金 浩 胡以懷 張華武 馮是全 朱 冰

1.廣州高瀾節(jié)能技術(shù)股份有限公司

2.上海海事大學(xué)商船學(xué)院

引言

霧霾壓力起到一定緩解作用。

風(fēng)通常帶來的是涼爽和寒冷，但它作為一種自然能從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，能產(chǎn)生機(jī)械能、電能，也能轉(zhuǎn)換為熱能。在我國北方地區(qū)，當(dāng)寒流襲來的時(shí)候，往往伴隨著凜冽的寒風(fēng)，這時(shí)利用風(fēng)能供熱采暖，可以說是資源優(yōu)勢(shì)與需求關(guān)系的最佳配合。風(fēng)力致熱是繼風(fēng)帆助航、風(fēng)力提水和風(fēng)力發(fā)電之后又一種新的風(fēng)能利用形式，可直接將風(fēng)力機(jī)輸出的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成熱能，為供熱采暖、保溫、干燥、水產(chǎn)養(yǎng)殖和家禽飼養(yǎng)等提供中、低品味的熱能。

風(fēng)力致熱主要分為固體摩擦致熱、攪拌液體致熱、液壓阻尼致熱、渦電流致熱、壓縮空氣致熱和組合式致熱六種致熱方式，其中攪拌液體致熱的優(yōu)點(diǎn)是：①風(fēng)力機(jī)輸出軸直接帶動(dòng)攪拌器，任何轉(zhuǎn)速下攪拌器都能吸收輸入的全部能量，并將其轉(zhuǎn)換成熱能；②攪拌器與風(fēng)力機(jī)的工作特性能合理的匹配；③不需要另外設(shè)置超速限制裝置；④致熱器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易制造、成本低、可靠性高，對(duì)結(jié)構(gòu)材料、風(fēng)速變化和工作液體無特殊要求；⑤在一定范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)熱循環(huán)[1-4]?；讦招痛怪陛S風(fēng)機(jī)的攪拌液體風(fēng)力致熱裝置在為可再生能源的應(yīng)用和發(fā)展拓展出新思路的同時(shí)又能減少供暖的燃煤消耗，對(duì)

1 風(fēng)力致熱供熱采暖系統(tǒng)

采用三葉片、葉片形狀為拋物線形的φ型垂直軸風(fēng)力機(jī)，在風(fēng)速8m·s-1時(shí)致熱功率為2kW，要求在這個(gè)風(fēng)速下效率最佳，此時(shí)風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)速為200r·min-1，葉片翼型為NACA0015翼型，風(fēng)力機(jī)高度以其最大半徑的2.5倍來設(shè)計(jì)一套攪拌液體風(fēng)力致熱裝置，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 風(fēng)力致熱供熱采暖系統(tǒng)示意圖

風(fēng)力致熱采暖系統(tǒng)是利用風(fēng)力致熱裝置捕捉風(fēng)能并轉(zhuǎn)換成熱能，以液體（通常是水或一種防凍液體）作為攪拌介質(zhì)，熱量經(jīng)由散熱部件送至室內(nèi)進(jìn)行供暖。風(fēng)力致熱采暖系統(tǒng)一般由風(fēng)力機(jī)、致熱裝置、儲(chǔ)熱水箱、連接管路、輔助熱源、散熱部件及控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。在風(fēng)力致熱裝置循環(huán)回路中若采用水，則在冬季風(fēng)力機(jī)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)需采取防凍措施；若采用防凍液，則需在風(fēng)力致熱裝置和儲(chǔ)熱水箱之間采用一個(gè)液-液熱交換器，將加熱后防凍液的熱量傳遞給采暖用的熱水。若應(yīng)用熱風(fēng)采暖，則需采用一個(gè)水-空氣熱交換器（稱為負(fù)載熱交換器），將加熱后水的熱量傳遞給采暖用的熱空氣。當(dāng)儲(chǔ)熱水箱的熱量不能滿足需要時(shí)，則由輔助熱源供給采暖熱負(fù)荷。

2 φ型垂直軸風(fēng)力機(jī)參數(shù)計(jì)算

2.1 風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)

垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)主要包括：選擇垂直軸風(fēng)力機(jī)類型、估算整個(gè)裝置系統(tǒng)的效率、進(jìn)行垂直軸風(fēng)力機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。

選擇垂直軸風(fēng)力機(jī)類型時(shí)，首先要確定負(fù)荷形式。如果負(fù)荷是機(jī)械設(shè)備（如水泵、空氣壓縮機(jī)等），則風(fēng)力機(jī)需要較高的啟動(dòng)力矩和較低的轉(zhuǎn)速，宜選擇阻力型垂直軸風(fēng)力機(jī)。如果負(fù)荷是致熱裝置或者發(fā)電機(jī)，則風(fēng)力機(jī)要具有較低的啟動(dòng)力矩和較高的轉(zhuǎn)速，宜選用升力型垂直軸風(fēng)力機(jī)。垂直軸風(fēng)力機(jī)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個(gè)設(shè)計(jì)的主要方面，它們各自具有一定的獨(dú)立性。但是，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中將兩者綜合加以考慮是很有必要的。

因此，垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)試算的過程，其一般設(shè)計(jì)流程可參考圖2所示的框圖。設(shè)計(jì)中如何考慮這些因素，取決于風(fēng)動(dòng)力做功裝置的功率大小和規(guī)模。但無論機(jī)組大小如何，綜合考慮這些因素都是有益的。

2.2 參數(shù)計(jì)算

φ型風(fēng)力機(jī)最大輸出功率計(jì)算式為[5]:

式中，Pw——φ型風(fēng)力機(jī)的功率，W；

圖2 垂直軸風(fēng)力機(jī)的設(shè)計(jì)流程

S——風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積，m2;

V——風(fēng)速，m·s-1。

故風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積估算為：

φ型風(fēng)力機(jī)掃風(fēng)面積幾何參數(shù)表示為：

式中，R——風(fēng)力機(jī)最大半徑，m；

H——風(fēng)力機(jī)高度，m。

風(fēng)力機(jī)高度為： H=2.5R=5.5m

最佳運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的葉尖速比λ0為:

式中，N0——風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)速，r·min-1

J.Templin的研究表明，葉尖速比λ0與R/b l的關(guān)系可表達(dá)為[5]：

由式（4）可求得葉片弦長：

式中，b——葉片數(shù)。

由于NACA0015翼型的相對(duì)厚度為15%，則葉片最大厚度為：

可計(jì)算得φ型風(fēng)力機(jī)的實(shí)度為：

φ型風(fēng)力機(jī)的功率為：

對(duì)比式（1）和式（5）可得φ型風(fēng)力機(jī)最大風(fēng)能利用系數(shù)為：

φ型風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)矩為：

式中，ωT——風(fēng)力機(jī)的角速度，rad·s-1。

2kWφ型垂直軸風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果見表1。

表1 φ型風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)

3 攪拌液體致熱器參數(shù)計(jì)算

攪拌液體致熱器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由攪拌桶、攪拌器、攪拌軸及阻尼板組成。攪拌桶為雙層結(jié)構(gòu)，其內(nèi)裝有水，攪拌軸通過聯(lián)軸器與風(fēng)力機(jī)的中心軸連接，攪拌軸帶動(dòng)攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)。阻尼板設(shè)于攪拌桶的內(nèi)壁，在攪拌桶的內(nèi)壁貼附有4塊阻尼板。當(dāng)風(fēng)吹動(dòng)風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，φ型風(fēng)力機(jī)的輸出軸帶動(dòng)致熱器的攪拌軸旋轉(zhuǎn)，攪拌軸帶動(dòng)攪拌器轉(zhuǎn)動(dòng)，攪拌器葉片攪動(dòng)水，水與攪拌器葉片、阻尼板和攪拌桶內(nèi)壁相互摩擦、撞擊，產(chǎn)生熱量，從而水的溫度逐漸升高。

圖3 攪拌致熱器結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)攪拌液體致熱器穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，致熱功率等于攪拌液體的吸收功率，其吸收功率為[6]:

式中，NP——攪拌功率準(zhǔn)數(shù)，是攪拌裝置最基本的特性參數(shù)之一；ρL——攪拌液體的密度，ρL=1000kg·m-3；n——攪拌器轉(zhuǎn)速，r·s-1；d——攪拌器的直徑，m；Re——攪拌雷諾數(shù)。

攪拌器的轉(zhuǎn)速可表示為：

攪拌器的轉(zhuǎn)矩為：

式中，ωG——攪拌器的角速度，rad·s-1。

圖4為攪拌液體致熱器致熱功率隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律[4]。由圖4可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為700 r·min-1時(shí)，致熱功率可達(dá)2kW。當(dāng)攪拌液體致熱器與φ型風(fēng)力機(jī)之間傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)比為k，由φ型風(fēng)力機(jī)額定轉(zhuǎn)速為200r·min-1可知，k的取值范圍可取3～5，此時(shí)傳動(dòng)效率為η=0.95，則風(fēng)力機(jī)與致熱器之間有下面關(guān)系：

因此，根據(jù)式（14）可為給定的風(fēng)力機(jī)設(shè)計(jì)相匹配的致熱器，攪拌器直徑就能確定為：

圖4 攪拌液體致熱裝置致熱特性

在攪拌容器內(nèi)，常常以攪拌器的葉端速度Λ=nd作為定性速度，所以攪拌雷諾數(shù)定義為

式中μ——攪拌液體黏度，kg·m-1·s-1。

攪拌雷諾數(shù)不僅決定攪拌容器內(nèi)液體流動(dòng)的流態(tài)（層流、過渡流、湍流），而且對(duì)攪拌器的特性起決定性作用。根據(jù)雷諾數(shù)的不同，致熱器內(nèi)液體流動(dòng)的流態(tài)可按攪拌雷諾數(shù)來劃分。當(dāng)Re＜10時(shí)，液體為層流；Re＞104為湍流；Re在10～104之間是過渡流[6]。功率準(zhǔn)數(shù)與攪拌雷諾數(shù)的直接關(guān)系表示為[7]：

其中B和z的值與攪拌雷諾數(shù)的大小有關(guān)。

攪拌液體為水時(shí)，在較低轉(zhuǎn)速下可獲得大于104的攪拌雷諾數(shù)。對(duì)于在額定風(fēng)速下運(yùn)轉(zhuǎn)的φ型風(fēng)力機(jī)，攪拌液體致熱器中攪拌的液體均滿足Re＞104的條件。當(dāng)Re＞104時(shí)，對(duì)3～6葉片的攪拌器，常數(shù)B=5且z=0[6-7]，此時(shí)液體吸收功率滿足下式：

在這種情況下負(fù)荷轉(zhuǎn)矩可由下式表示：

因此，由式（7）和式（20）可確定攪拌器的最佳直徑計(jì)算公式為：

將φ型垂直軸風(fēng)力機(jī)的參數(shù)以及η=0.95，k=3～5，ρL=1000kg·m-3代入式（21）得:d的取值范圍為：0.290m≤d≤0.321m。考慮到傳動(dòng)裝置的傳動(dòng)損失、軸與軸承之間摩擦損失和風(fēng)力機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中的不平衡損失等因素，攪拌器的直徑d取值為0.300m。

攪拌液體致熱器其它參數(shù)的確定[8-9]：

⑸阻尼板長度l的確定：該數(shù)值對(duì)致熱效果的影響很小，一般情況取l=1.2hmax。

⑹致熱器整體采用0.080m厚聚氨酯保溫泡保溫。

將φ型風(fēng)力機(jī)參數(shù)代入式（21），則攪拌器直徑d取值為0.300m；攪拌葉片寬度b=0.075m；攪拌桶內(nèi)徑D=0.750m；阻尼板寬度W=0.075m；液面高度范圍為：0.333m≤h≤0.414m；阻尼板長度l=0.497m；攪拌器葉片數(shù)為4，阻尼板個(gè)數(shù)為4。

4 致熱器致熱效率計(jì)算

攪拌液體致熱器效率為致熱器中流體的吸收功與輸入功之比，其計(jì)算式為：

式中，Q——流體的吸收功，J；W——致熱裝置輸入功，J；CP——液體定壓比熱容，J·kg-1·K-1；m——液體質(zhì)量，kg；ΔT——溫度變化量，K；P——致熱器輸入功率，W；Δt——時(shí)間變化量，s。

用2kW變頻電機(jī)模擬φ型垂直軸風(fēng)力機(jī)進(jìn)行攪拌液體致熱試驗(yàn)，攪拌介質(zhì)為水（水的定壓比熱容CP=4180J·kg-1·K-1）。圖5為不同轉(zhuǎn)速下，致熱裝置輸入功率和致熱效率變化規(guī)律。由圖5可知，致熱裝置輸入功率隨著轉(zhuǎn)速的增加而逐漸增加；致熱效率在91%～97%范圍內(nèi)波動(dòng),平均致熱效率為94.16%，比文獻(xiàn)[10]（最大致熱效率為45.4%）和文獻(xiàn)[2]（最大致熱效率為46.4%）所設(shè)計(jì)的致熱裝置致熱效率近似高一倍左右。

圖5 致熱規(guī)律特性

由熱力學(xué)第二定律可知，攪拌液體致熱裝置的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)榈推肺粺崮軙r(shí)，理論上可以得到100%的效率。但實(shí)際上，除了部分能量以振動(dòng)能、聲能損失外，還由于固定聯(lián)接和測(cè)量的需要、蒸發(fā)以及保溫的不完善，空氣中溫濕度的影響，不可避免地存在散熱損失，降低致熱裝置的效率。

5 結(jié)論

在設(shè)計(jì)φ型垂直軸風(fēng)力機(jī)攪拌致熱裝置的過程中，首先要根據(jù)供熱采暖負(fù)荷確定風(fēng)力機(jī)尺寸，其次根據(jù)公式（21）確定攪拌單元的直徑，然后再根據(jù)攪拌致熱經(jīng)驗(yàn)和參照攪拌單元直徑尺寸確定其它參數(shù)，由此可以設(shè)計(jì)出所需容量的風(fēng)力致熱裝置。