专为冷却塔中的能量回收而设计的高效水轮机
作者：晶杰冷却塔 时间：2021-05-18 16:03 阅读：
在中国，进入冷却塔的冷却水仍然保持39,240至147,150 Pa的剩余压力，为了利用这种浪费的能量，建议利用剩余的水能来驱动安装在冷却内部平台中的一种水轮机。并通过其联轴器使风扇旋转。然而，常规的水力水轮机由于在冷却塔的运行条件下效率低或与风扇的转速不匹配而不适用于该工作。本文根据冷却塔水轮机工作环境的要求，设计了一种新型水轮机，超低比速（ns specific = ultra50 m.kW）的冷却塔水轮机代替冷却塔中的风扇电动机。 。首先，通过理论分析和计算流体动力学模拟来设计和优化转轮叶片的形状，位置和数量。另外，应用了金属椭圆形蜗壳和单排环形导流叶片来缩小结构尺寸。最后，通过对物理模型的测试，新型冷却塔水轮机的最佳方案被证明具有88％的高效率和良好的运行稳定性，并且可以实现在冷却塔中收集可再生能源的目标。介绍
冷却塔是一种除热装置，用于将循环冷却水系统中吸收的废热传递到大气中。1,2水接触空气以消散工业废热。目前，冷却塔中使用的大多数风扇由消耗大量电能的电动机驱动。但是，在中国，由于设计余量过大，冷却水系统中循环的水仍将过剩压力保持在39,240至147,150 Pa之间，这经常在节流阀中浪费掉。为了利用浪费的能量，建议利用多余的水能来驱动安装在冷却塔内部平台中的一种水轮机，并使风扇通过其耦合轴旋转，如图1所示。但是，由于冷却塔的运行条件和风扇参数，传统的水力水轮机不适合该工作。
水轮机回收冷却塔的废能，他的测试结果表明，冷却塔的有限安装空间迫使广东冷却塔水轮机转轮完全浸没在水中，从而使其效率大大降低。 Chen4改进了用于冷却塔的广东冷却塔水轮机，并推荐了另一种水轮机，即Francis水轮机。尽管冷却塔水轮机通常具有高效率，但是其较高的转速与风扇的转速不匹配，并且需要相应的减速器，这使得整个装置结构复杂且尺寸大。为了改善冷却塔中使用的混流式水轮机的水力性能，已经进行了许多研究[5-8]，而这些水轮机的效率还不够高。因此，应设计一种新型的水轮机以适应冷却塔的工作条件。随着计算机技术和计算流体力学（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，例如泵和水轮机。9-11 -低比速度是通过CFD模拟和实验方法进行研究和开发的。它具有体积小，效率高，成本低等特点，可以很好地满足冷却塔的需要。
基本参数设计
特定速度
在这项研究中，针对给定的冷却塔设计了一种新型的冷却塔水轮机，该循环水的排放量为0.833 m3 / s，剩余水头为13 m。安装在该冷却塔中的风扇以136 r / min的额定速度旋转，电机功率为91 kW。
比转速ns是根据水轮机的类型和比例对水轮机进行分类的重要参数。
这里，n，P和H分别是水轮机的转速，输出功率和水头。此外，单位速度n11是另一个重要参数，由公式（2）计算
（2）
对于给定的冷却塔，将以上参数代入公式（1），新的冷却塔水轮机的ns等于52.6μm·kW，与发电厂中使用的常规冷却塔水轮机相比，该数值非常低。根据冷却塔水轮机尺寸与比转速之间的关系12以及冷却塔中有限的安装空间，确定了这种新型冷却塔水轮机的基本参数，并在表1中列出。
值得一提的是，为减小新型冷却塔水轮机的水平尺寸，单排导流叶片代替了常规的双排导流叶片用于提供引水和负荷支撑。同样，螺旋形壳体部分的形状均为椭圆形，并采用了锥角为13°的锥形引流管。
1：螺旋形表壳； 2：立环； 3：导向叶片； 4：亚军； 5：轴承座； 6：轴； 7：引流管； 8：着陆腿
CFD模拟结果
数值模拟方法
使用Fluent 软件对冷却塔水轮机进行了三维湍流稳态模拟。13为了对该水轮机进行流体流动分析，以下列形式使用了连续性方程和稳态不可压缩流的雷诺兹平均方程。
其中分别是速度，压力，运动粘度和密度，而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出的，雷诺应力是根据本文采用的湍流模型计算出来的，该模型具有更好的数值收敛性和鲁棒性。15控制方程是用有限体积方法离散的，第二个是扩散项采用二阶中心差分格式，对流项采用二阶迎风格式，压力链接方程-一致的半隐式方法（SIMPLEC）实现速度压力。耦合解决方案。边界条件设定如下：对于入口边界条件，给出了相对总压力，湍动能及其扩散速率。对于出口边界条件，规定了相对静压力，湍动能及其扩散速率。墙面施加了防滑边界条件；和标准墙函数应用于墙附近的区域。16
考虑到网格敏感性和个人计算机（PC）的计算能力，通过Gambit网格划分软件选择并构建了非结构化四面体元素。17还检查了网格的独立性，如表2所示。网格超过259万亿，结果或多或少与方案4和方案5的网格细化无关。
水轮机通道中的水力损失也可以通过以下公式计算
这里，（Pinlet-Pout）是通道入口和出口之间的总压差，并且ρ和g分别是水密度和重力加速度。从表4可以看出，水力损失主要存在于导叶区域，达到10.5％，即1.41μm。
描述初始方案的内部流场以揭示超低比转速水轮机的特性。图3显示静压从叶片压力侧的前缘到后缘逐渐减小，并且明显减小，并且局部低压在叶片吸力侧的前缘附近出现，这是由于导板之间产生的高速度引起的。叶片和叶轮叶片，如图4所示。图4还显示，叶轮入口区域的速度通常较高，最大速度超过17μm/ s，这表明动能是作用在叶片上的主要能量形式。转轮叶片。从图5可以得出结论，由于相对速度的流线在叶片到叶片的通道中平滑分布，因此流道中的流动模式是均匀的。
冷却塔水轮机改进方案的数值结果
尽管初始方案的水轮机功率可以满足风扇的功率要求，但也很明显的不足之处是，它在导向叶片区域中的排放量过大，液压损失过多。因此，如图6和7所示，通过对导向叶片和叶轮叶片的形状进行修改，设计了一种改进方案。就改进方案而言，调整了导向叶片轮廓的一侧使其细长，并且转轮叶片的翼型弯曲角度同时增加。
引流管入口的圆周速度在图10中更为明显。但是，由于转轮叶片翼型弯曲角度的增加，在图11中几乎消失了，这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超低比转速的冷却塔水轮机。在水力机械的试验台上进行了实验，通过在136 r / min的恒定转速下将水头从5变为16.5μm（图12）。测试结果表明，最大效率达到88％，H = 11.6 m和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。
显示CFD结果的效率与n11 results = 39和43 r / min之间的测试结果吻合得很好，并且测试结果的最佳效率点向右移到更大的n11值，因为涡轮通道的表面粗糙度为经检查发现比正常大。
结论
通过CFD仿真和实验测试，开发了一种超低比转速的冷却塔水轮机，该水轮机可以完全替代电动机来驱动风扇，从而实现了高效率，从而达到了在冷却塔中利用可再生能源的目的。在导向叶片区域发现了大部分水力损失。因此，应该对导流叶片做进一步的优化以提高水轮机的性能。导叶区域和长形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。