在熔化期间具有螺旋延伸管道的热存贮器

摘要

一种改进的热存贮和回收的方法和设备。方法改进为：在供冷循环中让较暖的冷冻液流过冻结液包覆层包围的初始流动路径，再流过浸在由冻结液包覆层冷却的存贮液中的增加路径；在存贮循环中在存贮区内保留大量未冻结的存贮液，并通过辅助导管延长初始流动路径设备改进为：有一个可浸在未冻结的存贮液中的辅助导管，该导管在供冷循环时可与原有管道相连；还有一个使辅助导管不会生成冻结液包覆层的装置。

说明书

本发明与热存贮有关，本发明提出了一个改进的用于利用在容器中形成并保存于其中的冰的方法和设备。

众所熟知的热存贮设备是这样的：它在非峰值能量期间生成冰，并用此冰作为空调用的冷源。这样的热存贮设备其中有一种是让冷冻剂（如盐水或乙二醇溶液）流过一个管道，该管道浸在一个盛有可冻结的存贮液（如水）的池子中。水池封闭在一个容器内，冷冻液管道通常弯成螺旋形，并有多个管道段浸在水池中。冷冻液管道一般是平行地安装在水池中的，并连在入口集管与出口集管之间。入口与出口集管从一个或多个热交换器中接收冷冻剂，并向热交换器中放出冷冻剂。在热交换器中，冷冻剂在产生冰的循环过程中被冷却，在供冷循环过程中受热。在工作过程中至少要在某些时期内搅动存贮液以减少温度分层。

在产生冰的循环过程中，在低于池内存贮液固化温度的温度下，通过机械致冷而在热交换器（通常称之为“冷却器”）中连续地生产出冷却了的冷冻剂。该冷冻剂通过管道流入入口集管，再从出口集管流出而流回到冷却器中。存贮液将凝结在管道周围把管道包住，并逐渐长成一层很厚的冻结液包覆层（通常是冰）。在毗邻的平行管道上的冻结包覆层互相连接起来之前，将达到最佳的有效存贮容量。然而，大量的未冻结的存贮液一般将留在容器壁边上或留在相邻的冻结包覆层之间，并且，这样的自由液将在接近于凝固点的温度达到平衡。

在供冷循环时，让冷冻剂循环流入热交换器（如作为空调系统的一个部件）中，并在此受热;然后重新回到热存贮器内的管道中，并在此被冻结包覆层所冷却。然而，随着每个冻结包覆层的熔化，在包覆层的内部就形成了一个围绕冷冻剂管道的液体套筒。该液体套筒在温度高于存贮液凝固点时将继续增大，并将局部地把管道表面和剩下的冻结包覆层隔开。这就导致由出口集管中出来的冷冻液的温度暂时升高（在存贮液凝固点之上），由于热存贮器不能连续将冷冻液冷却到接近于存贮液凝固点的温度，因而降低了热存贮器的设计参数。后一状况尽管是暂时的，但也要继续保持下去，直到冻结包覆层因液体套筒层的热传递而打开，从而使包覆层外面的受搅动的自由液体也对冷却管子表面发生作用时为止。但是，当容器内的自由液体的浮力效应足以抬起冻结包覆层，从而驱使冰顶住管子表面的下部时，这种状况也可以部分消除。

因此，这对克服在供冷循环早期在管子与冻结包覆层之间形成的液体套筒的影响是十分有利的。

本发明的主要目的是提出一种改进的方法与设备，以便刚好在存贮液的凝固点之上的较为均匀的温度下，从热存贮设备中连续获得冷冻剂。

本发明的另一个目的是提供一种改进的方法与设备，以保证在整个供冷循环过程中，从热存贮器中出来的液体冷冻剂的温度保持匀衡。

本发明的第三个目的是提出一种改进的方法与设备，以保证从冰存贮器中流出的冷却的液体冷冻剂的温度保持基本恒定。

本发明的第四个目的是提供一种冰的热存贮装置，它具有可浸在自由存贮液中并能互连的辅助导管，以增加液体冷冻剂的流动路径，这些路径也通过冰包覆的管道。

本发明的第五个目的是提供一种方法，用于有选择性地增加液体冷冻剂通过冰存贮器的流动路径，这些路径位于用自由存贮液冷冻的导管中。

本发明的第六个目的是提供一个冰的热存贮装置，它具有可浸在自由存贮液中并可互连的辅助管道，以便接收由冰包覆的管子中来的部分冷却了的液体冷冻剂。

简言之，本发明是用自由存贮液来补充冷却冷冻剂。所用的方法是：在供冷循环过程中，当冷冻剂通过由冻结包覆层（它是在先前的存贮循环中形成的）所包围的初始流动路径时，为暴露在自由存贮液中的冷冻剂提供了扩充的流动路径。冷冻剂通过浸在自由液中的扩充的流动路径并通过由冻结包覆层包围的初始流动路径，其总效果足以使冷冻液的温度降到自由液的温度附近，而在存贮循环时，在冷却了的冷冻剂的作用下，仅在穿过一直浸于存贮液中的管道的初始流动路径上生成冻结包覆层。

更可取的方法是让冷冻剂连续通过一个浸在自由存贮液中的导管来完成补充冷却。该导管是由冷结包覆层冷却的，从而把冷冻剂冷却到接近自由存贮液的温度。

实现此方法的设备除了冷冻剂管道之外，还有浸在存贮液池内的辅助导管（而存贮液池是密封在容器中的），以及在冷冻剂管道上生成冷结包覆层期间，使辅助导管不会生成冻结包覆层的装置。

在本发明的优选实施例中，扩充的冷冻剂流动路径通过了在热存贮器内的液池的一个区域，而这个区域是没有冻结包覆层生成的。这就是说，每个扩充的流动路径可以在容器内，并与冻结包覆层或其形成区保持一定距离。然而，也可把每个扩充的流动路径放在热存贮容器之中或者之外，但要远离标准的存贮液池。也可以仅在供冷循环过程中，在用容器内的冻结存贮液来冷却冷冻剂时，让自由液流动而与扩充的流动路径相接触。

参照附图可以对本发明的目的与优点作更为详细的说明。

图1是热存贮设备的侧视图，图中除去了一些部件，以便更好地显示本发明的优选实施例的细节部分。

图2是图1所示装置的末端视图。

图3是图1所示装置的一个部分的部分截面的详细透视图。

图4是热存贮设备的侧视图，图上除去了一些部件以显示出本发明的改型实施例的细节部分。

图5是图4所示装置的末端视图。

图6是图4所示装置的一部分的细图。

图7是本发明另一个实施例的侧视图。

图8是本发明又一个实施例的平面图。

图9是本发明此外又一个实施例的侧视图。

已经观察到，在供冷循环时，从热存贮器（它能在存贮循环时将存贮液冻结在冷冻剂环流管道的表面上）中流出的液体冷冻剂，在供冷循环的初期一开始将接近凝固温度，然后，冷冻剂的温度将随着在每条管道与冻结包覆层之间的熔化存贮液套筒的形成而升高。根据本发明已发现，只要使热存贮器中的大量的未冻结的存贮液（这里称之为自由存贮液）与冻结液（这里称之为冰）保持接触，并且，只要在供冷循环时，通过浸在自由存贮液中的辅助区域为液体冷冻剂提供扩充的流动路径（最好是在液体冷冻剂通过由被包覆的管道构成的初始流动路径之后），就可以减少并消除不希望有的温度升高。

由于提供了扩充的流动路径，液体冷冻剂就可进一步被自由存贮液所冷却，而自由存贮液又可由放在存贮器中的冰来冷却。这样通过适当调整每条扩充的流动路径的长度或者通过调整液体冷冻剂与存贮液之间的热传导面积，就可以把液体冷冻剂的温度降到刚好在自由液体与冰的温度之上。

辅助区中没有表面上结冰的管道，并且也不允许在管道内结冰。辅助区可以在存贮液池中，或者直接与存贮液池毗连，并从它那里接收液流。供结冰用的管道位于存贮液池中，而辅助区中并没有供结冰用的管道。此外，若仅在供冷循环时让自由存贮液流到辅助区中，也可能把辅助区与存贮液池分开。

液体冷冻剂的流动路径的扩充部分最好是初始流动路径的连续延伸，这可通过许多方式来完成。例如，将液体冷冻剂定期地从管道出口中引出，使其通过连续浸在存贮液中的辅助导管，或者让液体冷冻剂连续地流过仅在供冷循环期间浸在自由存贮液中的辅助导管。

为了便于表达起见，用“管子”与“冰”这两个词来分别表示液体冷冻剂的初始流动路径的物理通道和存贮液的冻结形式或状态。然而，除了管子之外，可以根据几个已知的结构来选择流动路径的通道，如间隔板，压制或焊接成的板等等。存贮液可以是水或其它已知的可冻结的液体或液体水溶液，它们在发生固/液相变时有融化热。

在图1-3中举例说明了一个实现上述方法的设备的优选实施例。此装置与前述的热存贮器的形式相似，包括一个容器20，隔热壁板22，底板24，顶盖26。该顶盖26可以移动，以便进入容器20的内部。

存贮液池30保留在容器内，容器中还有许多根排列成螺旋形的冷冻管子36，它们浸在存贮池30中。冷冻管36与入口管38和出口管40相通，它们又可进而与冷冻系统相连。冷冻系统中有热交换器（如冷冻器）和空调机，但是这两个设备在图上没有画出来。

上述的设备部件的本身并不构成本发明。在常规的操作中，上述设备部件是在冰的产生和存贮循环过程中运行的，其工作方式是从冷却器（未画出）那里接收经过管道38而来的冷却的液体冷冻剂，该冷冻剂通过管子36进入到出口管40，然后再从那里回流到冷冻器中。在此循环中，冷却的冷冻剂使池子30中的存贮液冻结在管子36四周，并逐渐在每根管子周围形成一层冰包覆层。在一般情况下，如果搅动存贮液，在平行的垂直螺旋管道中相邻的管子36上的冰包覆层是不会连续生长而相互连在一起的。并且，每当容器的顶部、底部以及在冰包覆层之间积存了大量的、未冻结的自由存贮液时，存贮循环就会结束。

其后，按如下方式进行供冷循环;将液体冷冻剂从出口管40环流到空调机（未画出）中。在空调机内液体冷冻剂受热（吸热），然后再通过入口管38回到管子36，在此，液体冷冻剂被管子四周的冰包覆层所冷冻。由此可知，前述的冷冻器、热存贮器和空调机可以按某种方式互连起来，而这种连接方式允许间歇式循环与交替式循环，也允许重叠式的操作。在后一种情况下，冷冻器与热存贮器共同运行，顺序地（或并行地）对液体冷冻剂进行冷却，以便在峰值需求下处理空调机的热负荷。

本发明用如下方法对热存贮器作了改进：增加了辅助导管50，从而通过仅在供冷循环时与自由存贮液相接触的办法，来有效地延长了液体冷冻剂在热存贮器中的冷却路径。重要的是，在功能上辅助导管50并不对生成冰包覆层发生作用，这是由于那样的情况会使热存贮器丧失克服先有技术设备中所具有的前述缺点的能力。

在图1-3所示的实施例中，在螺旋管组36的上面，在两个水平的管道段中，装有辅助导管50。存贮液池30的位置保持在导管50之上。最好在导管50上装散热片52（见图3），以便最大限度地扩大热传导的表面积，然而，在本发明中使用的是具有光滑壁表面的导管，波形管与带槽的导管。

从图3中可以清楚地看到，在容器20的上端，管子36通过入口集管60（它是三腔汇流箱62下部）而与入口管38相连。

在图示的设备中有多个管子36按螺旋形向下通到容器20下部的汇流箱64中;管子36的备用的螺旋管道则从汇流箱64向上通到第一个出口集管66（它是汇流箱62的中部）。备用管道中液流的方向与其相邻管道中的液流方向相反。这样的构造补偿了冰层厚度的变化-即冰的生长速率沿螺旋管道的流动长度逐渐减缓。至少有一个弯管68从第一出口集管66中延伸出来，通过第一控制阀70而通到与出口管40相连的“T”型管接头72中。当打开第一控制阀70时，从入口管38和集管60流入的液体冷冻剂可以通过管子36的上下迂迥的管路流动，直接从第一出口集管66流出，再通过弯管68与阀门70进入到出口管40中。

辅助导管50在十分接近管子36的末端处，也与第一出口集管66相连。由此可知，导管50位于管子36的上方，其距离至少是水平管道段间垂直距离的一半左右，这样才能使导管50位于管子36的最上面的管道段的冰包覆层之上。导管50在存贮液池30的上部于管子36上方的区域内通过，并与第二出口集管80（它是三腔汇流箱62的上部）相连。第二弯管82与第二控制阀84连在第二出口集管80与“T”型连接管72之间，并由此通到出口管40中。从图2与图3可以看出，当打开阀门84时，液体冷冻剂可以流过导管50而进入到出口管40中。

在存贮循环时，开动图1-3所示的设备，关闭第二阀门84，打开第一阀门70，从而使通过入口管38（从没有图示的冷却器）来的冷却的液体冷冻剂流经第一出口集管66与弯管68，进入到出口管40中，而不流经辅助导管50。这样，在池子30中，仅在管子36上生成冰，而在导管50上及其通过池子30的区域中则不生成冰。

在供冷循环时，第一控制阀70是关着的，而第二控制阀84是打开的。这样就阻止了液体冷冻剂通过弯管68从第一出口集管66中流出，并迫使冷却剂通过导管50流到第二出口集管80，并由此通过弯管82流到出口管40中。由于在存贮循环时在导管50周围并不生成水，所以，导管50仍然是浸在由管子36上的冰所冷却的自由存贮液中。

应当注意，至少要在循环的部分时间内搅动存贮液池，以最大限度地减少温度的分层作用并促进冰的均匀形成与熔化。在图1中示出位于容器底部24的充气方式的搅动装置，如气泵100与连接软管102等。

还应当注意的是，集管60，66和80可以是分开来的通道。图3所示出的组合结构，从紧凑和经济的观点来说，还是很可取的。三腔汇流箱62可以是由抗腐蚀的金属制成的对称结构。在汇流箱的面板110上有许多开孔，所有的管子与导管都从一侧与这些开孔相连通，与面板垂直的隔板112与114从另一侧延伸到面板上。外侧带角度的壁板116与118分别与面板和隔板一起限定了入口集管60与第二出口集管80的空间范围，壳板120则限定了第一出口集管66的空间范围。

在图4-6中示出了本发明的一个改型实施例，其中的某些部件与图1-3中所示的部件相似，因此用带“′”的相同参考号标出。在该实施例中，在容器20′的底部、在管子36′最下方的管道段下面，安装了添加的辅助导管150。此外，管子36′的另一组管路独立地与入口管38′相连，以便在与管子36′相邻的管路中，提供方向相反的液体冷冻剂液流。

在图4-6的实施例中，隔板160把容器下部的汇流箱64′横向分成上入口室162与下出口室164。管子36′的备用管路的端部分别与入口室162和出口室164相连。第一展接管166连接在入口室162和入口管38′之间。第三展接管168连接在出口室164和从第一出口集管66′延伸出来的弯管68′之间。那些与入口室162相连的管子36′的管路，以螺旋形式向上延伸，并与第一出口集管66′相连。与出口室164相连的管子36′的备用管路从入口集管60′处按相同方式相下延伸。最后，增加的辅助导管150从出口室164处出来，在管子36′下面，水平穿过存贮液池30的底部，并通过垂直的立管156与上部的导管管道段158相连。管道158夹在导管50′之间，并延伸到第二出口集管80′中。当控制阀70′、84′（它们可以是被驱动的螺线管）工作时，液流状况将与前述的第一实施例相似。

在存贮循环时，打开阀门70′，关闭阀门84′，以把冷却的液体冷冻剂送入到入口集管60′和入口室162中。冷冻剂将按相反方向通过管子36′的备用管路流到出口室164和第一出口集管66′中，并从那里直接通过管168和68′到出口管40′（这是因为关闭了的阀门84′将阻止任何液流通过导管50′和150之故）。与此相似，在供冷循环中，阀门70′是关闭的，阀门84′是开着的，液体冷冻剂既不能通过管子168从出口室164中流出，也不能通过管子68′从第一出口集管66′中排出。因此，只能分别通过由导管150（和158）及50′所提供的扩充路径，并通过第二出口集管80′和管子82′而进入到出口管40′中。这种结构能较为有效地利用在池子30′底部的自由液，而该自由液不能通过管子36′上的冰区向上传热。此外，这种结构还可允许有更长的辅助导管。

还可进一步修改图4-6的装置。比如，在相邻的冰包覆层间的不结冰的纵向空间内，在螺旋形管子36的备用管路之间，尤其是在使用不带散热片的光滑管道的地方，可铺设一条或多条导管管道。

图7是图1-3的一种改型实施例。在此装置中，由管组36″与容器20″的底部24″保持有一段距离，以便在冰存贮循环时，把未冻结的自由存贮液留在管子的下面。池子30″的上部将盖住管子36″上面的管道，但是不会达到辅助导管50″的高度。在容器底部24″上，固定有一个柔软的可充气的袋囊180，并通过三通阀门186将加压气源184（例如是空气或二氧化碳气，但通常用空气泵）连接到容器底部24″与袋囊180之间的空间中。阀门186也有一个出气口，以便从袋囊180中放出气体。在供冷循环时，向袋囊180中充气，袋囊将膨胀起来顶住下部的冰包覆层，并使自由存贮液升到容器20″中较高的位置上，以致浸没辅助导管50″。在存贮循环时，开动三通阀门放出袋囊180中的气体，在存贮液重量的压迫下，袋囊就会塌陷下去，从而使池子30″降到导管50″的下面。另外的工作方式则与图1-3所示的实施例相似，然而，由于在存贮循环时导管50″将不浸在存贮液中，因此，不能够生成冰。此外，也可直接把管子36″和导管50″连接起来，让液体冷冻剂在存贮循环与供冷循环时都可从这两个管道中通过。

在图8所示的又一实施例中，管子36″分别直接延伸到各自的辅助导管50″′中。导管50″′位于槽190之内，而槽190又是与容器20″′分开来的。导管50″′可有一排或多排，并在与出口管40″′相连的排水集管80″′处终止。容器20″′的下部通过管子192与194与槽190相连，这两个管子可使存贮液在容器与槽之间进行环流。泵196位于管子192之中，其作用是将液体从槽190中抽出;双向截流阀198位于管子194之中，其作用是截断从容器20″′中流出的存贮液。这样，在存贮循环时，当冷却的液体冷冻剂流过管子36″′与导管50″′时，关闭阀门198，开动泵196，从而把槽190抽空（因此导管50″′上不能结冰）;在供冷循环时，打开阀门198，连续开动泵196，让自由存贮液自容器20″′通过槽190并横越导管50″′进行环流，导管50″′将因此而浸没于自由存贮液中。

在图8所示的实施例中，可以重新安排槽190与容器20″′的相对几何位置。例如，可以把槽放在容器20″′的一侧或一端，也可以把槽190放到容器的上面。在后一情况下，泵196将会倒转，并仅在供冷循环时才把液体从容器20″′抽到槽190中。阀门198则可取消，并且在存贮循环时，槽190中的存贮液可因重力作用而排空。

在图9中又提出另一种实施例，实施例与图1和图7的方案类似。不同的是，冷冻管36是直接与辅助导管50相连的，导管通过出口集管80连续地排液。分立的蓄水箱200通过阀门202与排水管204，在管子36最上一排和导管50的最下一排之间的位置上，通过容器壁22与存贮液池相连。蓄水箱通过供水管206、泵208以及阀门210（并最好从容器底部24）与容器20相连。在存贮循环时，有一些存贮液通过打开的阀门202排到蓄水箱200中，并通过关闭阀门210而保留于其中。这样，存贮液池30的上液面将保留在导管50的下面，并且在导管上不会结冰。在供冷循环时，关闭阀门202，打开阀门210一段时间，开动泵208把液体从蓄水箱200送回到容器20中，以使自由存贮液的液面高于最上面的导管50。这个方案还可通过如下办法来进一步加以改进：改变蓄水箱200相对于容器20的高度并重新安排阀门与泵的位置，以便用泵抽出存贮液并通过重力流动让同样数量的存贮液流回容器20之中。

根据下面所提出的权利要求，在不背离本发明精神和范围的前提下，本发明还可有其它的变型与更改。