基于φ型垂直轴风力机的风力致热装置设计

金 浩 胡以怀 张华武 冯是全 朱 冰

1.广州高澜节能技术股份有限公司

2.上海海事大学商船学院

引言

雾霾压力起到一定缓解作用。

风通常带来的是凉爽和寒冷，但它作为一种自然能从能量转换的角度来看，能产生机械能、电能，也能转换为热能。在我国北方地区，当寒流袭来的时候，往往伴随着凛冽的寒风，这时利用风能供热采暖，可以说是资源优势与需求关系的最佳配合。风力致热是继风帆助航、风力提水和风力发电之后又一种新的风能利用形式，可直接将风力机输出的机械能转变成热能，为供热采暖、保温、干燥、水产养殖和家禽饲养等提供中、低品味的热能。

风力致热主要分为固体摩擦致热、搅拌液体致热、液压阻尼致热、涡电流致热、压缩空气致热和组合式致热六种致热方式，其中搅拌液体致热的优点是：①风力机输出轴直接带动搅拌器，任何转速下搅拌器都能吸收输入的全部能量，并将其转换成热能；②搅拌器与风力机的工作特性能合理的匹配；③不需要另外设置超速限制装置；④致热器结构简单、容易制造、成本低、可靠性高，对结构材料、风速变化和工作液体无特殊要求；⑤在一定范围内可实现自动热循环[1-4]。基于φ型垂直轴风机的搅拌液体风力致热装置在为可再生能源的应用和发展拓展出新思路的同时又能减少供暖的燃煤消耗，对

1 风力致热供热采暖系统

采用三叶片、叶片形状为抛物线形的φ型垂直轴风力机，在风速8m·s-1时致热功率为2kW，要求在这个风速下效率最佳，此时风力机的转速为200r·min-1，叶片翼型为NACA0015翼型，风力机高度以其最大半径的2.5倍来设计一套搅拌液体风力致热装置，其结构系统如图1所示。

图1 风力致热供热采暖系统示意图

风力致热采暖系统是利用风力致热装置捕捉风能并转换成热能，以液体（通常是水或一种防冻液体）作为搅拌介质，热量经由散热部件送至室内进行供暖。风力致热采暖系统一般由风力机、致热装置、储热水箱、连接管路、辅助热源、散热部件及控制系统等组成，如图1所示。在风力致热装置循环回路中若采用水，则在冬季风力机没有运转时需采取防冻措施；若采用防冻液，则需在风力致热装置和储热水箱之间采用一个液-液热交换器，将加热后防冻液的热量传递给采暖用的热水。若应用热风采暖，则需采用一个水-空气热交换器（称为负载热交换器），将加热后水的热量传递给采暖用的热空气。当储热水箱的热量不能满足需要时，则由辅助热源供给采暖热负荷。

2 φ型垂直轴风力机参数计算

2.1 风力机设计

垂直轴风力机的设计主要包括：选择垂直轴风力机类型、估算整个装置系统的效率、进行垂直轴风力机的空气动力学设计、结构设计和装置系统设计等。

选择垂直轴风力机类型时，首先要确定负荷形式。如果负荷是机械设备（如水泵、空气压缩机等），则风力机需要较高的启动力矩和较低的转速，宜选择阻力型垂直轴风力机。如果负荷是致热装置或者发电机，则风力机要具有较低的启动力矩和较高的转速，宜选用升力型垂直轴风力机。垂直轴风力机的气动设计和结构设计是整个设计的主要方面，它们各自具有一定的独立性。但是，在整个设计过程中将两者综合加以考虑是很有必要的。

因此，垂直轴风力机的设计是一个反复试算的过程，其一般设计流程可参考图2所示的框图。设计中如何考虑这些因素，取决于风动力做功装置的功率大小和规模。但无论机组大小如何，综合考虑这些因素都是有益的。

2.2 参数计算

φ型风力机最大输出功率计算式为[5]:

式中，Pw——φ型风力机的功率，W；

图2 垂直轴风力机的设计流程

S——风力机扫风面积，m2;

V——风速，m·s-1。

故风力机扫风面积估算为：

φ型风力机扫风面积几何参数表示为：

式中，R——风力机最大半径，m；

H——风力机高度，m。

风力机高度为： H=2.5R=5.5m

最佳运行状态时的叶尖速比λ0为:

式中，N0——风力机额定转速，r·min-1

J.Templin的研究表明，叶尖速比λ0与R/b l的关系可表达为[5]：

由式（4）可求得叶片弦长：

式中，b——叶片数。

由于NACA0015翼型的相对厚度为15%，则叶片最大厚度为：

可计算得φ型风力机的实度为：

φ型风力机的功率为：

对比式（1）和式（5）可得φ型风力机最大风能利用系数为：

φ型风力机转矩为：

式中，ωT——风力机的角速度，rad·s-1。

2kWφ型垂直轴风力机设计参数结果见表1。

表1 φ型风力机设计参数

3 搅拌液体致热器参数计算

搅拌液体致热器的结构如图3所示，主要由搅拌桶、搅拌器、搅拌轴及阻尼板组成。搅拌桶为双层结构，其内装有水，搅拌轴通过联轴器与风力机的中心轴连接，搅拌轴带动搅拌器转动。阻尼板设于搅拌桶的内壁，在搅拌桶的内壁贴附有4块阻尼板。当风吹动风力机转动时，φ型风力机的输出轴带动致热器的搅拌轴旋转，搅拌轴带动搅拌器转动，搅拌器叶片搅动水，水与搅拌器叶片、阻尼板和搅拌桶内壁相互摩擦、撞击，产生热量，从而水的温度逐渐升高。

图3 搅拌致热器结构示意图

当搅拌液体致热器稳定运行时，致热功率等于搅拌液体的吸收功率，其吸收功率为[6]:

式中，NP——搅拌功率准数，是搅拌装置最基本的特性参数之一；ρL——搅拌液体的密度，ρL=1000kg·m-3；n——搅拌器转速，r·s-1；d——搅拌器的直径，m；Re——搅拌雷诺数。

搅拌器的转速可表示为：

搅拌器的转矩为：

式中，ωG——搅拌器的角速度，rad·s-1。

图4为搅拌液体致热器致热功率随转速的变化规律[4]。由图4可知，当转速为700 r·min-1时，致热功率可达2kW。当搅拌液体致热器与φ型风力机之间传动装置的传动比为k，由φ型风力机额定转速为200r·min-1可知，k的取值范围可取3～5，此时传动效率为η=0.95，则风力机与致热器之间有下面关系：

因此，根据式（14）可为给定的风力机设计相匹配的致热器，搅拌器直径就能确定为：

图4 搅拌液体致热装置致热特性

在搅拌容器内，常常以搅拌器的叶端速度Λ=nd作为定性速度，所以搅拌雷诺数定义为

式中μ——搅拌液体黏度，kg·m-1·s-1。

搅拌雷诺数不仅决定搅拌容器内液体流动的流态（层流、过渡流、湍流），而且对搅拌器的特性起决定性作用。根据雷诺数的不同，致热器内液体流动的流态可按搅拌雷诺数来划分。当Re＜10时，液体为层流；Re＞104为湍流；Re在10～104之间是过渡流[6]。功率准数与搅拌雷诺数的直接关系表示为[7]：

其中B和z的值与搅拌雷诺数的大小有关。

搅拌液体为水时，在较低转速下可获得大于104的搅拌雷诺数。对于在额定风速下运转的φ型风力机，搅拌液体致热器中搅拌的液体均满足Re＞104的条件。当Re＞104时，对3～6叶片的搅拌器，常数B=5且z=0[6-7]，此时液体吸收功率满足下式：

在这种情况下负荷转矩可由下式表示：

因此，由式（7）和式（20）可确定搅拌器的最佳直径计算公式为：

将φ型垂直轴风力机的参数以及η=0.95，k=3～5，ρL=1000kg·m-3代入式（21）得:d的取值范围为：0.290m≤d≤0.321m。考虑到传动装置的传动损失、轴与轴承之间摩擦损失和风力机转动过程中的不平衡损失等因素，搅拌器的直径d取值为0.300m。

搅拌液体致热器其它参数的确定[8-9]：

⑸阻尼板长度l的确定：该数值对致热效果的影响很小，一般情况取l=1.2hmax。

⑹致热器整体采用0.080m厚聚氨酯保温泡保温。

将φ型风力机参数代入式（21），则搅拌器直径d取值为0.300m；搅拌叶片宽度b=0.075m；搅拌桶内径D=0.750m；阻尼板宽度W=0.075m；液面高度范围为：0.333m≤h≤0.414m；阻尼板长度l=0.497m；搅拌器叶片数为4，阻尼板个数为4。

4 致热器致热效率计算

搅拌液体致热器效率为致热器中流体的吸收功与输入功之比，其计算式为：

式中，Q——流体的吸收功，J；W——致热装置输入功，J；CP——液体定压比热容，J·kg-1·K-1；m——液体质量，kg；ΔT——温度变化量，K；P——致热器输入功率，W；Δt——时间变化量，s。

用2kW变频电机模拟φ型垂直轴风力机进行搅拌液体致热试验，搅拌介质为水（水的定压比热容CP=4180J·kg-1·K-1）。图5为不同转速下，致热装置输入功率和致热效率变化规律。由图5可知，致热装置输入功率随着转速的增加而逐渐增加；致热效率在91%～97%范围内波动,平均致热效率为94.16%，比文献[10]（最大致热效率为45.4%）和文献[2]（最大致热效率为46.4%）所设计的致热装置致热效率近似高一倍左右。

图5 致热规律特性

由热力学第二定律可知，搅拌液体致热装置的机械能转变为低品位热能时，理论上可以得到100%的效率。但实际上，除了部分能量以振动能、声能损失外，还由于固定联接和测量的需要、蒸发以及保温的不完善，空气中温湿度的影响，不可避免地存在散热损失，降低致热装置的效率。

5 结论

在设计φ型垂直轴风力机搅拌致热装置的过程中，首先要根据供热采暖负荷确定风力机尺寸，其次根据公式（21）确定搅拌单元的直径，然后再根据搅拌致热经验和参照搅拌单元直径尺寸确定其它参数，由此可以设计出所需容量的风力致热装置。