潛熱存儲單元的混合容器及其操作方法與流程

本發明涉及一種潛熱存儲單元的混合容器的操作方法，其中蓄熱流體在液相和固相之間變化，并且當處于液相時，其與導熱流體混合，由此在蓄熱流體和導熱流體之間傳遞熔化熱，由此液體蓄熱流體不溶于導熱流體，由此液體蓄熱流體的密度高于導熱流體，并且由此在從蓄熱流體傳熱到導熱流體之后，再次分離導熱流體和蓄熱流體。

具有或不具有混合容器的潛熱儲存單元是許多專利或專利申請的主題，例如德國專利申請de4314509a1或德國專利說明書de2607168c3。采用這種方法的基本步驟是，在從蓄熱單元排出能量的期間，凝固或固化的蓄熱流體與液體蓄熱流體可靠而完全地分離，并且特別的，由于導熱流體不斷地被冷卻到低于蓄熱流體的凝固溫度，兩者完全從導熱流體分開，并且因此用于冷卻導熱流體的外部熱交換器被固體蓄熱流體堵塞，如果蓄熱流體沒有完全從導熱流體中去除的話。固體和液體蓄熱流體的可靠分離是重要的，因為液體蓄熱流體是不斷的需要的，以便與導熱流體接觸，因此如果它被不必要的移動，并且如果它也再次與傳熱流體混合，固體蓄熱流體只會破壞該過程。此外，通常，導熱流體(在這種情況下，優選煤油或辛烷)比蓄熱流體(在這種情況下，優選為水)要貴得多，以至于在該過程中導熱流體的數量應保持盡可能的小，并且最重要的是，導熱流體和蓄熱流體以混合形式存在的區域應盡可能的小。德國專利申請de4314509a1重復地指出，上述分離問題對于該方法和該裝置是至關重要的。在德國專利de2607168c3中，已經認識到，歸根結底，導熱流體和蓄熱流體的分離是處理該主題的所有方法的關鍵。如果用簡單的措施不能實現這種分離，那么為了所有實際的目的，這些方法是不能使用的，這就是為什么沒有一個專利方法被大量使用的原因。德國專利申請de4314509a1還描述了如何通過聚結器實現導熱流體和蓄熱流體的分離。

這里提出的本發明沒有聚結器，并且通過一直新穎方法解決了該問題，包括利用混合容器的幾何形狀，連同利用一種在能量轉移期間特別通過這種混合容器的新穎的流體通路，其中流體通道用于導熱流體和蓄熱流體。

目的

本發明的目的是在潛熱存儲單元的混合容器中配置蓄熱流體和導熱流體的混合和分離，使得在液體蓄熱流體和液體導熱流體已經混合在一起之后，進行導熱流體，液體和固體蓄熱流體的完全分離，使得固體蓄熱流體可以以簡單的方式儲存，并且液體蓄熱流體始終可用于循環處理，而液體導熱流體在沒有或幾乎不加入任何固體蓄熱流體的情況下循環。

解決方案

在現有技術的背景之前，根據本發明提出，為了混合目的，將導熱流體從循環系統中取出，并且在吸收凝固熱之后將其返回到循環系統。在這種情況下，導熱流體總是以液體形式存在，并且它經常被冷卻，例如通過恒定地向熱泵處理的熱側釋放有用的熱量的熱泵。

為了使蓄熱流體混合，將其分散成許多液滴。以液滴的形式進行處理增加了蓄熱流體相對于其體積的表面積，使得隨著平均液滴直徑減小，熱交換表面積的大小相應地增加。

蓄熱流體被放置在混合容器中，其頂部填充有導熱流體，或通過混合容器導熱流體不斷流動，并且其底部填充有液體蓄熱流體，或通過混合容器蓄熱流體不斷流動，借此優選的，一薄的氣體層，例如空氣，也被捕獲在導向混合容器的蓄熱流體的出口和導熱流體的表面之間的鐘形體中，使得由于與較冷的導熱流體的接觸，離開的蓄熱流體不會在滴液裝置的出口處凍結。然而液體導熱流體和液體蓄熱流體的最佳和最均勻的可能的混合發生在混合容器的上部，以便實現兩種流體之間的熱交換并由此產生固體導熱流體，憑借混合容器的幾何結構，并由此憑借通過混合容器的流體通路，在混合容器的下部實現了導熱流體，液體或固體蓄熱流體之間的分離。由于蓄熱流體在固態或液態下，具有比導熱流體更高的密度，所以它在后者中下沉，其結果是液體蓄熱流體和固體蓄熱流體隨后在混合容器中的導熱流體和蓄熱流體之間的邊界層處不斷地離開，并且根據本發明，所述液體和固體蓄熱流體在流出部位立即從邊界層被帶走，然后在其流入固體蓄熱流體和液體蓄熱流體的進一步過程中分離，使得固體蓄熱流體儲存在冰儲存器中，而液體蓄熱流體再次在處理中可用。

在這種類型的方法中，導熱流體以及固體和液體蓄熱液體的混合物通常在邊界層形成，并且這些混合物或者不能再被彼此整齊地分離，其結果是使得設想的處理停滯不前，或者由于固相積聚在混合容器內并繼續增加到更大的程度，所以固體蓄熱流體相阻擋了混合容器內部的處理。通常不可避免的是，由于劣質的和特別緩慢的分離，大量的導熱流體限制在邊界層附近，因此不能用于實際處理，即混合容器中的熱交換。這里提出的發明正是避免了這種情況。

根據本發明，圖1示出了具有冰儲存器2的潛熱存儲單元1。如果希望環境熱量被儲存器吸收，則冰儲存器2例如是適合于安裝在地面中的市售水儲存器，或者例如用于安裝在地面以上的地方，然后如果儲存的冷氣可以隨后用于冷卻過程，那么它應該被良好地隔熱。混合容器3，通過略微下降或水平設置或略微上升的管道4，連接到冰儲存器2。導熱流體5，被填充到并流經，混合容器3的上部7中，借此附加的導熱流體5經由管道6保持恒定地流入混合容器的上部7，并通過泵8再次從混合容器3中排出(或者，流動方向也可以通過轉動泵8翻轉，也就是說，導熱流體5通過泵8被引入混合容器3中，并通過管道6從中排出)。在該過程中，導熱流體5在熱交換器21中不斷地被冷卻。根據本發明，混合容器3被構造成使得在與混合容器的上部7相鄰的位置處具有垂直或幾乎垂直的管道15，其首先有一個彎曲9，然后有一個過渡，直到一個足夠長的斜面10。代替彎曲9的是，由該彎曲9實現的流動方向的變化也可以通過一個或多個部分彎頭完成，這是對流體的摩擦損失產生積極影響的措施。從混合容器的上部7流出的流體與邊界層12附近的蓄熱流體11的流動方向之間的流動變化的角度29為92°～178°。液體蓄熱流體11通過滴水裝置13經由管路19被引入到混合容器的上部7，由此將混合容器的上部7配置在滴水裝置13上，使得滴水裝置13位于鐘形體27下方的氣墊14中，使得液體蓄熱流體11不與冷導熱流體5直接接觸，其結果是，滴液裝置13不能凍結。

作為上述將導熱流體5和蓄熱流體11引入混合容器的上部7的替代方案，也可以如圖4所示構造進行導入。與之前一樣，蓄熱流體11通過管道19被引入滴水裝置13中，滴水裝置位于氣體空間14中，氣體空間可以通過填充和排空管線32形成并且其尺寸是可調節的。混合容器的上部7由附加的容器31包圍，容器緊密地包圍混合容器的上部7，使得首先通過管道6將導熱流體5引入到容器31中，并從那里經由可滲透的壁33，進入混合容器的上部7。該壁可以例如由塑料或金屬制成，并且可以是高度穿孔的，同樣地，壁可以由金屬絲網或其它可滲透材料制成，可滲透材料允許導熱流體5的均勻通過。這種結構防止了冰分散在混合容器的上部7中，因為形成在滴水裝置13下面的冰由于從混合容器的上部7的外部流入的導熱流體5而遠離壁33。

導熱流體11向下流過混合容器3，其內的導熱流體5同樣的向下流動，并且由于混合容器3的幾何形狀，并且由于導熱流體11的密度較高，后者被迫集中在斜面10上，并且從斜面10上流到邊界層12，然后使得液體和固體蓄熱流體11在邊界層12的高度處在斜面10的底部處，即在邊界層12與斜面10的交叉點附近離開的過程發生。混合容器3可以設計成圓形橫截面，或者代替圓形橫截面的是，其可以具有矩形橫截面，或者它可以具有其它橫截面，其它橫截面導致蓄熱流體11集中在斜面10的底部。其本質特征是管道15的右側的延伸仍然在到達邊界層12之前必須到達斜面10。

在混合容器3的內部，在混合容器的下部水平部分20中，其優選地構造為圓形橫截面(管)，或者可以具有其它橫截面形狀，例如矩形，邊界層12的位置被設置成使得足夠的蓄熱流體11可以從右向左流動，從而可以使蓄熱流體(見圖2)的足夠的流動23導入，并使得蓄熱流體11的固體成份可以以出口25(圖2)的方向輸送到左邊，從那里這些成份然后在冰儲存器2的方向上進一步流動，其中蓄熱流體11可能仍然存在于邊界層12的區域中，邊界層的下部位于蓄熱流體的流動23中，但其上部也略微突出到導熱流體5的水平流動24中。在混合容器的下部水平部分20中，液體蓄熱流體11經由管道16從右側恒定地進入，從而迫使從邊界層12排出的蓄熱流體11(固體和液體)流入混合容器3的下部，并從那里通過管道4進一步進入冰儲存器2(見圖2)。混合容器的下部水平部分20中的導熱流體的水平流動24的速率被設定為使得蓄熱流體11不會由于湍流而沿泵8的方向遷移。在圖1中，管線4短暫的垂直向下延伸，然后以與垂直方向向左偏移90度或略大于90度的角度延伸，盡管管道4也可以以與垂直方向大約0°至30°的角度向下延伸一段距離，并且隨后它變為水平或幾乎水平位置。管道4位于混合容器3相鄰的部分中的功能，不僅允許可能已經夾帶在出口25的區域中的任何導熱流體5再次升到頂部，而且還可以排出如上所述的在底部的固體和液體蓄熱流體11，由此管道4的實際上水平的部分優選地在流動方向上略微傾斜，以便提供額外的保護措施，以防止將任何導熱流體5夾帶到冰儲存器2中，其中冰儲存器位于冰儲存器2和混合容器3之間的管道4的連接處之上，以便與混合容器3在物理上無關，也就是說，冰儲存器2和混合容器3可以互相隔開任何的所需的距離。在固體和液體蓄熱流體11已經流入冰儲存器2之后，固體蓄熱流體11由于密度差而與冰儲存器2的下部的液體蓄熱流體11分離，由此，固體蓄熱流體11由于密度低而向上流動并填充儲存器，而借助泵17(圖1)和可選地借助熱交換器18(用于加熱或冷卻蓄熱流體11，其再次通過管道19循環到滴水裝置13并且通過管道16再次流到混合容器的下部水平部分20)，液體蓄熱流體11在冰儲存器2的底部被抽出。冰水混合物存在于冰儲存器2中，并且在排出狀態下，冰的比例非常高，而在充滿狀態下，那里只包含水。這里，術語“充滿狀態”是指一種狀態，其極大地高于“排出狀態”。

由于彎曲9，即混合容器3中的方向改變，如圖2所示，在斜面10的區域中的管道中建立了導熱流體和蓄熱流體的再循環區域22。再循環區域22導致混合容器3下部的蓄熱流體11的更長的保留時間，其轉化為更長時間的熱交換。

此外，在圖2中，再次以簡化的形式示出了混合容器3中的流動狀態；混合容器3的中間部分，混合容器的水平下部20和到管道4的過渡都全部在這里示出。液滴形式的液體蓄熱流體11來自混合容器的上部7。然后，液滴通過(流動的)導熱流體5向下落下并到達斜面10，或者根據彎曲9的構造或混合容器3的幾何結構，它們進入再循環區域22，從再循環區域它們最終也在釋放熱量之后與其它液滴一起到達斜面10，以便然后以固體和液體狀態在出口25的區域中穿透邊界層12。邊界層的穿透，以及因此蓄熱流體11和導熱流體5的分離，基于儲熱流體11沿斜面10的流動的垂直速度分量而起作用，并且還基于在導熱流體5內將蓄熱流體11向下傳送的蓄熱流體11的較高密度而起作用。導熱流體5的分離還可以通過以下事實的幫助而進行，即流動的導熱流體5必須偏離至邊界層12正上方，因為由于其密度，其必須保持在邊界層12上方，并且因此它在蓄熱流體11的出口25的區域中向一旁移動。

由于能夠基于邊界層的位置來調整液體蓄熱流體11的水平流動23的速度，使得所述流體向左流動并且隨后通過管道16被引入到混合容器的下水平部分20中，隨后蓄熱流體11流在蓄熱流體26的流動方向上被引入出口25的區域中，這確保了固體和液體蓄熱流體11在管道4的方向上從邊界層12離開，或者流動23(其速率可以被調節)恒定地確保蓄熱流體11的固體成份不會以導熱流體5抽吸位置的方向沿著導熱流體5的流體24向右流動離開混合容器的下部水平部分20，并且因此朝向泵8，因為該流動恒定地將這些成份沿著出口25的方向推向左側并且因此最終沿著管道4的方向在蓄熱流體26的方向上流動，并且因此到達了冰儲存器2。為了清楚起見，應當指出，固體蓄熱流體11，其可位于邊界層12中，以較小的體積量存在于導熱流體的水平流動24中，并且以較大的體積量存在于低于水平流動24的蓄熱流體的流動23中，使得蓄熱流體的足夠強的流動23確保固體蓄熱流體11沿著出口25的方向輸送，以便離開混合容器3。

導熱流體5和蓄熱流體11也可以逆流地輸送通過混合容器3，從而蓄熱流體11保持其上述的流動方向從頂部到底部通過混合容器3。此過程如下圖3所示。

通過混合容器3的中部和上部的逆流，蓄熱流體11與導熱流體5之間的熱交換被改善，并且特別的，蓄熱流體11在在混合容器3中的平均保留時間可以通過混合容器3中的導熱流體5的流速來影響，以及通過滴水裝置13滴入的液滴的尺寸來影響。導熱流體5由泵8引入混合容器的下水平部分20，而蓄熱流體11經由管道16被引入其中，并且這些流體沿著斜面10的方向(在這種情況下，導熱流體的水平流動24方向與圖1和圖2中所示的情況相反)以平行流體的方式向左流動，由此導熱流體5隨后傾斜向上流過混合容器3，而蓄熱流體的流動23與蓄熱流體11結合，該蓄熱流體11從斜面10上方向下流過邊界層12，然后如流動方向26所示從混合容器3向下流出，并沿管道4的方向流動并且通過它進一步流向冰儲存器2的方向。

導熱流體5的流速應該設置成，離開滴水裝置13的蓄熱流體11的液滴在混合容器3內向上移動的儲熱流體5的流動中仍能在向下移動，并可以到達斜面10，或者換句話說，這些液滴必須如此之大，使得在混合容器3內導熱流體5以一個給定的流速，它們仍然到達底部；也就是說，導熱流體5內的蓄熱流體11的液滴的下降速率必須大于抵抗該下降速率的導熱流體5的流速。當然，這也可能受到混合容器3的幾何結構的影響，例如，在這里所示的視圖中，混合容器3的上部，稍微偏離垂直方向逆時針向左旋轉。圖3中形成的再循環區域22增加了混合容器3中的混合和傳熱。在混合容器3的上部，導熱流體5從兩側向上流動，其流動方向如導熱流體28所示，直到混合容器3的頂端，在那里它離開混合容器3。關于這點，必須確保，基于混合容器3的橫截面設計，導熱流體5在鐘形體27的高度處的混合容器的上部7內的流速是如此低，使得液體蓄熱流體11不能通過管道6離開混合容器3，而是從混合容器的上部7向下離開，例如集中在斜面30上方。

附圖標記列表

1潛熱存儲單元

2冰儲存器

3混合容器

4管道

5導熱流體

6管道

7混合容器的上部

8泵

9彎曲

10斜面

11蓄熱流體

12邊界層

13滴水裝置

14氣體空間

15管道

16管道

17泵

18熱交換器

19管道

20混合容器的下部水平部分

21熱交換器

22再循環區域

23蓄熱流體流

24導熱流體的水平流動

25出口

26蓄熱流體的流動方向

27鐘形體

28導熱流體的流動方向

29角度

30斜面

31容器

32填充和排空管線

33混合容器的上部的壁。