氣液相變熱聲發動機驅動磁性流體發電系統的製作方法

2023-09-17 22:05:05 1

本實用新型涉及熱聲技術，尤其涉及一種氣液相變熱聲發動機驅動磁性流體發電系統。

背景技術：

一般我們常見的發電機組通常以內燃機(汽油機、柴油機等發動機)驅動，內燃機消耗大量寶貴的化石能源、其有害排放物和噪聲是我國城市環境的主要汙染源。在能源危機日益加劇、化石能源逐漸枯竭、環保意識日益增強的情況下，節能降耗、減少環境汙染是必經途徑。

熱聲熱機可將熱能轉換為機械能，或用機械能產生溫度差，因此在熱能利用和低溫製冷方面有廣泛的應用。與今天大量使用的內燃機不同，熱聲熱機並不一定需要用液體或氣體燃料注入到氣缸內部燃燒做功，只要有熱量施加在熱端就能工作，因此可採用多種熱源(太陽能、生物質能、工業餘熱等)驅動工作。同時，熱聲發動機由於不具有機械運動部件，運行可靠、壽命長，且一般採用惰性氣體作為工作介質，因此具有更高的環保特性等特點，成為了近年來的研究熱點。

目前，熱聲發電已有的方案包括熱聲驅動直線電機、熱聲驅動合金液體工質磁流體發電以及熱聲驅動電解質-磁場耦合發電等，前者為驅動直線電機發電，後兩者均屬於驅動磁流體切割磁感線發電。

對於驅動直線電機發電，系統存在運動部件，難以完全避免的氣缸與活塞之間的磨損，對系統的可靠性和使用壽命都有嚴重影響。

對於熱聲驅動液態金屬鈉作為工質的磁流體發電系統，由於過小的壓縮性，必須在高壓下運行。且對於熱聲驅動合金液體工質磁流體發電以及熱聲驅動電解質-磁場耦合發電，其都是在管道內部產生電勢，需在管內部安裝電極輸出電能，同時，由於電流在管內產生，系統可能存在漏電危險。

公開號為CN104079142A的中國專利文獻公開了一種雙溫位熱源驅 動的熱聲三相交流發電系統，包括磁流體發電裝置和構成環路的熱聲轉換裝置，所述環路內充有可相變工質，該可相變工質在氣液相變熱聲轉換裝置中發生氣液轉變，可相變工質的氣相作為行波熱聲發動機的工質，可相變工質的液相作為磁流體發電裝置的工質；所述磁流體發電裝置和相匹配的熱聲轉換裝置作為一個環路單元，所述熱聲三相交流發電系統至少有兩個環路單元，各環路單元之間相互連通共用所述的可相變工質。

公開號為CN101309040A的中國專利文獻公開了一種採用室溫離子液體的熱聲驅動磁流體發電系統。它包括依次連接的第一環路行波熱聲核、諧振管、室溫離子液體、發電裝置及第二環路行波熱聲核，同時還包括連接於兩個行波熱聲核之間的穩頻裝置。環路行波熱聲核包括依次連接的反饋管、聲感管、聲容管、第一水冷器、回熱器、加熱器、熱緩衝管和第二水冷器。發電裝置由矩形不鏽鋼外套、絕緣夾層、永磁體、電極和引線接頭組成，同時還包括周期振蕩的室溫離子液體。穩頻裝置由兩個帶調節閥的氣庫通過兩個截止閥連接到行波熱聲核。

現有技術方案是在管道內產生電勢，需在管道內部安裝電極輸出電能，則在電極接頭處存在密封問題，且存在漏電的危險。

技術實現要素：

本實用新型提供了一種氣液相變熱聲發動機驅動磁性流體發電系統，可以避免在管道內安裝電極，防止漏電危險的發生。

一種氣液相變熱聲發動機驅動磁性流體發電系統，包括環路熱聲發動裝置、磁性流體、發電裝置，

環路熱聲發動裝置包括環路管道，環路管道包括：

處於環路管道底部的U形管，U形管內充有磁性流體，

處於環路管道上部的聲容管，

連接在U形管一側臂與聲容管一端之間的反饋管，

依次連接在聲容管另一端與U形管另一側臂之間的加熱器、熱緩衝管、冷卻器，

磁性流體液面上方的環路管道空間內充有磁性流體的氣相；

發電裝置包括：

纏繞於U形管兩臂的線圈，

用於提供磁場的一對永磁體，兩永磁體分別位於聲容管上方和U形管下方且位置上下對應。

本實用新型中的磁性流體既為發電裝置的工質，又為環路熱聲發動裝置的工質，該環路熱聲發動裝置實質為氣液相變熱聲發動機。環路熱聲發動裝置通過加熱器對磁性流體加熱使其蒸發膨脹，冷卻器對磁性流體的氣相進行冷卻使其冷凝壓縮，工質氣液相變產生的高溫蒸發膨脹與低溫冷凝壓縮的作用使工質在環路熱聲發動機中發生自激振蕩，將部分熱量轉化為聲功輸出，驅動環路管道內液體的液面在加熱器與冷卻器間來回振蕩。

分別置於系統的上、下方的一對永磁體(也可以是兩極分別置於系統的上、下方的一塊拱形永磁體)，產生由下至上(或由上至下)的外磁場。

磁性流體中的磁性納米粒的尺寸非常小，以至於他們都是一些單疇的磁性納米粒。磁性納米粒實際上就是一個個的磁偶極子，磁性流體可以視為這些小磁偶極子的集合。在沒有外磁場的作用時，這些小磁偶極子的磁矩方向是雜亂無章和互相抵消的，所以總的宏觀磁矩是零。在外磁場的作用下，這些磁偶極子沿外磁場H的方向排列，其磁化強度矢量M的方向與外磁場H是平行且同向的。

在環路熱聲發動裝置的驅動下，磁性流體在管道內往復運動，與纏繞在U形管兩臂外的線圈發生相對運動，改變線圈內的磁通量，在線圈內產生電勢。

本實用新型的發電系統在管道外部的線圈內產生電勢並引出電流，避免了在管道內部安裝電極，從而避免了電極接頭處的密封問題且可避免漏電危險的發生。

作為優選，環路熱聲發動裝置包括第一環路熱聲發動裝置和第二環路熱聲發動裝置，第一環路熱聲發動裝置的U形管和第二環路熱聲發動裝置的U形管通過諧振管相連通，兩環路熱聲發動裝置共用磁性流體。

諧振管和兩環路熱聲發動裝置的U形管內均填充有磁性流體，系統運行中，磁性流體的液面在冷卻器與加熱器、熱緩衝管之間往復運動。通過諧振管將兩環路發動裝置連通，既可以避免其中一個環路內壓力持續偏高或偏低，使系統穩定運行，又可以增大系統的輸出。

作為優選，所述的磁性流體包括磁性納米粒和載液。磁性流體雖然具有強磁性，但它與鐵磁物質不同，在進行磁化時，它沒有磁滯，而且具有超順磁性(即磁矯頑力為零)。在低磁場範圍內，磁性流體以恆定的磁化率磁化，χ為常數，磁化強度M與磁場強度H成正比；在高磁場中，磁化達到飽和後磁化強度M為常數。磁化強度的一般表達式為M＝χH。

磁性納米粒非常小，以致在載液中呈現出無規則的布朗運動，這種熱運動足以抵消重力的沉降作用以及消弱粒子間的磁性凝聚作用，在重力和磁力作用下穩定存在，不產生沉澱和凝聚。磁性納米粒和載液渾成一體，從而使磁性流體既具有普通磁性材料的磁性，又具有液體的流動性。

作為優選，所述的磁性納米粒為磁性Fe3O4納米粒，所述的載液為丙酮或C1～C5的醇，載液的蒸氣作為磁性流體的氣相。

本實用新型發電系統中的環路熱聲發動裝置，主要利用工質的氣液相變進行工作，可實現「小」溫差運行，提高較低溫位低品位能源的利用率。因此，磁性流體的載液，即環路熱聲發動裝置的工質，應當具備的屬性是：室溫條件下，呈現液體、粘滯係數較小，沸點低(有利於相變)、氣化潛熱較小等。

乙醇為無色透明液體、沸點為78.32℃、相對密度(水＝1)0.7893，黏度(20℃)1.17mpa·s、燃點363℃、氣化潛熱41.5kJ/mol，是一種可供選擇的載液。此外，甲醇沸點為64.70℃、相對密度(水＝1)0.7913、黏度(20℃)0.5945mpa·s、燃點470℃、氣化潛熱37.39kJ/mol，也可作為載液的選擇。

進一步優選的，所述的載液為乙醇。

磁性Fe3O4納米粒通常不容易分散在低沸點的有機溶劑中，為了增加磁性納米粒在載液中的分散性，可在磁性流體中加入表面活性劑，在表面活性劑的作用下，磁性納米粒穩定地分散與載液中，形成磁性懸浮液。進一步優選的，所述的磁性流體還包括表面活性劑，所述的表面活性劑為烷基聚氧乙烯醚乙酸酯、氰基聯苯型液晶、氰基苯基環己烷型液晶中的至少一種。

作為優選，所述的表面活性劑為氰基苯基環己烷型液晶，磁性Fe3O4納米粒、氰基苯基環己烷型液晶、乙醇的質量比為3～7∶1∶1.8～12；進一步 優選的，磁性Fe3O4納米粒、氰基苯基環己烷型液晶、乙醇的質量比為6∶1∶10。

在此配比下，磁性流體中磁性納米粒分散性較好，磁性流體的磁化能力強。

作為優選，所述的氰基聯苯型液晶為4′-戊基[1，1′-聯苯]-4-甲腈，所述的氰基苯基環己烷型液晶為4-(4-丙基環己基)苄腈、4-(4-戊基環己基)苄腈、4-(4-庚基環己基)苄腈中的至少一種。

進一步優選的，以摩爾百分比計，所述的氰基苯基環己烷型液晶的組成為：

4-(4-丙基環己基)苄腈 10％～40％

4-(4-戊基環己基)苄腈 20％～60％

4-(4-庚基環己基)苄腈 10％～40％

本實用新型的磁性流體的製備方法可以為現有技術(參考文獻：T.Fujita，T.Miyazaki.Preparation and properties of low boiling point of alcohol and acetone-based magnetic fluid.Journal of Magnetism and M agnetic Materials，1999，201(0)，14-17)。

本實用新型的環路熱聲發動裝置在外磁場的作用下工作，而常規的不鏽鋼材料具有鐵磁性，若環路熱聲發動裝置的環路管道材料採用常規不鏽鋼，在系統運行的過程中，磁性流體在管道內來回運動，其中的磁性Fe3O4納米粒可能受到磁力作用而粘附在管道內壁上。所以，作為優選，所述的環路熱聲發動裝置的環路管道材料為奧氏體不鏽鋼。

奧氏體不鏽鋼，是指在常溫下具有奧氏體組織的不鏽鋼。鋼中含Cr約18％、Ni 8％～10％、C約0.1％時，具有穩定的奧氏體組織。奧氏體(Austenite)也稱為沃斯田鐵或γ-Fe，是鋼鐵的一種顯微組織，奧氏體不具有鐵磁性，是一種塑性很好，強度較低的固溶體，且具有一定韌性。管壁採用奧氏體不鏽鋼為非導磁材料不影響磁場的空間分布，因此不會對外磁場產生影響。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果為：

1、產生電勢的線圈纏繞於管道外部，從管外引出電流，避免了在管道內部安裝電極，從而避免了電極接頭處的密封問題且可避免漏電危險的 發生；

2、利用氣液相變熱聲發動機驅動系統發電，氣液相變熱聲發動機的驅動溫差小，可利用低品位能源進行驅動，提高低品位能源的利用率；

3、熱聲發動機中存在磁性流體可作為液體活塞，阻斷氣路通道，可避免行波環路存在的聲直流問題。

附圖說明

圖1為本實用新型氣液相變熱聲發動機驅動磁性流體發電系統的結構示意圖。

圖中：1、冷卻器，2、熱緩衝管，3、加熱器，4、聲容管，5、反饋管，6、磁性流體，7、U形管，8、諧振管，9、永磁體，10、線圈。

具體實施方式

如圖1所示，本實用新型的一種氣液相變熱聲發動機驅動磁性流體發電系統包括環路熱聲發動裝置、磁性流體6、發電裝置。

環路熱聲發動裝置包括左右對稱設置的第一環路熱聲發動裝置和第二環路熱聲發動裝置。

兩環路熱聲發動裝置均由U形管7、聲容管4、反饋管5、加熱器3、熱緩衝管2、冷卻器1連通成一環路管道。具體的，U形管7位於環路管道的下部，其中充有磁性流體6，聲容管4位於環路管道的上部，反饋管5連通聲容管4的一端與U形管7的一側臂，加熱器3、熱緩衝管2、冷卻器1依次連接，連通聲容管4的另一端與U形管7的另一側臂。磁性流體6液面上方的環路管道空間充有磁性流體6的氣相。

第一環路熱聲發動裝置的U形管7和第二環路熱聲發動裝置的U形管7通過諧振管8連通，兩環路熱聲發動裝置對稱設置並共用磁性流體6。

發電裝置包括：纏繞於兩個U形管7兩臂的線圈10，用於產生電勢並引出電流，還包括用於提供磁場的一對永磁體9，兩永磁體9分別位於聲容管4上方和U形管7下方且位置上下對應(也可以為一拱形的永磁體，該永磁體的兩極分別置於聲容管4的上方和U形管7下方)。位於上、下方的兩永磁體9的N極同時朝下或朝上，在永磁體9之間形成豎直的外磁場。

本實用新型氣液相變熱聲發動機驅動磁性流體發電系統的管道材料均採用奧氏體不鏽鋼，奧氏體不具有鐵磁性，是一種塑性很好，強度較低的固溶體，且具有一定韌性。管壁採用奧氏體不鏽鋼為非導磁材料不影響磁場的空間分布，因此不會對外磁場產生影響。

磁性流體6為磁性Fe3O4納米粒懸浮於乙醇中所形成的磁性懸浮液，其具體的製備方法可以為現有技術(參考文獻：T.Fujita，T.Miyazaki.Preparation and properties of low boiling point of alcohol and acetone-based magnetic fluid.Journal of Magnetism and M agnetic Materials，1999，201(0)，14-17)。

具體製備方法為：

(1)將磁性Fe3O4納米粒分散在烷基聚氧乙烯醚乙酸酯中，在363K下高溫加熱，再加入硫酸，過濾、乾燥後用乙醇衝洗掉多餘的表面活性劑，得到表面覆蓋有表面活性劑的磁性粒子；

(2)將上述表面覆蓋有表面活性劑的磁性粒子分散在氰基苯基環己烷型液晶中，得到表面覆蓋有雙層表面活性劑的磁粒子，以摩爾百分比計，氰基苯基環己烷型液晶的組成為：

4-(4-丙基環己基)苄腈 30％

4-(4-戊基環己基)苄腈 40％

4-(4-庚基環己基)苄腈 30％

(3)將表面覆蓋有雙層表面活性劑的磁粒子分散到乙醇中，離心處理後得到磁性流體。

上述製備方法中，磁性Fe3O4納米粒、氰基苯基環己烷型液晶、乙醇的質量比為6∶1∶10。

發電系統運行前，對系統抽真空後進行磁性流體6充注，初始充注液面高於加熱器3。系統運行時，加熱器3進行加熱，冷卻器進行冷卻並始終保持在室溫。

環路熱聲發動裝置通過加熱器3對磁性流體6加熱使乙醇蒸發膨脹，冷卻器1對乙醇蒸氣進行冷卻使其冷凝壓縮，氣液相變產生的高溫蒸發膨脹與低溫冷凝壓縮的作用使磁性流體6在環路熱聲發動機中發生自激振蕩，將部分熱量轉化為聲功輸出，驅動環路管道內磁性流體6的液面在加 熱器3與冷卻器1之間往復運動。

磁性流體6中的磁性Fe3O4納米粒在外磁場的作用下磁化，其磁化強度矢量M的方向與外磁場H是平行且同向的。磁性流體6在管道內往復運動，與纏繞在U形管7兩臂外的線圈10發生相對運動，改變線圈10內的磁通量，在線圈10內產生電勢。