CN111059601A - 一种家用相变取暖装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种家用相变取暖装置,壳体内间隔设置有多个吸波蓄热板,吸波蓄热板的内部设置有复合相变材料,吸波蓄热板的两侧分别设置有与微波自动发生器连接的波导管,通过微波加热实现恒温放热。本发明能源利用率更高,节能性更强,结构简单、更安全、使用寿命更长。

Description

一种家用相变取暖装置
技术领域
本发明属于取暖设备技术领域,具体涉及一种家用相变取暖装置。
背景技术
集中供暖已经成为现阶段中国北方地区城市居民取暖的基本方式,但对与难以实现集中供暖的农村地区、偏远地区以及未通暖气的城市居民而言,取暖器成为一种常见生活用品。目前,市场上的取暖器的供热机制是:通过电力对电炉丝或碳纤维管进行通电加热,部分取暖器通过电路实现对通电加热过程的控制,其中主要存在以下问题:
1)市场上取暖器的电阻加热型工作方式,加热时间较长且能源利用率较低。
2)发热方式为电力加热电炉丝或碳纤维管,这种电阻类通电制热方式因发热不均匀,可能存在局部高温等情况,具有极大安全隐患。
3)部分电暖器通过电路控制加热过程,电路与被加热电炉丝或碳纤维管连接,存在温度失衡引起电路着火的安全隐患。
4)市场上取暖器为保证取暖器恒温供暖需持续供电,取暖器内器件需在高温条件下长时间工作,同时因此该类发热方式中电炉丝使用寿命较短且会造成持续性的噪声污染。
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,提供一种家用相变取暖装置,解决农村地区、偏远地区以及未通暖气的城市区域的供暖供热问题。
本发明采用以下技术方案:
一种家用相变取暖装置,括壳体,壳体内间隔设置有多个吸波蓄热板,吸波蓄热板的内部设置有复合相变材料,吸波蓄热板的两侧分别设置有与微波自动发生器连接的波导管,通过微波加热实现恒温放热。
具体的,吸波蓄热板的数量为1~4片。
具体的,吸波蓄热板为平面板或管翅式结构。
具体的,复合相变材料包括质量比1:的蓄热相变材料和吸波材料。
进一步的,蓄热相变材料包括石蜡、NaCH3COO·3H2O、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。
具体的,微波工作的功率为600~1500W。
进一步的,微波的工作方式为间歇式,对复合材料进行加热处理的时间为40~300s。
具体的,相变取暖装置内设置有温度传感器,温度低于20~28℃时微波自动发生器工作,温度92~103℃时微波自动发生器停止工作。
具体的,壳体上设置有气孔。
与现有技术相比,本发明至少具有以下有益效果:
本发明是一种基于微波加热的复合材料的新型家用相变取暖器,与现有取暖器通电对电炉丝或纤维管加热不同之处在于,创新性引入微波加热方式取代了电阻式加热方式。吸波材料吸收微波将其转化为热能传递给相变材料,利用蓄热材料在相变温度下发生相变,伴随着吸收微波或放出热量,用来控制周围环境的温度,或用以储存热能。利用微波的强穿透性、高能性特点快速加热储热材料,通过微波对填充复合相变材料的吸波蓄热版加热方式,无电路与被加热器件直接连接,规避了常规加热过程中因电路存在而可能存在的安全隐患问题。另一方面微波作用具有强穿透性、作用均匀的特点,可实现对吸波蓄热版的均匀加热,规避了常规加热方式中可能存在的局部高温问题。同时该复合相变材料可多次反复储热,使用寿命长。
进一步的,本产品采用复合相变材料,除具有吸波特性外,还具有放热过程恒温的特点。相比较传统取暖器维持恒温需要持续加热而言,相变材料放热恒温过程仅为物理变化不涉及化学作用。同时根据相变材料种类的不同,可根据适用场所要求选择不同熔点的相变材料制备成复合材料。
进一步的,蓄热相变材料与吸波材料的质量比为1:(0.01~0.05),材料加热时间短,且容易制备,若吸波材料占比太低,则吸波效果不明显;若吸波材料占比太高,不容易均匀分布在相变材料中,且成本提高,相变材料储热效果也变差。
进一步的,微波自动发生器工作方式为间歇式,相较于传统取暖器工作时存在的噪声问题,微波作用过程几乎不存在噪声污染,通过几十秒或者几分钟的微波作用可实现30~50分钟的恒温取暖,节能性更强同时极大解决噪声污染问题。
进一步的,微波自动发生器在温度92~103℃停止工作,从而实现对复合材料加热过程高温控制,此时温度高于复合相变材料熔点,吸波蓄热板完成相变储热,在微波停止工作后吸波蓄热板在放热取暖过程中保持一段长时间恒温,在温度低于20~28℃时微波自动发生器再次工作,防止室内温度低于适宜温度保证持续放热取暖。
综上所述,本发明能源利用率更高,节能性更强,结构简单、更安全、使用寿命更长。
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为本发明实施例1提供的吸波蓄热板填充的复合相变材料的相变过程状态图;
图2为本发明中吸波蓄热板填充的复合相变材料在吸波蓄热过程与放热过程中温度随时间变化图;
图3为本发明新型家用相变取暖器外观结构示意图;
图4为本发明新型家用相变取暖器的内部结构俯视图示意图;
图5为本发明实施例1~4曲线图。
其中:1.壳体;2.吸波储热板;3.微波自发生器;4.波导管;5.气孔。
具体实施方式
本发明提供了一种家用相变取暖装置,采用间歇式的微波自动发生器,在温度低于20~25℃时微波自动发生器工作,微波发生器对吸波蓄热板内的复合材料(蓄热相变材料/吸波材料)进行加热储热,在温度达到92~103℃时停止工作,吸波蓄热板在放热过程中因为相变储热会有一段长时间的恒温过程,在温度低于20~28℃时微波自动发生器再次工作。
请参阅图3和图4,本发明一种家用相变取暖装置,包括壳体1、吸波蓄热板2、微波自动发生器3和波导管4,
壳体1的上、下表面分布有气孔5,吸波蓄热板2、微波自动发生器3和波导管4设置在壳体1的内部,微波自动发生器3与波导管4连接,波导管4设置在吸波蓄热板2的两侧,微波自动发生器3通过位于吸波蓄热板2两侧的波导管4对填充的复合材料进行微波加热;对微波自动发生器3使用间歇式供电,不仅可减少加热时间实现长时间恒温放热、减少噪声污染,而且更符合节能需求。
微波自动发生器3的功率为600~1500W。对于不同场所供热时可实现微波调频,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。吸波蓄热板内部填充有复合材料,外部外部设置有导热防腐层,导热防腐层采聚四氟乙烯(PTEF)等透微波、高导热、耐高温、耐腐蚀材料构成。
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蓄热与取暖。复合材料经微波加热后的储热温度为92~103℃,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蓄热板的表面温度70~155℃以满足新型相变取暖器在需求不同恒温的不同场景中的应用。
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1:0.015~0.05。
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;石墨烯包括CVD石墨烯、还原氧化石墨烯、3D石墨烯、液相剥离石墨烯、氧化石墨烯、高温碳化石墨烯、热剥离石墨烯和机械剥离石墨烯中的一种或几种。
2陶瓷系吸波材料,包括碳化硅;
3金属氧化物材料,包括MgO、FeO或CuO;
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。
本发明提供的储热系统的供暖过程如下:
该新型家用取暖器基于一种新的加热方法,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。
微波自动发生器工作方式为间歇式,在温度低于20~28℃时微波自动发生器工作,微波发生器通过波导管对吸波蓄热板内的复合材料蓄热相变材料/吸波材料进行加热储热,在温度达到92~103℃时停止工作,吸波蓄热板在放热过程中因为相变储热会有一段长时间的恒温过程,在温度低于20~28℃时微波自动发生器再次工作。从而解决农村地区、偏远地区以及未通暖气的城市区域的供暖供热问题。
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,所以这种新型相变取暖器可以应用于民用住宅,学校教室等建筑的取暖中。
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。
本发明实施例中,复合材料为石蜡/石墨烯复合材料。石蜡有很强的蓄热能力,没有析出现象,且具有无毒,无腐蚀,方便得到,价格便宜等优点。石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300W/(m*K),是目前为止导热系数最高的碳材料。随着科学研究的不断发现,目前可以制备石墨烯的方法层出不穷,成本也在逐渐降低,因此石墨烯作为掺杂材料非常有应用前景。
实施例1
本实施例提供的一种新型家用相变取暖器,包括壳体、波导管、微波自动发生器和吸波蓄热板,吸波蓄热板内部填充有复合相变材料。其中,复合相变材料为石蜡/石墨烯复合材料,其制备步骤如下:
1取质量为30g的石蜡进行粉碎处理,100℃下加热使之熔化;
2称取单层石墨烯0.15g,边搅拌边将其添加进融化的石蜡中;
3在搅拌器上充分搅拌10min,使得石墨烯均匀的分散在石蜡中,得到复合相变材料。
实施例2
本实施例提供的一种新型家用相变取暖器,包括壳体、波导管、微波自动发生器和吸波蓄热板,吸波蓄热板内部填充有复合相变材料。其中,复合相变材料为石蜡/石墨烯复合材料,其制备步骤如下:
1取质量为30g的石蜡进行粉碎处理,110℃下加热使之熔化;
2称取单层石墨烯0.225g,边搅拌边将其添加进融化的石蜡中;
3在搅拌器上充分搅拌12min,使得石墨烯均匀的分散在石蜡中,得到复合相变材料。
实施例3
本实施例提供的一种新型家用相变取暖器,包括壳体、波导管、微波自动发生器和吸波蓄热板,吸波蓄热板内部填充有复合相变材料。其中,复合相变材料为石蜡/石墨烯复合材料,其制备步骤如下:
1取质量为30g的石蜡进行粉碎处理,120℃下加热使之熔化;
2称取单层石墨烯0.3g,边搅拌边将其添加进融化的石蜡中;
3在搅拌器上充分搅拌15min,使得石墨烯均匀的分散在石蜡中,得到复合相变材料。
实施例4
本实施例提供的一种新型家用相变取暖器,包括壳体、波导管、微波自动发生器和吸波蓄热板,吸波蓄热板内部填充有复合相变材料。其中,复合相变材料为石蜡/石墨烯复合材料,其制备步骤如下:
1取质量为30g的石蜡进行粉碎处理,100℃下加热使之熔化;
2在搅拌器上充分搅拌13min,得到纯石蜡相变材料。
将上述实施例得到的复合相变材料与纯石蜡进行微波升温性能测试,具体步骤为:将实施例1-4中制备得到的复合相变材料放入微波发生器分别加热60s后取出,并在该过程中持续记录温度变化,结果如图5所示,将将实施例1~4所得曲线分别记为PA/G-1、PA/G-2、PA/G-3、PA。
实施例5
本实施例提供的一种新型家用相变取暖器,包括壳体、波导管、微波自动发生器和吸波蓄热板,吸波蓄热板内部填充有复合相变材料。其中,复合相变材料为石蜡/石墨烯复合材料,其制备步骤如下:
1取质量为30g的石蜡进行粉碎处理,100℃下加热使之熔化;
2称取单层石墨烯0.3g,边搅拌边将其添加进融化的石蜡中;
3在搅拌器上充分搅拌10min,使得石墨烯均匀的分散在石蜡中,得到复合相变材料。
实施例6
本实施例提供的一种新型家用相变取暖器,包括壳体、波导管、微波自动发生器和吸波蓄热板,吸波蓄热板内部填充有复合相变材料。其中,复合相变材料为石蜡/石墨烯复合材料,其制备步骤如下:
1取质量为30g的石蜡进行粉碎处理,110℃下加热使之熔化;
2称取热剥离石墨烯0.45g,边搅拌边将其添加进融化的石蜡中;
3在搅拌器上充分搅拌12min,使得石墨烯均匀的分散在石蜡中,得到复合相变材料。
实施例7
本实施例提供的一种新型家用相变取暖器,包括壳体、波导管、微波自动发生器和吸波蓄热板,吸波蓄热板内部填充有复合相变材料。其中,复合相变材料为石蜡/石墨烯复合材料,其制备步骤如下:
1取质量为30g的石蜡进行粉碎处理,120℃下加热使之熔化;
2称取氧化石墨烯0.6g,边搅拌边将其添加进融化的石蜡中;
3在搅拌器上充分搅拌15min,使得石墨烯均匀的分散在石蜡中,得到复合相变材料。
将上述实施例得到的复合相变材料进行保温性能测试,具体步骤为:将实施例5-7中制备得到的复合相变材料放入微波炉分别加热30s后取出,随后在37℃人体温度的条件下进行保温实验,测试其温度,结果如表2所示。
表2:实验例保温性能测试结果
Figure BDA0002313404910000111
请参阅图1,为本发明实施例3提供的新型相变中复合相变材料的相变过程。掺杂石墨烯的石蜡块在常温下是固态,在微波炉中加热30s,变为液态,储存热量,用于保温,在与人体温度一致的环境存放一段时间后,冷却凝固。
图2为本发明提供的新型家用相变取暖器中复合相变材料的温度随时间变化图,可看到:
1、微波78s后,温度可以达到93℃,此温度后微波自动发生器停止工作;
2、在0~36分钟的时间内,温度始终保持在45℃以上,放热取暖性能优异。
综上所述,本发明采用微波自动发生器间歇性供电,微波自动发生器通过波导管对复合材料蓄热相变材料/吸波材料进行加热储热,实现短时间加热长时间恒温放热取暖的功能,绿色环保,成本较低,加热迅速,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 (9)

1.一种家用相变取暖装置,其特征在于,包括壳体(1),壳体(1)内间隔设置有多个吸波蓄热板(2),吸波蓄热板(2)的内部设置有复合相变材料,吸波蓄热板(2)的两侧分别设置有与微波自动发生器(3)连接的波导管(4),通过微波加热实现恒温放热。
2.根据权利要求1所述的家用相变取暖装置,其特征在于,吸波蓄热板(2)的数量为1~4片。
3.根据权利要求1所述的家用相变取暖装置,其特征在于,吸波蓄热板(2)为平面板或管翅式结构。
4.根据权利要求1所述的家用相变取暖装置,其特征在于,复合相变材料包括质量比1:(0.01~0.05)的蓄热相变材料和吸波材料。
5.根据权利要求4所述的家用相变取暖装置,其特征在于,蓄热相变材料包括石蜡、NaCH3COO·3H2O、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。
6.根据权利要求1所述的家用相变取暖装置,其特征在于,微波工作的功率为600~1500W。
7.根据权利要求6所述的家用相变取暖装置,其特征在于,微波的工作方式为间歇式,对复合材料进行加热处理的时间为40~300s。
8.根据权利要求1所述的家用相变取暖装置,其特征在于,相变取暖装置内设置有温度传感器,温度低于20~28℃时微波自动发生器(3)工作,温度92~103℃时微波自动发生器(3)停止工作。
9.根据权利要求1所述的家用相变取暖装置,其特征在于,壳体(1)上设置有气孔(5)。
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