【正文】 過程進行熱量儲存，通過相變材料的凝固過程來放出熱量?；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。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、易與運行系統(tǒng)匹配、易于控制等突出的優(yōu)點，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。它的種類很多，從材料的化學(xué)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。（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?。环€(wěn)定性好。符合綠色化學(xué)要求，無毒、無腐蝕、無污染。在實際研制過程中，要找到滿足所有這些條件的相變材料非常困難。國外對蓄熱材料的研究工作早在20世紀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)備等進行了詳細的理論研究[4]，討論了六水氯化鈉的相變熱穩(wěn)定性；文獻[5]中詳盡討論了含水鈉鹽的熱穩(wěn)定性。我國是在20世紀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水合鹽類，在眾多的無機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)院德水等人對典型的無機水和鹽Na2SO43H2O的成核作用進行了系統(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Na2SO420世紀90年代中期，我國的研究重點才轉(zhuǎn)向有機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。因此采用有效的強化傳熱技術(shù)與設(shè)計高效的蓄熱換熱設(shè)備是提高潛熱蓄熱效率的關(guān)鍵。因為絕大多數(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弱。文獻[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[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)境溫度與進口溫度積的1/2次冪時，熔化過程傳熱量最多。文獻[13]對板式、同心套管等相變貯能換熱器內(nèi)傳熱性能進行了計算分析。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、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：電子元件的熱保護與低溫環(huán)境下的運行。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)實驗室建設(shè)需要，設(shè)計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)有機配合、高效節(jié)能運行。將實驗結(jié)果和數(shù)值計算的結(jié)果進行比較，為相變蓄熱裝置的特性分析以及優(yōu)化設(shè)計提供實驗依據(jù)。繪制了實驗臺系統(tǒng)流程圖。第四章針對蓄放熱實驗要求，設(shè)計搭建了蓄放熱實驗平臺，并對實驗裝置設(shè)備進行了詳細的介紹。對實驗中出現(xiàn)的誤差因素進行了分析。其特點是：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，為滿足熱能與動力工程專業(yè)實驗教學(xué)要求我們建設(shè)了實驗室太陽能熱泵系統(tǒng)。實驗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)值分析用的計算機、熱泵、風(fēng)機盤管、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)運行即白天蓄熱供熱運行。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、蒸發(fā)器、冷凝器、風(fēng)機盤管等，可以說是一個多功能實驗平臺。通用性，多功能化是本系統(tǒng)的最大特點。本系統(tǒng)可完成的實驗有：（1）熱泵系統(tǒng)：熱泵機組的運行、性能、熱平衡試驗。（3）空氣調(diào)節(jié)處理系統(tǒng)：風(fēng)機盤管性能試驗、表面式空氣換熱器熱工性能測定。（5）熱交換系統(tǒng)：換熱器換熱性能實驗、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)中壓縮機的排氣壓力和吸氣壓力之比，即 （） 各設(shè)備熱平衡計算（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、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、出口比焓，kJ/kg；由=，=，=，=，=所以有：kWkg/s（3）壓縮機輸入理論功 （）式中 —熱泵工質(zhì)的質(zhì)量流量，kg/s；、—壓縮機進、出口工質(zhì)的比焓，kJ/kg；輸入有效功 ()式中可取=(機械效率)，=（內(nèi)效率），=（電機效率）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、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、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)計一種高效、緊湊的蓄熱裝置一直是潛熱蓄熱器設(shè)計和制造的一個難題。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，為了強化傳熱，往往加上肋、翅等擴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，強化蓄熱裝置傳熱性能，改善PCM導(dǎo)熱系數(shù)均小的缺點。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行計算，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 設(shè)計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，進而對蓄熱器的經(jīng)濟性和可行性形成正確的認識本課題設(shè)計的蓄熱器要與實驗室太陽能熱泵系統(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）的融點為12℃℃。優(yōu)點是融解熱大、一般不過冷、不析出、性能穩(wěn)定、無腐蝕性且在有機PCM中價格最低，缺點是導(dǎo)熱系數(shù)和密度小。 蓄熱器初步結(jié)構(gòu)設(shè)計綜合考慮各因素本課題擬采用的是小體積封裝式蓄熱器。蓄熱器為方便實驗設(shè)計成可拆卸式，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。為滿足不同的實驗要求應(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：（1）蓄熱器除支腿外均采用不銹鋼做原材料，不銹鋼耐腐蝕、強度高，因此適合實驗室長期使用。（3）蓄熱器采用法蘭連接，方便拆卸。 蓄熱器主要部件設(shè)計（1） 筒體設(shè)計：筒體計算厚度 （）式中 —筒體公稱直徑，mm； —筒體最大工作壓力，MPa；—設(shè)計溫度下筒體的計算應(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)計厚度 mm （）對于0Cr13，鋼板負偏差=0，因而可取名義厚度=4mm。下面對選取的封頭進行強度校核：