在被開發(fā)利用的能源中主要有熱能、水能、風(fēng)能和核能，它們之中主要是轉(zhuǎn)換為電能，用于工業(yè)與民用之中。循環(huán)冷卻水中消耗的是電能，日常的運(yùn)行成本中，除維護(hù)管理的少量費(fèi)用之外，主要成本是電耗。

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的能耗

冷卻塔的電能消耗主要為以下兩方面：

1. 水泵的能耗

水泵的能耗通常由兩部分組成，一部分是用水泵從熱水池取水，把熱水提升到冷卻塔內(nèi)配水管網(wǎng)系統(tǒng)，通過配水管均勻配水;另一部分是水泵從冷卻后的冷水集水池中取水，把冷水提升到冷卻設(shè)備或產(chǎn)品的地方。如果需要冷卻的設(shè)備或產(chǎn)品位置較高，而冷卻塔的位置較低，則熱水靠重力流流入冷卻塔中進(jìn)行冷卻，可省去熱水池和提升熱水的水泵。循環(huán)水系統(tǒng)來講，水泵的能耗包括這兩部分，如果有旁流處理系統(tǒng)和補(bǔ)充水系統(tǒng)，則也應(yīng)包括在內(nèi)。從熱水進(jìn)入冷卻塔和利用熱水水力驅(qū)動風(fēng)機(jī)來說，則指的是從熱水池取水把熱水送入冷卻塔內(nèi)的水泵能耗。要使“水往高處流"，這部分的水泵能耗是須的，也是難以節(jié)省的。

2. 電動機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)的能耗

機(jī)械通風(fēng)冷卻塔的風(fēng)量是靠風(fēng)機(jī)的風(fēng)葉轉(zhuǎn)動來達(dá)到水冷卻所需要的設(shè)計(jì)風(fēng)量，而風(fēng)機(jī)是靠配備的電動機(jī)來驅(qū)動的，這部分能耗成為冷卻塔日常運(yùn)行的主要成本。

現(xiàn)以500t/h 逆流式標(biāo)準(zhǔn)型(Δt =5 ℃)冷卻塔為例，氣水比(G /Q 重量比)為0.68計(jì)，則風(fēng)量G =340000m3/h ，配用風(fēng)機(jī)直徑4000m m ，選用電動機(jī)為1815k W ，則冷卻塔運(yùn)行一年以240d 計(jì)，電費(fèi)以0.6 元/k W 計(jì)，這一年中500t/h 標(biāo)準(zhǔn)型冷卻塔一年消耗的能量(電能) 為106560k W ，計(jì)電費(fèi)63936 元。某化肥廠冷卻水量30000m3/h ， 配用3000m3/h 組合式橫流塔10 臺，每臺選用風(fēng)機(jī)直徑8000m m ，配用電動機(jī)功率113.1k W ，按240d 計(jì)，則一年的電耗和電費(fèi)分別為6514560k W 和3908736 元，即391 萬元/a 。可見用電動機(jī)驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)消耗的電能和電費(fèi)是相當(dāng)可觀的， “水動風(fēng)機(jī)冷卻塔"研究的就是是否可利用提升水泵壓能轉(zhuǎn)換為動能，推動水輪機(jī)與風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到相同的設(shè)計(jì)風(fēng)量與冷卻效果的條件下，而省去電動機(jī)。

冷卻塔水輪機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)的可行性

1 .提升水泵的揚(yáng)程 水泵從熱水池取水，提升到冷卻塔配水管出口(含噴嘴出口)所需要的壓力由以下幾部分組成：

(1 )凈揚(yáng)程(h 凈)：

水泵在熱水池吸水的 低水位標(biāo)高至冷卻塔內(nèi)配水管中心線的標(biāo)高，稱為水泵需要的凈揚(yáng)程，用H 凈(或h 凈)表示。例如，地面標(biāo)高±0.00 計(jì)，水泵在熱水池中 低吸水水位標(biāo)高為-2.2m ，冷卻塔內(nèi)配水管中心的標(biāo)高為12.8m (槽式、池式配水標(biāo)高以水面計(jì))，則水泵的凈揚(yáng)程h 凈=12.8 -(-2.2 )=15.0m 。

(2 )管路中的沿程水頭損失(h λ )：

從水泵吸水管至冷卻塔內(nèi)的配水管，水流在管道內(nèi)流動過程中因摩擦產(chǎn)生的能量損失，稱為沿程水頭損失(h λ )。在相同管徑、 相同流量情況下，管道內(nèi)壁光潔度越好，水頭損失越小，故塑料管、玻璃鋼管、復(fù)合管的水頭損失小于鋼管、鑄鐵管(含球墨鑄鐵管)。

管內(nèi)的流速與管道直徑成反比，沿程水頭損失與流速平方成正比，故流量不變的情況下，管徑越小，流速越大，水頭損失就增大。若在較長的輸水系統(tǒng)中，沿程各段的管道直徑可能是變化的，則應(yīng)按管徑的不同分別計(jì)算沿程水頭損失(h λ )， 相加得Σh λ 。對于冷卻塔來說，沿程的流量是不變化的，因此管徑也是相同的，故不存在分段計(jì)算。沿程水頭損失可根據(jù)管徑、流速、管道長度、管道材料查“水力計(jì)算表"而得。

(3 )局部水頭損失(h f )

從水泵吸水管頭部起，管道系統(tǒng)中設(shè)有喇叭口、各種彎頭(管)、異徑管、閥門、止回閥、三通管等，水流流經(jīng)這些部門均會造成能量損失，稱為局部損失，計(jì)算式為h f =ξ(V 2/2g )。因阻力系數(shù)ξ和流速V 不同，故各局部阻力h fi 是不相同的，把計(jì)算所得的各局部阻力損失相加，得系統(tǒng)中的總局部水頭損失Σh f 。

綜上所述，水泵所需要的理論揚(yáng)程為：

2 .選用水泵的揚(yáng)程

式(8-1 )是設(shè)計(jì)計(jì)算所得水泵需要的理論揚(yáng)程，但考慮到各種原因，其中包括可能產(chǎn)生的計(jì)算誤差，運(yùn)行過程中管內(nèi)壁粗糙度的增加、管道過水?dāng)嗝娴目s小等，均會增加能量的消耗而增加水頭損失，故設(shè)計(jì)單位在確定水泵揚(yáng)程時(shí)，在理論揚(yáng)程的基礎(chǔ)上再增加≥ 4m ，則設(shè)計(jì)單位確定的水泵揚(yáng)程為：

而實(shí)際選用的水泵揚(yáng)程比式(8-2 )的要大，原因主要為以下兩方面：一是按式(8-2 )的揚(yáng)程要求不容易選到水泵，如選小一些揚(yáng)程的水泵，則不安全，故選用的水泵揚(yáng)程比式(8-2 )的大;二是用戶單位在選用水泵時(shí)并不知道設(shè)計(jì)單位在理論揚(yáng)程基礎(chǔ)上已加上≥ 4m ，因此在式(8-2 )的基礎(chǔ)上又增加了約5m 左右的揚(yáng)程。所以實(shí)際選用的水泵揚(yáng)程比理論揚(yáng)程一般都大于5m 以上，稱為水泵的富余水頭，或稱為富余壓力。

例如某400t/h 冷卻水的冷卻塔，計(jì)算結(jié)果的h 凈=13.5m ，Σh λ =2.8m ，Σh f =1.7m ，故水泵的理論揚(yáng)程為H =13.5 +2.8 +1.7 =18m ;現(xiàn)若考慮確定安全，在理論揚(yáng)程基礎(chǔ)上再增加5m 水頭，則水泵揚(yáng)程為H =18m +5m =23m 。按原H =18m、Q =400t/h ，可選用10sh -13A 水泵，主要參數(shù)為：

Q =342～482m3/h ;H =22.2～17.4m

水泵軸功率N =25.8～28k W ;

電動機(jī)軸功率N =40k W ;

效率η=80 %， 83 %。

現(xiàn)要求水泵揚(yáng)程H =23m ，則選用10sh -13 水泵，主要參數(shù)為： Q =360～576m3/h ;H =27.0～19.0m

水泵軸功率N =33.1～36.4k W ;

電動機(jī)軸功率N =55k W ;

效率η=80.0 %～86.0 %。

查10sh -13 水泵特性曲線，當(dāng)流量Q =400m3/h 時(shí)，水泵的揚(yáng)程(壓力)為26m ，因此水泵的實(shí)際富余水頭為8m 。電動機(jī)功率增加了15k W 。

按標(biāo)準(zhǔn)型(Δt =5 ℃)400m3/h 低噪聲冷卻塔，配用的風(fēng)機(jī)直徑為3800m m ，轉(zhuǎn)速為n =165r/min，風(fēng)量G =185000m3/h，配用的電動機(jī)功率為N =715kW?，F(xiàn)按Q =400m3/h ，水泵富余水頭8m 為例，能產(chǎn)生715k W 的軸功率使水輪機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，達(dá)到設(shè)計(jì)的風(fēng)量，則就可省去715k W 的電動機(jī)，達(dá)到節(jié)約能量的目的。

利用水泵富余水頭H 產(chǎn)生推動水輪機(jī)轉(zhuǎn)動的有效軸功率計(jì)算式為：

式中 γ——水的密度(kg/L 或kg/m 3 )，1m3 ·H2O =1000kg ;

Q——水泵的流量(m3/s);

H——水泵的富余揚(yáng)程(m );

η——水輪機(jī)的效率，越高越好，現(xiàn)研制的推動冷卻塔風(fēng)機(jī)可到88 %，一般為70 %～80 %左右。 如果式(8-3)中不除以102 ，則單位為(kg·m)/s ，故1k W =1.36 馬力，所以除以102 得功率的單位為k W 。因水的密度γ =1000kg/m3 ，則1000/102 =9.804 ，代入式(823 )得：

現(xiàn)按上述：Q =400m3/h ≈ 0.1111m3/s;H =8m ;水輪機(jī)效率η=85 %～88 %。代入式(8-4 )中，得N效= 7.41～7.67k W ，而原配的驅(qū)動冷卻塔風(fēng)機(jī)的電動機(jī)功率N =7.5k W ，這說明利用水泵的富余水頭來推動水輪機(jī)驅(qū)動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，達(dá)到設(shè)計(jì)要求的風(fēng)量和冷卻效果，是可能的和可行的，關(guān)鍵是要研制符合冷卻塔中推動風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動達(dá)到設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)。