[发明专利]用于冻结相变材料的换热系统及其方法

说明书

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。

技术领域

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。

背景技术

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。

发明内容

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。