专利名称：水动风机冷却塔的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及冷却塔，尤其涉及水动风机冷却塔。
背景技术：
1卯4年3月16日美国专利文献U26723^A，企图用佩尔顿水轮机置于冷却塔中带动风叶旋转取风求冷效。但该专利没有遵循带动风叶所需能量应符合循环水流内部已有的能量，水轮机带动风叶旋转取风所需的功率计算公式为W(千瓦功率)=9.81XQ(水量)XH(水头)X η (效率)，公式中冷却塔的水量就是公称额定值；水头即为循环冷却水在进塔位置的内部压力，由于省能需要，现有技术的水头不会有太高的富裕。佩尔顿水轮机效率不高，需要较高的水压才能转动，所以要实现该专利必须较高水压和超额定的水量而浪费能源，该专利没有实用性，因失败而至今没有产品。1998年10月四日申请，公开号为 CN1221103A的免能冷塔，同样存在没有遵循带动风叶所需能量应符合循环水流内部已有的能量的条件，不能适用于所有冷却塔。上述现有技术的水力取风冷却塔的优点是用循环水推动水轮机，由水轮机输出轴带动风叶旋转，可以省去电机而节能，但还有不足之处是不遵循带动风叶所需能量应符合循环水流内部已有的能量，往往造成风叶转速不高，达不到冷却塔应有的冷效。实际上用水泵反向安装就是水轮机，用于冷却塔风叶照样转，仅效率不高而已。如混流式水轮机用于冷却塔，无异于用水泵安装于冷却塔一样，效率不好。混流式水轮机是常用于水力发电的水轮圆周全进口水轮机。因混流式水轮机的运转水头较高、转速高而要配用减速器、轴向长度长不适应冷却塔内空间、出水必须向下等原因而无法应用。水力原动机，在冷却塔旋转布水器上安置风叶，由布水管的尾端向圆周喷水，依靠水流反作用力工作，由于受布水管的长度和尾部喷水反冲力及面积的影响，这种结构不能做得较大，常在一台较大塔中布置多个，且水流反作用力效率很低，无法满足热交换的气水比。它的主要缺点是，若想改成单电机风机冷却塔，比新购一台冷却塔还贵，大多是弃之不用，另建新塔。1%4年3月16日美国专利文献U26723^A，就有人用于冷却塔，但随即失败。无风机冷却塔用高压水喷成水幕带动临近空气进行热交换。所用水压能耗比用电机风机还要大，不节能。
实用新型内容本实用新型的目的是针对上述冷却塔的不足而提供一种高效水动风机冷却塔。本实用新型的水动风机冷却塔，用于风冷循环冷却水，其特点是，包括塔体、水轮机、风叶和布水系统，水轮机的进水口通过进水管连通至循环冷却水，水轮机的输出轴可传动地耦接风叶，水轮机的出水口耦接至布水系统，布水系统的出水区域位于塔体内空气流通路径中，并且其出水方向与塔体内空气流通方向相反，塔体被构造为循环冷却水的进塔水头和流量满足水轮机的输出功率和风叶的轴功率相符合的条件。“耦接”指直接或间接连接。[0010]所述的水动风机冷却塔，其进一步的特点是，水轮机相对塔体的上、下、内、外、立、 卧、俯或仰方位安装。所述的水动风机冷却塔，其进一步的特点是，该塔体为利用高度拔风有烟囱效应的自然通风冷却塔。所述的水动风机冷却塔，其进一步的特点是，水轮机的输出轴功率为W = Y XQXHX η，其中Y-水的容重 1000X9. 81N/m3Q-水流量 m3/sH-7jC 头 mη-水轮机的效率，为0.88。所述的水动风机冷却塔，其进一步的特点是，所述水轮机为冲击式水轮机，采用立轴形式安装。本实用新型是利用循环冷却水恰当的水头和额定的水量作动力，水流通过高效水轮机，由传动轴带动风叶旋转产生风量，满足冷却塔的冷却效果。适用于任何型式的冷却塔，包括利用高度拔风有烟 效应的自然通风冷却塔。本实用新型充分利用进塔水头的能量。如果把我国的冷却塔国家标准修改成电耗为零，热电站的利用高度拔风有烟囱效应的自然通风冷却塔，改成水动风机冷却塔，这将大大提升冷却塔工业能耗的要求，对企业减少固定成本，对社会节电具有积极意义。
图1是本实用新型的一实施例中水动风机冷却塔的构造图。图2是本实用新型的另一实施例中水动风机冷却塔的构造图。图3是本实用新型的另一实施例中水动风机冷却塔的构造图。图4是本实用新型的另一实施例中水动风机冷却塔的构造图。图5是本实用新型的另一实施例中水动风机冷却塔的构造图。图6是本实用新型的另一实施例中水动风机冷却塔的构造图。图7是本实用新型的另一实施例中水动风机冷却塔的构造图。图8是本实用新型的另一实施例中水动风机冷却塔的构造图。图9是本实用新型的另一实施例中水动风机冷却塔的构造图。图10是水轮机的动力学分析模型的示意图。
具体实施方式
图1至图9是本实用新型的水动风机冷却塔多种形式中有代表性的少数实施例。 图1至图9中1为风叶；2为水轮机；3为进水口 ；4为进水管；5为出水管；6为布水管；7为收水器；8为填料；9为淋水区；10为传动轴；11为出水口。同时参照图1至图9，本实用新型的水动风机冷却塔将具有恰当水头和额定流量的循环冷却水，由进水管4进入，经水轮机2的进水口 3，过流水轮机2转换成机械能给传动轴10，带动风叶1旋转，产生风量，风量即空气，过流水轮机2以后的水流经出水管5流向布水管6，散布于填料8的表面形成水膜，与进入塔体的对流的空气进行热交换冷却，在淋水处落入水池，由循环水泵输送为具有恰当水头和额定流量的循环冷却水由进水管4进入行循环，直到将水冷却。冷却塔的能热交换能力主要由气水比来决定，多少质量流量的热水用多少质量流量的空气进行热交换即可实现冷却塔的预期温降。而质量流量的空气是不论用什么方法都可以获得，一般常用电机驱动风叶获取。从各冷却塔生产厂家的样本资料统计，低温差冷却塔的气水比为0. 67，中温差冷却塔的气水比为0. 84，高温差冷却塔的气水比为1. 12，而经济运行的最佳气水比为0. 55， 自然通风冷却塔的气水比更低。气水比实质上就是气的质量与水的质量的比。如果不用电机驱风，改用水轮机来驱风，那么就变成了用多少水流量转换成推动空气的质量，来与热水进行热交换，电机是用多少千瓦的电功率来转换成推动空气的质量进行热交换。这就简单地变成水轮机的轴功率与电机的轴功率相同即可实现，同样达到冷却效果，使塔的比电耗趋零。如图8所示，而自然通风冷却塔增加水轮机，使气水比提高，提高冷效，减少塔的使用数量，塔的比电耗为零，被减塔的水泵是节电的实际效果。塔的外形、结构、尺寸、冷却原理都不需改变。且水轮机具有重量轻、结构简单、维修方便、噪声低、寿命长、适用所有场合和塔型的许多优点。冷却塔的进塔水头一般为5_8m，水头(H)与流量(Q)的乘积就是功率。由此而可以推算出在冷却塔中的水流能量是水头乘上相应的流量。如100t/h标准型冷却塔的进塔水流具有的能量是2. 2kW左右，而100t/h标准型冷却塔所用的风叶的实际轴功率恰好小于 2. 2kff左右，效率较高的风叶还不到2. OkW。通过前述说明可知，已经找到节能的目标，就是充分利用进塔水头的能量。如果把我国的冷却塔国家标准修改成电耗为零，热电站的利用高度拔风有烟囱效应的自然通风冷却塔，改成水动风机冷却塔，这将大大提升冷却塔工业能耗的要求，对企业减少固定成本， 对社会节电具有积极意义。下面就前述各实施例的理论进行进一步的阐述。水轮机主要工作部件是叶轮，叶轮接受了流体的能量，使叶轮旋转。本实用新型以宏观的角度来研究能量的转换，从而建立冷却塔水轮机的基本方程。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。按图10所示， 合力矩M = QC1LAQC2LfQC3LJQC4L4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少，即把下一个叶片出口处绝对速度尽量趋向零。则M = QC1LAQC2LfQC3L3上式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，由于转换的需要，一个减少，一个增加，互补为零，最终剩下初始叶片的入口动量矩为这个叶轮的实
际动量矩。M = QC1L1 = QC1COS α ^叶轮旋转的功为角速度(ω)与动量矩的乘积。P=CoM=CoQC1COSa1R水轮机叶轮功的原始动能是流量(Q)与扬程(H)的乘积，要使水流的能量转换为
5叶轮的能量，只有令两式相等才能实现。ω QC1COS α ^ = QH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，动量越大。凡冷却塔一定具有进塔水压(循环冷却水的水头)，进塔水压即为可转换的能量，可满足风叶的实际轴功率。冷却循环水泵的扬程在系统中是一个定值，在设计时由工程师自行决定进塔水压的多少，遗憾的是现有技术中水压的多少存有不确定性，大量存在设计不恰当的水压，至使无法用水轮机改造冷却塔。1%4年3月16日美国专利文献 U2672328A,企图用佩尔顿水轮机置于冷却塔中带动风叶旋转取风求冷效。但该专利没有遵循带动风叶所需能量应符合循环水流内部已有的能量，佩尔顿水轮机效率不高，需要很高的水压才能转动，所以要实现该专利必须很高水压和超额定的水量而浪费能源，该专利没有实用性，因失败而至今没有产品。1998年10月四日申请，公开号为CN1221103A的免能冷塔(附件2、，同样存在没有遵循带动风叶所需能量应符合循环水流内部已有的能量的条件，不能实用于所有冷却塔，无法形成系列产品。现有技术没有人公开用恰当的水头来改造冷却塔，即为本实用新型的先进性和创造性。冷却塔匹配的电机电耗，国家标准规定为标准塔小于0.04kW/t、中温塔小于 0.06kW/t推算。改用水轮机驱风，只考虑进塔水流的能量是否达到风叶的轴功率。风叶的风量是在多少轴功率转速情况下产出，关键是轴功率，只要轴功率达到风叶的额定值，转速自然达到，风量自然也达到。冷却塔专用水轮机的动力由能量方程式推算。水轮机的输出轴功率公式为ff=y XQXHX η (kw)Y-水的容重 1000X9. 81N/m3Q-水流量 m3/sH-水头 mη -水轮机的效率，0. 88水轮机水头由伯努利方程计算H = Z+P+V2/2gZ-水轮机进出水位之差P-水流内具备的压力V-水流的速度m/sg_重力加速度9·81由于在本实用新型的一实施例中冷却塔专用水轮机采用立轴形式，水轮机的转轮是立置的，它的进出水位在同一平面上，没有位能。Z = O.本实用新型的一实施例中冲击式水轮机是开放型的，进出水都与空气接触，进出口的水流的压力都保持在同一个大气压上，压力差很小，可以忽略不计，即没有压能。P = 0.水流在喷出之时，已经把压能转变成速度能一动能。所以本实用新型的一实施例中的冷却塔专用的双击式水轮机在讨论水头时仅计算动能。冷却塔的进塔水压就是水头， 由下式计算[0065]H = V2/2g由于水流的速度V是单位面积上的过流水量。V = Q/SS-过流断面积m2水头公式又可以用H = Q2/2g S2来计算归并上述公式后得冷却塔专用水轮机的出力W = 9. 81XQ3/2g S2 X 0. 88 = 0. 44Q3/S2很显然，当已知供塔泵的流量Q以后，决定水轮机出力的关键是过流断面S，断面越小流速越大，出力就越大。但缩小断面，流量就会减少，这是一对相互依赖的矛盾，要达到最佳状态只有在确定流量的情况下，确定过流断面，才能表现出一个最好的出力情况。当知道冷却塔的流量以后，就能确切地计算得到水轮机的功率，对照风叶轴功率是否符合，即可应用于冷却塔电机塔的改造。由于设计人员在设计循环水系统时，选择塔的进水压力没有标准依据，造成现有的冷却塔进塔水压高低差别较大。流量没有到额定值，进塔水压为零的冷却塔也大有塔在。 所以用水轮机改造冷却塔并不是所有的冷却塔都适合。
权利要求1.水动风机冷却塔，用于风冷循环冷却水，其特征在于，包括塔体、水轮机、风叶和布水系统，水轮机的进水口通过进水管连通至循环冷却水，水轮机的输出轴可传动地耦接风叶，水轮机的出水口耦接至布水系统，布水系统的出水区域位于塔体内空气流通路径中，并且其出水方向与塔体内空气流通方向相反，塔体被构造为循环冷却水的进塔水头和流量满足水轮机的输出功率和风叶的轴功率相符合的条件，以使水轮机驱动风叶风冷冷循环冷却水；水轮机的输出轴功率为W= YXQXHX η，其中Y-水的容重 1000X9. 81N/m3Q-水流量m3/sH-水头mη-水轮机的效率，为0. 88。
2.如权利要求1所述的水动风机冷却塔，其特征在于，水轮机相对塔体的上、下、内、 外、立、卧、俯或仰方位安装。
专利摘要水动风机冷却塔，用于风冷循环冷却水，包括塔体、水轮机、风叶和布水系统，水轮机的进水口通过进水管连通至循环冷却水，水轮机的输出轴可传动地耦接风叶，水轮机的出水口耦接至布水系统，布水系统的出水区域位于塔体内空气流通路径中，并且其出水方向与塔体内空气流通方向相反，塔体被构造为循环冷却水的进塔水头和流量满足水轮机的输出功率和风叶的轴功率相符合的条件。用循环冷却水恰当的水头和额定的水量作动力，水流通过高效水轮机，由传动轴带动风叶旋转产生风量，满足冷却塔的冷却效果。
文档编号F04D25/08GK202012443SQ20112002358
公开日2011年10月19日 申请日期2011年1月25日 优先权日2011年1月25日
发明者张普妲, 张飞狂 申请人:张普妲, 张飞狂