風(fēng)機(jī)葉片電加熱除冰及間歇加熱控制方法研究

顏訓(xùn)剛

（湖北民族大學(xué)）

0 引言

冬季的風(fēng)力資源豐富，但覆冰破壞風(fēng)機(jī)葉片氣動特性和機(jī)械性能，影響風(fēng)機(jī)輸出效率，甩落的覆冰也會威脅周圍人身安全[1]，研究表明：通過安裝除冰控制系統(tǒng)，冰凍期因覆冰停機(jī)時(shí)間減少 98.88%、能源可利用率提高71.32%[2]。巨大的經(jīng)濟(jì)效益和能源利用率促進(jìn)研究人員對風(fēng)機(jī)防冰除冰的研究。

目前風(fēng)機(jī)葉片電熱除冰以實(shí)現(xiàn)途徑簡單且高除冰效率等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛研究[3]。國外開展了葉片材料結(jié)構(gòu)和內(nèi)嵌電加熱層的研究[4]，國內(nèi)主要集中在對環(huán)境和風(fēng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)等的數(shù)值研究，舒立春[5]通過對覆冰厚度，環(huán)境溫度，相對風(fēng)速和液態(tài)水含量等對除冰時(shí)間的影響進(jìn)行研究，提出合理電阻絲布置方式能縮短除冰時(shí)間，但熱量散失較多，造成能源浪費(fèi)；戚家浩[6]等對風(fēng)機(jī)葉片覆冰表面的熱量傳遞進(jìn)行分析，搭建了電加熱方式下風(fēng)機(jī)葉片防冰除冰的模型，提出等差分區(qū)加熱方法，但缺少對合理分區(qū)個(gè)數(shù)的研究；呂慶[7]等人通過地面試驗(yàn)及有限元分析數(shù)據(jù)研究葉片表面溫度隨時(shí)間變化的規(guī)律，但缺少實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。Pinard[8]通過對風(fēng)力發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況的估算提出150kW功率的風(fēng)機(jī)，需要加熱除冰功率大約為風(fēng)機(jī)發(fā)電功率的6.8%，但缺少對實(shí)際風(fēng)機(jī)運(yùn)行的研究。

本文搭建了覆冰實(shí)驗(yàn)裝置，對覆冰過程進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，針對不同覆冰厚度和環(huán)境溫濕度等條件開展除冰實(shí)驗(yàn)，利用石墨烯復(fù)合加熱薄膜進(jìn)行除冰，并提出不同加熱間隔方式以獲得更加快速節(jié)能方案。研究結(jié)果對電加熱方式風(fēng)機(jī)葉片防除冰領(lǐng)域具有一定的參考意義和實(shí)際工程價(jià)值。

1 冰層融化幾何模型建立

加熱系統(tǒng)啟動時(shí)，熱能隨加熱層傳至冰層，假設(shè)能量都供給冰層和各區(qū)域溫升。當(dāng)冰層達(dá)到0℃，融化水的流失在接觸面形成氣隙，如圖 1所示，葉片分成四個(gè)區(qū)域：空氣層L1，冰層L2，氣隙層 L3，加熱層L4。

圖1 葉片幾何模型示意圖

2 冰層融化控制方程

2.1 熱平衡方程

加熱系統(tǒng)熱量作用于：熱輻射和熱對流；L1～L4的溫升；冰層融化吸收潛熱。根據(jù)能量守恒，熱平衡方程為：

式中，hc為換熱系數(shù)；ε為黑體輻射系數(shù)；σ為Stefan-Boltzman常數(shù)。

2.2 熱傳導(dǎo)方程

在葉片表面各區(qū)域取任意一體積微元，其傳熱示意圖如圖2所示。

圖2 體積微元傳熱示意圖

微元體內(nèi)焓變傳熱方程為：

式中，qx，qy，qz和qx+dx，qy+dy，qz+da為流入和流出微元體熱流量；為單位體積熱流量。為簡化計(jì)算，只分析z方向的一維傳熱過程：

將式（6）代入式（1）可得融冰過程的傳熱方程：

2.3 除冰時(shí)間

除冰時(shí)間包括各區(qū)域的溫升和冰層內(nèi)表面融化以及放熱階段時(shí)間總和，氣隙一般不超過0.1mm，可認(rèn)為熱傳導(dǎo)是主要傳熱方式，對冰層任意微元，其熱平衡方程為：

式中，為溫升吸收的能量，為冰層吸收的潛熱，溫升階段第二項(xiàng)為0℃，融化階段第一項(xiàng)中溫度為0℃，其值也為0。

（1）升溫階段

由式（1）熱平衡方程知，熱能只用于冰層升溫，平衡方程為：

（2）放熱階段

間歇加熱過程存在放熱階段，由于間歇短暫，認(rèn)為冰層只與空氣傳熱：

綜合加熱和放熱過程，冰層達(dá)到0℃需要的時(shí)間為：

（3）冰層融化階段

負(fù)號表示熱量傳遞為溫度降低方向。

ta+1時(shí)刻融冰厚度增加量：

當(dāng)氣隙達(dá)到0.1mm時(shí)冰層脫落，經(jīng)迭代計(jì)算，可得對應(yīng)氣隙厚度下時(shí)間即為融冰時(shí)間t2：

總體除冰時(shí)間：

2.4 除冰時(shí)間仿真分析

為觀察單次加熱時(shí)間對除冰時(shí)間和除冰能耗的影響，在Matlab 2019R環(huán)境下仿真分析。流程圖如圖3所示，物化參數(shù)如表1所示，覆冰面積0.125m2，仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 除冰單元各區(qū)域物性參數(shù)

圖3 除冰時(shí)間計(jì)算流程圖

除冰時(shí)間計(jì)算步驟如下：

1）初始化參數(shù)，測取冰面溫度T°、冰層厚度、覆冰面積，設(shè)置加熱周期等物化參數(shù)，單次加熱時(shí)間tt1=[0:0.1:T]，為一數(shù)組。

2）Iterration1=0，判斷T°是否小于等于零，若是，則執(zhí)行3），若否，執(zhí)行5）；

3）計(jì)算加熱和降溫過程溫度改變值，△T，Tk+1=Tk+△T，Iterration=Iterration+1；T1為熱源供冰層溫度上升的溫度，TT1為停止加熱時(shí)冰層放熱溫度：

4）判斷Tk+1是否小于等于零，若是，則返回3），若否，則執(zhí)行5）。

5）計(jì)算升溫階段所需時(shí)間t1：

6）Iterration2=0，hk+1=hk+△h，判斷氣隙厚度是否大于0.1 m m。若是則執(zhí)行7），否則Iterration2=Iterration2+1。其中：

7）計(jì)算融化階段所需時(shí)間t2，t=t1+t2。

由圖4可知，隨功率密度增加,最優(yōu)單次加熱時(shí)間先降后增，在圖4b、4c達(dá)到最小值25.5s。隨單次加熱時(shí)間的遞增，除冰能耗先呈指數(shù)下降，再緩慢上升，這是因?yàn)樵趩未渭訜釙r(shí)間較小時(shí)，熱量提供很少，除冰時(shí)間很長甚至無法除冰，消耗能量巨大，單次加熱時(shí)間增大時(shí)，間歇減少，熱源供給差別不大，能耗差別不明顯；如圖4c功率1400W/m2，除冰能耗在單次加熱時(shí)間25.5s時(shí)達(dá)最低值45871.9J，除冰時(shí)間308.4s；持續(xù)加熱方式能耗47671.7J，除冰時(shí)間272.4s。間歇加熱方式比持續(xù)加熱方式節(jié)省1799.8J，除冰時(shí)間僅增加36s。

圖4 功率密度除冰時(shí)間和能耗隨單次加熱時(shí)間變化曲線

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為驗(yàn)證間歇加熱除冰方式較持續(xù)加熱更節(jié)約能源，本文通過對風(fēng)機(jī)葉片運(yùn)行環(huán)境模擬，開展風(fēng)機(jī)葉片覆冰和除冰實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)在低溫環(huán)境進(jìn)行，采用噴霧控制濕度，石墨烯薄膜作為加熱體，通過直流開關(guān)電源給系統(tǒng)供電。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由表2可知，隨著功率密度的升高，間歇加熱與持續(xù)加熱消耗的能量總體逐漸減少，且間歇加熱比持續(xù)加熱消耗的能量少。如表所示，1300W/m2下間歇加熱比持續(xù)加熱節(jié)省1137.5J，1400W/m2下間歇加熱比持續(xù)加熱節(jié)省1050J。

表2 不同功率密度除冰時(shí)間和能耗

4 結(jié)束語

本文通過設(shè)置單次加熱時(shí)間，搭建了風(fēng)機(jī)葉片間隔加熱除冰時(shí)間的模型，仿真并驗(yàn)證了間隔加熱除冰方式比持續(xù)加熱減少能耗提高除冰效率。后續(xù)的實(shí)驗(yàn)研究，會考慮加熱周期的確定和實(shí)際風(fēng)速大小，葉片轉(zhuǎn)動及轉(zhuǎn)速情況等影響，對加熱間隔時(shí)間進(jìn)一步優(yōu)化。