JP2022502625A - 蓄熱容器内の流体の流れ - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、米国仮特許出願第62/824,914号(出願日:2019年3月27日)、米国仮特許出願第62/824,575号(出願日:2019年3月27日)、および米国仮特許出願第62/824,541号(出願日:2019年3月27日)の優先権を主張し、これらの特許出願は、国際特許出願第PCT/IB2018/001091号(出願日:2018年9月25日)の優先権を主張し、この国際特許出願は、米国仮特許出願第62/685,147号「CONFIGURABLE THERMAL ENERGY STORAGE ARRAY」(出願日:2018年6月14日)および米国仮特許出願第62/562,562号「CONFIGURABLE THERMAL ENERGY STORAGE ARRAY」(出願日:2017年9月25日)の優先権を主張する。
流体を、流体注入口を介して蓄熱容器の中に挿入するステップと、
蓄熱容器のセクションの内側で、流体と、凍結した相変化物質との間で熱を交換するステップと、
流体の流れ方向を、蓄熱容器の長手方向に対して少なくとも30゜だけ修正するステップと、
蓄熱容器の別の部分において、交換するステップおよび修正するステップを少なくとももう1回繰り返すステップと、
流体を、蓄熱容器から流体吐出口を介して出力するステップと、
を含む、方法、を提供する。
流体を流体注入口を介して蓄熱容器の中に挿入するステップと、蓄熱容器のセクションの内側で、流体と、凍結した相変化物質との間で熱を交換するステップと、流体の流れ方向を、蓄熱容器の長手方向に対して少なくとも30゜だけ修正するステップと、蓄熱容器の別の部分において、交換するステップおよび修正するステップを少なくとももう1回繰り返すステップと、流体を、蓄熱容器から流体吐出口を介して出力するステップと、を含む、方法、を提供する。
1.以下を含む熱の伝達の面積
i.カプセル715内側の氷材料(例:塊)の有効伝達面積(熱伝達はカプセルの壁の内部表面積全体から始まり、氷材料が溶け始めると減少し、氷の形成時はこの逆である)
ii.カプセルの壁の内側面積(すなわちカプセルの材料への氷/水の熱伝達面積)
iii.カプセルの壁の外側面積(すなわち第1の流体への外側熱伝達面積)
2.以下を含む熱伝達率(HTC)
i.第2の流体(すなわち氷から水(融解)または水から氷(凍結))
ii.カプセル内側の水のさらなる影響(すなわちカプセルの内側から水自体を通じた熱伝導)
iii.第2の流体からカプセル材料(いわゆる膜HTC、すなわち例えばカプセル内側の第2の流体の循環に依存する境界効果)
iv.カプセル材料自体、例えばポリマ(すなわちカプセルの材料自体の熱伝導)
v.カプセルの材料から第1の流体(例えばカプセルの外側を流れる第1の流体の速度および乱流に依存する境界効果)
3.以下を含む温度差
i.カプセルの内部と第1の流体の間の合計温度差
ii.段階2i〜2vあたりの個々の差
1i 氷材料(塊)の表面積は放熱プロセス中に著しく減少する。減少率は、必ずしも溶けた氷の割合に対して線形関係ではない。
2v カプセル材料から第1の流体120への熱伝達率は、第1の流体120の流れ特性に大きく依存する。氷が溶けることにより流路の空間が大きくなり続ける(カプセルが「水で満たされたときのサイズ」まで収縮する)結果として熱伝達流体の速度が減少し、それとともにプラスチックから熱伝達流体表面への熱伝達率(HTC)が低下する(流れのレイノルズ数によっては、必ずしも溶けた氷の割合に対して線形比例しない)。
本発明のいくつかの実施形態の一態様は、熱システムにおける蓄熱容器であって、蓄熱容器の内側で熱交換面に隣接する長い流路を有する熱交換流体によって熱を交換する、蓄熱容器、に関する。
潜在的な欠点としては、ブリックを直列に接続しないときより、またはブリックを短い直列に接続するときよりも、大きい圧力降下が発生しうる。
図10Aおよび図10Bを参照し、これらの図は、本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の内側の熱交換流体の流れの簡略概略図である。
図11を参照し、図11は、本発明のいくつかの実施形態に係る、蓄熱容器の内側で熱交換流体を流す方法の簡略流れ図である。
図12A〜図12Eを参照し、これらの図は、本発明のいくつかの実施形態に係る蓄熱容器の側面図および断面図の簡略概略図である。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器の内部レイアウトは、蓄熱容器の内側の流体の流路を制御するように定義される。いくつかの実施形態においては、内部のレイアウトによって流れの向きが変化し、結果として蓄熱容器の長さに沿って蛇行する流れパターンが得られる。
いくつかの実施形態によれば、蓄熱容器内で熱交換面の上の流れの長さを延ばすことは、蓄熱容器内に配置されている1つまたは複数のカプセル上で二方向に流れるように流れを導くことによる。
本明細書の他の個所で説明し、図2R、図7A、図12A〜図14に示したように、いくつかの実施形態に係るカプセルは、他の面より大きい表面積の2つの面を有する箱状または板状のカプセルである。いくつかの実施形態によれば、より大きい2つの面は、熱交換面の役割を果たす。
いくつかの実施形態によれば、熱システムは、上に定義されるような複数の蓄熱容器を含む。いくつかの実施形態においては、熱システムは、同じ内部の向きおよび構造を有する複数の蓄熱容器を含む。いくつかの実施形態においては、熱システムにおける蓄熱容器は、均一な外形寸法を有する。いくつかの実施形態においては、熱システムにおける蓄熱容器は、均一な蓄熱プロファイル(例:蓄熱率、蓄熱容量)を有する。いくつかの実施形態においては、熱システムにおける蓄熱容器は、均一な放熱プロファイル(例:放熱率、放熱温度)を有する。
本発明のいくつかの実施形態においては、容器内の流路の長さ(例:流れの80%に対応する中央値の経路長)は、例えば1〜100メートルの間、例えば1〜20メートルの間、20〜50メートルの間、50〜100メートルの間、および/または中間の値、またはより長い経路(100〜200メートルの間もしくはそれ以上など)である。本発明のいくつかの実施形態においては、この長さは、15〜20メートルの間(例えば約16メートル)である。
AFFCAp=(TCSA−(CCSA−LS+CCSA−FS)/2×CPS)/CPS
式中の変数は次のように定義される。
AFFCAp:カプセルあたりの平均の自由流れ切断面積
TCSA:チューブの全体的な利用可能断面積712A(図7Bを参照)
CCSA−LS:第2の流体の液体状態(すなわち放熱された状態、図7Cを参照)におけるカプセル断面積715
CCSA−FS:第2の流体の凍結状態(すなわち蓄熱された状態、図7Dを参照)におけるカプセル断面積715
CPS:平行に設置されたカプセル715の数
ガンマ比はいくつかの要因によって決まるが、そのいくつかとしてカプセルの特性および流路の特性が挙げられる。
GR=K*(1/CP*HTC)
式中、Kは実験的因子である。
CP(カプセルの性能)を改善する(高める)代表的な因子は以下である。
カプセルの容積に対するカプセルの面積の比(cm2/cm3)
カプセルの壁の厚さの逆数(1/cm)
カプセルの壁の材料(熱伝導率)(W/(m*K))。いくつかの非制限的な例として、高密度ポリエチレン(HDPE)の熱伝導率は、約0.5(W/(m*K))、アルミニウムの熱伝導率は、約200(W/(m*K))である
内部の熱伝達片の使用
HTC(熱伝達率)を改善する(高める)代表的な因子は以下である。
蛇行形状を有するように構成された流路長さ
流れの、高い平均レイノルズ数。この値は一般には流速および「流れ切断面積」の水力直径に依存する。
局所レイノルズ数(Local Reynolds number)。この値は、いくつかの非制限的な例として、流路に沿ったカプセルの向きの変化、カプセルの壁における突起、流路に含まれる乱流発生器、に依存する。乱流発生器とは、層状の境界層を乱流の境界層にする装置である。乱流発生器としては、バッフル、角度のついた金属片、らせん状のブレード、コイル状のワイヤが挙げられ、流路内に挿入される。
カプセルの所与の構造(形状および材料)における貯蔵容量の放熱割合を高める目的で、1つの可能な構成は、ブリックを直列に接続することである。
必要な流れは、オプションとして必要な放熱率および(熱交換器の注入口と吐出口の間の)温度差によって決まる。
放熱率は、ブリックセットの蓄えられた冷却容量および目標期間によって影響される可能性があり、したがって、より多数のブリックが直列に接続されている場合、所望の放熱期間を維持するためには、より高い放熱率が要求される可能性がある。
圧力降下は、移動距離の長さに、流速の2乗を乗算した値に比例するため、圧力降下はブリック数の増大の3乗に比例する。
以下は非制限的な例である。
直列構造における2つのブリックを、直列構造における3つのブリックに増やす場合:
A)2つのブリックにおける基準値の例は以下である。
・容量:2×10=20RTH
・所望の放熱期間:4時間
・計算上の放熱率:5RT
・計算上の放熱流量(温度差5℃に基づく):5×0.6=3m2/時
・放熱の第1段階中の圧力降下:0.3バール(一般的な試験結果)
B)3つのブリックの場合に上の例の値を使用する。
・容量:3×10=30RTH
・所望の放熱期間:4時間
・計算上の放熱率:7.5RT
・計算上の放熱流量(温度差5℃に基づく):7.5×0.6=4.5m2/時
・放熱の第1段階中の圧力降下:0.3×1.53=0.3×3.375=1.0125バール
3つのブリックの場合の圧力降下は、一般的な所望の限界値より高いものと考えられる。
より下流の蓄熱容器を迂回するために熱伝達流体の流路を開く目的で、制御信号を流れ制御機構に供給するステップ(2404)
蓄熱容器がその容量の高い割合まで凍結すると、出てくる熱伝達流体(HTF)の温度は、要求されるより冷えていることがある。蓄熱システムから伝達されるエネルギは、システムを出る熱伝達流体(HTF)の流量と、熱伝達流体(HTF)の温度とに依存する。
可変周波数ドライブ(VFD:Variable Frequency Drive)を使用して、可変速度のポンプ動作を提供する
例えば、出ていく熱伝達流体(HTF)の温度が5℃ではなく2℃であるときには、比5/8(=0.6)だけ流れを減らすことができる。
102/150 チラー
104 流体分配システム
105 コントローラ
106 ポンプ
107 流れ制御機構
108〜108T 配管
109 監視要素
110 アレイ
112,112B,112C,112D 氷ブリック
114,114C,114Cy 氷カプセル
120 第1の流体
122 第2の流体
124 第3の流体
126 空気
130 冷却負荷
140 エアコンプレッサ
142,152,170 熱交換器(HE)
202 充填ノズル
204 狭い側面のスペーサ
206 広い側面のスペーサ
220 長方形の容器
222 取り付けブラケット
224 注入管/吐出管
226 端部パネル
227 支持パネル
228 相互接続配管
232 下部架台
250,252 隆起部
254 下側部
256 上側部
260 突起
290 一般的な流れの方向
291 蛇行パターン
500 放熱プロセス
520,520A,520B サブセット
600,620 スペーサ
602 フラップ
603 突起
621 垂直棒
622 水平棒
624 隙間
630 流れ領域
640 曲線矢印
650 流れ
712 チューブ
712A チューブの断面全体
713A 前端要素
713B 後端要素
714A 注入口
714B 吐出口
715 カプセル
716 スペーサ
717 カプセルのスタック
718 流路
718A 第2の流体の液体状態における自由流れ断面領域
718B 第2の流体の凍結状態における自由流れ断面領域
Claims (28)
- 熱システムにおいて使用される蓄熱容器であって、前記蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る流体の流れによって熱を交換することを目的とし、前記蓄熱容器が、
蓄熱容器ハウジングと、
流体注入口および流体吐出口と、
前記相変化物質を含み、前記流体の流れを前記ハウジング内側の異なる部分に導くように構成されている複数の通路を画成する、1つまたは複数のカプセルと、
を備えており、
前記流体注入口から前記流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、前記流体が中を流れるすべてのセクションを通じて前記流体注入口と前記流体吐出口の間で測定される直接的な長さよりも長い、
蓄熱容器。 - 前記流体注入口から前記流体吐出口までの前記実際の流体の流れの長さが、前記流体が中を流れるすべてのセクションを通じて前記流体注入口と前記流体吐出口の間で測定される直接的な長さの2倍よりも長い、請求項1に記載の蓄熱容器。
- 前記容器内の流路に沿った平均流れ断面積と、前記容器内のすべての前記カプセルの合計熱交換面積との間の比として4.5×10−5〜45×10−5を有する、請求項1または請求項2に記載の蓄熱容器。
- 前記容器内の流路に沿った平均流れ断面積と、前記容器内のすべての前記カプセルの合計熱交換面積との間の比として1×10−5〜100×10−5を有する、請求項1または請求項2に記載の蓄熱容器。
- 150cm/cm2より大きいガンマ比を有し、前記ガンマ比が、熱伝達流体の流路のセンチメートル(cm)単位での直線長さと、カプセルあたりのcm2単位での自由流れ断面積との間の比として定義される、請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
- 前記複数の通路が、前記ハウジングの内側で前記流体の蛇行流を引き起こすように構成されている、請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
- 1つまたは複数の上流のカプセルが、前記ハウジングの下流に配置されている1つまたは複数の下流のカプセルに対して横向きに前記ハウジング内に配置されている、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
- 長手方向軸が前記蓄熱容器を通って定義されており、1つまたは複数のカプセルが、1つまたは複数の下流のカプセルに対して長手方向軸を中心として少なくとも30゜の角度の向きを有する、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
- 1つまたは複数のカプセルが水平方向であり、1つまたは複数のすぐ下流のカプセルが垂直方向である、請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
- 前記カプセルを通じた前記流体注入口から前記流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、一般的な流れの方向において前記流体注入口と前記流体吐出口の間で測定される長さよりも長い、請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
- 前記蓄熱容器内に配置されている前記カプセルが、前記カプセルの輪郭の間に隙間を画成する、凹状の外形および凸状の外形の組合せを有する、請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
- 前記カプセルが金属片を含み、前記金属片の長さが前記カプセルの幅よりも長い、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
- 前記蓄熱容器が、1つまたは複数の乱流発生器を備えている、請求項1から請求項11のいずれか一項に記載の蓄熱容器。
- 蓄熱容器の中を流れる流体によって熱を交換する方法であって、
前記流体を、流体注入口を介して前記蓄熱容器の中に挿入するステップと、
前記蓄熱容器のセクションの内側で、前記流体と、凍結した相変化物質との間で熱を交換するステップと、
前記流体の流れ方向を、前記蓄熱容器の長手方向に対して少なくとも30゜だけ修正するステップと、
前記蓄熱容器の別の部分において、前記交換するステップおよび前記修正するステップを少なくとももう1回繰り返すステップと、
前記流体を、前記蓄熱容器から流体吐出口を介して出力するステップと、
を含む、方法。 - 前記修正するステップが、前記蓄熱容器の内側で前記流体の蛇行流を引き起こすことによる、請求項14に記載の方法。
- 前記セクションを通じた前記流体注入口から前記流体吐出口までの実際の流体の流れの長さが、前記流体が中を流れる前記セクションすべてを通じて前記流体注入口と前記流体吐出口の間で測定される直接的な長さよりも長い、請求項14または請求項15に記載の方法。
- 前記交換するステップが、前記セクションに配置されている1つまたは複数のカプセルとの交換である、請求項14から請求項16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記修正するステップが、前記セクションに配置されている1つまたは複数のカプセルの向きを変化させることによる、請求項14から請求項17のいずれか一項に記載の方法。
- カプセルの熱交換面の上に乱流を発生させるステップ、をさらに含む、請求項14から請求項18のいずれか一項に記載の方法。
- カプセルの熱交換面の上に蛇行流を発生させるステップ、をさらに含む、請求項14から請求項19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記修正するステップが、前記蓄熱容器内で乱流と蛇行流との間で流れを交互に変えることによる、請求項14から請求項20のいずれか一項に記載の方法。
- 流体の流れが、前記蓄熱容器内の前記流体の流路の少なくとも35%において強い乱流である、請求項14から請求項21のいずれか一項に記載の方法。
- 流体の流れが、前記蓄熱容器内の前記流体の流路の少なくとも35%において100W/(m2*K)を超える熱伝達率を生成する、請求項14から請求項22のいずれか一項に記載の方法。
- 蓄熱システムであって、
熱システムにおいて使用される複数の蓄熱容器であって、前記蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る流体の流れによって熱を交換することを目的とする、前記複数の蓄熱容器と、
熱伝達流体入力部と、
少なくともいくつかの前記蓄熱容器を直列に接続する配管と、
流れ制御機構と、
熱伝達流体出力部と、
を備えており、
前記流れ制御機構が、熱伝達流体が前記蓄熱容器の中を通ることなく前記蓄熱容器を迂回して前記熱伝達流体出力部に達することを可能にするように、構成されている、
蓄熱システム。 - 前記流れ制御機構が、電動弁であり、前記電動弁を制御するコントローラをさらに備えている、請求項24に記載の蓄熱システム。
- 前記コントローラが、通信線を通じて制御命令を受信するように構成されている、請求項25に記載の蓄熱システム。
- 前記流れ制御機構が圧力逃し弁である、請求項24に記載の蓄熱システム。
- 蓄熱容器の中を流れる熱伝達流体によって熱を交換する方法であって、
蓄熱システムを提供するステップであって、前記蓄熱システムが、
前記蓄熱容器の内側に配置されている相変化物質を通る熱伝達流体の流れによって熱を交換するための、熱システムにおいて使用される複数の蓄熱容器と、
熱伝達流体入力部と、
少なくともいくつかの前記蓄熱容器を直列に接続する配管と、
流れ制御機構と、
熱伝達流体出力部と、
を備えており、
前記流れ制御機構が、熱伝達流体が前記蓄熱容器の中を通ることなく前記蓄熱容器を迂回して前記熱伝達流体出力部に達することを可能にするように、構成されている、
ステップと、
前記熱伝達流体がより下流の前記蓄熱容器を迂回するための流路を開くための制御信号を、前記流れ制御機構に供給するステップと、
を含む、方法。
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