專利名稱：水動風機冷卻塔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及冷卻塔，尤其涉及水動風機冷卻塔。
背景技術(shù)：
1卯4年3月16日美國專利文獻U26723^A，企圖用佩爾頓水輪機置于冷卻塔中帶動風葉旋轉(zhuǎn)取風求冷效。但該專利沒有遵循帶動風葉所需能量應(yīng)符合循環(huán)水流內(nèi)部已有的能量，水輪機帶動風葉旋轉(zhuǎn)取風所需的功率計算公式為W(千瓦功率)=9.81XQ(水量)XH(水頭)X η (效率)，公式中冷卻塔的水量就是公稱額定值；水頭即為循環(huán)冷卻水在進塔位置的內(nèi)部壓力，由于省能需要，現(xiàn)有技術(shù)的水頭不會有太高的富裕。佩爾頓水輪機效率不高，需要較高的水壓才能轉(zhuǎn)動，所以要實現(xiàn)該專利必須較高水壓和超額定的水量而浪費能源，該專利沒有實用性，因失敗而至今沒有產(chǎn)品。1998年10月四日申請，公開號為 CN1221103A的免能冷塔，同樣存在沒有遵循帶動風葉所需能量應(yīng)符合循環(huán)水流內(nèi)部已有的能量的條件，不能適用于所有冷卻塔。上述現(xiàn)有技術(shù)的水力取風冷卻塔的優(yōu)點是用循環(huán)水推動水輪機，由水輪機輸出軸帶動風葉旋轉(zhuǎn)，可以省去電機而節(jié)能，但還有不足之處是不遵循帶動風葉所需能量應(yīng)符合循環(huán)水流內(nèi)部已有的能量，往往造成風葉轉(zhuǎn)速不高，達不到冷卻塔應(yīng)有的冷效。實際上用水泵反向安裝就是水輪機，用于冷卻塔風葉照樣轉(zhuǎn)，僅效率不高而已。如混流式水輪機用于冷卻塔，無異于用水泵安裝于冷卻塔一樣，效率不好?；炝魇剿啓C是常用于水力發(fā)電的水輪圓周全進口水輪機。因混流式水輪機的運轉(zhuǎn)水頭較高、轉(zhuǎn)速高而要配用減速器、軸向長度長不適應(yīng)冷卻塔內(nèi)空間、出水必須向下等原因而無法應(yīng)用。水力原動機，在冷卻塔旋轉(zhuǎn)布水器上安置風葉，由布水管的尾端向圓周噴水，依靠水流反作用力工作，由于受布水管的長度和尾部噴水反沖力及面積的影響，這種結(jié)構(gòu)不能做得較大，常在一臺較大塔中布置多個，且水流反作用力效率很低，無法滿足熱交換的氣水比。它的主要缺點是，若想改成單電機風機冷卻塔，比新購一臺冷卻塔還貴，大多是棄之不用，另建新塔。1%4年3月16日美國專利文獻U26723^A，就有人用于冷卻塔，但隨即失敗。無風機冷卻塔用高壓水噴成水幕帶動臨近空氣進行熱交換。所用水壓能耗比用電機風機還要大，不節(jié)能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述冷卻塔的不足而提供一種高效水動風機冷卻塔。本發(fā)明的水動風機冷卻塔，用于風冷循環(huán)冷卻水，其特點是，包括塔體、水輪機、風葉和布水系統(tǒng)，水輪機的進水口通過進水管連通至循環(huán)冷卻水，水輪機的輸出軸可傳動地耦接風葉，水輪機的出水口耦接至布水系統(tǒng)，布水系統(tǒng)的出水區(qū)域位于塔體內(nèi)空氣流通路徑中，并且其出水方向與塔體內(nèi)空氣流通方向相反，塔體被構(gòu)造為循環(huán)冷卻水的進塔水頭和流量滿足水輪機的輸出功率和風葉的軸功率相符合的條件?！榜罱印敝钢苯踊蜷g接連接。
所述的水動風機冷卻塔，其進一步的特點是，水輪機相對塔體的上、下、內(nèi)、外、立、 臥、俯或仰方位安裝。所述的水動風機冷卻塔，其進一步的特點是，該塔體為利用高度拔風有煙囪效應(yīng)的自然通風冷卻塔。所述的水動風機冷卻塔，其進一步的特點是，水輪機的輸出軸功率為W = Y XQXHX η，其中Y-水的容重 1000X9. 81N/m3Q-水流量 m3/sH-7jC 頭 mη-水輪機的效率，為0.88。所述的水動風機冷卻塔，其進一步的特點是，所述水輪機為沖擊式水輪機，采用立軸形式安裝。本發(fā)明是利用循環(huán)冷卻水恰當?shù)乃^和額定的水量作動力，水流通過高效水輪機，由傳動軸帶動風葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風量，滿足冷卻塔的冷卻效果。適用于任何型式的冷卻塔， 包括利用高度拔風有煙 效應(yīng)的自然通風冷卻塔。本發(fā)明充分利用進塔水頭的能量。如果把我國的冷卻塔國家標準修改成電耗為零，熱電站的利用高度拔風有煙囪效應(yīng)的自然通風冷卻塔，改成水動風機冷卻塔，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。


圖1是本發(fā)明的一實施例中水動風機冷卻塔的構(gòu)造圖。圖2是本發(fā)明的另一實施例中水動風機冷卻塔的構(gòu)造圖。圖3是本發(fā)明的另一實施例中水動風機冷卻塔的構(gòu)造圖。圖4是本發(fā)明的另一實施例中水動風機冷卻塔的構(gòu)造圖。圖5是本發(fā)明的另一實施例中水動風機冷卻塔的構(gòu)造圖。圖6是本發(fā)明的另一實施例中水動風機冷卻塔的構(gòu)造圖。圖7是本發(fā)明的另一實施例中水動風機冷卻塔的構(gòu)造圖。圖8是本發(fā)明的另一實施例中水動風機冷卻塔的構(gòu)造圖。圖9是本發(fā)明的另一實施例中水動風機冷卻塔的構(gòu)造圖。圖10是水輪機的動力學分析模型的示意圖。
具體實施例方式圖1至圖9是本發(fā)明的水動風機冷卻塔多種形式中有代表性的少數(shù)實施例。圖1 至圖9中1為風葉；2為水輪機；3為進水口 ；4為進水管；5為出水管；6為布水管；7為收水器；8為填料；9為淋水區(qū)；10為傳動軸；11為出水口。同時參照圖1至圖9，本發(fā)明的水動風機冷卻塔將具有恰當水頭和額定流量的循環(huán)冷卻水，由進水管4進入，經(jīng)水輪機2的進水口 3，過流水輪機2轉(zhuǎn)換成機械能給傳動軸 10，帶動風葉1旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生風量，風量即空氣，過流水輪機2以后的水流經(jīng)出水管5流向布水管6，散布于填料8的表面形成水膜，與進入塔體的對流的空氣進行熱交換冷卻，在淋水處落入水池，由循環(huán)水泵輸送為具有恰當水頭和額定流量的循環(huán)冷卻水由進水管4進入行循環(huán)，直到將水冷卻。冷卻塔的能熱交換能力主要由氣水比來決定，多少質(zhì)量流量的熱水用多少質(zhì)量流量的空氣進行熱交換即可實現(xiàn)冷卻塔的預期溫降。而質(zhì)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(qū)動風葉獲取。從各冷卻塔生產(chǎn)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(jīng)濟運行的最佳氣水比為0. 55， 自然通風冷卻塔的氣水比更低。氣水比實質(zhì)上就是氣的質(zhì)量與水的質(zhì)量的比。如果不用電機驅(qū)風，改用水輪機來驅(qū)風，那么就變成了用多少水流量轉(zhuǎn)換成推動空氣的質(zhì)量，來與熱水進行熱交換，電機是用多少千瓦的電功率來轉(zhuǎn)換成推動空氣的質(zhì)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(xiàn)，同樣達到冷卻效果，使塔的比電耗趨零。如圖8所示，而自然通風冷卻塔增加水輪機，使氣水比提高，提高冷效，減少塔的使用數(shù)量，塔的比電耗為零，被減塔的水泵是節(jié)電的實際效果。塔的外形、結(jié)構(gòu)、尺寸、冷卻原理都不需改變。且水輪機具有重量輕、結(jié)構(gòu)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，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(yīng)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. 2kff左右，效率較高的風葉還不到2. OkW。通過前述說明可知，已經(jīng)找到節(jié)能的目標，就是充分利用進塔水頭的能量。如果把我國的冷卻塔國家標準修改成電耗為零，熱電站的利用高度拔風有煙囪效應(yīng)的自然通風冷卻塔，改成水動風機冷卻塔，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。下面就前述各實施例的理論進行進一步的闡述。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(zhuǎn)。本發(fā)明以宏觀的角度來研究能量的轉(zhuǎn)換，從而建立冷卻塔水輪機的基本方程。根據(jù)動量矩定理，在單位時間內(nèi)，動量矩的變化等于外力的合力矩。按圖10所示， 合力矩M = QC1LAQC2LfQC3LJQC4L4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 = QC1LAQC2LfQC3L3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(zhuǎn)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 = QC1L1 = QC1COS α ^葉輪旋轉(zhuǎn)的功為角速度(ω)與動量矩的乘積。P=CoM=CoQC1COSa1R水輪機葉輪功的原始動能是流量(Q)與揚程(H)的乘積，要使水流的能量轉(zhuǎn)換為葉輪的能量，只有令兩式相等才能實現(xiàn)。ω QC1COS α ^ = QH上式說明質(zhì)量流量在能量轉(zhuǎn)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(循環(huán)冷卻水的水頭)，進塔水壓即為可轉(zhuǎn)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，在設(shè)計時由工程師自行決定進塔水壓的多少，遺憾的是現(xiàn)有技術(shù)中水壓的多少存有不確定性，大量存在設(shè)計不恰當?shù)乃畨海潦篃o法用水輪機改造冷卻塔。1%4年3月16日美國專利文獻 U2672328A,企圖用佩爾頓水輪機置于冷卻塔中帶動風葉旋轉(zhuǎn)取風求冷效。但該專利沒有遵循帶動風葉所需能量應(yīng)符合循環(huán)水流內(nèi)部已有的能量，佩爾頓水輪機效率不高，需要很高的水壓才能轉(zhuǎn)動，所以要實現(xiàn)該專利必須很高水壓和超額定的水量而浪費能源，該專利沒有實用性，因失敗而至今沒有產(chǎn)品。1998年10月四日申請，公開號為CN1221103A的免能冷塔(附件2、，同樣存在沒有遵循帶動風葉所需能量應(yīng)符合循環(huán)水流內(nèi)部已有的能量的條件，不能實用于所有冷卻塔，無法形成系列產(chǎn)品。現(xiàn)有技術(shù)沒有人公開用恰當?shù)乃^來改造冷卻塔，即為本發(fā)明的先進性和創(chuàng)造性。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(qū)風，只考慮進塔水流的能量是否達到風葉的軸功率。風葉的風量是在多少軸功率轉(zhuǎn)速情況下產(chǎn)出，關(guān)鍵是軸功率，只要軸功率達到風葉的額定值，轉(zhuǎn)速自然達到，風量自然也達到。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ff=y XQXHX η (kw)Y-水的容重 1000X9. 81N/m3Q-水流量 m3/sH-水頭 mη -水輪機的效率，0. 88水輪機水頭由伯努利方程計算H = Z+P+V2/2gZ-水輪機進出水位之差P-水流內(nèi)具備的壓力V-水流的速度m/sg_重力加速度9·81由于在本發(fā)明的一實施例中冷卻塔專用水輪機采用立軸形式，水輪機的轉(zhuǎn)輪是立置的，它的進出水位在同一平面上，沒有位能。Z = O.本發(fā)明的一實施例中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 = O.水流在噴出之時，已經(jīng)把壓能轉(zhuǎn)變成速度能一動能。所以本發(fā)明的一實施例中的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 = V2/2g
由于水流的速度V是單位面積上的過流水量。V = Q/SS-過流斷面積m2水頭公式又可以用H = Q2/2gS2來計算歸并上述公式后得冷卻塔專用水輪機的出力W = 9. 81XQ3/2gS2X0. 88 = 0. 44Q3/S2很顯然，當已知供塔泵的流量Q以后，決定水輪機出力的關(guān)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(xiàn)出一個最好的出力情況。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(yīng)用于冷卻塔電機塔的改造。由于設(shè)計人員在設(shè)計循環(huán)水系統(tǒng)時，選擇塔的進水壓力沒有標準依據(jù)，造成現(xiàn)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。
權(quán)利要求
1.水動風機冷卻塔，用于風冷循環(huán)冷卻水，其特征在于，包括塔體、水輪機、風葉和布水系統(tǒng)，水輪機的進水口通過進水管連通至循環(huán)冷卻水，水輪機的輸出軸可傳動地耦接風葉，水輪機的出水口耦接至布水系統(tǒng)，布水系統(tǒng)的出水區(qū)域位于塔體內(nèi)空氣流通路徑中，并且其出水方向與塔體內(nèi)空氣流通方向相反，塔體被構(gòu)造為循環(huán)冷卻水的進塔水頭和流量滿足水輪機的輸出功率和風葉的軸功率相符合的條件，以使水輪機驅(qū)動風葉風冷冷循環(huán)冷卻水。
2.如權(quán)利要求1所述的水動風機冷卻塔，其特征在于，水輪機相對塔體的上、下、內(nèi)、 外、立、臥、俯或仰方位安裝。
3.如權(quán)利要求1所述的水動風機冷卻塔，其特征在于，該塔體為利用高度拔風有煙囪效應(yīng)的自然通風冷卻塔。
4.如權(quán)利要求1所述的水動風機冷卻塔，其特征在于，水輪機的輸出軸功率為W= Y XQXHX η，其中Y-水的容重 1000X9. 81N/m3Q-水流量m3/sH-水頭mη-水輪機的效率，為0. 88。
全文摘要
水動風機冷卻塔，用于風冷循環(huán)冷卻水，包括塔體、水輪機、風葉和布水系統(tǒng)，水輪機的進水口通過進水管連通至循環(huán)冷卻水，水輪機的輸出軸可傳動地耦接風葉，水輪機的出水口耦接至布水系統(tǒng)，布水系統(tǒng)的出水區(qū)域位于塔體內(nèi)空氣流通路徑中，并且其出水方向與塔體內(nèi)空氣流通方向相反，塔體被構(gòu)造為循環(huán)冷卻水的進塔水頭和流量滿足水輪機的輸出功率和風葉的軸功率相符合的條件。用循環(huán)冷卻水恰當?shù)乃^和額定的水量作動力，水流通過高效水輪機，由傳動軸帶動風葉旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生風量，滿足冷卻塔的冷卻效果。
文檔編號F03B13/00GK102183158SQ201110027180
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月25日
發(fā)明者張普妲, 張飛狂 申請人:張普妲, 張飛狂