一种基于有机朗肯循环的石墨化系统的制作方法

1.本实用新型涉及石墨化技术领域，尤其涉及一种基于有机朗肯循环的石墨化系统。


背景技术：

2.石墨散热膜材料具有体积薄、韧性好、导热率高、导电性强等优点，广泛应用于电子元器件散热中。请参考图1，目前，制备高导热石墨薄膜的工艺为：将聚酰亚胺薄膜(pi膜)在高温碳化后石墨化，随后经过压延等一系列过程，得到高导热石墨薄膜。
3.石墨薄膜工艺通常在上千摄氏度的高温环境下进行，由于石墨生产过程的低温余热品位低，故而在目前的生产线上，通常将余热余冷排放到环境空气中，这种简单粗暴的做法与节能减排社会不符。因此，如何有效利用石墨生产过程中产生的余热余冷以进一步实现降本增效，成为本领域技术人员急需解决的技术问题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本实用新型提供一种基于有机朗肯循环的石墨化系统，解决现有技术中，由于石墨生产过程的低温余热品位低，故而在目前的生产线上，通常将余热余冷排放到环境空气中，这种简单粗暴的做法与节能减排社会不符的问题。
5.为实现上述目的，本实用新型提供以下的技术方案：
6.一种基于有机朗肯循环的石墨化系统，包括：
7.加热炉，用于在保护气体的氛围下进行物料的加热石墨化；
8.发电装置，用于将液态有机工质转换形成蒸汽有机工质，使蒸汽有机工质膨胀做功，乏汽从所述发电装置的出口输出；
9.还包括：
10.冷却装置，包括蓄氩罐和冷凝器；所述冷凝器包括冷凝通道和供氩通道，所述冷凝通道和供氩通道互不连通，且所述冷凝通道和供氩通道之间能够进行热交换；
11.所述冷凝通道的入口连接所述发电装置的出口，所述冷凝通道的出口连接所述发电装置的入口；
12.所述供氩通道的入口连接所述蓄氩罐，所述供氩通道的出口连接所述加热炉。
13.可选地，所述发电装置包括头尾相接的工质泵、蒸发器和膨胀机，所述膨胀机连接有发电机；
14.所述发电机连接所述工质泵，用于为所述工质泵供电。
15.可选地，所述发电机还连接有逆变整流器、电网和蓄电池。
16.可选地，所述石墨化系统还包括冷却塔和水泵；所述发电机连接所述水泵，用于为所述水泵供电；
17.所述水泵的入口连接于所述冷却塔的出口，所述加热炉内设有第一加热通道，所述水泵的出口经由所述第一加热通道连接所述蒸发器。
18.可选地，所述蒸发器内设有第二加热通道，所述第二加热通道的入口连接所述水泵的出口，所述第二加热通道的出口连接所述冷却塔的入口。
19.可选地，还包括换热器，所述换热器设于所述冷凝器和所述加热炉之间。
20.可选地，所述换热器为翅片管换热器。
21.可选地，还包括回热器，所述回热器包括第一回热通道；
22.所述第一回热通道的入口连接所述膨胀机的出口，所述第一回热通道的出口连接所述冷凝器的入口。
23.可选地，所述回热器还包括第二回热通道，所述第二回热通道的入口连接所述工质泵的出口，所述第二回热通道的出口连接所述蒸发器的入口。
24.可选地，所述第一回热通道和所述第二回热通道之间能够进行热交换。
25.与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
26.本实用新型提供了一种基于有机朗肯循环的石墨化系统，利用供入石墨化系统的液氩以将乏汽冷却为液态有机工质，使得工质得以循环利用，有效地利用石墨生产过程中产生的余热余冷，从而进一步实现了降本增效，实现了节能减排的目的。
附图说明
27.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
28.图1为石墨化工艺的原理图；
29.图2为本实用新型提供的一种基于有机朗肯循环的石墨化系统的结构示意图。
30.上述图中：10、工质泵；11、回热器；12、蒸发器；13、膨胀机；21、蓄氩罐；22、冷凝器；23、换热器；24、加热炉；30、冷却塔；31、水泵；41、发电机；42、用电器；43、逆变整流器；44、蓄电池；45、电网；51、液氩；52、氩气；53、液态有机工质；54、蒸汽有机工质；55、乏汽。
具体实施方式
31.为使得本实用新型的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.在本实用新型的描述中，需要理解的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中设置的组件。当一个组件被认为是“设置在”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中设置的组件。
33.此外，术语“长”“短”“内”“外”等指示方位或位置关系为基于附图所展示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用新型，而不是指示或暗示所指的装置或原件必须具有此特定的方位、以特定的方位构造进行操作，以此不能理解为本实用新型的限制。
34.石墨散热膜材料具有体积薄、韧性好、导热率高、导电性强等优点，广泛应用于电子元器件散热中。目前，制备高导热石墨薄膜的工艺为：将聚酰亚胺薄膜(pi膜)在高温碳化后石墨化，随后经过压延等一系列过程，得到高导热石墨薄膜。石墨薄膜工艺通常在上千摄氏度的高温环境下进行，由此增加的气体保护和冷却水系统使其能耗及成本居高不下，降本增效成为了业内亟需解决的关键问题。
35.由于石墨生产过程的低温余热品位低，故目前生产普遍将余热余冷排放到环境空气中，多数采用冷却塔降温冷却水，采用翅片管释放气体汽化冷量，这种简单粗暴的做法与节能减排社会不符。因此采用热回收方法来降低热污染效应，回收能量，保护环境十分有必要。
36.本实用新型旨在于提供一种基于有机朗肯循环的石墨化方案，以有效地利用石墨生产过程中产生的余热余冷，从而达到节能减排的目的。
37.下面对有机朗肯循环进行介绍：
38.传统的热能发电技术对水蒸气朗肯循环难以直接回收利用；而其他温差发电技术、余热取暖和制冷方式虽然可以回收低温能量，但由于效率偏低、结构复杂等不足降低了经济性。
39.有机朗肯循环(organic rankine cycle，orc)系统是一种低品位余热能量利用的有效途径：在泵的驱动下，有机工质以排放的冷却水作为热源，产生的高温高压蒸汽工质进入膨胀机膨胀做功，然后进入冷凝器冷却凝结从而完成循环。采用低品位余热回收的orc系统具有结构简单、效率高、维护保养简单、安全性高、机动性高、环境友好和适应能力强等优点。同时，orc产生的电能既能用于自身负荷，也可向外部电网供电，提高系统经济性，降低成本。通过orc与储能系统的多能协同控制，将传统工艺产生的热能耦合至电能，并能够回馈给系统，形成高效闭环系统，同时提高工业用电的可靠性和经济性。
40.下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
41.请参考图2，本实用新型提供了一种基于有机朗肯循环的石墨化系统，加热炉24和冷却塔30，通过在加热炉24中进行感应加热pi膜碳化，或加热碳化膜使其石墨化，以实现连续提纯或连续石墨化；而冷却塔30则用于通过冷却水对高温物料进行间接冷却。
42.本实施例中，石墨化系统还包括发电装置，发电装置包括头尾连接的工质泵10、蒸发器12和膨胀机13，膨胀机13连接有发电机41。发电装置用于使液态有机工质53转换形成蒸汽有机工质54，蒸汽有机工质54在膨胀机13中膨胀做功，发电机41将动能转化为电能；乏汽55从发电装置的出口输出。
43.其中，发电机41连接有用电器42、逆变整流器43、电网45和蓄电池44，用电器42为工质泵10、水泵31或其他交流用电设备，逆变整流器43将发电机41多余的交流电整流成直流电储存，或者将蓄电池44的直流电电逆变成交流电供用电器42或电网45使用，蓄电池44用于储能。
44.具体地，工质是单一的低沸点甲烷、乙烷、丙烷或者多种低沸点组分烃类混合物或氨，工质泵10将有机工质进行压缩升压，驱动循环；蒸发器12在高温下，把液态有机工质定压加热成干饱和蒸汽有机工质54；高温高压的饱和蒸汽有机工质54经过膨胀机13后，内能转化为动能，从而达到供电的目的。
45.具体地，蒸发器12内含有蓄热材料，蓄热材料可以是显热储热的单相液体，或相变
蓄热材料的结晶水合盐或有机物，用于储存换热器23的热量。利用蓄热材料能够将系统中间断性、不连续性的热源储存稳定下来，促使朗肯循环平稳运行。
46.考虑到石墨化系统中常用氩气作为保护气体，而氩气的沸点温度约为-185℃，携带大量高品质冷量，是一种优良的冷却介质，因此，本实施例中，利用石墨化系统中的液氩作为冷却介质，实现对乏汽的冷凝，实现了工质的循环利用，进而实现发电装置的持续工作。
47.具体地，本实施例提供的石墨化系统还包括：
48.冷却装置，包括蓄氩罐21和冷凝器22。
49.一般来说，冷凝器22的内含有蓄冷材料，蓄冷材料可以是显热蓄冷的单相液体，或固液相变材料的结晶水合盐或有机物。这些蓄冷材料用于使系统中间断性、不连续性的冷热源储存稳定下来，促使朗肯循环平稳运行。蓄氩罐21为低温绝热的储罐，用于储存低温液氩51，这些液氩51用于通入冷凝器22中。
50.在液氩51用量多的低温情况下，低温相变蓄冷材料放热凝固；在液氩51量少的高温情况下，相变蓄冷材料熔化吸热冷凝器22的工质，使orc系统仍能够保持稳定的工作状态。
51.具体地，冷凝器22包括冷凝通道和供氩通道，冷凝通道和供氩通道互不连通，且冷凝通道和供氩通道能够进行热交换；冷凝通道的入口连接发电装置的出口，冷凝通道的出口连接发电装置的入口，蒸汽有机工质54经过冷凝通道吸收液氩51热量以汽化潜热，冷凝形成液态有机工质53后，重新通入发电装置。
52.进一步地，该供氩通道的入口连接蓄氩罐21，供氩通道的出口连接加热炉24。当蒸汽有机工质54经过冷凝通道被冷凝的同时，液氩51吸热汽化成为氩气52，氩气52通入加热炉24中，作为石墨化系统中的保护气体使用。
53.进一步地，石墨化系统还包括冷却塔30，由于热源和冷源能量具有不相匹配及不对应等特点，为防止冷却水在蒸发器12中未完全降温，在循环低温工质不足，或orc系统停止工作时，冷却塔30启动工作，确保冷却水仍能降温，保证石墨化生产所需的氩气52和冷却水的供应不受余热回收装置的启停和不匹配的影响。
54.由于冷却塔30内的冷却水约为40℃，尚有预热，如果直接排放到环境中，会造成热能损失。
55.基于前述考虑，本实施例中，石墨化系统还包括水泵31，水泵31的入口连接于冷却塔30的出口，加热炉24内设有第一加热通道，水泵31的出口经由第一加热通道连接蒸发器12。
56.另外，蒸发器12内设有第二加热通道，第二加热通道的入口连接水泵31的出口，第二加热通道的出口连接冷却塔30的入口。
57.水泵31升压驱动冷却水流动，冷却水在水泵31的驱动下，进入加热炉24，带走热量降温，高温热水进入蒸发器12，在蒸发器12内放热，使循环工质蒸发，以将工质定压加热到干饱和蒸汽状态；接着，仍带余温的热水进入冷却塔30，在冷却塔30的降温后再继续进入加热炉24。
58.在冷却水多的高温情况下，相变蓄热材料融化吸热；在冷却水不足的低温情况下，相变蓄热材料在低温时凝固放热加热蒸发器12的工质，使orc系统仍工作。
59.进一步地，本实施例中，石墨化系统还包括换热器23和回热器11。
60.换热器23设于冷凝器22和加热炉24之间，为翅片管换热器23。由于热源和冷源能量具有大小不相匹配以及使用间歇不对应等特点，为防止液氩51在冷凝器22中吸热不足未完全汽化，影响石墨膜的主生产工艺，本实施例中增设翅片管换热器23，确保在orc余热回收系统不工作的情况下，亦能够从空气中吸热汽化，保证生产所需氩气52的供应不受余热回收装置影响。
61.此外，回热器11包括第一回热通道；第一回热通道的入口连接膨胀机13的出口，第一回热通道的出口连接冷凝器22的入口。回热器11还包括第二回热通道，第二回热通道的入口连接工质泵10的出口，第二回热通道的出口连接，且第一回热通道和第二回热通道之间能够进行热交换。利用回热器11对进入膨胀机13的工质进行预热，并对经过膨胀机13的乏汽55进行降温，有利于提高系统的循环效率效率。
62.本实用新型实施例回收较热的冷却水余热，并利用低温氩气52实现工质的汽化潜热，将有机朗肯循环系统整合到工业石墨化系统中，实现低品位余热能量的再利用，有效地降低能耗以及石墨化工业生产中的热污染效应，提高了生产经济性，从而达到节约能源和保护环境的目的。
63.基于前述实施例，本实用新型的实施方法如下：
64.1)低温的有机液态有机工质53经工质泵10升压，在回热器11被膨胀机13出口带余热的乏汽55预热后，被输送至蒸发器12进行加热蒸发；同时，冷却水在蒸发器12内放热，将液态有机工质53定压加热到干饱和蒸汽状态，饱和蒸汽有机工质54进入膨胀机13做功后，乏汽55在回热器11被工质泵10出口带余冷的液态有机工质53初降温后，进入冷凝器22，在冷凝器22内定压放热冷凝成液态有机工质53；最后，在工质泵10的驱使下再次进入回热器11和蒸发器12加热蒸发，从而完成一个工作循环。
65.2)液氩51从蓄氩罐21的阀门放出，经过冷凝器22吸收热量汽化成氩气52，使循环的乏汽55冷凝。当冷凝器22热量不足完全蒸发时，继续经过换热器23向空气释放冷量，确保残余的液氩51全部汽化成氩气52后再进入加热炉24，在惰性气体氩气52的氛围下，氩气52保护并带走加热炉24中生成的气体。
66.3)冷却水在水泵31的驱动下，进入加热炉24，带走热量降温，高温热水进入蒸发器12使循环的液态有机工质53蒸发，仍带余温的热水进入冷却塔30，在冷却塔30的降温后继续进入加热炉24。
67.4)发电机41将膨胀机13的动能转换成电能，输送到电网45，向工质泵10、水泵31等交流用电器42提供电能；在电能多余的情况下，经过逆变整流器43整流储存在蓄电池44中；发电不足的情况下，用电器42由电网45或者蓄电池44供电。
68.以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。