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在被開發(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
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)來說,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4000m m ,選用電動(dòng)機(jī)為1815k W ,則冷卻塔運(yùn)行一年以240d 計(jì),電費(fèi)以0.6 元/k W 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106560k W ,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8000m m ,配用電動(dòng)機(jī)功率113.1k W ,按240d 計(jì),則一年的電耗和電費(fèi)分別為6514560k W 和3908736 元,即391 萬元/a ??梢娪秒妱?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)。
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 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 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(h λ ):
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)過程中因摩擦產(chǎn)生的能量損失,稱為沿程水頭損失(h λ )。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(h λ ), 相加得Σh λ 。對(duì)于冷卻塔來說,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、管道長度、管道材料查“水力計(jì)算表"而得。
(3 )局部水頭損失(h f )
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、止回閥、三通管等,水流流經(jīng)這些部門均會(huì)造成能量損失,稱為局部損失,計(jì)算式為h f =ξ(V 2/2g )。因阻力系數(shù)ξ和流速V 不同,故各局部阻力h fi 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Σh f 。
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)行過程中管內(nèi)壁粗糙度的增加、管道過水?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 ,Σh λ =2.8m ,Σh f =1.7m ,故水泵的理論揚(yáng)程為H =13.5 +2.8 +1.7 =18m ;現(xiàn)若考慮確定安全,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 =25.8~28k W ;
電動(dòng)機(jī)軸功率N =40k W ;
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 =33.1~36.4k W ;
電動(dòng)機(jī)軸功率N =55k W ;
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15k W 。
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3800m m ,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715k W 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715k W 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/m 3 ),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)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1k W =1.36 馬力,所以除以102 得功率的單位為k W 。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= 7.41~7.67k W ,而原配的驅(qū)動(dòng)冷卻塔風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率N =7.5k W ,這說明利用水泵的富余水頭來推動(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)。