毕业设计（论文）-相变蓄热装置传热强化的实验研究.doc

本 科 毕 业 论 文 第 47 页 共 47 页1 绪论热能储存技术用于解决热能供需间的矛盾，是提高能源的利用效率及保护环境的重要技术。强化传热技术一直是蓄热研究方面的重点，传热的强化主要有两条途径：研发新的相变蓄热材料，改善相变蓄热装置。相变材料主要可分为有机相变材料和无机相变材料1。其中无机相变材料主要有单纯盐、碱金属与合金、高温熔化盐类和混合盐类等，无机相变材料具有较高的熔解热和固定的熔点等优点；但绝大多数无机相变材料具有腐蚀性，相变过程中存在过冷和相分离的缺点。为防止无机相变材料的腐蚀性，蓄热系统必须采用不锈钢等特殊材料制造，从而增加了制造成本。为抑制无机相变材料相变过程中的过冷和相分离，需通过大量试验研究，寻求好的成核剂和稳定剂。有机类相变材料主要有石蜡类、高级脂肪酸类、聚烯烃、醇类等，具有固体成型性好，不易发生相分离及过冷现象，腐蚀性较小和性能稳定等优点；但有机物相变材料热导率较低2,3。在相变蓄热装置方面，实际应用中通常采用添加高热导率材料如铜粉、铝粉或石墨等作为填充物以提高热导率；采用翅片管换热器，依靠换热面积的增加来提高传热性能；采用波纹管，依靠热媒体流动来提高传热性能等。本实验将采用波纹管来提高换热效率。由于波纹管表面凹凸的外形，使流体在管内形成较强的湍流，从而大大提高管内外表面的换热数，使换热器整体换热效率比列管式的提高2-3倍。波纹管通过热胀冷缩而具有自洁作用，因此不易结垢，自行补偿温差产生的热应力。1.1 研究背景及意义蓄热技术是提高能源利用效率和保护环境的重要技术4-6，可用于解决热能供给与需求失配的矛盾,在太阳能利用、电力的“移峰填谷”、废热和余热的回收利用以及工业与民用建筑和空调的节能等领域具有广泛的应用前景,目前已成为世界范围内的研究热点。在化工生产和许多工业过程排放的废热是不连续的，要充分利用这些不稳定的能源，就需要采用蓄热技术，将这些热量暂时储存起来，在需要的时候再释放出去。这样既可以降低企业能耗，又可以减少由一次能源转变为二次能源时产生各种有害物质对环境的污染。目前主要的蓄热方法有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热三种6-9。显热蓄热是利用物质的温度升高来存储热量的。这种蓄热方式在各类蓄热方式中是最简单和最成熟的，应用也最广泛，可用于供暖和发电。但该方式在实用上存在占地面积大、蓄热温差大等问题。化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能。发生化学反应时，可以有催化剂，也可以没有催化剂，这些反应包括气相催化反应、气固反应、气液反应、液液反应等等。这种贮能方式虽贮能密度较大，但往往技术复杂且使用不便。潜热蓄热是利用物质在凝固/融化、凝结/气化、凝华/升华以及其他形式的相变过程中，都要吸收或放出相变潜热的原理。相变蓄热具有蓄能密度高、蓄热温差变化小等优点。1.2 蓄热技术的应用蓄热技术作为缓解人类能源危机的一个重要手段，主要有以下几个方面的应用。太阳能是巨大的能源宝库，具有清洁无污染、取用方便的特点，特别是在一些高山地区，如我国的甘肃、青海、西藏等地，太阳辐射强度大，而其他能源短缺，故太阳能的利用就更为普遍。但到达地球表面的太阳辐射，能量密度却很低，而且受地理、昼夜和季节等规律性变化的影响，以及阴晴云雨等随机因素的制约，其辐射强度也不断发生变化，具有显著的稀薄性、间断性和不稳定性10-11。为了保持供热或供电装置稳定不间断地运行，就需要蓄热装置把太阳能储存起来，在太阳能不足时再释放出来，从而满足生产生活用能连续和稳定供应的需要。太阳能蓄热技术包括低温和高温两种。水是低温太阳能蓄热系统普遍使用的蓄热介质，石蜡以及无机水合盐也比较常用；高温太阳能蓄热系统大多使用高温融化盐类、混合盐类、金属或合金作为蓄热介质。电力资源的短缺是人类长期面临的问题，但是电力资源的浪费却非常严重，如我国的葛洲坝水利枢纽工程,其高峰与低谷的发电输出功率分别为220万kW和80万kW,用电低谷发不出的电能只有通过放水解决。若能把这部分能源回收，则可大大缓解能源紧张状况。蓄热技术仍是目前回收未并网的小水电、风力发电的一个重要手段。在电厂中采用蓄热装置可以经济地解决高峰负荷,填平需求低谷以缓冲蓄热方式调节机组负荷更方便。采用蓄热装置可以节约燃料,降低电厂的初投资和燃料费用，提高机组的运行效率和改善机组的运行条件，从而提高电厂的运行效益和改善电厂的利用率，降低排气污染，改善环境。蓄热技术在核电站中具有更大的吸引力。采用蓄热技术可使反应堆的运行最安全和最经济。对高峰负荷采用核电机组与蓄能相结合的形式可以减少单独的高峰负荷机组的需要量,同样还可减少低效率高峰机组使用的优质燃料（如轻油、煤油、天然气等）。这样核电站可以按基本负荷运行,燃料的温度交变降到最低限度,对燃料元件的损害就可以降到最低。采用蓄热技术,也使得核电站相当大的初投资得到充分的利用。目前工业热能储存采用的是再生式加热炉和废热蓄能锅炉等蓄能装置12。采用蓄热技术来回收储存碱性氧气转炉或电炉的烟气余热以及干法熄焦中的废热,既节约了能源,又减少了空气污染以及冷却、淬火过程中水的消耗量。纺织工业的漂白和染色工艺过程也可采用蓄热装置来满足负荷波动。在采暖系统中热能的生产随需求的变化要随时调整,因此蓄热的作用显得更加重要。借助蓄热装置,可以降低能量转换装置以及二次能传输系（区域热力管网）的设计功率,因为在一年中只有较短的一段时间需要最大采暖功率。在电热采暖和供应热水的过程中,可以把用电时间安排到非高峰时期,从而降低运行成本。采用蓄热装置后,不存在部分负荷运行情况,能量的转换效率提高。采暖锅炉由于需求的波动导致锅炉启停频繁,则启停过程的能量损失非常大。采用蓄热装置后,有效地增加了系统蓄热容量,在一定范围内可以满足波动负荷的要求,从而降低锅炉启停的频率,降低能量消耗。蓄热能在太空的利用主要有两种方式:一种是目前普遍采用的光电直接转换系统，采用太阳能电池和化学蓄电池来提供稳定的电能；另一种便是空间太阳能热动力发电技术,先将太阳能转化为热能,再利用热力循环将热能转化为电能。光电直接转换系统的优点是技术比较成熟,也比较简单,可靠性较好,但是它最大的缺点是提供的功率不能很高（7%10%）,而且寿命不长,如果航天器要求较长的使用寿命,太阳能电池板和化学蓄电池需要多次更换,大大增加了维护费用,所以只适合于功率较小、寿命不太长的卫星。随着人类对太空探索的加速,必然提出对更高功率和更长寿命的空间电源系统的需求,而且要求在寿命期内的维护费用要低13-14。这样就提出了新的太阳能热动力发电技术,来满足这些要求。首先它的能量转化效率较高（20%30%），再者它的寿命较长，可以保证30年不更换任何部件,这样将大大减少维护费用。20世纪80年代末，美国在研制自由号空间站时,曾预计采用太阳能热动力发电系统,将会节省3040亿美元的费用。但是太阳能热动力发电技术是一项新技术,从未在太空中试验过,它的性能、可靠性以及部件的优化方面还需要大量的研究工作,要投入大量的人力和资金，这是它面临的一个问题。但是从人类对太空探索的发展来看,这必将是最有前途的一种能源解决方案。1.3 相变蓄热设备的研究相变蓄能换热设备与普通换热设备和显热储能设备相比，其突出的特点是换热设备中布置流体管道的同时需布置相变材料，并且根据相变传热的特征，相变材料与流体传热的过程中因相变材料不断发生相变而使相变材料侧的传热热阻逐渐增大，当相变材料层完全发生相变后会使系统的有效传热面积逐渐减小，从而导致流体侧的温度随之发生变化。因此采用有效的强化传热技术与设计高效的蓄热换热设备是提高潜热蓄热效率的关键。15相变潜热蓄热装置的研究是蓄热技术研究中的重要部分。因为绝大多数的相变材料其导热性能差，所以相变蓄热器有一个传热强化的问题需要解决，以保证小温差快速充热、放热。实际应用中通常采用的方法是加金属肋片及采取扩大接触面积。如果把相变材料先分装在小容器内（盘、球、柱、板等），再以一定的方式排列于蓄热器中，形成了胶囊、圆盘、球、圆柱、周向或纵向翅片管式相变潜热蓄热器16。日本在蓄热装置研究方面取得了较大的成就。对金属氢化物蓄热器、潜热胶囊的蓄热方法、蓄热槽、蓄热材料容器的封口方法等方面研究深入。1.4 蓄热器的研究方向随着人们的节能和环保意识的提高，促进了蓄热技术的快速发展。如何使用蓄热技术有效地利用太阳能、工业余废热等不连续、不稳定的热量引起了人们的高度重视。但是，目前在相变蓄热技术研究领域，针对理论研究方面开展的工作较多，而对于实际工程应用方面的研究相对较少。在寻找新的、更适合的蓄热储能材料的同时，还需在蓄热器的结构改进方面做许多工作。因为要在工业中大规模地应用蓄热技术，除经济的蓄热材料外，也需要有高效合理的蓄热容器。对蓄放热过程中影响蓄热器性能的各种因素进行分析，以便改进蓄热器的结构，强化蓄热器的传热效率。2 蓄热器实验系统的设计2.1 实验目的1）测定相变材料和热媒体在蓄放热过程中的温度值，绘制相变材料与热媒体在蓄放热过程中温度随时间变化的关系曲线，由此研究相变材料的相变特性，确定相变材料的相变温度，判断相变材料的稳定性。2）观测相变材料和热媒体在实验过程中的温度变化，绘制相变材料的蓄放热时间曲线，分析相变材料蓄放热时间与热媒体流量、温度的关系，计算蓄热器的蓄放热效率。3）比较波纹管在同一流量，不同温度下复合相变材料的蓄放热性能，及光管和波纹管在同一流量，温度下材料的蓄放热性能。2.2 实验方案设计为了研究蓄热器的蓄放热效率，以及测定热媒体进口温度和流量对蓄放热时间的影响，本实验系统如图2.1所示。图2.1 实验系统图从太阳能集热器出来的热水进入水箱，通过电加热器将热媒体水（HTF）加热到实验要求的温度值，然后通过循环泵使热媒体水在蓄热器中循环，使蓄热器中的相变材料（PCM）开始蓄热（放热），同时，数据采集系统工作，同步采集PCM和HTF的温度，来研究它们的温度变化情况。当蓄热器中PCM的温度达到HTF进口温度时，蓄（放）热实验结束。本实验装置可以分为三个回路：1）恒温水箱泵电加热器太阳能集热器恒温水箱。在蓄热准备阶段，把太阳能集热器中的热水放入水箱，然后开启电加热器，使水箱中的水达到实验要求的温度。2）恒温水箱电加热器泵蓄热器恒温水箱。该回路用于本实验的蓄热实验，泵为热媒体水在系统中不断循环提供原动力，电加热器以及配套的恒温控制系统能够加热热媒体水并使该温度保持恒定。3）恒温水箱电加热器泵风机盘管恒温水箱。该回路用于蓄热完成后的放热实验，风机盘管用于循环热媒水以最快的速度降温，并保持在要求的恒定温度。2.3 试验系统设计计算根据实验方案，需要校核的参数主要有：1）实验管段的管径（内径）d；2）泵的扬程、流量。2.3.1 相关计算公式根据参考文献，可得如下计算公式：1）流量Q与Re数 （2-1） （2-2）式中： 管内流体的流速，m/s； d管子的直径，m； v流体的运动粘度，m2/s2）阻力系数层流直管： （2-3）湍流直管： （2-4）式中：相对粗糙度。3）水泵的扬程扬程阻力损失： （2-5）局部阻力损失： （2-6）水泵的扬程： （2-7）其中Hg为流量计的压降，Ht为水箱的压降，Hx为蓄热器的压降，为水泵的安全系数，一般取1.11.2。2.3.2 实验系统校核过程1）水的物性参数表2.1列出了水的相关物性参数，本实验中，认为水的这些物性参数是常数，可直接应用于实验系统设计计算及实验数据处理。表2.1 水的相关物性参数表密度动力粘度运动粘度比热10001.30610-31.30610-64.2kg/m3Pasm2/s kJ/kgK2）蓄热系统管路直径校核连接管光管直径为21.5mm的不锈钢管。横截面积S为0.0015m2。波纹管波峰直径为30mm，波谷为25mm的不锈钢管。Re=1000（层流）时，流速 u= 10001.30610-6/0.0215=0.0607m/s流量 Q=uS=0.00150.0607=0.0910-3 m/s考虑到本实验的实际流量需要以及参考其它对类似实验的研究成果，选取流量为0.167kg/s。从以上计算可以看出，在层流区，热媒体水在蓄热器中的流量可以达到一个很高的数值，完全满足本实验的要求。3）压头损失校核计算（水泵扬程校核计算）各管路的沿程损失和局部阻力损失分别包括若干阀门与弯头等。另外，流体流经风机盘管和蓄热器时也有一定的压头损失。这其中需要计算的有两个回路：一是恒温水箱泵电加热器蓄热器风机盘管恒温水箱；另外一个是恒温水箱泵电加热器太阳能集热器恒温水箱。其中，泵在第一个回路需要克服的主要有管路的局部阻力和水的势能差，在第二个回路中主要是势能差。局部阻力损失从实验系统中可以找到局部阻力损失最大的回路，为：恒温水箱电加热器泵蓄热器风机盘管。根据流程图可得：90弯头（共15个）： =150.75=11.25；阀门（4个全开）： =17.3； 水泵没有底阀： =3；局部阻力损失： =0.067m从以上计算可以看出，由于实验中水流速很低，管路的局部阻力损失都很小。因此，影响泵选择的因素应该是由管路高度差引起的水的势能差。水的势能差太阳能集热器安装在屋顶，高度差约为25m。出于对水泵的安全，要求对水泵的扬程要大于30m，本实验用水泵扬程为40 m，满足要求。3 实验装置3.1 实验原理潜热蓄热是通过相变材料在发生相变时吸收或释放大量能量来实现的。按照相变材料的特性，蓄热曲线存在两种情况：当相变材料在单点发生相变时，其蓄热曲线如图3.1a所示；相变材料在一个温度区间发生相变时，其蓄热曲线如图3.1b所示。图3.1a 点相变蓄热曲线 图3.1b 区间相变蓄热曲线从图中可以看到，蓄热大致可以分为四个过程，依次为：显热蓄热阶段，潜热蓄热阶段，显热蓄热阶段和稳定阶段。发生在单点的相变在潜热蓄热阶段的温度保持一定值不变；而在一个温度区间发生相变时，这个阶段的温度在很小的范围变化，但是由于这个范围非常小，因此，也可以认为其温度恒定。图3.2a 点相变放热曲线 图3.2b 区间相变放热曲线相比蓄热曲线，PCM的放热曲线种类更复杂一些：相变材料在单点发生相变且不存在过冷度现象时如图3.2a所示；放热曲线3.2b没有出现相变期间温度的平台，这可能有两种原因：第一种是相变材料的热迁移速度大于潜热的释放速率，或前者太大，或后者太小，一般情况下，相变材料的导热系数很小，因此这可能是由于相变潜热太小造成的；第二种原因是相变材料在一个温度区间发生相变。3.2 实验装置简介本次蓄放热性能实验所用的实验装置如图3.3所示。图3.3 实验装置本实验台的主要装置或仪器有：蓄热器、电加热器、泵、恒温水箱、风机盘管、太阳能集热器、涡轮流量计、不锈钢管、弯头、阀门若干、T型热电偶、Agilent数据采集仪、计算机、光管、波纹管。以下对各个实验装置详细介绍，说明它们在本实验中的作用：1）蓄热器蓄热器是本实验的主要装置，由不锈钢制成，其内径为12.42cm，高33cm。2）热电偶实验使用的是铜康铜T型热电偶（如图2.2），它测量精度高，价格便宜，满足实验要求。3）恒温水箱用不锈钢焊接制成，容量约0.6m3，内用发泡聚氯乙烯包裹作保温材料。可以作为热媒体的缓冲设备，为蓄热器提供恒定温度的热媒体。4）电加热器威海市远大电器制造有限公司生产的DF20型中央空调辅助电加热器，功率为20kW。它能在比较短的时间内将水箱中的热媒体水加热到实验要求的温度。5）涡轮流量传感器由天津弗德斯仪表有限公司制造，型号为LWGY-25，检定介质为水，精度等级0.5级，流量范围为110m3/h，基本误差0.34%，线性度0.28%，重复性0.05%，仪表系数331.351/L。流量计在使用前按出厂说明书要求标定。6）太阳能集热器用于加热热媒体水，以节约电能。本实验使用的集热器是天普太阳能集热器，容量为200L，集热面积为3m2。这种集热器效率高，隐蔽式锁热水箱的锁住热量大。在晴天，下午2时左右能将水加热到90左右。图3.4 太阳能集热器 图3.5 离心泵7）离心式水泵由杭州南方特种泵制造厂生产，型号CDLF4-60 FSWSC，转速2900r/min，流量4m3/h，扬程48m，功率1.1kW。8）风机盘管用于在蓄热结束后的恒进口温度放热准备过程中降低热水的温度，以及在变进口温度放热过程中用做供暖末端装置。本实验采用约克广州空调冷冻设备有限公司生产的YGFC04CC3SEFL型和YGFC04CC3SXXXLDE型风机盘管，其制冷量4.45Kw，风量710.0m/h，制热量7.78kw，输入功率60.0w，适用温度范围为-580。图3.6 风机盘管9）数据采集仪实验使用的Agilent 34970A数据采集/开关单元。34970A是一种高性能的数据采集和开关主机，十分适用于数据记录、数据采集和一般的开关与控制应用。它是一种半机架宽的主机，内部有22比特的数字电压表，其背面有3个插槽，可以接受开关与控制的模块某种组合。可以满足使用少数几个简单的数据记录通道，或是上百个ATE性能的通道的采集要求。它能为实验提供精确的测量能力与灵活的信号连接，实时采集并记录热电偶测量的数据。图3.7 Agilent 34970A数据采集仪Agilent 34970A数据采集/开关单元背部有3个模块插槽和8个开关与控制模块，允许逐通道进行配置，以达到最大的灵活性及快速方便设置。34970A中具有内部的自动量程转化的DMM有11种不同的直接测量功能，可以在没有外部信号调整的条件下 测量。内部温度转化程序可以以C、F或（Kelvin）显示未处理过的热电偶、RTD或是热敏电阻的输入。利用Mx+B定度可将线形传感器的输出直接转换到工程单位（本实验中涡轮流量计用这种方式标定）。Agilent Datalogger 3（Agilent BenchLink）程序是基于Windows操作系统的应用程序，通过它可以很方便地实现Agilent 34970A数据采集仪与计算机之间的通信，实时地将数据采集仪采集到的数据传递给计算机，简化数据采集。Agilent Datalogger 3程序可以根据设置进行测试、采集与存档管理测量数据以及对所得到的数据进行实时显示和分析。还可以利用条图、直方图、X-Y散点图等建立多种图形，直观地观察实验过程中各点温度的变化情况。10）计算机显示Agilent数据采集仪采集的数据，处理实验结果，绘制温度变化曲线等。11）控制柜用于系统的恒温控制，泵的开关，电加热器的开闭等。图3.8 控制柜12）光管 蓄热器内HTF（热媒体）流动通道。内径21mm，壁厚4mm。图 3.9 光管13）波纹管蓄热器内HTF（热媒体）流动通道。波峰外径30mm，波谷外径25mm，壁厚5mm。图 3.10 波纹管4 实验操作4.1 热电偶标定1）用Agilent专用螺丝刀将要定标的热电偶线与Agilent接线卡上1到17号通道对应连接，其步骤如图4.1。2）接线卡插入Agilent数据采集仪的一号插槽内，打开Agilent数据采集仪电源。3）双击计算机桌面上Agilent图标，启动Agilent数据采集程序。如图4.2和4.3。4）进行数据采集仪和计算机的链接。点击【配置】，在下拉菜单中选中【新建】并点击打开，得到图4.5所示对话框，在配置名称下填入所做配置的名称：xure。点击【确定】，结束配置名称输入。如图4.6。注意：1、使用Agilent专用螺丝刀接线，非专用螺丝刀可能将接线螺栓磨坏。2、T型热电偶为铜康铜配对，将红色热电偶线接在通道接点H上，另一个接在L上。3、相邻热电偶线不能相互接触搭连，否则将引起测量误差。4、将接线卡完全插入。图4.1 热点偶线的安装双击启动Agilent数据采集程序图4.2 启动Agilent数据采集程序图4.3 Agilent数据采集程序图4.4 新建配置图4.5 配置命名然后点击添加选择已连接模式图4.6 选择已连接模式5）点击【已连接至34970A（3）】前面单选框，选择已连接模式。然后点击【添加34970A】添加计算机与与数据采集仪的连接，得到如图4.7所示界面，点击【查找】系统将自动寻找与之匹配的设备并建立连接，如图4.8所示。点击【查找】，进行设备和计算机的连接图4.7 查找设备图4.8 搜索34970A6）设备查找完成后如图4.9所示，选中设备34970A前面复选框，选中设备，点击连接完成设备连接。图4.9搜索完毕点击【连接】完成连接。图4.10选择设备并建立连接7） 点击【配置通道】，进入配置通道界面，选中所有已连接热电偶的通道，如图4.11。选择通道功能为：温度（T型）。如图4.12图4.11 配置通道界面图4.12 通道功能选择图4.13 完成通道功能选择8） 配置完所有通道后点击【扫描和记录数据】，进入扫描和记录数据界面，进行扫描和记录数据设置。扫描控制设置钮数据控制设置钮启动/停止控制钮图4.14扫描和记录数据界面9） 点击扫描控制设置钮，进行扫描控制设置。选择扫描开始为【立即】，扫描停止为【通过按停止扫描按钮】，设置扫描间隔时间为60s。点击【确定】完成设置。图4.15 扫描控制10） 点击数据控制设置钮，打开图4.16对话框，进行数据记录控制设置。点击【浏览】设置数据自动保存文件夹，如图4.17。图4.16 数据记录设置图4.17 数据导出路径设置11） 点击启动/停止控制钮开始数据记录。程序先将刚才的配置下载到Agilent数据采集仪上并记录在Agilent数据采集仪的自身储存器里，然后开始数据采集及记录。图4.18 下载通道配置到数据采集仪上12） 数据采集仪采集的数据传输给计算机，并在“扫描和记录数据”显示输出，如图4.19，还可在快速图标界面自动生成曲线显示出其变化趋势，图4.20。图4.19 数据显示界面图4.20 快速图表界面13） 扫描记录10次数据后停止扫描记录，并保存数据。点击启动/停止控制钮停止扫描，如图4.21，点【确定】，进入数据保存导出界面，图4.22。点击【导出数据】进入数据导出格式设置界面，进行导出数据文件格式设置。选择列分隔符为制表符，小数点符号为点号“.”，为了便于数据处理的操作，去掉“通道报警”、“开始时间”及“包括毫秒”选项，选中“经过时间”项。点击【导出到文件】导出数据到指定文件夹，图4.24。在指定文件夹下的到刚才扫描记录的数据。图4.21停止扫描图4.22数据导出图4.23 数据导出格式设置图4.24数据导出磁盘14） 数据处理。在保存目录文件夹下打开记录的数据，进行数据处理。在Excel文件下利用Excel自带数据处理工具，通过多（10次）次测量计算出每一点的平均温度，然后再对这些平均值取平均值作为蓄热器内的真实温度T。用T减去得为各个热电偶测量偏移量。选中它们图4.25 配置定标15）进入Agilent数据采集程序“配置通道”界面，在“定标（Mx+B）”栏下“定标”选择框上打勾选中，进行偏移修改，如图4.25。将之值对应填在“偏移”栏下相对应的位置，如图4.26。16）点击配置菜单下【保存】选项保存配置及定标，完成定标。如图4.27。值填入对应位置图4.26 修改配置偏移点击【保存】，完成定标！图4.27 保存标定数据17）布置热电偶。如图4.28和图4.29所示，在蓄热器内放置热电偶，用于测材料各点温度。图 4.28 热电偶俯视图图 4.29 热电偶主视图和右视图4.2 涡轮流量计标定4.2.1 流量计简介由天津弗德斯仪表有限公司制造LWGY-25型涡轮流量传感器与显示仪表配套组成涡轮流量计，可测量液体的瞬时流量和累计体积总量，也可以对液体定量控制。传感器具有高精度、寿命长、操作维护简单等特点。4.2.2 工作原理图4.30 LWGY型涡轮流量计结构示意图被测流体流经传感器时，传感器内叶轮借助于液体的动能而旋转。此时，叶轮叶片使检出装置中的磁路磁阻发生周期性变化，因而在检出线圈两端就感应出与流量成正比的电脉冲频率信号，经前置放大放大器放大后送至显示仪表。 在测量范围内，传感器的流量脉冲频率与体积流量成正比，这个比值为仪表系数，用k表示： 或 式中：f流量信号频率，Hz； 体积流量，m3/h； V体积总量，L； N脉冲数涡轮流量计输出为频率信号，单位为。将频率信号以流量单位显示需将频率信号量乘以转换系数，单位为。这样，就可以将有涡轮流量计传输来的频率信号以流量单位显示输出。图4.31 流量计安装示意图4.2.3 标定过程连接管路，准备设备（电子称1台，秒表1个，水桶一只），连接好流量计和数据采集仪（安捷伦数据采集仪）及计算机。1）打开涡轮流量计电源，开启安捷伦数据采集仪，打开计算机并启动数据采集程序。开泵，使系统达到稳定状态。2）调节流量计前阀门，分别改变流量约为1.5 m3/h，2.0m3/h，测量其在一定时间内流过流量计流体总质量(m)及测量时间（t）。由公式计算其实际质量流量并换算为体积流量(m3/h)。3）由公式计算系数。分别计算出每组系数，计算平均值即为流量计增益系数。实验数据如下：表4.1 流量标定数据记录及处理质量（Kg）f（Hz）流量（)时间（s)增益k平均6.041453.5412.08674110.42180.0046010.00440911.315439.5082.00229120.34370.00455611.748408.0651.66057925.46870.0040693） 将测量计算的k填在Agilent数据采集程序配置通道相对应通道号的“增益”栏并保存配置。将0.004409填在这里图4.32 流量标定4.3 温度控制及PID设置4.3.1 控制分类1）开环控制系统 开环控制系统(open-loop control system)是指被控对象的输出(被控制量)对控制器(controller)的输出没有影响。在这种控制系统中，不依赖将被控量反送回来以形成任何闭环回路。2）闭环控制系统 闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系 统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。4.3.2 PID控制的原理和特点在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它 以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的 其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象，或 不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、 积分、微分计算出控制量进行控制的。1）比例（P）控制比例控制是一种最基本、最主要、最简单、应用最普遍的控制规律，它能及时和迅速地克服扰动的影响，从而使系统很快地达到稳定状态。当有偏差信号存在时，调节器的输出立刻与偏差成比例地变化。2）积分（I）控制在积分控制中，控制器的输出信号的变化量与偏差信号的积分成正比关系。具有积分控制规律的调节器输出信号变化量的大小不仅与偏差信号的大小有关，而且还与偏差存在的时间有关。只要有偏差，调节器的输出就不断的变化，偏差存在的时间越长，输出信号的变化量也越大，直到调节器的输出达到极限值为止。其重要特性是消除比例控制所产生的残差。3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出信号的变化量与偏差信号的变化速度成正比关系。其最大的特点在于偏差不大，但还在偏差开始剧烈变化的时刻就能立即自动地产生一个强大的调节作用，及时抑制偏差的继续增长，故有超前调节的作用。其最大的缺点是不能单独使用，必须和比例控制或积分控制组合使用。工业上适用的常规控制包括PI控制、PD控制、PID控制。PID控制器能改善系统在调节过程中的动态特性，对具有较大惯性或滞后的被控对象有很好的控制效果。4.3.3 温度控制系统组成本实验的温度控制为闭环控制。参照闭环系统原理框图可以画出本温度控制系统控制原理示意图，见图4.31。图4.34 FB900数字控制器图4.33 温度控制系统控制原理示意图在控制系统中，T型热电偶采集电加热器后温度传输给FB900数字控制器，FB900将输入信号与设定值进行比较计算，得到PID控制输出信号作为执行机构SCR控制器输入控制信号。SCR控制器通过改变电加热器输入电源电压以达到改变加热功率，执行输入命令，完成控制。4.3.4 PID控制器的参数整定 PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握。 目前，应用最多的还是工程整定法：如经验法、衰减曲线法、临界比例带法和反应曲线法。各种方法的大体过程如下： 1）经验法又叫现场凑试法，即先确定一个调节器的参数值PB和Ti，通过改变给定值对控制系统施加一个扰动，现场观察判断控制曲线形状。若曲线不够理想，可改变PB或Ti，再画控制过程曲线，经反复凑试直到控制系统符合动态过程品质要求为止，这时的PB和Ti就是最佳值。如果调节器是PID三作用式，那么要在整定好的PB和Ti的基础上加进微分作用。由于微分作用有抵制偏差变化的能力，所以确定一个Td值后，可把整定好的PB和Ti值减小一点再进行现场凑试，直到PB、Ti和Td取得最佳值为止。显然用经验法整定的参数是准确的。但花时间较多。为缩短整定时间，应注意以下几点：根据控制对象特性确定好初始的参数值PB、Ti和Td。可参照在实际运行中的同类控制系统的参数值，使确定的初始参数尽量接近整定的理想值。这样可大大减少现场凑试的次数。在凑试过程中，若发现被控量变化缓慢，不能尽快达到稳定值，这是由于PB过大或Ti过长引起的，但两者是有区别的：PB过大，曲线漂浮较大，变化不规则，Ti过长，曲线带有振荡分量，接近给定值很缓慢。这样可根据曲线形状来改变PB或Ti。PB过小，Ti过短，Td太长都会导致振荡衰减得慢，甚至不衰减，其区别是PB过小，振荡周期较短；Ti过短，振荡周期较长；Td太长，振荡周期最短。如果在整定过程中出现等幅振荡，并且通过改变调节器参数而不能消除这一现象时，可能是阀门定位器调校不准，调节阀传动部分有间隙（或调节阀尺寸过大）或控制对象受到等幅波动的干扰等，都会使被控量出现等幅振荡。这时就不能只注意调节器参数的整定，而是要检查与调校其它仪表和环节。2）衰减曲线法是以4：1衰减作为整定要求的，先切除调节器的积分和微分作用 ，用凑试法整定纯比例控制作用的比例带PB（比同时凑试二个或三个参数要简单得多），使之符合4：1衰减比例的要求，记下此时的比例带PBs和振荡周期Ts。如果加进积分和微分作用。若按这种方式整定的参数作适当的调整。对有些控制对象，控制过程进行较快，难以从记录曲线上找出衰减比。这时，只要被控量波动2次就能达到稳定状态，可近似认为是4：1的衰减过程，其波动一次时间为Ts。3）临界比例带法，用临界比例带法整定调节器参数时，先要切除积分和微分作用，让控制系统以较大的比例带，在纯比例控制作用下运行，然后逐渐减小PB，每减小一次都要认真观察过程曲线，直到达到等幅振荡时，记下此时的比例带PBk(称为临界比例带)和波动周期Tk，然后根据经验公式求出调节器的参数值。按该表算出参数值后，要把比例带放在比计算值稍大一点的值上，把Ti和Td放在计算值上，进行现场观察，如果比例带可以减小，再将PB放在计算值上。这种方法简单，应用比较广泛。但对PBk很小的控制系统不适用。4）反应曲线法，前三种整定调节器参数的方法，都是在预先不知道控制对象特性的情况下进行的。如果知道控制对象的特性参数，即时间常数T、时间迟延和放大系数K，则可按经验公式计算出调节器的参数。利用这种方法整定的结果可达到衰减率=0.75的要求。 在实际调试中，只能先大致设定一个经验值，然后根据调节效果修改。对于温度系统：P（%）2060，I（分）310，D（分）0.53。4.3.5 本实验中PID控制器的各参数整定过程1） 将用于测量电加热器出口段流体温度的热电偶按正负极接在FB900的23号和24号端子上，如图4.35；2） 开启总电源开关，开启控制柜，FB900处于监视模式下；3） 按1秒钟移位键进入运行模式，再按四下SET键进行运行/停止切换，按上移键选中STOP；4） 按移位键回到监视模式；5） 边按SET键边按移位键进入准备设定模式； 图 4.356） 连续按上键或下键选择F21功能块，然后按SET键，在lnP记号下选择代码7（热电偶T）；7） 按移位键回到监视模式；8） 按1秒钟移位键进入运行模式，再按四下SET键进行运行/停止切换，按下移键选中rUn；9） 按移位键回到监视模式；10）按SET键，移位键，上下键进行SV值设定；11）按2秒钟SET键进入参数设定模式，然后按SET键分别选择P、I、D进行预定值设定；12）开启恒温水箱电加热器泵蓄热器恒温水箱回路，开启电加热器加热，采集蓄热器入口温度，绘制温度时间曲线；13）观察蓄热器进口温度温度控制曲线，按照现场凑试法进行P、I、D值的增减，直到控制曲线达到满意实验要求。在实验中，我们通过不断查阅资料，多次实验，最终整定PID参数分别为：P=100，I=120，D=100，并验证其控制效果满足实验要求。 图4.36 蓄热器进口温度温度控制曲线控制过程中，当温度未达到设定值时，FB900的条形显示器【绿】右端的灯亮起，表示电加热器在进行大功率加热；当温度刚达到设定值时，显示器有一个显示波动过程（一会儿左端的灯亮起，一会儿右端的也亮起）。随着时间增长，波动幅度越来越小，直到仅左端的两小格灯亮起，表示温度已经控制在设定值。温度控制过程曲线如图4.34。4.4 蓄热试验1） 打开控制台、计算机及数据采集仪电源，开启控制柜总开关。启动数据采集程序Agilent Datalogger3。2） 开启 “恒温水箱泵电加热器蓄热器恒温水箱”回路，调节泵后阀门于1/5位置，泵侧傍路调节阀全开，按下控制柜上热水泵绿色按钮开泵。调节傍路调节阀使流量为0.07 m3/h（或0.1 m3/h和0.2 m3/h）。3） 改变FB900温度设定为40，开启电加热器开始加热。4） 当系统温度均达到40后，改变系统回路为“恒温水箱泵电加热器恒温水箱”。关闭数据采集程序Agilent Datalogger3，停止数据采集。5） 改变FB900设定值为90（或85），再次启动电加热器并使系统达到稳定。6） 当系统温度稳定在设定值时，改变系统回路为“恒温水箱泵电加热器蓄热器恒温水箱”， 启动数据采集程序Agilent Datalogger3，点击数据采集程序Agilent Datalogger3“扫描和数据记录”界面“停止/启动按钮”开始数据记录。然后切换至“快速图表”观察各个测点变化趋势。7） 当系统温度均达到90时停止数据记录并导出数据。停止电加热器加热，然后停泵并快速关闭蓄热器进出口阀门。8） 蓄热实验结束，完成数据处理，绘制蓄热曲线。4.5 放热试验4.5.1 恒进口温度放热实验1） 放去恒温水箱约四分之三热水，换上大约等量的冷水（来自自来水）。2） 调节系统回路为“恒温水箱泵电加热器恒温水箱”。开启水泵使热媒水循环。3） 改变FB900温度设定为40，开启电加热器开始加热，使系统温度均为40。4） 当系统温度稳定后改变系统回路为恒温水箱泵电加热器蓄热器风机盘管恒温水箱，调节傍路调节阀使流量为0.16kg/s，打开风机盘管风机，开始放热。点击数据采集程序Agilent Datalogger3“扫描和数据记录”界面“停止/启动按钮”开始数据记录，然后切换至“快速图表”观察各个测点变化趋势。5） 当系统温度均达到40时,停止数据记录并导出数据。停止电加热器加热，然后停泵并快速关闭蓄热器进出口阀门。6） 关闭控制柜总开关和电源开关。退出Agilent Datalogger3数据采集程序。7） 恒进口温度放热实验结束，完成数据处理，绘制蓄热曲线。4.5.2 变进口温度放热实验1） 蓄热结束后关闭电加热器及蓄热器进出口阀门，往恒温水箱中加入自来水。2） 改变回路使热媒体水在恒温水箱泵电加热器蓄热器风机盘管恒温水箱回路循环，继续往恒温水箱中加入自来水，调节HTF的流量（本实验设定放热时的HTF流量为0.16kg/s），开始放热。点击数据采集程序Agilent Datalogger3“扫描和数据记录”界面“停止/启动按钮”开始数据记录，然后切换至“快速图表”观察各个测点变化趋势。3） 待PCM温度降到40时，停止数据记录并导出数据。停止电加热器加热，然后停泵并快速关闭蓄热器进出口阀门。变进口温度放热实验结束,完成数据处理，绘制蓄热曲线。5 实验结果及分析5.1 蓄热过程根据实验所得的数据，用Microcal Origin 6.0绘制出如下所需的不同的温度时间曲线。研究各曲线的变化规律，得出影响换热效率的各个因素。5.1.1 HTF为70时，PCM温度随时间的变化当HTF进口温度设定为70时，蓄热器内PCM温度变化情况，如图5.1所示。时间（min）温度（）图5.1 HTF为70，PCM温度变化曲线图5.1表示了当进口温度Tfi恒定在70，流量为0.153kg/s时，蓄热器中PCM的温度随时间变化情况。从图中可以观察到，蓄热开始后，蓄热器中的PCM温度以很快的速度增加，一直达到PCM的相变温度区域。但是，始终没有达到PCM相变完成的情况，其原因可能是蓄热器有一定散热损失，THF流量小，管道热量损失较大。出于以上原因，改变工况为HTF进口温度设定为80，流量调节为0.167kg/s进行试验，出现了明显的相变完成区域，达到了预期的实验效果。下面将详细分析一下蓄热器内各点PCM温度随时间变化关系。5.1.2 波纹管在不同HTF（热媒体）温度下，PCM（相变材料）的温度变化分析图5.2为流量为0.167kg/s，波纹管在进口温度分别为85和90时，PCM随时间的温度变化曲线。9085时间（min）温度（）图5.2 进口温度分别为85和90的PCM温度变化曲线由图可知：流量一定时，HTF进口温度为85时，蓄热时间约为580min；HTF进口温度为90时，蓄热时间约为250min。蓄热时间减少了56%。因此，采用较高的温度换热时，相变材料相变蓄热所用时间短，无明显的相变潜热蓄热阶段；采用较低温度换热时，相变蓄热时间长，潜热蓄热阶段明显。5.1.3 蓄热器内PCM中心距离对其温度变化的影响图5.3为115（距中心15.5mm）和113（距中心46.5mm）处的PCM温度变化曲线。时间（min）温度（）113115图5.3 113,115处PCM温度变化曲线由图可知：115距中心位置约15.5mm，PCM所需蓄热时间约为520min，113距中心位置约46.5mm，PCM所需蓄热时间约为800min。115相变完成时间比113提前