CN104848721A - 双通道换热管式移动供热车 - Google Patents

Abstract

一种双通道换热管式移动供热车，包括承载汽车、储热装置、外部管路及设备，以及自动监控***。所述储热装置由位于储热装置箱体内的双通道换热管和相变储热材料组成。双通道换热管由两根内部插有不锈钢绕花丝的金属管制成，金属管外壁均布翅片，与所述外部管路及设备构成两套独立的循环管路。所述外部管路有两根进口管和两根出口管。两根进口管均有三个支路，分别安装电动截止阀、电动减压阀、电动调节阀和离心泵。自动监控***根据换热流体热力参数状态控制上述设备的动作，自动监控多热力参数换热流体直接充、放热过程。

Description

双通道换热管式移动供热车

技术领域

本发明涉及一种具有双通道换热管的移动供热车。

背景技术

随着工业的发展和人民生活水平的提高，能源的需求量日益增加，化石能源高速消耗及环境污染等相关问题日益突出，可再生能源技术的工业开发与利用得到了蓬勃发展，近些年我国太阳能热发电等可再生能源工业技术应用步伐明显加快，为我们提供了更具前景的无限清洁电力和热资源。与此同时，我国工业面临着能源利用率低，余热回收技术落后，余热资源产出与利用间存在时间和地域性的不匹配问题。大量工业余热未能被有效利用而散失在大气中，而在许多供热管网触及不到的区域，用户自备小型燃煤、燃油、燃气和电锅炉供热，其效率低下，污染严重，成本高昂。如果将工业余热或可再生能源产生的热量以一种经济、灵活的形式收集储存并供给小型锅炉用户，不仅能提高能源的综合利用效率，降低用户成本，而且能有效减少有害气体排放，利国利民。

针对上述问题，移动供热技术在近几年兴起发展。移动供热技术就是利用具有储热装置的车辆将工业余热回收并运输一定距离至热用户处使用，这摒弃了依靠管道输送热量的模式，能经济、灵活地将位置分散、时间不连续、不稳定的液态、气态等形式的余热收集、储存并以配送的形式将热量供给分散的用户，是余热回收和热量输送技术的一次重大突破，能够大幅度提高能源利用率，为传统工业和太阳能等可再生能源余热的有效利用提供了坚实的基础。

目前已有一些基于相变储热技术进行移动供热的设备或装置，如中国专利CN 1854614A公开的《移动式供热站》、CN 102322760 A公开的《智能化车载移动式相变蓄热供热***》、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》、CN 102910104 A公开的《一种复合式相变储能移动供热车》等，但现有的这些设备或装置存在一些明显的技术缺陷和不足，具体包括：(1)设备或装置中常规的换热结构决定了其可利用的换热流体种类单一，应用范围小；(2)不具备自动监控***或不完善，对多种热力参数的换热流体自动适应、调控能力差，在热源或用户端需要额外配备换热器、离心泵等设备来增加换热流体的稳定性和可用性；(3)设备或装置的换热结构缺陷导致充、放热过程中存在二次甚至三次换热，换热效率低下；(4)设备或装置内部相变储热材料的封装结构较复杂，导热系数低，制造成本较高；(5)设备或装置内部相变储热材料的体积占比有限，使其储热密度较低；(6)设备或装置无抗震结构和便于维护的结构设置，长期移动使用过程中容易导致换热管路损坏，维护困难。

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，提出一种双通道换热管式移动供热车。

本发明技术方案是：

双通道换热管式移动供热车包括承载汽车、储热装置、外部管路及设备，以及自动监控***。所述的承载汽车包括保温车厢和牵引车，所述的保温车厢与牵引车通过连接件固定在一起。所述的储热装置、外部管路及设备和自动监控***置于承载汽车的保温车厢内，所述的外部管路及设备、自动监控***位于储热装置外部，所述外部管路及设备外部包裹有保温材料。

所述保温车厢内壁贴有保温层，该保温层包裹于保温车厢内的储热装置箱体外壁。

所述的储热装置包括储热装置箱体、双通道换热管和相变储热材料。所述双通道换热管置于储热装置箱体内；所述相变储热材料位于储热装置箱体与双通道换热管之间的内部空间，浸没双通道换热管。储热装置箱体内留有一定的空间余量，以应对相变储热材料6相变过程中的体积变化。

所述储热装置箱体采用高强度耐热不锈钢制成。箱体顶盖与箱体用螺栓紧固连接，且箱体顶盖与箱体间夹有耐热橡胶密封垫，起到密封和缓冲震动的作用。保温车厢的顶盖可开启取出厢内储热装置内部的双通道换热管，便于检修维护。

所述双通道换热管由上下两根平行布置的金属管组成，两根金属管之间的间距很小。金属管外壁均布有圆形翅片，金属管内***不锈钢绕花丝，形成复合强化换热结构。所述的双通道换热管呈连续U形水平排列，并沿竖直方向排列多层，组成换热管组。换热管组通过换热管支架卡入储热装置箱体内壁的卡槽中固定，换热管支架上焊接有斜梁，增加换热管支架的结构强度。每层双通道换热管中两根金属管的首尾两端分别与四根独立的联管相连通，由四根联管引出换热管组的两个进口和两个出口，分别与储热装置外部的两个进口管和两个出口管通过金属软管法兰连接，连接位置靠近储热装置箱体顶盖，避免管路刚性连接引起震动疲劳损坏和便于拆卸维护换热管组。换热管支架底部铺设耐热橡胶缓冲垫。

所述耐热橡胶缓冲垫和耐热橡胶密封垫均采用硼硅橡胶制成，能够在400℃下长期工作。

所述的相变储热材料选用四元盐与石墨纳米颗粒的混合材料组成，其导热系数为0.8～1.5W/(m·k)，相变温度约为150℃，潜热为320～380kJ/kg。

所述的外部管路及设备包括储热装置外部管路和管路上设置的电动截止阀、电动调节阀、电动减压阀、压力安全阀、排出管、离心泵，以及混水箱等。

所述储热装置外部管路是与所述换热管组连接的两根进口管和两根出口管。两根进口管和两根出口管位于储热装置箱体外部。第一进口管和第二进口管均分成三个平行布置的支路，第一进口管和第二进口管的第一支路上均串联一台离心泵和一个电动截止阀，第一进口管和第二进口管的第二支路上均串联一个电动截止阀，第一进口管和第二进口管的第三支路上均装有一台电动减压阀。第一进口管的三个支路汇集后的管末端为第一进口管接口，第二进口管的三个支路汇集后的管末端为第二进口管接口。第一出口管上安装有一个电动截止阀，第一出口管末端为第一出口管接口；第二出口管上安装有一个电动调节阀，并串联一个混水箱，混水箱与第二进口管通过一根旁支管连接，旁支管上安装有电动调节阀；第二出口管末端为第二出口管接口。所述第一进口管接口、第二进口管接口、第一出口管接口和第二出口管接口与余热源或用户的热力***管道对接，进行充、放热。

所述的压力安全阀位于储热装置外部，与储热装置连接。当储热装置内部压力超过允许值时，压力安全阀开启，通过排气口泄压。与储热装置箱体底部开口连接的排出管配有大口径手动阀门，用于排出储热装置内的液态相变储热材料。

所述的自动监控***包括参数监测模块和自动控制器。第一参数监测模块包含压力传感器、流量传感器和温度传感器，位于第一进口管接口处；第二参数监测模块包含压力传感器、流量传感器和温度传感器，位于第二进口管接口处；第三参数监测模包含压力传感器和温度传感器，位于第一出口管接口处；第四参数监测模包含压力传感器和温度传感器，位于第二出口管接口处；第五参数监测模块和第六参数监测模块仅包含温度传感器，第五参数监测模块固定在储热装置箱体内壁，埋藏在相变储热材料中，第六参数监测模块安装在混水箱中。自动控制器与上述参数监控模块以及电动截止阀、电动调节阀、电动减压阀、离心泵通过信号线连接。自动控制器根据参数监测模块提供的换热流体温度、压力、流量参数和相变储热材料的温度，在储热装置的充/放热过程中自动控制上述电动截止阀、电动调节阀、电动减压阀、离心泵等设备的动作，确保供热车安全、高效地运行。

本发明具有以下技术效果：

本发明所述的双通道换热管供热车有两套独立的换热管路，能够利用两种换热流体分别或同时充、放热。通过专门设计的管路和自动控制***，使供热车与余热源、热用户之间可以直接对接，具备适应多种热力参数换热流体的能力，热源或用户端无需额外配备换热器等设备，特别适合与太阳能热发电或火力发电站的热力***对接，直接利用其***中富余的导热油或蒸汽作为充热流体介质，仅需要一次换热便能实现余热的储存或释放，换热效率高，可为用户提供不同温度、压力的热水、蒸汽或导热油。采用四元盐与碳纳米颗粒混合构成的复合相变储热材料，具有较高的储热密度、导热系数和稳定性。储热装置中的换热管具有复合强化换热结构，在提高换热效率的同时，还具备缓解管内壁污垢存积的能力。另外，供热车具有抗震和便于维护检修的结构设置，保证供热车在长期、复杂运行环境中的可靠性。

附图说明

图1为双通道换热管供热车的***示意图；

图2为双通道换热管的结构图；

图3a为双通道换热管强化换热结构的外观示意图；

图3b为双通道换热管强化换热结构的剖面图；

图4为储热装置的俯视剖面结构图；

图5为储热装置的侧视剖面结构图。

图中：1承载汽车，2保温车厢，3保温层，4储热装置箱体，5双通道换热管，6相变储热材料，7换热管支架，8斜梁，9第五参数监测模块，10金属软管，11压力安全阀，12内箱体压力表，13信号线，14自动控制器，15第一进口管接口，16第一参数监测模块，17电动截止阀，18离心泵，19电动截止阀，20电动减压阀，21第二进口管接口，22第二参数监测模块，23电动截止阀，24离心泵，25电动截止阀，26电动减压阀，27电动调节阀，28第一出口管接口，29第三参数监测模块，30电动截止阀，31第二出口管接口，32第四参数监测模块，33电动调节阀，34混水箱，35第六参数监测模块，36排出管，37耐热橡胶缓冲垫，38连接件，39联管，40外翅片，41不锈钢绕花丝，42卡槽，43耐热橡胶缓冲垫，44可开启式顶盖，45紧固螺栓，46耐热橡胶密封垫。

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所示，本发明双通道换热管移动供热车包括承载汽车1、储热装置、外部管路设备和自动监控***。所述的承载汽车1包括保温车厢2和牵引车，所述的保温车厢2与牵引车通过连接件固定在一起。所述的储热装置、外部管路及设备和自动监控***置于承载汽车的保温车厢内。所述的外部管路及设备、自动监控***位于储热装置外部。所述外部管路及设备外部包裹有保温材料。

所述的储热装置包括储热装置箱体4、双通道换热管5和相变储热材料6。储热装置位于保温车厢2内，与牵引车1通过连接件38固定连接。储热装置箱体4与其顶盖通过若干个紧固螺栓45连接，储热装置箱体4与其顶盖之间夹有耐热橡胶密封垫46，起到密封和缓冲震动的作用。保温车厢2带有可开启式顶盖44，便于拆卸检修。保温车厢2内壁贴有保温层3，该保温层3由硅酸铝纤维或珍珠岩制成，包裹于储热装置箱体4的外壁。

如图2、图3a、图3b和图4所示，所述的双通道换热管5由上下两根平行布置的金属管组成，两金属管外壁间距1～5cm，两金属管外壁均布有圆形翅片40，管内***不锈钢绕花丝41，构成复合强化换热结构。所述的双通道换热管5呈连续U形水平排列，并沿竖直方向排列多层，组成换热管组。换热管组通过换热管支架7卡入储热装置箱体4内壁的卡槽42中，卡槽42内固定有耐热橡胶缓冲垫43。每层双通道换热管中两根金属管的首尾两端分别与四根独立的联管39相连通，由四根联管39引出换热管组的两个进口和两个出口，分别与储热装置外部的两个进口管和两个出口管通过金属软管10法兰连接，连接位置靠近储热装置箱体顶盖，避免管路刚性连接引起震动疲劳损坏和便于拆卸维护换热管组。斜梁8位于换热管支架7的对角线上，斜梁8的两端与换热管支架7焊接固定，起到稳定结构刚性的作用。换热管支架7底部布置有耐热橡胶缓冲垫37以减少结构震动。

所述的相变储热材料6位于储热装置箱体与双通道换热管之间的内部空间，完全浸没双通道换热管5，储热装置内部留有一定的空间余量，以应对相变储热材料6相变过程中的体积变化。

所述的外部管路及设备包括储热装置外部管路和管路上设置的电动截止阀、电动调节阀、电动减压阀、压力安全阀、排出管、离心泵，以及混水箱。

所述储热装置外部管路是与上述换热管组连接的两根进口管和两根出口管，位于储热装置箱体外部。第一进口管分成三个平行的支路，第一支路上串联一个电动截止阀17和一台离心泵18，第二支路上装有一个电动截止阀19，第三支路上装有一台电动减压阀20，三个支路汇集后的末端为第一进口管接口15；第二进口管同样分成三个平行的支路，第一支路上串联一个电动截止阀23和一台离心泵24，第二支路上装有一个电动截止阀25，第三支路上装有一台电动减压阀26，三个支路汇集后的末端为第二进口管接口21。第一出口管上安装有电动截止阀30，第一出口管末端为第一出口管接口28，第二出口管安装有电动调节阀33，且串联混水箱34，混水箱34与换热管组引出的第二进口管通过一根旁支管连接，旁支管上安装有电动调节阀27，第二出口管末端为第二出口管接口31。所述第一进口管接口15、第二进口管接口21、第一出口管接口28和第二出口管接口31与余热源或用户的热力***管道对接，进行充、放热。

储热装置外部安装有压力安全阀11和压力表12，储热装置监测内部压力状态，以防止储热装置内部超压。与储热装置箱体底部开口连接的排出管36配有大口径手动阀门，用于排出储热装置内的液态相变储热材料。上述外部管路及设备均完全由硅酸铝纤维或珍珠岩保温材料包裹，减少热量损失。

所述的自动监控***包括参数监测模块和自动控制器。第一参数监测模块16包含压力传感器、流量传感器和温度传感器，位于第一进口管接口15处；第二参数监测模块22包含压力传感器、流量传感器和温度传感器，位于第二进口管接口21处；第三参数监测模29包含压力传感器和温度传感器，位于第一出口管接口28处；第四参数监测模32包含压力传感器和温度传感器，位于第二出口管接口31处；第五参数监测模块9和第六参数监测模块35仅包含温度传感器，第五参数监测模块9固定在储热装置箱体内壁，埋藏在相变储热材料6中，第六参数监测模块35固定安装在混水箱34中。自动控制器14与上述参数监控模块以及电动截止阀、电动调节阀、电动减压阀、离心泵通过信号线连接，根据参数监测模块提供的换热流体温度、压力、流量参数和相变储热材料的温度，在储热装置的充/放热过程中自动控制上述电动截止阀、电动调节阀、电动减压阀、离心泵等设备的动作，确保供热车安全、高效地运行。

本发明储热(充热)过程为：将余热源处富余导热油或蒸汽管道的出口、进口分别与第一进口管接口15、第一出口管接口28或第二进口管接口21、第二出口管接口31连接，此时所有管路设备处于关闭状态。第一参数监测模块16、第三参数监测模块29或第二参数监测模块22、第四参数监测模块32将进、出口管接口位置的压力数据反馈给自动控制器14进行自动判断，并做出相应控制。供热车储热装置充热过程的控制方法如下。

A.设定储热装置的入口流体压力和温度的允许范围：导热油的压力范围为0.2～4Mpa，温度范围为200～300℃；蒸汽的压力范围为1.5～4Mpa，温度范围为200～250℃。

B.如果入口压力或进、出口压差在允许压力范围0.2～4Mpa内，自动控制器14使电动截止阀19、20或电动截止阀25、电动调节阀33开启，导热油或蒸汽直接进入双通道换热管5。

C.如果入口压力或进、出口压差大于运行允许压力范围上限4Mpa，自动控制器14控制电动减压阀20或26动作，将进口压力或进、出口压差值调节至允许范围内，然后开启电动截止阀30或电动调节阀33，导热油或蒸汽经过管道支路上的减压阀20或26，进入双通道换热管5。

D.如果导热油入口压力或进、出口压差值小于允许压力范围下限，自动控制器14使电动截止阀17、30开启，并启动离心泵18，使泵入双通道换热管5的导热油压力和流量保持在允许范围内。

E.充热过程中，如果入口流体温度处于运行允许温度范围之外的时间超过某一值，例如1～5min，控制器14立即关闭所有的管路设备，停止充热并发出警报。

导热油或蒸汽进入换热管与相变储热材料进行最大限度的传热后，经出口管接口返回余热源，形成充热循环。相变储热材料温度升高，进行显热储热，当达到相变温度后，相变储热材料开始由固态转变为液态，进行潜热储热，大量的热量储存在相变储热材料中，第五参数监测模块9将其温度数据实时传递至自动控制器14，当相变储热材料温度高于其相变温度时，控制管路上所有开启的阀门关闭并给予警示，完成充热过程。

本发明供热(放热)过程为：将热用户的保温水箱或采暖***的出、进口分别与第二进口管接口21、第二出口管接口31或第一进口管接口15、第一出口管接口28连接。如果进口压力或进、出口压差低于供热运行允许压力范围，自动控制器14控制电动截止阀17、30或电动截止阀23、电动调节阀33开启，然后启动离心泵18或24，使进入换热管的低温导热油或低温水的压力或流量达到要求。如果进口压力或进、出口压差在供热运行允许压力范围内，自动控制器14控制电动截止阀19、30或25、33开启，低温导热油或低温水直接进入双通道换热管5，与相变储热材料进行充分的热交换，被加热的导热油直接经过第一出口管接口28提供给热用户。低温水生成蒸汽进入混水箱34，自动控制器14调节电动调节阀33的开度以控制蒸汽出口压力，达到控制蒸汽出口温度的目的，蒸汽自第二出口管接口31输出至热用户。

如果给用户提供60～90℃的热水，自动控制器14根据第六参数监测模块35反馈的混水箱34内部温度来控制电动截止阀27的开度，调节喷入混水箱34中的低温水流量，低温水与蒸汽充分混合降温，保证第二出口管接口31流出的热水温达到要求。

当自动控制器14通过第五参数监测模块9监测到相变储热材料温度降低到与用户要求供热温度的温差小于一定值时，例如20℃，控制所有管路设备关闭，自动停止供热并给予警示，完成供热过程。

Claims (6)

1.一种双通道换热管式供热车，其特征在于，所述的供热车包括承载汽车(1)、储热装置、外部管路设备和自动监控***；所述的承载汽车包括保温车厢(2)和牵引车，所述的保温车厢(2)与牵引车通过连接件(38)固定在一起；所述的储热装置、外部管路及设备和自动监控***置于保温车厢(2)内；所述的外部管路及设备、自动监控***位于储热装置外部；所述外部管路及设备外包裹有保温材料；所述的储热装置包括储热装置箱体(4)、双通道换热管(5)和相变储热材料(6)；储热装置箱体(4)与其顶盖之间夹有耐热橡胶密封垫(46)；保温车厢(2)带有可开启式顶盖(44)；保温车厢(2)内壁贴有保温层(3)，该保温层(3)包裹于储热装置箱体(4)的外壁；所述的双通道换热管(5)位于储热装置箱体(4)内；所述相变储热材料(6)位于储热装置箱体与双通道换热管(5)之间的内部空间，浸没双通道换热管(5)；储热装置内留有空间余量，以应对相变储热材料(6)相变过程中的体积变化。

2.根据权利要求1所述的双通道换热管式供热车，其特征在于：所述的双通道换热管(5)由上下两根平行布置的金属管组成；两根金属管的外壁均布有圆形翅片(40)，两根金属管内***不锈钢绕花丝(41)；所述的双通道换热管(5)呈连续U形水平排列，并沿竖直方向排列多层，组成换热管组；所述的换热管组通过换热管支架(7)卡入储热装置箱体(4)内壁的卡槽(42)中，卡槽(42)内固定有耐热橡胶缓冲垫(43)；每层双通道换热管中两根金属管的首尾两端分别与四根联管(39)相连通，由四根联管(39)引出换热管组的两个进口和两个出口；换热管组的两个进口和两个出口分别与储热装置外部的两个进口管和两个出口管连接；斜梁(8)位于换热管支架(7)的对角线上，斜梁(8)的两端与换热管支架(7)焊固定；换热管支架(7)的底部布置有耐热橡胶缓冲垫(37)。

3.根据权利要求1所述的双通道换热管式供热车，其特征在于：所述的外部管路及设备包括储热装置外部管路和管路上设置的电动截止阀、电动调节阀、电动减压阀、压力安全阀、排出管、离心泵，以及混水箱；所述的储热装置外部管路是与所述换热管组连接的两根进口管和两根出口管，位于储热装置箱体外部；第一进口管分成三个平行布置的支路，第一支路上串联一个电动截止阀(17)和一台离心泵(18)，第二支路上装有一个电动截止阀(19)，第三支路上装有一台电动减压阀(20)，三个支路汇集后的末端为第一进口管接口(15)；第二进口管也分成三个平行布置的支路，第一支路上串联一个电动截止阀(23)和一台离心泵(24)，第二支路上装有一个电动截止阀(25)，第三支路上装有一台电动减压阀(26)，三个支路汇集后的末端为第二进口管接口(21)；第一出口管上安装有电动截止阀(30)，第一出口管末端为第一出口管接口(28)，第二出口管安装有电动调节阀(33)，且串联混水箱(34)，混水箱(34)与换热管组引出的第二进口管通过一根旁支管连接，旁支管上安装有电动调节阀(27)，第二出口管末端为第二出口管接口(31)；所述第一进口管接口(15)、第二进口管接口(21)、第一出口管接口(28)和第二出口管接口(31)与余热源或用户的热力***管道对接。

4.根据权利要求1或2所述的双通道换热管式供热车，其特征在于：所述的耐热橡胶缓冲垫(37、43)和耐热橡胶密封垫(46)均采用硼硅橡胶制成，能够在400℃下长期工作。

5.根据权利要求1所述的双通道换热管式供热车，其特征在于：所述的自动监控***包括参数监测模块和自动控制器；第一参数监测模块(16)位于第一进口管接口(15)处，包含压力传感器、流量传感器和温度传感器；第二参数监测模块(22)位于第二进口管接口(21)处，包含压力传感器、流量传感器和温度传感器；第三参数监测模(29)位于第一出口管接口(28)处，包含压力传感器和温度传感器；第四参数监测模(32)位于第二出口管接口(31)处，包含压力传感器和温度传感器；第五参数监测模块(9)和第六参数监测模块(35)仅包含温度传感器，第五参数监测模块(9)固定在储热装置箱体内壁，埋藏在相变储热材料(6)中，第六参数监测模块(35)固定安装在混水箱(34)中；所述的自动控制器(14)与所述的参数监控模块以及电动截止阀、电动调节阀、电动减压阀、离心泵通过信号线连接，根据参数监测模块提供的换热流体温度、压力、流量参数和相变储热材料的温度，在储热装置的充热放热过程中自动控制上述电动截止阀、电动调节阀、电动减压阀、离心泵的动作。

6.根据权利要求1所述的双通道换热管式供热车，其特征在于：所述的储热装置的外部装有压力安全阀(11)；所述的储热装置箱体(4)的底部接有排出管(36)，用于排出储热装置箱体(4)内的液态相变储热材料。