专为冷却塔中的能量回收而设计的高效水轮机

在中国，进入冷却塔的冷却水仍保持39,240至147,150 Pa的残余压力，为了利用这种浪费的能源，建议利用剩余的水能驱动安装在冷却塔中的一种水轮机冷却内部平台。并通过联轴器使风机转动。然而，由于在冷却塔的运行条件下效率低下或与风扇速度不匹配，传统的水轮机不适合这项工作。根据冷却塔水轮机工作环境的要求，本文设计了一种新型水轮机。超低比转速（ns specific = ultra50 m.kW）冷却塔涡轮机取代了冷却塔中的风扇电机。 .首先，通过理论分析和计算流体动力学仿真，对转轮叶片的形状、位置和数量进行了设计和优化。此外，采用金属椭圆蜗壳和单排环形导叶，减小了结构尺寸。最后，通过物理模型试验，证明新型冷却塔涡轮机的优化方案具有88%的高效率和良好的运行稳定性，能够实现冷却塔收集可再生能源的目标。

简介

冷却塔是用于将循环冷却水系统吸收的余热排放到大气中的除热装置。 1,2 水与空气接触以散发工业废热。目前，冷却塔中使用的大多数风扇都是由消耗大量电力的电动机驱动的。但在我国，由于设计余量过大，冷却水系统循环水仍保持39240～147150Pa的超压，经常浪费在节流阀中。为了利用浪费的能源，建议利用多余的水能驱动安装在冷却塔内平台的一种水轮机，通过其联轴器使风机旋转，如图1所示。然而，由于冷却塔的运行条件和风扇参数，传统的水轮机不适合这项工作。

水轮机回收冷却塔的废能，他的试验结果表明，冷却塔有限的安装空间迫使广东冷却塔的水轮机转轮完全浸没在水中，从而大大降低其效率。 Chen4改进了广东冷却塔水轮机用于冷却塔，并推荐了另一种水轮机混流式水轮机。冷却塔涡轮虽然通常效率高，但其高转速与风机转速不匹配，需要相应的减速机，使得整个装置结构复杂，体积大。已经进行了许多研究 [5-8] 来提高冷却塔中使用的混流式水轮机的水力性能，这些水轮机的效率不够高。因此，应设计一种适应冷却塔工况的新型水轮机。随着计算机技术和计算流体动力学（CFD）的发展，越来越多的研究人员使用CFD方法来分析流体机械的特性，例如水泵和水轮机。 9-11 - 通过CFD模拟和实验方法研究和开发低比风速。具有体积小、效率高、成本低的特点，能很好地满足冷却塔的需要。

基本参数设计

比速

In this In该研究为给定的冷却塔设计了一种新的冷却塔涡轮机，其排放率为 0.833 m3/s，剩余水头为 13 m。安装在该冷却塔中的风机额定转速为 136 r/min，电机功率为 91 kW。

比转速ns是按类型和比例对水轮机进行分类的重要参数。

这里，n、P、H分别为水轮机的转速、输出功率和水头。另外，单位转速n11是另一个重要参数，由式（2）计算

（2）

对于给定的冷却塔，将上述参数代入式（ 1)、新型冷却塔涡轮的ns等于52.6 μm kW，与发电厂使用的传统冷却塔涡轮相比非常低。根据冷却塔水轮机尺寸与比转速12的关系以及冷却塔内有限的安装空间，确定了这种新型冷却塔水轮机的基本参数，列于表1。

1：螺旋表壳； 2：竖环； 3：导叶； 4：转轮； 5：轴承座； 6：转轴； 7：引流管； 8：起落架

CFD模拟结果

数值模拟方法

利用Fluent软件对冷却塔涡轮进行三维湍流稳态模拟。 13 对于该涡轮机的流体流动分析，稳定不可压缩流动的连续性方程和雷诺平均方程被用于以下形式。

其中速度、压力、运动粘度和密度是粘性应力张量的分量，也称为雷诺应力张量。湍流对流场的影响是通过雷诺应力得到的，雷诺应力是根据本文采用的湍流模型计算得到的，具有较好的数值收敛性和鲁棒性。 15 控制方程采用有限体积法离散化，二是扩散项二阶中心差分格式，二阶逆风格式对流项，压力链接方程-一致半隐式方法(SIMPLEC) 用于速度压力。耦合解决方案。边界条件设置如下： 对于入口边界条件，给出了相对总压力、湍流动能及其扩散速率。对于出口边界条件，指定了相对静压、湍流动能及其扩散速率。对壁应用防滑边界条件；标准墙函数应用于墙附近的区域。 16

考虑到网格敏感性和PC机的计算能力，采用Gambit网格划分软件选取并构建非结构化四面体单元。 17 还检查了网格独立性，如表 2 所示。网格超过 259 万亿，结果或多或少独立于方案 4 和方案 5 的网格细化。

涡轮通道也可以通过以下公式计算

这里，(Pinlet-Pout)是通道进出口的总压差，ρ和g分别是水的密度和由于加速度到重力。从表4可以看出，水力损失主要存在于导叶区，达到10.5%，即1.41 μm。

描述初始方案的内部流场，揭示超低比转速涡轮的特性。从图 3可以看出，静压从叶片受压侧前缘向后缘逐渐减小，且下降明显，在叶片吸力侧前缘附近出现局部低压，这是造成通过导板之间产生的高速。叶片和叶轮叶片，如图4所示。从图4还可以看出，叶轮入口区域的速度普遍较高，最大速度超过17μm/s，这表明动能是作用于其上的能量的主要形式刀片。转轮叶片。从图 5 可以得出结论，由于叶片到叶片通道中相对速度的流线分布平滑，流道中的流动模式是均匀的。

冷却塔水轮机改进方案数值结果

虽然初始方案的水轮机功率能够满足风机的功率要求，但明显的缺点是在导叶面积 发动机排量过大，液压损失过大。为此，如图6和图7所示，通过修改导叶和叶轮叶片的形状进行了改进设计。改进方面，将导叶型面的一侧调整为细长，同时增加了转轮叶片的翼型弯曲角度。

排水管入口处的圆周速度在图10中较为明显，但由于转轮叶片翼型弯曲角度的增大，在图11中几乎消失，即也有利于降低低比转速水轮机的水力损失。

实验测量

根据改进方案，制造了一台超低比转速冷却塔水轮机。实验在水力机械试验台上进行，水头在 5 至 16.5 μm 之间以 136 r/min 的恒定速度变化（图 12）。测试结果表明，最大效率达到88%，H=11.6 m，Q=0.794 m3/s，比CFD结果低0.5%。当H = 12.66 m和Q = 0.848 m3/s时，水轮机可产生91 kW的功率。

表明在n11结果=39和43r/min之间CFD结果的效率与试验结果吻合较好，试验结果的最佳效率点右移n11值较大，是因为经检查发现涡轮通道的表面粗糙度偏大。

结论

通过CFD模拟和实验测试，研制出一种超低比转速的冷却塔涡轮机，可以完全替代电机驱动风机，从而实现高效率，从而达到冷却塔利用可再生能源的目的。大部分水力损失发生在导叶区域。因此，应进一步优化导叶，提高水轮机的性能。导叶区域和细长叶轮叶片中的高流速导致通道表面粗糙度成为影响涡轮效率的关键因素之一。

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