用于冻结相变材料的换热系统及其方法技术方案

一种换热系统，包括：储罐，装在储罐中的相变材料(PCM)，装在储罐中的不混溶性液体层，位于不混溶性液体层内的换热器，以及位于换热器上方的分配器。不混溶性液体层的密度低于PCM的密度，并且不混溶性液体层位于PCM上方。分配器被配置为将多个PCM液滴引入到不混溶性液体层中以及换热器上方。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于冻结相变材料的换热系统及其方法
本文公开的一个或多个实施例涉及用于在相变材料和冷却流体之间进行高效换热的系统和方法，以及用于储能系统的系统和方法。
技术介绍
能量存储可在需求高峰时段缓解电网压力(例如，减少空调负荷)。热能存储系统是可商购的，但是它们由于静态特性而具有较差的传热速率。在冻结期间，阻热的冻结层会粘附到换热器表面，而在熔化期间，静态液体包围换热器。为了弥补低传热速率，使用大面积的换热器，这增加了系统的成本。市售的基于冰的储热系统通过使传热流体通过浸没在水浴中的一大堆管子来运行。通过这种设计，获得了简易性，却损失了效率、成本和能量密度。关于效率，直接在冷却盘管上冻结非流动水会增加传热热阻——使得需要较大的表面积用于传热。大量的管道(特别是铜制的管道)增加了系统的成本。在存储罐内部，管道所占据的体积不能被冰占据，进一步降低了整体热能存储密度。实际上，冻结非流动的相变材料(PCM)在整个热能存储领域中是很普遍的，该技术已用于石蜡质PCM和水合盐PCM。除了静态冻结外，工业中还有许多其他常用的制冰技术，例如通过使水连续流过外表面以在该表面上冷冻成冰。一旦冻结了令人满意数量的材料，就将表面加热，从表面除去冰。但是通过重新加热材料以对其进行去除，不必要地浪费了能量。美国专利第8,720,211号公开了这种系统。在其他常规系统中，将冰冻结在管状表面的内侧，并且使用机械刮刀连续地从表面刮下材料。但是刮取所需的能量非常大，并且机械除冰会导致系统磨损。在其他常规系统中，将水放入开放的刚性容器中，并从顶部开始冷却。由于水从顶部向下冻结时产生压缩力，冰会从表面脱落。然后将容器倒置，冰掉出来，过程重新开始。其中的挑战包括传热限制以及不一致的自释放。在其他常规系统中，通过使盐溶液与冷的轻质溶剂气泡直接接触来生产冰浆。这样的系统可能不会产生一致的冰浆，因为一定量的轻质溶剂可能会溶解在盐溶液中，从而改变水的冻结温度。美国专利申请公开第2016/0273819号公开了这样的系统。
技术实现思路
本文公开的一个或多个实施例涉及一种换热系统，该换热系统包括：储罐，装在该储罐中的相变材料(PCM)，装在该储罐中的不混溶性液体层，位于该不混溶性液体层内的换热器，以及位于该换热器上方的分配器。所述不混溶性液体层的密度低于所述PCM的密度，并且所述不混溶性液体层位于所述PCM上方。所述分配器被配置为将多个PCM液滴引入到所述不混溶性液体层中以及所述换热器上方。本文公开的其他实施例涉及一种储能系统，该储能系统包括：储罐，装在该储罐中的相变材料(PCM)，装在该储罐中的不混溶性液体层，位于该不混溶性液体层内的换热器，以及位于该换热器上方的分配器。所述储能系统还包括换热器入口和换热器出口，其中所述换热器入口和所述换热器出口在蓄放期间在所述储能系统与一个或多个处理单元之间提供热连通。本文公开的其他实施例涉及一种储能方法，该储能方法包括通过冻结液态PCM来使储能系统蓄积以及通过熔化冻结的PCM来使储能系统排放。所述储能方法防止冻结的PCM在蓄积期间在所述换热器上累积。根据以下描述和所附权利要求，其他方面和优点将显而易见。附图说明图1是根据本文公开实施例的热能存储系统的图示。图2A是根据本文公开实施例的翅片管式换热组件的图示。图2B是根据本文公开实施例的盘管式换热组件的图示。图2C是根据本文公开实施例的盘管式换热组件的图示。图3是根据本文公开实施例的用于冻结PCM的换热方法的图示。图4A是根据本文公开实施例的能量存储蓄积方法的图示。图4B是根据本文公开实施例的能量存储排放方法的图示。图5是根据本文公开实施例的能量存储排放方法的图示。具体实施方式本文公开了一种低成本并且可以提高大规模热能存储的传热效率和能量密度的换热系统及其方法。液态PCM可以在换热器表面上移动，而不是将非流动PCM直接冻结在冷却表面上。由于冻结的材料与换热器表面的粘附力弱，冻结的PCM可以在其形成时通过重力被连续地移除。通过选择换热器表面材料以及润滑的不混溶性流体，可以将换热表面设计为“疏冰性”的，从而限制PCM与换热器表面之间的粘附力。通过维持用于冻结的原始传热表面，换热器可以比传统的冷冻换热器小十倍。在本文公开的一个或多个实施例中，换热器的表面可以涂覆有疏水性或疏冰性的聚合物材料。应用光滑的聚合物表面是提高基底材料的疏冰性的最简单选择。由于这样的涂层，表面处的疏水薄液层不能承受剪切应力，冻结的材料可以通过流动或诸如重力的其它力来移除。本文中的一个或多个实施例公开了一种用于传热的系统。该系统可以包括储罐、换热器、传热流体、不混溶性流体、相变材料(PCM)以及液滴分配系统。该系统可以允许存储非高峰热能以用于高能量需求时段。在一个或多个实施例中，PCM可以是水或盐水。PCM还可以包括一种或多种冰成核剂，例如但不限于碘化银或丁香假单胞菌(或从中提取的灭活蛋白)。冰成核剂可以限制或防止PCM的过冷、滞后，从而产生可预测的PCM凝固点。PCM还可以包括一种或多种抗生物成分，以抵抗系统中生物的生长。在一个或多个实施例中，PCM可以是超过50％的水(例如超过75％、80％、85％、90％、95％、98％或99％的水)，其余为盐、酸或碱、蛋白质以及成核剂中的一种或多种。进一步，传热流体可以是基于乙二醇的流体、诸如R134a的蒸发制冷剂或其他制冷剂中的一种或多种。在一个或多个实施例中，系统可以通过将PCM引到换热器上而以蓄积模式运行。可以使冷的传热流体穿过换热器，其将分布在换热器上的液态PCM液滴的热量传导出去，导致液滴在与换热器表面失去接触之前部分冻结。在排放模式下，换热器使热量从热的传热流体向冻结的PCM传导。在一个或多个实施例中，排放模式可以通过从储罐中泵送液态PCM至处理单元换热器并将加热后的液态PCM送回储罐(加热后的液态PCM与固态PCM接触的地方)，使用液态PCM来传导来自一个或多个处理单元的热量。换热器的内表面与传热流体接触，该传热流体流动并与换热系统和储热系统外部的设备相互作用。换热器的外表面可以涂有疏水性或疏冰性材料，并且可以与不混溶性流体以及PCM液滴接触。不混溶性流体包围换热器，并且可以占据PCM未占据的体积。在一个或多个实施例中，不混溶性流体的密度可以小于液态PCM和固态PCM的密度，并且固态PCM的密度可以小于液态PCM的密度。因此，当液态PCM、固态PCM和不混溶性流体在储罐中，它们可以形成分离且不同的层，其中液态PCM在底部，固态PCM在中间，不混溶性流体在顶部。这种分层可以允许液态PCM以液滴或材料包的形式穿过不混溶性流体。PCM液滴可以与换热器进行热接触，以使液态PCM和换热器中冷的传热流体之间交换热能。在蓄积期间，可以使用液滴分配系统使液态PCM在进入不混溶层之前分配为小液滴。换热器可以完全位于不混溶性流体层内，而液滴分配系统可以位于换热器上方且位于不混溶性流体内，或者位于不混溶性流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种换热系统，包括：/n储罐；/n装在所述储罐中的相变材料(PCM)；/n装在所述储罐中的不混溶性液体层，其中，该不混溶性液体层的密度低于所述PCM的密度，并且该不混溶性液体层位于所述PCM上方；/n位于所述不混溶性液体层内的换热器；以及/n位于所述换热器上方的分配器，该分配器被配置为将多个PCM液滴引入到所述不混溶性液体层中以及所述换热器上方。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180404 US 62/652,5441.一种换热系统，包括：
储罐；
装在所述储罐中的相变材料(PCM)；
装在所述储罐中的不混溶性液体层，其中，该不混溶性液体层的密度低于所述PCM的密度，并且该不混溶性液体层位于所述PCM上方；
位于所述不混溶性液体层内的换热器；以及
位于所述换热器上方的分配器，该分配器被配置为将多个PCM液滴引入到所述不混溶性液体层中以及所述换热器上方。


2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换热器涂覆有疏冰性聚合物涂层。


3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述疏冰性聚合物涂层选自由聚六氟丙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、氟化乙烯丙烯(FEP)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚三氟乙烯或其组合组成的组。


4.根据权利要求1所述的系统，其中，所述PCM为水，并且可选地包括冰成核剂或盐中的一种或多种。


5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述PCM的凝固点在-10℃至10℃之间。


6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述分配器是喷雾喷嘴。


7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述换热器是板式换热器。


8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述换热器还包括：
多个管程；以及
一个或多个板，所述一个或多个板包括：
与水平方向成45°至90°的板角；
10英寸至12英寸的板长；并且
其中，所述板是中空的，以允许换热流体穿过所述板行进。


9.根据权利要求1所述的系统，还包括位于所述储罐外部的一个或多个次级存储容器。


10.一种储能系统，包括根据权利要求1所述的换热系统，所述储能系统还包括：
换热器入口和换热器出口，其中所述换热器入口和所述换热器出口在蓄积和排放期间在所述储能系统与一个或多个处理单元之间提供热连通。


11.根据权利要求10所述的储能系统，还包括位于所述储罐外部的一个或多...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·伊希梅尔，L·阿托扬，G·J·伊里夫，
申请(专利权)人：活化能量系统公司，
类型：发明
国别省市：美国;US