CN1179824A - 热和/或冷蓄能－交换装置 - Google Patents

Abstract

填充体式蓄能－交换器,其刚性球壳部分填有高液－固转化潜热的热和/或冷贮存介质,如水,水合盐或石蜡,以及可压缩物质,用来吸收贮存介质相变时的体积变量,还有增加其交换表面积的装置,其特点在于:上述装置具有上述填充体(10)壳(12)上内接凸起部(18),所有凸起部都有对称轴(20),通过底部(22)对称中心和填充体中心(O),另外凸起部(18)上述底部(22)都完全一样以及上述凸起部均匀分布在壳(12)整个表面上。

Description

热和/或冷蓄能-交换装置

本发明涉及一种填充体式热和/或冷蓄能-交换装置，其中装入具有高液-固转化潜热，特别是水的贮存介质。

人们知道，有些设备在规定期限内，需要产生可变热量和冷量，设计这种设备，以便大大降低预定产生热和/或冷的用电量。这种设备的示例公布在专利FR-A-2,469,678中。

这种设备总是装有热和/或冷蓄能-交换器。其中有些蓄能-交换器叫做填充体式蓄能-交换器，它由装有许多填充体的贮槽组成，填充体中贮有非峰值时期热和/或冷量，然后利用液态传热介质(水，乙二醇溶液等)在峰值期间通过流过贮槽填充体间进行交换，再重新分配。通常，这些蓄能-交换器填充体装有高液-固转化潜热物质(水，水合盐，石蜡等)，封装在非常普通的球壳里，由于性能均匀，便于补充贮槽，而且引起形成传热的传热介质流动均匀，所以这种形状最佳。这种设备的示例公布在专利US-A-2,525,261，FR-A-2,244,969或EP-A-076,884。

人们知道，许多供这种大众型蓄能-交换器用的填充体，除能贮存大量有限体积的热和/或冷能外，还可无损耗地吸收由于这种填充体壳内所装高转化潜热物质液-固相变化造成的体积变量。

这种填充体是：

-最好全部充填贮存介质，这种介质具有挠性结构，如专利US-A-2,525,261或EP-A-0,277,847中所述；

-最好全部充满贮存介质，这种介质具有弹性结构，如专利FR-A-1,104,400中所述；

-局部充填贮存介质，这种介质具有变形结构和气阱或可压缩物质，装入填充体，如专利DE3005450A1或EP-A-076,884中所述。

人们知道，把填充体装入蓄能-交换器的方法是制成塑料壳，充填液态贮存物质，然后封闭起来。所有填充体壳皆用塑料制成，因为用其他材料(特别是金属)制造成本过高。由于需要大量填充体，所以要用挤压吹模法大量生产这些壳体，因为这种方法的制造成本低于其他已知方法，例如注模法或注射吹模法。挤压吹模法是一项使用非常广泛的方法；就是吹送压缩空气，将一挤压的软塑料管伸到型腔，其几何形状为填充体所需达到的形状。模具冷却时，沉积在模具内壁上的塑料冷却硬化，然后打开模具，从而使成型体脱模，然而这种方法本身简单，有相当的局限性，选择允许的形状有条件；其原因，一方面是所有模具零件必须从塑料管直接检查，因而使隐蔽件在吹塑时具有未装入物料的危险，倒锥必须极小，以便使零部件没有损坏便能脱模。

另外，众所周知，贮存物质与传热流体间取得的交换量决定蓄能  交换器的热力性质；人们还知道，当蓄能-交换器为填充体式时，传热流体交换量越大，则：

1.填充体壳越薄；

2.填充体表面积越大；

3.决定壳与传热流体间交换的对流系数越大；

4.填充体壳的导热系数越大。

因此，本发明的目的是生产一种填充体式热和/或冷蓄能-交换器，这些填充体装有高液  固转化潜热的贮存介质，这种装置把最佳机械性能与热力性质结合起来，而同时还考虑到工艺制造约束条件和市场经济约束因素。

影响决定蓄能-交换器传热流体交换量各种因素的特性调查如下：

1.蓄能-交换器填充体壳厚度最佳化

蓄能-交换器填充体必须具有极佳的机械强度，以便没有损坏地承受贮槽内的自由流动负荷和承受高转化潜热物质在相变时，由于膨胀产生的机械内应力。为了达到这一目的，不言而喻，要把填充体壳壁厚提高到足够程度，就足能取得足够的机械强度。这对如下实际情况可能被忽略，即随制造这些填充体所用塑料重量而增加填充体制造成本和壳厚度增加时，交换量降低。所以生产填充体壳的技术经济目的在于：即使采用塑料最小重量和厚度，也有可能保证壳具有适合所受应力条件的机械强度。因此，装相变物质的填充体壳形状最广泛采用的是球形，因为球形具有良好的应力阻力，特别是对相变物质膨胀时产生的径向内应力。其原因是，当壳呈球形时，与相变物质膨胀相关的应力为径向各向同性，所以整个壳表面受力均匀，方位相同(径向)，在这种条件下，由于与最小厚度壳一致，而且该厚度在整个表面不变，故可以达到生产填充体所用塑料重量最佳值。

本文对生产填充体式蓄能-交换器填充体，制造厚度最小、恒定和均匀的单一球壳没有提出权利要求。

2-蓄能-交换器填充体壳表面积最佳化

人们知道，采用球形填充体的填充体式蓄能-交换器贮槽充填系数与堆积在蓄能-交换器槽内填充体直径无关，但是，当填充体直径缩小时，则交换表面积增加。所以，在理论上有可能采用很多直径很小的填充体得到很大的交换表面积；但是，由于可能忽略与填充体生产率直接相关的生产成本实际增加，要比填充体直径缩小时交换表面积增加快得多这一事实，所以，不应采用这种解决方法。

现举例如下：

一个容量17升主槽组成的蓄能-交换器可贮存能量一千瓦小时，填充球体为：

(a)20个直径100mm球体，其交换表面积0.62m²，大量生产的基准成本为1法国法朗/个，或20法国法朗/贮存千瓦小时；或

(b)160个直径50mm球体，其交换表面积1.24m²，可以每个65％基准成本大量生产，即每个0.65法国法朗或104法国法朗/千瓦小时。

这一示例清楚表明，为了使蓄能  交换器球形填充体交换表面积(即交换量)增加一倍，则需要把填充体数量乘8，生产成本乘5。所以制造的填充体要有最佳极小直径，低于该值，经济上下降不合理，只有采取手段，使直径等于或大于这一最小直径，才在经济上有可能提高填充体交换表面积。

目前已知提高球形填充体表面积，又不改变其视在直径的手段是在其表面切割凹口，细沟，槽口，如专利US-A-1,944,726，DE-A-2,003,392，US-A-2,525,261或EP-A-0,118,720中所示；不过，这些实例由于遇到如下生产问题，而从未兑现；

-由于如上面部分1所述，与平滑球形相比，没有径向对称，故不可能使塑料壳厚度最佳化；

-由于有隐蔽件，故不可能吹塑出权利要求的形状；

-由于内接凹形部倒锥过大，故不可能使权利要求的形状脱模。

这就是为什么本发明要生产一种填充体式蓄能-交换器的原因，其刚性球壳部分充填具有高液-固转化潜热的热和/或冷贮存介质，如水，水合盐或石蜡以及可压缩物质，用来吸收贮存介质相变时的体积变量，还有增加其交换表面积的装置，其特点在于：上述装置具有上述填充体壳上内接凸起部，这些凸起部都有对称轴，通过其底部重心和填充体中心，另外，凸起部上述底部都完全一样以及上述凸起部均匀分布在壳整个表面上。

按照本发明非限制实施例，上述凸起部包括有旋转圆柱，直立棱柱，正棱锥，正截棱锥，旋转锥体，旋转截锥体或球形帽以及普通形式的旋转表面，其对称轴通过底部表面对称中心，也通过球形填充体中心，其底部都一样，并均匀分布在壳表面上。

不言而喻，有关本发明的上述特征甚为重要，是取得采用最佳壳直径和厚度球形填充体高级蓄能  交换器决定因素，原因是由于达到与单一球体相同的球对称，使凸起部有可能非常明显地增加壳表面积，同时又纯化了塑料重量。

3-提高对流系数，促进蓄能-交换器填充体壳与传热流体之间的交换

填充体式蓄能-交换器是一种非常普通的“泛监”式蓄能-交换器，也就是说，与填充体进行热交换用的传热介质是液体(水，乙二醇溶液或盐水)，能充满槽内空留的所有空间，当蓄能-交换器填充体为球形时，由于占有大约40％的贮槽总容量，所以球体之间空留的空间很多，相应地，由于球体间传热介质流速很低，故工况为层流，且传热流体与壳之间对流系数最小，因此，提高对流系数，需要布置的能使传热介质速度提高和/或将流动工况扰动，把原来的层流工况变成湍流工况。

人们知道一种解决的方法是在槽内放置“扰流器”，以便提高传热介质速度，但是实验证明，这种方法使生产成本太高，而且难于实现。

因此，本发明提出生产一种如上所述的填充体式蓄能-交换器，但其凸起部，除交错布置外，还要迫使球体四周的传热介质，不管球体在贮槽任何位置，都要围绕凸起部作“Z形”流动。这样以来，传热介质后面路径比较长，速度较高，兼有损耗，由于凸起部施加影响，发生方向变化，需要增加动压力，有效改变流动工况，成为湍流，产生提高对流系数的作用。

不言而喻，限于本发明的这种特性非常重要，是取得以最佳壳厚度和直径球形填充体为基础的填充体式高级蓄能  交换器决定因素，其原因是，与以前工艺(特别是WO-A-9409331，FR-A-2,609,536和EP-A-0,073,836)填充体凹形部相比，本发明提出的在填充体表面设置凸起部是唯一能使流动工况进行充分扰动，以便改变其特性，从而提高对流系数。这是因为，在以前工艺凸形部情况下，在滞流的填充体表面凹处，存在一定数量的传热介质(乙二醇溶液，盐水或空气)，而多数流体在这些凹部或低区上面流过，而没有透入，因此，由于对流系数降低，致使热交换减弱。另一方面，当按照本发明填充体表面没有凸起部时，由于传热流体持续撞击这些凸起部，而绕过球体流动，对此不能忽视。

所以，本发明又提出生产一种如上所述的填充体式蓄能-交换器，但就槽装填充体，全高横截面相同，液态传热介质放空来说，还不是“泛滥”式的。液态传热介质(水，乙二醇溶液或盐水)喷射在槽顶，再自流到填充体及其中间，流速甚高，相应造成较大湍流工况及相应较高的对流系数。不言而喻，采用“泛滥”填充体式蓄能-交换器不能达到这一目的，原因是，本说明前文所述专利中权利要求的，而且为部分或全部吸收由于贮存介质相变造成的体积变量所需的“挠性”，“弹性”或“变形性”，不能没有损耗地吸收这些变量，倘若除其四周环绕的液态传热介质外，还同时必须支承不仅是本身重量，还有上层填充体重量。

另一方面，不言而喻，按照本发明和上文规定，由凸起部构成的填充体球壳，相对于内外应力，同时表现为蜂窝状结构，这样，内外应力机械阻力大大超越同样厚度单一球壳的机械强度。

因此，本发明还涉及一种蓄能-交换器，其特点在于：这种蓄能-交换器由竖槽组成，内装许多上文规定的填充体，且全高横截面相同，还有传热流体(水，乙二醇溶液或盐水)，利用位于上述槽顶的多咀喷管送入上述槽内，使得传热流体自流到填充体及其中间，进行热交换，其方式是串级流到上述填充体，并在填充体与其凸起部之间作“Z形”流动，上述槽底部传热介质保持在最低水平。

按照本发明另一方面还涉及一种热和/或冷蓄能-交换器，其特点在于；这种蓄能-交换器由槽式或箱式容器组成，内装许多上文规定的填充体，并为流动的传热介质提供全高或全宽相同的横截面，还有传热流体-空气，利用位于容器上方的风机，强制送入上述容器。

从此还可看出，上述填充体及其凸起部是怎样成为取得高级蓄能-交换器决定因素的，原因是，填充体之间的强制空气冲击凸起部表面，从而产生强烈湍流，减少边界层，增加对流交换。同样如前所述，从机械观点来看，不言而喻，液态传热介质中“泛滥”的填充体式蓄能-交换器不能达到这一目的，原因是，前述最初工艺权利要求和描述的，而且为部分或全部吸收由于贮存介质相变造成的体积变量所需的“挠性”，“弹性”或“变形性”，不能没有损耗地吸收这些变量，倘若除其四周环绕的液态传热介质外，还同时必须支承不仅是本身重量，还有上层填充体重量。

另一方面，不言而喻，按照本发明由凸起部构成的填充体球壳，相对于内外应力，同样表现为蜂窝状结构，这样，内外应力机械阻力大大超越同样厚度单一球壳的机械强度。

此外，在本发明中，空气可在贮藏室加液和从中排出时作为传热介质使用，在从冷藏至排出期间使用更有利，因为要冷却的空气湿球温度总是高于贮存温度，故空气所含水份凝结在填充体上，相应地提高了对流交换系数。

4-蓄能-交换器填充体壳导热系数最佳化

从专利US-A-4,205,656中得知，采用特种添加剂或“化合物”可提高塑料填充体的导热系数，因此，优化该系数在于使用“化合物”，因为它具有最佳导热系数，且不降低基底材料的机械性能，附加成本完全控制在最低程度。

虽然这种结构可在本发明范围内采用，但不构成本发明的一部分。

本发明的其他特性和优点显示在以下说明和参考附图中，附图示出没有任何限制特性的实施例，其中：

-图1为本发明填充体具体实施例透视图；

-图2为图1所示填充体径向剖面图；

-图3为本发明蓄能-交换器具体实施例垂直轴向剖面示意图；

-图4为本发明蓄能-交换器另一具体实施例垂直剖面示意图。

参照图1和图2，可以看出，本发明热和/或冷蓄能-交换器采用的每个填充体10有壳12，其表面包有许多凸起部18，在该非限制具体实施例中由截锥体组成，它们交错布置，均匀分布在每个填充体10壳12整个表面上，迫使传热介质围绕这些圆锥体作“Z形”流动，这从下文可以看出。

每个填充体10用具有良好导热系数的材料制作，最好是塑料，其刚性薄壁壳12整个表面厚度恒定不变。该壳球形部位有孔口16，最好为圆形，在填充体10内部容积局部装填相变物质，并用杆26或类似物，***与球壳12中心O对中心的挠性压缩膨胀体24后，用盖帽14将其密封，以便吸收相变时贮存介质的体积变量。

根据以上规定，壳12表面有许多凸起部18，这由旋转截锥体构成，所有其对称轴20都通过填充体10中心O，而所有底部22表面积都完全一样，这些凸起部18均匀分布在壳12上，交错布置，上文已作描述，图1更清晰可见。

在壳12中心O，与凸起部18底部22表面所对的立体角Ω全部相等，并均匀分布在壳12上。

旋转截锥体18高度从填充体10顶部均匀向下缩短到对称面X-X’，构成填充体脱模面，以致把倒锥限制到填充体直径大约30％，因而根据本说明前文所述制造约束条件，在挤压吹塑后，能使填充体脱模。通常，凸起部18具有相对尺寸，使由此产生的总交换表面积至少等于相同表面直径平滑球体表面积的两倍，从而有可能减少本发明按8∶1比率制造和制造成本比率为5∶1的填充体数量。

生产质量越高，所有其他质量又相同，就更加增加凸起型腔18产生的表面积。

图3用图解法表示使用上述有关图1和2那样填充体的热和/或冷蓄能-交换器。

在该具体实施例中，没有任何限制特性，该交换器呈竖槽28形状，全高横截面一样。从图3可以看出，在这一非限制具体实施例中，该槽28为圆筒形。上部有一喷管30，喷射液态传热介质，该喷管介质由管32供应。该槽不是“泛滥”式，假定不充满液态传热介质，介质靠喷管30喷洒在槽顶，自流到所装填充体10及其中间。这样，传热介质与填充体10进行热交换，即“串级”自流到本发明填充体及所装凸起部，并在其间成“Z形”流动，从而如上文所述，大大提高热交换效率。按照本发明，槽底热交换介质要保持在最低水平36，以便补偿该传热介质自流惯性，从而避免不向泵内注水，循环上述传热介质。与填充体10热交换后，通过管34把槽28传热介质排到利用管路。

现提及图4，该图具体说明了使用上述有关图1和2那样填充体的热和/或冷蓄能-交换器另一非限制实施例。

在该具体实施例中，这一蓄能-交换器呈平行六边形箱40形状，全长横截面相同。从该图4可以看出，该箱在装有本发明球形填充体10隔间两端都装网壁41(例如，做成格栅，格网，金属孔板或其他类似装置形式)。这种网壁41可使填充体10装到为此设置的蓄能-交换器隔间内，同时使风机42的鼓风自由通过。该箱40不是“泛滥”式，假定无任何液态传热介质(水，乙二醇溶液或盐水)，这一具体实施例所用传热介质为风机42的鼓风，通过蓄能-交换器。

假设上述交换器为蓄冷交换器，则贮藏室加液阶段与从贮藏室排出阶段按以下方式进行：

-贮藏室加液阶段时，空气通过制冷机阻(图未示出)供给的冷却管组43冷却后，由风机42吸进，再鼓风通过贮存箱；在与填充体10接触时，冷风被加热，冷冻能转移到填充体。这样，热风又被送到冷却管组43上方，通过风道45，再开始新的循环；

-从贮藏室排出阶段时，供给冷却管组43的制冷机组没有运行，要冷却的(热温)空气被风机42吸入，再被该风机鼓风，通过装有填充体10的箱40。热风与冷填充体接触后，热能便转移到填充体，如此结果，空气达到温球温度，于是在填充体上凝结，从而提高了对流系数。从图4可以看出，通过装在箱40下部的虹吸管44，排出凝结水。这样通过通风管道45，使供给的***得到冷却空气。

当然，还保留这种情况，即本发明不限于本文描述和/或表示的具体实施例，但包含其所有方案。

Claims (9)

1.填充体(10)式蓄能-交换器，其刚性球壳(12)部分填有高液-固转化潜热的热和/或冷贮存介质，如水，水合盐或石蜡以及可压缩物质(24)，用来吸收贮存介质相变时的体积变量，还有增加其交换表面积的装置，其特点在于：上述装置具有在上述填充体(10)壳(12)上刻出的凸起部(18)，所有凸起部都有对称轴(20)，通过底部(22)对称中心和填充体中心(O)，另外凸起部(18)上述底部(22)都完全一样以及上述凸起部均匀分布在壳(12)整个表面上。

2.按照权利要求1的蓄能-交换器，其特点在于：上述凸起部(18)内接在填充体(10)壳(12)上，交错布置。

3.按照1和2任一权利要求的蓄能-交换器，其特点在于：上述凸起部(18)内接在填充体(10)壳(12)上，由旋转表面构成。

4.按照1和2任一权利要求的蓄能-交换器，其特点在于：上述凸起部(18)内接在填充体(10)壳(12)上，有许多个，其底部由正多角形构成。

5.按照3和4任一权利要求的蓄能-交换器，其特点在于：上述凸起部包括有旋转圆柱，直立棱柱，正棱锥，正截棱锥，旋转锥体，旋转截锥体或球形帽。

6.按照上述任一权利要求的蓄能-交换器，其特点在于：上述凸起部(18)高度从填充体(10)顶部均匀向下缩短到对称面(X-X’)，即上述填充体脱模面。

7.按照上述任一权利要求的蓄能-交换器，其特点在于：上述凸起部(18)具有相对尺寸，使由此产生的总交换表面积至少等于相同表面直径的平滑球体表面积的两倍。

8.按照上述任一权利要求的蓄能-交换器，其特点在于：该蓄能-交换器由竖槽(20)构成，内装许多填充体(10)，而且全高横截面相同；还有液态传热流体，利用位于上述槽顶的多咀喷管(30)送入上述槽内，使传热流体在自重作用下流到填充体及其中间，进行热交换，其方式是串级流到上述填充体，而且在填充体与其凸起部之间作“Z形”流动，上述槽底部传热介质保持在最低水平(36)。

9.按照上述任一权利要求的蓄能  交换器，其特点在于：该蓄能-交换器由圆筒槽式或平行六边形箱式容器(40)组成，内装许多上述填充体(10)，具有全长相同的横截面，传热流体是空气，利用位于上述容器入口处的风机(42)强制送入上述容器(40)，致使空气被风机吸取，再吹到上述填充体(10)及其中间，进行热交换，其方式是串级地流到上述填充体，并在填充体与凸起部之间作“Z形”流动，上述容器装有网壁(41)，以便将上述填充体装在其中，同时使穿过贮存装置的鼓风通行自如，在上述容器下部设有凝结水出口(44)。

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