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

李娜

（深圳市華陽國際設(shè)計(jì)集團(tuán)，深圳 518038）

受建筑場地限制，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、增長直到破裂，最終造成材料侵蝕的過程稱為汽蝕［2］。

汽蝕是一種水動(dòng)力現(xiàn)象，對水泵所造成的不良影響主要是：1）對泵殼、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)的裝置無關(guān)。一般而言，NPSHr與液體性質(zhì)無關(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。

下面對汽蝕的基本方程進(jìn)行推導(dǎo)，汽蝕原理圖見圖1。

圖1 汽蝕原理圖

式中：NPSHa－裝置汽蝕余量，m；

Pc-封閉系統(tǒng)吸入液面的絕對壓力，Pa；

Pv-液體溫度下的汽化壓力，Pa（敞開系統(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。

簡化后的公式為：水泵吸入口壓力-介質(zhì)入口溫度相對的汽化壓力-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，冷卻塔周圍設(shè)置有裝飾性百葉來掩蔽，冷卻塔剖面示意圖見圖2。工程設(shè)計(jì)中選用的冷卻水泵，必需汽蝕余量為6mH2O，冷卻塔集水盤水面相對于冷卻水泵中心線的相對標(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。一方面對過濾器進(jìn)行優(yōu)化，選用低阻力的直角式過濾器；另一方面盡可能采用順?biāo)畯?，即將直接彎頭、直角三通改為鈍角彎頭、鈍角三通，相對于直角彎頭和三通，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)算過程（略）。通過水力計(jì)算，得出管道阻力損失為3.4H2O。

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

通過計(jì)算及分析，建議主要從以下兩方面來避免汽蝕。

（一）通過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，減少彎管和閥門，盡量加大閥門開度等。

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)場等條件，進(jìn)行綜合分析，適當(dāng)加以應(yīng)用。