水动冷却塔

水动冷却塔

一前言

冷却塔的能热交换能力主要由气水比来决定，多少质量流量的热水用多少质量流量的空气进行热交换即可实现冷却塔的预期温降。而质量流量的空气是不论用什么方法都可以获得，一般常用电机驱动风叶获取。

从各冷却塔生产厂家的样本资料统计，低温差冷却塔的气水比为0.67，中温差冷却塔的气水比为0.84,高温差冷却塔的气水比为1.12，而经济运行的最佳气水比为0.55。气水比实质上就是气的质量与水的质量的比。如果不用电机驱风，改用水轮机来驱风，那么就变成了用多少水流量转换成推动空气的质量，来与热水进行热交换，电机是用多少千瓦的电功率来转换成推动空气的质量进行热交换。这就简单地变成水轮机的轴功率与电机的轴功率相同即可实现，同样达到冷却效果，使塔的比电耗趋零。塔的外形、结构、尺寸、冷却原理都不需改变。且水轮机具有重量轻、结构简单、维修方便、噪声低、寿命长、适用所有场合和塔型的许多优点。东莞市盈卓节能科技有限公司（咨询153``77707866）的最新冷却塔节能改造节能技改技术的核心是用自主知识产权的专利产品。

冷却塔的进塔水头一般为5-8m，据资料统计显示，各制造单位设定的进塔水头差异较大，见表1。大型塔的进塔水压常超过10m。进塔水头为布水服务，塔体布水面积大小常以0.07m2/t布水密度决定，同一塔内各噴嘴的水压应一样，这样可探讨用一个进塔水头，就可统一从小塔到巨形塔的进塔水头，不用细分如此无序的规格，增加选泵扬程时查核产品样本资料的麻烦。我们知道水头( H )与流量( Q )的乘积就是功率。由此而可以推算出在冷却塔中的水流能量是水头乘上相应的流量。如100t/h标准型冷却塔的进塔水流具有的能量是2.2kW 左右，而100t/h标准型冷却塔所用的风叶的实际轴功率恰好小于2.2kW左右，效率较高的风叶还不到2.0kW。

水动风机冷却塔就是充分利用进塔水头的能量以达到节能的目的。如果把我国的冷却塔国家标准修改成电耗为零，这将大大提升冷却塔工业能耗的要求，对企业减少固定成本，对社会节电具有积极意义。

二研究

水轮机主要工作部件是叶轮，叶轮接受了流体的能量，使叶轮旋转。以宏观的角度来研究能量的转换，从而建立冷却塔水轮机的基本方程。叶轮式水轮机主要有冲击式和反击式两种。双击式是冲击式其中的一种，选用双击式是它的转轮叶片之间水流有自由表面，不会对叶片产生气蚀，延长使用寿命；转轮前后水流没有压差；集中用速度能对叶片两次冲击，能量的转换效率较高；水流变化较大时适应能力较好；立轴布置适合冷却塔的特殊空间及电机减速器原位更换；增设尾水管，回收能量为布水服务。

根据动量矩定理，在单位时间内，动量矩的变化等于外力的合力矩。按图1所示，合力矩M = QC1L1+ QC2L2+ QC3L3+ QC4L4

为获得较好的叶轮效率，要求在叶轮的出口处未被利用的能量尽量少，即把下一个叶片出口处绝对速度尽量趋向零。则M = QC1L1+ QC2L2+ QC3L3

上式的后两项中的一项是出水口的动量矩，另一项是入水口的动量矩，由于转换的需要，一个减少，一个增加，互补为零，最终剩下初始叶片的入口动量矩为这个叶轮的实际动量矩。

M = QC1L1= QC1COSα1R叶轮旋转的功为角速度（ω）与动量矩的乘积。

P = ωM = ωQC1COSα1R叶**的原始动能是流量（Q）与扬程(H)的乘积，要使水流的能量转换为叶轮的能量，只有令两式相等才能实现。ωQC1COSα1R = QH

上式说明质量流量在能量转换前后没有变化，水流的扬程就是水轮机的能量，扬程越

高，动量越大。凡冷却塔一定具有进塔水压，进塔水压即为可转换的能量，可满足风叶的实际轴功率。冷却循环水泵的扬程在系统中是一个定值，在改造时加上水轮机，阻力增加，不会增加泵的电流，反而会减少电流。水轮机的阻力很小，只相应地减少趋零的电流。

在我国的技术标准中只有JB/T 7640—1994的机械行业标准“双击式水轮机系列型谱”较简单地介绍了一些性能参数，但该标准的结构形式规定均为卧式，且使用范围功率12kW至100Kw，水头大于8m , 流量大于0.1m3/s , 为了适用于冷却塔，只得另辟蹊径，创新一种立轴带有尾水管的微型水轮机，如图2。2003年1月8日获专利权。2003年10月8日发明专利公告。

冷却塔匹配的电机电耗，国家标准规定为标准塔小于0.04kW/t 、中温塔小于0.06kW/t 推算。改用水轮机驱风，不用再考虑电机匹配，只考虑进塔水流的能量是否达到风叶的轴功率。表2列示水头功率，是减去水轮机阻力0.5m以后，与相应的气水比空气量和风叶轴功率的统计表，达到对应值即可达到冷却效果。风叶的风量是在多少轴功率转速情况下产出，关键是轴功率，只要轴功率达到风叶的额定值，转速自然达到，风量自然也达到。

注：风叶轴功率等于水轮机输出轴功率，按每3.3·104m3/h风量1kW计算。国家标准匹配电机功率为标准塔小于0.04kW/t,中温塔小于0.06kW/t。

三测试2003年8月1日由上海交通大学、上海节能中心联合对模型水轮机进行测试，测试数据如下：

流量：94m3/h水头：4m传感器显示功率：0.9Kw转速：326r/min

计算得水轮机的效率为0.88，JB/T标准为0.82。

2003年8月5日又对上海乳制品研究所的200t/h塔经水轮机改造后去掉风机电机使用3年的塔进行对比性测试。

泵IS—150—125—250 3台，其中1台为备泵，扬程20m, 流量200t/h, 塔两台，距地面14m, 风机电机轴功率3.9Kw, 制冷机8FS10, Q = 134400kcal/h 2台。1台泵供1台塔1台制冷机。用户长期使用该塔，完全节约了5.5kW的电机，节电100％，3年来节省了大量的电费。用户反映极为满意。

四水轮机的动力分析

水动风机冷却塔问世以来，对节能作出了一定的贡献。经中国科学院上海文献情报中心查新，水动风机冷却塔具有充分的新颖性和创新性，国内外文献均无相同结构的报道。说明该产品具有原创资格。由于冷却塔业内对水轮机取代风机电机节电100[wiki]%[/wiki]心存疑虑。有的教授级冷却塔专家不懂冲击式水轮机的特点，误求转轮前后水压差，作出错误判断。有的用户持谨慎态度，不敢为人先。为此有必要把冷却塔专用水轮机的特点作进一步阐述。

1．冷却塔专用水轮机的动力由能量方程式推算。

水轮机的输出轴功率公式为

W=γ×Q×H×η (kw) γ—水的容重1000×9.81N/m3 Ｑ—水流量m3 /s Ｈ—水头m η—水轮机的效率，0.88

水轮机水头由伯努利方程计算

Ｈ=Ｚ＋Ｐ＋Ｖ2 /2gＺ—水轮机进出水位之差

Ｐ—水流内具备的压力Ｖ—水流的速度m/s g—重力加速度9.81

由于冷却塔专用水轮机采用立轴形式，水轮机的转轮是立置的，它的进出水位在同一平面上，没有位能。Ｚ＝０.

冲击式水轮机是开放型的，进出水都与空气接触，进出口的水流的压力都保持在同一个大气压上，压力差很小，可以忽略不计，即没有压能。Ｐ＝０.

水流在喷出之时，已经把压能转变成速度能—-动能。所以冷却塔专用的双击式水轮机在讨论水头时仅计算动能。冷却塔的进塔水压就是水头，由下式计算