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磁性液体用于太阳能空调器的可行性探讨吹瓶机

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2020年12月26日

磁性液体用于太阳能空调器的可行性探讨

2 前言

空调器的应用与普及,使我们在炎热的夏季也能享受到春天的舒适。但传统空调器是靠电力驱动的,这就给我们带来了巨大的能源浪费和间接对环境的严重污染。此外,对于许多车用空调器,由于其动力来源于发动机[2],所以空调器的工作状况与车辆的行驶速度成正相关。当发动机怠速或停车时,容易造成车内闷热难挡。如果利用磁性液体的特性,研制出一种磁性液体太阳能空调器,不仅能节省大量的能源,大大缓解对环境造成污染的压力,还能解决诸如汽车之类空调器的上述缺陷。

2 磁性液体特性的利用

磁性液体是一种新型的磁性功能材料,是由磁性铁氧体微粒分散在液体中形成的带磁性的黑色胶体溶液[2,3]。胶体溶液中的液体称之为载液。载液可以是不同的液体,如高碳烷烃、环戊烷、煤油、硅油等。磁性液体可以被永磁体吸引,被固定在磁场区。利用这一特性,我们可以设计出一种特殊的磁性隔板,将空调器内不同的压力区隔离开。磁性隔板是由条形永磁体和磁性液体按图2所示的方式组合而成。每两个永磁体之间相隔一定的间隙。该间隙内是磁力线密集区,我们称它为“磁隙”。在磁场的作用下,磁性液体被吸引在整个磁隙内。如果磁性液体的载液是挥发性的制冷剂,当隔板的A侧受热或降压时,这一侧的制冷剂将会挥发,B侧的制冷剂在浓度差的驱动下,会自动向A侧扩散。我们就可以实现将挥发性制冷剂从隔板的B侧自动迁移到A侧,以至穿越不同的压力区,完成在体系内的循环。为此,在集热器中设有AB隔板,在蒸发器中设有CD隔板,如图2所示。 3 磁性液体太阳能空调器的基本结构

和传统吸收式太阳能空调器[4]相类似,磁性液体太阳能空调器也是由集热器、冷凝器、蒸发器等主要部件组成。所不同的是集热器和蒸发器中分别装有一块特殊的AB和CD磁性隔板。AB隔板将图2中的集热器分隔成A、B两个区,CD隔板将蒸发器分隔成C、D两个区。另外,CD隔板所用的磁性液体载液是由易挥发的环戊烷组成的。而AB隔板所用的磁性液体载液则是由高碳烷烃和环戊烷构成的二元溶液组成。由于AB隔板中这两种烷烃的分子量相差很大,所以在一定温度下,它们的饱和蒸气压相差也非常大。例如环戊烷在沸点温度,P2环戊烷=2.22×225Pa,而高碳烷烃在62℃时,P2高碳烷烃=6.7×22-3Pa[5]。在上述二元溶液中,当环戊烷急剧挥发时,高碳烷烃则几乎不挥发。根据Raoult定律[6],P环戊烷=P2环戊烷X环戊烷。如果环戊烷在B区的蒸气压记为Pb、在C区的蒸气压记为Pc,显然,环戊烷在B区的蒸气压小于在C区蒸气压,即Pb<Pc,所以C区的环戊烷蒸气能自发地流向B区。

4 制冷原理

磁性液体太阳能空调器用环戊烷作制冷剂。这种烃类制冷剂的优点是易于获得,价格低廉,对大气臭氧层无破坏作用[7,8]。而且,环戊烷沸点适中,能在较低压力和较高排热温度下冷凝。环戊烷在空调器内,以磁性液体载液的形式被固定在隔板“磁隙”中。在太阳能的驱动下,环戊烷通过不断蒸发和冷凝的方式穿越隔板,并在体系内进行气化→冷凝液化→蒸发制冷→凝结,完成整个制冷循环,如图2所示。

日照下,A区温度上升,AB隔板内磁性液体中的环戊烷在A区气化,在冷凝器内经高压低温液化后进入D区。然后穿过CD隔板,在C区低压膨胀,吸热制冷。C、B区域的低压是由于AB隔板中环戊烷蒸气压下降造成的。C区的环戊烷蒸气流向B区后,在AB隔板上凝结,并与低挥发性的高碳烷烃载液混合。然后由浓度差驱动,自动扩散到A侧,完成一个制冷循环。如果希望提高制冷速度,或者在无太阳的情况下制冷,还可以启动辅助泵,用电能来提高环戊烷在体系内的循环速度,以获得在日光不足时能量的补充。

与传统吸收式太阳能制冷器相比,磁性液体太阳能空调器不需要设置液体传送泵,体系内既无溴化锂、氨之类的强腐蚀性介质,又无氢气之类的危险气体,使这种太阳能空调器用于家庭和车辆成为可能。

5 实验

5.2 太阳能驱动制冷剂的温度条件 在需要制冷的天气环境下,集热器内可能达到的温度,直接影响到制冷剂在集热器内的蒸发过程。对此我们作了如下实验。用聚苯乙烯泡沫塑料做成一内部尺寸为25.2×5.2×4.2cm的长方形无盖小盒,盒壁厚2.2cm,盒内壁涂黑;从盒的一端插入一支2~222℃的酒精温度计,盒上盖一块厚5mm的普通平板玻璃。以32°角朝南放置。表2是从温度计上观测到的北京地区2222年8月22日的不同时刻小盒内的温度。当天的天气预报是晴转多云,气温29~32℃。

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