【正文】 驗(yàn)研究，需要花費(fèi)大量時(shí)間、人力和財(cái)力，因而希望通過建立數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用數(shù)值計(jì)算來研究蓄能結(jié)構(gòu)的能量存儲(chǔ)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)。設(shè)計(jì)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(chǔ)能裝置的熱負(fù)荷。螺旋盤管由φ32。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。三層螺旋盤管亦串聯(lián)連接。保溫筒的直徑分別為φ1084mm和φ1144mm。取熱流體通道 蓄熱室 冷流體通道 取熱流體進(jìn)口管 取熱流體出口管 相變材料進(jìn)口管 相變材料出口管 供熱流體進(jìn)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。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(shè)有壓力調(diào)節(jié)控制元件。改善蓄熱裝置傳熱性能還有其他方法，一些研究者對(duì)其熱能進(jìn)行了模擬和實(shí)驗(yàn)研究，（集總、密、微封裝）對(duì)微封裝PCM材料的蓄熱器進(jìn)行了熱分析，傳熱性能獲得了滿意的結(jié)果；，改進(jìn)了PCM傳熱性能。（2）相變儲(chǔ)能蓄熱器結(jié)構(gòu)又可分為螺旋形、平板形、管族形、球形堆積床式、同心套管式、雙單盤管式蓄熱器。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。采用整體式蓄熱器要解決的問題是PCM在相變時(shí)體積變化引起的熱應(yīng)力，有些設(shè)計(jì)不良的結(jié)構(gòu)，蓄熱器經(jīng)過一二個(gè)循環(huán)就發(fā)生嚴(yán)重的變形現(xiàn)象。另外，多數(shù)PCM都具有腐蝕性，相變時(shí)又要膨脹和收縮，這就使蓄熱裝置的成本大大提高。但大部分PCM在固相與液相時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)很小（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(jìn)、出口溫度，K；—溫度對(duì)時(shí)間的變化率，用歐拉數(shù)值積分法以(T′T)/△t表示，獲得時(shí)間間隔對(duì)應(yīng)得后，可預(yù)示蓄熱器中一天的溫度的變化。K； —集熱器吸收板平均溫度，K； —室外空氣溫度，K；熱效率 （）式中 —集熱器換熱流體的比熱容，kW/K； 、—集熱器換熱流體進(jìn)、出口溫度，K；已知：=100m2，=313K，=283K，=353K，=263K，=由文獻(xiàn)[14]得=，==，=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(jī)吸入狀態(tài)計(jì)，單位體積（1m3）制冷劑完成一個(gè)循環(huán)時(shí)，從低溫?zé)嵩次盏臒崃?，即kJ/m3 （）（3）單位冷凝熱負(fù)荷表示1kg制冷劑完成循環(huán)時(shí)向高溫?zé)釁R所排放的熱量。本實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)不僅可滿足熱能與動(dòng)力工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)要求，還可為老師、研究生對(duì)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(jié)構(gòu)研究等科研項(xiàng)目提供很大的幫助。（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(shí)驗(yàn)研究、相變傳熱過程強(qiáng)化技術(shù)實(shí)驗(yàn)、集熱器效率實(shí)驗(yàn)等。（2）制冷系統(tǒng)：冷水機(jī)組性能測定，制冷機(jī)組熱平衡、性能試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中通過對(duì)設(shè)備及管路布置的觀察，使學(xué)生能夠獲得充分得感性認(rèn)識(shí)，便于對(duì)實(shí)驗(yàn)流程和原理的掌握。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。 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(dòng)控制系統(tǒng)等。工況三：及太陽能直接運(yùn)行。工況二：夜間運(yùn)行即夜間或陰雨天取熱供熱運(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。當(dāng)系統(tǒng)用于供熱時(shí)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)。并且我們對(duì)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。（5）適用于多個(gè)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。（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。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。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(duì)許多連續(xù)用能的用戶來說是不能滿足要求的。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。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。第三章對(duì)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)。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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行熱量衡算，對(duì)系統(tǒng)各單元的基本參數(shù)進(jìn)行確定。對(duì)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(duì)熱媒體的響應(yīng)，畫出相變材料在蓄放熱過程中溫度隨時(shí)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(shí)間，找到相變蓄熱裝置的幾何特性、熱媒水的流動(dòng)特性以及相變材料的物化特性對(duì)相變蓄熱裝置放熱效率的影響規(guī)律。 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。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(duì)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。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。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(shí)間內(nèi)，且這段時(shí)間之外，主要是自然對(duì)流驅(qū)動(dòng)熔化過程。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?。得出了結(jié)構(gòu)尺寸、物性參數(shù)對(duì)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)[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)[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(shí)相變材料的熔化特性。日本在蓄熱裝置研究方面取得了較大的成就。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。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。 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(chǔ)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(shí)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(huì)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。10H2O體系的潛熱蓄熱及其熔凍行為，并對(duì)熔化熱的測定技術(shù)及計(jì)算公式進(jìn)行了研究。10H2ONaCl均勻固態(tài)物質(zhì)的初始熔化熱及上述樣品在15177。10H2O和NaCH3COO10H2O是開發(fā)研究最早的一種。文獻(xiàn)[6]中介紹了選擇相變材料必須以熱力學(xué)、動(dòng)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)。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。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(chǔ)熱材料，而后再考慮其它因素的影響。（3）經(jīng)濟(jì)條件 成本低廉，制備方便，便宜易得。在多組分時(shí)，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)。[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?，?duì)顯熱儲(chǔ)存材料要求材料的熱容大，對(duì)潛熱儲(chǔ)存材料要求相變潛熱大，對(duì)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(shí)體積變化小，蒸氣壓低，使之不易揮發(fā)損失。 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(chǔ)存起來，在需要的時(shí)候再把它釋放出來的物質(zhì)。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。而固固相變則是通過相變材料在發(fā)生相變時(shí)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(chǔ)、放熱。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(chǔ)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(chǔ)熱。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(duì)比較簡單，成本低。顯熱儲(chǔ)熱主要是利用蓄熱材料的溫度變化來儲(chǔ)存熱能，其蓄熱密度小，溫度波動(dòng)較大。有效解決這些問題的技術(shù)途徑之一就是采用儲(chǔ)能系統(tǒng)，它是緩解能量供求雙方在時(shí)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(duì)電網(wǎng)負(fù)荷峰、谷時(shí)間段電價(jià)分計(jì)的地區(qū)，它還可降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。 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(shí)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)。熱能儲(chǔ)存的方式主要有顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)熱等三種。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(jià)廉易得。潛熱儲(chǔ)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(chǔ)存，具有蓄熱密度高、溫度波動(dòng)?。▋?chǔ)、放熱過程近似等溫）、過程易控制等特點(diǎn)[13]。固液相變是通過相變材料的熔化過程進(jìn)行熱量儲(chǔ)存，通過相變材料的凝固過程來放出熱量。化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)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(chǔ)熱的，它在受熱和受冷時(shí)可發(fā)生可逆反應(yīng)，分別對(duì)外吸熱或放熱，這樣就可把熱能儲(chǔ)存起來。綜合比較三種熱能儲(chǔ)存方式，相變蓄熱以其儲(chǔ)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(chǔ)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(duì)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。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(chǔ)熱方式來看，可分為顯熱、潛熱及反應(yīng)儲(chǔ)熱三種；從儲(chǔ)熱的溫度來看，可分為高溫及低溫等類型。（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(shí)不分層；對(duì)潛熱型材料，要求凝固時(shí)無過冷現(xiàn)象，熔化時(shí)溫度變化小；穩(wěn)定性好。符合綠色化學(xué)要求，無毒、無腐蝕、無污染。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。國外對(duì)蓄熱材料的研究工作早在20世紀(jì)70年代就已開始。其中在蓄熱材料的理論研究工作方面，重點(diǎn)對(duì)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(chǔ)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。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(duì)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，Na2SO4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(duì)典型的無機(jī)水和鹽Na2SO43H2O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Na2SO4℃長時(shí)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(shí)對(duì)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(duì)Na2SO420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。因此采用有效的強(qiáng)化傳熱技術(shù)與設(shè)計(jì)高效的蓄