一种基于PCM的预制装配式防冻管道
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的预制装配式防冻管道。
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，常用的管道防冻技术施工工艺均采用非预制形式，技术措施为伴热和介质常流。常见的伴热形式有电伴热、蒸汽伴热和热水伴热等。然而，在工程应用中，非预制形式和上述防冻技术均存在诸多缺陷。
从施工工艺角度：首先，非预制形式，受现场人员素质影响大，施工和安装人工误差大，产品质量参差不齐；其次，非预制形式相对于预制装配式，现场加工和安装施工周期长，时间成本较大；再有，非预制形式需配备大量现场施工人员，且由于施工周期较长，人工成本高；最后，非预制形式防冻产品没有形成一个整体，现场材料浪费严重，工业垃圾多，经济环保性差。
从技术措施角度：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，同时为了防止极端天气的冻结，伴热系统均采用超配策略，由此带来的维护成本和能源成本靡费巨大。因此研究一种预制装配式、模块一体化、低能耗、结构简单、容易实施、安全高效的防冻管道迫在眉睫。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种基于PCM的预制装配式防冻管道，以解决防冻管道的预制装配式、模块一体化、无动力设施和能源消耗、结构简单、实施容易、运维方便、经济环保等技术问题。
为了实现上述实用新型目的，本实用新型所采用的的技术方案如下：
一种基于PCM的预制装配式防冻管道，包括介质输送模块、保温防冻模块和呼吸模块；其中，介质输送模块为用于工作介质的输配和存储，并为不同防冻管道单元提供装配预留接头的工作管；保温防冻模块包括PCM层、绝热层、封闭端头；固定模块包括内嵌支架、套管、O型橡胶密封圈；呼吸模块为呼吸管；所述工作管1位于最内层；所述PCM层2位于所述工作管1与所述套管4之间的空腔结构内；所述内嵌支架3固定于所述工作管1与所述套管4之间；所述绝热层5贴附于所述套管4外侧，并由所述套管4 为其提供支撑和固定；所述呼吸管6预留并贯穿所述套管4和所述绝热层5；所述封闭端头7固定于不同防冻管道单元之间的PCM层外侧；用于容纳PCM材料，提供PCM流动和固液相变场所，为管道的防冻提供相变潜热进行能量保护的所述PCM层2在使用时不灌满PCM材料，为PCM材料固液相变时热胀冷缩的体积变化提供缓冲空间；保持所述工作管1与所述套管4之间的空腔提供固定和支撑的所述内嵌支架3为适于两侧液体PCM 相互流动，有利于PCM灌注的枝状结构；所述套管4与所述工作管1共同为所述PCM层2 提供容纳空腔；所述套管4为所述绝热层5提供支撑和固定，同时所述套管4为所述呼吸管6提供预留安装位置；降低所述PCM层2热量释放速率，维持所述PCM层2相变潜热逐渐缓慢可控释放的所述绝热层5为所述呼吸管6提供预留安装位置；每个防冻管道单元安装一个所述呼吸管6，该呼吸管贯穿所述套管4和所述绝热层5，所述呼吸管6为所述PCM层2腔内空气的吸入和排出提供通道，维持所述PCM层2的气压平衡和气压隔绝，减少介质挥发；所述封闭端头7将所述PCM层2内的PCM材料进行封闭和隔断，形成独立的管道防冻单元。所述O型橡胶密封圈10将所述工作管1的管道单元连接处进行密封，用于避免工作介质的泄漏，同时防止外界空气进入所述工作管1，减少管内腐蚀现象的发生。
所述呼吸管安装有截门，当PCM材料灌注入所述PCM层2的空腔结构时，所述呼吸管6开启，排出空腔内的空气；当PCM材料灌注完成，关闭所述呼吸管6，避免PCM材料泄漏、介质挥发和空气进入。
工作管的装配预留接头在连接后，用所述O型橡胶密封圈10进行密封，避免工作介质的泄漏和外界空气的进入和腐蚀，其外层为现场补做的保温层。
本实用新型的优点及积极效果如下：
1、预留了封闭端头和现场保温位置，其产生的技术效果：
(1)有利于现场安装，操作简单，灵活性强。本实用新型在管道连接单元接口位置，预留了封闭端头和补做保温位置，可采用卡压、焊接、螺纹等多种连接方式，在施工现场，只需找到预留位置，简单操作即可完成良好的保温措施；对比发明，前4项均未考虑管道连接位置，发明CN104913153A虽考虑了管道连接，但采用的为法兰连接，由于法兰本身体积较大，现场补做保温难度较大，且对连接处的法兰也需单独做保温，对比发明的安装难度和材料损失均较大。
(2)有利于管道单元连接位置的局部保温和节能。管道单元连接处，是装配式管道最容易能量损失的地方，通过预留封闭端头和预留保温位置，可在实际工程中大幅改善连接处的局部热损失，实现节能的效果。
2、本实用新型有O型橡胶密封圈，其产生的技术效果：
(1)固定密封效果好。可避免工作管内介质泄漏和室外气体的进入，保证了安全，减少了空气腐蚀工作管现象的发生；
(2)可以动态密封。在装配施工过程中，能用做轴向往复运动和低速旋转运动的动态密封元件，可适应管道旋转等安装情况。
(3)有利于现场补做保温，提高连接位置防冻效果。增大工作管和现场补做保温之间的摩擦力，便于补做保温的安装，提升管道单元连接位置的防冻效果。
3、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。
4、本实用新型设有内嵌支架；
(1)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。
(2)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；
(3)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。
(4)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。
(5)有利于提高产品精度和质量。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。
5、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。
6、提升工程质量。利用工厂预制构件，对构件进行加工和装配，实现了模块化和一体化，减小现场施工工人素质参差不齐造成的安装误差，减少质量事故的发生，提升产品可靠性，保证工程质量。
7、提升时间利用率和生产效率。在预制工厂批量加工、生产防冻装置，减少了不必要的管段数量；装配式安装，连接接口简单明确，节省了现场施工的时间，大幅提高了时间利用率和生产效率；
8、标准化程度高。构件结构简单，形状和尺寸容易标准化，便于预制、运输和装配，装配率和标准化程度高。
9、节能环保。结合PCM的高相变潜热特性，以及PCM固相的低导热率特性，免去了伴热系统和热源，不需附加能源即可有效的降低极端天气的冻结风险，真正的实现了运行期间被动式、零能耗，节能环保。
10、运维方便。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。
11、适用范围广泛。该方法可以应用于各种环境中，比如空气、土壤、油、水、太空等。可广泛适用于消防、给水、雨水、污水、空调水等系统，只要针对应用环境和工作要求选择符合要求的PCM即可。
12、经济优势巨大。一方面，采用预制装配式的方法，大幅减小了施工和运行阶段的材料浪费，缩小了人工和运维成本。另一方面，由于具有相变防冻技术的优势，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示意图；
图2为本实用新型防冻管道轴向剖面图；
图3为本实用新型防冻管道径向1-1剖面图；
图4为本实用新型防冻管道径向2-2剖面图；
图5为本实用新型防冻管道连接处局部放大图。
图6为本实用新型呼吸管局部剖面放大图。
附图编号：1-工作管，2-PCM层，3-内嵌支架，4-套管，5-绝热层，6-呼吸管,7-封闭端头，8-现场补做保温，9-管道单元连接界面，10-O型橡胶密封圈。
具体实施方式
一种基于PCM的预制装配式防冻管道，主要包括介质输送模块、保温防冻模块和呼吸模块。其中，介质输送模块：工作管；保温防冻模块：PCM层、绝热层、封闭端头；固定模块：内嵌支架、套管、O型橡胶密封圈；呼吸模块：呼吸管。
本实用新型具体结构参见图1：图中示出的是三个管道单元的结构示意图。所述工作管1 位于最内侧；所述PCM层2位于所述工作管1与所述套管4之间的空腔结构内；所述内嵌支架3固定于所述工作管1与所述套管4之间；所述绝热层5贴附于所述套管4外侧，并由所述套管4为其提供支撑和固定；参见图2、3所示，图3是断面径向示意图，体现内嵌支架位置结构。所述呼吸管6预留并贯穿所述套管4和所述绝热层5；所述封闭端头 7固定于不同防冻管道单元之间的PCM层外侧；所述O型橡胶密封圈10固定于防冻管道单元连接处，其外层为所述现场补做保温8。
所述工作管1用于工作介质的输配和存储，并为不同防冻管道单元提供装配预留接头，便于现场装配时安装和补做保温。
所述PCM层2用于容纳PCM材料，提供PCM流动和固液相变场所，为管道的防冻提供相变潜热进行能量保护。同时所述PCM层2在使用时不灌满PCM材料，为PCM材料固液相变时热胀冷缩的体积变化提供缓冲空间。
所述内嵌支架3为保持所述工作管1与所述套管4之间的空腔提供固定和支撑，同时，由于所述内嵌支架3为枝状结构，便于所述内嵌支架3两侧液体PCM相互流动，有利于PCM灌注。
所述套管4与所述工作管1共同为所述PCM层2提供容纳空腔。所述套管4为所述绝热层5提供支撑和固定。同时所述套管4为所述呼吸管6提供预留安装位置。
所述绝热层5为降低所述PCM层2热量释放速率，维持所述PCM层2相变潜热逐渐缓慢可控释放。所述绝热层5为所述呼吸管6提供预留安装位置。
参见图4所示，为防冻管道径向剖面图，体现呼吸管位置结构。参见图6的呼吸管局部剖面放大图。所述呼吸管6贯穿所述套管4和所述绝热层5，每个防冻管道单元安装一个。由于所述PCM层2内PCM材料并未完全灌满，PCM材料热胀冷缩时存在体积变化，所述呼吸管6为所述PCM层2腔内空气的吸入和排出提供通道，维持所述PCM层2的气压平衡和气压隔绝，减少介质挥发，为所述PCM层2提供安全保护。此外，当PCM材料灌注入所述PCM层2的空腔结构时，所述呼吸管6开启，排出空腔内的空气；当PCM材料灌注完成，关闭所述呼吸管6，避免PCM材料泄漏、介质挥发和空气进入，提高所述 PCM层2的防冻效果。
所述封闭端头7将所述PCM层2内的PCM材料进行封闭和隔断，形成独立的管道防冻单元，便于存储PCM材料。
参见图5所示，本实用新型防冻管道连接处局部放大图，体现管道单元连接、封闭端头、 O型橡胶密封圈和现场补做保温的位置关系。
本实用新型的预制装配具体实施流程为：先将本实用新型的工作管、内嵌支架、套管、绝热层、呼吸管、封闭端头、O型橡胶密封圈等主要构件在工厂预制加工；然后根据工艺要求和现场情况，选择合适的PCM材料，完成PCM层的灌注和封装，同时确定连接形式和连接管件；之后，在工厂按模块功能和位置进行装配，形成一体化的防冻管道单元；最后将已装配完成的防冻管道单元运输到施工现场，根据预留的接口位置进行拼接和安装,固定O型橡胶密封圈，并在管道单元连接处现场补做保温。
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。
采用PCM技术的核心在于，在所述PCM层2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)。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。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。所述管道相变模块2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.热释放速率缓慢，相变放热时间长。由于所述绝热层5的保护，所述管道相变模块2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2内的PCM需要相当长的时间才能完成相变过程。
B.所述PCM层2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PCM层2将在相当长的一段时间内位于凝固点温度不变。该特点有利于所述工作管1运行稳定。
C.由于所述PCM层2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，若所述工作管1内介质温度高于管道相变模块温度，则热量持续通过管道相变模块传入绝热层，从而延长管道相变模块固化时间；待到工作介质温度与管道相变模块温度相同后，将不再降低，原因在于两者温度相同没有热量传递动力，所以在管道相变模块液固转换期间，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。
D.所述PCM层2内PCM材料完全转变为固相后，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材料完全转变为固相后，所述 PCM层2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2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5一起，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。
