毕业设计（论文）-填充泡沫金属的高温蓄热材料单元管及实验设计.doc

本 科 毕 业 设 计 第 39 页 共 39 页1 引言1.1 课题背景太阳能热动力发电系统(SSDPS - Space Solar Dynamic Power System) 是一种新型的空间电力系统,带有一个含相变材料( PCM) 的吸热蓄热器1。随着航天活动的进一步发展、航天技术的进一步开发利用，对空间电源的要求也越来越高，总的说可归纳为：高可靠性、大功率、质量比轻、长寿命、低成本。把太阳能转换为航天器所需要的电能。目前实现的主要方法有两种，一种是光电直接转换系统，采用太阳能光伏电池阵雨化学蓄电池组合的供电方式；另一种便是太阳能动力发电系统，与光伏发电系统相比它的能量储存/释放效率高，寿命长且具有较小的比质量和比面积。由于其效率高、尺寸小、阻力小，因而可节省轨道提升成本，此外较小的太阳能蓄热器面积还增强了空间站的飞行稳定，改进了空间站的视野。这些优点使热动力发电系统是20世纪中期提出的一种空间电力供应方式，国外从60年代开始了大量相关技术和研究。80年代开始在自由号空间站电源设计中考虑采用SD装置增加供电功率，使得这一技术有了飞速发展。德国、俄罗斯、日本等国家也都开展了大量的研究工作。吸热/ 蓄热器是空间太阳能热动力发电系统关键部件之一。其功能是在日照期吸收太阳能反射器反射的太阳光，将部分能量传递给循环工质以驱动热机发电，其余热能被高温相变材料( PCM) 储存，用于热动力系统的阴影期正常连续运行。相变材料封装在分离的环形容器中，容器套装在循环工质导管上形成换热管。换热管的传热及蓄热材料的蓄放热性能将直接影响到系统的性能。蓄热换热管的地面蓄放热试验是吸热/ 蓄热器研究中一个重要的阶段2。美国在80年代末就进行了相关的换热管地面试验研究，之后成功的研制了吸热/ 蓄热器，并于1994 年与其它部件组装建立了第一套空间太阳能热动力系统。在前期工作中，前人已经成功的完成了换热管蓄热容器的研制及相关的蓄放热试验，并且完成了蓄热容器的三维传热分析。本设计进行换热管地面试验，试验要进行了24个周期的变参数和稳态蓄放热试验，主要测试了容器表面温度和工质出口温度。采用焓法建立了换热管试验的传热模型，对试验进行了数值模拟，计算结果与试验结果比较接近3。1.2 空间太阳能热动力发电系统的工作原理利用抛物线型的聚能器截取太阳能，并将其聚集到吸热蓄热器的圆柱形的腔内，被吸收转换成热能，其中一部分热能传递给循环工质，另一部分热量则被封装在多个小容器内的相变蓄热材料通过熔化来吸收储备起来。吸热后的循环工质在涡轮中膨胀做功，推动涡轮旋转，带动发电机发电。膨胀做功后的循环工质经过回热气与由压缩机出来的高压工质进行换热，再经过工质冷却系统进一步排热降温，进入压缩机压缩，经过预热器预热，再次进入吸热蓄热器，完成循环。 图1 空间太阳能发电系统原理图吸热器聚 能 器涡轮发电机压气机回热器辐射器1.3 本毕设研究的内容 本次毕设分为三部分。首先，计算干空气经过吸热/蓄热管的温度。利用加热器对串了8个PCM容器的单元换热管外侧进行加热。日照期为加热期，热量除由PCM容器内的相变材料储热外其余热量传给循环工质干空气，阴影期不进行加热，由PCM相变材料提供热量对干空气进行加热；其次，设计计算空气换热器的大小。干空气经过吸热/蓄热换热管后的的出口温度为580多度，对实验设备和人员都有潜在危机，所以使其经过换热器，用水做冷介质将干空气的温度降低。最后，设计一个简易实验即空间站太阳能吸热器蓄热性能地面模拟试验。设计地面实验系统，在模拟轨道条件下对填充泡沫镍的单元换热管和不填充泡沫镍的单元换热管在三种变量条件下进行多种组合测试。分析泡沫镍对相变储热单元的储热和放热性能的影响。2 干空气经过吸热/蓄热换热管后的温度计算1） 试验计算条件及参数4a 试验工质 取干空气b PCM介质采用80.5LiF-19.5CaFc PCM容器材料H188d 换热管材料Cr25Ni20e 工质流量（0.290.55kg/min）取0.42kg/minf 实验工质入口温度（510530C）采用527Cg 工质压力0.4MPah 模拟轨道周期：日照时间66min，阴影时间27min，共93mini 整个实验装置放在真空舱内 真空度8kPa2) 相变材料80.5LIF-19.5CaF的优缺点a 相变潜热高b 和金属容器的相容性好c 体积收缩大d 导热率低相变材料80.5LIF-19.5CaF在固、液态，温度在500600摄氏度时的参数如表1.1 表1.1 相变材料参数 固态（） 液态（）密度/() 2680 2100比热/() 1.841 1.970导热系数/() 5.9 1.7 3） 干空气在吸热/蓄热换热管中流动的假设条件a 相变过程发生在固定相变温度下（790）b PCM材料是不透明的没有反射c 在PCM区内没有因浮力或相变时体积收缩、膨胀引起的对流运动d 工质在管内的流动是充分发展的e PCM容器壁与工质管壁间的接触热阻忽略不计4） PCM工质的相关参数 图2 PCM容器式中 PCM工质所占的体积；PCM容器空间的外径；环形PCM容器空间的内径；环形PCM容器空间的长度。式中每摩尔PCM工质中LiF所占的质量；每摩尔PCM工质中LiF所占摩尔数；LiF的摩尔质量。式中每摩尔PCM工质中CaF所占的质量；每摩尔PCM工质中CaF所占摩尔数；CaF的摩尔质量。式中每个PCM容器中PCM工质的质量；液态PCM工质的密度。每个PCM容器中LiF的质量；每个PCM容器中CaF的质量。式中实验中LiF的总用量；实验中CaF的总用量。式中实验中PCM工质的总质量。5) PCM容器材料H188的用量式中每个PCM容器的长度；PCM容器端盖厚度；切割余量；材料H188的用料长度。式中材料H188的用料半径 ；材料H188的用料体积。式中材料H188的用料质量；H188的密度8.7kg/m。2.1 日照期热量计算8个PCM容器分为三部分进行加热，加热器分对2个、4个、2个PCM容器加热。2.1.1 经过1、2PCM容器的温度计算 已知干空气的入口温度527，设经1、2PCM容器后干空气的出口温度为542。1) 验证估设温度的合理性式中 每个PCM容器中的PCM工质的质量； M两个PCM容器中的PCM工质的质量。式中 干空气流体的质量流量。式中在1、2PCM容器段干空气的入口温度；在1、2PCM容器段干空气的出口温度；在1、2PCM容器段干空气的平均温度。0.4MPa下，534.5干空气的定压比热Cp=0.27kCal/kg=1.134kJ/(kg.K)，已知式中 干空气在经过1、2PCM 容器后吸收的热量。0.4MPa下，534.5干空气的密度，动力粘度，导热系数。式中干空气的体积流量；换热管的截面积；干空气的流速；换热管的内径。当流体平均温度与固体表面温度差值较大时，引入温差修正系数式中流体的主流温度；PCM容器内壁的温度。式中 在1、2PCM容器段干空气的对流传热系数。已知式中两个PCM长度的换热管内管面积；换热管内管半径；两个PCM容器的长度。式中 换热管内壁温度和干空气主流温度的温度差。式中换热管内壁温度。式中换热管和PCM容器内壁的温差。式中PCM换热器内壁温度。因为=765，大于760，因此假设的温度成立。2) 相变材料蓄热的相变潜热为790kJ/kg。式中两个PCM容器中介质的吸热量。3) 漏热量的计算如图3，此图为12个PCM换热管的漏热量，因此查得1、2两个PCM容器的漏热量P=100W式中两个PCM容器的漏热量。图3 漏热量曲线容器壁面平均温度电路热损失4) 两个PCM容器的所需功率8个PCM容器对称加热对1、2PCM容器加热与对称7、8PCM容器加热完全可采用相同的功率，P=250W。5) 工质经过1、2PCM容器后干空气的温度式中 加热功率传热量。经过1、2PCM容器，空气的温升 因此经过1、2PCM容器后的温度式中干空气的入口温度；干空气经过1、2PCM容器后的温度差；干空气经过1、2PCM容器后的温度。2.1.2 经过36PCM容器的温度计算已知干空气的入口温度540.5，设经36PCM容器后干空气的出口温度为575。1) 验证估设温度的合理性0.4MPa下，已知558干空气的定压比热Cp=1.134kJ/(kg.K)，且0.4MPa下，534.5干空气的密度，动力粘度。导热系数。当流体平均温度与固体表面温度差值较大时，对于叉排板翅式换热器引入温差修正系数。已知因为=798大于760，因此假设的温度成立。2) 相变材料蓄热的相变潜热为790kJ/kg3) 漏热量的计算如图3，此图为12个PCM换热管的漏热量，因此查得36四个PCM容器漏热量P=110W。4) 两个PCM容器的总需热量因此对36PCM容器加热的加热功率为570W。5) 工质经过1、2PCM容器后干空气的温度经过36PCM容器，空气的温升 因此经过36PCM容器后的温度2.1.3 经过7、8PCM容器的温度计算已知干空气的入口温度575，设经7、8PCM容器后干空气的出口温度为585。1) 由以上计算得知P=250W2) 相变材料蓄热3) 漏热量的计算已知7、8PCM容器比1、2PCM容器和36PCM容器漏热量大，由图3查得，P=120W4) 工质经过7、8PCM容器后干空气的温度经过7、8容器，干空气的温升为 因此经过7、8PCM容器后的温度综上计算得，经过试验段8个PCM容器，日照期末干空气的平均出口温度可以达到588。2.2 阴影期热量计算2.2.1 经过1、2PCM容器，干空气的温度1) 释放的相变潜热2) 漏热量的计算3) 温度的计算在t=527的条件下，干空气的比热Cp=1.134kJ/(kg.K)式中经过1、2PCM容器干空气的出口温度2.2.2 经过36PCM容器，干空气的温度1) 释放的相变潜热2) 漏热量的计算3) 温度的计算在t=541C的条件下，干空气的比热Cp=1.134kJ/(kg.K)式中 经过36PCM容器干空气的出口温度。2.2.3 经过7、8PCM容器，干空气的温度1) 释放的相变潜热2) 漏热量的计算3) 温度的计算在t=568.5的条件下，干空气的比热Cp=1.134kJ/(kg.K)式中经过7、8PCM容器干空气的出口温度。综上计算得，经过试验段8个PCM容器，阴影期末干空气的平均出口温度可以达到582。由以上计算得知，在实验的8个PCM容器中，1、2容器段的加热功率是250W，36容器段的加热功率是570W，7、8容器段的加热功率是250W。在此加热功率，入口温度为529条件下，日照期末干空气的出口温度为588，阴影期末干空气的出口温度为582。3 换热器的选择设计计算 因从吸热/蓄热单元换热管流出的干空气出口温度较高，为避免温度太高需要在吸热/蓄热器后边加一个空气换热器，以便将温度降低为约40。3.1 换热器的类型 换热器可以按不同的方式分类。换热器按表面的紧凑程度而区分为紧凑式换热器和非紧凑式换热器，还可以按操作过程可以将其分为间壁式、混合式以及蓄热式三大类。间壁式换热器的主要形式为套管式换热器、管壳式换热器、交叉流换热器、板式换热器以及螺旋板式换热器。选择换热器，要从提高其紧凑性入手，实际应用时还要考虑到流体的流动阻力、换热表面结构与污染的可能性、制造成本等一系列问题。3.2 空气冷却器的选择1） 不同流体布置形式的比较在各种流动型式中，顺流和逆流可以看作是两种极端情况。在相同的进、出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小。换热器应该尽量布置成逆流，而避免做顺流布置。但逆流的布置也有缺点，即热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的壁温特别高。对于高温换热器来说是应该避免的。而本设计空气进口温度接近600C，温度较高，所以采用交叉流换热器。2） 交叉流换热气 交叉流换热器根据换热表面结构的不同可以分为：管束式、管翅式、管带式及板翅式。管束式交叉流换热器一般用于锅炉装置中的蒸汽过热器、省煤器、空气预热器等；家用空调器中的冷凝器与蒸发器多采用管翅式交叉流换热器；汽车发动机的散热器采用管带式换热器，也常用于机车和装甲车辆中作为冷却循环水之用；板翅式换热器在压缩机中主要用于油冷却器和压缩空气冷却器。3） 板翅式换热器板翅式换热器的主要特点5： a 传热效率高，由于翅片对流体的扰动使边界层不断破裂，因而具有较大的换热系数；同时由于隔板、翅片很薄，具有高导热性，所以使得板翅式换热器可以达到很高的效率。强制对流空气的传热系数为35350W/（mK），强制对流油的总传热系数为1201740W/（mK），而管壳式换热器气气的总传热系数仅为1035 W/（mK）。b 结构紧凑、重量轻，由于板翅式换热器具有扩展的二次表面，对于铝制板翅式换热器而言，且单位体积的传热面积一般为1500m/m，相当于管壳式换热器的820倍。重量仅为具有相同换热面积的管壳式换热器的十分之一，而单位传热面积的金属消耗量可比管壳式换热器小几十倍。 c 适应性强，板翅式换热器可适用于：气气、气液、液液、各种流体之间的换热以及发生集态变化的相变换热。通过流道的布置和组合能够适应：逆流、错流、多股流、多程流等不同的换热工况。通过单元间串联、并联、串并联的组合可以满足大型设备的换热需要。工业上可以定型、批量生产以降低成本，通过积木式组合扩大互换性。 d 制造工艺要求严格，工艺过程复杂。 e 容易堵塞，不耐腐蚀，清洗检修很困难，故只能用于换热介质干净、无腐蚀、不易结垢、不易沉积、不易堵塞的场合。板翅式换热器具有结构紧凑、传热效率高等特点，与传统的管壳式换热器相比，其传热效率提高20%30%，成本可降低50%，现已广泛应用于石油化工、航空航天、电子、原子能和机械等领域。3) 板翅式换热器的翅片形式板翅式换热器，翅片的形式很多，并各有所长。翅片的形状根据流体的性能和设计使用的条件来选定。对于高温流体和低温流体之间，温差较大的情况，宜选用平直翅片；温差较小的情况，宜选用锯齿翅片；若流体的粘度较大，如油等，宜选用平直翅片，以增加扰动；如流体中含有固体悬浮物时，选用平直翅片；如在传热过程中有冷凝、蒸发等情况，宜选用平直翅片或多孔翅片。本设计是用地下水冷却干空气流体，其温度相差较大，所以选用平直翅片。平直翅片的断面形状又有正方形、矩形、梯形、三角形、半圆形等多种形式。本设计选用矩形平直翅片。4) （一次）交叉流的板翅式换热器类型（一次）交叉流换热器的类型分为三种情况： 一种流体在横向（各自流动横截面上）混合而另一种流体不混合的交叉流；两种流体均不混合的交叉流；图4 板翅式换热器结构分解示意图两种流体均混合的交叉流。翅片管式换热器采用错流交叉流型常见的流行是两种。交叉流换热器中流体各部分是否可以自由掺混对平均温差计算有一定影响。5) 两种流体各自不混合航空中常用的单流程交叉流板翅式换热器是两种流体各自均非混合的类型。本设计的换热器材料选择铝合金。综上介绍得知，此实验的所选择的空气换热器型式为单流程交叉流板翅式换热器。3.3 空气冷却器的设计计算为了分析本设计的实际问题，可对传热过程做以下假设：a 冷热流体的质量流量q、q和比热容c、c在整个换热面上都是常量；b 传热系数在整个传热面上不变；c 换热器无散热损失；d 换热面中沿板翅轴向的导热量可以忽略不计。3.3.1 空气冷却器的冷热流体的参数经以上计算得知干空气经过吸热蓄热器后最高温度为588C，在干空气经过吸热蓄热器与空气换热器之间的管路会有部分热量损失，因此温度会下降23。从而，空气换热器的设计计算入口温度约为586。已知热流体干空气的入口温度为586 ，出口温度约为40，冷流体水的入口温度为15，出口温度令其约为30。水的平均温度：，压力为0.1MPa；干空气的平均温度：，压力为0.4MPa。冷热流体在平均温度下的参数如表3.1：表3.1 冷热流体参数6、7 水 干空气平均温度t/(C) 22.5 313压力p/() 0.4 0.1定压比热/() 4.181 1.05 密度/() 997.6 2.409 动力粘度/() 9.53 3.01导热系数/（） 0.604 4.68 普朗特殊 6.62 0.70 已知换热器的干空气的入口质量流量为7g/s。根据给定的条件，由热平衡方程得到： 式中，冷热流体的质量流量；，冷流体的进、出口温度；，热流体的进、出口温度。3.3.2 空气冷却器的面积计算 计算交叉流换热器的冷热流体的温度差8计算由冷热流体不论布置成顺流、逆流，平均对流传热温度差可以用下式表示： 式中冷热流体的高温差；冷热流体的低温差。复杂布置时平均温差的计算就归结为获得修正系数，是小于1的修正系数。一次交叉流板翅式换热器，冷、热两种流体各自都不混合时的值取决于两个无量纲参数P和R。当R的值大于4时，P、R值需从新处理，P的值取为1/R。此时的值随P的变动发生剧烈的变化，难于准确的查取值。在这种情况下，可用PR和1/R分别代表P和R。由传热学第四版（杨世铭 陶文铨编）图10-25查得一次交叉流，两种流体各自都不混合时的值。=0.970.9。因此，交叉流板翅式换热器冷、热流体的平均温度差计算得 计算热负荷根据热平衡方程式计算得冷、热流体的换热量因此，热流体向冷流体传递的热量为4.013KW。图5 通道截面计算示图 估算换热面积A预选总传热系数K，设K=100W/（）， 换热器的基本参数选定板翅式换热器的通道截面示意图如上图5，其冷、热流体通过的截面采用相同的尺寸，如表3.2，表3.3表3.2 结构参数名 称参 数翅片高度，mm翅片厚度，mm翅片间距，mm翅片、隔板材料4.70.32.03A21翅片材料为3A21的导热系数板翅式换热器的热流体空气侧每层50个孔、共5层、，冷流体水侧每层40个孔、共4层、。冷热流体共9层，则。冷、热流体的单孔截面积为，干空气的体积流量，水的体积流量，表3.3 翅片结构参数计算名 称计 算 公 式数 值翅片内距，mm1.7翅片内高y，mm4.4当量直径，mm2.45每层通道截面积，（有效宽度=100mm时）3.7410每层通道传热面积，（有效宽度=80mm）0.0488每层通道一次传热面积，0.0136每层通道二次传热面积，0.0352二次传热面积占总传热面积的比例0.72 冷、热流体的传热面积由上表3.2得到每层通道传热面积=0.0488，则可得冷、热流体的传热面积经由以上假设的总传热系数K得到的传热面积计算得到的传热面积在以上计算的冷热流体面积之间。(6) 冷、热流体的给热系数干空气侧，冷却水侧，根据介质的数和所选定的翅片型式由实验得到的传热因子j、摩擦因子f与的关系曲线图，及j、f-Re。查图的到j值9。对于无相变的强迫对流的换热传热系数式中介质的定压比热容，J/（kg.K）；G介质的质量流速，kg/（m）；StStanton准数。式中PrPrandll准数；j传热因子。则冷却水和干空气的对流传热系数可得W.W. 翅片效率及翅片表面效率冷却水和干空气的污垢热阻r=0，忽略不计。 翅片效率 式中P翅片参数，m。式中翅片表面总给热系数，W/（m.K）；翅片表面的导热系数，W/（m.K）；翅片厚度，m；翅片的定性尺寸，m，它是指二次表面热传导的最大距离，对u单叠布置（即冷热通道间隔排列，且两侧通道数之比为1:1时），复叠布置（即每两个通道间有两个冷通道，热通道与冷通道的通道数之比为1:2时）对热通道，对冷通道；翅片高度，m。干空气侧，冷却水侧，计算得知干空气与冷却水的翅片效率分别为0.984与0.981。 翅片表面效率式中、分别为一次、二次表面的传热面积，；总传热面积，。由于总是小于1的，所以表面效率总是大于翅片效率。如翅片效率越高，则表面效率也就越高。在工程计算中，有时为了计算方便和安全起见，就将翅片效率当作表面效率。尽管可以这样简化计算，但是，须注意两者的概念是不同的，即翅片效率只是对二次表面而言，而表面效率则是针对总传热表面而言的。干空气侧，冷却水侧， 总传热系数对应于正流体侧的传热系数W/（m.K）式中正流体侧通道的总传热面积，m；反流体侧通道的总传热面积，m；正流体侧介质的极热系数，W/（m.K）；返流体侧介质的平均给热系数，W/（m.K）；正流体侧表面效率；反流体侧表面效率。干空气侧， W/（m.K）冷却水侧， W/（m.K） 冷热流体两侧的传热面积式中F流体的总传热面积，m；冷、热流体的总传热量，kJ；K冷、热流体的总传热系数，W/（m.K）；冷、热流体的平均温差，K。干空气侧，冷却水侧，由以上计算得到的传热面积，总结得干空气的传热面积为0.34m。4 换热管蓄放热地面试验及数据分析图5 实验装置示意图气源干燥过滤器手动调节阀流量计硅碳棒空气预热器调节器计算机数据采集器实验蓄热换热气真空仓调功器空气换热器利用相变材料(PCM) 的熔化潜热来蓄热可以保证空间站太阳能热动力系统在轨道的阴影期内仍能连续发电。针对这一核心技术，建立空间太阳能吸热/蓄热器单元换热器地面模拟实验台。在模拟轨道条件下对填充泡沫镍的单元换热管和不填充泡沫镍的单元换热管在不同入射热流、不同工质进口温度及不同工质流量进行了多种组合测试。比较其实验结果，验证单管工质干空气的出口温升在轨道的日照期和阴影期末是否达到预期的要求，相变材料容器的最高温度和平均温度是否处于材料的安全范围内；比较两种单元换热管传热量，分析泡沫金属对相变储热单元的储热和放热性能的影响。根据试验参数要求和实验室设备条件，采用的试验方案如图5所示。试验系统主要部件包括：中压气源、干燥过滤器、硅碳棒空气预热器、真空电阻加热炉，对换热管周向均匀加热、真空试验舱、空气冷却及排放系统、测控装置，包括流量、压力和温度，采用20支热电偶分别测量容器及工质进出口温度，由微机进行数据采集。已知空间站太阳能热动力发电系统利用抛物型的聚能器截取太阳能，并将其聚集到吸热/蓄热器的圆柱形腔内，被吸收转换成热能，其中一部分热能传递给循环工质以驱动热机发电，另一部分热量则被封装在多个小容器内的相变蓄热材料(PCM)通过融化而吸收储存起来。在轨道阴影期，PCM 在相变点附近凝固释热，充当热机热源来加热循环工质，使得空间站处于阴影期时仍能连续工作发电。吸热/蓄热器的吸热腔内沿圆周方向均布若干根单元换热管，每根单管上钎焊套装若干个PCM 容器，容器之间用陶瓷纤维垫片隔开。PCM为L iF CaF2的共晶混合物(熔点为767，熔化潜热为790kJ/kg )，换热管的内管为流动循环介质的换热管，换热管采用并联方式，由1根环形进口总管分出一系列均匀分布在腔壁的支管，再汇总到出口环形总管。本实验设计中只有一个换热管上安装8个PCM容器，在真空实验舱内利用一个换热管来验证实验的验证单管工质干空气的出口温升在轨道的日照期和阴影期末是否达到预期的要求，相变材料容器的最高温度和平均温度是否处于材料的安全范围内。4.1 吸热/蓄热器单元换热管加工制造两套吸/蓄热器单元换热管。一套单元换热管上的PCM容器中填充泡沫镍金属，另一套单元换热管的PCM容器中只填充PCM介质。换热管内管材料为镍基合金Cr25Ni20，已知8个PCM容器的总长为0.4m，取得的换热管是长0.5m，252.5mm 的光管。外表面加工至24mm，内表面处理为绝对粗糙度约1mm的粗糙管，以满足换热要求。PCM 容器共加工制造16个，材质Haynes188。每根换热管上共8个PCM 容器与内管钎焊套装，相邻容器间留出1mm的间隙充装陶瓷纤维垫片。在每个PCM 容器的0和180同一位置处各点焊镍铬镍硅0.5mm 热电偶1支，热电偶均经过了标定。如图6所示为试验用的蓄热单元管。图6所示为试验蓄热换热管，由8个蓄热容器单元组成。容器及换热管材料选用Haynes 188，相变材料选用80. 5LiF-19. 5CaF盐类混合物。已知，相变温度范围约为10401065 K，相变潜热平均为790kJ / kg。实验时将换热管装入加热炉，两端与进出口管道连接，加热炉的进出口采用绝缘材料封堵，减少热损失。图6 试验用蓄热单元管4.1.1泡沫金属(镍)对相变蓄热的影响 泡沫镍是一种密度低、孔隙率可高达98 % 、比表面积大等特点，并具有三维网状结构的新型功能材料。将其填充于相变蓄热装置中不仅能提高装置的传热性能，还能有效分散PCM中空穴的分布，从而改善装置的整体热性能和可靠性。在PCM 中添加高导热性结构等， 都不同程度提高了蓄能装置的传热效果。泡沫镍作为相变储能装置填充材料大大增强了储能装置的传热性能，提高了装置内的温度均匀性，使得热量能迅速被相变材料所吸收。如果与风扇或制冷工质回路等主动冷却系统相结合，可以很好地解决航天器和航空器上高热流密度、短时和间歇性大功率组件的温控问题。4.1.2 泡沫金属(镍)在相变蓄热材料中应用的原理图7 泡沫金属的结构照片图7所示，为泡沫金属的结构照片。从图中可以看出，组成泡沫金属的单元具有类似十二面体般的通孔结构，每个结构单元由12-14个五边形或六边形组成，构成通孔边缘的金属纤维，有些相互连接的地方会形成一个结块。泡沫金属的结构特性一般用空隙率和孔密度来进行描述，其中空隙率为孔隙所占体积与总体体积之比。为了方便推导，将泡沫金属的结构简化为循环扩展六边形网格形式，如图7所示，其中金属纤维连接处简化为一个圆形区域。这样，根据对称原理，只需对图中虚线部分区域进行分析。图8 泡沫金属的循环六面体结构使用泡沫金属时，由于泡沫金属的循环六面体结构，在任意方向其有效导热能力均相同，如图8。且导热系数相对于相变材料本身而言也有较大程度的提高，所以泡沫金属作为填充材料，能大大增强相变储能装置的传热性能，提高装置内的温度均匀性和相变材料的使用效率，改善储能装置的整体热性能。 采用大孔隙率泡沫镍能使单位容积内填充更多的PCM；小孔径则提供更大的毛细压头，更好地分散空穴分布；另外相对于超厚泡沫镍制作整体式芯体，连续带状泡沫镍卷制芯体不仅降低成本和加工难度，且改善了充装PCM的工艺性能。两种吸热/蓄热换热管，填充泡沫镍金属的实验单元换热管和不填充泡沫镍的实验单元换热管。4.2 试验系统试验目标是通过进行多个PCM 熔化/凝固循环，模拟轨道周期内吸热器中PCM，PCM 容器以及循环工质之间的换热情况，测量并记录PCM容器各点壁温及循环工质进出口温度，验证工质出口温度在航天器轨道阴影期内能够维持工质的温度在工作温度之上。同时监控PCM 容器壁温的最高温度不能超过材料允许的安全值。试验系统装置如图9。试验系统由供气系统、空气预热器、太阳模拟加热电炉与单元换热管组成的实验单元、流量、压力、温度测量与数据采集系统及空气排放冷却系统组成10。 供气系统满足试验段入口压力0.350.55M Pa，流量不超过1kg/min要求的中压气源。 在进入空气预热器前经过干燥过滤器以滤除空气中的灰尘、水、油脂等杂物，采用过滤纸型干燥过滤器。干净的空气在系统中可以减少对管路的侵蚀，图9 实验装配图有助于延长电炉加热体的寿命。 空气预热器采用硅碳棒电加热器，加热功率6.5 kW，配有1台控温调功器，保持在不同状态下提供进入试验单元的入口空气温度在小于600范围内可调。 太阳模拟电炉为1台3段式真空电阻加热炉模拟太阳入射热流。加热温度最高为1000，恒温自动控制，炉膛采用“马佛胆”结构，保温层采用3层耐热合金薄板隔热屏设计。 空气排放冷却器为一个空气水叉流换热器，试验单元排出的空气温度较高（500600）可将试验段排气冷却至40左右。来流流量小、出口温度高，设计出的水冷换热器尺寸很小。 测试装置由1台多功能数据采集仪，微机按设定的时间间隔（3min）连续动态采集并处理数据。包括工质进出口温度，PCM容器的壁温，空气预热器出口温度。 真空实验舱长2.5m，直径2 m，可模拟30 km 高空环境。实验时，太阳模拟器和实验用吸热蓄热单元管组成的实验单元都在真空舱内。4.3 试验方案设计与实验方法系统设计参数如下：(1) 工质质量流量0.290.55 kg/min ；(2) 试验工质入口气温454559；(3) 加热功率750W1100W；(4) 试验段气体最大压降3.5%；(5) 模拟轨道周期：日照期66 m in，阴影期27 m in，共93m in；(6) 整个实验装置放在真空舱内模拟轨道环境，真空度为8 kPa。首先开启气源，吹扫管路系统，然后开启真空泵对真空实验舱抽真空，开启空气预热电炉及太阳热流模拟电炉及其附带自动温控仪。同时开启测控系统控制电脑，打开软件进入试验状态，采集并监控流量、压力、温度诸信号值。启动时， 首先提供约0.1 kg/m in 的少量气体，直至试验单元的太阳热流模拟电炉将单元换热管上的PCM 容器最高壁温加热到783 时，再将工质气体的流量调至试验设定值0.290.55 kg/min范围内某个值，将测控系统数据处理软件的采集时间间隔设定为3 min，进入试验状态，采集数据。模拟的轨道周期，日照期和阴影期分别为66min 和27min，整个周期时间为93 min。分别对填充泡沫镍金属的实验单元换热管和不填充泡沫镍的实验单元换热管做试验，将不同的气体工质流量、不同的气体工质进口温度及不同的太阳模拟电炉的输入功率3种参数进行了组合，作为每个试验状态的设定参数，且该参数组合在1个或多个轨道周期内恒定，测试该状态下两单元换热管的蓄热性能及可靠性、安全性的对比。实验步骤与方法的技术要点如下： 实验前明确实验对象、目的和内容，在理论上做好充分准备，仔细调试并检测好各实验系统及环节，并在实验过程中经常检查，防止出现意外事故和危险； 进行几种组合参数的预备性试验，考核整个实验系统的运行状况及其可靠性，以发现问题和隐患，同时熟悉调试操作方法，摸索加热功率、工质流量、加热时间、关炉时间与容器壁温和出口工质温度间的一些内在规律，得出真实空气质量流量与流量计示数、压力表示数和温度表示数的关系曲线； 进行正式工况试验，按各工况要求的流量、压力、进口温度及加热功率参数，使其达到稳定状态，即开始录取各类测量参数。分别对填充泡沫镍的单元换热管和没有填充泡沫镍的单元换热管做实验，并采集数据。 实验后对获得的实验原始数据进行处理、归纳，整理出各类关系曲线，并从理论上进行分析。为了校核实验结果的合理性，需要采集12个轨道的温度数据进行了归纳整理，进行热平衡处理计算。其数据如下表4.1。表4.1 试验状态（12）的设定参数试验状态实验组数工质流量(kg/min)工质进口温度（）加热功率（W）轨道周期（min）实验组合 1 2 3 40.46530527525522120012001200120066+2766+2766+2766+27实验组合56780.4253052752552210001000 1000100066+2766+2766+2766+27实验组合91011120.3853052752552280080080080066+2766+2766+2766+274.4 测试实验数据的分析方法4.4.1 设定初始计算参数设日照期的输入功率为Pi（W），工质的进口平均温度为Tgi（k），出口平均温度为Tgo（k），平均定压比热为(J/kgk)，质量流量为(kg/min)，日照期时间为Dtsun(min)，阴影期时间为Dtshade，漏热量为PL（W），相变材料质量为M(g)，相变材料的固态、液态比热分别为CPS (J/kgk)和CPl (J/kgk)、相变潜热为Hm (J/kg)，相变点取为单一温度Tm (Tm=760)，TS、Tl分别为相变材料的固相、液相温度。4.4.2 日照期热平衡计算输入热量：工质吸热量：漏热量：相变材料潜热：相变材料显热：则输出热量：能量平衡误差：4.4.3 阴影期热平衡计算阴影期相变材料的潜热储热和显热储热两部分之和为热输入Qin，气体工质的吸热量和漏热量为实际的热输出Qout，即其中QLstor和Qsstor的计算方法同日照期中上式工质吸热量漏热量热平衡误差通过对填充泡沫镍与不填充泡沫镍的两个单元换热管的实验数据按上式处理。处理实验结果，验证单管工质干空气的出口温升在轨道的日照期和阴影期末是否达到预期的要求，相变材料容器的最高温度和平均温度是否处于材料的安全范围内；比较两种单元换热管传热量，分析泡沫镍对相变储热单元的储热和放热性能的影响。结 束 语本设计初步介绍空间太阳能热动力发电系统的工作原理，确定作为相变材料(PCM) 吸热/蓄热容器是空间站太阳能热动力发电系统吸热/蓄热器的主要部件。选定相变材料，通过对多种强化相变储热装置传热特性方式比较分析