CN114166057B - 携带相变材料在深海获取冷能的容器及深海蓄冷棒束 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种携带相变材料在深海获取冷能的容器及深海蓄冷棒束，涉及能源技术领域。本发明中侧壁上端与顶部连接，下端与底部连接，构成具有空腔的封闭棒状容器；弹性膜位于所述空腔内，其上边缘和下边缘分别沿所述侧壁周向密封连接，将空腔分为贴壁的材料区，以及连通顶部和底部的空心区；所述材料区用于填满常温下呈液态的低温相变材料；所述空心区用于充入高压气体。上述棒状容器可以深海蓄冷棒束的形式下降到需要达到的深海处，用于与深层海水充分换热，液态材料相变后与容器一起作为冷源，为海上温差能发电设备或海水淡化设备等提供冷能；利用低温相变材料的高相变潜热性质，实现携带相同冷能时，需要的材料量明显小于海水，起到节能作用。

Description

携带相变材料在深海获取冷能的容器及深海蓄冷棒束

技术领域

本发明涉及能源技术领域，具体涉及一种携带相变材料在深海获取冷能的容器及深海蓄冷棒束。

背景技术

海洋温差能，又称海洋热能，具体是指利用海洋中受太阳能加热的暖和的表层水与较冷的深层水之间的温差用于发电或者其他用途。

目前，在海洋温差能利用过程通常直接利用较冷的海洋深层水作为冷源。例如，在专利CN112664418A中，采用将换热盘管设置于深层冷海水区域的方法，利用深层冷海水对工质进行降温和冷凝；再如，在专利CN112664419A中，采用冷海水泵与管道获取冷海水，对工质进行降温和冷凝。

但是，直接抽取的冷海水携带冷能较少，且大部分会被浪费，抽取过程中也会消耗大量其他能量，鉴于此，有必要提供一种能够获取深海冷能的替代方式。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种携带相变材料在深海获取冷能的容器及深海蓄冷棒束，解决了无法充分利用深海冷能的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种携带相变材料在深海获取冷能的容器，包括顶部、侧壁、底部和弹性膜；

所述侧壁上端与顶部连接，下端与底部连接，构成具有空腔的封闭棒状容器；

所述弹性膜位于所述空腔内，所述弹性膜上边缘和下边缘分别沿所述侧壁周向密封连接，将所述空腔分为贴壁的材料区，以及连通所述顶部和底部的空心区；

所述材料区用于填满常温下呈液态的低温相变材料；所述空心区用于充入高压气体，所述高压气体的压强值不超过所述封闭棒状容器的最大压强承受值。

优选的，所述低温相变材料的凝固点大于需要到达的深海处水温；

所述高压气体的压强值大于标准大气压强，且不大于需要到达的深海处静水压的一半。

优选的，所述空心区与侧壁同轴，且在所述侧壁高度范围内，所述空心区与侧壁的截面直径比为1:5～1:2。

优选的，所述顶部、侧壁和底部均采用不锈钢材质；

优选的，所述弹性膜采用橡胶或者硅胶材质；

优选的，所述低温相变材料包括正十四烷；

优选的，所述高压气体为空气。

一种深海蓄冷棒束，包括若干上述的容器、第一支架、第二支架和若干固定杆；

所述第一支架上开设有卡固所述容器的顶部的开孔；所述第二支架上开设有卡固所述容器的底部的开槽；每一个所述容器通过所述开孔、开槽，竖向对称布置在所述第一支架、第二支架之间；

若干所述固定杆在竖直方向上周向排列，每一根固定杆上端与所述第一支架下边缘固定连接，下端与所述第二支架上边缘固定连接。

优选的，所述第一支架、第二支架和固定杆均采用与所述顶部、侧壁或者底部相同的材质；

优选的，所述第一支架、第二支架和固定杆内部均空心，三者的空心区域均充入与所述空心区内等压的高压气体。

优选的，所述第一支架关于其中心轴能够分为若干大小完全相同的第一子支架，任意相邻的两个所述第一子支架通过第一锁扣固定连接；

优选的，所述第二支架关于其中心轴能够分为若干大小完全相同的第二子支架，任意相邻的两个所述第二子支架通过第二锁扣固定连接。

优选的，所述第一支架包括两个大小完全相同的第一子支架；

一个所述第一子支架侧面设置有第一凸起部，另一个所述第一子支架侧面设置有与所述第一凸起部相匹配的第一凹陷部；

优选的，所述第二支架包括两个大小完全相同的第二子支架；

一个所述第二子支架侧面设置有第二凸起部，另一个所述第二子支架侧面设置有与所述第二凸起部相匹配的第二凹陷部。

优选的，所述第一支架上表面设置有关于其中心轴圆周排列的挂钩。

优选的，所述第一支架边缘对称设置有第一握把。

优选的，所述第二支架下表面设置有若干万向轮。

优选的，所述第二支架边缘对称设置有第二握把。

(三)有益效果

本发明提供了一种携带相变材料在深海获取冷能的容器及深海蓄冷棒束。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明中侧壁上端与顶部连接，下端与底部连接，构成具有空腔的封闭棒状容器；弹性膜位于所述空腔内，其上边缘和下边缘分别沿所述侧壁周向密封连接，将空腔分为贴壁的材料区，以及连通顶部和底部的空心区；所述材料区用于填满常温下呈液态的低温相变材料；所述空心区用于充入高压气体。上述棒状容器可以深海蓄冷棒束的形式下降到需要达到的深海处，用于与深层海水充分换热，液态材料相变后与容器一起作为冷源，为海上温差能发电设备或海水淡化设备等提供冷能；利用低温相变材料的高相变潜热性质，实现携带相同冷能时，需要的材料量明显小于海水，减少将冷源提升回海面需要的能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种携带相变材料在深海获取冷能的容器的主视图；

图2为本发明实施例提供的一种携带相变材料在深海获取冷能的容器的横向剖视图；

图3为本发明实施例提供的一种深海蓄冷棒束的主视图；

图4～图5为本发明实施例提供的一种深海蓄冷棒束的左、右两部分的主视图；

图6为本发明实施例提供的一种深海蓄冷棒束的俯视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请实施例通过提供一种携带相变材料在深海获取冷能的容器及深海蓄冷棒束，解决了无法充分利用深海冷能的技术问题。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例中侧壁上端与顶部连接，下端与底部连接，构成具有空腔的封闭棒状容器；弹性膜位于所述空腔内，其上边缘和下边缘分别沿所述侧壁周向密封连接，将空腔分为贴壁的材料区，以及连通顶部和底部的空心区；所述材料区用于填满常温下呈液态的低温相变材料；所述空心区用于充入高压气体。上述棒状容器可以深海蓄冷棒束的形式下降到需要达到的深海处，用于与深层海水充分换热，液态材料相变后与容器一起作为冷源，为海上温差能发电设备或海水淡化设备等提供冷能；利用低温相变材料的高相变潜热性质，实现携带相同冷能时，需要的材料量明显小于海水，减少将冷源提升回海面需要的能耗。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例：

第一方面，如图1所示，本发明实施例提供了一种携带相变材料在深海获取冷能的容器，包括顶部1、侧壁2、底部3和弹性膜4。

所述侧壁2上端与顶部1连接，下端与底部3连接，构成具有空腔的封闭棒状容器。

所述弹性膜4位于所述空腔内，所述弹性膜4上边缘和下边缘分别沿所述侧壁2周向密封连接，如图2所示，将所述空腔分为贴壁的材料区5，以及连通所述顶部1和底部3的空心区6。

所述材料区5用于填满常温下呈液态的低温相变材料。之所以在材料区5填满常温下呈液态的低温相变材料，是考虑到如果在凝固过程中该材料，例如正十四烷体积会减小，将会导致棒状容器在材料完全凝固后内部出现真空区域，由于深海处静水压较大，若侧壁2强度不足，则会导致容器变形，降低棒状容器7使用寿命；若采用增加容器壁面2厚度的方法增加强度，则会影响换热效率(即侧壁2的厚度会影响传热效率，因此在满足强度要求的情况下，侧壁2的厚度应尽可能减小)。

只有材料区5填满常温下呈液态的低温相变材料后，当所述低温相变材料在低温深海相变时，随着材料体积的变化，空心区6与密封性好的弹性膜4将随着材料体积的变化而相应变化，使得容器内始终不会出现真空区域。

所述空心区6用于充入高压气体，所述高压气体的压强值不超过所述封闭棒状容器的最大压强承受值。

需要注意的是，所述低温相变材料的凝固点大于需要到达的深海处水温；所述高压气体的压强值大于标准大气压强，且不大于需要到达的深海处静水压的一半，例如当设置为深海静水压的一半时，使得无论容器在海上平台上还是在深海中，容器内外压强差最大不会超过目标深度的深海水产生静压的一半，这样使得容器侧壁2所需强度降低，进而可以适当降低容器壁厚度，提高材料换热效率，以及减少自重和制造成本。

如图2所示，所述空心区6与侧壁2同轴，且在所述侧壁2高度范围内，所述空心区6与侧壁2的截面直径比为1:5～1:2。由于空心区6在容器内腔最中心区域，其半径较小，并不会占据容器较大体积，使得容器内部仍然可以填充足够多的材料，因此并不会明显影响单一容器携带的冷量。

同时，由于空心区6距离壁面2最远，传热时靠近壁面2的材料会最快发生相变，而中心区域最后才会发生相变，因此中心区域为传热效率最低区域，将空心区6设置在此处，而材料区4设置在更靠近容器壁面2的位置，可以有效降低容器内材料相变的时间，提高传热效率。

需要说明的是，在能够解决本发明实施例实际需要解决技术问题的前提下，本发明实施例不对上述任一个部件的材质选择、低温相变材料的选择等进行任何的限定。

例如，所述顶部1、侧壁2和底部3可以均采用不锈钢材质；所述弹性膜4可以采用橡胶或者硅胶材质；所述低温相变材料可以采用正十四烷；所述高压气体可以采用空气，压强为2.5～5MPa。

假设需要下降的海水深度为1000m，此处海水温度通常为4℃左右，低温相变材料选择正十四烷，凝固点约为5.5℃，相变潜热约为227kJ/kg，固相比热约为1.68kJ/(kg·℃)，液相比热约为2.68kJ/(kg·℃)。当1kg正十四烷固体从4℃升温至5.5℃，再继续融化，融化后温度从5.5℃升至8℃，吸收的热量约为236.22kJ。对比而言，1kg水从4℃升温至8℃吸收的热量约为16.8kJ，正十四烷吸收的热量超过水的14倍，即相同质量的冷源可以得到更多的冷能，实现携带相同冷能时，极大减少材料需求量，起到节能的作用。

第二方面，如图3所示，为了更方便的将上述容器运送到目标深海处，本发明实施例提供了一种深海蓄冷棒束，包括若干如上所述的容器、第一支架7、第二支架8和若干固定杆9。

所述第一支架7上开设有卡固所述容器的顶部1的开孔；所述第二支架8上开设有卡固所述容器的底部3的开槽；每一个所述容器通过所述开孔、开槽，竖向对称布置在所述第一支架7、第二支架8之间，从而组成一组棒束；将棒状容器与支架安装的部分为顶部1区域与底部3区域，由于该区域内部为空气，因此与材料区4接触的侧壁2可以完全与海水接触，不会影响材料区内部的低温相变材料与外界海水间的换热速度。

若干所述固定杆9在竖直方向上周向排列，每一根固定杆9上端与所述第一支架7下边缘固定连接，下端与所述第二支架8上边缘固定连接。优选的，各固定杆9采用圆柱结构，且各圆柱结构之间间距相等，到所述第一支架7、第二支架8整体的几何中心的距离相等。

同样的，为了保证深海蓄冷棒束运送过程中，第一支架7、第二支架8和固定杆9内外压强差最大值不超过外界最大净水压的一半，进而有效减少壁厚；所述第一支架7、第二支架8和固定杆9均采用与所述顶部1、侧壁2或者底部3相同的材质(例如不锈钢材质等)；且如图3所示，将所述第一支架7、第二支架8和固定杆9内部均设置为空心，三者的空心区域均充入与所述空心区6内等压的高压气体(例如2.5～5MPa的空气)。

将第一支架7、第二支架8和固定杆9设置成内部空心的好处还包括，增加了深海蓄冷棒束的整体浮力，减少运送过程中的机械能损耗。

当然，也可以根据实际情况，所述第一支架7、第二支架8、固定杆9选择其他材质，例如尼龙等，不设置成空心结构。

当需要运送的棒状容器较多时，第一支架7、第二支架8相应的体积会很大，可以将第一支架7、第二支架8分别设置为包括若干相同体积大小的子部分，且每一个子部分对应布置的棒状容器一样多。

相应的，如图3所示，此时所述第一支架7关于其中心轴能够分为若干大小完全相同的第一子支架，任意相邻的两个所述第一子支架通过第一锁扣10固定连接；所述第二支架8关于其中心轴能够分为若干大小完全相同的第二子支架(与第一支架7对应设置)，任意相邻的两个所述第二子支架通过第二锁扣11固定连接。

特别的，第一支架7、第二支架8均只包括两部分时。

如图4～5所示，所述第一支架7包括两个大小完全相同的第一子支架；一个所述第一子支架侧面设置有第一凸起部12，另一个所述第一子支架侧面设置有与所述第一凸起部12相匹配的第一凹陷部13，结合上述第一锁扣10，将第一支架7两部分固连更牢靠。

如图4～5所示，所述第二支架8包括两个大小完全相同的第二子支架；一个所述第二子支架侧面设置有第二凸起部14，另一个所述第二子支架侧面设置有与所述第二凸起部14相匹配的第二凹陷部15，结合上述第二锁扣10，将第二支架7两部分固连更牢靠。

优选的，如图3～6所示，所述第一支架7上表面设置有关于其中心轴圆周排列的挂钩16，优选的，一圈所述挂钩16沿着第一支架7上表面的边缘设置；使用时，挂钩与绳索相连接，可以通过绳索将棒束运送至目标深海处，例如约500～1000m处获取冷能，当棒束中所有棒状容器内的低温相变材料完全由液态变为固态后，可以通过绳索将棒束提升回海面。

优选的，所述第二支架8下表面设置有若干万向轮18；如图3～5所示，第二支架8包括多个第二子支架时，每个子支架下表面均安装有4个万向轮18，方便拆卸后的支架搬运，为了保证搬运时支架8的平衡性，万向轮18安装在每一部分第二子支架下表面的最中心位置，且按正方形四个角的位置排列。

优选的，如图3～5所示，所述第一支架7边缘对称设置有第一握把17；所述第二支架8边缘对称设置有第二握把19，方便支架拆卸。

为了保证每一个所述容器竖向对称布置在所述第一支架7、第二支架8之间，从而保证运送过程中的稳定性。如图6所示(图6以圆形为例)，本发明实施例提供的深海蓄冷棒束整体从俯视图来看，可以是圆形、矩形等各类轴对称图形。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明实施例提供的棒状容器可以深海蓄冷棒束的形式下降到需要达到的深海处，用于与深层海水充分换热，液态材料相变后与容器一起作为冷源，为海上温差能发电设备或海水淡化设备等提供冷能；利用低温相变材料的高相变潜热性质，实现携带相同冷能时，需要的材料量明显小于海水，减少将冷源提升回海面需要的能耗。

2、本发明实施例中棒状容器的空心区与侧壁同轴，且在所述侧壁高度范围内，所述空心区与侧壁的截面直径比为1:5～1:2。由于空心区在容器内腔最中心区域，其半径较小，并不会占据容器较大体积，使得容器内部仍然可以填充足够多的材料，因此并不会明显影响单一容器携带的冷量。同时，由于空心区距离壁面最远，传热时靠近壁面的材料会最快发生相变，而中心区域最后才会发生相变，因此中心区域为传热效率最低区域，将空心区设置在此处，而材料区设置在更靠近容器壁面的位置，可以有效降低容器内材料相变的时间，提高传热效率。

3、为了保证深海蓄冷棒束运送过程中，本发明实施例中第一支架、第二支架和固定杆内外压强差最大值不超过外界最大净水压的一半，进而有效减少壁厚，以及增加了深海蓄冷棒束的整体浮力，减少运送过程中的机械能损耗。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种携带相变材料在深海获取冷能的容器，其特征在于，包括顶部(1)、侧壁(2)、底部(3)和弹性膜(4)；

所述侧壁(2)上端与顶部(1)连接，下端与底部(3)连接，构成具有空腔的封闭棒状容器；

所述弹性膜(4)位于所述空腔内，所述弹性膜(4)上边缘和下边缘分别沿所述侧壁(2)周向密封连接，将所述空腔分为贴壁的材料区(5)，以及连通所述顶部(1)和底部(3)的空心区(6)；

所述材料区(5)用于填满常温下呈液态的低温相变材料；所述空心区(6)用于充入高压气体，所述高压气体的压强值不超过所述封闭棒状容器的最大压强承受值；

所述高压气体为空气，压强为2.5～5MPa。

2.一种如权利要求1所述的容器，其特征在于，

所述低温相变材料的凝固点大于需要到达的深海处水温；

所述高压气体的压强值大于标准大气压强，且不大于需要到达的深海处静水压的一半。

3.一种如权利要求1或者2所述的容器，其特征在于，所述空心区(6)与侧壁(2)同轴，且在所述侧壁(2)高度范围内，所述空心区(6)与侧壁(2)的截面直径比为1：5～1：2。

4.一种如权利要求1或者2所述的容器，其特征在于，

所述顶部(1)、侧壁(2)和底部(3)均采用不锈钢材质；

和/或所述弹性膜(4)采用橡胶或者硅胶材质；

和/或所述低温相变材料包括正十四烷。

5.一种深海蓄冷棒束，其特征在于，包括若干如权利要求1～3任一项所述的容器、第一支架(7)、第二支架(8)和若干固定杆(9)；所述第一支架(7)上开设有卡固所述容器的顶部(1)的开孔；所述第二支架(8)上开设有卡固所述容器的底部(3)的开槽；每一个所述容器通过所述开孔、开槽，竖向对称布置在所述第一支架(7)、第二支架(8)之间；

若干所述固定杆(9)在竖直方向上周向排列，每一根固定杆(9)上端与所述第一支架(7)下边缘固定连接，下端与所述第二支架(8)上边缘固定连接。

6.一种如权利要求5所述的深海蓄冷棒束，其特征在于，

所述第一支架(7)、第二支架(8)和固定杆(9)均采用与所述顶部(1)、侧壁(2)或者底部(3)相同的材质；

和/或所述第一支架(7)、第二支架(8)和固定杆(9)内部均空心，三者的空心区域均充入与所述空心区(6)内等压的高压气体。

7.一种如权利要求5或者6所述的深海蓄冷棒束，其特征在于，

所述第一支架(7)关于其中心轴能够分为若干大小完全相同的第一子支架，任意相邻的两个所述第一子支架通过第一锁扣(10)固定连接；

和/或所述第二支架(8)关于其中心轴能够分为若干大小完全相同的第二子支架，任意相邻的两个所述第二子支架通过第二锁扣(11)固定连接。

8.一种如权利要求7所述的深海蓄冷棒束，其特征在于，

所述第一支架(7)包括两个大小完全相同的第一子支架；

一个所述第一子支架侧面设置有第一凸起部(12)，另一个所述第一子支架侧面设置有与所述第一凸起部(12)相匹配的第一凹陷部(13)；和/或所述第二支架(8)包括两个大小完全相同的第二子支架；

一个所述第二子支架侧面设置有第二凸起部(14)，另一个所述第二子支架侧面设置有与所述第二凸起部(14)相匹配的第二凹陷部(15)。

9.一种如权利要求5或者6所述的深海蓄冷棒束，其特征在于，

所述第一支架(7)上表面设置有关于其中心轴圆周排列的挂钩(16)；和/或所述第一支架(7)边缘对称设置有第一握把(17)。

10.一种如权利要求5或者6所述的深海蓄冷棒束，其特征在于，

所述第二支架(8)下表面设置有若干万向轮(18)；和/或所述第二支架(8)边缘对称设置有第二握把(19)。