【正文】 、無污染。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(yīng)儲熱三種；從儲熱的溫度來看，可分為高溫及低溫等類型?；瘜W反應(yīng)儲熱是利用可逆化學反應(yīng)通過熱能與化學熱的轉(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。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[13]。熱能儲存的方式主要有顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學反應(yīng)儲熱等三種。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（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。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。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。其主要優(yōu)點是蓄熱量大，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。[1]理想的蓄熱材料應(yīng)符合以下條件：（1）熱力學條件 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(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。（3）經(jīng)濟條件 成本低廉，制備方便，便宜易得。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(lǐng)域。10H2O是開發(fā)研究最早的一種。10H2ONaCl均勻固態(tài)物質(zhì)的初始熔化熱及上述樣品在15177。 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。實際應(yīng)用中通常采用的方法是加金屬肋片及采取擴大接觸面積。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。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)計的范圍。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。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)域進行了應(yīng)用研究。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。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(shè)計了符合實驗室需求的相變蓄熱器，并繪制了其結(jié)構(gòu)圖，進行了水壓實驗設(shè)計。2 實驗室太陽能熱泵系統(tǒng) 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。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(jié)構(gòu)簡易的低溫集熱器，降低了集熱成本。（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，適合集中供熱、空調(diào)和供熱水系統(tǒng)，易于與建筑一體化。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的調(diào)節(jié)。工況二：夜間運行即夜間或陰雨天取熱供熱運行。 系統(tǒng)可完成的相關(guān)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。實驗過程中通過對設(shè)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。（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(shù)實驗、集熱器效率實驗等。取蒸發(fā)器為隔離體，它等于制冷劑在蒸發(fā)器出口處與入口處的比焓之差kJ/kg （）（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 （）（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。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(yīng)得后，可預(yù)示蓄熱器中一天的溫度的變化。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。其基本結(jié)構(gòu)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。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，（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(jié)果；，改進了PCM傳熱性能。取熱流體通道 蓄熱室 冷流體通道 取熱流體進口管 取熱流體出口管 相變材料進口管 相變材料出口管 供熱流體進口管 供熱流體出口管 熱管 1肋片 1變截面板 1波紋板裝置 1擾流板 1上擋板 1下?lián)醢?1壓力控制元件 1連接板（b）圓柱形螺旋盤管蓄熱器，蓄熱器主要由保溫筒、相變材料和三層螺旋盤管組成。三層螺旋盤管亦串聯(lián)連接。螺旋盤管由φ32。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(jié)構(gòu)的能量存儲和釋放規(guī)律，獲得PCM中的傳熱和相變過程定量分析的數(shù)據(jù)。隨鏈的增加，融點和融解熱增加。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 nHeptacosane作為實驗用相變材料英文名稱碳原子數(shù)分子量融點℃融解熱kJ/kgnDocosane2231044251nTricosane23324nTetracosane24338249nPentacosane25352—nHexacosane26366nHeptacosane27380nOctacosane28394nNonacosane29408nTriacosane30422nHentriacosane3143668242nDotricosane32450nTritriacosane3346472— 為滿足實驗室長期使用的要求，本設(shè)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。圓柱形容器是最常見的一種壓力容器形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、便于在內(nèi)部裝設(shè)附件等優(yōu)點，因此筒體采用采用單層式圓筒。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(shè)備剛性連接，因此采用B型腿式支座。（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(shè)經(jīng)濟性要求。（2）橢圓形封頭設(shè)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DN4004—0Cr13 JB/ T4737。壓力容器制造完畢后或定期檢查時，都要進行壓力試驗。爆炸也就越危險，故應(yīng)選用壓縮系數(shù)小的流體作為實驗介質(zhì)。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(yīng)將水中氯離子含量控制在內(nèi)。由化工設(shè)備設(shè)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=60=由化工設(shè)備設(shè)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=，所以有 M=M1+2M2+3M3=+222+3= （） 4 蓄熱器蓄放熱性能實驗臺設(shè)計 實驗臺的設(shè)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(shè)備連接組成的。我們要進行的是蓄熱槽的蓄放熱特性實驗。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。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溫度控制裝置，這樣的話，我們就可以按實驗要求設(shè)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177。在蓄熱過程中，系統(tǒng)中的水是高溫的，當蓄熱結(jié)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。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。（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)蓄熱器并與之換熱。 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。 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(jié)合起來，集數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)采集為一體。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。如果輸入信號是交流電壓，則轉(zhuǎn)換器用于將交流電信號轉(zhuǎn)換為等量的直流電（真有效值）。HP34870A所用的轉(zhuǎn)換程序符合1990年國際溫標，即ITS90。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。熱電偶把溫度轉(zhuǎn)換為電壓。T型熱電偶的溫度范圍為－200℃～400℃，探頭精度177。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。熱電偶結(jié)的開路可通過測量熱電偶的阻抗來檢測。(b)擴散誤差：在熱電偶的擴散是指沿導(dǎo)線改變其合金類型的過程。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(yīng)，并給出接近正確的結(jié)果。仔細檢查整個測量路徑，尋找溫度極點和物理應(yīng)力。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。感應(yīng)的電流流過內(nèi)部數(shù)字萬用表到地時，沿熱電偶導(dǎo)線的分布電阻即產(chǎn)生出電壓誤差。(e)計算誤差：是將熱電偶的電壓轉(zhuǎn)化為溫度的過程中注入的固有誤差。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。實驗裝置外觀圖（見圖 、2b、2c、2d、2e）5 蓄熱器蓄放熱特性實驗指導(dǎo) 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(dǎo)熱系數(shù)、比熱、膨脹系數(shù)等。本課題實驗中相變材料為石蠟，材料的分子式為C27H56，英文名稱是nHeptacosane，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。（2）相變過程中有相變潛熱的釋放或吸收。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。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，將吸收相變熱，進行逆過程時，則將釋放相變熱。 太陽能集熱器 蝶形閥門恒溫水箱（底部有電加熱器）離心式水泵渦輪流量計數(shù)據(jù)采集儀供數(shù)據(jù)分析用的計算