【文章內(nèi)容簡介】 用壓縮系數(shù)小的流體作為實驗介質(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，以及運行條件不允許殘留液體時，才用氣壓實驗。本設(shè)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(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行水壓試驗時，還應(yīng)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 （）為使液壓試驗時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(yīng)力。MPa （） （） 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)計手冊查得DN=600mm的單位長度的筒體容積為V0=，設(shè)計筒體高h=1160mm所以筒體容積為：V銅=hV0== （） 由化工設(shè)備設(shè)計手冊查得DN=600mm，直邊高h=25mm的橢圓形封頭V封=，所以設(shè)計的蓄熱器容積V： V=V銅+2V封=+2= （） （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M封頭質(zhì)量M2及支腿質(zhì)量M3。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。本實驗臺的設(shè)計充分利用了太陽能熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)有設(shè)備，實現(xiàn)了實驗臺多功能化的要求，節(jié)約了實驗室建設(shè)投資。由太陽能集熱器提供高溫?zé)嵩?，減少了能源消耗，符合節(jié)約型現(xiàn)代化社會的要求。實驗臺設(shè)計的指導(dǎo)方針是結(jié)構(gòu)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(shè)計為可拆卸的結(jié)構(gòu)，封頭和筒體由法蘭連接。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?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，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?zé)嵩?，我們設(shè)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?zé)崦襟w。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(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。1℃）。同時，在相變材料放熱過程中，我們需要提供低溫?zé)崦襟w。由此我們設(shè)計了風(fēng)機盤管系統(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)機盤管，和蓄熱器經(jīng)過熱交換的熱媒體流經(jīng)風(fēng)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(dāng)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?zé)崦襟w同樣可以達到進入蓄熱器時溫度較恒定的要求?？梢娤到y(tǒng)可以較方便的提供符合實驗要求的高溫?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，考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(shè)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(yù)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(zhǔn)備：關(guān)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?zé)崦襟w水流經(jīng)蓄熱器并與之換熱。（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(zhǔn)備：關(guān)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。 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(shè)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，熱電偶密封在相變材料被測位置處，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41所示。 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。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(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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)的HPIB（IEEE488）和RS232接口，一次只能啟用一個接口，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所測量的物理量轉(zhuǎn)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(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）。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(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量的物理量轉(zhuǎn)換為電量，然后可測量電量結(jié)果轉(zhuǎn)換為工程單位，測量熱電偶時，儀器測量交流電壓并通過數(shù)字運算將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的℃或K溫度。HP34870A所用的轉(zhuǎn)換程序符合1990年國際溫標(biāo)，即ITS90。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(zhǔn)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(yīng)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(zhuǎn)換為電壓。當(dāng)兩種不同的金屬的線繞結(jié)時，就有電壓產(chǎn)生。這個電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算出結(jié)溫。T型熱電偶的溫度范圍為－200℃～400℃，探頭精度177。℃～1℃。熱電偶測量的誤差源：(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(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散進入熱電偶導(dǎo)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(jié)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(dǎo)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(dǎo)線中的合金改變在測量中注入了電壓的細微改變。導(dǎo)線暴露在高溫中或在承受拉伸或振動的物理應(yīng)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(yīng)，并給出接近正確的結(jié)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(dǎo)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(yīng)力。如果可能，最大限度的減少沿導(dǎo)線的溫度梯度。(c)分流阻抗：熱電偶導(dǎo)線和延伸導(dǎo)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(jié)處并聯(lián)了一個電阻。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(dǎo)線耦合。感應(yīng)的電流流過內(nèi)部數(shù)字萬用表到地時，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(zhuǎn)化為溫度的過程中注入的固有誤差。計算誤差與熱電偶、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，～4m3/h，～1％，即()%＝，()1%＝。 實驗臺的搭建根據(jù)上述設(shè)計思路，搭建了實驗臺。實驗臺包括太陽能集熱器、蓄熱器、恒溫水箱、風(fēng)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 、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。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(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，簡稱DSC），分析法（Thermal Analysis，簡稱TA法）。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。材料物性如下：相變潛熱：，相變溫度 ℃，導(dǎo)熱系數(shù)：(mK)。 相變材料預(yù)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(jié)束。（2）相變過程中有相變潛熱的釋放或吸收。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52a； 相變材料在一個溫度區(qū)間發(fā)生相變，見曲線52b。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。 按照相變材料的特性，放熱曲線的種類則復(fù)雜一些：相變材料在單點發(fā)生相變且不存在過冷度現(xiàn)象，見曲線53a；放熱曲線53b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(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。