本实用新型涉及热声技术，尤其涉及一种气液相变热声发动机驱动磁性流体发电系统。
背景技术：
一般我们常见的发电机组通常以内燃机(汽油机、柴油机等发动机)驱动，内燃机消耗大量宝贵的化石能源、其有害排放物和噪声是我国城市环境的主要污染源。在能源危机日益加剧、化石能源逐渐枯竭、环保意识日益增强的情况下，节能降耗、减少环境污染是必经途径。
热声热机可将热能转换为机械能，或用机械能产生温度差，因此在热能利用和低温制冷方面有广泛的应用。与今天大量使用的内燃机不同，热声热机并不一定需要用液体或气体燃料注入到气缸内部燃烧做功，只要有热量施加在热端就能工作，因此可采用多种热源(太阳能、生物质能、工业余热等)驱动工作。同时，热声发动机由于不具有机械运动部件，运行可靠、寿命长，且一般采用惰性气体作为工作介质，因此具有更高的环保特性等特点，成为了近年来的研究热点。
目前，热声发电已有的方案包括热声驱动直线电机、热声驱动合金液体工质磁流体发电以及热声驱动电解质-磁场耦合发电等，前者为驱动直线电机发电，后两者均属于驱动磁流体切割磁感线发电。
对于驱动直线电机发电，系统存在运动部件，难以完全避免的气缸与活塞之间的磨损，对系统的可靠性和使用寿命都有严重影响。
对于热声驱动液态金属钠作为工质的磁流体发电系统，由于过小的压缩性，必须在高压下运行。且对于热声驱动合金液体工质磁流体发电以及热声驱动电解质-磁场耦合发电，其都是在管道内部产生电势，需在管内部安装电极输出电能，同时，由于电流在管内产生，系统可能存在漏电危险。
公开号为CN104079142A的中国专利文献公开了一种双温位热源驱 动的热声三相交流发电系统，包括磁流体发电装置和构成环路的热声转换装置，所述环路内充有可相变工质，该可相变工质在气液相变热声转换装置中发生气液转变，可相变工质的气相作为行波热声发动机的工质，可相变工质的液相作为磁流体发电装置的工质；所述磁流体发电装置和相匹配的热声转换装置作为一个环路单元，所述热声三相交流发电系统至少有两个环路单元，各环路单元之间相互连通共用所述的可相变工质。
公开号为CN101309040A的中国专利文献公开了一种采用室温离子液体的热声驱动磁流体发电系统。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。
现有技术方案是在管道内产生电势，需在管道内部安装电极输出电能，则在电极接头处存在密封问题，且存在漏电的危险。
技术实现要素：
本实用新型提供了一种气液相变热声发动机驱动磁性流体发电系统，可以避免在管道内安装电极，防止漏电危险的发生。
一种气液相变热声发动机驱动磁性流体发电系统，包括环路热声发动装置、磁性流体、发电装置，
环路热声发动装置包括环路管道，环路管道包括：
处于环路管道底部的U形管，U形管内充有磁性流体，
处于环路管道上部的声容管，
连接在U形管一侧臂与声容管一端之间的反馈管，
依次连接在声容管另一端与U形管另一侧臂之间的加热器、热缓冲管、冷却器，
磁性流体液面上方的环路管道空间内充有磁性流体的气相；
发电装置包括：
缠绕于U形管两臂的线圈，
用于提供磁场的一对永磁体，两永磁体分别位于声容管上方和U形管下方且位置上下对应。
本实用新型中的磁性流体既为发电装置的工质，又为环路热声发动装置的工质，该环路热声发动装置实质为气液相变热声发动机。环路热声发动装置通过加热器对磁性流体加热使其蒸发膨胀，冷却器对磁性流体的气相进行冷却使其冷凝压缩，工质气液相变产生的高温蒸发膨胀与低温冷凝压缩的作用使工质在环路热声发动机中发生自激振荡，将部分热量转化为声功输出，驱动环路管道内液体的液面在加热器与冷却器间来回振荡。
分别置于系统的上、下方的一对永磁体(也可以是两极分别置于系统的上、下方的一块拱形永磁体)，产生由下至上(或由上至下)的外磁场。
磁性流体中的磁性纳米粒的尺寸非常小，以至于他们都是一些单畴的磁性纳米粒。磁性纳米粒实际上就是一个个的磁偶极子，磁性流体可以视为这些小磁偶极子的集合。在没有外磁场的作用时，这些小磁偶极子的磁矩方向是杂乱无章和互相抵消的，所以总的宏观磁矩是零。在外磁场的作用下，这些磁偶极子沿外磁场H的方向排列，其磁化强度矢量M的方向与外磁场H是平行且同向的。
在环路热声发动装置的驱动下，磁性流体在管道内往复运动，与缠绕在U形管两臂外的线圈发生相对运动，改变线圈内的磁通量，在线圈内产生电势。
本实用新型的发电系统在管道外部的线圈内产生电势并引出电流，避免了在管道内部安装电极，从而避免了电极接头处的密封问题且可避免漏电危险的发生。
作为优选，环路热声发动装置包括第一环路热声发动装置和第二环路热声发动装置，第一环路热声发动装置的U形管和第二环路热声发动装置的U形管通过谐振管相连通，两环路热声发动装置共用磁性流体。
谐振管和两环路热声发动装置的U形管内均填充有磁性流体，系统运行中，磁性流体的液面在冷却器与加热器、热缓冲管之间往复运动。通过谐振管将两环路发动装置连通，既可以避免其中一个环路内压力持续偏高或偏低，使系统稳定运行，又可以增大系统的输出。
作为优选，所述的磁性流体包括磁性纳米粒和载液。磁性流体虽然具有强磁性，但它与铁磁物质不同，在进行磁化时，它没有磁滞，而且具有超顺磁性(即磁矫顽力为零)。在低磁场范围内，磁性流体以恒定的磁化率磁化，χ为常数，磁化强度M与磁场强度H成正比；在高磁场中，磁化达到饱和后磁化强度M为常数。磁化强度的一般表达式为M＝χH。
磁性纳米粒非常小，以致在载液中呈现出无规则的布朗运动，这种热运动足以抵消重力的沉降作用以及消弱粒子间的磁性凝聚作用，在重力和磁力作用下稳定存在，不产生沉淀和凝聚。磁性纳米粒和载液浑成一体，从而使磁性流体既具有普通磁性材料的磁性，又具有液体的流动性。
作为优选，所述的磁性纳米粒为磁性Fe3O4纳米粒，所述的载液为丙酮或C1～C5的醇，载液的蒸气作为磁性流体的气相。
本实用新型发电系统中的环路热声发动装置，主要利用工质的气液相变进行工作，可实现“小”温差运行，提高较低温位低品位能源的利用率。因此，磁性流体的载液，即环路热声发动装置的工质，应当具备的属性是：室温条件下，呈现液体、粘滞系数较小，沸点低(有利于相变)、气化潜热较小等。
乙醇为无色透明液体、沸点为78.32℃、相对密度(水＝1)0.7893，黏度(20℃)1.17mpa·s、燃点363℃、气化潜热41.5kJ/mol，是一种可供选择的载液。此外，甲醇沸点为64.70℃、相对密度(水＝1)0.7913、黏度(20℃)0.5945mpa·s、燃点470℃、气化潜热37.39kJ/mol，也可作为载液的选择。
进一步优选的，所述的载液为乙醇。
磁性Fe3O4纳米粒通常不容易分散在低沸点的有机溶剂中，为了增加磁性纳米粒在载液中的分散性，可在磁性流体中加入表面活性剂，在表面活性剂的作用下，磁性纳米粒稳定地分散与载液中，形成磁性悬浮液。进一步优选的，所述的磁性流体还包括表面活性剂，所述的表面活性剂为烷基聚氧乙烯醚乙酸酯、氰基联苯型液晶、氰基苯基环己烷型液晶中的至少一种。
作为优选，所述的表面活性剂为氰基苯基环己烷型液晶，磁性Fe3O4纳米粒、氰基苯基环己烷型液晶、乙醇的质量比为3～7∶1∶1.8～12；进一步 优选的，磁性Fe3O4纳米粒、氰基苯基环己烷型液晶、乙醇的质量比为6∶1∶10。
在此配比下，磁性流体中磁性纳米粒分散性较好，磁性流体的磁化能力强。
作为优选，所述的氰基联苯型液晶为4′-戊基[1，1′-联苯]-4-甲腈，所述的氰基苯基环己烷型液晶为4-(4-丙基环己基)苄腈、4-(4-戊基环己基)苄腈、4-(4-庚基环己基)苄腈中的至少一种。
进一步优选的，以摩尔百分比计，所述的氰基苯基环己烷型液晶的组成为：
4-(4-丙基环己基)苄腈 10％～40％
4-(4-戊基环己基)苄腈 20％～60％
4-(4-庚基环己基)苄腈 10％～40％
本实用新型的磁性流体的制备方法可以为现有技术(参考文献：T.Fujita，T.Miyazaki.Preparation and properties of low boiling point of alcohol and acetone-based magnetic fluid.Journal of Magnetism and M agnetic Materials，1999，201(0)，14-17)。
本实用新型的环路热声发动装置在外磁场的作用下工作，而常规的不锈钢材料具有铁磁性，若环路热声发动装置的环路管道材料采用常规不锈钢，在系统运行的过程中，磁性流体在管道内来回运动，其中的磁性Fe3O4纳米粒可能受到磁力作用而粘附在管道内壁上。所以，作为优选，所述的环路热声发动装置的环路管道材料为奥氏体不锈钢。
奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18％、Ni 8％～10％、C约0.1％时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体(Austenite)也称为沃斯田铁或γ-Fe，是钢铁的一种显微组织，奥氏体不具有铁磁性，是一种塑性很好，强度较低的固溶体，且具有一定韧性。管壁采用奥氏体不锈钢为非导磁材料不影响磁场的空间分布，因此不会对外磁场产生影响。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
1、产生电势的线圈缠绕于管道外部，从管外引出电流，避免了在管道内部安装电极，从而避免了电极接头处的密封问题且可避免漏电危险的 发生；
2、利用气液相变热声发动机驱动系统发电，气液相变热声发动机的驱动温差小，可利用低品位能源进行驱动，提高低品位能源的利用率；
3、热声发动机中存在磁性流体可作为液体活塞，阻断气路通道，可避免行波环路存在的声直流问题。
附图说明
图1为本实用新型气液相变热声发动机驱动磁性流体发电系统的结构示意图。
图中：1、冷却器，2、热缓冲管，3、加热器，4、声容管，5、反馈管，6、磁性流体，7、U形管，8、谐振管，9、永磁体，10、线圈。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型的一种气液相变热声发动机驱动磁性流体发电系统包括环路热声发动装置、磁性流体6、发电装置。
环路热声发动装置包括左右对称设置的第一环路热声发动装置和第二环路热声发动装置。
两环路热声发动装置均由U形管7、声容管4、反馈管5、加热器3、热缓冲管2、冷却器1连通成一环路管道。具体的，U形管7位于环路管道的下部，其中充有磁性流体6，声容管4位于环路管道的上部，反馈管5连通声容管4的一端与U形管7的一侧臂，加热器3、热缓冲管2、冷却器1依次连接，连通声容管4的另一端与U形管7的另一侧臂。磁性流体6液面上方的环路管道空间充有磁性流体6的气相。
第一环路热声发动装置的U形管7和第二环路热声发动装置的U形管7通过谐振管8连通，两环路热声发动装置对称设置并共用磁性流体6。
发电装置包括：缠绕于两个U形管7两臂的线圈10，用于产生电势并引出电流，还包括用于提供磁场的一对永磁体9，两永磁体9分别位于声容管4上方和U形管7下方且位置上下对应(也可以为一拱形的永磁体，该永磁体的两极分别置于声容管4的上方和U形管7下方)。位于上、下方的两永磁体9的N极同时朝下或朝上，在永磁体9之间形成竖直的外磁场。
本实用新型气液相变热声发动机驱动磁性流体发电系统的管道材料均采用奥氏体不锈钢，奥氏体不具有铁磁性，是一种塑性很好，强度较低的固溶体，且具有一定韧性。管壁采用奥氏体不锈钢为非导磁材料不影响磁场的空间分布，因此不会对外磁场产生影响。
磁性流体6为磁性Fe3O4纳米粒悬浮于乙醇中所形成的磁性悬浮液，其具体的制备方法可以为现有技术(参考文献：T.Fujita，T.Miyazaki.Preparation and properties of low boiling point of alcohol and acetone-based magnetic fluid.Journal of Magnetism and M agnetic Materials，1999，201(0)，14-17)。
具体制备方法为：
(1)将磁性Fe3O4纳米粒分散在烷基聚氧乙烯醚乙酸酯中，在363K下高温加热，再加入硫酸，过滤、干燥后用乙醇冲洗掉多余的表面活性剂，得到表面覆盖有表面活性剂的磁性粒子；
(2)将上述表面覆盖有表面活性剂的磁性粒子分散在氰基苯基环己烷型液晶中，得到表面覆盖有双层表面活性剂的磁粒子，以摩尔百分比计，氰基苯基环己烷型液晶的组成为：
4-(4-丙基环己基)苄腈 30％
4-(4-戊基环己基)苄腈 40％
4-(4-庚基环己基)苄腈 30％
(3)将表面覆盖有双层表面活性剂的磁粒子分散到乙醇中，离心处理后得到磁性流体。
上述制备方法中，磁性Fe3O4纳米粒、氰基苯基环己烷型液晶、乙醇的质量比为6∶1∶10。
发电系统运行前，对系统抽真空后进行磁性流体6充注，初始充注液面高于加热器3。系统运行时，加热器3进行加热，冷却器进行冷却并始终保持在室温。
环路热声发动装置通过加热器3对磁性流体6加热使乙醇蒸发膨胀，冷却器1对乙醇蒸气进行冷却使其冷凝压缩，气液相变产生的高温蒸发膨胀与低温冷凝压缩的作用使磁性流体6在环路热声发动机中发生自激振荡，将部分热量转化为声功输出，驱动环路管道内磁性流体6的液面在加 热器3与冷却器1之间往复运动。
磁性流体6中的磁性Fe3O4纳米粒在外磁场的作用下磁化，其磁化强度矢量M的方向与外磁场H是平行且同向的。磁性流体6在管道内往复运动，与缠绕在U形管7两臂外的线圈10发生相对运动，改变线圈10内的磁通量，在线圈10内产生电势。