CN101932898B - 改进的潜热储存设备 - Google Patents

Abstract

本发明的快速吸收和抽取的潜热储存设备包括用于在容纳容器(3)内容纳至少一个相变材料(2)的装置(1)，容纳容器形成支承结构外骨架。容纳装置(1)为杆或管的形式，它由包含PCM(2)的弹性体材料(4)来制造。换热流体(6)在杆(1)之间并沿该杆的长度流动。

Description

改进的潜热储存设备

技术领域

本发明涉及能快速吸收和抽取的、有效的热能储存装置。

背景技术

近年来，越来越需要储存能量，通常为电。通过本发明，目前能够有效地储存热能，该热能可以用于发电、冷却、加热或者用于在以后的任何目的。

已经有多种发明(例如WO8900670，Whitman)表示了利用相变材料(PCM)来储存热能的各种方法，但是它们都有基本问题。对于PCM的蜡变化(wax variety)，主要问题集中在它的较差热导率和相对较大的热膨胀系数。

对于共晶和水合盐类型的PCM，热导率明显更好，但是腐蚀可能成为主要问题。所有当前的PCM有膨胀和收缩的问题，这使得这些材料的保存极其困难，特别是当试图使用可能的最小的容积来快速和有效地使得热能进出PCM时。现有方法使用较大厚度的材料：由3.0mm厚度的不锈钢和厚塑料模件制造的100mm直径小球，它们中的大部分必须留有气隙，以便允许一些膨胀和使作用在容纳材料上的应力最小。

已经有使用不锈钢球和管容纳PCM的成功范例。不过，为了使得热能进出这些储存装置，它们必须非常大，或者有复杂的流体分配和控制系统，这样，可能要适应缓慢的吸收和抽取速率。还进行了在复杂换热器上包括导热环和精细翅片的一些尝试，特别是对于PCM的蜡变化。本发明即使在PCM并没有很好的热传导性时也明显提高了传热速率。

美国专利6889751(Lukas)表示了一种多边形结构，因为这公认为当使用管时将最大容积的材料装入已知空间内的最佳方式。不过，本发明并没有考虑使用的PCM的特性。即使管有翅片，使用小孔管来使传热流体通过和由PCM包围这些管并不是最有效地使用该空间。也可选择，将PCM放入管中可以是一种改进，但是管的端部必须密封，且允许热膨胀等。

发明内容

本发明的目的是增加在给定容积中的热能储存密度和有利于该能量的吸收和抽取速率。

本发明提供了根据附加权利要求的权利要求1的潜热储存设备。该潜热储存设备包含至少一种装入容纳装置中的相变材料(PCM)，并包括容纳容器，该容纳容器形成支承结构外骨架，以便对于容纳装置提供支承。容纳装置包括非常薄的弹性体材料，且壁厚比本领域以前预计的薄得多。薄壁能够非常有效地向PCM传热和由PCM传热。

薄弹性体材料可以形成任意形状的薄截面，并提供非常大的表面面积与容积比率，例如具有很多有侧边或圆形的腔室，并使得通过PCM的任意截面的距离足够小，以便快速熔化和凝固PCM。

在特别有利的形式中，容纳装置包括薄弹性体材料，该薄弹性体材料形成为连续管，填充有PCM，并在两端密封，然后沿它的长度折叠，以便占据在容纳容器内可用的最大量空间。该结构使得所需的密封量最小，并通过容纳装置而提供了使得容器内使用的空间量最大的非常有效的装置。

可选的优选形式包括通过较小腹板部分连接的管的阵列。该类型的阵列可以通过模制或挤出而形成，或者甚至可以利用3D印刷技术来制造。管可以在各端密封，并能够使得在容器内由管占据的空间量最大。

弹性体材料选择为具有尽可能薄的壁厚，以便在结构上保持PCM，同时对于向PCM传热和从PCM传热的影响最小。这使得本发明的设备能够有非常快的响应时间，并非常快地吸收和提供能量。另外，它甚至对于非常小的温度差别都有效。

在PCM填充的弹性体材料之间有很小的间隙，以便允许换热流体在所述材料之间通过，从而有利于热能的吸收和抽取。间隙形成小截面的流动槽道，从而使得换热流体流有效通过容器。

在容器内可以有多种不同结构的容纳装置和PCM。优选是，设备在一个容器内可以有多个不同PCM，这些PCM具有不同特性。设备在一个容器内还可以有多个不同隔腔，各隔腔有相同或不同的PCM。隔腔可以利用隔离面板或非隔离面板而形成。优选是，换热流体流被控制通过容器，且它可以依次被引导到不同隔腔。流体流可以被引导到设备的不同部分，以便适应不同时间的不同需要。

在可选结构中，设备在一个设备内可以有多个容器。

在本发明的优选实施例中，潜热储存设备的容器有密封盖。当设备密封时，气体或流体可以注入密封容器中，以便实现不同的大气或环境，例如减少氧的大气，以便有利于需要减少氧化的任何传热流体或其它材料。优选是，惰性气体可以是氮气或二氧化碳。

在本发明的另一优选实施例中，设备有将换热流体供给容器和从容器取出的装置，以便成为闭合回路，这样，无论供给任何流体都同时除去，以避免容器过量充装或排空。

在本发明的特别优选实施例中，弹性体容纳的PCM能够根据它的性质而膨胀和收缩。特别是，发生膨胀和收缩，最初离开容器并返回容器中，优选是离开容器的顶部并返回容器顶部。在PCM和(因此)容纳装置膨胀至容器顶部之后，容纳装置可以随后膨胀至换热槽道中，换热流体在该换热槽道中流动。该结构特别有利，它可以用于自动限制流体流动，因为膨胀用于逐渐限制在弹性体管之间的换热流体的流动。这提供了特别有用的安全机构，以便防止PCM、弹性体和/或使用的其它材料过热。

容器布置为在PCM熔化时提供用于弹性体PCM的外骨架结构整体性。当设备具有内部隔腔或分隔器时，它们也可以用于在PCM熔化时提供用于弹性体PCM的结构整体性。这使得容纳装置能够使用比先前实现的薄得多的壁厚。

在本发明的很多结构中，优选是容器由隔离件包围。这可以是任何合适的隔离材料，包括真空隔离件。另外，设备可以由装满水或其它合适流体的第二隔离罐来包围，这样，从内部容器逸出的任何热能都将被吸收，向周围大气的损失最小。

特定PCM的热导率可以通过向PCM添加非常少量的、非常细的合适的传导材料粉末来提高。当颗粒尺寸足够小时，它们将保持悬浮在PCM的主体中。它们也有通过由PCM的熔化引起的任何对流而进行连续重新分配的趋势。

本发明还提供了一种潜热储存设备，它包括容纳容器、至少一个相变材料(PCM)和至少一个PCM容纳装置，其中，至少一种非常细的纳米颗粒传导粉末添加给PCM，以便提高热能的传递。添加非常细的纳米颗粒传导粉末可以明显提高较差传导的PCM的性能。合适的示例包括但不局限于：碳和铝。浓度可以根据使用的材料而变化，但是通常为从0.5％至2％的任何值；更大浓度将适当地减少PCM容积量，并影响总体性能。这时可以利用不同组分的特性来组成新的复合材料，以便使得热容量和传热速率都最大。虽然可以改进当前技术规范要求的情况(这些材料具有随着时间而沉淀或分离的趋势)，本发明能够克服这些问题。

在本发明的另一可选形式中，容器可以由第二层不同的PCM填充弹性体材料来包围。优选但不必须，第二层PCM可以有比容器的PCM更低的相变温度。

如果本发明的潜热储存设备用于太阳能加热设备或其它设备，它可以布置成使得换热流体反馈温度低于其它情况下的温度，以便使得太阳能加热或其它设备的效率最高。

附图说明

下面将参考附图通过实例介绍本发明，附图中：

图1表示了本发明的潜热储存设备的示意剖视图。

图2表示了图1中所示的设备的拐角部的更详细视图。

图3表示了折叠成六个杆的连续圆形管形式的保存装置的示例。

图4表示了呈“在罐内的罐”形式的本发明实施例。

图5表示了本发明的一个实施例，其中，分离器可以用于引导换热流体流过PCM的不同隔腔。

图6表示了可选形状的保存装置，且在图6a中详细表示。

图7表示了还一可选形状的保存装置，且在图7a中详细表示。

图8表示了图3中所示类型的保存装置的可能包装结构。

具体实施方式

本发明的各种实施例克服了大部分或全部的前述问题。

如图1中所示，本发明的快速吸收和抽取潜热储存设备包括用于储存相变材料2的装置1，该装置1布置在容纳容器3中(在该实施例中没有表示用于该容纳容器的隔离装置)。容纳装置1为杆或管的形式，它由弹性体材料4制成，容纳PCM 2。换热流体6沿杆1的长度流动。PCM 2优选是可以添加有细的纳米颗粒传热粉末(例如碳或铝)，以便提高它的传导性。

容纳容器3表示为六边形，但是可以为任意形状，它使得用于圆形杆状的多个部件1的储存容量最大，但是该杆可以为任意形状，只要它们具有用于传导的足够细的截面，以便能够在可接受的时间范围内通过整个截面传热。为了适应膨胀和收缩，杆的外部表层由弹性材料4来制造，当PCM 2处于液相时，该弹性材料4利用紧邻的所有相邻杆来支承它们。杆1有较小直径，并很长。在本发明的特定实例中，管的外径为10.5mm，内径为10.0mm，这样，壁厚只有0.25mm。相反，例如WO95/16175介绍了HDPE的管，该管的外径为38mm，内径为32mm，因此壁厚为3.0mm。这样厚度的壁将限制在换热流体和管内的PCM之间可能进行的传热。进口/出口管13a使得换热流体能够供给容器3中和从容器3取出。

图2表示了容纳容器3的拐角部的详图。换热流体6通过在杆1之间的空间。在图1所示的结构中，可以使得大约90％的容积充满PCM 2。用于容纳PCM 2的管形弹性体材料4必须足够薄，以便并不占据太大容积，还将有效传导热能。初始样品显示，很多千瓦的热能可以在几分钟内储存和释放。

图3表示了本发明的容纳装置的优选实施例。容纳装置包括连续管7，该管7优选是圆形截面，折叠成六个杆1。其中，折叠在杆的顶部和底部进行，当PCM 2熔化时，该区域可以成形为提供圆杆状形状。

在一个特定实施例中，容纳装置1由标称长度为4500mm的一段管来制造。在该实例中，对于各组六个杆只需要两个密封件8。容纳装置1可以为任意所需长度，但是管的处理和强度将产生实际限制。

在本发明的一个实施例中，单个较小堆垛的杆1由具有大约30kg的水合盐PCM 2制成，该水合盐PCM 2的相变温度为58℃，换热流体6在超过100℃的温度下流速超过2升/分钟，包含在换热流体6中的所有热能被杆1吸收，且排出温度并不开始升高至室温以上，直到大约75％的PCM 2已经达到熔点。

图4表示了呈“在罐内的罐”形式的本发明实施例，其中，两种不同类型的PCM 2a、2b装于同一罐内，并由分离器9分离，在该实例中，该分离器9是内部挡块和外部挡块，其中，分离器9是合适的内部隔离装置，通常能够承受较高温度。类似的，也表示了外部隔离装置10。隔离装置可以由任意合适材料来制成，包括真空超级隔离装置。

图5表示了不同结构，其中，分离器11布置在容纳容器3内。分离器11可以用于引导换热流体6流过容器3的不同隔腔，所述容器3可以利用需要不同熔化温度的不同类型PCM 2。类似的，与图4相同，分离器可以由任意合适的隔离材料来制造。

在该结构中，管2可以有利地形成为管的挤出阵列，该管的挤出阵列在各相邻管之间通过薄腹板连接。在容纳容器3中的各部分有装在该部分内的阵列50。该阵列50可以通过模制或挤出或其它合适方式来形成。如图1中所示的单个隔腔的容器可以有单个阵列50，或者有两个或更多阵列的组合，以便填充容器。类似的，图5中所示的容器的各部分可以有一个或多个阵列，以便填充容器的多个部分。

也可以使用可选形状的杆，该杆为一片管的宽的扁平结构，这些管通过非常薄的腹板连接，或者为通过薄腹板部分连接的同心环形式的圆形管，如图6和7所示。关键结构是在换热流体暴露表面之间的PCM 2截面必须不会比保证快速熔化和凝固的厚度更厚。由于材料的薄截面，可以有用于传热的非常大的表面积，且发现共晶和水合盐材料能理想地用于构造的样品。它对于普通蜡也有效，但是截面必须更薄，除非添加细的纳米颗粒传导材料。在非圆形杆结构中，用于换热流体6流的槽道需要很小的分离器12，以便保证槽道保持打开，除非出现超温情况。类似的，当使用可选形状的杆时，整个材料块或组件的周边需要使得外部表面成形为换热流体能够在容纳容器3和弹性体容纳PCM 2的外部表层4之间流过。总体运动的换热流体6可以通过提供管或槽道13来提供，图1中表示了一个示例。

图6表示了具有矩形截面的杆。在这种情况下，所示截面有效，其中，图1中所示的圆形杆连接在一起。通过这种设计，实际上可以使得更多PCM进入任意给定容积，但是这将减少换热流体。因此，将有更高速度的流动，但是预计超过95％的容积将由PCM有效占据。

图7给出了不同形状的杆的另一示例。在该示例中，容器3为圆形，弹性体杆14为类似形状，并布置为通过较小腹板部分12连接的同心环，且换热流体6在层之间流动。通过这种类型的任意结构，通常需要保证装配的杆的非均匀周边，以便使得换热流体能够在容器和周边之间通过。在所示实施例中，这是成“波纹”形的外表面15形式，它可以在图7a中更详细看到。也可选择，通过改变容器的形状来适应流动路径，但是基本特征是杆仍然由容器支承和容纳，因为它用作主结构的外骨架。

本发明的附加特征是当目前使用的PCM膨胀时将自我调节。首先，它将主要垂直地膨胀，直到它到达容器的顶部，然后，它将膨胀至在弹性体容纳装置之间的空间中，然后，它开始限制通过杆堆垛的流体流。当换热流体的温度对于容纳的材料太高时，可以通过设计来完全切断流体流。以类似的方式，当使用可选形状的杆(非圆形)时，需要一些支承肋12来防止换热槽道在正常操作过程中塌缩。原则上，无论何种材料封入弹性体材料中，本发明都将有利于热能的最大速度注入和抽取。因此，通过平衡横过弹性体材料的压力，可以有开口端的管或槽道以及使用弹性体材料作为普通换热器。

图8表示了图3所示类型的多个管7的包装结构，各管折叠成六个杆1，并封闭包装在六边形容纳容器3中。单个进口/出口管13b使得换热流体6能够如所需那样流入和流出容器3。

初始样品已经使用在58℃和89℃下改变状态的PCM构造，但是基本原则将以任意温度产生作用。即使只有4℃的传热流体温度差(高于或低于相变温度)也将只在几分钟内影响有效传热。

在该实例中，容纳PCM 2的弹性体材料4布置成挤出管的形式，但是包围PCM的弹性薄膜可以喷射至PCM材料上，或者PCM材料可以浸入溶液中。还可以使用3D印刷技术来构造弹性体材料，这样，整个结构可以制成为一个单元，或者为较少单元的组件。

Claims (17)

1.一种潜热储存设备，其包括：

至少一个容纳容器，所述容纳容器形成支承结构外骨架；

至少一种相变材料(PCM)，在使用所述潜热储存设备的过程中，所述相变材料吸收和排出热量时能够膨胀和收缩；

用于容纳PCM的至少一个PCM容纳装置；以及

换热流体的进口装置和出口装置；

其中，所述至少一个PCM容纳装置布置在所述容纳容器中，使得在至少部分PCM容纳装置之间具有换热流体槽道，以便允许换热流体从换热流体的进口装置到出口装置在所述至少部分PCM容纳装置之间通过，从而便于从PCM容纳装置内的PCM吸收热能和抽取热能，当在使用所述潜热储存设备PCM处于熔化状态时，容纳容器对PCM容纳装置的弹性体壁提供支承结构外骨架；

所述至少一个PCM容纳装置的壁为弹性体材料，从而在使用所述潜热储存设备的过程中适应PCM材料的膨胀和收缩；

所述弹性体材料选择为具有尽可能薄的壁厚，以便在结构上保持PCM，同时通过提高的热导率而提供对到PCM的传热和从PCM传热的最小的影响；以及

所述至少一个PCM容纳装置形成任意形状的薄截面，从而使所述至少一个PCM容纳装置具有尽可能大的表面面积与容积的比率，并允许容纳在所述至少一个PCM容纳装置中的PCM材料快速膨胀和收缩。

2.根据权利要求1所述的潜热储存设备，其中：所述PCM容纳装置包括多个管，所述多个管具有圆形、多边形或其它形状截面，所述多个管中的每一个都包含PCM材料，在所述多个管之间设置多个换热流体槽道。

3.根据权利要求1或2所述的潜热储存设备，其中：PCM的膨胀和收缩使得PCM容纳装置的弹性体材料首先膨胀到容器的顶部和收缩成离开容器的顶部，随后在换热流体槽道中膨胀和收缩，换热流体在所述换热流体槽道中流动。

4.根据权利要求3所述的潜热储存设备，其中：膨胀用于逐渐限制换热流体的流动，由此提供安全机构，从而防止PCM、弹性体和使用的其它材料过热。

5.根据权利要求2所述的潜热储存设备，其中：在使用所述潜热储存设备的过程中，所述PCM容纳装置的弹性体材料制成的壁随着PCM的膨胀和收缩而膨胀和收缩使得在PCM处于液相时所述多个管相互支承。

6.根据权利要求1所述的潜热储存设备，其中：所述PCM容纳装置包括弹性体材料制成的至少一个连续管，所述连续管充满PCM，并在两端密封，所述PCM容纳装置沿它的长度折叠，以便形成一系列的连接部分，并位于容纳容器内。

7.根据权利要求1所述的潜热储存设备，其中：所述PCM容纳装置包括通过腹板部分连接的管的阵列，所述管充满PCM，并在两端密封。

8.根据权利要求1所述的潜热储存设备，其中：所述PCM容纳装置包括通过腹板部分连接的同心环的阵列，以便使得所述换热流体能够在所述同心环之间流过，所述同心环充满PCM，并在两端密封，且用于换热流体槽道位于各同心环之间。

9.根据权利要求8所述的潜热储存设备，其中：邻近所述容纳容器的壁的最外侧环包括波纹形槽道的结构，以便使得所述换热流体能够在最外侧环的外表面和容纳容器的壁之间流动。

10.根据权利要求1所述的潜热储存设备，其中：将合适导热材料的非常少量的纳米颗粒粉末添加到PCM中，以便提高热导率。

11.根据权利要求1所述的潜热储存设备，其中：所述潜热储存设备具有在不同的PCM容纳装置中的多种不同的PCM，所述PCM具有不同特性，所述PCM容纳装置在至少一个容纳容器中。

12.根据权利要求1所述的潜热储存设备，其中：所述潜热储存设备具有在至少一个容纳容器中的多个不同隔腔和用于控制换热流体流动的装置，使得换热流体能够被引导到潜热储存设备的不同隔腔和不同部分，以便适应不同时间的不同需要。

13.根据权利要求12所述的潜热储存设备，其中：一旦在使用所述潜热储存设备时PCM材料熔化，所述隔腔就提供用于PCM容纳装置的弹性体材料的结构整体性。

14.根据权利要求1所述的潜热储存设备，其中：形成支承结构外骨架的容纳容器被密封，并且在密封的容器中具有流体，以便实现不同的大气。

15.根据权利要求14所述的潜热储存设备，其中：所述流体为气体。

16.根据权利要求15所述的潜热储存设备，其中：所述气体是氮气或二氧化碳。

17.根据权利要求1所述的潜热储存设备，其中：所述容纳容器由第二隔离层包围，所述第二隔离层包括相变温度比容纳容器中的PCM低的PCM或水，使得从内部容器逸出的任何热能将被吸收，且向周围大气的损失最小。

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