CN102803889B - 利用相变材料蓄热和放热的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用相变材料蓄热和放热的方法，其中在蓄热过程中，在吸热情况下，在第一换热器(4)中的、包含相变材料的蓄热介质中获得相变，以便作为潜热在蓄热介质中蓄热，并且在放热过程中，在第一换热器或另一个换热器(2)中在放热情况下在蓄热介质内获得相变。重要的是，作为蓄热介质至少主要使用未包封的相变材料，在蓄热过程中蓄热介质以流体流或颗粒流的形式被供给第一换热器(4)并且蓄热介质在完成相变后被送走，而且在放热过程中，蓄热介质以流体流形式被供给第一换热器或另一个换热器(2)并且蓄热介质在完成相变后以流体流或颗粒流的形式从换热器被送走，蓄热介质在蓄热过程后暂时存放在第一蓄槽(1)中和/或在放热过程后暂时存放在第一蓄槽或另一个蓄槽(3)中，并且在蓄热过程和/或在放热过程中，在相变的同时进行蓄热介质的主动输送和换热。本发明还涉及一种利用相变材料蓄热和放热的装置。

Description

利用相变材料蓄热和放热的方法和装置

技术领域

本发明涉及一种利用相变材料蓄热和放热的方法以及一种利用相变材料蓄热和放热的装置。

背景技术

对于许多技术应用而言，蓄热是必需的或有利的。这例如涉及太阳能电厂中的可再生能量的利用和周期性工艺过程，在此，通过一个周期的余热蓄积所获得的效率得到提高，以用于下一个周期里。

蓄热器尤其适用于高效蓄热或蓄冷，蓄热器包含作为蓄热介质的相变材料(PhasechangeMaterial,PCM)。这样的潜热蓄热器与其它蓄热器相比有以下优点：可以在较窄的温度范围内蓄积大量热量。与传统的显热蓄热器相比，可利用潜热蓄热器实现在工作温度尽量恒定情况下的高能量密度。因此，与利用显热的传统蓄热器相比，在典型的潜热蓄热器中，通过在蓄热介质相变时的10K温度变化获得10倍至20倍的更高蓄热密度。由此，可以减小所需要的蓄热材料量和相应的装置和容器的结构尺寸。

使用相变材料时的问题尤其是一般常用的有机蓄热介质或无机蓄热介质的导热能力比较差(一般是0.5-1W/(mK))。由此，当在技术上实现潜热蓄热时，出现了在蓄热介质和换热所用的载热流体之间的热量传送不足的问题。不仅像在其它蓄热器系统中那样要克服从载热流体(或许经换热面)至蓄热介质本身的传热阻力，而且还要克服在蓄热介质的蓄热体积内的较高的传热阻力，以便利用整个蓄热体积。

因此，用相变材料如此改善热量输送是已知的，相变材料以微包封形态位于载流体里。在此情况下，石蜡一般被用作相变材料，它以具有有机材料裹皮的包封形态存在于水中。在这里，出现了微包封结构制造复杂的缺点。另外，因使用石蜡和有机材料，所以，只能在低于100℃情况下使用这种潜热蓄热器。即使做到了耐热包封，也没有提供合适的载送介质，因为当时可用的传热介质因压力太高而排除了水；并且因预期与包封的盐和熔融盐剧烈反应而排除了热油，这是因为随之不再需要包封。

在其它的已知装置中，相变材料是位置不动的。此时已知的是，相变材料被封裹在小钢管内，小钢管被载热流体环流以便换热。也已知，由相变材料和导热性比相变材料更强的材料构成复合材料，以形成潜热蓄热器，例如US2004/0084658A1所述的那样。此外还已知，换热时的传热面积通过由与相变材料接触的、由高导热性材料构成的翅片来增大。例如根据EP1816176A2已知用石墨膜来改善热传递性或传热性。

在这些具有位置不动的相变材料的已知装置中被证明不利的是，因为常用的相变材料有腐蚀性，所以，需要大量的昂贵材料例如不锈钢来构造换热器，结果，出现高昂的成本。

发明内容

因此，本发明基于以下任务，提供一种利用相变材料蓄热和放热的方法和这样的装置，它们与现有技术相比不太复杂，因而可以成本低廉地实现。另外，本发明方法和本发明装置应当可以被用在较宽的温度范围内，尤其用在与许多应用相关的100℃至300℃或更高的换热温度范围内。

该任务将通过一种利用相变材料蓄热和放热的方法以及一种利用相变材料蓄热和放热的装置来完成。

在所述利用相变材料蓄热和放热的方法中，在蓄热过程中，在吸热情况下，在第一换热器中，获得包含相变材料的蓄热介质的相变，以便作为潜热在蓄热介质中蓄热，并且

在放热过程中，在所述第一换热器中在放热情况下在所述蓄热介质中获得相变，并且

作为蓄热介质，至少主要使用未包封的相变材料，

其中，在蓄热过程中，所述蓄热介质以流体流或者颗粒流形式被供给所述第一换热器，并且所述蓄热介质在完成相变后被送走，

在放热过程中，所述蓄热介质以流体流形式被供给所述第一换热器，并且所述蓄热介质在完成相变后以流体流或颗粒流形式从所述第一换热器被送走，

所述蓄热介质在蓄热过程后暂时存放在第一蓄槽中和/或在放热过程后暂时存放在第一蓄槽或另一个蓄槽中，

在蓄热过程中和/或在放热过程中，在相变的同时进行所述蓄热介质的主动输送和换热，并且

所述第一换热器具有用于输送蓄热介质的输送机构。

所述利用相变材料蓄热和放热的装置包括含有相变材料的蓄热介质和至少一个第一换热器，其中，所述装置被构造用于，在释放出蓄热介质潜热的情况下，通过在第一换热器内的相变来实现放热过程；并且所述装置被构造用于，在蓄热介质内作为潜热蓄热的情况下，通过在所述第一换热器内的相变来实现蓄热过程，

所述蓄热介质至少主要由未包封的相变材料构成，

其中，如此构成所述装置，即，在蓄热过程中，所述蓄热介质能以流体流或颗粒流形式被供给第一换热器，并且所述蓄热介质在完成相变后被送走，

在放热过程中，所述蓄热介质能以流体流形式被供给第一换热器，并且所述蓄热介质在完成相变后能以流体流或颗粒流形式从所述换热器被送走，

至少所述换热器具有用于输送蓄热介质的输送机构，并且所述至少一个换热器是如此构成的，即，在相变的同时能够进行蓄热介质的主动输送和换热，并且

所述装置包括至少一个蓄槽，用于在从第一换热器送出后容纳所述蓄热介质。

本发明基于发明人的以下认识，在已知的方法和装置中，需要成本密集和/或限制温度范围地生产蓄热介质，和/或在蓄热能力和换热所需面积以及换热器的复杂性和尺寸之间存在直接关联。这些缺点在本发明方法和本发明装置中如此得以避免，即实现了利用蓄热介质进行换热和蓄热介质存放之间的空间分隔，这是如此做到的，使用呈未包封形态的相变材料。

在本发明方法中，在蓄热过程(也称蓄积过程)中，在吸热情况下，在一个换热器中的、包含相变材料的蓄热介质中获得相变，以便作为潜热在蓄热介质中蓄热。在放热过程中，在一个换热器中在放热情况下在蓄热介质中获得相变。

重要的是，作为蓄热介质至少主要使用未包封的相变材料。而且，在本发明方法和本发明装置中，进行将蓄热介质供给换热器并在完成相变后排出蓄热介质，从而在蓄热介质的存放和换热地点之间存在局部分隔。

在此情况下，在蓄热过程中，蓄热介质以流体流或颗粒流形式被供给第一换热器并且蓄热介质在完成相变后以流体流形式从换热器被排出。在放热过程中，蓄热介质以流体流形式被供给第一换热器或另一个换热器并且蓄热介质在完成相变后以流体流或颗粒流形式从该换热器被送走。术语“流体”在这里和在下文中包括液态物质和/或气态物质和/或由气态和液态构成的混合物。

根据本发明的、利用相变材料蓄热和放热的装置具有包含相变材料的蓄热介质。而且，本发明装置包括至少一个第一换热器并被构造用于释放出蓄热介质潜热的情况下，通过在第一换热器内的相变来实现放热过程；以及在蓄热介质内作为潜热蓄热的情况下，通过在第一换热器或另一个换热器内的相变来实现蓄热过程。重要的是，蓄热介质至少主要由未包封的相变材料构成，从而在放热过程中，蓄热介质能以流体流形式被供给第一换热器并且蓄热介质在相变完成后能以流体流或颗粒流形式从换热器中被送走，以及在蓄热过程中，蓄热介质能以流体流或颗粒流形式被供给第一换热器或另一个换热器并且蓄热介质在相变完成后可以流体流形式从换热器被送走。

因此，在本发明方法和本发明装置中，通过将蓄热介质供给换热地点和从换热地点送走，得到了换热和蓄热介质存放之间的空间分隔，因此，尤其可以通过设置例如相应尺寸的、用于蓄热介质的蓄槽来任意选择蓄热能力，而不会在此出现关于换热器尺寸设定的强制关联。由此降低成本，这是因为换热器的成本密集型构件也能在蓄热器体积较大时仅就最佳换热而言得到优化。

通过使用未包封的相变材料，已知的PCM材料尤其可被用于与许多应用相关的、120℃和300℃之间的温度范围，也可被用于更高温度，因而消除了在使用微包封的相变材料时出现的温度限制。因此，在本发明方法和本发明装置中，实现蓄热介质直接被供给换热器和从换热器送走。

以下措施在本发明的范围内，针对蓄热过程和放热过程，使用同一换热器。使用多个换热器也是可行的。优选设置至少两个换热器，在这里，放热过程在第一换热器内进行，而蓄热过程在与之空间分隔的第二换热器里进行。以下，只要未另作说明，术语“换热器”表示与各自过程对应的装置，无论是否针对蓄热过程和放热过程设置一个或多个换热器。

另外，在换热器内的蓄热过程中，在相变的同时进行蓄热介质的主动输送和供热，和/或在换热器内的放热过程中，在相变的同时进行蓄热介质的主动输送和散热。相应地，在本发明装置中至少如此构成第一换热器，以便在换热器内的蓄热过程中能与相变同时地完成蓄热介质的主动输送和供热。

在本发明方法和本发明装置中，蓄热介质的流动性通过在换热器内的相变在气态、液态和/或固态之间变化。因而，由此得到本发明的另一个优点，如上所述，在相变的同时实现了蓄热介质的主动输送。由此，所需的蓄热介质输送经过换热器在流动性因相变而变化时也至少在主动输送过程中得以保证。因此，本发明装置的换热器融合了输送装置性能和换热器性能。

在本发明方法中，在蓄热过程后和/或在放热过程后的蓄热介质存放在至少一个蓄槽中。由此，在蓄热介质存放和换热地点之间出现空间分隔，结果，可与换热器设计无关地选择蓄热体积。因此，在蓄热介质存放和换热器设计、尤其是换热面积的尺寸设定之间没有关联。本发明装置相应地包括至少一个蓄槽用于在从第一换热器和/或另一个换热器送出后容纳蓄热介质。

在本发明方法的一个优选实施方式中，在放热过程后蓄热介质存放在第一蓄槽中，在蓄热过程后存放在独立的第二蓄槽中，从而这些蓄槽可以针对蓄热介质的各自相态被优化。本发明装置相应地优选具有两个蓄槽，用于在蓄热过程实施后在第一蓄槽内存放蓄热介质并在放热过程实施后在第二蓄槽内存放蓄热介质。

在蓄热过程后和放热过程后都只使用一个蓄槽来存放蓄热介质也在本发明范围内。在此情况下，优选使得蓄热介质依据相态来分隔。因此，这样的蓄槽优选具有高度不同的进排管路，从而蓄热介质依据密度并进而依据相态被供给和送出。

在任何情况下，将这个或这些蓄槽构造为热绝缘蓄槽对于抑制蓄热介质与蓄槽周围环境换热是有利的。

蓄槽和换热器优选通过导流管路相连。

在本发明方法中，在蓄热过程和/或放热过程中的蓄热介质主动输送优选以机械方式通过换热器的马达驱动的输送机构来进行，而换热通过输送机构、尤其是其马达驱动的构件和/或其固定不动的构件来进行。因此，本发明装置的至少一个换热器优选具有用于输送蓄热介质的机构并且如此构造，可在相变的同时进行蓄热介质的主动输送和供热和/或散热，尤其利用借助输送机构、尤其是其马达驱动的构件和/或固定不动的构件的换热。

由此，得到本发明方法和本发明装置的非常高效的实施方式，因为换热器的马达驱动的构件和固定不动的构件直接接触蓄热介质。因此，换热优选至少通过换热器的与蓄热介质直接接触的马达驱动的构件来进行。由此，必然在马达驱动的构件和蓄热介质之间出现的接触同时被用于换热，因而无需设置单独的换热面积，或者至少可以缩小换热面积。

如此得到本发明方法和本发明装置的一个特别有利的实施方式，在蓄热过程和/或放热过程中的蓄热介质主动输送是利用螺旋输送机来进行。螺旋输送机包括具有设于螺杆轴上的螺杆螺纹的输送螺杆和至少部分包围输送螺杆的壳体。壳体至少部分包围输送螺杆且优选呈圆柱形，其被构造成在整个周面包覆输送螺杆。这样的螺旋输送机对于应用于领域外的方法和装置来说是本身已知的，例如在DE1653872和DE288663中有所描述。

螺旋输送机的优点是，可借助螺旋输送机输送处于不同相态的蓄热介质，尤其是呈固态和液态的蓄热介质。另外，螺旋输送机的可被马达驱动转动的输送螺杆已具有大的螺杆螺纹表面，其直接接触蓄热介质，从而尤其是输送螺杆除输送功能以外还同时适用作换热件。结果，按照结构简单的实施方式得到了输送机功能以及换热功能。优选该螺旋输送机的活动构件和/或固定不动的构件具有用于载热流体的输送路线，用于供热或散热。尤其有利的是，螺旋输送机的输送螺杆的螺杆轴具有用于载热流体的输送路线，在此优选的是，输送螺杆的轴为空心柱形式。以空心螺杆形式构成螺旋输送机的输送螺杆在本领域外的应用中是已知的，例如在DE288663中有所描述。还有利的是，螺旋输送机的壳体具有用于载热流体的输送路线。将螺旋输送机同时用作输送机构和用作潜热蓄热器中的换热器出人意料地以结构简单的方式构成本发明装置并且以简单方式实现了蓄热介质存放和换热地点之间的空间分隔。

在本发明方法中，进行蓄热介质的直接输送。因此，蓄热介质最好不具有载体介质例如水，也就是，优选不使用载体介质来输送蓄热介质。

本发明方法和本发明装置不局限于特定的相变。因此，该方法和该装置用于相变材料并且在以下温度范围内的使用在本发明范围内，在该温度范围内，在放热过程中进行由气态至液态的相变，而在蓄热过程中进行从液态至气态的相变。但是，特别有利地如此构成本发明方法和本发明装置，以便在放热过程中，以液态形式供应蓄热介质，进行从液态至固态的相变，并且该蓄热介质以颗粒流形式被送走；而该蓄热介质在蓄热过程中以颗粒流形式供应，进行从固态至液态的相变，并且蓄热介质以液态形式被送走。

相变材料的固态/液态具有以下优点：可以实现在这些相态下的蓄热介质的更简单输送。尤其在以螺旋输送机形式构成换热器时，可简单实现呈颗粒流形式的蓄热介质的输送，也实现呈液态的蓄热介质的输送。

在本发明方法中，优选在换热器内的放热过程中，在蓄热介质相变为固相之时和/或之后将蓄热介质粉碎为颗粒。相应地，至少本发明装置的第一换热器优选具有粉碎机构并被构造用于在相变中和/或相变后将蓄热介质粉碎成颗粒。结果，保证了蓄热介质也能在相变后以颗粒流形式被送入固相。

尤其在换热器以螺旋输送机形式构成的优选方式中，通过输送螺杆的结构设计和/或通过输送螺杆表面的设计可以实现蓄热介质被粉碎成颗粒。尤其有利的是，将螺旋输送机设计成具有多个相邻设置的具有平行的螺杆轴的输送螺杆。此时，如此构成螺旋输送机，暂时进行输送螺杆的齿侧面的相互刮擦，结果，阻止蓄积材料附着。在此情况下，可以采用已知的结构设计，其中通过暂时改变至少一个螺杆的转速来实现刮擦。这在DE1553134的具有两个相向转动的输送螺杆的实施方式中有所描述，两个输送螺杆中的一个输送螺杆是右旋的，另一个输送螺杆是左旋的。刮擦也可以按照本身已知的方式在同向转动和同向螺旋的输送螺杆中通过改变一个或两个输送螺杆的转速来实现，例如DE1653872所述的那样，输送螺杆的齿侧面在中心位置上具有间距。

以下措施也在本发明范围内，在换热器内设置单独的粉碎工具例如相互啮合的齿状粉碎工具、刀状工具、饲料切碎机或其它构件用于粉碎蓄热介质。

最好如此构造第一换热器，以使蓄热介质在放热过程后和或许附加地粉碎后处于颗粒状。

换热器构成呈螺旋输送机形式如上所述是特别有利的。尤其对于放热过程而言，在出现从液态至固态的相变时使用螺旋输送机是有利的。因此，至少用于放热过程的换热件最好具有螺旋输送机。根据其它输送机构构造换热器，例如本身已知的泵结构设计且尤其是具有相互啮合的、设置在蓄热介质输送方向的横向上的齿轮状辊的装置，或者其它形式的齿轮泵，也在本发明范围内。

在本发明方法和本发明装置的一个优选实施方式中，如此得到特别高效的蓄热和放热，在蓄热过程中，在相变后给蓄热介质额外地提供热量，以便额外地通过蓄热介质蓄积显热，并且相应地，在放热过程中，蓄热介质在相变之前散发显热。由此，不仅可利用蓄热介质潜热的蓄热能力，而且可利用蓄热介质显热蓄热能力。显热的供给和送走在不会出现蓄热介质相变的温度范围内进行。

显热的供给和送走优选通过同一换热器进行，潜热也通过该换热器被供给蓄热介质和被送走。由此，不需要附加的换热器。

在本发明方法和本发明装置的另一个优选实施方式中，借助一个或多个附加换热器进行显热的供给和送走，其中该换热器在蓄热过程中接设在用于潜热蓄热的换热器的后面并且在放热过程中接设在用于送走潜热的换热器的前面。这样，可以优化用于潜热或显热传递的各换热器。

本发明方法和本发明装置优选针对在100℃和至少350℃之间换热的温度范围来设计，因为许多典型的应用在此温度范围内。还已知这样的应用，此时较高的温度、尤其是高达500℃的温度是有利的。该较高的温度范围在选择相应的蓄热介质时也在本发明范围内。因此，本发明方法和本发明装置有利地针对在100℃和500℃之间的温度来设计。尤其当如上所述地附加蓄积显热时，较高的温度例如在100℃和500℃之间范围内的温度也在本发明范围内。上述的温度范围尤其可通过使用盐作为蓄热介质来实现。

在蓄热过程和放热过程中的换热原则上可以按照本身已知的方式实现。借助载热流体且优选借助热输送气体或热输送液体或气液混合物来供热和/或散热尤其是在本发明范围内。使用热油、水、水蒸汽或者水和水蒸汽混合物(湿气)作为载热流体是尤其有利的。通过其它方式例如借助辐射供热和/或散热也在本发明范围内，尤其在蓄热过程中经过太阳能集热器的吸收器输送蓄积材料。

将载热流体用于蓄热过程和/或放热过程中的换热是尤其有利的。通过使用液体例如像热油或水作为载热流体，得到一个结构非常简单的实施方式。

在本发明方法和本发明装置的另一个优选实施方式中，在放热过程中借助由蓄热介质释放给载热流体的热量获得载热流体的从液态至气态的相变，和/或在蓄热过程中因为载热流体释放热量给蓄热介质而获得所述载热流体从气态至液态的相变。由此获得了潜热蓄热器的蓄积热能的特别高效的传递和传导。上述的优选实施方式对于本发明装置和本发明方法结合由传热流体所驱动的透平来应用是尤其有利的。在一个优选实施方式中，借助载热流体的传热效率如此得到进一步提高，即在放热过程中该载热流体先借助由蓄热介质释放出的热被蒸发，随后该蒸汽状的载热流体附加地借助由蓄热介质释放的热量被过度加热。

如上所述，换热器设计成螺旋输送机是非常有利的。此时，马达驱动的输送螺杆优选被载热流体流过以便换热。尤其有利的是，输送螺杆和螺旋输送机的直接与蓄热介质接触的固定不动的构件且尤其是壳体被热流体流过以便换热，尤其优选按照对流原理。

根据其它已知的换热器实施方式构造换热器，例如呈飞流换热器或辐射发射器或吸收器形式的换热器构造方式也在本发明范围内。

在蓄热过程中借助蒸气态、气态或液态的传热流体或借助包含多相的混合物给换热器供热也在本发明范围内，利用辐射尤其借助太阳光来供热也在本发明范围内。

优选该蓄热介质只由相变材料构成。由此得到该方法和装置的一个成本低廉的实施方式。

本发明方法和本发明装置的效率的提高有利地如此实现，即蓄热介质除了相变材料外还含有导热性高于相变材料的颗粒。由此一来，蓄热介质的总导热性得以提高，进而在蓄热过程和放热过程中的换热效率都得到提高。此时特别合适的是由石墨构成的纳米颗粒或微米颗粒。颗粒占蓄热介质总体积的比例优选小于10体积百分比。

本发明方法和本发明装置的效率的进一步提高有利地如此获得，即在蓄热介质中加入混合物，该混合物促成在液态至固态的相变时的颗粒生成或抑制整个体积的凝固，即，抑制大体积固相的生成。

在本发明方法和本发明装置中，采用本身已知的材料作为相变材料是可行的。盐系尤其是适用的，优选二元硝酸盐、硝酸盐混合物，它尤其包括以下组中的一种或多种物质：KNO₃、NaNO₃、KNO、KNO₃-NaNO₃、KNO₃-LiNO₃。由此，覆盖了在典型应用中相关的100℃至500℃的温度范围。

在本发明方法和本发明装置中，在蓄热过程和/或放热过程中在相变时实现蓄热介质的至少一次主动输送。本发明装置优选包括一个或多个附加的输送机构，其不是以换热器形式构成，并且在蓄热介质输送路线中设在换热器的下游和/或上游。这样，保证了蓄热介质的无干扰输送。尤其有利的是，在颗粒固态蓄热介质的输送路线中设有至少一个附加输送机构，因为颗粒状蓄热介质的输送与液态或气态的蓄热介质输送相比更容易受到像蓄热介质压缩这样的干扰。

本发明方法和本发明装置尤其可被用于热能蓄热，作为太阳热能发电厂的蓄热器，尤其用在直接蒸汽发生器中或作为过程热应用的蓄热器。

优选该蓄热介质只具有未包封的相变材料。

在上述的有利实施方式中的蓄热介质以颗粒流形式的供给和/或送出优选如此进行，蓄热介质以颗粒状来输送，尤其没有载流体，优选没有用于颗粒的载流体。

换热器的输送机构优选由导热材料构成，尤其由钢构成，优选不锈钢。使用陶瓷材料也在本发明范围内，但在这里，与钢相比，陶瓷材料造成更高的材料成本。

本发明装置优选用于执行本发明方法或其有利的实施方式。本发明方法也优选利用本发明装置或其有利的实施方式来实施。

附图说明

以下将结合图和实施例来描述其它优选特征和实施方式，其中：

图1是利用相变材料蓄热和放热的本发明装置的第一实施例的示意图，其中该装置是一台将太阳能辐射转换为电能的设备的一部分并且包括两个蓄槽和两个换热器；以及

图2是利用相变材料蓄热和放热的本发明装置的第二实施例的示意图，它是第一实施例的变型并且只具有一个蓄槽及只具有一个换热器。

具体实施方式

根据图1的装置的第一实施例包括装有液态蓄热介质的第一蓄槽1。第一蓄槽1具有热绝缘，因而只发生与环境的轻微换热。蓄热介质由相变材料NaNO₃构成。

当在蓄槽1内蓄积该蓄热介质时，蓄热介质的温度高于蓄热介质的熔点，也就是，在此情况下是高于308℃。

图1所示的装置还包括第一换热器2，它通过管路2a与蓄槽1流通相连。换热器2包括螺旋输送机，在螺旋输送机中，借助马达被驱动的、可转动支承的输送螺杆设置在圆柱形壳体中。输送螺杆的轴为空心柱形式并且与载热流体回路流通相连。也在用于输送螺杆的圆柱形壳体的周面内设有管路，它们与用于载热流体的回路流通相连。

在螺旋输送机的出口侧设有粉碎装置，它还是通过管状的管路3a与第二蓄槽3相连。

用于载热流体的外部循环在图1中在换热器2处由箭头表示。

因此，为了实现放热过程，借助(未示出)控制单元使换热器2的螺旋输送机的输送螺杆围绕以空心柱形式构成的轴转动，从而借助螺旋输送机将蓄热介质从蓄槽1输送到换热器2中。同时，通过未示出的泵装置根据上述箭头供给和送走载热流体，从而载热流体流过该换热器2的载热流体回路。在此情况下，在螺旋输送机的入口侧因为所输送的载热流体具有比蓄热介质低的温度而实现蓄热介质的冷却，这种冷却导致蓄热介质在换热器2的螺旋输送机内相变。在相变中释放出的热量通过螺旋输送机的输送螺杆以及螺旋输送机的圆柱形壳体被释放给流过这些构件的载热流体，结果，载热流体变热。在图1所示的实施例中，载热流体以水的形式来实现，将其以液态形式以低于适用于最常见压力的沸点的温度供给换热器2。通过因在螺旋输送机中的蓄热介质释放潜热而完成的加热，实现了载热流体的相变，从而它以水蒸汽形式离开第一换热器2。该水蒸汽在未示出的另一个装置中借助透平被转换为电能。

因此，在换热器2的螺旋输送机中，实现了蓄热介质从液态至固态的相变。但因为蓄热介质在相变过程中在螺旋输送机进行输送，所以，没有形成统一的固体，而是通过稳定连续的继续输送形成不同大小的蓄热介质颗粒。在螺旋输送机的出口侧，在换热器2内设有粉碎装置，因此上述颗粒在离开螺旋输送机后进入粉碎装置并在那里被粉碎成更细小的颗粒，从而该蓄热介质呈颗粒状。

蓄热介质的颗粒流经由管状连接机构3a进入第二蓄槽3。第二蓄槽3同样热绝缘构成。在蓄槽3内的蓄热介质的温度处于在环境温度和蓄热介质熔点温度之间的范围内，也就是在此情况下是低于308℃。

为了实现蓄热过程，蓄热介质经由另一个管状连接机构4a从第二蓄槽3以颗粒流形式被供给第二换热器4。

第二换热器4也包括螺旋输送机，它的结构原则上等同于在换热器2中描述的螺旋输送机。

第二换热器4在此设置在蓄槽3下方并且管状连接机构4a在蓄槽3底面区域内通入，从而可借助设在管状连接机构4a中的马达驱动的滑阀利用借助上述控制单元的控制以简单方式控制从蓄槽3至第二换热器4且进而至第二换热器4的螺旋输送机的入口侧的颗粒流。

第二换热器4的螺旋输送机也不仅在输送螺杆内而且在圆柱形壳体内具有用于载热流体回路的输送路线。它们与用于载热流体的其它外部回路流通相连，如在图1的换热器4中用箭头表示的那样。

第二载热流体也以水的形式来实现。第二载热流体的回路与太阳能装置相连，在太阳能装置中，借助太阳光进行载热流体的蒸发。

相应地，在第二换热器4中进行由箭头表示的、将水蒸汽送入用于螺旋输送机的载热流体的回路，从而在螺旋输送机中所输送的蓄热介质在输送过程中因借助水蒸汽所输入的热量而从固态转变为液态，同时，载热流体因为所输入的水蒸汽的冷却而冷凝成水。因此，载热流体以液态从第二换热器4被送走并被送往太阳热能装置。

第二换热器4的螺旋输送机在出口侧也通过管路1a与第一蓄槽1流通相连。因此，借助第二换热器4的螺旋输送机，实现了在第一蓄槽1内的蓄热过程后的液态蓄热介质的输送。

第一换热器2的和第二换热器4的螺旋输送机分别由不锈钢制成，因而一方面不会出现由于蓄热介质的腐蚀性导致毁坏，另一方面，因为钢的高导热性而保证了载热流体和蓄热介质之间的良好换热。

通过蓄热介质在蓄槽1和3中的蓄积和在换热器2和4中的换热之间的空间分隔，螺旋输送机的尺寸相应对于在规定输送速度下的最佳换热而言被优化。与此无关地，可以任意选择蓄槽1和3的体积，视蓄热能力需求大小而定。

在图1所示的实施例中，在使用50Mwel透平时，这两个蓄槽1和3均包括大约800m³/h蓄热能力的体积。这意味着，对于具有例如7.5h蓄热能力的蓄热器来说，需要各有6000m³体积的蓄槽。与之相比，当前构造的基于显热的盐熔蓄热器需要分别具有14000m³体积的槽。

在第一换热器2内粉碎后的蓄热介质颗粒的粒径在约1mm和10mm之间的范围内。

第一换热器2的和第二换热器4的螺旋输送机的输送能力在50MW透平情况下供热为500kg/s。

根据图2的第二实施例的装置只包含一个蓄槽11，其不仅装有液态蓄积材料，也装有颗粒固态蓄积材料。此外，图2所示的装置只包括一个换热器12。只要以下未作其它说明，则蓄槽11按照上述蓄槽1的方式构成，换热器12按照上述换热器2的方式构成。

与图1所示的第一实施例不同，第二实施例的蓄槽11和换热器12分别具有两个蓄热介质的进流管路和排流管路。

蓄槽11通过上管路11a和下管路11b与换热器12流体连通且颗粒流通地相连。因为液态蓄积材料和颗粒固态蓄积材料的密度不同，所以，在蓄槽11内出现两相之间的空间分隔，结果，可利用上管路11a将液态蓄热介质供给换热器12，并借助下管路11b将呈颗粒固态的蓄热介质供给换热器12。

该蓄热和放热过程原则上对应于第一实施例的蓄热和放热过程：

为了完成蓄热过程，呈颗粒固态的蓄热介质通过下管路11b被供给换热器12。在呈螺旋输送机形式的换热器12内，通过未示出的泵装置执行根据箭头12b的载热流体的供给和送走。由此，实现了热量在换热器12内从载热流体传输给蓄热介质，结果，在通过输送螺杆输送蓄热介质的过程中实现了从固态至液态的相变。液态蓄热介质通过经由蓄槽1的上侧区域内的管路12c被送回该蓄槽。

为了完成放热过程，液态蓄积材料经由上管路11a被供给换热器12，并且借助未示出的泵装置按照箭头12a供给和送走载热流体，从而实现了热从蓄热介质释放至载热流体以及载热流体在通过输送螺杆在换热器12内输送时从液态变为固态的相变。

固态蓄积材料与图1所示的装置相似地借助粉碎装置被粉碎成颗粒，所述蓄积材料经由通入蓄槽的下侧区域中的管路12d被送回该蓄槽。

根据图2的装置的优点是，只需要一个蓄槽和一个换热器。

在图1和图2所示的装置中，分别通过控制单元进行蓄热和放热过程的控制，该控制单元尤其与输送螺杆的马达驱动装置以及在蓄槽的各自出口侧的可由马达驱动的相应阀门和滑阀连接，以控制蓄热介质的输送。

Claims (16)

1.一种利用相变材料蓄热和放热的方法，其中，

在蓄热过程中，在吸热情况下，在第一换热器(2、12)中，获得包含相变材料的蓄热介质的相变，以便作为潜热在蓄热介质中蓄热，并且

在放热过程中，在所述第一换热器(2、12)中在放热情况下在所述蓄热介质中获得相变，并且

作为蓄热介质，至少主要使用未包封的相变材料，

其特征在于，在蓄热过程中，所述蓄热介质以流体流或者颗粒流形式被供给所述第一换热器(2、12)，并且所述蓄热介质在完成相变后被送走，

在放热过程中，所述蓄热介质以流体流形式被供给所述第一换热器(2、12)，并且所述蓄热介质在完成相变后以流体流或颗粒流形式从所述第一换热器被送走，

所述蓄热介质在蓄热过程后暂时存放在第一蓄槽(1)中，并且在放热过程后暂时存放在另一个蓄槽(3)中，一个蓄槽被用于在放热过程后存放所述蓄热介质，并且另一个蓄槽被用于在蓄热过程后存放所述蓄热介质，

在蓄热过程中和/或在放热过程中，在相变的同时进行所述蓄热介质的主动输送和换热，

所述第一换热器(2、12)具有用于输送蓄热介质的输送机构，并且

在蓄热过程和放热过程中的主动输送是以机械方式通过所述第一换热器(2、12)的马达驱动的输送机构来进行的，并且所述换热至少通过所述输送机构的马达驱动的构件和/或固定不动的构件来进行。

2.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在蓄热过程和/或放热过程中的主动输送是利用螺旋输送机来进行的。

3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，

其特征在于，

在放热过程中，以液态形式供应所述蓄热介质，进行从液态至固态的相变，并且所述蓄热介质以颗粒流形式被送走；

而在蓄热过程中，所述蓄热介质以颗粒流形式供应，进行从固态至液态的相变，并且所述蓄热介质以液态形式被送走。

4.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，

在第一换热器(2)内的放热过程中，所述蓄热介质在相变中和/或在相变后被粉碎成颗粒。

5.根据权利要求3所述的方法，

其特征在于，

在蓄热过程中，在相变后给所述蓄热介质额外地提供热量，以额外地蓄积显热；

而在放热过程中，该蓄热介质在相变之前散发显热。

6.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，

其中，在蓄热过程和/或放热过程中，换热是利用载热流体来进行的。

7.根据权利要求6所述的方法，

其特征在于，

在蓄热过程和/或放热过程中，获得载热流体的相变，按照以下方式，

即，在放热过程中借助由所述蓄热介质释放给载热流体的热量获得载热流体的从液态至气态的相变，

和/或在蓄热过程中因为载热流体释放热量给蓄热介质而获得所述载热流体从气态至液态的相变。

8.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，

其特征在于，

采用含有颗粒的蓄热介质，所述颗粒的导热性高于相变材料的导热性。

9.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，

其特征在于，

采用含有混合物的蓄热介质，所述混合物有利于在从液态至固态转变时的颗粒生成和/或抑制大体积固相的生成。

10.根据权利要求1所述的方法，

其特征在于，

在蓄热过程和/或放热过程中的主动输送是利用包括至少一个空心螺杆的螺旋输送机来进行的。

11.根据权利要求1-2中任一项所述的方法，

其中，在蓄热过程和/或放热过程中，换热是利用热输送气体、热输送液体或气液混合物来进行的。

12.一种利用相变材料蓄热和放热的装置，

其包括含有相变材料的蓄热介质和至少一个第一换热器(2、12)，其中，所述装置被构造用于，在释放出蓄热介质潜热的情况下，通过在第一换热器(2、12)内的相变来实现放热过程；并且所述装置被构造用于，在蓄热介质内作为潜热蓄热的情况下，通过在所述第一换热器(2、12)内的相变来实现蓄热过程，

所述蓄热介质至少主要由未包封的相变材料构成，

其特征在于，如此构成所述装置，即，在蓄热过程中，所述蓄热介质能以流体流或颗粒流形式被供给第一换热器(2、12)，并且所述蓄热介质在完成相变后被送走，

在放热过程中，所述蓄热介质能以流体流形式被供给第一换热器(2、12)，并且所述蓄热介质在完成相变后能以流体流或颗粒流形式从所述第一换热器被送走，

至少所述第一换热器(2、12)具有用于输送蓄热介质的输送机构，并且是如此构成的，即，在相变的同时能够进行蓄热介质的主动输送和换热，并且

所述装置包括至少两个蓄槽(1、3)，用于在从第一换热器(2、12)送出后容纳所述蓄热介质，一个蓄槽被配置成在放热过程后存放所述蓄热介质，并且另一个蓄槽被配置成在蓄热过程后存放所述蓄热介质，

并且至少所述第一换热器(2)的输送机构包括马达驱动装置和用于在蓄热过程和放热过程中输送蓄热介质的被驱动构件，并且

至少所述输送机构的被马达驱动的构件和/或固定不动的构件被构造用于换热。

13.根据权利要求12所述的装置，

其特征在于，

至少所述第一换热器(2)包括螺旋输送机。

14.根据权利要求12所述的装置，

其特征在于，

所述第一换热器(2)具有粉碎机构并被构造用于在相变过程中和/或在相变之后将蓄热介质粉碎成颗粒。

15.根据权利要求12或13所述的装置，

其特征在于，

所述装置被构造用于执行如权利要求1至11中任一项所述的方法。

16.根据权利要求12所述的装置，

其特征在于，

每个第一换热器(2)均包括一个螺旋输送机。