相变蓄热器、空调系统及用于空气调节的充热取热方法与流程

1.本发明涉及空调制冷制热、供暖的空气调节技术领域，尤其涉及一种可控制流速换热相变蓄热器、空调系统及用于空气调节的充热取热方法。


背景技术：

2.商业、生产及民用领域制冷、供暖、热水传统上采用单独设置一套空调系统、一套采暖系统和独立的电加热或燃气热水器分别解决用户上述需求，由于其初投资大、设备占用空间大、系统维护复杂、能耗大、消耗大量资源、不利于环境保护等问题，已经落后于时代发展的需求。因此人们提出设计一套制冷、供暖、热水综合系统来满足上述需求，由于利用夜间廉价的谷电进行蓄热（冷）能够节省大量费用，因此往往在系统中增设蓄热器。相比显热蓄热器，相变蓄热器具有蓄能密度更大，占用空间更小的优势，更适合应用于系统中。作为系统的核心部件，相变蓄热器的充放热性能将极大影响系统的运行性能。
3.现有的相变蓄热器主要有两种：一种是管壳式蓄热器，材料填充在壳程，但在实践中距离换热管路越远换热效果越差；另一种是填充床式蓄热器。在实践中，填充床式蓄热器存在以下问题：（1）掠过相变材料的流速是影响蓄热器性能的重要工况参数，但现有蓄热器自身无法调节流速，例如在充热过程，在靠近入口处，换热温差较大，能够使用更大的流速换热，但靠近出口处，换热温差减小，若继续使用大流速换热，将导致出口水温不能达到预期；（2）蓄热器内换热不均匀，存在换热“死区”，例如从入口进入箱体的流体，更倾向于直接朝着出口方向流动，进出口连线路径上温度与其他区域相差较大，即换热不均情况，使蓄热量、充放热功率等效果不够好；（3）同时，现有的蓄热器放热模式单一，放热温度难以调控，影响使用的灵活度。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出可控制流速换热相变蓄热器、空调系统及用于空气调节的充热取热方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种相变蓄热器，包括蓄热器主体，所述蓄热器主体具有入口管、出口管，所述蓄热器主体内具有空腔；所述蓄热器主体内设置有活动开口隔板，所述活动开口隔板具有可控制开合的开口，所述活动开口隔板把所述蓄热器主体的空腔从上到下分成若干层作为相变层；所述蓄热器主体旁边设置有槽道，所述相变层与所述槽道之间设置有可控制开合的活动门；所述蓄热器主体上侧设置有稳压腔，所述稳压腔上设置有可调流速的喷嘴，所述入口管从所述蓄热器主体下侧穿接并穿过各个所述相变层与所述稳压腔连通；所述入口管对应所述相变层内下侧位置设置有入口管-相变层通孔，所述入口管-相变层通孔上设置水管挡件实现所述入口管-相变层通孔可控制开合；所述蓄热器主体内的下侧设置有混水腔，所述出口管位于所述蓄热器主体下侧并与所述混水腔连通。
6.根据本发明所提供的可控制流速换热相变蓄热器，通过采用蓄热器主体内各个相
变层与稳压腔、活动开口隔板、槽道、活动门、混水腔相配合的设计，至少具有如下技术效果：进入蓄热器的水流均流效果，换热效果更好，避免了换热“死区”出现，而且通过控制水流流经相变层的路径方式，实现充热、取热更灵活地控制。
7.作为本发明的一些优选实施例，所述活动开口隔板包括有隔板动板和隔板静板，所述隔板动板可活动，所述隔板动板、所述隔板静板上分别设置有动板孔、静板孔，所述动板孔、所述静板孔之间重叠部分作为所述活动开口隔板的开口。
8.作为本发明的一些优选实施例，所述隔板动板与所述隔板静板之间通过转轴连接，所述隔板动板上设置有隔板动板齿轮，所述隔板动板齿轮通过隔板电机驱动旋转。
9.作为本发明的一些优选实施例，所述相变层从上到下依次包括有第一相变层、第二相变层、第三相变层、第四相变层，所述活动开口隔板从上到下依次包括有第一活动开口隔板、第二活动开口隔板、第三活动开口隔板、第四活动开口隔板，所述活动门依次包括从上到下依次包括有位于所述第一相变层上侧的第一活动门、位于所述第一相变层下侧的第二活动门、位于所述第二相变层下侧的第三活动门、位于所述第三相变层上侧的第四活动门、位于所述稳压腔下侧的第五活动门。
10.作为本发明的一些优选实施例，若干所述喷嘴按照环形方式分布在所述稳压腔上。
11.作为本发明的一些优选实施例，所述喷嘴内设置有喷嘴转动挡片、喷嘴固定挡片，所述喷嘴转动挡片、所述喷嘴固定挡片上分别设置有喷嘴转动挡片通孔、喷嘴固定挡片通孔。
12.作为本发明的一些优选实施例，所述喷嘴内设置有旋流芯，所述旋流芯与所述喷嘴的出口之间空腔作为旋流腔，所述旋流芯在靠近所述喷嘴的内壁面处设置旋流进口，所述旋流进口用于使通过所述旋流进口流入的水流可在所述旋流腔内形成旋涡。
13.作为本发明的一些优选实施例，所述旋流进口为朝向所述喷嘴的进口凸起的凸台状进口，所述旋流进口为两个且朝向相反。
14.根据本发明的第二方面实施例的一种空调系统，包括上述的可控制流速换热相变蓄热器，即本发明的可控制流速换热相变蓄热器可应用于空调系统。
15.根据本发明的第三方面实施例的一种用于空气调节的充热取热方法，包括上述的可控制流速换热相变蓄热器，其步骤包括：充热时，把对应预定的相变层的活动开口隔板、水管挡件、活动门打开或关闭，使水从对应相变层上侧活动开口隔板开口或者旁边的活动门流入，并使相变层的相变材料充分浸泡在水中；取热时，通过把对应预定的相变层的活动开口隔板、水管挡件、活动门打开或关闭，使水从入口管-相变层通孔流入相变层并使相变层的相变材料充分浸泡在水中。
16.本发明的有益效果是：1.本发明的可控制流速换热相变蓄热器可应用于空调制冷、供暖等多种空气调节系统；2.均匀布水，通过稳压腔消除水的动能，使多个喷嘴水量相同，再设有多个活动开口隔板集水重新布水，避免了换热“死区”出现，有利于提高充放热效率及蓄热量；3.放热时控制一股水流串联流经多层相变球换热，流过的层数越多，出水温度越
高，实现多温度点放热；4.流速可控，通过控制喷嘴和活动开口隔板形成的开度，使流程每部分的流速达到最优值，提高充放热效率；5.放热通过活动开口隔板、活动门和水管挡件的配合，使水流分成多股，分别流过相变球层，互不干扰，使各层水流处于并联状态，并通过控制水流并联流过不同的相变球层，实现多种放热组合，可控制放热速率，使放热温度更稳定，达到所需温度响应时间更少；6.沿着流程采用比表面积不断增大的相变球，增大换热面积，改善因温差减小导致的传热量减小。
17.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过发明的实践了解到。
附图说明
18.本发明的附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是本发明可控制流速换热相变蓄热器的结构示意图；图2是本发明中活动开口隔板的结构示意图；图3是本发明中活动开口隔板的俯视图；图4是本发明中喷嘴的结构示意图；图5是本发明中喷嘴转动挡片、喷嘴固定挡片的组合示意图；图6是本发明一种实施方式（所有相变层充热）的工作示意图；图7是本发明另一种实施方式（第二、第四相变层充热）的工作示意图；图8是本发明另一种实施方式（第三相变层取热）的工作示意图；图9是本发明另一种实施方式（串联取热）的工作示意图；图10是本发明另一种实施方式（并联取热）的工作示意图。
19.附图标记：蓄热器主体100、入口管110、水管挡件120、第一水管挡件121、第二水管挡件122、第三水管挡件123、第四水管挡件124、水管挡件电机130、出口管140；活动开口隔板200、第一活动开口隔板210、第二活动开口隔板220、第三活动开口隔板230、第四活动开口隔板240、隔板动板250、动板孔251、隔板动板齿轮252、隔板静板260、静板孔261、隔板电机270；相变层300、第一相变层310、第二相变层320、第三相变层330、第四相变层340；稳压腔400；喷嘴500、喷嘴转动挡片510、喷嘴固定挡片520、旋流芯530、旋流进口531、旋流腔540；混水腔600；槽道700；活动门800、第一活动门810、第二活动门820、第三活动门830、第四活动门840、第五活动门850。
具体实施方式
20.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
21.在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等
指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
22.在本发明的描述中，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
23.本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
24.图1是本发明一个实施方式的结构示意图，参照图1，本发明的一个实施方式提供了一种相变蓄热器，包括蓄热器主体100，蓄热器主体100具有入口管110、出口管140，入口管110可以进水，出口管140可以出水。蓄热器主体100内具有空腔，蓄热器主体100为相对密封的水箱结构。
25.进一步的，蓄热器主体100内设置有活动开口隔板200，参照图2、图3，活动开口隔板200具有可控制开合的开口，即活动开口隔板200可以是密闭状态或者打开状态。活动开口隔板200把蓄热器主体100的空腔从上到下分成若干层作为相变层300，即通过活动开口隔板200的开口开关控制，各个相变层300之间可以是相互连通或者相互封闭。相变层300内存放相变材料。
26.再进一步的，蓄热器主体100旁边设置有槽道700，相变层300与槽道700之间设置有可控制开合的活动门800，即通过活动门800开关控制，相变层300与槽道700之间可以是相互连通或者相互封闭。
27.再进一步的，蓄热器主体100上侧设置有稳压腔400，稳压腔400上设置有可调流速的喷嘴500，入口管110从蓄热器主体100下侧穿接并穿过各个相变层300与稳压腔400连通。稳压腔400用于消除从入口管110供水时由于水流动能导致局部水流量不均匀，使稳压腔400的每个喷嘴500总压相同，喷水量相等，这样就保证进入的水流足够均匀，降低存在换热“死区”的可能。
28.再进一步的，入口管110对应相变层300内下侧位置设置有入口管-相变层通孔，入口管-相变层通孔上设置水管挡件120实现入口管-相变层通孔可控制开合，即通过水管挡件120开关控制，相变层300与入口管110的管侧壁之间可以是相互连通或者相互封闭。
29.再进一步的，蓄热器主体100内的下侧设置有混水腔600，出口管140位于蓄热器主体100下侧并与混水腔600连通。
30.在实际工作时，水从入口管110进入并通过稳压腔400进行缓冲，然后通过稳压腔400上的喷嘴500均匀喷在最上层的相变层300。然后当需要控制水流要经过某一处相变层300或者绕过某一处相变层300时，则可以通过控制对应某一处相变层300的活动开口隔板200、活动门800。而当需要从某一处相变层300的相变材料取热时，则打开对应的相变层300的水管挡件120使水从入口管110对应的入口管-相变层通孔流入对应的相变层300。
31.充热时，遵循热水上进下出的流向，热水密度较冷水小，因此热水接触相变球后温度降低，密度增高，将倾向于向下流动，因此不会与来流的热水发生混合，不会降低来流热
水的温度，避免降低换热温差，这是热水从下进上出所不能达到的优点。具体在蓄热器主体100充热时，通过把对应某一层的相变层300的活动开口隔板200、水管挡件120、活动门800打开或关闭，使水从对应相变层300上侧活动开口隔板200开口或者旁边的活动门800流入，并使相变层300的相变材料充分浸泡在水中。而不需要充热的相变层300则打开对应的活动开口隔板200让水快速流到下一层，或者控制活动门800开关让水从槽道700绕过对应相变层300即可。这样就可以单独对某一层或某几层充热，也可以对所有层进行充热，充分匹配用户需求。
32.取热时，水流从下往上流动，冷水受热密度降低，产生的热水在热浮力作用下向上运动，而非向下流动与冷水混合，避免了这部分温度升高的冷水与来流的冷水混合，避免传热温差降低，冷热水分层更明显。具体取热时有多种取热模式，通过把对应某一层的相变层300的活动开口隔板200、水管挡件120、活动门800打开或关闭，使水从入口管-相变层通孔流入相变层300并使相变层300的相变材料充分浸泡在水中。这样就可以分为只取热某一层、多层串联取热方式和某几层的并联取热方式，匹配用户多温度点需求。
33.一些实施例，相变层300的相变材料种类、形状、大小、数目可以根据需要设定。
34.本实施例中，可选的，相变层300的相变材料为相变球。
35.本实施例中，可选的，相变层300的相变球从蓄热器主体100按照上侧往下侧顺序，比表面积逐渐增大，可以通过改变直径、采用有槽道的球等方法增大比表面积，这样就相当于各层的相变层300相变材料的换热效率各不相同，提高换热控制的灵活性。
36.一些实施例，参照图2、图3，活动开口隔板200包括有隔板动板250和隔板静板260，隔板动板250可活动。隔板动板250、隔板静板260上分别设置有动板孔251、静板孔261，动板孔251、静板孔261之间重叠部分作为活动开口隔板200的开口。通过隔板动板250活动使动板孔251、静板孔261之间重叠面积变化，使开口大小随之变化。这样就可以在流量一定的情况下，调节经过活动开口隔板200的流通面积，从而调节流速。
37.一些实施例，隔板动板250与隔板静板260之间通过转轴连接，隔板动板250上设置有隔板动板齿轮252，隔板动板齿轮252通过隔板电机270驱动旋转，实现隔板动板250灵活控制活动。
38.一些实施例，若干喷嘴500按照环形方式分布在稳压腔400上，使用各个喷嘴500均匀覆盖稳压腔400各个区域，进一步保证均流效果。
39.一些实施例，参照图4、图5，喷嘴500内设置有喷嘴转动挡片510、喷嘴固定挡片520，喷嘴转动挡片510、喷嘴固定挡片520上分别设置有喷嘴转动挡片通孔、喷嘴固定挡片通孔。通过嘴转动挡片510活动使喷嘴转动挡片通孔、喷嘴固定挡片通孔之间重叠面积变化，使喷嘴500开口大小随之变化。这样就可以在流量一定的情况下，调节喷嘴500喷水流速。
40.一些实施例，喷嘴500内设置有旋流芯530，旋流芯530与喷嘴500的出口之间空腔作为旋流腔540，旋流芯530在靠近喷嘴500的内壁面处设置旋流进口531，旋流进口531用于使通过旋流进口531流入的水流可在旋流腔540内形成旋涡，使喷嘴500喷出的水雾形状为实心锥形水雾，喷的更加均匀。
41.一些实施例，旋流进口531为朝向喷嘴500的进口凸起的凸台状进口，旋流进口531为两个且朝向相反，加强旋流效果。
42.一些实施例，水管挡件120为圆筒状并套装在入口管110上，水管挡件120安装更稳固可靠。
43.一些实施例，水管挡件120上设置有水管挡件通孔，水管挡件120通过水管挡件电机130控制旋转活动。
44.可以想到的是，参照图1，相变层300的数目至少为两层。本实施例中，可选的，相变层300采用四层设计。
45.一些实施例，相变层300从上到下依次包括有第一相变层310、第二相变层320、第三相变层330、第四相变层340。活动开口隔板200从上到下依次包括有第一活动开口隔板210、第二活动开口隔板220、第三活动开口隔板230、第四活动开口隔板240。活动门800依次包括从上到下依次包括有位于第一相变层310上侧的第一活动门810、位于第一相变层310下侧的第二活动门820、位于第二相变层320下侧的第三活动门830、位于第三相变层330上侧的第四活动门840、位于稳压腔400下侧的第五活动门850。
46.一些实施例，一种空调系统，包括上述的可控制流速换热相变蓄热器，即本发明的可控制流速换热相变蓄热器可应用于空调系统。
47.一些实施例，当需要对蓄热器主体100所有相变层300进行充热：对蓄热器主体100所有相变层300进行充热时，参照图6，关闭所有水管挡件120，热水从入口管110流入，流入稳压腔400，调节喷嘴500控制喷嘴500喷出流速变化，然后从喷嘴500中均匀布向第一层相变球，此时槽道700所有活动门800关闭，水流只能蓄积在第一活动开口隔板210之上，控制第一活动开口隔板210打开，热水从第一层向下流入第二相变层320，打开其余的第二活动开口隔板220、第三活动开口隔板230、第四活动开口隔板240，如此类推，热水交替通过各层相变球和活动开口隔板，热量从水传递到各层相变球中。
48.一些实施例，当需要对蓄热器主体100某几层相变层300进行充热：本实施例以第二、四层加热为例，参照图7，关闭第一活动门810、第二活动门820、第五活动门850，打开第三活动门830、第四活动门840，关闭所有水管挡件120，热水从入口管110流入，流入稳压腔400，调节喷嘴500控制喷嘴500喷出流速变化，然后从喷嘴500中均匀布向第一相变层310的相变球，第二活动开口隔板220关闭，其余的第一活动开口隔板210、第三活动开口隔板230、第四活动开口隔板240均打开，热水进入第二相变层320的相变球换热，从第三活动门830流入槽道700，热水只能从第四活动门840流入第三活动开口隔板230上方，由于在第二相变层320的相变球换热后水温度降低，密度变大，这部分水将处在第三相变层330原有的热水的下部，从第三活动开口隔板230中流出，再经过第四相变层340的相变球和第四活动开口隔板240，流入混水腔600，从出口管140流出。对蓄热量已经耗尽的第二相变层320、第四相变层340充热不采用热水依次流过第一相变层310到第四相变层340方法，而是通过这种流动方式，是因为第三相变层330中相变球并未放热，温度较高，流过第二相变层320的热水温度降低，此时这部分水若是流过温度较高的第三相变层330，将发生相变球给水充热的情况，因此提出这种特殊的流动方式。
49.一些实施例，当需要只取热某一层：用户需求温度较低时，可以控制冷水只单独流过某一层。参照图8，本实施例以只取热第三相变层330为例，关闭第一相变层310、第三相变层330、第四相变层340，开启活动开口隔板200，关闭喷嘴500，关闭第一活动门810、第二活动门820、第四活动门840，开启第
三活动门830、第五活动门850，关闭第一水管挡件121、第三水管挡件123、第四水管挡件124，水流从入口管110流入，从第二水管挡件122流出，流过第三活动开口隔板230所承托的相变球和第二活动开口隔板220，从第三活动门830流入槽道700，再从第五活动门850流入混水腔600，最后流入出口管140。由于从第一层到第四层相变球的比表面积逐渐增大，比表面越大取热功率越大，出水温度越高，因此单独取热的相变层300越往下，响应越快，取热功率越大，出水温度越高。
50.一些实施例，串联取热示例：可以通过控制冷水连续流过的层数，控制出水温度，实现多温度点用热的需求。参照图9，以经过三层相变球的取热为例，关闭第三活动开口隔板230、第四活动开口隔板240，开启第一活动开口隔板210、第二活动开口隔板220，关闭喷嘴500，关闭第二活动门820、第三活动门830、第四活动门840，开启第一活动门810、第五活动门850，关闭第一水管挡件121、第三水管挡件123、第四水管挡件124，水流从入口管110流入，从第二水管挡件122流出，水流依次经过第三活动开口隔板230所承托的相变材料和第二活动开口隔板220、第一活动开口隔板210以及两者所承托的相变球，从第一活动门810流入槽道700，从第五活动门850中流出，进入混水腔600，流入出口管140。
51.若用户需要温度更低的热水，提供有两种方法实现：一种是在上述的三层取热的基础上额外打开第四水管挡件124，用冷热水混合的方法降低出水温度，这种方法可以和本专利提及的放热方法配合，降低放热水温。另一种是减少水流过的层数，在上述例子中，关闭第二水管挡件122，开启第一水管挡件121，关闭第二活动开口隔板220，冷水只流过第一相变层310、第二相变层320，可以降低出水温度。
52.一些实施例，并联取热示例：在实际应用中发现，随着取热过程的进行，出水温度逐渐降低，用户体验感不好。因此可以通过混合流过相变材料的温水和充热时在筒体内存储的热水，使放热水温全程较为稳定，且响应速度较快。以经过第一相变层310、第二相变层320的相变材料加热的温水与充热时储存在第四层的热水混合为例，参照图10，关闭喷嘴500，开启第一活动开口隔板210、第三活动开口隔板230，关闭第二活动开口隔板220、第四活动开口隔板240，关闭第二活动门820、第三活动门830，开启第一活动门810、第四活动门840、第五活动门850，打开第一水管挡件121、第三水管挡件123，关闭第二水管挡件122、第四水管挡件124，水流从入口管110流入，分成两股分别从第一水管挡件121、第三水管挡件123流出，原有热水储存在第三、四层中，从第三水管挡件123中流出的冷水由于密度较低，推动原有的热水上流，热水流过第三活动开口隔板230，从第四活动门840流出。另一股冷流体从第一水管挡件121流出，被相变球加热为温水，从第一活动门810流如槽道700，两股流体从第五活动门850流入混水腔600，再从出口管140流出。
53.在本说明书的描述中，参考术语“一些实施例”或、“可以想到的是”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
54.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不
脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。