來源：www.acacia-wayfinding.com 屬性：原創(chuàng)
冷卻塔的能熱交換能力主要由氣水比來決定，多少質量流量的熱水用多少質量流量的空氣進行熱交換即可實現冷卻塔的預期溫降。而質量流量的空氣是不論用什么方法都可以獲得，一般常用電機驅動風葉獲取。
從各冷卻塔生產廠家的樣本資料統(tǒng)計，低溫差冷卻塔的氣水比為 0.67 ，中溫差冷卻塔的氣水比為 0.84, 高溫差冷卻塔的氣水比為 1.12 ，而經濟運行的最佳氣水比為 0.55 。氣水比實質上就是氣的質量與水的質量的比。如果不用電機驅風，改用水輪機來驅風，那么就變成了用多少水流量轉換成推動空氣的質量，來與熱水進行熱交換，電機是用多少千瓦的電功率來轉換成推動空氣的質量進行熱交換。這就簡單地變成水輪機的軸功率與電機的軸功率相同即可實現，同樣達到冷卻效果，使塔的比電耗趨零。塔的外形、結構、尺寸、冷卻原理都不需改變。且水輪機具有重量輕、結構簡單、維修方便、噪聲低、壽命長、適用所有場合和塔型的許多優(yōu)點。
冷卻塔的進塔水頭一般為 5 -8m ，據資料統(tǒng)計顯示，各制造單位設定的進塔水頭差異較大，見表 1 。大型塔的進塔水壓常超過 10m 。進塔水頭為布水服務，塔體布水面積大小常以 0.07m2 /t 布水密度決定，同一塔內各噴嘴的水壓應一樣，這樣可探討用一個進塔水頭，就可統(tǒng)一從小塔到巨形塔的進塔水頭，不用細分如此無序的規(guī)格，增加選泵揚程時查核產品樣本資料的麻煩。我們知道水頭 ( H ) 與流量 ( Q ) 的乘積就是功率。由此而可以推算出在冷卻塔中的水流能量是水頭乘上相應的流量。如 100t/h 標準型冷卻塔的進塔水流具有的能量是 2.2kW 左右，而 100t/h 標準型冷卻塔所用的風葉的實際軸功率恰好小于 2.2kW 左右，效率較高的風葉還不到 2.0kW 。
水動風機冷卻塔就是充分利用進塔水頭的能量以達到節(jié)能的目的。如果把我國的冷卻塔國家標準修改成電耗為零，這將大大提升冷卻塔工業(yè)能耗的要求，對企業(yè)減少固定成本，對社會節(jié)電具有積極意義。
二研究
水輪機主要工作部件是葉輪，葉輪接受了流體的能量，使葉輪旋轉。以宏觀的角度來研究能量的轉換，從而建立冷卻塔水輪機的基本方程。葉輪式水輪機主要有沖擊式和反擊式兩種。雙擊式是沖擊式其中的一種，選用雙擊式是它的轉輪葉片之間水流有自由表面，不會對葉片產生氣蝕，延長使用壽命;轉輪前后水流沒有壓差;集中用速度能對葉片兩次沖擊，能量的轉換效率較高;水流變化較大時適應能力較好;立軸布置適合冷卻塔的特殊空間及電機減速器原位更換;增設尾水管，回收能量為布水服務。
根據動量矩定理，在單位時間內，動量矩的變化等于外力的合力矩。按圖 1 所示，合力矩 M = QC 1L 1+ QC 2L 2+ QC 3L 3+ QC 4L 4
為獲得較好的葉輪效率，要求在葉輪的出口處未被利用的能量盡量少，即把下一個葉片出口處絕對速度盡量趨向零。則 M = QC 1L 1+ QC 2L 2+ QC 3L 3
上式的后兩項中的一項是出水口的動量矩，另一項是入水口的動量矩，由于轉換的需要，一個減少，一個增加，互補為零，最終剩下初始葉片的入口動量矩為這個葉輪的實際動量矩。
M = QC 1L 1= QC1COSα1R
葉輪旋轉的功為角速度( ω )與動量矩的乘積。
P = ωM = ωQC1COSα1R
葉片的原始動能是流量( Q )與揚程 (H) 的乘積，要使水流的能量轉換為葉輪的能量，只有令兩式相等才能實現。
ωQC1COSα1R = QH
上式說明質量流量在能量轉換前后沒有變化，水流的揚程就是水輪機的能量，揚程越高，動量越大。凡冷卻塔一定具有進塔水壓，進塔水壓即為可轉換的能量，可滿足風葉的實際軸功率。冷卻循環(huán)水泵的揚程在系統(tǒng)中是一個定值，在改造時加上水輪機，阻力增加，不會增加泵的電流，反而會減少電流。水輪機的阻力很小，只相應地減少趨零的電流。
在我國的技術標準中只有 JB/T 7640—1994 的機械行業(yè)標準 “ 雙擊式水輪機系列型譜 ” 較簡單地介紹了一些性能參數，但該標準的結構形式規(guī)定均為臥式，且使用范圍功率 12kW 至 100Kw ，水頭大于 8m , 流量大于 0.1m3 /s , 為了適用于冷卻塔，只得另辟蹊徑，創(chuàng)新一種立軸帶有尾水管的微型水輪機，如圖 2 。 2003 年 1 月 8 日獲專利權。 2003 年 10 月 8 日發(fā)明專利公告。
冷卻塔匹配的電機電耗，國家標準規(guī)定為標準塔小于 0.04kW/t 、中溫塔小于 0.06kW/t 推算。改用水輪機驅風，不用再考慮電機匹配，只考慮進塔水流的能量是否達到風葉的軸功率。表 2 列示水頭功率，是減去水輪機阻力 0.5m 以后，與相應的氣水比空氣量和風葉軸功率的統(tǒng)計表，達到對應值即可達到冷卻效果。風葉的風量是在多少軸功率轉速情況下產出，關鍵是軸功率，只要軸功率達到風葉的額定值，轉速自然達到，風量自然也達到。
注：風葉軸功率等于水輪機輸出軸功率，按每 3.3· 104m3 /h 風量 1kW 計算。國家標準匹配電機功率為標準塔小于 0.04kW/t, 中溫塔小于 0.06kW/t 。
三、測試 2003年8月1日由上海節(jié)能中心聯合對模型水輪機進行測試，測試數據如下：
流量： 94m3 /h
水頭： 4m
傳感器顯示功率： 0.9Kw
轉速： 326r/min
計算得水輪機的效率為 0.88 ， JB/T 標準為 0.82 。
2003 年 8 月 5 日又對上海乳制品研究所的 200t/h 塔經水輪機改造后去掉風機電機使用 3 年的塔進行對比性測試。
泵 IS—150—125—250 3 臺，其中 1 臺為備泵，揚程 20m , 流量 200t/h, 塔兩臺，距地面 14m , 風機電機軸功率 3.9Kw, 制冷機 8FS10, Q = 134400kcal/h 2 臺。 1 臺泵供 1 臺塔 1 臺制冷機。用戶長期使用該塔，完全節(jié)約了 5.5kW 的電機，節(jié)電 100 %， 3 年來節(jié)省了大量的電費。用戶反映極為滿意。
四、水輪機的動力分析
水動風機冷卻塔問世以來，對節(jié)能作出了一定的貢獻。經中國科學院上海文獻情報中心查新，水動風機冷卻塔具有充分的新穎性和創(chuàng)新性，國內外文獻均無相同結構的報道。說明該產品具有原創(chuàng)資格。由于冷卻塔業(yè)內對水輪機取代風機電機節(jié)電 100% 心存疑慮。有的教授級冷卻塔專家不懂沖擊式水輪機的特點，誤求轉輪前后水壓差，作出錯誤判斷。有的用戶持謹慎態(tài)度，不敢為人先。為此有必要把冷卻塔專用水輪機的特點作進一步闡述。
1 .冷卻塔專用水輪機的動力由能量方程式推算。
水輪機的輸出軸功率公式為
W=γ×Q×H×η (kw)
γ— 水的容重 1000×9.81N/m3
Q — 水流量 m3 /s
H — 水頭 m
η— 水輪機的效率， 0.88
水輪機水頭由伯努利方程計算
H = Z+P+V 2 / 2g
Z — 水輪機進出水位之差
P — 水流內具備的壓力
V — 水流的速度 m/s
g— 重力加速度 9.81
由于冷卻塔專用水輪機采用立軸形式，水輪機的轉輪是立置的，它的進出水位在同一平面上，沒有位能。Z=0
.
沖擊式水輪機是開放型的，進出水都與空氣接觸，進出口的水流的壓力都保持在同一個大氣壓上，壓力差很小，可以忽略不計，即沒有壓能。P=0 .
水流在噴出之時，已經把壓能轉變成速度能 —- 動能。所以冷卻塔專用的雙擊式水輪機在討論水頭時僅計算動能。冷卻塔的進塔水壓就是水頭，由下式計算
H=V 2/2g
由于水流的速度V是單位面積上的過流水量。
V=Q / S
S — 過流斷面積㎡
水頭公式又可以用H=Q 2/2g S 2 來計算
歸并上述公式后得冷卻塔專用水輪機的出力 W =9.81× Q 3/2g S 2 ×0.88 =0.44 Q 3/ S 2
很顯然，當已知供塔泵的流量Q以后，決定水輪機出力的關鍵是過流斷面S，斷面越小流速越大，出力就越大。但縮小斷面，流量就會減少，這是一對相互依賴的矛盾，要達到最佳狀態(tài)只有在確定流量的情況下，確定過流斷面，才能表現出一個最好的出力情況。
我們設計按 8.4683m 水頭計算，由此得水輪機出力W= 9.81×8.4683×Q×0.88 = 73.1 Q (kw)
當知道冷卻塔的流量以后，就能確切地計算得到水輪機的功率，對照風葉軸功率是否符合 , 即可應用于冷卻塔電機塔的改造。
如： 2000t/h 的冷卻塔水輪機軸功率為W= 73.1Q=73.1×0.55555=40.6KW
所對應的風葉實際軸功率應該小于 40.6KW (否則該風機效率較差)，該塔運轉完全正常，完全可取代電動機，節(jié)電 100% 。關鍵的一點，要知道進該塔的水頭有沒有 8m 的余地。
由于設計人員在設計循環(huán)水系統(tǒng)時，選擇塔的進水壓力沒有標準依據，造成現有的冷卻塔進塔水壓高低差別較大。流量沒有到額定值，進塔水壓為零的冷卻塔也大有塔在。所以用水輪機改造冷卻塔并不是所有的冷卻塔都適合。一旦可以進行改造，說明該塔有富余揚程存在，節(jié)電 100 %。不具備富余揚程條件，我們就不改，也不存在節(jié)電百分之幾的結果。新的冷卻塔也一樣以兩個條件為本。
2 .水輪機的阻力怎么計算。
冷卻塔的循環(huán)水管路中，增設一個水輪機無疑是增加阻力，阻力增加水流量減少，還影響換熱設備的正常運轉。阻力嚴重甚至于會造成換熱設備管子爆裂的事故。水動風機冷卻塔水輪機阻力僅為 0.5m (0.005Mpa), 很小。這相當于在管路中增多一個彎頭或閥門的阻力。不會影響其它設備。 0.5m 的阻力，相比于噴霧塔的噴嘴阻力，顯然要小得多。水輪機阻力實在小，可以大大放心改造現有冷卻塔，無須擔心換熱設備增加負擔。
水輪機的阻力由水流進入轉輪前的速度和水流道形狀決定。水動飛機冷卻塔的水輪機流道是漸縮圓弧形，阻力由局部水頭損失公式計算 H= ξV2/2g
ξ -- 阻力系數 = 0.081 由實驗實際使用中獲得。
當 8m 水頭運作時，由較小的流速獲得最高出力，用上式計算得，水輪機的阻力為 0.5m 。
五不同塔型的應用比較。
噴霧塔在我國 20 世紀 80 年代初，就已經應用于化工尿素車間，沒有填料，是一種較為先進的塔型，隨著技術進步，噴嘴的壓力由 0.4Mpa 降到 0.2Mpa ?，F將電動、水動、噴霧三種塔型作一番比較，討論各自的優(yōu)缺點，供大家參考。為對比方便，設 0.08Mpa 為一個電動塔的動力能 A 。下列討論設定塔的公稱流量為額定值。流量不足、水壓小于零或流量大于額定值、水壓小于零等情況不作討論。
①從冷卻塔的能耗產出分析。
?、?. 當進塔水壓為零時，電動塔的風量為定值，風機用電量為 A ，溢流布水冷效差 ; 水動塔必須在泵上加 A 的電量才可取代電機塔，與電機塔的用電量相等 , 進塔水壓已達 8m ，布水工況好，冷效好 ; 噴霧塔必須在泵上加 2.5A 的電量才可取代電機塔，加上風機電機的用電量，多 3.5A 的電量。
Ⅱ . 當進塔水壓等于 8m 時，水動塔最為合適 ; 電動塔是多用電量 A; 噴霧塔必須在泵上再加 1.5A 的電量才可運轉 , 再加上風機電機的用電量，多用 2.5A 電量。
Ⅲ . 當進塔水壓等于 20m 時，電動塔多用量 2.5A ; 水動塔多用電量 1.5A ; 噴霧塔多用電 1.5A 。
?、趶木S修環(huán)保角度分析。
電動塔的維修保養(yǎng)率較高;維修難度大;維修費用高;管理復雜;重量大;塔的重心上移;振動大;必須增加搭體的強度;噪聲較大;皮帶式電機因打滑而影響冷效。
水動塔維修保養(yǎng)率較小，甚至長期不用維修;維修簡單;管理簡單;冷效穩(wěn)定;塔的重心下移由地面承受;可減少塔體的材料;振動小;沒有噪聲。
噴霧塔結構簡單;重量輕;造價低;振動小;沒有噪聲。缺點是進塔水壓能耗大。
冷卻塔的進塔水壓總要有，沒有水壓影響布水，這個水壓就是可用水輪機節(jié)能的動能。動能可用水頭計算。
六實際例子
某某化工廠的 700t/h 水泥框架方型逆流塔改造可解剖。為有比較 , 該塔并排還有同規(guī)格三臺電機塔。該塔高 12m ，風葉 Φ 4.7m 。泵為雙吸離心式 700t/h, 揚程 26m ，塔與泵的水平距離 50m , 由于材料原因，沿程有三個變徑節(jié)頭，彎頭十個，閥門一個，總阻力為 18m ，尚有不少于 8m 的水頭可供水輪機作功，改造以后，風葉轉速 185r/min, 風量 60 萬 m3/h, 水泵壓力表顯示 0.24Mpa, 阻力很小，由計算得水輪機的出力為 W = 9.81 × H × Q × η = 9.81 × 8 × 0.194 × 0.88 = 13.4kw 風葉實際軸功率為 14Kw ，所以運轉發(fā)揮良好，與旁邊的電機塔比較，據該單位自己測試情況列于表 3 。
要注意的是泵的流量和揚程，這兩個條件可以相互配合。如果流量大，揚程小，或流量小，揚程大，只要他們的乘積夠條件，則水輪機發(fā)揮正常，風葉運轉正常。如山西海鑫國際鋼鐵有限公司的兩臺 350t/h 塔改造，泵的流量只有 530t/h, 平均每臺塔的水量 265t/h ，還差每臺 85t/h, 顯然是不夠的。但泵的揚程是 45m , 塔高僅 14m ，該塔水質極差，水管內水垢厚度達 20mm ，實際總阻力 35m ，尚有 12m 的水頭作功 , 所以
W=9.81×Q×H×0.88=9.81×0.0736×12×0.88=7.62(KW) 。
還有正常運轉的能力。水泵壓力表顯示改造前后沒有變化。
水輪機可以做得較大，從市場冷卻塔的容量看，單臺塔最大水流量也不過 10 萬 t/h ，這對于水輪機流量來說還屬于小弟弟，由此而匹配的水輪機隊伍仍屬小型，而專供冷卻塔用的水輪機屬微型。由相似理論可知，不論水輪機的大小，他的性能參數是一樣的。
冷卻塔業(yè)內對大型塔的減速器制造有難度，沒有制成單臺機力塔超過 5000t/h ，現在水輪機解決了這個問題，風葉能制成多大，水輪機匹配完全可行， 10 萬 t/h 級的自然通風冷卻塔也不成問題?；は到y(tǒng)的機力塔大都在 2000t/h 左右，水量和揚程大都夠條件，水輪機節(jié)能是最好途徑。
冷卻塔專用水輪機越大越可靠，越穩(wěn)定。舊管內積有水垢，使用時間越長，水管內徑變小，流速加大，阻力增加，同樣水垢厚度，大管徑的流速受到影響較小，小管徑的流速受到影響較大。所以塔型越大越可靠，水流越穩(wěn)定。
水動風機冷卻塔，節(jié)電效果非常直觀。到現場看了就明白。在現場看到的是冷卻塔外形尺寸、工況狀態(tài)不變，僅由水輪機取代了電機，風葉照樣正常運轉，泵的電流絕無增加，冷效照常好。幾年來通過 100 多家用戶證實，水動風機冷卻塔是一個好產品。
七結論
水輪機用于冷卻塔不論是改造也好，整臺新塔也好，優(yōu)點在于：
?、殴?jié)電。該塔利用水輪機取代風葉電機，利用進塔水壓完全節(jié)省了風葉電機的運行電耗，被多次測試所證實。
?、茻o噪聲。水輪機的能量轉換是在水流道內完成的，銷除了冷卻塔機械動力的噪聲源，解決了人們對冷卻塔電機噪聲的投訴。
⑶高效。水輪機軸功率達到風葉軸功率即可，不需要象電機那樣多出一些功率來應付起動電流的不足。水輪機的阻力僅 0.5m ，在泵的揚程內不影響泵的流量，確保塔的比電耗趨零。
?、仁褂脡勖L。水輪機結構簡單，維護更換方便。長期運轉無損壞。
?、砂踩？稍跐窀呶７辣幨褂?。
⑹適用。水輪機阻力很小，對任何型式的冷卻塔都適用。特別是大型
冷卻塔改造，進塔水壓往往較大，很容易獲得成功，越大越可靠。改造大型自然通風塔很適合.
