基於石墨的模塊化移動式供熱系統及方法與流程
2023-08-01 02:34:56
本發明屬於工業餘熱利用移動式供熱技術領域，具體涉及一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統及其方法。
背景技術：
節能減排是當今工業發展追求的重要目標。鋼鐵冶金行業、水泥建材行業和石油化工行業等高能耗產業會產生煙氣、蒸汽以及廢渣餘熱等大量低品味能源，通過移動式供熱技術有效利用工業餘熱資源是提高能源綜合利用率，減少對環境熱排放，消減工業區熱島效應的重要途徑。
固-液相變材料在儲、放熱過程中具有溫度恆定、熱膨脹率小、能量密度高、可逆性好等優勢，被廣泛用作移動式供熱技術的儲熱材料。然而相變材料自身導熱係數不高，導致儲、放熱速度慢，降低了每天的循環供熱次數，拉長了投資回收期，加劇了該技術的成本問題；同時，不同用戶對供熱溫度和供熱量的需求差別很大，相變材料的熔點和質量需要和用戶需求匹配，由於不可能為每一個用戶單位配備單獨的成套設備，傳統的貨櫃式相變材料容器很難靈活地適應不同溫區不用用量用戶的匹配要求；此外，傳統的貨櫃式相變材料容器內的傳熱工質換熱管道數量和長度無法更改，所以傳熱工質流經相變材料的流程無法調整，這種情況下給用戶供熱的速率只能靠調整泵速調節，耗能及成本巨大，難以滿足不同用戶對不同熱流量的需求以及同一用戶在不同時間段內對不同熱流量的需求，造成供熱速率與用戶需求不匹配的問題，極大限制了移動式供熱技術的發展。
技術實現要素：
本發明針對以上技術難點，提出了一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統，利用石墨高導熱係數和高比熱容帶來的高顯熱的優點，採用標準化的石墨儲熱模塊替代傳統的金屬制貨櫃式容器封裝相變材料，在強化傳熱並提高相變材料的儲、放熱速率的同時，集石墨的高顯熱和相變材料的高潛熱優勢於一體，增大儲熱量及供熱量；通過改變儲熱模塊內封裝的相變材料的種類，可滿足不同溫區的供熱需求；通過改變換熱架內儲熱模塊腔的數量調控供熱總量，匹配不同用戶不同的熱用量，避免熱量浪費或供應不足；利用含換熱管道和不含換熱管道的兩種類型的儲熱模塊配套相應的管路系統來控制傳熱工質流經儲熱模塊的換熱流程，調節供熱速率與用戶需求相匹配；必要時，可通過調節三通閥進一步微調換熱流程，更好地匹配供熱速率的需求。
一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統，其特徵在於包括儲熱間、供熱間和運輸裝置；所述的儲熱間設置有換熱架和管路系統；所述的供熱間設置有換熱架、管路系統和調節系統；所述的換熱架包括背牆、架門和儲熱模塊腔；所述的儲熱模塊腔內放置儲熱模塊，所述的儲熱模塊為儲熱模塊i或儲熱模塊ii；所述的儲熱模塊i為空心容器，內部封裝有相變材料，長方向上含有貫穿中心線的換熱管道；所述的儲熱模塊ii為空心容器，內部封裝有相變材料；所述的運輸裝置在儲熱間和供熱間之間往返運輸儲熱模塊；所述的管路系統由內嵌在換熱架的背牆和架門內的換熱管道以及儲熱模塊i內的換熱管道通過電磁閥門聯通而成；所述的換熱工質在管路系統中流通；所述的調節系統根據用戶指令調節設置在管路系統內部的三通閥的通斷和流向。
所述的一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統，其工作流程包括：在儲熱間內，將儲熱模塊i推入換熱架中聯通了背牆內換熱管道的儲熱模塊腔，將儲熱模塊ii推入換熱架中未聯通背牆內換熱管道的儲熱模塊腔，之後關閉換熱架架門，此時儲熱模塊i通過擠壓觸發背牆和架門內換熱管道接口處電磁閥門的壓敏電阻開關，電磁閥門打開，管路系統接通，換熱工質流入，儲熱模塊i內的相變材料通過所包含的換熱管道吸收工業餘熱並傳遞給周圍的儲熱模塊ii，儲熱模塊ii內的相變材料通過周壁石墨導熱吸收周圍儲熱模塊i的熱量，蓄熱完成後，打開架門取出儲熱模塊i和儲熱模塊ii，換熱管道接口處的壓力消失，電磁閥門關閉，運輸裝置將儲熱模塊i和儲熱模塊ii運送至用戶端的供熱間，在供熱間內，將儲熱模塊i推入換熱架中聯通了背牆內換熱管道的儲熱模塊腔，將儲熱模塊ii推入換熱架中未聯通背牆內換熱管道的儲熱模塊腔，之後關閉換熱架架門，此時儲熱模塊i通過擠壓觸發背牆和架門內換熱管道接口處電磁閥門的壓敏電阻開關，電磁閥門打開，管路系統接通，換熱工質流入，儲熱模塊i內的相變材料通過所包含的換熱管道釋放熱量並傳遞給熱用戶，周圍儲熱模塊ii內的相變材料通過周壁石墨導熱將熱量釋放給儲熱模塊i，供熱完成後，打開架門取出儲熱模塊i和儲熱模塊ii，換熱管道接口處的壓力消失，電磁閥門關閉，運輸裝置將儲熱模塊i和儲熱模塊ii運回至工廠端的儲熱間重新蓄熱，如此往復循環，實現低品味工業餘熱的跨時空利用。
所述的一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統，其特徵在於儲熱模塊為石墨制空心容器，所述的儲熱模塊腔為與儲熱模塊形狀相配合的腔室，利用石墨高導熱係數和高比熱容帶來的高顯熱的優點，在強化傳熱並提高相變材料的儲、放熱速率的同時，集石墨的高顯熱和相變材料的高潛熱優勢於一體，增大儲熱量及供熱量。
所述的一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統，其特徵在於通過改變儲熱模塊內封裝的相變材料的種類，可滿足不同溫區的供熱需求。
所述的一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統，其特徵在於通過改變換熱架內儲熱模塊腔的數量調控供熱總量，可匹配不同用戶不同的熱用量，避免熱量浪費或供應不足。
所述的一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統，其特徵在於可以根據不同用戶的實際需求十分方便和靈活地設計和改裝管路系統，利用含換熱管道和不含換熱管道的兩種類型的儲熱模塊配套相應的管路系統可以方便靈活地控制傳熱工質流經儲熱模塊的換熱流程，調節供熱速率與用戶需求相匹配，當布置好內嵌在換熱架背牆和架門的換熱管道後，工作人員在運輸和操作的過程中無需了解換熱管道的內部聯通邏輯，只需將儲熱模塊i推入換熱架中聯通了背牆內換熱管道的儲熱模塊腔，將儲熱模塊ii推入換熱架中未聯通背牆內換熱管道的儲熱模塊腔，關閉換熱架架門後換熱管道便自動聯通，在今後無人駕駛技術得到推廣後，只需引入相應的自動識別系統便可實現無人化運行。
所述的一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統，其特徵在於管路系統由內嵌在換熱架的背牆和架門內的換熱管道以及儲熱模塊i內的換熱管道通過電磁閥門聯通而成,電磁閥門由壓敏電阻控制通路開關，當儲熱模塊i被推入換熱架並關閉架門後，儲熱模塊i中換熱管道的突出部分擠壓並觸發電磁閥門的壓敏電阻，電磁閥門打開，管路系統接通，當打開架門並取出儲熱模塊i後，壓力消失，電磁閥門關閉。
所述的一種基於石墨的模塊化移動式供熱系統，其特徵在於可以附加用於精確控制的調節系統，根據用戶指令，如輸入「高、中、低」三個檔位，調節設置在管路系統內部的三通閥的通斷和流向，切換換熱工質與儲熱模塊換熱流程的長短，更好地匹配供熱速率的需求。當所需供熱速率降低時，部分三通閥切斷換熱架背牆和架門內換熱管道與儲熱模塊i內換熱管道的聯結，並與相鄰三通閥換熱管道聯結來減小供熱速率，當所需供熱速率升高時，部分三通閥切斷與相鄰三通閥換熱管道聯結，使換熱架背牆和架門內換熱管道與儲熱模塊i內換熱管道的聯結來增加供熱速率。
本發明與現有技術相比，具有如下有益效果：
(1)利用石墨高導熱係數和高比熱容帶來的高顯熱的優點，採用標準化的石墨儲熱模塊替代傳統的金屬制貨櫃式容器封裝相變材料，在強化傳熱並提高相變材料的儲、放熱速率的同時，集石墨的高顯熱和相變材料的高潛熱優勢於一體，增大儲熱量及供熱量，降低成本。
(2)通過改變儲熱模塊內封裝的相變材料的種類，可滿足不同溫區的供熱需求。
(3)通過改變換熱架內儲熱模塊腔的數量調控供熱總量，匹配不同用戶不同的熱用量，避免熱量浪費或供應不足。
(4)可以根據不同用戶的實際需求十分方便和靈活地設計和改裝管路系統，利用含換熱管道和不含換熱管道的兩種類型的儲熱模塊配套相應的管路系統來控制傳熱工質流經儲熱模塊的換熱流程，調節供熱速率與用戶需求相匹配，工作人員在運輸和操作的過程中無需了解換熱管道的內部聯通邏輯，在今後無人駕駛技術得到推廣後，只需引入相應的自動識別系統便可實現無人化運行。
(5)必要時，可通過調節三通閥進一步微調換熱流程，更好地匹配供熱速率的需求。
附圖說明
圖1為模塊化移動式供熱流程圖
圖2為儲熱模塊示意圖
圖3為換熱架、管路系統和調節系統示意圖
附圖中，各部件列表如下：
1：儲熱間2：供熱間
3：換熱架4：儲熱模塊i
5：儲熱模塊ii6：相變材料
7：儲熱模塊腔8：換熱管道
9：換熱工質10：運輸裝置
11：背牆12：架門
13：電磁閥門14：三通閥。
具體實施方式
為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步詳細說明。
如圖1所示，模塊化移動式供熱系統的工作流程包括儲熱環節、運輸環節和供熱環節，在儲熱間(1)內的換熱架(3)上，封裝了相變材料(6)的儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)在儲熱模塊腔(7)內通過換熱管道(8)和換熱工質(9)換熱，實現對工業餘熱的吸收，蓄熱完成後，運輸裝置(10)將儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)運送至用戶端的供熱間(2)，在供熱間(2)內的換熱架(3)上，儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)在儲熱模塊腔(7)內通過換熱管道(8)和換熱工質(9)換熱，將熱量釋放給用戶，供熱完成後，運輸裝置(10)將儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)運回至工廠端的儲熱間(1)重新蓄熱，如此往復循環，實現低品味工業餘熱的跨時空利用。
如圖2所示，儲熱模塊i(4)為石墨制空心長方體容器，內部封裝有相變材料(6)，長方向上含有貫穿中心線的換熱管道(8)，換熱管道(8)內流通換熱工質(9)；所述的儲熱模塊ii(5)石墨制為空心長方體容器，內部封裝有相變材料(6)，通過改變儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)內封裝的相變材料(6)的種類，可滿足不同溫區的供熱需求。
如圖3所示，換熱架(3)內的具體工作流程如下，在儲熱間(1)內，將儲熱模塊i(4)推入換熱架(3)中聯通了背牆(11)內換熱管道(8)的儲熱模塊腔(7)，將儲熱模塊ii(5)推入換熱架(3)中未聯通背牆(11)內換熱管道(8)的儲熱模塊腔(7)，之後關閉架門(12)，此時儲熱模塊i(4)通過擠壓觸發背牆(11)和架門(12)內換熱管道(8)接口處電磁閥門(13)的壓敏電阻開關，電磁閥門(13)打開，管路系統接通，換熱工質(9)流入，儲熱模塊i(4)內的相變材料(6)通過所包含的換熱管道(8)吸收工業餘熱並傳遞給周圍的儲熱模塊ii(5)，儲熱模塊ii(5)內的相變材料(6)通過周壁石墨導熱吸收周圍儲熱模塊i(4)的熱量，蓄熱完成後，打開架門(12)取出儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)，換熱管道(8)接口處的壓力消失，電磁閥門(13)關閉，運輸裝置(10)將儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)運送至用戶端的供熱間(2)，在供熱間(2)內，將儲熱模塊i(4)推入換熱架(3)中聯通了背牆(11)內換熱管道(8)的儲熱模塊腔(7)，將儲熱模塊ii(5)推入換熱架(3)中未聯通背牆(11)內換熱管道(8)的儲熱模塊腔(7)，之後關閉架門(12)，此時儲熱模塊i(4)通過擠壓觸發背牆(11)和架門(12)內換熱管道(8)接口處電磁閥門(13)的壓敏電阻開關，電磁閥門(13)打開，管路系統接通，換熱工質流入(9)，儲熱模塊i(4)內的相變材料(6)通過所包含的換熱管道(8)釋放熱量並傳遞給熱用戶，周圍儲熱模塊ii(5)內的相變材料(6)通過周壁石墨導熱將熱量釋放給儲熱模塊i(4)，供熱完成後，打開架門(12)取出儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)，換熱管道(8)接口處的壓力消失，電磁閥門(13)關閉，運輸裝置(10)將儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)運回至工廠端的儲熱間(1)重新蓄熱，如此往復循環。
如圖3所示，通過改變換熱架(3)內儲熱模塊腔(7)的數量調控供熱總量，可匹配不同用戶不同的熱用量，避免熱量浪費或供應不足，可以根據不同用戶的實際需求十分方便和靈活地設計和改裝管路系統，利用含換熱管道(8)和不含換熱管道(8)的兩種類型的儲熱模塊i(4)和儲熱模塊ii(5)配套相應的管路系統可以方便靈活地控制傳熱工質(9)流經儲熱模塊i(4)的換熱流程，調節供熱速率與用戶需求相匹配，當布置好內嵌在換熱架(3)的背牆(11)和架門(12)的換熱管道(8)後，工作人員在運輸和操作的過程中無需了解換熱管道(8)的內部聯通邏輯，只需將儲熱模塊ii(4)推入換熱架(3)中聯通了背牆(11)內換熱管道(8)的儲熱模塊腔(7)，將儲熱模塊ii(5)推入換熱架(3)中未聯通背牆(11)內換熱管道(8)的儲熱模塊腔(7)，關閉架門(12)後管道系統便自動聯通，在今後無人駕駛技術得到推廣後，只需引入相應的自動識別系統便可實現無人化運行。
如圖3所示，管路系統由內嵌在換熱架(3)的背牆(11)和架門(12)內的換熱管道(8)以及儲熱模塊i(4)內的換熱管道(8)通過電磁閥門(13)聯通而成,電磁閥門(13)由壓敏電阻控制通路開關，當儲熱模塊i(4)被推入換熱架(3)並關閉架門(12)後，儲熱模塊i(4)中換熱管道(8)的突出部分擠壓並觸發電磁閥門(13)的壓敏電阻，電磁閥門(13)打開，管路系統接通，當打開架門(12)並取出儲熱模塊i(4)後，壓力消失，電磁閥門(13)關閉。
如圖3所示，可以附加用於精確控制的調節系統，根據用戶指令，如輸入「高、中、低」三個檔位，調節設置在管路系統內部的三通閥(14)的通斷和流向，切換換熱工質(9)與儲熱模塊i(4)換熱流程的長短，更好地匹配供熱速率的需求。當所需供熱速率降低時，部分三通閥(14)切斷換熱架(3)的背牆(11)和架門(12)內換熱管道(8)與儲熱模塊i(4)內換熱管道(8)的聯結，並與相鄰三通閥(14)處的換熱管道(8)聯結來減小供熱速率，當所需供熱速率升高時，部分三通閥(14)切斷與相鄰三通閥(14)處的換熱管道(8)的聯結，使換熱架(3)的背牆(11)和架門(12)內換熱管道(8)與儲熱模塊i(4)內換熱管道(8)聯結來增加供熱速率。