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        某項(xiàng)目空調(diào)冷卻水泵防汽蝕設(shè)計(jì)與探討

        2021-07-21 09:56:00李娜
        制冷 2021年2期
        關(guān)鍵詞:壓入汽蝕冷卻塔

        李娜

        (深圳市華陽(yáng)國(guó)際設(shè)計(jì)集團(tuán),深圳 518038)

        受建筑場(chǎng)地限制,冷卻塔的選擇和布置很多時(shí)候直接制約著空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果和運(yùn)行效率。一方面,冷卻塔盡可能設(shè)置在相對(duì)隱蔽的部位,與建筑景觀相互協(xié)調(diào),并能保證良好的通風(fēng)散熱條件。另一方面,需要注意冷卻塔安裝高度對(duì)冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行的影響,滿足冷卻水泵凈吸入揚(yáng)程、必需汽蝕余量的要求,避免水泵運(yùn)行時(shí)發(fā)生汽蝕現(xiàn)象[1]。

        1 汽蝕

        1.1 汽蝕的定義與危害

        水泵內(nèi)流道中,當(dāng)某處液體的壓強(qiáng)下降至等于或低于當(dāng)時(shí)液體溫度相對(duì)應(yīng)的汽化壓強(qiáng)時(shí),會(huì)出現(xiàn)汽泡。汽泡主要是蒸汽和水中溶解的少量氣體,汽泡隨著水流流到高壓區(qū)時(shí),蒸汽會(huì)重新凝結(jié)成水,汽泡逐漸變形而破裂。汽泡在壁面附近破裂時(shí),會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力,使流道的材料遭受破壞。汽泡形成、增長(zhǎng)直到破裂,最終造成材料侵蝕的過(guò)程稱為汽蝕[2]。

        汽蝕是一種水動(dòng)力現(xiàn)象,對(duì)水泵所造成的不良影響主要是:1)對(duì)泵殼、導(dǎo)葉和葉輪等泵內(nèi)流道材料造成破壞;2)造成泵的性能下降;3)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)。

        1.2 不發(fā)生汽蝕的條件

        為了更好的理解不發(fā)生汽蝕的條件,引進(jìn)兩個(gè)概念,一個(gè)是有效汽蝕余量NPSHa, 另一個(gè)是必需汽蝕余量NPSHr。

        有效汽蝕余量NPSHa, 與泵進(jìn)口法蘭前吸水管路系統(tǒng)的布置有關(guān),也稱為裝置汽蝕余量,是指泵進(jìn)口處單位重量流體具有超過(guò)汽化壓頭的富余能量,即液體到達(dá)泵進(jìn)口處的能量扣除汽化壓頭后所富余的能量,以補(bǔ)償從泵進(jìn)口到葉輪進(jìn)口后部最低壓力點(diǎn)截面之間的各種損失,以保證不發(fā)生汽蝕。

        必需汽蝕余量NPSHr, 是液體進(jìn)入泵后壓頭下降的程度,只與泵葉輪進(jìn)口處的運(yùn)動(dòng)參數(shù)有關(guān),它的大小取決于泵本身的設(shè)計(jì)和制造,而與吸入系統(tǒng)的裝置無(wú)關(guān)。一般而言,NPSHr與液體性質(zhì)無(wú)關(guān)。NPSHr的 大小標(biāo)志著泵抗汽蝕性能的好壞,值越小,則泵的抗汽蝕性能越好,要求吸入系統(tǒng)所提供的裝置汽蝕余量NPSHa值越小。

        目前,NPSHr還 不可能通過(guò)計(jì)算精確地確定,生產(chǎn)廠家提供的樣本所給出的NPSHr是 試驗(yàn)所得的臨界值NPSHc加 一個(gè)安全系數(shù),以保證運(yùn)行時(shí)不發(fā)生汽蝕。

        下面對(duì)汽蝕的基本方程進(jìn)行推導(dǎo),汽蝕原理圖見(jiàn)圖1。

        圖1 汽蝕原理圖

        式中:NPSHa-裝置汽蝕余量,m;

        Pc-封閉系統(tǒng)吸入液面的絕對(duì)壓力,Pa;

        Pv-液體溫度下的汽化壓力,Pa(敞開(kāi)系統(tǒng)進(jìn)水液面的壓力為大氣壓力Pa,式中Pc=Pa)

        hg- 泵吸入幾何高度,m;即進(jìn)水液面至泵葉輪基準(zhǔn)面的垂直高度。

        hc- 泵吸入系統(tǒng)裝置的阻力損失水頭,m,包括局部損失和沿程損失;

        ρ-液體密度,kg/m3;

        g-重力加速度,9.8m/s2

        注:公式中的裝置參數(shù)Pc、hg、hc, 在敞開(kāi)系統(tǒng)中進(jìn)水液面為大氣壓力Pa與 當(dāng)?shù)睾0胃叨扔嘘P(guān)。液體的性質(zhì)Pv和 ρ與液體的溫度有關(guān),Pv可 以在手冊(cè)中查到。因此,同一個(gè)吸入系統(tǒng)裝置,它的NPSHa值 在不同的海拔高度或不同的輸送液體溫度是不相同的。

        不發(fā)生汽蝕的條件為:NPSHa>NPSHr。

        簡(jiǎn)化后的公式為:水泵吸入口壓力-介質(zhì)入口溫度相對(duì)的汽化壓力-泵的必需汽蝕余量-0.5(安全裕量)>0。

        2 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

        項(xiàng)目為某酒店項(xiàng)目,其制冷機(jī)房設(shè)置在地下一層,冷卻塔設(shè)置在室外地面,位于室外高架路橋下方,冷卻塔周?chē)O(shè)置有裝飾性百葉來(lái)掩蔽,冷卻塔剖面示意圖見(jiàn)圖2。工程設(shè)計(jì)中選用的冷卻水泵,必需汽蝕余量為6mH2O,冷卻塔集水盤(pán)水面相對(duì)于冷卻水泵中心線的相對(duì)標(biāo)高為H0=6m,制冷機(jī)組冷凝器壓降為8.9mH2O。圖紙內(nèi)審時(shí),審核人要求對(duì)水泵的設(shè)置方式(壓入式or抽出式)、設(shè)置位置進(jìn)行校核計(jì)算,以防止水泵汽蝕。

        圖2 冷卻塔剖面示意圖

        3 設(shè)計(jì)計(jì)算

        假定項(xiàng)目所在地±0.000m即為海拔高度0m。

        本項(xiàng)目制冷機(jī)房設(shè)計(jì)時(shí),筆者引入了一些高效機(jī)房的設(shè)計(jì)理念。一方面對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行優(yōu)化,選用低阻力的直角式過(guò)濾器;另一方面盡可能采用順?biāo)畯潱磳⒅苯訌濐^、直角三通改為鈍角彎頭、鈍角三通,相對(duì)于直角彎頭和三通,鈍角彎頭和三通可同時(shí)減少管路的沿程阻力和局部阻力,可減低約50%的管段阻力損失[4]。

        計(jì)算冷卻水供水管道阻力損失,計(jì)算過(guò)程(略)。通過(guò)水力計(jì)算,得出管道阻力損失為3.4H2O。

        若冷卻水供水系統(tǒng)選用角通式過(guò)濾器代替Y型過(guò)濾器,局部阻力損失為0.2mH2O,“管道阻力損失+過(guò)濾器局部阻力損失”為3.6mH2O。

        3.1 水泵抽出式冷卻水系統(tǒng)

        圖3 水泵抽出式冷卻水系統(tǒng)原理圖

        當(dāng)循環(huán)泵停止運(yùn)行、水不流動(dòng)時(shí),水泵吸入口壓力:

        當(dāng)循環(huán)泵運(yùn)行、水流動(dòng)時(shí),水泵吸入口的壓力:

        依據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)》[3]中表12.1-2、表12.1-3可知,抽出式水泵吸入口的水溫(37℃)所對(duì)應(yīng)的飽和水蒸汽的壓力為0.67mH2O。

        不發(fā)生汽蝕的條件必須滿足:水泵吸入口壓力(P5)-介質(zhì)入口溫度相對(duì)的汽化壓力-泵的必需汽蝕余量-0.5(安全裕量)>0。

        10.33+H0-(3.4+0.2+8.9)-0.67-6-0.5=H0-9.34>0,即H0>9.34m。

        本項(xiàng)目設(shè)計(jì)H0=6m,不滿足不發(fā)生汽蝕的條件。因此,冷卻水系統(tǒng)水泵采用抽出式的設(shè)置方式行不通。

        3.2 水泵壓入式冷卻水系統(tǒng)

        圖4 水泵壓入式冷卻水系統(tǒng)原理圖

        循環(huán)泵運(yùn)行、水流動(dòng)時(shí),水泵吸入口的壓力:

        依據(jù)《實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)》中表12.1-2、表12.1-3可知,壓入式水泵吸入口水溫(32℃)對(duì)應(yīng)的飽和水蒸汽的壓力為0.50mH2O。

        不發(fā)生汽蝕的條件必須滿足:水泵入口壓力(P3′)-介質(zhì)入口溫度相對(duì)的汽化壓力-泵的必需汽蝕余量-0.5(安全裕量)>0。即H0>0.27m。因此,采用冷卻水泵壓入式安裝,可滿足不發(fā)生汽蝕的條件。

        4 結(jié)論與建議

        4.1 結(jié)論

        在圖紙內(nèi)審流程時(shí),審核人特別提示某項(xiàng)目空調(diào)工程曾因冷卻塔安裝高度不夠,發(fā)生水泵汽蝕的工程事故,最終施工單位提升冷卻塔的安裝高度才解決問(wèn)題。為此,鑒于冷卻塔安裝高度與位置受限的實(shí)際情形,筆者校核計(jì)算了水泵在不同的設(shè)置方式(壓入式or抽出式)下的水泵吸入口壓力,從設(shè)計(jì)上杜絕水泵汽蝕發(fā)生。

        從前文的推導(dǎo)過(guò)程可以看出:

        1)采用水泵抽出式的冷卻水系統(tǒng)較難滿足不發(fā)生汽蝕的條件,此時(shí)通常需要將冷卻塔設(shè)置于高于地面一定高度的裙房屋面(一般而言,公共建筑的裙房屋面高度接近24m);

        2)采用水泵壓入式的冷卻水系統(tǒng)更易于滿足不發(fā)生汽蝕的條件,此時(shí)冷卻塔可設(shè)置在室外地面,甚至是低于地面的凹坑內(nèi)。

        4.2 建議

        通過(guò)計(jì)算及分析,建議主要從以下兩方面來(lái)避免汽蝕。

        (一)通過(guò)提高離心泵本身抗汽蝕性能

        1)改進(jìn)泵的吸入口至葉輪附近的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。①增大過(guò)流面積;②增大葉輪蓋板進(jìn)口段的曲率半徑,減小液流急劇加速與降壓;③適當(dāng)減少葉片進(jìn)口的厚度,并將葉片進(jìn)口修圓,使其接近流線型,也可以減少繞流葉片頭部的加速與降壓;④提高葉輪和葉片進(jìn)口部分表面光潔度以減小阻力損失;⑤將葉片進(jìn)口邊向葉輪進(jìn)口延伸,使液流提前接受作功,提高壓力。

        2)采用前置誘導(dǎo)輪,使液流在前置誘導(dǎo)輪中提前作功,以提高液流壓力。

        3)采用雙吸葉輪,讓液流從葉輪兩側(cè)同時(shí)進(jìn)入葉輪,則進(jìn)口截面增加一倍,進(jìn)口流速可減少一倍。

        4)設(shè)計(jì)工況采用稍大的正沖角,以增大葉片進(jìn)口角,減小葉片進(jìn)口處的彎曲,減小葉片阻塞,以增大進(jìn)口面積;改善大流量下的工作條件,以減少流動(dòng)損失。但正沖角不宜過(guò)大,否則影響效率。

        5)采用抗汽蝕的材料。實(shí)踐表明,材料的強(qiáng)度、硬度、韌性越高,化學(xué)穩(wěn)定性越好,抗汽蝕的性能越強(qiáng)。

        (二)提高進(jìn)液裝置有效汽蝕余量

        1)對(duì)水泵抽出式系統(tǒng)而言,減小泵前管路上的流動(dòng)損失。如降低制冷機(jī)組冷凝器水阻、在要求范圍盡量縮短管路,減小管路中的流速,減少?gòu)澒芎烷y門(mén),盡量加大閥門(mén)開(kāi)度等。

        2)降低泵入口工質(zhì)介質(zhì)溫度(當(dāng)輸送工質(zhì)接近飽和溫度時(shí))。

        以上措施可根據(jù)泵的選型、選材和泵的使用現(xiàn)場(chǎng)等條件,進(jìn)行綜合分析,適當(dāng)加以應(yīng)用。

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