优质毕业设计正文相变蓄热器及其实验台设计.doc

1 引言
1．1 概述
能源是人类赖以生存基础，伴随全球工业迅猛发展，能源问题越来越为大家所关注。不过在很多能源利用系统中（如太阳能系统、建筑物空调和采暖系统、冷热电联产系统、废热利用系统等）存在着能量供给和需求之间时间性差异，即存在着供能和耗能之间不协调性，从而造成了能量利用不合理性和大量浪费。有效处理这些问题技术路径之一就是采取储能系统，它是缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹配有效方法，是合理利用能源及减轻环境污染有效路径，是广义热能系统优化运行关键手段，而且使对应系统可按平均负荷设计，节省系统初投资，对电网负荷峰、谷时间段电价分计地域，它还可降低系统运行费用。
热能储存方法关键有显热储热、潜热储热和化学反应储热等三种。显热储热关键是利用蓄热材料温度改变来储存热能，其蓄热密度小，温度波动较大。但这种蓄热材料本身能够从自然界直接取得，如水，岩石活卵石材料等，化学稳定性好，价廉易得。在传热方面，能够采取直接接触式换热，或传热流体本身就是蓄热介质，所以蓄、放热过程中强化传热技术相对比较简单，成本低。
潜热储热也称相变蓄热，是利用相变材料（PCM）相转变潜热进行热能储存，含有蓄热密度高、温度波动小（储、放热过程近似等温）、过程易控制等特点[1-3]。发生相变过程有四种，常被利用相变过程有固-液、固-固相变两种类型，而固-气和液-气相变即使能够储存较多热量，但因气体占有体积大，使体系增大，设备复杂，所以通常不用于储热。固-液相变是经过相变材料熔化过程进行热量储存，经过相变材料凝固过程来放出热量。而固-固相变则是经过相变材料在发生相变时固体分子晶体结构有序-无序转变而可逆地进行储、放热。
化学反应储热是利用可逆化学反应经过热能和化学热转换储热，它在受热和受冷时可发生可逆反应，分别对外吸热或放热，这么就可把热能储存起来。其关键优点是蓄热量大，而且假如反应过程能用催化剂或反应物控制，可长久蓄存热量。
综合比较三种热能储存方法，相变蓄热以其储热密度大、蓄热器结构紧凑、体积小、热效率高、吸放热温度恒定、易和运行系统匹配、易于控制等突出优点，日趋成为储热系统首选系统，在很多节能和新能源利用领域含有诱人应用前景，所以对相变蓄热材料、相变蓄热器研究得到了中国外学者广泛关注。
1.2 文件综述
1.2.1 相变蓄热材料研究
相变材料就是一个能把过程余热、废热或太阳能吸收并储存起来，在需要时候再把它释放出来物质。它种类很多，从材料化学组成来看，可分为无机及有机材料（包含高分子类）两类；从储热方法来看，可分为显热、潜热及反应储热三种；从储热温度来看，可分为高温及低温等类型。
图1.1蓄热材料分类示意图[1]
理想蓄热材料应符合以下条件：
（1）热力学条件 适宜相变温度，因为相变温度正是所需要控制特定温度，对显热储存材料要求材料热容大，对潜热储存材料要求相变潜热大，对反应热要求反应热效应大；材料热导率高，要求材料不管是液态还是固态，全部有较高热导率，以使热量能够方便存入和取出；性能稳定，能够反复使用熔析和副反应；在冷、热状态下或固、液状态下，材料密度大，从而体积能量密度大，相变时体积改变小，蒸气压低，使之不易挥发损失。
（2）化学条件 腐蚀性小、和容器相容性好、无毒、不易燃、无偏析倾向、熔化或凝固时不分层；对潜热型材料，要求凝固时无过冷现象，熔化时温度改变小；稳定性好。在多组分时，各组分之间结合要牢靠，不能发生离析、分解及其它改变，使用安全，不易燃、易爆或氧化变质。符合绿色化学要求，无毒、无腐蚀、无污染。
（3）经济条件 成本低廉，制备方便，廉价易得。
在实际研制过程中，要找到满足全部这些条件相变材料很困难。所以，大家往往考虑有适宜相变温度和有较大相变潜热储热材料，以后再考虑其它原因影响。
国外对蓄热材料研究工作早在20世纪70年代就已开始。最早是以节能为目标，从太阳能和风能利用及废热回收，经过不停地发展，逐步扩展到化工、交通、能源、电子等领域。其中在蓄热材料理论研究工作方面，关键对蓄热材料组成、蓄热容量随热循环改变情况、相变寿命、储存设备等进行了具体理论研究[4]，讨论了六水氯化钠相变热稳定性；文件[5]中详尽讨论了含水钠盐热稳定性。文件[6]中介绍了选择相变材料必需以热力学、动力学、化学、经济性准则为依据，并依靠这些准则分析比较，给出了大量适合于低、中、高温范围内相变材料及基础热物理性能参数。
中国是在20世纪80 年代开始着手研究蓄热材料，而且早期关键研究对象是相变蓄热材料中无机水合盐类，在众多无机水合盐相变蓄热材料中，Na2SO4·10H2O是开发研究最早一个。中国关键研究工作有：1983年华中师范大学院德水等人对经典无机水和盐Na2SO4·10H2O和NaCH3COO·3H2O成核作用进行了系统研究；1985年胡起柱等人用DSC测定了新制备Na2SO4·10H2O-NaCl均匀固态物质初始熔化热及上述样品在15±0.1℃长时间保温后熔化热；1990年哈尔滨船舶工程学院周云峰等人研制蓄热材料是由结晶碳酸钠、结晶硫酸钠、尿素、硫酸钾、水和结晶剂组成，它含有良好蓄热性能，原料成本低、无毒、无腐蚀性，生产时对环境不造成任何污染何产品能够数年循环使用，适适用于多种温室冬季采暖，节省能源；同年，杭州大学孙鑫泉等人对Na2SO4·10H2O体系潜热蓄热及其熔冻行为，并对熔化热测定技术及计算公式进行了研究。20世纪90年代中期，中国研究关键才转向有机蓄热材料及固-固相变蓄热材料，但研究种类和方法还比较少。
1.2.1 相变蓄热设备研究
相变蓄能换热设备和一般换热设备和显热储能设备相比，其突出特点是换热设备中部署流体管道同时需部署相变材料，而且依据相变传热特征，相变材料和流体传热过程中因相变材料不停发生相变而使相变材料侧传热热阻逐步增大，当相变材料层完全发生相变后会使系统有效传热面积逐步减小，从而造成流体侧温度随之发生改变。所以采取有效强化传热技术和设计高效蓄热换热设备是提升潜热蓄热效率关键。
相变潜热蓄热装置研究是蓄热技术研究中关键部分。因为绝大多数相变材料其导热性能差，所以相变蓄热器有一个传热强化问题需要处理，以确保小温差快速充热、放热。实际应用中通常采取方法是加金属肋片及采取扩大接触面积。假如把相变材料先分装在小容器内（盘、球、柱、板等），再以一定方法排列于蓄热器中，形成了胶囊、圆盘、球、圆柱、周向或纵向翅片管式相变潜热蓄热器[7]。日本在蓄热装置研究方面取得了较大成就。对金属氢化物蓄热器、潜热胶囊蓄热方法、蓄热槽、蓄热材料容器封口方法等方面研究深入。文件[8]中具体地介绍了以U型弯头连接水平管作为蓄热器换热面时相变材料熔化特征。并取得了相变材料在熔化过程中热阻改变特征及自然对流强弱。文件[9]采取管外径向方形翅片来提升蓄热器传热能力，并试验研究了这种结构传热特征。文件[10]对翅片管结构参数对传热性能影响及管外自然对流效应效果作了详尽理论分析求解。得出了结构尺寸、物性参数对蓄热过程影响，总结指出了优化结构设计范围。文件[11]从理论上分析了圆管外相变材料在熔化过程中温度分布及充热时间关系式，并探讨了相变材料和流体热物理性能、热交换器大小、流体在层流或紊流区内热转换性能等。文件[12]中提出在给定热源情况下，有多少热量可传输到相变材料中。并经过分析充热过程熵变法，最终结论指出：当相变材料温度等于环境温度和进口温度积1/2次幂时，熔化过程传热量最多。分析并得到了熔化过程由纯导热控制仅仅存在于早期一段时间内，且这段时间之外，关键是自然对流驱动熔化过程。文件[13]对板式、同心套管等相变贮能换热器内传热性能进行了计算分析。
伴随蓄热材料研究深入，相变蓄热系统实际应用领域也逐步扩大。其应用领域包含：
（1）动力系统：小功率电站、太阳能发电、低温热机、热电联产系统、核电站；
（2）废热回收：适合于多种工业或公用设施中回收废热；
（3）储存太阳能：太阳能供暖、供热水；
（4）制冷空调系统：蓄冷、蓄热；
（5）建筑材料：空调式建材、防冻式地面、节能式建筑材料；
（6）民用设施：保暖服装、高效保温瓶（杯）、暖手器、热水器等；
（7）交通设施：用于冬季汽车内采暖、开启和废热利用等；
（8）采暖系统：蓄热锅炉等；
（9）电子设备：电子元件热保护和低温环境下运行。
但总来说，在相变蓄热设备研究及应用方面，现在进行工作还较少，中国也只是对应用于太阳暖房、农用日光温室等领域进行了应用研究。所以，在这方面还有很多工作有待开展。
1.3 本课题起源和关键研究内容
本设计是省教育厅课题“新型高效相变蓄热器蓄放热特征”和市科技局课题“太阳能热供暖系统研制及智能控制系统开发”一部份。关键是为满足本校热能和动力工程专业试验室建设需要，设计出和太阳能热泵相匹配相变蓄热器，使其在满足蓄热量要求前提下，蓄热装置达成较高蓄放热效率、适宜蓄放热速率；使蓄热装置和空调系统有机配合、高效节能运行。对填充相变材料进行试验分析，测定相变材料在蓄放热过程中温度，观察相变材料对热媒体响应，画出相变材料在蓄放热过程中温度随时间改变曲线，验证相变材料相变阶段位置，得到相变材料蓄放热时间，找到相变蓄热装置几何特征、热媒水流动特征和相变材料物化特征对相变蓄热装置放热效率影响规律。将试验结果和数值计算结果进行比较，为相变蓄热装置特征分析和优化设计提供试验依据。
本文将上述内容分述在以下章节：第二章介绍了试验室太阳能热泵系统，并对整个系统进行热量衡算，对系统各单元基础参数进行确定。绘制了试验台系统步骤图。第三章对多种形式蓄热器进行比较，分析它们优缺点，设计了符合试验室需求相变蓄热器，并绘制了其结构图，进行了水压试验设计。第四章针对蓄放热试验要求，设计搭建了蓄放热试验平台，并对试验装置设备进行了具体介绍。第五章设计了试验方案，绘制了试验原理图，介绍了相变材料物性，并分析估计了相变材料蓄放热曲线。对试验中出现误差原因进行了分析。

2 试验室太阳能热泵系统
2.1 太阳能热泵系统介绍
热泵实际上就是制冷机，所不一样只是工作温度范围不一样，它从周围环境吸收热量传输给高温物体，实现供热目标。其特点是：只需供给少许高位能就能够高效从周围环境提取低位能。太阳能是一个无污染、无穷无尽自然能源，但太阳能能流密度低，受气候、季节影响较大，单一太阳能装置对很多连续用能用户来说是不能满足要求。将热泵和太阳能设备、蓄热机构相连接，不仅能够有效克服太阳能本身所含有稀薄性和间歇性，而且达成节省高位能降低环境污染目标。太阳能热泵系统含有以下特点：
（1）集热成本低 同传统太阳能直接供热系统相比，太阳能热泵最大优点是采取结构简易低温集热器，降低了集热成本。
（2）系统结构紧凑 太阳能热泵基于热泵供热节能性和集热器高效性，在相同热负荷条件下太阳能热泵所需集热器面积和蓄热器容积全部比常规系统小多，使系统结构更紧凑，部署更灵活。
（3）能耗比高 太阳能热泵蒸发温度更高，含有更高供热性能系数，可达4以上。
（4）应用范围广 太阳能热泵应用范围十分广泛，且不受水源和地质条件限制，对自然环境几乎不造成影响。
（5）适适用于多个系统 非直膨式系统含有形式多样、部署灵活应用范围广等优点，适合集中供热、空调和供热水系统，易于和建筑一体化。
考虑到太阳能热泵系统节能优点，为满足热能和动力工程专业试验教学要求我们建设了试验室太阳能热泵系统。而且我们对系统作了调整增加了冷却水塔，设置了备用风机盘管使其能够实现供热制冷双重目标。试验室太阳能热泵原理图以下：
图2.1太阳能热泵原理图
系统关键设备有：太阳能集热器、恒温水箱（下部有电加热器）、蓄热器、数据采集仪、数值分析用计算机、热泵、风机盘管、冷却塔、泵、阀门和部分自动控制装置等。
当系统用于供热时可依据太阳辐射强度和房间热负荷改变情况进行多个运行工况调整。工况一：太阳能热泵常规运行即白天蓄热供热运行。集热器经过吸收太阳能加热流过其中热媒体，热媒体经过管路流经恒温水箱、蓄热器、蒸发器返回集热器。此过程蓄热器储存热量。工况二：夜间运行即夜间或阴雨天取热供热运行。热媒体流经蓄热器吸收热量经过蒸发器完成热泵循环，此时蓄热器释放热量。工况三：及太阳能直接运行。热媒体由集热器吸收太阳能加热后流经恒温水箱直接经过风机盘管。
2.3 系统可完成相关试验
本试验室太阳能热泵系统包含热泵系统、制冷系统、空气处理系统、冷却水循环系统、太阳能蓄热系统、热交换系统、自动控制系统等。包含和热能和动力工程专业相关大部分设备如压缩机、蒸发器、冷凝器、风机盘管等，能够说是一个多功效试验平台。它不仅能够实现供热而且能够模拟制冷系统及其关键设备多种工况，所以能够测试到制冷系统及其关键设备多种工作参数和性能。通用性，多功效化是本系统最大特点。试验过程中经过对设备及管路部署观察，使学生能够取得充足得感性认识，便于对试验步骤和原理掌握。本系统可完成试验有：
（1）热泵系统：热泵机组运行、性能、热平衡试验。
（2）制冷系统：冷水机组性能测定，制冷机组热平衡、性能试验。
（3）空气调整处理系统：风机盘管性能试验、表面式空气换热器热工性能测定。
（4）太阳能蓄热系统：相变材料热物性参数测试、蓄热器蓄放热性能试验研究、相变传热过程强化技术试验、集热器效率试验等。
（5）热交换系统：换热器换热性能试验、有相变传热和无相变传热比较等。
本试验台系统不仅可满足热能和动力工程专业试验要求，还可为老师、硕士对低品位能源研究开发、传热反问题研究、建筑安全研究、选择性表面材料及结构研究等科研项目提供很大帮助。
2.4 关键设备能量衡算
2.4.1 热泵循环热力计算
已知：热泵供热量：30kW；
蒸发温度：5℃；
冷凝温度：40℃；
热泵中工质为R22；
压缩机吸气温度：15℃；
环境温度：-10℃；
室内要保持温度：23℃；

图2.2压力-比焓图上制热循环
假设系统处于稳定状态
表2.1确定循环各点状态参数表
状态点
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）单位质量制冷量（简称单位制冷量）
表示1kg制冷剂完成循环时从低温热源所吸收热量。取蒸发器为隔离体，它等于制冷剂在蒸发器出口处和入口处比焓之差
kJ/kg （2.1）
（2）单位容积制冷量
表示以压缩机吸入状态计，单位体积（1m3）制冷剂完成一个循环时，从低温热源吸收热量，即
kJ/m3 （2.2）
（3）单位冷凝热负荷
表示1kg制冷剂完成循环时向高温热汇所排放热量。它等于制冷剂在冷凝器出口处和入口处比焓之差，即
kJ/kg （2.3）
（4）工质单位容积制热量为：
kJ/m3 （2.4）
（5）单位质量工质被压缩机压缩时消耗功量为：
kJ/kg （2.5）
（6）工质质量流量为：
kg/s （2.6）
（7）压力比 循环中压缩机排气压力和吸气压力之比，即
（2.7）
2.4.2 各设备热平衡计算
（1）集热器
（2.8）
式中 —集热有用效益，kW；
—集热器面积，m2；
—倾斜表面单位面积上太阳辐射强度，kW/m2；
—盖板对太阳能透过率和吸收率乘积；
—集热器热损耗系数，kW/m2·K；
—集热器吸收板平均温度，K；
—室外空气温度，K；
热效率 （2.9）
式中 —集热器换热流体比热容，kW/K；
、—集热器换热流体进、出口温度，K；
已知：=100m2，=313K，=283K，=353K，=263K，=0.27kW/K
由文件[14]得=0.3kW/m2，=0.92×0.94=0.8648，=0.001kW/m2·K
所以有：=50×[0.3×0.8648-0.001×(313-263)]=20.94kW

（2）蒸发器
（2.10）
式中 —热泵工质质量流量，kg/s；
、—蒸发器进、出口工质比焓，kJ/kg；
—蒸发器中冷冻水质量流量，kg/s；
，—蒸发器中冷冻水进、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）压缩机
输入理论功 （2.11）
式中 —热泵工质质量流量，kg/s；
、—压缩机进、出口工质比焓，kJ/kg；
输入有效功 (2.12)
式中可取=0.85(机械效率)，=0.80（内效率），=0.96（电机效率）
由=0.156kg/s，=410.86kJ/kg，=435.46kJ/kg
所以有：kW
=kW
（4）冷凝器
（2.13）
式中 —热泵工质质量流量，kg/s；
、—冷凝器进、出口工质比焓，kJ/kg；
—冷凝器中冷却水质量流量，kg/s；
、—冷凝器中冷却水进、出口比焓，kJ/kg；
由=0.16kg/s，=435.46kJ/kg，=249.6kJ/kg，=134.06kJ/kg，=154.9kJ/kg
所以有： kg/s
（5）蓄热器 蓄热器中温度视为线形分布
(2.14)
式中 —集热器热损耗面积，m2；
—集热器热损耗系数，kW/m2·K；
—蓄热介质平均温度，K；
—蓄热介质比热容，kW/K；
、—蓄热器中换热流体进、出口温度，K；
—温度对时间改变率，用欧拉数值积分法以(T′-T)/△t表示，取得时间间隔对应得后，可预示蓄热器中一天温度改变。
蓄热器效率： (2-15)
（6）太阳能热泵系统
系统供热性能系数： （2.16）
系统供热效率： （2.17）
3 蓄热器设计选型
3.1 蓄热装置介绍
通常PCM并不参与和外界质交换，蓄热和放热过程关键由蓄热器来完成，在传热中又关键依靠导热。但大部分PCM在固相和液相时导热系数很小（<1.0W/m·K），所以为了取得足够充放热功率，设计一个高效、紧凑蓄热装置一直是潜热蓄热器设计和制造一个难题。另外，多数PCM全部含有腐蚀性，相变时又要膨胀和收缩，这就使蓄热装置成本大大提升。
现在研究和应用蓄热装置结构分类有很多个：
（1）整体式蓄热器和小体积封装式蓄热器：整体式蓄热器使用历史较长，这种蓄热器“浸”于相变材料中，为了强化传热，往往加上肋、翅等扩展表面来增加换热面积。采取整体式蓄热器要处理问题是PCM在相变时体积改变引发烧应力，有些设计不良结构，蓄热器经过一二个循环就发生严重变形现象。小体积封装式蓄热器是以后发展起来，现在大有替换整体式蓄热器趋势。其基础结构是用小型容器（球、柱、片状）把PCM封装起来成为蓄热元件，然后按一定方法排列于蓄热器中。它优点是能够取得较大换热表面，也能处理PCM充放热时体积应力难题，它缺点是制造工艺复杂，成本很高。
（2）相变储能蓄热器结构又可分为螺旋形、平板形、管族形、球形堆积床式、同心套管式、双单盘管式蓄热器。
结构多样化目标是经过增加换热面积，强化蓄热装置传热性能，改善PCM导热系数均小缺点。改善蓄热装置传热性能还有其它方法，部分研究者对其热能进行了模拟和试验研究，S.O.Enibe从PCM材料封装形式上（集总、密、微封装）对微封装PCM材料蓄热器进行了热分析，传热性能取得了满意结果；M.LACROIX对加热方法和合理部署内热源进行试验研究，改善了PCM传热性能。下面简明介绍了多个常见蓄热器：
（a）双效相变蓄热器
该蓄热器是一个包含相变蓄热领域双效相变蓄热式热管换热器，由三部分组成，上部是取热流体通道，两端分别连接有流体进口管和流体出口管；下部是供热流体通道，两端分别连接有流体进口管和流体出口管；并在取热流体通道和供热流体通道内加装了扰流板及变截面板；中部是蓄热室，蓄热室上、下端分别连接有充装蓄热介质入口管和释放蓄热介质出口管；换热器上、中、下部分之间分别用上挡板和下挡板隔开；装有工作介质热管自上而下贯穿三个部分和其组成一个整体。蓄热室部分装有吸收介质膨胀压力波纹板装置，装置上设有压力调整控制元件。该换热器含有蓄热、释热功效，并可实现同时取、放热功效。

图3.1双效相变蓄热器结构图
1、取热流体通道 2、蓄热室 3、冷流体通道 4、取热流体进口管 5、取热流体出口管 6、相变材料进口管 7、相变材料出口管 8、供热流体进口管 9、供热流体出口管 10、热管 11、肋片 12、变截面板 13、波纹板装置 14、扰流板 15、上挡板 16、下挡板 17、压力控制元件 18、连接板
（b）圆柱形螺旋盘管蓄热器
图3.2所表示，蓄热器关键由保温筒、相变材料和三层螺旋盘管组成。保温筒由 1mm 厚镀锌板煨制而成，在每个加热筒外均匀绕上φ0.8mm电加热丝（外套玻纤管电绝缘）作为附加热源，供太阳能热量不足时使用。保温筒直径分别为φ1084mm和φ1144mm。每个加热筒上加热功率(即电加热丝电阻值)按每个加热筒上加热热流密度相等进行计算，三个加热筒电加热丝串联连接。三层螺旋盘管亦串联连接。蓄热器外绝热层采取32mm聚氨脂发泡制成泡沫塑料作绝热材料。在蓄热器内胆高度方向中心位置沿内胆直径方向安装有三根铜-康铜热电偶用于测量蓄热器内温度，分别距内胆轴心距离为20mm、56mm和92mm。图中螺旋盘管尺寸和结构图。螺旋盘管由φ32×2.5mm低压聚乙烯管绕制而成。

图3.2相变螺旋盘管蓄热器结构图
1、六角头螺栓2、蓄热器上盖3、十字槽自攻螺钉4、蓄热器下法兰盘5、蓄热器外壳6、隔热层
7、内胆8、耐热橡胶密封垫9、聚乙烯塑料管
（c）方形聚乙烯盘管蓄热器

图3.3方形聚乙烯盘管蓄热器
1、换热器出水管 2、换热盘管 3、通气管 4、箱体 5、外壳 6、换热器进水管 8、泄水管
9、水箱支座 10、保温材料 11、溢水管
3.2 蓄热器选材和初步结构设计
3.2.1 设计所考虑关键原因和所需相关数据
蓄热器大小和为提供所要热量所需储能材料数量和类型和为满足性能要求所选择隔热情况相关。设计所要考虑关键原因有蓄热器工作温度范围、相变材料凝固熔解温度、PCM潜热和储能装置热负荷。
因为相变材料传热能力较差，所以需要经过优化蓄能装置结构来改善其蓄能和释能能力。假如完全依靠试验研究，需要花费大量时间、人力和财力，所以期望经过建立数学模型，利用数值计算来研究蓄能结构能量存放和释放规律，取得PCM中传热和相变过程定量分析数据。
（1）热物性对储热和放热过程影响程度
（2）蓄热装置所需相变材料数量
（3）相变过程所需时间
（4）液相PCM中传导和对流相对关键性，进而对蓄热器经济性和可行性形成正确认识
本课题设计蓄热器要和试验室太阳能热泵系统相匹配。综合考虑实用性和经济性确定石蜡为相变料。石蜡由直烷烃混合而成，分子式为CnH2n+2。随链增加，融点和融解热增加。常见PCM（n=12-36）融点为-12℃到75.9℃。融解热为150kJ/kg到250kJ/kg。优点是融解热大、通常不过冷、不析出、性能稳定、无腐蚀性且在有机PCM中价格最低，缺点是导热系数和密度小。参考下表，考虑到太阳能集热器热媒体所达成最高温度，选择C27H56 n-Heptacosane作为试验用相变材料
表3.1部分石蜡物性
英文名称
碳原子数
分子量
融点℃
融解热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
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
—
为满足试验室长久使用要求，本设计采取不锈钢作为蓄热器外壳材料，保温材料用是氧化铝棉和陶瓷纤维纸。
3.2.2 蓄热器初步结构设计
综合考虑各原因本课题拟采取是小体积封装式蓄热器。相变材料封装在直径为100mm不锈钢球内，共有200个不锈钢球，每个球体重量为0.9 kg。蓄热器为方便试验设计成可拆卸式，由筒体、法兰、封头、支腿几部分组成。圆柱形容器是最常见一个压力容器形式，含有结构简单、易于制造、便于在内部装设附件等优点，所以筒体采取采取单层式圆筒。筒体以不锈钢0Cr13作为原料，内径为600mm，长1172mm。蓄热器上部椭圆封头和筒体经过法兰连接，下部封头和筒体直接焊接在一起。法兰采取甲型平焊法兰，平密封面。整个蓄热器高度初步估算小于2m,属于钢制立式容器而且不和产生脉动载荷机械设备刚性连接，所以采取B型腿式支座。为满足不一样试验要求应使蓄热球体在蓄热器有不一样排布方法。本设计方案蓄热球体可总体分为有序和无序两种形式，其中有序排列又可分为两种形式。下面为有序排列方法两种示意图：
图3.4a支架一 图3.4b支架二
依据筒体高度和直径，可知蓄热器共可排布11层蓄热球体
本蓄热器特点：
（1）蓄热器除支腿外均采取不锈钢做原材料，不锈钢耐腐蚀、强度高，所以适合试验室长久使用。
（2）采取石蜡作为相变材料，石蜡融解热大、通常不过冷、不析出、性能稳定、无腐蚀性且在有机PCM中价格最低，符合试验室建设经济性要求。
（3）蓄热器采使用方法兰连接，方便拆卸。而且相变材料封装在直径为100mm不锈钢球体内，可方便从蓄热器中取出以改变蓄热器空隙率，实现试验不一样工况要求。
3.2.3 蓄热器关键部件设计
（1） 筒体设计：
筒体计算厚度
（3.1）
式中 —筒体公称直径，mm；
—筒体最大工作压力，MPa；
—设计温度下筒体计算应力，MPa；
—焊接系数；
已知：=600mm，=0.6MPa，工作温度t=100℃，筒体采取GB/T42370Cr13不锈钢钢板作原料，查表得=126MPa，筒体由钢板焊接而成取焊接系数=0.85，腐蚀裕量取=1mm，所以有：
mm
筒体设计厚度
mm （3.2）
对于0Cr13，钢板负偏差=0，所以可取名义厚度=4mm。
（2）椭圆形封头设计
由上面计算知筒体厚度=4mm，据筒体公称直径=600mm，选择标准椭圆形封头DN400×4—0Cr13 JB/ T4737。下面对选择封头进行强度校核：
（3.3）
式中 —设计温度下封头计算应力，MPa；
—最大工作压力，MPa；
—椭圆形封头形状系数；
—封头内径，mm；
—有效壁厚，mm；
—设计温度下材料许用应力，MPa；
图3.5椭圆形封头示意图
已知： 封头为DN400×4—0Cr13 JB/ T4737，则=400mm，=4mm，=126MPa，封头内曲面高度=150mm，由，查表得=1，=0.6MPa，t=100℃，所以有：
MPa126MPa
所选封头符合强度要求。
3.2.4 压力试验
（1）压力试验目标
除材料本身缺点外，容器在制造（尤其是焊接过程）和使用中会产生多种缺点。为考虑缺点对压力容器安全性影响。压力容器制造完成后或定时检验时，全部要进行压力试验。
（2）试验压力及应力校核
耐压试验有液压试验和气压试验两种，是容器在使用前第一次承压，且试验压力要比容器最高工作压力高。容器发生爆破可能性比使用时大。因为在相同压力和容积下，试验介质压缩系数越大，容器所储存能量就越大。爆炸也就越危险，故应选择压缩系数小流体作为试验介质。只有因结构或支撑等原因不能向容器内充灌水或其它液体，和运行条件不许可残留液体时，才用气压试验。本设计只需进行液压试验。在液压试验时，为预防材料发生低应力脆性破坏，液体温度不得低于容器壳体材料韧脆转弯温度。氯离子能破坏奥氏体，不锈钢制压力容器进行水压试验时，还应将水中氯离子含量控制在内。并在试验后立即将水渍清除洁净。
内压容器试验压力为：
MPa （3.4）
为使液压试验时容器材料处于弹性状态，在压力试验前必需按下式校核试验时圆筒薄膜应力。
MPa （3.5）
（3.6）
3.2.5 蓄热器容积、及关键部件质量
（1）蓄热器容积V
蓄热器容积由筒体容积V铜和封头容积V封两部分
由化工设备设计手册查得DN=600mm单位长度筒体容积为V0=0.283m3，设计筒体高h=1160mm所以筒体容积为：
V铜=hV0=0.283×1.160=0.328m3 （3.7）
由化工设备设计手册查得DN=600mm，直边高h=25mm椭圆形封头V封=0.0352m3，所以设计蓄热器容积V：
V=V铜+2V封=0.328+2×0.0352=0.363m3 （3.8）
（2）蓄热器质量M
蓄热器质量关键由三部分组成：筒体质量M1、封头质量M2及支腿质量M3。由化工设备设计手册查得DN=600mm，厚δ=4mm单位长度筒体质量m=60kg，所以筒体质量M1为：
M1=hm=1.160×60=69.6kg
由化工设备设计手册查得DN=600mm，厚δ=4mm直边高h=25mm椭圆形封头质量M2=22kg，支腿质量M3=16.4kg，所以有
M=M1+2M2+3M3=69.6+2×22+3×16.4=162.8kg （3.9）

4 蓄热器蓄放热性能试验台设计
4.1 试验台设计
蓄热器蓄放热试验台是由第2章所述太阳能热泵系统部分设备连接组成。本试验台设计充足利用了太阳能热泵系统现有设备，实现了试验台多功效化要求，节省了试验室建设投资。由太阳能集热器提供高温热源，降低了能源消耗，符合节省型现代化社会要求。
试验台设计指导方针是结构紧凑、运行合理、经济适用。我们要进行是蓄热槽蓄放热特征试验。蓄热器是试验台关键组成部分，相变材料放置在其中。为了便于改变蓄热器空隙率，方便蓄热球体取出，我们把蓄热器设计为可拆卸结构，封头和筒体由法兰连接。蓄热器关键功效是给相变材料提供安放场所。相变材料要进行蓄放热试验，就必需给蓄热器提供高温热源和低温热源。当高温热媒体或低温热媒体流经蓄热器时，热媒体就将和相变材料进行对流换热，以实现相变材料蓄热或放热过程。为了提供高温热源，我们设计配置太阳能集热器，由集热器吸收太阳能加热流过其中热媒体水得到高温热媒体。在蓄放热过程中，我们要求热媒体进入蓄热器温水温度较恒定。所以，我们配置了恒温水箱，水箱底部设有电加热器，而且为水箱配置了自动温度控制装置，这么话，我们就能够按试验要求设置恒温水箱中热媒体温度，确保进入蓄热器水温度较恒定（精度在±1℃）。
同时，在相变材料放热过程中，我们需要提供低温热媒体。由此我们设计了风机盘管系统。在蓄热过程中，系统中水是高温，当蓄热结束后，我们开启风机盘管，和蓄热器经过热交换热媒体流经风机盘管向外散出热量，在泵作用返回太阳能集热器，同时我们放出部分水箱中高温水，并向恒温水箱中注入低温自来水，以此来快速降低系统中水温，当系统中水温低于放热过程所需要温度时，停止自来水注入，并打开电加热器，将水温加热到相变材料放热要求热媒体水温度。因为恒温水箱配置了温度自控装置，所以系统提供低温热媒体一样能够达成进入蓄热器时温度较恒定要求。可见系统能够较方便提供符合试验要求高温热媒体和低温热媒体。
为使热媒体在系统中循环流动，考虑试验要求热媒体流量和整个系统阻力，在系统中部署了水泵为系统提供动力。为研究分析相变材料蓄放热性能及蓄热器蓄放热效率，我们在相变材料上部署了热电偶，在管路中部署了铂电阻。另外我们在试验台管路中部署了很多阀门，以改变热媒体流经路径和流量使系统在多个工况下运行。
本课题设计蓄热器蓄放热试验台能够实现以下多个运行模式：
（1）系统预加热：对整个系统水进行加热把水温升高到试验所要求相变材料初始温度。
（2）高温水准备：关闭蓄热器进、出口阀门，对系统中其它部分水继续加热，直至达成和蓄热器蓄热所要求温度。
（3）全流量蓄热：打开蓄热器进、出口阀门，使高温热媒体水流经蓄热器并和之换热。
（4）变流量蓄热：改变阀门开度以改变进入蓄热器热媒体水流量。
（5）低温水准备：关闭蓄热器进、出口阀门，快速降低系统中其它部分水温度，以达成放热过程所需要水温。
（6）全流量放热：打开蓄热器进、出口阀门，使低温媒体水流经蓄热器和相变材料进行换热
（7）变流量放热：改变阀门开度以改变进入蓄热器低温媒体水流量。
4.2 试验台测试内容及测试手段
（1）测试内容：相变材料及热媒体在蓄放热过程中温度。
（2）测试手段：在试验台管路上及相变材料中，我们设置了多个温度传感器（铂电阻、热电偶）。在试验过程中，将温度传感器、数据采集仪和计算机三者正确连接起来，热