[发明专利]用于冻结、传送、存储和利用相变材料的热交换系统以及该系统在热能存储系统中的应用

说明书

一种热交换系统，包括疏冰热交换(IHEX)罐、在IHEX罐中容纳的相变材料(PCM)、在IHEX罐中容纳的不混溶液体层、位于不混溶液体层内的热交换器、以及位于热交换器上方的分配器，该分配器被配置为将多个液态PCM液滴引入不混溶液体层中。该系统还包括被配置为从IHEX罐移除PCM的传送机构以及被配置为接收所移除的PCM的外部存储罐。不混溶液体层的密度低于固态PCM和液态PCM两者的密度，并且PCM和不混溶液体层在PCM‑不混溶液体界面处接触。

技术领域

本说明书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高效地交换热量的系统和方法，并且涉及用于储能系统的系统和方法。

背景技术

电网的日需求并不稳定，而是具有某些高峰需求时段。处理高峰需求的要求导致了超大电网的设计和成本的增加。通用的低成本大规模解决方案不可用，因此存在各种储能技术以在可能的情况下降低高峰需求。热能存储系统可在商业上获得，但是由于各种技术挑战而受到影响。冰储能由于高储能密度以及低成本、无毒、不易燃、丰富的相变材料(PCM)而特别有吸引力，但是当前的设计存在归一化传热速率低的问题，需要昂贵的大型热交换器。CALMAC和Evapco等公司已经将冰基储热技术商业化。许多系统使用盘管上的冰(ice on coil)技术来操作，其中传热流体通过浸没在滞流水中的一大排管子。虽然简单，但是由于在盘管上形成绝热冰层，这种设计并不高效。这种耐热表面需要较大的热交换器表面积，从而增加了昂贵管道的投资成本。

静态冻结并不是工业上用于制冰的唯一技术，还有许多其他的方法。一种是通过在冷却的表面上连续流水来将冰冻结在外表面上。一旦冻结了令人满意的材料量，就加热表面，并将冰从表面移除。通过重新加热材料来对其进行去除，不必要地浪费了能量，效率也受到影响。另一种方法涉及将冰冻结在管状表面的内侧，然后使用机械刮刀将冰连续地从表面刮除。刮除所需的能量是显著的，并且冰的机械去除导致系统的磨损。第三种方法是将水置于开放的刚性容器中并从顶部进行冷却。由于水从上到下冻结时生成的压缩力，冰从表面脱落。然后将容器倒置，冰掉出来，再重新开始这个过程。其中的挑战包括传热限制和不一致的自释放。在另一种设计中，冰在冷冻抑制剂(如氯化物盐或乙二醇)的存在下被部分冻结。这产生了易于携带的具有高传热的冰沙。然而，由于部分冻结和掺杂，具有较低能量密度的较昂贵PCM会产生商业问题。

因此，存在针对储能问题的低成本、高传热解决方案的需要。

发明内容

根据一个或多个实施例，公开了一种热交换系统，该热交换系统包括疏冰热交换(IHEX)罐、在IHEX罐中容纳的相变材料(PCM)、在IHEX罐中容纳的不混溶液体层、位于所述不混溶液体层内的热交换器、以及位于所述热交换器上方的分配器，该分配器被配置为将多个液态PCM液滴引入所述不混溶液体层中。所述系统还包括被配置为从所述IHEX罐移除PCM的传送机构以及被配置为接收所移除的PCM的外部存储罐。所述不混溶液体层的密度低于固态PCM和液态PCM两者的密度，并且所述PCM和所述不混溶液体层在PCM-不混溶液体界面处接触。

根据一个或多个实施例，公开了一种用于在传热流体和相变材料(PCM)之间交换热量的热交换方法。所述方法包括：在罐中容纳不混溶液体层；将多个液态PCM液滴送入所述罐中靠近罐顶部的位置；使所述多个液态PCM液滴在热交换器上接触并冷却所述液态PCM液滴；产生过冷的液态PCM、部分冻结的液态PCM或固态PCM；并且从所述罐中传送所述固体PCM。

根据以下描述和所附权利要求，其它方面和优点将显而易见。

附图说明

图1是根据本说明书公开的实施例的热能存储系统的图示。

图2A是根据本说明书公开的实施例的疏冰热交换器(IHEX)板的正面的图示。

图2B是根据本说明书公开的实施例的IHEX板的背面的图示。

图3是根据本说明书公开的实施例的用于冻结PCM的热交换方法的图示。