CN113541439A - 一种单相液态磁流体发电系统 - Google Patents

Abstract

一种单相液态磁流体发电系统，属于发电技术领域。利用导电流体流经外加磁场时，在流体内部会产生感应电流的原理，通过外部热源加热液态金属磁流体，磁流体在汽化组件中将热量传递给液态低沸点工质并使其汽化，工质汽化后体积膨胀流速增加，通过两级增速管路后推动三级轴流式风扇旋转，风扇带动发电机转子旋转，使得转子上的永磁体形成一个旋转磁场，在此旋转磁场的作用下，发电机定子线圈和发电机内筒中流动的磁流体同时感应出电流，电流经过导线和碳刷传到输出端。同时，为了增强磁流体在管路内的流速并在管路内形成旋流，在发电机转子内筒安装了扰流翅，通过轴流式风扇带动扰流翅旋转为磁流体提供推力，增强了磁流体的流动性，提高了发电效率。

Description

一种单相液态磁流体发电系统

技术领域

本发明涉及发电技术领域，具体地说是一种单相液态磁流体发电系统。

背景技术

目前常用的磁流体发电系统普遍是采用压缩空气与液体混合方式：气体经压缩机压缩后成为高压空气，在混合器中与液态金属混合，推动液态金属流动。这种推动方式的原理是利用空气在混合器中压强降低，使得空气自身体积增大膨胀来实现的。混合过程不涉及到外界热能的利用，液态金属获得的动能来源于压缩空气的压气机消耗的电能，而液态金属的动能经发电通道又转换成电能，该磁流体发电系统的能量转换途径为：电能→动能→电能，考虑到能量利用转换的损耗，可以推测整个系统最后输出的电能将小于所消耗的电能，仅仅利用该混合方案进行发电不具有实际意义。同时高压气体进入磁流体后在流动的过程中会在管壁内侧产生空泡效应，进而对管道造成气蚀，同时由于高压气体占据了管道大部分空间，采用此种方法制造的发电设备发电效率低下。

发明内容

本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种单相液态磁流体发电系统。

本发明的核心技术思想是：利用导电流体流经外加磁场时，在流体内部产生感应电流的原理，通过外部热源加热液态金属磁流体，磁流体在汽化组件中将热量传递给液态低沸点工质并使其汽化，工质汽化后体积膨胀流速增加，通过两级增速管路后推动三级轴流式风扇旋转，涡扇带动发电机转子旋转，使得转子上的永磁体形成一个旋转磁场，在此旋转磁场的作用下，发电机定子线圈和发电机内筒中流动的磁流体同时感应出电流，电流经过导线和碳刷传到输出。

同时，为了增强磁流体在管路内的流速并在管路内形成旋流，在发电机转子内筒安装了扰流翅，通过轴流式风扇带动扰流翅旋转为磁流体提供推力，增强了发电效率。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种单相液态磁流体发电系统，包括发电组件，发电组件包括发电外筒和发电内筒，发电内筒内安装定子，定子包括硅钢和线圈绕组，硅钢由冲压成型的硅钢片叠压铆接而成，线圈绕组由漆包线绕制而成，发电内筒内安装第二轴承和第三轴承，第二轴承和第三轴承内安装转子，转子为导磁材料，转子的表面粘贴永磁体，转子为圆筒型，圆筒内表面安装扰流翅和扰流电极，扰流翅为螺旋桨叶结构，扰流电极为笼型铜制结构，发电外筒和发电内筒形成的通道内安装轴流式风扇，轴流式风扇安装在转子的外表面，轴流式风扇包括一级扇叶、二级扇叶和三级扇叶，一级扇叶、二级扇叶和三级扇叶的扇面尺寸依次增大；发电外筒和发电内筒通过第一支架连接，永磁体包括极性相反的两块磁石构成一对磁极，线圈绕组的电源线与导线发电端头连接，导线发电端头安装在发电外筒的外壁上，发电外筒和发电内筒一端收窄形成第二增速腔。

发电组件的一端安装汽化组件，汽化组件包括汽化外筒和汽化内筒两部分，汽化外筒和汽化内筒之间有外筒导热翅，汽化内筒内安装内筒导热翅，内筒导热翅中间安装导流锥，外筒导热翅和内筒导热翅分别焊接在汽化内筒的筒壁上，并通过筒壁槽口保持接触，汽化外筒的一端安装进液口，汽化内筒的一端安装前端盖，前端盖上安装磁流体进口，汽化组件和发电组件之间安装密封垫，汽化外筒和汽化内筒的一端收窄形成第一增速腔。

发电组件一端安装密封端盖，密封端盖内安装导电基座，导电基座为圆筒型，圆筒的两侧对称安装碳刷和弹簧，碳刷与电盘电极保持接触，电盘电极安装在电盘上，电盘安装在转子上，电盘电极通过导线与扰流电极连接，碳刷通过导线与流体发电端头连接，密封端盖上安装磁流体出口和出气口。

磁流体通道与液态金属加热器连接，液态金属加热器与液态金属泵连接，液态金属泵与第一储罐连接，第一储罐与第一冷凝器连接，第一冷凝器与回热器连接，回热器与磁流体出口连接构成磁流体的流动回路。

进液口与流体泵连接，流体泵与第二储罐连接，第二储罐与第二冷凝器连接，第二冷凝器与压缩机连接，压缩机与流体泵连接，流体泵与出气口（19）连接构成气体流动回路。

本发明的一种单相液态磁流体发电系统与现有技术相比所产生的有益效果是：

（1）相比于传统的气液两相工质的混合推动方式，本发明设计的单相分离式推动结构，避免了不稳定的磁流体在与气体工质混合和分离过程中产生的性能改变的问题，也减少了气蚀现象对管路造成的冲击破坏，省去了传统发电机构中的气液分离塔，简化了设备结构，降低了制造成本。

（2）液态金属自身的大比重、粘度高等特性，本发明设计的轴流式风扇和扰流翅联动机构能够加快磁流体在管道内的流速，避免液态金属在管道内壁造成粘连，增强了系统的发电效率。

（3）研究表明随着空泡率的增加，磁流体发电通道的输出功率呈线性减小，本发明设计的机构中磁流体在回流的过程中没有外部气体进入，旋转的磁场能够在线圈和磁流体中同时感应出电荷，极大地提高了设备发电效率。

附图说明

附图1是本发明结构主视剖面图；

附图2是本发明结构局部放大图；

附图3是本发明结构发电机剖面图；

附图4是本发明结构电盘结构主视图；

附图5是本发明结构轴流式风扇三维图；

附图6是本发明结构转子三维图；

附图7是本发明结构发电系统原理图。

图中，1、汽化组件，101、汽化外筒，102、汽化内筒，103、气体通道，104、磁流体通道，2、发电组件，201、发电外筒，202、发电内筒，203、第一支架，204、第二支架， 3、轴流式风扇，301、一级扇叶，302、二级扇叶，303、三级扇叶，4、转子，5、定子，501、硅钢，502、线圈绕组，6、永磁体，7、扰流翅，801、第一轴承，802、第二轴承，803、第三轴承，901、外筒导热翅，902、内筒导热翅，10、导流锥，111、第一增速腔，112、第二增速腔，12、密封端盖，13、扰流电极，14、进液口，15、前端盖，16、磁流体进口，17、流体发电端头，18、磁流体出口，19、出气口，20、电盘，201、电盘电极，21、碳刷，22、弹簧，23、导电基座，24、密封垫，25、导线发电端头。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的作以下详细说明。

一种单相液态磁流体发电系统，包括发电组件2，发电组件2包括发电外筒201和发电内筒202，发电内筒202内安装定子5，定子5包括硅钢501和线圈绕组502，硅钢501由冲压成型的硅钢片叠压铆接而成，线圈绕组502由漆包线绕制而成，发电内筒202内安装第二轴承802和第三轴承803，第二轴承802和第三轴承803内安装转子4，转子4为导磁材料，转子的表面粘贴永磁体6，转子4为圆筒型，圆筒内表面安装扰流翅7和扰流电极13，扰流翅7为螺旋桨叶结构，扰流电极13为笼型铜制结构，发电外筒201和发电内筒202形成的通道内安装轴流式风扇3，轴流式风扇3安装在转子4的外表面，轴流式风扇3包括一级扇叶301、二级扇叶302和三级扇叶303，一级扇叶301、二级扇叶302和三级扇叶303的扇面尺寸依次增大；发电外筒201和发电内筒202通过第一支架203连接，永磁体6包括极性相反的两块磁石构成一对磁极，线圈绕组502的电源线与导线发电端头25连接，导线发电端头25安装在发电外筒201的外壁上，发电外筒201和发电内筒202一端收窄形成第二增速腔112。

作为本发明的第一实施例，液态金属具有较高粘度，对壁面存在较强的粘附作用导致发电段壁面处电流难以导通，所以，通过发电内筒202安装扰流翅建立了一种连续电极型磁流体发电通道。

进一步，连续电极型磁流体发电通道的优势在于结构简单，通道壁面可承受较大的压力，不易被强电流击穿，外接负载结构和形式简单，便于电流的输出。

作为本发明的第一实施例，考虑到永磁铁磁场分布的特性，越是远离磁铁表面磁场强度衰减得越厉害，所以为了产生较均匀的强磁场，在发电内筒202内安装扰流电极13，扰流电极13兼具导磁和导电的双重功能。

发电组件2的一端安装汽化组件1，汽化组件1包括汽化外筒101和汽化内筒102两部分，汽化外筒101和汽化内筒102之间有外筒导热翅901，汽化内筒102内安装内筒导热翅902，内筒导热翅902中间安装导流锥10，外筒导热翅901和内筒导热翅902分别焊接在汽化内筒102的筒壁上，并通过筒壁槽口保持接触，汽化外筒101的一端安装进液口14，汽化内筒102的一端安装前端盖15，前端盖15上安装磁流体进口16，汽化组件1和发电组件2之间安装密封垫24，汽化外筒101和汽化内筒102的一端收窄形成第一增速腔111。

作为本发明的第一实施例，发电系统共有气液两条循环回路。其中液态循环回路为发电主回路，回路中主要工质为液态金属磁流体镓（Ga），对于液态金属的选择，主要因镓有着高电导率、低熔点和无毒稳定的性质，在保证操作人员安全性的前提下，有着较高的输出功率。气态循环回路中主要工质为低沸点工质冷凝剂（R113），其沸点45℃正好符合设计要求，并且它由液态转化为气态的膨胀率较高。

作为本发明的第一实施例，磁流体发电系统的循环工作过程和发电过程如下：

（1）液态金属Ga在液态循环回路中依靠泵的推动力流过液态金属加热器，并被加热到60℃左右，输送进入汽化组件1中；

（2）低沸点工质R113在气态循环回路中依靠泵的增压作用以液态形式输送进入汽化组件1内。液态R113与保持在60℃下的液态金属Ga通过外筒导热翅901和内筒导热翅902进行热量传导，由于其沸点仅为 45℃，所以吸热的瞬间迅速膨胀为气体，在汽化组件1内产生强大的压力，高速气流再通过第一增速腔111和第二增速腔112进一步增速后推动轴流式风扇3转动。

（3）轴流式风扇3带动扰流翅旋转对液态循环回路中磁流体产生推动力使其在回路内流动，依据法拉第电磁感应定律，导电流体流过磁场时，会在正交方向上产生电场。具有一定导电性能的液态金属Ga通过由铷铁硼强力永磁铁产生的强磁场，电子聚集在扰流电极13处产生较稳定电势，依靠电盘20和碳刷21输出直流电，供给外部负载使用。

（4）液态金属Ga进入液态循环回路，经回热器、冷却器，流回泵前的储罐内；低沸点工质R113进入气态循环回路，通过压缩机进一步压缩做功后，流过冷凝器，液化成为液态R113工质，输送进入低沸点工质增压泵前端的储罐内。

作为本发明的第一实施例，液态金属的输送过程需要考虑密封性能，所以采用磁力齿轮泵，它是一种通过磁力传动器来实现无接触力矩传递从而以静密封取代动密封的容积式齿轮泵。

作为本发明的第一实施例，回热器实际上是一种热交换器，它的作用是使高温液态金属Ga降温进入冷凝器中，同时把能量传递给由泵输送出来的低温液态金属Ga，有效提高热量的利用效率。液态循环回路中的回热器采用板式换热器，具有换热效率高、热损失小、结构紧凑轻巧、使用寿命长等特点。

作为本发明的第一实施例，冷凝器也是一种热交换器，使液态金属Ga温度变低，从而满足泵的较低温使用原则。液态金属 Ga 以单一工质流过冷凝器，降温后（由 60℃到 40℃）进入液态金属输送泵。液态金属冷凝器同样采用换热效率较高的板式换热器。

发电组件2一端安装密封端盖12，密封端盖12内安装导电基座23，导电基座23为圆筒型，圆筒的两侧对称安装碳刷21和弹簧22，碳刷21与电盘电极201保持接触，电盘电极201安装在电盘20上，电盘安装在转子4上，电盘电极201通过导线与扰流电极13连接，碳刷21通过导线与流体发电端头17连接，密封端盖12上安装磁流体出口18和出气口19。

磁流体通道104与液态金属加热器连接，液态金属加热器与液态金属泵连接，液态金属泵与第一储罐连接，第一储罐与第一冷凝器连接，第一冷凝器与回热器连接，回热器与磁流体出口18连接构成磁流体的流动回路。

进液口14与流体泵连接，流体泵与第二储罐连接，第二储罐与第二冷凝器连接，第二冷凝器与压缩机连接，压缩机与流体泵连接，流体泵与出气口19连接构成气体流动回路。

作为本发明的第一实施例，发电通道结构主要由绝缘内衬和外壳两部分组成，对于绝缘内衬的材料，首先必须是电绝缘，其次在满足机械结构强度要求的同时尽可能的考虑成本因素，本发明选用工程塑料 ABS，这种材料是五大合成树脂之一，其抗冲击性、耐高温性、耐低温性及电气性能优良，具有易加工、表面光泽度好等特点，是一种通用的热塑性工程塑料。

作为本发明的第一实施例，转子4结构由低碳钢和绝缘内衬组成，转子4的主要作用有：

（1）承受发电段高压流体的冲击作用，以增加绝缘内衬的强度；

（2）对永磁铁进行水平方向自由度的约束；

（3）连接通道入口和通道出口，接触面装有橡胶密封圈，保证通道密封性能；

（4）产生稳定的磁场并富集磁流体产生的电荷。

作为本发明的第一实施例，扰流电极13的材料选择用紫铜，其优点在于电导率较高，强度硬度满足机械性能要求，可以承受较强的压力，机械加工性能和焊接性能良好，可以加工为磁流体发电通道的电极。为了提高输出的电量，需要使铜电极与液态金属流体接触面尽量加大，为了防止电极板被强电流击穿，电极板厚度必须加厚，同时加厚的电极板还可以更安全的承受来自的磁体的压力。

作为本发明的第一实施例，电极背面安装引线，引线采用圆形编织铜导线。

作为本发明的第一实施例，永磁体是磁流体发电系统不可缺少的一个部件，若在发电通道内获得稳定的、超强的磁场强度，磁铁的工作面尺寸要大，磁铁厚度要厚，依据调研结果选用牌号为N48的铷铁硼永磁铁，表层镀锌。

作为本发明的第一实施例，初始时刻，汽化组件1中充满高温液态金属镓，低沸点工质R113以一定的速度从汽化组件1的外管道管道通入组件中，由于液态金属镓的温度远高于R113的沸点，通入管道中的R113会立即吸收液镓的热量发生汽化成为气态R113，气态R113在管道中体积膨胀增速，将机械能传递给发电组件中的轴流式风扇并带动风扇转动，轴流式风扇带动扰流翅转动实现对液态镓的输运过程。

同时，为保证汽化组件1内持续存在充足的液镓，液态镓从汽化组件1左侧的管道以一定速度注入汽化组件1中。

作为本发明的第一实施例，液态循环回路中：

（1）对液态金属发电通道进行装配，安装好铜电极、磁铁，前端连接通道入口，后端连接通道出口，前后端接口均为标准DN20法兰接口，并且前后端均安装压力表用于测量发电通道的压力差。

（2）液态金属输送泵出入口管径都为DN25，螺纹接口，泵入口与液态金属储罐连接，储罐的入口接至液态金属冷凝器的出液口，泵出口经过转接头后连接至回热器，此处管道上依次排布软接头、压阀、止回阀、流量表，其连接方式均采用螺纹接口连接。然后，用DN40不锈钢管道连接液态金属加热器和汽化组件1。

（3）汽化组件1左侧进液口接入管路，右侧排液口接发电通道的通道入口 。

气液循环回路中：

（1）气液分离器右侧排气口用DN20管路接至压缩机机。

（2）冷凝器连接在压缩机与低沸点工质储罐之间。

（3）低沸点工质输送泵的入口接至第二储罐，出口接至流体泵的入口，管路上依次连接软接头、压阀、止回阀、浮子流量计，其连接方式均采用螺纹接口连接。

综上所述，本发明的内容并不局限在上述的实施例中，本领域技术人员可以在本发明的指导思想之内提出其他的实施例，但这些实施例都包括在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种单相液态磁流体发电系统，其特征在于，包括发电组件（2），所述发电组件（2）包括发电外筒（201）和发电内筒（202），所述发电内筒（202）内安装定子（5），所述定子（5）包括硅钢（501）和线圈绕组（502），所述硅钢（501）由冲压成型的硅钢片叠压铆接而成，所述线圈绕组（502）由漆包线绕制而成，所述发电内筒（202）内安装第二轴承（802）和第三轴承（803），所述第二轴承（802）和第三轴承（803）内安装转子（4），所述转子（4）为导磁材料，转子的外表面粘贴永磁体（6），所述转子（4）为圆筒型，圆筒内表面安装扰流翅（7）和扰流电极（13），所述扰流翅（7）为螺旋桨叶结构，所述扰流电极（13）为笼型铜制结构，所述发电外筒（201）和发电内筒（202）形成的通道内安装轴流式风扇（3），所述轴流式风扇（3）安装在所述转子（4）的外表面，所述轴流式风扇（3）包括一级扇叶（301）、二级扇叶（302）和三级扇叶（303），所述一级扇叶（301）、二级扇叶（302）和三级扇叶（303）的扇面尺寸依次增大；所述发电外筒（201）和发电内筒（202）通过第一支架（203）连接，所述永磁体（6）包括极性相反的两块磁石，所述线圈绕组（502）的电源线与导线发电端头（25）连接，所述导线发电端头（25）安装在所述发电外筒（201）的外壁上，所述发电外筒（201）和发电内筒（202）一端收窄形成第二增速腔（112）。

2.根据权利要求1所述一种单相液态磁流体发电系统，其特征在于，所述发电组件（2）的一端安装汽化组件（1），所述汽化组件（1）包括汽化外筒（101）和汽化内筒（102）两部分，所述汽化外筒（101）和汽化内筒（102）之间有外筒导热翅（901），所述汽化内筒（102）内安装内筒导热翅（902），所述内筒导热翅（902）中间安装导流锥（10），所述外筒导热翅（901）和内筒导热翅（902）分别焊接在所述汽化内筒（102）的筒壁上并通过筒壁槽口保持接触，所述汽化外筒（101）的一端安装进液口（14），所述汽化内筒（102）的一端安装前端盖（15），所述前端盖（15）上安装磁流体进口（16），所述汽化组件（1）和发电组件（2）之间安装密封垫（24），所述汽化外筒（101）和汽化内筒（102）的一端收窄形成第一增速腔（111）。

3.根据权利要求1所述一种单相液态磁流体发电系统，其特征在于，所述发电组件（2）一端安装密封端盖（12），所述密封端盖（12）内安装导电基座（23），所述导电基座（23）为圆筒型，圆筒的两侧对称安装碳刷（21）和弹簧（22），所述碳刷（21）与电盘电极（201）保持接触，所述电盘电极（201）安装在电盘（20）上，所述电盘安装在所述转子（4）上，所述电盘电极（201）通过导线与所述扰流电极（13）连接，所述碳刷（21）通过导线与所述流体发电端头（17）连接，所述密封端盖（12）上安装磁流体出口（18）和出气口（19）。

4.根据权利要求3所述一种单相液态磁流体发电系统，其特征在于，所述磁流体通道（104）与液态金属加热器连接，所述液态金属加热器与液态金属泵连接，所述液态金属泵与第一储罐连接，所述第一储罐与第一冷凝器连接，所述第一冷凝器与回热器连接，所述回热器与所述磁流体出口（18）连接构成磁流体的流动回路。

5.根据权利要求3所述一种单相液态磁流体发电系统，其特征在于，所述进液口（14）与流体泵连接，所述流体泵与第二储罐连接，所述第二储罐与第二冷凝器连接，所述第二冷凝器与压缩机连接，所述压缩机与流体泵连接，所述流体泵与所述出气口（19）连接构成气体流动回路。

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