某項目空調冷卻水泵防汽蝕設計與探討

李娜

（深圳市華陽國際設計集團，深圳 518038）

受建筑場地限制，冷卻塔的選擇和布置很多時候直接制約著空調系統的制冷效果和運行效率。一方面，冷卻塔盡可能設置在相對隱蔽的部位，與建筑景觀相互協調，并能保證良好的通風散熱條件。另一方面，需要注意冷卻塔安裝高度對冷卻水系統運行的影響，滿足冷卻水泵凈吸入揚程、必需汽蝕余量的要求，避免水泵運行時發生汽蝕現象［1］。

1 汽蝕

1.1 汽蝕的定義與危害

水泵內流道中，當某處液體的壓強下降至等于或低于當時液體溫度相對應的汽化壓強時，會出現汽泡。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時，蒸汽會重新凝結成水，汽泡逐漸變形而破裂。汽泡在壁面附近破裂時，會產生很大的沖擊力，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］。

汽蝕是一種水動力現象，對水泵所造成的不良影響主要是：1）對泵殼、導葉和葉輪等泵內流道材料造成破壞；2）造成泵的性能下降；3）產生噪聲和振動。

1.2 不發生汽蝕的條件

為了更好的理解不發生汽蝕的條件，引進兩個概念，一個是有效汽蝕余量NPSHa， 另一個是必需汽蝕余量NPSHr。

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

必需汽蝕余量NPSHr， 是液體進入泵后壓頭下降的程度，只與泵葉輪進口處的運動參數有關，它的大小取決于泵本身的設計和制造，而與吸入系統的裝置無關。一般而言，NPSHr與液體性質無關。NPSHr的 大小標志著泵抗汽蝕性能的好壞，值越小，則泵的抗汽蝕性能越好，要求吸入系統所提供的裝置汽蝕余量NPSHa值越小。

目前，NPSHr還 不可能通過計算精確地確定，生產廠家提供的樣本所給出的NPSHr是 試驗所得的臨界值NPSHc加 一個安全系數，以保證運行時不發生汽蝕。

下面對汽蝕的基本方程進行推導，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（敞開系統進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；即進水液面至泵葉輪基準面的垂直高度。

hc- 泵吸入系統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Pc、hg、hc， 在敞開系統中進水液面為大氣壓力Pa與 當地海拔高度有關。液體的性質Pv和 ρ與液體的溫度有關，Pv可 以在手冊中查到。因此，同一個吸入系統裝置，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 項目簡介

項目為某酒店項目，其制冷機房設置在地下一層，冷卻塔設置在室外地面，位于室外高架路橋下方，冷卻塔周圍設置有裝飾性百葉來掩蔽，冷卻塔剖面示意圖見圖2。工程設計中選用的冷卻水泵，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高為H0=6m，制冷機組冷凝器壓降為8.9mH2O。圖紙內審時，審核人要求對水泵的設置方式（壓入式or抽出式）、設置位置進行校核計算，以防止水泵汽蝕。

圖2 冷卻塔剖面示意圖

3 設計計算

假定項目所在地±0.000m即為海拔高度0m。

本項目制冷機房設計時，筆者引入了一些高效機房的設計理念。一方面對過濾器進行優化，選用低阻力的直角式過濾器；另一方面盡可能采用順水彎，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］。

計算冷卻水供水管道阻力損失，計算過程（略）。通過水力計算，得出管道阻力損失為3.4H2O。

若冷卻水供水系統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

圖3 水泵抽出式冷卻水系統原理圖

當循環泵停止運行、水不流動時，水泵吸入口壓力：

當循環泵運行、水流動時，水泵吸入口的壓力：

依據《實用供熱空調設計手冊（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℃）所對應的飽和水蒸汽的壓力為0.67mH2O。

不發生汽蝕的條件必須滿足：水泵吸入口壓力（P5）-介質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。

本項目設計H0=6m，不滿足不發生汽蝕的條件。因此，冷卻水系統水泵采用抽出式的設置方式行不通。

3.2 水泵壓入式冷卻水系統

圖4 水泵壓入式冷卻水系統原理圖

循環泵運行、水流動時，水泵吸入口的壓力：

依據《實用供熱空調設計手冊（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℃）對應的飽和水蒸汽的壓力為0.50mH2O。

不發生汽蝕的條件必須滿足：水泵入口壓力（P3′）-介質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，可滿足不發生汽蝕的條件。

4 結論與建議

4.1 結論

在圖紙內審流程時，審核人特別提示某項目空調工程曾因冷卻塔安裝高度不夠，發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際情形，筆者校核計算了水泵在不同的設置方式（壓入式or抽出式）下的水泵吸入口壓力，從設計上杜絕水泵汽蝕發生。

從前文的推導過程可以看出：

1）采用水泵抽出式的冷卻水系統較難滿足不發生汽蝕的條件，此時通常需要將冷卻塔設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更易于滿足不發生汽蝕的條件，此時冷卻塔可設置在室外地面，甚至是低于地面的凹坑內。

4.2 建議

通過計算及分析，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）改進泵的吸入口至葉輪附近的結構設計。①增大過流面積；②增大葉輪蓋板進口段的曲率半徑，減小液流急劇加速與降壓；③適當減少葉片進口的厚度，并將葉片進口修圓，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提高葉輪和葉片進口部分表面光潔度以減小阻力損失；⑤將葉片進口邊向葉輪進口延伸，使液流提前接受作功，提高壓力。

2）采用前置誘導輪，使液流在前置誘導輪中提前作功，以提高液流壓力。

3）采用雙吸葉輪，讓液流從葉輪兩側同時進入葉輪，則進口截面增加一倍，進口流速可減少一倍。

4）設計工況采用稍大的正沖角，以增大葉片進口角，減小葉片進口處的彎曲，減小葉片阻塞，以增大進口面積；改善大流量下的工作條件，以減少流動損失。但正沖角不宜過大，否則影響效率。

5）采用抗汽蝕的材料。實踐表明，材料的強度、硬度、韌性越高，化學穩定性越好，抗汽蝕的性能越強。

（二）提高進液裝置有效汽蝕余量

1）對水泵抽出式系統而言，減小泵前管路上的流動損失。如降低制冷機組冷凝器水阻、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）降低泵入口工質介質溫度（當輸送工質接近飽和溫度時）。

以上措施可根據泵的選型、選材和泵的使用現場等條件，進行綜合分析，適當加以應用。