CN114484902A - 一种基于太阳能集热的管中管伴热防冻与冻土防融系统 - Google Patents

Abstract

一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其太阳能集热热源系统通过采用太阳能集热给整个系统提供热源；储热‑换热系统通过单级或多级储换热技术将太阳能集热热源系统的热量储存并传递；其管中管结构利用内部的介质伴热管G1中的热介质对外部的供水管G2中的输送介质进行伴热加热保温，防止供水管道输运介质冻结；利用管中管结构的方式保温外管，降低介质输运管道热量向冻土土壤传热，防止冻土的升温融沉，上述三系统均以PLC控制系统连接进行调控。本发明伴热热量利用率接近于百分之百，并可防止传统伴热方式热量损失带来的永久冻土消融问题，较好解决多年冻土地区输运管道安全隐患。

Description

一种基于太阳能集热的管中管伴热防冻与冻土防融系统

技术领域

本发明涉及多年冻土区域内介质输送时管道的防冻问题，特别涉及一种采用自然能源补热的一种基于太阳能集热的管中管伴热防冻与冻土防融系统。

背景技术

在我国西北和东北地区尤其是青藏高原存在着大面积的季节性冻土与多年冻土区域，这些地区的中小村镇、边防哨所等敷设自来水管道时不可避免的需要在永久冻土层中敷设给水管道。但由于冻土地层常年温度较低，供水管道很容易发生冻胀破坏事故；采用传统管道伴热方式，由于传统伴热热损失较大，会向冻土土壤不断传热，造成冻土融化，影响管道基础的稳定性，发生断管事故。因此如何保证高寒地区的正常供水同时保护高原环境及多年冻土不受破坏，是目前所面临的技术难题。

目前，国内在向高寒地区输送燃气、油料时，主要采用电伴热或蒸汽伴热的方式维持输送介质不凝固，管道不冻结。其中，蒸汽伴热主要依靠蒸汽传输管的热量与介质传输管道进行热交换，从容维持介质温度，其伴热成本极高，一般在有大量废热蒸汽热源时采用。电伴热主要依靠管道上缠绕伴热带，利用伴热带发热保持传输介质的温度。而在青藏高原部分地区，出于环保要求，其基础设施不完善导致当地供电不稳定，从而导致电伴热效果变差。但高原地区有着丰富的太阳能资源和风能资源，如何立足于自然能源实现给水管道的防冻并保障冻土层不受侵害成为了亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，解决了利用自然能源实现给水管道的防冻并保障冻土层不受侵害的问题。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，主要包括太阳能集热热源系统、储热-换热系统、管中管结构的伴热保温系统；所述太阳能集热热源系统通过采用太阳能集热给整个系统提供热源；储热-换热系统通过单级或多级储换热技术将太阳能集热热源系统的热量储存并传递；所述管中管结构的构成：包括供水管G2，其内部设置介质伴热管G1，该管中管结构的伴热保温系统利用内部的介质伴热管G1中的热介质对外部的供水管G2中的输送介质进行伴热加热保温，防止供水管道输运介质冻结；利用管中管结构的方式保温外管，降低介质输运管道热量向冻土土壤传热，防止冻土的升温融沉，上述三系统均以PLC控制系统连接进行调控。

所述介质伴热管G1在供水管G2内采用U形布置；

所述太阳能集热热源系统包括太阳能集热器，其出、进端与板式换热器热侧进、出口通过保温管连通构成第一级传热循环管道，同时将板式换热器的冷侧进、出口与储热-换热系统的储换热水箱用保温管连通构成第二级传热循环管道，储换热水箱里的换热盘管RP1直接与介质伴热管G1相连通构成第三级传热循环管道，从而完成整体的单级储换热循环过程。

所述第一级传热循环管道上设有补液箱BW1。

所述供水管G2上设有清水箱；该清水箱内安装加热棒与热电偶T4，均与PLC控制系统连接。

所述储换热水箱里设有相变储热管，其中装填有高潜热相变材料。

所述相变储热管中布置有金属丝毛刷。

所述储换热水箱里的换热盘管RP1与换热水箱内下部设置的换热盘管RP2连通构成第四级传热循环管道，而换热水箱内上部设置的换热盘管RP3通过保温管道与介质伴热管G1相连通构成第五级传热循环管道，从而完成整体的两级储换热循环过程。。

所述第四级传热循环管道上设有补液箱BW2；第五级传热循环管道上设有补液箱BW3。

系统包括温度控制系统，包括安装在太阳能集热器出口的热电偶T1、储热-换热系统的储换热水箱内的热电偶T2、介质伴热管G1进口管道上的热电偶T5及出口管道上的热电偶T6、供水管G2中的热电偶T7、检测供水管G2处的土壤温度的热电偶T8，上述热电偶均与PLC控制系统电连接。

本发明具有以下有益效果：

1. 采用管中管介质伴热，即利用伴热管的高温水对供水管内的低温水进行加热防冻，伴热热能利用率接近100%。同时将伴热管敷设在供水管中的管中管伴热方式相比传统的蒸汽伴热、电伴热措施热能利用率更高；同时在相同的保温效果下向周围土体的热量散失最低，对冻土层的扰动程度最低。

2. 充分利用高原地区海拔高、太阳辐照强的优势，利用太阳能资源进行集热，运行成本低。

3. 利用高潜热相变材料进行储热，同时将相变材料封装在不锈钢管中，防止其泄露造成水质污染。进一步地，将储热水箱、换热水箱、伴热管通过换热盘管进行连接，只进行热量交换，不进行物质交换。最大程度的保证供水管水质安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例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为本发明的一种实施例的结构示意图；

图2为本发明相变储热管的结构示意图；

图3为本发明的另一种实施例的结构示意图；

其中，1.太阳能集热器，2.板式换热器，3.储换热水箱，4.换热水箱，5.清水箱，6.电加热棒，7.PPR保温管，7’.用于连接补液箱BW1、BW2、BW3与换热循环系统的PPR保温管，8.相变储热管，9.相变材料，10.金属丝毛刷，T1-T8.温度监控热电偶，X1.连接水泵与PLC控制系统的信号线，X2.连接温度监控热电偶与PLC控制系统的信号线，X3.连接加热棒与PLC控制系统的信号线。

具体实施方式：

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例1，一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，主要包括太阳能集热热源系统、储热-换热系统、管中管结构的伴热保温系统；所述太阳能集热热源系统通过采用太阳能集热给整个系统提供热源；储热-换热系统通过单级或多级储换热技术将太阳能集热热源系统的热量储存并传递；所述管中管结构的构成：包括供水管G2，其内部设置介质伴热管G1，该管中管结构的伴热保温系统利用内部的介质伴热管G1中的热介质对外部的供水管G2中的输送介质进行伴热加热保温，防止供水管道输运介质冻结；利用管中管结构的方式保温外管，降低介质输运管道热量向冻土土壤传热，防止冻土的升温融沉，上述三系统均以PLC控制系统连接进行调控。所述PLC控制系统为工业控制中常用的系统。

供水管G2中设置一个小管径的介质伴热管G1，其采用PPR管。为防止出现沿供水管G2管长方向的介质伴热管G1温度迅速降低的现象，伴热管G1选择导热系数为0.21w/mk-0.24w/mk的PPR管。

进一步地，为保证介质伴热管G1对供水管G2沿程伴热温度的均匀性，介质伴热管G1在供水管G2内采用U形布置，与换热水箱4中的换热盘管RP3连接，在换热-伴热水泵B4的驱动下，热量从换热水箱中不断交换至介质伴热管G1中，从而实现供水管G2的管道防冻。

供水管G2采用保温管，管道采用法兰连接，连接处采用聚氨酯保温棉进行保温。最大限度的防止管道向周围冻土土体进行散热。

实施例2，参照图3，实现单级储换热循环的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其太阳能集热热源系统包括太阳能集热器1，其出、进端与板式换热器2热侧进、出口通过PPR保温管7连通构成第一级传热循环管道，同时将板式换热器2的冷侧进、出口与储热-换热系统的储换热水箱3用PPR保温管连通构成第二级传热循环管道，储换热水箱3里的换热盘管RP1直接与介质伴热管G1相连通构成第三级传热循环管道，从而完成整体的单级储换热循环过程。

上述储换热水箱3利用自身所盛放的水介质，利用水比热容大的特点对热能进行有效存储及释放，储热水箱储水容积产生的温升显热在夜晚或无太阳辐照时提供伴热热量；保障管道防冻系统的连续稳定运行。

所述太阳能集热器1集热后，将高温水通过PPR保温管7和阀门F1’’输送至板式换热器2中，换热后的冷水由太阳能循环泵B1驱动从板式换热器2的冷水出水口回流至太阳能集热器1中，完成第一级传热循环过程。

板式换热器2将从太阳能集热器1热源系统交换的高温水通过板换-储热水箱循环水泵B2输送至储换热水箱3中，储换热水箱3下部的低温水通过板换-储热水箱循环水泵B2驱动回流至板式换热器2中进行加热，完成第二级传热循环过程。

所述第一级传热循环管道上设有补液箱BW1，考虑太阳能集热循环中会出现由于蒸发所导致的循环水的减少，因此设置集热系统的补液箱BW1，补液箱BW1通过PPR保温管7’和阀门Fa与太阳能循环泵B1的吸水管路连接，阀门Fa处于常开状态，当太阳能循环系统中出现损失时，由补液箱BW1进行自动补液。

所述供水管G2上设有清水箱5；该清水箱5内安装加热棒6与热电偶T4，均与PLC控制系统连接。清水箱5用于向供水管G2进行供水、补水。所述电加热棒6，用于突发情况下对清水箱5内介质的增温，由PLC系统控制实现。

所述储换热水箱3里设有相变储热管8，由不锈钢管成阵列排布构成，以强化传热。其中装填有70度以下相变温度的高潜热相变材料9，用于强化储热水箱储热能力，缩减储热水箱容积，防止系统超温。进而，在夜间或无太阳辐照的情况下，相变储热管8中的高潜热相变材料9发生相变将潜热释放，从而使管道防冻系统得以连续稳定运行。

所述的相变储热管8，其位置应低于储换热水箱3中换热盘管RP1至少10厘米以上，以提高储换热水箱3与太阳能换热效率。

所述相变储热管8中布置有金属丝毛刷10，其用于导热，为使相变储热管8中装填的高潜热相变材料9吸放热均匀。

实施例3，参照图1，实现两级储换热循环的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，该实施例在实施例1的基础上完成。具体如下：

所述储换热水箱3里的换热盘管RP1与换热水箱4内下部设置的换热盘管RP2通过PPR保温管7连通构成第四级传热循环管道，以将储热水箱中的热能交换至换热水箱中，而换热水箱4内上部设置的换热盘管RP3通过保温管道7与介质伴热管G1相连通构成第五级传热循环管道，从而完成整体的两级储换热循环过程。将换热水箱4中的热能通过介质伴热管G1交换至供水管G2中，实现输运管道防冻。

将储换热水箱3与换热水箱4分离布置，防止太阳能传热循环中太阳能防冻液在换热器渗漏情况下对管道供水水质造成安全风险，进一步的还可防止因储换热水箱3中的相变储热管8的高潜热相变材料9泄露所导致的水质安全风险。

所述换热盘管RP1、RP2 、RP3均采用不锈钢波纹管。

所述第四级传热循环管道上设有补液箱BW2；第五级传热循环管道上设有补液箱BW3，它们均由PLC系统控制。均用于补充循环过程中的水量损失。

实施例4，在实施例1、实施例2和实施例3所述的系统中，均设置有温度控制系统，其包括安装在太阳能集热器1出口的热电偶T1、储热-换热系统的储换热水箱3内的热电偶T2、介质伴热管G1进口管道上的热电偶T5及出口管道上的热电偶T6、供水管G2中的热电偶T7、检测供水管G2处的土壤温度的热电偶T8，上述热电偶均与PLC控制系统电连接。用于对系统各环节温度的监控。同时在敷设供水管G2的地面下也布设温度监控热电偶T8，防止系统过度释热所导致的冻土融沉危害。

本发明的工作过程为：

当太阳辐照达到适宜强度时，太阳能集热器1开始集热作业，加热太阳能集热板内的循环液体，同时PLC控制系统通过信号线X2对温度监控热电偶的T1温度进行监控记录，当温度达到设定值时，PLC控制系统通过信号线X1启动太阳能循环泵B1，开启阀门F1、F1’、F1’’，太阳能集热器1与板式换热器2之间构成集热循环，将太阳能集热器1收集的热能交换给板式换热器2。

进一步地，PLC控制系统通过信号线X1启动板换-储热水箱循环水泵B2，开启阀门F2、F2’，使板式换热器2与储换热水箱3构成一级换热循环，将板式换热器2的热能交换至储换热水箱3中。

进一步地，采用PPR保温管7将储换热水箱3中的换热盘管RP1与换热水箱4下部的换热盘管RP2连接。

进一步地，PLC控制系统通过信号线X1启动储-换热循环水泵B3，通过循环管路内的液态介质逐步将储换热水箱3中的热量交换至换热水箱4中。

同步地，储换热水箱3中相变储热管8通过高潜热相变材料9升温液化的相变方式将多余的热能进行存储。在夜间或无太阳辐照的情况下，相变储热管8中高潜热相变材料9通过失温固化的方式将储存的热能进行释放，保证换热水箱4中始终有足够用于伴热的热能。

进一步地，将温度监控热电偶T2、T3的信号通过信号线X2接入PLC控制系统，当热电偶T3温度值过高时，停止储-换热循环水泵B3，当热电偶T3温度值低于限值时，重新启动储-换热循环水泵B3。

进一步地，采用PPR保温管将换热水箱4中的换热盘管RP3与换热-伴热水泵B4、介质伴热管G1连接，不断将热能通过U形布置的介质伴热管传递到供水管G2中，实现管道防冻。

进一步地，在U形布置的介质伴热管G两侧、供水管G2管壁内、敷设管道的冻土层中布设温度监控热电偶T5-T8，监测供水管内实时温度防止管道冻结，同时监控冻土层土壤温度，防止因系统过度释热导致的冻土融沉。

进一步地，当供水管G2中水温接近4℃时，即T7温度值≈4℃时，PLC控制系统向换热-伴热水泵B4发出强制启动信号，将伴热管热量逐步循环至供水管G1中，保障管道不冻结。

进一步地，当遇到突发情况，急需将供水管G1内水温进行提升时，PLC控制系统通过信号线X3向清水箱5内的电加热棒6发出启动信号，加热清水箱5内的水。

进一步地，在清水箱5中部安装温度监控热电偶T4，当清水箱5内水温加热至限定值后，关闭加热棒6，开启阀门F6，清水箱内的高温水在重力作用下自流进入供水管。

进一步地，在管道敷设的冻土土层中埋设温度监控热电偶T8，根据T8的实时温度，通过启动或关闭水泵B2、B3，调整多级换热的频次，控制介质伴热管G1的伴热温度，防止供水管G2因温升过高所造成的对冻土的融沉危害。

进一步地，在水泵B1、B2、B3的吸水管路上设置补液箱BW1、BW2、BW3，一方面为循环管路内的液态介质升温膨胀提供膨胀空间，另一方面可防止循环内的液态介质因蒸发等原因造成损耗时，可从补液箱BW1、BW2、BW3中进行补液操作，维持水泵的稳定运行。

当供水管G2内的水质安全性要求不高，或采用该套管道防冻系统运输其他非饮用性介质时，可采用单级换热循环。

Claims (10)

1.一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，主要包括太阳能集热热源系统、储热-换热系统、管中管结构的伴热保温系统；所述太阳能集热热源系统通过采用太阳能集热给整个系统提供热源；储热-换热系统通过单级或多级储换热技术将太阳能集热热源系统的热量储存并传递；

所述管中管结构的构成：包括供水管G2，其内部设置介质伴热管G1，该管中管结构的伴热保温系统利用内部的介质伴热管G1中的热介质对外部的供水管G2中的输送介质进行伴热加热保温，防止供水管道输运介质冻结；利用管中管结构的方式保温外管，降低介质输运管道热量向冻土土壤传热，防止冻土的升温融沉，上述三系统均以PLC控制系统连接进行调控。

2.根据权利要求1所述的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，所述介质伴热管G1在供水管G2内采用U形布置。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，所述太阳能集热热源系统包括太阳能集热器（1），其出、进端与板式换热器（2）热侧进、出口通过保温管（7）连通构成第一级传热循环管道，同时将板式换热器（2）的冷侧进、出口与储热-换热系统的储换热水箱（3）用保温管连通构成第二级传热循环管道，储换热水箱（3）里的换热盘管RP1直接与介质伴热管G1相连通构成第三级传热循环管道，从而完成整体的单级储换热循环过程。

4.根据权利要求3所述的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，所述第一级传热循环管道上设有补液箱BW1。

5.根据权利要求3所述的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，所述供水管G2上设有清水箱（5）；该清水箱（5）内安装加热棒（6）与热电偶T4，均与PLC控制系统连接。

6.根据权利要求3所述的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，所述储换热水箱（3）里设有相变储热管（8），其中装填有高潜热相变材料（9）。

7.根据权利要求6所述的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，所述相变储热管（8）中布置有金属丝毛刷（10）。

8.根据权利要求3所述的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，所述储换热水箱（3）里的换热盘管RP1与换热水箱（4）内下部设置的换热盘管RP2连通构成第四级传热循环管道，而换热水箱（4）内上部设置的换热盘管RP3通过保温管道（7）与介质伴热管G1相连通构成第五级传热循环管道，从而完成整体的两级储换热循环过程。

9.根据权利要求8所述的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，所述第四级传热循环管道上设有补液箱BW2；第五级传热循环管道上设有补液箱BW3。

10.根据权利要求1或2所述的一种基于太阳能集热的管中管伴热管道防冻及冻土防融系统，其特征在于，系统包括温度控制系统，包括安装在太阳能集热器出口的热电偶T1、储热-换热系统的储换热水箱（3）内的热电偶T2、介质伴热管G1进口管道上的热电偶T5及出口管道上的热电偶T6、供水管G2中的热电偶T7、检测供水管G2处的土壤温度的热电偶T8，上述热电偶均与PLC控制系统电连接。

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