水轮机冷却塔的分折

　　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。

　　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 = QC 1L 1+ QC 2L 2+ QC 3L 3+ QC 4L 4

　　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 = QC 1L 1+ QC 2L 2+ QC 3L 3

　　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 = QC 1L 1= QC1COSα1R

　　叶轮旋转的功为角速度( ω )与动量矩的乘积。

　　P = ωM = ωQC1COSα1R

　　叶片的原始动能是流量( 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% 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+V 2 / 2g

　　Z — 　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

　　H=V 2/2g

　　由于水流的速度V是单位面积上的过流水量。

　　V=Q / S

　　S — 　过流断面积㎡

　　水头公式又可以用H=Q 2/2g S 2 来计算

　　归并上述公式后得冷却塔专用水轮机的出力　W =9.81× Q 3/2g S 2 ×0.88 =0.44 Q 3/ S 2

　　很显然，当已知供塔泵的流量Q以后，决定水轮机出力的关键是过流断面S，断面越小流速越大，出力就越大。但缩小断面，流量就会减少，这是一对相互依赖的矛盾，要达到最佳状态只有在确定流量的情况下，确定过流断面，才能表现出一个最好的出力情况。

　　我们设计按 8.4683m 水头计算，由此得水轮机出力W= 9.81×8.4683×Q×0.88 = 73.1 Q (kw)

　　当知道冷却塔的流量以后，就能确切地计算得到水轮机的功率，对照风叶轴功率是否符合 , 即可应用于冷却塔电机塔的改造。

　　如： 2000t/h 的冷却塔水轮机轴功率为W= 73.1Q=73.1×0.55555=40.6KW

　　所对应的风叶实际轴功率应该小于 40.6KW (否则该风机效率较差)，该塔运转完全正常，完全可取代电动机，节电 100% 。关键的一点，要知道进该塔的水头有没有 8m 的余地。

　　由于设计人员在设计循环水系统时，选择塔的进水压力没有标准依据，造成现有的冷却塔进塔水压高低差别较大。流量没有到额定值，进塔水压为零的冷却塔也大有塔在。所以用水轮机改造冷却塔并不是所有的冷却塔都适合。一旦可以进行改造，说明该塔有富余扬程存在，节电 100 %。不具备富余扬程条件，我们就不改，也不存在节电百分之几的结果。新的冷却塔也一样以两个条件为本。

　　2 .水轮机的阻力怎么计算。

　　冷却塔的循环水管路中，增设一个水轮机无疑是增加阻力，阻力增加水流量减少，还影响换热设备的正常运转。阻力严重甚至于会造成换热设备管子爆裂的事故。水动风机冷却塔水轮机阻力仅为 0.5m (0.005Mpa), 很小。这相当于在管路中增多一个弯头或阀门的阻力。不会影响其它设备。 0.5m 的阻力，相比于喷雾塔的喷嘴阻力，显然要小得多。水轮机阻力实在小，可以大大放心改造现有冷却塔，无须担心换热设备增加负担。

　　水轮机的阻力由水流进入转轮前的速度和水流道形状决定。水动飞机冷却塔的水轮机流道是渐缩圆弧形，阻力由局部水头损失公式计算 H= ξV2/2g

　　ξ -- 阻力系数 = 0.081 由实验实际使用中获得。

　　当 8m 水头运作时，由较小的流速获得最高出力，用上式计算得，水轮机的阻力为 0.5m 。

　　五不同塔型的应用比较。

　　喷雾塔在我国 20 世纪 80 年代初，就已经应用于化工尿素车间，没有填料，是一种较为先进的塔型，随着技术进步，喷嘴的压力由 0.4Mpa 降到 0.2Mpa 。现将电动、水动、喷雾三种塔型作一番比较，讨论各自的优缺点，供大家参考。为对比方便，设 0.08Mpa 为一个电动塔的动力能 A 。下列讨论设定塔的公称流量为额定值。流量不足、水压小于零或流量大于额定值、水压小于零等情况不作讨论。

　　①从冷却塔的能耗产出分析。

　　Ⅰ . 当进塔水压为零时，电动塔的风量为定值，风机用电量为 A ，溢流布水冷效差 ; 水动塔必须在泵上加 A 的电量才可取代电机塔，与电机塔的用电量相等 , 进塔水压已达 8m ，布水工况好，冷效好 ; 喷雾塔必须在泵上加 2.5A 的电量才可取代电机塔，加上风机电机的用电量，多 3.5A 的电量。

　　Ⅱ . 当进塔水压等于 8m 时，水动塔最为合适 ; 电动塔是多用电量 A; 喷雾塔必须在泵上再加 1.5A 的电量才可运转 , 再加上风机电机的用电量，多用 2.5A 电量。

　　Ⅲ . 当进塔水压等于 20m 时，电动塔多用量 2.5A ; 水动塔多用电量 1.5A ; 喷雾塔多用电 1.5A 。

　　②从维修环保角度分析。

　　电动塔的维修保养率较高;维修难度大;维修费用高;管理复杂;重量大;塔的重心上移;振动大;必须增加搭体的强度;噪声较大;皮带式电机因打滑而影响冷效。

　　水动塔维修保养率较小，甚至长期不用维修;维修简单;管理简单;冷效稳定;塔的重心下移由地面承受;可减少塔体的材料;振动小;没有噪声。

　　喷雾塔结构简单;重量轻;造价低;振动小;没有噪声。缺点是进塔水压能耗大。

　　冷却塔的进塔水压总要有，没有水压影响布水，这个水压就是可用水轮机节能的动能。动能可用水头计算。

　　六实际例子

　　某某化工厂的 700t/h 水泥框架方型逆流塔改造可解剖。为有比较 , 该塔并排还有同规格三台电机塔。该塔高 12m ，风叶 Φ 4.7m 。泵为双吸离心式 700t/h, 扬程 26m ，塔与泵的水平距离 50m , 由于材料原因，沿程有三个变径节头，弯头十个，阀门一个，总阻力为 18m ，尚有不少于 8m 的水头可供水轮机作功，改造以后，风叶转速 185r/min, 风量 60 万 m3/h, 水泵压力表显示 0.24Mpa, 阻力很小，由计算得水轮机的出力为 W = 9.81 × H × Q × η = 9.81 × 8 × 0.194 × 0.88 = 13.4kw 风叶实际轴功率为 14Kw ，所以运转发挥良好，与旁边的电机塔比较，据该单位自己测试情况列于表 3 。

　　要注意的是泵的流量和扬程，这两个条件可以相互配合。如果流量大，扬程小，或流量小，扬程大，只要他们的乘积够条件，则水轮机发挥正常，风叶运转正常。如山西海鑫国际钢铁有限公司的两台 350t/h 塔改造，泵的流量只有 530t/h, 平均每台塔的水量 265t/h ，还差每台 85t/h, 显然是不够的。但泵的扬程是 45m , 塔高仅 14m ，该塔水质极差，水管内水垢厚度达 20mm ，实际总阻力 35m ，尚有 12m 的水头作功 , 所以

　　W=9.81×Q×H×0.88=9.81×0.0736×12×0.88=7.62(KW) 。

　　还有正常运转的能力。水泵压力表显示改造前后没有变化。

　　水轮机可以做得较大，从市场冷却塔的容量看，单台塔最大水流量也不过 10 万 t/h ，这对于水轮机流量来说还属于小弟弟，由此而匹配的水轮机队伍仍属小型，而专供冷却塔用的水轮机属微型。由相似理论可知，不论水轮机的大小，他的性能参数是一样的。

　　冷却塔业内对大型塔的减速器制造有难度，没有制成单台机力塔超过 5000t/h ，现在水轮机解决了这个问题，风叶能制成多大，水轮机匹配完全可行， 10 万 t/h 级的自然通风冷却塔也不成问题。化工系统的机力塔大都在 2000t/h 左右，水量和扬程大都够条件，水轮机节能是最好途径。

　　冷却塔专用水轮机越大越可靠，越稳定。旧管内积有水垢，使用时间越长，水管内径变小，流速加大，阻力增加，同样水垢厚度，大管径的流速受到影响较小，小管径的流速受到影响较大。所以塔型越大越可靠，水流越稳定。

　　水动风机冷却塔，节电效果非常直观。到现场看了就明白。在现场看到的是冷却塔外形尺寸、工况状态不变，仅由水轮机取代了电机，风叶照样正常运转，泵的电流绝无增加，冷效照常好。几年来通过 100 多家用户证实，水动风机冷却塔是一个好产品。

　　七结论

　　水轮机不论是用于冷却塔改造也好，整台新塔也好，优点在于：

　　⑴节电。该塔利用水轮机取代风叶电机，利用进塔水压完全节省了风叶电机的运行电耗，被多次测试所证实。

　　⑵无噪声。水轮机的能量转换是在水流道内完成的，销除了冷却塔机械动力的噪声源，解决了人们对冷却塔电机噪声的投诉。

　　⑶高效。水轮机轴功率达到风叶轴功率即可，不需要象电机那样多出一些功率来应付起动电流的不足。水轮机的阻力仅 0.5m ，在泵的扬程内不影响泵的流量，确保塔的比电耗趋零。

　　⑷使用寿命长。水轮机结构简单，维护更换方便。长期运转无损坏。

　　⑸安全。可在湿腐高危防爆处使用。

　　⑹适用。水轮机阻力很小，对任何型式的冷却塔都适用。特别是大型塔的改造，进塔水压往往较大，很容易获得成功，越大越可靠。改造大型自然通风塔很适合.

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