基于真空管集熱器的熱風(fēng)儲(chǔ)能裝置應(yīng)用設(shè)計(jì)研究

基于真空管集熱器的熱風(fēng)儲(chǔ)能裝置應(yīng)用設(shè)計(jì)研究摘要隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源的消耗速度和需求量都日益增長(zhǎng)。能源消耗過(guò)快是個(gè)不好的訊號(hào)，如果沒(méi)有采取應(yīng)對(duì)措施，這意味著接下來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間不僅經(jīng)濟(jì)發(fā)展成問(wèn)題，而且還會(huì)給環(huán)境造成巨大的壓力。而目前最為主流和重要的應(yīng)對(duì)措施是進(jìn)行清潔能源的開(kāi)發(fā)和利用，它已經(jīng)成為我國(guó)能源甚至是全世界的能源發(fā)展的大趨勢(shì)。太陽(yáng)能是一種清潔且高效的新能源，與傳統(tǒng)的化石能源相比，它是可再生的，而且是取之不盡，用之不完的。任何事物有優(yōu)點(diǎn)就會(huì)有缺點(diǎn)，太陽(yáng)能也不例外。例如太陽(yáng)輻射具有顯著的稀薄性、間斷性和不穩(wěn)定性。為了能應(yīng)對(duì)以上太陽(yáng)能的缺點(diǎn)且有效利用太陽(yáng)能，因此人類(lèi)發(fā)展出了蓄熱技術(shù)。有了蓄熱技術(shù)，我們就可以連續(xù)使用太陽(yáng)能。說(shuō)到蓄熱技術(shù)，不得不提另一種物質(zhì)——相變材料。可以這樣說(shuō)，蓄熱技術(shù)以相變材料為基礎(chǔ)，因此研究如何讓相變蓄能材料更好的蓄能是發(fā)展蓄熱技術(shù)的必經(jīng)階段。本文的實(shí)驗(yàn)是基于真空管太陽(yáng)能集熱器的熱風(fēng)相變儲(chǔ)能的研究，采用的相變材料為石蠟/石墨復(fù)合相變材料。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，首先我們需要自制一個(gè)裝有相變材料的儲(chǔ)能罐，因?yàn)槲覀兪茄芯繜犸L(fēng)儲(chǔ)能，這個(gè)儲(chǔ)能罐又叫熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能罐。然后將熱風(fēng)通往儲(chǔ)能罐里，通過(guò)T型熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀對(duì)整個(gè)相變儲(chǔ)能過(guò)程相變材料的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的采集，通過(guò)采集的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。而本實(shí)驗(yàn)的熱風(fēng)是基于真空管太陽(yáng)能集熱器獲取。當(dāng)然，考慮到實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們自制了一個(gè)變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)，這在本文里有詳細(xì)的介紹。本實(shí)驗(yàn)主目的要是利用自制的熱風(fēng)系統(tǒng)，研究相變材料的儲(chǔ)能特性。利用研究得出的儲(chǔ)能特性，從而在條件允許例如太陽(yáng)能充足的情況下，通過(guò)真空管集熱器吹出來(lái)的熱風(fēng)將太陽(yáng)能儲(chǔ)存起來(lái)。本實(shí)驗(yàn)主要探討了石蠟/石墨復(fù)合材料在熔化和凝固過(guò)程中的傳熱特性，并且在相變蓄熱實(shí)驗(yàn)中，著重研究了熱風(fēng)溫度和風(fēng)速對(duì)石蠟/石墨復(fù)合材料熔化過(guò)程的影響。數(shù)據(jù)分析表明，我們自制的儲(chǔ)能罐是有效的，是可以?xún)?chǔ)存熱風(fēng)中的熱能的。并且熱風(fēng)溫度越高，蓄熱越快；風(fēng)速越大，蓄熱越快。所以本文實(shí)驗(yàn)的成功之處可為基于真空管集熱器的熱風(fēng)儲(chǔ)能提供一個(gè)大體的參考。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能，熱風(fēng)儲(chǔ)能，儲(chǔ)能罐，相變材料

AbstractWiththerapiddevelopmentofChina'seconomy,energyconsumptionanddemandareincreasing.Excessiveenergyconsumptionisabadsignal.Ifnoresponsemeasuresaretaken,thismeansthatforalongtime,notonlywilltheeconomydevelopintoaproblem,butitwillalsoputtremendouspressureontheenvironment.Atpresent,themostmainstreamandimportantresponsemeasuresarethedevelopmentandutilizationofcleanenergy.IthasbecomethegeneraltrendofenergydevelopmentinChina'senergyandeventheworld.Solarenergyisacleanandefficientnewenergysource.Comparedwithtraditionalfossilenergy,itisrenewableandinexhaustible.Everythinghasadvantagesanddisadvantages,andsolarenergyisnoexception.Forexample,solarradiationhassignificantthinness,discontinuity,andinstability.Inordertocopewiththeaboveshortcomingsofsolarenergyandtoeffectivelyusesolarenergy,humanshavedevelopedthermalstoragetechnology.Withheatstoragetechnology,wecanusesolarenergycontinuously.Whenitcomestothermalstoragetechnology,youhavetomentionanothersubstance,thephasechangematerial.Itcanbesaidthattheheatstoragetechnologyisbasedonphasechangematerials,sostudyinghowtomakephasechangeenergystoragematerialsbetterenergystorageisaninevitablestageinthedevelopmentofheatstoragetechnology.Theexperimentinthispaperisbasedonthestudyofhot-airphasechangeenergystorageofvacuumtubesolarcollectors.Thephasechangematerialusedisparaffin/graphitecompositephasechangematerial.Toputitsimply,firstweneedtomakeastoragetankwithphasechangematerial,becausewearestudyinghotairstorage,whichisalsocalledhotairphasechangeenergystoragetank.Then,thehotairisledtotheenergystoragetank,andthetemperatureofthephasechangematerialinthewholephasechangeenergystorageprocessiscollectedinrealtimethroughtheT-typethermocoupleandthedataacquisitioninstrument,andthecollecteddataisusedtodrawconclusions.Thehotairofthisexperimentisbasedonthevacuumtubesolarcollector.Ofcourse,consideringthelimitationsoftheexperimentalconditions,wehavemadeavariablepressureadjustablehotairsystem,whichisdescribedindetailinthisarticle.Inthisexperiment,theheattransfercharacteristicsofparaffin/graphitecompositesduringmeltingandsolidificationwerediscussed.Inthephasechangethermalstorageexperiment,theeffectsofhotairtemperatureandwindspeedonthemeltingprocessofparaffin/graphitecompositeswerestudied.Dataanalysisshowsthatourhomemadeenergystoragetanksareeffective.Andthehigherthehotairtemperature,thefastertheheatstorage;thehigherthewindspeed,thefastertheheatstorage.Therefore,thesuccessofthisexperimentcanprovideageneralreferenceforthelaterhotairstorage.Keywords：Solarenergy,hotairenergystorage,energystoragetank,phasechangematerial目錄1緒論 緒論1.1實(shí)驗(yàn)背景及意義人類(lèi)的生活處處離不開(kāi)能源，能源是我們生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。對(duì)一個(gè)國(guó)家而言，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)離不開(kāi)能源的發(fā)展；對(duì)推動(dòng)整個(gè)世界的發(fā)展而言，它更像一個(gè)永動(dòng)機(jī)，永不停止地推動(dòng)著世界的運(yùn)轉(zhuǎn)。能源不能枯竭，至少在目前看來(lái)如此。中國(guó)是一個(gè)能源生產(chǎn)大國(guó)，但同時(shí)也是一個(gè)能源消費(fèi)大國(guó)。所以我國(guó)的能源相對(duì)來(lái)說(shuō)還是比較匱乏。新中國(guó)成立初期，我國(guó)正處在一個(gè)急需改革和發(fā)展的階段，對(duì)能源供應(yīng)體系這方面的考慮自然還成不了一個(gè)系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)六十多年的探索與發(fā)展，現(xiàn)在我國(guó)已經(jīng)有了一套完整的能源供應(yīng)體系?，F(xiàn)在我國(guó)的能源供應(yīng)體系是以煤炭和電力為主，在擺脫以往僅僅依靠石油天然氣等化石能源的同時(shí)，大力發(fā)展太陽(yáng)能等可再生能源。從世界的能源發(fā)展利用來(lái)看，目前我國(guó)對(duì)各種新能源和可再生能源的開(kāi)發(fā)和利用是排在世界前列的，我國(guó)正穩(wěn)步跟進(jìn)世界能源發(fā)展趨勢(shì)，逐步降低對(duì)煤炭等化石能源的過(guò)渡依賴(lài)，大力開(kāi)發(fā)和發(fā)展太陽(yáng)能等新能源[1]。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，煤炭和石油等化石能源的過(guò)度使用會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，而且這個(gè)污染的代價(jià)是難以用增長(zhǎng)起來(lái)經(jīng)濟(jì)來(lái)彌補(bǔ)的。因此，對(duì)環(huán)境友好的新能源引起了人類(lèi)的關(guān)注，特別是太陽(yáng)能，它是清潔和高效的新能源的代名詞。在我國(guó)，太陽(yáng)能的利用在各個(gè)方面都有體現(xiàn)，而太陽(yáng)能熱利用是其中使用最普遍的太陽(yáng)能技術(shù)，它的熱利用形式包括太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能制冷、太陽(yáng)能熱水、太陽(yáng)能供暖等。而本實(shí)驗(yàn)所用到的真空管太陽(yáng)能集熱器就是太陽(yáng)能熱利用的一個(gè)例子，它是一種吸收太陽(yáng)輻射能量并向其內(nèi)部工質(zhì)傳遞熱量的裝置，也是一種特殊的熱交換器[2]。一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，除了和平這個(gè)大前提，能源利用效率能否提高也是一個(gè)極為關(guān)鍵的因素。關(guān)于如何提高能源利用率的問(wèn)題，自從進(jìn)入工業(yè)革命以來(lái)人類(lèi)就在不斷的研究?？商岣吣茉蠢寐实氖侄稳绱酥?，儲(chǔ)熱技術(shù)就是其中之一，這正是本實(shí)驗(yàn)的研究?jī)?nèi)容。長(zhǎng)期以來(lái)，儲(chǔ)熱技術(shù)都受到人們的重視，關(guān)于它的研究已成一個(gè)系統(tǒng)。直到今天，它仍舊處于迅猛發(fā)展的階段。據(jù)研究表明，在大部分工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中余熱損失在燃料總消耗中所占比可高達(dá)67％，大部分的能量是直接浪費(fèi)掉的，而能夠借助儲(chǔ)能設(shè)備儲(chǔ)存起來(lái)的熱量也僅僅可占總余熱量的60％[2]。我國(guó)正處于新型工業(yè)急速發(fā)展的階段，煙氣排放比較多，所以煙氣余熱資源較為豐富。在這個(gè)大前提下，更加為工業(yè)余熱回收技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)造了得天獨(dú)厚的條件。但是很多事實(shí)表明，當(dāng)前很多普通的余熱回收方式根本不能做到將煙氣余熱的能量充分回收，問(wèn)題是當(dāng)前大部分工業(yè)煙氣余熱資源多都存在兩個(gè)常見(jiàn)的缺點(diǎn)，一是不穩(wěn)定，二是連續(xù)性不足。普通的余熱回收方式自然無(wú)法解決這兩個(gè)缺點(diǎn)，這就讓余熱資源的回收率大大降低。因此，如果有一種新的高效的余熱回收技術(shù)而它又能克服上述余熱利用過(guò)程中的一些難點(diǎn)的話(huà)，將會(huì)對(duì)我們國(guó)家提倡的構(gòu)建節(jié)能減排的社會(huì)具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，相變蓄熱技術(shù)能夠滿(mǎn)足上述技術(shù)要求，這種技術(shù)的原理是利用物質(zhì)在發(fā)生狀態(tài)變化時(shí)將吸收或放出大量的熱量來(lái)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)與釋放，而該物質(zhì)我們稱(chēng)為相變材料[3]。我們知道，從本質(zhì)上來(lái)看，儲(chǔ)熱技術(shù)一般可以分為三種類(lèi)型：潛熱儲(chǔ)能、顯熱儲(chǔ)能和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能。而本文的關(guān)鍵詞是潛熱儲(chǔ)能。撇開(kāi)化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能，就潛熱儲(chǔ)能與顯熱儲(chǔ)能而言，顯熱儲(chǔ)能明顯簡(jiǎn)單直接，甚至通常有直觀的感官感受。例如，慢慢加熱一杯水，在水沸騰前，可以直觀看到插在水杯里的溫度計(jì)的溫度在上升。而顯熱儲(chǔ)能就沒(méi)那么直接了。從微觀上看，它與前者相比不僅具有更高的儲(chǔ)能密度；從宏觀上看，它的儲(chǔ)能放能過(guò)程是容易控制的，且是一個(gè)接近等溫的過(guò)程。因此非常適于解決當(dāng)今遇到的能量供給難題與需求失衡難題。甚至可以這么說(shuō)，只要繼續(xù)發(fā)展相變潛熱儲(chǔ)能技術(shù)，提高能源利用率或者改善能源結(jié)構(gòu)都不是難題。正是這種研究上的趨勢(shì)，因此，可以實(shí)現(xiàn)潛熱儲(chǔ)能的相變材料不僅應(yīng)運(yùn)而生，而且一直處于發(fā)展的階段[4]。相變材料(PCM)是指在溫度保持不變的情況下，單就改變物質(zhì)物理狀態(tài)就能提供潛熱的物質(zhì)。物質(zhì)有固液氣三種狀態(tài)，當(dāng)其中一種狀態(tài)向另一種狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，我們稱(chēng)物質(zhì)發(fā)生了相變過(guò)程，在此過(guò)程中相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。將相變儲(chǔ)能技術(shù)與建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相結(jié)合，能夠增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱熱阻，降低供熱（或制冷）峰值功率，緩解室內(nèi)溫度波動(dòng)，維持室內(nèi)溫度在舒適的溫度范圍內(nèi)，從而有效降低建筑能耗。本實(shí)驗(yàn)就是將從太陽(yáng)能真空管集熱器出來(lái)的熱風(fēng)或電熱器出來(lái)的熱風(fēng)通過(guò)帶有翅片管換熱器的儲(chǔ)能罐，研究其儲(chǔ)能特性，為太陽(yáng)能熱風(fēng)儲(chǔ)能提供一些參考，也為當(dāng)下推行的節(jié)能建筑提供一些參考。1.2相變儲(chǔ)能技術(shù)的研究歷史及進(jìn)展20世紀(jì)70年代初，正值第一次能源危機(jī)爆發(fā)，這使很多西方國(guó)家將焦點(diǎn)從一味地發(fā)掘新能源轉(zhuǎn)移到相變蓄能材料的理論和應(yīng)用研究這一領(lǐng)域上，各個(gè)國(guó)家都希望在發(fā)現(xiàn)可用的新能源之前，能夠利用相變儲(chǔ)能提高能源的利用率和連續(xù)性。從那個(gè)年代起，不僅西方國(guó)家，我國(guó)也開(kāi)始對(duì)傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)鹽、無(wú)機(jī)水含鹽、金屬等相變材料進(jìn)行了持續(xù)不斷的研究，研究方式更是從單一的研究某種物質(zhì)到系統(tǒng)地研究某一類(lèi)相變材料。例如，日本科學(xué)家在20世紀(jì)70年代早期就開(kāi)始對(duì)水合硝酸鹽做了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并取得了不錯(cuò)的成效。除此之外，磷酸鹽、氯化物等相變物質(zhì)也是他們的主演研究對(duì)象。他們將研究過(guò)的相變材料直接用于工業(yè)的余熱回收[5]。而德國(guó)的Krichel等人[6]與日本科學(xué)家的目的不同，他們希望可以帶給人們對(duì)這些相變材料更為直觀的認(rèn)識(shí)，于是這些研究者主要繪制了大量相變材料的物性圖表。從他們的物性圖表可以看出，如果應(yīng)用在100℃以下的低溫領(lǐng)域，石蠟、水、鹽和水合鹽無(wú)疑是首選的相變材料，在這個(gè)溫度區(qū)間下這些相變材料可以發(fā)揮它們最大的優(yōu)勢(shì)。相比日本和德國(guó)，美國(guó)的研究更為成熟和全面。美國(guó)科學(xué)家在相變材料的制備、相變儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)、蓄放熱特性等方面做了詳細(xì)的研究。例如，美國(guó)的Petri等[7]通過(guò)實(shí)驗(yàn)將大量的無(wú)機(jī)材料進(jìn)行復(fù)合，希望找到最適合的復(fù)合搭配。終于，他們的實(shí)驗(yàn)是世界上首先制造出了Na2CO3—BaC03/MgO復(fù)合無(wú)機(jī)材料的，這種復(fù)合相變材料的儲(chǔ)能特性與優(yōu)點(diǎn)都很明顯。接下來(lái)有人對(duì)含鋁硅合金相變材料進(jìn)行了深入研究，比較有代表性的是美國(guó)的Schmidt[8]，他通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，顛覆了一個(gè)大家信以為真的事情。一般以為液相的硅鋁合金的比熱容會(huì)隨溫度的改變而產(chǎn)生變化，他的研究表明，是不會(huì)產(chǎn)生明顯變化的。同時(shí)他還指出，增加硅鋁合金中硅的含量會(huì)明顯改變材料的儲(chǔ)熱性能。美國(guó)的Mobley等[7]更是有一個(gè)大膽的突破，針對(duì)相變材料對(duì)容器會(huì)有腐蝕等問(wèn)題，他想省去相變材料的盛裝容器，經(jīng)過(guò)對(duì)過(guò)共晶合金儲(chǔ)熱球的成分進(jìn)行了分析研究，他指出，如果過(guò)共晶鋁硅合金中的硅的含量不算太高，完全可以把那些硅含量中的一小部分提取出來(lái)用于制作一種外殼，或者可以稱(chēng)之為硅外殼。它的體積可隨意調(diào)整，使之可以剛好將含硅的鋁合金儲(chǔ)熱球包裹住，這樣材料不與盛裝容器直接接觸，就不用擔(dān)心腐蝕的問(wèn)題。21世紀(jì)初期，對(duì)相變材料的研究更多地進(jìn)入了模擬實(shí)驗(yàn)的階段，比較有先驅(qū)性的是Giovanni等人[9]。他先在平板型蓄能容器進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，并隨時(shí)監(jiān)測(cè)相變材料的溫度變化，結(jié)果顯示完全可以用模擬來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)。除此之外，不僅僅平板型蓄能容器可以，在其它蓄能容器實(shí)驗(yàn)也得到了成功的驗(yàn)證。有了前人的模擬實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷，2005年，Shatikian.V等人[10]利用Fluent軟件對(duì)換熱管內(nèi)部加有微肋片的相變蓄熱單元進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析研究，他研究的變量有兩個(gè)：一是不同的肋片尺寸，而是不同的肋片形狀，研究?jī)蓚€(gè)變量與蓄熱性能存在怎樣的聯(lián)系。近年來(lái)，我國(guó)的能源問(wèn)題日益突出，因此對(duì)建筑節(jié)能也越來(lái)越重視，關(guān)于相變材料和它應(yīng)用于建筑方面的研究也越來(lái)越多，特別是將太陽(yáng)能熱風(fēng)裝置與相變儲(chǔ)能技術(shù)結(jié)合起來(lái)應(yīng)用到建筑上成為當(dāng)下的研究主流。最初，相變材料作為高效儲(chǔ)能介質(zhì)，應(yīng)用領(lǐng)域比較廣泛，但在建筑材料中應(yīng)用較少，研究的重點(diǎn)主要包括相變材料物理化學(xué)性質(zhì)、傳熱特性和穩(wěn)定性等。從2000年到2010年近10年間，國(guó)內(nèi)外的研究者對(duì)新型相變材料的熱物性及工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用做了系統(tǒng)性總結(jié)，這些總結(jié)包括新型相變材料的相變?cè)?、傳熱效果、?shù)值模擬方法、物理及化學(xué)特性等，詳細(xì)成果在文獻(xiàn)[11]-[15]里。1.3相變材料的常見(jiàn)應(yīng)用1.3.1相變材料與太陽(yáng)能利用技術(shù)相變材料與太陽(yáng)能利用技術(shù)方面結(jié)合是目前的一大研究熱點(diǎn)，目前的研究成果甚多，歸結(jié)起來(lái)其實(shí)就只有以下三個(gè)方面：（1）用于太陽(yáng)能光伏相變儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)用機(jī)理是使用相變材料的良好蓄放熱性能大幅度降低太陽(yáng)能電池的工作溫度，通過(guò)這種方式來(lái)提高光電轉(zhuǎn)換效率；（2）用于太陽(yáng)能光伏光熱相變系統(tǒng)，也就是應(yīng)用于發(fā)電和發(fā)熱；（3）用于各種不同的太陽(yáng)能集熱器結(jié)構(gòu)的探索和研究，即改進(jìn)太陽(yáng)能光熱儲(chǔ)能系統(tǒng)[4]。1.3.2相變材料與新型混凝土混凝土在養(yǎng)護(hù)過(guò)程中容易產(chǎn)生溫度裂縫，這對(duì)于以混凝土為主要材料的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)或者路面來(lái)說(shuō)，極其容易受凍融破壞而影響使用耐久性。以建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)用為例，相變材料在整個(gè)相變過(guò)程可以吸收或者釋放很多的熱量，從而可以提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱性能，與此同時(shí)還可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的變化，因此可以改變以往工業(yè)上每隔一段時(shí)間就要更換墻體的問(wèn)題。工業(yè)上將相變儲(chǔ)能材料混合在混凝土中制作產(chǎn)生的相變儲(chǔ)能混凝土，其制作機(jī)理是運(yùn)用相變材料在實(shí)際儲(chǔ)能過(guò)程中實(shí)現(xiàn)能量在空間以及時(shí)間上的轉(zhuǎn)移利用。相變材料和混凝土結(jié)合的工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品有相變控溫混凝土道路、相變儲(chǔ)能混凝土圍護(hù)結(jié)構(gòu)等，這些工業(yè)應(yīng)用產(chǎn)品為綠色城建的發(fā)展提供了原材料[16]。1.3.3相變材料與余熱/廢熱回收有工業(yè)生產(chǎn)的地方，就會(huì)有熱量的投入和產(chǎn)生。在整個(gè)生產(chǎn)的過(guò)程中，多多少少會(huì)產(chǎn)生余熱和廢熱，這些熱量以往很多時(shí)候是白白浪費(fèi)掉了，后來(lái)開(kāi)始有人提出將這些熱量回收再利用，而相變儲(chǔ)能材料就在這里派上用場(chǎng)了，它的相變儲(chǔ)能特性完全可以將這些余熱和廢熱儲(chǔ)存起來(lái)，從而進(jìn)行二次工業(yè)及生活上的利用。工業(yè)上主要運(yùn)用到的是中溫相變材料或者以熔融鹽為主的高溫相變材料，而在工業(yè)上用來(lái)作為封裝的材料主要有三種：金屬基材料、陶瓷基材料和炭基材料[17]。1.3.4相變儲(chǔ)能材料與建筑節(jié)能相變儲(chǔ)能材料應(yīng)用在工業(yè)建筑節(jié)能方面主要是表現(xiàn)在運(yùn)用于工業(yè)建筑常規(guī)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和供熱、供冷系統(tǒng)。在這里主要對(duì)國(guó)內(nèi)外在圍護(hù)結(jié)構(gòu)方面作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。國(guó)外關(guān)于這方面的研究比較有代表性的是美國(guó)Delaware大學(xué)儲(chǔ)能研究所的成果，該研究所打破常規(guī)的思維方式，利用Na2SO4﹒10H2O作為墻體原材料，研制出性能穩(wěn)定的可以控溫的相變墻系統(tǒng)[18]。在同樣的領(lǐng)域里，國(guó)內(nèi)有譚羽非等科研工作者[19]的研究，他們運(yùn)用相變溫度比人體舒適溫度25℃略高的混合相變材料(質(zhì)量比高密度聚乙烯：石蠟為1:3)制作成極薄的墻板，然后將這種墻板運(yùn)用于于寒區(qū)地區(qū)的工業(yè)生產(chǎn)及生活電熱膜采暖系統(tǒng)中，通過(guò)采用這種墻體結(jié)構(gòu)，目前的電采暖系統(tǒng)正一步步向節(jié)能的方向邁進(jìn)。1.4翅片管換熱器換熱器，正如它的名字，是可以推動(dòng)冷熱流體之間實(shí)現(xiàn)熱量傳遞的工業(yè)及生活設(shè)備，又名熱交換器。依據(jù)換熱器運(yùn)用于化工生產(chǎn)制造中的不同，人們對(duì)它的稱(chēng)謂也有所變化。例如加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，其實(shí)本質(zhì)都是換熱器。不僅僅如此，按照不同的分類(lèi)方法，換熱器的工業(yè)應(yīng)用品種也多種多樣。隨著科技、工藝的發(fā)展以及能源的短缺，工業(yè)生產(chǎn)對(duì)換熱器的依賴(lài)性越來(lái)越強(qiáng)，現(xiàn)代生產(chǎn)要求換熱器設(shè)備不僅結(jié)構(gòu)緊湊，而且能高效地進(jìn)行換熱的工作。這促使人們不斷追求，期望可以將換熱器的優(yōu)點(diǎn)提升到上述水平。經(jīng)過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的幾大類(lèi)換熱器進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，翅片管換熱器是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。最初工業(yè)上用的翅片管換熱器的翅片大多數(shù)是無(wú)縫平直翅片。經(jīng)過(guò)相關(guān)研究者的不斷測(cè)試和發(fā)展，翅片管換熱器的管外翅片發(fā)生了很多轉(zhuǎn)變。先是與無(wú)縫翅片相對(duì)的開(kāi)縫翅片被測(cè)試出來(lái)，換熱效果明顯提高了。接著對(duì)開(kāi)孔翅片、波紋翅片、百葉窗式翅片等多種形狀的翅片進(jìn)行測(cè)試，無(wú)一例外都大大增強(qiáng)了換熱效果和提升了安全性能。本實(shí)驗(yàn)用到的換熱器就為翅片管換熱器。它是一種帶翅（也稱(chēng)肋片）的管式換熱器，按上述的分類(lèi)方法來(lái)看，它屬于間壁換熱器[22]。翅片管是該類(lèi)換熱器的主要換熱元件，翅片管由基管和翅片組合而成，基管通常為圓管，也有扁平管和橢圓管，本實(shí)驗(yàn)所用的基管為圓管[23]。2熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能罐由于我國(guó)地域遼闊，太陽(yáng)能資源豐富，開(kāi)發(fā)利用前景廣闊。近幾年來(lái)的建筑設(shè)計(jì)中，很多建筑設(shè)計(jì)師與太陽(yáng)能研究者構(gòu)想，希望可以將太陽(yáng)能直接用于建筑中，在有效地利用太陽(yáng)能的同時(shí)，還能減少電能的使用。也就是使可轉(zhuǎn)換和利用太陽(yáng)能的設(shè)備與整個(gè)建筑合為一體，這就是太陽(yáng)能與建筑一體化技術(shù)。當(dāng)然，目前太陽(yáng)能與建筑一體化熱利用技術(shù)還沒(méi)成熟到給整個(gè)建筑供電的地步，不過(guò)這會(huì)是研究者未來(lái)努力的方向，它的技術(shù)目前僅僅可解決太陽(yáng)能建筑供暖與太陽(yáng)能熱水這兩方面[24]。太陽(yáng)能供暖正越來(lái)越受到有關(guān)研究者的重視和關(guān)注，原因是太陽(yáng)能是清潔的能源，是當(dāng)前可再生能源的研究熱點(diǎn)，利用太陽(yáng)能來(lái)供暖與當(dāng)前主要的供暖方式（大多需要燃燒煤炭等不可再生能源）不一樣。在需要供暖季節(jié)和地區(qū)，特別是北方和西北一帶，如果可以大區(qū)域利用太陽(yáng)能供暖，這不僅可以讓常規(guī)的一次能源的需求大大降低，還能起到保護(hù)環(huán)境的作用。無(wú)論是對(duì)經(jīng)濟(jì)還是環(huán)境，都是百利而無(wú)一害。對(duì)于我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富、晝夜溫差大的地區(qū)，采暖建筑室內(nèi)夜間溫度波動(dòng)大，熱穩(wěn)定性和舒適性都較差。若充分利用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)日間太陽(yáng)輻射能進(jìn)行儲(chǔ)存，并在夜間向室內(nèi)釋放，可以解決建筑采暖需求和太陽(yáng)能、室外氣溫在時(shí)序上難以匹配的問(wèn)題[25]。基于此，本文提出了一種利用太陽(yáng)能的熱風(fēng)相變儲(chǔ)能系統(tǒng)，從大范圍上來(lái)講，熱風(fēng)儲(chǔ)能也可用于建筑采暖。但本文只是通過(guò)實(shí)驗(yàn)從定性上得出結(jié)論為儲(chǔ)能方式和效果為后期研究者提供理論參考。2.1相變儲(chǔ)能材料相變儲(chǔ)能材料是指在一定的溫度范圍內(nèi)，利用相變過(guò)程中吸收或釋放的潛熱來(lái)儲(chǔ)能或釋能的一類(lèi)物質(zhì)。我們將物理狀態(tài)和物理性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)的過(guò)程稱(chēng)為相變過(guò)程，在此過(guò)程中相變材料可以以比顯熱儲(chǔ)能高很多的儲(chǔ)能密度和儲(chǔ)能速度進(jìn)行儲(chǔ)能，這就是潛熱儲(chǔ)能。除此之外，相變材料的儲(chǔ)能放能過(guò)程是一個(gè)容易控制且溫度接近不變的過(guò)程。本小節(jié)主要分兩部分來(lái)闡述。第一部分是對(duì)所有相變材料的分類(lèi)進(jìn)行了說(shuō)明，并且就三類(lèi)相變材料的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了對(duì)比。第二部分是對(duì)本實(shí)驗(yàn)選用的石蠟/石墨復(fù)合相變材料的原因和性質(zhì)分別進(jìn)行了說(shuō)明。2.1.1相變材料的分類(lèi)目前，由于相變儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的相變材料被制備出來(lái)，種類(lèi)繁多，因此形成了各種各樣的分類(lèi)方式。常見(jiàn)的分類(lèi)方式是根據(jù)相變溫度、相變類(lèi)型、物質(zhì)類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，具體如下：（1）相變溫度不同按照相變溫度不同來(lái)分類(lèi)，相變材料可分為低溫相變材料（小于20℃）、中溫相變材料（在20℃-250℃之間）和高溫相變材料（大于250℃）。目前在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用的低溫相變材料多為無(wú)機(jī)鹽水溶液。因?yàn)樗南嘧儨囟鹊停灾饕獞?yīng)用于蓄冷技術(shù)中，例如空調(diào)制冷行業(yè)。中溫相變材料是最常見(jiàn)和應(yīng)用最廣泛的相變材料，它們被廣泛應(yīng)用工業(yè)余熱回收和太陽(yáng)能熱利用等領(lǐng)域。從化學(xué)本質(zhì)上看，它主要包括絕大部分無(wú)機(jī)水合鹽，當(dāng)然，大多數(shù)的有機(jī)材料和共晶鹽類(lèi)材料也屬于中溫相變材料的范疇。高溫相變材料主要包括熔融鹽和金屬等，由于相變溫度過(guò)高，高溫相變材料主要用于一些高溫行業(yè)，特別是高新高科技領(lǐng)域。除了應(yīng)用于熱機(jī)和太陽(yáng)能電站外，在人造衛(wèi)星領(lǐng)域等，都離不開(kāi)高溫相變材料。本實(shí)驗(yàn)用的石蠟/石墨復(fù)合相變材料屬于中溫相變材料[1]。（2）相變類(lèi)型不同物質(zhì)的物理狀態(tài)有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種類(lèi)型，但相變材料按照相變類(lèi)型來(lái)分類(lèi)不是簡(jiǎn)單地將三種狀態(tài)排列組合。經(jīng)過(guò)研究分析，目前只有以下四種類(lèi)型：固-液相變材料、固-固相變材料、固-氣相變材料、液-氣相變材料。這四種又可以分為兩大類(lèi)，一類(lèi)是工業(yè)上常用的，包括固-液相變材料、固-固相變材料；另一類(lèi)是工業(yè)上很少用到的，就像固-氣相變材料和液-氣相變材料，往往這兩種相變材料儲(chǔ)存的熱量比前者要多，為什么就不受工業(yè)生產(chǎn)的青睞呢？工業(yè)生產(chǎn)不僅考慮效率效果，也要看人力和成本。固-氣相變材料和液-氣相變材料在相變過(guò)程中產(chǎn)生的氣體，容易使工作的環(huán)境區(qū)間的體積增大，所以使用的設(shè)備要求更為精良，并且人員操作起來(lái)比較困難。（3）物質(zhì)類(lèi)型不同按物質(zhì)類(lèi)型來(lái)分類(lèi)，實(shí)質(zhì)上也就是根據(jù)化學(xué)性質(zhì)來(lái)分類(lèi)。按這種方法來(lái)分類(lèi)，相變材料可分為無(wú)機(jī)相變材料、有機(jī)相變材料和復(fù)合相變材料三大類(lèi)。無(wú)機(jī)相變材料和有機(jī)相變材料的優(yōu)缺點(diǎn)在表2.1有所闡述，這里主要對(duì)復(fù)合相變材料進(jìn)行分析。之所以研究復(fù)合材料，是因?yàn)槿藗儾粷M(mǎn)足傳統(tǒng)的相變材料。所以它的優(yōu)缺點(diǎn)要與傳統(tǒng)材料相比才有意義。它有更明顯的熔點(diǎn)，并且有更高的儲(chǔ)能密度，穩(wěn)定性更好；缺點(diǎn)是沒(méi)有固定的熱物性參數(shù)，導(dǎo)熱系數(shù)不高，且成本也不低。表2.1三類(lèi)相變材料的優(yōu)缺點(diǎn)[25]分類(lèi)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)=1\*GB3①適用的溫度范圍大（20-70℃）=2\*GB3②合適的相變潛熱=1\*GB3①導(dǎo)熱系數(shù)?。s0.2W/(m﹒K)）有機(jī)相變材料=3\*GB3③相變過(guò)程中體積變化小=2\*GB3②易燃=4\*GB3④熱穩(wěn)定性好=3\*GB3③與塑料容器不相容=5\*GB3⑤化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，無(wú)毒無(wú)害無(wú)機(jī)相變材料=1\*GB3①熔解熱較大=1\*GB3①凝固時(shí)有過(guò)冷現(xiàn)象=2\*GB3②導(dǎo)熱系數(shù)大（約0.5W/(m﹒K)）=2\*GB3②對(duì)大多數(shù)金屬有腐蝕=3\*GB3③與塑料容器相容=3\*GB3③相變過(guò)程中有離析現(xiàn)象=4\*GB3④價(jià)格便宜低共熔混合物=1\*GB3①單位體積儲(chǔ)能高=2\*GB3②有明確的熔點(diǎn)熱物理性特性參數(shù)不易測(cè)得2.1.2實(shí)驗(yàn)用相變材料的選擇相變材料的選擇如果考慮得不充分，會(huì)影響相變材料的儲(chǔ)能效果以及本次實(shí)驗(yàn)的效果。本實(shí)驗(yàn)的意義是為熱風(fēng)儲(chǔ)能提供一個(gè)理論參考，而且是基于利用太陽(yáng)能的基礎(chǔ)上的。考慮到我們所處位置太陽(yáng)的輻照情況和所能提供的熱風(fēng)溫度范圍，我們需要認(rèn)真選取相變材料。不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)相變材料的性能要求也不同，我們希望本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論能夠?yàn)楣こ躺系膬?chǔ)能技術(shù)提供一定的參考?；诠こ躺系目紤]，我們選用的相變材料必須滿(mǎn)足以下幾個(gè)特點(diǎn)：傳熱效果要好，有較大的相變潛熱和導(dǎo)熱系數(shù)，相變溫度不超過(guò)70℃，同時(shí)安全性高，不腐蝕封裝的換熱器。結(jié)合以上的特點(diǎn)分析，本實(shí)驗(yàn)選用自制的石蠟/石墨復(fù)合相變材料。本實(shí)驗(yàn)采用的石蠟/石墨復(fù)合相變材料是將兩者以一定的比例制備而成的復(fù)合相變材料，經(jīng)DSC測(cè)試結(jié)果可得相變材料的物性參數(shù)如下表2.2：表2.2石蠟/石墨復(fù)合相變材料的物性參數(shù)相變材料導(dǎo)熱系數(shù)相變溫度相變潛熱石蠟/石墨復(fù)合相變材料1.05W/(m﹒K)46℃257.7J/g2.2傳熱介質(zhì)在太陽(yáng)能的熱利用中，常用的傳熱介質(zhì)有水和空氣。相對(duì)于水，空氣有很多水所不具備的優(yōu)點(diǎn)，例如：（1）空氣作為傳熱介質(zhì)，它的工作溫度范圍很大，可以滿(mǎn)足大部分相變材料的相變溫度，并且不存在像水那樣有凝固或者凍結(jié)導(dǎo)致堵塞的問(wèn)題；（2）沒(méi)有腐蝕問(wèn)題，這個(gè)腐蝕包括對(duì)整個(gè)設(shè)備而言；（3）管內(nèi)有水就會(huì)有水垢產(chǎn)生，用空氣可以完全避免這個(gè)問(wèn)題；（4）空氣的比熱容小，也就是說(shuō)當(dāng)空氣和水接受同樣的太陽(yáng)輻射熱后，它可以比介質(zhì)水更快地產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)所需的熱風(fēng)；（5）空氣對(duì)設(shè)備的密封等要求沒(méi)有像水那樣嚴(yán)格，即使運(yùn)行過(guò)程中有泄露，對(duì)系統(tǒng)的安全運(yùn)行和提供熱風(fēng)的效率也不會(huì)產(chǎn)生較大的影響。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇空氣作為基于太陽(yáng)能真空管空氣集熱器下的實(shí)驗(yàn)傳熱介質(zhì)。2.3儲(chǔ)能罐的結(jié)構(gòu)本文提出的熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能罐是自制的，它的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。我們的實(shí)驗(yàn)思路是：蓄熱時(shí)，從真空管集熱器出來(lái)的熱風(fēng)從儲(chǔ)能罐的底部進(jìn)入罐內(nèi)與裝有相變材料的翅片管換熱器發(fā)生換熱，使相變材料吸熱后熔化儲(chǔ)能；放熱時(shí)，相變材料凝固，熱量通過(guò)換熱器與風(fēng)機(jī)直接通進(jìn)來(lái)的冷空氣直接接觸換熱而釋放出來(lái)。這兩個(gè)過(guò)程我們都對(duì)相變材料的溫度實(shí)時(shí)進(jìn)行采集，以得出結(jié)論。相變材料的用量及利用率，直接影響著該熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能罐的結(jié)構(gòu)和儲(chǔ)能效果。也就是說(shuō)，儲(chǔ)能罐的結(jié)構(gòu)不能隨便決定，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)密的計(jì)算與考慮。經(jīng)過(guò)分析，儲(chǔ)能罐的長(zhǎng)度、寬度和高度可以由負(fù)荷計(jì)算及考慮實(shí)際應(yīng)用條件確定。最終，確定了儲(chǔ)能罐的物理模型，它長(zhǎng)度為750mm，寬為640mm，高為670mm。儲(chǔ)能罐的箱體材料采用外圍包有絕熱棉的特制，該特制木板有良好的絕熱性能。箱體內(nèi)有八臺(tái)裝有相變材料的翅片管換熱器，如圖2.2所示。換熱器呈四層水平布置，每層兩臺(tái)。上下兩層換熱器之間設(shè)置有起支撐作用的支撐架，考慮到換熱器的高度，兩支撐架的距離設(shè)為220mm。下層換熱器與箱體底部的距離為190mm，留有該空間的目的是底部必須裝設(shè)一個(gè)布風(fēng)板，使得從底部進(jìn)來(lái)的熱風(fēng)均勻往上流動(dòng)，使換熱效果和蓄熱效果達(dá)到最理想的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。箱體的上下底板中心開(kāi)有一個(gè)直徑為100mm的圓孔。該圓孔分別為進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口。圖2.1儲(chǔ)能罐圖2.2翅片管換熱器相變材料被封裝在翅片管換熱器的基管中，之所以選用翅片管換熱器，是因?yàn)檠b有翅片擴(kuò)大了傳熱面積，使傳熱效果達(dá)到最好，使相變材料可以充分吸收熱風(fēng)的熱量，實(shí)驗(yàn)時(shí)可達(dá)到最好的蓄放熱效果。加上這類(lèi)換熱器導(dǎo)熱系數(shù)較大，相變材料在凝固過(guò)程中釋放的熱量也能很快傳遞到箱體內(nèi)，與通進(jìn)來(lái)的冷風(fēng)進(jìn)行換熱。本實(shí)驗(yàn)以直徑為100mm的特制塑料管作為輸送熱風(fēng)的管道，管道外圍纏有一層絕熱棉，絕熱棉外圍再纏上反光膜。這不僅可以減少熱風(fēng)在輸送過(guò)程中的熱量散失，還起到了在下雨的時(shí)候防水的作用。管道將熱風(fēng)系統(tǒng)與儲(chǔ)能罐連接，將從真空管集熱器出來(lái)的熱風(fēng)送往儲(chǔ)能罐。2.4本章小結(jié)本章針對(duì)研究的目的和能源現(xiàn)狀，提出了實(shí)驗(yàn)方案和熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能罐的結(jié)構(gòu)，闡述了實(shí)驗(yàn)的思路，同時(shí)介紹了實(shí)驗(yàn)的主體——相變材料，包括它的分類(lèi)和常見(jiàn)應(yīng)用。接著闡述了傳熱介質(zhì)的選擇，確定了石蠟/石墨復(fù)合相變材料作為該儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的相變材料。同時(shí)，比較了光熱利用中常見(jiàn)的兩種傳熱介質(zhì)：水和空氣，選擇了空氣作為該結(jié)構(gòu)的傳熱介質(zhì)。然后介紹了該儲(chǔ)能罐的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)的來(lái)源，為下一章的實(shí)驗(yàn)分析提供了條件。3儲(chǔ)能罐的實(shí)驗(yàn)研究本章先以熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能罐為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)儲(chǔ)能罐的蓄放熱特性進(jìn)行了研究，主要研究?jī)蓚€(gè)變量對(duì)其的影響，這兩個(gè)變量為熱風(fēng)的進(jìn)口溫度和風(fēng)速。本實(shí)驗(yàn)主要分為蓄熱過(guò)程與放熱過(guò)程。本章除了研究?jī)?chǔ)能特性，在此之前，同時(shí)介紹了兩套熱風(fēng)系統(tǒng)，一套以太陽(yáng)能真空管集熱器為主體，另一套為以加熱管和調(diào)壓器組成的變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)。本章對(duì)它們的構(gòu)造與原理分別進(jìn)行了說(shuō)明，最后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)根據(jù)本課題制定的實(shí)驗(yàn)方案，我們?cè)诠W(xué)三號(hào)館設(shè)計(jì)并搭建了熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能罐的熱風(fēng)儲(chǔ)能特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖3.1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：熱風(fēng)系統(tǒng)、相變儲(chǔ)能罐系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。但需要說(shuō)明的是，由于太陽(yáng)能集熱器的熱風(fēng)溫度難以控制，同時(shí)加上天氣條件的限制，本實(shí)驗(yàn)所需的熱風(fēng)如果僅僅依靠太陽(yáng)能空氣集熱器提供明顯不夠，因此在此增加一套熱風(fēng)系統(tǒng)——以加熱管和調(diào)壓器組成的變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)。因此，本實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)該自制的熱風(fēng)系統(tǒng)研究相變材料的儲(chǔ)熱性能，從而在太陽(yáng)能充足的時(shí)候?yàn)檎婵展芗療崞鞯膬?chǔ)能研究提供良好的參考。圖3.1實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（實(shí)物圖）3.1.1熱風(fēng)系統(tǒng)熱風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)和真空管太陽(yáng)能空氣集熱器或者變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)連接組成。往相變儲(chǔ)能罐輸送熱風(fēng)的管道只有一根，并且所需的熱風(fēng)量不多，本實(shí)驗(yàn)選擇的風(fēng)機(jī)是管道式換氣扇，如圖3.2所示。管道式換氣扇可提供的風(fēng)量范圍是690-840m3/h，額定功率為200W。它的工作原理簡(jiǎn)單來(lái)講就是電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)葉輪中葉片之間的氣體旋轉(zhuǎn)。在離心力的作用下氣體被以很高的速度甩出，然后通過(guò)出口風(fēng)排出。上述的動(dòng)作會(huì)導(dǎo)致葉輪處的壓強(qiáng)迅速降低，甚至達(dá)到了負(fù)壓的狀態(tài)。在達(dá)到負(fù)壓的同時(shí)，外界氣體在大氣壓的作用下被壓進(jìn)葉輪，也就是補(bǔ)充了被甩出的氣體，從而完成循環(huán)的吸氣排氣的過(guò)程。圖3.3管道式換氣扇（1）真空管太陽(yáng)能空氣集熱器系統(tǒng)真空管太陽(yáng)能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不過(guò)可以將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)拆分為三大部分來(lái)研究：集熱部分、傳熱部分和換熱部分。本文只對(duì)集熱部分作簡(jiǎn)單的介紹，本次實(shí)驗(yàn)所用的空氣集熱器是由24根直通式全玻璃太陽(yáng)能真空集熱管和左右兩根分配管和集合管組成，每一根根集熱管實(shí)際上由三段構(gòu)成，而分配管和集合管都是PVC管材料，如圖3.3所示。本實(shí)驗(yàn)所提供的空氣集熱器的整個(gè)長(zhǎng)度為5m，寬度為1.8m，呈45°傾斜布置于樓頂上以接收太陽(yáng)輻射。集熱部分主要的主要構(gòu)成是翅片和真空管。真空管是一臺(tái)空氣集熱器的的靈魂，它是整臺(tái)設(shè)備的核心部件，一根真空管實(shí)際上都是由兩根管子組成，也就是內(nèi)管和外管。內(nèi)外管之間有真空夾層。內(nèi)外管的外觀看似普通的玻璃管，實(shí)際材料是高硼硅，是一種專(zhuān)門(mén)用于儀器制作的特殊玻璃。內(nèi)層玻璃管鍍有選擇性吸收涂層，它的作用是對(duì)太陽(yáng)的輻射熱進(jìn)行選擇性的吸收，而內(nèi)外層之間之所以被抽成真空的目的是為了降低熱損失。用作集熱器的真空管與普通真空管的最大差別是兩端開(kāi)口，一端為流體進(jìn)口，另一端為流體出口[24]。真空管的內(nèi)管腔一般會(huì)裝設(shè)有翅片部分，裝設(shè)翅片的目的顯而易見(jiàn)，為了加強(qiáng)管腔內(nèi)的熱量向熱管的傳導(dǎo)，它的主要材質(zhì)一般為鋁合金。圖3.3真空管太陽(yáng)能空氣集熱器（2）變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)用的變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)自制，如圖3.4所示。它主要由箱體、加熱管和調(diào)壓器組成。考慮到本實(shí)驗(yàn)所需的熱風(fēng)溫度，通過(guò)傳熱計(jì)算和安全考慮，最終確定熱風(fēng)系統(tǒng)的箱體由木板組成即可滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。圖3.4變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)考慮到熱風(fēng)的流動(dòng)情況和電熱管的幾何尺寸，箱體的長(zhǎng)寬高嚴(yán)格按照計(jì)算得出。最終確定箱體的長(zhǎng)為560mm，寬為210mm，高度為160mm，箱體的左右側(cè)板中心開(kāi)有一個(gè)直徑為100mm的圓孔，作為進(jìn)出風(fēng)口，箱體外表面包裹有保溫材料，保溫材料由內(nèi)層為耐高溫棉，外層為絕熱棉組成，如圖3.5所示。兩根遠(yuǎn)紅外石英加熱管長(zhǎng)40mm、直徑18mm，額定電壓和額定功率分別為220V和400W。兩根加熱管置于箱體里面的底板上，安裝距離為70mm，如圖3.6所示。經(jīng)過(guò)對(duì)熱風(fēng)溫度和箱體內(nèi)溫度的分析計(jì)算，為了加強(qiáng)加熱管與空氣之間的對(duì)流換熱，我們?cè)诠艿谋砻嬖鲈O(shè)了翅片。圖3.5熱風(fēng)系統(tǒng)箱體圖3.6加熱管3.1.2熱風(fēng)系統(tǒng)的工作過(guò)程本實(shí)驗(yàn)的目的利用真空管太陽(yáng)能集熱器或者變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)制造熱風(fēng)，將熱風(fēng)通入相變儲(chǔ)能罐研究它的蓄熱性能；然后將風(fēng)機(jī)與儲(chǔ)能罐直接連接，研究?jī)?chǔ)能罐的放熱階段的相關(guān)特性。以集熱器為例，在蓄熱階段，風(fēng)機(jī)先和集熱器的進(jìn)風(fēng)口連接，然后冷風(fēng)進(jìn)入分配管，通過(guò)分配管進(jìn)入24根全玻璃真空管內(nèi)。此時(shí)由于裝設(shè)有翅片的內(nèi)管里的選擇性吸收涂層對(duì)太陽(yáng)光的吸收，傳熱介質(zhì)被吸收的熱量所加熱，而從分配管過(guò)來(lái)的冷風(fēng)通過(guò)與傳熱介質(zhì)進(jìn)行熱交換變成熱風(fēng)，熱風(fēng)經(jīng)由集合管通過(guò)出風(fēng)口排出，通過(guò)熱風(fēng)輸送管從儲(chǔ)能罐的底部進(jìn)入箱體內(nèi)。在放熱階段時(shí)用到的設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，不用熱風(fēng)系統(tǒng)，直接將冷風(fēng)管道與儲(chǔ)能罐箱體連接，將冷風(fēng)吹進(jìn)冷卻相變材料。所以，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中我們必須嚴(yán)格控制進(jìn)口熱風(fēng)的溫度和速度，這是實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵[26]。同理，如果以變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)為例，則是兩個(gè)加熱管在箱體內(nèi)部并聯(lián)后與調(diào)壓器連接，先保證鼓風(fēng)機(jī)的檔位不變，保持風(fēng)速恒定，然后通過(guò)調(diào)整加熱管兩端的電壓，以調(diào)節(jié)加熱功率，獲得實(shí)驗(yàn)所需的合適的熱風(fēng)溫度；然后，保持調(diào)壓器的輸出電壓不變，調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)的檔位，以獲得實(shí)驗(yàn)所需的風(fēng)速。本實(shí)驗(yàn)用于測(cè)量熱風(fēng)溫度和速度的儀器為熱線(xiàn)式風(fēng)速儀，如圖3.7所示。圖3.7熱線(xiàn)式風(fēng)速儀3.1.3相變儲(chǔ)能罐的實(shí)驗(yàn)階段儲(chǔ)能罐長(zhǎng)度為750mm，寬為640mm，高為670mm。儲(chǔ)能罐的箱體材料采用外圍包有絕熱棉的特制木板，該特制木板有良好的絕熱性能。箱體內(nèi)有四臺(tái)裝有相變材料的翅片管換熱器，呈兩層布置，每層兩臺(tái)。箱體的上下底板中心開(kāi)有一個(gè)直徑為100mm的圓孔。該圓孔分別為進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口。箱體底板中心穿過(guò)一根直徑為100mm的塑料管，作為熱風(fēng)進(jìn)入箱體的流道。熱電偶從箱體頂部伸進(jìn)儲(chǔ)能罐里，然后從翅片管換熱器的流體進(jìn)出口插進(jìn)去，與管內(nèi)的相變材料接觸。裝設(shè)熱電偶時(shí)要注意對(duì)進(jìn)出口的密封，否則做蓄熱實(shí)驗(yàn)時(shí)熔化的相變材料會(huì)漏出來(lái)。所以T型熱電偶的頭部帶有塑料封裝蓋（如圖3.8所示），可以防止相變材料熔化后從管內(nèi)流出來(lái)。熱電偶一端與相變材料接觸，另一端與數(shù)據(jù)采集儀連接，從而可以采集到相變材料蓄放熱階段的溫度隨時(shí)間的變化。整個(gè)箱體外表面包裹有絕熱棉，絕熱棉外層裹有防水且保溫的反光膜。試驗(yàn)儲(chǔ)能罐在蓄熱階段時(shí)，熱風(fēng)從翅片管的表面流過(guò)，將熱量傳遞給石蠟/石墨復(fù)合相變材料，相變材料吸收熱量后，溫度不斷升高，達(dá)到它的固定熔化溫度后就會(huì)發(fā)生狀態(tài)的改變，此為相變過(guò)程，在此過(guò)程中實(shí)現(xiàn)相變儲(chǔ)能。在放熱階段時(shí)，熱量通過(guò)換熱器表面的翅片與箱內(nèi)通進(jìn)來(lái)的冷風(fēng)進(jìn)行對(duì)流傳熱，從而石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度不斷降低直至凝固。圖3.8封裝蓋3.1.4數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)本實(shí)驗(yàn)需要記錄的數(shù)據(jù)主要有3個(gè)：石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度、熱風(fēng)的進(jìn)出口溫度和熱風(fēng)速度。溫度通過(guò)T型熱電偶和Agilent34972A數(shù)據(jù)采集儀（如圖3.9）進(jìn)行測(cè)量、采集。風(fēng)速可以由風(fēng)速儀測(cè)得。T型熱電偶的材質(zhì)為銅和康銅，首先，我們將一端絞狀點(diǎn)焊后，然后從換熱器的進(jìn)出口伸進(jìn)去與管內(nèi)的石蠟/石墨復(fù)合相變材料接觸，下一步給熱電偶貼上標(biāo)簽，編號(hào)分別為1-10，最后將另一端分別與Agilent板卡里的1-10采集通道連接，構(gòu)成閉合回路。它的工作原理是當(dāng)兩端接點(diǎn)的溫度不同時(shí)，回路中會(huì)因?yàn)闊犭娦?yīng)而將產(chǎn)生熱電勢(shì)，有了熱電勢(shì)的大小，數(shù)據(jù)系統(tǒng)即可計(jì)算出兩個(gè)接點(diǎn)的溫度差。之所以不采用其他溫度計(jì)，除了實(shí)驗(yàn)需求之外，熱電偶測(cè)溫有足夠的測(cè)量精度、較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、工作可靠。在測(cè)量前，采用恒溫水浴，對(duì)熱電偶進(jìn)行了靜態(tài)標(biāo)定。Agilent34972A數(shù)據(jù)采集儀是一種精度為6位半的帶通訊接口和程序控制的多功能數(shù)據(jù)采集裝置，它支持直流和交流電壓、直流和交流電流、二線(xiàn)/四線(xiàn)電阻、頻率等多種信號(hào)的測(cè)量，具有數(shù)字量輸入/輸出、定時(shí)和計(jì)數(shù)功能。本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)口熱風(fēng)速度通過(guò)熱線(xiàn)式風(fēng)速儀（如圖3.7）來(lái)測(cè)量。圖3.9Agilent34972A數(shù)據(jù)采集儀該相變儲(chǔ)能實(shí)驗(yàn)共布置10個(gè)熱電偶。儲(chǔ)能罐里的8臺(tái)換熱器，每臺(tái)需要一個(gè)測(cè)溫用的熱電偶，編號(hào)分別為T(mén)1-T8。如圖3.10所示。另外兩個(gè)熱電偶分別布置于熱風(fēng)的進(jìn)出口端，編號(hào)分別為T(mén)9和T10，用于測(cè)量熱風(fēng)的進(jìn)出口溫度。在后期的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中，考慮到實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，一天內(nèi)的氣溫有所變化，我們打算增設(shè)多一個(gè)通道，采集系統(tǒng)周?chē)拇髿鉁囟取Ｅc翅片管換熱器里的相變材料的體積相比，8個(gè)熱電偶的體積可忽略不計(jì)，因此忽略熱電偶對(duì)相變過(guò)程的影響。圖3.10儲(chǔ)能罐里的熱電偶測(cè)點(diǎn)布置圖3.2實(shí)驗(yàn)步驟（1）開(kāi)啟電腦，接通Agilent數(shù)據(jù)采集儀的電源，配置T1-T10采集通道，掃描每臺(tái)換熱器內(nèi)相變材料的初始溫度和進(jìn)出風(fēng)口的溫度，并檢查各熱電偶是否正常工作；（2）開(kāi)啟管道式換氣扇，通過(guò)調(diào)速器調(diào)節(jié)空氣流速，再接通調(diào)壓器的電源，將加熱管加熱，調(diào)節(jié)調(diào)壓器的電壓以改變加熱管的發(fā)熱強(qiáng)度，獲取實(shí)驗(yàn)所需的熱風(fēng)溫度；（3）待熱風(fēng)進(jìn)口溫度和風(fēng)速穩(wěn)定后，將通有熱風(fēng)的管道與儲(chǔ)能罐的底部開(kāi)口連接，開(kāi)始進(jìn)行儲(chǔ)能罐的蓄熱實(shí)驗(yàn)，同時(shí)Agilent數(shù)據(jù)采集儀開(kāi)始掃描，并打開(kāi)軟件圖像窗口，一直監(jiān)測(cè)8臺(tái)換熱器中相變材料隨時(shí)間的的溫度變化，掃描的時(shí)間間隔為10s，持續(xù)時(shí)間為5h；（4）5h末，關(guān)閉管道式換氣扇、調(diào)壓器等，暫停Agilent數(shù)據(jù)采集儀的掃描，導(dǎo)出蓄熱過(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（5）將管道式換氣扇直接與底部的進(jìn)風(fēng)口連接，繼續(xù)Agilent數(shù)據(jù)采集儀的掃描，待相變材料的溫度下降至室溫時(shí)停止掃描，導(dǎo)出放熱過(guò)程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；（6）關(guān)閉電腦和Agilent數(shù)據(jù)采集儀，收拾和拆卸工具，整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)。需要說(shuō)明的是，管道式換氣扇連續(xù)工作5個(gè)小時(shí)，會(huì)將電能轉(zhuǎn)化成一部分熱能，導(dǎo)致自身提供的冷風(fēng)有一定的溫度、速度波動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致熱風(fēng)在相同的加熱功率下也有一定的溫度和速度波動(dòng)，不過(guò)與實(shí)驗(yàn)所需溫度和風(fēng)速相比，可忽略不計(jì)。3.3相變材料的蓄放熱特性本實(shí)驗(yàn)的相變儲(chǔ)能罐的一個(gè)工作周期是相變材料完成一次熔化—凝固過(guò)程，包含了蓄、放熱兩個(gè)過(guò)程。本節(jié)對(duì)一個(gè)豎直放置的儲(chǔ)能罐進(jìn)行了蓄放熱實(shí)驗(yàn)（熱風(fēng)上進(jìn)下出），8臺(tái)裝有相變材料的換熱器呈4層布置，每層兩臺(tái)。最終得到了8條相變材料在蓄放熱過(guò)程中的溫度變化曲線(xiàn)。根據(jù)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，T1和T2的曲線(xiàn)基本重合，這是因?yàn)閺臒犸L(fēng)流動(dòng)的豎直角度來(lái)研究?jī)?chǔ)熱蓄熱時(shí)，T1和T2處于同于水平面上，所以它們的相變材料的溫度變化隨時(shí)間基本相同。同理，T3和T4，T5和T6，T7和T8的曲線(xiàn)也分別都基本重合。在研究相變材料的蓄放熱特性時(shí)，我們控制熱風(fēng)進(jìn)口溫度為54.2-56.3℃，速度為6.9-7.2m/s；實(shí)驗(yàn)時(shí)空氣溫度為25℃。圖3.11是相變材料蓄熱過(guò)程中，石蠟/石墨復(fù)合相變材料的每隔10秒的溫度隨時(shí)間的變化。上面提到的曲線(xiàn)重合問(wèn)題，為了讓曲線(xiàn)便于觀察，重合曲線(xiàn)只展現(xiàn)出T1和T2，其他同類(lèi)重合曲線(xiàn)隱藏。因此8條曲線(xiàn)實(shí)質(zhì)上我們分析4條即可得出該相變材料的儲(chǔ)放熱特性。從曲線(xiàn)圖的大體趨勢(shì)可知，在沒(méi)有達(dá)到相變溫度時(shí)，固態(tài)相變材料顯熱蓄熱，溫度也從室溫慢慢上升，溫度上升的速率沒(méi)有太大的起伏。隨著相變材料不斷吸熱，它的溫度不斷升高，達(dá)到熔化溫度相變材料發(fā)生相變并進(jìn)行潛熱蓄熱，由于是潛熱蓄熱階段，這個(gè)階段它的溫度上升很慢或近似保持穩(wěn)定，當(dāng)相變材料完全熔化時(shí)也就是成為液態(tài)時(shí)，開(kāi)始進(jìn)入液相顯熱蓄熱方式。例如，T1在60min時(shí)達(dá)到46℃并開(kāi)始熔化，且在短時(shí)間內(nèi)完成相變過(guò)程，此時(shí)為液相的相變材料。T1離進(jìn)風(fēng)口的距離只隔著布風(fēng)板，所以熱風(fēng)進(jìn)來(lái)的第一時(shí)間是經(jīng)過(guò)T1和T2，因此T1的升溫速率比其它水平面上的測(cè)點(diǎn)要快。在第60min前，相變材料沒(méi)有熔化，是固相顯熱蓄熱階段，從曲線(xiàn)中可以看到溫度得很明顯，不過(guò)越接近60min，升溫速率越慢，這是因?yàn)榭煲_(dá)到相變溫度；當(dāng)?shù)?0min末，相變材料開(kāi)始融化后，速率開(kāi)始降下來(lái)，或者有點(diǎn)平緩的跡象，此時(shí)處于固液相共存的潛熱蓄熱過(guò)程，溫度基本保持不變。T3在T1的正上方，熱風(fēng)到達(dá)的溫度沒(méi)那么快，所以熔化所需的時(shí)間增加，在90min末達(dá)到相變溫度開(kāi)始熔化。在相變完成時(shí)溫度陡增，隨后進(jìn)入液相區(qū)顯熱蓄熱。溫度出現(xiàn)細(xì)微的上升的原因是T3的位置容易讓相變材料處于固液共存的狀態(tài)。T5的溫度變化速率至此至終比較平緩，特別是在熔化點(diǎn)溫度附近上升緩慢，它沒(méi)有出現(xiàn)溫度陡增的現(xiàn)象。這是由于它的位置離熱風(fēng)進(jìn)口側(cè)比較遠(yuǎn)，下方的T1和T3的相變蓄熱需要大量的熱量，因此直到第130min末，T5的溫度才到達(dá)相變溫度并開(kāi)始熔化。T7在最頂層，離出風(fēng)口的垂直距離只有3cm，而且下層還有3個(gè)換熱器，因此它的溫度上升最慢，在160min末開(kāi)始熔化，最后相變材料的溫度并沒(méi)有與熱風(fēng)的溫度相同，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為5h，T7在實(shí)驗(yàn)結(jié)束前的30min才熔化完?？梢?jiàn)，沿?zé)犸L(fēng)流動(dòng)方向，相變材料的相變時(shí)間逐漸增加。這是由于熱風(fēng)與相變材料的溫差越來(lái)越小，且石蠟/石墨復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)不大，可傳遞的熱量越來(lái)越少。圖3.11石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度變化（蓄熱過(guò)程）圖3.12是相變材料放熱過(guò)程中，石蠟/石墨復(fù)合相變材料溫度隨時(shí)間的變化。放熱初期，已經(jīng)熔化的相變材料與通進(jìn)來(lái)的冷風(fēng)溫差大，熱量主要通過(guò)自然對(duì)流傳遞給儲(chǔ)能罐內(nèi)的冷風(fēng)，相變材料的溫度快速降低。T1離冷風(fēng)首先接觸，自然對(duì)流作用非常強(qiáng)烈，所以它的溫度下降速率比較大，大概在第30min末開(kāi)始到達(dá)相變溫度。但是到達(dá)相變溫度后，溫度并沒(méi)有立即平緩，說(shuō)明相變材料凝固時(shí)需要一定的過(guò)冷度。在第45min末溫度處于41℃附近后開(kāi)始保持不變，可以得出，此時(shí)T1的相變材料開(kāi)始凝固。此后的70min相變材料開(kāi)始處于凝固放熱，也就是釋放潛熱，此時(shí)溫度變化趨緩。而后下降較為迅速，這是顯熱放熱階段。其次到達(dá)相變溫度的是T3，接下來(lái)是T5，最后是T7。T3、T5和T7均觀察到有相變材料溫度變化很緩慢的放熱凝固時(shí)間段，但凝固時(shí)間有所不同。處于相變溫度附近時(shí)，溫度一直趨于平緩有兩個(gè)方面的因素：一方面，是相變材料凝固過(guò)程本身的物性導(dǎo)致；另一方面，是由于凝固的相變材料抑制了自然對(duì)流作用，且它的導(dǎo)熱系數(shù)低，削弱了熱傳遞。當(dāng)相變材料完全凝固后，熱量主要通過(guò)導(dǎo)熱、和自然對(duì)流傳遞到儲(chǔ)能罐內(nèi)，也就是顯熱放熱階段。最后，溫度向室溫靠近趨于平緩，主要是因?yàn)閾Q熱器內(nèi)外溫差很小，幾乎沒(méi)有散熱，溫度進(jìn)一步降低至室溫25℃。圖3.11石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度變化（放熱過(guò)程）3.4風(fēng)溫和風(fēng)速對(duì)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)熱特性的影響當(dāng)儲(chǔ)能罐的幾何尺寸和選用的換熱器數(shù)量確定后，所能封裝的相變材料量也就確定了，所以結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)能效果取決于真空管太陽(yáng)能空氣集熱器或者自制變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)提供的熱風(fēng)?？刂茻犸L(fēng)的相關(guān)參數(shù)是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。事實(shí)上，由于地球的自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)的輻射熱在一天中是變化的，從真空管集熱器出來(lái)的熱風(fēng)的溫度也是變化的。加上天氣限制，本實(shí)驗(yàn)的熱風(fēng)主要由自制的變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)提供?？紤]到熱風(fēng)的速度過(guò)大，會(huì)增加風(fēng)機(jī)能耗和噪聲；速度過(guò)小，又會(huì)影響相變材料的儲(chǔ)熱性能。從傳熱學(xué)中可知，影響傳熱的因素有很多。但所有的因素當(dāng)中，直接可以改變的就是傳熱溫差和傳熱系數(shù)。對(duì)于熱風(fēng)儲(chǔ)能來(lái)說(shuō)，因?yàn)闊犸L(fēng)的溫度影響的是傳熱溫差，而速度影響的是傳熱系數(shù)，我們只要針對(duì)這兩個(gè)變量來(lái)設(shè)定實(shí)驗(yàn)工況即可得出該相變材料的儲(chǔ)能特性曲線(xiàn)。所以，本節(jié)主要研究了熱風(fēng)的進(jìn)口溫度和速度對(duì)于儲(chǔ)能罐儲(chǔ)能特性的影響。實(shí)驗(yàn)時(shí)，室內(nèi)環(huán)境溫度為25℃，儲(chǔ)能單元豎直放置，熱風(fēng)上端進(jìn)下端出，根據(jù)控制變量法共設(shè)定了5種工況，見(jiàn)表3.2。表3.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)工況工況序號(hào)風(fēng)溫范圍（℃）風(fēng)速范圍（m/s）平均風(fēng)溫（℃）平均風(fēng)速（m/s）149.1-51.26.9-7.250.07.1254.2-56.36.9-7.255.27.1359.2-61.06.9-7.260.17.1454.2-56.35.0-5.455.25.2554.2-56.38.8-9.255.29.03.4.1進(jìn)口熱風(fēng)溫度的影響圖3.13和圖3.14給出了儲(chǔ)能罐內(nèi)T1、T3測(cè)點(diǎn)處的相變材料的溫度隨熱風(fēng)進(jìn)口平均溫度的變化。該實(shí)驗(yàn)將風(fēng)速穩(wěn)定在7.1m/s，然后改變?nèi)物L(fēng)溫。從T1的曲線(xiàn)看，相變材料的溫度隨著熱風(fēng)平均溫度的增加呈非線(xiàn)性增加。當(dāng)處于最高平均風(fēng)溫60.1℃時(shí)，在相變前后的溫度變化率也隨著熱風(fēng)平均溫度的增加而增大，并且比處于另外兩個(gè)風(fēng)溫下的變化率要大。這是由于熱風(fēng)溫度越高，與相變材料的溫差越大，傳遞的熱量也就越多，所以相變材料的溫度上升就越快。它在第40min開(kāi)始達(dá)到相變溫度，比另兩個(gè)要更早熔化。同時(shí)，根據(jù)相關(guān)資料的查閱可知，液相石蠟/石墨復(fù)合相變材料自然對(duì)流最強(qiáng)的區(qū)域在固液交界面附近。所以，當(dāng)處于半熔化狀態(tài)時(shí)，即液相石蠟/石墨復(fù)合相變材料和固相石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫差越大，液相石蠟/石墨復(fù)合相變材料在固液界面處的自然對(duì)流就越強(qiáng)，使得固相石蠟/石墨復(fù)合相變材料熔化為液相的時(shí)間越短，即相變前后的溫度變化率更大。T3處石蠟/石墨復(fù)合相變材料在對(duì)應(yīng)的三種風(fēng)溫下的溫度變化趨勢(shì)與T1處相同，只是每個(gè)風(fēng)溫下的變化速率都比T1的要小，而且它的相變蓄熱階段明顯更長(zhǎng)，比T1的時(shí)間長(zhǎng)了接近30min。因?yàn)橥粫r(shí)間下，T3處的溫度比T1處要低，它與熱風(fēng)的溫差比T1處與熱風(fēng)的溫差要小。無(wú)論是單獨(dú)從T1和T3曲線(xiàn)來(lái)分析，還是從同一時(shí)間下將兩者的曲線(xiàn)來(lái)對(duì)比，都說(shuō)明了溫度越高，蓄熱越快。圖3.13T1測(cè)點(diǎn)相變材料溫度隨熱風(fēng)溫度的變化（取風(fēng)速v=7.1m/s）圖3.14T3測(cè)點(diǎn)相變材料溫度隨熱風(fēng)溫度的變化（取風(fēng)速v=7.1m/s）3.4.2進(jìn)口熱風(fēng)風(fēng)速的影響圖3.15和圖3.16給出了儲(chǔ)能罐內(nèi)T1、T3測(cè)點(diǎn)的石蠟/石墨復(fù)合相變材料溫度隨熱風(fēng)進(jìn)口平均速度的變化。該實(shí)驗(yàn)將風(fēng)溫穩(wěn)定在55.2℃，然后改變?nèi)物L(fēng)速。觀察T1的曲線(xiàn)，石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度隨著熱風(fēng)平均速度的增加而增加。這是由于風(fēng)速越高，熱風(fēng)與換熱器表面的翅片管的強(qiáng)制對(duì)流作用越強(qiáng)，對(duì)流換熱系數(shù)越大，傳遞給石蠟/石墨復(fù)合相變材料的熱量越多，石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度就越高。此外，石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度隨著風(fēng)速的增加呈近似地線(xiàn)性增加，尤其是在液相石蠟/石墨復(fù)合相變材料顯熱蓄熱階段。與固定風(fēng)速改變風(fēng)溫的實(shí)驗(yàn)不同，石蠟/石墨復(fù)合相變材料在相變前后的溫度變化率隨著風(fēng)速的增加變化不大。這可能是由于風(fēng)速的增加僅強(qiáng)化了翅片管處的對(duì)流傳熱，由此增加的傳熱量不足以驅(qū)動(dòng)大部分處于基管處的液相石蠟/石墨復(fù)合相變材料使其自然對(duì)流變化強(qiáng)烈。T3測(cè)點(diǎn)處石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度變化趨勢(shì)與T1處相同，但溫度變化速率較T1要小。除了溫差小之外，熱風(fēng)經(jīng)過(guò)T1后由于阻力等原因風(fēng)速會(huì)有所下降，達(dá)不到和T1處的風(fēng)速，自然對(duì)流就相對(duì)不強(qiáng)。無(wú)論是單獨(dú)從T1和T3曲線(xiàn)來(lái)分析，還是從同一時(shí)間下將兩者的曲線(xiàn)來(lái)對(duì)比，都說(shuō)明了風(fēng)速越大，蓄熱越快。圖3.15T1測(cè)點(diǎn)相變材料溫度隨熱風(fēng)速度的變化（取風(fēng)溫t=55.2℃）圖3.16T3測(cè)點(diǎn)相變材料溫度隨熱風(fēng)速度的變化（取風(fēng)溫t=55.2℃）3.5實(shí)驗(yàn)結(jié)論綜合整個(gè)實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)合數(shù)據(jù)分析可知，本實(shí)驗(yàn)的結(jié)論主要有以下4個(gè)：（1）本實(shí)驗(yàn)自制的熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能罐在相變儲(chǔ)能方面上是有效的，從實(shí)驗(yàn)的可行性和得出的數(shù)據(jù)分析可知。它可以為基于真空管集熱器的太陽(yáng)能熱風(fēng)儲(chǔ)能提供硬件上的支持。（2）提高熱風(fēng)溫度，可加快相變材料的蓄熱。因?yàn)樯郎厥箓鳠釡夭钤龃?，溫差越大，?dǎo)熱傳熱越快。在本實(shí)驗(yàn)提供的50~60℃的風(fēng)溫中，風(fēng)溫越高，相變儲(chǔ)熱效果越好。（3）提高熱風(fēng)速度，也可加快相變材料的蓄熱。因?yàn)樵龃箫L(fēng)速使對(duì)流強(qiáng)度增大，風(fēng)速越大，對(duì)流傳熱越快。在本實(shí)驗(yàn)的5~9m/s的風(fēng)速中，風(fēng)速越高，相變儲(chǔ)熱效果越好。（4）熱風(fēng)的溫度比速度對(duì)于石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度變化影響更大。因?yàn)闊犸L(fēng)的溫度影響的是傳熱溫差，而速度影響的是傳熱系數(shù)，而提高傳熱溫差比提高傳熱系數(shù)要容易得多。因此，因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)是基于真空管太陽(yáng)能空氣集熱器來(lái)考慮，我們可以通過(guò)提高太陽(yáng)能光熱利用率（即提高太陽(yáng)能空氣集熱器的效率）來(lái)提升風(fēng)溫，進(jìn)一步加強(qiáng)儲(chǔ)能罐的儲(chǔ)能效果。這也表明，該熱風(fēng)儲(chǔ)能罐裝置在儲(chǔ)能方面是有效的，可以為后期研究者在熱風(fēng)儲(chǔ)能方面提供一個(gè)參考。3.6本章小結(jié)本章先介紹了整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由三個(gè)部分組成：熱風(fēng)系統(tǒng)、相變儲(chǔ)能罐系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。對(duì)每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和分析。然后進(jìn)行以熱風(fēng)式相變儲(chǔ)能罐為主體的實(shí)驗(yàn)，對(duì)儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的蓄放熱特性進(jìn)行了研究，并探討了熱風(fēng)對(duì)其熱特性的影響，包括風(fēng)溫和風(fēng)速。結(jié)果表明，該自制的儲(chǔ)能罐在相變儲(chǔ)能方面是有效的。同時(shí)熱風(fēng)的溫度比速度對(duì)于石蠟/石墨復(fù)合相變材料的蓄熱性能影響更大，換句話(huà)說(shuō)，即提升熱風(fēng)的溫度比提升速度更能增加相變材料的利用率，也能增大整個(gè)儲(chǔ)能罐的蓄熱量。參考文獻(xiàn)[1]楊青,郭偉,于國(guó)清.直通式真空管太陽(yáng)能空氣集熱器的實(shí)驗(yàn)研究[D].上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,2017.[2]Soyleme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