【正文】 熱換熱設(shè)備是提高潛熱蓄熱效率的關(guān)鍵。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。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]。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。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)[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。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。并通過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。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。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。因此，在這方面尚有許多工作有待開展。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。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)。繪制了實(shí)驗(yàn)臺系統(tǒng)流程圖。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。對實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差因素進(jìn)行了分析。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。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。（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。（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。考慮到太陽能熱泵系統(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)。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。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。此過程蓄熱器儲存熱量。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。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。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。通用性，多功能化是本系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。本系統(tǒng)可完成的實(shí)驗(yàn)有：（1）熱泵系統(tǒng)：熱泵機(jī)組的運(yùn)行、性能、熱平衡試驗(yàn)。（3）空氣調(diào)節(jié)處理系統(tǒng)：風(fēng)機(jī)盤管性能試驗(yàn)、表面式空氣換熱器熱工性能測定。（5）熱交換系統(tǒng)：換熱器換熱性能實(shí)驗(yàn)、有相變傳熱與無相變傳熱的比較等。 主要設(shè)備能量衡算 熱泵循環(huán)的熱力計(jì)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(jī)吸氣溫度：15℃；環(huán)境溫度：10℃；室內(nèi)要保持溫度：23℃；假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)狀態(tài)點(diǎn)01234P(Mpa)t(℃)5104035h(kJ/kg)s(kJ/kg?K)—ν(m /kg)———（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?zé)嵩此盏臒崃?。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 （）（4）工質(zhì)單位容積制熱量為：kJ/m3 （）（5）單位質(zhì)量工質(zhì)被壓縮機(jī)壓縮時消耗的功量為： kJ/kg （）（6）工質(zhì)質(zhì)量流量為：kg/s （）（7）壓力比 循環(huán)中壓縮機(jī)的排氣壓力和吸氣壓力之比，即 （） 各設(shè)備熱平衡計(jì)算（1）集熱器 （）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(qiáng)度，kW/m2； —蓋板對太陽能的透過率與吸收率的乘積； —集熱器的熱損耗系數(shù)，kW/m2K因此有：=50[(313263)]= （2）蒸發(fā)器 （）式中 —熱泵工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s； 、—蒸發(fā)器進(jìn)、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(jìn)、出口比焓，kJ/kg；由=，=，=，=，=所以有：kWkg/s（3）壓縮機(jī)輸入理論功 （）式中 —熱泵工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；、—壓縮機(jī)進(jìn)、出口工質(zhì)的比焓，kJ/kg；輸入有效功 ()式中可取=(機(jī)械效率)，=（內(nèi)效率），=（電機(jī)效率）由=，=，=所以有：kW =kW（4）冷凝器 （）式中 —熱泵工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s； 、—冷凝器進(jìn)、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(jìn)、出口比焓，kJ/kg；由=，=，=，=，=所以有： kg/s（5）蓄熱器 蓄熱器中溫度視為線形分布 ()式中 —集熱器熱損耗面積，m2； —集熱器熱損耗系數(shù)，kW/m2蓄熱器的效率： (215)（6）太陽能熱泵系統(tǒng)系統(tǒng)供熱性能系數(shù)： （）系統(tǒng)供熱效率： （）3 蓄熱器的設(shè)計(jì)選型 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(dǎo)熱。K），因此為了獲得足夠的充放熱功率，設(shè)計(jì)一種高效、緊湊的蓄熱裝置一直是潛熱蓄熱器設(shè)計(jì)和制造的一個難題。目前研究和應(yīng)用的蓄熱裝置結(jié)構(gòu)分類有很多種：（1）整體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(qiáng)化傳熱，往往加上肋、翅等擴(kuò)展表面來增加換熱面積。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。它的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得較大的換熱表面，也能解決PCM充放熱時體積應(yīng)力的難題，它的缺點(diǎn)是制造工藝復(fù)雜，成本很高。結(jié)構(gòu)多樣化的目的是通過增加換熱面積，強(qiáng)化蓄熱裝置傳熱性能，改善PCM導(dǎo)熱系數(shù)均小的缺點(diǎn)。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(lǐng)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(jìn)口管和流體出口管；下部是供熱流體通道，兩端分別連接有流體進(jìn)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。該換熱器具備蓄熱、釋熱功能，并可實(shí)現(xiàn)同時取、放熱功能。保溫筒由 1mm 厚的鍍鋅板煨制而成，（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。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(jìn)行計(jì)算，三個加熱筒的電加熱絲串聯(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。圖中螺旋盤管尺寸和結(jié)構(gòu)圖。六角頭螺栓蓄熱器上蓋十字槽自攻螺釘蓄熱器下法蘭盤蓄熱器外殼隔熱層內(nèi)膽耐熱橡膠密封墊聚乙烯塑料管（c）方形聚乙烯盤管蓄熱器換熱器出水管 換熱盤管 通氣管 箱體 外殼 換熱器進(jìn)水管 泄水管 水箱支座 保溫材料 1溢水管 蓄熱器選材和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)所考慮的主要因素和所需的有關(guān)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(guān)。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(jié)構(gòu)來改善其蓄能和釋能能力。（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(dǎo)和對流相對重要性，進(jìn)而對蓄熱器的經(jīng)濟(jì)性和可行性形成正確的認(rèn)識本課題設(shè)計(jì)的蓄熱器要與實(shí)驗(yàn)室太陽能熱泵系統(tǒng)相匹配。石蠟由直烷烴混合而成，分子式為CnH2n+2。常用PCM（n=1236）的融點(diǎn)為12℃℃。優(yōu)點(diǎn)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(jī)PCM中價格最低，缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)和密度小。 蓄熱器初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)綜合考慮各因素本課題擬采用的是小體積封裝式蓄熱器。蓄熱器為方便實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成可拆卸式，由筒體、法蘭、封頭、支腿幾部分組成。筒體以不銹鋼0Cr13作為原料，內(nèi)徑為600mm，長1172mm。法蘭采用甲型平焊法蘭，平密封面。為滿足不同的實(shí)驗(yàn)要求應(yīng)使蓄熱球體在蓄熱器有不同的排布方式。下面為有序排列方式的兩種示意圖： 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(diǎn)：（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(qiáng)度高，因此適合實(shí)驗(yàn)室長期使用。（3）蓄熱器采用法蘭連接，方便拆卸。 蓄熱器主要部件設(shè)計(jì)（1） 筒體設(shè)計(jì)：筒體計(jì)算厚度 （）式中 —筒體公稱直徑，mm； —筒體最大工作壓力，MPa；—設(shè)計(jì)溫度下筒體的計(jì)算應(yīng)力，MPa； —焊接系數(shù)；已知：=600mm，=，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)=，腐蝕裕量取=1mm，所以有：mm筒體設(shè)計(jì)厚度 mm （）對于0Cr13，鋼板負(fù)偏差=0，因而可取名義厚度=4mm。下面對選取的封頭進(jìn)行強(qiáng)度校核： （）式中 —設(shè)計(jì)溫度下封頭的計(jì)算應(yīng)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(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；已知： 封頭為DN4004—0Cr13 JB/ T4737，則=400mm，=4mm，=126MPa，封頭內(nèi)曲面高度=150mm，由，查表得=1，=，t=100℃，所以有：MPa126MPa所選封頭符合強(qiáng)度要求。為考慮缺陷對壓力容器安全性的影響。（2）實(shí)驗(yàn)壓力及應(yīng)力校核耐壓試驗(yàn)有液壓試驗(yàn)和氣壓試驗(yàn)兩種，是容器在使用前的第一次承壓，且試驗(yàn)壓力要比容器最高工作壓力高。由于在相同壓力和容積下，試驗(yàn)介質(zhì)的壓縮系數(shù)越大，容器所儲存的能量就越大。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(yùn)行條件不允許殘留液體時，才用氣壓實(shí)驗(yàn)。在液壓試驗(yàn)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。并在試驗(yàn)后立即將水漬清除干凈。MPa （）