风能直接制热器运行特性及系统效率研究

摘要

风能直接制热是风能利用的一种重要形式，制热器由风力机直接驱动，产生热量。可以为供热管网尚未覆盖的工业园区、中小城镇居民区及偏僻乡村提供冬季采暖热源。在有效的利用可再生能源的同时，可以有效的减少由化石能源燃烧所造成的环境污染问题。 本文研究中首先依据制热原理，综合考虑各因素对制热效果的影响，设计和搭建了磁涡流制热装置与液体搅拌制热装置试验台。对制热器启动阶段不同运行工况下的温度参数进行了统计与分析。得出磁涡流制热器本体换热面及进出口工质温度的变化规律，液体搅拌制热器工质温度与温升速率的变化规律。之后通过对制热规律的分析，结合流体力学与电磁学等理论知识，对制热器结构及参数进行优化设计，提升制热装置制热效果，设计用于风洞实验的缩比制热器。 其次通过风力机空气动力学原理，选择风洞实验中所需的垂直轴风力机参数。计算得出所选用机型的风能利用系数与尖速比的关系曲线。采用风力机与缩比制热器直连的结构，对缩比制热器进行风洞测试。通过对工质循环流量以及风洞风速的控制，得到制热器工质循环进出口的温度在不同风速条件下的参数。依据相关理论计算公式，对温度及换热端差进行理论计算。得出在不同风速条件下的制热器温度变化规律及制热效率，指出了实现制热系统效率最大化的运行方式。 最后对选定算例中独立户型热用户的不同供暖方案经济性进行分析比较，包括初始投资成本及运行费用。通过与燃煤采暖与电采暖方案相比较，可知相比于燃煤采暖的方案，风能供热的方案在使用周期内没有燃料消耗，可以在生命周期达到一半时与燃煤采暖总成本持平。相比于电采暖的方案，无需承担使用周期内的电费成本。对于短期使用用户来说，不具备吸引力。在长期使用的情况下，可以有效的节约运行成本，实现采暖成本最小化，具有一定的实际应用价值。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 风能制热概述

1.2.1 风能转换为热能的途径

1.2.2 风能制热技术应用现状

1.3 国内外研究现状

1.3.1 国内研究现状

1.3.2 国外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 制热器工作原理与实验设计

2.1 永磁涡流制热理论分析与实验设计

2.1.1 涡流制热工作原理

2.1.2 电磁感应定律与楞次定律

2.1.3 涡电流分布特性

2.1.4 实验装置系统结构

2.1.5 装置参数及实验流程

2.2 液体搅拌制热理论分析与实验设计

2.2.1 搅拌制热原理

2.2.2 功率吸收方程

2.2.3 实验装置系统结构

2.2.4 装置参数及实验流程

2.3 实验参数采集与计算

（1）温度数据的采集

（2）变频控制器频率的计算

（3）驱动电机输出功率的计算

2.4 本章小结

第3章 制热器启动过程的运行特性研究

3.1 磁涡流制热器不同转速下运行参数的变化规律

3.1.1 本体换热面工质温度变化规律

3.1.2 进出口工质温度变化规律

3.2 液体搅拌制热器不同转速下运行参数的变化规律

3.2.1 搅拌工质温度变化规律

3.2.2 搅拌工质温升速率变化规律

3.3 本章小结

第4章 缩比制热器风洞实验稳态运行系统效率研究

4.1 风力机参数的确定

4.2 风力机驱动下的涡电流制热器效率分析

4.2.1 风力机运行参数

4.2.2 涡电流制热系统效率分析

4.3 风力机驱动下的液体搅拌制热器效率分析

4.3.1 风力机运行参数

4.3.2 液体搅拌制热系统效率分析

4.4 本章小结

第5章 风能制热系统的经济与环境效益评价

5.1 供暖方案设计与基本指标的确定

5.2 供暖系统经济要素分析

5.3 成本分析及经济效益评价

5.5 环境污染物减排量

5.6 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

致谢