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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 设计所考虑的主要因素和所需的有关数据
蓄热器的大小与为提供所要的热量所需储能材料的数量和类型以及为满足性能要求所选择的隔热情况有关。设计所要考虑的主要因素有蓄热器工作的温度范围、相变材料凝固熔解温度、PCM的潜热以及储能装置的热负荷。
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由于相变材料的传热能力较差，所以需要通过优化蓄能装置的结构来改善其蓄能和释能能力。如果完全依靠实验研究，需要花费大量时间、人力和财力，因而希望通过建立数学模型，运用数值计算来研究蓄能结构的能量存储和释放规律，获得PCM中的传热和相变过程定量分析的数据。
（1）热物性对储热和放热过程的影响程度 （2）蓄热装置所需相变材料的数量 （3）相变过程所需的时间
（4）液相PCM中传导和对流相对重要性，进而对蓄热器的经济性和可行性形成正
确的认识
本课题设计的蓄热器要与实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。随链的增加，融点和融解热增加。常用PCM（n=12-36）的融点为-12℃到75.9℃。融解热为150kJ/kg到250kJ/kg。优点是融解热大、一般不过冷、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到的最高温度，选择C27H56 n-Heptacosane作为实验用相变材料
表3.1部分石蜡物性
英文名称 n-Docosane n-Tricosane n-Tetracosane n-Pentacosane n-Hexacosane n-Heptacosane n-Octacosane n-Nonacosane n-Triacosane n-Hentriacosane n-Dotricosane n-Tritriacosane
碳原子数 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
分子量 310 324 338 352 366 380 394 408 422 436 450 464
融点℃ 44 47.5 50.6 53.5 56.3 58.8 61.2 64.4 65.4 68 69.5 72
融解热kJ/kg
251 234.4 249 — 255.3 234.8 255.3 238.6 251.2 242 170.3 —
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用的是氧化铝棉和陶瓷纤维纸。 3.2.2 蓄热器初步结构设计
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为满足实验室长期使用的要求，本设计采用不锈钢作为蓄热器外壳材料，保温材料
综合考虑各因素本课题拟采用的是小体积封装式蓄热器。相变材料封装在直径为100mm的不锈钢球内，共有200个不锈钢球，每个球体重量为0.9 kg。蓄热器为方便实验设计成可拆卸式，由筒体、法兰、封头、支腿几部分组成。圆柱形容器是最常见的一种压力容器形式，具有结构简单、易于制造、便于在内部装设附件等优点，因此筒体采用采用单层式圆筒。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与筒体通过法兰连接，下部封头与筒体直接焊接在一起。法兰采用甲型平焊法兰，平密封面。整个蓄热器高度初步估算小于2m,属于钢制立式容器并且不与产生脉动载荷的机械设备刚性连接，因此采用B型腿式支座。为满足不同的实验要求应使蓄热球体在蓄热器有不同的排布方式。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。下面为有序排列方式的两种示意图：
图3.4a支架一 图3.4b支架二
根据筒体高度与直径，可知蓄热器共可排布11层蓄热球体 本蓄热器的特点：
（1）蓄热器除支腿外均采用不锈钢做原材料，不锈钢耐腐蚀、强度高，因此适合实验室长期使用。
（2）采用石蜡作为相变材料，石蜡融解热大、一般不过冷、不析出、性能稳定、无腐蚀性且在有机PCM中价格最低，符合实验室建设经济性要求。
（3）蓄热器采用法兰连接，方便拆卸。并且相变材料封装在直径为100mm的不锈钢球体内，可方便从蓄热器中取出以改变蓄热器的空隙率，实现实验不同工况要求。
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3.2.3 蓄热器主要部件设计 （1） 筒体设计： 筒体计算厚度?
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??pDi （3.1） t2[?]??p式中 Di—筒体公称直径，mm； p—筒体最大工作压力，MPa；
[?]t—设计温度下筒体的计算应力，MPa；
?—焊接系数；
已知：Di=600mm，p=0.6MPa，工作温度t=100℃，筒体采用GB/T42370Cr13不锈钢钢板作原料，查表得?t=126MPa，筒体由钢板焊接而成取焊接系数?=0.85，腐蚀裕量取
C2=1mm，所以有：
??筒体设计厚度?d
pDi0.6?600??1.69mm
2[?]t??p2?126?0.85?0.69?1 ?d???C2?1.6?2.69 （3.2） mm
对于0Cr13，钢板负偏差C1=0，因而可取名义厚度?n=4mm。
（2）椭圆形封头设计
由上面计算知筒体厚度?n=4mm，据筒体公称直径Di=600mm，选取标准椭圆形封头DN400×4—0Cr13 JB/ T4737。下面对选取的封头进行强度校核：
?t?pc(KDi?0.5S)?[?]t （3.3）
2S式中 ?t—设计温度下封头的计算应力，MPa；
pc—最大工作压力，MPa； K—椭圆形封头形状系数；