攪拌式風(fēng)力致熱實(shí)驗(yàn)研究

蘇文娟, 李永光

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海　200090)

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攪拌式風(fēng)力致熱實(shí)驗(yàn)研究

蘇文娟, 李永光

(上海電力學(xué)院 能源與機(jī)械工程學(xué)院, 上海200090)

設(shè)計(jì)了室內(nèi)攪拌致熱實(shí)驗(yàn)臺(tái),進(jìn)行風(fēng)力攪拌致熱實(shí)驗(yàn).采集分析了攪拌葉片不同轉(zhuǎn)速下攪拌工質(zhì)的溫升情況和致熱效率.結(jié)果表明,在不考慮能量損耗的理想狀態(tài)下,一定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),葉片轉(zhuǎn)速越高,工質(zhì)升溫越快,致熱效率越高.

風(fēng)力致熱; 攪拌; 溫升; 效率

風(fēng)力致熱的能量轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到甚至超過(guò)40%,在所有風(fēng)能利用形式中其利用率最高,因此利用風(fēng)能對(duì)工質(zhì)加熱,為溫室、住宅等提供采暖、供熱等很有研究意義[1].目前,比較成熟的風(fēng)力致熱技術(shù)主要有液體擠壓致熱、固體摩擦致熱、壓縮空氣致熱和液體攪拌致熱這4種.

液體攪拌風(fēng)力致熱是將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)換為熱能的方法.它是通過(guò)風(fēng)力機(jī)驅(qū)動(dòng)攪拌器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),轉(zhuǎn)子葉片攪拌液體容器中的載熱介質(zhì)(如水、油或其他液體),使之與轉(zhuǎn)子葉片及容器摩擦、沖擊,液體分子間產(chǎn)生不規(guī)則碰撞及摩擦,提高液體分子的溫度,將致熱器吸收的功轉(zhuǎn)化為熱能.具體而言,液體攪拌風(fēng)力致熱,就是將風(fēng)力機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能,然后通過(guò)液體介質(zhì)將熱量供給熱力系統(tǒng)[2].

與其他致熱方式相比,攪拌致熱具有如下優(yōu)點(diǎn):一是攪拌致熱方式不需要輔助裝置;二是攪拌致熱裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格便宜,容易制造,體積小,無(wú)易磨損件,對(duì)載熱介質(zhì)無(wú)嚴(yán)格要求;三是在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中,攪拌致熱裝置可以將投入的能量全部轉(zhuǎn)換為熱能,能很好地與風(fēng)力機(jī)輸出功率特性相匹配,功率系數(shù)大[3].

本文以電動(dòng)機(jī)代替自然風(fēng)風(fēng)輪,帶動(dòng)攪拌器內(nèi)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)致使液體升溫,研究定常情況下致熱器內(nèi)液體的溫升效率,為風(fēng)力攪拌致熱器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考.在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,利用數(shù)據(jù)采集儀對(duì)電動(dòng)機(jī)功率、葉片轉(zhuǎn)速、攪拌器內(nèi)液體溫升進(jìn)行同步記錄,最后對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

1　實(shí)驗(yàn)原理

攪拌式風(fēng)力致熱的原理是將機(jī)械能直接轉(zhuǎn)化為熱能.在風(fēng)力機(jī)的轉(zhuǎn)軸上連接一個(gè)攪拌轉(zhuǎn)子,轉(zhuǎn)子上裝有葉片,將攪拌轉(zhuǎn)子置于裝滿液體的攪拌罐內(nèi),罐的內(nèi)壁為定子,也裝有葉片,當(dāng)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)葉片轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),液體就在定子葉片之間作渦流運(yùn)行,并不斷撞擊、摩擦葉片,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能,以提高液體溫度,實(shí)現(xiàn)致熱效果.該方法可以在任何風(fēng)速下運(yùn)行,比較安全方便,且實(shí)驗(yàn)構(gòu)件磨損小[4].

2　試驗(yàn)方法

2.1實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭建

本實(shí)驗(yàn)選擇在室內(nèi)搭建試驗(yàn)臺(tái),由電動(dòng)機(jī)代替風(fēng)輪,以額定功率為攪拌器提供動(dòng)力.系統(tǒng)如圖1所示.

圖1　室內(nèi)攪拌致熱試驗(yàn)臺(tái)

該試驗(yàn)臺(tái)由動(dòng)力裝置和攪拌裝置兩部分組成.其中,動(dòng)力裝置包括電源、變頻器和電動(dòng)機(jī).攪拌裝置包括支架、外圍鐵通、攪拌桶、攪拌軸、攪拌葉片、阻流板、保溫層、注水及測(cè)溫孔、放水孔.

2.2試驗(yàn)臺(tái)主要構(gòu)件選型

2.2.1動(dòng)力裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置選用的是三相異步電動(dòng)機(jī),型號(hào)為QPM6-100 L,軸徑28 mm,級(jí)數(shù)為4級(jí),電壓為380 V,頻率為5～100 Hz,功率為3 kW,額定轉(zhuǎn)速為1 435 r/min.

2.2.2攪拌裝置

攪拌裝置包括支架、外圍鐵通、攪拌桶、攪拌軸、攪拌葉片、阻流板、保溫層、注水及測(cè)溫孔、放水孔等.其中,攪拌桶的內(nèi)徑為260 mm,高100 mm,內(nèi)置4塊寬20 mm、高100 mm的阻流板.攪拌桶外側(cè)設(shè)有保溫層,以減小散熱損失.

在攪拌致熱系統(tǒng)中,最關(guān)鍵的攪拌作用由轉(zhuǎn)動(dòng)著的攪拌葉片產(chǎn)生,因此攪拌葉片類(lèi)型的選擇是攪拌器設(shè)計(jì)的重要步驟.葉片的形狀、尺寸、數(shù)量和轉(zhuǎn)速會(huì)直接影響攪拌致熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率.比較常見(jiàn)的攪拌葉片主要有渦輪式、槳式、推進(jìn)式、框式和錨式[5].本實(shí)驗(yàn)選擇平直渦輪式葉片,該葉片結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,且排出液體的能力相對(duì)較強(qiáng),又能產(chǎn)生一定的剪切力,還可通過(guò)外加阻流板改變攪拌工質(zhì)的流型,靈活可調(diào),因而較適用于試驗(yàn)用攪拌致熱裝置.其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2　實(shí)驗(yàn)用攪拌葉片結(jié)構(gòu)示意

實(shí)驗(yàn)中,葉片安裝于距攪拌桶底10 mm處,共4片,直徑為180 mm,寬為50 mm.

此外,選擇合適的致熱工質(zhì)是設(shè)計(jì)攪拌式風(fēng)力致熱裝置的重要步驟,事關(guān)致熱裝置的體積和致熱效率.通常情況下,風(fēng)力致熱系統(tǒng)的致熱工質(zhì)綜合考慮其粘性、定壓比熱、密度、節(jié)流微分效應(yīng)、溫度-飽和蒸汽壓力值等因素.水和油是最常用的液體工質(zhì)[6].從物理性能的角度看,使用油作為攪拌介質(zhì)有更加明顯的優(yōu)勢(shì).但研究風(fēng)力致熱的目的是加熱水為溫室、住宅等提供采暖與供熱,如果選用油作為攪拌介質(zhì),還需在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)時(shí)增加傳熱裝置,將攪拌介質(zhì)吸收到的熱量傳遞給水,以達(dá)到研究目的.

因此綜合考慮,本實(shí)驗(yàn)選擇水作為攪拌式風(fēng)力致熱裝置的攪拌介質(zhì).

3　實(shí)驗(yàn)步驟和數(shù)據(jù)采集

3.1實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 檢查實(shí)驗(yàn)臺(tái)各部分裝置是否完好,連接是否到位;

(2) 啟動(dòng)電動(dòng)機(jī),調(diào)整轉(zhuǎn)速至實(shí)驗(yàn)需要值;

(3) 待試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后,啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;

(4) 重復(fù)以上步驟,采集不同轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù).

3.2數(shù)據(jù)采集

本實(shí)驗(yàn)裝置的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由熱電偶、數(shù)據(jù)采集儀、電腦組成.實(shí)驗(yàn)選用由美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)的34970A型數(shù)據(jù)采集儀,轉(zhuǎn)化并保存經(jīng)T型熱電偶傳遞的電信號(hào).T型熱電偶又稱(chēng)銅-康銅熱電偶(銅/鎳銅熱電偶),分度號(hào)T,測(cè)量范圍為-200～+350 ℃,一年期精度為1.0 ℃.為降低數(shù)據(jù)采集誤差,本實(shí)驗(yàn)采用兩根熱電偶同時(shí)測(cè)量,取平均值為實(shí)驗(yàn)數(shù)值.

實(shí)驗(yàn)對(duì)200 r/min,250 r/min,300 r/min這3種轉(zhuǎn)速下,5 kg水工質(zhì)在60 min內(nèi)的溫升情況進(jìn)行了觀察.電動(dòng)機(jī)電流為1.5 A,電壓為53 V,功率為79.5 W.數(shù)據(jù)采集儀每5 min記錄一次數(shù)據(jù).不同轉(zhuǎn)速下,相同時(shí)間內(nèi)工質(zhì)隨溫度變化曲線如圖3所示.

圖3　不同轉(zhuǎn)速下相同時(shí)間內(nèi)工質(zhì)隨溫度變化曲線

4　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,水工質(zhì)吸收的熱量為:

筆者提出的模型通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)采樣并結(jié)合整合數(shù)據(jù)的方法，在一定程度上提高了該問(wèn)題的學(xué)習(xí)上限，另外通過(guò)留一交叉驗(yàn)證和網(wǎng)格搜索法對(duì)隨機(jī)森林進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最后得到的F1-Score值也比較高，如果想要繼續(xù)提高模型的效果，可以考慮加入特征工程。

(1)

式中:Δt——溫差,Δt=t1-t0,℃;

m——水工質(zhì)質(zhì)量,kg;

c——水工質(zhì)比熱容,c=4.2×103J /(kg·℃).

致熱效率為:

(2)

式中:Q——水工質(zhì)吸熱量,J;

P——電機(jī)功率,P=UI,W;

t——數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)間,s.

由式(1)和式(2)可得出不同轉(zhuǎn)速下5 kg水工質(zhì)在60 min內(nèi)的溫升、吸熱情況及攪拌裝置致熱效率,如表1所示.

表1　不同轉(zhuǎn)速下工質(zhì)和致熱系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

由圖3可知,在同一轉(zhuǎn)速下,水工質(zhì)在60 min內(nèi)溫度呈線性上升趨勢(shì),即攪拌致熱裝置工作時(shí)間越長(zhǎng),水工質(zhì)溫度越高.而且隨著轉(zhuǎn)速的提高,溫度變化曲線斜率相應(yīng)增大.

不同轉(zhuǎn)速下,相同質(zhì)量水工質(zhì)致熱效率對(duì)比如圖4所示.由圖4可知,隨著轉(zhuǎn)速的提高,水工質(zhì)致熱效率隨之增大.

圖4　不同轉(zhuǎn)速下水工質(zhì)致熱效率對(duì)比

5　結(jié)　語(yǔ)

在本文實(shí)驗(yàn)條件下,由電動(dòng)機(jī)額定功率輸出帶動(dòng)攪拌葉片轉(zhuǎn)速在200～300 r/min時(shí),不考慮攪拌桶的保溫性、傳動(dòng)系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)摩擦損耗等,攪拌工質(zhì)溫升均呈線性變化,且轉(zhuǎn)速越高,升溫越快,致熱效率越高.

由于本試驗(yàn)裝置設(shè)置在室內(nèi),且試驗(yàn)研究是在額定功率及不考慮能量損耗的理想狀態(tài)下完成的,雖然該研究結(jié)果對(duì)攪拌式風(fēng)力致熱裝置的實(shí)際使用有一定的指導(dǎo)意義,但試驗(yàn)過(guò)程仍有很多需要改進(jìn)之處.

[1]李華山,馮曉東.我國(guó)風(fēng)力致熱技術(shù)研究進(jìn)展[J].太陽(yáng)能,2008(9):38．

[2]劉洋,胡以懷.攪拌式風(fēng)力制熱裝置的參數(shù)設(shè)計(jì)[J].太陽(yáng)

能學(xué)報(bào),2014(10):1 977-1 980.

[3]王士榮.風(fēng)力致熱技術(shù)及其應(yīng)用[J].農(nóng)村能源,2002(2):28-29．

[4]吳書(shū)遠(yuǎn),范垂文,夏國(guó)惠.風(fēng)力致熱裝置[J].農(nóng)村能源,1992(1):16-18．

[5]陳乙崇.攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,2005:120-129.

[6]趙建柱.風(fēng)力致熱的研究與試驗(yàn)[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

(編輯胡小萍)

Experimental Research of Wind Stir Heating

SU Wenjuan, LI Yongguang

(School of Energy and Mechanical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China)

An experiment of stirred heating inside a room is set up and wind stir heating is carried out.The temperature change and heating efficiency of stirred substance for different speeds of stirred blade are collected and analyzed.It is concluded that the higher speed of the blade,the faster the temperature of the substance rises and the higher the heating efficiency regardless of energy loss and the speed of the blade is within some extent.

wind heating; stir; temperature rise; efficiency

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.014

2015-04-09

簡(jiǎn)介：蘇文娟(1982-),女,本科,甘肅天水人.主要研究方向?yàn)轱L(fēng)力致熱系統(tǒng)研究及應(yīng)用.E-mail:suwenjuan_s@sina.com.

TK83

A

1006-4729(2016)03-0274-03