專為冷卻塔中的能量回收而設(shè)計(jì)的高效水輪機(jī)

在中國，進(jìn)入冷卻塔的冷卻水仍保持39,240至147,150 Pa的殘余壓力，為了利用這種浪費(fèi)的能源，建議利用剩余的水能驅(qū)動安裝在冷卻塔中的一種水輪機(jī)冷卻內(nèi)部平臺。并通過聯(lián)軸器使風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動。然而，由于在冷卻塔的運(yùn)行條件下效率低下或與風(fēng)扇速度不匹配，傳統(tǒng)的水輪機(jī)不適合這項(xiàng)工作。根據(jù)冷卻塔水輪機(jī)工作環(huán)境的要求，本文設(shè)計(jì)了一種新型水輪機(jī)。超低比轉(zhuǎn)速（ns specific = ultra50 m.kW）冷卻塔渦輪機(jī)取代了冷卻塔中的風(fēng)扇電機(jī)。 .首先，通過理論分析和計(jì)算流體動力學(xué)仿真，對轉(zhuǎn)輪葉片的形狀、位置和數(shù)量進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化。此外，采用金屬橢圓蝸殼和單排環(huán)形導(dǎo)葉，減小了結(jié)構(gòu)尺寸。最后，通過物理模型試驗(yàn)，證明新型冷卻塔渦輪機(jī)的優(yōu)化方案具有88%的高效率和良好的運(yùn)行穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)冷卻塔收集可再生能源的目標(biāo)。

簡介

冷卻塔是用于將循環(huán)冷卻水系統(tǒng)吸收的余熱排放到大氣中的除熱裝置。 1,2 水與空氣接觸以散發(fā)工業(yè)廢熱。目前，冷卻塔中使用的大多數(shù)風(fēng)扇都是由消耗大量電力的電動機(jī)驅(qū)動的。但在我國，由于設(shè)計(jì)余量過大，冷卻水系統(tǒng)循環(huán)水仍保持39240～147150Pa的超壓，經(jīng)常浪費(fèi)在節(jié)流閥中。為了利用浪費(fèi)的能源，建議利用多余的水能驅(qū)動安裝在冷卻塔內(nèi)平臺的一種水輪機(jī)，通過其聯(lián)軸器使風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，如圖1所示。然而，由于冷卻塔的運(yùn)行條件和風(fēng)扇參數(shù)，傳統(tǒng)的水輪機(jī)不適合這項(xiàng)工作。

水輪機(jī)回收冷卻塔的廢能，他的試驗(yàn)結(jié)果表明，冷卻塔有限的安裝空間迫使廣東冷卻塔的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪完全浸沒在水中，從而大大降低其效率。 Chen4改進(jìn)了廣東冷卻塔水輪機(jī)用于冷卻塔，并推薦了另一種水輪機(jī)混流式水輪機(jī)。冷卻塔渦輪雖然通常效率高，但其高轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不匹配，需要相應(yīng)的減速機(jī)，使得整個裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積大。已經(jīng)進(jìn)行了許多研究 [5-8] 來提高冷卻塔中使用的混流式水輪機(jī)的水力性能，這些水輪機(jī)的效率不夠高。因此，應(yīng)設(shè)計(jì)一種適應(yīng)冷卻塔工況的新型水輪機(jī)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）的發(fā)展，越來越多的研究人員使用CFD方法來分析流體機(jī)械的特性，例如水泵和水輪機(jī)。 9-11 - 通過CFD模擬和實(shí)驗(yàn)方法研究和開發(fā)低比風(fēng)速。具有體積小、效率高、成本低的特點(diǎn)，能很好地滿足冷卻塔的需要。

基本參數(shù)設(shè)計(jì)

比速

In this In該研究為給定的冷卻塔設(shè)計(jì)了一種新的冷卻塔渦輪機(jī)，其排放率為 0.833 m3/s，剩余水頭為 13 m。安裝在該冷卻塔中的風(fēng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為 136 r/min，電機(jī)功率為 91 kW。

比轉(zhuǎn)速ns是按類型和比例對水輪機(jī)進(jìn)行分類的重要參數(shù)。

這里，n、P、H分別為水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速、輸出功率和水頭。另外，單位轉(zhuǎn)速n11是另一個重要參數(shù)，由式（2）計(jì)算

（2）

對于給定的冷卻塔，將上述參數(shù)代入式（ 1)、新型冷卻塔渦輪的ns等于52.6 μm kW，與發(fā)電廠使用的傳統(tǒng)冷卻塔渦輪相比非常低。根據(jù)冷卻塔水輪機(jī)尺寸與比轉(zhuǎn)速12的關(guān)系以及冷卻塔內(nèi)有限的安裝空間，確定了這種新型冷卻塔水輪機(jī)的基本參數(shù)，列于表1。

< p>值得一提的是，為了減小新型冷卻塔渦輪的水平尺寸，單排導(dǎo)葉取代了常規(guī)的雙排導(dǎo)葉，以提供導(dǎo)水和負(fù)載支持。同樣，螺旋殼部分的形狀為橢圓形，使用錐角為13°的圓錐形引流管。

1：螺旋表殼； 2：豎環(huán)； 3：導(dǎo)葉； 4：轉(zhuǎn)輪； 5：軸承座； 6：轉(zhuǎn)軸； 7：引流管； 8：起落架

CFD模擬結(jié)果

數(shù)值模擬方法

利用Fluent軟件對冷卻塔渦輪進(jìn)行三維湍流穩(wěn)態(tài)模擬。 13 對于該渦輪機(jī)的流體流動分析，穩(wěn)定不可壓縮流動的連續(xù)性方程和雷諾平均方程被用于以下形式。

其中速度、壓力、運(yùn)動粘度和密度是粘性應(yīng)力張量的分量，也稱為雷諾應(yīng)力張量。湍流對流場的影響是通過雷諾應(yīng)力得到的，雷諾應(yīng)力是根據(jù)本文采用的湍流模型計(jì)算得到的，具有較好的數(shù)值收斂性和魯棒性。 15 控制方程采用有限體積法離散化，二是擴(kuò)散項(xiàng)二階中心差分格式，二階逆風(fēng)格式對流項(xiàng)，壓力鏈接方程-一致半隱式方法(SIMPLEC) 用于速度壓力。耦合解決方案。邊界條件設(shè)置如下： 對于入口邊界條件，給出了相對總壓力、湍流動能及其擴(kuò)散速率。對于出口邊界條件，指定了相對靜壓、湍流動能及其擴(kuò)散速率。對壁應(yīng)用防滑邊界條件；標(biāo)準(zhǔn)墻函數(shù)應(yīng)用于墻附近的區(qū)域。 16

考慮到網(wǎng)格敏感性和PC機(jī)的計(jì)算能力，采用Gambit網(wǎng)格劃分軟件選取并構(gòu)建非結(jié)構(gòu)化四面體單元。 17 還檢查了網(wǎng)格獨(dú)立性，如表 2 所示。網(wǎng)格超過 259 萬億，結(jié)果或多或少獨(dú)立于方案 4 和方案 5 的網(wǎng)格細(xì)化。

渦輪通道也可以通過以下公式計(jì)算

這里，(Pinlet-Pout)是通道進(jìn)出口的總壓差，ρ和g分別是水的密度和由于加速度到重力。從表4可以看出，水力損失主要存在于導(dǎo)葉區(qū)，達(dá)到10.5%，即1.41 μm。

描述初始方案的內(nèi)部流場，揭示超低比轉(zhuǎn)速渦輪的特性。從圖 3可以看出，靜壓從葉片受壓側(cè)前緣向后緣逐漸減小，且下降明顯，在葉片吸力側(cè)前緣附近出現(xiàn)局部低壓，這是造成通過導(dǎo)板之間產(chǎn)生的高速。葉片和葉輪葉片，如圖4所示。從圖4還可以看出，葉輪入口區(qū)域的速度普遍較高，最大速度超過17μm/s，這表明動能是作用于其上的能量的主要形式刀片。轉(zhuǎn)輪葉片。從圖 5 可以得出結(jié)論，由于葉片到葉片通道中相對速度的流線分布平滑，流道中的流動模式是均勻的。

冷卻塔水輪機(jī)改進(jìn)方案數(shù)值結(jié)果

雖然初始方案的水輪機(jī)功率能夠滿足風(fēng)機(jī)的功率要求，但明顯的缺點(diǎn)是在導(dǎo)葉面積 發(fā)動機(jī)排量過大，液壓損失過大。為此，如圖6和圖7所示，通過修改導(dǎo)葉和葉輪葉片的形狀進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)方面，將導(dǎo)葉型面的一側(cè)調(diào)整為細(xì)長，同時增加了轉(zhuǎn)輪葉片的翼型彎曲角度。

排水管入口處的圓周速度在圖10中較為明顯，但由于轉(zhuǎn)輪葉片翼型彎曲角度的增大，在圖11中幾乎消失，即也有利于降低低比轉(zhuǎn)速水輪機(jī)的水力損失。

實(shí)驗(yàn)測量

根據(jù)改進(jìn)方案，制造了一臺超低比轉(zhuǎn)速冷卻塔水輪機(jī)。實(shí)驗(yàn)在水力機(jī)械試驗(yàn)臺上進(jìn)行，水頭在 5 至 16.5 μm 之間以 136 r/min 的恒定速度變化（圖 12）。測試結(jié)果表明，最大效率達(dá)到88%，H=11.6 m，Q=0.794 m3/s，比CFD結(jié)果低0.5%。當(dāng)H = 12.66 m和Q = 0.848 m3/s時，水輪機(jī)可產(chǎn)生91 kW的功率。

表明在n11結(jié)果=39和43r/min之間CFD結(jié)果的效率與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，試驗(yàn)結(jié)果的最佳效率點(diǎn)右移n11值較大，是因?yàn)榻?jīng)檢查發(fā)現(xiàn)渦輪通道的表面粗糙度偏大。

結(jié)論

通過CFD模擬和實(shí)驗(yàn)測試，研制出一種超低比轉(zhuǎn)速的冷卻塔渦輪機(jī)，可以完全替代電機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)高效率，從而達(dá)到冷卻塔利用可再生能源的目的。大部分水力損失發(fā)生在導(dǎo)葉區(qū)域。因此，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化導(dǎo)葉，提高水輪機(jī)的性能。導(dǎo)葉區(qū)域和細(xì)長葉輪葉片中的高流速導(dǎo)致通道表面粗糙度成為影響渦輪效率的關(guān)鍵因素之一。

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