CN103743257B - 高效水动力冷却塔 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效水动力冷却塔的设计方法，其按照公式（1）、（2）、（4）、(5)设计计算得出基本数据，依据这些基本数据制造出的冷却塔。冷却塔包括外壳、匹配设于外壳内侧的水轮机以及与水轮机分别匹配连接的风扇、冷却水出水管和冷却水进水管；水轮机包括基础环、装设于基础环顶端的蜗壳、装设于基础环底端的尾水管、装设于蜗壳顶端的顶盖、穿设于蜗壳内侧的转动轴以及装设于转动轴一端的转轮。本发明的设计方法简单、合理，计算出精确。本发明的冷却塔具有良好的能量和安全性能，通过水流冲击转轮产生动能，带动风机转动，不需要增加外部动力源，节约了能源，使用安全可靠，适于推广与应用。

Description

高效水动力冷却塔

技术领域

本发明涉及冷却塔技术领域，尤其涉及一种高效水动力冷却塔。

背景技术

目前，市场上空调系统正在使用的冷却塔主要的冷却方式是以电动机为动力源带动风机旋转，使得空气流动，与空调冷却水逆向流通，从而达到空调冷却水降温的目的。对于目前能源的日益紧张情况，空调系统节约能耗也就成为了一种新型的竞争手段，而对于占据整个空调系统20％～30％能耗的冷却塔电能消耗就首先成为了人们眼中的一个焦点，怎样使冷却塔更能节约能耗也就成了人们急于解决的一个新的课题。国际上以及国内有人用混流式或轴流式转轮替代原有电机，使风机由原来的电力驱动改为水力驱动，达到了节约能耗的目的，但是众所周知，混流式转轮应用水头较高(40～700米)，但叶片固定，负荷变化较大时，效率显著下降；而轴流式转桨机尽管能适应水头(3～50米)与负荷变化，高效率区宽，但空蚀系数(动力真空与水头之比值)较大，且悬臂的桨叶强度有限，故应用水头较低。

发明内容

本发明是为了解决现有的空调系统冷却塔能耗较大以及对周边环境污染等的问题而提出一种通过简单、合理的设计方法制造出不仅具有良好的能量和安全性能，而且能显著降低电力能耗、减小噪声，应用范围更加广泛的高效水动力冷却塔。

本发明是通过以下技术方案实现的：

上述的高效水动力冷却塔的设计方法，其包括以下步骤，

(A)计算水轮机进水口和水轮机出水口处之间的单位能量差，即冷却塔工作水头H_r，计算公式为：

$H_r=E_A-E_B=(Z_A+\frac{p_A}{{\mathrm{\γ}}_A}+\frac{{\mathrm{\α}}_A{v}_A^2}{2g})-(Z_B+\frac{p_B}{{\mathrm{\γ}}_B}+\frac{{\mathrm{\α}}_B{v}_B^2}{2g})---\left(1\right);$

上述式(1)中，E_A指水轮机进水口处的单位能量；

E_B指水轮机出水口处的单位能量；

Z_A指水轮机进水口处的几何高度；

Z_B指水轮机出水口处的几何高度；

P_A指水轮机进水口处的压力；

P_B指水轮机出水口处的压力；

γ_A水轮机进水口处水的比重；

γ_B水轮机出水口处水的比重；

ν_A指水轮机进水口处水流的平均流速；

ν_B指水轮机出水口处水流的平均流速；

α_A指水轮机进水口处水流的流速不均匀系数；

α_B指水轮机出水口处水流的流速不均匀系数；

g指重力加速度；

(B)根据上述步骤(A)及冷却塔初步设计参数计算转轮直径D₁，其计算公式为：

$D_1=\sqrt{\frac{P}{9.81Q_1{H_r}^{\frac{3}{2}}\mathrm{\η}}}---\left(2\right);$

上述式(2)中，P指转轮的额定输出功率；

Q₁指转轮设计额定工况的单位流量m³/s；

η指转轮输出效率，η＝0.8-0.9；

(C)计算蜗壳进口管径d₁，其计算公式为：

$d_1=\sqrt{\frac{Q_r}{3.14v_1}}---\left(4\right);$

上述式(4)中，Qr指冷却塔设计冷却水量，V₁指蜗壳进口处的水流流速；

(D)计算上述式(4)中冷却塔设计冷却水量Qr,其计算公式为：

$Q_r=\frac{r\mathrm{\ω}+\frac{\mathrm{\η}gH}{\mathrm{\ω}}}{\frac{1}{2{\mathrm{\πb}}_0}+\frac{r}{A}ctg\mathrm{\β}},(m^3/s)---\left(5\right);$

上述式(5)中，H为Hr，冷却塔工作水头，单位m；

r指转轮出口半径；

ω指转轮旋转角速度；

β指转轮叶片安装角；

A指转轮出口过流面积；

b₀指固定导叶高度。

所述高效水动力冷却塔，其中，所述水轮机进水口处的单位能量E_A的计算公式为：

$E_A=Z_A+\frac{p_A}{{\mathrm{\γ}}_A}+\frac{{\mathrm{\α}}_A{v}_A^2}{2g};$

所述水轮机出水口处的单位能量E_B的计算公式为：

$E_B=Z_B+\frac{p_B}{{\mathrm{\γ}}_B}+\frac{{\mathrm{\α}}_B{v}_B^2}{2g};$

所述转轮的额定输出功率P计算公式为：P＝9.81Q_rH_rη，式中Q_r指冷却塔设计冷却水量，H_r指冷却塔工作水头，η指转轮输出效率；

所述蜗壳进口处的水流流速的计算公式为：

$V_1=K_r\sqrt{H_r}---\left(3\right);$

K_r＝0.9～0.95；

上述式(3)中，K_r指流速系数；

所述转轮的比转速n_s的计算公式为：

$n_s=\frac{n\sqrt{P}}{H_r^{\frac{5}{4}}}---\left(6\right);$

上述式(6)中，n_s＝ω/2π，n＝150-200转/分。

一种高效水动力冷却塔，包括外壳、匹配设于所述外壳内侧的水轮机以及与所述水轮机分别匹配连接的风扇、冷却水出水管和冷却水进水管；所述水轮机包括基础环、装设于所述基础环顶端的蜗壳、装设于所述基础环底端的尾水管、装设于所述蜗壳顶端的顶盖、穿设于所述蜗壳内侧的转动轴以及装设于所述转动轴一端的转轮；其特征在于:所述转轮为自一端向另一端倾斜的圆锥形壳体结构，其匹配固设于所述转动轴的底端部，外壁沿圆周倾斜一定角度均匀设置有呈空间扭曲面的转轮叶片；所述转轮叶片还分别与所述转动轴以及水流流向形成一个斜向夹角。

所述高效水动力冷却塔，其中：所述蜗壳为向内螺旋管道组成的蜗壳且管径以螺旋线结构逐步缩小，其靠内一侧呈开口状；所述蜗壳在位于开口处的内侧还装设有用于分流水流的固定导叶。

所述高效水动力冷却塔，其中：所述顶盖呈环形筒状结构，其底端口的内侧壁与所述转动轴之间装设有密封装置。

所述高效水动力冷却塔，其中：所述转动轴呈轴体结构，其一端向所述顶盖上侧穿出，另一端向所述顶盖下侧穿出；所述转动轴向所述顶盖上侧穿出的顶端开设有第一键槽，所述转动轴向所述顶盖下侧穿出的底端开设有第二键槽；所述风扇通过所述第一键槽配以定位键固定于所述转动轴的顶端；所述转轮通过所述第二键槽配以定位键套接固定于所述转动轴的底端。

所述高效水动力冷却塔，其中：：所述水轮机还包括轴承座；所述轴承座呈锥形筒状结构，其匹配套设于向所述顶盖上侧穿出的所述转动轴一端；所述轴承座的顶端口固设有轴承盖板，底端与所述第二法兰盘固定连接；所述轴承座的顶端口内壁与所述转动轴之间装设有轴承，所述轴承座的底端口内壁与所述转动轴之间也装设有轴承。

所述高效水动力冷却塔，其中：所述冷却水进水管一端伸进所述外壳内侧且与所述蜗壳的进水口连接导通，另一端伸出所述外壳外侧且连接外置供水装置；所述冷却水出水管水平设置于所述外壳的上端内侧，其中部与所述尾水管连接并导通。

有益效果：

本发明高效水动力冷却塔的设计方法简单、合理，按照公式(1)、(2)、(4)、(5)设计计算得出基本数据，依据这些基本数据制造出的冷却塔，具有良好的能量和安全性能，通过水流冲击转轮产生动能，带动风机转动，不需要增加外部动力源，从而达到节能的目的。

本发明高效水动力冷却塔结构设计简单、合理，其中，通过水流冲击斜流式转轮产生动能，从而带动风机转动，不需要增加外部动力源，从而达到节能的目的；转轮与风扇由转动轴连接，并且在与转动轴的连接处开有键槽，转轮及风扇与转动轴采用定位键连接；蜗壳进水处不需要设置活动导水机构，冷却水水量由冷却水泵流量确定；在冷却风机中，用斜流式水轮机取代电动机，转轮为自一端向另一端倾斜的圆锥形壳体结构且采用低转速设计，使风机与转轮的转速能达到完全匹配，因此在转轮与风机之间不在设置减速装置，减少了设备易损件及后期设备维护率；将冷却水进水管直接接至蜗壳进水口，尾水管连接至冷却水出水管道；当冷却水通过外置循环冷却水泵连接至冷却水进水管，使其进入转轮内，使得转轮旋转带动风机，把原先循环水系统的能量二次利用，不仅仅消除了原有冷却风机内电能的消耗，还大大降低了风机电机急减速装置的震动和噪音，减少了环境的污染，适于推广与应用。

附图说明

图1为本发明高效水动力冷却塔的结构示意图；

图2为本发明高效水动力冷却塔的水轮机的结构示意图；

图3为本发明高效水动力冷却塔的水轮机另一结构示意图。

具体实施方式

本发明的高效水动力冷却塔主要应用于中央空调系统中，即用来使冷却水降温，其按照公式(1)、(2)、(4)、(5)设计计算得出基本数据；依据这些基本数据制造出的高效水动力冷却塔，具有良好的能量和安全性能；通过水流冲击转轮产生动能，带动风机转动，不需要增加外部动力源，从而达到节能的目的。

本发明高效水动力冷却塔的设计方法，其计算的基本过程如下：

1、计算水轮机进水口处和水轮机出水口处之间的单位能量差

水轮机进水口A-A断面(图1中冷却水进水管4的断面)和出水口B-B断面(图1中冷却水进水管4的断面)处水流所具有的单位能量分别为：

$E_A=Z_A+\frac{p_A}{{\mathrm{\γ}}_A}+\frac{{\mathrm{\α}}_A{v}_A^2}{2g};$

$E_B=Z_B+\frac{p_B}{{\mathrm{\γ}}_B}+\frac{{\mathrm{\α}}_B{v}_B^2}{2g};$

式中，E_A指水轮机进水口处的单位能量；

E_B指水轮机出水口处的单位能量；

Z_A指水轮机进水口处的几何高度；

Z_B指水轮机出水口处的几何高度；

P_A指水轮机进水口处的压力；

P_B指水轮机进水口处的压力；

γ_A水轮机进水口处水的比重；

γ_B水轮机出水口处水的比重；

ν_A指水轮机进水口处水流的平均流速；

ν_B指水轮机出水口处水流的平均流速；

α_A指水轮机进水口处水流的流速不均匀系数，α_A＝1；

α_A指水轮机出水口处水流的流速不均匀系数，α_B＝1；

g指重力加速度；

水轮机进水口处和出水口处之间的单位能量差，即指A-A断面(图1中冷却水进水管4的断面)与B-B断面(图1中冷却水进水管4的断面)之间的单位能量差,即冷却塔工作水头H_r，其计算公式为：

$H_r=E_A-E_B=(Z_A+\frac{p_A}{{\mathrm{\γ}}_A}+\frac{{\mathrm{\α}}_A{v}_A^2}{2g})-(Z_B+\frac{p_B}{{\mathrm{\γ}}_B}+\frac{{\mathrm{\α}}_B{v}_B^2}{2g})---\left(1\right).$

2、根据上述步骤1及冷却塔初步设计参数，计算转轮运行的额定输出功率P，其计算公式为：P＝9.81Q_rH_rη；

式中，P指输出功率，单位为千瓦；

Q_r指冷却塔设计冷却水量m³/s，Q_r＝0.14-1.4m³/s；

H_r指冷却塔工作水头，单位m，H_r＝8～20m；

η指转轮输出效率，η＝0.8-0.9。

3、根据转轮直径公式，计算转轮直径D₁：

$D_1=\sqrt{\frac{P}{9.81Q_1{H_r}^{\frac{3}{2}}\mathrm{\η}}},\left(m\right)---\left(2\right);$

式中P指输出功率；

Q₁指转轮设计额定工况的单位流量m³/s，Q₁＝2m³/s；

H_r指冷却塔工作水头m，H_r＝8～20m；

η指转轮输出效率，η＝0.8-0.9。

4、计算蜗壳进口流速V₁：

$V_1=K_r\sqrt{H_r},(m/s)---\left(3\right);$

K_r＝0.9-0.95

式中，K_r指流速系数；

5、确定蜗壳进口管径d₁：

$d_1=2\sqrt{\frac{Q_r}{3.14V_1}},\left(m\right)---\left(4\right);$

6、水轮机流量调节方程：

$Q_r=\frac{r\mathrm{\ω}+\frac{\mathrm{\η}gH}{\mathrm{\ω}}}{\frac{1}{2{\mathrm{\πb}}_0}+\frac{r}{A}ctg\mathrm{\β}},(m^3/s)---\left(5\right);$

式中r指转轮出口半径；

ω指转轮旋转角速度；

β指转轮叶片安装角；

A指转轮出口过流面积

b₀指固定导叶高度；

其中叶片安装角进口边为22°～32°之间，出水边为22°～31°；转轮叶片的叶片数为3～8片。

7、计算转轮比转速：

$n_s=\frac{n\sqrt{P}}{H_r^{\frac{5}{4}}}---\left(6\right);$

式中n＝ω/2π，n＝150-200转/分。

本发明高效水动力冷却塔中涉及到的方位词“上”、“下”以及“顶”、“底”、“内”、“外”均与附图1或2的朝向一致。

如图1至3所示，本发明高效水动力冷却塔是基于上述高效水动力冷却塔的设计方法，其包括外壳1、水轮机2、风扇3、冷却水进水管4和冷却水出水管5。

外壳1大致呈灌状壳体结构，顶端设有通风口11。

水轮机2匹配设置于外壳1的内部，其包括基础环21、蜗壳22、固定导叶23、顶盖24、转动轴25、密封装置26、转轮27、轴承座28和尾水管29。

基础环21呈喇叭状壳体结构，其顶端和底端均成开口状；其中，基础环21的底端口向外水平均匀延伸形成第一法兰盘211，顶端口外壁向外水平均匀延伸形成有台阶面。

蜗壳22为向内螺旋管道组成的蜗壳且管径以螺旋线结构逐步缩小，其靠内一侧呈开口状且开口处的上侧外壁和下侧外壁均设有台阶面，其中，蜗壳22开口处的下侧外壁的台阶面与基础环21顶端口外壁的台阶面匹配卡合并通过锁紧件锁紧固定，使蜗壳22匹配固设于基础环21的顶端外壁。

固定导叶23装设于蜗壳25开口处的内侧，起到分流水流，使冷却水均匀冲击转轮26，使转轮26受力更均匀。

顶盖24呈环形筒状结构，其顶端口向外水平均匀延伸形成第二法兰盘241，底端端口先向外呈水平均匀延伸后再向上呈弯曲延伸，其中，该顶盖24底端口呈弯曲延伸的端部内侧设有台阶面，该顶盖24底端口呈弯曲延伸的端部的台阶面与蜗壳22开口处的上侧外壁的台阶面匹配卡合并通过锁紧件锁紧固定，使该顶盖24固设于蜗壳22开口处的上侧外壁。

转动轴25呈轴体结构且穿设于顶盖24内部，即一端向顶盖24上侧穿出，另一端向顶盖24下侧穿出；其中，该转动轴25向顶盖24上侧穿出的顶端开设有第一键槽251，该转动轴25向顶盖24下侧穿出的底端开设有第二键槽252。

密封装置26匹配装设于顶盖24底端口内侧壁与转动轴25之间，以防止蜗壳22中的冷却水外漏。

转轮27为自一端向另一端倾斜的圆锥形壳体结构，其通过转动轴25的第二键槽252配以定位键匹配套接固定于转动轴25的底端部，外壁沿圆周倾斜一定角度均匀设置有呈空间扭曲面的转轮叶片271，其中，该转轮叶片271还分别与转动轴25及水流流向形成一个斜向夹角。

轴承座28大致呈锥形筒状结构，其匹配套设于向顶盖24上侧穿出的转动轴25一端；该轴承座28的顶端口通过锁紧件固设有轴承盖板281，底端通过锁紧件与顶盖24顶端口的第二法兰盘241连接固定；其中，该轴承座28顶端口内壁与转动轴25之间以及该轴承座28底端口内壁与转动轴25之间均装设有轴承282。

尾水管29匹配装设于基础环21的底端，其上端口向外水平均匀延伸形成第三法兰盘291，其中，该尾水管29的第三法兰盘291与基础环21底端的第一法兰盘211通过锁紧件连接固定。

风扇3装设于转动轴24的顶端，其通过转动轴25顶端的第一键槽251配以定位键与转动轴24顶端连接固定。

冷却水进水管4一端伸进外壳1内侧且与水轮机2的蜗壳22的进水口连接导通，另一端伸出外壳1外侧且连接外置供水装置。

冷却水出水管5水平设置于外壳1的上端内侧，中部与水轮机2的尾水管29连接并导通。

本发明工作原理：

通过外置空调冷却水泵将冷却水送至冷却塔，靠水的余压来冲击转轮27，通过转轮27的旋转带动风扇3转动，使气流流动冷却由冷却水出水管5喷出的冷却水，从而达到使冷却水降温的目的。

本发明的设计方法简单、合理，计算过程简单、精确，依据这些基本数据制造出的冷却塔，具有良好的能量和安全性能。

本发明高效水动力冷却塔结构设计简单、合理，其应用于空调系统中不仅节约电力能耗，而且还能大大减少噪音对环境的污染，由于取消了电机及减速装置，因此，杜绝了漏电的可能，也使得运行状况更加稳定，减少了设备的维护保养，使用安全可靠。

以上实施例，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (6)

1.一种高效水动力冷却塔，其特征在于：所述高效水动力冷却塔的设计方法包括以下步骤：

(A)计算水轮机进水口和水轮机出水口处之间的单位能量差，即冷却塔工作水头H_r，计算公式为：

$H_r=E_A-E_B=(Z_A+\frac{p_A}{{\mathrm{\γ}}_A}+\frac{{\mathrm{\α}}_A{v}_A^2}{2g})-(Z_B+\frac{p_B}{{\mathrm{\γ}}_B}+\frac{{\mathrm{\α}}_B{v}_B^2}{2g})---\left(1\right);$

上述式(1)中，E_A指水轮机进水口处的单位能量；

E_B指水轮机出水口处的单位能量；

Z_A指水轮机进水口处的几何高度；

Z_B指水轮机出水口处的几何高度；

P_A指水轮机进水口处的压力；

P_B指水轮机出水口处的压力；

γ_A水轮机进水口处水的比重；

γ_B水轮机出水口处水的比重；

ν_A指水轮机进水口处水流的平均流速；

ν_B指水轮机出水口处水流的平均流速；

α_A指水轮机进水口处水流的流速不均匀系数；

α_B指水轮机出水口处水流的流速不均匀系数；

g指重力加速度；

(B)根据上述步骤(A)及冷却塔初步设计参数计算转轮直径D₁，其计算公式为：

$D_1=\sqrt{\frac{P}{9.81Q_1{H_r}^{\frac{3}{2}}\mathrm{\η}}}---\left(2\right);$

上述式(2)中，P指转轮的额定输出功率；

Q₁指转轮设计额定工况的单位流量m³/s；

η指转轮输出效率，η＝0.8-0.9；

(C)计算蜗壳进口管径d₁，其计算公式为：

$d_1=\sqrt{\frac{Q_r}{3.14v_1}}---\left(4\right);$

上述式(4)中，Qr指冷却塔设计冷却水量，V₁指蜗壳进口处的水流流速；

(D)计算上述式(4)中冷却塔设计冷却水量Qr,其计算公式为：

$Q_r=\frac{r\mathrm{\ω}+\frac{\mathrm{\η}gH}{\mathrm{\ω}}}{\frac{1}{2{\mathrm{\πb}}_0}+\frac{r}{A}ctg\mathrm{\β}}(m^3/s)---\left(5\right);$

上述式(5)中，H为Hr，冷却塔工作水头，单位m；

r指转轮出口半径；

ω指转轮旋转角速度；

β指转轮叶片安装角；

A指转轮出口过流面积；

b₀指固定导叶高度；

所述水轮机进水口处的单位能量E_A的计算公式为：

$E_A=Z_A+\frac{p_A}{{\mathrm{\γ}}_A}+\frac{{\mathrm{\α}}_A{v}_A^2}{2g};$

所述水轮机出水口处的单位能量E_B的计算公式为：

$E_B=Z_B+\frac{p_B}{{\mathrm{\γ}}_B}+\frac{{\mathrm{\α}}_B{v}_B^2}{2g};$

所述转轮的额定输出功率P计算公式为：P＝9.81Q_rH_rη，式中Q_r指冷却塔设计冷却水量，H_r指冷却塔工作水头，η指转轮输出效率；

所述蜗壳进口处的水流流速的计算公式为：

$V_1=K_r\sqrt{H_r}---\left(3\right);$

K_r＝0.9～0.95；

上述式(3)中，K_r指流速系数；

所述转轮的比转速n_s的计算公式为：

$n_s=\frac{n\sqrt{P}}{H_r^{\frac{5}{4}}}---\left(6\right);$

上述式(6)中，n_s＝ω/2π，n＝150-200转/分；

所述高效水动力冷却塔包括外壳、匹配设于所述外壳内侧的水轮机以及与所述水轮机分别匹配连接的风扇、冷却水出水管和冷却水进水管；所述水轮机包括基础环、装设于所述基础环顶端的蜗壳、装设于所述基础环底端的尾水管、装设于所述蜗壳顶端的顶盖、穿设于所述蜗壳内侧的转动轴以及装设于所述转动轴一端的转轮；所述转轮为自一端向另一端倾斜的圆锥形壳体结构，其匹配固设于所述转动轴的底端部，外壁沿圆周倾斜一定角度均匀设置有呈空间扭曲面的转轮叶片；

所述转轮叶片还分别与所述转动轴以及水流流向形成一个斜向夹角。

2.如权利要求1所述的高效水动力冷却塔，其特征在于：所述蜗壳为向内螺旋管道组成的蜗壳且管径以螺旋线结构逐步缩小，其靠内一侧呈开口状；所述蜗壳在位于开口处的内侧还装设有用于分流水流的固定导叶。

3.如权利要求1所述的高效水动力冷却塔，其特征在于：所述顶盖呈环形筒状结构，其底端口的内侧壁与所述转动轴之间装设有密封装置。

4.如权利要求1所述的高效水动力冷却塔，其特征在于：所述转动轴呈轴体结构，其一端向所述顶盖上侧穿出，另一端向所述顶盖下侧穿出；

所述转动轴向所述顶盖上侧穿出的顶端开设有第一键槽，所述转动轴向所述顶盖下侧穿出的底端开设有第二键槽；

所述风扇通过所述第一键槽配以定位键固定于所述转动轴的顶端；

所述转轮通过所述第二键槽配以定位键套接固定于所述转动轴的底端。

5.如权利要求4所述的高效水动力冷却塔，其特征在于：所述水轮机还包括轴承座；所述轴承座呈锥形筒状结构，其匹配套设于向所述顶盖上侧穿出的所述转动轴一端；

所述轴承座的顶端口固设有轴承盖板，底端与所述第二法兰盘固定连接；

所述轴承座的顶端口内壁与所述转动轴之间装设有轴承，所述轴承座的底端口内壁与所述转动轴之间也装设有轴承。

6.如权利要求1所述的高效水动力冷却塔，其特征在于：所述冷却水进水管一端伸进所述外壳内侧且与所述蜗壳的进水口连接导通，另一端伸出所述外壳外侧且连接外置供水装置；

所述冷却水出水管水平设置于所述外壳的上端内侧，其中部与所述尾水管连接并导通。