冷却塔水轮机

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。

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。

一、水轮机工作是依靠水的压力。认为冷却塔用水轮机必需有富余的扬程才能应用。这是一个错误的认识。

　　 凡符合国家标准而在正常运行的冷却塔，进塔的水流一定具有冷却塔用于喷淋布水的压力。水轮机用这个水压即可正常发挥水轮机的工作，不要再额外要求增加有富余的水压。一般冷却塔的进塔水压zui少不会少于3米。而水轮机技术发展至今，3米水头即可很好发挥水轮机的效率。所以凡是国标运行的冷却塔都可以用水轮机来取代，包括新装备的冷却塔。

二、水轮机是靠水压来进行工作的。进塔水压被用掉了，流过水轮机以后就没有了水压，无法用于布水。这是一个错误的认识。

　　 水轮机的做功主要有三个能量。一是水流的动能，冷却塔进水，从进入水轮机再到布水器，水流的流速不变，因为密闭的循环水管路中没有水流被分流出去，没有损失，动能是质量与速度的乘积，质量不变，速度不变，所以动能不变。在水轮机中速度变化用于做功，但在出水轮机的尾水速度还原了。在水流的全程中动能不会损失掉，一直保持到布水器的进口。二是势能没有损失，水轮机定位在布水器上方，它的进出水口处在同一个水平线中，势能是高度与质量的乘积，进出水位高度不变，所以势能也没有损失。进水轮机时用了势能，在出水轮机时被还原了。三是压能，压能是水压力与水质量的乘积。压能如果全部被用掉了，还有动能。还有从水轮机尾水管到布水器之间的垂直高度的势能。足够布水的能量。但水轮机不可能全部用掉水头。

　　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，zui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日获权。2003年10月8日发明公告。

　　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*使用该塔，*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*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水轮机的特点作进一步阐述。

　　1．冷却塔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 /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＝Ｖ2/2g　　　　　　　　　　　

　　 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＝Ｑ2/2gＳ2 来计算

　　 归并上述公式后得冷却塔水轮机的出力 　Ｗ=9.81× Ｑ3/2gＳ2 ×0.88 =0.44Ｑ3/Ｓ2

　　 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*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＝73.1Ｑ（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*正常，*可取代电动机，节电*。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[wiki]设备[/wiki]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。水动飞机阻力仅为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zui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*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zui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*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

    由河南郑州水晶股份有限公司（原郑州化肥厂）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Φ4.7m。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。

　　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zui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*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，水轮机节能是途径。

　　 冷却塔水轮机越大越可靠，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*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

　　 水轮机用于冷却塔不论是改造也好，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*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。*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。