水動風機冷卻塔

1、一前言冷卻塔的能熱交換能力主要由氣水比來決定,多少質量流量的熱水用多少質量流量的空氣進行熱交換即可實現(xiàn)冷卻塔的預期溫降。而質量流量的空氣是不論用什么方法都可以獲得,一般常用電機驅動風葉獲取。從各冷卻塔生產廠家的樣本資料統(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 ,而經濟運行的最佳氣水比為0.55 。氣水比實質上就是氣的質量與水的質量的比。如果不用電機驅風,改用水輪機來驅風,那么就變成了用多少水流量轉換成推動空氣的質量,來與熱水進行熱交換,電機是用多少千瓦的電功率來轉換成推動空氣的質量進行熱交換。這就簡單地變成水輪機的軸功率與電機的

2、軸功率相同即可實現(xiàn),同樣達到冷卻效果,使塔的比電耗趨零。塔的外形、結構、尺寸、冷卻原理都不需改變。且水輪機具有重量輕、結構簡單、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。冷卻塔的進塔水頭一般為 5 -8m ,據資料統(tǒng)計顯示,各制造單位設定的進塔水頭差異較大,見表 1 。大型塔的進塔水壓常超過10m 。進塔水頭為布水服務,塔體布水面積大小常以0.07m2 /t 布水密度決定,同一塔內各噴嘴的水壓應一樣,這樣可探討用一個進塔水頭,就可統(tǒng)一從小塔到巨形塔的進塔水頭,不用細分如此無序的規(guī)格,增加選泵揚程時查核產品樣本資料的麻煩。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的流量。如100t/h 標準型冷卻塔的進塔水流具有的能量是 2.2kW 左右,而100t/h 標準型冷卻塔所用的風葉的實際軸功率恰好小于 2.2kW 左右,效率較高的風葉還不到 2.0kW 。水動風機冷卻塔就是充分利用進塔水頭的能量以達到節(jié)能的目的。如果把我國的冷卻塔國家標準修改成電耗為零,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。二研究水輪機主要工作部件是葉輪,葉輪接受了流體的能量,使葉輪旋轉。以宏觀的角度來研究能量的轉換,從而建立冷卻塔水輪機的基本方程。葉輪式水輪機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輪葉片之間水流有自由表面,不會對葉片產生氣蝕,延長使用壽命;轉輪前后水流沒有壓差;集中用速度能對葉片兩次沖擊,能量的轉換效率較高;水流變化較大時適應能力較好;立軸布置適合冷卻塔的特殊空間及電機減速器原位更換;增設尾水管,回收能量為布水服務。根據動量矩定理,在單位時間內,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,由于轉換的需要,一個減少,一個增加,互補為零,最終剩下初始葉片的入口動量矩為這個葉輪的實際動量矩。M = QC 1L 1= QC1COS1R葉輪旋轉的功為角速度( 與動量矩的乘積。P = M = QC1COS1R葉片的原始動能是流量(Q 與揚程(H 的乘積,要使水流的能量轉換為葉輪的能量,只有令兩式相等才能實現(xiàn)。QC1COS1R = QH上式說明質量流量在能量轉換前后沒有變化,水流的揚程就是水輪機的能量,揚程越高,動量越大。凡冷卻塔一定具有進塔水壓,進塔水壓即為可轉換的能量,可滿足風葉的實際軸功率。冷卻循環(huán)水泵的揚程在系統(tǒng)中是一個定值,在改造時加上水輪

6、機,阻力增加,不會增加泵的電流,反而會減少電流。水輪機的阻力很小,只相應地減少趨零的電流。在我國的技術標準中只有JB/T 76401994 的機械行業(yè)標準“ 雙擊式水輪機系列型譜” 較簡單地介紹了一些性能參數(shù),但該標準的結構形式規(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,如圖 2 。2003 年1 月8 日獲專利權。2003 年10 月8 日發(fā)明專利公告。冷卻塔匹配的電機電耗,國家標準規(guī)定為標準塔小于0.04kW/t 、中溫塔小于0.06kW/t 推算。改用水輪機驅風,

7、不用再考慮電機匹配,只考慮進塔水流的能量是否達到風葉的軸功率。表 2 列示水頭功率,是減去水輪機阻力0.5m 以后,與相應的氣水比空氣量和風葉軸功率的統(tǒng)計表,達到對應值即可達到冷卻效果。風葉的風量是在多少軸功率轉速情況下產出,關鍵是軸功率,只要軸功率達到風葉的額定值,轉速自然達到,風量自然也達到。注:風葉軸功率等于水輪機輸出軸功率,按每 3.3· 104m3 /h 風量1kW 計算。國家標準匹配電機功率為標準塔小于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、上海節(jié)能中心聯(lián)合對模型水輪機進行測試,測試數(shù)據如下:流量:94m3 /h水頭:4

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

9、水動風機冷卻塔問世以來,對節(jié)能作出了一定的貢獻。經中國科學院上海文獻情報中心查新,水動風機冷卻塔具有充分的新穎性和創(chuàng)新性,國內外文獻均無相同結構的報道。說明該產品具有原創(chuàng)資格。由于冷卻塔業(yè)內對水輪機取代風機電機節(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的特點,誤求轉輪前后水壓差,作出錯誤判斷。有的用戶持謹慎態(tài)度,不敢為人先。為此有必要把冷卻塔專用水輪機的特點作進一步闡述。1 .冷卻塔專用水輪機的動力由能量方程式推算。水輪機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水輪機的效率,0

10、.88水輪機水頭由伯努利方程計算H= Z+P+V2 / 2gZ水輪機進出水位之差P水流內具備的壓力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采用立軸形式,水輪機的轉輪是立置的,它的進出水位在同一平面上,沒有位能。Z=0.沖擊式水輪機是開放型的,進出水都與空氣接觸,進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,已經把壓能轉變成速度能- 動能。所以冷卻塔專用的雙擊式水輪機在討論水頭時僅計算動能。冷卻塔的進塔水壓就是水頭,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的出力W=9.81×Q3/2g S2 ×0.88 =0.44 Q3/ S2很顯然,當已知供塔泵的流量Q以后,決定水輪機出力的關鍵是過流斷面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。我們設計按8.4683m 水頭計算,由此得水輪機出力W=9.81×8.4683×Q×0.88 =73.1 Q(kw 當知道冷卻塔的流量以后,就能確切地計算得到水輪機的功率,對照風葉軸功率是

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

13、,也不存在節(jié)電百分之幾的結果。新的冷卻塔也一樣以兩個條件為本。2 .水輪機的阻力怎么計算。冷卻塔的循環(huán)水管路中,增設一個水輪機無疑是增加阻力,阻力增加水流量減少,還影響換熱設備的正常運轉。阻力嚴重甚至于會造成換熱設備管子爆裂的事故。水動風機冷卻塔水輪機阻力僅為0.5m (0.005Mpa, 很小。這相當于在管路中增多一個彎頭或閥門的阻力。不會影響其它設備。0.5m 的阻力,相比于噴霧塔的噴嘴阻力,顯然要小得多。水輪機阻力實在小,可以大大放心改造現(xiàn)有冷卻塔,無須擔心換熱設備增加負擔。水輪機的阻力由水流進入轉輪前的速度和水流道形狀決定。水動飛機冷卻塔的水輪機流道是漸縮圓弧形,阻力由局部水頭損失公式

14、計算H= V2/2g - 阻力系數(shù)= 0.081 由實驗實際使用中獲得。當8m 水頭運作時,由較小的流速獲得最高出力,用上式計算得,水輪機的阻力為0.5m 。五不同塔型的應用比較。噴霧塔在我國20 世紀80 年代初,就已經應用于化工尿素車間,沒有填料,是一種較為先進的塔型,隨著技術進步,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,供大家參考。為對比方便,設0.08Mpa 為一個電動塔的動力能 A 。下列討論設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。從冷卻塔的能耗產出分析。. 當進塔水壓為

15、零時,電動塔的風量為定值,風機用電量為 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塔,與電機塔的用電量相等, 進塔水壓已達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塔,加上風機電機的用電量,多 3.5A 的電量。. 當進塔水壓等于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 的電量才可運轉, 再加上風機電機的用電量,多用 2.5A 電量。. 當進塔水壓等于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;維修費用高;管理復雜;重量大;塔的重心上移;振動大;必須增加搭體的強度;噪聲較大;皮帶式電機因打滑而影響冷效。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。噴霧塔結構簡單;重量輕;造價低;振動小;沒有噪聲。缺點是進塔水壓能耗大。冷卻塔的進塔水壓總要有,沒有水壓影響布水,這個水壓就是可用水輪機節(jié)能的動能。動能可用水頭計算。六實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)格三臺電機塔。該塔高12m ,風葉 4.7m 。泵為雙吸離心

17、式700t/h, 揚程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 的水頭可供水輪機作功,改造以后,風葉轉速185r/min, 風量60 萬m3/h, 水泵壓力表顯示0.24Mpa, 阻力很小,由計算得水輪機的出力為W = 9.81 × H × Q × =9.81 × 8 × 0.194 × 0.88 = 13.4kw 風葉實際軸功率為14Kw ,所以運轉發(fā)揮良好,與旁邊的電機塔比較,據該單位自己測試情況列于表 3 。要注意的是泵的流量和揚程,這兩個條件可

18、以相互配合。如果流量大,揚程小,或流量小,揚程大,只要他們的乘積夠條件,則水輪機發(fā)揮正常,風葉運轉正常。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。但泵的揚程是45m , 塔高僅14m ,該塔水質極差,水管內水垢厚度達20mm ,實際總阻力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 。還有正常運轉的能力。水泵壓力表顯示改造前后沒有變化。水輪機可以做得較大,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 ,這對于水輪機流量來說還屬于小弟弟,由此而匹配的水輪機隊伍仍屬小型,而專供冷卻塔用的水輪機屬微型。由相似理論可知,不論水輪機的大小,他的性能參數(shù)是一樣的。冷卻塔業(yè)內對大型塔的減速器制造有難度,沒有制成單臺機力塔超過5000t/h ,現(xiàn)在水輪機解決了這個問題,風葉能制成