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冷却塔水动风机的由来及可行性

发布日期:2017-01-17   点击数: 643

在被开发利用的能源中主要有热能、水能、风能和核能,它们之中主要是转换为电能,用于工业与民用之中。循环冷却水中消耗的是电能,日常的运行成本中,除维护管理的少量费用之外,主要成本是电耗。

机械通风冷却塔的能耗

冷却塔的电能消耗主要为以下两方面:

1. 水泵的能耗

水泵的能耗通常由两部分组成,一部分是用水泵从热水池取水,把热水提升到冷却塔内配水管网系统,通过配水管均匀配水;另一部分是水泵从冷却后的冷水集水池中取水,把冷水提升到冷却设备或产品的地方。如果需要冷却的设备或产品位置较高,而冷却塔的位置较低,则热水靠重力流流入冷却塔中进行冷却,可省去热水池和提升热水的水泵。循环水系统来讲,水泵的能耗包括这两部分,如果有旁流处理系统和补充水系统,则也应包括在内。从热水进入冷却塔和利用热水水力驱动风机来说,则指的是从热水池取水把热水送入冷却塔内的水泵能耗。要使“水往高处流”,这部分的水泵能耗是必须的,也是难以节省的。

2. 电动机驱动风机的能耗

机械通风冷却塔的风量是靠风机的风叶转动来达到水冷却所需要的设计风量,而风机是靠配备的电动机来驱动的,这部分能耗成为冷却塔日常运行的主要成本。

现以500t/h 逆流式标准型(Δt =5 ℃)冷却塔为例,气水比(G /Q 重量比)为0.68计,则风量G =340000m3/h ,配用风机直径4000m m ,选用电动机为1815k W ,则冷却塔运行一年以240d 计,电费以0.6 元/k W 计,这一年中500t/h 标准型冷却塔一年消耗的能量(电能) 为106560k W ,计电费63936 元。某化肥厂冷却水量30000m3/h , 配用3000m3/h 组合式横流塔10 台,每台选用风机直径8000m m ,配用电动机功率113.1k W ,按240d 计,则一年的电耗和电费分别为6514560k W 和3908736 元,即391 万元/a 。可见用电动机驱动冷却塔风机消耗的电能和电费是相当可观的, “水动风机冷却塔”研究的就是是否可利用提升水泵压能转换为动能,推动水轮机与风机旋转,达到相同的设计风量与冷却效果的条件下,而省去电动机。

冷却塔水轮机驱动风机的可行性

1 .提升水泵的扬程 水泵从热水池取水,提升到冷却塔配水管出口(含喷嘴出口)所需要的压力由以下几部分组成:

1 )净扬程(h 净):

水泵在热水池吸水的最低水位标高至冷却塔内配水管中心线的标高,称为水泵需要的净扬程,用H 净(或h 净)表示。例如,地面标高±0.00 计,水泵在热水池中最低吸水水位标高为-2.2m ,冷却塔内配水管中心的标高为12.8m (槽式、池式配水标高以水面计),则水泵的净扬程h 净=12.8 -(-2.2 )=15.0m 。

2 )管路中的沿程水头损失(h λ ):

从水泵吸水管至冷却塔内的配水管,水流在管道内流动过程中因摩擦产生的能量损失,称为沿程水头损失(h λ )。在相同管径、 相同流量情况下,管道内壁光洁度越好,水头损失越小,故塑料管、玻璃钢管、复合管的水头损失小于钢管、铸铁管(含球墨铸铁管)。

管内的流速与管道直径成反比,沿程水头损失与流速平方成正比,故流量不变的情况下,管径越小,流速越大,水头损失就增大。若在较长的输水系统中,沿程各段的管道直径可能是变化的,则应按管径的不同分别计算沿程水头损失(h λ ),最后相加得Σh λ 。对于冷却塔来说,沿程的流量是不变化的,因此管径也是相同的,故不存在分段计算。沿程水头损失可根据管径、流速、管道长度、管道材料查“水力计算表”而得。

3 )局部水头损失(h f )

从水泵吸水管头部起,管道系统中设有喇叭口、各种弯头(管)、异径管、阀门、止回阀、三通管等,水流流经这些部门均会造成能量损失,称为局部损失,计算式为h f =ξ(V 2/2g )。因阻力系数ξ和流速V 不同,故各局部阻力h fi 是不相同的,把计算所得的各局部阻力损失相加,得系统中的总局部水头损失Σh f 。

综上所述,水泵所需要的理论扬程为:

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2 .选用水泵的扬程

式(8-1 )是设计计算所得水泵需要的理论扬程,但考虑到各种原因,其中包括可能产生的计算误差,运行过程中管内壁粗糙度的增加、管道过水断面的缩小等,均会增加能量的消耗而增加水头损失,故设计单位在确定水泵扬程时,在理论扬程的基础上再增加≥ 4m ,则设计单位确定的水泵扬程为:

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而实际选用的水泵扬程比式(8-2 )的要大,原因主要为以下两方面:一是按式(8-2 )的扬程要求不容易选到水泵,如选小一些扬程的水泵,则不安全,故选用的水泵扬程比式(8-2 )的大;二是用户单位在选用水泵时并不知道设计单位在理论扬程基础上已加上≥ 4m ,因此在式(8-2 )的基础上又增加了约5m 左右的扬程。所以实际选用的水泵扬程比理论扬程一般都大于5m 以上,称为水泵的富余水头,或称为富余压力。

例如某400t/h 冷却水的冷却塔,计算结果的h 净=13.5m ,Σh λ =2.8m ,Σh f =1.7m ,故水泵的理论扬程为H =13.5 +2.8 +1.7 =18m ;现若考虑确保安全,在理论扬程基础上再增加5m 水头,则水泵扬程为H =18m +5m =23m 。按原H =18m、Q =400t/h ,可选用10sh -13A 水泵,主要参数为:

Q =342~482m3/h ;H =22.2~17.4m

水泵轴功率N =25.8~28k W ;

电动机轴功率N =40k W ;

效率η=80 %, 83 %。

现要求水泵扬程H =23m ,则选用10sh -13 水泵,主要参数为: Q =360~576m3/h ;H =27.0~19.0m

水泵轴功率N =33.1~36.4k W ;

电动机轴功率N =55k W ;

效率η=80.0 %~86.0 %。

10sh -13 水泵特性曲线,当流量Q =400m3/h 时,水泵的扬程(压力)为26m ,因此水泵的实际富余水头为8m 。电动机功率增加了15k W 。

按标准型(Δt =5 ℃)400m3/h 低噪声冷却塔,配用的风机直径为3800m m ,转速为n =165r/min,风量G =185000m3/h,配用的电动机功率为N =715kW。现按Q =400m3/h ,水泵富余水头8m 为例,能产生715k W 的轴功率使水轮机驱动风机转动,达到设计的风量,则就可省去715k W 的电动机,达到节约能量的目的。

利用水泵富余水头H 产生推动水轮机转动的有效轴功率计算式为:

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式中 γ——水的密度(kg/L 或kg/m 3 ),1m3 ·H2O =1000kg ;

Q——水泵的流量(m3/s);

H——水泵的富余扬程(m );

η——水轮机的效率,越高越好,现研制的推动冷却塔风机的最高效率可到88 %,一般为70 %~80 %左右。 如果式(8-3)中不除以102 ,则单位为(kg·m)/s ,故1k W =1.36 马力,所以除以102 得功率的单位为k W 。因水的密度γ =1000kg/m3 ,则1000/102 =9.804 ,代入式(823 )得:

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现按上述:Q =400m3/h ≈ 0.1111m3/s;H =8m ;水轮机效率η=85 %~88 %。代入式(8-4 )中,得N效= 7.41~7.67k W ,而原配的驱动冷却塔风机的电动机功率N =7.5k W ,这说明利用水泵的富余水头来推动水轮机驱动风机转动,达到设计要求的风量和冷却效果,是可能的和可行的,关键是要研制高效的、符合冷却塔中推动风机转动达到设计转速的水轮机。









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