一种非接触式辐射冷却高温石墨的系统及方法

1.本发明属于石墨高温提纯领域，具体涉及一种非接触式辐射冷却高温石墨的系统及方法。


背景技术：

2.目前，高温提纯法是获得(超)高纯度石墨的主要工艺。高温成品石墨在冷却时必须与空气隔绝以避免氧化；此外，石墨的导热系数随温度升高而降低，在极高的温度下，石墨近似为绝热体。因此，常规的对流和导热冷却方式不适用于高温石墨冷却。现在普遍采用自然冷却的方式冷却效率低、耗时长，成为制约高纯度石墨产量提高的瓶颈。
3.为缩短高温石墨冷却的时间、提高冷却速率，本发明创新性地将冷辐射系统与制冷机相结合，形成一个非接触式冷却高温石墨的方法和系统，从而解决自然冷却耗时长、产量低的问题。


技术实现要素：

4.本发明为了解决背景技术中存在的技术问题，目的在于提供了一种非接触式辐射冷却高温石墨的系统及方法，用于石墨高温提纯工艺，强化石墨冷却速率，提高(超)高纯度石墨的产量。
5.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.一种非接触式辐射冷却高温石墨的系统，包括：
7.存放高温石墨的冷却仓或炉膛；
8.布置在冷却仓或炉膛内的冷辐射板；
9.制冷机；制冷机包括实现制冷效应的蒸发器；吸入蒸发器出口的制冷剂蒸汽的压缩机；向周围环境排放热量的冷凝器及其附属设备；连接蒸发器与冷凝器的节流阀；连接冷辐射板与蒸发器的冷媒介质管路及动力设备。
10.一种非接触式辐射冷却高温石墨的方法，包括以下过程：冷却仓或炉膛内可以是真空或非真空状态；冷辐射板通过热辐射的方式冷却仓或炉膛内石墨，实现无接触式冷却；冷辐射板与制冷机的蒸发器通过冷媒管路相连，与制冷机构成一个封闭的循环系统。
11.冷却系统与冷却仓或炉膛及仓内高温物料独立，冷却系统的应用不限于某个特定应用场合。
12.本发明是利用高温石墨表面与冷辐射板表面之间的巨大温差，实现石墨向冷辐射板的传热。冷辐射板内的循环冷媒介质吸收来自石墨的辐射热量，并通过循环泵，以对流的方式将热量带离冷辐射板，维持冷辐射板表面的低温状态。
13.冷媒管路与蒸发器相连，蒸发器吸收冷媒中的热量，维持冷媒的低温。
14.压缩机吸入来自蒸发器内的低压制冷剂蒸汽，带走蒸发潜热的同时维持蒸发器内的低压状态。压缩机出口的高温高压制冷剂蒸汽进入冷凝器，将热量传递至空气或冷却水。
15.冷凝器可以采用空冷和水冷两种方案：空冷采用翅片管式换热器，管内为制冷剂
侧，管外为空气冷却侧；水冷可以采用壳管、螺旋管或板式换热器，通过冷却水循环管路与冷却塔相连，构成完整的冷却系统。
16.辐射末端可布置在加热炉的墙体内。其最优位置为避免末端过热的最近炉膛内表面处，通过求解炉墙非线性传热过程确定。
17.本发明通过上述传热步骤实现了热量从高温石墨向周围环境的散热。蒸汽压缩式制冷系统具有效率高、能耗低、技术成熟等有点。
18.与现有技术相比，本发明的优点在于：
19.(1)本发明采用热辐射的原理冷却高温石墨，冷却仓或炉膛内不需要通入冷却介质，实现无接触冷却；
20.(2)本发明利用了高温石墨表面温度高的特点，保证了辐射冷却的有效性；
21.(3)本发明采用蒸汽压缩式制冷机，保证了冷量的供给同事还可以实现冷却速率的精确调控。
附图说明
22.图1为本发明非接触辐射冷却高温石墨的原理示意图。
23.图2为辐射板布置在炉墙内的示意图。
具体实施方式
24.下面结合实附图1和图2描述本发明具体实施方式：
25.需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，
26.请参阅图1，本发明提供了一种技术方案：
27.一种非接触式辐射冷却高温石墨的系统，包括：
28.存放高温石墨的冷却仓或炉膛1；
29.布置在冷却仓或炉膛1内的冷辐射板2；
30.制冷机3；制冷机3包括实现制冷效应的蒸发器31；吸入蒸发器31出口的制冷剂蒸汽的压缩机32；向周围环境排放热量的冷凝器33及其附属设备；连接蒸发器31与冷凝器33的节流阀34；连接冷辐射板2与蒸发器31的冷媒介质管路及动力设备35。
31.本方案中，冷却仓或炉膛1内为真空或充满惰性气体。冷辐射板2布置在冷却仓或炉膛1的顶部和四周，与高温石墨相隔一定距离的同时，使得冷辐射板2和石墨物料之间的角系数尽可能大。冷辐射板2与制冷机3的蒸发器31通过冷媒管路相连，与制冷机3构成一个封闭的循环系统。
32.本方案利用高温石墨表面与冷辐射板2表面之间的巨大温差，实现石墨向冷辐射板2的辐射传热。冷辐射板2内的循环冷媒介质吸收来自石墨的辐射热量，并通过循环泵和冷媒管道，以对流的方式将热量带离冷辐射板2，维持冷辐射板2表面的低温状态。冷媒管路与制冷机3的蒸发器31相连，蒸发器31吸收冷媒中的热量。被冷却的冷媒又通过循环泵，送回布置在冷却仓或炉膛1内的冷辐射板2内，再次吸收来自石墨的辐射热。
33.在本方案中，压缩机32吸入来自蒸发器31内的低压制冷剂蒸汽，带走蒸发潜热的同时维持蒸发器31内的低压状态。压缩机32出口的高温高压制冷剂蒸汽进入冷凝器33，冷凝器33为翅片管式冷凝器，管内为制冷剂侧，管外翅片强化空气侧换热，将热量传递至空气。
34.当没有独立的冷却仓，高温石墨置于加热炉内冷却时，如图2所示，将辐射板装于炉膛墙体内。本方案中104为高密度石墨纸，103为石墨隔热层，102为辐射板，101为高性能保温层。高密度石墨纸104和石墨隔热层103的厚度根据求解炉墙-辐射板体系的非线性复合介质导热过程确定。
35.上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
36.不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。


技术特征：
1.一种非接触式辐射冷却高温石墨的系统，其特征在于，包括：存放高温石墨的冷却仓或炉膛；布置在冷却仓或炉膛内的冷辐射板；制冷机；包括实现制冷效应的蒸发器；吸入蒸发器出口的制冷剂蒸汽的压缩机；向周围环境排放热量的冷凝器及其附属设备；连接蒸发器与冷凝器的节流阀；连接冷辐射板与蒸发器的冷媒介质管路及动力设备。2.一种非接触式辐射冷却高温石墨的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种非接触式辐射冷却高温石墨的系统；冷却仓或炉膛内是真空或非真空状态；冷辐射板通过热辐射的方式冷却仓或炉膛内石墨，利用高温石墨表面与冷辐射板2表面之间的巨大温差，实现石墨向冷辐射板的传热，实现无接触式冷却；冷辐射板内的循环冷媒介质吸收来自石墨的辐射热量，并通过循环泵，以对流的方式将热量带离冷辐射板，维持冷辐射板表面的低温状态；蒸发器吸收冷媒中的热量，维持冷媒的低温；压缩机吸入来自蒸发器内的低压制冷剂蒸汽，带走蒸发潜热的同时维持蒸发器内的低压状态；压缩机出口的高温高压制冷剂蒸汽进入冷凝器，将热量传递至空气或冷却水。3.根据权利要求2所述的一种非接触式辐射冷却高温石墨的方法，其特征在于，所述冷凝器采用空冷和水冷两种方案：空冷采用翅片管式换热器，管内为制冷剂侧，管外为空气冷却侧；水冷采用壳管、螺旋管或板式换热器，通过冷却水循环管路与冷却塔相连，构成完整的冷却系统。4.根据权利要求2所述的一种非接触式辐射冷却高温石墨的方法，其特征在于，辐射末端布置在加热炉的墙体内；位置为避免末端过热的最近炉膛内表面处，通过求解炉墙非线性传热过程确定。

技术总结
本发明公开了一种利用辐射原理冷却高温石墨的系统及方法，包括冷却仓或炉膛、冷辐射板和制冷机。制冷机主要包括压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器。其中，蒸发器和冷辐射板通过冷媒介质管路相连，冷凝器既可以采用翅片管式换热器，构成空气冷却系统，也可以采用螺旋管或管壳式换热器，与冷却塔相连，形成水冷系统。本发明采用冷辐射的方式，实现高温石墨的非接触式冷却。为防止辐射末端在石墨加热阶段过热，可以将辐射末端嵌入炉墙，末端的位置通过优化传热过程确定。该方法简单可靠，既解决了高温石墨自然冷却耗时长、效率低的问题，又避免了常规接触式冷却(对流和导热)可能导致的氧化、污染等副作用。污染等副作用。污染等副作用。


技术研发人员：李旻 刘志 莫东方
受保护的技术使用者：中南大学
技术研发日：2022.06.17
技术公布日：2022/8/19