某项目空调冷却水泵防汽蚀设计与探讨

李娜

（深圳市华阳国际设计集团，深圳 518038）

受建筑场地限制，冷却塔的选择和布置很多时候直接制约着空调系统的制冷效果和运行效率。一方面，冷却塔尽可能设置在相对隐蔽的部位，与建筑景观相互协调，并能保证良好的通风散热条件。另一方面，需要注意冷却塔安装高度对冷却水系统运行的影响，满足冷却水泵净吸入扬程、必需汽蚀余量的要求，避免水泵运行时发生汽蚀现象［1］。

1 汽蚀

1.1 汽蚀的定义与危害

水泵内流道中，当某处液体的压强下降至等于或低于当时液体温度相对应的汽化压强时，会出现汽泡。汽泡主要是蒸汽和水中溶解的少量气体，汽泡随着水流流到高压区时，蒸汽会重新凝结成水，汽泡逐渐变形而破裂。汽泡在壁面附近破裂时，会产生很大的冲击力，使流道的材料遭受破坏。汽泡形成、增长直到破裂，最终造成材料侵蚀的过程称为汽蚀［2］。

汽蚀是一种水动力现象，对水泵所造成的不良影响主要是：1）对泵壳、导叶和叶轮等泵内流道材料造成破坏；2）造成泵的性能下降；3）产生噪声和振动。

1.2 不发生汽蚀的条件

为了更好的理解不发生汽蚀的条件，引进两个概念，一个是有效汽蚀余量NPSHa， 另一个是必需汽蚀余量NPSHr。

有效汽蚀余量NPSHa， 与泵进口法兰前吸水管路系统的布置有关，也称为装置汽蚀余量，是指泵进口处单位重量流体具有超过汽化压头的富余能量，即液体到达泵进口处的能量扣除汽化压头后所富余的能量，以补偿从泵进口到叶轮进口后部最低压力点截面之间的各种损失，以保证不发生汽蚀。

必需汽蚀余量NPSHr， 是液体进入泵后压头下降的程度，只与泵叶轮进口处的运动参数有关，它的大小取决于泵本身的设计和制造，而与吸入系统的装置无关。一般而言，NPSHr与液体性质无关。NPSHr的 大小标志着泵抗汽蚀性能的好坏，值越小，则泵的抗汽蚀性能越好，要求吸入系统所提供的装置汽蚀余量NPSHa值越小。

目前，NPSHr还 不可能通过计算精确地确定，生产厂家提供的样本所给出的NPSHr是 试验所得的临界值NPSHc加 一个安全系数，以保证运行时不发生汽蚀。

下面对汽蚀的基本方程进行推导，汽蚀原理图见图1。

图1 汽蚀原理图

式中：NPSHa－装置汽蚀余量，m；

Pc-封闭系统吸入液面的绝对压力，Pa；

Pv-液体温度下的汽化压力，Pa（敞开系统进水液面的压力为大气压力Pa，式中Pc＝Pa）

hg- 泵吸入几何高度，m；即进水液面至泵叶轮基准面的垂直高度。

hc- 泵吸入系统装置的阻力损失水头，m，包括局部损失和沿程损失；

ρ-液体密度，kg/m3；

g-重力加速度，9.8m/s2

注：公式中的装置参数Pc、hg、hc， 在敞开系统中进水液面为大气压力Pa与 当地海拔高度有关。液体的性质Pv和 ρ与液体的温度有关，Pv可 以在手册中查到。因此，同一个吸入系统装置，它的NPSHa值 在不同的海拔高度或不同的输送液体温度是不相同的。

不发生汽蚀的条件为：NPSHa＞NPSHr。

简化后的公式为：水泵吸入口压力-介质入口温度相对的汽化压力-泵的必需汽蚀余量-0.5(安全裕量)＞0。

2 项目简介

项目为某酒店项目，其制冷机房设置在地下一层，冷却塔设置在室外地面，位于室外高架路桥下方，冷却塔周围设置有装饰性百叶来掩蔽，冷却塔剖面示意图见图2。工程设计中选用的冷却水泵，必需汽蚀余量为6mH2O，冷却塔集水盘水面相对于冷却水泵中心线的相对标高为H0=6m，制冷机组冷凝器压降为8.9mH2O。图纸内审时，审核人要求对水泵的设置方式（压入式or抽出式）、设置位置进行校核计算，以防止水泵汽蚀。

图2 冷却塔剖面示意图

3 设计计算

假定项目所在地±0.000m即为海拔高度0m。

本项目制冷机房设计时，笔者引入了一些高效机房的设计理念。一方面对过滤器进行优化，选用低阻力的直角式过滤器；另一方面尽可能采用顺水弯，即将直接弯头、直角三通改为钝角弯头、钝角三通，相对于直角弯头和三通，钝角弯头和三通可同时减少管路的沿程阻力和局部阻力，可减低约50%的管段阻力损失［4］。

计算冷却水供水管道阻力损失，计算过程（略）。通过水力计算，得出管道阻力损失为3.4H2O。

若冷却水供水系统选用角通式过滤器代替Y型过滤器，局部阻力损失为0.2mH2O，“管道阻力损失+过滤器局部阻力损失”为3.6mH2O。

3.1 水泵抽出式冷却水系统

图3 水泵抽出式冷却水系统原理图

当循环泵停止运行、水不流动时，水泵吸入口压力：

当循环泵运行、水流动时，水泵吸入口的压力：

依据《实用供热空调设计手册（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温（37℃）所对应的饱和水蒸汽的压力为0.67mH2O。

不发生汽蚀的条件必须满足：水泵吸入口压力（P5）-介质入口温度相对的汽化压力-泵的必需汽蚀余量-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。

本项目设计H0=6m，不满足不发生汽蚀的条件。因此，冷却水系统水泵采用抽出式的设置方式行不通。

3.2 水泵压入式冷却水系统

图4 水泵压入式冷却水系统原理图

循环泵运行、水流动时，水泵吸入口的压力：

依据《实用供热空调设计手册（第二版）》中表12.1-2、表12.1-3可知，压入式水泵吸入口水温（32℃）对应的饱和水蒸汽的压力为0.50mH2O。

不发生汽蚀的条件必须满足：水泵入口压力（P3′）-介质入口温度相对的汽化压力-泵的必需汽蚀余量-0.5（安全裕量）＞0。即H0＞0.27m。因此，采用冷却水泵压入式安装，可满足不发生汽蚀的条件。

4 结论与建议

4.1 结论

在图纸内审流程时，审核人特别提示某项目空调工程曾因冷却塔安装高度不够，发生水泵汽蚀的工程事故，最终施工单位提升冷却塔的安装高度才解决问题。为此，鉴于冷却塔安装高度与位置受限的实际情形，笔者校核计算了水泵在不同的设置方式（压入式or抽出式）下的水泵吸入口压力，从设计上杜绝水泵汽蚀发生。

从前文的推导过程可以看出：

1）采用水泵抽出式的冷却水系统较难满足不发生汽蚀的条件，此时通常需要将冷却塔设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）采用水泵压入式的冷却水系统更易于满足不发生汽蚀的条件，此时冷却塔可设置在室外地面，甚至是低于地面的凹坑内。

4.2 建议

通过计算及分析，建议主要从以下两方面来避免汽蚀。

（一）通过提高离心泵本身抗汽蚀性能

1）改进泵的吸入口至叶轮附近的结构设计。①增大过流面积；②增大叶轮盖板进口段的曲率半径，减小液流急剧加速与降压；③适当减少叶片进口的厚度，并将叶片进口修圆，使其接近流线型，也可以减少绕流叶片头部的加速与降压；④提高叶轮和叶片进口部分表面光洁度以减小阻力损失；⑤将叶片进口边向叶轮进口延伸，使液流提前接受作功，提高压力。

2）采用前置诱导轮，使液流在前置诱导轮中提前作功，以提高液流压力。

3）采用双吸叶轮，让液流从叶轮两侧同时进入叶轮，则进口截面增加一倍，进口流速可减少一倍。

4）设计工况采用稍大的正冲角，以增大叶片进口角，减小叶片进口处的弯曲，减小叶片阻塞，以增大进口面积；改善大流量下的工作条件，以减少流动损失。但正冲角不宜过大，否则影响效率。

5）采用抗汽蚀的材料。实践表明，材料的强度、硬度、韧性越高，化学稳定性越好，抗汽蚀的性能越强。

（二）提高进液装置有效汽蚀余量

1）对水泵抽出式系统而言，减小泵前管路上的流动损失。如降低制冷机组冷凝器水阻、在要求范围尽量缩短管路，减小管路中的流速，减少弯管和阀门，尽量加大阀门开度等。

2）降低泵入口工质介质温度（当输送工质接近饱和温度时）。

以上措施可根据泵的选型、选材和泵的使用现场等条件，进行综合分析，适当加以应用。