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5 蓄热器蓄放热特性实验指导

5.1 实验用相变材料物性

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相变材料的热物性主要包括：相变潜热、相变温度、导热系数、比热、膨胀系数等。测定比热、相变潜热和相变温度的方法可分为三类：

（1） 一般卡计法；

（2） 差热分析法（Differential Thermal Analysis，简称DTA）； （3） 差式扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter，简称DSC）；

膨胀系数的测定，在测量精度不高时，通常采用简单的融化-固化体积计量法：将一定重量的相变材料融化，倒入玻璃量筒中（尽量选取直径较细的），记下体积刻度，待其固化后再记其刻度，由此可算出该材料的膨胀系数。

相变材料的工作性能主要包括：过冷度、结晶速度、晶体密度、稳定性等。研究相变材料工作的方法有差式扫描量热法（Differential Scanning Calorimeter，简称DSC），分析法（Thermal Analysis，简称TA法）。

本课题实验中相变材料为石蜡，材料的分子式为C27H56，英文名称是n-Heptacosane，属于低温有机相变材料，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。材料物性如下：相变潜热：156.819J/g，相变温度 58.8℃，导热系数：0.284W/(m·K)。

5.2 相变材料预测的蓄放热曲线

相变材料传热过程有以下特点：

（1）两相之间存在着移动的分界面或分界区域，直至相变过程结束。 （2）相变过程中有相变潜热的释放或吸收。

图5.1相变过程形态

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按照相变材料的特性，蓄热曲线存在两种：相变材料在单点发生相变，见曲线5-2a； 相变材料在一个温度区间发生相变，见曲线5-2b。这两种蓄热曲线都分为四个阶段：一、显热阶段；二、潜热阶段；三、显热阶段；四、稳定阶段。

图5.2a蓄热曲线 图5.2b蓄热曲线

按照相变材料的特性，放热曲线的种类则复杂一些：相变材料在单点发生相变且不存在过冷度现象，见曲线5-3a；放热曲线5-3b没出现相变平台，这可能存在两种原因：一是相变材料的热迁移速度大于潜热释放速率，或者是前者太大，或者是后者太小，但一般情况下，相变材料的导温系数不很大，因此出现这种融化曲线，可能是由相变潜热太小造成的；二是相变材料是在一个温度区间发生相变。放热曲线同样也分为四个阶段：一、显热阶段；二、潜热阶段；三、显热阶段；四、稳定阶段。

图5.3a放热曲线 图5.3b放热曲线

5.3 蓄热器蓄放热性能实验

5.3.1 实验目的

（1）采集相变材料和流体在蓄放热过程中的温度值，以观测相变材料与流体在蓄放热过程中温度与时间的关系曲线，以此来观察相变材料的相变特性，判断相变材料的相变温度区间，判断相变材料的稳定性；

（2）通过观测相变材料和流体的温度与时间的变化关系，得到相变材料的蓄放热

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放热效率。 5.3.2 实验原理

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时间曲线，以此分析热媒体流量及温度与相变材料蓄放热时间的关系，计算蓄热器的蓄

相变材料的利用主要体现在潜热的释放与吸收方面，所以相变过程中材料本身的传热性能是相变材料是否适用与否的关键。通过对相变材料的实验分析对相变材料的有效利用、系统的优化及性能的预测具有重要意义。

物质由固态转为液态，由液态转为气态，或由固态直接转化为气态（升华）时，将吸收相变热，进行逆过程时，则将释放相变热。这就是潜热式蓄热的基本原理。蓄热器利用了相变材料高温相变的特性，当相变材料达到熔点时，出现吸收物质熔化潜能的相变化，蓄热器蓄热；蓄热器通过相变材料的倒相，使相变材料释放熔化潜热达到放热目的。这样可以使系统在必要的恒温下能够获取热能。

进水口 太阳能集热器进水口G恒温水箱蓄热器风机盘管放水口泵泵图5.3蓄热实验原理图

1、太阳能集热器 2、蝶形阀门4、恒温水箱（底部有电加热器）6、离心式水泵7、涡轮流量计8、数据采集仪9、供数据分析用的计算机10、蓄热器11、温度计、15、风机盘管16、温度控制装置

注：图中3、5、13、14与2相同，6和12相同。

蓄热工况：热媒体经太阳能集热器加热后到恒温水箱达到蓄热工况所需温度后经过蓄热器和相变材料换热后由泵打回集热器。基本流程为1-2-4-6-7-10-12-13-1；

放热工况：恒温水箱中的水达到放热工况的温度时流经蓄热器完成换热再经过风机

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盘管向外散热返回集热器。基本流程为4-6-7-10-12-15-1-4。 5.3.3 实验中的主要设备及其作用

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实验中所用的主要设备有：太阳能集热器、恒温水箱、蓄热器、数据采集仪、风机盘管等，另外还有阀门、水泵、温度计、热电偶等附属设备。

太阳能集热器：实验系统的高温热源，为实验提供高温热媒体；

恒温水箱：稳定热媒体水的温度，使其热媒体水能够以实验所要求的温度进入蓄热器；

蓄热器：提供相变材料放置场所，储存并释放能量。相变材料蓄热时，热媒体自上而下流过蓄热器；相变材料放热时，热媒体自下而上流过蓄热器。蓄热时热媒体自上向下流动，这样蓄热器顶部的PCM和流体就处在较高的温度，这种安排较能保持蓄、放热之间滞流期的稳定和放热时（此时流向相反，自下往上）高温流体的快速响应。

蓄热时放热时蓄热器相变材料1蓄热时放热时1 图5.4蓄热器结构示意图 数据采集仪：及时、准确的采集热电偶测量的相变材料的温度，并将所测数据输送到数据分析所用的计算机。

计算机：分析处理数据信息，并根据所得数据自动绘制出相变材料温度随时间变化的曲线。

风机盘管：作为负荷使热媒体水向外散发出热量。尽快的降低整个实验系统中的热媒体水温度。

泵：为热媒体水在整个系统中循环提供动力。