入口分层装置的制作方法

本发明涉及包括入口分层管的入口分层装置，并且涉及制造所述入口管的方法。

背景技术：

储热对于有效的能量供热变得愈发重要，因为其允许收集过量热能供以后使用。

热供热系统中的关键参数是热能储存装置的分层效率。

热能储存器中的分层是在4℃温度以上在诸如水箱的液体储存系统中遇到的自然现象。由于浮力，热水趋向于积累在热能储存器的上部，而冷水通常被迫使向下移动。因此，基于水的热能储存器会总是显示一定量的分层。

然而，实验和理论研究表明：与储存器中没有分层状态的系统相比，热能储存器的整体系统性能，例如用于家用热水制备的太阳能供热系统，能够通过太阳能储存器中的优化热分层而增大。

不同的因素趋于破坏分层，一个示例是由于被冷流体包围的热流体的浮力造成的自然对流产生的水的混合，例如如果流体输入比入口位置处的温度热，或者如果用浸入式换热器对热能存储器充能。另一个问题是由射流混合(或卷流夹带)带来的，该射流混合由进入热能储存器的水的动能引起，或者由在流体本身中、热能储存器壁中和浸没在流体中的部件中的热传导和扩散所引起。

相应地，在储存装置的流体充入和排出期间促进分层的能力不仅取决于储存装置的构造，还取决于装置中的任何分层增强装置。因此，充入和排出过程中的边界条件在维持任意的分层效率上扮演了关键角色

如今，已知旨在解决上述问题的多种不同分层装置，其中这些分层系统允许在储存装置/罐的各种高度上的入流。

选择被充入流体的许可高度能够通过机械步骤进行，或通过以重力方式引起的流动进行，其中使用竖向安装的具有自由或可锁开口的管。在此之中，既有装备有开口和“止回”阀的刚性入口分层器，又有在储存罐中竖向安装的柔性入口分层管。

例如从DE10320569和DE102007046905已知刚性管。然而，实验示出(例如，见Shah L.J等人在《Applied Thermal Engineering》2005；25:2086-2099发表的“Theoretical and experimental investigations of inlet stratifiers for solar storage tanks”)：具有在不同水平上的多个开口的刚性管的作用更像是混合装置，而非分层装置，因为冷水特别地通过最下面的开口被吸入分层器，因而明显降低了热性能。

例如，WO2006084460中已经公开了若干个织物分层入口管。然而，织物分层入口管将充当液体的过滤器。大于材料小孔的所有颗粒，例如铁锈、污垢、各种剥落材料和流体系统中的任何其它漂浮材料，将被多孔材料捕获。这将逐渐堵塞织物中的小孔，最终使得分层器的分层能力完全失效。此外，碳酸钙沉积物趋向于在织物的小孔中累积沉积物，同样逐渐地堵塞这些小孔，最终使得分层器的分层能力完全失效。

织物分层入口管已被实验研究，例如，参见Andersen E.等人在Proceedings of ISES Solar World Congress(Orlando，FL，U.S.A.，2005)发表的“Investigations of fabric inlet stratifiers for solar tanks”。作者发现：当使用由两个织物层而不是一个织物层构成的织物管时，能够降低织物分层入口管的一个缺陷，即通过非常薄织物的、高的水平热传递。然而，这只趋向于增加问题，即织物将作用为过滤器，从而降低了入口分层管在操作期间的效率。

因此，要求提供一种简单且不昂贵的入口分层装置，该入口分层装置在使用期间恒定地可靠，并且在不引起任何不必要湍流和/或层间热交换的情况下确保能够将流体输送到储存罐中的正确热层。

技术实现要素：

本发明的第一方面是提供一种入口分层装置，其布置用于对储热罐中的入口流体热分层，以便增大储存罐和/或热系统的热性能，并且不使入流和出流具有分层后的层的固有湍流和搅动。

本发明的第二方面是提供一种布置用于允许在存储装置中的不同高度处的入流的分层入口管。

本发明的第三方面是提供一种能够同现有的储热罐一起使用的入口分层装置。

本发明的第四方面是提供来一种以简单且不昂贵的方式制造入口分层管的方法。

本发明的第五方面是提供一种能够用于室内供热、家用热水、工艺热量等的入口分层装置。

本发明的第六方面是提供一种安装、使用和维护较简单的简单入口分层装置。

根据本发明的这些和其它方面实现的新颖和独特的特征在于：入口分层装置包括至少部分地由柔性非多孔材料制成的至少一个入口管，所述管包括多个孔，并且被构造成收缩和膨胀，以便在管的、其中管内流体的温度高于管外流体的温度的区域中基本阻止通过管的孔的流体交换。

入口分层装置优选地布置为使具有竖向温度梯度的流体循环通过储存罐，并且优选地，所述入口管在储存罐中竖向布置。来自管的流体流被约束以不与储存罐中的流体混合，直到凭借在罐中流体和入口管中流体之间的密度差引起的作用于入口管的力，将流体移动到罐中的、在从入口管产生的流体的温度下的或者接近该温度的层。

使用布置用于膨胀/展开或收缩的柔性管将导致管中压力和罐中压力的均衡，从而确保防止通过管中的孔的入流和出流，直至在管和罐中到达相等的密度水平且因此达到相等的温度水平。因此，管中的流体不会进入罐中，直到其达到管的顶部并在那里因新的流体被持续地馈给进管中而被迫离开管，或者直到管中的流体温度等于罐中的流体温度而导致管中的流体静压略高于罐中的流体静压时。管将试图均衡压力差而膨胀，但管的扩展特性限制该膨胀，这导致在适当温度水平下从管进入到罐中的流体流。

入口管有利地以“拉伸状态”竖向布置在储存罐中，从而确保在操作期间不会发生影响孔的打开/关闭功能的皱缩和/或折叠。

在本发明的范围内，术语“柔性材料”意指布置用于响应管和罐中的流体的温度/密度而膨胀/展开和收缩的任何类型材料。优选地，材料不能蠕变超过约5％，优选地甚至更少，并且入口管以基本防止材料在操作期间蠕变的方式布置在罐中。

术语“非多孔材料”意指没有小孔或类似小开口/通道的材料，流体中存在的颗粒和/或沉积物能够被阻止在这些小孔中。在此方面优选地，材料被构造成使得入口管中的流体的至少98％。优选地所有的流体将经由管中的小孔进入周围的罐内，因此自然排除诸如织物或其它过滤材料的材料。

优选地，符合上述定义的柔性非多孔材料例如是由诸如乙烯-四氟乙烯(ETFE，一种在宽温度范围上具有高耐腐蚀性和强度的氟基塑料)、聚偏二氟乙烯(PVDF，一种非反应性热塑性含氟聚合物)、聚丙烯(PP)，或者改性聚四氟乙烯(mPTFE，对于要求极端化学条件和/或耐高温的应用是最佳选择的一种含氟聚合物膜)制成的聚合物膜。然而，完全或部分地由其它柔性非多孔材料，诸如金属膜和/或硅酮膜，制成的入口管也预期在本发明范围内。本领域技术人员将理解：柔性非多孔材料的选择取决于储存罐中的物理条件和化学条件。例如，与常规能量系统中使用的入口管的材料相比，用于太阳能的储存罐需要能够承受更高温度的材料。

在优选实施例中，入口管在其膨胀位置中的横截面形状具有基本圆形形状，因为这已证实提供了简单且不昂贵的实施例。然而，在本发明的范围内，也考虑其它横截面形状，例如椭圆形或多边形。

材料的厚度优选地选择为确保提供所需的管柔性，并且同时，确保将通过管壁的热传递保持为最小。相应地，管的优选壁厚在大约10至100μm的范围中，优选地在20和50μm之间，甚至更加优选地是大约25μm。然而本领域技术人员将理解，取决于所使用的材料，厚度可以更厚或更薄。

为了降低通过管壁的热损失，在优选实施例中，入口管可以包括多于一个的层。所述层能够例如彼此间隔开一段距离布置，例如WO2006084460中记载的织物入口分层装置，从而确保这些层之间的距离将作用为隔热层。在可替代实施例中，这些层抵靠彼此，从而同样提供隔热效果，和/或入口管可在一些区段中包括一个或更多个额外层。

优选地，管中的这些孔以预定竖向距离布置在不同的竖向高度处，以允许在储存罐中的所有相关和期望的竖向热层中的流体交换。优选地，这些孔在管中以单行布置，由此提供非常简单和不昂贵的实施例，然而在本发明的范围内，也设想在管的整个竖向高度上布置若干行的孔或者布置单个孔，唯一要求在于：这些孔分布在管的竖向方向上(当管布置在储存罐中时)，以便当罐中的周围流体的温度低于管内的流体的温度时，这些孔能够各自关闭，并且当入口管中的流体达到没有温度差且由此没有压力差的热层时，这些孔能够各自打开。在此水平上，管将膨胀并且孔将打开，将迫使入口流体流入到正确的热层中。

入口管的各个孔具有允许流体中存在的颗粒和/或沉积物没有任何困难地通过的尺寸，从而这些孔不被堵塞。进一步优选地，在膨胀阶段，即当允许流体流出管并流入到罐中时，这些孔伸长或具有双凸透镜的形状，因为已经证实这些形状响应于管中或罐中的流体的温度分别快速地打开和关闭。

为确保有效地关闭入口管中的孔，优选地，入口管包括围绕各孔的密封区域，该密封区域将确保在入口管壁抵靠彼此放置的位置中，有效地关闭这些孔，使得被运输至更高的热层的流体不能通过相应的孔逃逸。在此方面优选地，当孔关闭时，入口管具有基本滴状横截面。所述滴状形状也会降低通过管壁的热损失，因为流体可以流动通过的管的表面积被明显减小。

在此方面优选地，在入口管的给定横截面下，密封区域占据壁的至少10％，优选地至少20％。然而，期望的密封区域将取决于使用的材料的种类、通过入口管的流率和/或热存储器流体。

为了克服在管中的孔关闭时在密封区域中可能发生的静态吸力，入口管可包括布置为确保在管中流体和罐中流体之间没有温度差时这些孔易于打开的加强装置。在一个实施例中，所述加强装置可以是延伸过管的大致整个长度的一根或多根杆、或例如在与单行孔相对的区域中间隔布置的一个或多个肋，和/或在入口管中策略性地制成的拼接部或焊接部。如果所述加强装置由隔热材料制成，例如硅酮，则也提供了降低的热损失。

除加强装置之外或者作为加强装置的替代，优选地，管的入口开口连接到椭圆形入口管，这将确保管内的流体会有利于孔的简单且有效的打开和关闭。预期这是由于入口管中的流体体积的形状。所述椭圆形入口管还有利于提供期望的管的滴状横截面

本发明还涉及制造根据本发明的入口分层管的方法。所述方法包括：提供至少部分地由非多孔柔性材料制成的入口管，以及在所述管中设置孔。

入口管可完全由非多孔柔性材料制成，或部分地由已被附接非多孔材料的刚性材料制成。唯一的要求在于：柔性非多孔材料必须构成管的一部分，以便确保在周围流体的温度低于入口管内的流体的温度时，柔性材料中的各个孔能够关闭，以及在管中的流体和罐中的流体之间没有温度差并且因而没有压力差时，柔性材料中的各个孔能够打开。

在非常简单并且不昂贵的实施例中，通过以下方式获得入口管：提供以基本矩形的非多孔柔性材料形成的板和/或膜，并且在矩形非多孔柔性板的两个纵向边缘的整个长度上组装这两个边缘，以提供接合边缘，例如通过密封或焊接来组装。

这些孔能够在制造期间在板/膜中制成，或者在板/膜被折叠之前制成，而且还能够在板被组装之后通过切除和/或冲压出管的区段来提供。在此情况中，优选地，这些孔通过移除接合边缘中的区段制成，从而在这些区段被移除后，接合边缘仅逐点地接合。当所述移除的区段类似平凸透镜时，这些孔在膨胀阶段中将类似于双凸透镜，这在实验中已被证实为是特别有利的。

在本发明的范围内还设想提供孔的其它方法，例如：逐点地组装矩形非多孔柔性材料的纵向边缘，以便作为沿着接合边缘的圆形凹部来提供孔。

在可替代实施例中，通过以下方式获得入口管：提供以非多孔柔性材料形成的两个或更多基本矩形的板/膜，并将这些板/膜连接到彼此从而提供入口管。用这种方式，用刚性区段替换柔性管的一部分以便提供加强装置也是可能的。有利地，能够如上所述地提供柔性材料中的孔。

附图说明

下面将更详细地解释发明，仅描述根据本发明的入口分层装置的示例性实施例，其中：

图1a是根据本发明的入口分层装置的第一实施例的示意图。

图1b是图1a中示出的入口管的透视图。

图2示出图1a中的入口管的、沿线II-II截取的横截面，其中管中的孔是关闭的。

图3示出图1a中的入口管的、沿线II-II截取的横截面，其中管中的孔是打开的。

图4示出根据本发明的入口管的第二实施例的横截面。

具体实施方式

本发明涉及用于流体中的能量的热储存的入口分层装置。

图1a示出根据本发明的入口分层装置1的第一实施例的示意图。入口管2通过刚性构造11被竖向地布置在储热罐3中，储热罐3包括储热流体/液体4，例如水。应注意到，只要入口管2被保持在竖向位置，如何在罐中布置入口管2不重要。

图1b另外示出了入口管2的透视图，入口管2由非多孔柔性材料5制成，并且包括入口开口6、可选的顶部开口7以及沿着管2的纵向方向以单行布置的多个孔5。

罐3连接到一个或多个加热装置9，诸如太阳能集热器，加热装置9包括换热器或吸热器，用于将加热装置中产生的热能传输到储热液体4。泵10提供加热系统中流体的循环，即从罐3的底部(液体在此处最冷)的开口12，通过出口管(未示出)到热交换装置9，并且从热交换装置9以加热状态通过入口开口13返回储热罐4并且进入入口管道2的入口开口6。如果系统具有自然对流，例如，如果热交换装置9或加热装置被布置在储热罐9内，则不需要循环泵。

加热的水随后在入口管2内向上流动，由此加热的水将被热分层。

因为入口管2由非多孔柔性材料制成，所以管将膨胀和/或收缩，从而管2中的压力和罐3中的压力均衡，确保防止通过管中的孔8的入流和出流，直至在管2和罐3中提供相等密度并且因而相等温度。在图1b中，单个孔8a示出为处于它的打开位置，从而允许水流入罐中，而其余的孔8b全部关闭。打开的孔8a具有基本双凸透镜形状，而孔8b具有基本平凸透镜形状。

图2示出了图1中的管2的、沿线II-II截取的横截面，其中管内的液体的温度不同于管外的液体、即罐3中的液体的温度。如从图2显见的，管包括密封区域14，在密封区域14处，允许入口管2的壁15抵靠彼此平坦布置，使得入口管2中的液体的温度不同于周围的流体，即相应的孔8b关闭。所述密封区域14占据给定的入口管2的横截面的壁的至少10％，优选地更多，因而优选地在孔关闭时提供了管的滴状横截面。

图3示出了与图2相同的横截面，但是管2中的流体的温度等于罐3中的流体的温度，从而因入口水的流动引起的向上行进力造成管2中的压力略高于罐中的压力。管将因试图使压力差均衡而膨胀/展开，但该膨胀受到管的伸长的限制，由此将迫使孔8a打开，并且将允许流体在适当的温度层从管2流入到罐5中。

相应地，管2中的液体将不会进入罐3，直到液体在管中流体的温度等于罐中液体的温度时到达层，导致管中的压力略高于罐中的压力，或者直到液体通过管的顶部开口7(如果存在)，液体在顶部开口7处因新的水被持续地馈给到管2中而被迫离开管。

通过围绕入口管1的轴线16折叠以非多孔柔性材料5形成的矩形膜而使得矩形的两个最长边缘17接触，制成图1至3中示出的入口管1。在膜已被折叠之后，重叠边缘17例如通过焊接被接合在一起，因此提供了单个的接合边缘18。在下文中，使用例如冲压技术将平凸透镜形状的区段19从接合边缘18移除。在接合边缘中形成的这些开口限定了被多个连接点20分离开的单行的孔8。用这种方法，入口管构造成易于收缩和膨胀，并且其中接合边缘18提供密封区域14中的、将有助于使管的壁在密封区域中抵靠彼此平坦布置的部分。

图4示出了本发明第二实施例的横截面，其中入口管部分地由非多孔柔性材料5制成，部分地由已经固定有非多孔柔性材料的刚性材料21制成。在示出的实施例中，刚性材料与柔性材料的比率是大约30/70，然而，所述比率可容易地是不同的，例如是40/60、50/50或70/30，唯一的要求在于：非多孔柔性材料5必须构成管2中的、在周围流体的温度低于入口管内的流体的温度时足以允许柔性材料中的孔8关闭的部分，另外优选地，使得能够提供占据横截面直径的至少10％的密封区域14。

示例

通过提供具有25μm厚度以及17cm x 120cm尺寸的乙烯-四氟乙烯形成的矩形膜制成与图1至3中所示的入口管相相对应的入口管2的示例。所述膜沿纵向中间折叠，使得矩形的两个最长边对齐。重叠边缘随后焊接到一起，并且使用冲压技术将平凸透镜形状的区域从重叠边缘移除。每个平凸透镜、即每个孔的高度是50mm，并且每个孔之间的连接点(在最大距离处)是10mm。平凸透镜形状的曲率半径是75mm。

所述入口管具有简单且不昂贵的设计，因此能够同样良好地用于家用或工业用热水储存以及其它类型供热。分层装置可以被设计为允许馈送储热介质的多于一个热源，例如太阳能热、热泵和燃气锅炉，以作为备份。此外，可以存在若干“消耗部”以从储热器吸取流体，储热器诸如是散热器、地板采暖、游泳池的换热器以及用于热水制备的板状换热器。

在本发明的范围内，可以预见上述原理和设计的改型和组合。