CN102735072B - 风机冷却塔的设计及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种风机冷却塔的设计及方法，提供了一种沿着竖轴延伸的冷却塔设备。所述冷却塔包括第一外罩结构，其具有入口和位于沿着竖轴的第一位置处的第一出口，其中所述外罩结构包括基座和沿着竖轴远离所述基座延伸的相对的侧壁。所述塔还包括热交换器，其被设置在所述的外罩结构中，其中，所述热交换器被设置为与所述第一出口邻近，并至少部分地延伸经过所述第一出口。最后，所述塔还使用了空气流发生器，其被设置在与竖轴正交的平面上，并被定向为将空气流朝向所述基座导向并通过所述热交换器和所述第一出口。

Description

风机冷却塔的设计及方法
技术领域
本发明通常涉及用于提供热交换的冷却塔设备。更具体而言，本发明涉及一种提供用于工业过程的高效热交换、且同时还可以如所希望的那样减少冷却塔羽流(plume)的方法和设备。
背景技术
在使用蒸汽驱动涡轮机的发电系统中，水被燃烧器加热以产生驱动涡轮机产生电力的蒸汽。此外，在其它工业过程中也需要水冷却。为了使所述过程必要的清水的量最小化，这些蒸汽必须通过放热再转化为水，从而所述水可以在该过程再次利用。在用于大型建筑物的空调系统中，建筑物内的空气被迫经过包含冷却的制冷剂气体的盘管，从而将建筑物内的热量传递至制冷剂气体。然后，加热的制冷剂被排出到建筑物外面，其中，多余的热量必须从制冷剂中放出，从而制冷剂气体可以再次被冷却，冷却过程得以持续。
在上述的两种过程和需要消散过量的热的步骤的许多的其它过程中，已经采用冷却塔。在湿型冷却塔中，水被泵送经过包含热蒸汽、制冷剂或其它热液体或气体的冷凝盘管，从而将热量传递给水。然后，水被泵送至热交换器的顶端，并喷射在由材料的薄片组成的冷却塔介质上或搅棒上。由于水从冷却塔介质向下流，常温空气被迫经过热水，通过显热和蒸发的传热方式，热量从水传递至空气。然后，空气被排出冷却塔并消散在周围的空气中。
冷却塔为高效和性价比高的排出这种过量热量的设备，而因此被广泛地用于此用途。然而，冷却塔的明显的缺点在于：在某些大气状况下，由热水源蒸发到气流(从冷却塔中出来的)中的湿气可以形成羽流。在冷却塔非常大的地方(如发电厂)，所述羽流可以在冷却塔附近引起低空平层雾(low lyingfog)。所述羽流还会引起冷却塔附近的道路结冰，其中，较低的温度引起羽流中的湿气结冰。因此，人们已经努力限制或减少由冷却塔引起的羽流。
一种限制羽流的常用的方式为引入常温空气。例如，羽流减少的冷却塔在下列地方使用：除了常温空气在冷却塔的底部被带入，并在热水向下喷射在填料(fill pack)时，所述常温空气被迫向上经过填料之外，所述常温空气通过位于热水喷头上方的分开的热传递通道被带入到冷却塔中。由热导体材料(例如，铝、钢、铜等)制成的这些通道允许常温空气吸收一些热量，而不使湿气蒸发到空气中。此外，在上述冷却填料上方，富含水汽的热空气与干的热空气混合，因而减少了羽流。
另一冷却塔目标采用了羽流减少系统，其中，热水在供给冷却塔之前被部分地冷却。使用用独立的冷却介质(如空气或水)运行的独立的热交换器进行上述热水的部分冷却。所述独立的热交换器降低了冷却塔的效率，而因此仅在由冷却塔产生羽流的大气条件下使用。
设计用于降低湿型冷却塔的羽流的系统的另一实例需要泵送热水经过干空气冷却部分，在该部分空气被迫经过与所述流连接的热交换器散热片。然后，已经被部分冷却的水在填料之上进行喷射，所述填料设置在干空气冷却部分之下且所述空气被迫通过填料以进一步冷却水。接着，湿空气被迫在塔内向上，并与来自干冷却过程中的热的干空气混合，从塔顶端排出。
尽管上述系统提供了用于工业过程的热交换的同时还强调了羽流的减少，这些系统或方案通常需要构造复杂的，并且通常是昂贵的，湿和干空气交换机构。这种昂贵的成本部分是由于各个热交换机构、湿和干的，需要使用独立的竖直的风机系统以使空气流经它们各自的湿和干区域。例如，在这种系统的运行时，需要单个的风机系统以使空气流经过干区域和第二、需要独立的风机系统以使空气流经过湿区域。采用独立的湿和干风机系统在建设过程中增加了额外的成本。此外，用于干区域的风机设备通常以竖直位置为方向，需要塔的高度异常大，这通常是不合意的或不允许的。此外，各个单个的风机系统在冷却塔系统的寿命期内需要保养，增加了这种系统的运行的成本。
前述系统和设计的另一缺点为上述风机组件为之前所提及的竖直定向。尽管竖直定向本身并不是缺点，其需要所述风机具有限制的尺寸，而因此可能需要额外的风机组件。这种竖直定向需要塔的高度较高和尺寸较大(如此前所述)，增加了所述冷却塔的竖直方向的尺寸，潜在地限制了所述塔可以使用的场所。
上述描述显示需要一种性价比高的冷却塔，该冷却塔以有效、经济的方式以所需要的那样使羽流减少。此外，需要性价比高的冷却塔系统，该系统使用有效的羽流减少系统，因此是合意的。
发明内容
在本发明一个方面，提供了一种沿着竖轴延伸的混合式冷却塔设备，其包括：第一外罩结构，其具有入口和位于沿着竖轴的第一位置处的第一出口，其中所述外罩结构包括基座和沿着竖轴远离所述基座延伸的相对的侧壁；热交换器，其被设置在所述外罩结构中，其中，所述热交换器被设置与所述第一出口邻近，并至少部分地延伸经过所述第一出口；和空气流发生器，其被设置在与竖轴正交的平面上，并被定向为将空气流朝向所述基座导向并通过所述热交换器和所述第一出口。
在本发明的另一个方面，提供了一种沿着竖轴延伸的混合式冷却塔设备，其包括：第一外罩结构，其具有入口和位于沿着竖轴的第一位置处的第一出口，其中所述外罩结构包括基座和沿着竖轴远离所述基座延伸的相对的侧壁；热交换器，其被设置在所述外罩结构中，其中，所述热交换器被设置与所述第一出口邻近，并至少部分地延伸经过所述出口；和空气流发生器，其被设置在与竖轴正交的平面上，并被定向为将空气流朝向所述基座导向并通过所述热交换器和所述出口；第二出口，其位于所述第一出口的下方的位置；第二外罩结构，其沿着竖轴延伸，并与所述第一外罩结构流体相通；所述第二外罩结构包括：位于与所述第一出口邻近的第三空气出口；第四空气入口，其位于第二出口邻近；第二空气出口；设置在所述第二外罩中的蒸发传热介质；水分配组件，其被设置在所述蒸发传热介质上方，并被构造为在所述蒸发传热介质上分配水；和收集盘，其被设置在蒸发传热介质下方并收集已经经过传热介质的水。
在本发明的另一方面，提供了一种沿着竖轴延伸的混合式冷却塔设备，其包括：外罩结构，其具有位于沿着竖轴的第一位置处的入口和位于沿着竖轴的第二位置处的出口，其中所述第二位置位于第一位置的下方，并且其中所述外罩结构包括基座和沿着竖轴远离所述基座延伸的相对的侧壁；空气流发生器，其被设置在与竖轴正交的平面上，并被定向为将空气流朝向所述基座导向并通过所述出口；第二外罩结构，所述第二外罩结构沿着竖轴延伸且与所述第一外罩结构流体相通；所述第二外罩结构包括：设置在所述第二外罩中的蒸发传热介质；设置在所述蒸发传热介质上方的水分配组件，其被构造为在所述蒸发传热介质上分配水；和收集盘，其被设置在蒸发传热介质下方并收集已经经过传热介质的水。
在本发明另一个方面，提供了使用混合式冷却塔的冷却流体的方法，其包括具有竖轴的冷却塔设备，其包括：第一外罩结构，其具有入口和位于沿着竖轴的第一位置处的第一出口，其中所述外罩结构包括基座和沿着竖轴远离所述基座延伸的相对的侧壁；热交换器，其被设置在所述的外罩结构中，其中，所述热交换器被设置与所述第一出口邻近，并至少部分地延伸经过所述第一出口；和空气流发生器，其被设置在与竖轴正交的平面上，并被定向为将空气流朝向所述基座导向并通过所述热交换器和所述第一出口；使得待冷却的工业流体流经热交换器；通过空气流发生器产生气流，和使气流流经热交换器，引起热交换并通过第一出口。
已经进行了非常宽泛的描述，为了可以更好地理解本发明的更重要的特征和为了更好地了解本发明对现有技术的贡献，后面将进行详细描述。当然，下面还将描述本发明的附加的特征，其将形成所附权利要求的主题。
关于此，在详细解释本发明的至少一个实施方式之前，应该理解到本发明并不限于应用于具体的结构和应用于在下面的描述中所设定的或附图中所展示的构造和布置。本发明能够具有其它实施方式，并且能够以许多方式实践和实施。此外，应该理解到在本文以及说明书摘要中使用的科学和技术术语是用于描述的目的，而不能视为限定。
这样，本领域的技术人员将会理解到本公开所依据的理念可以容易地用作设计其它的用于实现本发明的一些目的的结构、方法和系统的基础。因此，重要的是所述权利要求被认为包括这些等同替代结构，只要它们没有偏离本发明的实质和范围即可。
附图说明
图1为本发明的优选的实施方式混合式冷却塔的部分的示意图。
图2为本发明的另一优选的实施方式混合式冷却塔的部分的示意图。
图3为根据本发明的实施方式设计的混合式冷却塔的平面图。
图4为本发明的另一优选的实施方式湿型冷却塔的部分的示意图。
具体实施方式
根据本发明的一些实施方式提供了可以具有理想的效率的同时还能降低羽流的冷却塔和方法。现在，参照附图将详细描述优选实施方式的实例，其中，在全文中相似的附图标记表示相似的部件。
转向图1和2，其描述本发明的实施方式的示意图。在该实施方式中，大体描述了冷却塔10的部分视图。所述冷却塔10具有内框架(未示出)，其支撑即将讨论的各部件。所述冷却塔10包括塔壳体12，其中，在所述壳体12内容纳湿型热交换器部分14和空气混合管道和部件16。所述塔壳体12还容纳有冷水盘18。
还如图1和2中所示，所述冷却塔10包括送风部分，通常指定为20，其被设置在塔壳体12的外面或外部。所述送风部分20通常包括具有基座22和壁24的支撑结构或框架组件。所述壁24、25沿着竖轴A远离基座22向上延伸至连结挡风圈28的顶端部分26。所述挡风圈28容纳有风机30及其部分驱动机构。如图所示，所述风机30位于与竖轴A正交或垂直的平面B上。在一些实施方式中，所述送风部分20可以包括连结在挡风圈28上的消声设备32。
现在转向具体的干型热交换设备21，所述壁25包括具有上壁和下壁36的上气流出口34。所述上气流出口34连接到塔壳体12上，并与壳体开口40流体相通。所述出口34也可以包括用于控制气流通过出口34的百叶门和/或节气阀门38。所述送风部分20还包括与湿型热交换部分14流体相通的下出口42。
所述干型热交换设备21采用热交换器44，空气流经该热交换器44。所述热交换器44被设置在上出口34的前面，且优选达到或超过所述上出口34的长度。如图所示，所述热交换器44与一系列的管道连接，这些管道将待冷却的液体或气体输送至热交换器44和从热交换器44中输出。所述管道包括入口管道46和出口管道47。
再次关注湿型热交换器14，其包括冷却水分配组件48和冷却填料50。如之前所述，所述湿型热交换器14包括冷水盘18。所述冷水盘18被设置在水分配器组件和冷却填料50的下面。
转向图3，描述了图1和2的冷却塔10的部分平面图的示意图，其显示所述湿型热交换器部分环绕塔壳体12。还显示各自的气流风机30被设置在各个送风部分20的顶端。图3还描述了从塔壳体12向内径向延伸的各个空气混合管道16。所述空气混合管道16还可以具有不同的长度从而将环境空气供给至不同的径向位置，确保冷却塔10的所有部分可获得环境空气。此外，不同长度的管道16确保环境空气充分供给到所述冷却塔10的边缘附近。
现在转向图1-3，在所述冷却塔10的运行期间，所述风机30起到如箭头所示迫使空气向下的作用。如前所述，所述风机30沿着轴B水平地设置。如果需要，该设置使得所述风机30具有大的直径。例如，在一些应用中，所述风机30可以具有超过7.1米的直径。此外，在其它应用中，所述风机可以具有大约8.5米的直径。方向和直径大小的范围允许为冷却塔10的运行仅采用单个风机，降低了对多个风机组件的要求。
如果百叶门/节气阀门38被打开，空气将会流经热交换器44并通过壳体12。同时地，如箭头所示，空气流持续向下流经下出口42，并进入湿型热交换器部分14。相反地，如果百叶门/节气阀门38被关闭，空气流将不会流经干型热交换器44，而是如之前所述，向下流经下出口42。在需要额外的冷却和/或在需要羽流减少的情况下，可以使用百叶门/节气阀门38以调节气流经过如上所述的干型热交换器44。
同时地，当所述风机30使空气流通过塔10时，水被供给至供给管道49中。在此提及的水或入口水的流体可以在示例性的工业应用范围40°F至210°F内。尽管在下面的实施例中使用了水，但是在不同的实施方式中可以与其它流体一起使用，包括处理水或其它液体，它们中的任何一个或它们全部都在本文中被称为水。所述入口水经过如在图1中所述的双向转换阀门(two way diverter valve)或控制阀门52。在一个结构中，所述控制阀门52使所有或一些水经过管道46，从而使其进入干型热交换器44。
所述干型热交换器44可以包括一系列盘管或软管(tube)(未示出)等。所述水流经热交换器44，并被作为含有环境空气的闭环热交换器运行的软管或盘管冷却。然后，所述水通过出口管道47从热交换器44中流出，此时其流入到湿型热交换部分14中。
现在转向在图1和2中所示出的热交换湿部分14，所述水离开干型热交换器44，并进入冷却水分配组件48中。所述水分配组件48可以具有许多形式，例如，具有喷嘴的托盘或具有连结到其上的喷嘴的管道系统，其中，所述水以分配的形式从分配组件中向下滴或向下喷射。
当水被喷射或分配时，所述水接触并通过传热介质50。所述传热介质50可以采用许多形式，例如，蒸发填料介质，如一系列的搅棒或片状填料。当水与传热介质50接触时，发生热交换。当水从填料介质中流出时，水被收集在冷水盘18中。在冷水盘18中的水可以通过泵或自然流动被抽取出，并返回到处理地点以便于使用或排放到环境中。
转向图4，其描述了根据本发明的另一实施方式的湿型冷却塔。通常表示为200的湿型冷却塔与结合图1-3中所描述和讨论的实施方式相似，然而，代替使用湿型和干型热交换部分，所述冷却塔200仅使用了湿型部分。
所述冷却塔200具有内框架(未示出)，其支撑即将讨论的各部件。所述冷却塔200包括塔壳体202，其中，所述壳体202内容纳湿型热交换器部分204和冷水盘206。所述冷却塔200通常包括具有基座207和支撑壁208的支撑组件的支撑结构。所述壁208沿着竖轴C远离基座207向上延伸至连结挡风圈212的顶端部分210。所述挡风圈212容纳有风机214及其部分驱动机构。如图所示，所述风机214位于与竖轴C正交或垂直的平面D上。所述湿型热交换器进一步包括冷却塔分配组件216和设置在所述冷水盘206上方的冷却填料218。
在所述冷却塔200的运行期间，所述风机214起到如箭头所示迫使空气向下的作用。如前所述，所述风机214沿着轴D水平地设置。该设置使得所述风机214能够具有大的直径。例如，在一些应用中，所述风机214可以具有超过7.1米的直径。此外，在其它应用中，所述风机214可以具有大约8.5米的直径。
当风机组件产生向下的气流时，待冷却的液体进入冷却水分配器组件216中。例如，所述水分配组件216可以具有如结合其它实施方式讨论的许多形式，例如，具有喷嘴的托盘或具有连结到其上的喷嘴的管道系统。所述水以分配的形式从分配组件216中向下滴或向下喷射。当它被喷射时，所述水接触并流经传热介质218。所述传热介质可以采用许多形式，例如，蒸发填料介质，如一系列的搅棒或片状填料。当水与传热介质218接触时，发生热交换。当水从填料介质中流出时，水被收集在冷水盘206中。在冷水盘207中的水可以通过泵或自然流动被抽取出，并返回到处理地点以便于使用或排放到环境中。
基于详细的说明，本发明的许多特征和优点变得显而易见，而因此，所附的权利要求旨在涵盖所有的本发明的落入到本发明的实质和范围内的这样的特征和优点。此外，由于对于本领域的技术人员而言，容易作出大量的修改和变化，所以并不是将本发明限于示出和描述的具体的结构和作，而因此，所有合适的修改和等同替代都可以被认为落入本发明的范围内。

Claims (15)

1.一种沿着竖轴延伸的冷却塔设备，其包括：
第一外罩结构，其具有入口和位于沿着竖轴的第一位置处的第一出口，其中所述外罩结构包括基座和沿着竖轴远离所述基座延伸的相对的侧壁；
热交换器，其被设置在所述外罩结构中，其中，所述热交换器被设置为与所述第一出口邻近，并至少部分地延伸经过所述第一出口；
空气流发生器，其被设置在与竖轴正交的平面中，并被定向为将空气流朝向所述基座导向并通过所述热交换器和所述第一出口；
第二出口，其位于所述第一出口和所述入口的下方的位置；
第二外罩结构，其沿着竖轴延伸，并与所述第一外罩结构流体相通；所述第二外罩结构包括：
位于与所述第一出口邻近的第三空气入口；
位于与所述第二出口邻近的第四空气入口；
第二空气出口；
设置在所述第二外罩中的蒸发传热介质；和
水分配组件，其被设置在所述蒸发传热介质上方，并被构造为在所述蒸发传热介质上分配水。
2.根据权利要求1所述的冷却塔，其中，所述第二外罩结构进一步包括：
收集盘，其被设置在蒸发传热介质下方并收集已经经过传热介质的水。
3.根据权利要求1所述的冷却塔，其进一步包括：百叶门，其至少部分地延伸经过所述第一出口，其中，所述百叶门在开启和关闭的位置运行以控制所述流经过所述第一出口。
4.根据权利要求1所述的冷却塔，其进一步包括消声设备，其位于沿着竖轴且在所述空气流发生器上方的位置。
5.根据权利要求1所述的冷却塔，其中，所述空气流发生器具有上至12米的直径。
6.根据权利要求1所述的冷却塔，其中，所述热交换器是闭合的盘管热交换器。
7.根据权利要求2所述的冷却塔，其进一步包括百叶门，其至少部分地延伸经过所述第一出口，其中，运行所述百叶门以控制所述流经过所述第一出口。
8.根据权利要求2所述的冷却塔，其中，所述蒸发传热介质为片状填料。
9.根据权利要求2所述的冷却塔，其中，所述蒸发传热介质为一系列的搅棒。
10.一种沿着竖轴延伸的冷却塔设备，其包括：
第一外罩结构，其具有入口和位于沿着竖轴的第一位置处的第一出口，其中所述外罩结构包括基座和沿着竖轴远离所述基座延伸的相对的侧壁；
热交换器，其被设置在所述外罩结构中，其中，所述热交换器被设置为与所述第一出口邻近，并至少部分地延伸经过所述出口；
空气流发生器，其被设置在与竖轴正交的平面上，并被定向为将空气流朝向所述基座导向并通过所述热交换器和所述出口；
第二出口，其位于所述第一出口的下方的位置；
第二外罩结构，其沿着竖轴延伸，并与所述第一外罩结构流体相通；所述第二外罩结构包括：
位于与所述第一出口邻近的第三空气入口；
位于与所述第二出口邻近的第四空气入口；
第二空气出口；
设置在所述第二外罩中的蒸发传热介质；
水分配组件，其被设置在所述蒸发传热介质上方，并被构造为在所述蒸发传热介质上分配水；和
收集盘，其被设置在蒸发传热介质下方并收集已经经过传热介质的水。
11.根据权利要求10所述的冷却塔，其进一步包括百叶门，其至少部分地延伸经过所述第一出口，其中，运行所述百叶门以控制所述流经过所述第一出口。
12.根据权利要求11所述的冷却塔，其进一步包括消声设备，其位于沿着竖轴的在所述空气流发生器上方的位置。
13.根据权利要求10所述的冷却塔，其中，所述空气流发生器具有上至12米的直径。
14.根据权利要求10所述的冷却塔，其中，所述热交换器是闭合的盘管热交换器。
15.一种使用混合式冷却塔的冷却流体的方法，其包括：
具有竖轴的冷却塔设备，所述冷却塔设备包括：
第一外罩结构，其具有入口和位于沿着竖轴的第一位置处的第一出口，其中所述外罩结构包括基座和沿着竖轴远离所述基座延伸的相对的侧壁；
热交换器，其被设置在所述的外罩结构中，其中，所述热交换器被设置为与所述第一出口邻近，并至少部分地延伸经过所述第一出口；
空气流发生器，其被设置在与竖轴正交的平面上，并被定向为将空气流朝向所述基座导向并通过所述热交换器和所述第一出口；
第二出口，其位于所述第一出口和所述入口的下方的位置；
第二外罩结构，其沿着竖轴延伸，并与所述第一外罩结构流体相通；
所述第二外罩结构包括：
位于与所述第一出口邻近的第三空气入口；
位于与所述第二出口邻近的第四空气入口；
第二空气出口；
蒸发传热介质，其被设置在所述第二外罩中；
水分配组件，其被设置在所述蒸发传热介质上方，并被构造为在所述蒸发传热介质上分配水；和
收集盘，其被设置在蒸发传热介质下方并收集已经经过传热介质的水；
使得待冷却的工业流体通过所述热交换器；
通过空气流发生器产生气流，和使气流流经所述热交换器，引起热交换并通过第一出口；
使第二气流经过所述第二出口；
使气流经过传热介质；
在所述传热介质上分配待冷却的流体；
在排出所述第二外罩结构之前混合所述第一气流和所述第二气流。
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