CN111007334A - 用于液态金属磁流体发电研究的实验装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及液态金属磁流体发电装置领域，尤其涉及用于液态金属磁流体发电研究的实验装置及其使用方法。所述实验装置包括：泵头，过滤器，涡轮流量计，回收球阀，管道，前置压力变送器，发电通道，聚磁装置，后置压力变送器；所述管道通过法兰将凸轮转子泵的泵头的进口、过滤器、涡轮流量计、回收球阀、发电通道和凸轮转子泵的泵头的出口连接起来共同组成循环管路；所述前置压力变送器、后置压力变送器分别在安装在发电通道的入口、出口的管道上；所述聚磁装置包围在发电通道的外围，聚磁装置中的磁铁与发电通道的绝缘通道板间隙配合。本发明设计的实验装置能够有效模拟液态金属磁流体发电特性的情况，对发电通道特性的研究分析具有重要的意义。

Description

用于液态金属磁流体发电研究的实验装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及液态金属磁流体发电装置领域，尤其涉及一种用于液态金属磁流体发电研究的实验装置及其使用方法。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

液态金属磁流体发电技术是指驱动液态金属经过发电通道切割磁力线，在电极上产生感应电动势输出电能的技术。它与传统发电机相比，液态金属磁流体发电仅需管道、阀门、磁铁等简单构件即可实现机械能到电能的直接转换，是一种新型、高效的发电方式，由于没有机械转换环节，又称为直接发电技术。

对于液态金属磁流体发电技术的研究主要在于对发电通道特性的研究，发电通道特性是指磁流体发电过程中发电通道内部流场、电场、磁场等量的分布特性，其直接影响发电性能。发电通道特性主要分为动力学特性和电磁学特性。动力学特性是指发电通道内部流场分布。磁流体由于受到洛伦兹力作用，动力学特性与普通流体有明显区别。电磁学特性是指磁流体发电通道内电磁场分布、发电功率及效率等。

2005年中国科学院电工研究所在国内首次提出将新型液态金属磁流体技术应用于波浪能发电，2008年底成功研制了一台原理性演示装，2012年开发了2kW液态金属磁流体波浪能发电试验样机。中国专利201610191945.5公布一种鳐鱼式液态金属磁流体发电装置及发电方法。目前，许多科研院校和机构已经开展研究了液态金属磁流体发电技术，研究液态金属磁流体发电的方法主要有三种：理论计算、样机试验和数值模拟。

然而，本发明人研究发现：目前，一方面对于液态金属磁流体发电技术研究投入不够，导致液态金属磁流体发电通道的设计仍缺乏相关标准规范的指导，另一方面，对于液态金属磁流体发电特性研究实验缺少系统化、标准化的实验装置及装置，灵活变更的实验参数条件也受到实验装置的限制，无法促进液态金属磁流体发电理论和发电通道特性的研究。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供一种用于液态金属磁流体发电研究的实验装置及其使用方法，本发明设计的实验装置能够有效模拟液态金属磁流体发电特性的情况，对发电通道特性的研究分析具有重要的意义。

本发明的目的之一：提供一种用于液态金属磁流体发电研究的实验装置。

本发明的目的之二：提供一种用于液态金属磁流体发电研究的实验装置的使用方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：

首先，本发明公开一种用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，包括：泵头，过滤器，涡轮流量计，回收球阀，管道，前置压力变送器，发电通道，聚磁装置，后置压力变送器；其中：所述管道通过法兰将凸轮转子泵的泵头的进口、过滤器、涡轮流量计、回收球阀、发电通道和凸轮转子泵的泵头的出口连接起来共同组成循环管路。所述前置压力变送器、后置压力变送器分别在安装在发电通道的入口、出口的管道上。所述聚磁装置包围在发电通道的外围，聚磁装置中的磁铁与发电通道的绝缘通道板间隙配合，从而为发电通道提供磁场。

其次，本发明公开所述用于液态金属磁流体发电研究的实验装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)检查循环管路的密封性，并从管道的注液孔向循环管路中注满液态金属磁流体；

(2)开启凸轮转子泵，通过凸轮转子泵的控制柜的旋转钮调节管路中液态金属磁流体的流速和流向；

(3)利用涡轮流量计观察记录管路中的流量数值，利用前置压力变送器与后置压力变送器检测记录发电通道入口与出口的压力数值，选取记录的数据生成报表；

(4)在发电通道的电极孔连接探测装置检测空载电流或空载电压值，或者接入负载检测负载电流或负载电压值，研究不同负载工况下发电通道特性的改变，选取记录的数据生成报表。

与现有技术相比，本发明取得的有益技术效果主要包括以下几部分：

本发明的实验装置采用发电通道与磁铁分离的设计，方便在后续实验进展中更换不同强度的磁铁，研究不同磁场强度对发电通道特性的影响，管路通过法兰分段连接，可方便更换不同截面形状的发电通道，研究不同截面形状对发电通道特性的影响。

本发明的实验装置能在不同液压流速、不同液态金属磁流体介质的变量条件下进行液态金属磁流体发电实验。

本发明的发电通道采用绝缘通道板、中间绝缘法兰和连接法兰多结构组合设计，在密封良好的同时，保证了有效发电段上下两面为绝缘面，左右两面为电极面，从而与液态金属磁流体发电数值模拟模型保持一致。

综上，本发明的实验装置能有效模拟液态金属磁流体发电特性的情况，促进对其液态金属磁流体发电机理的研究，利用其得出的准确实验数据，可总结出液态金属磁流体发电机理及与相关工况的关系，为液态金属磁流体发电装置的设计、制造与维护提供准确、可靠的实验依据。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明第一实施例用于液态金属磁流体发电研究的实验装置的结构示意图。

图2为本发明第一实施例用于液态金属磁流体发电研究的实验装置的俯视图。

图3为本发明第二实施例中发电通道的结构示意图。

图4为本发明第二实施例中发电通道的断面图。

图5为本发明第三、四实施例中聚磁装置的结构示意图。

图6为本发明第五实施例中发电通道的剖面图。

上述附图中标记分别代表：1-支撑底座，2-排气孔，3-泵头，4-控制柜，5-过滤器，6-减速器，7-涡轮流量计，8-电动机，9-回收球阀，10-注液孔，11-管夹，12-管道，13-前置压力变送器，14-发电通道，15-聚磁装置，15a-方型铁壳，15b-凹型铁壳，15c-N极磁铁，15d-S极磁铁，16-后置压力变送器，17-绝缘通道板，18-中间绝缘法兰，19-连接法兰，20-连接变径，21-过度法兰，22-电极，22a-接线孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅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设备或元件需要具有特定的方位，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。

术语解释部分:本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

正如前文所述，目前，对于液态金属磁流体发电特性研究实验缺少系统化、标准化的实验装置及装置，灵活变更的实验参数条件也受到实验装置的限制，无法促进液态金属磁流体发电理论和发电通道特性的研究。因此，本发明提出一种用于液态金属磁流体发电研究的实验装置；现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步进行说明。

第一实施例，参考图1和2，示例一种本发明设计的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置及其使用方法，包括：泵头3，过滤器5，涡轮流量计7，回收球阀9，管道12，前置压力变送器13，发电通道14，聚磁装置15，后置压力变送器16。

所述管道12通过法兰将凸轮转子泵的泵头3的进口、过滤器5、涡轮流量计7、回收球阀9、发电通道14和凸轮转子泵的泵头3的出口连接起来共同组成循环管路。

所述前置压力变送器13、后置压力变送器16分别在安装在发电通道14的入口、出口的管道上。所述聚磁装置15包围在发电通道14的外围，聚磁装置15中的磁铁与发电通道14的绝缘通道板间隙配合，从而为发电通道提供磁场。

在使用时，首先检查所述循环管路的密封性是否良好，密封性达标后从管道12的注液孔10向循环管路中注满液态金属磁流体，接着开启凸轮转子泵，并且可以通过凸轮转子泵的控制柜4调节管路中液态金属磁流体的流速和流向，以便于研究不同液压流速等变量条件下液态金属磁流体的发电特性。

所述涡轮流量计7可观察管路中的流量数值，通过前置压力变送器13与后置压力变送器16分别检测发电通道入口与出口的压力数值，发电通道的电极孔22a可连接探测装置检测空载电流或空载电压值，也可接入负载检测负载电流或负载电压值，以便于探究不同负载工况下发电通道特性的改变。

可以理解的是，在所述第一实施例的基础上，还可衍生出包括但不限于以下的技术方案，以解决不同的技术问题，实现不同的发明目的，具体示例如下：

第二实施例，参考图3和4，所述发电通道14由绝缘通道板17、中间绝缘法兰18、连接法兰19、过度法兰21和电极22组成，一对绝缘通道板17和一对电极22通过螺钉连接，中间形成方形通道，液态金属磁流体流经时在磁场作用下会产生感生电动势，所述中间绝缘法兰18为两组，对称地设置在电极22的两端。所述连接法兰19、变径管20和过度法兰21依次密封固定在一起。所述过度法兰21、中间绝缘法兰18、绝缘通道板17固定在一起。所述电极的外端面上开接线孔22a，用于接入导线或者探测仪器以检测发电通道所产生的感生电压和电流。需要说明的是，绝缘通道板17和电极22等之间的连接方式等均可参考现有的磁流体发电机中发电通道14的结构。

进一步地，所述管道12中的液态金属磁流体选用镓铟锡合金或水银等常温下以液态形式存在的金属材料，从而研究不同介质材料对发电通道特性的影响。所述电极22的材质为紫铜。

第三实施例，参考图5，所述聚磁装置15为中间开设方形通孔的结构，所述方形通孔的上、下相对两面上分别固定N极磁铁15c和S极磁铁15d，电极22和绝缘通道板17设置在N极磁铁和S极磁铁之间的间隙中。

这种结构的聚磁装置15可更换不同强度的磁铁，研究不同磁场强度对发电通道特性的影响。另外，安装时，由于所述发电通道与磁铁是一种分离式的设计，方便在后续实验进展中更换不同强度的磁铁，研究不同磁场强度对发电通道特性的影响，管路通过法兰分段连接，可方便更换不同截面形状的发电通道，研究不同截面形状对发电通道特性的影响。

第四实施例，继续参考图5，所述聚磁装置15的外壳由方型铁壳15a和凹型铁壳15b组成，所述凹型铁壳15b的上、下相对两面中间均设置有安装磁铁的螺纹孔。

进一步地，所述凹型铁壳和方型铁壳均为电工纯铁铸造，从而改变了磁力线的空间结构，提高了磁路中空气隙的磁通密度，这是由于聚磁装置增大了磁场，因为仅仅一对磁铁的磁感线的传递介质是空气，从N极指向S极，使用了聚磁装置后，一对磁铁的磁感线的传递介质变成了电工纯电，就是说磁力线从N极发出，经过电工纯铁的内部经过回到S极，而不是从空气中传递，好处就是增强了磁场强度。

第五实施例，继续参考图3，所述连接法兰19上设置有通孔，通过该通孔实现连接法兰19和管道12之间的可拆卸连接。

第六实施例，参考图6，通过螺钉将中间绝缘法兰18、过度法兰21和绝缘通道板17固定连接在一起。中间绝缘法兰18与绝缘通道板17之间，中间绝缘法兰18与过度法兰21之间均通过密封圈进行密封。所述通道绝缘板其与电极之间的接触面采用托马斯PEEK粘接高强结构胶涂匀粘接密封，并用螺钉进行紧固。

第七实施例，继续参考图1或2，所述凸轮转子泵由电动机8，减速器6，控制柜4和泵头3组成，控制柜用于改变电动机的转速和转向，电动机通过连接减速器带动泵头内的转子旋转，使两同步反转动的转子在旋转过程中于泵头的进口处产生吸力，从而吸入和排出(通过泵头出口)所要输送的液态金属磁流体，使其在管道12中循环流动。

第八实施例，继续参考图1或2，所述管道上设置有排气孔2和注液孔10，在注液孔加注液态金属磁流体时，排气孔可排出管道内的空气。排气孔的作用就是注入液体的时候要同时把里面气体驱赶出来，否则管道内的气体占据了管道内的体积导致液态金属无法充满管道。

进一步地，所述排气孔2、注液孔10均采用带有螺纹的密封盖密封，在加注完液态金属磁流体毕后可用所述密封盖将注液孔和排气孔密封，避免发电过程中液态金属磁流体泄露。

第九实施例，继续参考图1或2，所述实验装置还包括支撑底座1和管夹11，所述管道12上安置管夹11固定，管夹通过立柱与支撑底座1连接，以防止循环管路上的各构件悬空。所述聚磁装置15通过立柱固定在支撑底座1上。

第十实施例，继续参考图1或2，所述支撑底座1上安装有万向脚轮，方便液态金属磁流体实验装置的移动。

第十一实施例，所述前置压力变送器13、后置压力变送器16均通过螺纹连接分别在安装在发电通道14的入口、出口的管道上。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，其特征在于，包括：泵头，过滤器，涡轮流量计，回收球阀，管道，前置压力变送器，发电通道，聚磁装置，后置压力变送器；其中：

所述管道通过法兰将凸轮转子泵的泵头的进口、过滤器、涡轮流量计、回收球阀、发电通道和凸轮转子泵的泵头的出口连接起来共同组成循环管路；

所述前置压力变送器、后置压力变送器分别在安装在发电通道的入口、出口的管道上；所述聚磁装置包围在发电通道的外围，聚磁装置中的磁铁与发电通道的绝缘通道板间隙配合。

2.如权利要求1所述的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，其特征在于，所述发电通道由绝缘通道板、中间绝缘法兰、连接法兰、过度法兰和电极组成，一对绝缘通道板和一对电极通过螺钉连接，中间形成方形通道；所述中间绝缘法兰为两组，对称地设置在所述电极的两端；所述连接法兰、变径管和过度法兰依次密封固定在一起；所述过度法兰、中间绝缘法兰和绝缘通道板固定在一起；所述电极的外端面上开接线孔，用于接入导线或者探测仪器。

3.如权利要求2所述的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，其特征在于，通过螺钉将中间绝缘法兰、过度法兰和绝缘通道板固定连接在一起；

优选地，所述中间绝缘法兰与绝缘通道板之间，中间绝缘法兰与过度法兰之间均通过密封圈进行密封；

优选地，所述通道绝缘板其与电极之间的接触面采用托马斯PEEK粘接高强结构胶涂匀粘接密封，并用螺钉进行紧固。

4.如权利要求2所述的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，其特征在于，所述聚磁装置为中间开设方形通孔的结构，所述方形通孔的上、下相对两面上分别固定N极磁铁和S极磁铁，电极和绝缘通道板设置在N极磁铁和S极磁铁之间的间隙中。

5.如权利要求4所述的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，其特征在于，所述聚磁装置的外壳由方型铁壳和凹型铁壳组成，所述凹型铁壳的上、下相对两面中间均设置有安装磁铁的螺纹孔；

优选地，所述凹型铁壳和方型铁壳均由电工纯铁铸造；

或者，所述连接法兰上设置有通孔，通过该通孔实现连接法兰和管道之间的可拆卸连接。

6.如权利要求1-5任一项所述的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，其特征在于，所述管道上设置有排气孔和注液孔，在注液孔加注液态金属磁流体时，排气孔可排出管道内的空气；

优选地，所述排气孔、注液孔均采用带有螺纹的密封盖密封。

7.如权利要求1-5任一项所述的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，其特征在于，所述凸轮转子泵由电动机，减速器，控制柜和泵头组成，控制柜用于改变电动机的转速和转向，电动机通过连接减速器带动泵头内的转子旋转。

8.如权利要求1-5任一项所述的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括支撑底座和管夹，所述管道上安置管夹固定，管夹通过立柱与支撑底座连接；优选地，所述聚磁装置通过立柱固定在支撑底座上；优选地，所述支撑底座上安装有万向脚轮。

9.如权利要求1-5任一项所述的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置，其特征在于，所述前置压力变送器、后置压力变送器均通过螺纹连接分别在安装在发电通道的入口、出口的管道上。

10.权利要求1-9任一项所述的用于液态金属磁流体发电研究的实验装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)检查循环管路的密封性，并从管道的注液孔向循环管路中注满液态金属磁流体；

(2)开启凸轮转子泵，通过凸轮转子泵的控制柜的旋转钮调节管路中液态金属磁流体的流速和流向；

(3)利用涡轮流量计观察记录管路中的流量数值，利用前置压力变送器与后置压力变送器检测记录发电通道入口与出口的压力数值，选取记录的数据生成报表；

(4)在发电通道的电极孔连接探测装置检测空载电流或空载电压值，或者接入负载检测负载电流或负载电压值，研究不同负载工况下发电通道特性的改变，选取记录的数据生成报表。

Images