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.docVIP

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[]。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[]。 空间太阳能热动力发电系统的工作原本毕设研究的内容 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 试验工质 取干空气PCM介质采用80.5LiF-19.5CaFPCM容器材料H188 换热管材料Cr25Ni20 工质流量（0.29~0.55kg/min）取0.42kg/min 实验工质入口温度（510~530C）采用5C g 工质压力0.4MPa 模拟轨道周期：日照时间66min，阴影时间27min，共93min 整个实验装置放在真空舱内 真空度8kPaa 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500~600摄氏度时的参数如表1.1 表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 相变过程发生在固定相变温度下（790） PCM材料是不透明的没有反射 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工质在管内的流动是充分发展的PCM容器壁与工质管壁间的接触热阻忽略不计PCM工质 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