一种基于PCM的设备用被动式零能耗防冻装置的制作方法

本发明涉及一种对设备的防冻保护技术，特别是涉及一种零能耗的防冻技术。

背景技术：

长期以来，在北方地区，设备的防冻技术一直深受各方的关注。目前，常用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设备外壁进行热量补充，使设备维持一定的温度，从而避免设备内工作介质冻结的技术。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，其核心在于保持设备内工作介质不停流动，在工作介质温度尚未达到凝固点时，便强制工作介质流过防冻区域。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。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于pcm的设备用被动式零能耗防冻装置，以解决在无动力设施和能源消耗的情况下对设备进行防冻保护的技术问题。同时还解决了设备结构简单、实施容易、运维方便并符合节能环保要求的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明所提出的技术方案如下：

一种基于pcm的设备用被动式零能耗防冻装置，其特征在于，包括设备壳体、内嵌支架、pcm层、内保护层、绝热层、外保护层和防火漆；所述设备壳体1位于最内侧；所述pcm层2的液体相变材料容纳于所述设备壳体1与所述内保护层4之间的空腔结构内；所述内嵌支架3位于所述设备壳体1与所述内保护层4之间，用于固定和支撑，并形成的空腔结构；所述绝热层5贴附于所述内保护层4外侧，所述内保护层4为所述绝热层5提供支撑；所述外保护层6固定所述绝热层5外侧，用于保护所述绝热层5，并为所述防火漆7提供支撑；所述防火漆7涂覆在所述外保护层6外侧，用于设备的防火阻燃；在所述pcm层2内灌注常温为液体的相变材料，首先，在环境温度高于防冻温度时，相变材料储存大量能量；其次，在环境温度低于防冻温度时，相变材料发生相变并逐步缓慢释放相变潜热，直至全部变为固态，最后，相变材料完全固化变为绝热层。

用于固定所述设备壳体1与所述内保护层4之间的空腔结构，并容纳pcm材料的所述内嵌支架3为枝状结构。

本发明的优点及积极效果如下：

1、内外保护层双层防护结构，其产生的技术效果：

(1)内保护层，与设备壳体形成空腔结构，有利于pcm材料稳定存储和工作；

(2)内保护层，有利于其外表面绝热层的固定和支撑；

(3)外保护层，有利于保护pcm层和绝热层双层绝热结构，延长使用寿命。由于绝热层材质一般柔软，若裸露在环境，容易磨损且不利于防冻结构长期运行，外保护层相当于保护壳，有利于大幅提高双层绝热结构的安全和使用寿命。

(4)外保护层，有利于延长防火时间。由于绝热层通常材质柔软，且耐腐蚀性较差，若本发明的防火漆在绝热层外涂刷，绝热层稳定性较差且容易被腐蚀，不利于防护阻燃。外保护层形状固定且耐久性强，在其表面刷防火漆，有利于提高防火漆的寿命，延长防火时间。

2、防火漆，其产生的技术效果：

(1)有利于设备及双层绝热结构的耐火阻燃，保障设备安全运行。

(2)有利于保温防冻。由于防火漆材料导热系数小，传热能力低，能有效抑制抑制导热和辐射传热，具有很好的隔热保温性能。本发明的pcm层、绝热层及防火漆相当于三层保温，有利于降低热损失，增强防冻效果。

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、内嵌支架，其产生的技术效果：

(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、设备壳体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、保护层及绝热层材质，其产生的技术效果：

本发明保护层和绝热层材质多变，环境适应性好：

如，设备若屋顶安装或吊装，本专利可选择密度较小，导热能力低的材质的保护层和绝热层，不仅有利于延长防冻时间，还可减轻屋顶或吊架承担重量，便于施工和运维。

再如：带水作业的机械设备如水泵，由于设备长期水下运行，可选择防水性能、耐腐蚀性能良好的保护层和绝热层材质，有利于提高防冻结构寿命，提高环境适应性和耐久性。

6、结合pcm的高相变潜热特性，免去了伴热输配系统、控制系统和热源等主动式供热方式，真正的实现了运行期间被动式、零能耗的效果。

7、利用pcm固相的低导热率特性和最外侧的绝热层结构，延长热释放速率，并形成热释放真空期，不需附加能源即可有效的降低了极端天气的冻结风险，极大延长了防冻时间。

8、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。

9、该装置可以针对不同工质介质的防冻温度，选择合适的pcm蓄热材料，利用非防冻期蓄热，防冻期间放热，充分发挥pcm的特性，实现设备内工质介质的防冻。

10、该装置适用领域广泛。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。

11、该装置可以大幅降低建设成本。带水作业的机械设备如水泵、混凝土搅拌机、砂浆机等，采用此方法对转动设备关键部位进行防冻不仅可避免严寒状态下结晶等现象的发生，提高了设备启动和，运行时的安全稳定性，更省去了常规伴热和循环的能量消耗，节能和经济效果明显。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图。

图2为图1的沿a-a方向的剖面结构示意图。

附图编号1-设备壳体，2-pcm层，3-内嵌支架，4-内保护层，5-绝热层，6-外保护层，7-防火漆。

具体实施方式

一种基于pcm的设备用被动式零能耗防冻技术与方法，参见图1、2所示，包括设备壳体、内嵌支架、pcm层、内保护层、绝热层、外保护层、防火漆。

本发明中提到的pcm，即相变材料(phasechangematerial)，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。

所述设备壳体1位于最内侧；所述pcm层2容纳于所述设备壳体2与所述内保护层4之间的空腔结构内；所述内嵌支架3位于所述设备壳体1与所述内保护层4之间，用于固定和支撑，并形成空腔结构；所述绝热层5贴附于所述内保护层4外侧，所述内保护层4为所述绝热层5提供支撑，所述外保护层6固定于所述绝热层5外侧；所述防火漆7涂覆在所述外保护层6外侧。

在所述pcm层2内灌注常温为液体的相变材料，此种材料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。首先，在环境温度高于防冻温度时，相变材料储存大量能量；其次，在环境温度低于防冻温度时，相变材料发生相变并逐步缓慢释放相变潜热，直至全部变为固态，最后，相变材料完全固化变为绝热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。

所述pcm层2用于容纳pcm，提供相变材料pcm的液态下的流动和固液相变时的物理环境。

所述内嵌支架3用于固定所述设备外壳1与所述保护层4之间的空腔结构，并容纳pcm，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。

所述内保护层4与所述设备壳体1共同为所述pcm层2提供容纳空腔。所述内保护层4为所述绝热层5提供支撑和固定。

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。

所述外保护层6用于保护所述绝热层5，并为所述防火漆7提供涂覆空间。

所述防火漆7用于设备及防冻结构的防火阻燃，并在平时起到保温防冻作用。

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.由于温差是热量传递的动力，且所述设备壳体1内工作介质的温度总是不低于所述pcm层2的温度，因此热量传递具有单向性，总是向着绝热层方向即温度降低的方向传递。

b.由于所述绝热层5的保护，所述pcm层2热释放速率十分缓慢。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，大大延长了防冻时间。

c.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，所述pcm层2内的相变材料长期处于固液转换过程中，而且材料在相变过程中近似为恒温过程，因此所述pcm层2将在相当长的一段时间内维持凝固点温度不变。该特点有利于设备安全稳定运行。

d.由于所述pcm层2的存在，设备内工质介质存在热释放真空期。该性质的特点在于，若设备内工作介质温度高于所述pcm层2温度，则热量持续通过所述pcm层2传入所述绝热层5，从而延长所述pcm层2固化时间；待到工作介质温度降低至与所述pcm层2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，所以在所述pcm层2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。该状态对设备的防冻而言意义重大。

e.所述pcm层2完全转变为固相后，演变成为一种绝热材料。由于所选相变材料固相时导热系数低于常规绝热材料，所以，在相变材料完全转变为固相后，所述pcm层4彻底演变成为绝热层。该特点的意义在于，由于pcm凝固点临近并高于所述设备壳体1内工作介质的防冻温度，且远高于所设备壳体1内工作介质的冻结温度。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，减缓所述设备壳体1内工作介质从防冻温度到冻结温度固液相变的过渡，从而有效的延长所述设备壳体1内工质介质的冻结时间。

综上所述，本发明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。