CN104964336A - 复合换热式移动供热装置 - Google Patents

Abstract

一种复合换热式移动供热装置，包括外箱体和位于外箱体内的储热罐，由储热罐引出的进口干管、出口干管、外接干管，以及位于外箱体内的自动控制器。所述储热罐内相变储热材料中竖直埋设有换热管，其上端与进口支管垂直连接，其下端插入进口支管的喷嘴中，喷嘴由喷嘴帽借助弹簧弹力封闭，所述储热罐内流体工质中设有多孔管。充热时，高温流体工质进入换热管与相变储热材料进行间接接触换热循环，在固态相变储热材料中形成流体通道，再控制流体工质由喷嘴喷入流体通道与相变储热材料进行直接接触换热循环。供热时，自动控制器通过对传感器监测和电动阀门开度的控制来调节直接接触换热循环流量，实现对供热温度的控制。

Description

复合换热式移动供热装置

技术领域

本发明涉及一种复合换热式移动供热装置。

背景技术

移动供热技术是一种新兴的方法，即把工业余热、废热回收储存在移动供热装置中，再利用交通工具运输至用户处释放储存的热量供其使用。移动供热打破了依靠管道输送热量的模式，能经济、灵活地将地点分散、时间不连续的余热收集、储存，以配送的形式将热量供给分散的用户，解决了余热资源产出与利用间存在时间和地域性的不匹配问题，大幅提高了能源综合利用率，降低了用户的使用成本，减少了有害气体排放。

目前基于相变储热技术进行移动供热的设备或装置，多采用间接接触换热的形式进行热量储存和释放，相变储热材料与换热流体工质间存在大量金属或非金属的复杂间隔结构，存在换热效率较低、充热时间长、储热密度小和运行成本高等问题，如中国专利CN101968240A公开的《一种利用相变蓄热球的移动供热装置与方法》、CN102910104A公开的《一种复合式相变储能移动供热车》等。

为了解决上述存在的问题，出现了直接接触换热移动供热装置，如中国专利CN102607309A公开了《直接接触式相变移动供热装置以及供热方法》，这种装置利用流体工质与相变储热材料的直接接触换热来实现热量的储存与释放。在充热(储热)过程中，喷嘴喷出高温流体工质进入固态相变储热材料内的天然孔隙，逐渐熔化相变储热材料，使其内部形成流动微通道来扩大接触面积和实现充热循环，但这存在一些明显的技术不足，具体包括：(1)喷嘴喷出的流体工质不能快速突破大量的固态相变储热材料形成大流量充热循环，换热接触面积扩展速度慢，导致充热时间长；(2)流体工质喷嘴无遮蔽机构，沉积的相变储热材料易阻塞底部的进口管路，增加了流体工质的循环阻力，造成充热效率大幅降低；(3)移动供热装置没有温度、压力、流量等参数的监控设备，无自动调节热力参数的能力。

发明内容

本发明的目的是克服现有移动供热装置存在的不足，提出一种复合换热式移动供热装置及其供热方法。

本发明技术方案是：

本发明复合换热式移动供热装置包括外箱体和位于外箱体内的储热罐，储热罐引出的进口干管、出口干管、外接干管，以及位于外箱体内的自动监控器。储热罐引出的进口干管和出口干管的一端与热源端的换热器或用户端的换热器连接，进口干管的另一端连接储热罐内的下联管，出口干管的另一端与储热罐内的第二多孔管联管连接；储热罐引出的外接干管的一端连接储热罐内的第一多孔管联管，另一端与储热罐内的上联管连接；所述的出口干管安装有第一温度传感器、第一电动阀和流量传感器；所述的进口干管安装有第二温度传感器、循环泵、第二电动阀和压力传感器；所述的外接干管上安装有第三电动阀；所述的自动控制器与所述的温度传感器、流量传感器、压力传感器、电动阀和循环泵通过信号线连接，监控它们的工作状态。所述的复合换热式移动供热装置安装在移动运输工具上。

所述的储热罐外表包裹有保温层，顶部设置有压力安全阀。所述的储热罐内设有竖直的换热管，换热管的上端与水平设置的出口支管垂直连接，换热管的下端垂直插入位于储热罐底部的进口支管的喷嘴中，喷嘴开口呈环形。所述的出口支管与位于储热罐上部的上联管连接，所述的进口支管与位于储热罐下部的下联管连接。所述的出口支管上方设有与之平行的多孔管，多孔管两端分别与第一多孔管联管和第二多孔管联管连接。所述的进口干管和出口干管的末端均安装有接头，可通过金属软管与热源端或用户端的换热器快速连接。

所述的储热罐内还填充有相变储热材料和流体工质，相变储热材料的密度大于流体工质的密度而形成分层，流体工质层位于相变储热材料层上部。

所述的多孔管位于储热罐内的流体工质中，多孔管上等距布置有多个开口向上的圆孔。

所述的换热管埋设在相变储热材料中，沿储热罐轴向等距分布形成一排，沿储热罐径向等距布置多排，换热管外壁带有长直肋片。

所述的换热管在位于喷嘴上部的部分自下而上依次顺序同心套有圆台形的金属喷嘴帽、喷嘴帽弹簧和限位环，喷嘴帽弹簧的下端与金属喷嘴帽固定连接，喷嘴帽弹簧的上端与限位环固定连接，限位环与换热管通过螺纹固定连接。所述的喷嘴帽沿换热管轴向可以上下活动，非工作状态下喷嘴帽依靠弹簧的阻尼弹力封闭喷嘴的环形开口，防止相变储热材料引起阻塞。

所述的相变储热材料中设有第三温度传感器和第四温度传感器，均通过储热罐内壁固定，竖直方向上与换热管的上端、下端的距离相等。第三温度传感器与换热管外壁之间有很小的一段距离，第四温度传感器位于以相邻四根换热管的圆心为顶点的矩形对角线的交点上。

所述的自动控制器还与相变储热材料中埋设的第三温度传感器和第四温度传感器通过信号线连接，监控它们的工作状态。

所述的相变储热材料由赤藻糖醇与纳米石墨颗粒复合构成，液态密度为1300kg/m³，导热系数为1.0～1.5W/(m·k)，相变温度约为120℃，相变潜热为290～320kJ/kg。

所述的流体工质为导热油，密度为850kg/m³，与相变储热材料不易发生化学反应，具有较好的热稳定性。

本发明供热装置的工作过程是：

(1)充热过程。

将本装置与热源端的换热器连接，储热罐内流体工质层中的流体工质依次通过多孔管、多孔管联管、出口干管进入热源端的换热器中，与150～200℃的热源流体工质进行换热，升温后的流体工质进入到储热罐内的换热管中，与相变储热材料进行间接接触换热，然后依次经过出口支管、上联管、外接干管、多孔管联管和多孔管返回流体工质层，形成间接接触换热循环。固态相变储热材料不断升温至熔化，在换热管周围形成易流动的液态区，即流通通道。当埋设在相变储热材料中的第三温度传感器监测到相变储热材料的温度超过相变温度时，流体通道直径达到预设值，自动控制器控制安装于外接干管上的第三电动阀减小开度，使换热管中的压力升高，当压力超过某一阈值时，流体工质推起换热管上的喷嘴帽，以某一流量喷入流体通道中，与未熔化的相变储热材料进行直接接触换热，然后流体工质上升至流体工质层，形成直接接触换热循环。在这个过程中流体通道的直径不断增大至消失，大量的热量被快速储存在熔化的相变储热材料中。当埋设在相变储热材料中的第四温度传感器监测到相变材料的温度超过相变温度某一值时，自动控制器控制安装在出口干管上的第一电动阀和安装在进口干管上的第二电动阀关闭，并停止安装在进口干管上的循环泵运行，充热结束。

(2)供热过程。

本装置充热完毕后运送至用户处，将储热罐引出的进口干管和出口干管与用户端的换热器连接，此时储热罐充当热源。自动控制器控制安装在出口干管上的第一电动阀、安装在进口干管上的第二电动阀开启，减小安装于外接干管上的第三电动阀的开度，使流体工质以某一流量由喷嘴喷入液态相变储热材料中进行直接接触换热，温度升高后的流体工质进入用户端的换热器，与20～50℃的用户流体工质换热，用户流体工质升温后返回用户，实现供热。自动控制器根据用户端换热器要求的入口温度，控制所述的第一电动阀或第二电动阀的开度，在额定最大循环流量范围内调节流体工质的循环流量，来实现供热温度的控制，当埋设在相变储热材料中的第四温度传感器监测到相变储热材料的温度与要求的供热温度差值低于某一值时，自动控制器将所述的第一电动阀、第二电动阀关闭，并停止循环泵运行，供热结束。

本发明具有以下技术效果：

本发明所述的复合换热式移动供热装置，兼具直接接触和间接接触换热式移动供热装置的优点，弥补了这两种移动供热装置的不足，有效增加了充热初期流体工质在固态相变储热材料中的循环流量以及直接接触换热面积，解决了流体工质喷嘴、进口管路容易堵塞的问题，能够实现高效稳定的充、放热过程。相变储热材料为赤藻糖醇和纳米石墨颗粒复合制成，有较高的储热密度、导热系数和稳定性；具备自动监控功能，实现充热、放热过程的自动控制，能够为用户提供不同温度的蒸汽、热水或导热油。

附图说明

图1为复合换热式移动供热装置的系统示意图；

图2为储热罐的径向剖面图；

图3a为非工作状态喷嘴结构的剖面图；

图3b为工作状态喷嘴结构的剖面图；

图中：1外箱体，2保温层，3储热罐，4第一多孔管联管，4'第二多孔管联管，5多孔管，6圆孔，7流体工质，8出口支管，9相变储热材料，10换热管，11压力安全阀，12信号线，13自动控制器，14出口干管，15第一温度传感器，16流量传感器，17第一电动阀，18进口干管，19第二温度传感器，20压力传感器，21循环泵，22第二电动阀，23第三温度传感器，24第四温度传感器，25下联管，26进口支管，27喷嘴，28喷嘴帽，29喷嘴帽弹簧，30限位环，31长直肋片，32上联管，33外接干管，34第三电动阀。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、图2所示，本发明复合换热式移动供热装置包括外箱体1和位于外箱体1内的储热罐3，储热罐3引出的进口干管18、出口干管14、外接干管33，以及位于外箱体1内的自动监控器13。储热罐引出的进口干管18和出口干管14的一端与热源端的换热器或用户端的换热器连接，进口干管18的另一端连接储热罐内的下联管25，出口干管14的另一端与储热罐内的第二多孔管联管4连接；储热罐引出的外接干管33的一端连接储热罐内的第二多孔管联管4'，另一端与储热罐内的上联管32连接；所述的出口干管14上安装有第一温度传感器15、第一电动阀17和流量传感器16；所述的进口干管18上安装有第二温度传感器19、循环泵21、第二电动阀22和压力传感器20；所述的外接干管33上安装有第三电动阀34；所述的自动控制器13与所述的温度传感器、流量传感器、压力传感器、电动阀和循环泵通过信号线连接，监控它们的工作状态。

所述的储热罐3的外表被保温层2包裹，顶部设置有压力安全阀11。所述的储热罐3内设有竖直的换热管10，换热管10的上端与水平设置的出口支管8垂直连接，换热管10的下端垂直插入位于储热罐3底部的进口支管26的喷嘴27中，喷嘴27的开口呈环形。所述的出口支管8与位于储热罐上部的上联管32连接，所述的进口支管26与位于储热罐下部的下联管25连接。所述的出口支管8上方设有与之平行的多孔管5，多孔管5的两端分别与第一多孔管联管4和第二多孔管联管4'连接。所述的进口干管18和出口干管14的末端均安装有接头，可通过金属软管与热源或用户端的换热器快速连接。

所述的储热罐3内还填充有相变储热材料9和流体工质7，相变储热材料9的密度大于流体工质7的密度而形成分层，流体工质层位于相变储热材料层上部。

所述的多孔管5位于储热罐3内的流体工质9中，在多孔管5上等距布置有多个开口向上的圆孔6。

所述的换热管10埋设在储热罐3内的相变储热材料9中，沿储热罐3的轴向等距分布形成一排，沿储热罐3的径向等距布置多排，换热管10外壁带有长直肋片31。

所述的换热管10在位于喷嘴27上部的部分自下而上依次顺序同心套有圆台形的金属喷嘴帽28、喷嘴帽弹簧29和限位环30，喷嘴帽弹簧29的下端与喷嘴帽28固定连接，喷嘴帽弹簧29的上端与限位环30固定连接，限位环30与换热管10通过螺纹固定连接。所述的喷嘴帽28沿换热管10的轴向可以上下活动，非工作状态下喷嘴帽28依靠喷嘴帽弹簧29的弹力阻尼封闭喷嘴27的环形开口，防止相变储热材料9引起阻塞。

所述的相变储热材料9中安装有第三温度传感器23和第四温度传感器24，均通过储热罐3的内壁固定，竖直方向上距换热管10的上、下端距离一致。第三温度传感器23与换热管10外壁之间有很小的一段距离，第四温度传感器24位于相邻四根换热管10的圆心为顶点的矩形对角线的交点上。

所述的自动控制器13还与埋设在相变储热材料9中的第三温度传感器23和第四温度传感器24通过信号线连接，监控它们的工作状态。

所述的相变储热材料9由赤藻糖醇与纳米石墨颗粒复合构成，液态密度为1300kg/m³，导热系数为1.0～1.5W/(m·k)，相变温度约为120℃，相变潜热为290～320kJ/kg。

所述的流体工质7为导热油，密度为850kg/m³，与相变储热材料不易发生化学反应，具有较好的热稳定性。

本发明的供热过程是：

(1)充热过程。

将进口干管18和出口干管14与热源端的换热器连接。自动控制器13开启安装在出口干管14上第一电动阀17、进口干管18上的第二电动阀22，并启动进口干管18上的循环泵21运行，使流体工质层中的流体工质7通过多孔管5、出口干管14进入热源端的换热器中，与150～200℃的热源流体工质进行换热。升温后的流体工质7依次通过进口干管18、下联管25、进口支管26进入储热罐3内的换热管10，与相变储热材料9进行间接接触换热后，依次经过出口支管8、上联管32、外接干管33、多孔管联管4和多孔管5返回流体工质层，形成间接接触换热循环。固态的相变储热材料9不断升温至熔化，在换热管10周围形成易流动的液态区，即流通通道。当外接干管33上安装的第三温度传感器23监测相变储热材料9的温度超过相变温度时，流体通道直径达到预设值，自动控制器13控制外接干管33上安装的第三电动阀34减小开度，使换热管10中的压力升高，当压力超过某一阈值时，流体工质7推起换热管10上的喷嘴帽28，以某一流量喷入流体通道中，与未熔化的相变储热材料9进行直接接触换热，换热后的流体工质7上升至流体工质层，依次经过多孔管5、多孔管联管4和出口干管14再次进入热源端的换热器，形成直接接触换热循环。在这个过程中，流体通道的直径不断增大至消失，大量的热量被快速储存在熔化的相变储热材料9中。当埋设在相变储热材料9中的第四温度传感器24监测到相变储热材料9的温度超过相变温度某一值时，自动控制器13控制所述的循环泵21停止运行，并关闭所述的第一电动阀17和第二电动阀22，充热结束。

(2)供热过程。

本装置充热完毕后运送至用户处，将进口干管18和出口干管14与用户端的换热器连接。自动控制器13控制出口干管14上的第一电动阀17和进口干管18上的第二电动阀22开启，减小外接干管33上的第三电动阀34的开度，使流体工质7以某一流量由喷嘴27喷入液态相变储热材料9中进行直接接触换热，温度升高后的流体工质7进入用户端换热器，与20～50℃的用户流体工质换热，用户流体工质升温后返回用户，实现供热。自动控制器13根据出口干管14上的第一温度传感器15和进口干管18上的第二温度传感器19监测的温度来控制第一电动阀17或第二电动阀22的开度，在额定最大循环流量范围内调节流体工质7的循环流量，实现供热温度的控制。当埋设在相变储热材料9中的第四温度传感器24监测到相变储热材料9的温度与要求的供热温度差值低于某一值时，自动控制器13控制进口干管18上的循环泵21停止运行，并关闭所述的第一电动阀17和第二电动阀22，供热结束。

Claims (8)

1.一种复合换热式移动供热装置，其特征在于：所述的复合换热式移动供热装置包括外箱体(1)和位于外箱体(1)内的储热罐(3)，储热罐(3)引出的进口干管(18)、出口干管(14)、外接干管(33)，以及位于外箱体(1)内的自动监控器(13)；所述的进口干管(18)和出口干管(14)的一端与热源端的换热器或用户端的换热器连接，进口干管(18)的另一端连接储热罐内的下联管(25)，出口干管(14)的另一端与储热罐内的第二多孔管联管(4)连接；所述的外接干管(33)的一端连接储热罐内的第二多孔管联管(4')，外接干管(33)的另一端与储热罐内的上联管(32)连接；所述的出口干管(14)上安装有第一温度传感器(15)、第一电动阀(17)和流量传感器(16)；所述的进口干管(18)上安装有第二温度传感器(19)、循环泵(21)、第二电动阀(22)和压力传感器(20)；所述的外接干管(33)上安装有第三电动阀(34)；所述的自动控制器(13)与所述的温度传感器、流量传感器、压力传感器、电动阀和循环泵通过信号线连接；所述的复合换热式移动供热装置安装在移动运输工具上。

2.根据权利要求1所述的复合换热式移动供热装置，其特征在于：所述的储热罐(3)的外表被保温层(2)包裹，顶部设置有压力安全阀(11)；所述的储热罐(3)内设有竖直布置的换热管(10)，换热管(10)的上端与水平设置的出口支管(8)垂直连接，换热管(10)的下端垂直插入位于储热罐(3)底部的进口支管(26)上的喷嘴(27)中，喷嘴(27)的开口呈环形；所述的出口支管(8)与位于储热罐上部的上联管(32)连接，所述的进口支管(26)与位于储热罐(3)底部的下联管(25)连接。所述的出口支管(8)的上方设有与之平行的多孔管(5)，多孔管(5)的两端分别与第一多孔管联管(4)和第二多孔管联管(4')连接；所述的进口干管(18)和出口干管(14)的末端均安装有接头，与热源端的换热器或用户端的换热器连接。

3.根据权利要求2所述的复合换热式移动供热装置，其特征在于：所述的换热管(10)在位于喷嘴(27)上部的部分自下而上依次顺序同心套有圆台形的金属喷嘴帽(28)、喷嘴帽弹簧(29)和限位环(30)，喷嘴帽弹簧(29)的下端与喷嘴帽(28)固定连接，喷嘴帽弹簧(29)的上端与限位环(30)固定连接，限位环(30)与换热管(10)通过螺纹固定连接。所述的喷嘴帽(28)沿换热管(10)的轴向上下活动，非工作状态下喷嘴帽(28)依靠喷嘴帽弹簧(29)的弹力阻尼封闭喷嘴(27)的环形开口。

4.根据权利要求1所述的复合换热式移动供热装置，其特征在于：所述的换热管(10)埋设在储热罐(3)内的相变储热材料(9)中，沿储热罐(3)的轴向等距分布形成一排，沿储热罐(3)的径向等距布置多排，换热管(10)外壁带有长直肋片(31)。

5.根据权利要求1所述的复合换热式移动供热装置，其特征在于：所述的多孔管(5)位于储热罐(3)内的流体工质(9)中，在多孔管(5)上等距布置有多个开口向上的圆孔(6)。

6.根据权利要求1所述的复合换热式移动供热装置，其特征在于：所述的相变储热材料(9)中设置有第三温度传感器(23)和第四温度传感器(24)，第三温度传感器(23)和第四温度传感器(24)均通过储热罐(3)的内壁固定；第三温度传感器(23)和第四温度传感器(24)竖直方向上与换热管(10)上端、下端的距离相等；第三温度传感器(23)与换热管(10)外壁之间有距离；第四温度传感器(24)位于以相邻四根换热管(10)的圆心为顶点的矩形对角线的交点上；所述的自动控制器(13)与埋设在相变储热材料(9)中的第三温度传感器(23)和第四温度传感器(24)通过信号线连接。

7.根据权利要求1所述的复合换热式移动供热装置，其特征在于，所述的复合换热式移动供热装置的充热过程如下：

将进口干管(18)和出口干管(14)与热源端的换热器连接；自动控制器(13)开启安装在出口干管(14)上第一电动阀(17)、进口干管(18)上的第二电动阀(22)，并启动进口干管(18)上的循环泵(21)运行，使流体工质层中的流体工质(7)通过多孔管(5)、出口干管(14)进入热源端的换热器中，与150～200℃的热源流体工质进行换热；升温后的流体工质(7)依次通过进口干管(18)、下联管(25)、进口支管(26)进入储热罐(3)内的换热管(10)，与相变储热材料(9)进行间接接触换热后，依次经过出口支管(8)、上联管(32)、外接干管(33)、多孔管联管(4)和多孔管(5)返回流体工质层，形成间接接触换热循环；固态的相变储热材料(9)不断升温至熔化，在换热管(10)周围形成易流动的液态区，即流通通道；当外接干管(33)上安装的第三温度传感器(23)监测相变储热材料(9)的温度超过相变温度时，流体通道直径达到预设值，自动控制器(13)控制外接干管(33)上安装的第三电动阀(34)减小开度，使换热管(10)中的压力升高；当压力超过某一阈值时，流体工质(7)推起换热管(10)上的喷嘴帽(28)，以某一流量喷入流体通道中，与未熔化的相变储热材料(9)进行直接接触换热，换热后的流体工质(7)上升至流体工质层，依次经过多孔管(5)、多孔管联管(4)和出口干管(14)，再次进入热源端的换热器，形成直接接触换热循环；在此过程中，流体通道的直径不断增大至消失，大量的热量被快速储存在熔化的相变储热材料(9)中；当埋设在相变储热材料(9)中的第四温度传感器(24)监测到相变储热材料(9)的温度超过相变温度某一值时，自动控制器(13)控制所述的循环泵(21)停止运行，并关闭所述的第一电动阀(17)和第二电动阀(22)，结束充热。

8.根据权利要求1所述的复合换热式移动供热装置，其特征在于，所述的复合换热式移动供热装置的供热过程如下：

所述的复合换热式移动供热装置充热完毕后运送至用户处，将进口干管(18)和出口干管(14)与用户端的换热器连接；自动控制器(13)控制出口干管(14)上的第一电动阀(17)和进口干管(18)上的第二电动阀(22)开启，减小外接干管(33)上的第三电动阀(34)的开度，使流体工质(7)以某一流量由喷嘴(27)喷入液态相变储热材料(9)中进行直接接触换热，温度升高后的流体工质(7)进入用户端换热器，与20～50℃的用户流体工质换热，用户流体工质升温后返回用户，实现供热；自动控制器(13)根据出口干管(14)上的第一温度传感器(15)和进口干管(18)上的第二温度传感器(19)监测的温度来控制第一电动阀(17)或第二电动阀(22)的开度，在额定最大循环流量范围内调节流体工质(7)的循环流量，实现供热温度的控制；当埋设在相变储热材料(9)中的第四温度传感器(24)监测到相变储热材料(9)的温度与要求的供热温度差值低于某一值时，自动控制器(13)控制进口干管(18)上的循环泵(21)停止运行，并关闭所述的第一电动阀(17)和第二电动阀(22)，结束供热。