CN110345542A - 一种基于微波加热的复合材料及储热系统和其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于微波加热的复合材料及储热系统和其工作方法，包括蓄热相变材料和吸波材料，蓄热相变材料和吸波材料的质量比为1:(0.01～0.02)，将蓄热相变材料和吸波材料加热熔融或混合制成复合材料，复合材料经微波加热后的储热温度为91～607℃。本发明利用新能源或谷电为微波系统供电，微波环境对复合材料进行加热储热，并且通过循环供暖用水，将储存的热量提供给用户端使用。绿色环保，成本较低，储热迅速，是一种非常有前景的新机制。

Description

一种基于微波加热的复合材料及储热系统和其工作方法
技术领域
本发明属于相变材料储热技术领域，具体涉及一种基于微波加热的复合材料及储热系统和其工作方法。
背景技术
现阶段中国北方地区冬季供暖供热以煤为主要燃料，但随着供热技术和供热设备的发展，供热方式逐渐多样化，供热能源结构也出现了一些变化。目前，以气、油、电为供热能源的供热面积在逐年增加，被越来越多的人所接受，煤、气、油、电等构筑的供热能源结构渐趋合理。
目前所采用的供热机制是：传统电力加热—储热系统—供暖用水—用户。其中主要存在以下问题：
1)电力还是以火电为主，有硫、氮等元素，污染环境，同时排放大量温室气体，不符合绿色环保的思想；
2)采用常规加热技术，将电炉丝捆绑在储热材料外部，电阻丝加热过程仅加热储热材料表面，存在受热不均匀的问题(即温度梯度)，外部温度过高，内部温度还未达到要求，储热材料无法充分储热，导致储热密度远低于理论设计值，而且外部的过高温度会降低储热材料的使用寿命；
3)即使在储热材料中添加导热剂依然存在热能无法传递到内部的问题，而且降低了储热材料的比例，导致储热材料的储热密度降低。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于微波加热的复合材料及储热系统和其工作方法，利用清洁能源或谷电为微波发生器供电，微波发生器对复合材料(蓄热相变材料/吸波材料)进行加热储热，通过供暖用循环水将储存的热量提供给居民、商场等使用，从而解决北方居民住宅、商场等建筑群的供暖供热问题。
本发明采用以下技术方案：
一种基于微波加热的复合材料，包括蓄热相变材料和吸波材料，蓄热相变材料和吸波材料的质量比为1:(0.01～0.02)，将蓄热相变材料和吸波材料加热熔融或混合制成固体或粉体结构的复合材料，复合材料经微波加热后的储热温度为91～607℃。
具体的，蓄热相变材料包括NaCH3COO·3H2O、石蜡、Mg(NO3)2·6H2O和2，2-二羟甲基丙酸中的至少一种，吸波材料包括碳系吸波材料、金属氧化物材料、陶瓷系吸波材料、导电聚合物、手性材料和等离子材料中的至少一种。
本发明的另一个技术方案是，一种储热系统，包括微波发生器和吸波相变储热砖，吸波相变储热砖内设置有复合材料，吸波相变储热砖设置在供暖用循环水的两侧，能够对供暖用循环水进行加热处理，微波发生器设置在吸波相变储热砖的一侧，能够对复合材料进行微波加热，微波发生器使用清洁能源或谷电进行供电。
具体的，微波发生器的功率为500～1000W。
具体的，微波发生器的功率为0.5～15kW。
具体的，吸波相变储热砖内部间隔设置有多个复合材料储存腔，复合材料设置在复合材料储存腔内，吸波相变储热砖的外部设置有导热防腐层，导热防腐层采用硅酸盐或碳酸盐制成。
进一步的，复合材料储存腔为球状结构。
本发明的另一个技术方案是，一种储热系统的工作方法，包括以下步骤：
S1、白天使用清洁能源，夜间使用谷电为微波发生器进行供电，微波发生器对复合材料进行加热处理；
S2、复合材料产生热量并传递给吸波相变储热砖，吸波相变储热砖与循环供暖用水产生温差，热量由吸波相变储热砖传导入循环供暖用水，循环供暖用水通过导热管道导向用户供暖设施，为用户提供热源。
具体的，步骤S1中，微波发生器对复合材料进行加热处理时间为30～360s。
具体的，步骤S2中，吸波相变储热砖的表面温度为95～608℃。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于微波加热的复合材料，利用蓄热材料在相变温度下发生物相变化，并伴随着吸收或放出热量，用来控制周围环境的温度，或用以储存热能。但是目前供暖使用的蓄热相变材料由于技术问题无法均匀受热，导致加热使用中能量效率低，将蓄热材料和吸波材料进行复合，进而使用微波储热的方式使得材料快速、均匀受热。
进一步的，根据相变种类的不同，相变蓄热采用固-固相变和固-液相变是实际中采用较多的相变类型。根据材料性质的不同，一般来说相变蓄热材料可分为:有机类、无机类及混合类相变蓄热材料。吸波材料有碳系、金属氧化物等类型，都是可以在微波中吸波快速储热的材料。
本发明一种储热系统，使用清洁能源或夜间谷电，减少温室气体排放和充分利用闲时能源，降低储热成本；创新性引入微波加热法，利用微波的强穿透性、高能性，快速、均匀、安全地加热储热材料，将热能迅速地储存在储热材料中，提高储热材料的储热密度，保证储热材料的温度在合适的范围，不至于降低储热材料的使用寿命，并且不需要在储热材料中添加导热剂，提高储热材料占比，以提高储热材料的储热密度。
进一步的，本发明可以在家中使用微波储热，小型供热时非常方便；也可以在商场、建筑等大型供暖时用工业微波，快速，便捷；如有特殊要求，可以自己选择微波频率。
进一步的，单块储热砖外部是高导热、耐高温、耐腐蚀材料构成，最大程度避免砖体破裂损坏；砖体内部是球型空间，这种结构可以避免复合材料发生固-液相变时泄露出储热砖，并且隔绝相变材料与空气接触，延长了复合材料使用寿命。
本发明还公开了一种储热系统的工作方法，白天可以充分利用过剩的绿色能源，如风能、太阳能等；夜间利用谷电进行储热，价格便宜，成本低廉；供暖用循环水可以反复使用，必要时直接添加即可，操作简单，避免浪费。
进一步的，微波时间设置为几十秒或者几分钟，加热迅速且均匀，可以快速进行供暖，增强使用者的良好体验感。
综上所述，本发明利用新能源或谷电为微波系统供电，微波环境对复合材料(储热材料/吸波材料)进行加热储热，并且通过循环供暖用水，将储存的热量提供给用户端使用。绿色环保，成本较低，储热迅速，是一种非常有前景的新机制。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明储热系统示意图；
图2为本发明吸波相变储热砖示意图，其中，(a)为主视图，(b)为侧视图，(c)为剖视图，(d)为立体图。
其中：1.微波发生器；2.供暖用循环水；3.吸波相变储热砖；4.复合材料储存腔。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图1，本发明提供的储热系统，包括微波发生器(1)和吸波相变储热砖(3)，吸波相变储热砖(3)设置在供暖用循环水(2)的两侧，方便对供暖用循环水(2)进行加热，再通过供暖用循环水(2)对用户供暖设施进行供热；微波发生器(1)设置在吸波相变储热砖(3)的一侧，能够对吸波相变储热砖(3)内部的复合材料进行微波加热；使用清洁能源(风能、氢能、太阳能、潮汐能等)、谷电等环保能源对微波发生器(1)进行供电，不仅可减少温室气体的排放，而且能够合理利用闲时能源。
微波发生器(1)的功率为0.5～15kW。若在家中等小型供热时可选择微波，微波时间设置为几十秒或者几分钟，非常方便快捷，可增强使用者的体验感；若在商场、建筑等大型供暖时可选择工业微波；如有特殊要求，还可以自己定制微波频率。
请参阅图2，吸波相变储热砖(3)的内部间隔设置有多个复合材料储存腔(4)，复合材料储存腔(4)为球状空间，用于储存复合材料。
单块储热砖外部是由高导热、耐高温、耐腐蚀材料构成，最大程度避免砖体破裂损坏；砖体内部是球型空间，这种结构可以避免复合材料发生固-液相变时泄露出储热砖，并且隔绝相变材料与空气接触，延长了复合材料使用寿命。
本发明利用复合材料中蓄热材料在相变温度下发生物相变化，并伴随着吸收或放出热量来实现储存热能。复合材料经微波加热后的储热温度为91～607℃，可通过采用不同材料及控制其比例得到不同储热范围的复合材料，还可通过设置微波的功率及时间来调节吸波相变储热砖的表面温度(95～608℃)以满足储热系统在不同场景(小型或工业)中的应用。
微波加热用复合材料包括蓄热相变材料和吸波材料，蓄热相变材料和吸波材料的质量比为1:(0.01～0.02)，二者的比例对于复合材料的性质及其重要，影响着复合材料的储能温度。典型但非限制的，蓄热相变材料和碳系吸波材料的质量比为1：(0.01～0.015)，蓄热相变材料和金属氧化物类吸波材料的质量比为1：(0.015～0.02)。
进一步的，根据相变种类的不同，相变蓄热可分为固-固相变蓄热和固-液相变蓄热；根据材料性质的不同，相变蓄热材料可分为:有机类、无机类及混合类相变蓄热材料；吸波材料有碳系、金属氧化物等类型。
蓄热相变材料包括如下：有机类、无机类及混合类相变蓄热材料。其中，石蜡类、脂酸类是有机类中的典型相变蓄热材料；结晶水合盐、熔融盐和金属及合金等是无机类中的典型相变蓄热材料；混合类又可分为:有机混合类、无机混合类及无机-有机混合类。具体如表1所示。
表1几种蓄热相变材料特性
相变材料 相变温度(℃) 熔解热(kJ/kg)
NaCH<sub>3</sub>COO·3H<sub>2</sub>O 58.2 265
石蜡(30个C原子) 65.5 252
Mg(NO<sub>3</sub>)<sub>2</sub>·6H<sub>2</sub>O 89.9 167
2，2-二羟甲基丙酸 153 287
吸波材料包括：
1)碳系吸波材料，包括石墨烯、石墨、炭黑、碳纤维、碳纳米管、活性炭或煤半焦；
2)金属氧化物材料，包括MgO、FeO或CuO；
3)陶瓷系吸波材料，包括碳化硅；
4)其他类型的材料，包括导电聚合物、手性材料(左手材料)或等离子材料。
吸波相变储热砖(3)外部设置有导热防腐层，导热防腐层采用硅酸盐、碳酸盐等高导热、耐高温、耐腐蚀材料构成。
本发明提供的储热系统的供暖过程如下：
1)首先在电力端，使用清洁能源进行供电，目前清洁能源技术发展迅速，包括风电，太阳能，氢能等，但这些能源由于不稳定无法并入电网，如果存储在电池中，再对储热系统进行供电，可以充分利用清洁能源，降低污染，减少温室气体的排放；还可以利用谷电，在夜间对系统进行供电储热，大大降低成本；
2)在储热系统端，提出一种新的加热方法，即对复合材料(蓄热相变材料/吸波材料)进行微波加热，微波加热属于介质加热范畴。微波加热是材料在电磁场中由介质损耗引起的体加热。介质材料由极性分子和非极性分子组成。当介质在交变电磁场中，带有不对称电荷的分子受到交变电磁场的激励，产生转动，从随机分布状态转变为依电场方向进行取向排列。在微波电磁场作用下，这些取向运动以每秒数十亿次的频率不断发生，必须克服物体内部分子原有的无规则热运动和分子间相互作用的干扰和阻碍，产生“摩擦效应”，以热的形式表现出来，从而使物料被加热。微波场中，物质吸收微波的能力与其电磁特性和介电性能有关。介电损失能力强、介电常数较大的极性分子，与微波有较强的耦合作用，可将微波电磁能转化为热能；
3)在能量传输端，利用供暖用循环水与吸波相变储热砖之间的温度差，使热量由吸波相变储热砖传导入供暖用循环水，供暖用循环水再通过导热管道导向用户供暖设施，为用户提供源源不断的暖气；
4)由于储热材料在微波环境下可以重复储热放热，达到多次循环的效果，所以这种储热机制可以应用于民用住宅，商场等建筑群的供暖中。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供的储热系统，包括：微波发生器和吸波相变储热砖，所述微波发生器设置在吸波相变储热砖的一侧，所述吸波相变储热砖设置在供暖用循环水的两侧，所述吸波相变储热砖内设置有复合材料。其中，复合材料为石蜡/石墨烯复合材料，其制备步骤如下：
(1)取100g石蜡在高于其熔点温度(60℃)下加热熔化；
(2)加入1.0g石墨烯，充分混合均匀，使得石墨烯分散在石蜡中，得到石蜡/石墨烯复合材料。
实验例1
将石蜡/石墨烯复合材料注入储热砖中，微波环境下进行蓄热，同时作为对比，将石蜡/石墨烯复合材料进行传统电阻丝加热储热。
表2为实验例1中采用微波加热储热与传统电阻丝加热储热方法的详细数据对比。
表2实验例1不同加热方法(微波法与电阻丝法)储热砖数据对比
实施例2
本实施例提供的储热系统，包括：微波发生器和吸波相变储热砖，所述微波发生器设置在吸波相变储热砖的一侧，所述吸波相变储热砖设置在供暖用循环水的两侧，所述吸波相变储热砖内设置有复合材料。其中，复合材料为Mg(NO3)2·6H2O/活性炭复合材料，其制备步骤如下：
(1)取100g Mg(NO3)2·6H2O在高于其熔点温度(90℃)下加热熔化；
(2)加入2g活性炭，充分混合均匀，使得活性炭分散在水合盐中,得到水合盐/活性炭复合材料。
实验例2
将Mg(NO3)2·6H2O/活性炭复合材料注入储热砖中，微波环境下进行蓄热，同时作为对比，将水合盐/活性炭复合材料进行传统电阻丝加热储热。
表3为实验例2采用微波加热储热与传统电阻丝加热储热方法的详细数据对比。
表3实验例2不同加热方法(微波法与电阻丝法)储热砖数据对比
实施例3
本实施例提供的储热系统，包括：微波发生器和吸波相变储热砖，所述微波发生器设置在吸波相变储热砖的一侧，所述吸波相变储热砖设置在供暖用循环水的两侧，所述吸波相变储热砖内设置有复合材料。其中，复合材料为600℃相变温度的Na2CO3-BaCO3/MgO储热材料/氧化铜复合材料，其制备步骤如下：
(1)取100g相变储热材料(粉末状)，相变温度为600℃；
(2)加入2g氧化铜充分混合均匀，使得金属氧化物粉末分散在相变材料中，得到高温相变储热材料/金属氧化物复合材料。
实验例3
将高温相变储热材料/金属氧化物复合材料注入储热砖中，微波环境下进行蓄热，同时作为对比，将高温相变储热材料/金属氧化物复合材料进行传统电阻丝加热储热。
表4为实验例3采用微波加热储热与传统电阻丝加热储热方法的详细数据对比。
表4实验例3不同加热方法(微波法与电阻丝法)储热砖数据对比
综上所述，本发明利用清洁能源或谷电为微波发生器供电，微波发生器对复合材料(蓄热相变材料/吸波材料)进行加热储热，并且通过供暖用循环水将储存的热量提供给用户端使用，绿色环保，成本较低，储热迅速，具有广阔的应用前景。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微波加热的复合材料，其特征在于，包括蓄热相变材料和吸波材料，蓄热相变材料和吸波材料的质量比为1:(0.01～0.02)，将蓄热相变材料和吸波材料加热熔融或混合制成固体或粉体结构的复合材料，复合材料经微波加热后的储热温度为91～607℃。
2.根据权利要求1所述的基于微波加热的复合材料，其特征在于，蓄热相变材料包括NaCH3COO·3H2O、石蜡、Mg(NO3)2·6H2O和2，2-二羟甲基丙酸中的至少一种，吸波材料包括碳系吸波材料、金属氧化物材料、陶瓷系吸波材料、导电聚合物、手性材料和等离子材料中的至少一种。
3.一种储热系统，其特征在于，包括微波发生器(1)和吸波相变储热砖(3)，吸波相变储热砖(3)内设置有如权利要求1或2所述的复合材料，吸波相变储热砖(3)设置在供暖用循环水(2)的两侧，能够对供暖用循环水(2)进行加热处理，微波发生器(1)设置在吸波相变储热砖(3)的一侧，能够对复合材料进行微波加热，微波发生器(1)使用清洁能源或谷电进行供电。
4.根据权利要求3所述的储热系统，其特征在于，微波发生器(1)的功率为500～1000W。
5.根据权利要求3所述的储热系统，其特征在于，微波发生器(1)的功率为0.5～15kW。
6.根据权利要求3所述的储热系统，其特征在于，吸波相变储热砖(3)内部间隔设置有多个复合材料储存腔(4)，复合材料设置在复合材料储存腔(4)内，吸波相变储热砖(3)的外部设置有导热防腐层，导热防腐层采用硅酸盐或碳酸盐制成。
7.根据权利要求6所述的储热系统，其特征在于，复合材料储存腔(4)为球状结构。
8.一种根据权利要求3所述储热系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、白天使用清洁能源，夜间使用谷电为微波发生器进行供电，微波发生器对复合材料进行加热处理；
S2、复合材料产生热量并传递给吸波相变储热砖，吸波相变储热砖与循环供暖用水产生温差，热量由吸波相变储热砖传导入循环供暖用水，循环供暖用水通过导热管道导向用户供暖设施，为用户提供热源。
9.根据权利要求8所述储热系统的工作方法，其特征在于，步骤S1中，微波发生器对复合材料进行加热处理时间为30～360s。
10.根据权利要求8所述储热系统的工作方法，其特征在于，步骤S2中，吸波相变储热砖的表面温度为95～608℃。
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