攪拌式風熱裝置啟動扭矩的影響因素分析

謝紅振 牛亞琳

上海市計量測試技術研究院

0 前言

風能是一種取之不盡、用之不竭的清潔可再生能源，不僅能用于發電，而且可以直接用于致熱[1，2]。相比于風能在發電方面的重要應用，風能在致熱方面的應用同樣不可忽略[3]。目前,風力致熱方式主要有8種，其中，攪拌式風力致熱方式的致熱效率最高[4，5]，其基本原理為風力機直接帶動攪拌器高速轉動并使液體發熱。啟動性能作為影響攪拌式風力致熱裝置啟動的決定因素，直接關系到致熱裝置能否正常啟動。因此，對攪拌式風力致熱啟動性能的研究具有重要意義。搭建攪拌式風力致熱實驗臺，從致熱裝置啟動扭矩入手，分析其啟動性能。實驗主要考察攪拌轉速、角加速度及葉輪半徑與啟動所需扭矩的關系，以期為風力致熱裝置啟動性能的深入研究提供參考。

1 實驗裝置與致熱器結構

1.1 實驗裝置與過程

圖1 為攪拌式風力致熱實驗裝置示意圖，為了定性研究致熱裝置的啟動性能，實驗利用性能穩定的電動機代替自然條件下工況時常變化的風力機作為動力源。本啟動性能實驗的攪拌工質選用自來水，因為水具有熱容量高、蒸發熱量大、清潔環保等優點。實驗過程利用變頻器（FC-051）調節三相電機（QABP100L4B-4）啟動參數（如:啟動時間、設定轉速等），電機在不同的設置參數下，分別驅動不同注水量的同一致熱器B（自制）或者同一注水量的不同致熱器A、B、C（自制），使其從靜止達到設定轉速。同時，利用動態扭矩測試儀(HK-TL308)和數據采集儀(34970A)記錄啟動過程的相關數據，其中，數據采集儀采樣時間的間隔為0.126 s。通過實驗相關數據分析，揭示攪拌式風力致熱裝置啟動性能的機理。

圖1 攪拌式風力致熱實驗裝置示意圖

1.2 致熱器結構

致熱器的性能是影響攪拌式風力致熱的關鍵因素，因此，選擇性能優越的致熱器對攪拌式風力致熱尤為重要。致熱器的攪拌器葉片類型主要有槳式、推進式、渦輪式、錨式、框式等。平直渦輪式攪拌葉片結構簡單，具有很好的排出液體能力[6]。因此，本實驗設計了平直葉片，圖2為自制致熱器結構示意圖，為了研究不同類型致熱器性能，自制了三種容積相同（滿載5L）的致熱器A、B、C，阻流板與葉片之間的間隙均為5 mm，葉片橫掃面積相同，但致熱器A、B、C的攪拌葉片半徑依次減小。致熱器尺寸見表1。

圖2 致熱器結構示意圖

表1 致熱器主要尺寸

2 實驗結果與分析

扭矩是設備啟動能力的表征，是影響啟動性能的關鍵因素，本文將不同工況下攪拌式風力致熱裝置的啟動扭矩作為研究啟動性能的主要內容。由于各元件本身的限制及致熱裝置整體匹配關系，為更好地研究攪拌式風力致熱啟動性能，本實驗取注水量為5L（滿載），變頻器調節角加速度分別為24.29 rad/s2、13.43 rad/s2和8.05 rad/s2，轉速最終穩定在300 r/min、400 r/min、500 r/min，致熱器選用三種不同葉片半徑的自制致熱器A、B和C。

2.1 啟動扭矩與角加速度、轉速的關系

滿載工況下的致熱器B在不同角加速度下啟動，并最終達到穩定轉速的扭矩特性曲線，見圖3。其中，圖a、b、c表示最終轉速分別穩定在300 r/min、400 r/min、500 r/min，圖中轉速、扭矩、扭矩擬合的下角標1、2、3分別表示平均角加速度為24.29、13.43、8.05 rad/s2工況。

1）由圖a、b、c可知，同一運轉工況下，隨時間的變化，轉速增大，扭矩也隨著增加，當運轉穩定后，扭矩不再變化。從圖a、b、c中可以看出，啟動過程中，同工況下，當攪拌器轉速最終穩定在300 r/min、400 r/min、500 r/min后，扭矩也分別穩定在4.25 N·m、7.5 N·m、10.5 N·m。說明同一致熱器在同一角加速度下啟動，若目標轉速越高，則啟動所需扭矩越大。

2）由圖a中工況1、2、3知，啟動時間相同時，工況1、2、3對應的啟動扭矩逐漸減小。說明在啟動過程中，同工況下角加速度越小，啟動所需扭矩就越小。

圖3 致熱器B滿載工況時啟動扭矩隨轉速及角加速度變化特性曲線

3）綜上可知，在啟動過程中，啟動性能與角加速度和轉速均有關，相同工況下，角加速度越大，轉速越高，啟動所需風速越高。

2.2 葉片半徑對致熱裝置啟動扭矩的影響

滿載工況下的三種致熱器A、B、C,在不同角加速度下啟動，最終穩定在500 r/min工況的扭矩特性曲線見圖4。其中，圖a、b、c分別表示三種不同的致熱器A、B、C，圖中轉速、扭矩、扭矩擬合的下角標1、2、3分別表示平均角加速度為24.29、13.43、8.05 rad/s2工況。

從圖a、b、c可以看出，在啟動過程中，同工況下，不同的致熱器，啟動特性相似。對應同一時刻，致熱器A、B、C的葉片半徑依次減小，而對應的致熱器啟動扭矩也依次減小，這說明，同工況下，葉片半徑越小，啟動所需扭矩越小。

3 結論

為定性研究攪拌式風力致熱裝置啟動性能，以葉片半徑、攪拌轉速及角加速度等為變量，對啟動過程所需啟動扭矩進行了實驗研究。通過實驗數據分析可知，在啟動過程中，啟動扭矩的大小與攪拌轉速及角加速度均有關。同工況下，角加速度越大、轉速越高，啟動所需扭矩越大。若使攪拌致熱裝置在較短時間內完成啟動，并達到較高的轉速，風能需要提供較大的扭矩，即風速要高。啟動過程中，三種不同葉片半徑的自制致熱器啟動性能相似。但是，啟動過程中，同一時刻啟動所需扭矩不同，由此說明致熱裝置啟動性能與致熱器葉片半徑有關。同工況下，葉片半徑越小，啟動所需扭矩越小，即越容易啟動。