本實用新型涉及熱聲技術(shù)，尤其涉及一種氣液相變熱聲發(fā)動機驅(qū)動磁性流體發(fā)電系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一般我們常見的發(fā)電機組通常以內(nèi)燃機(汽油機、柴油機等發(fā)動機)驅(qū)動，內(nèi)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(huán)境的主要污染源。在能源危機日益加劇、化石能源逐漸枯竭、環(huán)保意識日益增強的情況下，節(jié)能降耗、減少環(huán)境污染是必經(jīng)途徑。
熱聲熱機可將熱能轉(zhuǎn)換為機械能，或用機械能產(chǎn)生溫度差，因此在熱能利用和低溫制冷方面有廣泛的應(yīng)用。與今天大量使用的內(nèi)燃機不同，熱聲熱機并不一定需要用液體或氣體燃料注入到氣缸內(nèi)部燃燒做功，只要有熱量施加在熱端就能工作，因此可采用多種熱源(太陽能、生物質(zhì)能、工業(yè)余熱等)驅(qū)動工作。同時，熱聲發(fā)動機由于不具有機械運動部件，運行可靠、壽命長，且一般采用惰性氣體作為工作介質(zhì)，因此具有更高的環(huán)保特性等特點，成為了近年來的研究熱點。
目前，熱聲發(fā)電已有的方案包括熱聲驅(qū)動直線電機、熱聲驅(qū)動合金液體工質(zhì)磁流體發(fā)電以及熱聲驅(qū)動電解質(zhì)-磁場耦合發(fā)電等，前者為驅(qū)動直線電機發(fā)電，后兩者均屬于驅(qū)動磁流體切割磁感線發(fā)電。
對于驅(qū)動直線電機發(fā)電，系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性和使用壽命都有嚴重影響。
對于熱聲驅(qū)動液態(tài)金屬鈉作為工質(zhì)的磁流體發(fā)電系統(tǒng)，由于過小的壓縮性，必須在高壓下運行。且對于熱聲驅(qū)動合金液體工質(zhì)磁流體發(fā)電以及熱聲驅(qū)動電解質(zhì)-磁場耦合發(fā)電，其都是在管道內(nèi)部產(chǎn)生電勢，需在管內(nèi)部安裝電極輸出電能，同時，由于電流在管內(nèi)產(chǎn)生，系統(tǒng)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(qū) 動的熱聲三相交流發(fā)電系統(tǒng)，包括磁流體發(fā)電裝置和構(gòu)成環(huán)路的熱聲轉(zhuǎn)換裝置，所述環(huán)路內(nèi)充有可相變工質(zhì)，該可相變工質(zhì)在氣液相變熱聲轉(zhuǎn)換裝置中發(fā)生氣液轉(zhuǎn)變，可相變工質(zhì)的氣相作為行波熱聲發(fā)動機的工質(zhì)，可相變工質(zhì)的液相作為磁流體發(fā)電裝置的工質(zhì)；所述磁流體發(fā)電裝置和相匹配的熱聲轉(zhuǎn)換裝置作為一個環(huán)路單元，所述熱聲三相交流發(fā)電系統(tǒng)至少有兩個環(huán)路單元，各環(huán)路單元之間相互連通共用所述的可相變工質(zhì)。
公開號為CN101309040A的中國專利文獻公開了一種采用室溫離子液體的熱聲驅(qū)動磁流體發(fā)電系統(tǒng)。它包括依次連接的第一環(huán)路行波熱聲核、諧振管、室溫離子液體、發(fā)電裝置及第二環(huán)路行波熱聲核，同時還包括連接于兩個行波熱聲核之間的穩(wěn)頻裝置。環(huán)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?zé)崞?、加熱器、熱緩沖管和第二水冷器。發(fā)電裝置由矩形不銹鋼外套、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(wěn)頻裝置由兩個帶調(diào)節(jié)閥的氣庫通過兩個截止閥連接到行波熱聲核。
現(xiàn)有技術(shù)方案是在管道內(nèi)產(chǎn)生電勢，需在管道內(nèi)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(shù)實現(xiàn)要素：
本實用新型提供了一種氣液相變熱聲發(fā)動機驅(qū)動磁性流體發(fā)電系統(tǒng)，可以避免在管道內(nèi)安裝電極，防止漏電危險的發(fā)生。
一種氣液相變熱聲發(fā)動機驅(qū)動磁性流體發(fā)電系統(tǒng)，包括環(huán)路熱聲發(fā)動裝置、磁性流體、發(fā)電裝置，
環(huán)路熱聲發(fā)動裝置包括環(huán)路管道，環(huán)路管道包括：
處于環(huán)路管道底部的U形管，U形管內(nèi)充有磁性流體，
處于環(huán)路管道上部的聲容管，
連接在U形管一側(cè)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(cè)臂之間的加熱器、熱緩沖管、冷卻器，
磁性流體液面上方的環(huán)路管道空間內(nèi)充有磁性流體的氣相；
發(fā)電裝置包括：
纏繞于U形管兩臂的線圈，
用于提供磁場的一對永磁體，兩永磁體分別位于聲容管上方和U形管下方且位置上下對應(yīng)。
本實用新型中的磁性流體既為發(fā)電裝置的工質(zhì)，又為環(huán)路熱聲發(fā)動裝置的工質(zhì)，該環(huán)路熱聲發(fā)動裝置實質(zhì)為氣液相變熱聲發(fā)動機。環(huán)路熱聲發(fā)動裝置通過加熱器對磁性流體加熱使其蒸發(fā)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(zhì)氣液相變產(chǎn)生的高溫蒸發(fā)膨脹與低溫冷凝壓縮的作用使工質(zhì)在環(huán)路熱聲發(fā)動機中發(fā)生自激振蕩，將部分熱量轉(zhuǎn)化為聲功輸出，驅(qū)動環(huán)路管道內(nèi)液體的液面在加熱器與冷卻器間來回振蕩。
分別置于系統(tǒng)的上、下方的一對永磁體(也可以是兩極分別置于系統(tǒng)的上、下方的一塊拱形永磁體)，產(chǎn)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，以至于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(huán)路熱聲發(fā)動裝置的驅(qū)動下，磁性流體在管道內(nèi)往復(fù)運動，與纏繞在U形管兩臂外的線圈發(fā)生相對運動，改變線圈內(nèi)的磁通量，在線圈內(nèi)產(chǎn)生電勢。
本實用新型的發(fā)電系統(tǒng)在管道外部的線圈內(nèi)產(chǎn)生電勢并引出電流，避免了在管道內(nèi)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(fā)生。
作為優(yōu)選，環(huán)路熱聲發(fā)動裝置包括第一環(huán)路熱聲發(fā)動裝置和第二環(huán)路熱聲發(fā)動裝置，第一環(huán)路熱聲發(fā)動裝置的U形管和第二環(huán)路熱聲發(fā)動裝置的U形管通過諧振管相連通，兩環(huán)路熱聲發(fā)動裝置共用磁性流體。
諧振管和兩環(huán)路熱聲發(fā)動裝置的U形管內(nèi)均填充有磁性流體，系統(tǒng)運行中，磁性流體的液面在冷卻器與加熱器、熱緩沖管之間往復(fù)運動。通過諧振管將兩環(huán)路發(fā)動裝置連通，既可以避免其中一個環(huán)路內(nèi)壓力持續(xù)偏高或偏低，使系統(tǒng)穩(wěn)定運行，又可以增大系統(tǒng)的輸出。
作為優(yōu)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(zhì)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)。在低磁場范圍內(nèi)，磁性流體以恒定的磁化率磁化，χ為常數(shù)，磁化強度M與磁場強度H成正比；在高磁場中，磁化達到飽和后磁化強度M為常數(shù)。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(xiàn)出無規(guī)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(wěn)定存在，不產(chǎn)生沉淀和凝聚。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(yōu)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(fā)電系統(tǒng)中的環(huán)路熱聲發(fā)動裝置，主要利用工質(zhì)的氣液相變進行工作，可實現(xiàn)“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(huán)路熱聲發(fā)動裝置的工質(zhì)，應(yīng)當具備的屬性是：室溫條件下，呈現(xiàn)液體、粘滯系數(shù)較小，沸點低(有利于相變)、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(yōu)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(wěn)定地分散與載液中，形成磁性懸浮液。進一步優(yōu)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(lián)苯型液晶、氰基苯基環(huán)己烷型液晶中的至少一種。
作為優(yōu)選，所述的表面活性劑為氰基苯基環(huán)己烷型液晶，磁性Fe3O4納米粒、氰基苯基環(huán)己烷型液晶、乙醇的質(zhì)量比為3～7∶1∶1.8～12；進一步 優(yōu)選的，磁性Fe3O4納米粒、氰基苯基環(huán)己烷型液晶、乙醇的質(zhì)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(yōu)選，所述的氰基聯(lián)苯型液晶為4′-戊基[1，1′-聯(lián)苯]-4-甲腈，所述的氰基苯基環(huán)己烷型液晶為4-(4-丙基環(huán)己基)芐腈、4-(4-戊基環(huán)己基)芐腈、4-(4-庚基環(huán)己基)芐腈中的至少一種。
進一步優(yōu)選的，以摩爾百分比計，所述的氰基苯基環(huán)己烷型液晶的組成為：
4-(4-丙基環(huán)己基)芐腈 10％～40％
4-(4-戊基環(huán)己基)芐腈 20％～60％
4-(4-庚基環(huán)己基)芐腈 10％～40％
本實用新型的磁性流體的制備方法可以為現(xiàn)有技術(shù)(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(huán)路熱聲發(fā)動裝置在外磁場的作用下工作，而常規(guī)的不銹鋼材料具有鐵磁性，若環(huán)路熱聲發(fā)動裝置的環(huán)路管道材料采用常規(guī)不銹鋼，在系統(tǒng)運行的過程中，磁性流體在管道內(nèi)來回運動，其中的磁性Fe3O4納米?？赡苁艿酱帕ψ饔枚掣皆诠艿纼?nèi)壁上。所以，作為優(yōu)選，所述的環(huán)路熱聲發(fā)動裝置的環(huán)路管道材料為奧氏體不銹鋼。
奧氏體不銹鋼，是指在常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼。鋼中含Cr約18％、Ni 8％～10％、C約0.1％時，具有穩(wěn)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。管壁采用奧氏體不銹鋼為非導(dǎo)磁材料不影響磁場的空間分布，因此不會對外磁場產(chǎn)生影響。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果為：
1、產(chǎn)生電勢的線圈纏繞于管道外部，從管外引出電流，避免了在管道內(nèi)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(fā)生；
2、利用氣液相變熱聲發(fā)動機驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)電，氣液相變熱聲發(fā)動機的驅(qū)動溫差小，可利用低品位能源進行驅(qū)動，提高低品位能源的利用率；
3、熱聲發(fā)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(huán)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(fā)動機驅(qū)動磁性流體發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中：1、冷卻器，2、熱緩沖管，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(fā)動機驅(qū)動磁性流體發(fā)電系統(tǒng)包括環(huán)路熱聲發(fā)動裝置、磁性流體6、發(fā)電裝置。
環(huán)路熱聲發(fā)動裝置包括左右對稱設(shè)置的第一環(huán)路熱聲發(fā)動裝置和第二環(huán)路熱聲發(fā)動裝置。
兩環(huán)路熱聲發(fā)動裝置均由U形管7、聲容管4、反饋管5、加熱器3、熱緩沖管2、冷卻器1連通成一環(huán)路管道。具體的，U形管7位于環(huán)路管道的下部，其中充有磁性流體6，聲容管4位于環(huán)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(cè)臂，加熱器3、熱緩沖管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(cè)臂。磁性流體6液面上方的環(huán)路管道空間充有磁性流體6的氣相。
第一環(huán)路熱聲發(fā)動裝置的U形管7和第二環(huán)路熱聲發(fā)動裝置的U形管7通過諧振管8連通，兩環(huán)路熱聲發(fā)動裝置對稱設(shè)置并共用磁性流體6。
發(fā)電裝置包括：纏繞于兩個U形管7兩臂的線圈10，用于產(chǎn)生電勢并引出電流，還包括用于提供磁場的一對永磁體9，兩永磁體9分別位于聲容管4上方和U形管7下方且位置上下對應(yīng)(也可以為一拱形的永磁體，該永磁體的兩極分別置于聲容管4的上方和U形管7下方)。位于上、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(fā)動機驅(qū)動磁性流體發(fā)電系統(tǒng)的管道材料均采用奧氏體不銹鋼，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。管壁采用奧氏體不銹鋼為非導(dǎo)磁材料不影響磁場的空間分布，因此不會對外磁場產(chǎn)生影響。
磁性流體6為磁性Fe3O4納米粒懸浮于乙醇中所形成的磁性懸浮液，其具體的制備方法可以為現(xiàn)有技術(shù)(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)。
具體制備方法為：
(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、干燥后用乙醇沖洗掉多余的表面活性劑，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(huán)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(huán)己烷型液晶的組成為：
4-(4-丙基環(huán)己基)芐腈 30％
4-(4-戊基環(huán)己基)芐腈 40％
4-(4-庚基環(huán)己基)芐腈 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，離心處理后得到磁性流體。
上述制備方法中，磁性Fe3O4納米粒、氰基苯基環(huán)己烷型液晶、乙醇的質(zhì)量比為6∶1∶10。
發(fā)電系統(tǒng)運行前，對系統(tǒng)抽真空后進行磁性流體6充注，初始充注液面高于加熱器3。系統(tǒng)運行時，加熱器3進行加熱，冷卻器進行冷卻并始終保持在室溫。
環(huán)路熱聲發(fā)動裝置通過加熱器3對磁性流體6加熱使乙醇蒸發(fā)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(chǎn)生的高溫蒸發(fā)膨脹與低溫冷凝壓縮的作用使磁性流體6在環(huán)路熱聲發(fā)動機中發(fā)生自激振蕩，將部分熱量轉(zhuǎn)化為聲功輸出，驅(qū)動環(huán)路管道內(nèi)磁性流體6的液面在加 熱器3與冷卻器1之間往復(fù)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(nèi)往復(fù)運動，與纏繞在U形管7兩臂外的線圈10發(fā)生相對運動，改變線圈10內(nèi)的磁通量，在線圈10內(nèi)產(chǎn)生電勢。