CN113644806B - 一种基于流型主动调节机制的lmmhd发电系统的工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于流型主动调节机制的LMMHD发电系统及工作方法，通过热源将液态金属提高到一定的温度后，将液态金属与低沸点工质与混合器中混合，使得低沸点工质汽化推动液态金属流动，再经过流型调节装置使得两相混合流体进一步掺混，之后混合充分的两相流体流经发电通道并最终在分离器中分离。本发明通过对磁流体发电系统进行优化设计，能够有效地解决混合器混合流体不够均匀，导电性能不佳的问题，为发电通道提供混合效果较好的两相流体，从而大幅提升整个系统的发电性能；此外本发明还能与多种热源之间进行适配，具有调节响应迅速，调节装置简单紧凑等优点，能有效提升磁流体发电系统的发电性能。
Description
技术领域
本发明涉及液态金属磁流体发电技术领域，主要涉及一种基于流型主动调节机制的 LMMHD发电系统及工作方法。
背景技术
两相磁流体发电系统是基于LMMHD(液态金属磁流体动力学Liquid MetalMagneto- Hydro-Dynamics)的发电系统，其基本原理是利用法拉第电磁感应定律，通过低沸点工质汽化推动液态金属切割磁感线，进而在磁场和流动的正交方向产生感应电势，此过程可以直接将两相流体的动能转化为电能，转化效率较高。
在两相流发电系统中存在两类流体，其一是热动力学流体，热动力学流体通常为低沸点工质，它的作用是将热能转化为两相流体的动能；另一种是电动力学流体，通常采用的是液态金属，它的作用是将两相流体的动能转化为电能。因此在两相磁流体发电系统中，需要先将液态金属与低沸点工质在混合器中混合，进而将两相混合流体导出至发电通道；但低沸点工质不具有导电性，且两相混合流体中气态低沸点工质的体积分数不容易控制，当低沸点工质体积分数较大时，混合流体的电导率也会显著下降，从而导致发电性能的下降；此外，两相混合流动的流场复杂，在不同的工况下会出现不同的流型，其中比较常见的为搅混流、分层流和环状流。在分层流流型下，气液两相之间存在明显的分界面，混合效果不理想，两相之间还会存在速度差，导致液态金属的热能不能很好的转化为动能；在环状流流型下，气体会在管道中间产生气芯，导致两相混合流体的电导率较小，进而引起后续发电性能的下降；搅混流流型是气液两相混合充分时产生的流型，此时气液两相流体混合均匀，混合流体的电导率较高，这个流型下的混合流体具有最佳的发电性能。
发明内容
发明目的：针对上述背景技术中的不足，本发明提供了一种基于流型主动调节机制的LMMHD发电系统及工作方法，能够主动的对发电系统内部的流型进行调节，以应对不同工况下可能出现的环状流或分层流。在保证系统结构简单紧凑的同时能够很好的对流型进行调节，能够显著提升两相磁流体发电系统的稳定性，并且保证较高的发电效率，更好地满足不同热源下的发电需求。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于流型主动调节机制的LMMHD发电系统，包括环状流流型调节子系统和分层流调节子回路；
所述环状流流型调节子系统包括热源，所述热源与混合器的液态金属入口连接，输送高温液态金属；混合器中设有低沸点工质，与输入的高温液态金属混合，经由出口依次流经两相流型调节装置和磁流体发电通道，进行发电；完成发电的混合流体流入气液分离器，液态金属部分从液态金属出口流出，经由第二电磁泵，回流至热源；低沸点工质部分由低沸点工质出口流出，依次流经冷凝器和工质泵，最终回流至混合器中；
所述分层流调节子回路包括设置于液态金属出口处的回路进口，所述回路进口处安装有第一阀门；液态金属通过第一阀门后，流经第一电磁泵，通过安装于回路出口处的第二阀门；回路出口接入所述两相流型调节装置和磁流体发电通道之间。
进一步地，所述两相流型调节装置包括沿流体径向上下设置的N极永磁体和S极永磁体；与所述N极永磁体和S极永磁体间隔90°分别设置有正极和负极，所述正极连接开关一端，所述负极通过负载与开关另一端连接。
进一步地，所述混合器和两相流型调节装置之间还设有两相流型测量仪，用于测量混合器出口的流体流型。
一种采用上述基于流型主动调节机制的LMMHD发电系统的工作方法，包括环状流流型调节、分层流流型调节和搅混流流型调节；具体地，
通过热源将液态金属加热至预设温度，经由液态金属入口，流入混合器中，与液态的低沸点工质混合；液态低沸点工质遇热汽化，体积膨胀后推动液态金属运动并从混合器出口流出；混合流体依次经过两相流型测量仪和两相流型调节装置，最终进入磁流体发电通道中进行发电；两相流型测量仪监测混合流体流型；
1)、当两相流型测量仪监测到混合流体为环状流流型时，关闭第一阀门和第二阀门，同时闭合两相流型调节装置的电路开关，两相流型调节装置工作，此时在电磁力的作用下，流道内由环状流流型向搅混流流型转变，使得混合流体混合更加充分；
2)、当两相流型测量仪监测到混合流体为分层流流型时，打开第一阀门和第二阀门，同时闭合两相流型调节装置的电路开关，两相流型调节装置工作；混合流体经过闭合两相流型调节装置后，上层气相区域发生射流，此时完成气液分离的液态金属经由第一阀门和第二阀门后与发生射流的气相区域进一步掺混，流道内由分层流流型向搅混流流型转变，使得混合流体混合更加充分后进入磁流体发电通道；
3)、当两相流型测量仪监测到混合流体为搅混流流型时，关闭第一阀门和第二阀门，同时断开两相流型调节装置的电路开关，搅混流流体直接进入磁流体发电通道。
有益效果：
(1)本发明采用的液态金属磁流体发电通道无需机械转换环节，可以直接将液态金属的热能转化为电能输出，转化效率高，通过合理的设置，对液态金属两相流磁流体发电系统进行了优化设计，使得系统在保证结构紧凑简单的同时电能输出稳定，并且能够适配多种热源，适用性好。
(2)本发明通过对发电系统进行设计，能够及时的发现系统中的两相流型变化并根据相应的变化做出调整，通过合理的设计阀门以及流型调节装置，使调节流型的操作步骤简单且调节能力较好，能够保证系统中的流型始终处于较好的状态下，有效的提升了系统的输出性能，提高了整体的能量转化率。
附图说明
图1是本发明提供的基于流型主动调节机制的LMMHD发电系统结构示意图；
图2是本发明提供的两相流型调节装置结构示意图。
附图标记说明
1-热源；2-混合器；3-两相流型测量仪；4-两相流型调节装置；5-第二阀门；6-磁流体发电通道；7-气液分离器；8-第一电磁泵；9-第一阀门；10-冷凝器；11-工质泵； 12-第二电磁泵；13-正极；14-N极永磁体；15-混合流体流向；16-负极；17-负载；18- S极永磁体；19-开关。
具体实施方式
下面结合附图提供一份详细实施例，对本发明作更进一步的说明。
本发明提供的基于流型主动调节机制的LMMHD发电系统结构如图1所示，包括环状流流型调节子系统和分层流调节子回路。
环状流流型调节子系统和分层流调节子回路包括热源1，液态金属在热源1中加热至预设温度，通过混合器2的液态金属入口进入混合器2中。混合器2中盛有低沸点工质，该种工质在低温状态下呈液态。当高温的液态金属进入混合器2中时，低沸点工质预热迅速汽化，体积开始膨胀，与液态金属混合，形成混合流体。混合流体依次流经两相流型调节装置4和磁流体发电通道6，并在磁流体发电通道中进行发电。本实施例中在混合器2出口和两相流型调节装置4之间设置有两相流型测量仪3，作用是监测混合流体属于何种流型。
当混合流体完成发电作业后，流通过流体入口流入气液分离器7进行分离。其中液态金属部分从液态金属出口流出，经由第二电磁泵12作用，回流至热源1处，完成一次循环。气相低沸点工质部分由低沸点工质出口流出，流经冷凝器10，冷凝成液态，进而通过工质泵11抽取，最终回流至混合器2中，进行下一次循环。
本发明在上述环状流流型调节子系统的基础上，添加了分层流调节回路。该回路入口位于气液分离器7的出口处，安装有第一阀门9，出口位于两相流型调节装置4和磁流体发电通道6之间，并且设有第二阀门5。分层流调节回路中还设有第一电磁泵8，用于抽取液态金属，回流至两相流型调节装置4和磁流体发电通道6之间。
基于上述LMMHD发电系统，本实施例提供一种基于不同流型的调节方法，通过两相流型调节装置4的调节和分层流调节回路的引入，在混合流体处于环状流或分层流时，分别采用不同调节方法，使得流入磁流体发电通道6的混合流体处于搅混流状态，获得最高的电导率，进而具备最佳发电性能。
本实施例提供的两相流型调节装置4具体结构如图2所示，包括沿流体径向上下设置的N极永磁体14和S极永磁体18。与N极永磁体14和S极永磁体18间隔90°分别设置有正极13和负极16。正极13连接开关19一端，负极16通过负载17与开关19另一端连接。
通过热源1将液态金属加热至预设温度，经由液态金属入口，流入混合器2中，与液态的低沸点工质混合。液态低沸点工质遇热汽化，体积膨胀后推动液态金属运动并从混合器2出口流出。混合流体依次经过两相流型测量仪3和两相流型调节装置4，最终进入磁流体发电通道6中进行发电。两相流型测量仪3监测混合流体流型。本发明中混合流体可能存在环状流、分层流和搅混流三种情况，下面便分别对这三种情况具体分析，提供操作方法。
1、当两相流型测量仪3监测到混合流体为环状流流型时，关闭第一阀门9和第二阀门5，同时闭合两相流型调节装置4的电路开关19，两相流型调节装置4工作；由于环状流型时，液态金属会在管道内呈现四周大，中间小的体积分数分布趋势，由于混合流体中只有液态金属具有导电性，四周的混合流体电导率也会更高，因此四周的液态金属所受电磁力比中心区域的更大，此时在电磁力的作用下，四周的液态金属会向通道中心扩散，进而导致流道内由环状流流型向搅混流流型转变，使得混合流体混合更加充分。
2、当两相流型测量仪3监测到混合流体为分层流流型时，打开第一阀门9和第二阀门5，同时闭合两相流型调节装置4的电路开关19，两相流型调节装置4工作；混合流体经过闭合两相流型调节装置4后，上层气相区域发生射流，此时完成气液分离的液态金属经由第一阀门9和第二阀门5后与发生射流的气相区域进一步掺混，流道内由分层流流型向搅混流流型转变，使得混合流体混合更加充分后进入磁流体发电通道6。
3、当两相流型测量仪3监测到混合流体为搅混流流型时，关闭第一阀门9和第二阀门5，同时断开两相流型调节装置4的电路开关19，搅混流流体直接进入磁流体发电通道6。此种情况下，混合流体具有最佳的导电性能，不需要其他操作即可较佳地完成发电工作。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种基于流型主动调节机制的LMMHD发电系统的工作方法，所述基于流型主动调节机制的LMMHD发电系统包括环状流流型调节子系统和分层流调节子回路；所述环状流流型调节子系统包括热源(1)，所述热源(1)与混合器(2)的液态金属入口连接，输送高温液态金属；混合器(2)中设有低沸点工质，与输入的高温液态金属混合，经由出口依次流经两相流型调节装置(4)和磁流体发电通道(6)，进行发电；所述两相流型调节装置(4)包括沿流体径向上下设置的N极永磁体(14)和S极永磁体(18)；与所述N极永磁体(14)和S极永磁体(18)间隔90°分别设置有正极(13)和负极(16)，所述正极(13)连接开关(19)一端，所述负极(16)通过负载(17)与开关(19)另一端连接；完成发电的混合流体流入气液分离器(7)，液态金属部分从液态金属出口流出，经由第二电磁泵(12)，回流至热源(1)；低沸点工质部分由低沸点工质出口流出，依次流经冷凝器(10)和工质泵(11)，最终回流至混合器(2)中；所述混合器(2)和两相流型调节装置(4)之间还设有两相流型测量仪(3)，用于测量混合器(2)出口的流体流型；所述分层流调节子回路包括设置于液态金属出口处的回路进口，所述回路进口处安装有第一阀门(9)；液态金属通过第一阀门(9)后，流经第一电磁泵(8)，通过安装于回路出口处的第二阀门(5)；回路出口接入所述两相流型调节装置(4)和磁流体发电通道(6)之间；
其特征在于，包括环状流流型调节、分层流流型调节和搅混流流型调节；具体地，
通过热源(1)将液态金属加热至预设温度，经由液态金属入口，流入混合器(2)中，与液态的低沸点工质混合；液态低沸点工质遇热汽化，体积膨胀后推动液态金属运动并从混合器(2)出口流出；混合流体依次经过两相流型测量仪(3)和两相流型调节装置(4)，最终进入磁流体发电通道(6)中进行发电；两相流型测量仪(3)监测混合流体流型；
1)、当两相流型测量仪(3)监测到混合流体为环状流流型时，关闭第一阀门(9)和第二阀门(5)，同时闭合两相流型调节装置(4)的开关(19)，两相流型调节装置(4)工作，此时在电磁力的作用下，流道内由环状流流型向搅混流流型转变，使得混合流体混合更加充分；
2)、当两相流型测量仪(3)监测到混合流体为分层流流型时，打开第一阀门(9)和第二阀门(5)，同时闭合两相流型调节装置(4)的开关(19)，两相流型调节装置(4)工作；混合流体经过闭合两相流型调节装置(4)后，上层气相区域发生射流，此时完成气液分离的液态金属经由第一阀门(9)和第二阀门(5)后与发生射流的气相区域进一步掺混，流道内由分层流流型向搅混流流型转变，使得混合流体混合更加充分后进入磁流体发电通道(6)；
3)、当两相流型测量仪(3)监测到混合流体为搅混流流型时，关闭第一阀门(9)和第二阀门(5)，同时断开两相流型调节装置(4)的开关(19)，搅混流流体直接进入磁流体发电通道(6)。
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