【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 43 頁 共 40頁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，能源問題越來越為人們所關(guān)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(yīng)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(fèi)。有效解決這些問題的技術(shù)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(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，對電網(wǎng)負(fù)荷峰、谷時間段電價分計(jì)的地區(qū)，它還可降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。熱能儲存的方式主要有顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學(xué)反應(yīng)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(xué)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(qiáng)化傳熱技術(shù)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(zhuǎn)變潛熱進(jìn)行熱能儲存，具有蓄熱密度高、溫度波動?。▋?、放熱過程近似等溫）、過程易控制等特點(diǎn)[13]。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(shè)備復(fù)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(jìn)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(jié)構(gòu)有序無序的轉(zhuǎn)變而可逆地進(jìn)行儲、放熱?；瘜W(xué)反應(yīng)儲熱是利用可逆化學(xué)反應(yīng)通過熱能與化學(xué)熱的轉(zhuǎn)換儲熱的，它在受熱和受冷時可發(fā)生可逆反應(yīng)，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(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(jié)構(gòu)緊湊、體積小、熱效率高、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，因而對相變蓄熱材料、相變蓄熱器的研究得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。 文獻(xiàn)綜述 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(xué)組成來看，可分為無機(jī)及有機(jī)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(yīng)儲熱三種；從儲熱的溫度來看，可分為高溫及低溫等類型。[1]理想的蓄熱材料應(yīng)符合以下條件：（1）熱力學(xué)條件 合適的相變溫度，因?yàn)橄嘧儨囟日撬枰刂频奶囟囟龋瑢︼@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(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(jié)合要牢固，不能發(fā)生離析、分解及其它變化，使用安全，不易燃、易爆或氧化變質(zhì)。符合綠色化學(xué)要求，無毒、無腐蝕、無污染。（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(jì)70年代就已開始。最早是以節(jié)能為目的，從太陽能和風(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(shè)備等進(jìn)行了詳細(xì)的理論研究[4]，討論了六水氯化鈉的相變熱穩(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象是相變蓄熱材料中的無機(jī)水合鹽類，在眾多的無機(jī)水合鹽相變蓄熱材料中，Na2SO410H2O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(xué)院德水等人對典型的無機(jī)水和鹽Na2SO410H2O和NaCH3COO3H2O的成核作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究；1985年胡起柱等人用DSC測定了新制備的Na2SO410H2ONaCl均勻固態(tài)物質(zhì)的初始熔化熱及上述樣品在15177。℃長時間保溫后的熔化熱；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(xué)孫鑫泉等人對Na2SO410H2O體系的潛熱蓄熱及其熔凍行為，并對熔化熱的測定技術(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。 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(qiáng)弱。文獻(xiàn)[9]采用管外徑向方形翅片來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]對翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳熱性能影響及管外自然對流效應(yīng)的效果作了詳盡的理論分析求解。得出了結(jié)構(gòu)尺寸、物性參數(shù)對蓄熱過程的影響，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)较嘧儾牧现小２⑼ㄟ^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，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間內(nèi)，且這段時間之外，主要是自然對流驅(qū)動熔化過程。文獻(xiàn)[13]對板式、同心套管等相變貯能換熱器內(nèi)傳熱性能進(jìn)行了計(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）動力系統(tǒng)：小功率電站、太陽能發(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(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。但總的來說，在相變蓄熱設(shè)備的研究及應(yīng)用方面，目前進(jìn)行的工作還較少，國內(nèi)也只是對應(yīng)用于太陽暖房、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。 本課題的來源和主要研究內(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(shí)驗(yàn)室建設(shè)需要，設(shè)計(jì)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(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。對填充的相變材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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體的響應(yīng)，畫出相變材料在蓄放熱過程中溫度隨時間的變化曲線，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(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)室太陽能熱泵系統(tǒng)，并對整個系統(tǒng)進(jìn)行熱量衡算，對系統(tǒng)各單元的基本參數(shù)進(jìn)行確定。繪制了實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)流程圖。第三章對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)。第四章針對蓄放熱實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)搭建了蓄放熱實(shí)驗(yàn)平臺，并對實(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)測了相變材料的蓄放熱曲線。對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差因素進(jìn)行了分析。2 實(shí)驗(yàn)室太陽能熱泵系統(tǒng) 太陽能熱泵系統(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(shè)備、蓄熱機(jī)構(gòu)相連接，不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(dá)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(diǎn)：（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(diǎn)是采用結(jié)構(gòu)簡易的低溫集熱器，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，對自然環(huán)境幾乎不造成影響。（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(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?？紤]到太陽能熱泵系統(tǒng)節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)，為滿足熱能與動力工程專業(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(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)室太陽能熱泵原理圖如下：系統(tǒng)主要設(shè)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(jì)算機(jī)、熱泵、風(fēng)機(jī)盤管、冷卻塔、泵、閥門和一些自動控制裝置等。當(dāng)系統(tǒng)用于供熱時可根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度和房間熱負(fù)荷的變化情況進(jìn)行多種運(yùn)行工況的調(diào)節(jié)。工況一：太陽能熱泵的常規(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(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)，此時蓄熱器釋放熱量。工況三：及太陽能直接運(yùn)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(fēng)機(jī)盤管。 系統(tǒng)可完成的相關(guān)實(shí)驗(yàn)本實(shí)驗(yàn)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(guān)的大部分設(shè)備如壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、風(fēng)機(jī)盤管等，可以說是一個多功能實(shí)驗(yàn)平臺。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)過程中通過對設(shè)備及管路布置的觀察，使學(xué)