通過相變材料的製冷或熱能能量存儲系統的製作方法

2023-06-12 12:48:46 2

本發明涉及一種利用相變材料(pcm)的製冷或熱能能量存儲系統，特別是用於空氣調節或家庭、工作、商店等環境的加熱。

更特別地，本發明涉及一種在從儲罐系統存儲和釋放能量的階段允許在pcm型材料與製冷或加熱流體之間最大限度地傳遞製冷或熱能的系統，因此增加了冷卻或加熱存儲系統的潛在應用，並優化了從供應主體抽取能量或使用自產能量的周期。

在工業應用中，已知如何通過冰水罐完成冷藏，所述冰水罐利用水的凝固過程儲存冷氣和冰的液化過程釋放冷氣。這類系統與非標準冰箱集成，其中一個水和乙二醇溶液在低於0℃的溫度下循環的方案，為了冷卻制冷機的主迴路的水，因而允許水在存儲罐內凝固。但是，工作溫度低於0℃，限制了所述冰水系統在非工業領域內的使用，特別是空調環境。此外，非標準冰箱的使用導致性能係數(cop)的降低和制冷機的成本增加。

同樣已知的是，為克服在工業領域內可用的現有技術限制，使用諸如已知為相變材料(pcm)的特殊共晶合金材料，其具有高於0℃並且取決於合金的組成的恆定相變溫度。在文獻中，許多已知的pcm類型的材料的特徵是具有一定程度的毒性，可燃性和由於自身的相變溫度和低的平均固相熱導率而過冷。

在常規的熱交換系統中，例如管束和殼交換器(殼和管)，其中pcm類型的流體被儲存在殼內並且交換流體被送入管中，在儲存系統罐內部，直接在交換表面上的pcm類型流體固相形成包括通過傳導而不是通過對流傳送製冷能量，結果減慢罐的充能時間。

目前，在能量存儲期間，可用於避免pcm類型材料的罐導熱性降低而提出的兩種解決方案是液體pcm類型材料的微膠囊化和相變漿料(pcs)的使用。

液體pcm材料的微囊化將pcm材料引入適當形狀的囊內，浸入在存儲罐內的主體水的內部，從而增加pcm材料和水之間的接觸表面，以允許改進熱能交換。但是，這個方案存在幾個問題，例如由於存儲罐的能量體積密度減小、包裝問題和膠囊的存在而沒有充分的充能時間、高成本和過度龐大的系統。

相反，由於pcm類型材料的液滴或微膠囊在液體載體中的分散，pcs允許改善製冷pcm類型材料和液體載體之間的能量傳送動力學，並確保附加存儲部件由連續相的顯熱構成。但是，pcs由於待處理流體的高粘度和降低能量密度存儲而具有應用問題。

因此，當前可用的使用pcm類型材料的冷藏系統有兩個限制其潛在應用的主要問題：系統的填充/釋放能量不充分和體積密度存儲不令人滿意。

甚至目前可用的使用石蠟的熱存儲系統也存在與使用上述pcm類型材料的冷藏系統的相同問題，即系統的填充/釋放熱能功率不足以及體積密度存儲不令人滿意。

鑑於上述情況，本發明實現了一種使用相變材料(pcm)製冷或熱能能量存儲系統以克服上述缺陷。

根據本發明，這些結果通過使用pcm類型材料的製冷或熱能能量存儲系統獲得，使得製冷或熱能能量的傳送最大化，確保pcm類型流體和在次級閉合迴路內流動的流體流之間的緊密接觸並由熱交換器冷卻或加熱。

us2996894是申請人已知的關於本專利申請的解決方案主題最相關的現有在先技術文獻。

因此，本發明的具體對象的是一種用於存儲製冷或熱能，當用戶需要時釋放能量的製冷或熱能能量儲存系統，包括主體，封閉且絕緣，所述主體被配置為在其內部容納兩類流體，分別為相變材料(pcm)類型流體和次級流體，所述兩類流體相互間不混溶並具有不同的密度，使得在所述主體內分層；抽取裝置，被配置為從所述主體抽取所述次級流體，並在熱交換器內傳送所述次級流體，所述熱交換器被配置為與所述次級流體交換冷氣或熱量(frigories,orcalories)；和分配裝置，被配置為從所述熱交換器抽取所述次級流體，並在所述主體內分配所述次級流體到所述pcm類型流體內，使得所述次級流體與被吸收到所述熱交換器的所述pcm類型流體交換冷氣或熱量，所述次級流體具有的凝固溫度基本上低於所述pcm類型流體，所述熱交換器被包含在所述主體內，並在所述次級流體和主流體間交換冷氣或熱量，所述熱交換器包括第一管道和第二管道，所述第一管道分別連接其端部到所述抽取裝置和所述分配裝置，以用於所述次級流體的循環，所述第二管道與所述第一管道同心，被配置為連接到所述主體外部的迴路，以用於所述主流體的循環。

優選地，所述抽出裝置被放置成至少部分在所述主體部分的上部或下部，取決於所述次級流體的密度值，且所述分配裝置以與所述抽取裝置相反的放置方式，至少部分地放置在所述主體部分的上部或下部。

仍然根據本發明，所述主體的所述內部包括隔離裝置以避免所述pcm類型流體進入到所述抽取裝置。

優選地，根據本發明，所述隔離裝置包括格柵或膜，所述格柵或膜不可滲透所述pcm類型流體並被放置成使得僅所述次級流體基本上位於對應的所述抽取裝置內。

優選地，根據本發明，所述隔離裝置包括「s」路徑以避免所述pcm類型流體進入所述抽取裝置。

仍然，根據本發明，所述抽取裝置包括泵以傳送所述次級流體到所述熱交換器。

優選地，根據本發明，所述分配裝置包括沐浴器噴頭和/或霧化器和/或液壓渦流以在所述主體內分配所述次級流體到所述pcm類型流體。

優選地，根據本發明，所述主體內的所述次級流體的體積優選地為所述主體體積的5％到50％之間。

優選地，根據本發明，所述次級流體的密度大於所述pcm類型流體的密度。

優選地，根據本發明，所述次級流體是水。

進一步地，根據本發明，用於存儲製冷或者熱能，當需要時釋放能量的存儲系統包括如上面描述的製冷或熱能能量存儲系統；製冷或熱能單元，連接到所述熱交換器，並被配置為當所述系統處於製冷或熱能存儲組態時，釋放冷氣或熱量到主流體，使得所述冷氣或熱量隨後在所述熱交換器內通過所述主流體釋放到所述次級流體，並進一步地隨後在所述主體內的所述次級流體和所述pcm類型流體之間交換；用戶，被連接到所述熱交換器使得當所述系統在能量釋放組態時，所述pcm類型流體與在所述主體內的所述次級流體交換冷氣或熱量，並隨後所述次級流體釋放所述冷氣或熱量到在所述熱交換器內所述主流體，並進一步地隨後所述主流體釋放所述冷氣或熱量到所述用戶；和閥門和泵系統，用於所述主流體循環，使得所述系統可以從製冷或熱能能量存儲組態轉變為能量釋放組態，反之亦然。

仍然根據本發明，所述製冷或熱能單元被連接到所述熱交換器和所述用戶，使得所述製冷或熱能單元與所述主流體交換冷氣或熱量，並隨後所述主流體與在所述熱交換器內的所述次級流體和所述用戶交換冷氣或熱量，且所述閥門和泵系統允許在製冷或熱能能量存儲模式下操作釋放冷氣或熱量到在所述熱交換器內的所述次級流體或所述用戶或上述兩者同時進行，及在製冷或熱能能量釋放模式下通過在所述熱交換器內的所述次級流體或所述製冷或熱能單元的部分或兩者同時釋放冷氣或熱能到所述主流體。

現在將參考附圖的圖示以說明而非限制的目的描述本發明，其中：

圖1展示根據本發明一個通過相變材料(pcm)方法的製冷能量存儲系統實施例的透視圖；

圖2展示圖1系統無蓋主體及側壁及絕緣材料的透視圖；

圖3展示圖2主體的透視頂圖；

圖4a，4b和4c分別展示被容納在圖2的主體內部的熱交換器第一透視圖，所述熱交換器的第二透視圖和圖4a所示熱交換器的透視圖詳圖；

圖5示意性地展示一個避免pcm類型流體進入圖2熱交換器的整合系統實施例；

圖6展示用於根據本發明的存儲系統與製冷系統和用戶整合的迴路第一實施例框圖；和

圖7展示用於根據本發明的存儲系統與製冷系統和用戶整合的迴路第二實施例框圖。

現在參考圖1，圖2，圖3，圖4a，圖4b和圖4c，展示了根據本發明的製冷或熱能存儲系統的實施例，一般地以附圖標記1表示。

所述存儲系統1包括一個用於對製冷能量(refrigerationenergy)進行存儲的罐2，一個次級迴路3和一個被容納在罐2內部的沐浴器或霧化器系統4。

所述罐2可以是任意絕緣的，閉合的，適當千瓦時大小的主體，以被存儲和配置為在其內容納彼此不混溶並且具有不同密度的pcm類型流體和次級流體。特別地，所述主體優選地是圓柱形。

所述流體的物理特性決定了所述流體在儲存罐2內部的分層，從而可能從罐2的頂部或底部抽取次級流體，取決於後者的密度值。

在下文中，將參考具有比pcm類型流體的密度更大密度的次級流體來進行存儲系統1的描述，但是應當理解，區分系統1的元件不會根據所使用次級流體的類型而變化。

在所示實施例中，所述pcm類型流體的凝固溫度優選為等於5℃，同時在所述罐2內存在的體積率優選在5％和50％之間的所述次級流體具有低於所述pcm類型流體的凝固溫度。

所述次級迴路3包括泵5，用於次級流體從罐2內向熱交換器6及從該處到系統沐浴器或霧化器4的轉移。

所述熱交換器6優選地包括雙同心管的圓形線圈系統，並包含在所述罐2內且浸沒在pcm類型流體內部。在所示實施例中，所述線圈系統由連接在一起以並聯操作的兩個相同的線圈組成。

次級流體在所述熱交換器6內的內側管7循環，同時主流體在外側管8逆流循環，通過主迴路9的方式進入和離開製冷系統(這些圖中未示出)。但是顯然，這兩類流體也可以並流循環。

所述熱交換器6的所述內側管7通過管道10的系統被連接到管接頭11，後者通過次級迴路3被連接到罐2的管接頭12；所述裝置12，3，11和10允許次級流體從存儲罐2流到熱交換器6。所述內側管7通過管道13的系統也連被接到管接頭14，後者被通過迴路15被連接到管接頭16，通過管道17的系統被連接到沐浴器或霧化器系統4；所述裝置13，14，15，16和17允許次級流體從熱交換器6流到沐浴器或霧化器系統4。

所述外側管道8通過管道18的系統被連接到管接頭19，並通過管道20的系統被連接到管接頭21，通過主迴路9被連接到所述管接頭19；所述裝置9，18，19，21和20允許主流體流入和流出熱交換器6。

沐浴器或霧化器系統4位於存儲罐2的上部分，用於將來自熱交換器6的次級流體液滴在表面上，然後在pcm類型流體內部均勻分布。

隔離裝置22被包含在罐2的內部，以避免在次級迴路3中的pcm類型流體釋放。特別地，所述隔離裝置包括格柵，其設置為使得僅所述次級流體基本上與噴嘴12相對應地存在。

所述熱交換器6，所述沐浴器或霧化器系統4和所述隔離裝置22由梁系統23所支撐。

根據本發明，存儲系統1的操作有從罐2底部抽取次級流體和通過泵5在次級迴路3內，在熱交換器6和迴路15直到系統沐浴器和霧化器系統4內的所述流體的循環。

在製冷能量在罐2內存儲期間，次級流體在熱交換器6內部吸收冷氣，並在罐2的製冷能量釋放階段期間，從在所述熱交換器6內循環的主流體釋放的冷氣回到主流體。在製冷能量在罐2的存儲期間，主流體通過製冷系統冷卻，而在來自罐2製冷能量的釋放階段期間，在被傳輸到最終用戶之前，主流體通過次級流體流冷卻。

來自熱交換器6的次級流體通過淋浴器或霧化器系統4被引入罐2內，這確保次級流體的液滴在pcm類型流體內部的均勻分布。次級流體的液滴沿著pcm類型流體頭均勻地向下流動，在製冷能量存儲在罐2期間，將製冷能量從次級流體最優地傳送到pcm類型流體並在來自罐2中製冷能量釋放階段期間通過pcm類型流體到次級流體，以便分別獲得液體pcm類型流體的固化和固體pcm類型流體的熔化。此外，由於pcm型流體固化產生分散在液體內部並與次級流體的液滴緊密接觸的晶體，為改善混合併確保pcm類型流體通過大量小晶體的方式固化，次級流體可通過具有合適速度噴射器的方式被引入罐2內。

在罐2中製冷能量的存儲期間，因pcm型流體的凝固而允許在存儲罐2中存儲製冷能量，然後在來自罐2的製冷能量的釋放階段期間通過固體pcm類型流體的熔化釋放。

通過本發明所提供的方案，在製冷流體和次級pcm類型流體間傳送的能量被最大化。所述流體之間的直接接觸，它們的不同物理特性和淋浴器或霧化器系統實際上保證了良好的熱交換效率和製冷能量的快速傳送，因此同時在製冷能量的存儲階段和在製冷能量的釋放階段期間提高製冷能力。

特別地，沐浴器或霧化器系統，通過生成均勻地向pcm類型流體頭下流動的次級流體液滴，允許增加用於熱交換的接觸表面，和由於粘性力，確保處理pcm類型流體，從而改善能量傳輸係數。

然而被限制在罐內的pcm類型流體，在相變條件下，特別是在能量存儲期間，產生例如管道堵塞或泵破裂的操作問題。

進一步地，存儲罐存儲和釋放能量時間的減少允許使用根據本發明的儲存系統來優化來自主供應或使用自生產能量的能量抽取周期。

本發明的另一個實施例提供了在次級流體循環的管道內表面上塗覆塗層，避免了固體pcm類型流體的粘附。

根據本發明的一個進一步實施例，存儲罐2可以具有立方體形狀，圓錐形狀，截頭圓錐體形狀，平行六面體形狀等和/或通過一個或多個上述形狀的聯合獲得的複合形狀。

根據本發明的另一個實施例，具有粗糙表面的結構，例如細絲，格柵或網，浸沒在pcm類型流體內部，以便促進和管理在製冷能量的存儲期間第一pcm類型流體晶體的形成。

本發明的一個進一步實施例包括超聲系統或類似系統的使用，以便通過罐2在製冷能量存儲期間促進第一pcm類型流體晶體的形成並因此減少最終的pcm類型流體的過冷效果。

本發明的另一個實施例包括僅pcm類型流體和主流體的使用，從而避免次級迴路的使用。在該組態中，主流體在存儲階段期間通過pcm類型流體頭下降，並釋放製冷能量，並且在釋放階段期間吸收製冷能量。

根據本發明的一個進一步實施例，熱交換器6可位於存儲罐2的外部，以便增加罐2內可容納的pcm類型流體的體積，和/或與雙同心管道線圈系統相比可以使用不同的技術，例如管束交換器，盤交換器，水平或垂直交換器和襯衫交換器。

本發明的另一個實施例提供與格柵不同的隔離裝置，例如位於次級流體內部或表面，僅次級流體通過的選擇性膜。

根據本發明的另一個實施例(如圖5所示)，為避免在泵5的操作之後次級迴路3中pcm類型流體的流入，不是系統24延長次級流體進入泵5的吸入管25的路徑，而是直接連接或通過管接頭12到次級迴路3。特別地，在所示實施例中，吸入管25提供垂直延伸部26，該垂直延伸部26由與其同軸並且具有較大直徑的導管27保護，該導管27從上側封閉，並且可能具有閥門28，如果必要，閥門28允許通過吸入進行抽吸。所述可選設備可以有用地用於液體pcm類型流體的密度小於次級流體的密度，而pcm類型固體pcm類型流體的密度高於所述次級流體的密度的情況。在這種情景下，隔離設備22可允許pcm類型流體的小直徑固體顆粒通過。所述設備24的存在可以確保額外的隔離水平，避免沉積在底部上的固體pcm類型流體的顆粒堵塞吸入管25。

本發明的另一個實施例提供了可移動的，連續和分立的淋浴器或霧化器系統的使用。

現在參照圖6，展示用於將根據本發明的冷藏系統1與功能上彼此平行布置的冰箱組30和用戶31整合的迴路29的第一實施例。

所述迴路29包括三向轉向閥門32，在0％或100％模式下包括三向混合閥門33，用於移動主流體通過迴路閥門29的泵34和三向轉向閥門35。

在下文中，將參考熱交換器6對迴路29進行描述，其中主流體和次級流體以逆流循環，但是應當理解，如果兩種流體並流循環區分迴路的元件不改變。

在製冷能量的存儲期間，所述閥門32允許主流體的流動，所述主流體在熱交換器6內通過冰箱組30冷卻，而在製冷能量釋放階段期間，所述閥門32允許流向用戶31的主流體的流動，所述主流體通過在熱交換器6內循環的次級流體冷卻。

如果在製冷能量的存儲期間可提供從主流體到用戶31或者次級流體的冷氣傳送，混合閥門33通過發送混合流體到泵34入口然後到冰箱組30的方式，允許混合來自熱交換器6的主流體與來自用戶31的主流體。相反，如果在製冷能量的存儲期間僅可提供從冷卻主流體到次級流體的冷氣傳送，所述混合閥門33僅允許從熱交換器6到泵34入口然後到冰箱組30的主流體循環。

此外，在製冷能量的釋放階段期間，所述閥門33僅允許來自用戶31到泵34入口的主流體循環。

在製冷能量的存儲期間，所述轉向閥35能夠使得，主流體的流通過閥門33離開熱交換器6，然後通過泵34流向製冷組30，而在製冷能量釋放階段期間，允許來自用戶31的主流體通過閥門33，然後通過泵34流向製冷組30和/或到熱交換器6。

根據本發明提供的迴路29操作，在製冷能量存儲期間，由製冷組30冷卻的主流體可以冷卻在熱交換器6內循環的次級流體和/或提供用戶31所需的製冷動力。然而在製冷能量釋放階段期間，用戶31所需的製冷動力可由主流體通過製冷單元30和/或主流體通過在熱交換器6內循環的次級流體冷卻而提供。

因此，根據本發明提出具有製冷系統的冷藏系統和用戶的整合允許優化來自主體或使用自產生能量的能量抽取周期，減少負載峰值(峰值調整)。

事實上，在峰值時段用戶所需的冷氣或部分冷氣可由冷藏罐提供，並在非峰值時間段內預先加載，從而降低峰值功率並增加制冷機的cop。

此外，在用於支撐制冷機而存在於迴路29中的冷儲罐允許降低制冷機的功率，結果是降低了制冷機的生產成本和價格。通過應用合適的能量流管理系統，可以通過向存儲系統提供用戶所需製冷能量峰值以恆定或接近恆定的功率以及在最優操作點(更大的cop)運行制冷機。

參考圖7，展示迴路29的第二實施例，所述迴路29用於整合根據本發明冷藏系統1與在功能上並聯和串聯布置的製冷組30和用戶31。所述迴路29包括兩個泵36，37和6個二向閥門38，39，40，41，42和43。通過改變開放閥門和封閉閥門的組合，這可以同時在製冷能量的存儲階段和釋放階段期間，使得迴路以串聯或者並聯組態操作。

特別地，保持閥門40和41封閉及閥門43和42開放可獲得並聯能量存儲操作，其可以通過調節閥門38和39的開放來管理。

相反，保持閥門39和42封閉及閥門43和40開放可獲得並聯能量釋放操作，其可以通過調節閥門38和41的開放來管理。

保持閥門38，41和42封閉及閥門39，40和43開放可獲得串聯能量存儲操作；而保持閥門39，40和43封閉及閥門38，41和42開放可獲得串聯能量釋放操作。在串聯組態中，主流體經歷漸進的熱能跳躍，從製冷組30傳遞到熱交換器6再到達用戶31，反之亦然。

本發明已經根據其優選實施例進行了說明而不是限制性目的描述，但是應當理解，本領域技術人員可能進行的各種變化和/或修改沒有脫離由所附權利要求所限定保護範圍。