基于真空管集熱器的熱風(fēng)儲能裝置應(yīng)用設(shè)計研究

基于真空管集熱器的熱風(fēng)儲能裝置應(yīng)用設(shè)計研究摘要隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源的消耗速度和需求量都日益增長。能源消耗過快是個不好的訊號，如果沒有采取應(yīng)對措施，這意味著接下來很長一段時間不僅經(jīng)濟發(fā)展成問題，而且還會給環(huán)境造成巨大的壓力。而目前最為主流和重要的應(yīng)對措施是進行清潔能源的開發(fā)和利用，它已經(jīng)成為我國能源甚至是全世界的能源發(fā)展的大趨勢。太陽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)點就會有缺點，太陽能也不例外。例如太陽輻射具有顯著的稀薄性、間斷性和不穩(wěn)定性。為了能應(yīng)對以上太陽能的缺點且有效利用太陽能，因此人類發(fā)展出了蓄熱技術(shù)。有了蓄熱技術(shù)，我們就可以連續(xù)使用太陽能。說到蓄熱技術(shù)，不得不提另一種物質(zhì)——相變材料?？梢赃@樣說，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。本文的實驗是基于真空管太陽能集熱器的熱風(fēng)相變儲能的研究，采用的相變材料為石蠟/石墨復(fù)合相變材料。簡單來說，首先我們需要自制一個裝有相變材料的儲能罐，因為我們是研究熱風(fēng)儲能，這個儲能罐又叫熱風(fēng)式相變儲能罐。然后將熱風(fēng)通往儲能罐里，通過T型熱電偶和數(shù)據(jù)采集儀對整個相變儲能過程相變材料的溫度進行實時的采集，通過采集的數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。而本實驗的熱風(fēng)是基于真空管太陽能集熱器獲取。當(dāng)然，考慮到實驗條件的限制，我們自制了一個變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)，這在本文里有詳細的介紹。本實驗主目的要是利用自制的熱風(fēng)系統(tǒng)，研究相變材料的儲能特性。利用研究得出的儲能特性，從而在條件允許例如太陽能充足的情況下，通過真空管集熱器吹出來的熱風(fēng)將太陽能儲存起來。本實驗主要探討了石蠟/石墨復(fù)合材料在熔化和凝固過程中的傳熱特性，并且在相變蓄熱實驗中，著重研究了熱風(fēng)溫度和風(fēng)速對石蠟/石墨復(fù)合材料熔化過程的影響。數(shù)據(jù)分析表明，我們自制的儲能罐是有效的，是可以儲存熱風(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。所以本文實驗的成功之處可為基于真空管集熱器的熱風(fēng)儲能提供一個大體的參考。關(guān)鍵詞：太陽能，熱風(fēng)儲能，儲能罐，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實驗背景及意義人類的生活處處離不開能源，能源是我們生存的物質(zhì)基礎(chǔ)。對一個國家而言，促進經(jīng)濟增長離不開能源的發(fā)展；對推動整個世界的發(fā)展而言，它更像一個永動機，永不停止地推動著世界的運轉(zhuǎn)。能源不能枯竭，至少在目前看來如此。中國是一個能源生產(chǎn)大國，但同時也是一個能源消費大國。所以我國的能源相對來說還是比較匱乏。新中國成立初期，我國正處在一個急需改革和發(fā)展的階段，對能源供應(yīng)體系這方面的考慮自然還成不了一個系統(tǒng)。經(jīng)過六十多年的探索與發(fā)展，現(xiàn)在我國已經(jīng)有了一套完整的能源供應(yīng)體系?，F(xiàn)在我國的能源供應(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，大力發(fā)展太陽能等可再生能源。從世界的能源發(fā)展利用來看，目前我國對各種新能源和可再生能源的開發(fā)和利用是排在世界前列的，我國正穩(wěn)步跟進世界能源發(fā)展趨勢，逐步降低對煤炭等化石能源的過渡依賴，大力開發(fā)和發(fā)展太陽能等新能源[1]。從長遠來看，煤炭和石油等化石能源的過度使用會對環(huán)境造成污染，而且這個污染的代價是難以用增長起來經(jīng)濟來彌補的。因此，對環(huán)境友好的新能源引起了人類的關(guān)注，特別是太陽能，它是清潔和高效的新能源的代名詞。在我國，太陽能的利用在各個方面都有體現(xiàn)，而太陽能熱利用是其中使用最普遍的太陽能技術(shù)，它的熱利用形式包括太陽能發(fā)電、太陽能制冷、太陽能熱水、太陽能供暖等。而本實驗所用到的真空管太陽能集熱器就是太陽能熱利用的一個例子，它是一種吸收太陽輻射能量并向其內(nèi)部工質(zhì)傳遞熱量的裝置，也是一種特殊的熱交換器[2]。一個國家的經(jīng)濟和社會要實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，除了和平這個大前提，能源利用效率能否提高也是一個極為關(guān)鍵的因素。關(guān)于如何提高能源利用率的問題，自從進入工業(yè)革命以來人類就在不斷的研究?？商岣吣茉蠢寐实氖侄稳绱酥?，儲熱技術(shù)就是其中之一，這正是本實驗的研究內(nèi)容。長期以來，儲熱技術(shù)都受到人們的重視，關(guān)于它的研究已成一個系統(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)過程中余熱損失在燃料總消耗中所占比可高達67％，大部分的能量是直接浪費掉的，而能夠借助儲能設(shè)備儲存起來的熱量也僅僅可占總余熱量的60％[2]。我國正處于新型工業(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)造了得天獨厚的條件。但是很多事實表明，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，問題是當(dāng)前大部分工業(yè)煙氣余熱資源多都存在兩個常見的缺點，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法解決這兩個缺點，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程中的一些難點的話，將會對我們國家提倡的構(gòu)建節(jié)能減排的社會具有很重要的現(xiàn)實意義。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，相變蓄熱技術(shù)能夠滿足上述技術(shù)要求，這種技術(shù)的原理是利用物質(zhì)在發(fā)生狀態(tài)變化時將吸收或放出大量的熱量來進行能量的存儲與釋放，而該物質(zhì)我們稱為相變材料[3]。我們知道，從本質(zhì)上來看，儲熱技術(shù)一般可以分為三種類型：潛熱儲能、顯熱儲能和化學(xué)反應(yīng)儲能。而本文的關(guān)鍵詞是潛熱儲能。撇開化學(xué)反應(yīng)儲能，就潛熱儲能與顯熱儲能而言，顯熱儲能明顯簡單直接，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的溫度在上升。而顯熱儲能就沒那么直接了。從微觀上看，它與前者相比不僅具有更高的儲能密度；從宏觀上看，它的儲能放能過程是容易控制的，且是一個接近等溫的過程。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，只要繼續(xù)發(fā)展相變潛熱儲能技術(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，因此，可以實現(xiàn)潛熱儲能的相變材料不僅應(yīng)運而生，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，我們稱物質(zhì)發(fā)生了相變過程，在此過程中相變材料將吸收或釋放大量的潛熱。將相變儲能技術(shù)與建筑圍護結(jié)構(gòu)相結(jié)合，能夠增大圍護結(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，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。本實驗就是將從太陽能真空管集熱器出來的熱風(fēng)或電熱器出來的熱風(fēng)通過帶有翅片管換熱器的儲能罐，研究其儲能特性，為太陽能熱風(fēng)儲能提供一些參考，也為當(dāng)下推行的節(jié)能建筑提供一些參考。1.2相變儲能技術(shù)的研究歷史及進展20世紀70年代初，正值第一次能源危機爆發(fā)，這使很多西方國家將焦點從一味地發(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，各個國家都希望在發(fā)現(xiàn)可用的新能源之前，能夠利用相變儲能提高能源的利用率和連續(xù)性。從那個年代起，不僅西方國家，我國也開始對傳統(tǒng)的無機鹽、無機水含鹽、金屬等相變材料進行了持續(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)地研究某一類相變材料。例如，日本科學(xué)家在20世紀70年代早期就開始對水合硝酸鹽做了大量的實驗研究，并取得了不錯的成效。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象。他們將研究過的相變材料直接用于工業(yè)的余熱回收[5]。而德國的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這些相變材料更為直觀的認識，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、鹽和水合鹽無疑是首選的相變材料，在這個溫度區(qū)間下這些相變材料可以發(fā)揮它們最大的優(yōu)勢。相比日本和德國，美國的研究更為成熟和全面。美國科學(xué)家在相變材料的制備、相變儲能裝置設(shè)計、蓄放熱特性等方面做了詳細的研究。例如，美國的Petri等[7]通過實驗將大量的無機材料進行復(fù)合，希望找到最適合的復(fù)合搭配。終于，他們的實驗是世界上首先制造出了Na2CO3—BaC03/MgO復(fù)合無機材料的，這種復(fù)合相變材料的儲能特性與優(yōu)點都很明顯。接下來有人對含鋁硅合金相變材料進行了深入研究，比較有代表性的是美國的Schmidt[8]，他通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，顛覆了一個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隨溫度的改變而產(chǎn)生變化，他的研究表明，是不會產(chǎn)生明顯變化的。同時他還指出，增加硅鋁合金中硅的含量會明顯改變材料的儲熱性能。美國的Mobley等[7]更是有一個大膽的突破，針對相變材料對容器會有腐蝕等問題，他想省去相變材料的盛裝容器，經(jīng)過對過共晶合金儲熱球的成分進行了分析研究，他指出，如果過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用于制作一種外殼，或者可以稱之為硅外殼。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)心腐蝕的問題。21世紀初期，對相變材料的研究更多地進入了模擬實驗的階段，比較有先驅(qū)性的是Giovanni等人[9]。他先在平板型蓄能容器進行了大量的數(shù)值模擬和實驗研究，并隨時監(jiān)測相變材料的溫度變化，結(jié)果顯示完全可以用模擬來指導(dǎo)實驗。除此之外，不僅僅平板型蓄能容器可以，在其它蓄能容器實驗也得到了成功的驗證。有了前人的模擬實驗經(jīng)歷，2005年，Shatikian.V等人[10]利用Fluent軟件對換熱管內(nèi)部加有微肋片的相變蓄熱單元進行了數(shù)值模擬和分析研究，他研究的變量有兩個：一是不同的肋片尺寸，而是不同的肋片形狀，研究兩個變量與蓄熱性能存在怎樣的聯(lián)系。近年來，我國的能源問題日益突出，因此對建筑節(jié)能也越來越重視，關(guān)于相變材料和它應(yīng)用于建筑方面的研究也越來越多，特別是將太陽能熱風(fēng)裝置與相變儲能技術(shù)結(jié)合起來應(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，國內(nèi)外的研究者對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原理、傳熱效果、數(shù)值模擬方法、物理及化學(xué)特性等，詳細成果在文獻[11]-[15]里。1.3相變材料的常見應(yīng)用1.3.1相變材料與太陽能利用技術(shù)相變材料與太陽能利用技術(shù)方面結(jié)合是目前的一大研究熱點，目前的研究成果甚多，歸結(jié)起來其實就只有以下三個方面：（1）用于太陽能光伏相變儲能系統(tǒng)當(dāng)中，應(yīng)用機理是使用相變材料的良好蓄放熱性能大幅度降低太陽能電池的工作溫度，通過這種方式來提高光電轉(zhuǎn)換效率；（2）用于太陽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能集熱器結(jié)構(gòu)的探索和研究，即改進太陽能光熱儲能系統(tǒng)[4]。1.3.2相變材料與新型混凝土混凝土在養(yǎng)護過程中容易產(chǎn)生溫度裂縫，這對于以混凝土為主要材料的建筑圍護結(jié)構(gòu)或者路面來說，極其容易受凍融破壞而影響使用耐久性。以建筑圍護結(jié)構(gòu)的應(yīng)用為例，相變材料在整個相變過程可以吸收或者釋放很多的熱量，從而可以提高圍護結(jié)構(gòu)熱性能，與此同時還可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的變化，因此可以改變以往工業(yè)上每隔一段時間就要更換墻體的問題。工業(yè)上將相變儲能材料混合在混凝土中制作產(chǎn)生的相變儲能混凝土，其制作機理是運用相變材料在實際儲能過程中實現(xiàn)能量在空間以及時間上的轉(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、相變儲能混凝土圍護結(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，就會有熱量的投入和產(chǎn)生。在整個生產(chǎn)的過程中，多多少少會產(chǎn)生余熱和廢熱，這些熱量以往很多時候是白白浪費掉了，后來開始有人提出將這些熱量回收再利用，而相變儲能材料就在這里派上用場了，它的相變儲能特性完全可以將這些余熱和廢熱儲存起來，從而進行二次工業(yè)及生活上的利用。工業(yè)上主要運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相變儲能材料與建筑節(jié)能相變儲能材料應(yīng)用在工業(yè)建筑節(jié)能方面主要是表現(xiàn)在運用于工業(yè)建筑常規(guī)圍護結(jié)構(gòu)和供熱、供冷系統(tǒng)。在這里主要對國內(nèi)外在圍護結(jié)構(gòu)方面作一個簡單的介紹。國外關(guān)于這方面的研究比較有代表性的是美國Delaware大學(xué)儲能研究所的成果，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，國內(nèi)有譚羽非等科研工作者[19]的研究，他們運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。1.4翅片管換熱器換熱器，正如它的名字，是可以推動冷熱流體之間實現(xiàn)熱量傳遞的工業(yè)及生活設(shè)備，又名熱交換器。依據(jù)換熱器運用于化工生產(chǎn)制造中的不同，人們對它的稱謂也有所變化。例如加熱器、冷凝器、蒸發(fā)器和再沸器等，其實本質(zhì)都是換熱器。不僅僅如此，按照不同的分類方法，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)對換熱器的依賴性越來越強，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)點提升到上述水平。經(jīng)過對傳統(tǒng)的幾大類換熱器進行研究發(fā)現(xiàn)，翅片管換熱器是解決問題的關(guān)鍵。最初工業(yè)上用的翅片管換熱器的翅片大多數(shù)是無縫平直翅片。經(jīng)過相關(guān)研究者的不斷測試和發(fā)展，翅片管換熱器的管外翅片發(fā)生了很多轉(zhuǎn)變。先是與無縫翅片相對的開縫翅片被測試出來，換熱效果明顯提高了。接著對開孔翅片、波紋翅片、百葉窗式翅片等多種形狀的翅片進行測試，無一例外都大大增強了換熱效果和提升了安全性能。本實驗用到的換熱器就為翅片管換熱器。它是一種帶翅（也稱肋片）的管式換熱器，按上述的分類方法來看，它屬于間壁換熱器[22]。翅片管是該類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，本實驗所用的基管為圓管[23]。2熱風(fēng)式相變儲能罐由于我國地域遼闊，太陽能資源豐富，開發(fā)利用前景廣闊。近幾年來的建筑設(shè)計中，很多建筑設(shè)計師與太陽能研究者構(gòu)想，希望可以將太陽能直接用于建筑中，在有效地利用太陽能的同時，還能減少電能的使用。也就是使可轉(zhuǎn)換和利用太陽能的設(shè)備與整個建筑合為一體，這就是太陽能與建筑一體化技術(shù)。當(dāng)然，目前太陽能與建筑一體化熱利用技術(shù)還沒成熟到給整個建筑供電的地步，不過這會是研究者未來努力的方向，它的技術(shù)目前僅僅可解決太陽能建筑供暖與太陽能熱水這兩方面[24]。太陽能供暖正越來越受到有關(guān)研究者的重視和關(guān)注，原因是太陽能是清潔的能源，是當(dāng)前可再生能源的研究熱點，利用太陽能來供暖與當(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，還能起到保護環(huán)境的作用。無論是對經(jīng)濟還是環(huán)境，都是百利而無一害。對于我國太陽能資源豐富、晝夜溫差大的地區(qū)，采暖建筑室內(nèi)夜間溫度波動大，熱穩(wěn)定性和舒適性都較差。若充分利用建筑圍護結(jié)構(gòu)對日間太陽輻射能進行儲存，并在夜間向室內(nèi)釋放，可以解決建筑采暖需求和太陽能、室外氣溫在時序上難以匹配的問題[25]。基于此，本文提出了一種利用太陽能的熱風(fēng)相變儲能系統(tǒng)，從大范圍上來講，熱風(fēng)儲能也可用于建筑采暖。但本文只是通過實驗從定性上得出結(jié)論為儲能方式和效果為后期研究者提供理論參考。2.1相變儲能材料相變儲能材料是指在一定的溫度范圍內(nèi)，利用相變過程中吸收或釋放的潛熱來儲能或釋能的一類物質(zhì)。我們將物理狀態(tài)和物理性質(zhì)發(fā)生轉(zhuǎn)變時的過程稱為相變過程，在此過程中相變材料可以以比顯熱儲能高很多的儲能密度和儲能速度進行儲能，這就是潛熱儲能。除此之外，相變材料的儲能放能過程是一個容易控制且溫度接近不變的過程。本小節(jié)主要分兩部分來闡述。第一部分是對所有相變材料的分類進行了說明，并且就三類相變材料的優(yōu)缺點和應(yīng)用進行了對比。第二部分是對本實驗選用的石蠟/石墨復(fù)合相變材料的原因和性質(zhì)分別進行了說明。2.1.1相變材料的分類目前，由于相變儲能技術(shù)的發(fā)展，越來越多的相變材料被制備出來，種類繁多，因此形成了各種各樣的分類方式。常見的分類方式是根據(jù)相變溫度、相變類型、物質(zhì)類型進行分類，具體如下：（1）相變溫度不同按照相變溫度不同來分類，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機鹽水溶液。因為它的相變溫度低，所以主要應(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機水合鹽，當(dāng)然，大多數(shù)的有機材料和共晶鹽類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)用于熱機和太陽能電站外，在人造衛(wèi)星領(lǐng)域等，都離不開高溫相變材料。本實驗用的石蠟/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)三種類型，但相變材料按照相變類型來分類不是簡單地將三種狀態(tài)排列組合。經(jīng)過研究分析，目前只有以下四種類型：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，一類是工業(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，并且人員操作起來比較困難。（3）物質(zhì)類型不同按物質(zhì)類型來分類，實質(zhì)上也就是根據(jù)化學(xué)性質(zhì)來分類。按這種方法來分類，相變材料可分為無機相變材料、有機相變材料和復(fù)合相變材料三大類。無機相變材料和有機相變材料的優(yōu)缺點在表2.1有所闡述，這里主要對復(fù)合相變材料進行分析。之所以研究復(fù)合材料，是因為人們不滿足傳統(tǒng)的相變材料。所以它的優(yōu)缺點要與傳統(tǒng)材料相比才有意義。它有更明顯的熔點，并且有更高的儲能密度，穩(wěn)定性更好；缺點是沒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2.1三類相變材料的優(yōu)缺點[25]分類優(yōu)點缺點=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)）有機相變材料=3\*GB3③相變過程中體積變化小=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，無毒無害無機相變材料=1\*GB3①熔解熱較大=1\*GB3①凝固時有過冷現(xiàn)象=2\*GB3②導(dǎo)熱系數(shù)大（約0.5W/(m﹒K)）=2\*GB3②對大多數(shù)金屬有腐蝕=3\*GB3③與塑料容器相容=3\*GB3③相變過程中有離析現(xiàn)象=4\*GB3④價格便宜低共熔混合物=1\*GB3①單位體積儲能高=2\*GB3②有明確的熔點熱物理性特性參數(shù)不易測得2.1.2實驗用相變材料的選擇相變材料的選擇如果考慮得不充分，會影響相變材料的儲能效果以及本次實驗的效果。本實驗的意義是為熱風(fēng)儲能提供一個理論參考，而且是基于利用太陽能的基礎(chǔ)上的?？紤]到我們所處位置太陽的輻照情況和所能提供的熱風(fēng)溫度范圍，我們需要認真選取相變材料。不同的應(yīng)用領(lǐng)域，對相變材料的性能要求也不同，我們希望本實驗的結(jié)論能夠為工程上的儲能技術(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足以下幾個特點：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70℃，同時安全性高，不腐蝕封裝的換熱器。結(jié)合以上的特點分析，本實驗選用自制的石蠟/石墨復(fù)合相變材料。本實驗采用的石蠟/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)在太陽能的熱利用中，常用的傳熱介質(zhì)有水和空氣。相對于水，空氣有很多水所不具備的優(yōu)點，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)致堵塞的問題；（2）沒有腐蝕問題，這個腐蝕包括對整個設(shè)備而言；（3）管內(nèi)有水就會有水垢產(chǎn)生，用空氣可以完全避免這個問題；（4）空氣的比熱容小，也就是說當(dāng)空氣和水接受同樣的太陽輻射熱后，它可以比介質(zhì)水更快地產(chǎn)生實驗所需的熱風(fēng)；（5）空氣對設(shè)備的密封等要求沒有像水那樣嚴格，即使運行過程中有泄露，對系統(tǒng)的安全運行和提供熱風(fēng)的效率也不會產(chǎn)生較大的影響。因此，本實驗選擇空氣作為基于太陽能真空管空氣集熱器下的實驗傳熱介質(zhì)。2.3儲能罐的結(jié)構(gòu)本文提出的熱風(fēng)式相變儲能罐是自制的，它的結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。我們的實驗思路是：蓄熱時，從真空管集熱器出來的熱風(fēng)從儲能罐的底部進入罐內(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能；放熱時，相變材料凝固，熱量通過換熱器與風(fēng)機直接通進來的冷空氣直接接觸換熱而釋放出來。這兩個過程我們都對相變材料的溫度實時進行采集，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)式相變儲能罐的結(jié)構(gòu)和儲能效果。也就是說，儲能罐的結(jié)構(gòu)不能隨便決定，必須經(jīng)過嚴密的計算與考慮。經(jīng)過分析，儲能罐的長度、寬度和高度可以由負荷計算及考慮實際應(yīng)用條件確定。最終，確定了儲能罐的物理模型，它長度為750mm，寬為640mm，高為670mm。儲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。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)一個布風(fēng)板，使得從底部進來的熱風(fēng)均勻往上流動，使換熱效果和蓄熱效果達到最理想的實驗狀態(tài)。箱體的上下底板中心開有一個直徑為100mm的圓孔。該圓孔分別為進風(fēng)口與出風(fēng)口。圖2.1儲能罐圖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，是因為裝有翅片擴大了傳熱面積，使傳熱效果達到最好，使相變材料可以充分吸收熱風(fēng)的熱量，實驗時可達到最好的蓄放熱效果。加上這類換熱器導(dǎo)熱系數(shù)較大，相變材料在凝固過程中釋放的熱量也能很快傳遞到箱體內(nèi)，與通進來的冷風(fēng)進行換熱。本實驗以直徑為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)在輸送過程中的熱量散失，還起到了在下雨的時候防水的作用。管道將熱風(fēng)系統(tǒng)與儲能罐連接，將從真空管集熱器出來的熱風(fēng)送往儲能罐。2.4本章小結(jié)本章針對研究的目的和能源現(xiàn)狀，提出了實驗方案和熱風(fēng)式相變儲能罐的結(jié)構(gòu)，闡述了實驗的思路，同時介紹了實驗的主體——相變材料，包括它的分類和常見應(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能結(jié)構(gòu)的相變材料。同時，比較了光熱利用中常見的兩種傳熱介質(zhì)：水和空氣，選擇了空氣作為該結(jié)構(gòu)的傳熱介質(zhì)。然后介紹了該儲能罐的結(jié)構(gòu)和設(shè)計的來源，為下一章的實驗分析提供了條件。3儲能罐的實驗研究本章先以熱風(fēng)式相變儲能罐為實驗對象，對儲能罐的蓄放熱特性進行了研究，主要研究兩個變量對其的影響，這兩個變量為熱風(fēng)的進口溫度和風(fēng)速。本實驗主要分為蓄熱過程與放熱過程。本章除了研究儲能特性，在此之前，同時介紹了兩套熱風(fēng)系統(tǒng)，一套以太陽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)。本章對它們的構(gòu)造與原理分別進行了說明，最后分析實驗結(jié)果，得出結(jié)論。3.1實驗系統(tǒng)根據(jù)本課題制定的實驗方案，我們在工學(xué)三號館設(shè)計并搭建了熱風(fēng)式相變儲能罐的熱風(fēng)儲能特性的實驗系統(tǒng)，如圖3.1所示。該實驗系統(tǒng)主要由三個部分組成：熱風(fēng)系統(tǒng)、相變儲能罐系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。但需要說明的是，由于太陽能集熱器的熱風(fēng)溫度難以控制，同時加上天氣條件的限制，本實驗所需的熱風(fēng)如果僅僅依靠太陽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，本實驗主要是通過該自制的熱風(fēng)系統(tǒng)研究相變材料的儲熱性能，從而在太陽能充足的時候為真空管集熱器的儲能研究提供良好的參考。圖3.1實驗系統(tǒng)（實物圖）3.1.1熱風(fēng)系統(tǒng)熱風(fēng)系統(tǒng)由風(fēng)機和真空管太陽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，本實驗選擇的風(fēng)機是管道式換氣扇，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。它的工作原理簡單來講就是電機轉(zhuǎn)動帶動風(fēng)機葉輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動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，然后通過出口風(fēng)排出。上述的動作會導(dǎo)致葉輪處的壓強迅速降低，甚至達到了負壓的狀態(tài)。在達到負壓的同時，外界氣體在大氣壓的作用下被壓進葉輪，也就是補充了被甩出的氣體，從而完成循環(huán)的吸氣排氣的過程。圖3.3管道式換氣扇（1）真空管太陽能空氣集熱器系統(tǒng)真空管太陽能空氣集熱器的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不過可以將復(fù)雜的結(jié)構(gòu)拆分為三大部分來研究：集熱部分、傳熱部分和換熱部分。本文只對集熱部分作簡單的介紹，本次實驗所用的空氣集熱器是由24根直通式全玻璃太陽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。本實驗所提供的空氣集熱器的整個長度為5m，寬度為1.8m，呈45°傾斜布置于樓頂上以接收太陽輻射。集熱部分主要的主要構(gòu)成是翅片和真空管。真空管是一臺空氣集熱器的的靈魂，它是整臺設(shè)備的核心部件，一根真空管實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，實際材料是高硼硅，是一種專門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，它的作用是對太陽的輻射熱進行選擇性的吸收，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口，一端為流體進口，另一端為流體出口[24]。真空管的內(nèi)管腔一般會裝設(shè)有翅片部分，裝設(shè)翅片的目的顯而易見，為了加強管腔內(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真空管太陽能空氣集熱器（2）變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)本實驗用的變壓可調(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?？紤]到本實驗所需的熱風(fēng)溫度，通過傳熱計算和安全考慮，最終確定熱風(fēng)系統(tǒng)的箱體由木板組成即可滿足實驗要求。圖3.4變壓可調(diào)熱風(fēng)系統(tǒng)考慮到熱風(fēng)的流動情況和電熱管的幾何尺寸，箱體的長寬高嚴格按照計算得出。最終確定箱體的長為560mm，寬為210mm，高度為160mm，箱體的左右側(cè)板中心開有一個直徑為100mm的圓孔，作為進出風(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。兩根遠紅外石英加熱管長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)過對熱風(fēng)溫度和箱體內(nèi)溫度的分析計算，為了加強加熱管與空氣之間的對流換熱，我們在管的表面增設(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)的工作過程本實驗的目的利用真空管太陽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)通入相變儲能罐研究它的蓄熱性能；然后將風(fēng)機與儲能罐直接連接，研究儲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)機先和集熱器的進風(fēng)口連接，然后冷風(fēng)進入分配管，通過分配管進入24根全玻璃真空管內(nèi)。此時由于裝設(shè)有翅片的內(nèi)管里的選擇性吸收涂層對太陽光的吸收，傳熱介質(zhì)被吸收的熱量所加熱，而從分配管過來的冷風(fēng)通過與傳熱介質(zhì)進行熱交換變成熱風(fēng)，熱風(fēng)經(jīng)由集合管通過出風(fēng)口排出，通過熱風(fēng)輸送管從儲能罐的底部進入箱體內(nèi)。在放熱階段時用到的設(shè)備相對簡單，不用熱風(fēng)系統(tǒng)，直接將冷風(fēng)管道與儲能罐箱體連接，將冷風(fēng)吹進冷卻相變材料。所以，實驗過程中我們必須嚴格控制進口熱風(fēng)的溫度和速度，這是實驗的關(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)機的檔位不變，保持風(fēng)速恒定，然后通過調(diào)整加熱管兩端的電壓，以調(diào)節(jié)加熱功率，獲得實驗所需的合適的熱風(fēng)溫度；然后，保持調(diào)壓器的輸出電壓不變，調(diào)整鼓風(fēng)機的檔位，以獲得實驗所需的風(fēng)速。本實驗用于測量熱風(fēng)溫度和速度的儀器為熱線式風(fēng)速儀，如圖3.7所示。圖3.7熱線式風(fēng)速儀3.1.3相變儲能罐的實驗階段儲能罐長度為750mm，寬為640mm，高為670mm。儲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)有四臺裝有相變材料的翅片管換熱器，呈兩層布置，每層兩臺。箱體的上下底板中心開有一個直徑為100mm的圓孔。該圓孔分別為進風(fēng)口與出風(fēng)口。箱體底板中心穿過一根直徑為100mm的塑料管，作為熱風(fēng)進入箱體的流道。熱電偶從箱體頂部伸進儲能罐里，然后從翅片管換熱器的流體進出口插進去，與管內(nèi)的相變材料接觸。裝設(shè)熱電偶時要注意對進出口的密封，否則做蓄熱實驗時熔化的相變材料會漏出來。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。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間的變化。整個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。試驗儲能罐在蓄熱階段時，熱風(fēng)從翅片管的表面流過，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，達到它的固定熔化溫度后就會發(fā)生狀態(tài)的改變，此為相變過程，在此過程中實現(xiàn)相變儲能。在放熱階段時，熱量通過換熱器表面的翅片與箱內(nèi)通進來的冷風(fēng)進行對流傳熱，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)本實驗需要記錄的數(shù)據(jù)主要有3個：石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度、熱風(fēng)的進出口溫度和熱風(fēng)速度。溫度通過T型熱電偶和Agilent34972A數(shù)據(jù)采集儀（如圖3.9）進行測量、采集。風(fēng)速可以由風(fēng)速儀測得。T型熱電偶的材質(zhì)為銅和康銅，首先，我們將一端絞狀點焊后，然后從換熱器的進出口伸進去與管內(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簽，編號分別為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)兩端接點的溫度不同時，回路中會因為熱電效應(yīng)而將產(chǎn)生熱電勢，有了熱電勢的大小，數(shù)據(jù)系統(tǒng)即可計算出兩個接點的溫度差。之所以不采用其他溫度計，除了實驗需求之外，熱電偶測溫有足夠的測量精度、較好的動態(tài)響應(yīng)、工作可靠。在測量前，采用恒溫水浴，對熱電偶進行了靜態(tài)標定。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/四線電阻、頻率等多種信號的測量，具有數(shù)字量輸入/輸出、定時和計數(shù)功能。本實驗的進口熱風(fēng)速度通過熱線式風(fēng)速儀（如圖3.7）來測量。圖3.9Agilent34972A數(shù)據(jù)采集儀該相變儲能實驗共布置10個熱電偶。儲能罐里的8臺換熱器，每臺需要一個測溫用的熱電偶，編號分別為T1-T8。如圖3.10所示。另外兩個熱電偶分別布置于熱風(fēng)的進出口端，編號分別為T9和T10，用于測量熱風(fēng)的進出口溫度。在后期的實驗改進中，考慮到實驗時間過長，一天內(nèi)的氣溫有所變化，我們打算增設(shè)多一個通道，采集系統(tǒng)周圍的大氣溫度。與翅片管換熱器里的相變材料的體積相比，8個熱電偶的體積可忽略不計，因此忽略熱電偶對相變過程的影響。圖3.10儲能罐里的熱電偶測點布置圖3.2實驗步驟（1）開啟電腦，接通Agilent數(shù)據(jù)采集儀的電源，配置T1-T10采集通道，掃描每臺換熱器內(nèi)相變材料的初始溫度和進出風(fēng)口的溫度，并檢查各熱電偶是否正常工作；（2）開啟管道式換氣扇，通過調(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)熱強度，獲取實驗所需的熱風(fēng)溫度；（3）待熱風(fēng)進口溫度和風(fēng)速穩(wěn)定后，將通有熱風(fēng)的管道與儲能罐的底部開口連接，開始進行儲能罐的蓄熱實驗，同時Agilent數(shù)據(jù)采集儀開始掃描，并打開軟件圖像窗口，一直監(jiān)測8臺換熱器中相變材料隨時間的的溫度變化，掃描的時間間隔為10s，持續(xù)時間為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)出蓄熱過程的實驗數(shù)據(jù)；（5）將管道式換氣扇直接與底部的進風(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停止掃描，導(dǎo)出放熱過程的實驗數(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，整理實驗臺。需要說明的是，管道式換氣扇連續(xù)工作5個小時，會將電能轉(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，進而導(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，不過與實驗所需溫度和風(fēng)速相比，可忽略不計。3.3相變材料的蓄放熱特性本實驗的相變儲能罐的一個工作周期是相變材料完成一次熔化—凝固過程，包含了蓄、放熱兩個過程。本節(jié)對一個豎直放置的儲能罐進行了蓄放熱實驗（熱風(fēng)上進下出），8臺裝有相變材料的換熱器呈4層布置，每層兩臺。最終得到了8條相變材料在蓄放熱過程中的溫度變化曲線。根據(jù)結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，T1和T2的曲線基本重合，這是因為從熱風(fēng)流動的豎直角度來研究儲熱蓄熱時，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間基本相同。同理，T3和T4，T5和T6，T7和T8的曲線也分別都基本重合。在研究相變材料的蓄放熱特性時，我們控制熱風(fēng)進口溫度為54.2-56.3℃，速度為6.9-7.2m/s；實驗時空氣溫度為25℃。圖3.11是相變材料蓄熱過程中，石蠟/石墨復(fù)合相變材料的每隔10秒的溫度隨時間的變化。上面提到的曲線重合問題，為了讓曲線便于觀察，重合曲線只展現(xiàn)出T1和T2，其他同類重合曲線隱藏。因此8條曲線實質(zhì)上我們分析4條即可得出該相變材料的儲放熱特性。從曲線圖的大體趨勢可知，在沒有達到相變溫度時，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，達到熔化溫度相變材料發(fā)生相變并進行潛熱蓄熱，由于是潛熱蓄熱階段，這個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也就是成為液態(tài)時，開始進入液相顯熱蓄熱方式。例如，T1在60min時達到46℃并開始熔化，且在短時間內(nèi)完成相變過程，此時為液相的相變材料。T1離進風(fēng)口的距離只隔著布風(fēng)板，所以熱風(fēng)進來的第一時間是經(jīng)過T1和T2，因此T1的升溫速率比其它水平面上的測點要快。在第60min前，相變材料沒有熔化，是固相顯熱蓄熱階段，從曲線中可以看到溫度得很明顯，不過越接近60min，升溫速率越慢，這是因為快要達到相變溫度；當(dāng)?shù)?0min末，相變材料開始融化后，速率開始降下來，或者有點平緩的跡象，此時處于固液相共存的潛熱蓄熱過程，溫度基本保持不變。T3在T1的正上方，熱風(fēng)到達的溫度沒那么快，所以熔化所需的時間增加，在90min末達到相變溫度開始熔化。在相變完成時溫度陡增，隨后進入液相區(qū)顯熱蓄熱。溫度出現(xiàn)細微的上升的原因是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，特別是在熔化點溫度附近上升緩慢，它沒有出現(xiàn)溫度陡增的現(xiàn)象。這是由于它的位置離熱風(fēng)進口側(cè)比較遠，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的溫度才到達相變溫度并開始熔化。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個換熱器，因此它的溫度上升最慢，在160min末開始熔化，最后相變材料的溫度并沒有與熱風(fēng)的溫度相同，這是因為實驗持續(xù)時間為5h，T7在實驗結(jié)束前的30min才熔化完?？梢姡?zé)犸L(fēng)流動方向，相變材料的相變時間逐漸增加。這是由于熱風(fēng)與相變材料的溫差越來越小，且石蠟/石墨復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)不大，可傳遞的熱量越來越少。圖3.11石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度變化（蓄熱過程）圖3.12是相變材料放熱過程中，石蠟/石墨復(fù)合相變材料溫度隨時間的變化。放熱初期，已經(jīng)熔化的相變材料與通進來的冷風(fēng)溫差大，熱量主要通過自然對流傳遞給儲能罐內(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，自然對流作用非常強烈，所以它的溫度下降速率比較大，大概在第30min末開始到達相變溫度。但是到達相變溫度后，溫度并沒有立即平緩，說明相變材料凝固時需要一定的過冷度。在第45min末溫度處于41℃附近后開始保持不變，可以得出，此時T1的相變材料開始凝固。此后的70min相變材料開始處于凝固放熱，也就是釋放潛熱，此時溫度變化趨緩。而后下降較為迅速，這是顯熱放熱階段。其次到達相變溫度的是T3，接下來是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間段，但凝固時間有所不同。處于相變溫度附近時，溫度一直趨于平緩有兩個方面的因素：一方面，是相變材料凝固過程本身的物性導(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，熱量主要通過導(dǎo)熱、和自然對流傳遞到儲能罐內(nèi)，也就是顯熱放熱階段。最后，溫度向室溫靠近趨于平緩，主要是因為換熱器內(nèi)外溫差很小，幾乎沒有散熱，溫度進一步降低至室溫25℃。圖3.11石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度變化（放熱過程）3.4風(fēng)溫和風(fēng)速對儲能結(jié)構(gòu)熱特性的影響當(dāng)儲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)的儲能效果取決于真空管太陽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)是本實驗的關(guān)鍵。事實上，由于地球的自轉(zhuǎn)，太陽的輻射熱在一天中是變化的，從真空管集熱器出來的熱風(fēng)的溫度也是變化的。加上天氣限制，本實驗的熱風(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)的速度過大，會增加風(fēng)機能耗和噪聲；速度過小，又會影響相變材料的儲熱性能。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)。對于熱風(fēng)儲能來說，因為熱風(fēng)的溫度影響的是傳熱溫差，而速度影響的是傳熱系數(shù)，我們只要針對這兩個變量來設(shè)定實驗工況即可得出該相變材料的儲能特性曲線。所以，本節(jié)主要研究了熱風(fēng)的進口溫度和速度對于儲能罐儲能特性的影響。實驗時，室內(nèi)環(huán)境溫度為25℃，儲能單元豎直放置，熱風(fēng)上端進下端出，根據(jù)控制變量法共設(shè)定了5種工況，見表3.2。表3.2實驗設(shè)計工況工況序號風(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進口熱風(fēng)溫度的影響圖3.13和圖3.14給出了儲能罐內(nèi)T1、T3測點處的相變材料的溫度隨熱風(fēng)進口平均溫度的變化。該實驗將風(fēng)速穩(wěn)定在7.1m/s，然后改變?nèi)物L(fēng)溫。從T1的曲線看，相變材料的溫度隨著熱風(fēng)平均溫度的增加呈非線性增加。當(dāng)處于最高平均風(fēng)溫60.1℃時，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開始達到相變溫度，比另兩個要更早熔化。同時，根據(jù)相關(guān)資料的查閱可知，液相石蠟/石墨復(fù)合相變材料自然對流最強的區(qū)域在固液交界面附近。所以，當(dāng)處于半熔化狀態(tài)時，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流就越強，使得固相石蠟/石墨復(fù)合相變材料熔化為液相的時間越短，即相變前后的溫度變化率更大。T3處石蠟/石墨復(fù)合相變材料在對應(yīng)的三種風(fēng)溫下的溫度變化趨勢與T1處相同，只是每個風(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，比T1的時間長了接近30min。因為同一時間下，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。無論是單獨從T1和T3曲線來分析，還是從同一時間下將兩者的曲線來對比，都說明了溫度越高，蓄熱越快。圖3.13T1測點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測點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進口熱風(fēng)風(fēng)速的影響圖3.15和圖3.16給出了儲能罐內(nèi)T1、T3測點的石蠟/石墨復(fù)合相變材料溫度隨熱風(fēng)進口平均速度的變化。該實驗將風(fēng)溫穩(wěn)定在55.2℃，然后改變?nèi)物L(fēng)速。觀察T1的曲線，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制對流作用越強，對流換熱系數(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)溫的實驗不同，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)速的增加僅強化了翅片管處的對流傳熱，由此增加的傳熱量不足以驅(qū)動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流變化強烈。T3測點處石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度變化趨勢與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T1后由于阻力等原因風(fēng)速會有所下降，達不到和T1處的風(fēng)速，自然對流就相對不強。無論是單獨從T1和T3曲線來分析，還是從同一時間下將兩者的曲線來對比，都說明了風(fēng)速越大，蓄熱越快。圖3.15T1測點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測點相變材料溫度隨熱風(fēng)速度的變化（取風(fēng)溫t=55.2℃）3.5實驗結(jié)論綜合整個實驗研究，結(jié)合數(shù)據(jù)分析可知，本實驗的結(jié)論主要有以下4個：（1）本實驗自制的熱風(fēng)式相變儲能罐在相變儲能方面上是有效的，從實驗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能熱風(fēng)儲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。因為升溫使傳熱溫差增大，溫差越大，導(dǎo)熱傳熱越快。在本實驗提供的50~60℃的風(fēng)溫中，風(fēng)溫越高，相變儲熱效果越好。（3）提高熱風(fēng)速度，也可加快相變材料的蓄熱。因為增大風(fēng)速使對流強度增大，風(fēng)速越大，對流傳熱越快。在本實驗的5~9m/s的風(fēng)速中，風(fēng)速越高，相變儲熱效果越好。（4）熱風(fēng)的溫度比速度對于石蠟/石墨復(fù)合相變材料的溫度變化影響更大。因為熱風(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，因為本實驗是基于真空管太陽能空氣集熱器來考慮，我們可以通過提高太陽能光熱利用率（即提高太陽能空氣集熱器的效率）來提升風(fēng)溫，進一步加強儲能罐的儲能效果。這也表明，該熱風(fēng)儲能罐裝置在儲能方面是有效的，可以為后期研究者在熱風(fēng)儲能方面提供一個參考。3.6本章小結(jié)本章先介紹了整個實驗系統(tǒng)的組成，該實驗系統(tǒng)主要由三個部分組成：熱風(fēng)系統(tǒng)、相變儲能罐系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)。對每個系統(tǒng)進行了詳細的介紹和分析。然后進行以熱風(fēng)式相變儲能罐為主體的實驗，對儲能結(jié)構(gòu)的蓄放熱特性進行了研究，并探討了熱風(fēng)對其熱特性的影響，包括風(fēng)溫和風(fēng)速。結(jié)果表明，該自制的儲能罐在相變儲能方面是有效的。同時熱風(fēng)的溫度比速度對于石蠟/石墨復(fù)合相變材料的蓄熱性能影響更大，換句話說，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，也能增大整個儲能罐的蓄熱量。參考文獻[1]楊青,郭偉,于國清.直通式真空管太陽能空氣集熱器的實驗研究[D].上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院,2017.[2]SoylemezMS.OnthethermoseconomicaloptimizationofheatpipeheatexchangerHPHEforwasteheatrecovery[J]．EnergyConversion,2003,25(44):2509-2517.[3]連紅奎,李艷.我國工業(yè)余熱回收利用技術(shù)綜述[J].節(jié)能技術(shù),2011,29(02):123-128.[4]彭犇,岳昌盛,邱桂博,吳朝昀,李建軍.相變儲能材料的最新研究進展與應(yīng)用[D].中冶建筑研究總院有限公司,2018.[5]王娟,曹祥.相變儲能材料的研究進展[J].廣東化工,2008,26(06):75-78.[6]BelenZalba,JoseMMarin,LuisaFCabeza,eta1.Reviewonthermalenergystoragewithphasechangematerials:heattransferanalysisandapplications[J].AppliedThermalEngineering,2003,32(23):251-283.[7]ShinSJ,GuzmanJ,YuanCW,eta1.Embeddedbinaryeutecticalloynanostructures：Anewclassofphasechangematerials[J].NanoLetters,2010,26(10):2794-2798.[8]OroacuteE,deGraciaA.Reviewonphasechangematerials(PCMs)forcoldthermalenergystorageapplications[J].AppliedEnergy,20122,7(99):513-533.[9]MehmetEsen,TeomanAyhan,Developmentofamodelcompatiblewithsolarassistedcylindricalenergystoragetankandvariationofstoredenergywithtimefordifferentphasechangematerials[J].EnergyConversionandManagement,1996,37(12):1775-1785.[10]Shaikian,V,G.Ziskind,RLetan.NumericalInvestigationOfAPCM-BasedHeatSinkWithInternalFins.InternationalJournalOfHeat&MassTransfer48.17(2005):3689-3706.[11]ReginAF,Sol