專利名稱：具有利用壓縮氣體的換熱器裝置的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及暫時(shí)儲(chǔ)存熱能的領(lǐng)域。具體地，本發(fā)明涉及包括換熱器裝置和儲(chǔ)熱材料的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備。進(jìn)一步地，本發(fā)明涉及包括這種熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
來(lái)自各種類型的替代性能量源(諸如風(fēng)力渦輪機(jī)、太陽(yáng)能發(fā)電站和波浪能發(fā)電站)的電能產(chǎn)生是不連續(xù)的。該產(chǎn)生可能取決于環(huán)境參數(shù)，諸如風(fēng)速(對(duì)于風(fēng)力渦輪機(jī)而言)、日照強(qiáng)度(對(duì)于太陽(yáng)能發(fā)電站而言)以及波浪高度和方向(對(duì)于波浪發(fā)電站而言)。能量產(chǎn)生和能量需求之間常常很少相關(guān)或完全無(wú)關(guān)。
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解決電能產(chǎn)生與電能需求無(wú)關(guān)的問(wèn)題的一種已知途徑是暫時(shí)儲(chǔ)存已經(jīng)產(chǎn)生但是并未被需求的能量，并且在需求大時(shí)釋放所儲(chǔ)存的能量。過(guò)去已經(jīng)提出了暫時(shí)儲(chǔ)存能量的許多不同方法。所提出的方法例如為a)機(jī)械能量?jī)?chǔ)存方法(例如抽水儲(chǔ)存、壓縮空氣儲(chǔ)存和飛輪)，b)化學(xué)能量?jī)?chǔ)存方法(例如電化學(xué)電池和有機(jī)分子儲(chǔ)存)，c)磁能量?jī)?chǔ)存，以及d)熱能量?jī)?chǔ)存。WO 9214054 Al公開(kāi)了一種以風(fēng)為動(dòng)力的能量產(chǎn)生和儲(chǔ)存系統(tǒng)，其包括經(jīng)由傳動(dòng)裝置與發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接合的風(fēng)轉(zhuǎn)子，熱泵也連接到所述系統(tǒng)以操作至少一個(gè)換熱器單元。風(fēng)轉(zhuǎn)子被設(shè)計(jì)為風(fēng)輪，該風(fēng)輪具有與位于下側(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)外殼中的主軸直接驅(qū)動(dòng)接合的輪緣，除了發(fā)電機(jī)和熱泵之外，雙循環(huán)泵也與該主軸耦接，用于將被加熱和被冷卻的液體從位于發(fā)動(dòng)機(jī)外殼中的加熱容器和冷卻容器分別輸送到分離的儲(chǔ)熱站和儲(chǔ)冷站。經(jīng)由蒸汽分離器和泵送設(shè)備，蒸汽發(fā)生器可以連接到儲(chǔ)熱站，該儲(chǔ)熱站經(jīng)由蒸汽渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)額外的發(fā)電機(jī)，以便在風(fēng)平緩期間產(chǎn)生電力。儲(chǔ)存站可以埋在具有沙子、石塊或類似材料的填充物的土壤中。這種以風(fēng)為動(dòng)力的能量產(chǎn)生和儲(chǔ)存系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)在于，能量?jī)?chǔ)存系統(tǒng)與風(fēng)力渦輪機(jī)直接機(jī)械連接，并且除了儲(chǔ)存站之外的所有能量?jī)?chǔ)存裝備都位于風(fēng)力渦輪機(jī)中，導(dǎo)致系統(tǒng)組件的機(jī)械布置復(fù)雜。這導(dǎo)致了已知系統(tǒng)不夠靈活。需要改進(jìn)熱能的暫時(shí)儲(chǔ)存，尤其是在熱能儲(chǔ)存系統(tǒng)的靈活性和效率方面。

發(fā)明內(nèi)容
此需要由根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的主題來(lái)滿足。從屬權(quán)利要求描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，其包括a)換熱器裝置，其被配置為用于導(dǎo)引所述換熱器裝置的第一端與所述換熱器裝置的第二端之間的傳熱介質(zhì)流；以及b)儲(chǔ)熱材料，其以下述方式圍繞所述換熱器裝置，即使得形成熱相互作用區(qū)域，以將所述傳熱介質(zhì)與所述儲(chǔ)熱材料熱耦接。換熱器裝置以下述方式相對(duì)于儲(chǔ)熱材料密封，即如果熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備處于儲(chǔ)熱材料應(yīng)從傳熱介質(zhì)接收熱能的第一操作模式，則已通過(guò)氣體壓縮過(guò)程加熱的壓縮氣體可用作傳熱介質(zhì)，以將熱能從傳熱介質(zhì)傳到儲(chǔ)熱材料。所描述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備基于下述構(gòu)思，即通過(guò)采用被加熱的壓縮氣體作為輸入氣體輸入(例如經(jīng)由第一端)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備中，則可以實(shí)現(xiàn)很高的熱能儲(chǔ)存效率。由此，剩余在從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備作為輸出氣體(例如經(jīng)由第二端)返回的壓縮氣體中的能量(具體是機(jī)械能)可以用于幫助驅(qū)動(dòng)壓縮步驟，從而將被加熱的壓縮空氣饋送到換熱器裝置的第一端?？梢岳缤ㄟ^(guò)絕熱過(guò)程實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮氣體的加熱，在該絕熱過(guò)程中在進(jìn)行壓縮步驟期間不與周圍環(huán)境發(fā)生熱交換。所述氣體可以是例如空氣或任意其它種類的氣體，諸如氬氣和/或氮?dú)?。第一端和第二端可以位于熱能?chǔ)存和回收設(shè)備的同一側(cè)。通過(guò)將換熱器裝置的入 口端和出口端放置為彼此相對(duì)靠近，可以最小化由于向換熱器裝置進(jìn)行饋送的長(zhǎng)流體(傳熱介質(zhì))饋送管和/或從換熱器裝置返回的長(zhǎng)的流體返回管而導(dǎo)致的熱損失。根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述換熱器裝置適于a)如果所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備處于第一操作模式，則將所述傳熱介質(zhì)從所述第一端傳輸?shù)剿龅诙耍约癰)如果所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備處于第二操作模式，則將所述傳熱介質(zhì)從所述第二端傳輸?shù)剿龅谝欢?，在該第二操作模式中，所述?chǔ)熱材料應(yīng)該向所述傳熱介質(zhì)釋放熱能。通過(guò)對(duì)于不同操作模式采用不同的傳熱介質(zhì)傳輸方向可以實(shí)現(xiàn)高效的熱能儲(chǔ)存。由此，可以實(shí)現(xiàn)至少在第二操作模式期間的一段時(shí)間達(dá)到這樣的傳熱介質(zhì)的出口溫度，該出口溫度至少在第一操作模式期間的一些時(shí)間不明顯小于傳熱介質(zhì)的入口溫度。這意味著，在第二操作模式期間傳熱介質(zhì)可以從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備接收與在第一操作模式期間提供到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的傳熱介質(zhì)相比相同的(高)溫度。由此可以顯著提高儲(chǔ)熱過(guò)程的效率。所描述的利用了 a)從第一端到第二端的第一傳輸方向以便向儲(chǔ)熱材料充載(charge)熱能,和b)從第二端到第一端的相反第二傳輸方向以便從儲(chǔ)熱材料卸載(discharge)熱能，從而可將該原理理解為采用了逆流原理。具體地，在第一操作模式(即向儲(chǔ)熱材料充載熱能)，使熱壓縮氣體或被加熱的壓縮氣體進(jìn)入第一端。在傳遞了它的至少部分熱能之后，至少部分冷卻下來(lái)的壓縮氣體在第二端返回。相應(yīng)地，在第二操作模式(即從儲(chǔ)熱材料卸載熱能)，使相對(duì)冷的傳熱介質(zhì)(例如蒸汽或還是壓縮氣體)進(jìn)入第二端。在從儲(chǔ)熱材料接收了熱能之后，至少部分地被加熱的傳熱介質(zhì)在第一端返回。換言之，當(dāng)受益于所描述的逆流原理時(shí)，在對(duì)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備進(jìn)行充載時(shí)用于使熱壓縮氣體進(jìn)入的換熱器裝置入口端與在對(duì)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備進(jìn)行卸載時(shí)用于排出被加熱的傳熱介質(zhì)的換熱器裝置出口端可以相同。相應(yīng)地，在對(duì)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備進(jìn)行充載時(shí)用于排出冷卻下來(lái)的壓縮氣體的換熱器裝置出口端與在對(duì)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備進(jìn)行卸載時(shí)用于使冷傳熱介質(zhì)進(jìn)入的換熱器裝置入口端可以相同。在這方面，要明確說(shuō)明的是，在第二操作狀態(tài)中壓縮氣體也可以用作傳熱介質(zhì)。然而，指出對(duì)于第二操作狀態(tài)也可以使用其它傳熱介質(zhì)，諸如具體是合適的流體，即液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，換熱器裝置包括a)與第一端相關(guān)聯(lián)的第一換熱段，b)與第二端相關(guān)聯(lián)的第二換熱段，c)連接第一換熱段和第二換熱段的第一連接段，以及d)平行于第一連接段地連接第一換熱段和第二換熱段的第二連接段。其中，連接段中的至少一個(gè)包括閥，用于控制通過(guò)相應(yīng)連接段的傳熱介質(zhì)流。這可以提供下述優(yōu)點(diǎn)，即可以調(diào)節(jié)換熱器裝置的換熱能力和/或熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的熱能儲(chǔ)存能力使其適合于實(shí)際操作條件。例如，通過(guò)關(guān)閉(打開(kāi))所述閥可以減少(增加)對(duì)所描述的熱能儲(chǔ)存有貢獻(xiàn)的儲(chǔ)熱材料的有效數(shù)量或質(zhì)量。這同樣適用于換熱器裝置和儲(chǔ)熱材料之間的總換熱速率。一般而言，通過(guò)改變閥的設(shè)定或調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)降低或提高換熱能力和熱能儲(chǔ)存能力。由此， 能夠調(diào)節(jié)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，使其適于當(dāng)前操作條件。要說(shuō)明的是，除一個(gè)或多個(gè)閥之外，加熱裝置和/或冷卻裝置(例如加熱回路和/或冷卻回路)也可以用于操作熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)中的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，以便優(yōu)化所描述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的入口和/或出口溫度。由此可以進(jìn)一步提高能量?jī)?chǔ)存效率。要進(jìn)一步說(shuō)明的是，所述閥中的一個(gè)或多個(gè)可以是恒溫器控制的和/或遠(yuǎn)程控制的。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，換熱器裝置由管制成。所述管可以由足以防漏的任意材料制成，以便將壓縮空氣保持在換熱器裝置中。優(yōu)選地，用于管的材料是鋼和/或混凝土。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備進(jìn)一步包括絕熱裝置，該絕熱裝置用于a)使整個(gè)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備與其外界環(huán)境絕熱，和/或b)使所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的不同隔室互相絕熱。這可以提供下述優(yōu)點(diǎn)，即熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備可以至少部分地與其周圍環(huán)境熱隔離和/或所述設(shè)備的不同隔室或區(qū)域可以至少部分地彼此熱隔離，從而可以鑒于給定操作條件優(yōu)化熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的有效尺寸。絕熱裝置可以包括例如礦棉、玻璃棉、巖棉或其它更好的類似絕熱材料。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，儲(chǔ)熱材料包括固體材料，特別是例如沙子、土壤、灰粉、石塊和/或礫石。當(dāng)然，也可以使用優(yōu)選同樣相對(duì)便宜并且包括類似熱特性的其它材料。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述第一端包括單個(gè)第一開(kāi)口，所述第二端包括單個(gè)第二開(kāi)口。其中，a)在所述第一操作模式中，所述第一開(kāi)口用于接收已通過(guò)氣體壓縮過(guò)程加熱的壓縮氣體，所述第二開(kāi)口用于排出冷卻下來(lái)的壓縮氣體，并且b)在所述第二操作模式中，所述第二開(kāi)口用于接收冷流體，所述第一開(kāi)口用于排出熱流體，該熱流體表示被加熱的冷流體。這可以提供下述優(yōu)點(diǎn)，即單個(gè)換熱器裝置足以實(shí)現(xiàn)所描述的逆流換熱原理。要說(shuō)明的是，在第二操作狀態(tài)用作傳熱介質(zhì)的流體也可以是壓縮氣體，然而，在第二操作狀態(tài)使用的流體還可以是(過(guò)熱)蒸汽，至少當(dāng)傳熱介質(zhì)處于其較高溫度時(shí)。這可能意味著，當(dāng)從所描述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備卸載或提取熱能時(shí)，冷液態(tài)流體(例如水)可以被加熱，從而轉(zhuǎn)化為氣態(tài)或至少部分氣態(tài)的蒸汽。如果所提取的熱能用于驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)(該蒸汽渦輪機(jī)自身驅(qū)動(dòng)電力發(fā)電機(jī))，那么這是尤其有益的。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備進(jìn)一步包括a)另一換熱器裝置，其被配置為用于導(dǎo)引所述另一換熱器裝置的另一第一端與所述另一換熱器裝置的另一第二端之間的另一傳熱介質(zhì)流；以及b)另一儲(chǔ)熱材料，其以下述方式圍繞所述另一換熱器裝置，即使得形成另一熱相互作用區(qū)域，以將所述另一傳熱介質(zhì)與所述另一儲(chǔ)熱材料熱耦接。這可以提供下述優(yōu)點(diǎn)，即可以使用另一傳熱介質(zhì)來(lái)充載和/卸載所描述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備。其中，所述另一傳熱介質(zhì)可以是與用作傳熱介質(zhì)的壓縮氣體不同的流體。或者，所述另一傳熱介質(zhì)也可以是壓縮氣體?？傊?，傳熱介質(zhì)(即壓縮氣體)和另一傳熱介質(zhì)(即壓縮氣體或另一種流體)被導(dǎo)引通過(guò)穿過(guò)儲(chǔ)熱材料的不同換熱管。 相比于與上述換熱器裝置相關(guān)的儲(chǔ)熱材料，與所述另一換熱器裝置相關(guān)的所述另一儲(chǔ)熱材料可以是相同的材料或者可以是不同材料。 所述換熱器裝置和所述另一換熱器裝置兩者的各個(gè)入口端和出口端可以僅用于使初始時(shí)冷的流體和初始時(shí)熱的流體在熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的單獨(dú)的腔室或?qū)Ч苤辛鲃?dòng)。由此，為了回收所儲(chǔ)存的能量，僅讓初始時(shí)冷的流體流過(guò)所述設(shè)備，而為了儲(chǔ)存能量，僅讓 初始時(shí)熱的流體流過(guò)所述設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，所述換熱器裝置和所述另一換熱器裝置形成逆流換熱器系統(tǒng)，其中a)所述另一傳熱介質(zhì)和所述傳熱介質(zhì)是能夠同時(shí)傳輸?shù)?，并且其中b)所述另一傳熱介質(zhì)是能夠沿相對(duì)于所述傳熱介質(zhì)的相反方向傳輸?shù)?。一般而言，所描述的逆流換熱器系統(tǒng)可以使兩個(gè)傳熱介質(zhì)同時(shí)但沿彼此相反的方向傳播通過(guò)所述換熱器裝置或所述另一換熱器裝置各自的管。以此方式，傳熱介質(zhì)在逆流換熱器系統(tǒng)的單獨(dú)腔室或?qū)Ч苤醒鼗ハ嘞喾吹姆较蛞苿?dòng)。其中，流入逆流換熱器系統(tǒng)的熱進(jìn)入流的速度可以與流入逆流換熱器系統(tǒng)的冷進(jìn)入流的速度不同。這可以提供下述優(yōu)點(diǎn)，即可以根據(jù)冷和/或熱進(jìn)入流的速度緩慢地汲取或緩慢地儲(chǔ)存所儲(chǔ)存的熱能。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)，其包括a)如上文所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，b)熱產(chǎn)生裝置，其與熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備直接或間接連接并且適于加熱從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備已接收的和應(yīng)傳輸?shù)綗崮軆?chǔ)存和回收設(shè)備的傳熱介質(zhì)，以及c)熱消耗裝置，其與熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備直接或間接連接并且適于從已被熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備加熱的傳熱介質(zhì)中接收熱能。所描述的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)基于下述構(gòu)思，即當(dāng)上述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備協(xié)同熱產(chǎn)生裝置和熱消耗裝置進(jìn)行操作時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)高效的暫時(shí)熱儲(chǔ)存和熱回收。熱產(chǎn)生裝置可以是能夠?qū)⒛芰?具體是電能)轉(zhuǎn)化為熱能的任意設(shè)備。然后經(jīng)由傳熱介質(zhì)將所產(chǎn)生(更確切地說(shuō)是所轉(zhuǎn)化)的熱能傳到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備。如果熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備與熱產(chǎn)生裝置直接(熱)連接，則熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備所使用的傳熱介質(zhì)與熱產(chǎn)生裝置的操作介質(zhì)相同。如果是間接連接，則可以使用不同流體作為傳熱介質(zhì)和操作介質(zhì)。然后利用換熱器和/或利用冷凝器實(shí)現(xiàn)兩種流體之間的熱連接。熱消耗裝置可以是能夠?qū)崮苻D(zhuǎn)化為機(jī)械能和/或能夠被饋送到例如電力網(wǎng)的電能的任意設(shè)備。如果熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備與熱消耗裝置直接(熱)連接，則熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備所使用的傳熱介質(zhì)與熱轉(zhuǎn)化裝置的操作介質(zhì)相同。如果是間接連接，則可以使用不同流體作為傳熱介質(zhì)和操作介質(zhì)。然后利用換熱器和/或利用蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)兩種流體之間的熱連接。優(yōu)選地，熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備包括兩個(gè)換熱器裝置，具體是上述換熱器裝置和上述另一換熱器裝置，其中，利用壓縮氣體操作與熱產(chǎn)生裝置相關(guān)聯(lián)的一個(gè)換熱器裝置，另一個(gè)換熱器裝置與熱消耗裝置相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，熱產(chǎn)生裝置包括a)壓縮機(jī)，用于向熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備饋送已通過(guò)氣體壓縮過(guò)程加熱的壓縮氣體，以及b)燃?xì)鉁u輪機(jī)，用于從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備接收冷卻下來(lái)的傳熱介質(zhì)。這可以提供下述優(yōu)點(diǎn)，即可以容易地并以高效方式產(chǎn)生可以用于將熱能載入熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的所描述的被加熱的壓縮空氣。由于熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備將在氣體穿過(guò)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的換熱器裝置期間使空氣冷卻下來(lái)，因此熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備出口處的空氣壓強(qiáng)將小于熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備輸入處的熱壓縮氣體的壓強(qiáng)。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，燃?xì)鉁u輪機(jī)包括氣體出口，以便輸出用于冷卻至少一個(gè)建筑中的至少一個(gè)房間內(nèi)的環(huán)境空氣的出口氣體。這可以提供能夠以顯著高效方式實(shí)現(xiàn)空氣調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)。要說(shuō)明的是，可以經(jīng)由專用換熱設(shè)備直接或間接使用由空氣渦輪機(jī)的空氣出口提供的出口空氣，以執(zhí)行所描述的冷卻。
根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，熱產(chǎn)生裝置進(jìn)一步包括驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)的馬達(dá)，其中，燃?xì)鉁u輪機(jī)與馬達(dá)機(jī)械連接。這可以提供下述優(yōu)點(diǎn)，即熱產(chǎn)生裝置可以達(dá)到高效率。具體地，在已經(jīng)將熱壓縮氣體作為入口氣體饋送到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的換熱器裝置之后，冷卻的壓縮氣體可以在換熱器裝置的出口處返回，其中，所述冷卻的壓縮氣體被饋送到燃?xì)鉁u輪機(jī)，該燃?xì)鉁u輪機(jī)可以與燃?xì)鉁u輪機(jī)和壓縮機(jī)共用的軸機(jī)械連接，幫助驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)，并由此提高所描述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的效率。熱產(chǎn)生裝置可以包括電鍋爐和/或熱泵。這可以提供下述優(yōu)點(diǎn)，即可以將電能(特別是通過(guò)替代性能量源諸如風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電能)轉(zhuǎn)化為能夠作為熱能儲(chǔ)存在上述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備中的熱量。特別地，熱泵可以提供非常高效地產(chǎn)生熱量的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)使用熱泵時(shí)，電能首先被轉(zhuǎn)化為壓縮機(jī)的機(jī)械能，這與眾所周知的物理原理相一致，在該原理中，熱泵壓縮氣態(tài)熱泵介質(zhì)并且使該介質(zhì)圍繞主要包括冷凝器和蒸發(fā)器的閉合回路循環(huán)。由此，在冷凝器中釋放的能量可以用于加熱傳熱介質(zhì)，然后該傳熱介質(zhì)被傳送到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備。在這方面，要說(shuō)明的是，可以通過(guò)空氣、通過(guò)另一冷卻裝置和/或通過(guò)例如從分區(qū)加熱設(shè)施泵送回的水來(lái)驅(qū)動(dòng)所描述的蒸發(fā)器。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，熱消耗裝置包括a)蒸汽渦輪機(jī)，該蒸汽渦輪機(jī)在第二操作狀態(tài)中從所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備接收熱傳熱介質(zhì)，和/或b)循環(huán)泵，用于將冷傳熱介質(zhì)饋送到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備。利用蒸汽渦輪機(jī)可以提供能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的回收熱能轉(zhuǎn)化的優(yōu)點(diǎn)。在這方面，“熱傳熱介質(zhì)”可以表示初始時(shí)較冷的或冷的傳熱介質(zhì)由于它穿過(guò)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備而被加熱了。此外，“冷傳熱介質(zhì)”可以表示冷傳熱介質(zhì)在其穿過(guò)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備期間將被加熱。蒸汽渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)軸可以與電力發(fā)電機(jī)連接，該電力發(fā)電機(jī)能夠?qū)⒄羝麥u輪機(jī)提供的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，該電能可以被容易地饋送到電力網(wǎng)和/或直接被至少一個(gè)耗電器消耗。蒸汽渦輪機(jī)可以與冷凝器連接，其中蒸汽渦輪機(jī)的操作介質(zhì)在將其能量傳輸?shù)秸羝麥u輪機(jī)之后轉(zhuǎn)化到它的液相。所描述的冷凝器可以是另一閉合回路的一部分，其與蒸發(fā)渦輪機(jī)分離，并且所述冷凝器可以主要包括泵和蒸發(fā)器。其中，可以經(jīng)由所提及的蒸發(fā)器將從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備釋放的能量傳到蒸汽渦輪機(jī)，其中，所述蒸發(fā)渦輪機(jī)的操作介質(zhì)從液相轉(zhuǎn)換為氣相?？梢酝ㄟ^(guò)空氣、通過(guò)另一冷卻裝置和/或通過(guò)從分區(qū)加熱設(shè)施泵送回的水來(lái)驅(qū)動(dòng)所描述的冷凝器。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，熱消耗裝置進(jìn)一步包括分區(qū)加熱設(shè)施，該設(shè)施a)從所述蒸汽渦輪機(jī)接收傳熱介質(zhì)，并且b)向循環(huán)泵提供傳熱介質(zhì)。分區(qū)加熱設(shè)施系統(tǒng)可以包括熱連接傳熱介質(zhì)和流體(舉例而言，例如水)的換熱器系統(tǒng)。由此，分區(qū)加熱設(shè)施可以經(jīng)由水入口從水設(shè)施接收較冷的水并且可以經(jīng)由水出口向水設(shè)施提供熱水或溫水。根據(jù)本發(fā)明的另一實(shí)施例，熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)可以進(jìn)一步包括控制單元，該控制單元連接到a)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備、b)熱產(chǎn)生裝置和c)熱消耗裝置中至少一個(gè)?？刂啤卧m于控制熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)的操作。具體地，控制單元可以耦接到以下組件中的一個(gè)或多個(gè)a)熱產(chǎn)生裝置的壓縮機(jī)，b)熱產(chǎn)生裝置的閥，c)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的至少一個(gè)閥，d)驅(qū)動(dòng)傳熱介質(zhì)使其通過(guò)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的至少一個(gè)循環(huán)泵，e)熱消耗裝置的(蒸汽)渦輪機(jī)，f)熱轉(zhuǎn)化裝置的饋送泵，g)用于使冷介質(zhì)在蓄冷循環(huán)中循環(huán)的循環(huán)泵，其中所述冷介質(zhì)驅(qū)動(dòng)gl)(利用上述熱泵實(shí)現(xiàn)的)熱產(chǎn)生裝置的蒸發(fā)器，和/或g2)熱消耗裝置(主要包括蒸汽渦輪機(jī))的冷凝器。應(yīng)該注意，已經(jīng)參照不同主題描述了本發(fā)明的實(shí)施例。具體地，已參照針對(duì)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的權(quán)利要求描述了一些實(shí)施例，并且已參照針對(duì)熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)描述了其它實(shí)施例。然而，根據(jù)上文和下文的描述，本領(lǐng)域技術(shù)人員將總結(jié)出，除非另有說(shuō)明，否則除了屬于一類主題的特征的任意結(jié)合之外，涉及不同主題的特征之間的任意結(jié)合也應(yīng)被認(rèn)為已被本文公開(kāi)。此外，當(dāng)受益于此文件的公開(kāi)內(nèi)容時(shí)，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解所描述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備及系統(tǒng)的操作。因而，上述特征中至少一些特征的任意結(jié)合也可用來(lái)擬定一權(quán)利要求，該權(quán)利要求用于操作所描述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備和/或所描述的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)。根據(jù)下文描述的實(shí)施例，本發(fā)明的上文所限定的各個(gè)方面以及其它方面將變得明顯，并且參照實(shí)施例對(duì)其進(jìn)行解釋。下文將參照實(shí)施例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。


圖I示出了具有換熱器裝置的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的剖切俯視圖，所述換熱器裝置包括與第一端相關(guān)聯(lián)的第一換熱段、與第二端相關(guān)聯(lián)的第二換熱段以及平行地連接第一換熱段和第二換熱段的三個(gè)連接段。圖2示出了圖I所示的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備的剖切俯視圖。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)的示意圖。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)的示意圖。圖5示出了沿圖I所示熱能儲(chǔ)存設(shè)備的換熱器裝置的管的示例性溫度分布曲線。圖6借助于以下兩種情形時(shí)溫度沿?fù)Q熱器裝置的管的局部依賴性圖解說(shuō)明了逆流原理，所述兩種情形即a)當(dāng)傳熱介質(zhì)沿第一方向流動(dòng)以向熱能儲(chǔ)存設(shè)備充載熱能時(shí)，以及b)當(dāng)傳熱介質(zhì)沿第二相反方向流動(dòng)以對(duì)熱能儲(chǔ)存設(shè)備進(jìn)行卸載時(shí)。
具體實(shí)施例方式附圖中的圖示是示意性的。應(yīng)該注意，在不同的附圖中，相似或相同元件具有相同的附圖標(biāo)記或僅在第一位數(shù)與相應(yīng)附圖標(biāo)記不同的附圖標(biāo)記。圖I示出了熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的剖切俯視圖。熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100包括外罩102，所述外罩包括絕熱材料。因此，外罩102代表熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的外絕熱壁108。熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100進(jìn)一步包括將熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的空間分割成不同區(qū)域的內(nèi)絕熱壁104。根據(jù)這里描述的實(shí)施例，外絕熱壁108和內(nèi)絕熱壁104都包括礦棉。外罩102中填充有儲(chǔ)熱材料108。儲(chǔ)熱材料108包括沙子、土壤、灰粉、礫石、石塊 和/或包括大比熱容的其它種類固體材料。整個(gè)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100被嵌入地面或基礎(chǔ)(ground) 120內(nèi)，基礎(chǔ)120也可以包括土壤、礫石、石塊、巖石、灰粉和/或沙子或類似材料。熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100進(jìn)一步包括換熱器裝置110。換熱器裝置110被嵌入有儲(chǔ)熱材料108。換熱器裝置110包括與換熱器裝置110的第一端112a相關(guān)聯(lián)的第一換熱段112、與換熱器裝置110的第二端114a相關(guān)聯(lián)的第二換熱段114以及平行地連接第一換熱段112和第二換熱段114的三個(gè)連接段116、117和118。在各個(gè)連接段116、117和118中，分別設(shè)置閥116a、117a和118a?？梢酝ㄟ^(guò)未示出的控制單元控制閥116a、117a和118a，使得可以單獨(dú)地打開(kāi)、關(guān)閉或部分打開(kāi)/關(guān)閉三個(gè)連接段116、117和118中的每個(gè)。通過(guò)關(guān)閉閥116a、117a和118a中的一個(gè)或多個(gè)，可以控制穿過(guò)換熱器裝置110的傳熱介質(zhì)流。由此，可以有效地將熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的與該關(guān)閉的閥相關(guān)聯(lián)的子區(qū)域與熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的剩余區(qū)域分開(kāi)。這意味著，通過(guò)打開(kāi)一個(gè)閥并關(guān)閉其它閥中的一個(gè)或多個(gè)，能量?jī)?chǔ)存容量可以隨著換熱器裝置100的使用容量的減小或增加而相應(yīng)地減小或增加。所描述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的尺寸可以大于IOOOm長(zhǎng)、IOOm寬和5m深。這使得體積為500000 m3。如以上已經(jīng)提及的，儲(chǔ)熱材料可用沙子進(jìn)行填沙，沙子的比熱容為
0.8 kj/ (kg K)并且沙子的密度為1740 kg/m3。當(dāng)沙子108從20°C被加熱到200°C (即溫度差為180°C)時(shí)，使得儲(chǔ)熱容量達(dá)到125280 GJ0這相當(dāng)于34. 8 GWh。當(dāng)然，為了獲得其它儲(chǔ)熱容量，也可以使用具有其它尺寸和其它操作溫度的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備。當(dāng)操作熱能儲(chǔ)存設(shè)備100時(shí)，不同的操作模式用于a)向熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100充載熱能，以及b)用于卸載熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100，即用于從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100取回?zé)崮?。具體地，在第一操作模式中，通過(guò)從代表傳熱介質(zhì)的被加熱的壓縮空氣或熱壓縮空氣接收熱能來(lái)充載熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100，所述壓縮空氣從第一端112a傳輸?shù)降诙?14a。在第二操作模式中，通過(guò)向傳熱介質(zhì)提供熱能來(lái)卸載熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100，傳熱介質(zhì)從第二端114a傳輸?shù)降谝欢?12a。在第二操作模式中使用的傳熱介質(zhì)還可以是壓縮空氣和/或蒸汽(例如包括水)。傳熱介質(zhì)的傳輸方向?qū)Σ僮鳡顟B(tài)的所述依賴性可以看作是采用逆流原理。通過(guò)利用此逆流原理，當(dāng)從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100回收熱能時(shí)，可以將冷的傳熱介質(zhì)加熱到一溫度，該溫度接近與熱能進(jìn)入熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100時(shí)熱傳熱介質(zhì)(即壓縮空氣)的入口溫度相同。這使得所描述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的熱力學(xué)效率很高。要說(shuō)明的是，根據(jù)這里描述的實(shí)施例，熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100進(jìn)一步包括也未示出的另一換熱器裝置，其具有包括另一第一末端的另一第一換熱段和包括另一第二末端的另一第二換熱段。于是，利用逆流原理，熱流體可以被饋送到第一端之一中并且返回第二端之一中，并且冷流體可以被饋送到另一第一端中并且返回另一第二端中。對(duì)于換熱器裝置110，所述另一換熱器裝置可以包括單獨(dú)的腔或?qū)Ч堋D2示出了熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的剖切俯視圖。在熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的前側(cè)可以看到換熱器裝置110的端112a和114a。此外，根據(jù)以上描述的實(shí)施例，在熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的右側(cè)設(shè)置第一端112a和另一換熱器裝置的另一第一端112b。相應(yīng)地，在熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100的左側(cè)設(shè)置第二端114a和另一換熱器裝置的另一第二端114b o 要說(shuō)明的是，在圖2所示的方位中，可以將熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備100向下放置到基礎(chǔ)120中。圖3示出了根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)330的示意圖。為了將能量?jī)?chǔ)存在熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備300中，使用熱產(chǎn)生裝置370。為了從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備300回收能量，使用熱消耗裝置390。如從圖3可見(jiàn)的，熱產(chǎn)生裝置370包括通過(guò)馬達(dá)376被驅(qū)動(dòng)的壓縮機(jī)372。壓縮機(jī)372包括空氣入口 372a?？諝馊肟?372a中的空氣可以具有例如20攝氏度的溫度和例如I巴的壓強(qiáng)。在壓縮空氣期間，壓強(qiáng)可以上升至例如25巴并且溫度可以上升至例如500攝氏度。此被加熱和壓縮的空氣被饋送到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備300的換熱器裝置310的入口中。然后，當(dāng)前具有例如20攝氏度的溫度和仍接近25巴的壓強(qiáng)的壓縮空氣經(jīng)由換熱器裝置310的出口返回。然后將壓縮的出口空氣饋送到空氣渦輪機(jī)374中。根據(jù)這里描述的實(shí)施例，空氣渦輪機(jī)374、馬達(dá)376和壓縮機(jī)372具有共用軸377。這提供了空氣渦輪機(jī)374將幫助馬達(dá)376驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)372的優(yōu)點(diǎn)，從而將提高熱產(chǎn)生裝置370的效率。經(jīng)由空氣出口 374a由空氣渦輪機(jī)374提供的膨脹出口空氣的溫度在空氣從25巴壓強(qiáng)膨脹到I巴壓強(qiáng)時(shí)會(huì)下降到例如攝氏零下一度(_1°C)。這使得來(lái)自空氣渦輪機(jī)374的膨脹出口空氣適合用于冷卻用途，例如用于對(duì)在一個(gè)或多個(gè)建筑物中的一個(gè)或多個(gè)房間中的環(huán)境空氣進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)。為了回收所儲(chǔ)存的能量，將溫度為例如20攝氏度的冷流體饋送到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備300的另一換熱器裝置311的入口中。根據(jù)這里描述的實(shí)施例，這通過(guò)循環(huán)泵392完成。循環(huán)泵392從包括水入口 398a的分區(qū)加熱設(shè)施398收集水。在穿過(guò)另一換熱器裝置311之后，流體具有出口溫度，該出口溫度顯著大于另一換熱器裝置311的入口處的流體入口溫度。由于所描述的在熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備300中的逆流流體流動(dòng)，離開(kāi)另一換熱器裝置311的流體的出口溫度與進(jìn)入換熱器裝置310的熱壓縮空氣的入口溫度幾乎相同。以此方式，冷流體轉(zhuǎn)換為蒸汽，在使蒸汽進(jìn)入蒸汽渦輪機(jī)394之前可以通過(guò)加熱裝置(未示出)進(jìn)一步過(guò)加熱所述蒸汽，所述蒸汽渦輪機(jī)394通過(guò)軸連接驅(qū)動(dòng)電力發(fā)電機(jī)396。任選地，還可以使蒸汽進(jìn)入冷凝器(未示出)，蒸汽在該處轉(zhuǎn)變?yōu)樗??？梢酝ㄟ^(guò)空氣(靜止的或來(lái)自通風(fēng)設(shè)備的環(huán)境空氣)來(lái)驅(qū)動(dòng)該冷凝器。替代性地或結(jié)合地，可以將從分區(qū)加熱設(shè)施398返回的水泵送通過(guò)冷凝器，以便冷卻蒸汽。經(jīng)冷凝的水可以被泵送回到分區(qū)加熱設(shè)施398并且通過(guò)分區(qū)加熱設(shè)施398的水出口 398b返回。電力發(fā)電機(jī)396可以連接到公共電網(wǎng)(未示出)以及風(fēng)力渦輪機(jī)或其它種類的替代性能量源(未示出)。以此方式，馬達(dá)376可以使用由例如風(fēng)力渦輪機(jī)產(chǎn)生的電能，用于驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)372，用于饋送壓縮空氣穿過(guò)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備300，以及用于將熱能儲(chǔ)存在熱能儲(chǔ)存材料(諸如砂子或具有高比熱容的其它類似固體材料)中。在沒(méi)有風(fēng)或風(fēng)較小的時(shí)期或也許在風(fēng)力渦輪機(jī)所樹(shù)立處風(fēng)速過(guò)高的時(shí)期，可以將水泵送穿過(guò)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備300，將水加熱為蒸汽，之后該蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽渦輪機(jī)394。蒸汽渦輪機(jī)394驅(qū)動(dòng)向公共電網(wǎng)供電的電力發(fā)電機(jī)496。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)430的示意圖。在此實(shí)施例中，分區(qū)加熱設(shè)施或熱力發(fā)電站435連接到公共電網(wǎng)450并且連接到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備400。根據(jù)這里描述的實(shí)施例，分區(qū)加熱設(shè)施或熱力發(fā)電站435包括具有冷凝器(未示 出)和連接的電力發(fā)電機(jī)445的蒸汽渦輪機(jī)440以及具有內(nèi)嵌式馬達(dá)的壓縮機(jī)472。壓縮機(jī)472可以被替代為電鍋爐或增補(bǔ)以熱泵系統(tǒng)或其它加熱裝置。分區(qū)加熱設(shè)施或熱力發(fā)電站435連接到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備400，既用于能量?jī)?chǔ)存也用于回收所儲(chǔ)存的能量。同樣，風(fēng)力渦輪機(jī)460或其它類型的替代性能量源可以連接到公共電網(wǎng)450。具有內(nèi)嵌式馬達(dá)的壓縮機(jī)472還包括機(jī)械連接的空氣渦輪機(jī)(未示出)，與馬達(dá)一起幫助驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)472。空氣渦輪機(jī)可以連接到熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備500的換熱器裝置出口，接收該出口中的冷卻的壓縮空氣。圖5示出了沿圖I所示熱能儲(chǔ)存設(shè)備的換熱器裝置的管的示例性溫度分布曲線?，F(xiàn)在用附圖標(biāo)記500表示熱能儲(chǔ)存設(shè)備。在圖5中，示出了在熱傳熱介質(zhì)已經(jīng)流過(guò)換熱器裝置至少一段時(shí)間之后熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備500的熱狀態(tài)。這意味著，熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備500至少部分地充載有熱能。結(jié)果是，在沿?fù)Q熱器裝置的不同位置處(其由實(shí)心圓表示)出現(xiàn)以下溫度50(rc、50(rc、49(rc、45(rc、35(rc、25(rc、i5(rc、5(rc、2(rc、2(rc。用于對(duì)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備500進(jìn)行充載的傳熱介質(zhì)的流動(dòng)方向可以用箭頭519a來(lái)表示。根據(jù)上述逆流原理，當(dāng)從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備400取回?zé)崮軙r(shí)，沿相反方向泵送傳熱介質(zhì)使其穿過(guò)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備400的換熱器裝置。如果熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備400包括與所述換熱器裝置不同的另一換熱器裝置，則此另一換熱器裝置可以用于導(dǎo)引從儲(chǔ)熱材料接收熱能的傳熱介質(zhì)。以此方式，當(dāng)從熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備400取回能量時(shí)，可以將冷傳熱介質(zhì)加熱到與對(duì)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備400進(jìn)行充載時(shí)熱流體(即熱壓縮空氣)的入口溫度近似相同的溫度。圖6借助溫度沿?fù)Q熱器裝置的管的局部依賴性圖解說(shuō)明了逆流原理。在橫坐標(biāo)上，標(biāo)注了沿管的測(cè)量點(diǎn)的位置L。在縱坐標(biāo)上標(biāo)注了各個(gè)溫度。當(dāng)對(duì)熱能儲(chǔ)存設(shè)備進(jìn)行充載時(shí)，初始時(shí)熱的傳熱介質(zhì)沿管從熱入口端“12”流到冷出口端“1廣。由此，溫度分布曲線692將上升。當(dāng)對(duì)熱能儲(chǔ)存設(shè)備進(jìn)行卸載時(shí)，初始時(shí)冷的傳熱介質(zhì)沿管從熱入口端“1廣流到冷出口端“12”。由此，溫度分布曲線694將上升。
一般而言，圖6示出了如何利用逆流原理在傳熱介質(zhì)穿過(guò)熱能儲(chǔ)存設(shè)備的換熱器時(shí)分別加熱和冷卻所述傳熱介質(zhì)。充載和卸載兩者的溫度梯度在逆流系統(tǒng)的流的整個(gè)長(zhǎng)度上保持恒定。以此方式，可以將冷傳熱介質(zhì)加熱到與所使用的熱傳熱介質(zhì)(即被加熱的壓縮空氣或熱壓縮空氣)基本相同的溫度。應(yīng)該注意，用語(yǔ)“包括”并不排除其它元件或步驟，表示英語(yǔ)不定冠詞的用語(yǔ)“一”并不排除多個(gè)。此外，可以結(jié)合那些聯(lián)系不同實(shí)施例描述的元件。還應(yīng)該注意，權(quán)利要求中的附圖標(biāo)記不應(yīng)被理解成限制權(quán)利要求的范圍。附圖標(biāo)記列表
100熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備
102外罩/外絕熱壁
104內(nèi)絕熱壁
108儲(chǔ)熱材料
110換熱器裝置
112第一換熱段
112a第一端
112b另一第一端
114第二換熱段
114a第二端
114b另一第二端
116第一連接段 116a 閥
117第二連接段 117a 閥
118第三連接段 118a 閥
120地面或基礎(chǔ)
300熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備
310換熱器裝置
311另一換熱器裝置 330 熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng) 370 熱產(chǎn)生裝置
372壓縮機(jī)
372a空氣入口
374空氣渦輪機(jī)
374a空氣出口(用于空氣調(diào)節(jié))
376馬達(dá)
377共用軸 390 熱消耗裝置 392 循環(huán)泵394蒸汽渦輪機(jī)
396電力發(fā)電機(jī)
398分區(qū)加熱設(shè)施
398a水入口
398b水出口
400熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備
430熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng) 435分區(qū)加熱設(shè)施/熱力發(fā)電站
440蒸汽渦輪機(jī)
445電力發(fā)電機(jī)
450公共電網(wǎng)
460風(fēng)力渦輪機(jī)
472壓縮機(jī)
500熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備
519a流動(dòng)方向
692充載期間的溫度分布曲線
694卸載期間的溫度分布曲線。
權(quán)利要求
1.一種熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，包括 換熱器裝置(110、310)，其被配置為用于導(dǎo)引所述換熱器裝置(110、310)的第一端(112a)與所述換熱器裝置(110、310)的第二端(114a)之間的傳熱介質(zhì)流，以及 儲(chǔ)熱材料(108)，其以下述方式圍繞所述換熱器裝置(110、310)，即使得形成熱相互作用區(qū)域，以將所述傳熱介質(zhì)與所述儲(chǔ)熱材料(108)熱耦接， 其中，所述換熱器裝置(110、310)以下述方式相對(duì)于所述儲(chǔ)熱材料(108)密封，S卩如果所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(I00、300、400、500)處于所述儲(chǔ)熱材料(108)應(yīng)從所述傳熱介質(zhì)接收熱能的第一操作模式，則已通過(guò)氣體壓縮過(guò)程加熱的壓縮氣體能夠用作所述傳熱介質(zhì)，以便將熱能從所述傳熱介質(zhì)傳到所述儲(chǔ)熱材料(108)。
2.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，其中，所述換熱器裝置(110、310)適于 a)如果所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)處于所述第一操作模式，則將所述傳熱介質(zhì)從所述第一端(112a)傳輸?shù)剿龅诙?114a)，以及 b)如果所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)處于第二操作模式，則將所述傳熱介質(zhì)從所述第二端(114a)傳輸?shù)剿龅谝欢?112a)，在該第二操作模式中，所述儲(chǔ)熱材料(108)應(yīng)向所述傳熱介質(zhì)釋放熱能。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，其中，所述換熱器裝置(110、310)包括 與所述第一端(112a)相關(guān)聯(lián)的第一換熱段(112)， 與所述第二端(I 14a)相關(guān)聯(lián)的第二換熱段(I 14)， 連接所述第一換熱段(112)和所述第二換熱段(114)的第一連接段(116 )，以及 平行于所述第一連接段(116)地連接所述第一換熱段(112)和所述第二換熱段(114)的第二連接段(117)， 其中，這些連接段(116、117)中的至少一個(gè)包括閥(116a、117a)，用于控制通過(guò)相應(yīng)連接段(116、117)的傳熱介質(zhì)流。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，其中， 所述換熱器裝置(110、310)由管制成，特別是由鋼管或混凝土管制成。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，進(jìn)一步包括絕熱裝置(102、104)，該絕熱裝置(102、104)用于 a)使整個(gè)熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)與其外界環(huán)境絕熱，和/或 b)使所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)的不同隔室互相絕熱。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，其中， 所述儲(chǔ)熱材料(108)包括固體材料，特別是例如沙子、土壤、灰粉、石塊和/或礫石。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求I至6之一所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，其中， 所述第一端包括單個(gè)第一開(kāi)口( 112a)，所述第二端包括單個(gè)第二開(kāi)口( 114a)，其中， 在所述第一操作模式中，所述第一開(kāi)口(112a)用于接收已通過(guò)氣體壓縮過(guò)程加熱的壓縮氣體，所述第二開(kāi)口(114a)用于排出冷卻下來(lái)的壓縮氣體，并且 在所述第二操作模式中，所述第二開(kāi)口(114a)用于接收冷流體，所述第一開(kāi)口(112a)用于排出熱流體，該熱流體表示被加熱的冷流體。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求I至5之一所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，進(jìn)一步包括 另一換熱器裝置(311)，其被配置為用于導(dǎo)引所述另一換熱器裝置(311)的另一第一端(112b)與所述另一換熱器裝置(311)的另一第二端(114b)之間的另一傳熱介質(zhì)流，以及另一儲(chǔ)熱材料，其以下述方式圍繞所述另一換熱器裝置(311)，即使得形成另一熱相互作用區(qū)域，以將所述另一傳熱介質(zhì)與所述另一儲(chǔ)熱材料熱耦接。
9.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備，其中， 所述換熱器裝置(110、310)和所述另一換熱器裝置(311)形成了逆流換熱器系統(tǒng)， 其中所述另一傳熱介質(zhì)和所述傳熱介質(zhì)是能夠同時(shí)傳輸?shù)?，并? 其中所述另一傳熱介質(zhì)是能夠沿相對(duì)于所述傳熱介質(zhì)的相反方向傳輸?shù)摹?br> 10.一種熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)，包括 根據(jù)前述權(quán)利要求之一所述的熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400,500), 熱產(chǎn)生裝置(370)，其與所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)直接或間接連接并且適于加熱從所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)已接收的和應(yīng)傳輸?shù)剿鰺崮軆?chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)的傳熱介質(zhì)，以及 熱消耗裝置(390)，其與所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)直接或間接連接并且適于從已被所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備加熱的傳熱介質(zhì)中接收熱能。
11.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)，其中， 所述熱產(chǎn)生裝置(370)包括 壓縮機(jī)(372)，用于向所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)饋送已通過(guò)氣體壓縮過(guò)程加熱的壓縮氣體，以及 燃?xì)鉁u輪機(jī)(374)，用于從所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)接收冷卻下來(lái)的傳熱介質(zhì)。
12.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)，其中， 所述燃?xì)鉁u輪機(jī)(374)包括氣體出口(374a)，以便輸出用于冷卻至少一個(gè)建筑中至少一個(gè)房間內(nèi)的環(huán)境空氣的出口氣體。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求10或11所述的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)，其中， 所述熱產(chǎn)生裝置(370)進(jìn)一步包括 驅(qū)動(dòng)所述壓縮機(jī)(372)的馬達(dá)(376)，其中，所述燃?xì)鉁u輪機(jī)(374)與所述馬達(dá)(376)機(jī)械連接。
14.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)，其中， 所述熱消耗裝置(390)包括 蒸汽渦輪機(jī)(394)，其在第二操作狀態(tài)中從所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)接收熱的傳熱介質(zhì)，和/或 循環(huán)泵(392)，用于向所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)饋送冷的傳熱介質(zhì)。
15.根據(jù)前一權(quán)利要求所述的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)，其中， 所述熱消耗裝置(390)進(jìn)一步包括 分區(qū)加熱設(shè)施(398)，其從所述蒸汽渦輪機(jī)(394)接收傳熱介質(zhì)并且向循環(huán)泵(392)提供傳熱介質(zhì)。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求10至15之一所述的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)，進(jìn)一步包括 控制單元，該控制單元連接到a)所述熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300、400、500)、b)所述熱產(chǎn)生裝置(370)、和c)所述熱消耗裝置(390)中的至少一個(gè)， 其中，所述控制單元適于控制所述熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)(330 )的操作。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300)，其包括換熱器裝置(110、310)，其被配置為用于導(dǎo)引換熱器裝置(110、310)第一端(112a)與換熱器裝置(110、310)第二端(114a)之間的傳熱介質(zhì)流；以及儲(chǔ)熱材料(108)，其以下述方式圍繞換熱器裝置(110、310)，即使得形成熱相互作用區(qū)域，以將傳熱介質(zhì)與儲(chǔ)熱材料(108)熱耦接。換熱器裝置(110、310)以下述方式相對(duì)于儲(chǔ)熱材料(108)密封，即如果熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300)處于儲(chǔ)熱材料(108)應(yīng)從傳熱介質(zhì)接收熱能的第一操作模式，則已通過(guò)氣體壓縮過(guò)程加熱的壓縮氣體能夠用作傳熱介質(zhì)，以將熱能從傳熱介質(zhì)傳到儲(chǔ)熱材料(108)。此外，本發(fā)明涉及包括這種熱能儲(chǔ)存和回收設(shè)備(100、300)的熱能儲(chǔ)存和回收系統(tǒng)(330)。
文檔編號(hào)F28D20/00GK102971600SQ201180034472
公開(kāi)日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月12日
發(fā)明者H.施蒂斯達(dá)爾 申請(qǐng)人:西門子公司