CN101309040B - 采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***。它包括依次连接的第一环路行波热声核、谐振管、室温离子液体、发电装置及第二环路行波热声核，同时还包括连接于两个行波热声核之间的稳频装置。环路行波热声核包括依次连接的反馈管、声感管、声容管、第一水冷器、回热器、加热器、热缓冲管和第二水冷器。发电装置由矩形不锈钢外套、绝缘夹层、永磁体、电极和引线接头组成，同时还包括周期振荡的室温离子液体。稳频装置由两个带调节阀的气库通过两个截止阀连接到行波热声核。本发明将室温离子液体作为液体活塞引入传统的热声发动机，形成气-液两相工质耦合振荡，驱动离子液体往复运动切割垂直于运动方向的磁力线实现发电。

Description

采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***

技术领域

本发明涉及发电***，尤其涉及一种采用室温离子液体的热声驱动器及其驱动的磁流体发电***。

背景技术

磁流体发电也叫MHD发电，是从上世纪50年代开始逐渐兴起的发电技术。磁流体发电是一种新型的高效发电方式，其定义为当磁流体穿过磁场时，按电磁感应定律，由于切割磁力线而产生电；在磁流体流经的通道上安装电极，并与外部负荷连接时，则可输出电能。传统的发电机，主要是利用线圈相对磁场转动来发电，因为线圈相对磁场运动时，不断地切割磁力线，线圈中就会产生感应电动势；而磁流体发电机与传统发电机相比较，不同之处在于它是由磁流体切割磁场发电的。与传统的火力发电***相比，磁流体发电***具有效率高、环境污染小、发电设备结构紧凑，启停迅速等优点。

热声效应是热与声之间的相互转换过程，根据能量的转换方向可以分成热致声和声致热(冷)两种。热声发电***是利用热致声效应产生声功驱动导线或者磁流体往复运动，切割磁力线实现发电，其优点在于采用热能驱动，可利用低品位热能；无(或者包含少量)机械运动部件，运行稳定可靠，寿命长；所采用的工质安全、无污染等。

热声发电***已有多种不同的方案，包括热声驱动直线发电机***、全液态工质磁流体热声发电***、热声驱动电解质-磁场耦合发电***等。后两者属于热声驱动磁流体发电***。

上世纪八十年代，国外学者开展了完全采用液态金属钠作为工质的热声驱动磁流体发电***的理论和实验研究，但由于液态金属钠过小的可压缩性以及过大的热导率导致***需要在10MPa-20MPa的高压工况下运行，工作频率高达910Hz(***轴向长度1.22m)，热电转换效率较低，且液态金属钠自身的危险性也令人堪忧。最近，有学者报道了采用空气和饱和碳酸氢钠水溶液作为工质的热声驱动磁流体发电***。该***采用由亥姆霍兹共鸣器构成的驻波型热声驱动器驱动U形管中的碳酸氢钠水溶液切割磁力线发电。由于该***是工作在常压附近的开放***，所能产生的感应电动势很小(均方根值在0.1至1mV量级)，离实际应用还有比较大的距离。

值得注意的是，具有环路结构的行波型热声***，由于其热声转换效率高而备受研究者和工业界的关注，然而气体工质在行波环路结构中可能形成直流流动而造成严重的热损失，甚至影响***工作的稳定性。人们已经发展出具有不对称流阻的喷射泵以及弹性膜等环路直流抑制结构来控制和消除直流及其影响，但前者对不同工况的适应能力较差，需要进行针对性的调节，而后者的运行寿命还有待进一步验证。发展简单有效的环路直流抑制方法是该领域所关注的热点问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术不足，提供一种采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***。

采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***包括第一环路行波热声核、谐振管、室温离子液体、发电装置、第二环路行波热声核、稳频装置，环路行波热声核包括依次相连接的反馈管、声感管、声容管、第一水冷器、回热器、加热器、热缓冲管，第二水冷器，第一环路行波热声核反馈管与第二环路行波热声核反馈管之间设有谐振管，谐振管中间设有发电装置，第一环路行波热声核热缓冲管与第二环路行波热声核缓冲管之间设有稳频装置，谐振管和环路行波热声核的底部设有室温离子液体，发电装置包括矩形不锈钢外套、绝缘夹层、永磁体、电极、引线接头，引线接头外面包有绝缘套，不锈钢外套内设有绝缘夹层，绝缘夹层内上、下设有两块永磁体，绝缘夹层内左、右设有两电极，两电极分别设有引线接头，引线接头与矩形不锈钢外套之间设有绝缘套，发电装置通过法兰连接到谐振管。

所述的稳频装置包括充注阀、截止阀、第一气库、第二气库、第一气库调节阀、第二气库调节阀，第一气库通过第一气库调节阀经由截止阀门连入到第一行波热声核的热缓冲管，第二气库通过第二气库调节阀经由截止阀接入到第二环路行波热声核的热缓冲管，两个截止阀通过管道直接连接，管道中间设有充注阀连接到外界，第一气库、第二气库上均设有加热器与水冷却盘管。

所述的室温离子液体为三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑或三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑。

本发明采用热声驱动的磁流体发电技术，工作温度首先比采用等离子体低，可以充分利用低品位的热能，提高了能源利用效率；而作为取代常规发电装置中线圈的室温离子液体，由于具有良好的导电性，是一种理想的磁流体发电介质，同时被作为液体活塞引入传统单纯采用气体工质的热声发动机，充分利用气体的可压缩性声容和液体的高密度质量惯性声感，形成气液两相工质耦合振动***，优化了***的声学阻抗特性，可实现强化热声发动机的声振荡和热声转换，提高声功输出能力。并且，室温离子液体的“零”蒸气压特性使其与气相工质联合工作时，不会由于蒸发而污染气相工质，可保证***的长期稳定运行。同时本发明采用了环路双行波热声驱动，可以增加声功产生，从而增大了电能的输出。而且本发明采用频率稳定装置可以确保输出电压频率的稳定，进而可方便发电***接入电网而无须另外添加频率调节设备。

此外，与采用固体活塞的热声驱动直线发电机***相比较，液体活塞无需弹簧支撑***，同时避免了固体活塞与汽缸之间的滑动密封问题，因而结构设计、机械加工以及装配等都更为简便。同时，值得注意的是，室温离子液体充满环路行波热声核的底部，隔断了环路行波热声核中的气体，可有效防止气体工质沿环路产生直流流动而造成的热损失，在提***高效率的同时，有利于保证***的稳定运行。

附图说明

图1是采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***的结构示意图；

图2是发电装置截面示意图；

图3是气库加热器与冷却盘管示意图；

图中：反馈管1、声感管2、声容管3、第一水冷器4、回热器5、加热器6、热缓冲管7、第二水冷器8、室温离子液体9、谐振管10、法兰11、矩形不锈钢外套12、绝缘夹层13、永磁体14、充注阀15、截止阀16、第一气库17、第二气库18、第一气库调节阀19、第二气库调节阀20、电极21、引线绝缘层22、引线接头23、气库加热器24、气库水冷却盘管25。

具体实施方式

如附图所示，采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***包括第一环路行波热声核、谐振管10、室温离子液体9、发电装置、第二环路行波热声核、稳频装置，环路行波热声核包括依次相连接的反馈管1、声感管2、声容管3、第一水冷器4、回热器5、加热器6、热缓冲管7，第二水冷器8，第一环路行波热声核反馈管1与第二环路行波热声核反馈管1之间设有谐振管11，谐振管11中间设有发电装置，第一环路行波热声核热缓冲管7与第二环路行波热声核缓冲管7之间设有稳频装置，谐振管10和环路行波热声核的底部设有室温离子液体9，发电装置包括矩形不锈钢外套12、绝缘夹层13、永磁体14、电极21、引线接头23，引线接头外面包有绝缘套22，不锈钢外套12内设有绝缘夹层13，绝缘夹层13内上、下设有两块永磁体14，两个磁体放置时磁极朝向相同，即都是N极朝上(或者S极朝上)，相应在流道中形成的磁场方向为从下部指向上部(从上部指向下部)。绝缘夹层13内左、右设有两电极21，两电极21分别设有引线接头23，电极21上通过引线接头可将电势传输到外接负载，引线接头23与矩形不锈钢外套12之间设有绝缘套22，发电装置通过法兰11连接到谐振管10，同时发电装置还包括在以上装置组成的通道内周期振荡的室温离子液体9。稳频装置包括充注阀15、截止阀16、第一气库17、第二气库18、第一气库调节阀19、第二气库调节阀20，第一气库17通过第一气库调节阀19经由截止阀门16连入到第一行波热声核的热缓冲管7，第二气库18通过第二气库调节阀20经由截止阀16接入到第二环路行波热声核的热缓冲管7，两个截止阀16通过管道直接连接，管道中间设有充注阀15连接到外界，第一气库17、第二气库18上均设有加热器24与水冷却盘管25。室温离子液体9为三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑或三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑。

本发明利用热致声效应产生的气体压力振荡，通过气液耦合作用驱动离子液体往复运动，切割垂直于其运动方向的磁力线而在电极上产生电势差，连接外载负荷即能输出电能。

现有的磁流体发电技术，液态金属和等离子体是两种主要工质。液态金属的工作压力高，而等离子体的工作温度高，这在一定程度上限制了相关技术的应用。本发明采用热声驱动的磁流体发电技术，工作温度首先比采用等离子体低，可以充分利用低品位的热能，提高了能源利用效率；而作为取代常规发电装置中线圈的室温离子液体，由于具有良好的导电性，是一种理想的磁流体发电介质，同时被作为液体活塞引入传统单纯采用气体工质的热声发动机，充分利用气体的可压缩性声容和液体的高密度质量惯性声感，形成气液两相工质耦合振动***，优化了***的声学阻抗特性，可实现强化热声发动机的声振荡和热声转换，提高声功输出能力。并且，室温离子液体的“零”蒸气压特性使其与气相工质联合工作时，不会由于蒸发而污染气相工质，可保证***的长期稳定运行。同时本发明采用了环路双行波热声驱动，可以增加声功产生，从而增大了电能的输出。

相对于传统单纯气体工质，气液两相工质耦合振动强化热声发动机声振荡的机理可根据谐振电路的知识进行定性解释。对于串联RLC(电阻-电感-电容)谐振电路，谐振电压正比于感抗的模ωL，可见通过增大电感L有助于强化谐振电压；由此，根据声电类比，通过引入液体活塞，充分利用液体因比气体质量密度更大而带来的更大惯性声感，可以强化热声发动机***内的压力振荡。但是，由于谐振频率 $\mathrm{\ω}=\sqrt{1/\left(\mathrm{LC}\right)},$ 可见当声感L增大时，***谐振频率将随之降低。因此***设计时，不能一味增大声感以强化压力振荡，需要在强化压力振荡与满足谐振频率要求之间进行平衡。就本质而言，本发明采用的气液耦合振动是通过改善热声发动机***的声学阻抗特性，强化热声发动机中的声振荡，进而提升其电能输出能力。

对于本发明所述的采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***，热声***振荡的频率即为输出电压的频率。在实际工作中，工况可能发生变动，例如***的工作温度、压力等参数可能发生波动，将导致***的谐振频率以及输出电压频率的波动，这对于负载而言通常是不利的，也不利于并网发电。针对以上问题，在***中设置了稳频装置，主要通过调节***的压力来保证频率的稳定。稳频装置主要由两个气库和相应调节阀组成，两个气库上均设有加热器和水冷却盘管。通过加热与冷却操作，保证一个气库的工作压力高于热声***工作压力，另一气库的压力比热声***压力低。在***工作频率偏高时，打开低压气库调节阀；反之则打开高压气库阀门，以调节热声***工作压力，保证输出电压频率的稳定。其原理在于，环路行波热声核等气相工质部分的声容可有下式估算C＝V/(γp_m)(V为体积，γ为比热容比，p_m为平均压力)，可见通过调节压力，可方便地调节***的声容。根据C＝V/(γp_m)，当压力增大时，声容减小，结合 $\mathrm{\ω}=\sqrt{1/\left(\mathrm{LC}\right)}$ 可知，谐振频率将随之增大；反之，当降低工作压力时，谐振频率也将随之降低。可见，通过频率稳定装置可以确保输出电压频率的稳定，进而可方便发电***接入电网而无须另外添加频率调节设备。

本发明提出将具有“零”蒸气压性质的室温离子液体引入热声***，与热声核部分的气体工质形成气液耦合振动，一方面利用具有良好导电性能的室温离子液体往复运动，切割磁力线发电，另一方面，通过气液耦合振动强化声振荡进而提升电能输出能力。此外，本发明还提出了利用室温离子液体隔断环路行波热声核中的气体环路的方法，可有效消除气体工质沿环路产生的直流流动。

本发明所述的采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***，气相工质可以采用氦、氮、氩等天然工质，洁净环保。作为液体活塞理想的室温离子液体应当具备的属性是：室温条件下，粘滞系数较小、化学稳定、无毒、与气体工质以及热声发动机的结构材料相容等。离子液体可采用二烷咪唑离子液体，如：三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑[EMIM][OTF]、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑[EMIM][BF₄]、三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑[EMIM][TFA]等。

下面从工质的冲灌开始对***的工作过程进行说明，同时介绍输出电压频率的调节过程。

在冲灌工质之前，先打开两个截止阀第一和第二气库调节阀以及充注阀，通过充注阀对***抽真空；随后，经由充注阀进行离子液体工质的冲灌，直至达到设计充注量；液体填充结束后，再经由充注阀进行气体工质冲灌，直至设计充注压力P0，此时，需开启第一和第二气库的水冷却盘管，保证两气库的温度恒定在室温T0。在完成整个工质填充过程后，关闭充注阀。

接着，关闭第二气库调节阀，第二气库中的气体工质压力保持在P0，温度为T0，第二气库成为低压气库。开启加热器(热源可为燃气供热、工业废热、余热、太阳能等)，同时开启第一和第二水冷器，沿回热器建立温度梯度，同时由于加热器附近的气体工质被加热使得***内压力有所上升；当温度梯度超过临界温度梯度时，***开始发生热声振荡，并逐步达到稳定工作状态，此时离子液体在谐振管中做往复运动，切割由永磁体形成的垂直于离子液体运动方向的磁力线，在电极上产生电势差从而实现发电，最后通过两个引线接头输出电能。当***达到稳定工作状态时，***的平均工作压力已上升至设计工作压力P1，第一气库中的工质压力也达到P1(P1大于P0)。这时，关闭第一气库调节阀，关闭第一气库的水冷却盘管，开启第一气库上的加热器(热源可为燃气供热、工业废热、余热、太阳能等)，使其中气体工质的温度提升至设计值T2，同时压力相应进一步升高到P2(P2大于P1)，使第一气库成为高压气库。可见，在建立发电***稳定工作的同时，已经使得第一气库压力P2高于热声***平均工作压力P1，而第二气库压力P0低于热声***平均工作压力P1，为稳频装置实现频率调节做好了准备。此外，在关闭第一气库调节阀后，关闭两个截止阀，将气库等构成的稳频装置以及工质充注管路与热声***隔断，以避免工质在该部分管路中振荡而造成的声功损失。

本发明提出的发电装置中，热声***的振荡频率即为输出电压的频率，由于驱动热源的波动等可能造成加热器的温度以及***平均工作压力的变化，进而造成热声***振荡频率以及输出电压频率的波动。本发明提出的稳频装置可通过向热声***充放气体工质，改变***平均工作压力来实现频率的调节。具体来讲，在上述第一气库压力P2高于热声***平均工作压力P1，而第二气库压力P0低于热声***平均工作压力P1的状态下，如果出现频率低于设计值，则开启两个截止阀和第一气库调节阀，使得部分气体工质从第一气库进入热声***，提升其中气体工质的平均工作压力，而使得谐振频率升高，直至设计频率，之后关闭两个截止阀和第一气库调节阀，停止调节。如果出现频率高于设计值，可通过开启两个截止阀和第二气库调节阀，使得热声***中的气体工质在压差的驱动下流入第二气库，由于冷却盘管的作用，第二气库的温度始终保持在T0，而热声***的谐振频率将因气体工质平均工作压力减小而降低，直至设计工作频率，之后关闭两个截止阀和第二气库调节阀，停止调节。当工作一段时间后，第一气库由于加热器的作用，其温度可仍保持在高温T2，但压力将由于工作气体不断放出而降低，趋近热声***的平均工作压力；而第二气库由于水冷却盘管的作用，其温度仍可保持在室温T0，但压力将由于工作气体不断流入而升高，趋近热声***的平均工作压力。当两个气库的压力达到热声***的平均工作压力时，气库将失去对热声***气体工质平均工作压力的调节能力，此时，需要再生其调节能力。具体来讲，在两个截止阀以及第一和第二气库调节阀都关闭的条件下，关闭第一气库的加热器，开启其水冷却盘管，将其温度从T2降低至T0，从而可使其压力从热声***的平均工作压力下降至低于热声***的平均工作压力而成为低压气库；另一方面，关闭第二气库的水冷却盘管，开启其加热器，将其温度从T0升高至T2，从而可使其压力从热声***的平均工作压力升高至高于热声***的平均工作压力而成为高压气库。可见，这样的操作实现了高低压气库在第一气库和第二气库之间的转换，再生了稳频装置的频率调节能力。如此往复，可以保证稳频装置的长期有效运行。

此外，本发明利用室温离子液体隔断环路行波热声核中的气路，因此室温离子液体的充注量必须充满整个谐振管和环路行波热声核的底部，并保持一定的液面高度，以保证在装置运行过程中，液面的振荡不至于破坏液柱对行波热声核环路的隔断作用。

Claims (3)

1.一种采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***，其特征在于包括第一环路行波热声核、谐振管(10)、室温离子液体(9)、发电装置、第二环路行波热声核、稳频装置，环路行波热声核包括依次相连接的反馈管(1)、声感管(2)、声容管(3)、第一水冷器(4)、回热器(5)、加热器(6)、热缓冲管(7)，第二水冷器(8)，第一环路行波热声核反馈管与第二环路行波热声核反馈管之间设有谐振管，谐振管中间设有发电装置，第一环路行波热声核热缓冲管与第二环路行波热声核缓冲管之间设有稳频装置，谐振管(10)和环路行波热声核的底部设有室温离子液体(9)，发电装置包括矩形不锈钢外套(12)、绝缘夹层(13)、永磁体(14)、电极(21)、引线接头(23)，引线接头外面包有绝缘套(22)，不锈钢外套(12)内设有绝缘夹层(13)，绝缘夹层(13)内上、下各设有一块永磁体(14)，绝缘夹层(13)内左、右各设有一个电极(21)，两电极(21)分别设有引线接头(23)，引线接头(23)与矩形不锈钢外套(12)之间设有绝缘套(22)，发电装置通过法兰(11)连接到谐振管(10)。

2.根据权利要求1所述的一种采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***，其特征在于所述的稳频装置包括充注阀(15)、截止阀(16)、第一气库(17)、第二气库(18)、第一气库调节阀(19)、第二气库调节阀(20)，第一气库(17)通过第一气库调节阀(19)经由截止阀门(16)连入到第一行波热声核的热缓冲管(7)，第二气库(18)通过第二气库调节阀(20)经由截止阀(16)接入到第二环路行波热声核的热缓冲管(7)。两个截止阀(16)通过管道直接连接，管道中间设有充注阀(15)连接到外界，第一气库(17)、第二气库(18)上均设有加热器(24)与水冷却盘管(25)。

3.根据权利要求1一种采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电***，其特征在于所述的室温离子液体(9)为三氟甲磺酸1-乙基-3-甲基咪唑、四氟硼酸1-乙基-3-甲基咪唑或三氟乙酸1-乙基-3-甲基咪唑。

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