CN102322760B - 智能化车载移动式相变蓄热供热系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种智能化车载移动式相变蓄热供热系统，包括牵引车和相变蓄热换热装置，相变蓄热换热装置固定安装在牵引车上；相变蓄热换热装置包括箱体，箱体的后壁上安装有箱体水温表和相变蓄热材料温度表；在箱体的内部自下至上依次设置有加热管组、冷水进水管、相变蓄热组件和热水出水管，箱体的底部出水口与箱体上部的热水出水管均通过管路连接到同一个供水总管。本发明利用热电厂、钢铁厂等高能耗单位以蒸汽形式排放的余热或废热，为热能用户提供热水供应和供暖服务；具有整体结构简单、紧凑，空间利用率高，储能密度高，换热效率高，智能化控制，运行稳定安全可靠，便于维护及运行管理方便等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种可利用工业余热及废热为特殊热能用户提供热水供应和供暖服务且便于运行管理的车载移动式相变蓄热供热系统，属于移动供热技术领域。
背景技术
能源是人类社会赖以生存和发展的重要物质基础。我国是当今世界上最大的发展中国家，也是目前世界上第二位能源生产国和消费国。长期以来，我国以煤为主的能源结构和粗放型的能源生产和消费方式使能源发展与环境保护之间的矛盾日益尖锐。改革能源消费方式，节约能源和减少污染物排放，已关系到我国经济社会的可持续发展。
供热行业作为对国民经济发展有着全局性、先导性影响的基础产业，与人们的生活息息相关。为节约能源和保护环境，集中供热已逐渐成为我国城镇的主要供热方式。但现有的热电联产和区域锅炉房供热等大集中供热模式，也带来了建设投资巨大、节能减排水平不高、管网过长损耗严重、供热调节不灵活、供热成本较高和收缴费用困难等诸多弊端；同时，也无法满足非采暖地区、非采暖期以及集中供热管网未覆盖地区诸多新建小区、企事业单位、体育场馆、宾馆、健身娱乐场所等特殊热能用户的供暖及供热水需求。目前我国城市中钢铁、电力、化工等高耗能工业行业有大量工业余热、废热以蒸汽和高温烟气等形式被排放而白白浪费，而上述热能用户依靠自备燃油、燃气锅炉来产生热能，造成热量浪费和优质能源消耗双重能耗损失，这种热能供给与需求失配矛盾已成为我国供热行业发展所面临的严峻问题。
蓄热储能技术可用于解决热能供给与需求失配的矛盾，是提高能源利用效率和保护环境的重要技术。目前主要的蓄热方法有显热蓄热、潜热蓄热和化学反应蓄热。显热蓄热主要是利用蓄热材料的热容量，通过温度的升高或降低进行能量的蓄存和释放。化学反应蓄热是利用可逆化学反应的结合热储存热能。用于潜热蓄热的相变蓄热材料(Phase Change Materials，简称PCM)是利用相变物质在凝固—熔化、凝结—气化、凝结—升华以及其他形式的相变过程中，都会吸收或放出相变潜热的原理进行能量的蓄存和释放。相变蓄热技术因其储能密度大，蓄热和发热过程近似等温过程，易于运行控制而得以广泛应用。
无机相变蓄热材料—结晶水合盐作为中、低温固—液相变蓄能材料，在受热达到熔点时，其所含结晶水脱出，脱出的结晶盐溶解而吸热；降温时发生逆过程，吸收结晶水而放热；具有价格便宜，体积蓄热密度大，熔解热大，熔点固定，热导率比有机相变材料大，一般呈中性等优点。相变温度在 45～95℃范围内的结晶水合盐蓄热材料被广泛应用于太阳能储存、工业废热回收以及供暖和空调系统等领域。
利用相变蓄热设备可将热电厂、钢铁厂等高能耗单位的余热、废热回收储存起来，通过牵引车的运输为非采暖地区、非采暖期以及集中供热管网未覆盖地区热能用户提供供暖和热水供应服务，从而实现热量排放单位和热量使用单位的热量循环利用，同时达到一次节能、两次减排的目的；这对于解决我国供热行业所面临的热能供给与需求失配的矛盾具有重要的现实意义。
目前已出现一些利用蓄热储能技术进行移动供热的设备和装置，如中国专利文献 CN 201621764 U公开的《工业余废热移动供热装置》、CN 201476261 U公开的《智能移动供热设备》、CN 101963469 A公开的《相变材料蓄热供热装置》、CN 2755550 Y公开的《可移动式高密度相变蓄热装置》、CN 101968240 A 公开的《一种利用相变蓄热球的移动供热装置与方法》等。但现有的这些设备或装置存在一些明显的不足和缺陷，具体包括：（1）利用工业余废热制取热水用于供热，仅凭借显热蓄热，设备或装置的蓄热密度明显偏小；（2）在相变蓄热材料中设置换热管，通过换热管中冷热水的流动来完成充热、放热以及换热过程，会带来结晶水合盐蓄热材料长期使用的稳定性不强、移动使用过程易导致换热管损坏却难以发现以及设备维护困难等问题；（3）设备或装置内部相变蓄热材料的封装结构比较复杂，设备或装置制作成本较高；设备或装置内部内封装的相变蓄热材料体积比有限，设备或装置的蓄热密度难以明显提高；（4）设备或装置出水温度的自动调控系统不完善，由于相变蓄热材料放热比较集中，难以实现供热过程热水供应温度的连续稳定；（5）没有设置相应的管理监控系统，没有实现移动供热设备或装置运行过程中的采热、供热、节能减排以及车辆信息等相关数据的自动采集和存储，没有实现这些数据在热能用户、运营企业及政府主管部门间的自动传输与查询，没有实现根据这些数据对移动供热设备或装置进行调度管理和远程控制。
发明内容
针对以上现有蓄热储能技术进行移动供热的设备或装置存在的缺陷与不足，本发明提供一种结构简单紧凑、维护方便、蓄热密度大、供热稳定的智能化车载移动式相变蓄热供热系统。该系统可利用工业余热及废热为特殊热能用户提供热水供应和供暖服务且便于运行管理。
本发明的智能化车载移动式相变蓄热供热系统通过以下技术方案来实现：
该智能化车载移动式相变蓄热供热系统，包括牵引车和相变蓄热换热装置，相变蓄热换热装置固定安装在牵引车上；相变蓄热换热装置包括箱体，在箱体的内部自下至上依次设置有加热管组、冷水进水管、相变蓄热组件和热水出水管，加热管组由蒸汽入口管、蒸汽连通管、U形换热管、凝结水收集管以及凝结水排出管组成，蒸汽入口管与蒸汽连通管连接，凝结水排出管与凝结水收集管连接，蒸汽连通管与凝结水收集管之间至少连接有一套U形换热管，相变蓄热组件由在管板上水平排列的相变蓄热管构成，相变蓄热管内封装有相变蓄热材料，封装的全部相变蓄热材料体积占相变蓄热组件所占空间的45%-50%；箱体的底部设有底部出水口，该底部出水口与箱体内上部的热水出水管均通过管路连接到同一个供水总管，在各自与供水总管的连接管路上均安装有电动阀，供水总管中设置有温度传感器，电动阀和温度传感器均与一个比例积分温度控制器连接；相变蓄热换热装置上还设有车载监控单元。
所述箱体的侧壁底部设有检查孔。
所述相邻相变蓄热管的间隙为10mm-15mm。
所述在蒸汽入口管中设置有流量传感器、温度传感器和压力传感器，在蒸汽入口管处于箱体外部的部分上设置有蒸汽阀门。
所述U形换热管由内U形换热管和外U形换热管组成，内U形换热管处于外U形换热管的里侧，内U形换热管的两端分别与蒸汽连通管和凝结水收集管连通，外U形换热管的两端也分别与蒸汽连通管和凝结水收集管连通。
所述冷水进水管和热水出水管的结构一样，一端伸入箱体内，另一端在箱体外部，伸入箱体内部分的管壁上设有配水孔。
所述供水总管中还设置有流量传感器和压力传感器。
所述车载监控单元包括单片机、车辆GPS卫星定位模块、GPRS数据传输模块和车辆安全与调度模块；所述蒸汽入口管中的流量传感器、温度传感器和压力传感器以及所述供水总管中的流量传感器、温度传感器和压力传感器均与单片机连接；车辆GPS卫星定位模块与GPRS数据传输模块均与单片机连接；车辆GPS卫星定位模块包括GPS接收机和GPS天线，GPS接收机与GPS天线连接；GPRS数据传输模块包括GPRS芯片和GPRS接收装置，GPRS接收装置与GPRS芯片连接；车辆安全与调度模块由安装在箱体侧壁上的用于测量箱体温度及压力的温度传感器和压力传感器以及车辆防盗报警装置组成。
上述整个系统到热源处采热时，通过冷水进水管向箱体内灌注冷水，箱体的内部充满冷水，箱体内的各部件浸没于冷水中。蒸汽进入加热管组进行换热，使箱体内冷水的温度升高。在水温不断升高的过程中，热量使相变蓄热管内的相变蓄热材料发生相变，由固态变为液态，蓄热材料存储潜热。随后，通过牵引车将相变蓄热换热装置运输到用户处，为远程热能用户提供热水供应及供暖服务。运输到用户处后，进行放热和供热。冷水由相变蓄热换热装置下部的冷水进水管进入箱体内，水流自下而上流过相变蓄热组件区域。当相变蓄热材料达到相变温度时，相变蓄热材料由液态变为固态，将热量释放出来，在此过程中，将进入箱体内的冷水加热变为热水，热水由热水出水管和出水口排出，经供水总管汇合后，进入热能用户热水供应或供暖系统。
本发明利用热电厂、钢铁厂等高能耗单位以蒸汽形式排放的余热或废热，为热能用户提供热水供应和供暖服务；具有整体结构简单、紧凑，空间利用率高，储能密度高，换热效率高，智能化控制，运行稳定安全可靠，便于维护及运行管理方便等特点；在我国大力实施节能减排发展战略之际，本发明的推广应用具有广阔的应用市场和良好的发展前景。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的左视图。
图3是本发明中加热管组的结构示意图。
图4是本发明中冷水进水管和热水出水管的结构示意图。
图中：1、加热管组，2、冷水进水管，3、箱体，4、箱体水温表，5、热水出口，6、热水出水管，7、蒸汽进口，8、相变蓄热管，9、固定支架，10、压力表，11、冷凝水出口，12、管板，13、底部出水口，14、检查孔，15、冷水进口，16、蒸汽连通管，17、外U形换热管，18、凝结水收集管，19、凝结水排出管，20、蒸汽入口管，21、配水孔，22、相变蓄热材料温度表，23、蒸汽阀门，24、内U形换热管。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创造特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图对本发明进一步阐述。
本发明的智能化车载移动式相变蓄热供热系统，包括牵引车和相变蓄热换热装置，相变蓄热换热装置固定安装在牵引车上，相变蓄热换热装置上还设有车载监控单元。
相变蓄热换热装置的结构如图1和图2所示，整体为长方形箱式结构，包括箱体3，在箱体3的外侧设置保温层（图中未画出）。在箱体3的内部自下至上依次设置有加热管组1、冷水进水管2、相变蓄热组件和热水出水管6，加热管组1上的蒸汽进口7和冷凝水出口11、冷水进水管2上的冷水进口15以及热水出水管6上的热水出口5均伸出箱体3，处于箱体3外侧。箱体3底部的侧壁上还设有两个检查孔14和底部出水口13（参见图2）。底部出水口13与热水出口5均通过管路连接到同一个供水总管（图中未画出），在各自与供水总管的连接管路上均安装有电动阀，以控制热水出口5和底部出水口13的出水量。相变蓄热组件通过箱体3内侧壁上的固定支架9支撑固定。箱体3的后壁上安装有用于检测箱体内水温的箱体水温表4和用于检测相变蓄热材料温度的相变蓄热材料温度表22，相变蓄热材料温度表22安装在箱体3后壁上并连接到相变蓄热管8内部。在箱体3侧壁上还设有液位计（图中未画出）。
加热管组1的结构如图3所示，由蒸汽入口管20、蒸汽连通管16、U形换热管、凝结水收集管18以及凝结水排出管19组成。蒸汽入口管20的一端为蒸汽进口7，另一端与蒸汽连通管16连接，蒸汽入口管20上安装有压力表10。凝结水排出管19的一端与凝结水收集管18连接，凝结水排出管19的另一端为冷凝水出口11。蒸汽连通管16与凝结水收集管18之间连接有平行排列的多套U形换热管，每套U形换热管由内U形换热管24和外U形换热管17组成，内U形换热管24的尺寸和规格小于外U形换热管17，内U形换热管24处于外U形换热管17的里侧，内U形换热管24的两端分别与蒸汽连通管16和凝结水收集管18连通，外U形换热管17的两端也分别与蒸汽连通管16和凝结水收集管18连通。这样的结合方式可以在一定的空间内增加换热面积。U形换热管的套数可根据箱体3的大小和具体情况确定。在蒸汽入口管20中设置流量传感器、温度传感器和压力传感器，在蒸汽入口管20处于箱体3外部的部分上设置有蒸汽阀门23，流量传感器、温度传感器和压力传感器对采热的流体流量、温度和压力进行监测。
相变蓄热组件由在管板12上水平排列的相变蓄热管8构成，相邻相变蓄热管的间隙为10mm-15mm。相变蓄热管8规格为DN50，材质为广泛应用于食品用设备的奥氏体不锈耐热钢0Cr18Ni9。相变蓄热管8内封装有相变蓄热材料，可根据用户对供热温度的要求，封装45～95℃范围内的结晶水合盐蓄热材料，封装的相变蓄热材料体积可占相变蓄热组件所占空间的45%-50%。相变蓄热组件整体结构简单、紧凑，空间利用率高。
冷水进水管2和热水出水管6的结构一样，如图4所示，一端伸入箱体3内，另一端为冷水进口15或热水出口5，伸入箱体3内部分的管壁上设有配水孔21。
相变蓄热换热装置运行时，通过冷水进水管2向箱体3内灌注冷水，箱体3的内部充满冷水，箱体3内的加热管组1及相变蓄热组件等各部件浸没于冷水中。采热热源为热电厂、钢铁厂等高能耗单位以蒸汽形式排放的余热或废热。100-130℃蒸汽由加热管组1的蒸汽进口7进入加热管组1，经蒸汽连通管16分配进入U形换热管17。由于U形换热管17外的冷水的温度较低，蒸汽在U形换热管17中发生相变凝结为水，同时将热量传递给箱体3内的冷水，使冷水的温度升高。U形换热管17中的凝结水由凝结水收集管18汇集并通过凝结水排出管19排出。加热后的导热介质水的温度最高可达95℃左右。在水温不断升高的过程中，热量经各根相变蓄热管8的管壁扩散传递到相变蓄热管8内的相变蓄热材料中，相变蓄热材料的温度逐渐升高。在未达到相变温度之前，蓄热材料存储显热；当达到相变温度时，蓄热材料开始发生相变，由固态变为液态，同时吸热，蓄热材料存储潜热；温度超过相变温度后，蓄热材料继续存储显热；当全部蓄热材料完成相变后，蓄热过程即可结束。随后，通过牵引车将相变蓄热换热装置运输到用户处，为远程热能用户提供热水供应及供暖服务。
为保证用户热水供应温度为35℃-80℃的一般要求，相变蓄热换热设备装配了由温度传感器、比例积分温度控制器和电动阀组成的供热温度调制系统，温度传感器安装在供水总管中，用于检测最终出水温度，底部出水口13和热水出口5与供水总管的连接管路上均设有电动阀。温度传感器把检测到的最终出水温度信号传送至比例积分温度控制器，由比例积分温度控制器将供水总管温度传感器的检测值与设定值不断比较，同时不断地输出信号，控制底部出水口13和热水出口5与供水总管的连接管路上的电动阀的开度，不断调节底部出水口13和热水出口5的出水量，最终使供水总管上的温度传感器测量的供水温度保持在设定的范围内。除了温度传感器外，在供水总管上还设置有流量传感器、压力传感器和管道泵，流量传感器、温度传感器和压力传感器对供热的流体流量、温度和压力进行监测，热水经管道泵输送进入用户的热水供应或供暖系统。
车载监控单元，具有数据采集、数据处理和移动通信等功能，对相变蓄热换热装置的采热、供热和配送过程进行动态监控，以实现采热、供热以及节能减排等相关基础数据的在线管理监控、数据采集及记录存档、数据查询等功能。车载监控单元包括单片机、车辆GPS（Global Positioning System，全球定位系统）卫星定位模块、GPRS（General Packet Radio Service，通用分组无线服务技术）数据传输模块和车辆安全与调度模块。
蒸汽入口管20中的流量传感器、温度传感器和压力传感器以及供水总管中的流量传感器、温度传感器和压力传感器均与单片机电连接，流量传感器、温度传感器和压力传感器将所采集的数据实时传输到单片机进行数据处理与存储，完成在线流体流量、温度和压力的监测，通过单片机进行现场显示，单片机在对相关数据进行分析处理的基础上，计算出采热量、供热量和节能减排量数据并存储，这些数据通过单片机现场实时显示。单片机与GPRS数据传输模块连接，在协议封装后通过移动无线通信方式上传到管理系统。
车辆GPS卫星定位模块与单片机连接，包括GPS接收机和GPS天线，GPS接收机与GPS天线连接，GPS接收机通过GPS天线接收卫星定位信号，确定整个蓄热供热系统的位置（经度、纬度、高度）、运行时间和运动状态（速度、航向），将接收到的上述信息传送到单片机，经过协议转化后通过单片机显示部分显示车辆信息（位置与速度等），并存储，同时将数据通过GPRS数据传输模块协议封装后上传到管理系统，实现远程观察车辆运行轨迹功能。
GPRS数据传输模块是车载监控单元的网络通信部分，该模块与单片机连接，包括GPRS芯片和GPRS接收装置，GPRS接收装置与GPRS芯片连接，通过AT指令与车载数据采集与处理模块实现信息交换，同时，发送现场数据到管理系统并接收管理系统发送的命令，实现采热、供热和配送过程的动态管理监控，以及相关基础数据（采热、供热以及节能减排等）的在线管理监控、数据采集及记录存档和数据查询功能。
车辆安全与调度模块由安装在箱体3侧壁上的用于测量箱体3内水温及压力的温度传感器和压力传感器以及车辆防盗报警装置组成，完成对车辆安全状况的监测、报警、运行控制和车辆调度管理功能，温度传感器和压力传感器检测的箱体3温度及压力数据传输到单片机进行分析处理并存储，同时通过单片机现场显示，单片机连接到GPRS数据传输模块，在协议封装后由GPRS数据传输模块通过移动通信方式上传到管理系统，并接收管理系统发送来的车辆调度管理命令。
整个系统运输到用户处后，进行放热和供热。相变蓄热换热装置下部的冷水进水管2接用户处的供水水源；在供水水源压力作用下，冷水进入箱体3内，经冷水进水管2上的配水孔21均匀配水，水流自下而上流过相变蓄热组件区域。在进水初期，所进冷水与箱体3内原有的热水混合使水温降低，当相变蓄热材料达到相变温度时，相变蓄热材料开始发生相变，由液态变为固态，同时将热量释放出来，在此过程中，将进入箱体3内的冷水进行加热变为热水，热水由热水出水管6上的热水出口5排出。热水出口5排出热水的同时，箱体3上的底部出水口13也出水，在放热过程中，热水出口5出水水温逐渐降低，而底部出水口13的出水水温逐渐升高。热水出口5的出水和底部出水口13的出水经供水总管（图中未画出）汇合后，经管道泵输送进入热能用户热水供应或供暖系统。当供水总管的出水温度低于热能用户温度需求时，结束放热和供热过程。
本发明的工作过程包括采热与蓄热过程以及放热与供热过程，具体按以下所述操作：
一．采热与蓄热过程：
1.将整个系统停放于热源处，将热源蒸汽管道与蒸汽入口管2连接；
2.开启热源蒸汽阀门23预热5-10分钟后，完全开启热源蒸汽阀门23，观察热源蒸汽管道上的压力表至所需压力，开始采热与蓄热过程；
3.100-130℃蒸汽进入加热管组1的U形换热管17，将箱体3内的冷水加热；
4.在采热与蓄热过程中，观察箱体3上的箱体水温表4和相变蓄热材料温度表22，待相变蓄热材料温度表22显示温度至相变温度后，关闭充热热源蒸汽阀门23，结束采热与蓄热过程；
6.关闭充热热源蒸汽阀门23，拆卸热源蒸汽连接管道。
二．放热与供热过程：
1.将整个系统运输到用户处，将供水总管与用户热水系统或供暖系统入口连接，将用户供水水源管道与冷水进水管2连接；
2.设定用户供水水温和流量，打开供水水源阀门，启动供水管道泵，开始放热和供热过程；
3.在供水水源压力作用下，冷水经冷水进水管2进入箱体3内，水流自下而上流过相变蓄热组件区域，加热后经热水出口5排出，其余水流经底部出水口13排出，两部分水流经供水总管汇合后，经管道泵输送进入热能用户热水供应或供暖系统；
4.在放热过程中，上部热水出口5出水和底部出水口13出水由供热水温调控系统调控各自流量，使最终出水管水温保持在设定的温控范围内，满足热能用户热水供应温度35℃-80℃的一般要求。
5.当供水总管出水温度低于用户温度需求时，关闭供水管道泵及供水水源阀门，结束采热和蓄热过程。
6.结束采热和蓄热过程后，断开电源，拆卸连接管道；
7.现场采热和供热过程中的相关数据以无线方式上传区域和总部管理系统。
Claims (2)
1.一种智能化车载移动式相变蓄热供热系统，包括牵引车和相变蓄热换热装置，相变蓄热换热装置固定安装在牵引车上；其特征是：相变蓄热换热装置包括箱体，在箱体的内部自下至上依次设置有加热管组、冷水进水管、相变蓄热组件和热水出水管，加热管组由蒸汽入口管、蒸汽连通管、U形换热管、凝结水收集管以及凝结水排出管组成，蒸汽入口管与蒸汽连通管连接，凝结水排出管与凝结水收集管连接，蒸汽连通管与凝结水收集管之间至少连接有一套U形换热管，相变蓄热组件由在管板上水平排列的相变蓄热管构成，相变蓄热管内封装有相变蓄热材料，封装的全部相变蓄热材料体积占相变蓄热组件所占空间的45%-50%；箱体的底部设有底部出水口，该底部出水口与箱体内上部的热水出水管均通过管路连接到同一个供水总管，在各自与供水总管的连接管路上均安装有电动阀，供水总管中设置有温度传感器，电动阀和温度传感器均与一个比例积分温度控制器连接；相变蓄热换热装置上还设有车载监控单元。
2.根据权利要求1所述的智能化车载移动式相变蓄热供热系统，其特征是：所述相邻相变蓄热管的间隙为10mm-15mm。
3. 根据权利要求1所述的智能化车载移动式相变蓄热供热系统，其特征是：所述蒸汽入口管中设置有流量传感器、温度传感器和压力传感器，在蒸汽入口管处于箱体外部的部分上设置有蒸汽阀门。
4. 根据权利要求1所述的智能化车载移动式相变蓄热供热系统，其特征是：所述U形换热管由内U形换热管和外U形换热管组成，内U形换热管处于外U形换热管的里侧，内U形换热管的两端分别与蒸汽连通管和凝结水收集管连通，外U形换热管的两端也分别与蒸汽连通管和凝结水收集管连通。
5. 根据权利要求1所述的智能化车载移动式相变蓄热供热系统，其特征是：所述冷水进水管和热水出水管的结构一样，一端伸入箱体内，另一端在箱体外部，伸入箱体内部分的管壁上设有配水孔。
6. 根据权利要求1所述的智能化车载移动式相变蓄热供热系统，其特征是：所述供水总管中还设置有流量传感器和压力传感器。
7. 根据权利要求1所述的智能化车载移动式相变蓄热供热系统，其特征是：所述车载监控单元包括单片机、车辆GPS卫星定位模块、GPRS数据传输模块和车辆安全与调度模块；所述蒸汽入口管中的流量传感器、温度传感器和压力传感器以及所述供水总管中的流量传感器、温度传感器和压力传感器均与单片机电连接；车辆GPS卫星定位模块与GPRS数据传输模块均与单片机连接；车辆GPS卫星定位模块包括GPS接收机和GPS天线，GPS接收机与GPS天线连接；GPRS数据传输模块包括GPRS芯片和GPRS接收装置，GPRS接收装置与GPRS芯片连接；车辆安全与调度模块由安装在箱体侧壁上的用于测量箱体内水温及压力的温度传感器和压力传感器以及车辆防盗报警装置组成。
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