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    專為冷卻塔中的能量回收而設計的高效水輪機

    在中國,進入冷卻塔的冷卻水仍然保持39,240至147,150 Pa的剩余壓力,為了利用這種浪費的能量,建議利用剩余的水能來驅動安裝在冷卻內部平臺中的一種水輪機。并通過其聯軸器使風扇旋轉。然而,常規的水力水輪機由于在冷卻塔的運行條件下效率低或與風扇的轉速不匹配而不適用于該工作。本文根據冷卻塔水輪機工作環境的要求,設計了一種新型水輪機,超低比速(ns specific = ultra50 m.kW)的冷卻塔水輪機代替冷卻塔中的風扇電動機。 。首先,通過理論分析和計算流體動力學模擬來設計和優化轉輪葉片的形狀,位置和數量。另外,應用了金屬橢圓形蝸殼和單排環形導流葉片來縮小結構尺寸。最后,通過對物理模型的測試,新型冷卻塔水輪機的最佳方案被證明具有88%的高效率和良好的運行穩定性,并且可以實現在冷卻塔中收集可再生能源的目標。
     
    介紹
    冷卻塔是一種除熱裝置,用于將循環冷卻水系統中吸收的廢熱傳遞到大氣中。1,2水接觸空氣以消散工業廢熱。目前,冷卻塔中使用的大多數風扇由消耗大量電能的電動機驅動。但是,在中國,由于設計余量過大,冷卻水系統中循環的水仍將過剩壓力保持在39,240至147,150 Pa之間,這經常在節流閥中浪費掉。為了利用浪費的能量,建議利用多余的水能來驅動安裝在冷卻塔內部平臺中的一種水輪機,并使風扇通過其耦合軸旋轉,如圖1所示。但是,由于冷卻塔的運行條件和風扇參數,傳統的水力水輪機不適合該工作。
     
     
    水輪機回收冷卻塔的廢能,他的測試結果表明,冷卻塔的有限安裝空間迫使廣東冷卻塔水輪機轉輪完全浸沒在水中,從而使其效率大大降低。 Chen4改進了用于冷卻塔的廣東冷卻塔水輪機,并推薦了另一種水輪機,即Francis水輪機。盡管冷卻塔水輪機通常具有高效率,但是其較高的轉速與風扇的轉速不匹配,并且需要相應的減速器,這使得整個裝置結構復雜且尺寸大。為了改善冷卻塔中使用的混流式水輪機的水力性能,已經進行了許多研究[5-8],而這些水輪機的效率還不夠高。因此,應設計一種新型的水輪機以適應冷卻塔的工作條件。隨著計算機技術和計算流體力學(CFD)的發展,越來越多的研究人員使用CFD方法來分析流體機械的特性,例如泵和水輪機。9-11 -低比速度是通過CFD模擬和實驗方法進行研究和開發的。它具有體積小,效率高,成本低等特點,可以很好地滿足冷卻塔的需要。
     
    冷卻塔水輪機

    基本參數設計
    特定速度
    在這項研究中,針對給定的冷卻塔設計了一種新型的冷卻塔水輪機,該循環水的排放量為0.833 m3 / s,剩余水頭為13 m。安裝在該冷卻塔中的風扇以136 r / min的額定速度旋轉,電機功率為91 kW。
     
    比轉速ns是根據水輪機的類型和比例對水輪機進行分類的重要參數。
    這里,n,P和H分別是水輪機的轉速,輸出功率和水頭。此外,單位速度n11是另一個重要參數,由公式(2)計算
     
    (2)
    對于給定的冷卻塔,將以上參數代入公式(1),新的冷卻塔水輪機的ns等于52.6μm·kW,與發電廠中使用的常規冷卻塔水輪機相比,該數值非常低。根據冷卻塔水輪機尺寸與比轉速之間的關系12以及冷卻塔中有限的安裝空間,確定了這種新型冷卻塔水輪機的基本參數,并在表1中列出。
     
    值得一提的是,為減小新型冷卻塔水輪機的水平尺寸,單排導流葉片代替了常規的雙排導流葉片用于提供引水和負荷支撐。同樣,螺旋形殼體部分的形狀均為橢圓形,并采用了錐角為13°的錐形引流管。
     
    1:螺旋形表殼; 2:立環; 3:導向葉片; 4:亞軍; 5:軸承座; 6:軸; 7:引流管; 8:著陸腿
     
    CFD模擬結果
    數值模擬方法
    使用Fluent 軟件對冷卻塔水輪機進行了三維湍流穩態模擬。13為了對該水輪機進行流體流動分析,以下列形式使用了連續性方程和穩態不可壓縮流的雷諾茲平均方程。
     

    其中分別是速度,壓力,運動粘度和密度,而是粘性應力張量的分量,也稱為雷諾應力張量。湍流對流場的影響是通過雷諾應力得出的,雷諾應力是根據本文采用的湍流模型計算出來的,該模型具有更好的數值收斂性和魯棒性。15控制方程是用有限體積方法離散的,第二個是擴散項采用二階中心差分格式,對流項采用二階迎風格式,壓力鏈接方程-一致的半隱式方法(SIMPLEC)實現速度壓力。耦合解決方案。邊界條件設定如下:對于入口邊界條件,給出了相對總壓力,湍動能及其擴散速率。對于出口邊界條件,規定了相對靜壓力,湍動能及其擴散速率。墻面施加了防滑邊界條件;和標準墻函數應用于墻附近的區域。16
     
    考慮到網格敏感性和個人計算機(PC)的計算能力,通過Gambit網格劃分軟件選擇并構建了非結構化四面體元素。17還檢查了網格的獨立性,如表2所示。網格超過259萬億,結果或多或少與方案4和方案5的網格細化無關。
     
     
    水輪機通道中的水力損失也可以通過以下公式計算
     
    這里,(Pinlet-Pout)是通道入口和出口之間的總壓差,并且ρ和g分別是水密度和重力加速度。從表4可以看出,水力損失主要存在于導葉區域,達到10.5%,即1.41μm。
     
    描述初始方案的內部流場以揭示超低比轉速水輪機的特性。圖3顯示靜壓從葉片壓力側的前緣到后緣逐漸減小,并且明顯減小,并且局部低壓在葉片吸力側的前緣附近出現,這是由于導板之間產生的高速度引起的。葉片和葉輪葉片,如圖4所示。圖4還顯示,葉輪入口區域的速度通常較高,最大速度超過17μm/ s,這表明動能是作用在葉片上的主要能量形式。轉輪葉片。從圖5可以得出結論,由于相對速度的流線在葉片到葉片的通道中平滑分布,因此流道中的流動模式是均勻的。
                    
    冷卻塔水輪機改進方案的數值結果
    盡管初始方案的水輪機功率可以滿足風扇的功率要求,但也很明顯的不足之處是,它在導向葉片區域中的排放量過大,液壓損失過多。因此,如圖6和7所示,通過對導向葉片和葉輪葉片的形狀進行修改,設計了一種改進方案。就改進方案而言,調整了導向葉片輪廓的一側使其細長,并且轉輪葉片的翼型彎曲角度同時增加。
     
    引流管入口的圓周速度在圖10中更為明顯。但是,由于轉輪葉片翼型彎曲角度的增加,在圖11中幾乎消失了,這也有利于降低低比轉速水輪機的水力損失.
     
    實驗測量
    根據改進方案制造了超低比轉速的冷卻塔水輪機。在水力機械的試驗臺上進行了實驗,通過在136 r / min的恒定轉速下將水頭從5變為16.5μm(圖12)。測試結果表明,最大效率達到88%,H = 11.6 m和Q = 0.794 m3 / s,比CFD結果低0.5%。當H = 12.66 m和Q = 0.848 m3 / s時,水輪機可產生91 kW的功率。
     
    顯示CFD結果的效率與n11 results = 39和43 r / min之間的測試結果吻合得很好,并且測試結果的最佳效率點向右移到更大的n11值,因為渦輪通道的表面粗糙度為經檢查發現比正常大。
     
    結論
    通過CFD仿真和實驗測試,開發了一種超低比轉速的冷卻塔水輪機,該水輪機可以完全替代電動機來驅動風扇,從而實現了高效率,從而達到了在冷卻塔中利用可再生能源的目的。在導向葉片區域發現了大部分水力損失。因此,應該對導流葉片做進一步的優化以提高水輪機的性能。導葉區域和長形葉輪葉片中的高流速導致通道表面粗糙度成為影響渦輪效率的關鍵因素之一。
     

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