。保溫筒的直徑分別為φ1084mm和φ1144mm。每個加熱筒上的加熱功率(即電加熱絲的電阻值)按每個加熱筒上加熱的熱流密度相等進行計算，三個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構圖。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構圖 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構設計 3.2.1 設計所考慮的主要因素和所需的有關數(shù)據(jù) 蓄熱器的大小與為提供所要的熱量所需儲能材料的數(shù)量和類型以及為滿足性能要求所選擇的隔熱情況有關。設計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的潛熱以及儲能裝置的熱負荷。 由于相變材料的傳熱能力較差，所以需要通過優(yōu)化蓄能裝置的結構來改善其蓄能和釋能能力。如果完全依靠實驗研究，需要花費大量時間、人力和財力，因而希望通過建立數(shù)學模型，運用數(shù)值計算來研究蓄能結構的能量存儲和釋放規(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）熱物性對儲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）相變過程所需的時間 （4）液相PCM中傳導和對流相對重要性，進而對蓄熱器的經(jīng)濟性和可行性形成正確的認識 本課題設計的蓄熱器要與實驗室太陽能熱泵系統(tǒng)相匹配。綜合考慮實用性和經(jīng)濟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，融點和融解熱增加。常用PCM（n=12-36）的融點為-12℃到75.9℃。融解熱為150kJ/kg到250kJ/kg。優(yōu)點是融解熱大、一般不過冷、不析出、性能穩(wěn)定、無腐蝕性且在有機PCM中價格最低，缺點是導熱系數(shù)和密度小。

36、參考下表，考慮到太陽能集熱器熱媒體所達到的最高溫度，選擇C27H56 n-Heptacosane作為實驗用相變材料 表3.1部分石蠟物性 英文名稱 碳原子數(shù) 分子量 融點℃ 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 — 為滿足實驗室長期使用的要求，本設計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 蓄熱器初步結構設計 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個不銹鋼球，每個球體重量為0.9 kg。蓄熱器為方便實驗設計成可拆卸式，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，具有結構簡單、易于制造、便于在內(nèi)部裝設附件等優(yōu)點，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)生脈動載荷的機械設備剛性連接，因此采用B型腿式支座。為滿足不同

39、的實驗要求應使蓄熱球體在蓄熱器有不同的排布方式。本設計方案蓄熱球體可總體分為有序和無序兩種形式，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： （1）蓄熱器除支腿外均采用不銹鋼做原材料，不銹鋼耐腐蝕、強度高，因此適合實驗室長期使用。 （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、無腐蝕性且在有機PCM中價格最低，符合實驗室建設經(jīng)濟性要求。 （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，實現(xiàn)實驗不同工況要求。 3.2.3 蓄熱器主要部件設計 （1） 筒體設計： 筒體計算厚度 （3.1） 式中 —筒體公稱直徑，mm； —筒體最大工作壓力，MPa； —設計溫度下筒體的計算應力，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 筒體設計厚度 mm （3.2） 對于0Cr13，鋼板負偏差=0，因而可取名義厚度=4mm。 （2）橢圓形封頭設計 由上面計算知筒體厚度=4mm，據(jù)筒體公稱直徑=600mm，選取標準橢圓形封頭DN400×4—0Cr13 JB/ T4737。下面對選取的封頭進行強度校核： （3.3） 式中 —設計溫度下封頭的計算應力，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； —設計溫度下材料的許

42、用應力，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 所選封頭符合強度要求。 3.2.4 壓力試驗 （1）壓力試驗的目的 除材料本身的缺陷外，容器在制造（特別是焊接過程）和使用中會產(chǎn)生各種缺陷。為考慮缺陷對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，都要進行壓力試驗。 （2）實驗壓力及應力校核 耐壓試驗有液壓試驗和氣壓試驗兩種，是容器在使用前的第一次承壓，且試驗壓力

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大。由于在相同壓力和容積下，試驗介質(zhì)的壓縮系數(shù)越大，容器所儲存的能量就越大。爆炸也就越危險，故應選用壓縮系數(shù)小的流體作為實驗介質(zhì)。只有因結構或支撐等原因不能向容器內(nèi)充灌水或其他液體，以及運行條件不允許殘留液體時，才用氣壓實驗。本設計只需進行液壓試驗。在液壓試驗時，為防止材料發(fā)生低應力脆性破壞，液體溫度不得低于容器殼體材料的韌脆轉彎溫度。氯離子能破壞奧氏體，不銹鋼制壓力容器進行水壓試驗時，還應將水中氯離子含量控制在內(nèi)。并在試驗后立即將水漬清除干凈。 內(nèi)壓容器試驗壓力為： MPa （3.4） 為使液壓試驗時

44、容器材料處于彈性狀態(tài)，在壓力試驗前必須按下式校核實驗時圓筒的薄膜應力。 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 由化工設備設計手冊查得DN=600mm的單位長度的筒體容積為V0=0.283m3，設計筒體高h=1160mm所以筒體容積為： V銅=hV0=0.283×1.160=0.328m3 （3.7） 由化工設備設計手冊查得DN=600mm，直邊高h=2

45、5mm的橢圓形封頭V封=0.0352m3，所以設計的蓄熱器容積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。由化工設備設計手冊查得DN=600mm，厚δ=4mm的單位長度的筒體質(zhì)量m=60kg，所以筒體質(zhì)量M1為： M1=hm=1.160×60=69.6kg 由化工設備設計手冊查得DN=600mm，厚δ=4mm的直邊高h=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驗臺設計 4.1 實驗臺的設計 蓄熱器蓄放熱實驗臺是由第2章所述太陽能熱泵系統(tǒng)的部分設備連接組成的。本實驗臺的設計充分利用了太陽能熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)有設備，實現(xiàn)了實驗臺多功能化的要求，節(jié)約了實驗室建設投資。由太陽能集熱器提供高溫熱源，減少了能源消耗，符合節(jié)約型現(xiàn)代化社會的要求。 實驗臺設計的指導方針是結構緊湊、運行合理、經(jīng)濟適用。我們要進行的是蓄熱槽的蓄放熱特性實驗。蓄熱器是實驗臺的重要組成部分，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，我們把蓄熱器設計為可拆卸的結構，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所。相變材料要進行蓄放熱實驗，就必須給蓄熱器提供高溫熱源和低溫熱源。當高溫熱媒體或低溫熱媒體流經(jīng)蓄熱器時，熱媒體就將與相變材料進行對流換熱，以實現(xiàn)相變材料的蓄熱或放熱過程。為了提供高溫熱源，我們設計配置太陽能集熱器，由集熱器吸收太陽能加熱流過其中的熱媒體水得到高溫熱媒體。在蓄放熱過程中，我們要求熱媒體進入蓄熱器的溫的水溫度較恒定。因此，我們配置了恒溫水箱，水箱底部設有電加熱器，并且為水箱配置了自動溫度控制裝置，這樣的話，我們就可以按實驗要求設置恒溫水箱中熱媒體的溫度，保證進入蓄熱器的水溫度較恒定（精度在±1℃）。 同時，在相變材料放熱過程中，我們需

49、要提供低溫熱媒體。由此我們設計了風機盤管系統(tǒng)。在蓄熱過程中，系統(tǒng)中的水是高溫的，當蓄熱結束后，我們開啟風機盤管，和蓄熱器經(jīng)過熱交換的熱媒體流經(jīng)風機盤管向外散出熱量，在泵的作用返回太陽能集熱器，同時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水，以此來迅速降低系統(tǒng)中的水溫，當系統(tǒng)中的水溫低于放熱過程所需要的溫度時，停止自來水的注入，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)提供的低溫熱媒體同樣可以達到進入蓄熱器時溫度較恒定的要求。可見系統(tǒng)可以較方便的提供符合實驗要求的高溫熱媒體與低溫熱媒體。 為使熱媒體在系統(tǒng)中循環(huán)流動，考

50、慮實驗要求的熱媒體流量和整個系統(tǒng)的阻力，在系統(tǒng)中布置了水泵為系統(tǒng)提供動力。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，我們在相變材料上布置了熱電偶，在管路中布置了鉑電阻。另外我們在實驗臺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)在多種工況下運行。 本課題設計的蓄熱器蓄放熱實驗臺可以實現(xiàn)以下幾種運行模式： （1）系統(tǒng)預加熱：對整個系統(tǒng)的水進行加熱把水溫升高到實驗所要求的相變材料初始溫度。 （2）高溫水準備：關閉蓄熱器進、出口閥門，對系統(tǒng)中其他部分的水繼續(xù)加熱，直至達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、出口閥門，使高溫熱媒體水流經(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入蓄熱器的熱媒體水流量。 （5）低溫水準備：關閉蓄熱器進、出口閥門，迅速降低系統(tǒng)中其它部分水的溫度，以達到放熱過程所需要的水溫。 （6）全流量放熱：打開蓄熱器進、出口閥門，使低溫媒體水流經(jīng)蓄熱器與相變材料進行換熱 （7）變流量放熱：改變閥門開度以改變進入蓄熱器的低溫媒體水的流量。 4.2 實驗臺的測試內(nèi)容及測試手段 （1）測試內(nèi)容：相變材料及熱媒體在蓄放熱過程中的溫度。 （2）測試手段：在實驗臺的管路上及相變材料中，我們設置了多個溫度傳感器（鉑電阻、熱電偶）。在實驗過程中，將溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀以及計算機三者正確連接起來，熱電偶

52、密封在相變材料被測位置處，鉑電阻安裝在管段上，正確設定數(shù)據(jù)采集儀的有關參數(shù)，溫度傳感器將信號傳入到數(shù)據(jù)采集儀，我們便可在電腦中即時觀測并自動存儲實驗過程中熱媒體、相變材料的溫度變化情況。如圖4-1所示。 圖4.1溫度測試示意圖 4.3 實驗數(shù)據(jù)采集儀器 （1）數(shù)據(jù)采集儀 HP34970A數(shù)據(jù)采集儀將精確的測量能力與靈敏的信號傳輸能力連接結合起來，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的應用程序，通過它可以很方便地將HP34970A數(shù)據(jù)采集儀與計算機一起使用以收集與分析測量數(shù)據(jù)，以及對輸入的數(shù)據(jù)執(zhí)行實時顯示和分析，檢測的溫度

53、通過HP34970A數(shù)據(jù)記錄儀自動的儲存在計算機中。 數(shù)據(jù)采集儀后部內(nèi)置有三個模塊插槽，適應于任何數(shù)據(jù)采集或開關模塊的組合，插入式模塊通過內(nèi)部隔離數(shù)字總線與浮地邏輯通信。多路轉換模塊還通過內(nèi)部模擬總線連接到內(nèi)部數(shù)字萬用表。每個模塊都有自己的微處理器，為主機處理器卸載，并使背板通信降到最低限度以獲得更快的處理。間隔掃描存儲有多達50000個帶有時間標記的讀數(shù)；每臺儀器有60個通道，單通道上的讀取速度為每秒600個讀數(shù)，掃描速度為每秒250個通道；標準的HP-IB（IEEE-488）和RS-232接口，一次只能啟用一個接口，與SCPI（可編程儀器的標準命令）兼容，數(shù)據(jù)采集儀中的傳感器或熱敏元件將

54、所測量的物理量轉換為內(nèi)部數(shù)字萬用表可以測量的電信號。輸入信號被多路傳送到內(nèi)部數(shù)字萬用表的信號調(diào)節(jié)部分中，包括切換、量程和放大電路。如果輸入信號為直流電壓，信號調(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。如果輸入信號是交流電壓，則轉換器用于將交流電信號轉換為等量的直流電（真有效值）。通過為未知的電阻提供已知的直流電并測量電阻器兩端的直流電壓降進行電阻測量。 溫度傳感器的測量一般是最初的電阻或電壓測量，通過儀器內(nèi)部的軟件轉換程序轉變?yōu)橄鄳臏囟?。首先，傳感器或熱敏元件將所測量的物理量轉換為電量，然后可測量電量結果轉換為工程單位，測量熱電偶時，儀器測量交流電

55、壓并通過數(shù)字運算將其轉換為相應的℃或K溫度。HP34870A所用的轉換程序符合1990年國際溫標，即ITS-90。 溫度測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、準確度和費用。溫度傳感器中的電阻溫度檢測器有最高的穩(wěn)定性。電阻溫度檢測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)字萬用表測量出電阻溫度檢測器電阻的變化并計算出相應的溫度變化。電阻溫度檢測器的輸出線性度很高，因此它的精確度就很高，是長期測量的最佳選擇。 （2）熱電偶：蓄熱裝置蓄熱材料的溫度檢測采用 T 型熱電偶。 熱電偶把溫度轉換為電壓。當兩種不同的金屬的線繞結時，就有電壓產(chǎn)生。這個電

56、壓是熱電偶線中的結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算出結溫。T型熱電偶的溫度范圍為－200℃～400℃，探頭精度±0.5℃～1℃。 熱電偶測量的誤差源： (a)參考結誤差：熱電偶一般是把兩根導線焊接在一起形成一個結。這種焊接在結處注入了第三種金屬。如果與熱電偶的兩端處于同一個溫度，第三種金屬的影響是很小的。市場上銷售的熱電偶是用電容放電技術焊接在一起的。這種技術可防止熱電偶導線在結附近過熱，并防止焊氣和大氣擴散進入熱電偶導線。一個焊接不好的連接會在熱電偶測量中造成誤差。熱電偶結的開路可通過測量熱電偶的阻抗來檢測。一般大于5kΩ的阻抗表示熱電偶有缺

57、陷。HP34970A包含一個內(nèi)置的自動熱電偶檢測功能。儀器在每次熱電偶測量后測量通道阻抗，以確保連接良好。 (b)擴散誤差：在熱電偶的擴散是指沿導線改變其合金類型的過程。大氣分子確實會擴散到金屬中。這些導線中的合金改變在測量中注入了電壓的細微改變。導線暴露在高溫中或在承受拉伸或振動的物理應力時，會發(fā)生擴散現(xiàn)象。擴散引起的溫度誤差很難檢測到，因為熱電偶仍對溫度變化有反應，并給出接近正確的結果。擴散的影響經(jīng)常被作為溫度測量的漂移被檢測。更換存在擴散誤差的熱電偶可能不能糾正誤差。延伸的導線和連接都會因擴散而改變。仔細檢查整個測量路徑，尋找溫度極點和物理應力。如果可能，最大限度的減少沿導線的溫度梯度

58、。 (c)分流阻抗：熱電偶導線和延伸導線的絕緣會被高溫或腐蝕性氣體破壞。這種破壞表現(xiàn)為在熱電偶結處并聯(lián)了一個電阻。這在導線串聯(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熱電偶測量的影響。共模噪聲是由類似電源線和馬達的噪聲源產(chǎn)生的。噪聲通過分布的電容與未屏蔽的熱電偶導線耦合。感應的電流流過內(nèi)部數(shù)字萬用表到地時，沿熱電偶導線的分布電阻即產(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，并保護測量。共模噪聲會對內(nèi)部數(shù)字萬用表影響很大。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)字萬用表的輸入過載。 (e)計算誤差：是將熱電偶的電壓轉化為溫度的過程

59、中注入的固有誤差。計算誤差與熱電偶、導線連接和參考結的誤差相比是很小的。 （3）鉑電阻 鉑電阻屬于熱電阻測溫元件，是利用導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溫精度高，性能穩(wěn)定，抗氧化等優(yōu)點。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，所以需用套管保護方可使用。 （4）流量計 實驗臺選用渦輪流量計，精確度0.5級，量程為0.6～4m3/h，測量中可能產(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 實驗臺的搭建 根據(jù)上述設計思路，搭建了實驗

60、臺。實驗臺包括太陽能集熱器、蓄熱器、恒溫水箱、風機盤管、水泵、壓力表、流量計以及管道、閥門，數(shù)據(jù)采集儀等。實驗裝置外觀圖（見圖 4.2a、2b、2c、2d、2e） 圖4.2a太陽能集熱器 圖4.2b裝有相變材料的蓄熱球體 圖4.2c恒溫水箱 圖4.2d風機盤管 圖4.2e數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 5 蓄熱器蓄放熱特性實驗指導 5.1 實驗用相變材料物性 相變材料的熱物性主要包括：相變潛熱、相變溫度、導熱系數(shù)、比熱、膨脹系數(shù)等。測定比熱、相變潛熱和相變溫度的方法可分為三類： （1） 一般卡計法； （2） 差熱分析法（Differential Thermal Analysis，簡稱

61、DTA）； （3） 差式掃描量熱法（Differential Scanning Calorimeter，簡稱DSC）； 膨脹系數(shù)的測定，在測量精度不高時，通常采用簡單的融化-固化體積計量法：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，簡稱DSC），分析法（Thermal Analysis，簡稱TA法）。 本課題實驗中相變材料為石蠟

62、，材料的分子式為C27H56，英文名稱是n-Heptacosane，屬于低溫有機相變材料，融解熱大、一般不過冷、不析出、性能穩(wěn)定、無腐蝕性且在有機PCM中價格最低。材料物性如下：相變潛熱：156.819J/g，相變溫度 58.8℃，導熱系數(shù)：0.284W/(m·K)。 5.2 相變材料預測的蓄放熱曲線 相變材料傳熱過程有以下特點： （1）兩相之間存在著移動的分界面或分界區(qū)域，直至相變過程結束。 （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：相變材料在單點發(fā)生相變，見曲線5-2a；

63、 相變材料在一個溫度區(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雜一些：相變材料在單點發(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，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、料是在一個溫度區(qū)間發(fā)生相變。放熱曲線同樣也分為四個階段：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驗 5.3.1 實驗目的 （1）采集相變材料和流體在蓄放熱過程中的溫度值，以觀測相變材料與流體在蓄放熱過程中溫度與時間的關系曲線，以此來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）通過觀測相變材料和流體的溫度與時間的變化關系，得到相變材料的蓄放熱時間曲線，以此分析熱媒體流量及溫度與相變材料蓄放熱時間的關

65、系，計算蓄熱器的蓄放熱效率。 5.3.2 實驗原理 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鍵。通過對相變材料的實驗分析對相變材料的有效利用、系統(tǒng)的優(yōu)化及性能的預測具有重要意義。 物質(zhì)由固態(tài)轉為液態(tài)，由液態(tài)轉為氣態(tài)，或由固態(tài)直接轉化為氣態(tài)（升華）時，將吸收相變熱，進行逆過程時，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，當相變材料達到熔點時，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蓄熱實驗原理圖 1、太陽能集熱器 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8、數(shù)據(jù)采集儀9、供數(shù)據(jù)分析用的計算機10、蓄熱器11、溫度計、15、風機盤管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)太陽能集熱器加熱后到恒溫水箱達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：恒溫水箱中的水達到放熱工況的溫度時流經(jīng)蓄熱器完成換熱再經(jīng)過風機盤管向外散熱返回集熱器。基本流程為4-6-7-10-12-15-1-4。 5.3.3 實驗中的主要設備及其作用 實驗中所用的主要設備有：太陽能集熱器、恒溫水箱、蓄熱器、數(shù)據(jù)采集儀、風機盤管等，另外還有閥門、水泵、溫度計、熱電偶等附屬設備。 太陽能集熱器：實驗系統(tǒng)的高溫熱源，為實驗提供高溫熱媒體； 恒溫水箱：穩(wěn)定熱媒體水的溫度，使其熱媒體水能夠以實驗所要求的溫度進入蓄熱器； 蓄熱器：提供相變材料放置場所，儲存并釋放能量。相變材料蓄熱時，熱媒體自上而下流過蓄熱器；相變