水動風(fēng)機(jī)冷卻塔

1、一前言冷卻塔的能熱交換能力主要由氣水比來決定,多少質(zhì)量流量的熱水用多少質(zhì)量流量的空氣進(jìn)行熱交換即可實(shí)現(xiàn)冷卻塔的預(yù)期溫降。而質(zhì)量流量的空氣是不論用什么方法都可以獲得,一般常用電機(jī)驅(qū)動風(fēng)葉獲取。從各冷卻塔生產(chǎn)廠家的樣本資料統(tǒng)計,低溫差冷卻塔的氣水比為0.67 ,中溫差冷卻塔的氣水比為0.84, 高溫差冷卻塔的氣水比為 1.12 ,而經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的最佳氣水比為0.55 。氣水比實(shí)質(zhì)上就是氣的質(zhì)量與水的質(zhì)量的比。如果不用電機(jī)驅(qū)風(fēng),改用水輪機(jī)來驅(qū)風(fēng),那么就變成了用多少水流量轉(zhuǎn)換成推動空氣的質(zhì)量,來與熱水進(jìn)行熱交換,電機(jī)是用多少千瓦的電功率來轉(zhuǎn)換成推動空氣的質(zhì)量進(jìn)行熱交換。這就簡單地變成水輪機(jī)的軸功率與電機(jī)的

2、軸功率相同即可實(shí)現(xiàn),同樣達(dá)到冷卻效果,使塔的比電耗趨零。塔的外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、冷卻原理都不需改變。且水輪機(jī)具有重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、噪聲低、壽命長、適用所有場合和塔型的許多優(yōu)點(diǎn)。冷卻塔的進(jìn)塔水頭一般為 5 -8m ,據(jù)資料統(tǒng)計顯示,各制造單位設(shè)定的進(jìn)塔水頭差異較大,見表 1 。大型塔的進(jìn)塔水壓常超過10m 。進(jìn)塔水頭為布水服務(wù),塔體布水面積大小常以0.07m2 /t 布水密度決定,同一塔內(nèi)各噴嘴的水壓應(yīng)一樣,這樣可探討用一個進(jìn)塔水頭,就可統(tǒng)一從小塔到巨形塔的進(jìn)塔水頭,不用細(xì)分如此無序的規(guī)格,增加選泵揚(yáng)程時查核產(chǎn)品樣本資料的麻煩。我們知道水頭( H 與流量( Q 的乘積就是功率。由此而可以

3、推算出在冷卻塔中的水流能量是水頭乘上相應(yīng)的流量。如100t/h 標(biāo)準(zhǔn)型冷卻塔的進(jìn)塔水流具有的能量是 2.2kW 左右,而100t/h 標(biāo)準(zhǔn)型冷卻塔所用的風(fēng)葉的實(shí)際軸功率恰好小于 2.2kW 左右,效率較高的風(fēng)葉還不到 2.0kW 。水動風(fēng)機(jī)冷卻塔就是充分利用進(jìn)塔水頭的能量以達(dá)到節(jié)能的目的。如果把我國的冷卻塔國家標(biāo)準(zhǔn)修改成電耗為零,這將大大提升冷卻塔工業(yè)能耗的要求,對企業(yè)減少固定成本,對社會節(jié)電具有積極意義。二研究水輪機(jī)主要工作部件是葉輪,葉輪接受了流體的能量,使葉輪旋轉(zhuǎn)。以宏觀的角度來研究能量的轉(zhuǎn)換,從而建立冷卻塔水輪機(jī)的基本方程。葉輪式水輪機(jī)主要有沖擊式和反擊式兩種。雙擊式是沖擊式其中的一種

4、,選用雙擊式是它的轉(zhuǎn)輪葉片之間水流有自由表面,不會對葉片產(chǎn)生氣蝕,延長使用壽命;轉(zhuǎn)輪前后水流沒有壓差;集中用速度能對葉片兩次沖擊,能量的轉(zhuǎn)換效率較高;水流變化較大時適應(yīng)能力較好;立軸布置適合冷卻塔的特殊空間及電機(jī)減速器原位更換;增設(shè)尾水管,回收能量為布水服務(wù)。根據(jù)動量矩定理,在單位時間內(nèi),動量矩的變化等于外力的合力矩。按圖 1 所示,合力矩M = QC 1L 1+ QC 2L 2+ QC 3L 3+ QC 4L 4為獲得較好的葉輪效率,要求在葉輪的出口處未被利用的能量盡量少,即把下一個葉片出口處絕對速度盡量趨向零。則M = QC 1L 1+ QC 2L 2+ QC 3L 3上式的后兩項中的一項

5、是出水口的動量矩,另一項是入水口的動量矩,由于轉(zhuǎn)換的需要,一個減少,一個增加,互補(bǔ)為零,最終剩下初始葉片的入口動量矩為這個葉輪的實(shí)際動量矩。M = QC 1L 1= QC1COS1R葉輪旋轉(zhuǎn)的功為角速度( 與動量矩的乘積。P = M = QC1COS1R葉片的原始動能是流量(Q 與揚(yáng)程(H 的乘積,要使水流的能量轉(zhuǎn)換為葉輪的能量,只有令兩式相等才能實(shí)現(xiàn)。QC1COS1R = QH上式說明質(zhì)量流量在能量轉(zhuǎn)換前后沒有變化,水流的揚(yáng)程就是水輪機(jī)的能量,揚(yáng)程越高,動量越大。凡冷卻塔一定具有進(jìn)塔水壓,進(jìn)塔水壓即為可轉(zhuǎn)換的能量,可滿足風(fēng)葉的實(shí)際軸功率。冷卻循環(huán)水泵的揚(yáng)程在系統(tǒng)中是一個定值,在改造時加上水輪

6、機(jī),阻力增加,不會增加泵的電流,反而會減少電流。水輪機(jī)的阻力很小,只相應(yīng)地減少趨零的電流。在我國的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中只有JB/T 76401994 的機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“ 雙擊式水輪機(jī)系列型譜” 較簡單地介紹了一些性能參數(shù),但該標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)形式規(guī)定均為臥式,且使用范圍功率12kW 至100Kw ,水頭大于8m , 流量大于0.1m3 /s , 為了適用于冷卻塔,只得另辟蹊徑,創(chuàng)新一種立軸帶有尾水管的微型水輪機(jī),如圖 2 。2003 年1 月8 日獲專利權(quán)。2003 年10 月8 日發(fā)明專利公告。冷卻塔匹配的電機(jī)電耗,國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)塔小于0.04kW/t 、中溫塔小于0.06kW/t 推算。改用水輪機(jī)驅(qū)風(fēng),

7、不用再考慮電機(jī)匹配,只考慮進(jìn)塔水流的能量是否達(dá)到風(fēng)葉的軸功率。表 2 列示水頭功率,是減去水輪機(jī)阻力0.5m 以后,與相應(yīng)的氣水比空氣量和風(fēng)葉軸功率的統(tǒng)計表,達(dá)到對應(yīng)值即可達(dá)到冷卻效果。風(fēng)葉的風(fēng)量是在多少軸功率轉(zhuǎn)速情況下產(chǎn)出,關(guān)鍵是軸功率,只要軸功率達(dá)到風(fēng)葉的額定值,轉(zhuǎn)速自然達(dá)到,風(fēng)量自然也達(dá)到。注:風(fēng)葉軸功率等于水輪機(jī)輸出軸功率,按每 3.3· 104m3 /h 風(fēng)量1kW 計算。國家標(biāo)準(zhǔn)匹配電機(jī)功率為標(biāo)準(zhǔn)塔小于0.04kW/t, 中溫塔小于0.06kW/t 。三、測試2003年8月1日由上海交通大學(xué)、上海節(jié)能中心聯(lián)合對模型水輪機(jī)進(jìn)行測試,測試數(shù)據(jù)如下:流量:94m3 /h水頭:4

8、m傳感器顯示功率:0.9Kw轉(zhuǎn)速:326r/min計算得水輪機(jī)的效率為0.88 ,JB/T 標(biāo)準(zhǔn)為0.82 。2003 年8 月5 日又對上海乳制品研究所的200t/h 塔經(jīng)水輪機(jī)改造后去掉風(fēng)機(jī)電機(jī)使用 3 年的塔進(jìn)行對比性測試。泵IS150125250 3 臺,其中 1 臺為備泵,揚(yáng)程20m , 流量200t/h, 塔兩臺,距地面14m , 風(fēng)機(jī)電機(jī)軸功率 3.9Kw, 制冷機(jī)8FS10, Q = 134400kcal/h 2 臺。1 臺泵供1 臺塔1 臺制冷機(jī)。用戶長期使用該塔,完全節(jié)約了 5.5kW 的電機(jī),節(jié)電100 %,3 年來節(jié)省了大量的電費(fèi)。用戶反映極為滿意。四、水輪機(jī)的動力分析

9、水動風(fēng)機(jī)冷卻塔問世以來,對節(jié)能作出了一定的貢獻(xiàn)。經(jīng)中國科學(xué)院上海文獻(xiàn)情報中心查新,水動風(fēng)機(jī)冷卻塔具有充分的新穎性和創(chuàng)新性,國內(nèi)外文獻(xiàn)均無相同結(jié)構(gòu)的報道。說明該產(chǎn)品具有原創(chuàng)資格。由于冷卻塔業(yè)內(nèi)對水輪機(jī)取代風(fēng)機(jī)電機(jī)節(jié)電100% 心存疑慮。有的教授級冷卻塔專家不懂沖擊式水輪機(jī)的特點(diǎn),誤求轉(zhuǎn)輪前后水壓差,作出錯誤判斷。有的用戶持謹(jǐn)慎態(tài)度,不敢為人先。為此有必要把冷卻塔專用水輪機(jī)的特點(diǎn)作進(jìn)一步闡述。1 .冷卻塔專用水輪機(jī)的動力由能量方程式推算。水輪機(jī)的輸出軸功率公式為W=×Q×H× (kw水的容重1000×9.81N/m3Q水流量m3 /sH水頭m水輪機(jī)的效率,0

10、.88水輪機(jī)水頭由伯努利方程計算H= Z+P+V2 / 2gZ水輪機(jī)進(jìn)出水位之差P水流內(nèi)具備的壓力V水流的速度m/sg重力加速度9.81由于冷卻塔專用水輪機(jī)采用立軸形式,水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪是立置的,它的進(jìn)出水位在同一平面上,沒有位能。Z=0.沖擊式水輪機(jī)是開放型的,進(jìn)出水都與空氣接觸,進(jìn)出口的水流的壓力都保持在同一個大氣壓上,壓力差很小,可以忽略不計,即沒有壓能。P=0.水流在噴出之時,已經(jīng)把壓能轉(zhuǎn)變成速度能- 動能。所以冷卻塔專用的雙擊式水輪機(jī)在討論水頭時僅計算動能。冷卻塔的進(jìn)塔水壓就是水頭,由下式計算H=V2/2g由于水流的速度V是單位面積上的過流水量。V=Q/ SS過流斷面積水頭公式又可以用H

11、=Q2/2g S2 來計算歸并上述公式后得冷卻塔專用水輪機(jī)的出力W=9.81×Q3/2g S2 ×0.88 =0.44 Q3/ S2很顯然,當(dāng)已知供塔泵的流量Q以后,決定水輪機(jī)出力的關(guān)鍵是過流斷面S,斷面越小流速越大,出力就越大。但縮小斷面,流量就會減少,這是一對相互依賴的矛盾,要達(dá)到最佳狀態(tài)只有在確定流量的情況下,確定過流斷面,才能表現(xiàn)出一個最好的出力情況。我們設(shè)計按8.4683m 水頭計算,由此得水輪機(jī)出力W=9.81×8.4683×Q×0.88 =73.1 Q(kw 當(dāng)知道冷卻塔的流量以后,就能確切地計算得到水輪機(jī)的功率,對照風(fēng)葉軸功率是

12、否符合, 即可應(yīng)用于冷卻塔電機(jī)塔的改造。如:2000t/h 的冷卻塔水輪機(jī)軸功率為W=73.1Q=73.1×0.55555=40.6KW所對應(yīng)的風(fēng)葉實(shí)際軸功率應(yīng)該小于40.6KW (否則該風(fēng)機(jī)效率較差,該塔運(yùn)轉(zhuǎn)完全正常,完全可取代電動機(jī),節(jié)電100% 。關(guān)鍵的一點(diǎn),要知道進(jìn)該塔的水頭有沒有8m 的余地。由于設(shè)計人員在設(shè)計循環(huán)水系統(tǒng)時,選擇塔的進(jìn)水壓力沒有標(biāo)準(zhǔn)依據(jù),造成現(xiàn)有的冷卻塔進(jìn)塔水壓高低差別較大。流量沒有到額定值,進(jìn)塔水壓為零的冷卻塔也大有塔在。所以用水輪機(jī)改造冷卻塔并不是所有的冷卻塔都適合。一旦可以進(jìn)行改造,說明該塔有富余揚(yáng)程存在,節(jié)電100 %。不具備富余揚(yáng)程條件,我們就不改

13、,也不存在節(jié)電百分之幾的結(jié)果。新的冷卻塔也一樣以兩個條件為本。2 .水輪機(jī)的阻力怎么計算。冷卻塔的循環(huán)水管路中,增設(shè)一個水輪機(jī)無疑是增加阻力,阻力增加水流量減少,還影響換熱設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。阻力嚴(yán)重甚至于會造成換熱設(shè)備管子爆裂的事故。水動風(fēng)機(jī)冷卻塔水輪機(jī)阻力僅為0.5m (0.005Mpa, 很小。這相當(dāng)于在管路中增多一個彎頭或閥門的阻力。不會影響其它設(shè)備。0.5m 的阻力,相比于噴霧塔的噴嘴阻力,顯然要小得多。水輪機(jī)阻力實(shí)在小,可以大大放心改造現(xiàn)有冷卻塔,無須擔(dān)心換熱設(shè)備增加負(fù)擔(dān)。水輪機(jī)的阻力由水流進(jìn)入轉(zhuǎn)輪前的速度和水流道形狀決定。水動飛機(jī)冷卻塔的水輪機(jī)流道是漸縮圓弧形,阻力由局部水頭損失公式

14、計算H= V2/2g - 阻力系數(shù)= 0.081 由實(shí)驗實(shí)際使用中獲得。當(dāng)8m 水頭運(yùn)作時,由較小的流速獲得最高出力,用上式計算得,水輪機(jī)的阻力為0.5m 。五不同塔型的應(yīng)用比較。噴霧塔在我國20 世紀(jì)80 年代初,就已經(jīng)應(yīng)用于化工尿素車間,沒有填料,是一種較為先進(jìn)的塔型,隨著技術(shù)進(jìn)步,噴嘴的壓力由0.4Mpa 降到0.2Mpa ?，F(xiàn)將電動、水動、噴霧三種塔型作一番比較,討論各自的優(yōu)缺點(diǎn),供大家參考。為對比方便,設(shè)0.08Mpa 為一個電動塔的動力能 A 。下列討論設(shè)定塔的公稱流量為額定值。流量不足、水壓小于零或流量大于額定值、水壓小于零等情況不作討論。從冷卻塔的能耗產(chǎn)出分析。. 當(dāng)進(jìn)塔水壓為

15、零時,電動塔的風(fēng)量為定值,風(fēng)機(jī)用電量為 A ,溢流布水冷效差; 水動塔必須在泵上加 A 的電量才可取代電機(jī)塔,與電機(jī)塔的用電量相等, 進(jìn)塔水壓已達(dá)8m ,布水工況好,冷效好; 噴霧塔必須在泵上加 2.5A 的電量才可取代電機(jī)塔,加上風(fēng)機(jī)電機(jī)的用電量,多 3.5A 的電量。. 當(dāng)進(jìn)塔水壓等于8m 時,水動塔最為合適; 電動塔是多用電量A; 噴霧塔必須在泵上再加 1.5A 的電量才可運(yùn)轉(zhuǎn), 再加上風(fēng)機(jī)電機(jī)的用電量,多用 2.5A 電量。. 當(dāng)進(jìn)塔水壓等于20m 時,電動塔多用量 2.5A ; 水動塔多用電量 1.5A ; 噴霧塔多用電 1.5A 。從維修環(huán)保角度分析。電動塔的維修保養(yǎng)率較高;維修難

16、度大;維修費(fèi)用高;管理復(fù)雜;重量大;塔的重心上移;振動大;必須增加搭體的強(qiáng)度;噪聲較大;皮帶式電機(jī)因打滑而影響冷效。水動塔維修保養(yǎng)率較小,甚至長期不用維修;維修簡單;管理簡單;冷效穩(wěn)定;塔的重心下移由地面承受;可減少塔體的材料;振動小;沒有噪聲。噴霧塔結(jié)構(gòu)簡單;重量輕;造價低;振動小;沒有噪聲。缺點(diǎn)是進(jìn)塔水壓能耗大。冷卻塔的進(jìn)塔水壓總要有,沒有水壓影響布水,這個水壓就是可用水輪機(jī)節(jié)能的動能。動能可用水頭計算。六實(shí)際例子由河南鄭州水晶股份有限公司( 原鄭州化肥廠 的700t/h 水泥框架方型逆流塔改造可解剖。為有比較, 該塔并排還有同規(guī)格三臺電機(jī)塔。該塔高12m ,風(fēng)葉 4.7m 。泵為雙吸離心

17、式700t/h, 揚(yáng)程26m ,塔與泵的水平距離50m , 由于材料原因,沿程有三個變徑節(jié)頭,彎頭十個,閥門一個,總阻力為18m ,尚有不少于8m 的水頭可供水輪機(jī)作功,改造以后,風(fēng)葉轉(zhuǎn)速185r/min, 風(fēng)量60 萬m3/h, 水泵壓力表顯示0.24Mpa, 阻力很小,由計算得水輪機(jī)的出力為W = 9.81 × H × Q × =9.81 × 8 × 0.194 × 0.88 = 13.4kw 風(fēng)葉實(shí)際軸功率為14Kw ,所以運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)揮良好,與旁邊的電機(jī)塔比較,據(jù)該單位自己測試情況列于表 3 。要注意的是泵的流量和揚(yáng)程,這兩個條件可

18、以相互配合。如果流量大,揚(yáng)程小,或流量小,揚(yáng)程大,只要他們的乘積夠條件,則水輪機(jī)發(fā)揮正常,風(fēng)葉運(yùn)轉(zhuǎn)正常。如山西海鑫國際鋼鐵有限公司的兩臺350t/h 塔改造,泵的流量只有530t/h, 平均每臺塔的水量265t/h ,還差每臺85t/h, 顯然是不夠的。但泵的揚(yáng)程是45m , 塔高僅14m ,該塔水質(zhì)極差,水管內(nèi)水垢厚度達(dá)20mm ,實(shí)際總阻力35m ,尚有12m 的水頭作功, 所以W=9.81×Q×H×0.88=9.81×0.0736×12×0.88=7.62(KW 。還有正常運(yùn)轉(zhuǎn)的能力。水泵壓力表顯示改造前后沒有變化。水輪機(jī)可以做得較大,從市場冷卻塔的容量看,單臺塔最大水流量也不過10 萬t/h ,這對于水輪機(jī)流量來說還屬于小弟弟,由此而匹配的水輪機(jī)隊伍仍屬小型,而專供冷卻塔用的水輪機(jī)屬微型。由相似理論可知,不論水輪機(jī)的大小,他的性能參數(shù)是一樣的。冷卻塔業(yè)內(nèi)對大型塔的減速器制造有難度,沒有制成單臺機(jī)力塔超過5000t/h ,現(xiàn)在水輪機(jī)解決了這個問題,風(fēng)葉能制成