CN111780298B - 一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统 - Google Patents

一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，属于水蓄冷工程技术领域。本发明的水蓄冷系统包括蓄冷罐，分别与蓄冷罐连通的蓄冷单元和放冷单元，蓄冷罐的顶盖上设有回水口，底盖上设有出水口，上布水器与下布水器之间设有移动相变储能单元，移动相变储能单元与罐体本体内侧壁滑动连接，移动相变储能单元包括反渗透膜以及用于固定反渗透膜的移动框架，反渗透膜内设有复合相变层，移动相变储能单元与自动控制系统连接。本发明克服现有技术中因水流扰动导致斜温层厚度较大的不足，提供的蓄冷系统中，移动相变储能单元可以将冷冻水和回流热水隔开，复合相变层吸热融化并冷却回流热水，确保冷冻水与回流热水之间的微弱扰动，形成较小的斜温层。

Description

一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统
技术领域
本发明属于水蓄冷工程技术领域，更具体地说，涉及一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统。
背景技术
当数据中心冷却散热等工程应用中出现突发供电状况，常常采用水蓄冷系统开始做备用冷源。现有技术中，通常水蓄冷系统(CWS)需要考虑设计的水槽能分隔冷水与回流热水，尽量避免它们两者的混合，否则所蓄冷量就会损失掉。为了实现这一目的，有隔膜法、自然分层法、多槽法、迷宫法等可供选用。其中的核心需求是降低冷热水接触面处斜温层的厚度，及减少界面处的热流扰动。其中近年来，相变储能材料因其突出的储能特性而得到了广泛关注及研究，相变储能方法是利用材料的相变潜热来储存能量，所以具有储热效率高的特点。
如专利申请号：2016111358160，申请日：2016年12月9日，发明创造名称为：一种水蓄冷控制系统及方法，该申请案公开的冷控制系统及方法，其系统包括蓄冷水槽、移动蓄冷盘、升降机构、驱动机构、控制器及若干温度传感器；控制器根据若干温度传感器所检测的蓄冷水槽不同深度位置的水温信号判断出当前斜温层所在位置，再通过驱动机构、升降机构自动把移动蓄冷盘移动至当前斜温层所在的位置。该系统能控制移动蓄冷盘移动到斜温层释放冷量，缩小斜温层的厚度，改善了水蓄冷系统的蓄冷水槽利用率。
该系统中的移动蓄冷盘包括密封外壳，以及封装于密封外壳内的若干相变蓄冷材料，移动蓄冷盘的竖直方向上开通通孔，移动蓄冷盘上下移动时，水流从通孔中以及移动蓄冷盘的侧边流过，由于通孔尺寸较大，水流从通孔中流动时会对蓄冷水槽内的水层产生扰动作用，并不利于斜温层厚度的降低。
综上所述，如何克服现有技术中因水流扰动导致斜温层厚度较大的不足，是现有技术中亟需解决的技术难题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明克服现有技术中因水流扰动导致斜温层厚度较大的不足，提供了一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，移动相变储能单元可以将冷冻水和回流热水隔绝开，复合相变层吸热融化并将回流热水冷却，从而确保冷冻水与回流热水之间的微弱扰动，形成较小的斜温层。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，包括蓄冷罐，分别与蓄冷罐连通的蓄冷单元和放冷单元，蓄冷罐包括顶盖、罐体本体和底盖，顶盖上设有回水口，回水口与其底部设置的上布水器连通，底盖上设有出水口，出水口与其上部设置的下布水器连通；
上布水器与下布水器之间设有移动相变储能单元，移动相变储能单元与罐体本体内侧壁滑动连接，移动相变储能单元包括反渗透膜以及用于固定反渗透膜的移动框架，反渗透膜内设有复合相变层，移动相变储能单元与自动控制系统连接。
作为本发明更进一步的改进，罐体本体内侧壁上沿竖直方向设有滑槽，移动框架包括与该滑槽相配合的滑架，滑架上设有位于反渗透膜上下两侧的固定板。
作为本发明更进一步的改进，固定板之间还设有用于限制反渗透膜变形的限位板。
作为本发明更进一步的改进，反渗透膜与移动框架之间通过导热硅胶粘接固定。
作为本发明更进一步的改进，复合相变层为固态时的体积与反渗透膜的容积比不大于90％。
作为本发明更进一步的改进，复合相变层包括相变温度为4～6℃的相变材料，以及泡沫金属，泡沫金属的孔隙率为30％～50％。
作为本发明更进一步的改进，相变材料为正十四烷。
作为本发明更进一步的改进，上布水器和/或下布水器包括渗透板以及设置于渗透板上的若干个分流板，分流板沿渗透板的中心向罐体本体内侧壁方向呈放射状分布，且若干个分流板端部之间形成用于卡接回水口和/或出水口的卡槽。
作为本发明更进一步的改进，渗透板上还开设有通孔，通孔沿垂直渗透板的方向设置。
作为本发明更进一步的改进，自动控制系统与底盖上的出水口连通，且该连通的管路上设有流量计，自动控制系统根据流量计传递的信号控制移动相变储能单元移动。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，采用移动相变储能单元可以将冷冻水和回流热水隔绝开，回流热水经过移动相变储能单元，其中的复合相变层吸热融化并将回流热水冷却，从而确保冷冻水与回流热水之间的微弱扰动，形成较小的斜温层；同时移动相变储能单元可以利用储冷过程中的谷价电进行降温，提高系统的综合效率；而且相变储能层可以循环使用，十分经济。
(2)本发明的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，利用反渗透膜对复合相变层进行封装，反渗透膜的膜孔径很小，可以将融化后的复合相变材料截留在膜内，同时允许回流热水从中通过，复合相变层吸热发生固-液相变，相变潜热大，对回流热水的降温冷却效率高；同时采用移动框架固定反渗透膜，移动框架上设置的限位板用于限制反渗透膜变形，以减小回流热水从反渗透膜中通过时对水流的扰动作用，降低斜温层厚度。
(3)本发明的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，上布水器和/或下布水器包括渗透板以及设置于渗透板上的若干个分流板，分流板沿渗透板的中心向罐体本体内侧壁方向呈放射状分布，渗透板上还开设有通孔，以优化布水效果，使冷冻水或回流热水均匀分流分布，减轻水流扰动对斜温层的影响。
附图说明
图1为本发明的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统的结构示意图；
图2是本发明中蓄冷罐的结构示意图；
图3为本发明中蓄冷罐的截面示意图；
图4为本发明中上布水器与顶盖的配合示意图；
图5为本发明中上布水器与顶盖的截面示意图；
图6为本发明中顶盖的结构示意图；
图7为本发明中移动相变储能单元的结构示意图；
图8为本发明中移动框架的结构示意图；
图9为本发明中移动相变储能单元的截面示意图；
图10为本发明中下布水器与底盖的结构示意图；
图11为本发明中下布水器与底盖的截面示意图；
图12为本发明中底盖的结构示意图。
附图标记：
100、蓄冷罐；110、顶盖；111、回水口；120、罐体本体；121、滑槽；130、底盖；131、出水口；
200、上布水器；210、第一渗透板；211、第一通孔；212、第一分流板；213、第一卡槽；
300、移动相变储能单元；310、反渗透膜；311、复合相变层；312、过渡层；320、移动框架；321、滑架；322、滑块；323、固定板；324、限位板；
400、下布水器；410、第二渗透板；411、第二通孔；412、第二分流板；413、第二卡槽；
500、自动控制系统；510、流量计；
600、蓄冷单元；610、制冷机组；611、循环泵；612、充冷阀；
700、放冷单元；710、用户端；711、不间断电源；712、放冷泵；713、放冷阀。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。
实施例1
现有技术中水蓄冷系统的工程应用中，为了避免回流热水与冷冻水的混合扰动，通常需要一个单独的回流热水的储备罐，这样水蓄冷工程的成本投入就大大的提高，而采用自然分层法的一体化水蓄冷系统，虽然工程投入成本降低，但是自然分层产生的斜温层厚度要达到50～100mm，大大降低了水蓄冷系统的制冷效率。
为了减小斜温层厚度，现有技术中采用移动的相变层来进行换热，以减小水流扰动。然而，相变储能材料按照相变形式主要可以分为固-液相变和固-固相变，其中固-液相变在吸热发生相变后，液相的相变储能材料具有流动性、容易泄漏，其封装问题较为棘手。当采用封装外壳包裹相变材料时，需要开设相应的孔道以供水流换热，水流涌入孔道，则会增加水流扰动，斜温层的厚度得不到有效削减，故系统制冷效率不佳。
结合图1至图3，本实施例的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，包括蓄冷罐100，分别与蓄冷罐100连通的蓄冷单元600和放冷单元700，蓄冷罐100包括顶盖110、罐体本体120和底盖130，顶盖110上设有回水口111，回水口111与其底部设置的上布水器200连通，底盖130上设有出水口131，出水口131与其上部设置的下布水器400连通；
上布水器200与下布水器400之间设有移动相变储能单元300，移动相变储能单元300与罐体本体120内侧壁滑动连接，移动相变储能单元300包括反渗透膜310以及用于固定反渗透膜310的移动框架320，反渗透膜310内设有复合相变层311，移动相变储能单元300与自动控制系统500连接。
具体在本实施例中，回水口111、出水口131均分别连通蓄冷单元600和放冷单元700，自动控制系统500一端与出水口131连通，另一端连通移动相变储能单元300。蓄冷单元600包括制冷机组610，放冷单元700包括用户端710，比如空调。蓄冷单元600与出水口131连通的管路上设有循环泵611和充冷阀612，蓄冷单元600与回水口111连通的管路上设有充冷阀612；放冷单元700与出水口131连通的管路上设有放冷泵712和放冷阀713，放冷泵712与不间断电源711连接，放冷单元700与回水口111连通的管路上设有放冷阀713，充冷阀612和放冷阀713用于调节蓄冷系统的制冷进程，蓄冷单元600和放冷单元700分别产生冷冻水和回流热水。
本实施例为了提高系统制冷效率，对蓄冷系统进行改造，具体地，在蓄冷罐100的上、下布水器之间设置移动相变储能单元300，可以将蓄冷单元600和放冷单元700产生的冷冻水和回流热水隔绝开，在回流热水从移动相变储能单元300内通过时，移动相变储能单元300内的复合相变层311融化并吸收热量从而冷却回流热水，确保冷冻水与回流热水之间的微弱扰动，形成较小的斜温层；同时移动相变储能单元300可以利用储冷过程中的谷价电进行降温，提高系统的综合效率，而且移动相变储能单元300可以循环使用，十分经济。
此外，结合图7和图8，本实施例中采用反渗透膜310对复合相变层311进行封装，反渗透膜310的膜孔径很小，可以将融化后的复合相变材料截留在膜内，同时允许回流热水从中通过，复合相变层311吸热发生固-液相变，相变潜热大，对回流热水的降温冷却效率高。进一步地，反渗透膜310固定在移动框架320内，移动框架320的形状与罐体本体120相适配，同时为了避免移动框架320阻碍回流热水从反渗透膜310中穿过，移动框架320与反渗透膜310接触面积较小。
实施例2
本实施例的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其结构与实施例1基本相同，进一步地，本实施例自动控制系统500与出水口131连通，且该连通的的管路上设有流量计510，自动控制系统500的另一端连通移动相变储能单元300，自动控制系统500内配置有芯片，通过编写程序对整个系统的温度、流量以及运行状况进行即时监控，以控制各阀门的开关以及相变储能单元300的位置。具体地，本实施例中自动控制系统500可根据流量计510传递的信号控制移动相变储能单元300移动。
本实施例中蓄冷罐100为圆柱形结构，罐体本体120内侧壁上沿竖直方向设有滑槽121，移动框架320包括与该滑槽121相配合的滑架321，具体地，滑架321为与罐体本体120内侧壁相适配的圆柱形结构，滑架321端部设有滑块322，滑块322沿滑槽121滑动以控制移动相变储能单元300的位置，滑架321上还设有位于反渗透膜310上下两侧的固定板323，固定板323为细长条矩形结构，并沿着蓄冷罐100的径向设置。
进一步地，为了减小回流热水从反渗透膜310中通过时对水流的扰动作用，本实施例中固定板323与滑架321之间还设有用于限制反渗透膜310变形的限位板324。具体地，限位板324为设置于固定板323与滑架321之间的环形结构，限位板324也为细长条形结构，并沿着蓄冷罐100的周向设置。
优选的，本实施例中反渗透膜310是pvc反渗透膜，pvc反渗透膜是柔性材料，形状易改变，为了进一步固定反渗透膜310的位置，本实施例中反渗透膜310与移动框架320之间通过导热硅胶粘接固定，以使反渗透膜310表面与移动框架320之间接触的各个面紧紧贴合，限制反渗透膜310变形，减小水流通过时的扰动作用，降低斜温层厚度。
此外，值得说明的是，复合相变层311为固态时的体积与反渗透膜310的容积比不大于90％。复合相变层311为固态时密度较大，受重力作用聚集在反渗透膜310内的底部，若反渗透膜310内填充满复合相变层311，不利于回流热水的透过。因此，本实施例中复合相变层311为固态时的体积与反渗透膜310的容积比不大于90％，剩余空间形成供水流初始涌入的过渡层312，回流热水涌入反渗透膜310内的过渡层312，部分复合相变层311开始发生相变融化，融化后的复合相变层311密度减小，分子分布较为分散，此时有利于回流热水在渗透膜310内运动并透过剩余的复合相变层311，完成回流热水与复合相变层311的换热，实现回流热水的冷却。
结合图9，具体在本实施例中，复合相变层311包括相变温度为4～6℃的相变材料，以及泡沫金属，泡沫金属的孔隙率为30％～50％。泡沫金属可以增大相变材料的热传导，在充冷状态下，提高复合相变层311完成储冷的速度；在放冷状态下，可以加快复合相变层311中固体相变材料的融化，促进在膜内完成降温的低温水分子透过反渗透膜310的下侧，成为冷冻水进行供冷。
优选的，本实施例中相变材料为正十四烷，正十四烷性质较稳定，且不溶于水，对反渗透膜310也不具有腐蚀性；本实施例中泡沫金属选用镍材质，镍材质的泡沫金属导热性较好，且性质稳定。
本实施例的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，通过设置移动相变储能单元300，利用相变材料较高的相变潜热，优化传统蓄冷罐中的自动分层过程，将高温的回水与低温的冷冻水隔开，可以弱化充冷、放冷过程中冷冻水与回水之间的扰动，从而抑制斜温层附近的热量传递；同时利用反渗透膜310把相变材料封装起来，实现对上部回流热水的降温，进一步提高系统的综合效率，以达到均衡、节约能源的目的。本发明的水蓄冷系统，结构简单稳固，综合效率高，具有良好的安全稳定性，可实现对系统运行的实时监测和控制。
实施例3
本实施例的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其结构与实施例1基本相同，进一步地，为了优化布水效果，本实施例中上布水器200和/或下布水器400包括渗透板以及设置于渗透板上的若干个分流板，分流板沿渗透板的中心向罐体本体120内侧壁方向呈放射状分布，且若干个分流板端部之间形成用于卡接回水口111和/或出水口131的卡槽，本实施例中的分流板可焊接在渗透板上。
结合图4至图6，具体在本实施例中，上布水器200包括第一渗透板210以及设置于第一渗透板210上的若干个第一分流板212，第一分流板212沿第一渗透板210的中心向罐体本体120内侧壁方向呈放射状分布，且若干个第一分流板212端部之间组成第一卡槽213，顶盖110上的回水口111通过水管卡设于该第一卡槽213内。
同样的，结合图10至图12，本实施例中下布水器400包括第二渗透板410以及设置于第二渗透板410上的若干个第二分流板412，第二分流板412沿第二渗透板410的中心向罐体本体120内侧壁方向呈放射状分布，且若干个第二分流板412端部之间组成第二卡槽413，底盖130上的出水口131通过水管卡设于该第二卡槽413内。
进一步地，本实施例中渗透板上还开设有通孔，通孔沿垂直渗透板的方向设置。具体地，第一渗透板210上开设有第一通孔211，第一通孔211沿垂直第一渗透板210的方向设置。第二渗透板410上开设有第二通孔411，第二通孔411沿垂直第二渗透板410的方向设置。优选的，第一通孔211和第二通孔411分别均匀分布在第一渗透板210和第二渗透板410上。
本实施例中上布水器200的作用是将回水口111处进入的水进行均匀分流分布，首先第一分流板212将水流进行分流，然后水流在第一渗透板210上向四周扩散，同时通过第一通孔211向下进入蓄冷罐100内。
上布水器200与下布水器400之间的移动相变储能单元300的作用是将冷冻水和回流热水隔开，避免两者的混合扰动，同时上部的回流热水与低温的复合相变层311接触并进行换热，降温后通过反渗透膜310上的膜孔径向下与低温冷冻水混合。复合相变层311中的相变材料具有较高的相变潜热，使得单位相变体积可以储存更多的热量。下布水器400的作用是将出水口131处的冷冻水进行均匀分流分布，防止产生漩涡扰动，影响上部的斜温层。
当工程应用中出现紧急供电状况时，本实施例的水蓄冷系统通过不间断电源711开始顶替工作。蓄冷罐100中的冷冻水经过下布水器400和出水口131，通过放冷泵712的作用到达用户端710进行供冷，生成的回流热水通过放冷阀713到达蓄冷罐100的回水口111，在经过上布水器200的分流后，回流热水均匀进入罐体100，同时根据流量计510的示数即时调整移动相变储能单元300的位置。
放冷结束后，移动相变储能单元300自动升至蓄冷罐100的顶部，在晚间用电低谷时启动蓄冷系统，将蓄冷罐100中的回流热水进行冷却；回流热水通过充冷阀612和循环泵611到达制冷机组610，然后冷却后的冷冻水通过回水口111和上布水器200，穿过复合相变层311并对其进行冷却，最后当自动控制系统500显示罐内水温达到5℃左右时蓄冷完成。
本发明中的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，优势在于系统结构简单，优化了传统水蓄冷系统中自然分层法，使得冷冻水与回流热水处于同一蓄冷罐中时也能尽量不发生混合扰动，节约系统开发成本的同时还提高了水蓄冷系统的整体运行效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其特征在于：包括蓄冷罐(100)，分别与所述蓄冷罐(100)连通的蓄冷单元(600)和放冷单元(700)，所述蓄冷罐(100)包括顶盖(110)、罐体本体(120)和底盖(130)，所述顶盖(110)上设有回水口(111)，所述回水口(111)与其底部设置的上布水器(200)连通，所述底盖(130)上设有出水口(131)，所述出水口(131)与其上部设置的下布水器(400)连通；
所述上布水器(200)与所述下布水器(400)之间设有移动相变储能单元(300)，所述移动相变储能单元(300)与所述罐体本体(120)内侧壁滑动连接，所述移动相变储能单元(300)包括反渗透膜(310)以及用于固定所述反渗透膜(310)的移动框架(320)，所述反渗透膜(310)内设有复合相变层(311)，所述移动相变储能单元(300)与自动控制系统(500)连接；
所述复合相变层(311)被所述反渗透膜(310)封装；
所述复合相变层(311)包括相变温度为4～6℃的相变材料以及泡沫金属，所述泡沫金属的孔隙率为30％～50％。
2.根据权利要求1所述的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其特征在于：所述罐体本体(120)内侧壁上沿竖直方向设有滑槽(121)，所述移动框架(320)包括与该滑槽(121)相配合的滑架(321)，所述滑架(321)上设有位于所述反渗透膜(310)上下两侧的固定板(323)。
3.根据权利要求2所述的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其特征在于：所述固定板(323)之间还设有用于限制所述反渗透膜(310)变形的限位板(324)。
4.根据权利要求1所述的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其特征在于：所述反渗透膜(310)与所述移动框架(320)之间通过导热硅胶粘接固定。
5.根据权利要求1所述的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其特征在于：所述复合相变层(311)为固态时的体积与所述反渗透膜(310)的容积比不大于90％。
6.根据权利要求1所述的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其特征在于：所述相变材料为正十四烷。
7.根据权利要求1～6任一项所述的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其特征在于：所述上布水器(200)和/或所述下布水器(400)包括渗透板以及设置于所述渗透板上的若干个分流板，所述分流板沿所述渗透板的中心向所述罐体本体(120)内侧壁方向呈放射状分布，且若干个分流板端部之间形成用于卡接所述回水口(111)和/或所述出水口(131)的卡槽。
8.根据权利要求7所述的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其特征在于：所述渗透板上还开设有通孔，所述通孔沿垂直所述渗透板的方向设置。
9.根据权利要求7所述的一种基于相变储能蓄冷罐的水蓄冷系统，其特征在于：所述自动控制系统(500)与所述底盖(130)上的出水口(131)连通，且该连通的管路上设有流量计(510)，所述自动控制系统(500)根据所述流量计(510)传递的信号控制所述移动相变储能单元(300)移动。
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