一种利用微波加热技术使用地热资源的方法及其加热装置

摘要

本发明涉及一种利用微波加热技术使用地热资源的方法及其加热装置，属于一种提升地热资源温度的方法和装置。本发明将地热水从井抽出后直接在供暖管道上加装微波加热器，通过加热器末端水温传感器数据，在控制面板设定微波发生器功率大小，进行水温控制。或者将地热水从井抽出后采用换热板多次换热，把热能传递给常温地表水加热后输送到供暖管道，此时在供暖管道中加装微波加热器，进行加热。加热装置包括控制面板(1)、微波发生器(2)、金属多面体(3)、非金属内胆(4)、进水口(5)和出水口(6)。本发明解决了进一步利用地热资源提供高温热水供暖的问题。具有安全环保，加热速度快，节约能源等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用微波加热地热资源的方法及根据这种方法而设计的加热装置，属于一种提升地热资源温度的方法和装置。

背景技术

地热供暖主要集中在我国的北方城市，其基本形式有两种：直接供暖和间接供暖。直接供暖就是以地热水为工质供热，间接供暖是利用地热水加热供热介质，再利用介质循环供热。虽然全国直接利用总量已达到2410MW，居世界各国前列，但利用水平和效率比较低，对于25℃～50℃温度段的能量利用率很差。为实现可持续发展目标，国家制定了“十五能源发展战略规划”：要求调整能源结构，减少燃煤造成的污染，大力发展新能源可再生能源的利用技术，以充分利用地热资源。

57℃低温地热水可直接给采用中央空调系统的建筑供暖，但是该低温地热水要用于暖气片热水式循环热力系统供暖，需进一步加热，将水温提高到70℃以上。

目前冬季供暖中使用地热资源主要采用地源热泵系统，然而热泵系统在实际工程应用中是受到以下条件限制的：第一，热泵机组的热水供水温度由于受到制冷剂、润滑油和压缩机的工作范围(包括排气温度、排气压力、回气温度和回气压力)的限制，其温度不可能太高。著名压缩机厂家生产的压缩机，安全经济的排气饱和温度最高也就在75℃，就算假定系统设计效率非常高，排气没有压力损失(一般要有1℃的压力损失)，最大的冷凝器的冷凝压力也只能达到75℃，要保持一个经济的冷凝器大小，一般冷凝器中冷却液体(热水)与制冷剂冷凝温度保持约5℃的传热温差，所以热水温度最高也就在70℃。高温型的水源热泵机组通常选用R134a作制冷剂，比起采用R22制冷剂的热泵机组，出水温度可以得到一定的提高，但其对应的冷凝温度和蒸发温度还是有限制的。第二，由于第一条的限制，因此其安全经济的出水温度也仅在55℃～70℃之间，而旧有的暖气系统的供/回水温度一般是90/75℃，因此需要加大热水流量来补偿传热温差的减小。所以旧有的暖气系统必须是相对较新的暖气系统，结垢较少才能保证传热效果好，必须是两管制系统，保证各房间供暖一致，避免单管系统尾部暖气片供水温度过低。加大供水量也是受到一定限制的，必须保证系统的水力条件在可行的范围内，避免由于水量过大造成的系统水力失调，导致暖气系统噪音和振动增大。

因此利用低温地热资源提供更高温度的热水供暖，采用热泵系统方案并不合适，应当采用其他的辅助加热方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前热泵系统无法进一步利用地热资源提供高温热水供暖的不足，用普通方法加热耗能大、加热时间长的缺点，提出一种利用微波加热技术使用地热资源的方法，并且提出一种微波加热器，合理地将地热水或地热水加热的介质再次进行微波加热，把温水继续加热到100℃以内，实现微波加热与地热资源利用合理的结合，满足用户供暖需求，高效利用地热资源。

本发明的方法为将低温地热水或者地热水加热的介质通过微波加热的方法将水温加热到100℃以内(特殊需要可加热更高使水汽化)供暖。将低温地热水通过微波加热的具体步骤为：地热水从井抽出后直接在供暖管道上加装微波加热器，通过加热器末端水温传感器数据，在控制面板设定微波发生器功率大小，进行水温控制。为避免地热水中杂质多带来的供暖危害，将地热水加热的介质通过微波加热，其具体步骤为：地热水从井抽出后采用换热板换热，把热能传递给做为介质的水加热后输送到供暖管道，此时在供暖管道中加装微波加热器，通过加热器末端水温传感器数据，在控制面板设定微波发生器功率大小，实现水温控制。根据气温条件和管道长度计算出在供暖管道加装微波加热器的距离、数量。

根据本发明的方法本发明设计了一种加热低温地热水或者经地热水加热的介质的加热装置，即微波加热器，包括控制面板1、微波发生器2、金属多面体3、非金属内胆4、进水口5和出水口6，其中，非金属内胆4设置在做为加热器外壳的金属多面体3内，非金属内胆4的两端分别为进水口5和出水口6，微波发生器2与金属多面体3连通并通过其内壁微波反射到内胆中使水升温，由控制面板来控制非金属内胆4内介质的温度。

所述的非金属内胆4采用聚乙烯或聚丙烯等非金属耐压材料。

所述的微波发生器2的电路构成为：包括电源7、由高压变压器、高压电容器14、高压二极管15组成的阳极高压电源、磁控管16；其中，市电经变压器变换后提供磁控管的灯丝电源(阴极)和阳极高压电源。

高压变压器输出高压，此时电容器充电成为高压电容。高压二极管将高压变压器输出高压和高压电容输出的电压叠加在一起达到高压，再将此电压加到磁控管上，当电压超过磁控管阀门电压时，管子振荡工作，输出微波能量，产生阳极电流，电容器放电。电路就周而复始地工作下去。

微波发生器2的电路还包括与电源7相连的保险8、热切断器9、功率控制开关10。

本发明的设计原理为：在磁控管的阳极与阴极之间加上一定的直流电压，阴极发射的电子受阳极正电位影响则飞向阳极。但因空间存在方向与电场垂直的磁场，因而电子在磁场力和电场力作用下作轮摆运动。因阳极谐振腔内存在高频电场，因而就形成绕阳极旋转的“电子云”。当此“电子云”的旋转速度与高频磁场同步时，电子则会将所有的能量交给高频磁场，从而维持高频振荡。这种高频能量经微波能量输出器输出，在金属腔内产生连续微波，就可以将水加热。地热水或地热水加热的介质通过进水口5进入内胆4，磁控管16产生的微波在等多面体金属封闭加热腔体内反射，通过高频电场的作用，水介质的极性分子由原来的任意分布状态转为依电性排列取向，这些取向按交变电磁场的频率不断变化，这一变化过程造成水分子进行摩擦运动，产生大量的热量，使水温迅速升高，内胆中的水受到完成由电能到热能的转换，水温通过控制板1上的功能控制开关进行调节，再经出水口6流向用户。

由于微波加热器是采用内部加热方式，微波能量对材料物质有较强的穿透力，能对被照射物质产生深层加热作用，内外同时加热，保证内胆中水温基本均匀一致，避免了常规电热管加热方式中热量传递的损失，所以具有加热速度快，能耗少的优点。并且在工作原理上就避免了形成水垢，从而避免了由于水垢使致热量散发不出而损坏发热管的忧患。微波不能外泄，外部散热损失少，只能被加热水吸收，加热室的空气与相应的容器都不会发热，没有额外的热能损耗，所以热效率极高；同时，工作场所的环境也不会因此升高，环境条件明显改善。所以节能、省电，一般可节省30％～50％。

本发明解决了进一步利用地热资源提供高温热水供暖的问题，克服了采用热泵成本高、加热耗能大、无法长时间供给高温水的缺点。本发明具有安全环保，加热速度快，节约能源，体积小，成本、安装、运行费低，维修简便的优点。

附图说明

图1微波加热器结构示意图

图2微波加热器侧视图

图3电路原理图

图1、图2中标号分别代表：

1控制面板；2微波发生器；3金属多面体；4非金属内胆；5进水口；6出水口

图3中标号分别代表：

7电源；8保险；9热切断器；10功率控制开关；11、原级线圈；12、第一次级线圈；13第二次级线圈；14高压电容器；15高压二极管；16磁控管。

具体实施方式

下面结合附图具体说明本发明的具体实施例。

本发明的方法为将低温地热水或者地热水加热的介质通过微波加热的方法将水温加热到100℃以内供暖，或者特殊工业、采暖需要可产生过热蒸气满足用户需要。

将低温地热水通过微波加热的具体步骤为：地热水从井抽出后直接在供暖管道上加装微波加热器，通过加热器末端水温传感器数据，在控制面板设定微波发生器功率大小，进行水温控制。

为避免地热水中杂质多带来的供暖危害，将地热水加热的介质通过微波加热，此时用于加热的地热水可以为深层高温地热水也可以为低温地热水，其具体步骤为：地热水从井抽出后采用换热板多次换热，把热能传递给做为介质的水加热后输送到供暖管道，此时在供暖管道中加装微波加热器，通过加热器末端水温传感器数据，在控制面板设定微波发生器功率大小，实现水温控制。根据气温条件和管道长度计算出在供暖管道加装微波加热器的距离、数量。

微波加热器的结构参见图1，图2，由控制面板1、微波发生器2、金属多面体3、非金属内胆4、进水口5和出水口6，其中，加热器外壳采用金属等六面体，非金属内胆4设置在金属等六面体外壳内，它是采用聚乙烯或聚丙烯等非金属耐压材料制成，非金属内胆4的两端分别为进水口5和出水口6，微波发生器2设置在金属等六面体外壳的上方与之连通，控制面板设置在微波发生器2的上方，来控制非金属内胆4内介质的温度。

微波发生器2的电路包括220伏交流电源7、保险8、120℃热切断器9、功率控制开关10，由高压变压器次级绕组之后的电路为高压电路，主要包括磁控管16、高压电容器14、高压变压器、高压二极管15。高压变压器输出交流2000V、50Hz高压。高压二极管将高压变压器输出高压和高压电容输出的电压叠加在一起达到4000V～5000V的高压，再将此电压加到磁控管上，当电压超过磁控管阀门电压时，管子振荡工作，输出微波能量，产生阳极电流，电容器放电。电路就周而复始地工作下去。

磁控管是微波加热的心脏，微波能就是由它产生并发射出来的。在工业中常用来做加热的微波频率为2450MHz和915MHz。磁控管工作时需要很高的脉动直流阳极电压和阴极电压。由高压变压器及高压电容器、高压二极管构成的倍压整流电路为磁控管提供了满足上述要求的工作电压。