毕业设计---相变蓄热器及其实验台设计

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1、 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 1 页 共 40 页 1 1 引言引言 1 11 1 概述概述 能源是人类赖以生存的基础，随着全球工业的迅猛发展，能源问题越来越为人们所 关注。但是在许多能源利用系统中（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）存在着能量供应和需求之间时间性的差异，即存在着供能和 耗能之间的不协调性，从而造成了能量利用的不合理性和大量浪费。有效解决这些问题 的技术途径之一就是采用储能系统，它是缓解能量供求双方在时间、强度及地点上不匹 配的有效方式，是合理利用能源及减轻环境污染的有效途径，是广义热能系统优化运行 的重要手段，

2、而且使相应系统可按平均负荷设计，节约系统的初投资，对电网负荷峰、 谷时间段电价分计的地区，它还可降低系统的运行费用。 热能储存的方式主要有显热储热、潜热储热和化学反应储热等三种。显热储热主要 是利用蓄热材料的温度变化来储存热能，其蓄热密度小，温度波动较大。但这种蓄热材 料本身可以从自然界直接获得，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，可以采用直接接触式换热，或者传热流体本身就是蓄热介质，因而蓄、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）的相转变潜热进行热能储存，具 有蓄热密度高、温度波动小（储、放热过程近似等温） 、过

3、程易控制等特点1-3。发生的 相变过程有四种，常被利用的相变过程有固-液、固-固相变两种类型，而固-气和液-气 相变虽然可以储存较多热量，但因气体占有的体积大，使体系增大，设备复杂，所以一 般不用于储热。固-液相变是通过相变材料的熔化过程进行热量储存，通过相变材料的 凝固过程来放出热量。而固-固相变则是通过相变材料在发生相变时固体分子晶体结构 有序-无序的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通过热能与化学热的转换储热的，它在受热和受 冷时可发生可逆反应，分别对外吸热或放热，这样就可把热能储存起来。其主要优点是 蓄热量大，而且如果反应过程能用催化剂或反应物控制，可长期蓄存热

4、量。 综合比较三种热能储存方式， 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、易与运行系统匹配、易于控制等突出的优点，日趋成为储 热系统的首选系统，在许多节能和新能源利用领域具有诱人的应用前景，因而对相变蓄 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 2 页 共 40 页 热材料、相变蓄热器的研究得到了国内外学者的广泛关注。 1.2 1.2 文献综述文献综述 1.2.1 相变蓄热材料的研究 相变材料就是一种能把过程余热、废热或太阳能吸收并储存起来，在需要的时候再 把它释放出来的物质。它的种类很多，从材料的化学组成来看，可分为无机及有机材料 （包

5、括高分子类）两类；从储热方式来看，可分为显热、潜热及反应储热三种；从储热 的温度来看，可分为高温及低温等类型。 图 1.1 蓄热材料分类示意图1 理想的蓄热材料应符合以下条件： （1）热力学条件 合适的相变温度，因为相变温度正是所需要控制的特定温度，对 显热储存材料要求材料的热容大，对潜热储存材料要求相变潜热大，对反应热要求反应 的热效应大；材料的热导率高，要求材料无论是液态还是固态，都有较高的热导率，以 使热量可以方便的存入和取出；性能稳定，可以反复使用熔析和副反应；在冷、热状态 下或固、液状态下，材料的密度大，从而体积能量密度大，相变时体积变化小，蒸气压 低，使之不易挥发损失。 （2）化学

6、条件 腐蚀性小、与容器相容性好、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，熔化时温度变化小；稳定性好。 在多组分时，各组分之间的结合要牢固，不能发生离析、分解及其它变化，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，便宜易得。 本科毕业设计说明书（论文）本科毕业设计说明书（论文） 第 3 页 共 40 页 在实际研制过程中，要找到满足所有这些条件的相变材料非常困难。因此，人们往 往考虑有合适的相变温度和有较大的相变潜热的储热材料，而后再考虑其它因素的影 响。 国外对蓄热材料的研究工作早在 20 世纪 70 年代就已开始。最早是以节能为目的， 从太阳能和风能的利用及废热回收，经过不断地发展，逐渐扩展到化工、交通、能源、 电子等领域。其中在蓄热材料的理论研究工作方面，重点对蓄热材料的组成、蓄热容量 随热循环变化情况、相变寿命、储存设备等进行了详细的理论研究4，讨论了六水氯化 钠的相变热稳定性；文献5中详尽讨论了含水钠盐的热稳定性。文献6中介绍了选择