基于φ型垂直軸風力機的風力致熱裝置設計

金 浩 胡以懷 張華武 馮是全 朱 冰

1.廣州高瀾節能技術股份有限公司

2.上海海事大學商船學院

引言

霧霾壓力起到一定緩解作用。

風通常帶來的是涼爽和寒冷，但它作為一種自然能從能量轉換的角度來看，能產生機械能、電能，也能轉換為熱能。在我國北方地區，當寒流襲來的時候，往往伴隨著凜冽的寒風，這時利用風能供熱采暖，可以說是資源優勢與需求關系的最佳配合。風力致熱是繼風帆助航、風力提水和風力發電之后又一種新的風能利用形式，可直接將風力機輸出的機械能轉變成熱能，為供熱采暖、保溫、干燥、水產養殖和家禽飼養等提供中、低品味的熱能。

風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點是：①風力機輸出軸直接帶動攪拌器，任何轉速下攪拌器都能吸收輸入的全部能量，并將其轉換成熱能；②攪拌器與風力機的工作特性能合理的匹配；③不需要另外設置超速限制裝置；④致熱器結構簡單、容易制造、成本低、可靠性高，對結構材料、風速變化和工作液體無特殊要求；⑤在一定范圍內可實現自動熱循環[1-4]。基于φ型垂直軸風機的攪拌液體風力致熱裝置在為可再生能源的應用和發展拓展出新思路的同時又能減少供暖的燃煤消耗，對

1 風力致熱供熱采暖系統

采用三葉片、葉片形狀為拋物線形的φ型垂直軸風力機，在風速8m·s-1時致熱功率為2kW，要求在這個風速下效率最佳，此時風力機的轉速為200r·min-1，葉片翼型為NACA0015翼型，風力機高度以其最大半徑的2.5倍來設計一套攪拌液體風力致熱裝置，其結構系統如圖1所示。

圖1 風力致熱供熱采暖系統示意圖

風力致熱采暖系統是利用風力致熱裝置捕捉風能并轉換成熱能，以液體（通常是水或一種防凍液體）作為攪拌介質，熱量經由散熱部件送至室內進行供暖。風力致熱采暖系統一般由風力機、致熱裝置、儲熱水箱、連接管路、輔助熱源、散熱部件及控制系統等組成，如圖1所示。在風力致熱裝置循環回路中若采用水，則在冬季風力機沒有運轉時需采取防凍措施；若采用防凍液，則需在風力致熱裝置和儲熱水箱之間采用一個液-液熱交換器，將加熱后防凍液的熱量傳遞給采暖用的熱水。若應用熱風采暖，則需采用一個水-空氣熱交換器（稱為負載熱交換器），將加熱后水的熱量傳遞給采暖用的熱空氣。當儲熱水箱的熱量不能滿足需要時，則由輔助熱源供給采暖熱負荷。

2 φ型垂直軸風力機參數計算

2.1 風力機設計

垂直軸風力機的設計主要包括：選擇垂直軸風力機類型、估算整個裝置系統的效率、進行垂直軸風力機的空氣動力學設計、結構設計和裝置系統設計等。

選擇垂直軸風力機類型時，首先要確定負荷形式。如果負荷是機械設備（如水泵、空氣壓縮機等），則風力機需要較高的啟動力矩和較低的轉速，宜選擇阻力型垂直軸風力機。如果負荷是致熱裝置或者發電機，則風力機要具有較低的啟動力矩和較高的轉速，宜選用升力型垂直軸風力機。垂直軸風力機的氣動設計和結構設計是整個設計的主要方面，它們各自具有一定的獨立性。但是，在整個設計過程中將兩者綜合加以考慮是很有必要的。

因此，垂直軸風力機的設計是一個反復試算的過程，其一般設計流程可參考圖2所示的框圖。設計中如何考慮這些因素，取決于風動力做功裝置的功率大小和規模。但無論機組大小如何，綜合考慮這些因素都是有益的。

2.2 參數計算

φ型風力機最大輸出功率計算式為[5]:

式中，Pw——φ型風力機的功率，W；

圖2 垂直軸風力機的設計流程

S——風力機掃風面積，m2;

V——風速，m·s-1。

故風力機掃風面積估算為：

φ型風力機掃風面積幾何參數表示為：

式中，R——風力機最大半徑，m；

H——風力機高度，m。

風力機高度為： H=2.5R=5.5m

最佳運行狀態時的葉尖速比λ0為:

式中，N0——風力機額定轉速，r·min-1

J.Templin的研究表明，葉尖速比λ0與R/b l的關系可表達為[5]：

由式（4）可求得葉片弦長：

式中，b——葉片數。

由于NACA0015翼型的相對厚度為15%，則葉片最大厚度為：

可計算得φ型風力機的實度為：

φ型風力機的功率為：

對比式（1）和式（5）可得φ型風力機最大風能利用系數為：

φ型風力機轉矩為：

式中，ωT——風力機的角速度，rad·s-1。

2kWφ型垂直軸風力機設計參數結果見表1。

表1 φ型風力機設計參數

3 攪拌液體致熱器參數計算

攪拌液體致熱器的結構如圖3所示，主要由攪拌桶、攪拌器、攪拌軸及阻尼板組成。攪拌桶為雙層結構，其內裝有水，攪拌軸通過聯軸器與風力機的中心軸連接，攪拌軸帶動攪拌器轉動。阻尼板設于攪拌桶的內壁，在攪拌桶的內壁貼附有4塊阻尼板。當風吹動風力機轉動時，φ型風力機的輸出軸帶動致熱器的攪拌軸旋轉，攪拌軸帶動攪拌器轉動，攪拌器葉片攪動水，水與攪拌器葉片、阻尼板和攪拌桶內壁相互摩擦、撞擊，產生熱量，從而水的溫度逐漸升高。

圖3 攪拌致熱器結構示意圖

當攪拌液體致熱器穩定運行時，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——攪拌功率準數，是攪拌裝置最基本的特性參數之一；ρL——攪拌液體的密度，ρL=1000kg·m-3；n——攪拌器轉速，r·s-1；d——攪拌器的直徑，m；Re——攪拌雷諾數。

攪拌器的轉速可表示為：

攪拌器的轉矩為：

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速的變化規律[4]。由圖4可知，當轉速為700 r·min-1時，致熱功率可達2kW。當攪拌液體致熱器與φ型風力機之間傳動裝置的傳動比為k，由φ型風力機額定轉速為200r·min-1可知，k的取值范圍可取3～5，此時傳動效率為η=0.95，則風力機與致熱器之間有下面關系：

因此，根據式（14）可為給定的風力機設計相匹配的致熱器，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，常常以攪拌器的葉端速度Λ=nd作為定性速度，所以攪拌雷諾數定義為

式中μ——攪拌液體黏度，kg·m-1·s-1。

攪拌雷諾數不僅決定攪拌容器內液體流動的流態（層流、過渡流、湍流），而且對攪拌器的特性起決定性作用。根據雷諾數的不同，致熱器內液體流動的流態可按攪拌雷諾數來劃分。當Re＜10時，液體為層流；Re＞104為湍流；Re在10～104之間是過渡流[6]。功率準數與攪拌雷諾數的直接關系表示為[7]：

其中B和z的值與攪拌雷諾數的大小有關。

攪拌液體為水時，在較低轉速下可獲得大于104的攪拌雷諾數。對于在額定風速下運轉的φ型風力機，攪拌液體致熱器中攪拌的液體均滿足Re＞104的條件。當Re＞104時，對3～6葉片的攪拌器，常數B=5且z=0[6-7]，此時液體吸收功率滿足下式：

在這種情況下負荷轉矩可由下式表示：

因此，由式（7）和式（20）可確定攪拌器的最佳直徑計算公式為：

將φ型垂直軸風力機的參數以及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。考慮到傳動裝置的傳動損失、軸與軸承之間摩擦損失和風力機轉動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的確定[8-9]：

⑸阻尼板長度l的確定：該數值對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型風力機參數代入式（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；攪拌器葉片數為4，阻尼板個數為4。

4 致熱器致熱效率計算

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——液體質量，kg；ΔT——溫度變化量，K；P——致熱器輸入功率，W；Δt——時間變化量，s。

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

圖5 致熱規律特性

由熱力學第二定律可知，攪拌液體致熱裝置的機械能轉變為低品位熱能時，理論上可以得到100%的效率。但實際上，除了部分能量以振動能、聲能損失外，還由于固定聯接和測量的需要、蒸發以及保溫的不完善，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 結論

在設計φ型垂直軸風力機攪拌致熱裝置的過程中，首先要根據供熱采暖負荷確定風力機尺寸，其次根據公式（21）確定攪拌單元的直徑，然后再根據攪拌致熱經驗和參照攪拌單元直徑尺寸確定其它參數，由此可以設計出所需容量的風力致熱裝置。