CN100549609C - 向冷却塔供水的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及对在冷却塔交换表面的交换壁上的水膜循环进行控制的方法和系统。其包括箱体(2)和分配口(3)的组合，这确保了膜具有特定的厚度、并且从一开始流动起就附着在交换壁上，并且重复地附着在交换壁上。位于空气和水之间的交换壁在水平面上倾斜一个小的角度，从而确保水通过重力流动，并且同时限制速度在交换板上增加以避免液滴被气流拖走。

Description

向冷却塔供水的方法和系统

技术领域

本发明涉及一种向冷却塔供水的方法和系统。

背景技术

冷却塔是一种用于将热量排到环境空气中的紧凑、能效高的设备。基本的物理过程是水分蒸发到湿度远未达到饱和状态的空气中，其蒸发程度根据周围的环境状态而变化。因为水的潜热非常高，即在大气压下处于2500KJ/kg的范围内，所以，为了冷却循环的液态水流，所需要的蒸发率是低的。从1976年起就得知，冷却塔可以是例如退伍军人杆菌的病原菌的传播源。此传播通过尺寸明确限定在0.5到6微米——即0.5到6×10^-6米——之间的液体气溶胶而发生。本发明的目的是限定一种方法和系统，通过所述的方法和系统，可以消除这些气溶胶或微液滴。

冷却塔配备有各种消除液滴漂移的设备，例如美国专利No.3731461或英国专利No.2206683中的液滴漂移消除器。然而，用于测量气溶胶尺寸及其数量的测量装置是最新的并且知道得很少，或者其中一些难于使用。仅有采用在90度进行白光衍射的最近设备——其刚好设置于冷却塔出口——可用于计数液滴的数目和测量其尺寸。制造商用循环水流率的百分比来表示漂移的程度；典型值的范围在0.01％到0.06％之间。这显得很小，但是在结合循环流率观察时，每小时有几十升水以尺寸为几个微米的气溶胶形式散发，这代表着每小时大于几十亿个微液滴的值。此数目在设置有液滴消除系统的冷却塔的出口处测量。设备不能有效地阻止尺寸在0.5到6微米之间的微液滴。因此，本发明试图在源头解决防止液态气溶胶形成的问题。为此，需要开发新颖和应用广泛的设计以用于冷却塔中的气流和水流。

冷却塔主要通过水分配系统、由使得空气和水接触的交换板构成的组件、通风系统和水回收系统形成。

如美国专利4579692或W099/30096或WO94/21366中所述的用于将水分配到组件上的常规或改进设备是将水分发到组件上的喷洒设备、转动喷杆或溢流系统。所有的这些系统具有甚至在水流到组件之前就产生气溶胶的显著缺陷。此外，如果仅仅考虑增加空气-水的接触面积，例如美国专利No.2517639或No.3652066等的某些专利甚至还要求增加由各设备形成的液滴的数目，以增加空气/水的接触面积。

发明内容

为了防止在冷却塔中错流或逆流循环的空气和水形成液体气溶胶或微液滴，相对于气流而言，必须在水流的三个连续部分中防止这个液体气溶胶的形成：在水的分配期间、在水于交换板上流动期间、以及在水于交换板或组件端部处的回收期间。在此术语组件采用了其广义——提供水与空气的有效接触的固体表面。

为此，需要形成附着在组件壁上的水膜，控制厚度和在交换板上的适当分布。这是防止微液滴形成的第一步骤。然后，需要对交换板上的水流区域进行控制，从而，形成在此自由边界流上的微小的波浪的高度足够地低，使得微小的波浪不会被气流截断。最后，水膜回收时应当不与气流交叉。

为了不在分布过程中形成各种尺寸的气溶胶，水在交换板上的初始分布是非常重要的。本发明实施方式所设计的方法为这样的一种方法：其使用厚度受控的溢流以及附着在壁上的膜。

一旦均匀厚度的水膜分布在交换板的整个宽度上时，交换板的倾斜、其表面状态、其亲水性能或相反地其厌水性能、同时结合同向流或错流的气流循环将确定水在交换板上的速度。实际上，水通过重力的循环、因此其运动通过重力而均匀地加速。需要对此加速进行控制以限制水在交换板上的速度增加，该速度增加导致了微小的波浪的形成。采用华莱士(Wallis)准则来计算在引起液滴被拖走时的空气和水的相对速度阀值，其关系为 $U_G^{*}+m\sqrt{U_L^{*}}=C,$ 其中U^*为无量纲的速度，标记G和L分别指代空气和水，而m为一个通过经验确定的参数，其取决于交换板的表面状态。C的值使得可以得知液滴被拖走的条件是否得到了满足。其它更为复杂的计算考虑了水的表面张力、重力、微小的波浪的波长、空气和水的特定热力学性能，以及当然地它们的速度也类似地限定了液滴被拖走的条件。这些计算和实验设备被用于检验本发明的基础。

本发明涉及一种用于对冷却塔供水的方法，其中，通过一个防湍流的水箱和例如分配口的装置来进行供水，其中形成附着在交换板上的水膜以防止在空气和水在这些交换板上进行交换的期间形成液体气溶胶。

在一个实施方式中，交换板相对于水平面倾斜一个角度——例如介于2度到10度的范围内，此角度值使得水膜在交换板上的加速受到控制，从而，附着在交换板上的膜的速度防止微小的波浪被逆流或错流的气流截断。

依据一个实施方式，在相继的交换板之间设置送风喷气嘴(10)，所述送风喷气嘴(10)具有在垂直于水膜流动的平面内倾斜的槽，所述槽被用于收集水膜并且所述水膜不会被气流打断，从而，在水膜通过在气流中自动蒸发而冷却之后，防止在水膜回收过程中形成液滴，其中，所述槽倾斜1到2度。

为了确保水膜在交换板上的恒定厚度，在一个实施方式中，供有水的交换板的数量取决于水的流率。在此情形中，每个供有水的交换板上的流率例如都相同。

本发明还涉及一种产生由使用水分配系统的冷却塔和至少一个位于水流和气流之间的交换板冷却的水的方法，其中，水分配系统产生施加到交换板上的水膜形式的水流，水膜厚度的值以及水流相对于气流的相对速度的值选择为以防止空气和水在这些交换板上进行交换时形成液体气溶胶。

依据一个实施方式，水的分配由分配装置通过溢流实现，该分配装置提供水膜在交换板整个宽度上的均匀分布。

在一个实施方式中，水分配系统包括一个防湍流水箱。

在一个实施方式中，交换板相对于水平面倾斜一个例如介于2到10度之间的角度，此角度值使得水流相对于气流的相对速度保持为低于一个阀值，从该阀值起形成气溶胶。

依据一个实施方式，水膜的最大速度U_L ^*由以下公式确定：

$U_G^{*}+m\sqrt{U_L^{*}}=C$

其中U_G ^*为气流的速度，m为一个参数，该参数为交换板的函数，C为华莱士(Wallace)准则的值，超过了该值则形成气溶胶。

气流例如通过位于交换板一端部处的分配系统形成。

在一个实施方式中，通过在垂直于水膜流动的平面内倾斜例如1到2度的槽来收集水膜并且水膜不会与气流接触，从而，在水膜通过在气流中自动蒸发而冷却之后，防止在水膜回收过程中形成液滴。

在一个实施方式中，为了确保水膜在交换板上的恒定厚度，供有水的交换板的数目取决于水的流率。

在此情形中，每个供有水的交换板上的流率例如都相同。

水膜的流动优选地是层流。

本发明的其它特征及优点会从其某些实施方式中通过参照附图而得知，其中，图1到7示意性地示出了本发明的实施方式。

附图说明

图1为一个水分配系统的横截面的示意图；

图2为依据本发明的一个实施方式的立体示意图；

图3为依据本发明的实施方式的倾斜角度的示意图；

图4为依据本发明实施方式的端部的局部视图；

图5为依据本发明的实施方式的倾斜角度的另一示意图；

图6为依据本发明的另一实施方式的视图；以及

图7为依据本发明的组件的截面视图。

具体实施方式

此参照附图所作出的详细描述将提供一个对本发明的清晰说明。图1给出了一个水分配系统1的横截面的示意图，该水分配系统将用于对组件的各基础交换板——例如板4——进行供应。防湍流水箱2容纳总水流中的一部分。其尺寸和结构提供了一个稳态流，该稳态流适当地分布在组件基础交换板的整个宽度上。水从此水箱出来而流向一个分配口3。此分配口3的孔口和长度使得可以精确地控制水膜5的厚度，所述厚度介于几十毫米到一毫米之间。水箱2和分配口3的结合使得可以将所需的水流量以限定的厚度分配在交换板4的整个宽度上。

图2给出了一个可能应用的更易理解的视图，其具有两个叠加的交换板4和6——其分别通过水箱2和9供应，在此应用中，水箱2和9集成在交换板4和6的厚度中。交换板4和6的典型厚度的量级为5毫米。然后，水箱2和9的厚度量级为3毫米、且水膜通过分配口3以受控制的厚度倾注在交换板上。图2还示出水箱2形状的一种可能设计，所述水箱的截面沿水供应7的方向逐渐地减少，以在交换板4的整个宽度上提供一个等分布的初始水流分配。在组件的所有交换板上的水箱和分配口的结合通过一个附着在交换壁上的膜来供应水。此分配系统确保了在水分配过程中不会形成气溶胶。

图2还示出了一个由两个薄板11和12形成的分配空气的设备(送风喷气嘴)10的构件，所述薄板11和12锥形地终止以将气流平行地、以逆流形式导向水流，在此情形中导到交换板6上。空气的错流供应也是可能的，并且，对于通过水箱及分配口来分配水、以及通过插入喷嘴来分配空气而言将具有相同结构。然而，如同公知的那样，错流供应系统的能量效率较低。有利地，蜂窝结构(未示出)可插入到分配板的中间层构件中，形成空气分配系统以获得基本上单一方向的无漩气流。

在一个正交的参考系x、y、z中——其中x为沿交换板上水流方向的水平轴线、y为竖直轴线、z轴线与x形成一系列水平面，在如图3所示的xy平面内，交换板在水平上方形成一个第一角度α，其介于2度到10度之间，优选地在5度左右，使得由水箱和分配口形成的水供应系统1高于交换板的端部，在交换板的端部空气通过空气分配结构吹入。因此，对于1.7米的典型板长，交换板4顶部和底部之间的高度差大约为15厘米，使得水在交换板底部处的速度仅仅为从分配口3处的初始出口速度的两倍。为了保持略有波纹、雷诺数在1000以下的流动，这个水膜上的重力加速控制效应是非常重要的，其形成了一个流动区域，其中微小的波浪在竖直方向是足够地低，因此，它们不会被气流截断，从而防止了液滴和气溶胶的形成。

图4为交换板4和6的端部的局部和详细的视图，水膜5和15在交换板4和6上流动，并且还示出了薄板11和12，它们是用于相对于水膜5以逆流形式分配空气的设备10的构件。可以看到，交换板4和6的端部是倒圆的，以防止在水膜方向改变时产生湍流。薄板11具有一个槽13，该槽收集在交换板4上流动的水膜5中的水流。这个槽可有利地具有一个这样的截面：该截面沿坡度y、z的方向增加。实际上，如图5所示，交换板还与水平面形成一个大约为1度到2度的角度β，此次位于yz平面内。这个坡度使得可以收回在每个交换板上流动的各基础水流的流动而不会与气流交叉，从而防止由于空气吹经水流而形成任意液滴。形成这个水收回系统的原理示于图4中，其中水分配系统的板14本身也包括一个槽16，用于收回膜15中的水流。

另一个选项示于图6中：为了避免交换板具有位于平面xy和平面yz中的两个坡度的情形，仅仅保留了平面xy中的坡度，且一个部件19附连到薄板11上并倚靠在交换板4的边缘上。这个附连的部件19形成一个在平面yz中倾斜的槽。此外，考虑到与水膜5逐渐收回相应的流动增加，槽的截面沿坡度方向逐渐地变宽。因为实际原因，此槽19可在通道端部处结合入薄板11本身中。

图7示出了形成组件17的成组的交换板的截面视图，其具有一个水供应管18，该水供应管供应水箱的入口——例如图2中所示的入口7和8。有利地，几个与管18相同类型的未示出的管可设置成对每两个交换板中的一个、或者每三个交换板中的一个、或者需要时更多交换板中的一个交替地进行供应。这提供了以下的优点：其使得水入口的水龙头可以容易地连接到供应管上，且最重要的是能够不改变膜厚度地调节塔的水流率。实际上，对于一个代表了100％的流动的名义水流率而言，通过所有的供应管对所有的交换板进行供应。如果塔具有三个供应管、并且如果水流率必须减少三分之一，则三个供应管中的一个通过特定的阀关闭、且三分之一的交换板不再供水。另外的三分之二供应以与先前相同的单位流率，从而可以保持相同的分配口设定参数、从而可以在各受供应的交换板上得到均匀的膜。

简而言之，本发明涉及一种方法和系统，其通过水箱和分配口的结合来控制水膜在冷却塔交换表面的交换壁上的流动，从而确保了一旦膜开始流动，则该膜就具有限定的厚度并附着在交换壁上，在每个交换壁上都分别地实现了这个效果。

在示例中，位于空气和水之间的交换壁朝水平面倾斜一个小的角度，例如介于2度到10度的范围内，从而确保水通过重力流动、同时限制在交换板上的速度以：

防止在交换板上的速度增加；以及

防止液滴被气流拖走。

水膜的回收在回收槽中完成，该回收槽垂直于在交换板上流动的水膜。这些槽朝水平面倾斜一个例如等于1度到2度的角度，并且用于回收水膜而不会与气流交叉。

空气通过插入在相继水流板之间的喷嘴而吹入，从而，空气相对于水膜以逆流形式循环，或者在需要时以错流形式循环，从而使得水可以蒸发，这冷却了交换板上的水流。

Claims (19)

1.一种用于向冷却塔供水的方法，其中通过防湍流水箱(2)和分配口(3)来进行供水，并且其中形成附着于交换板的水膜(5)以防止空气和水在所述交换板上进行交换期间形成液体气溶胶。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述交换板(4、6)相对于水平面倾斜一个角度，此角度的值使得所述水膜在所述交换板上的加速得到控制，从而附着于所述交换板的水膜的速度使得微小的波浪不会被逆流或错流的气流截断。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述角度介于2度到10度之间。

4.如权利要求1或2所述的方法，其中，在相继的交换板之间设置送风喷气嘴(10)，所述送风喷气嘴(10)具有在垂直于水膜流动的平面内倾斜的槽，所述槽被用于收集所述水膜并且所述水膜不会被气流打断，从而在水膜通过在气流中自动蒸发而冷却之后，防止水膜回收过程中形成液滴。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述槽倾斜1度到2度。

6.如权利要求1或2所述的方法，其中为了确保水膜在所述交换板上的恒定厚度，供有水的交换板的数目取决于水的流率。

7.如权利要求6所述的方法，其中每个所述供有水的交换板上的流率相同。

8.一种产生由使用水分配系统的冷却塔和至少一个位于水流和气流之间的交换板冷却的水的方法，其中，所述水分配系统产生施加到交换板的水膜形式的水流，所述水膜厚度的值以及水流相对于气流的相对速度的值选择为以防止空气和水在所述交换板上进行交换时形成液体气溶胶。

9.如权利要求8所述的方法，其中水的分配由分配装置通过溢流实现，该分配装置提供水膜在交换板整个宽度上的均匀分布。

10.如权利要求8或9所述的方法，其中所述水分配系统包括防湍流水箱。

11.如权利要求8或9所述的方法，其中所述交换板(4、6)相对于水平面倾斜一个角度，此角度的值使得水流相对于气流的相对速度保持为低于一个阀值，从该阀值起形成气溶胶。

12.如权利要求11所述的方法，其中所述角度介于2度到10度之间。

13.如权利要求8或9所述的方法，其中水膜的最大速度U_L ^*由以下公式确定：

$U_G^{*}+m\sqrt{U_L^{*}}=C$

其中U_G ^*为气流的速度，m为一个参数，该参数是交换板的函数，C为华莱士准则的值，超过了该值则形成气溶胶。

14.如权利要求8或9所述的方法，其中气流由位于交换板一端部处的分配系统形成。

15.如权利要求8或9所述的方法，其中通过在垂直于水膜流动的平面内倾斜的槽来收集水膜并且水膜不会与气流接触，从而在水膜通过在气流中自动蒸发而冷却之后，防止在水膜回收过程中形成液滴。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述槽倾斜1度到2度。

17.如权利要求8或9所述的方法，其中为了确保水膜在所述交换板上的恒定厚度，供有水的交换板的数目取决于水的流率。

18.如权利要求17所述的方法，其中所述供有水的交换板上的流率相同。

19.如权利要求8或9所述的方法，其中水膜的流动是层流。

Images