冷卻塔在被開(kāi)發(fā)利用的能源中主要有熱能、水能、風(fēng)能和核能，它們之中主要是轉(zhuǎn)換為電能，用于工業(yè)與民用之中。循環(huán)冷卻水中消耗的是電能，日常的運(yùn)行成本中，除維護(hù)管理的少量費(fèi)用之外，主要成本是電耗。

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的能耗

河南冷卻塔的電能消耗主要為以下兩方面：

1.水泵的能耗

水泵的能耗通常由兩部分組成，一部分是用水泵從熱水池取水，把熱水提升到冷卻塔內(nèi)配水管網(wǎng)系統(tǒng)，通過(guò)配水管均勻配水;另一部分是水泵從冷卻后的冷水集水池中取水，把冷水提升到冷卻設(shè)備或產(chǎn)品的地方。如果需要冷卻的設(shè)備或產(chǎn)品位置較高，而冷卻塔的位置較低，則熱水靠重力流流入冷卻塔中進(jìn)行冷卻，可省去熱水池和提升熱水的水泵。循環(huán)水系統(tǒng)來(lái)講，水泵的能耗包括這兩部分，如果有旁流處理系統(tǒng)和補(bǔ)充水系統(tǒng)，則也應(yīng)包括在內(nèi)。從熱水進(jìn)入冷卻塔和利用熱水水力驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)來(lái)說(shuō)，則指的是從熱水池取水把熱水送入冷卻塔內(nèi)的水泵能耗。要使“水往高處流"，這部分的水泵能耗是必須的，也是難以節(jié)省的。

2.電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的能耗

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的風(fēng)量是靠風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)達(dá)到水冷卻所需要的設(shè)計(jì)風(fēng)量，而風(fēng)機(jī)是靠配備的電動(dòng)機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)的，這部分能耗成為冷卻塔日常運(yùn)行的主要成本。

現(xiàn)以500t/h逆流式標(biāo)準(zhǔn)型(Δt=5℃)冷卻塔為例，氣水比(G/Q重量比)為0.68計(jì)，則風(fēng)量G=340000m3/h，配用風(fēng)機(jī)直徑4000mm，選用電動(dòng)機(jī)為1815kW，則冷卻塔運(yùn)行一年以240d計(jì)，電費(fèi)以0.6元/kW計(jì)，這一年中500t/h標(biāo)準(zhǔn)型冷卻塔一年消耗的能量(電能)為106560kW，計(jì)電費(fèi)63936元。某化肥廠冷卻水量30000m3/h，配用3000m3/h組合式橫流塔10臺(tái)，每臺(tái)選用風(fēng)機(jī)直徑8000mm，配用電動(dòng)機(jī)功率113.1kW，按240d計(jì)，則一年的電耗和電費(fèi)分別為6514560kW和3908736元，即391萬(wàn)元/a?？梢?jiàn)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)消耗的電能和電費(fèi)是相當(dāng)可觀的，“水動(dòng)風(fēng)機(jī)冷卻塔"研究的就是是否可利用提升水泵壓能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，推動(dòng)水輪機(jī)與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到相同的設(shè)計(jì)風(fēng)量與冷卻效果的條件下，而省去電動(dòng)機(jī)。

河南冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)的可行性

1.提升水泵的揚(yáng)程水泵從熱水池取水，提升到冷卻塔配水管出口(含噴嘴出口)所需要的壓力由以下幾部分組成：

(1)凈揚(yáng)程(h凈)：

水泵在熱水池吸水的最低水位標(biāo)高至冷卻塔內(nèi)配水管中心線的標(biāo)高，稱為水泵需要的凈揚(yáng)程，用H凈(或h凈)表示。例如，地面標(biāo)高±0.00計(jì)，水泵在熱水池中最低吸水水位標(biāo)高為-2.2m，冷卻塔內(nèi)配水管中心的標(biāo)高為12.8m(槽式、池式配水標(biāo)高以水面計(jì))，則水泵的凈揚(yáng)程h凈=12.8-(-2.2)=15.0m。

(2)管路中的沿程水頭損失(hλ)：

從水泵吸水管至冷卻塔內(nèi)的配水管，水流在管道內(nèi)流動(dòng)過(guò)程中因摩擦產(chǎn)生的能量損失，稱為沿程水頭損失(hλ)。在相同管徑、相同流量情況下，管道內(nèi)壁光潔度越好，水頭損失越小，故塑料管、玻璃鋼管、復(fù)合管的水頭損失小于鋼管、鑄鐵管(含球墨鑄鐵管)。

管內(nèi)的流速與管道直徑成反比，沿程水頭損失與流速平方成正比，故流量不變的情況下，管徑越小，流速越大，水頭損失就增大。若在較長(zhǎng)的輸水系統(tǒng)中，沿程各段的管道直徑可能是變化的，則應(yīng)按管徑的不同分別計(jì)算沿程水頭損失(hλ)，最后相加得Σhλ。對(duì)于冷卻塔來(lái)說(shuō)，沿程的流量是不變化的，因此管徑也是相同的，故不存在分段計(jì)算。沿程水頭損失可根據(jù)管徑、流速、管道長(zhǎng)度、管道材料查“水力計(jì)算表"而得。

(3)局部水頭損失(hf)

從水泵吸水管頭部起，管道系統(tǒng)中設(shè)有喇叭口、各種彎頭(管)、異徑管、閥門(mén)、止回閥、三通管等，水流流經(jīng)這些部門(mén)均會(huì)造成能量損失，稱為局部損失，計(jì)算式為hf=ξ(V2/2g)。因阻力系數(shù)ξ和流速V不同，故各局部阻力hfi是不相同的，把計(jì)算所得的各局部阻力損失相加，得系統(tǒng)中的總局部水頭損失Σhf。

綜上所述，水泵所需要的理論揚(yáng)程為：

2.選用水泵的揚(yáng)程

式(8-1)是設(shè)計(jì)計(jì)算所得水泵需要的理論揚(yáng)程，但考慮到各種原因，其中包括可能產(chǎn)生的計(jì)算誤差，運(yùn)行過(guò)程中管內(nèi)壁粗糙度的增加、管道過(guò)水?dāng)嗝娴目s小等，均會(huì)增加能量的消耗而增加水頭損失，故設(shè)計(jì)單位在確定水泵揚(yáng)程時(shí)，在理論揚(yáng)程的基礎(chǔ)上再增加≥4m，則設(shè)計(jì)單位確定的水泵揚(yáng)程為：

而實(shí)際選用的水泵揚(yáng)程比式(8-2)的要大，原因主要為以下兩方面：一是按式(8-2)的揚(yáng)程要求不容易選到水泵，如選小一些揚(yáng)程的水泵，則不安全，故選用的水泵揚(yáng)程比式(8-2)的大;二是用戶單位在選用水泵時(shí)并不知道設(shè)計(jì)單位在理論揚(yáng)程基礎(chǔ)上已加上≥4m，因此在式(8-2)的基礎(chǔ)上又增加了約5m左右的揚(yáng)程。所以實(shí)際選用的水泵揚(yáng)程比理論揚(yáng)程一般都大于5m以上，稱為水泵的富余水頭，或稱為富余壓力。

例如某400t/h冷卻水的冷卻塔，計(jì)算結(jié)果的h凈=13.5m，Σhλ=2.8m，Σhf=1.7m，故水泵的理論揚(yáng)程為H=13.5+2.8+1.7=18m;現(xiàn)若考慮確保安全，在理論揚(yáng)程基礎(chǔ)上再增加5m水頭，則水泵揚(yáng)程為H=18m+5m=23m。按原H=18m、Q=400t/h，可選用10sh-13A水泵，主要參數(shù)為：

Q=342～482m3/h;H=22.2～17.4m

水泵軸功率N=25.8～28kW;

電動(dòng)機(jī)軸功率N=40kW;

效率η=80%，83%。

現(xiàn)要求水泵揚(yáng)程H=23m，則選用10sh-13水泵，主要參數(shù)為：Q=360～576m3/h;H=27.0～19.0m

水泵軸功率N=33.1～36.4kW;

電動(dòng)機(jī)軸功率N=55kW;

效率η=80.0%～86.0%。

查10sh-13水泵特性曲線，當(dāng)流量Q=400m3/h時(shí)，水泵的揚(yáng)程(壓力)為26m，因此水泵的實(shí)際富余水頭為8m。電動(dòng)機(jī)功率增加了15kW。

按標(biāo)準(zhǔn)型(Δt=5℃)400m3/h低噪聲冷卻塔，配用的風(fēng)機(jī)直徑為3800mm，轉(zhuǎn)速為n=165r/min，風(fēng)量G=185000m3/h，配用的電動(dòng)機(jī)功率為N=715kW?，F(xiàn)按Q=400m3/h，水泵富余水頭8m為例，能產(chǎn)生715kW的軸功率使水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到設(shè)計(jì)的風(fēng)量，則就可省去715kW的電動(dòng)機(jī)，達(dá)到節(jié)約能量的目的。

利用水泵富余水頭H產(chǎn)生推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的有效軸功率計(jì)算式為：

式中γ——水的密度(kg/L或kg/m3)，1m3·H2O=1000kg;

Q——水泵的流量(m3/s);

H——水泵的富余揚(yáng)程(m);

η——水輪機(jī)的效率，越高越好，現(xiàn)研制的推動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)的最高效率可到88%，一般為70%～80%左右。如果式(8-3)中不除以102，則單位為(kg·m)/s，故1kW=1.36馬力，所以除以102得功率的單位為kW。因水的密度γ=1000kg/m3，則1000/102=9.804，代入式(823)得：

現(xiàn)按上述：Q=400m3/h≈0.1111m3/s;H=8m;水輪機(jī)效率η=85%～88%。代入式(8-4)中，得N效=7.41～7.67kW，而原配的驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率N=7.5kW，這說(shuō)明利用水泵的富余水頭來(lái)推動(dòng)水輪機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的風(fēng)量和冷卻效果，是可能的和可行的，關(guān)鍵是要研制高效的、符合冷卻塔中推動(dòng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)。

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