CN1646872A - 一种蓄热装置 - Google Patents

Abstract

蓄热装置包含传热流体(102)和蓄热介质(101)，二者互不相溶并且密度不同。该蓄热装置包含容器(100)，用于容纳一层传热流体(102)和与其接触的一层蓄热介质(101)；还包含一个充液回路(120)，该回路包括一个带嘴的吸入喷嘴(200)。充液回路(120)为容器(100)提供冷却后的传热流体(102)，并至少部分引入蓄热介质(101)层中，吸入喷嘴(200)的形状使得从其流过的传热流体(102)把蓄热介质(101)抽取到嘴中。上述蓄热装置能够很好地混合冷却后的传热流体(102)和蓄热介质(101)，实现充液回路(120)中的堵塞最小，并能很好地分离传热流体(102)和蓄热介质(101)。

Description

一种蓄热装置

技术领域

本发明总地来说涉及一种蓄热装置以及一种蓄热装置的使用方法。

背景技术

GB 2 283 307公开了一种已知的包含容器的蓄热装置，容器在使用时包含例如水的蓄热介质和例如1，1，1-三氯乙烷的传热流体。蓄热介质和传热流体互不相溶，而且密度不同，这样在重力的作用下形成了明显的分层。可以从容器中将传热流体抽取出来，这样可以冷却传热流体，然后将传热流体通过一个吸入喷嘴再次引入容器。冷却后的传热流体反过来冷却了蓄热介质。典型地，冷却作为蓄热介质的水，从而形成冰浆。

通过从容器经过一个泄放回路抽取出冷却后的蓄热介质(也就是水和/或冰浆)，来对蓄热装置进行泄放，在实际使用当中，泄放的液体提供给冷却负载，例如空调单元或者用于生产水果制品和奶制品的容器。通常，泄放回路又把失去效能的蓄热介质返回给容器。

这时出现的第一个问题是，在冷却的传热流体和蓄热介质之间希望获得有效热量传递。经观察发现，通过混合传热流体和蓄热介质，增大它们的直接接触，可以提高有效热量传递。例如，GB 2 283 307指出为了帮助二者的混合，应该让少量蓄热介质通过吸入喷嘴直接向上抽取到充液回路。然而，吸入喷嘴常会被冰块堵塞，从而在一开始增加了充液回路的负载，并且最终使得蓄热装置在清除堵塞之前不能工作。

这时出现的第二个问题是，一旦完成传热流体和蓄热装置之间的热量传递，希望能有效地分离这两种液体。传热流体从蓄热介质吸入热量后，就通过一个出口喷嘴从容器中抽取到充液回路以进行冷却。通常，为了避免将蓄热介质也通过出口喷嘴从容器抽取到充液回路，需要进行有效的分离。在低温充液回路中存在的任何蓄热介质(也就是水)都趋于固体化(也就是形成冰)，从而降低了充液回路的效率，并且/或者导致堵塞。充液回路一般包括一个换热器，而换热器尤其易受冰块堵塞的影响。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提供一种蓄热装置，该蓄热装置能实现传热流体和蓄热介质之间的有效热量传递。一个优选目的是提供一种蓄热装置，它能实现冷却后的传热流体和蓄热介质之间的良好混合。另一个优选目的是尽量减小充液回路中的堵塞，尤其是减少吸入喷嘴区域的堵塞。还有一个优选目的是提供一种蓄热装置，它能很好地分离传热流体和蓄热介质，尤其是可以避免将蓄热介质从容器抽取到充液回路的出口喷嘴中。

根据本发明的第一方面，提供了一种蓄热装置，该蓄热装置包含一种传热流体和一种蓄热介质。其中，蓄热介质和传热流体互不相溶，而且密度不同。根据本发明的装置包括：容器，该容器包含相互接触的一层传热流体和一层蓄热介质；包含一个吸入喷嘴的充液回路，该吸入喷嘴有一个嘴；其中，充液回路用于为容器提供冷却后的传热流体，传热流体至少部分引入容器的蓄热介质层；其中，吸入喷嘴做成这样的形状，可以使流过吸入喷嘴的传热流体把蓄热介质汲取到吸入喷嘴的嘴中。

适当地，吸入喷嘴的嘴由一个内壁所限定。吸入喷嘴的形状之所以如此，是为了促进传热流体从限定吸入喷嘴的嘴的内壁流动分离。在使用中，这样的流动分离可以把容器中的蓄热介质抽取出来，导向并且/或者导入吸入喷嘴的嘴中。较佳地，流动分离在内壁附近形成一个低压域，适当配置后，可以使吸入喷嘴附近、容器中的蓄热介质被吸向喷嘴，并且至少使一部分蓄热介质进入吸入喷嘴区域。适当地，吸入喷嘴附近形成了一个高扰动区域，并且/或者该区域扩张到容器。这个高扰动区域使得传热流体和蓄热装置有效地混合，从而达到了进行有效热交换的目的。

较佳地，吸入喷嘴的嘴向容器发散。为方便起见，吸入喷嘴通常都是圆锥形的，并可能有适当的横截面。在一个较佳实施例中，吸入喷嘴具有发散的环形圆锥造型。该吸入喷嘴可能平稳地恒速发散，也可能变速发散，并且/或者可能在发散部分的横断区域包含一种或多种阶梯形变化。

吸入喷嘴很容易通过把输送管线连接到容器的一个孔而得到。另外或可替代地，喷嘴区域可以通过塑造围绕容器的侧壁而得到。

有利地，除了可以提高增强的热量传递，吸入喷嘴的高扰动区还可以较少堵塞，例如由于蓄热介质固体化而形成的堵塞。但是，可以在吸入喷嘴附近设置一个加热器，来进一步减少吸入喷嘴附近蓄热介质的固体化。

较佳地，充液回路包含一个气体入口，使用中该入口允许气体进入冷却后的传热流体。该气体入口可以包含一个泵，来驱使气体进入传热流体，并且/或者可以包含一个文氏管，必要时文氏管用于把气体吸入传热流体中。较佳地，气体入口相对吸入喷嘴来说是直接向上的，而且理想的情况是相对吸入喷嘴的扰动嘴来说是直接向上的。为方便起见，所使用的气体就是空气，理想情况下是从容器内部吸出来的冷却空气。这种注入的空气有助于传热流体和蓄热介质的混合。同时，经观察得到，这种气体还有助于传热流体和蓄热介质的分离。在本发明的一个较佳实施例中，蓄热介质被传热流体所冷却，并形成了固体化的颗粒(也就是冰晶)。气体所形成的轻浮气泡附着在固体化颗粒上，并帮助蓄热介质向上运动。这样，蓄热介质更易于和传热流体分离，而下降的传热流体则在下方形成了密度较高的传热流体层。

在本发明的较佳实施例中，在容器的上部提供了一个传感器。当生成固体化的蓄热介质，并且生成总量超过传热流体层的上部时，将产生一个向上的压力。该传感器用于接收这个压力，并方便地提供一个输出信号来指明蓄热装置的热状态。例如，在充液或者泄放阶段，向上压力由漂浮的固体化蓄热介质产生，通过测量可以获得。

根据本发明的第二方面，提供了用于蓄热装置的吸入喷嘴，该蓄热装置具有连接到容器的充液回路。容器包含相互接触的一层传热流体和一层蓄热介质。其中，蓄热介质和传热流体互不相溶，而且密度不同。吸入喷嘴包含一个可以连接到容器的嘴，该嘴给容器提供冷却后的传热流体，并且至少可以部分引入容器的蓄热介质层。在此，吸入喷嘴做成这样的形状，可以使流过吸入喷嘴的传热流体把蓄热介质汲取到吸入喷嘴的嘴中。

根据本发明的第三方面，提供了用于蓄热装置的容器，盖蓄热装置有一个充液回路，充液回路又包括一个有嘴的吸入喷嘴。该容器包含：一个可连接到吸入喷嘴的壁，壁的造型使得流过吸入喷嘴的传热流体能够把蓄热介质抽取到间隔区域的壁的嘴界面区，从而抽取到吸入喷嘴当中。

根据本发明的第四个方面，提供了一种为蓄热装置充液的方法。蓄热装置的容器包含一层传热流体和一层蓄热介质，二者互不相溶，并且密度不同；蓄热装置包含一个充液回路，回路中有带嘴的吸入喷嘴。该方法包括：通过至少部分朝向蓄热介质层的吸入喷嘴把冷却后的传热流体导入容器当中。在此，吸入喷嘴做成这样的形状，可以使流过吸入喷嘴的传热流体把蓄热介质抽取到吸入喷嘴的嘴中。

附图说明

为了更好地理解本发明，并说明如何实现相同实施例，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

图1是蓄热装置的第一较佳实施例；

图2是吸入喷嘴的视图；

图3是第二较佳吸入喷嘴的视图；

图4是蓄热装置的第二较佳实施例。

具体实施方式

图1所示的蓄热装置包含容器100和吸入喷嘴200。在容器100中包含一层蓄热介质101和一层传热流体102。蓄热介质101和传热流体102互不相溶，并且密度不同，这样传热流体102在重力的作用下沉淀到容器100的底部，而蓄热介质101则浮在上面。容器100包含下壁110，以及侧壁112，其中侧壁112具有一个朝向容器100内的蓄热介质层101的孔116。下壁110也包含一个孔，在此形成了出口122。

图1还示出了充液回路120，它包括管121、出口122、泵124、热交换器126和喷嘴200。

图2更详细地示出了吸入喷嘴200，它包括一个通向嘴202的发散部分204。吸入喷嘴连接到容器，这样嘴202和侧壁112中的孔116相通。图2还示出了吸入喷嘴200的内表面210和外表面212。

参考图1和图2，泵124将传热流体102通过出口122从容器100中抽取出来，并提供给热交换器126。热交换器126用于冷却流过其中的传热流体102。冷却后的传热流体102然后沿着管121提供到吸入喷嘴200，最后通过孔116返回容器100。

孔116相对于蓄热介质层101和传热流体层102的高度保证了冷却后的传热流体102再次进入容器100的蓄热介质层101中。

吸入喷嘴200促进冷却后的传热流体102和蓄热介质101的混合，由于二者直接接触，实现了它们之间有效的热量传递。

吸入喷嘴200的发散部分204的形状使得传热流体102流过发散部分204，并且能从容器100向喷嘴200的嘴区域202抽取蓄热介质101。

发散部分204是一个简单圆锥形外壳。角度α(如图2所示)因此限定了发散部分204的发散度。适当选择α角可以促进流动的传热流体102和吸入喷嘴200的靠近嘴的内表面210分离。如本领域技术人员公知的那样，流动分离与很多因素有关，例如吸入喷嘴200的内表面210的粗糙度、流动条件、流动速度，等等。

在容器100中，蓄热介质101层内的静态压力大于嘴区域202的压力，嘴区域202位于吸入喷嘴200的内表面210附近，在这里实现了流动分离。因此，向该区域抽取蓄热介质101并将蓄热介质101抽取到该区域中。由上述压力差引起的蓄热介质101向泄放传热液体102的移动促进了蓄热介质101和传热流体101的大规模扰动混合。随着蓄热装置的运行，容器100内包含的蓄热介质层101的温度会降低。之后，把冷却后的蓄热介质101从容器100中分离出来，并用于对冷却负载进行冷却。

图3示出了吸入喷嘴200的第二较佳实施例，该吸入喷嘴200包含气体入口214，用来从气体供应管216将气体提供到吸入喷嘴200。为方便起见，喷嘴200包含一个通向发散部分204的汇聚部分208，从而形成一个文氏管布置，用于从气体入口214抽取气体。可替代地，可以提供一个泵来推动气体沿着气体供应管216前进。在这一示例中，部分208和204各自平稳地汇聚和发散，但是使用阶梯状变化可以得到相似的效果。气体供应管216的自由端218可以裸露在大气中，或者比较好的做法是，安排该自由端218用来从容器100的上部抽取相对较冷的空气。最方便的是，在狭道206将空气引入传热流体102，从而有助于传热流体102和蓄热介质101的扰动混合。

在本发明的较佳实施例中，蓄热介质101用的是水，因而蓄热介质101的固体产物形式是冰。由于水在液体阶段的密度大于固体阶段的密度，因此尤其适合用作蓄热介质101。这意味着如果水101被充分冷却而固化，那么固化产物冰将会漂浮在容器100中的水层101上。因为这个原因，冰或冰浆更容易和传热流体102进行分离。此外，这种冰/水系统也很适合用于蓄冷，因为这种系统的融化热焓量大，而且冰的融化温度适合很多普通冷却应用。

当用水来作为蓄热介质101时，适合用作传热流体102的物质包括：1，1，1-三氯乙烷、1，1，2-三氯乙烷和全氟己烷。另一个示例是水氟代醚，它具有不会造成环境污染的优点。

图4示出了一个使用水作为蓄热介质的较佳蓄热装置。这里，传热液体102被充分冷却，这样在水101中就产生了冰晶。这些冰晶向着水101的表面浮动，形成了一层冰浆103。把空气引入流动的传热流体102中可以帮助将冰晶从传热流体102中分离出来。随着冰晶的形成，空气泡就附着在冰晶上，从而增加了浮力。

如图4所示，气体供应管126具有位于容器100内的开口端218。来自容器100内部的空气的温度相对较低，与使用来自其他地方的相对高温空气相比，使用这种空气提高了效率。有了吸入喷嘴200的文氏管布置，就不用再安装一个独立的空气压缩机，因为泵124可以提供必要的能量。

有利的是，抽取到吸入喷嘴200的嘴区域202的水101的温度高于冰点，这有助于减少冰块的形成。加热器118有选择地为吸入喷嘴200的外表面212提供热量，以保持内表表面210的温度高于冰点。加热器118的输出可以是恒温热量。可替代地，加热器118的热量输出可以随着吸入喷嘴200的内表面210的温度而变化，也可以随着容器100中水101的温度变化，在蓄热装置开始工作后也可以随着时间变化，或者随着任何其他合适的变量变化。

除了上述吸入喷嘴200外，其它具有光滑外形的发散喷嘴或者阶梯状发散也可以促使流动分离和增加扰动。吸入喷嘴200可以是一个分立元件，也可以简单地形成传热流体循环系统120的管道工程组的一部分。可替代地，吸入喷管200可以形成容器100的侧壁112的一部分。

可选地，在容器100的上部放置一个传感器140，用于响应应用到浮动的固化蓄热介质(也就是冰)的向上压力。由于当冰103总量超过最小阈值时，这个施加的力将会发生变化，因此经校准后，通过测量冰103施加给容器100的上壁114的压力，该传感器140可以输出一个表明存储在蓄热装置中的热能总量的指示值。传感器140所记录的力随着冰103的量的变化超过最小阈值是由于浮力从冰103的质量增加，同时决定于冰103的紧密度。

在图4中，所示的泄放回路300包含冰浆出口302、冰浆泵304、热交换器306和回水入口308。使用中，冷却负载301连接到热交换器306上。泵312把液体从冷却负载310循环到热交换器306，热交换器306冷却液体，再把冷却后的液体返回冷却负载310。

图4还示出了充液回路120的制冷电路，该电路由压缩机128、冷凝机130和膨胀装置132组成。该制冷电路用于冷却传热流体循环系统120的热交换器126。

需要注意的是，在本发明的系统中，容器100内部的传热流体102还需要一个有效深度104，用于保证不会将水101从容器100中抽取出来而进入传热流体循环系统120中。如果水进入热交换器126，就会形成冰块，从而造成堵塞。

上文介绍了一种蓄热装置，具有一定形状的用于把冷却后的传热流体102引入容器中的蓄热介质层101的吸入喷嘴200促进了冷却后的传热流体102和蓄热介质101的有效混合。另外，在本发明的较佳实施例中，引入冷却后的传热流体102的气泡进一步促进了二者的混合，并且有助于蓄热介质101从传热流体102分离。

Claims (17)

1、一种使用传热流体和蓄热介质的蓄热装置，所述传热流体和蓄热介质互不相溶且密度不同，该装置包括：

容器，用于容纳相互接触的一层传热流体和一层蓄热介质；

充液回路，包括具有嘴的吸入喷嘴；

其中充液回路将冷却后的传热流体以至少部分引入蓄热介质层的方式提供到容器中；

其中吸入喷嘴的形状使得流过吸入喷嘴的传热流体将蓄热介质抽取到吸入喷嘴的嘴中。

2、根据权利要求1所述的蓄热装置，其中吸入喷嘴是发散的。

3、根据权利要求2所述的蓄热装置，其中吸入喷嘴为圆锥形。

4、根据前述权利要求中任意一项所述的蓄热装置，其中吸入喷嘴的形状促进传热流体从喷嘴内壁流动分离。

5、根据前述权利要求中任意一项所述的蓄热装置，其中充液回路将冷却后的传热流体以全部引入蓄热介质层的方式提供到容器中。

6、根据前述权利要求中任意一项所述的蓄热装置，其中充液回路包括一个气体入口，用于允许气体进入冷却后的传热流体。

7、根据权利要求6所述的蓄热装置，其中气体入口提供在吸入喷嘴的嘴区域的上方。

8、根据权利要求6或7所述的蓄热装置，其中气体入口位于文氏管处，该文氏管用于把气体吸入流动的传热流体。

9、根据前述权利要求中任意一项所述的蓄热装置，其中在容器上部提供一个传感器，其中传感器用于接收固体化的蓄热介质形成的并上升到蓄热介质层的上部的向上压力。

10、根据权利要求9所述的蓄热装置，其中传感器提供一个指示蓄热装置的热状态的输出。

11、一种用于蓄热装置的吸入喷嘴，该蓄热装置具有连接到容器的充液回路，容器容纳相互接触的一层传热流体和一层蓄热介质，其中传热流体和蓄热介质互不相溶且密度不同，吸入喷嘴包含一个可以连接到容器的嘴，用于将冷却后的传热流体以至少部分引入蓄热介质层的方式提供到容器中，其中吸入喷嘴的形状使得流过吸入喷嘴的传热流体把蓄热介质抽取到吸入喷嘴的嘴中。

12、一种用于蓄热装置的容器，该蓄热装置具有充液回路，该充液回路包括具有嘴的吸入喷嘴，该容器包括：可连接到吸入喷嘴的壁，该壁的形状使得流过吸入喷嘴的传热流体将蓄热介质抽取到壁的嘴界面区，并抽取到吸入喷嘴中。

13、一种用于对蓄热装置进行充液的方法，该蓄热装置具有一个容器，该容器容纳一层传热流体和一层蓄热介质，其中传热流体和蓄热介质互不相溶且密度不同，该蓄热装置包含充液回路，该充液回路包含具有嘴的吸入喷嘴，该方法包括：将冷却后的传热流体以至少部分引入蓄热介质层的方式提供到容器中，吸入喷嘴的形状使得流过吸入喷嘴的传热流体将蓄热介质抽取到吸入喷嘴的嘴中。

14、一种参考附图描述的蓄热装置。

15、一种参考附图描述的吸入喷嘴。

16、一种参考附图描述的容器。

17、一种参考附图描述的用于对蓄热装置进行充液的方法。

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