水輪機(jī)在新冷卻塔中使用

水輪機(jī)代替電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)存在前述的4個(gè)方面優(yōu)特點(diǎn)，因此不僅用于老塔的改造中，也必然會與新冷卻塔配套使用，那么提升水泵揚(yáng)程壓力如何確定，是否像老塔那樣從省去了風(fēng)機(jī)電動機(jī)來說而達(dá)到100%節(jié)能，對這些問題應(yīng)進(jìn)行分析和研究。1、提升水泵的揚(yáng)程在設(shè)計(jì)中，從熱水池把水提升到冷卻塔配水系統(tǒng)所需要的揚(yáng)程，是按計(jì)算所得理論值再加4～6m的富余水頭確定的。常用的富余水頭為4m左右。按表8-4的計(jì)算，此水頭做功是達(dá)不到水輪機(jī)所需要的軸功率的，則轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、冷卻都無法達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。因此提升水泵的揚(yáng)程必須滿足水輪機(jī)所需要的水頭H值，那么水泵的揚(yáng)程如何確定，可分以下兩種情況討論：1不考慮設(shè)計(jì)需要的富余水頭不考慮設(shè)計(jì)需要的富余水頭就是不另增加4～6m的水壓，對水輪機(jī)來說，這4～6m的水頭也用來推動水輪機(jī)做功了，則水泵需要的揚(yáng)程用公式表示為：H揚(yáng)=h凈+Σh1+Σhf+h機(jī)m8-23式中H揚(yáng)———水泵揚(yáng)程m；h凈———水泵吸水池最低水位到冷卻塔配水系統(tǒng)高度m；Σh1———從水泵吸水管到塔配水系統(tǒng)管道中的沿程水頭損失總和m；Σhf———從水泵吸水管到塔配水系統(tǒng)的喇叭口、閥門、彎頭等局部水頭損失之和m；h機(jī)———水輪機(jī)軸功率所需要的水頭Hm。設(shè)計(jì)考慮的4～6m富余水頭是因考慮可能產(chǎn)生的計(jì)算誤差和今后管道粗糙度增加與沉淀物結(jié)垢，水頭損失增加而設(shè)的安全系數(shù)。現(xiàn)選泵揚(yáng)程中未考慮該因素注：改造塔中原有多余水頭全部利用了，也未考慮該因素。從能量消耗來說，雖是節(jié)能了，但從運(yùn)行、長期保持設(shè)計(jì)風(fēng)量和水冷卻效果來說，欠較安全。2考慮設(shè)計(jì)需要的富余水頭考慮設(shè)計(jì)的富余水頭是指水泵揚(yáng)程達(dá)到水輪機(jī)軸功率所需要的水頭之后，還需增加4～6m揚(yáng)程。用公式表示為：H揚(yáng)=h凈+Σh1+Σhf+h機(jī)+4～6m8-24水泵揚(yáng)程比式8-23多了4～6m，考慮了可能產(chǎn)生的計(jì)算誤差和今后的阻力增加，故是偏安全的。以上兩種選泵揚(yáng)程方式中采用哪種方式為妥，要視具體情況而定。例如，在設(shè)計(jì)計(jì)算相對較精確，基本不大會產(chǎn)生多大誤差的情況下，如果水泵提升系統(tǒng)的管道和配件采用的是塑料管和配件PVC、UPVC、PE、ABS等、鋼塑、鋁塑等復(fù)合管、玻璃鋼管等，這可考慮采用第一種選擇水泵揚(yáng)程的方式。原因是上述水管內(nèi)壁非常光滑，光潔度好，阻力很小，而且耐酸堿腐蝕、不易粗糙，也不易沉淀結(jié)垢而縮小過水?dāng)嗝妫驶旧峡刹豢紤]富余水頭或略考慮些即可。但如果管道系統(tǒng)采用的是鑄鐵管、鋼管，甚至鋼筋混凝管等，則要考慮今后阻力增大而消耗的水頭損失，選擇第二種水泵揚(yáng)程的方式為妥。2、節(jié)能情況分析假定設(shè)計(jì)的富余水頭定為5m，按第一種選擇水泵揚(yáng)程的方法，這5m水頭也用來推動水輪機(jī)做功了，則按表8-3、8-4中電動機(jī)功率和風(fēng)機(jī)所需的軸功率及需要的水頭來計(jì)算和分析節(jié)能的情況，見表8-5。表中的節(jié)能是建立在已利用5m富余水頭的基礎(chǔ)上，需增加水頭一項(xiàng)中的值是達(dá)到水輪機(jī)軸功率值做功需要水頭減去5m得來的，這個(gè)增加水頭能做多少功立在增加水頭做的功一項(xiàng)中，然后把原風(fēng)機(jī)配用的電動機(jī)功率減去增加水頭做的功，得到減少的功率，也就是節(jié)省的功率電能，再除以電動機(jī)功率得節(jié)能的百分比值。由表8-5可見：1Δt=5℃的低溫型新塔，在利用5m富余水頭對塔來講即沒有考慮富余水頭的情況下，除4000m3h塔節(jié)能43、6%之外，節(jié)能均在50%以上，高的達(dá)到近80%。2節(jié)能的基本規(guī)律為：中小型塔節(jié)能多，大塔節(jié)能少。表中可見，≤200m3h的塔，節(jié)能70%；300～400m3h的塔，節(jié)能在60%，70%；≥500m3h的除1000m3h節(jié)能在50%左右。可見，Q從小→大，節(jié)能從大→小。沒有考慮富余水頭，對塔的長期運(yùn)行來說，缺乏安全感，時(shí)間長了，阻力會增大，摩阻損失增加，做功的水頭會減少，則會影響水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、風(fēng)量、水量和冷卻效果，故應(yīng)適當(dāng)?shù)乜紤]富余水頭。現(xiàn)假定水泵的富余水頭仍為5m，而這5m水頭不考慮用于水輪機(jī)做功，那么節(jié)能的情況可參見表8-6。表中、實(shí)際水頭可做功的功率、一項(xiàng)中，小于150m3h的水輪機(jī)效率按η=0、85計(jì)，大于150m3h的水輪機(jī)效率η=0、80計(jì)。節(jié)能百分比是按原配電動機(jī)功率減去實(shí)際水頭可做功的功率，再除以原配電動機(jī)功率而得。從表8-6可見：1表中節(jié)能一項(xiàng)中有正值和負(fù)值即正值為節(jié)能，負(fù)值不但不節(jié)能，反而增加能耗，表中最大的節(jié)能值僅為16、4%，而反而增加能耗的高達(dá)19、82%。存在既節(jié)能又耗能兩種情況。2從表8-6可見：水量≤400m3h的塔，在不利用5m富余的情況下，還是節(jié)能的，但節(jié)能是有限的，一般不超過20%；而水量400m3h的塔，在不利用5m富余水頭的情況下，基本趨勢是反而增加能耗，高的近20%。3無論新塔還是老塔改造，只有充分利用提升水泵多余的5m左右富余水頭，才能達(dá)到節(jié)能省電的目的，才有意義。否則，考慮要慎重，要通過計(jì)算根據(jù)是否節(jié)能作決定。對于中溫塔Δt=10℃，除部分適合于老塔改造之外，其水泵的富余水頭要遠(yuǎn)大于5m，對新塔如不利用富余水頭來說，反而會增加能耗而不經(jīng)濟(jì)，這里不再論述。

冷卻塔內(nèi)氣流能量及阻力

在冷卻塔的工作條件下，風(fēng)機(jī)的通風(fēng)量決定于冷卻塔的全部空氣動力阻力，而這一阻力等于風(fēng)機(jī)的全風(fēng)壓力。風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)使以風(fēng)機(jī)的特性曲線與冷卻塔的空氣動力阻力性能曲線的交點(diǎn)來表示。1、能量方程氣體在冷卻塔內(nèi)的流動如同管道內(nèi)流動相似，其連續(xù)性方程式是質(zhì)量守恒原理在流體運(yùn)動中的表現(xiàn)形式。氣體在進(jìn)行穩(wěn)定流動時(shí)，從某段一端流入的質(zhì)量等于另一端流出的質(zhì)量，如圖9-4所示，即單位時(shí)間內(nèi)流過每一截面的流體質(zhì)量為一常數(shù)，用式表示為：式中γ1、v1、F1——表示斷面121處氣體的密度kg·s2m4、面積m2和流速ms；γ2、v2、F2——表示斷面222處氣體的密度、面積和流速。此式稱為連續(xù)性方程式。對于空氣來說，雖然壓縮性很大，但在冷卻塔中流動時(shí)，通風(fēng)阻力較小，一般為10～30mmH2O，前后壓力變化很小，這些變化可認(rèn)為忽略不計(jì)，故可當(dāng)作不可壓縮來看待，即ρ1=ρ2，則式9-12可變成為v1F1=v2F2=常數(shù)。按圖9-4，氣體在塔內(nèi)流動的能量方程主要描述氣體流動時(shí)的壓能、動能及位能三者相互變化的規(guī)律，這個(gè)規(guī)律表明理想氣體在塔內(nèi)作無擾動現(xiàn)象流動時(shí)，任何一個(gè)截面的壓能、動能、位能三者之和是一個(gè)常數(shù)，即伯努利方程：式中P1、P2——截面1-1、2-2上的壓力kgm2；γ——?dú)怏w的密度kgm3；v1、v2——截面1-1、2-2上的流速ms；g——重力加速度，9、81ms2；Z1、Z2——截面1-1、2-2距基準(zhǔn)面020的高度m。實(shí)際氣體在塔內(nèi)流動時(shí)，是有壓力損耗的，使總能逐漸減小，如采用ΣH表示阻力損耗的能量，則空氣在塔內(nèi)流動時(shí)的實(shí)際能量方程為：等式兩邊乘γ，可寫成：式中P、Z·γ、v22g）·γ分別被稱為靜壓、位壓位能、速壓動能，而ΣH·γ=ΣΔP表示壓力損失總和。靜壓是冷卻塔內(nèi)氣體垂直作用在物體上的壓力，可正可負(fù)；位壓亦叫位能，由重力作用而引起，距地面越高位能越大；速壓亦稱動能又稱速度頭，由速度引起，隨速度大小而變化，它的方向與速度方向一致，永遠(yuǎn)是正值。靜壓和動壓在一定條件下會互相轉(zhuǎn)化，并且可用來克服塔內(nèi)的阻力。以圓形逆流式機(jī)械通風(fēng)冷卻塔來說，中塔體和風(fēng)筒不是擴(kuò)散風(fēng)筒的截面是不變的，收縮段的截面是變化的。如果氣流均勻分布，則氣體在截面不變段流動時(shí)，如果流速不變則動壓不變，所以阻力只能用壓能靜壓的消耗來克服；氣體在截面變化段流動時(shí)，如果要保持靜壓不變，就必須利用動壓的變化來補(bǔ)償阻力損失。能量的轉(zhuǎn)化可用下式計(jì)算：可見，由于流速降低而增加的靜壓力等于阻力損失，即靜壓增加值全部消耗在克服阻力上。2、冷卻塔的壓力損失1動壓力損失在塔內(nèi)流動的空氣，因具有速度故要消耗部分動能，即動壓力，其值計(jì)算為：式中v——空氣的流速ms，一般來說，冷卻塔的風(fēng)量是不變的，但風(fēng)經(jīng)過的斷面是變化的，故風(fēng)速也是變化的，其變化的范圍為20msv1ms。γ——空氣的密度kgm3，根據(jù)等參數(shù)查有關(guān)圖表。2局部阻力局部阻力可分為兩類：一是流量不變時(shí)產(chǎn)生的局部阻力；二是流量改變時(shí)產(chǎn)生的局部阻力，冷卻塔屬前種。但局部阻力都可按下式計(jì)算：式中ΔPz——各部件的局部阻力kgm2或mmH2O。ξ——局部阻力系數(shù)，表示部分動壓消耗在克服部件阻力上。一般用實(shí)驗(yàn)方法確定。3總局部阻力冷卻塔通風(fēng)阻力包括沿程摩阻、局部阻力和動壓損失等3個(gè)部分。總的局部阻力如《冷卻塔的設(shè)計(jì)與計(jì)算》那章所述，由進(jìn)風(fēng)口、導(dǎo)流設(shè)施、淋水裝置、配水系統(tǒng)、收水器、風(fēng)筒、氣流的收縮、擴(kuò)大、轉(zhuǎn)彎等組成。總局部阻力表達(dá)式為：式中ξi——局部阻力系數(shù)；vi——相應(yīng)部位的空氣流速ms；γi——相應(yīng)部位的空氣密度kgm3；g——重力加速度9、81ms2。