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水动风机冷却塔工程原理分析
冷却塔的热能交换能力主要由气水比来决定，多少质量流量的热水用多少质量流量的空气进行热交换即可实现冷却塔的预期温降。而空气是不论用什么方法获得，一般常用电机驱动风机获取。
如果改用水轮机来驱动，那么水轮机的轴功率与电机功率相同即可实现。塔的结构、外形、尺寸、冷却原理都不需改变。
1 水动风机的原理
冷却塔的进塔循环水压头一般是5-8m。由此可推算进冷却塔的水流中具备着水头5-8m乘上相应的进塔水流量的功率。如100t／h标准塔的能耗为2.2kW左右，即100t／h标准塔所用的风叶的实际轴功率为2.2kW左右，风机效率高的还低于2.2kW，200t／h塔是4.5 kW左右，1000t／h是22kW左右，4000t／h是90kW左右，依次类推。既然现有冷却塔在正常运转 情况下的水流中具备着这样的能量，为什么不可以将其利用起来，而白白的浪费掉。
冷却塔的进水压头的要求是根据塔的管路损失、塔的高度和布水的喷射力共同所需的总和来确定。其中布水的喷射力所需的压头仅0.5-1 m就足够了。这些工作压力来自于循环水泵，水泵的扬程选型计算是冷却塔所处位置的高度、沿程管路损失、弯头、阀门的阻力，以及用水设备阻力的总和。泵的流量口是按冷却塔公称名义匹配的，如100t／h塔即匹配100t／h泵，500t／h即匹配500t／h泵。泵的扬程乘上流量即为水流所具备的功率，进塔水的压头是总扬程减去供水系统阻力损失以后所剩下的5—8m。这宝贵的5-8m，大有文章可做。把它先通过水轮机而获得输出功率来驱动风机，可以完全省去风机电机。实际上工业选泵的扬程，为了确保流量，还必须考虑泵的效率，按规定扬程只允许大不允许小，它为水轮机提供了富裕的水头。所以凡是冷却塔符合常规设计选型，完全可以由水轮机取代风机电机，大可不必担心水轮机的原动力不够而影响风量、冷效。而通过水轮机以后的余压足够完成布水和其它管路损失。如图1所示为水动风机冷却塔的结构图，水轮机的位置在布水系统的上部，水流经水轮机以后的出水到布水的位差即可获得0.5-1 m的水头。
2 水动风机冷却塔的节能
这种结构原理的冷却塔笔者经过5年的研制试验，一百多家用户的实用，证实可省去电机，节电可观，水动风机冷却塔大有节能价值。我国按200t／h标准塔折算有50万台，200t／h标准塔的电耗以国家标准规定的0.04kW／t为7.5kW，宏观地全部改成水轮机来驱动风叶，则可节电240亿度，以上海地区峰谷电平均0.5元／度计算，每年节约120亿元。从单塔的节能效果看200Vh塔每天用电7.5×24=180度，每年64800度，电费0.5元／度每年32400元，工业用电1元／度计算是64800元，这笔帐算起来十分清楚。节约的全部是利润。塔的大小完全可以照此推算。
3 微型水轮机的研制
要达到这样节能的效果，关键是如何配好水轮机，市场水轮机大都用于水力发电，其功率在100kW以上，而冷却塔的功率均在100kW以下，即使有小功率的水轮机也不能直接拿来用上，要么水压头过高，要么形状结构不适应，为此笔者专门研制了冷却塔**水轮机如图2。笔者称它为微型水轮机，双击贯流式，转轮的进水角度为30°，叶片的弦倾角为22.5°，叶片17片，叶片的线型遵照尽可能地完全利用能量的方法设计，进水口的水头为5-8m，完全解决了冷却风叶所需的转速、轴功率，实际应用经法定检测单位检测效果十分满意。
4 水动风机冷却塔的冷却效果
2001年5月31日上海节能服务中心对上海乳品培训中心由浙江联丰玻璃钢厂生产的2台同类型200t／h塔进行测试，其中1台的风机运行系统仅进行水轮机改造，其它部位不变。2台塔在同时运行，工况相同的情况下，进行热力性能，节能效果对比测试，其对比后测试数据如表1(北塔为经水轮机改造)。
测试结果表明，水泵没有增加功率，扬程没有改变，风叶电机却取消了，因此电耗等于零，实现了节电100％。
5 结语
水轮机应用于冷却塔不论是改造也好，整台新塔也好，优点在于：
①节能。该塔利用水轮机取代风叶电机，完全节省了风叶电机的运行电耗，且没有增加循环水泵的负担。
②无噪声。水轮机的能量转换是在水流道内完成的；控制湍振的雷诺数，使水轮机不会发出干扰的噪声。
③高效。水轮机轴直接输出风叶，不需再通过其它减速器等，且随着水流量的变化而风量相应变化，始终稳定在较好的气水比。
④使用寿命长。水轮机结构简单，运转平稳，因此只要达到材料设计强度和密封，其寿命是长期的。一旦出现故障，维修也极为简单，更换一些标准件即可，比电机减速器的维修要省却许多麻烦。
⑤安全。冷却塔电机有漏电伤人，火花爆炸的潜在危险，水轮机不用电，且质量轻，高处作业不再为起吊卸下电机减速器而为难，增加了冷却塔的运行环境安全性。
⑥适用。对任何形式的冷却塔都适用，特别适用于特大型的冷却塔。越大越可靠。
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