“免风机电机”水力取风冷却塔的设计和应用

　　免风机电机水力取风冷却塔的设计和应用张飞狂提要为了消除冷却塔运行的噪声危害和减少年运行费用的负担，提出了用水轮机取代冷却塔风机电机的设计思路，并通过试验开发了新型冷却塔，通过实际应用证明该法可行。

　　机力取风玻璃钢冷却塔从70年代开始发展，并获得越来越普遍的应用。为了能规范产品，两次制定国家标准，足以显示冷却塔在使用上的复杂性。

　　虽然标准中提出了更高的要求，但还是适应不了人们实际应用的需要。如噪声问题，一直是老百姓投诉的热点飘水问题长期影响环境年运行费用负担常常使用户审时度势。笔者认为冷却塔的噪声主要源于电机，而电机又是能耗的主要部件，如果取消电机，既可把棘手的噪声问题去掉，还可节省大量能耗费用。要达到上述目的，关键是寻找适用于冷却塔的另一种动力源，很自然地考虑到了水力，因冷却塔内循环水本身即具备一定的能量，所以设想用水轮机取代电机。选用了能够适应冷却塔的冲击式贯流水轮机。要解决的问题是将水力能转换成机械能，然后再把机械能转换成空气能。下面来讨论水轮机的能量转换。

　　水轮机主要工作部件是叶轮，许多弯曲的叶片之间组成流道，当流体在流道中通过，叶轮接受了流体的能量，使叶轮旋转。水在叶轮内的流动非常复杂，要研究在叶轮内部的能量转换就非常困难。但它的确是水轮机的心脏部件，任何微小的改变都会产生不同的效率，所以笔者试图以宏观的角度来研究能量转换，从而建立水轮机的基本方程。

　　设想水在叶片流道中的运动是一种复合运动，它可用3个速度来描述：（1）由于水流冲击叶片使叶轮旋转，所以水的质点就具有圆周速度u ，方向与圆周相切，与半径垂直。

　　（2）水流冲击叶片的同时，水的质点沿着叶片的曲面移动，则具有相对速度w ，方向与叶片的方向一致。

　　（3）圆周速度u和相对速度w复合成为速度C速度向量C、u、w组成速度三角形，其中u、C组成角α，笔者试图把水轮机动量矩定理推导基本方程如下：由于叶片受到水流的驱动而作了功。贯流式水轮机叶轮受两次冲击，水流在初始叶片入口处的动量矩到初始叶片出口处的动量矩减少，减少的这部分动量就是次水流冲击叶轮转换成动能的动量。接着由连续流动的水流进入直径对面的流道，水流在下一个叶片的入口处动量矩到下一个叶片出口处的动量矩也发生减少，使叶轮第二次接受水流冲击转换成动能。

　　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。设质量流量为Q ，则动量为QC ，动量矩为QCL ，按图1所示：合力矩M =QC贯流式叶轮有两次受冲击的特点。因水流连续，初始叶片的出口速度等于下一个叶片的入口速度，通过初始叶片以后的出口动量减少，减少的这部分动量即为推动叶轮旋转的能量，减少动量后的水流量到下一个叶片的入口处变成了推动力的动量，从而得到了再次冲击的能量。另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小，即把下一个叶片的出口处的速度尽量趋向零。

　　上述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，由于能量转换的需要，一个减少，一个增加，互补为零，终剩下初始叶片的入口动量矩即为这个叶轮的实际动量矩。

　　叶轮旋转所具备的功即为角速度（ω）与动量矩（M）的乘积。

　　叶轮处的水流量来自于水泵的作功，所以叶轮的动能为水流量（Q）与扬程（H）的乘积，即P = QH ，叶轮作功提供风叶旋转实际功率。

　　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。

　　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，动量所作的功就越大。在实际应用中冷却塔一定具备进塔水压，进塔水压即为可转换的能量。可满足风叶的实际轴功率。

　　工业上选取水泵时，常常是用泵的提水高度加上管路损耗，再除以泵效率来计算泵的实际扬程。

　　用水轮机改造时，这个泵的扬程已经确定，无法再增加了，它是满负荷运转，一旦加上水轮机以后，并没有增加原泵的功率电流。这是什么原因使泵增加水轮机的阻力以后，照样正常工作，不但不增加电流，还能输送出机械能我们从能量守恒的伯努里方程已经无法得到满意的解答。这使相当部分的工程师不相信，但是通过更进一步的研究，我们可以发现，只要在泵的有效扬程内，泵的效率会自动调节流量、扬程、转速等参数。水泵铭牌额定值是水泵高效率下5 ～8 范围内确定的，没有确定在高点。

　　这就提供了一个很好利用的机会。选用贯流式水轮机的目的就是在低水头大流量下工作，水轮机增加的阻力很少，恰好在高效率范围内，所以能够在没有增加功率的情况下发挥泵的高效率，实现正常的取风。泵型加大，它还是按原设计取值，所以可以提供利用的能源越大，塔越大运转就越稳定可靠。

　　冷却塔的热交换主要由气水比来决定，多少质量流量的热水用多少质量的冷空气进行热交换即可实现冷却塔的温降。从各冷却塔生产厂家的样本资料看，低温差冷却塔的气水比为0.67 中温差的冷却塔气水比为0.84 高温差冷却塔的气水比为1.12 而经济运行的佳气水比为0.55.上述说明要完成冷却塔的热交换，必须把冷却塔的实际水流量转换成推动空气量的能量，空气量少则0.55 ，即小于塔的实际水流量，多则1.12 ，即超过了塔的实际水流量。很显然塔的实际水流量推动0.55气流量是十分轻松的事，要推动1.12的气流量，从表面上看似乎不可能，但根据能量转换公式：R =QH ，加大叶轮半径R ，提高水流速度C 1，可以使能量增加。而半径加大，水流速度增加，必须以提高扬程为基础，扬程即为能量，因此适当提高水泵扬程还是可以达到大气水比的要求，这就是为什么高温塔水压要求略高的道理。设计思想确立以后，进入研制、试验阶段，经多次试验获得了较为理想的机型，同时向国家知识产权局申请发明专利《免能冷塔》，申请号981 23800.9 ，并于1999公布，与此同时向社会小批量推广应用。现经绍兴震元制药有限公司300m /h塔改造，上海乳品培训研究中心200m /h塔改造，慈溪锦纶集团400m塔改造，杭州电化集团200m /h新塔应用，嵊县三江大酒店200m /h塔改造，上虞龙盛集团200m塔改造，绍兴新建纺织有限公司300m /h塔改造，上海蓝天宾馆300m /h塔改造，嘉兴化工集团/h塔改造，上海千鹤宾馆300m /h塔改造，新昌白云山庄300m /h塔改造，新昌白云艺术村/h新塔，慈溪铜材厂5m /h新塔等20多个单位的应用，改造单位认为由水轮机取代电机以后，在正常运转时，不但减去了风机电机，还使原泵电流略有减少，而且噪声确实消除，风叶运转平稳，冷效比原塔没有减少。新塔用户没有原泵的电流比较，但认为冷效与机力冷却塔没有什么区别。实际运行的技术指标，可以达到以下要求：（1）对应传统冷却塔的风机电机能耗全部节省了（2）冷效大于0.75 （3）负荷率大于0.95（实测水量与设计水量之比）（4）飘水率小于十万分之一（5）噪声小于50dB （6）热负荷率大于0.95（实测散热量与设计散热量之比）。

　　在改造过程中发现绝大多数的冷却塔使用是大马拉小车，即用小的水量套用大体积的塔型，获取较好的冷效，常常是公称塔型的2/3水量长期运转。

　　还发现多塔使用单位为了使循环水在塔与塔之间能相互流动，便于泵的控制，达到一泵的水流送到任何一塔上，用户们一律把塔并联在一起。这就要求水轮机制作必须满足用户习惯，做到适应市场。

　　总结免风机电机冷却塔的构想、分析、设计、研制、试验、应用的全过程，笔者认为免风机电机冷却塔的优点在于：（1）节能。该塔利用水轮机取代风机电机节省了风机电机的运行电耗，但综合运行电耗尚应进一步测试。

　　（2）无噪声。水轮机的能量转换是在水流道内完成的，掌握湍振的雷诺数，不会发出干扰的噪声，解决了人们对冷却塔噪声的投诉。

　　（3）高效。水轮机轴直接输出风叶，不需再通过其它减速器等，且随着水流量的变化而风量产生变化，始终稳定在较好的气水比上，是任何机力取风冷却塔无法取代的。塔型越大，效率越稳。

　　（4）使用寿命长。水轮机结构简单，运转平稳，因此只要达到材料的设计强度和密封，其寿命是长期的，运行中途不会夭折。一旦出现故障，维修也极为简单，更换一些标准件即可，比电机减速器的维修，要省却许多麻烦。

　　（5）安全。冷却塔电机有漏电伤人，火花爆炸的潜在危险，水轮机不用电且重量轻，高处作业不再为起吊卸下电机减速器而为难，增加了冷却塔的运行环境安全性。

　　（6）适用。冷却塔可以随意制成圆形、方形、矩形小型、中型、特大型逆流、横流、混流玻璃钢、钢结构、水泥框架式等。还可对机力、自然、综合取风的冷却塔进行改造，塔型越大，经济意义越大。

　　作者通讯处：300浙江省上虞市百官镇三号桥浙江省上虞市凤凰冷却塔厂法研制出自来水检测用DNA芯片据悉，法国里昂水务公司与梅里厄研究所的科研人员经过多年潜心研究，近利用微电子和分子生物技术成功研制出用于检测自来水水质的脱氧核糖核酸（DNA）芯片。该芯片大小只有1cm 2，却能容纳40万个脱氧核糖核酸移植段。当自来水中含有对人体有害的细菌或寄生虫时，该芯片便能自动检测出这些细菌和寄生虫的基因，并能与自身备有的基因库作比较，迅速作出判断后发出敌情警报。使用这种检测技术比目前传统的方法精度高1 000倍，而价格仅为现有检测方法的1/ 10.整个检测过程仅需几秒，而现有方法至少需几天，甚至长达几周。

　　目前正处于试验阶段，预计待2004年投放市场。

　　我国大的海水淡化饮用工程竣工目前，我国大的海水淡化饮用工程在辽宁省长海县正式竣工投产，至此，海岛上3万多居民彻底告别了靠天吃水饮水难的历史。

　　长海县是东北地区的海岛县，岛内淡水资源十分匮乏，长期以来只能靠天吃水，淡水匮乏严重制约了长海县经济发展和人民生活质量的提高。

　　此项工程总投资1 600万元，采用世界上目前先进的双重反渗透技术进行海水淡化。正式供水后日供水量3，加上原有水源完全满足了岛上居民的用水需求。

　　（通讯员张汉俊）