CN110487096A - 一种冷热流体介质自由分隔装置 - Google Patents

一种冷热流体介质自由分隔装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种冷热流体介质自由分隔装置，包括：罐体，为筒状，竖向设置，其上端和下端分别设置有热流体进口和冷流体进口，为冷热流体提供存储空间，其侧壁至少设置一层吸附层，该吸附层的材质为铁磁材料或铁；隔热板，板体结构，设置于罐体的水平截面上，其形状和面积与罐体的水平截面相适应；隔热板的周向布设密封条，密封条为中空结构，中空位置均匀填充有吸附块，该吸附块为铁磁材料块或铁块，吸附层与所述吸附块产生吸引力。该装置可以实现自由隔离冷热介质，明显减小斜温层厚度，高效抑制高温介质与低温介质的混合，装置无需另外能动支撑，运行稳定可靠、成本低、节能效果显著，维护简单。

Description

一种冷热流体介质自由分隔装置
技术领域
本发明涉及储能技术领域，尤其涉及一种冷热流体介质自由分隔装置。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
蓄热或蓄冷系统可以用于机组调峰、热电联产、消纳风光发电、高效利用光热、工业余热，对于移峰填谷、多能互补、节约能源、提高能源利用效率等具有重要意义。
蓄热、蓄冷水罐主要用于显热供热制冷领域，利用冷热水密度不同的原理，采用自然分层的储水罐。蓄热罐内通过布水器使得冷热水分别从罐底和罐顶均匀流入，在冷热水交界处形成稳定的斜温层，即不会产生强烈掺混，而形成冷热水混合作用较小和厚度较薄的斜温层(冷热流体混合过渡层)，斜温层上部为热水、斜温层下部为冷水，斜温层随热水/冷水的流入/流出而上下平移运动，来实现储热和放热。对于自然分层的储水罐，斜温层的厚度会影响蓄热效率，斜温层越厚，则蓄热效率越低，满足供热温度条件的热水量越少。一般通过优化顶部和底部的布水器设计而减小入口水流对罐内水的扰动，从而减小斜温层厚度，从而提高蓄热效率。
但无论如何改进布水器，冷热流体混合过渡层因为温差导热而存在相当厚度，且需要对布水器开孔及个数进行数值模拟优化。对于罐体截面较大时，采用多圈管式布水器，且布水管开孔间距不等，以实现布水管的布水面积相等，从而降低扰动达到近似均匀低速流动，但是布水管和开孔加工复杂，但从布水器优化难以达到显著降低斜温层厚度及提高蓄热系统的效率。
中国专利201210379993.9提出了一种单罐储热系统及单罐储热方法，在储热罐内引入浮动隔热板及配重装置，系统依靠大量泵与阀门条件，机构复杂，且浮动隔热板重力固定，但储热流体温度变化引发密度变化，进而导致流体对浮动隔热板的浮力发生连续变化，浮动隔热板的配重固定，较难实现对浮动隔热板浮力的连续响应调节，浮动隔热板自动上升和下降不易实现。
中国专利201610608374.0提出一种用于液体储热的斜温层储热装置。隔热板由隔热材料制成且外缘装有隔热板密封环，隔热板密封环与储热罐的内壁面紧密贴合，隔热板密封环用于阻挡储热液体在隔热板与储热罐的间隙流动，隔热板将储热罐分割为独立密封的上腔和下腔。但隔热板贯穿有螺杆和导杆，螺杆从隔热板的中心孔垂直穿过，螺杆与隔热板中心孔通过螺纹连接。螺杆的中心线与储热罐的中心线重合，螺杆上端通过磁力传动联轴器与减速机旋转轴的下端连接，螺杆下端通过螺杆轴承与储热罐下底面连接导杆与螺杆平行安装，导杆穿过隔热板预留的通孔，通孔位置介于隔热板中心孔与隔热板边缘之间，通孔内安装有导杆密封环，导杆从导杆密封环内部中心孔垂直穿过。导杆密封环用于阻挡储热液体在隔热板与导杆的间隙流动。导杆的下端与储热罐的下底面固定。变频电机可以通过联轴器驱动减速机，减速机将变频电机高速旋转转换为低速大扭矩旋转，减速机通过磁力传动联轴器驱动螺杆旋转，隔热板受螺杆驱动向上或向下移动，通过改变储热罐上腔和下腔的容积，实现对冷热流体的驱动。显然，该装置的罐体结构、装置密封、驱动装置较为复杂，成本较大。
中国专利201811198191.1提出了强迫分层的蓄热装置，设有适于漂浮在蓄热介质中的浮板，浮板相对于罐体的内周壁沿竖向可活动地装配，浮板上方为第一温区，浮板下方的第二温区，第一温区与所述第二温区连通，浮板的密度大于所述第一温区的蓄热介质的密度且小于所述第二温区蓄热介质的密度；浮板密度ρ满足：950kg/m3≤ρ≤990kg/m3，且浮板与储罐壳体的内周壁之间具有间隙以使所述第一温区与所述第二温区连通。显然浮板仅依据重力和浮力满足冷热流体交界面漂浮，但是水的密度随着温度变化范围：4℃时999.972kg/m3，25℃时997.043kg/m3，40℃时992.212kg/m3，40.5℃时990.208kg/m3，80℃时971.785kg/m3，100℃时958.345kg/m3。显然对于蓄冷罐不适用，而对于浮板既满足密度要求又满足隔热保温，对于材料属性及制备工艺提出了挑战，专利未提及相关材料细节。另外浮板与壳体内壁的间隙未描述大小，未描述密封，不可避免产生冷热流体扰动和掺混。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种冷热流体介质自由分隔装置，该装置依靠浮力、重力、磁力和摩擦力使隔热板始终处于冷热流体介质的交界面，且与储罐的内壁之间实现密封，防止冷热流体之间的流通，隔热板的结构简单、成本低。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
一种冷热流体介质自由分隔装置，包括：
罐体，为筒状，竖向设置，其上端和下端分别设置有热流体进口和冷流体进口，为冷热流体提供存储空间，其侧壁至少设置一层吸附层，该吸附层的材质为铁磁材料或铁；
隔热板，板体结构，设置于罐体的水平截面上，其形状和面积与罐体的水平截面相适应；
隔热板的周向布设密封条，密封条为中空结构，中空位置均匀填充有吸附块，该吸附块为铁磁材料块或铁块，吸附层与所述吸附块产生吸引力；
隔热板的板本体的工作面面积小于罐体的水平横截面。
隔热板周围设置的吸附块与罐体侧壁的吸附层之间产生磁性吸引力，使得隔热板在罐体的流体中受到重力、浮力、罐体侧壁的摩擦力以及磁力的作用，这些力的合力使得隔热板可以停留在罐体的任意水平横截面处。当充放冷热流体时，由于流体的冲击力较强，隔热板会在流体的冲击力作用下朝向流体外排的一侧移动，实现了隔热板对充放冷热流体的及时响应。
由于隔热板周向的密封条中均匀填充有吸附块，即吸附块沿隔热板的周向均匀分布，隔热板在吸附块与吸附层之间的磁力作用下，总是有回复水平状态的趋势，该种趋势使得隔热板在受到冷热流体的不均匀冲击力作用下，及时恢复水平状态，即保持与罐体内壁之间密封，防止冷热流体的返混，可以降低对冷热流体喷头的性能要求，以降低成本。
隔热板周向的吸附块填充于密封条内，密封条一般由弹性材质制成，吸附块与罐体的吸附层由于磁性吸引作用有紧密贴合的趋势时，恰好将密封条夹在中间，对实现隔热板与罐体内壁之间的密封较为有利，防止冷热流体之间的流动返混，提高对冷热流体的隔热效果。
在一些实施例中，所述热流体进口位置设置有第一布水器，冷流体进口位置设置有第二布水器，第一布水器和第二布水器分别与热流体源和冷流体源连接。
进一步的，所述第一布水器和第二布水器均与罐体共轴。
第一布水器和第二布水器均与罐体共轴，使得输入的冷热流体沿罐体的中部进入罐体，并在流动的过程中向四周扩散，流体扩散过程中会对所述隔热板施加较为对称的作用力，以防止在充放冷热流体的过程中，造成隔热板的剧烈摇晃。
在一些实施例中，所述隔热板的厚度为5mm～100mm。
在一些实施例中，所述隔热板的导热系数0.02～0.5W/(m K)，耐低温限值为-60℃，耐高温限值为250℃。
隔热板的材质应该为热稳定性高的保温、隔热、防水材料。
进一步的，所述隔热板的材质为聚碳酸酯耐力板或硅胶发泡板。
在一些实施例中，所述密封条的材料具有弹性。
进一步的，所述密封条的材质为硅胶发泡密封条，密封条的中空部分的截面面积大于吸附块的截面面积。
如果隔热板的硬质材料区域完全覆盖罐体的水平横截面，则在移动过程中，隔热板容易卡在罐体的侧壁上。本发明中，将隔热板的板本体的工作面面积设计为小于罐体的水平横截面的面积，通过吸附块与吸附层之间的磁力作用，使密封条适当拉伸，产生密封和摩擦力，该种设计结构，可以有效防止隔热板的卡死，保证隔热板随充放流体的及时性。
在一些实施例中，所述密封条与罐体侧壁接触的面为弧面。
在一些实施例中，所述密封条与板本体之间通过热熔、塞嵌、胶粘、线缝、卡扣连接件或螺丝固定中的一种或任意组合进行固定。
在一些实施例中，所述铁磁材料为钕铁硼磁铁或钐钴磁铁。钕铁硼磁铁的工作温度为80-200℃，钐钴磁铁可耐350℃高温，这两种材料可以在较高温度下工作，依据热介质的工作温度，选择合适的材料。
进一步的，所述吸附块为柔性磁铁条。柔性磁铁条更容易与罐体的内壁紧密贴合，以提高隔热板的密封性能。
在一些实施例中，所述吸附块在隔热板周向的布置方式为完全覆盖隔热板的周向、或在隔热板的周向均匀分布，且覆盖的路径大于隔热板周长的1/3。
本发明的有益效果为：
根据本发明的储罐的冷热流体介质自由分隔装置，依靠张力和磁力实现密封条与罐体壁面紧密贴合，有效抑制冷热介质的混合；装置依靠浮力、重力、磁力和摩擦力保持在冷热交界面位置固定，冷或热介质从罐体两端流入或流出时，装置随着冷热介质交界面移动而移动。该装置可以实现自由隔离冷热介质，显著减少冷热介质的掺混，在冷热介质流入流出时，即使产生扰动，也能有效抑制冷热介质的对流掺混，显著减小斜温层厚度，高效抑制高温介质与低温介质的混合。装置无需另外能动支撑，结构简单，便于施工安装，运行稳定可靠、成本低、节能效果显著，维护简单。
本发明尤其适用热电联产、火电深度调峰、谷电利用等区域供热、制冷系统的高效节能、储热、储冷系统的储热罐、储冷罐。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明实施例的蓄热罐及隔热装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的四种隔热板的结构示意图；
图3为本发明实施例的密封条的横截面结构示意图；
图4为本发明实施例的磁铁在密封条中布置的结构示意图。
其中，1、保温层，2、内壁，3、隔热板，4、密封条，5、磁铁，6、第一布水器，7、第二布水器，8、溢流阀，9、安全阀，10、排污阀，11、热水出口温度测点，12、热水阀，13、冷水出口温度测点，14、冷水阀。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如图1所示，本发明实施例的冷热流体介质自由分隔装置，包括：罐体、隔热板3、第一布水器6和第二布水器7；
罐体，为筒状，竖向设置，其上端和下端分别设置有热流体进口和冷流体进口，为冷热流体提供存储空间，热流体进口位置设置有第一布水器6，冷流体进口位置设置有第二布水器7，第一布水器6和第二布水器7分别通过管道与热流体源和冷流体源连接，第一布水器6和第二布水器7均与罐体共轴。第一布水器6与热流体源之间的连接管道上设置有热水出口温度测点11和热水阀12，第二布水器7与冷流体源之间的连接管道上设置有冷水出口温度测点13和冷水阀14。
罐体的侧壁包括外层的保温层和内层的内壁，其内壁的材质为铁或铁磁材料。罐体的上端设置有溢流阀8和安全阀9，其下端设置有排污管道，排污管道上设置有排污阀10。
隔热板3，板体结构，设置于罐体的水平截面上，其形状和面积与罐体的水平截面相适应；隔热板3的周向布设密封条4，密封条4为中空结构，中空位置均匀填充有吸附块，该吸附块为铁磁材料块或铁块，吸附层与所述吸附块产生吸引力；隔热板4的板本体的工作面面积小于罐体的水平横截面。
如图2所示，隔热板结构可以为：单层中空隔热板15、两层中空隔热板16、低密度发泡多孔板17、高密度发泡多孔板18。如图3所示，密封条结构可以为：D型密封条或Ω型密封条。如图4所示，密封条中空腔填充磁铁结构可以为：密封条空腔全周连续填充磁棒、密封条空腔全周间隔填充长磁棒或密封条空腔全周间隔填充短磁棒。
蓄热时，热源制备的热水从热水阀12进入储罐，经第一布水器6均匀流入罐内；同时，罐内底部冷水从第二布水器7经冷水阀14流出，进入热源。罐内隔热板处于热水和冷水交界面，即斜温层同步下移。
蓄冷时，制冷机制取的冷水经冷水阀14经第二布水器均匀流入罐内；同时，罐内上方热水从第一布水器6流出，进入制冷机，罐内的隔热板处于热水和冷水交界面，即斜温层同步上移。
实施例1
隔热板选取聚碳酸酯耐力板，圆形，结构为两层中空隔热板，如图2(2)所示，骨架实板厚度1.5mm，隔热板厚度15mm边缘采用硅胶发泡Ω型密封条，如图3(2)所示，采取热熔胶粘，选取钕铁硼磁铁(型号N45M，密度7.5g/cm3)磁棒Φ5×50mm(直径×长)，耐热温度100℃，在隔热板周围密封条全周空腔连续填充布置，如图4中(1)所示。依据储热罐冷热水的密度、聚碳酸酯耐力板重力、浮力、实验选取填充量，使得隔热装置在浮力、重力、磁力作用下密封条与壁面的摩擦力能够使之处于冷热流体交界面，且随冷热流体上下同步移动，磁力实现密封胶条与罐体内壁的紧密贴合。
实施例2
隔热板选取聚碳酸酯耐力板，圆形，结构为单层中空隔热板，如图2(1)所示，骨架实板厚度2mm，隔热板厚度10mm，边缘采用硅胶发泡D型密封条，如图3(1)所示，采取热熔胶粘，选取钕铁硼磁铁(型号N45，密度7.5g/cm3)磁条100×10×2mm(长×宽×厚)，耐热温度80℃，在隔热板周围密封条空腔填充布置，如图4中(2)所示。依据储热罐冷热水的密度、聚碳酸酯耐力板重力、浮力，实验选取填充量，使得隔热装置在浮力、重力、磁力作用下密封条与壁面的摩擦力能够使之处于冷热流体交界面，且随冷热流体上下同步移动，磁力实现密封胶条与罐体内壁的紧密贴合。
实施例3
隔热板选取低密度硅胶发泡多孔板，圆形，结构如图2(3)所示，隔热板厚度10mm，边缘采用硅胶发泡D型密封条，如图3(1)所示，采取热熔胶将密封条与隔热板本体进行粘贴固定，选取钕铁硼磁铁(型号N45，密度7.5g/cm3)磁条50×10×2mm(长×宽×厚)耐热温度80℃，在隔热板周围密封条空腔间隔填充布置，如图4中(3)所示。依据储热罐冷热水的密度、低密度硅胶发泡多孔板重力、浮力、实验选取填充量，使得隔热装置在浮力、重力、磁力作用下密封条与壁面的摩擦力能够使之处于冷热流体交界面，且随冷热流体上下同步移动，磁力实现密封胶条与罐体内壁的紧密贴合。
实施例4
隔热板选取高密度硅胶发泡多孔板，圆形，结构如图2(4)所示，隔热板厚度15mm，边缘采用硅胶发泡Ω型密封条，如图3(2)所示，采取线缝连接，选取钕铁硼磁铁(型号SmCo5，密度7.5g/cm3)磁棒Φ5×50mm(直径×长)，耐热温度250℃，在隔热板周围密封条空腔连续填充布置，如图4中(1)所示。依据储热罐冷热水的密度、高密度硅胶发泡多孔板重力、浮力、实验选取填充量，使得隔热装置在浮力、重力、磁力和摩擦力作用下密封条与壁面的摩擦力能够使之处于冷热流体交界面，且随冷热流体上下同步移动，磁力实现密封胶条与罐体内壁的紧密贴合。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：包括：
罐体，为筒状，竖向设置，其上端和下端分别设置有热流体进口和冷流体进口，为冷热流体提供存储空间，其侧壁至少设置一层吸附层，该吸附层的材质为铁磁材料或铁；
隔热板，板体结构，设置于罐体的水平截面上，其形状和面积与罐体的水平截面相适应；
隔热板的周向布设密封条，密封条为中空结构，中空位置均匀填充有吸附块，该吸附块为铁磁材料块或铁块，吸附层与所述吸附块产生吸引力；
隔热板的板本体的工作面面积小于罐体的水平横截面。
2.根据权利要求1所述的冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：所述热流体进口位置设置有第一布水器，冷流体进口位置设置有第二布水器，第一布水器和第二布水器分别与热流体源和冷流体源连接；
进一步的，所述第一布水器和第二布水器均与罐体共轴。
3.根据权利要求1所述的冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：所述隔热板的厚度为5mm～100mm。
4.根据权利要求1所述的冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：所述隔热板的导热系数0.02～0.5W/(m·K)，耐低温限值为-60℃，耐高温限值为250℃；
进一步的，所述隔热板的材质为聚碳酸酯耐力板或硅胶发泡板。
5.根据权利要求1所述的冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：所述密封条的材料具有弹性；
进一步的，所述密封条的材质为硅胶发泡密封条，密封条的中空部分的截面面积大于吸附块的截面面积。
6.根据权利要求1所述的冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：所述密封条与罐体侧壁接触的面为弧面。
7.根据权利要求1所述的冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：所述密封条与板本体之间通过热熔、塞嵌、胶粘、线缝、卡扣连接件或螺丝固定中的一种或任意组合进行固定。
8.根据权利要求1所述的冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：所述铁磁材料为钕铁硼磁铁或钐钴磁铁。
9.根据权利要求8所述的冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：所述吸附块为柔性磁铁条。
10.根据权利要求1所述的冷热流体介质自由分隔装置，其特征在于：所述吸附块在隔热板周向的布置方式为完全覆盖隔热板的周向或在隔热板的周向均匀分布，且覆盖的路径大于隔热板周长的1/3。
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