双击式水轮机从喷嘴出来的水流射流,先后两次冲击在转轴叶片上,其工作原理基本上如图8-9所示。图中绘出了两次冲击的速度三角形的分析。现从力学的动量矩、合力矩及水轮机的功率来分析工作原理。根据动量矩原理,在单位时间内,动量矩等于外力的合力矩,按图8-9所示的速度三角形和力的分析,流量Q是不变的,C1、C2、C3、C4分别为速度三角形中的绝对速度,L1、L2、L3、L4分别与绝对速度垂直的距离,则合力矩M为:M=QC1L1+QC2L2+QC3L3+QC4L48-13为获得高的、理想的叶轮效率,设计要求在叶轮的出口处未被利用的能量尽量小,即要求下一个叶片出口处的绝对速度C4趋向于零,即QC4L4→0,则式8-13成为:M=QC1L1+QC2L2+QC3L38-14式8-14中,QC3L3是出口的动量矩,QC2L2是入水口的动量矩,由于能量的转换需要,前者是减小的,后者是增加的。从图8-9可见:L2=L3,C2=C3,Q相等,则QC2L2=QC3L3,即互补为零,则叶轮的实际动量矩是最终剩下来的叶片入口动量矩M=QC1L1。转轮进口水流绝对速度的方向角为α1,根据力学动量矩相等原则得:M=QC1L1=QC1R1cosα18-15水轮机出力P即功率是角速度ω与动量矩的乘积,则得:P=ωM=ωQC1R1cosα18-16水轮机输入功率为γ·Q·H,则式8-16成为:P=ωM=ωQC1R1cosα1=γ·Q·H8-17水轮机的效率为η,则有效轴功率为:P效=ωMη=ωQC1R1cosα1η=γ·Q·H·η=9、81Q·H·η8-18式中符号同前。上述计算式说明质量流量在能量转换前后没有变化,从式8-18可见,水轮机的轴功率与Q·H·η成正比。对冷却塔来说,各种规格的冷却塔其设计的冷却水量Q是定值,则P与H和η成正比,故要求新研制的用于驱动冷却塔风机的双击式水轮机效率η要高。同时H越大,则轴功率也大,但这里的H是指提升水泵的富余水头,对于在使用的老塔来讲,水泵早已选好,如果水泵的富余水头能达到水轮机的轴功率和设计的转速,则此冷却塔可以改造,用水轮机来驱动风机,替代原来的电动机驱动风机,达到节电节能的目的。反之,则不能改造。综合上述,用于冷却塔水动风机的双击式水轮机如图8-10所示,与用于水力发电的水轮机相比,是很小的水轮机,可称得上是微型水轮机,实际上比水电站的模型水轮机还小。水流经过水轮机的阻力损失视水轮机及Q、H、V的大小有所不同,对于冷却塔中采用槽式、池式配水系统来说,水轮机出水具有自由表面,阻力损失很小,相对来说水轮机效率高;对于冷却塔采用管式配水来说,水轮机出水为压力流,阻力损失一般在0、5m左右,则水轮机效率相对低些,即出力P会小些。但只要达到设计的轴功率和转速,就能保证风量和冷却效果。关键是轴功率,即为9、81·Q·H·η值。
冷却塔的塔型较多,其计算涉及气象条件P、θ、τ等、冷却水量Q、进出塔水温t1、t2以及冷却塔形式、填料种类及规格、风机性能等多方面条件与因素,计算工作大而繁。国内部分单位根据循环冷却水工程的实际需要和不同情况,编制了一些冷却塔的设计计算程序。有的程序用于冷却塔的设计计算,有的程序用于冷却塔的选型。采用计算机计算,既提高了设计计算的精确性,又节省了计算的工作量和时间,是必然发展的趋势。化工部第三设计研究院针对化工系统编制的数种冷却塔通风图主要为大塔,包括钢筋混凝土塔,编制了逆流式机械通风冷却塔的选型程序。该程序采用麦克尔焓差法编制,将逆流式机械通风冷却塔的计算,归纳为四线二点的求解。由填料的热力特性曲线和气象条件、水温计算的冷却塔的操作曲线的交点,可求得气水比λ和冷却任务数N;由风机的特性曲线和塔的通风阻力曲线的交点,可求得风机工作点的风量G。由工作点的风量G和气水比λ,即可求得冷却水量Q。计算机计算程序简化框图见图9-3所示,该程序将冷却塔的参数数据库设计成开放式可随时增加、删除或修改。可根据用户的要求,自行将新的冷却塔塔型、各种填料、风机和气象参数加入数据库中。这样可不断地更新数据库,使计算程序更具有适应性和实用性。
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