搅拌式风热装置启动扭矩的影响因素分析

谢红振 牛亚琳

上海市计量测试技术研究院

0 前言

风能是一种取之不尽、用之不竭的清洁可再生能源，不仅能用于发电，而且可以直接用于致热[1，2]。相比于风能在发电方面的重要应用，风能在致热方面的应用同样不可忽略[3]。目前,风力致热方式主要有8种，其中，搅拌式风力致热方式的致热效率最高[4，5]，其基本原理为风力机直接带动搅拌器高速转动并使液体发热。启动性能作为影响搅拌式风力致热装置启动的决定因素，直接关系到致热装置能否正常启动。因此，对搅拌式风力致热启动性能的研究具有重要意义。搭建搅拌式风力致热实验台，从致热装置启动扭矩入手，分析其启动性能。实验主要考察搅拌转速、角加速度及叶轮半径与启动所需扭矩的关系，以期为风力致热装置启动性能的深入研究提供参考。

1 实验装置与致热器结构

1.1 实验装置与过程

图1 为搅拌式风力致热实验装置示意图，为了定性研究致热装置的启动性能，实验利用性能稳定的电动机代替自然条件下工况时常变化的风力机作为动力源。本启动性能实验的搅拌工质选用自来水，因为水具有热容量高、蒸发热量大、清洁环保等优点。实验过程利用变频器（FC-051）调节三相电机（QABP100L4B-4）启动参数（如:启动时间、设定转速等），电机在不同的设置参数下，分别驱动不同注水量的同一致热器B（自制）或者同一注水量的不同致热器A、B、C（自制），使其从静止达到设定转速。同时，利用动态扭矩测试仪(HK-TL308)和数据采集仪(34970A)记录启动过程的相关数据，其中，数据采集仪采样时间的间隔为0.126 s。通过实验相关数据分析，揭示搅拌式风力致热装置启动性能的机理。

图1 搅拌式风力致热实验装置示意图

1.2 致热器结构

致热器的性能是影响搅拌式风力致热的关键因素，因此，选择性能优越的致热器对搅拌式风力致热尤为重要。致热器的搅拌器叶片类型主要有桨式、推进式、涡轮式、锚式、框式等。平直涡轮式搅拌叶片结构简单，具有很好的排出液体能力[6]。因此，本实验设计了平直叶片，图2为自制致热器结构示意图，为了研究不同类型致热器性能，自制了三种容积相同（满载5L）的致热器A、B、C，阻流板与叶片之间的间隙均为5 mm，叶片横扫面积相同，但致热器A、B、C的搅拌叶片半径依次减小。致热器尺寸见表1。

图2 致热器结构示意图

表1 致热器主要尺寸

2 实验结果与分析

扭矩是设备启动能力的表征，是影响启动性能的关键因素，本文将不同工况下搅拌式风力致热装置的启动扭矩作为研究启动性能的主要内容。由于各元件本身的限制及致热装置整体匹配关系，为更好地研究搅拌式风力致热启动性能，本实验取注水量为5L（满载），变频器调节角加速度分别为24.29 rad/s2、13.43 rad/s2和8.05 rad/s2，转速最终稳定在300 r/min、400 r/min、500 r/min，致热器选用三种不同叶片半径的自制致热器A、B和C。

2.1 启动扭矩与角加速度、转速的关系

满载工况下的致热器B在不同角加速度下启动，并最终达到稳定转速的扭矩特性曲线，见图3。其中，图a、b、c表示最终转速分别稳定在300 r/min、400 r/min、500 r/min，图中转速、扭矩、扭矩拟合的下角标1、2、3分别表示平均角加速度为24.29、13.43、8.05 rad/s2工况。

1）由图a、b、c可知，同一运转工况下，随时间的变化，转速增大，扭矩也随着增加，当运转稳定后，扭矩不再变化。从图a、b、c中可以看出，启动过程中，同工况下，当搅拌器转速最终稳定在300 r/min、400 r/min、500 r/min后，扭矩也分别稳定在4.25 N·m、7.5 N·m、10.5 N·m。说明同一致热器在同一角加速度下启动，若目标转速越高，则启动所需扭矩越大。

2）由图a中工况1、2、3知，启动时间相同时，工况1、2、3对应的启动扭矩逐渐减小。说明在启动过程中，同工况下角加速度越小，启动所需扭矩就越小。

图3 致热器B满载工况时启动扭矩随转速及角加速度变化特性曲线

3）综上可知，在启动过程中，启动性能与角加速度和转速均有关，相同工况下，角加速度越大，转速越高，启动所需风速越高。

2.2 叶片半径对致热装置启动扭矩的影响

满载工况下的三种致热器A、B、C,在不同角加速度下启动，最终稳定在500 r/min工况的扭矩特性曲线见图4。其中，图a、b、c分别表示三种不同的致热器A、B、C，图中转速、扭矩、扭矩拟合的下角标1、2、3分别表示平均角加速度为24.29、13.43、8.05 rad/s2工况。

从图a、b、c可以看出，在启动过程中，同工况下，不同的致热器，启动特性相似。对应同一时刻，致热器A、B、C的叶片半径依次减小，而对应的致热器启动扭矩也依次减小，这说明，同工况下，叶片半径越小，启动所需扭矩越小。

3 结论

为定性研究搅拌式风力致热装置启动性能，以叶片半径、搅拌转速及角加速度等为变量，对启动过程所需启动扭矩进行了实验研究。通过实验数据分析可知，在启动过程中，启动扭矩的大小与搅拌转速及角加速度均有关。同工况下，角加速度越大、转速越高，启动所需扭矩越大。若使搅拌致热装置在较短时间内完成启动，并达到较高的转速，风能需要提供较大的扭矩，即风速要高。启动过程中，三种不同叶片半径的自制致热器启动性能相似。但是，启动过程中，同一时刻启动所需扭矩不同，由此说明致热装置启动性能与致热器叶片半径有关。同工况下，叶片半径越小，启动所需扭矩越小，即越容易启动。