通过相变材料的制冷或热能能量存储系统 |
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| 申请号 | CN201580056051.9 | 申请日 | 2015-09-02 | 公开(公告)号 | CN107110614A | 公开(公告)日 | 2017-08-29 |
| 申请人 | 升级服务股份公司; 拉博尔股份有限公司; | 发明人 | M·德法尔科; A·扎卡尼尼; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种制冷或 热能 能量 存储系统(1)，用于制冷或热能，当用户需要时释放能量，包括主体(2)，封闭且绝缘，所述主体(2)被配置为在其内部容纳两类 流体 ，分别为 相变 材料 (PCM)类型流体和次级流体，所述两类流体相互间不混溶并具有不同的 密度 ，使得在所述主体(2)内分层； 抽取 装置(3)，被配置为从所述主体(2)抽取所述次级流体并在 热交换器 (6)内传送所述次级流体，所述热交换器(6)被配置为与所述次级流体交换冷气或热量；和分配装置(4)，被配置为从所述热交换器(6)抽取所述次级流体，并在所述主体(2)内分配所述次级流体到所述PCM类型流体内，使得所述次级流体与被吸收到所述热交换器(6)内的所述PCM类型流体交换冷气或热量，所述次级流体所具有的 凝固 温度 基本上低于所述PCM类型流体，所述热交换器(6)被包含在所述主体(2)内，并在所述次级流体和主流体间交换冷气或热量，所述热交换器(6)包括第一管道和第二管道，所述第一管道分别连接其端部到所述抽取装置(3)和所述分配装置(4)以用于所述次级流体的循环，第二管道与所述第一管道同心，被配置为连接到所述主体(2)外部的回路(9)以用于所述主流体的循环。 | ||||||
| 权利要求 | 1.制冷或热能能量存储系统(1)，其用于存储制冷或热能，并且当用户需要时释放能量，包括： |
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| 说明书全文 | 通过相变材料的制冷或热能能量存储系统[0002] 更特别地，本发明涉及一种在从储罐系统存储和释放能量的阶段允许在PCM型材料与制冷或加热流体之间最大限度地传递制冷或热能的系统，因此增加了冷却或加热存储系统的潜在应用，并优化了从供应主体抽取能量或使用自产能量的周期。 [0003] 在工业应用中，已知如何通过冰水罐完成冷藏，所述冰水罐利用水的凝固过程储存冷气和冰的液化过程释放冷气。这类系统与非标准冰箱集成，其中一个水和乙二醇溶液在低于0℃的温度下循环的方案，为了冷却制冷机的主回路的水，因而允许水在存储罐内凝固。但是，工作温度低于0℃，限制了所述冰水系统在非工业领域内的使用，特别是空调环境。此外，非标准冰箱的使用导致性能系数(COP)的降低和制冷机的成本增加。 [0004] 同样已知的是，为克服在工业领域内可用的现有技术限制，使用诸如已知为相变材料(PCM)的特殊共晶合金材料，其具有高于0℃并且取决于合金的组成的恒定相变温度。在文献中，许多已知的PCM类型的材料的特征是具有一定程度的毒性，可燃性和由于自身的相变温度和低的平均固相热导率而过冷。 [0005] 在常规的热交换系统中，例如管束和壳交换器(壳和管)，其中PCM类型的流体被储存在壳内并且交换流体被送入管中，在储存系统罐内部，直接在交换表面上的PCM类型流体固相形成包括通过传导而不是通过对流传送制冷能量，结果减慢罐的充能时间。 [0006] 目前，在能量存储期间，可用于避免PCM类型材料的罐导热性降低而提出的两种解决方案是液体PCM类型材料的微胶囊化和相变浆料(PCS)的使用。 [0007] 液体PCM材料的微囊化将PCM材料引入适当形状的囊内，浸入在存储罐内的主体水的内部，从而增加PCM材料和水之间的接触表面，以允许改进热能交换。但是，这个方案存在几个问题，例如由于存储罐的能量体积密度减小、包装问题和胶囊的存在而没有充分的充能时间、高成本和过度庞大的系统。 [0008] 相反，由于PCM类型材料的液滴或微胶囊在液体载体中的分散，PCS允许改善制冷PCM类型材料和液体载体之间的能量传送动力学，并确保附加存储部件由连续相的显热构成。但是，PCS由于待处理流体的高粘度和降低能量密度存储而具有应用问题。 [0009] 因此，当前可用的使用PCM类型材料的冷藏系统有两个限制其潜在应用的主要问题：系统的填充/释放能量不充分和体积密度存储不令人满意。 [0010] 甚至目前可用的使用石蜡的热存储系统也存在与使用上述PCM类型材料的冷藏系统的相同问题，即系统的填充/释放热能功率不足以及体积密度存储不令人满意。 [0012] 根据本发明，这些结果通过使用PCM类型材料的制冷或热能能量存储系统获得，使得制冷或热能能量的传送最大化，确保PCM类型流体和在次级闭合回路内流动的流体流之间的紧密接触并由热交换器冷却或加热。 [0014] 因此，本发明的具体对象的是一种用于存储制冷或热能，当用户需要时释放能量的制冷或热能能量储存系统，包括主体，封闭且绝缘，所述主体被配置为在其内部容纳两类流体，分别为相变材料(PCM)类型流体和次级流体，所述两类流体相互间不混溶并具有不同的密度，使得在所述主体内分层；抽取装置，被配置为从所述主体抽取所述次级流体，并在热交换器内传送所述次级流体，所述热交换器被配置为与所述次级流体交换冷气或热量(frigories,or calories)；和分配装置，被配置为从所述热交换器抽取所述次级流体，并在所述主体内分配所述次级流体到所述PCM类型流体内，使得所述次级流体与被吸收到所述热交换器的所述PCM类型流体交换冷气或热量，所述次级流体具有的凝固温度基本上低于所述PCM类型流体，所述热交换器被包含在所述主体内，并在所述次级流体和主流体间交换冷气或热量，所述热交换器包括第一管道和第二管道，所述第一管道分别连接其端部到所述抽取装置和所述分配装置，以用于所述次级流体的循环，所述第二管道与所述第一管道同心，被配置为连接到所述主体外部的回路，以用于所述主流体的循环。 [0015] 优选地，所述抽出装置被放置成至少部分在所述主体部分的上部或下部，取决于所述次级流体的密度值，且所述分配装置以与所述抽取装置相反的放置方式，至少部分地放置在所述主体部分的上部或下部。 [0016] 仍然根据本发明，所述主体的所述内部包括隔离装置以避免所述PCM类型流体进入到所述抽取装置。 [0017] 优选地，根据本发明，所述隔离装置包括格栅或膜，所述格栅或膜不可渗透所述PCM类型流体并被放置成使得仅所述次级流体基本上位于对应的所述抽取装置内。 [0018] 优选地，根据本发明，所述隔离装置包括“S”路径以避免所述PCM类型流体进入所述抽取装置。 [0019] 仍然，根据本发明，所述抽取装置包括泵以传送所述次级流体到所述热交换器。 [0021] 优选地，根据本发明，所述主体内的所述次级流体的体积优选地为所述主体体积的5％到50％之间。 [0022] 优选地，根据本发明，所述次级流体的密度大于所述PCM类型流体的密度。 [0023] 优选地，根据本发明，所述次级流体是水。 [0024] 进一步地，根据本发明，用于存储制冷或者热能，当需要时释放能量的存储系统包括如上面描述的制冷或热能能量存储系统；制冷或热能单元，连接到所述热交换器，并被配置为当所述系统处于制冷或热能存储组态时，释放冷气或热量到主流体，使得所述冷气或热量随后在所述热交换器内通过所述主流体释放到所述次级流体，并进一步地随后在所述主体内的所述次级流体和所述PCM类型流体之间交换；用户，被连接到所述热交换器使得当所述系统在能量释放组态时，所述PCM类型流体与在所述主体内的所述次级流体交换冷气或热量，并随后所述次级流体释放所述冷气或热量到在所述热交换器内所述主流体，并进一步地随后所述主流体释放所述冷气或热量到所述用户；和阀门和泵系统，用于所述主流体循环，使得所述系统可以从制冷或热能能量存储组态转变为能量释放组态，反之亦然。 [0025] 仍然根据本发明，所述制冷或热能单元被连接到所述热交换器和所述用户，使得所述制冷或热能单元与所述主流体交换冷气或热量，并随后所述主流体与在所述热交换器内的所述次级流体和所述用户交换冷气或热量，且所述阀门和泵系统允许在制冷或热能能量存储模式下操作释放冷气或热量到在所述热交换器内的所述次级流体或所述用户或上述两者同时进行，及在制冷或热能能量释放模式下通过在所述热交换器内的所述次级流体或所述制冷或热能单元的部分或两者同时释放冷气或热能到所述主流体。 [0027] 图1展示根据本发明一个通过相变材料(PCM)方法的制冷能量存储系统实施例的透视图； [0028] 图2展示图1系统无盖主体及侧壁及绝缘材料的透视图； [0029] 图3展示图2主体的透视顶图； [0030] 图4a，4b和4c分别展示被容纳在图2的主体内部的热交换器第一透视图，所述热交换器的第二透视图和图4a所示热交换器的透视图详图； [0031] 图5示意性地展示一个避免PCM类型流体进入图2热交换器的整合系统实施例； [0032] 图6展示用于根据本发明的存储系统与制冷系统和用户整合的回路第一实施例框图；和 [0033] 图7展示用于根据本发明的存储系统与制冷系统和用户整合的回路第二实施例框图。 [0034] 现在参考图1，图2，图3，图4a，图4b和图4c，展示了根据本发明的制冷或热能存储系统的实施例，一般地以附图标记1表示。 [0035] 所述存储系统1包括一个用于对制冷能量(refrigeration energy)进行存储的罐2，一个次级回路3和一个被容纳在罐2内部的沐浴器或雾化器系统4。 [0036] 所述罐2可以是任意绝缘的，闭合的，适当千瓦时大小的主体，以被存储和配置为在其内容纳彼此不混溶并且具有不同密度的PCM类型流体和次级流体。特别地，所述主体优选地是圆柱形。 [0037] 所述流体的物理特性决定了所述流体在储存罐2内部的分层，从而可能从罐2的顶部或底部抽取次级流体，取决于后者的密度值。 [0038] 在下文中，将参考具有比PCM类型流体的密度更大密度的次级流体来进行存储系统1的描述，但是应当理解，区分系统1的元件不会根据所使用次级流体的类型而变化。 [0039] 在所示实施例中，所述PCM类型流体的凝固温度优选为等于5℃，同时在所述罐2内存在的体积率优选在5％和50％之间的所述次级流体具有低于所述PCM类型流体的凝固温度。 [0040] 所述次级回路3包括泵5，用于次级流体从罐2内向热交换器6及从该处到系统沐浴器或雾化器4的转移。 [0041] 所述热交换器6优选地包括双同心管的圆形线圈系统，并包含在所述罐2内且浸没在PCM类型流体内部。在所示实施例中，所述线圈系统由连接在一起以并联操作的两个相同的线圈组成。 [0042] 次级流体在所述热交换器6内的内侧管7循环，同时主流体在外侧管8逆流循环，通过主回路9的方式进入和离开制冷系统(这些图中未示出)。但是显然，这两类流体也可以并流循环。 [0043] 所述热交换器6的所述内侧管7通过管道10的系统被连接到管接头11，后者通过次级回路3被连接到罐2的管接头12；所述装置12，3，11和10允许次级流体从存储罐2流到热交换器6。所述内侧管7通过管道13的系统也连被接到管接头14，后者被通过回路15被连接到管接头16，通过管道17的系统被连接到沐浴器或雾化器系统4；所述装置13，14，15，16和17允许次级流体从热交换器6流到沐浴器或雾化器系统4。 [0044] 所述外侧管道8通过管道18的系统被连接到管接头19，并通过管道20的系统被连接到管接头21，通过主回路9被连接到所述管接头19；所述装置9，18，19，21和20允许主流体流入和流出热交换器6。 [0045] 沐浴器或雾化器系统4位于存储罐2的上部分，用于将来自热交换器6的次级流体液滴在表面上，然后在PCM类型流体内部均匀分布。 [0047] 所述热交换器6，所述沐浴器或雾化器系统4和所述隔离装置22由梁系统23所支撑。 [0048] 根据本发明，存储系统1的操作有从罐2底部抽取次级流体和通过泵5在次级回路3内，在热交换器6和回路15直到系统沐浴器和雾化器系统4内的所述流体的循环。 [0049] 在制冷能量在罐2内存储期间，次级流体在热交换器6内部吸收冷气，并在罐2的制冷能量释放阶段期间，从在所述热交换器6内循环的主流体释放的冷气回到主流体。在制冷能量在罐2的存储期间，主流体通过制冷系统冷却，而在来自罐2制冷能量的释放阶段期间，在被传输到最终用户之前，主流体通过次级流体流冷却。 [0050] 来自热交换器6的次级流体通过淋浴器或雾化器系统4被引入罐2内，这确保次级流体的液滴在PCM类型流体内部的均匀分布。次级流体的液滴沿着PCM类型流体头均匀地向下流动，在制冷能量存储在罐2期间，将制冷能量从次级流体最优地传送到PCM类型流体并在来自罐2中制冷能量释放阶段期间通过PCM类型流体到次级流体，以便分别获得液体PCM类型流体的固化和固体PCM类型流体的熔化。此外，由于PCM型流体固化产生分散在液体内部并与次级流体的液滴紧密接触的晶体，为改善混合并确保PCM类型流体通过大量小晶体的方式固化，次级流体可通过具有合适速度喷射器的方式被引入罐2内。 [0051] 在罐2中制冷能量的存储期间，因PCM型流体的凝固而允许在存储罐2中存储制冷能量，然后在来自罐2的制冷能量的释放阶段期间通过固体PCM类型流体的熔化释放。 [0052] 通过本发明所提供的方案，在制冷流体和次级PCM类型流体间传送的能量被最大化。所述流体之间的直接接触，它们的不同物理特性和淋浴器或雾化器系统实际上保证了良好的热交换效率和制冷能量的快速传送，因此同时在制冷能量的存储阶段和在制冷能量的释放阶段期间提高制冷能力。 [0053] 特别地，沐浴器或雾化器系统，通过生成均匀地向PCM类型流体头下流动的次级流体液滴，允许增加用于热交换的接触表面，和由于粘性力，确保处理PCM类型流体，从而改善能量传输系数。 [0054] 然而被限制在罐内的PCM类型流体，在相变条件下，特别是在能量存储期间，产生例如管道堵塞或泵破裂的操作问题。 [0055] 进一步地，存储罐存储和释放能量时间的减少允许使用根据本发明的储存系统来优化来自主供应或使用自生产能量的能量抽取周期。 [0056] 本发明的另一个实施例提供了在次级流体循环的管道内表面上涂覆涂层，避免了固体PCM类型流体的粘附。 [0057] 根据本发明的一个进一步实施例，存储罐2可以具有立方体形状，圆锥形状，截头圆锥体形状，平行六面体形状等和/或通过一个或多个上述形状的联合获得的复合形状。 [0058] 根据本发明的另一个实施例，具有粗糙表面的结构，例如细丝，格栅或网，浸没在PCM类型流体内部，以便促进和管理在制冷能量的存储期间第一PCM类型流体晶体的形成。 [0059] 本发明的一个进一步实施例包括超声系统或类似系统的使用，以便通过罐2在制冷能量存储期间促进第一PCM类型流体晶体的形成并因此减少最终的PCM类型流体的过冷效果。 [0060] 本发明的另一个实施例包括仅PCM类型流体和主流体的使用，从而避免次级回路的使用。在该组态中，主流体在存储阶段期间通过PCM类型流体头下降，并释放制冷能量，并且在释放阶段期间吸收制冷能量。 [0061] 根据本发明的一个进一步实施例，热交换器6可位于存储罐2的外部，以便增加罐2内可容纳的PCM类型流体的体积，和/或与双同心管道线圈系统相比可以使用不同的技术，例如管束交换器，盘交换器，水平或垂直交换器和衬衫交换器。 [0062] 本发明的另一个实施例提供与格栅不同的隔离装置，例如位于次级流体内部或表面，仅次级流体通过的选择性膜。 [0063] 根据本发明的另一个实施例(如图5所示)，为避免在泵5的操作之后次级回路3中PCM类型流体的流入，不是系统24延长次级流体进入泵5的吸入管25的路径，而是直接连接或通过管接头12到次级回路3。特别地，在所示实施例中，吸入管25提供垂直延伸部26，该垂直延伸部26由与其同轴并且具有较大直径的导管27保护，该导管27从上侧封闭，并且可能具有阀门28，如果必要，阀门28允许通过吸入进行抽吸。所述可选设备可以有用地用于液体PCM类型流体的密度小于次级流体的密度，而PCM类型固体PCM类型流体的密度高于所述次级流体的密度的情况。在这种情景下，隔离设备22可允许PCM类型流体的小直径固体颗粒通过。所述设备24的存在可以确保额外的隔离水平，避免沉积在底部上的固体PCM类型流体的颗粒堵塞吸入管25。 [0064] 本发明的另一个实施例提供了可移动的，连续和分立的淋浴器或雾化器系统的使用。 [0065] 现在参照图6，展示用于将根据本发明的冷藏系统1与功能上彼此平行布置的冰箱组30和用户31整合的回路29的第一实施例。 [0066] 所述回路29包括三向转向阀门32，在0％或100％模式下包括三向混合阀门33，用于移动主流体通过回路阀门29的泵34和三向转向阀门35。 [0067] 在下文中，将参考热交换器6对回路29进行描述，其中主流体和次级流体以逆流循环，但是应当理解，如果两种流体并流循环区分回路的元件不改变。 [0068] 在制冷能量的存储期间，所述阀门32允许主流体的流动，所述主流体在热交换器6内通过冰箱组30冷却，而在制冷能量释放阶段期间，所述阀门32允许流向用户31的主流体的流动，所述主流体通过在热交换器6内循环的次级流体冷却。 [0069] 如果在制冷能量的存储期间可提供从主流体到用户31或者次级流体的冷气传送，混合阀门33通过发送混合流体到泵34入口然后到冰箱组30的方式，允许混合来自热交换器6的主流体与来自用户31的主流体。相反，如果在制冷能量的存储期间仅可提供从冷却主流体到次级流体的冷气传送，所述混合阀门33仅允许从热交换器6到泵34入口然后到冰箱组 30的主流体循环。 [0070] 此外，在制冷能量的释放阶段期间，所述阀门33仅允许来自用户31到泵34入口的主流体循环。 [0071] 在制冷能量的存储期间，所述转向阀35能够使得，主流体的流通过阀门33离开热交换器6，然后通过泵34流向制冷组30，而在制冷能量释放阶段期间，允许来自用户31的主流体通过阀门33，然后通过泵34流向制冷组30和/或到热交换器6。 [0072] 根据本发明提供的回路29操作，在制冷能量存储期间，由制冷组30冷却的主流体可以冷却在热交换器6内循环的次级流体和/或提供用户31所需的制冷动力。然而在制冷能量释放阶段期间，用户31所需的制冷动力可由主流体通过制冷单元30和/或主流体通过在热交换器6内循环的次级流体冷却而提供。 [0073] 因此，根据本发明提出具有制冷系统的冷藏系统和用户的整合允许优化来自主体或使用自产生能量的能量抽取周期，减少负载峰值(峰值调整)。 [0074] 事实上，在峰值时段用户所需的冷气或部分冷气可由冷藏罐提供，并在非峰值时间段内预先加载，从而降低峰值功率并增加制冷机的COP。 [0075] 此外，在用于支撑制冷机而存在于回路29中的冷储罐允许降低制冷机的功率，结果是降低了制冷机的生产成本和价格。通过应用合适的能量流管理系统，可以通过向存储系统提供用户所需制冷能量峰值以恒定或接近恒定的功率以及在最优操作点(更大的COP)运行制冷机。 [0076] 参考图7，展示回路29的第二实施例，所述回路29用于整合根据本发明冷藏系统1与在功能上并联和串联布置的制冷组30和用户31。所述回路29包括两个泵36，37和6个二向阀门38，39，40，41，42和43。通过改变开放阀门和封闭阀门的组合，这可以同时在制冷能量的存储阶段和释放阶段期间，使得回路以串联或者并联组态操作。 [0077] 特别地，保持阀门40和41封闭及阀门43和42开放可获得并联能量存储操作，其可以通过调节阀门38和39的开放来管理。 [0078] 相反，保持阀门39和42封闭及阀门43和40开放可获得并联能量释放操作，其可以通过调节阀门38和41的开放来管理。 [0079] 保持阀门38，41和42封闭及阀门39，40和43开放可获得串联能量存储操作；而保持阀门39，40和43封闭及阀门38，41和42开放可获得串联能量释放操作。在串联组态中，主流体经历渐进的热能跳跃，从制冷组30传递到热交换器6再到达用户31，反之亦然。 |
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