[发明专利]用于凝固极性物质的方法及设备

说明书

提出了一种用于凝固极性物质特别是水的方法，其包括以下步骤：将可冷却的疏水性优选超疏水性冷凝表面设在容器(1)的内部内；向容器(1)部分地填充优选液体形式的极性物质和优选液体形式的不融合的添加剂，以便冷凝表面保持至少部分未淹没；将疏水性冷凝表面冷却至低于极性物质的凝固温度T_solid的温度T_cond；以及从容器(1)移除凝固的极性物质。

技术领域

本发明大体上涉及冷却技术。其具体涉及根据独立权利要求的前序部分的用于凝固极性物质的设备及方法。

背景技术

借助于所谓的冷储存(例如，以冻结液体的形式，具体是冰)的储存热能很重要，且是储能中日益受欢迎的方法。一个主要挑战和成本动因是制冰步骤，特别是对于冰储存的较大规模应用。

真空制冰机从上世纪八十年代起就已用于商业制冰，且允许了相对较大规模的能量高效的制冰。真空制冰在很低压力(优选在至少大约6mbar)下发生，需要较大且机械上要求很高的真空系统。因此，现有技术的真空制冰机包括很大的真空泵作为主压缩机，其使系统复杂化。示例性真空制冰机包括在另外抽空的容器的底部处的水浴池。主压缩机从容器的下部移除水蒸气。由于热也连同泵出的水蒸气移除，故水浴池最终达到水的三相点温度(~0℃)。如果水蒸气随后继续移除，则连同水蒸气移除的热通过从水浴池释放潜热来补偿，且因此产生冰。商业设备通常将水泵入此真空制冰机中，且将所谓的冰浆泵出罐，这可直接地用作很高效的冷却剂，或例如储存在储存罐中来在某个后续的时间使用。

在主压缩机的高压侧上，即，在罐的上部中，从罐的下部移除的水蒸气冷凝。由于水蒸气的压力由主压缩机升高，故其在高于0℃的温度下冷凝，且因此冷凝物具有液体形式。

尽管能量高效，但真空制冰机具有一些缺陷。首先，甚至对于相对较小的热负荷，水蒸气也需要大而复杂的主压缩机。最大的热负荷因此限于大约500kWh。第二，制冰需要在较大的真空容器中发生，这是昂贵且机械上有挑战的构件。

为了克服上文提出的问题，已经开发出了各种无压缩机的制冰机设计。

在设计无压缩机的制冰机中的一个技术挑战在于，一旦所述表面冷却到低于水的冻结温度的温度，则冰趋于粘到冷却表面上，特别是可冷却的冷凝表面，其中所述冰将冷凝表面与待冷却来冻结的水或水蒸气有效地热隔离，减小了热导率和/或热传递，且因此减慢了制冰和/或无压缩机制冰机的总体效率。

在代表无压缩机制冰机的第一变型的无压缩机真空制冰机中，移除了主压缩机。作为替代，冷凝器置于容器的上部中，以提供水浴池上方的可冷却的冷凝表面，以从其中将产生冰的水浴池按需要移除热。然而，这需要冷凝表面的温度低于水的凝固温度，即，低于0℃，以便水蒸气冷凝或沉积在所述冷凝器上。以此方式，热从水浴池移除，且冰以与具有压缩机的装置相似的方式产生。然而，由于冷凝表面的温度需要低于0℃，故冰将最终形成且沉积在冷凝器上。

存在不同的策略来解决此挑战。

用于能量高效的大规模储能应用的一种此类策略是基于静态冰的方法或盘管上的冰的方法，其实际上并未试图从冷凝表面上移除冰。在此情形中，制冷剂循环或流动穿过设在冷凝器内侧的冷却导管；且冰在冷凝表面上静态地增长。此系统是相对能量高效的，且频繁用于各种应用，但功率输出由热交换限制，且对于较高的功率密度，能力系数显著减小。此外，静态冰方法需要冰在与其增长的相同位置处消耗，即，在冷凝表面上。克服冷凝表面上的冰形成的问题的小规模应用中普遍的另一个策略在于使用刮刀来移除冰。基于此途径的制冰机具有的固有问题在于需要相对较大量的能量来移除冰，这也降低了此装置的效率。然而，刮刀通常在需要低占地面积下的更有力的冷却且能量消耗是次要的(例如，渔船上冷却鱼)的应用中是有利的。