CN108351181A - 具有用于激发相变材料中的结晶的设备的潜热蓄热器以及用于激发相变材料中的结晶的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种潜热蓄热器，具有用于容置相变材料PCM的存储容器1和用于激发所述相变材料中的结晶的设备7。在根据本发明的设备和根据本发明的方法中，结晶在相变材料中的激发是基于引发成核的晶核的预先确定，从而在现有的条件下由亚稳相位形成稳定相位。为此，一种富含晶核(晶种)的气态介质被导入相变材料。根据本发明的潜热蓄热器具有存储容器1，该存储容器除了气态介质的余量36以外被装满相变材料PCM。富含晶核的气态介质经由线路***16被导入相变材料PCM，线路***具有延伸进存储容器1的容器内部的导入线路24，其开口端35处在位于存储容器1内的气态介质与相变材料PCM之间的分界层26以下。

Description

具有用于激发相变材料中的结晶的设备的潜热蓄热器以及用 于激发相变材料中的结晶的方法

技术领域

本发明涉及一种潜热蓄热器，具有用于容置相变材料的存储容器和用于激发所述相变材料中的结晶的设备。此外，本发明涉及一种用于激发位于潜热蓄热器的存储容器中的相变材料的结晶的方法。

背景技术

在太阳热能装置中，为了存蓄太阳能使用潜热蓄热器，潜热蓄热器具有用于容置蓄热介质的存储容器。在存储容器内布置了换热器，该换热器与用于导入载热介质的进程和用于导出载热介质的回程相连接。

所述已知的潜热蓄热器可通过热量的导入而被载热并且通过导出所存蓄的热量而被放热。已知的蓄热***为了存蓄热能而具有多个潜热蓄热器。

由EP 2 273 226 A1已知一种用于太阳能技术装置的蓄热***。该蓄热***包括多个蓄热器-容器，其可被先后连续地载热或者放热。各个存储容器通过线路***相互连接。为了控制载热介质的流入或者流出，在导入线路与导出线路内布置阀门，其由控制单元来控制。控制***容许各个容器的载热或者放热。

作为蓄热介质，可使用一种相变材料(PCM)，相变材料为了存蓄太阳能热量而充分利用可逆的使用热动力的状态变化的焓。一种已知的相变材料例如是三水乙酸钠，其具有高熔融焓和相当低的价格。在潜热蓄热器加载时，相变材料由一种固体的聚集态转变为液态的聚集态。三水乙酸钠例如在58℃的熔融温度下被液化。在冷却时，水合盐作为降温融化液以液态形式保持在亚稳状态中。其中，所述水合盐的体积变小。如果结晶在降温融化液内被激发，那么水合盐就升温至58℃，其中，潜在的热量就重新被释放出来。亚稳的状态可基本在任意长的时间段内保持不变。但在已知的蓄热器***中存在结晶在相变材料内意外激发的风险，从而所述潜热蓄热器在还没有使用热量的时间点上放热。因此，对于蓄热器***的无干扰的运行而言，结晶在一个特定时间点上可靠的激发具有决定性的重要意义。

DE 10 2010 046 243 A1说明了一种用于潜热蓄热器的结晶激发的设备，所述设备具有可机械变形的触发元件和启动机制。所述触发元件被设计为薄片，其在所述启动机制的操纵后突然由一种形状转变为另一种形状。所述启动机制具有电气式的、电磁式的、气动式或者压电式的驱动单元。

发明内容

本发明的根本目的是，提供一种用于太阳热能装置的潜热蓄热器，所述潜热蓄热器具有用于激发相变材料中的结晶的设备，使用该设备，结晶过程能够可靠地开始进行。本发明的另一个目的是，提供一种用于太阳热能装置的潜热蓄热器，所述潜热蓄热器具有用于激发相变材料中的结晶的设备，该设备可在生产成本比较少的情况下以大量件数制造。

此外，本发明的目的是说明一种方法，使用该方法，相变材料中的结晶过程能够可靠地开始进行。

这一目的的解决方案根据本发明是通过独立权利要求中的特征实现的。从属权利要求的说明内容涉及本发明的有利实施方式。

在根据本发明的设备和根据本发明的方法中，相变材料中的结晶的所述激发、也就是说相变材料由亚稳状态向稳定状态的转变是基于引发成核的晶核的预先确定，从而在现有的条件下由亚稳相位构成稳定相位。

为此，一种富含晶核(晶种)的气态介质被导入相变材料。具有晶核的气态介质的导入是在于气态介质的位于存储容器内的余量与相变材料之间所构成的分界层以下进行。由此实现了，所述晶核直接进入所述相变材料内。在试验中已经表明，由亚稳状态向稳定状态的相位转变可通过预先确定相变材料中的晶核来可靠地开始进行。

根据本发明的潜热蓄热器具有存储容器，所述存储容器除了气态介质的余量以外被装满相变材料。富含晶核的气态介质经由线路***被导入所述相变材料，所述线路***具有延伸进存储容器的容器内部中的导入线路，其开口端处在位于所述存储容器内的气态介质与相变材料之间的分界层以下。所述导入线路可有不同的设计。仅仅有决定性的是，具有晶核的气态介质被导入其表面以下的相变材料中。由此实现了，在相变材料的表面上所构成的水膜不会阻碍结晶的激发。

相变材料在存储容器内在载热和放热循环的过程期间承受了体积的改变。根据本发明的设备或者说根据本发明的方法规定了，在相变材料的体积变大的情况下，位于容器内的气态介质从存储容器中导出，在相变材料的体积变小的情况下，气态介质被导入所述容器内，该介质没有富含晶核。

尽管晶核的预先确定是以由外部的导入材料为前提，就相对于所述晶核实现一种闭合的***，在该***内，相变材料的结晶可经过多个加载和卸载循环在一个特定的时间点上可靠地激发。

所述根据本发明的潜热蓄热器具有用于调节线路***内的通流的装置，该装置被这样设计，使得避免在相变材料的体积变小时富含晶核的气态介质通过线路***被吸入所述存储容器内，以及具有用于所述存储容器的放气和换气的装置，该装置被这样设计，使得在相变材料的体积变大时位于容器内的气态介质从所述存储容器中导出，以及在相变材料的体积变小时，如果相变材料被冷却，则没有富含晶核的气态介质导入容器内。

用于输送气态介质的装置和用于使气态介质丰富晶核的装置可被任意设计。仅仅有决定性的是，晶核只有用于使结晶在一个特定时间点上的激发才可流入，否则就没有任何晶核进入相变材料，这些晶核将可能无意地使得相位开始由亚稳状态转变为稳定状态。

富含晶核的气态介质可以是各种气体或气体混合物。优选所述气态介质是空气，尤其是环境气体。存储容器内的余量同样优选装满空气，尤其是环境气体。但该余量也可被装满保护气体。

包含晶核的材料优选为一种结晶形态的盐。优选包含晶核的材料是与相变材料相同的材料，尤其是三水乙酸钠。结晶的盐优选作为堆积物存在。优选结晶的盐具有0.1μm至5cm之间、尤其是1cm至5cm之间的颗粒大小。在气体吹入以堆积物形式存在的盐中时，该气体就富含晶核，其被导入相变材料中。相对较大的颗粒大小已经被证明为有利，因为在堆积内提供了充足的气体容量，气体可通过所述气体容量流动。由此也降低了所述盐凝结的风险。

本发明的一种优选的实施方式规定了，用于使气态介质富含晶核的装置具有储备容器，储备容器充满了一种包含晶核的材料，其中，储备容器具有用于导入气态介质的入口和用于导出富含晶核的气态介质的出口。

气态的介质、尤其是环境气体优选在储备容器的压力条件下被导入。为了输送气态的介质，根据本发明的设备具有压气机，压气机将环境气体压缩至所需要的压力。

在一种非常优选的实施方式中，向储备容器的入口上连接上延伸到容器内部的导入线路，从而气态的介质、尤其是环境气体可在包含晶核的材料的表面下方流入。但也可以是，气体仅被吹向材料的表面。

另一种非常优选的实施方式规定了，用于调节线路***内的通流的装置具有止回阀，止回阀容许气态介质在线路***内仅仅在一个方向上、即向着存储容器的方向流动。止回阀的封闭元件可以是一种球体、锥形阀或者是膜片。优选止回阀是一种弹簧加载式的止回阀。因为弹簧加载式的止回阀只有当在一侧存在超压或者另一侧上存在其值超过预先给定的最小压力的低压时才可在通过方向上打开，所以弹簧加载式的止回阀就避免了，通过线路***吸入富含晶核的气态介质，只要存储容器内的低压没有超过最小压力。

在试验中已经表明，相变材料在相变材料冷却时的体积的变小可导致，弹簧加载式的止回阀沿着通过方向基于存储容器内的低压由于相变材料的体积变小就可打开。如果止回阀打开，富含晶核的气态介质就可进入存储容器内。因为根据本发明的潜热蓄热器和根据本发明的方法规定了存储容器的放气和换气，所以在存储容器内就不会存在大于使止回阀在通过方向可打开的最小压力的值的低压。

用于存储容器的放气和换气的装置优选具有颗粒过滤器，其中，过滤器的一个腔室与存储容器的容器内部处于通流连接，而过滤器的另一个腔室与一种气态介质、优选与环境气体处于通流连接。颗粒过滤器避免了将可能构成晶核的颗粒可从周围环境进入存储容器内。

在一种非常优选的实施方式中，延伸到存储容器内部的导入线路具有换气孔，换气孔位于在存储容器内的气态介质与相变材料之间所构成的分界层的上方。换气孔确保了在导入线路内也不可存在任何将使得止回阀在通过方向上打开的低压。

附图说明

下面参照附图进一步阐述本发明的一种实施例。

其中：

图1为一种蓄热器***的潜热蓄热器的存储容器的部分剖视图；以及

图2为根据本发明的潜热蓄热器的简化示意图。

具体实施方式

图1以部分剖视图示出了一种潜热蓄热器的实施例，其可以是包括多个潜热蓄热器的潜热蓄热器***的组成部分。所述潜热蓄热器具有存储容器1，所述存储容器除了环境气体的余量容积36以外装满了未示出的相变材料PCM(图2)，所述相变材料围绕着换热器2。在当前的实施例中，所述相变材料为三水乙酸钠。

所述换热器2具有多个管件3，这些管件被布置为围绕着中心的轴线呈周缘分布。所述换热器2的管件3延伸通过薄片的堆叠4。薄片堆叠4用于放大有效的热传递面积。在容器的封盖部分5上有回流-接口6，用于导出液态的载热体，并且在底部部分7上具有未示出的进流-接口，用于所述载热体的进给。在使用状态下，回流-接口6处于上方，进流-接口处于下方。

图2示出了根据本发明的潜热蓄热器的一种简化示意图，该潜热蓄热器具有参照图1所述的存储容器1。为了激发相变材料(PCM)中的结晶过程，潜热蓄热器具有一种设备7，下面对该设备进行说明。

设备7为了结晶过程的激发而具有储备容器8，储备容器可具有比存储容器1更小的容积。储备容器8除了环境气体的余量容积9以外被装满包含晶核的材料10，优选为一种结晶盐，所述结晶盐作为堆积物存在。但储备容器8也可完全以包含晶核的材料10装满。所述包含晶核的材料10优选具有0.1μm至5cm、尤其是1至5cm之间的颗粒大小，在当前的实施例中为三水乙酸钠。

储备容器8具有入口11和出口12。入口11和出口12被布置在容器8的上侧面上。向储备容器8在预先给定的压力条件下导入环境气体，环境气体以压缩器13被压缩。该压力优选处在0.01和6巴之间，尤其是小于1巴，从而对于气体的压缩而言仅需要相当少的能量导入。

压缩器13的出口14通过线路***16的第一线路部段15与储备容器8的入口11相连接。向储备容器8的入口11上接上延伸到容器内部的导入线路17，其开口端18优选在容器底部的范围内处在包含晶核的材料10的表面19的下方。向储备容器8的出口12上接上导出线路20，其开口端21被布置在包含晶核的材料10的表面19的上方。以压缩器13压缩的气体流过包含晶核的材料10，从而使气体富含晶核并且通过储备容器8的出口12流出。

储备容器8的出口12经过线路***16的线路部段22而与存储容器1的入口23相连接，该入口布置在存储容器的上侧面上。向存储容器1的入口上连接上延伸到该容器内部中的导入线路24，其开口端25处在相变材料PCM的表面26的下方，从而富含晶核的气体在预先给定的压力条件下在相变材料PCM的表面26的下方流入相变材料中。通过气体吹入降温的溶化液，使该相变材料进行孕育处理，从而开始结晶。因为气体是在相变材料PCM的表面26的下方被吹入的，所述结晶的开始就不会由于在相变材料表面上所构成的水膜而受到阻碍。

在储备容器8与存储容器1之间的线路部段22内布置止回阀35，止回阀在当前的实施例中是一种弹簧加载式的止回阀35，该止回阀容许富含晶核的气体在预先给定的、使阀门打开的最小压力条件下仅在由储备容器8向着存储容器1的通过方向上流动。预先给定的、使气体通过压缩器13输送的压力是这样来测定的，以使得这一压力处于使止回阀35打开的最小压力之上。

为了建立与周围环境的压力平衡，潜热蓄热器具有装置27，用于存储容器1的换气和放气，该装置包括颗粒过滤器28。颗粒过滤器28具有对于将可能用作为晶核的颗粒而言不可穿透的膜片29，所述膜片将过滤器外壳分成第一腔室30和第二腔室31。第一腔室30经过所述线路***16的线路部段32而与存储容器1上侧面上的换气和放气孔33处于流通连接，而第二腔室31则与环境气体处于流通连接。如果相变材料PCM的体积在相变材料冷却时变小，相变材料PCM由此从液态的稳定状态转变为液态的亚稳状态，经过颗粒过滤器28所过滤的环境气体流入存储容器1内，从而发生与周围环境的压力平衡。在相变材料PCM的体积变大时，气体可经过颗粒过滤器28由存储容器1流出，从而避免在存储容器内构成超压。

尽管经过颗粒过滤器28换气，相变材料的体积变小也可导致在延伸到相变材料内的导入线路24内构成低压。已经表明，这种低压在给定的压力比下可导致止回阀35在通过方向上的打开，从而富含晶核的气态介质可由储备容器8进入存储容器1内。因此，导入线路24具有处在相变材料PCM的表面26上方的孔口34，从而经过颗粒过滤器28能够发生与周围环境的压力平衡。由此结合止回阀35，在体积变小的情况下，有效地避免吸附富含晶核的气态介质。

Claims (15)

1.一种潜热蓄热器，具有：存储容器(1)，所述存储容器除了气态介质的余量容积(9)以外被装满相变材料(PCM)；以及设备(7)，用于激发所述相变材料中的结晶，

其特征在于，用于激发相变材料中的结晶的所述设备(7)具有：

用于输送气态介质的装置(13)；

线路***(16)，用于导入气态介质，所述线路***具有延伸到所述存储容器(1)的容器内部的导入线路(24)，该导入线路的一端(25)处在于位于所述存储容器内的气态介质与所述相变材料之间所构成的分界层(26)的下方；

用于使所述气态介质富含晶核的装置(8,10)；

用于调节在所述线路***(16)内的通流的装置(35)，该装置能够避免在所述相变材料(PCM)的体积变小时富含晶核的气态介质通过所述线路***被吸入所述存储容器(1)内；以及

用于存储容器的放气和换气的装置(27)，该装置能够在所述相变材料(PCM)的体积变大时使位于所述容器内的气态介质从所述存储容器(1)中导出，并且在所述相变材料的体积变小时，使没有富含晶核的气态介质导入所述存储容器(1)中。

2.根据权利要求1所述的潜热蓄热器，其特征在于，所述用于使气态介质富含晶核的装置(8,10)具有储备容器(8)，所述储备容器被充满一种包含晶核的材料(10)，其中，所述储备容器(8)具有用于导入气态介质的入口(11)和用于导出富含晶核的气态介质的出口(12)。

3.根据权利要求2所述的潜热蓄热器，其特征在于，向所述储备容器(8)的入口(11)上接上延伸到容器内部的导入线路(17)。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的潜热蓄热器，其特征在于，用于输送气态介质的装置具有用于压缩气态介质的压缩器(13)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的潜热蓄热器，其特征在于，用于调节在线路***内的通流的装置具有被布置在所述线路***内的止回阀(35)。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的潜热蓄热器，其特征在于，所述用于存储容器(1)的放气和换气的装置(27)具有颗粒过滤器(28)，其中，所述颗粒过滤器(28)的一个腔室(30)与所述存储容器(1)的容器内部处于通流连接，所述过滤器(28)的另一个腔室(31)与气态介质处于通流连接。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的潜热蓄热器，其特征在于，所述延伸到存储容器(1)的容器内部的导入线路(24)具有换气孔(34)，所述换气孔处在于位于所述存储容器内的气态介质与所述相变材料(PCM)之间所构成的分界层(26)的上方。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的潜热蓄热器，其特征在于，所述气态介质是空气。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的潜热蓄热器，其特征在于，包含晶核的材料(10)是一种结晶形态的盐。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的潜热蓄热器，其特征在于，包含晶核的材料(10)作为堆积物存在。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的潜热蓄热器，其特征在于，所述相变材料(PCM)是三水乙酸钠，包含晶核的材料是三水乙酸钠。

12.一种用于激发位于潜热蓄热器的存储容器(1)内的相变材料(PCM)的结晶的方法，其特征在于，在于位于所述存储容器(1)内的气态介质的余量(36)与所述相变材料(PCM)之间所构成的分界层(26)的下方将富含晶核的气态介质导入所述相变材料(PCM)，在所述相变材料的体积变大时，位于所述存储容器(1)内的气态介质由所述存储容器导出，并且在所述相变材料的体积变小时，向所述存储容器导入没有富含晶核的气态介质。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述气态介质为空气。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其特征在于，包含晶核的材料(10)是一种结晶形态的盐。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述相变材料(PCM)是三水乙酸钠，包含晶核的材料(10)是三水乙酸钠。