相變蓄熱器及其實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)

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1、 相變蓄熱器及其實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 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)。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

2、價(jià)分計(jì)的地區(qū),它還可降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用。 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。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。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。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。 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)[1-3]。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

3、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。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。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。 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。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。 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、

4、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。 1.2 文獻(xiàn)綜述 1.2.1 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)。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。 圖1.1蓄熱材料分類示意圖[1] 理想的蓄熱材料應(yīng)符合以下條件: (1)熱力

5、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。 (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??;穩(wěn)定性好。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

6、及其它變化,使用安全,不易燃、易爆或氧化變質(zhì)。符合綠色化學(xué)要求,無毒、無腐蝕、無污染。 (3)經(jīng)濟(jì)條件 成本低廉,制備方便,便宜易得。 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。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。 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。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。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

7、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。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)。 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,Na2SO4·10H2O是開發(fā)研究最早的一種。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Na2SO4·10H2O和NaCH3COO·3H2O的成核作用進(jìn)行了系統(tǒng)研究;1985年胡起柱等人用DSC測(cè)定了

8、新制備的Na2SO4·10H2O-NaCl均勻固態(tài)物質(zhì)的初始熔化熱及上述樣品在15±0.1℃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)Na2SO4·10H2O體系的潛熱蓄熱及其熔凍行為,并對(duì)熔化熱的測(cè)定技術(shù)及計(jì)算公式進(jìn)行了研究。20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。 1.2.1

9、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。因此采用有效的強(qiáng)化傳熱技術(shù)與設(shè)計(jì)高效的蓄熱換熱設(shè)備是提高潛熱蓄熱效率的關(guān)鍵。 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。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(gè)傳熱強(qiáng)化的問題需要解決,以保證小溫差快速充熱、放熱。實(shí)際應(yīng)用中通常采用的方法是加金屬肋

10、片及采取擴(kuò)大接觸面積。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]。日本在蓄熱裝置研究方面取得了較大的成就。對(duì)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。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。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(duì)流強(qiáng)弱。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)[10]對(duì)翅片管的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)傳熱性能影響及管外自然對(duì)流效應(yīng)的效果作了詳

11、盡的理論分析求解。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)[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(shí)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。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?。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(shí),熔化過程傳熱量最多。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)[13]對(duì)板式、同心套管等相變貯能換熱器內(nèi)傳熱性能進(jìn)行

12、了計(jì)算分析。 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。其應(yīng)用領(lǐng)域包括: (1)動(dòng)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(chǔ)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(dòng)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。 但總的來說,在相變蓄

13、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。因此,在這方面尚有許多工作有待開展。 1.3 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。主要是為滿足本校熱能與動(dòng)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。對(duì)填充的相變材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析,測(cè)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

14、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。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)。 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。繪制了實(shí)驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)流程圖。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)。第四章針對(duì)蓄放熱實(shí)驗(yàn)要求,

15、設(shè)計(jì)搭建了蓄放熱實(shí)驗(yàn)平臺(tái),并對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。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(cè)了相變材料的蓄放熱曲線。對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的誤差因素進(jìn)行了分析。 2 實(shí)驗(yàn)室太陽能熱泵系統(tǒng) 2.1 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。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。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。將熱泵與太陽能設(shè)備、蓄熱機(jī)構(gòu)相連接,不

16、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。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。 (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。 (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。 (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(duì)自然環(huán)境幾乎不造成影響。

17、(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。 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(dòng)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)。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。實(shí)驗(yàn)室太陽能熱泵原理圖如下:圖2.1太陽能熱泵原理圖 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(dòng)控制裝置等。 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

18、的調(diào)節(jié)。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。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。此過程蓄熱器儲(chǔ)存熱量。工況二:夜間運(yùn)行即夜間或陰雨天取熱供熱運(yùn)行。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(shí)蓄熱器釋放熱量。工況三:及太陽能直接運(yùn)行。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。 2.3 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。包括與熱能與動(dòng)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)

19、盤管等,可以說是一個(gè)多功能實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。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(cè)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。通用性,多功能化是本系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。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。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)。 (2)制冷系統(tǒng):冷水機(jī)組性能測(cè)定,制冷機(jī)組熱平衡、性能試驗(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(cè)定。 (4)太陽能蓄熱系統(tǒng):相變材料熱物性參數(shù)的測(cè)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)

20、實(shí)驗(yàn)、集熱器效率實(shí)驗(yàn)等。 (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。 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。 2.4 主要設(shè)備能量衡算 2.4.1 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℃; 圖2.2壓力-比焓圖上的制熱循環(huán) 假設(shè)系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài) 表2.1確定循環(huán)

21、各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)表 狀態(tài)點(diǎn) 0 1 2 3 4 P(Mpa) 0.584 0.584 1.534 1.534 1.534 t(℃) 5 10 60.66 40 35 h(kJ/kg) 406.92 410.86 435.46 249.6 243.101 s(kJ/kg?K) 1.743- 1.758 1.758 1.168 — ν(m /kg) — 0.041 0.017 — — (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(shí)從低溫?zé)嵩此盏臒崃?。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

22、的比焓之差 kJ/kg (2.1) (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?,? kJ/m3 (2.2) (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。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 (2.3) (4)工質(zhì)單位容積制熱量為: kJ/m3 (2.4) (5)單位質(zhì)量工質(zhì)被壓縮機(jī)壓縮時(shí)消耗的功量為:

23、 kJ/kg (2.5) (6)工質(zhì)質(zhì)量流量為: kg/s (2.6) (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 (2.7) 2.4.2 各設(shè)備熱平衡計(jì)算 (1)集熱器 (2.8) 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(duì)太陽能的透過率與吸收率的乘積;

24、 —集熱器的熱損耗系數(shù),kW/m2·K; —集熱器吸收板平均溫度,K; —室外空氣溫度,K; 熱效率 (2.9) 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,=0.27kW/K 由文獻(xiàn)[14]得=0.3kW/m2,=0.92×0.94=0.8648,=0.001kW/m2·K 因此有: =50×[0.3×0.8648-0.001×(313-263)]=20.94kW

25、 (2)蒸發(fā)器 (2.10) 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=0.16kg/s,=410.86kJ/kg,=243.101kJ/kg,=50.38kJ/kg,=28.35kJ/kg 所以有:kW kg/s (3)壓縮機(jī) 輸入理論功 (2.11) 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

26、/kg; 輸入有效功 (2.12) 式中可取=0.85(機(jī)械效率),=0.80(內(nèi)效率),=0.96(電機(jī)效率) 由=0.156kg/s,=410.86kJ/kg,=435.46kJ/kg 所以有:kW =kW (4)冷凝器 (2.13) 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=0.16kg/s,=435.46kJ/kg,=

27、249.6kJ/kg,=134.06kJ/kg,=154.9kJ/kg 所以有: kg/s (5)蓄熱器 蓄熱器中溫度視為線形分布 (2.14) 式中 —集熱器熱損耗面積,m2; —集熱器熱損耗系數(shù),kW/m2·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。 蓄熱器的效率:

28、 (2-15) (6)太陽能熱泵系統(tǒng) 系統(tǒng)供熱性能系數(shù): (2.16) 系統(tǒng)供熱效率: (2.17) 3 蓄熱器的設(shè)計(jì)選型 3.1 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。但大部分PCM在固相與液相時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù)很小(<1.0W/m·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(gè)難題。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。 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

29、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。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。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(shì)。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。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(shí)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。 (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

30、、球形堆積床式、同心套管式、雙單盤管式蓄熱器。 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)。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,S.O.Enibe從PCM材料的封裝形式上(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;M.LACROIX對(duì)加熱方式和合理布置內(nèi)熱源進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,改進(jìn)了PCM傳熱性能。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

31、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(gè)部分與其組成一個(gè)整體。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。該換熱器具備蓄熱、釋熱功能,并可實(shí)現(xiàn)同時(shí)取、放熱功能。 圖3.1雙效相變蓄熱器結(jié)構(gòu)圖 1、取熱流體通道 2、蓄熱室 3、冷流體通道 4、取熱流體進(jìn)口管 5、取熱流體出口管 6、相變材料進(jìn)口管 7、相變

32、材料出口管 8、供熱流體進(jìn)口管 9、供熱流體出口管 10、熱管 11、肋片 12、變截面板 13、波紋板裝置 14、擾流板 15、上擋板 16、下?lián)醢?17、壓力控制元件 18、連接板 (b)圓柱形螺旋盤管蓄熱器 如圖3.2所示,蓄熱器主要由保溫筒、相變材料和三層螺旋盤管組成。保溫筒由 1mm 厚的鍍鋅板煨制而成,在每個(gè)加熱筒外均勻繞上φ0.8mm的電加熱絲(外套玻纖管電絕緣)作為附加熱源,供太陽能熱量不足時(shí)使用。保溫筒的直徑分別為φ1084mm和φ1144mm。每個(gè)加熱筒上的加熱功率(即電加熱絲的電阻值)按每個(gè)加熱筒上加熱的熱流密度相等進(jìn)行計(jì)算,三個(gè)加熱筒的電加熱絲串聯(lián)連接。三層螺旋盤管

33、亦串聯(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。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(cè)量蓄熱器內(nèi)溫度,分別距內(nèi)膽軸心距離為20mm、56mm和92mm。圖中螺旋盤管尺寸和結(jié)構(gòu)圖。螺旋盤管由φ32×2.5mm的低壓聚乙烯管繞制而成。 圖3.2相變螺旋盤管蓄熱器結(jié)構(gòu)圖 1、六角頭螺栓2、蓄熱器上蓋3、十字槽自攻螺釘4、蓄熱器下法蘭盤5、蓄熱器外殼6、隔熱層 7、內(nèi)膽8、耐熱橡膠密封墊9、聚乙烯塑料管 (c)方形聚乙烯盤管蓄熱器 圖3.3方形聚乙烯盤管蓄熱器 1、換熱器出水管 2、換熱盤管 3、通氣管 4、箱體 5

34、、外殼 6、換熱器進(jìn)水管 8、泄水管 9、水箱支座 10、保溫材料 11、溢水管 3.2 蓄熱器選材和初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3.2.1 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(chǔ)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)。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。 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。如果完全依靠實(shí)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

35、的傳熱和相變過程定量分析的數(shù)據(jù)。 (1)熱物性對(duì)儲(chǔ)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(shí)間 (4)液相PCM中傳導(dǎo)和對(duì)流相對(duì)重要性,進(jìn)而對(duì)蓄熱器的經(jīng)濟(jì)性和可行性形成正確的認(rèn)識(shí) 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。綜合考慮實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性確定石蠟為相變料。石蠟由直烷烴混合而成,分子式為CnH2n+2。隨鏈的增加,融點(diǎn)和融解熱增加。常用PCM(n=12-36)的融點(diǎn)為-12℃到75.9℃。融解熱為150kJ/kg到250kJ/kg。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(jià)格最低,缺點(diǎn)是導(dǎo)熱系數(shù)和密度小。

36、參考下表,考慮到太陽能集熱器熱媒體所達(dá)到的最高溫度,選擇C27H56 n-Heptacosane作為實(shí)驗(yàn)用相變材料 表3.1部分石蠟物性 英文名稱 碳原子數(shù) 分子量 融點(diǎn)℃ 融解熱kJ/kg n-Docosane 22 310 44 251 n-Tricosane 23 324 47.5 234.4 n-Tetracosane 24 338 50.6 249 n-Pentacosane 25 352 53.5 — n-Hexacosane 26 366 56.3 255.3 n-Heptacosane 27 380 58.8

37、 234.8 n-Octacosane 28 394 61.2 255.3 n-Nonacosane 29 408 64.4 238.6 n-Triacosane 30 422 65.4 251.2 n-Hentriacosane 31 436 68 242 n-Dotricosane 32 450 69.5 170.3 n-Tritriacosane 33 464 72 — 為滿足實(shí)驗(yàn)室長期使用的要求,本設(shè)計(jì)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。 3.2.2 蓄熱器初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 綜合考慮各因素

38、本課題擬采用的是小體積封裝式蓄熱器。相變材料封裝在直徑為100mm的不銹鋼球內(nèi),共有200個(gè)不銹鋼球,每個(gè)球體重量為0.9 kg。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。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(diǎn),因此筒體采用采用單層式圓筒。筒體以不銹鋼0Cr13作為原料,內(nèi)徑為600mm,長1172mm。蓄熱器上部橢圓封頭與筒體通過法蘭連接,下部封頭與筒體直接焊接在一起。法蘭采用甲型平焊法蘭,平密封面。整個(gè)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(dòng)載荷的機(jī)械設(shè)備剛性連接,因此采用B型腿式支座。為滿足不同

39、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。本設(shè)計(jì)方案蓄熱球體可總體分為有序和無序兩種形式,其中有序排列又可分為兩種形式。下面為有序排列方式的兩種示意圖: 圖3.4a支架一 圖3.4b支架二 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。 (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(jī)PCM中價(jià)格最低,符合實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)濟(jì)性要求。 (3)蓄熱器采用法蘭連接,方便拆卸。并且相變材料封裝在直徑

40、為100mm的不銹鋼球體內(nèi),可方便從蓄熱器中取出以改變蓄熱器的空隙率,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)不同工況要求。 3.2.3 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 (3.1) 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,=0.6MPa,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)=0.85,腐蝕裕量取=1mm,所以有:

41、 mm 筒體設(shè)計(jì)厚度 mm (3.2) 對(duì)于0Cr13,鋼板負(fù)偏差=0,因而可取名義厚度=4mm。 (2)橢圓形封頭設(shè)計(jì) 由上面計(jì)算知筒體厚度=4mm,據(jù)筒體公稱直徑=600mm,選取標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭DN400×4—0Cr13 JB/ T4737。下面對(duì)選取的封頭進(jìn)行強(qiáng)度校核: (3.3) 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

42、用應(yīng)力,MPa; 圖3.5橢圓形封頭示意圖 已知: 封頭為DN400×4—0Cr13 JB/ T4737,則=400mm,=4mm,=126MPa,封頭內(nèi)曲面高度=150mm,由,查表得=1,=0.6MPa,t=100℃,所以有: MPa126MPa 所選封頭符合強(qiáng)度要求。 3.2.4 壓力試驗(yàn) (1)壓力試驗(yàn)的目的 除材料本身的缺陷外,容器在制造(特別是焊接過程)和使用中會(huì)產(chǎn)生各種缺陷。為考慮缺陷對(duì)壓力容器安全性的影響。壓力容器制造完畢后或定期檢查時(shí),都要進(jìn)行壓力試驗(yàn)。 (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

43、要比容器最高工作壓力高。容器發(fā)生爆破的可能性比使用時(shí)大。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(chǔ)存的能量就越大。爆炸也就越危險(xiǎn),故應(yīng)選用壓縮系數(shù)小的流體作為實(shí)驗(yàn)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(yùn)行條件不允許殘留液體時(shí),才用氣壓實(shí)驗(yàn)。本設(shè)計(jì)只需進(jìn)行液壓試驗(yàn)。在液壓試驗(yàn)時(shí),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(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí),還應(yīng)將水中氯離子含量控制在內(nèi)。并在試驗(yàn)后立即將水漬清除干凈。 內(nèi)壓容器試驗(yàn)壓力為: MPa (3.4) 為使液壓試驗(yàn)時(shí)

44、容器材料處于彈性狀態(tài),在壓力試驗(yàn)前必須按下式校核實(shí)驗(yàn)時(shí)圓筒的薄膜應(yīng)力。 MPa (3.5) (3.6) 3.2.5 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(jì)手冊(cè)查得DN=600mm的單位長度的筒體容積為V0=0.283m3,設(shè)計(jì)筒體高h(yuǎn)=1160mm所以筒體容積為: V銅=hV0=0.283×1.160=0.328m3 (3.7) 由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得DN=600mm,直邊高h(yuǎn)=2

45、5mm的橢圓形封頭V封=0.0352m3,所以設(shè)計(jì)的蓄熱器容積V: V=V銅+2V封=0.328+2×0.0352=0.363m3 (3.8) (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M1、封頭質(zhì)量M2及支腿質(zhì)量M3。由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)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=1.160×60=69.6kg 由化工設(shè)備設(shè)計(jì)手冊(cè)查得DN=600mm,厚δ=4mm的直邊高h(yuǎn)=25mm的橢圓形封頭質(zhì)量M2=22kg,支腿質(zhì)量M3=1

46、6.4kg,所以有 M=M1+2M2+3M3=69.6+2×22+3×16.4=162.8kg (3.9)

47、 4 蓄熱器蓄放熱性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì) 4.1 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì) 蓄熱器蓄放熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)充分利用了太陽能熱泵系統(tǒng)的現(xiàn)有設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)多功能化的要求,節(jié)約了實(shí)驗(yàn)室建設(shè)投資。由太陽能集熱器提供高溫?zé)嵩矗瑴p少了能源消耗,符合節(jié)約型現(xiàn)代化社會(huì)的要求。 實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)的指導(dǎo)方針是結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行合理、經(jīng)濟(jì)適用。我們要進(jìn)行的是蓄熱槽的蓄放熱特性實(shí)驗(yàn)。蓄熱器是實(shí)驗(yàn)臺(tái)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(jì)為可拆卸的結(jié)構(gòu),封頭和筒體由法蘭

48、連接。蓄熱器的主要功能是給相變材料提供安放場(chǎng)所。相變材料要進(jìn)行蓄放熱實(shí)驗(yàn),就必須給蓄熱器提供高溫?zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩础.?dāng)高溫?zé)崦襟w或低溫?zé)崦襟w流經(jīng)蓄熱器時(shí),熱媒體就將與相變材料進(jìn)行對(duì)流換熱,以實(shí)現(xiàn)相變材料的蓄熱或放熱過程。為了提供高溫?zé)嵩?,我們?cè)O(shè)計(jì)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(jìn)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(dòng)溫度控制裝置,這樣的話,我們就可以按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置恒溫水箱中熱媒體的溫度,保證進(jìn)入蓄熱器的水溫度較恒定(精度在±1℃)。 同時(shí),在相變材料放熱過程中,我們需

49、要提供低溫?zé)崦襟w。由此我們?cè)O(shè)計(jì)了風(fēng)機(jī)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(jī)盤管,和蓄熱器經(jīng)過熱交換的熱媒體流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管向外散出熱量,在泵的作用返回太陽能集熱器,同時(shí)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(shí),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(dá)到進(jìn)入蓄熱器時(shí)溫度較恒定的要求。可見系統(tǒng)可以較方便的提供符合實(shí)驗(yàn)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(dòng),考

50、慮實(shí)驗(yàn)要求的熱媒體流量和整個(gè)系統(tǒng)的阻力,在系統(tǒng)中布置了水泵為系統(tǒng)提供動(dòng)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?cè)谙嘧儾牧仙喜贾昧藷犭娕?,在管路中布置了鉑電阻。另外我們?cè)趯?shí)驗(yàn)臺(tái)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(yùn)行。 本課題設(shè)計(jì)的蓄熱器蓄放熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)以下幾種運(yùn)行模式: (1)系統(tǒng)預(yù)加熱:對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的水進(jìn)行加熱把水溫升高到實(shí)驗(yàn)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(jìn)、出口閥門,對(duì)系統(tǒng)中其他部分的水繼續(xù)加熱,直至達(dá)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(jìn)、出口閥門,使高溫?zé)崦襟w水流經(jīng)蓄熱器并與

51、之換熱。 (4)變流量蓄熱:改變閥門開度以改變進(jìn)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(jìn)、出口閥門,迅速降低系統(tǒng)中其它部分水的溫度,以達(dá)到放熱過程所需要的水溫。 (6)全流量放熱:打開蓄熱器進(jìn)、出口閥門,使低溫媒體水流經(jīng)蓄熱器與相變材料進(jìn)行換熱 (7)變流量放熱:改變閥門開度以改變進(jìn)入蓄熱器的低溫媒體水的流量。 4.2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的測(cè)試內(nèi)容及測(cè)試手段 (1)測(cè)試內(nèi)容:相變材料及熱媒體在蓄放熱過程中的溫度。 (2)測(cè)試手段:在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的管路上及相變材料中,我們?cè)O(shè)置了多個(gè)溫度傳感器(鉑電阻、熱電偶)。在實(shí)驗(yàn)過程中,將溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集儀以及計(jì)算機(jī)三者正確連接起來,熱電偶

52、密封在相變材料被測(cè)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(hào)傳入到數(shù)據(jù)采集儀,我們便可在電腦中即時(shí)觀測(cè)并自動(dòng)存儲(chǔ)實(shí)驗(yàn)過程中熱媒體、相變材料的溫度變化情況。如圖4-1所示。 圖4.1溫度測(cè)試示意圖 4.3 實(shí)驗(yàn)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(cè)量能力與靈敏的信號(hào)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(jì)算機(jī)一起使用以收集與分析測(cè)量數(shù)據(jù),以及對(duì)輸入的數(shù)據(jù)執(zhí)行實(shí)時(shí)顯示和分析,檢測(cè)的溫度

53、通過HP34970A數(shù)據(jù)記錄儀自動(dòng)的儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)中。 數(shù)據(jù)采集儀后部內(nèi)置有三個(gè)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(gè)模塊都有自己的微處理器,為主機(jī)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(chǔ)有多達(dá)50000個(gè)帶有時(shí)間標(biāo)記的讀數(shù);每臺(tái)儀器有60個(gè)通道,單通道上的讀取速度為每秒600個(gè)讀數(shù),掃描速度為每秒250個(gè)通道;標(biāo)準(zhǔn)的HP-IB(IEEE-488)和RS-232接口,一次只能啟用一個(gè)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

54、所測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為內(nèi)部數(shù)字萬用表可以測(cè)量的電信號(hào)。輸入信號(hào)被多路傳送到內(nèi)部數(shù)字萬用表的信號(hào)調(diào)節(jié)部分中,包括切換、量程和放大電路。如果輸入信號(hào)為直流電壓,信號(hào)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(hào)是交流電壓,則轉(zhuǎn)換器用于將交流電信號(hào)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(cè)量電阻器兩端的直流電壓降進(jìn)行電阻測(cè)量。 溫度傳感器的測(cè)量一般是最初的電阻或電壓測(cè)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(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為電量,然后可測(cè)量電量結(jié)果轉(zhuǎn)換為工程單位,測(cè)量熱電偶時(shí),儀器測(cè)量交流電

55、壓并通過數(shù)字運(yùn)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ITS-90。 溫度測(cè)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(fèi)用。溫度傳感器中的電阻溫度檢測(cè)器有最高的穩(wěn)定性。電阻溫度檢測(cè)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(cè)量出電阻溫度檢測(cè)器電阻的變化并計(jì)算出相應(yīng)的溫度變化。電阻溫度檢測(cè)器的輸出線性度很高,因此它的精確度就很高,是長期測(cè)量的最佳選擇。 (2)熱電偶:蓄熱裝置蓄熱材料的溫度檢測(cè)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(shí),就有電壓產(chǎn)生。這個(gè)電

56、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(jì)算出結(jié)溫。T型熱電偶的溫度范圍為-200℃~400℃,探頭精度±0.5℃~1℃。 熱電偶測(cè)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(gè)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(gè)溫度,第三種金屬的影響是很小的。市場(chǎng)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(kuò)散進(jìn)入熱電偶導(dǎo)線。一個(gè)焊接不好的連接會(huì)在熱電偶測(cè)量中造成誤差。熱電偶結(jié)的開路可通過測(cè)量熱電偶的阻抗來檢測(cè)。一般大于5kΩ的阻抗表示熱電偶有缺

57、陷。HP34970A包含一個(gè)內(nèi)置的自動(dòng)熱電偶檢測(cè)功能。儀器在每次熱電偶測(cè)量后測(cè)量通道阻抗,以確保連接良好。 (b)擴(kuò)散誤差:在熱電偶的擴(kuò)散是指沿導(dǎo)線改變其合金類型的過程。大氣分子確實(shí)會(huì)擴(kuò)散到金屬中。這些導(dǎo)線中的合金改變?cè)跍y(cè)量中注入了電壓的細(xì)微改變。導(dǎo)線暴露在高溫中或在承受拉伸或振動(dòng)的物理應(yīng)力時(shí),會(huì)發(fā)生擴(kuò)散現(xiàn)象。擴(kuò)散引起的溫度誤差很難檢測(cè)到,因?yàn)闊犭娕既詫?duì)溫度變化有反應(yīng),并給出接近正確的結(jié)果。擴(kuò)散的影響經(jīng)常被作為溫度測(cè)量的漂移被檢測(cè)。更換存在擴(kuò)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(huì)因擴(kuò)散而改變。仔細(xì)檢查整個(gè)測(cè)量路徑,尋找溫度極點(diǎn)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

58、。 (c)分流阻抗:熱電偶導(dǎo)線和延伸導(dǎo)線的絕緣會(huì)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(gè)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(duì)熱電偶測(cè)量的影響。共模噪聲是由類似電源線和馬達(dá)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(shí),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(hù)測(cè)量。共模噪聲會(huì)對(duì)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(jì)算誤差:是將熱電偶的電壓轉(zhuǎn)化為溫度的過程

59、中注入的固有誤差。計(jì)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(cè)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(cè)溫精度高,性能穩(wěn)定,抗氧化等優(yōu)點(diǎn)。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(hù)方可使用。 (4)流量計(jì) 實(shí)驗(yàn)臺(tái)選用渦輪流量計(jì),精確度0.5級(jí),量程為0.6~4m3/h,測(cè)量中可能產(chǎn)生的儀表誤差不超過滿量程的0.5~1%,即(4-0.6)×0.5%=0.017m3/h,(4-0.6)×1%=0.034m3/h。 4.4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建 根據(jù)上述設(shè)計(jì)思路,搭建了實(shí)驗(yàn)

60、臺(tái)。實(shí)驗(yàn)臺(tái)包括太陽能集熱器、蓄熱器、恒溫水箱、風(fēng)機(jī)盤管、水泵、壓力表、流量計(jì)以及管道、閥門,數(shù)據(jù)采集儀等。實(shí)驗(yàn)裝置外觀圖(見圖 4.2a、2b、2c、2d、2e) 圖4.2a太陽能集熱器 圖4.2b裝有相變材料的蓄熱球體 圖4.2c恒溫水箱 圖4.2d風(fēng)機(jī)盤管 圖4.2e數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 5 蓄熱器蓄放熱特性實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 5.1 實(shí)驗(yàn)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(cè)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(jì)法; (2) 差熱分析法(Differential Thermal Analysis,簡稱

61、DTA); (3) 差式掃描量熱法(Differential Scanning Calorimeter,簡稱DSC); 膨脹系數(shù)的測(cè)定,在測(cè)量精度不高時(shí),通常采用簡單的融化-固化體積計(jì)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(xì)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(shí)驗(yàn)中相變材料為石蠟

62、,材料的分子式為C27H56,英文名稱是n-Heptacosane,屬于低溫有機(jī)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(jī)PCM中價(jià)格最低。材料物性如下:相變潛熱:156.819J/g,相變溫度 58.8℃,導(dǎo)熱系數(shù):0.284W/(m·K)。 5.2 相變材料預(yù)測(cè)的蓄放熱曲線 相變材料傳熱過程有以下特點(diǎn): (1)兩相之間存在著移動(dòng)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。 圖5.1相變過程形態(tài) 按照相變材料的特性,蓄熱曲線存在兩種:相變材料在單點(diǎn)發(fā)生相變,見曲線5-2a;

63、 相變材料在一個(gè)溫度區(qū)間發(fā)生相變,見曲線5-2b。這兩種蓄熱曲線都分為四個(gè)階段:一、顯熱階段;二、潛熱階段;三、顯熱階段;四、穩(wěn)定階段。 圖5.2a蓄熱曲線 圖5.2b蓄熱曲線 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(diǎn)發(fā)生相變且不存在過冷度現(xiàn)象,見曲線5-3a;放熱曲線5-3b沒出現(xiàn)相變平臺(tái),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

64、料是在一個(gè)溫度區(qū)間發(fā)生相變。放熱曲線同樣也分為四個(gè)階段:一、顯熱階段;二、潛熱階段;三、顯熱階段;四、穩(wěn)定階段。 圖5.3a放熱曲線 圖5.3b放熱曲線 5.3 蓄熱器蓄放熱性能實(shí)驗(yàn) 5.3.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? (1)采集相變材料和流體在蓄放熱過程中的溫度值,以觀測(cè)相變材料與流體在蓄放熱過程中溫度與時(shí)間的關(guān)系曲線,以此來觀察相變材料的相變特性,判斷相變材料的相變溫度區(qū)間,判斷相變材料的穩(wěn)定性; (2)通過觀測(cè)相變材料和流體的溫度與時(shí)間的變化關(guān)系,得到相變材料的蓄放熱時(shí)間曲線,以此分析熱媒體流量及溫度與相變材料蓄放熱時(shí)間的關(guān)

65、系,計(jì)算蓄熱器的蓄放熱效率。 5.3.2 實(shí)驗(yàn)原理 相變材料的利用主要體現(xiàn)在潛熱的釋放與吸收方面,所以相變過程中材料本身的傳熱性能是相變材料是否適用與否的關(guān)鍵。通過對(duì)相變材料的實(shí)驗(yàn)分析對(duì)相變材料的有效利用、系統(tǒng)的優(yōu)化及性能的預(yù)測(cè)具有重要意義。 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(shí),將吸收相變熱,進(jìn)行逆過程時(shí),則將釋放相變熱。這就是潛熱式蓄熱的基本原理。蓄熱器利用了相變材料高溫相變的特性,當(dāng)相變材料達(dá)到熔點(diǎn)時(shí),出現(xiàn)吸收物質(zhì)熔化潛能的相變化,蓄熱器蓄熱;蓄熱器通過相變材料的倒相,使相變材料釋放熔化潛熱達(dá)到放熱目的。這樣可以使系統(tǒng)在必要的恒溫下能夠獲取熱能。

66、 圖5.3蓄熱實(shí)驗(yàn)原理圖 1、太陽能集熱器 2、蝶形閥門4、恒溫水箱(底部有電加熱器)6、離心式水泵7、渦輪流量計(jì)8、數(shù)據(jù)采集儀9、供數(shù)據(jù)分析用的計(jì)算機(jī)10、蓄熱器11、溫度計(jì)、15、風(fēng)機(jī)盤管16、溫度控制裝置 注:圖中3、5、13、14與2相同,6和12相同。 蓄熱工況:熱媒體經(jīng)太陽能集熱器加熱后到恒溫水箱達(dá)到蓄熱工況所需溫度后經(jīng)過蓄熱器和相變材料換熱后由泵打回集熱器?;玖鞒虨?-2-4-6-7-10-12-13-1; 放熱工況:恒溫水箱中的水達(dá)到放熱工況的溫度時(shí)流經(jīng)蓄熱器完成換熱再經(jīng)過風(fēng)機(jī)盤管向外散熱返回集熱器?;玖鞒虨?-6-7-10-12-15-1-4。 5.3.3 實(shí)驗(yàn)中的主要設(shè)備及其作用 實(shí)驗(yàn)中所用的主要設(shè)備有:太陽能集熱器、恒溫水箱、蓄熱器、數(shù)據(jù)采集儀、風(fēng)機(jī)盤管等,另外還有閥門、水泵、溫度計(jì)、熱電偶等附屬設(shè)備。 太陽能集熱器:實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的高溫?zé)嵩矗瑸閷?shí)驗(yàn)提供高溫?zé)崦襟w; 恒溫水箱:穩(wěn)定熱媒體水的溫度,使其熱媒體水能夠以實(shí)驗(yàn)所要求的溫度進(jìn)入蓄熱器; 蓄熱器:提供相變材料放置場(chǎng)所,儲(chǔ)存并釋放能量。相變材料蓄熱時(shí),熱媒體自上而下流過蓄熱器;相變

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