热能储存设备

摘要

本发明主要涉及一种用于向PCM输送热能或从PCM中提取热能的热能储存设备，该设备包括细长导热储存器(10)，该储存器具有置于其中的可插入的热能传递元件(15)，其中所述热能传递元件包括多条横向设置的柔性导热部件(16)形式的传热路径，这些导热部件的至少一部分与所述储存器(10)的内壁接触。本发明还涉及一种使用了本发明所述的热能储存设备的系统。

权利要求

1.一种用于向PCM输送热能或从PCM释放热能的热能储存设备，其包括细长导热储存器，该储存器具有置于其中的可插入的热能传递元件，其中，所述热能传递元件包括多条横向设置的柔性导热部件形式的传热路径，这些导热部件的至少一部分与所述储存器的内壁接触，其中所述多个部件沿所述元件的纵向轴线排列并占据所述元件的横截面部分。

2.如权利要求1所述的热能储存设备，其中，所述多个导热部件被附联到其中心支撑部件上，致使所述导热部件围绕它们的横向轴线倾斜。

3.如权利要求1或2所述的热能储存设备，其中，在所述热能传递元件的横截面部分中存在非重叠的导热路径。

4.如权利要求1所述的热能储存设备，其中，所述导热部件由导热丝或带制成。

5.如权利要求4所述的热能储存设备，其中，所述丝或带被粘结于、焊接于、或穿过热能储存设备的中心支撑部件。

6.如权利要求2所述的热能储存设备，其中，所述中心支撑部件由导热杆、管、管道、或丝构成。

7.如权利要求2所述的热能储存设备，其中，所述中心支撑部件由适用于热交换流体流过的管道构成。

8.如权利要求1或4所述的热能储存设备，其中，所述导热部件被弯曲成螺旋星形的形状，其顶点与所述导热储存器的内壁接触。

9.如权利要求8所述的热能储存设备，其中，所述螺旋星形的基点被附联到热能储存设备的中心支撑部件上。

10.如权利要求2所述的热能储存设备，其中，所述导热部件由附联到所述中心支撑部件上并与所述导热储存器的内壁接触的网件构成。

11.一种用于向PCM输送热能或从PCM释放热能的热能储存设备，其包括细长导热储存器，该储存器具有置于其中的可插入的热能传递元件，其中，所述热能传递元件被形成为细长星形，其顶点压靠所述储存器的内壁，借此在所述储存器的中心和其内壁之间提供多条传热路径。

12.如权利要求11所述的热能储存设备，其中，还包括中心支撑部件，其中所述细长星形的基点与该中心支撑部件接触。

13.如权利要求12所述的热能储存设备，其中，所述中心支撑部件由适用于热交换流体流过的管道构成。

14.如权利要求11所述的热能储存设备，其中，还包括设置在所述细长星形的热能传递元件的侧面上、允许所述PCM通过的传送孔。

15.如权利要求12所述的热能储存设备，其中，包括设置在所述中心支撑部件上、允许所述PCM通过的传送孔。

16.一种适用于被放置到纵向导热储存器内、用于向PCM输送热能或从PCM释放热能的细长热能传递元件，所述热能传递元件包括多条横向设置的柔性导热部件形式的传热路径，其中，所述热能传递元件适于柔性地插入所述导热储存器内，致使将所述导热部件置于所述储存器内时，所述导热部件的至少一部分与所述储存器的内壁接触，其中所述多个部件沿所述元件的纵向轴线排列并占据所述元件的横截面部分。

17.如权利要求16所述的热能传递元件，其中，所述多个导热部件被附联到其中心支撑部件上，致使所述导热部件围绕它们的横向轴线倾斜。

18.如权利要求17所述的热能传递元件，其中，所述中心支撑部件由适用于热交换流体流过的导热管道构成。

19.如权利要求16或17所述的热能传递元件，其中，在所述热能传递元件的横截面部分中存在非重叠的导热路径。

20.如权利要求19所述的热能传递元件，其中，所述导热部件由导热丝或带制成。

21.如权利要求20所述的热能传递元件，其中，所述丝或带被粘结于、焊接于、或穿过热能传递元件的中心支撑部件。

22.如权利要求17所述的热能传递元件，其中，所述中心支撑部件由导热杆、管、管道、或丝构成。

23.如权利要求16或22所述的热能传递元件，其中，所述导热部件被弯曲成螺旋星形的形状，其顶点适于在将所述热能传递元件插入所述导热储存器中时与所述导热储存器的内壁接触。

24.如权利要求23所述的热能传递元件，其中，所述螺旋星形的基点被附联到热能传递元件的中心支撑部件上。

25.如权利要求17所述的热能传递元件，其中，所述导热部件由网件构成，该网件被附联到所述中心支撑部件上并适于在所述热能传递元件被插入所述导热储存器中时与所述导热储存器的内壁接触。

26.一种适于被放置到纵向导热储存器内、用于向PCM输送热能或从PCM释放热能的细长热能传递元件，所述热能传递元件被成形为细长星形形状，其顶点适于压靠所述导热储存器的内壁，借此当所述热能传递元件被置于所述导热储存器中时在所述储存器的中央和其壁之间提供多条传热路径。

27.如权利要求26所述的热能传递元件，其中，还包括中心支撑部件，其中所述细长星形的基点与该中心支撑部件接触。

28.如权利要求27所述的热能传递元件，其中，所述中心支撑部件由适用于热交换流体流过的导热管道构成。

29.如权利要求27所述的热能传递元件，其中，所述中心支撑部件由导热杆、管、或管道构成。

30.如权利要求26所述的热能传递元件，其中，还包括设置在所述元件的侧面上、允许PCM通过的传送孔。

31.如权利要求27所述的热能传递元件，其中，还包括设置在所述中心支撑部件上、允许PCM通过的传送孔。

32.一种用于向PCM输送热能或从PCM释放热能的热能储存系统，其包括内部装有热能储存设备的隔热容器，其中，所述隔热容器包括至少一个进口和至少一个出口，以使热交换流体经所述容器内部流动，致使流过的所述热交换流体与所述热能储存设备的外表面接触，其中某些或全部所述热能储存设备包括适用于柔性地插入其中的热能传递元件，致使其导热部件压靠所述热能存储设备的内壁，其中，所述热能传递元件被成形为细长星形形状，其顶点压靠所述热能储存设备的内壁，或者，所述热能传递部分包括多条横向设置的柔性导热部件形式的传热路径，所述导热部件的至少一部分与所述热能储存设备的内壁接触，其中所述多个部件沿所述元件的纵向轴线排列并占据所述元件的横截面部分。

33.如权利要求32所述的热能储存系统，其中，所述热能储存设备包括中心管道，所述热能传递元件附联到这些中心管道上，所述中心管道的末端从所述热能储存设备向外突出，其中所述隔热容器还包括两个辅助室，每个辅助室通过所述中心管道的突出末端与所述中心管道流体连通，以便另一种热交换流体从其中流过。

说明书

热能储存设备

技术领域

[0001] 本发明涉及热能储存领域。更具体地说，本发明涉及基于相变材料(PCM)的方法(a phase chage materials based method)和设备，该设备和方法具有改进的用于热能贮存和释放(delivering)的导热率。

背景技术

[0002] 热能储存(TES)技术在各种工业加热过程(例如，太阳能加热系统)提供有效的和价格低廉的解决方案。当前使用的常规TES技术可分类为显热储存或熔化热储存。本发明旨在提供基于相变材料的高效熔化热储存设备。

[0003] 相变热能储存基于某些相变材料(PCM，例如石蜡类、无机盐类)的大量熔化热。通常，在这类能量储存应用中，PCM的状态在热能储存于其中的过程中从固态转变为液态，而在从其中释放储存的热能的过程中从液态变回为固态。反之亦然，可类似地将液体到蒸汽的相变(例如，蓄汽器)应用于这类应用来储存和释放热能。向PCM增加热能或从PCM提取热能导致其随热能的吸收/排出相应地发生相变。

[0004] 虽然下面的描述主要涉及固相和液相之间发生相变的PCMs，应了解的是，本发明也适合于PCMs的其他类型，例如，液态和气态(例如，水)之间的相变或固态和气态之间的相变。

[0005] 一种基于PCM的热能储存设备设计的优选途径是构成包括PCM的圆柱形储存器的设备。该储存器的外表面与循环的热交换流体接触，该热交换流体用于使容纳于储存器内的PCM储存热能或从PCM提取热能。在从PCM提取热能的过程中(下文称为冷冻循环)，邻近储存器内表面的PCM的物相首先冷冻(从液态变为固态)，这显著降低了设备的导热率，结果使热量提取过程大大减缓。类似地，在PCM处于固态时，由于设备的低导热性，将热能储存于PCM中的过程(以下称为熔化循环)也大大减缓。

[0006] 美国专利6,400,896描述了一种热交换器，其包括延伸通过PCM的热能传递元件。该热交换器包括容纳有PCM的储存器和位于该储存器下部的热能传递元件。热交换流体在由储存器的外表面和围绕该储存器的管所限定的环形空间内循环。延伸通过PCM的热能传递元件是电阻加热的杆、或盘管、或管，在熔化循环中，高温流体流过这些杆、盘管或管，促使PCM熔化。

[0007] 美国专利5,220,954也描述了一种热交换器，其包括容纳于储存器内的PCM，储存器被管围绕，其中热交换流体在由该储存器的外表面和围绕的管之间所限定的环形空间内循环。环形空间被至少两个分隔壁分隔成上部和下部通道，以使热交换流体在熔化循环过程中流过下部通道，而在冷冻循环过程中流过上部通道。热交换器的一个实施例包括延伸通过储存器的中央部分并被连接到上部流动通道的中心管，其中导热肋片从中心管径向朝外延伸。

[0008] EP1455155描述了一种PCM元件，其包括外壳和内管，外壳包括PCM，内管同心地安置在外壳内，用于提供液态或气态冷却流体流过的路径。PCM元件进一步包括金属编织层或肋片，所述金属编织层或肋片被附联到内管，用于迅速将通过外壳外表面吸收的外部热量释放到PCM元件的内部，然后热量可通过在内管中流动的冷却液体排出。

[0009] 在2005年8月6日至12日于佛罗里达的奥兰多(Orlando)召开的国际太阳能会议的ISEC2005会议汇编中，Rainer T.等人发表的“Thermalenergy storage technology industrial process heat applications”描述了另一技术方案，其建议通过将PCM嵌入由具有高导热率的材料构成的基体(matrix)中来降低PCM储存设备的抗导热性(heat conduction resistance)。

[0010] 就基于PCM的热能储存设备中有效储存热能和从中迅速提取被储存的热能而言，上面所描述的这些方法都没有提供满意的解决方案。同时，也没有提出经济上合算的方法。因此，需要一种能克服上面所提到的缺陷的改进型热能储存设备。

发明内容

[0011] 因此，本发明的一个目的是提供一种基于PCM的方法和设备，其具有改进的导热率，因此能快速地、高能力(power)地储存和提取热能。

[0012] 本发明的再一目的是提供一种用于快速地、高能力地储存和提取热能的简化的和经济上合算的方法和设备。

[0013] 本发明的另一目的是提供一种适于广泛应用{例如，在加热工业中的任何过程的热能管理(调节)}的常规热能储存单元。

[0014] 本发明的其他目的和优点将通过以下描述而更加清晰。

[0015] 业已发现，可构造这样一种能量储存设备，其能迅速将热能传到容纳于导热储存器中的PCM中/迅速从该PCM中释放热能，该导热储存器包括热能传递元件，所述热能传递元件可在导热储存器的中央空间和其内壁之间提供多条传热通道。这种新结构允许通过与导热储存器的壁接触的热交换流体的流动而不要求该热交换流体在所述热能储存设备内循环迅速地将热能传递给所述设备/从该设备释放热能。

[0016] 因此，本发明主要涉及一种用于将热能传递给PCM或从PCM释放热能的热能储存设备。该热能储存设备优选包括细长导热储存器，该储存器具有置于其中的可插入的热能传递元件，其中，该热能传递元件包括多条横向设置的柔性导热部件形式的传热通道，这些导热部件的至少一部分与导热储存器的内壁接触，其中，所述多个部件沿传热元件的纵向轴线排列并占据其横截面部分。

[0017] 可将多个导热部件附联到由导热杆、管、管道或丝构成的中心支撑部件上，致使这些导热部件可对于它们的横向轴线倾斜。优选将带或丝弯曲成螺旋星形形状，其基点被附联到中心支撑部件上，其顶点则与导热储存器的内壁接触。

[0018] 术语螺旋星形一般是指具有由多个基点和顶点组成的星多边形几何形状的横截面的螺旋形，使所述基点形成所述螺旋星形的内部横截面直径，所述顶点形成其外部横截面直径。

[0019] 有利的是，在热能传递元件的横截面部分中存在非重叠的导热通道。

[0020] 任选的是，导热部件可由导热丝或导热带制成，可将这些丝或带粘结于、焊接于、或穿过(threaded through)中心支撑部件。

[0021] 可任选的是，导热部件可由附联到中心支撑部件上并与导热储存器的内壁接触的网件构成。

[0022] 可将可插入的热能传递元件成形为细长星多边形形状，其顶点压靠所述导热储存器的内壁，借此在所述储存器和其壁之间提供多条传热通道。可将中心支撑部件用于支撑细长星形元件，使星形元件的基点与支撑部件的外表面接触。细长星形元件可包括设置在其侧面、允许PCM通过(migration of the PCM therethrough)的传送孔。类似地，在中心支撑部件上也可设置传送孔，以允许PCM通过。

[0023] 本发明的另一方面涉及一种制造热能储存设备的方法，其包括提供导热储存器；在导热储存器内安装热能传递元件；通过所述导热储存器的开口用PCM部分或全部地填充该储存器的内部；及通过一或多个盖密封该导热储存器，其中所述热能传递元件适用于可柔性地(flexibly)插入导热储存器内，使它的导热部件压靠导热储存器的内壁。

[0024] 优选将所述热能传递元件的导热部件附联到中心支撑部件上。

[0025] 可通过导热储存器的开口将热能传递元件和PCM插入储存器内，然后用盖对所述开口进行密封，使盖的内表面与中心支撑部件的顶端接触，而所述中心支撑部件的另一顶端与储存器的相对端的内表面接触。或者，导热储存器可包括两个开口，其中一个开口在将热能传递元件安装到储存器内并用PCM填充储存器内部之前被盖密封，而另一开口事后被另一盖密封，使所述盖的内表面与中心支撑部件的顶端接触。

[0026] 根据再一优选实施例，本发明涉及热能储存系统，该系统包括隔热容器，容器中装有一些热能储存设备，其中隔热容器包括用于热交换流体流经该容器内部的至少一个进口和至少一个出口，致使流过的热交换流体与热能储存设备的外表面接触，其中某些或全部热能储存设备包括适于可柔性地插入导热容器内的热能传递元件，致使所述热能传递元件的导热部件压靠所述导热容器的内壁。

[0027] 热能储存设备可包括附联有热能传递元件的中心管道，所述中心管道的末端从所述热能储存设备向外突起，其中隔热容器进一步包括两个辅助室，每个辅助室与所述中心管道通过其突起的末端流体连通，以使另一种热交换流体流过。

附图说明

[0028] 下文借助附图所示的实例对本发明进行说明，附图中类似的附图标记始终表示相似的元件。

[0029] 图1A到1C示意地示出了利用刷形插件实现本发明的热能储存设备；

[0030] 图2A到2B示意地示出了利用细长星形插件实现本发明的热能储存设备；

[0031] 图3A到3D示意地示出了利用螺旋星形插件实现本发明的热能储存设备；

[0032] 图4A到4B示意地示出了利用网状插件实现本发明的热能储存设备；

[0033] 图5示意地示出了包括多根热能储存管的热能储存应用；

[0034] 图6A示意地示出了本发明的具有中心管道的热能储存设备的纵向截面；

[0035] 图6B示意地示出了具有两条不同的用于热交换流体的流动通道的热能储存应用；

[0036] 图7的曲线表示实例3中所描述的计算机模拟结果。

具体实施方式

[0037] 本发明提供一种基于PCM的热能储存设备(亦称为热能储存管)，其中通过提高设备的导热率显著改善热能的传递，借此具有较快且高效的热能储存和释放时间。下面详细描述的本发明的热能储存设备结构比较简单和方便，且制造费用相当低。

[0038] 一般而言，本发明的热能储存设备由包括有PCM的导热储存器(例如，管)和包括有多个导热部件的导热插件构成，其中所述导热部件经过导热储存器的内部空间并与其内壁热接触。在这种形式中，储存器的中央空间和其内壁之间存在多条导热通道，这可大大提高设备的导热性。优选用导热材料(一或多种)将中心部件制成为杆、中空管、管道、或金属丝编织物的形式。PCM优选是如NaNO3之类的无机盐。

[0039] 由于本发明的热能储存设备的独特结构，储存在位于其中央空间内的PCM中的热能可通过设置在所述空间内的插件和通过设备壁有效地释放到热交换流体中。更具体地说，借助导热储存器的中央空间和其壁之间的插件的导热部件形成的多条导热通道，尽管在靠近储存器壁的周边处PCM迅速固化也能保持良好的导热性。结果，可迅速释放储存的热能，从而可大大缩短冷冻循环和加速熔化循环。

[0040] 可以各种方式实现导热插件，例如可将插件制造成具有多根导热硬毛的刷形、制造成具有多个星多边形部件的螺旋星形，或这些形状的组合。下面作为实例还将描述其他类型的插件，例如具有网状件或细长的星形形状的插件。

[0041] 本发明的热能储存设备结构简单，因此其制造也较方便。优选使用具有至少一个开口的细长管作为导热储存器，其中将本发明的导热插件安装成使其导热元件压靠储存器的内壁。优选通过管的开口将本发明的导热插件推入管内，然后用PCM填充管并对该管的开口(一或多个)进行密封。

[0042] 本发明的热能储存设备可用于构件的常规管壳式构思中，其中多根热能储存管被平行安排在壳内，通过这些管热交换流体以与储存设备的外表面接触的方式按规定路径传送。

[0043] 图1A到1C示出了本发明一优选实施例，其中导热插件15被实施为刷形(以下称为刷形插件)，该插件包括由金属丝(或带)16制成的多根导热硬毛。热能储存设备11优选由导热管10构成，该导热管包括一或多个开口，通过这些开口可接近其内部空间。管10可由如铝或铜之类的金属材料制成，优选由对工作温度在300℃到600℃范围有利的碳钢制成。当然也可找到适合于被设计成在不同温度下工作的热能储存设备11的结构的其他材料。可将管10形成为不同的几何形状，例如，圆形、椭圆形、多边形或星多边形。根据本发明一优选实施例，管10被制成直径通常在20到200mm范围、厚度通常在1到5mm范围的圆柱形。

[0044] 优选通过管上的开口将刷形插件15推入管10内使其插入管10内。推荐刷形插件15的导热丝(或带)16由如铝、铜等导热金属构成，优选由铝制成。导热丝16的直径通常在0.5到2mm的范围内，其长度通常在10到100mm的范围内(约为管直径的一半)。

[0045] 可在多个点处沿中心部件12的纵向长度使导热丝16与该中心部件附联并从那里向外延伸，优选以类似于硬毛的方式径向延伸。推荐中心部件12由如铝或钢之类的导热金属制成，优选由铜制成。刷形插件15的直径一般在20到200mm的范围内，优选约为100mm，其长度与管10的长度大致相同。在这种情况下，将插件15插入管10内且管被顶盖和底盖18a和18b密封之后，导热丝16可压靠管10的内壁，而中心部件12的顶端和底端分别压靠顶盖和底盖18a和18b的内侧。

[0046] 可将中心部件12实施为杆件，可将导热丝焊接或黏附于杆件上，或缠绕于其上。根据本发明一优选实施例，中心部件12由金属丝编织物制成，导热丝穿过该编织物，使每根穿过的导热丝的两部分从那里向外延伸，优选大概沿相反方向径向延伸。

[0047] 推荐顶盖和底盖18a和18b由导热材料制成，优选由与管10相同的材料制成。可将这些盖18的直径调整成能够为管10提供有效的密封。盖18优选包括在其边缘从盖18的平面垂直伸出的环形突出部19a和19b，所述环形突出部被调整成配合于管10的末端部分的圆周外表面上，借此紧密地密封其开口。

[0048] 将插件15插入管10并用盖18将管上的至少一个开口密封后，可将PCM14引入管10内，然后再用合适的盖18密封管10的其他开口(一或多个)。管10的内部空间优选全部被PCM14填充。PCM14可包括一或多种本领域公知的PCM材料。例如，对于温度约为
300℃的情况，优选PCM包括NaNO3。

[0049] 图2A到2B示出了可用于本发明的热能储存设备21中的另一种可能的导热插件。该优选实施例中的导热插件25形成为细长的星多边形形状(以下称为星形插件)，其具有星多边形横截面和可通过其末端开口接近的中空的内部。星形插件25还包括使其内部和外部周围空间之间连通的传送孔27。设置在星形插件25侧面的传送孔27允许PCM14(图
2A和2B中未示出)进入(migrate in)热能储存设备21的内部空间。

[0050] 推荐星形插件25由如铜之类的导热材料制成，优选由铝制成。可根据具体应用选择星形插件25的星多边形形状的点(顶点)的数量。在本发明一优选实施例中，星形插件25由包括传送孔27的平坦金属片构成的六点星形(具有六角星形横截面几何形状)形成，其可进一步包括弯曲的狭缝26以有助于将金属片弯成需要的细长星多边形形状。金属片的厚度通常在0.5到4mm的范围内，优选约为1mm。

[0051] 将星形插件25插入管10之后，通过将细长加固元件20插入插件中心可使插件顶点28a牢固地压靠管10的内壁。在这种情况下，加固元件20的外表面的一些部分压靠星形插件25的基点28b，借此在其上施加径向力并径向压迫顶点28a。加固元件20可由任何本领域中公知的合适材料制成(例如，导热材料和/或弹性材料)。优选其由如铜制导热片之类的导热片构成，优选由铝制导热片制成，将其卷成细长管的形式，该管围绕其纵向轴线具有径向弹性以在点28a和28b上施加径向力，借此使顶点28a压靠管10的内壁。可在沿加固元件20的不同部位处设置传送孔23以允许PCM通过(migrate therethrough)这些孔。

[0052] 图3A到3D举例说明了构成为螺旋星形形状(以下称为螺旋星形插件)的再一种插件实施例35。优选螺旋星形插件35由弯成曲线形状的导热丝(或带)制成，其包括处于横截面外直径OD上的多个顶点38a，和处于横截面内直径ID上的基点38b，这些基点在一些圆周点处被附联到中心支撑件30上。优选沿中心支撑件30的外表面的基点38b的附联点围绕中心支撑件的中心轴线以螺旋形式环形分布，致使顺序的基点38b与中心支撑件的末端之一的距离逐渐增加。顶点38a形成类似的螺旋形状，因此将螺旋星形35插入管10内时，顶点38a在其与管的末端之一的距离逐渐增加的圆周点处围绕管10的中心轴线环形地压靠管的内壁。

[0053] 如图3A和3B所示，也可将螺旋星形插件35实施为没有中心支撑件30。图3C和3D举例说明了将本发明实施为带有中心支撑件30时本发明的螺旋星形插件35的情况，其中图3D示出了将其插入管10时的实施情况。

[0054] 如本领域公知的那样，中心支撑件30可由任何合适的材料制成(例如，导热材料和/或弹性材料)。其被推荐为由如铜之类的导热片构成，优选由铝制导热片构成，被卷成细长管的形状，该管在其纵向轴线周围具有径向弹性以向点38a和38b施加径向力，借此使顶点38a压靠管10的内壁。可在沿中心支撑件30的不同部位处设置传送孔33以允许PCM通过这些孔。

[0055] 借助于将丝缠绕到中心支撑件30上可使部分或全部基点38b焊接、黏附或附联于该中心支撑件上。推荐中心支撑件30由如铜之类的导热片构成，优选由铝制导热片构成，其被卷成细长管的形状，在此实施方式中，优选该支撑件还包括在其上不同部位处的传送孔33，以便PCM通过这些孔。

[0056] 图4A到4B举例说明了插件实施例45，其中该插件由多个圆形导热网件48-1、48-2、48-3...构成。如图4A所示，可将网件48-1、48-2、48-3...附联到中心杆(一或多根)42上。借助于将丝缠绕到中心杆(一或多根)42上可使网件48焊接、黏附或附联于所述中心杆上。网件48的直径可根据管10的直径调节以将这些网件紧紧地固定于管中，从而使网件的周面压靠管的内壁。网件可由某类钢或铜、优选由铝制成的导热网构成，其厚度通常在0.5到4mm的范围内，优选约为1mm。推荐杆(一或多根)42由如铜或铝之类的导热材料制成，优选由钢制成，其直径一般在1到6mm的范围内，优选约为2mm。

[0057] 图5示出了利用本发明的热能储存设备10-1、10-2、10-3...的一优选管壳式实施例。在该实施例中，将多个热能储存设备(例如，管)10-1、10-2、10-3...沿隔热容器500的长度平行地放置在该隔热容器内部。容器500可由被附联到末端开口的端盖501和502密封的圆柱形中空传导体(medium)构成。虽然在该实例中容器500被水平定位，因此其纵向轴线与地面平行，但需注意的是，其可类似地垂直定位，即，使其纵向轴线垂直于地面。

[0058] 优选将热交换流体进口504设置在容器500的下部横向侧，靠近其一个末端(例如，501)，优选将热交换流体出口503设置在容器500的上部横向侧，靠近其另一末端(例如，502)。当然，热交换流体可沿其它方向流动。热储存设备10-1、10-2...通过一组管支撑部分50和51被固定在容器500内部。

[0059] 上部管支撑部分50-1、50-2...从容器500内部的顶部向下延伸，下部管支撑部分51-1、51-2...从容器500内部的底部向上延伸。上部和下部管支撑部分50和51被设置成缠绕(intertwining)方式，因此迫使热交换流体509的流动路径(由箭头505表示)方向在容器500内部变换，即，上和下流动方向之间的流动方向呈之字形。以这种方式使热储存设备10-1、10-2...和传热流体之间的热交换最充分。

[0060] 容器500可由如钢之类的含铁材料制成，优选由碳钢制成。正如本领域技术人员可以想到的那样，应根据每一具体应用的需要来调节容器500的几何尺寸范围。据此，容器500的设计应考虑容器500需要包括的热储存设备的数量和所述设备的期望长度。在这种情况下，热储存设备可通过上部和下部管支撑部分50和51被水平地安装于容器中，从而使热储存设备的末端和端盖501和502之间的缝隙最小。

[0061] 端盖501和502可由任何合适材料制成。例如，盖501和502可由与制成容器500的材料相同的材料制成。可将盖501和502调节成配合于容器500的末端部分的外表面上并密封其末端开口。上部和下部管支撑部分50和51可由某类钢制成，优选由碳钢制成，可将它们设计成能够阻塞容器500的大约90％的横截面面积。热交换流体506可包括热油(thermal oil)，在本发明一优选实施例中，其包括Solutia(St.Louis，USA)的Therminol VP1或Dow Chemicals的Syltherm800，可对它们在容器500内的流速进行选择，以保持最佳传热。

[0062] 在熔化循环期间，对于1MWthh(热兆瓦-小时)储存单元，传热流体509的流速通3
常可在20到100m/Hr的范围，而在冷冻循环期间，对于所述单元来说流速的范围在40到
3
200m/Hr。

[0063] 图6A为本发明的热能储存设备73的示意性纵向截面图，该热能储存设备具有沿其长度纵向通过的中心管道73c，该中心管道与容纳于设备内的导热插件73i热接触。如图6A所示，热能储存设备73的内部被PCM73p填充，中心管道73c的两端从热能储存设备73的基底73b向外伸出。

[0064] 最优选的是，将内部管道73c用作导热插件的中心支撑元件，致使其沿热能储存设备73c的长度同轴地通过，该热能储存设备具有附联到其外部表面的所述导热插件的导热元件。优选将内部管道73c用作导热插件73i的中心部件，例如，可将内部管道73c用作星形插件25的施力元件20(图2B中示出)、用作螺旋星形插件35的中心支撑件(图3C-3D中示出)、和/或用作导热插件45的中心杆42(图4A中示出)。

[0065] 图6B示意地示出了一种包括容器70和热能储存设备73的热能储存实施方式，所述容器70和热能储存设备73被构成为形成用于热交换流体的两条不同的流动路径。在本发明的该实施例中，热能储存设备73包括如参照图6A所描述的内部管道73c。如图6B所示，内部管道73c的末端从热能储存设备73的基底73b向外伸出，因此通过管道开口70i和70o可接近管道内部。

[0066] 容器70包括内部安装有热能储存设备73的主室70a，以及两个辅助室70b。能量储存设备73被安装在主室70a内，致使内部管道73c的末端部分被导入辅助室70b内，从而在所述辅助室70b和所述内部管道73c的内部之间流体流动地连通。

[0067] 主室70a包括流体进口71a和流体出口72a，第一传热流体77可通过它们流动。流体进口71a和流体出口72a优选被设置在纵向隔开的部位处主室70a的相对两横向侧上。例如，如图6示出的实例，将流体进口71a设置在靠近主室70a的一个末端，而将流体出口
72a设置在靠近主室70a的另一个末端的相对横向侧上。

[0068] 每个辅助室70b包括至少一个流体口，以使第二传热流体78经由热能储存设备73的内部管道73c在其之间流动。如图6所示，可将设置在一个辅助室70b中的第一流体口71b作为进口，而可将在另一辅助室70b中的位于容器70的相对的横向侧上的另一流体口
72b用作所述第二热交换流体的出口。

[0069] 容器70优选包括从主室70a的内部的顶部向下延伸的上部部分72-1、72-2...以及从主室70a的内部的底部向上延伸的下部部分71-1、71-2...。上部和下部部分71和72以缠绕的方式安置，借此迫使第一传热流体77的流动路径(由箭头75表示)方向在主室70a内部改变，即，在上和下流动方向之间的流动方向呈之字形。

[0070] 容器70可由如钢之类的含铁材料制成，优选由碳钢制成。对于1MWthh单元而言，主室70a的容积通常约为13,000liter，而每个辅助室70b的容积通常可在800到2000liter的范围内。

[0071] 内部管道73c可由如铝或铜之类的金属材料制成，优选由碳钢材料制成。对于1MWthh单元而言，内部管道73c的内径一般约为30mm，对于这种单元而言，其长度可大致在
3到6m的范围。

[0072] 优选用经过主室70a的第一热交换流体向容纳于主室内的能量储存设备73传递热能，该热交换流体可由水(或蒸汽)或油类实现，优选由传热用油、例如由Solutia的Therminol VP1实现，当然并不限于此。

[0073] 优选将经过辅助室70b的第二热交换流体用来从容纳于内部的热能储存设备73中移除热能，该热交换流体可由水(或蒸汽)或油类实现，优选由水蒸汽实现。

[0074] 值得注意的是，本发明的热能储存设备适用于广泛的热能储存应用。可将这种同样的热能储存管用于各种动力(power)/能量范围，通过简单地选择适当的PCM可将热能储存管调节在不同的温度下工作。因此，本发明为热能储存应用提供了一种常规的解决方案，可简便对该方案进行调整以适应具体需要。

[0075] 上面给出的所有参数只作为示例，且可根据本发明各种实施例的不同要求而改变。因此，上面提到的参数并非以任何方式限制本发明的范围。另外，需要理解的是，可将上面所描述的不同的管、储存器、以及其他部件构成为不同形状(例如，平面图呈椭圆形、正方形等)和与上面描述示例不同的尺寸。

[0076] 实例1

[0077] 表1列出了通过使用小型试验模型进行一系列模拟试验所获得的结果。这些试验采用直径为100mm、厚度为1mm的钢制圆柱形管构成的热能储存设备。用熔化温度为250℃的NaNO3/KNO3混合物填充该圆柱形管，并在没有热能传递插件和具有上面举例说明的各种插件的情况下进行试验。该热能储存设备被装在储存器内，PazTherm22传热流体循环流过该储存器。在熔化循环中传热流体的温度为260℃，其可将PCM加热到约250℃，而在冷冻循环中将PCM冷却到240℃以释放被储存的热能。

[0078] 表1

[0079]插件类型 被储存能量提取的持续时间
(min)
无插件 128
刷形插件 32
细长星形插件 40
螺旋星形插件 40
网形插件 34

[0080] 表1中示出了采用相同的管在没有插件和带有多种设计的插件的条件下完全提取被储存的能量所需的时间。如表1所示，在具有热能传递插件的条件下进行试验，热能储存设备的性能显著提高。这些试验结果表明，若采用热能传递插件，储存管输送其能量所需的持续时间大大缩短(缩短到约1/3，能量增加了两倍)。

[0081] 实例2

[0082] 以下举例说明本发明的热能储存系统的一具体实例，其被设计成使用NaNO3作为PCM而VP1作为传热流体在307℃条件下工作。该系统被设计成在大约四小时内储存约1MWthh的能量(即，250KWth)并在约两小时内释放相同的能量(即，500KWth的能量)。

[0083] 在该例中，利用容纳有PCM的细长导热管和细长的铝星形插件实现所述热能储存设备。细长的星形插件包括六个顶点，其与导热管的长度相同。

[0084] 表2提供了示例的热能储存设备的一些几何参数：

[0085]参数 尺寸/数量 备注
管内径 10cm
管长度 400cm 由碳化钢制成
管体积 31.416liter
管数量 310
总体积 9739liter
每liter的潜热 0.116KWthh/liter
填充系数-PCM填
充因素 0.9
总能量储存 1016.7KWthh 对于100％的效率
管填充系数-管体
积与容器体积比 0.79
管壁厚度 0.15cm
容器内径 204cm
容器体积 13074liter
能量储存管的体积 10332.1liter
热能传递流体的体积 2742liter
传热流体与PCM
体积比 28.2％
PCM重量 22010kg 熔化温度下密度约2.6
传热流体内的显热 14.38KWthh/10℃ THERMINOL VP-1
两小时内传递所述热量
所需的传热流体流速 26.93liter/sec

[0086] (KWthh-热千瓦-小时)

[0087] 实例3

[0088] 图7的曲线示出了用计算机模拟被试验的本发明的热能储存设备的传热所获得的结果，其中模拟的传热设备的结构如下：设备的导热管为具有100mm内径的钢管和包括由纯铝(例如，铝1100)制成的具有六个顶点、1mm厚的细长星形插件。在该模拟试验中，用SylTherm800油作为传热流体，传热流体和熔化的PCM盐(NaNO3)之间的温差为10℃。

[0089] 图7示出了用计算机模拟的结果，其中所示曲线表示出从管组件中提取能量期间的固化作用速率。曲线60表示模拟容纳有细长星形插件的传热设备的结果，曲线61表示模拟本发明的传热设备只容纳有PCM盐(没有传热插件)的结果。图7曲线的纵向轴线与PCM在其液态(1.0)和固态(0.0)之间的变化相关。

[0090] 当然，以上的一些实例和描述只用于图示说明，而不是以任何方式限制本发明。正如本领域技术人员可理解的那样，本发明可通过很多方式实现，这些方式可利用多于一种的上面已描述的技术，所有方式均没有超出本发明的范围。