一种基于PCM的管道用被动式零能耗防冻装置
技术领域
本实用新型属于管道防冻技术领域，具体为一种基于PCM的管道用被动式零能耗防冻技术。
背景技术
长期以来，在北方地区，管道的防冻技术一直是各方的关注焦点。目前，常用的的防冻技术措施为伴热和介质常流。伴热是一种在保温的基础上给管道外壁进行热量补充，使介质维持一定的温度，从而避免管道内介质冻结的技术。常见的伴热形式有电伴热蒸汽伴热、和热水伴热等。介质常流是一种采用“流水不腐”原理进行防冻的技术，其核心在于保持管道内介质不停流动，在介质温度尚未达到凝固点时，便强制介质流过防冻区域。常见的介质常流形式有末端常流(如龙头常流水)和管道系统循环(用户侧处于介质停用阶段，仍进行管道循环)。
然而，在工程应用中，上述防冻技术均存在诸多缺陷。首先，伴热技术需要增加伴热系统并提供热源，其中蒸汽、热水伴热系统在设计、建设、施工中尤其复杂且建设成本很高；其次，不论哪种形式，当前的防冻技术都伴随着大量能源或资源消耗，与当前节能降耗要求背道而驰。最后，当前的伴热系统均需要进行维护，由此带来的维护成本和能源成本靡费巨大。因此研究一种被动式轻维护低能耗的防冻方法及装置迫在眉睫。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于PCM的管道用被动式零能耗防冻装置，以解决管道的无动力设施和能源消耗、结构简单、实施容易、运维方便并符合节能环保要求的防冻技术问题。
为了实现上述发明目的，本实用新型所采用的技术方案如下：
一种基于PCM的管道用被动式零能耗防冻装置，其特征在于，包括工作管、防腐层、PCM层、内嵌支架、套管和绝热层；用于传输工作介质的所述工作管(1) 位于最内侧；用于减少PCM对工作管的腐蚀并降低管道破裂时PCM进入管道风险的所述防腐层(2)位于所述工作管外侧；所述PCM层(3)位于所述防腐层(2) 与所述套管(5)之间的空腔结构内；用于固定和支撑，形成空腔结构的所述内嵌支架(4)也位于所述防腐层(2)与所述套管(5)之间；所述绝热层(6)贴附于所述套管(5)外侧，为最外层结构。在所述PCM层(3)内灌注常温为液体的相变介质，在环境温度高于PCM凝固点时，为非防冻状态，此时PCM为液态，处于蓄热状态，与所述绝热层(6)共同起到保温绝热作用。当环境温度低于PCM 凝固点时，进入防冻状态，所述PCM层(3)内的PCM开始释放潜热，逐渐由液态转变为固态；固定所述防腐层(2)与所述套管(5)之间的空腔结构的所述内嵌支架(4)为枝状结构；所述套管(5)与所述防腐层(2)共同为所述PCM层 (3)提供容纳空腔，所述套管(5)为所述绝热层(6)提供支撑和固定。
本实用新型的优点及积极效果如下：
1、防腐层：
(1)有利于延长防冻结构寿命。防止PCM直接接触工作管，减少平时的腐蚀；
(2)降低工作介质被污染风险。由于含有防腐层，PCM和工作介质接触的可能性大大降低，降低管道破裂时PCM进入管道的风险，减小了安全事故的可能，从而实现对工作介质的保护。
(3)防腐层的材质由管道材质决定，具体材质可以为：防腐涂层、油漆、有机化合物(如塑料)、镀锌等。
2、PCM层和绝热层厚度相同：
经大量计算和数据分析，发现在PCM层和绝热层厚度相同的情况下，防冻时间最长，防冻效果最佳。
3、内嵌支架：
(4)有利于PCM的流动和储热。由于含有内嵌支架，液态PCM在腔内空间自由流动，大大方便了相变材料蓄热阶段的流动和储热，有益于强化传热，增强蓄热能力。
(5)有利于支撑和受力平衡，减小形变。在内嵌支架作用下，防冻结构受力平衡，不易发生形变；
(6)有利于延长防冻结构寿命。内嵌支架可增强防冻结构的稳定性，减少PCM层的最外层绝热层的变形可能，也有利于增强了防冻结构的耐久性和使用寿命。
(7)当PCM材料相变体积变化时，可以为PCM提供一定的体积变化空间。
(8)有利于控制产品精度。由于含有内嵌支架，可根据环境、工作管尺寸和介质温度等因素，设计并加工合适尺寸的内嵌支架，进而控制防冻产品精度。
4、套管及绝热层材质；
本实用新型套管和绝热层材质多变，环境适应性好：
如，管道若架空敷设，本实用新型可选择密度较小，导热能力低的材质的套管和绝热层，不仅有利于延长防冻时间，还可减轻管道系统的重量，减少支撑部件的个数，提高环境适应性的同时亦可减少投资。
再如：海底敷设防冻管道，可根据海水腐蚀性选择耐腐蚀的套管和绝热层，大大提高了环境适应性和耐久性。
5、结合PCM的高相变潜热特性，免去了伴热系统和热源，真正的实现了运行期间被动式、零能耗。
6、利用PCM固相的低导热率特性，延长了防冻时间，不需附加能源即可有效的降低了极端天气的冻结风险。
7、由于PCM的固液两相可以频繁转变，因此，该系统一次安装以后，可以重复使用，不需要进行特殊护理，运行维护简单。
8、该装置可以针对不同工作介质的防冻温度，选择适当的PCM凝固点温度，利用非防冻期蓄热，防冻期间放热，充分发挥PCM的特性，实现管道的防冻。
9、该装置可以应用于各种环境中，比如空气、土壤、油、水、太空等，只要针对应用环境和工作要求选择符合要求的PCM即可。
10、该该装置可以大幅降低建设成本。以地埋管为例，在北方或西部高寒地区，防冻层约在2.5m～3m，采用此种方法，可以有效减小管道埋深，从而大幅降低管道埋设投资和检修成本；以架空管道为例，该方法不存在伴热和循环耗能，优势明显。
附图说明
图1为本实用新型整体结构分层剖开示意图。
图2为本实用新型的整体结构剖面示意图。
附图编号1-工作管，2-防腐层，3-PCM层，4-内嵌支架，5-套管，6-绝热层。
具体实施方式
本实用新型的具体结构参见图1、2，它是包括工作管、防腐层、PCM层、内嵌支架、套管和绝热层的复合层管状体结构。
本实用新型中提到的PCM，即相变材料(phase change material)，是指在物质发生相变时，可吸收或释放大量能量(即相变焓)的一类材料。相变材料是利用潜热进行蓄热和放热，具有储热密度大、蓄热装置结构紧凑、在相变过程中本身温度基本不变，易于管理等特点，工程应用潜力巨大。
所述工作管1位于最内侧，用于传输工作介质；所述PCM层3位于所述防腐层2与所述套管4之间的空腔结构内，其内部灌注常温为液态的PCM相变材料，固液相变温度为5.5℃，固态导热系数约为0.15W/(m·℃)，低于大多数绝热材料的导热系数；所述内嵌支架4位于所述防腐层2与所述套管5之间，用于固定和支撑，形成空腔结构；所述绝热层6贴附于所述套管5外侧，为最外层结构。
该装置的核心在于，在所述PCM层3内灌注常温为液体的相变介质，此种介质的固液相变温度临近并高于工作介质的防冻温度(非冻结温度)。在环境温度低于防冻温度时，PCM材料逐步缓慢释放相变潜热，直至全部变为固态，其后，该介质变为保温层(固态导热系数低于大多数绝热材料的导热系数)，继续保护工作介质至防冻期结束。实际应用中，根据工作介质和防冻时间的不同，选择不同的PCM材料。
所述内嵌支架4为保持所述防腐层2与所述套管5之间的空腔固定，并容纳 PCM，所述内嵌支架4为枝状结构，便于所述内嵌支架4两侧液体PCM相互流动，有利于PCM灌注。
所述套管5与所述防腐层2共同为所述PCM层3提供容纳空腔。所述绝热层 6提供支撑和固定。
所述绝热层6贴附于所述套管5外侧，为最外层结构。所述绝热层6为降低所述PCM层3热量释放速率，维持所述PCM层3相变潜热逐渐缓慢可控释放。
在环境温度高于PCM凝固点时，为非防冻状态。此时PCM为液态，处于蓄热状态，与所述绝热层5共同起到保温绝热作用。
当环境温度低于PCM凝固点时，进入防冻状态。所述PCM层3内的PCM开始释放潜热，逐渐由液态转变为固态。该热量释放过程具有以下特点：
A.由于温差是热量传递的动力，且所述工作管1内介质的温度总是不低于所述PCM层3的温度，因此热量传递具有单向性，总是向着绝热层方向传递。
B.由于所述绝热层6的保护，所述PCM层3热释放速率缓慢。通常设计中，设有绝热层后，管道热释放速率约在50W/(㎡·℃)左右，相比较而言，PCM 相变潜热量巨大，因此，所述PCM层3内的PCM需要相当长的时间才能完成相变过程。
C.所述PCM层3在相变过程中具有温度稳定性。由于所述B特点，管道长期处于固液转换过程中，而且物质在相变过程中近似为恒温过程，因此所述PCM 层3将在相当长的一段时间内位于凝固点温度不变。该特点有利于工作管道运行稳定。
D.由于所述PCM层3的存在，所述工作管1存在热释放真空期。该性质的特点在于，若工作管内介质温度高于PCM层温度，则热量持续通过PCM层传入绝热层，从而延长PCM层固化时间；待到工作介质温度与PCM层温度相同后，将不再降低，原因在于两者温度相同没有热量传递动力，所以在PCM层液固转换期间，工作介质将长期处于热量释放的真空状态，并不会对外界释放热量。该状态对管道的防冻而言意义重大。
E.PCM层完全转变为固相后，演变成为一种绝热材料。由于所选PCM材料固相时导热系数低于常规绝热材料，所以，在PCM层完全转变为固相后，所述 PCM层3彻底演变成为绝热层。该特点的意义在于，由于PCM凝固点与临近并高于所述工作管1管道介质的防冻温度，且远高于所述工作管1管道介质的冻结温度。在极端天气出现时，即便所述PCM层3全部转变为固态，依然可以作为一种良好的绝热材料，与所述绝热层6一起，形成新的叠加绝热层，降低热释放速率，减缓所述工作管1内所述工作管内介质从防冻温度到冻结温度的过渡，从而有效的延长所述工作管1管道内介质的冻结时间。
综上所述，本实用新型具有在非防冻期大量储热、在防冻期高效防冻和绝热，热释放速率缓慢，防冻时间长，安全稳定等特点，是一种高效、安全、环保的防冻方法。
