平直與圓柱葉片的攪拌致熱特性試驗研究

桂 霆，李永光，張麗華，高向宗，張 魯

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

利用風(fēng)力致熱來獲取日常生活中需要的低品位的熱能(例如房屋供暖、溫室保溫、溫水洗浴等)，可減少對煤、石油、天然氣等化石燃料的占用，可極大地緩解目前極其緊張的能源環(huán)境問題.風(fēng)力致熱對風(fēng)的質(zhì)量要求并不高，多數(shù)致熱器都能在風(fēng)速很寬的范圍內(nèi)工作，且致熱器裝置結(jié)構(gòu)比較簡單，操作容易，所產(chǎn)生的熱能足夠提供日常生活所需的熱量.因此，進一步投入研發(fā)力量，加快風(fēng)力致熱技術(shù)的研究開發(fā)，用于生活供暖及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等，對緩解我國能源壓力、減輕環(huán)境污染、提高生產(chǎn)和生活質(zhì)量具有重要的意義.

將風(fēng)能直接轉(zhuǎn)換為熱能的致熱裝置有攪拌液體致熱裝置、擠壓液體致熱裝置、固體摩擦致熱裝置、渦電流致熱裝置等.[1]攪拌液體致熱的原理是通過轉(zhuǎn)子葉片與液體碰撞、摩擦產(chǎn)生熱量;擠壓液體致熱的原理是利用油壓泵和阻尼孔相配合獲取熱能;固體摩擦致熱的原理是傳動軸旋轉(zhuǎn)時，在離心力和彈簧壓力的作用下，摩擦塊摩擦缸體內(nèi)壁產(chǎn)生熱量;渦電流致熱的原理是導(dǎo)體在磁場中切割磁力線運動時，導(dǎo)體表面會產(chǎn)生渦電流產(chǎn)生熱量.對比4種致熱方式發(fā)現(xiàn)，攪拌液體致熱裝置結(jié)構(gòu)簡單，制造容易.目前國內(nèi)主要有3所高校對風(fēng)力致熱技術(shù)進行了試驗研究，分別是中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)，其中中國農(nóng)業(yè)大學(xué)風(fēng)力致熱的研究重點是液體攪拌致熱，沈陽工業(yè)大學(xué)和西安交通大學(xué)則側(cè)重于液體擠壓致熱方面.[2]2002年，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)研制了一套液體攪拌致熱的實驗裝置，致熱器葉片選用平直渦輪葉片，試驗人員用變頻電機模擬風(fēng)車，在不同的轉(zhuǎn)速、液位高度、阻流板數(shù)量等情況下，研究致熱器效率的影響因素.[3]現(xiàn)今國內(nèi)幾乎沒有人研究不同類型的攪拌葉片對攪拌致熱效率的影響，而攪拌葉片類型的選擇對致熱器性能的影響至關(guān)重要.攪拌葉片的形狀會在致熱器內(nèi)產(chǎn)生不同的流動狀態(tài)，平直槳葉具有相當(dāng)?shù)募羟行阅芎蛷较蚺懦瞿芰?，能產(chǎn)生較強的湍流流態(tài);流體繞流圓柱體會出現(xiàn)邊界層分離，并在圓柱體后產(chǎn)生渦擴散.[4]本文根據(jù)上述兩種不同的流態(tài)，設(shè)計了兩種不同類型的試驗攪拌葉片——平直攪拌葉片和圓柱型攪拌葉片，通過實驗測得兩種葉片的溫升情況，并分析不同葉片下桶內(nèi)流體的流動狀態(tài)，以研究不同類型的攪拌葉片對致熱的影響.

1 攪拌風(fēng)力致熱實驗

1.1 實驗裝置及原理

風(fēng)力攪拌致熱的原理是利用風(fēng)輪轉(zhuǎn)動，通過傳動機構(gòu)帶動致熱器中攪拌葉片的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子上有多個葉片，在致熱器內(nèi)壁上也有多個阻流板(定子).將水注入致熱器桶內(nèi)，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，水被攪動形成很強的湍流流態(tài)，形成渦流，流動的水與葉片、桶內(nèi)壁、阻流板，以及水流質(zhì)點間發(fā)生碰撞摩擦，產(chǎn)生熱量，致使水的溫度逐漸升高.[5]該致熱實驗系統(tǒng)如圖1所示.

系統(tǒng)由變頻器、功率表、電動機、致熱器、熱電偶以及數(shù)據(jù)采集器等組成.實驗中，利用三相異步電機替代自然風(fēng)驅(qū)動的風(fēng)力機，通過變頻器調(diào)頻控制電動機輸出不同轉(zhuǎn)速;攪拌軸與桶蓋之間的軸封，保證攪拌桶內(nèi)密封性良好;致熱器外部填充保溫材料，用保溫棉包裹，以保證致熱器嚴(yán)格保溫;用三相功率表測得電動機輸出不同轉(zhuǎn)速時的有功功率;在致熱器內(nèi)部多點設(shè)置熱電偶，通過數(shù)據(jù)采集器記錄致熱器內(nèi)水溫的變化情況.

圖1 風(fēng)力致熱實驗系統(tǒng)

1.2 技術(shù)參數(shù)

致熱器的設(shè)計對制熱效率有很大影響.致熱器的形狀和尺寸、攪拌槳葉的形狀和尺寸及葉片數(shù)量都會影響致熱器內(nèi)流體的流動狀態(tài)，而阻流板的設(shè)置可以防止出現(xiàn)“圓柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)”，[6]同時也可以改變徑向排出流體的流形.致熱器結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 致熱器結(jié)構(gòu)示意

本文設(shè)計的致熱器攪拌桶內(nèi)徑為266 mm，桶高為196 mm;阻流板的長度為100 mm，寬度為20 mm，數(shù)量為4片，對稱安裝在攪拌桶內(nèi)壁.實驗設(shè)計的轉(zhuǎn)子葉片為平直渦輪式葉片與圓柱型葉片，葉片形狀如圖3所示.

平直葉片和圓柱型葉片的參數(shù)分別見表1和表2.

圖3 平直葉片與圓柱葉片

表1 平直葉片

表2 圓柱葉片

1.3 實驗過程

本實驗在環(huán)境溫度為19℃的條件下連續(xù)運行1 h，通過變頻器控制電動機軸的轉(zhuǎn)速分別為300 r/min，350 r/min，400 r/min，450 r/min，致熱器內(nèi)設(shè)有熱電偶，每分鐘記錄一次致熱器內(nèi)溫度，同時通過三相有功功率表記錄各轉(zhuǎn)速下電動機的輸出功率.

2 實驗結(jié)果及分析

實驗主要測量電動機輸出功率及致熱器內(nèi)液體的溫度，以此來計算該系統(tǒng)的各項參數(shù).使用三相有功功率表測量電動機輸出功率，通過熱電偶多點測量致熱器內(nèi)液體溫度，并使用光電轉(zhuǎn)速儀測量攪拌軸的轉(zhuǎn)速.另外，該致熱器內(nèi)的液體為水，質(zhì)量為 4.5 kg.

實驗測得致熱器內(nèi)的溫升數(shù)據(jù)如表3所示.兩種葉片不同轉(zhuǎn)速下的功率如表4所示.

表3 不同轉(zhuǎn)速下1 h內(nèi)致熱器的溫升數(shù)據(jù)

表4 不同轉(zhuǎn)速下致熱器消耗功率

2.1 致熱器內(nèi)溫度分析

由表3可以看出，致熱器轉(zhuǎn)子葉片轉(zhuǎn)速越大，致熱器內(nèi)水的溫度升高越快.平直葉片轉(zhuǎn)速為300 r/min時，1 h內(nèi)水溫度升高10.079℃，隨著轉(zhuǎn)速的增大，致熱器內(nèi)水的流動越激烈，湍流狀態(tài)越強，溫升也隨之增大;在轉(zhuǎn)速為450 r/min時，水溫升達到35.158℃，最高溫度達到55.623℃.圓柱葉片在300 r/min時溫度升高8.108℃，隨著轉(zhuǎn)速的增大，溫度隨之升高，在轉(zhuǎn)速為450 r/min時，水溫升達到27.997℃，最高溫度達到54.979℃.在同一轉(zhuǎn)速下，平直葉片比圓柱葉片的致熱效果好;轉(zhuǎn)速從400 r/min升高到450 r/min時，溫升幅度較大，致熱效果比較明顯.從消耗電動機的功率來看，隨著轉(zhuǎn)速的增加，攪拌葉片克服致熱器內(nèi)液體內(nèi)摩擦力做功，致熱器消耗的功率逐漸增大.在同一轉(zhuǎn)速下，圓柱葉片消耗的功率低于平直槳葉，這說明在同樣的風(fēng)況下，圓柱葉片啟動更快，圓柱葉片需要的啟動風(fēng)速低于平直葉片.不同轉(zhuǎn)速下兩組葉片的溫升隨時間變化情況如圖4至圖7所示.

圖4 轉(zhuǎn)速為300 r/min時溫度隨時間變化曲線

圖6 轉(zhuǎn)速為400 r/min時溫度隨時間變化曲線

從圖4至圖7可以看出，兩種葉片的溫升曲線均為線性型，通過計算可得:轉(zhuǎn)速為450 r/min時平直葉片的溫升斜率為0.586℃/min，圓柱葉片的溫升斜率為0.467℃/min.這說明在同一轉(zhuǎn)速下，平直葉片的溫升曲線斜率大于圓柱葉片，即平直葉片的溫升速率大于圓柱葉片，平直葉片的溫升效果強于圓柱葉片.

圖7 轉(zhuǎn)速為450 r/min時溫度隨時間變化曲線

2.2 致熱器流態(tài)分析

2.2.1 平直渦輪葉片

攪拌葉片轉(zhuǎn)速在150～300 r/min時，致熱器內(nèi)流體的流動狀態(tài)為湍流流態(tài)，液體受到離心力的作用而拋向器壁，遇到器壁和阻流板后做螺旋運動，產(chǎn)生渦流.上海電力學(xué)院風(fēng)力致熱課題組采用PumpLinx軟件模擬致熱器(平直槳葉)內(nèi)的流線，如圖 8 所示.[7]

圖8 轉(zhuǎn)速在450 r/min時的致熱器內(nèi)流場

圖8 中，平直渦輪式葉片在致熱器內(nèi)形成“雙循環(huán)”流動形態(tài)，即旋轉(zhuǎn)葉片在葉片區(qū)產(chǎn)生高速的徑向射流，高速射流夾帶周圍流體迅速向攪拌桶邊緣擴展，碰撞攪拌桶壁后，一部分沿著桶壁向上流動，到達攪拌桶頂部后轉(zhuǎn)向流回葉片區(qū);另一部分沿桶壁向下流動，到達攪拌桶底部后轉(zhuǎn)向再流回葉片根部，兩股流體分別流回攪拌區(qū)，在攪拌葉片的上下方各形成一個大尺度的環(huán)形渦.在“雙循環(huán)”流動形態(tài)下，增大了攪拌介質(zhì)和攪拌桶之間的摩擦，提高了攪拌介質(zhì)的內(nèi)能，加速了攪拌介質(zhì)之間的傳熱.而且在由攪拌葉片形成的高速徑向流的作用下，流體憑借粘性所產(chǎn)生的剪切力作用，在液體表面產(chǎn)生許多微小渦流，由于湍動劇烈，這種微小渦流會漸漸崩壞而與周圍流體混合，結(jié)果不僅流體本身，就連所包含的質(zhì)量、能量和熱量也都隨之向周圍移動擴散，從而提高了流體的平均溫度，達到了攪拌致熱的目的.

2.2.2 圓柱葉片

基于流體繞流圓柱體會出現(xiàn)邊界層分離，并在圓柱體后形成卡門渦街的現(xiàn)象，如圖9所示.[8]圓柱攪拌葉片的設(shè)計依據(jù)此思路，在圓盤上設(shè)置一定數(shù)量的小圓柱，以此來增加攪拌致熱效果.

圖9 圓柱體繞流分離現(xiàn)象

在攪拌葉片旋轉(zhuǎn)時，致熱器內(nèi)流體繞流圓柱體就會形成更多的微小渦流，隨著不同尺寸渦流的碰撞、破碎、擴散，促進了流體之間的傳熱，提高了流體的平均溫度.影響圓柱葉片致熱的因素主要有圓柱的排列方式、數(shù)量和尺寸、間距等.

從兩組葉片的對比試驗可以看出，所設(shè)計的平直槳葉溫升效果優(yōu)于圓柱葉片;從致熱效果上看，圓柱葉片還有待進一步的改進和優(yōu)化.

3 結(jié)論

(1)采用攪拌致熱方式是可行的，而且致熱效果顯著.試驗1 h內(nèi)平直葉片將5 kg水溫度最高升至55.623℃，溫升達到35.158℃，且能繼續(xù)升高.

(2)相同轉(zhuǎn)速下，本實驗設(shè)計的平直攪拌槳葉的致熱性能優(yōu)于新型圓柱槳葉，圓柱槳葉所消耗的能量低于平直槳葉.

(3)本實驗設(shè)計的圓柱葉片消耗的功率低于平直葉片.在同樣的風(fēng)況下，圓柱葉片啟動更快，需要的啟動風(fēng)速低于平直葉片.

(4)數(shù)值模擬得到平直葉片在致熱器內(nèi)產(chǎn)生的流態(tài)為“雙循環(huán)”流態(tài)，其致熱性能優(yōu)于所設(shè)計的圓柱擾流產(chǎn)生的渦擴散流態(tài).

[1]宋建峰.風(fēng)能-熱能直接轉(zhuǎn)換[J].糧油加工與食品機械，1988(1):37-39.

[2]李華山，馮曉東.我國風(fēng)力致熱技術(shù)研究進展[J].太陽能，2008(9):38-39.

[3]趙建柱.風(fēng)力致熱的研究與試驗[D].沈陽:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006.

[4]李偉峰，劉海峰，龔欣編.工程流體力學(xué)[M].上海:華東理工大學(xué)出版社，2009:117-119.

[5]吳書遠，范垂文，夏國惠.風(fēng)力致熱裝置[J].農(nóng)村能源，1992(1):16-18.

[6]坎托羅維奇.攪拌器計算原理[M].熊大章，譯.北京:機械工業(yè)出版社，1956:20-28.

[7]張志飛.攪拌式風(fēng)力致熱裝置的數(shù)值模擬及試驗分析[D].上海:上海電力學(xué)院，2014.

[8]陶文銓.數(shù)值傳熱[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2001:54-338.