CN117570578B - 一种海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置，包括磁流体梯度集热部和定时追光部，磁流体梯度集热部包括具有内腔的集热平板、充注在集热平板内腔中的导热磁流体工质和设置在集热平板上表面的透明增透板；定时追光部包括弧形聚光反射板、海尔贝克磁场阵列、一气缸、旋转台和定时追光控制器；聚光反射板具有凹口朝上的弧形反射面，集热平板位于凹口中，海尔贝克磁场阵列由若干磁钢组排列而成，各磁钢组悬吊在集热平板与弧形反射面之间且位于集热平板的正下方，聚光反射板底部与旋转台铰接，气缸安装在旋转台上，伸缩杆的伸缩端朝上且位于聚光反射板下方，定时追光控制器分别与气缸和旋转台相连。本集热装置具有增幅热能吸收的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置。
背景技术
传统太阳能集热器一般由高透光性的玻璃板、金属吸热体和密封件等组成。水等传热介质将热量传递到平板集热器的底部，使传热介质的温度升高。这类集热器常采用水作为集热介质，但水作为常见的工作流体，其比热容、导热系数以及对流换热系数均较低，在传热过程中热辐射与热传导导致的热能损耗较高，限制了整体系统的光热转换速率，制约集热效率。因此，面对将太阳辐射直接转为热能加以利用的场景中，具有优良性能的磁流体成为优选。
目前增强型磁流体直接吸收式太阳能集热器从磁流体、液体透镜等方式进行吸收增强，太阳能吸收效率与光热转换效率低，整体吸热、传热方向固化，导致一天中光照来向改变使损失太阳能较多；同时，这类集热器采用的磁场为常规永磁体，在磁场分布及对磁流体的方向强化集热上未做研究与优化，导致磁场利用效率低，在集热方面收益不明显。
因此如何让磁流体作为集热工质来强化吸收显得尤为重要。近些年，出现了一些磁场增强的方式来诱导磁流体的吸收颗粒进行规则排列，用以增强磁流体对太阳能的吸收。但是目前对磁场的应用局限于简单的磁场叠加或者是强度改变，因此如何通过合理的磁场阵列排布，来实现对磁场的有效控制，是实现磁流体作为集热工质增强太阳能吸收的关键问题。
发明内容
为了解决上述使用传统磁场的热能利用效率低，集热方面收益不明显的问题，本发明提供一种海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置。
本发明所述海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置，包括磁流体梯度集热部和定时追光部，磁流体梯度集热部包括具有内腔的集热平板、充注在集热平板内腔中的导热磁流体工质和设置在集热平板上表面的透明增透板；
定时追光部包括弧形聚光反射板、海尔贝克磁场阵列、一个具有伸缩杆的气缸、旋转台和定时追光控制器；聚光反射板具有凹口朝上的弧形反射面，集热平板位于凹口中，海尔贝克磁场阵列由若干磁钢组排列而成，各磁钢组悬吊在集热平板与弧形反射面之间且位于集热平板的正下方，聚光反射板底部与旋转台铰接，气缸安装在旋转台上，伸缩杆的伸缩端朝上且位于聚光反射板下方，定时追光控制器分别与气缸和旋转台相连；
在伸缩杆伸长后，伸缩杆的端头与聚光反射板下表面抵接并推动聚光反射板转动而改变朝向。
进一步地，集热平板通过悬挂的托架托住并固定。
进一步地，导热磁流体工质为四氧化三铁微纳米粉体颗粒包裹分散剂，并分散于导热油中。
进一步地，上述分散剂为油酸和十二烷基苯磺酸钠的混合物，体积比为3:1。
进一步地，磁钢组分为I型和II型两类，I型的各磁钢组均由三个磁钢块组合而成，从左至右的磁钢块的N极方向分别为下、右、上，II型的各磁钢组均由五个磁钢块组合而成，从左至右的磁钢块的N极方向分别为左、上、右、下、左，每个磁钢组中，各磁钢块间平行，相邻两磁钢块间的间距相等；各磁钢组到集热平板底面的距离均相等。
进一步地，海尔贝克磁场阵列为矩形，四条边上排列的是II型磁钢组，四个角上及四条边内排列的是I型磁钢组。
进一步地，各磁钢组通过气凝胶固定在铁丝上，铁丝的两端安装在聚光反射板的弧形反射面上。
有益效果：本发明的集热装置通过在太阳能集热平板内部充注导热磁流体工质，外部设置海尔贝克磁场阵列，增幅集热平板工作侧即四侧面及底面磁场强度，降低非工作侧隔磁需求，使工作流体内部磁性颗粒沿磁路分布，在集热平板内构磁流体密度梯度分布的磁性颗粒集热区域流，形成下部区域密集、上部区域稀疏的内部磁性颗粒密度分布，通过集热束流内热导率的规律定向变化，使热量沿热导率梯度方向传导，在磁性颗粒密集的底部区域聚集并储存，强化定向传热，增幅热能吸收，亦即使热量的传导在集热平板内部由各向同性变为各向异性，透射太阳光中的热量进入流体后，沿集热束流中热导率梯度方向向下传导，并聚存在底部高密度磁性颗粒区域；磁性颗粒横向连接构筑导热桥传热，热量经由链路热通道传导，均匀平面热量分布，减少因冷热不均导致的热损，增幅区域吸收及聚热能力，提升系统传热升温效率；海尔贝克磁场阵列附加气缸和下方的旋转台，通过定时追光控制器按一天中太阳光强的变化规律设置追踪转向程序，定时改变外部磁场阵列角度，远控调整集热平板内部梯度热导率集热束流朝向，实现最大化吸收太阳能，提升光热转换效率，增强集热能力；集热装置整体成本低，易推广。
附图说明
图1是本发明集热装置的结构示意图；
图2为本发明中海尔贝克磁场阵列排列简图；
图3为I型磁钢组内部磁极排列方式及磁场分布图；
图4为II型磁钢组内部磁极排列方式及磁场分布图；
图中，1、集热平板；2、导热磁流体工质；3、聚光反射板；4、增透板；5、海尔贝克磁场阵列；6、旋转台；7、定时追光控制器。
具体实施方式
下面通过实施例对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，一种海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置，包括磁流体梯度集热部和定时追光部，磁流体梯度集热部包括具有内腔的集热平板1、充注在集热平板1内腔中的导热磁流体工质2和设置在集热平板1上表面的透明增透板4。上述导热磁流体工质2为四氧化三铁微纳米粉体颗粒包裹分散剂，并分散于导热油（HX-320，长沙合轩化工科技有限公司）中，上述分散剂为油酸和十二烷基苯磺酸钠的混合物，体积比为3:1。上述透明增透板4为透射率大于95%的增透玻璃。集热平板1由钢化玻璃制作而成，各面接口处采用密封处理，防止内部导热磁流体工质2渗漏；集热平板1通过预先悬挂的托架（未图示）托住并固定。
定时追光部包括弧形聚光反射板3、海尔贝克磁场阵列5、一个具有伸缩杆的气缸（未图示）、旋转台6和定时追光控制器7。聚光反射板3具有凹口朝上的弧形反射面，集热平板1位于凹口中。海尔贝克磁场阵列5由若干磁钢组排列而成，各磁钢组悬吊在集热平板1与弧形反射面之间且位于集热平板1的正下方。聚光反射板3底部与旋转台6铰接，上述铰接是通过在旋转台上表面设置两个相对的凸块并分别开设通孔，在聚光反射板底部也设置开设有通孔的凸块并使该凸块插入旋转台上的两凸块之间，再使用两端部具有螺纹且中间段为光杆的螺杆依次穿过各通孔后，再配合螺母在两端进行紧固，螺杆作为聚光反射板3转动的转轴。气缸固定在旋转台6上表面，伸缩杆的伸缩端朝上且位于聚光反射板3下方，在伸缩杆伸长后，伸缩杆的端头与聚光反射板3下表面抵接并推动聚光反射板3绕转轴转动而改变朝向。在伸缩杆端部和聚光反射板3下表面间还连接有一根限位绳（未图示），以防伸缩杆伸得过长后将聚光反射板3一侧顶起使聚光反射板3远离气缸的另一侧落至旋转台6上而无法恢复到原来的位置；通过设置限位绳，即便将聚光反射板3顶起至另一侧落至旋转台6上，也能在伸缩杆缩回时通过限位绳将聚光反射板3恢复到（拉回到）原位。定时追光控制器7属于现有技术，其分别与气缸和旋转台6相连用于控制气缸和旋转台6的运转，按一天中太阳光强的变化规律设置追踪转向程序，定时改变外部磁场阵列角度，远控调整集热平板1内部梯度热导率集热束流朝向，实现最大化吸收太阳能，提升光热转换效率，增强集热能力。
上述磁钢组分为I型和II型两类，I型的各磁钢组均由三个磁钢块组合而成，从左至右的磁钢块按“双极性”原则排列，N极方向分别为下、右、上，如图3所示；II型的各磁钢组均由五个磁钢块组合而成，从左至右的磁钢块按“双极性”原则排列，N极方向分别为左、上、右、下、左，如图4所示；每个磁钢组中，各磁钢块间平行，相邻两磁钢块间的间距相等；各磁钢组到集热平板1底面的距离均相等。
海尔贝克磁场阵列5为长方形，四条边上排列的是II型磁钢组，四个角上及四条边内排列的是I型磁钢组，如图2所示，磁钢组为六行六列。各磁钢组通过气凝胶固定在铁丝上，铁丝的两端安装在聚光反射板3的弧形反射面上。
利用海尔贝克磁场阵列5磁场特性，产生一个上侧密度分布区域性增幅的磁场，削弱磁钢组下侧磁场，降低非工作侧隔磁需求。纵方向上，集热束流内部磁场强度自集热平板1下部至上部减弱，吸引力同步下降，磁性颗粒下密上疏梯度分布，使磁性材料在集热平板1底面及四侧面聚集，增幅集热平板1下部集热能力与光热转换效率；横方向上，弧形磁路穿过集热平板1，使工作流体内部磁性颗粒沿磁路排布并连接，构成横向链状热通道传导热量，使各平面层温度分布均匀。
当磁流体的体积分数较小时，相较于基液（导热油、水、乙二醇等）粘度有一定幅度提升；体积分数进一步提升时，粘度也随之提升。体积分数越大，纳米粒子在基液中的距离就越小，这不仅意味着粒子间相互短程作用力增强，而且也增大了纳米粒子之间以及与基液分子相对运动件间的摩擦力，粘滞力上升。流体内部摩擦阻力的增大体现在粘度上，粘度并不是越小越好，较大的粘度有利用提高纳米流体的稳定性。磁流体在磁场作用下，粒子受到磁力作用会发生链状聚集，聚集体的出现和结构表现出对热导率的异常增强。在有磁场存在情况下磁流体的高热导率结合优异的光吸收性能，二者共同作用能够进一步提升直接吸收式集热器的集热效率。
工作流体中四氧化三铁微纳米粉体吸收颗粒控制在100nm左右，小于红外线波长800~1200nm，减少磁性颗粒对进入集热平板1的太阳光的遮挡，增加了太阳光在流体中不同层级的透射率η，使更多的光热能从平板流体的上层高温区域传递到下层较低温区域，提升装置对太阳能利用率，增强光热能传递。当太阳光照射到纳米流体中，被纳米粒子不断的进行光吸收和光散射，导致透射率变低、吸收率变高，高吸收率导致纳米流体的光热转换能力加强，低透射率说明了纳米粒子改变了纳米流体中太阳光线的传递路径，太阳光线在流体中的分布更加均匀，能够被纳米粒子大量吸收。因此，在磁流体集热平板1上覆盖透明增透板4，在太阳光进入磁流体并传递光热能的过程中，减少光在集热平板1表面的反射率，增加透射光强度，从而提升达导热磁流体工质2中的光热能强度及质量，增强整体装置光热转换及集热能力。
海尔贝克磁场阵列5能够随旋转台6及气缸伸缩杆的伸缩而转动，外接定时追光控制器7，一天中设置十二个时刻，使每个时刻海尔贝克磁场阵列5转动一定角度，磁钢组协同磁路及密度分布方向改变，使集热束流同步转向，与太阳光来向平行，最大化太阳能吸收效率与光热转换效率。本发明能使集热平板1上部吸热材料转化的太阳能辐射热量快速向平板下部传导，提升原有导热磁流体工质导热性能与均匀性，同时赋予集热平板系统高灵活性。本集热装置低耗能地追踪一天中不同时刻的太阳光来向，调整光热转换方向，吸收最大光强，使太阳能集热平板1中热流传导区域性增幅，热量定向均匀分布，增强集热效率。
本发明的工作流体为导热油基磁流体，导热油基磁流体的制备如下：利用化学共沉淀法制备纳米Fe3O4粒子，反应式如下：
Fe2+2Fe3+8OH-→Fe3O4+4H2O (1)
由于纳米粒子具有很强的团聚倾向，这限制了其作为润滑添加剂的应用，为使纳米粒子与导热油形成稳定的悬浮液，纳米粒子表面需吸附一层能与导热油(Gl)相溶的表面活性剂。本发明选用柠檬酸(CA)、油酸(OA)和十二烷基苯磺酸钠作为改性的表面活性剂，活性剂的羧基和纳米Fe3O4的表面羟基发生类似酸醇缩合的酯化反应。制备中所使用的化学试剂均为分析试剂级，制备过程如下：(1)称取2.3 g的FeSO4·7H2O、4.03 g的FeCl3·6H2O加入300 mL去离子水中，55℃水浴下低速搅拌45分钟，超声震荡20分钟后备用；(2)称取2.7 g的NaOH溶于50 mL去离子水；(3)在60℃水浴剧烈搅拌下将NaOH溶液迅速加入铁盐溶液中，保持搅拌并将水浴温度调节至85℃至90℃保持1小时使Fe3O4粒子熟化；(4)利用磁吸从溶液中分离Fe3O4，去离子水洗涤反复洗涤直至pH值为中性，重新分散到150 mL去离子水中，超声振荡60 min；(5)添加表面活性剂，在55℃下搅拌35min，调节pH值为6.5完成包覆；(6)强磁分离Fe3O4粒子，用酒精反复洗涤至磁分离效果弱，置于真空干燥箱75℃干燥使酒精蒸发。
将改性好的纳米粒子通过添加油酸钠和十二烷基苯磺酸钠作为分散剂，分散到导热油中，制备的导热油基磁流体在磁场作用下磁响应良好。
海尔贝克磁场阵列的制作
使用铷铁硼材料（NNF50M，思强科技公司）制作永磁体，材料基本参数如表1所示。
表1 材料NNF50M基本参数
根据阵列的拓扑结构，使用磁体胶将预先已充磁的磁体段粘连在一起，磁块组按“双极性”原则排列，磁体极性方向、排列顺序及磁场分布如图3、4所示。各磁体段之间的互斥力较强，所以在粘连的时候要使用模具进行夹紧。用气凝胶将完成连接的海尔贝克阵列磁体段固定于铁丝上，悬吊于聚光反射面上方，磁段呈直线型排列，使磁路穿过集热平板1工作侧，引导工作流体内磁性颗粒沿磁路形状排布。
阵列完全由稀土永磁材料构成，采用此种制作方式，将不同充磁方向的永磁体按照一定规律排列，能够在磁体一侧汇聚磁力线，而在另一侧削弱磁力线，从而大幅增强工作侧磁场强度，降低非工作侧隔磁需求，获得较为理想的单边磁场，控制磁流体的区域聚集状态：纵方向上，从集热平板1底部到顶部，磁场强度降低，工作流体中磁性微粒材料密度分布由密到疏，热导率降低，使上部高温区域热量向下部低温区域传导，并在底部磁性颗粒密度最大区域聚集；横方向上，磁性颗粒沿磁路连接并定向延长导热桥，构建链状热通路，横向导热，使平板热分布均匀，增幅热能吸收，通过工作流体内部磁性颗粒的规律导热聚集实现对集热能力的增强。
使用不同集热平板类型在外加海尔贝克永磁阵列时的集热效率与外加其他类型磁场时的集热效率的数据如表2所示：
表2 不同集热平板类型的集热效率对比数据
由集热效率实验数据可得，采用海尔贝克磁流体梯度分布型集热平板，使太阳能集热效率大幅提升，降低系统热损耗，增幅光热转换效率和集热效率。
本集热装置的工作流程如下：
旋转台6转动使集热平板1面对太阳光来向，集热装置开始工作。海尔贝克磁场阵列5产生竖向磁场阵列穿过集热平板1，在平板中工作流体内部构建集热束流，并使内部磁性颗粒密度及热导率均匀变化。太阳光进入工作流体，经透射后热量到达集热束流上，沿磁流体梯度分布方向由上至下传导，同时沿横向导热桥传热，使每层集热平面热分布均匀，降低热损耗，热量最终在底部磁性颗粒密集区域聚集，增幅系统集热效率；达到转向设定时间后，定时追光控制器7控制气缸及旋转台6运转，通过聚光反射板3带动海尔贝克磁场阵列5改变朝向，与此时刻太阳光来向平行，最大化吸收太阳能，增强光热转换效率。
上述未特别提及的技术均参照现有技术。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (5)
1.一种海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置，其特征在于，包括磁流体梯度集热部和定时追光部，磁流体梯度集热部包括具有内腔的集热平板、充注在集热平板内腔中的导热磁流体工质和设置在集热平板上表面的透明增透板；
定时追光部包括弧形聚光反射板、海尔贝克磁场阵列、一个具有伸缩杆的气缸、旋转台和定时追光控制器；聚光反射板具有凹口朝上的弧形反射面，集热平板位于凹口中，海尔贝克磁场阵列由若干磁钢组排列而成，各磁钢组悬吊在集热平板与弧形反射面之间且位于集热平板的正下方，聚光反射板底部与旋转台铰接，气缸安装在旋转台上，伸缩杆的伸缩端朝上且位于聚光反射板下方，定时追光控制器分别与气缸和旋转台相连；
在伸缩杆伸长后，伸缩杆的端头与聚光反射板下表面抵接并推动聚光反射板转动而改变朝向；
磁钢组分为I型和II型两类，I型的各磁钢组均由三个磁钢块组合而成，从左至右的磁钢块的N极方向分别为下、右、上，II型的各磁钢组均由五个磁钢块组合而成，从左至右的磁钢块的N极方向分别为左、上、右、下、左，每个磁钢组中，各磁钢块间平行，相邻两磁钢块间的间距相等；各磁钢组到集热平板底面的距离均相等；
海尔贝克磁场阵列为矩形，四条边上排列的是II型磁钢组，四个角上及四条边内排列的是I型磁钢组。
2.根据权利要求1所述的海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置，其特征在于，集热平板通过悬挂的托架托住并固定。
3.根据权利要求2所述的海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置，其特征在于，导热磁流体工质为四氧化三铁微纳米粉体颗粒包裹分散剂，并分散于导热油中。
4.根据权利要求3所述的海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置，其特征在于，所述分散剂为油酸和十二烷基苯磺酸钠的混合物，体积比为3:1。
5.根据权利要求1所述的海尔贝克磁场阵列磁流体梯度分布型集热装置，其特征在于，各磁钢组通过气凝胶固定在铁丝上，铁丝的两端安装在聚光反射板的弧形反射面上。
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