CN103282734A - 用于具有冷却塔的冷却系统的热虹吸冷却器 - Google Patents

Abstract

在一个实施例中，一种冷却系统可包含：热虹吸冷却器，其通过干式冷却来冷却冷却流体；以及冷却塔，其通过蒸发冷却来冷却冷却流体。所述热虹吸冷却器可使用自然对流来在壳管式蒸发器与空气冷却式冷凝器之间循环冷冻剂。所述热虹吸冷却器可位于所述冷却系统中处于所述冷却塔上游且与所述冷却塔串联，且可在所述热虹吸冷却器比所述冷却塔操作起来更经济和/或更资源有效时操作。根据某些实施例，可使用例如环境温度、电力成本和水成本等因素以及其它因素来确定是操作所述热虹吸冷却器、操作所述冷却塔还是操作这两者。

Description

用于具有冷却塔的冷却系统的热虹吸冷却器

相关申请案的交叉参考

本申请案主张2010年5月27日申请的题目为“用于具有冷却塔的冷却系统的热虹吸冷却器（THERMOSYPHON COOLERS FOR COOLING SYSTEMS WITH COOLINGTOWERS）”的第61/349,080号美国临时申请案的优先权和权益，所述美国临时申请案以引用的方式并入本文。

背景技术

本发明大体上涉及热虹吸冷却器，且更特定来说，涉及用于在采用冷却塔的冷却系统中使用的热虹吸冷却器。

冷却塔常常用来从加热、通风和空气调节（HVAC）系统、发电站和工业过程中移除热量。大体上，冷却塔可包含喷嘴，所述喷嘴将水向下引导通过塔，同时一个风扇或自由循环将空气向上引导通过塔。空气与水之间的相互作用可促进水的一部分的蒸发，进而冷却剩余的水。在开环冷却塔中，冷却塔水可直接循环通过冷却系统，而在闭环冷却塔中，可将冷却塔水引导经过一个热交换器盘管，所述热交换器盘管冷却单独的冷却流体流，所述冷却流体流又循环通过冷却系统。

在蒸发期间，水可能从冷却塔损失，且例如盐或其它溶解的固体等杂质可能浓缩于冷却塔内。冷却塔水的含有浓缩杂质的一部分可被吹除。为了考虑由于蒸发和吹除带来的水损失，可将补充水添加到冷却塔。因此，冷却塔可能消耗非常大量的水，在一些情况下每年消耗数百万加仑的水，且可能是工艺内最大的水消耗体之一。

附图说明

图1是采用热虹吸冷却器和开环冷却塔的冷却系统的实施例的示意图。

图2是图1所示的热虹吸冷却器的实施例的透视图。

图3是图1所示的热虹吸冷却器的实施例的示意图。

图4是采用热虹吸冷却器和开环冷却塔的冷却系统的另一实施例的示意图。

图5是采用热虹吸冷却器和闭环冷却塔的冷却系统的实施例的示意图。

图6是描绘用于操作热虹吸冷却器的方法的流程图。

图7是继续图6所示的用于操作热虹吸冷却器的方法的流程图。

图8是描绘可用以操作热虹吸冷却器的输入和输出的图表。

图9是采用干式排热系统和开关冷却塔的冷却系统的实施例的示意图。

图10是描绘用于操作干式排热系统的方法的流程图

图11是采用热虹吸冷却器和开环冷却塔的冷却系统的另一实施例的示意图。

具体实施方式

本发明是针对可在使用冷却塔的冷却系统中采用的热虹吸冷却器。如本文使用，术语“冷却塔”包含开环和闭环冷却塔，其通过使用环境空气的蒸发冷却来冷却例如水等流体。冷却塔可尤其有用于冷却工艺流体，原因在于与干式冷却相比，通过蒸发冷却可实现相对低的温度。此外，冷却塔可在确定系统布局时提供灵活性，因为冷却塔可位于远离工艺的地方，从而允许被冷却建筑或工艺附近的地产用于其它目的。然而，由于蒸发冷却，冷却塔可能消耗大量的水。为了节约水，可能期望结合冷却塔采用其它类型的冷却系统，尤其是在水供应短缺和/或昂贵的区域中。

因此，本发明是针对干式排热系统，例如热虹吸冷却器，其可用以在包含冷却塔的冷却系统中提供额外和/或替代的冷却。热虹吸冷却器可在冷却系统中位于冷却塔的上游且与冷却塔串联，且可在热虹吸冷却器比冷却塔操作起来更经济和/或资源更充足时操作。举例来说，当环境温度较低时，操作热虹吸冷却器来减少冷却塔的水消耗可为有益的。当环境温度较高时，可能期望操作冷却塔以提供可通过蒸发冷却实现的较低的工艺冷却流体温度。根据某些实施例，例如环境温度、电力成本、水成本、退出工艺热交换器的受加热冷却流体的温度以及进入工艺热交换器的冷却流体的所需温度等等因素可用来确定是操作热虹吸冷却器、操作冷却塔还是操作这两者。

在示范性布置中，热虹吸冷却器将包含壳管式蒸发器和空气冷却式冷凝器。冷却塔水可流过蒸发器的管道，且可将热传递到在蒸发器与空气冷却式冷凝器之间循环的冷冻剂。热虹吸冷却器可经设计以使系统内的压降最小，使得冷冻剂通过自然对流在蒸发器与冷凝器之间循环。如本文使用，术语“自然对流”意味着在无机械力的情况下，例如在无由泵或压缩机提供的机械力的情况下流体的循环。根据某些实施例，受加热冷冻剂的浮力以及空气冷却式冷凝器与蒸发器之间的高度差可提供用于通过自然对流来循环冷冻剂的驱动力。因为冷冻剂可使用自然对流来循环，所以冷凝器风扇及其电动机可为热虹吸冷却器中仅有的移动零件。因此，热虹吸冷却器与实施泵抽防冻剂冷却回路的传统干式冷却器相比时可具有相对低比率的能量消耗和维护。

热虹吸冷却器内的蒸发器还可包含检修盖和/或可装卸式组件，其允许清洁蒸发器管道的内部。因此，热虹吸冷却器可尤其好地适用于在开环冷却塔系统中循环冷却塔水，在开环冷却塔系统中，水可能遇到溶解的固体和其它污染物。此外，热虹吸冷却器可包含防冻系统，其可允许热虹吸冷却器直接冷却冷却塔水，而不是采用含有例如乙二醇等防冻剂的单独回路。

图1是采用热虹吸冷却器12和冷却塔14的冷却系统10的示意图。冷却系统10可主要位于维持在高于冰点的温度的建筑物16或区域内。然而，冷却系统10的某些组件，例如热虹吸冷却器12和冷却塔14可位于建筑物16的外部，例如建筑物16的屋顶上。此外，在其它实施例中，冷却塔14可位于离开建筑物16或工艺区域某一距离处，且在某些实施例中，可位于地平面处。

冷却系统10包含工艺热交换器18，其可用以将热从工艺回路20传递到冷却系统回路22。根据某些实施例，工艺回路20可循环工艺流体，例如冷冻剂、蒸汽或待冷凝的其它蒸汽。举例来说，工艺回路20可从水冷器循环待冷凝的经压缩冷冻剂蒸汽。在另一实例中，工艺回路20可从蒸汽轮机循环待冷凝的蒸汽。在另一实例中，工艺回路20可循环用于可能需要冷却的工业工艺的工艺流体。

冷却系统回路22可循环待冷却的流体，例如水或水与其它组分的混合物。在冷却流体流过工艺热交换器18时，冷却流体可从工艺流体吸收热。根据某些实施例，例如冷冻剂等中间流体可用以将热从工艺回路20内的工艺流体传递到冷却系统回路22内的冷却流体。举例来说，在某些实施例中，工艺热交换器18可为水冷却式冷凝器，其为一冷冻机的部分，所述冷冻机循环冷冻剂以将热从工艺回路20传递到冷却系统回路22。在这些实施例中，工艺流体可流过冷冻机的蒸发器。然而在其它实施例中，可省略中间流体，且工艺热交换器18可用来将热从工艺流体直接传递到冷却流体。而且，在再其它实施例中，可省略工艺热交换器18，且冷却系统回路22内的冷却流体可直接循环到待冷却的工艺。

在冷却流体流过工艺热交换器18时，冷却流体可从工艺流体吸收热。因此，受加热冷却流体可退出工艺热交换器18，且可流过冷却系统回路22通过阀24到达热虹吸冷却器12。在某些实施例中，可包含泵以从阀24将冷却流体循环到热虹吸冷却器12。然而在其它实施例中，可省略泵。

受加热冷却流体可进入热虹吸冷却器12，其中冷却流体可被冷却。如下文相对于图2和3所描述，热虹吸冷却器12可包含壳管式蒸发器76和空气冷却式冷凝器78。冷冻剂回路80可用来将热从流过壳管式蒸发器76的冷却流体传递到空气冷却式冷凝器78。热可通过环境空气从热虹吸冷却器12排出，所述环境空气是由一个或一个以上电动机28所驱动的一个或一个以上风扇26引导经过空气冷却式冷凝器78。根据某些实施例，电动机28可并入有变速传动装置（VSD），其允许调整风扇26的速度以增加和减小由热虹吸冷却器12提供的冷却量。冷却流体可随后退出热虹吸冷却器12且可通过阀30和32流到冷却塔14，在冷却塔14处冷却流体可通过蒸发冷却而进一步冷却。

在冷却塔14内，冷却流体可经由借助环境空气的蒸发冷却而冷却。冷却流体可通过喷嘴34进入冷却塔14，所述喷嘴34经由填充材料36将冷却流体向下引导通过冷却塔14，所述填充材料例如为搅棒、片状填充包或任何其它合适表面。由电动机40驱动的风扇38可将空气向上引导通过冷却塔14，使得空气与流过冷却塔14的冷却流体混合以促进蒸发冷却。根据某些实施例，风扇38可为由VSD驱动的离心式或轴流式风扇。然而在其它实施例中，可省略风扇38且将通过自然对流来引起冷却塔内的空气移动。冷却塔14可为交叉流或逆流冷却塔。此外，虽然展示为诱导通风冷却塔，但在其它实施例中，冷却塔14可为强制通风冷却塔。

受冷却冷却流体可随后退出冷却塔14且可在贮槽42内收集。如图示，贮槽42位于建筑物16内，其在某些实施例中可抑制贮槽42内的冷却流体的冻结。然而在其它实施例中，贮槽42可为冷却塔14的一体式部分，且可位于建筑物16外部，如下文相对于图4进一步描述。

在冷却流体流过冷却塔14且与环境空气接触时，固体和其它污染物可能截留或夹带于冷却流体内。额外的矿物质、盐和其它污染物可能随着补充水而进入冷却流体。在通过蒸发从冷却流体移除纯水时，这些污染物的浓度将在冷却流体内增加。因此，冷却流体的可能含有颗粒、溶解固体和/或污染物的一部分可通过打开阀46而被吹除。还可打开阀44以将补充冷却流体引导到贮槽42中以考虑由于吹除和蒸发引起的冷却流体损失。来自贮槽42的受冷却冷却流体可随后经由泵48返回到工艺热交换器18，在该处冷却流体可再次从在工艺流体回路20内循环的工艺流体吸收热。

冷却系统10还可包含代管冷却系统10的操作的控制器50。控制器50可从例如系统10内的阀和传感器等组件接收如图8所示呈模拟和/或数字输入的形式的输入信号52。基于输入信号，控制器50可发送例如图8所示的模拟和/或数字输出等输出信号54以改变冷却系统10的操作。如下文相对于图6和7进一步描述，每当除了冷却塔14之外或替代于冷却塔14而操作热虹吸冷却器12是有效的时，控制器50可使用输入信号52和输出信号54来实现热虹吸冷却器12的操作。

根据某些实施例，控制器50还可代管包含于冷却系统10内的防冻系统56的操作。防冻系统56可包含：差压开关58，其测量进入与退出热虹吸冷却器12的冷却流体之间的压力差；以及温度传感器57，其测量蒸发器76的壳侧内的冷冻剂的温度。控制器50可使用来自差压开关58的输入信号52来确定冷却流体是否正在流过热虹吸冷却器12。如果控制器50基于来自差压开关58的输入而检测到没有冷却流体流，那么控制器50可起始防冻系统56的低温保护模式，其可抑制在热虹吸冷却器12内使用的冷却流体的冻结。为了起始低温保护模式，控制器50可关闭阀97以促进冷凝器78内的冷冻剂的收集。缺少冷冻剂流到蒸发器76可抑制蒸发器76内的冷却流体的冻结。控制器50还可接通用于蒸发器76的补充热以对蒸发器76提供热流入，从而抑制包含于蒸发器76内的冷却流体的冻结。

控制器50还可使用来自温度传感器57的输入以代管防冻系统56的操作。举例来说，当控制器50接收到来自温度传感器57的指示蒸发器76内的温度低于某一设定点的输入时，控制器50可起始防冻系统56的防冻模式，其可从热虹吸冷却器12排放冷却流体且可使冷却流体流在热虹吸冷却器12周围转向。为了从热虹吸冷却器12排放冷却流体，控制器50可打开阀60和62以将冷却流体引导到排放管线64。如图示，排放管线64可将冷却流体引导到贮槽42。然而在例如贮槽42位于建筑物16外部的其它实施例中，排放管线64可连接到下水道或收集储集库。

控制器50还可关闭阀30以通过阀62将退出热虹吸冷却器12的冷却流体引导到排放管线64。此外，控制器50可打开阀66以将空气注入热虹吸冷却器12，从而促进冷却流体从热虹吸冷却器12的排放。根据某些实施例，阀66可经设计以将空气注入热虹吸冷却器12的蒸发器管道以使冷却流体从蒸发器管道移位。为了抑制进入热虹吸冷却器12的额外冷却流体流，控制器50还可改变阀24的位置以引导来自工艺热交换器18的冷却流体绕过热虹吸冷却器12且直接流到阀32。根据某些实施例，阀60、62和66可为经设计以在断开位置中失效的电磁阀，其在电力故障的情况下可自动启用防冻系统56。

冷却系统10还可包含温度传感器68、70、72和74，其可用以检测由控制器50用来代管冷却系统10的操作的温度。举例来说，温度传感器68可检测环境空气温度，温度传感器70可检测退出热虹吸冷却器12的冷却流体的温度，温度传感器72可检测退出工艺热交换器18的冷却流体的温度，且温度传感器74可检测进入工艺热交换器18的冷却流体的温度。温度传感器68、70、72和74可以输入信号52的形式将温度提供到控制器50，所述输入信号52可用以控制冷却系统10的操作。

根据某些实施例，控制器50可使用由一些或所有传感器57、68、70、72和74感测到的温度来确定何时启用防冻系统56。举例来说，控制器50可在如差压开关58所检测到没有流时以及在如由传感器68检测到的环境温度低于环境温度设定点时起始防冻系统56的低温保护模式。在另一实例中，控制器50可在如由传感器70检测到的退出热虹吸冷却器12的冷却流体的温度高于中间温度设定点时停用防冻系统56的防冻模式。

控制器50还可使用由一些或所有传感器57、68、70、72和74感测到的温度来确定热虹吸冷却器12的操作参数。根据某些实施例，冷却系统10可经设计以将进入工艺热交换器18的冷却流体冷却到特定温度，所述特定温度可称为冷却系统温度设定点。如果如由传感器74检测到的进入工艺热交换器18的冷却流体的温度高于冷却系统温度设定点，那么控制器50可将输出信号提供到电动机28以增加冷凝器风扇26的速度。类似地，如果如由传感器74检测到的进入工艺热交换器18的冷却流体的温度低于冷却系统温度设定点，那么控制器50可将输出信号提供到电动机28以减小冷凝器风扇26的速度。

控制器50还可使用由一些或所有传感器57、68、70、72和74感测到的温度来确定何时操作冷却塔14。举例来说，如果如由传感器70检测到的退出热虹吸管12的冷却流体的温度等于或低于冷却系统温度设定点，那么控制器50可将输出信号提供到阀32以改变阀32的位置，使得冷却流体绕过冷却塔14且直接前进到贮槽42。在此操作模式中，热虹吸冷却器12可能够提供足够的冷却容量来实现冷却系统温度设定点，且因此，冷却系统10可在不采用冷却塔14的情况下操作，这可减少冷却系统10内的水消耗。

如下文相对于图6和7进一步描述，控制器50还可使用由一些或所有传感器57、68、70、72和74感测到的温度来确定何时操作热虹吸冷却器12。举例来说，控制器50可使用由传感器72与68感测到的温度来确定退出工艺热交换器18的冷却流体与环境空气之间的温度差。控制器50可随后结合水费和电费使用此温度差来确定何时操作热虹吸冷却器12是经济的和/或充足的。

图2和3描绘热虹吸冷却器12的实施例。如图2所示，热虹吸冷却器12包含壳管式蒸发器76和空气冷却式冷凝器78。壳管式蒸发器76可接收来自工艺热交换器18（图1）的受加热冷却流体，且可将热从冷却流体传递到流过蒸发器76的冷冻剂。根据某些实施例，冷冻剂可为HFC或HFO型冷冻剂，然而在其它实施例中，可采用任何合适的冷冻剂。可将受加热的冷冻剂通过冷冻剂回路80的管路引导到冷凝器78，在该处冷冻剂可通过由风扇26引导通过冷凝器78的环境空气进行冷却。受冷却冷冻剂随后可通过冷冻剂回路80返回到蒸发器76。根据某些实施例，蒸发器76和冷凝器78可包含在共同框架82内，其允许热虹吸冷却器12作为单个集成封装来出售。然而在其它实施例中，蒸发器76和冷凝器78可安置于分离的框架内或可安装在冷却系统10的分离部分内。此外，虽然图2和图3中反映的实施例将蒸发器76展示为壳管式蒸发器，但其它实施例可包含另一类型的蒸发器，例如板式蒸发器设计，来代替壳管式设计。

冷冻剂和冷却流体可循环通过热虹吸冷却器12，如图3所示。壳管式蒸发器76可包含壳84，其在冷冻剂流过蒸发器76时包含冷冻剂。壳84还可容纳管道86，其使冷却流体循环通过蒸发器76。冷却流体可通过安置于壳84中的入口87进入管道86，且可通过安置于壳84中的出口89退出管道86。在冷却流体流过管道86时，冷却流体可将热传递到在壳84内流动的冷冻剂。在冷冻剂吸收热时，比较冷的冷冻剂更具浮力的受加热冷冻剂可通过自然对流经由管道80被汲取到冷凝器78中，冷凝器78处于比蒸发器76低的温度。受加热冷冻剂可随后流过包含在冷凝器78内的热传递盘管88，且风扇26可经由盘管88汲取环境空气以冷却在盘管88内流动的冷冻剂。受冷却冷冻剂可随后通过重力返回到壳84，在该处冷冻剂可再次从管道86内的冷却流体吸收热。

为了促进受冷却冷冻剂返回到蒸发器76中，冷凝器78可安置于蒸发器76上方的高度90处以促进受冷却冷冻剂返回到蒸发器76。冷凝器78、蒸发器76和冷冻剂回路80的管路可经定尺寸以使热虹吸冷却器20内的压降最小，从而允许采用较低高度90来使冷冻剂从冷凝器78通过自然对流返回到蒸发器76。根据某些实施例，高度90可小于大约10到12英尺以允许将热虹吸冷却器12作为单个集成封装在常规公路卡车上装运。然而在其它实施例中，高度90可为任何合适的高度。在某些实施例中，蒸发器76还可安置于一角度处以促进冷却流体从蒸发器76的排放。根据某些实施例，蒸发器76可相对于水平面以大约5度的角度倾斜。

蒸发器76可经设计为可清洁的蒸发器，其中可接达管道86的内部以进行清洁而移除来自随着冷却流体进入管道86的颗粒和/或溶解固体的污染物积累。举例来说，冷却流体可从与冷却塔14中的冷却流体接触的环境空气吸收固体。为了提供对管道86的接达，蒸发器76可包含检修盖92，其可被移除以暴露进入管道86的开口。此外，在其它实施例中，替代于可装卸式检修盖92或除了可装卸式检修盖92之外，蒸发器76可包含可装卸式区段94，其可允许接达管道86以进行清洁。

在某些实施例中，蒸发器76还可包含传感器95，例如光学传感器，其经设计以检测蒸发器76内的冷却流体的水平。在这些实施例中，传感器95可结合防冻系统56而使用以确保当防冻系统56的防冻模式已启用时冷却流体已从蒸发器76排放。此外，在某些实施例中，热虹吸冷却器12可包含阀97，其安置于冷冻剂回路80的管路内以阻挡冷冻剂流过冷冻剂回路80。在这些实施例中，阀97可由控制器50在检测到可能产生冻结的条件后即刻关闭，所述条件例如为低环境温度、例如在温度传感器95处测量的低蒸发器温度和/或热虹吸冷却器12内无流动。当关闭时，阀97可促进冷凝器78的盘管88内的冷冻剂的收集，这可抑制回路80内的冷冻剂的循环且禁止冷冻剂循环到蒸发器76。在这些实施例中，蒸发器76还可包含补充的加热和/或绝缘，以在检测到潜在的冻结条件后即刻对蒸发器76提供热流入。

图4描绘包含开环冷却塔14和热虹吸冷却器12的冷却系统10的另一实施例。图4所示的冷却系统10的实施例大体上类似于上文相对于图1描述的冷却系统10的实施例。然而，图4所示的冷却塔14包含集成贮槽42而不是如图1所示的安置于建筑物16内的贮槽。

如图4所示，冷却流体可在热虹吸冷却器12内冷却。热虹吸冷却器12包含防冻系统56，其可如上文相对于图1描述而操作。然而，排放管线64可引到下水道或收集储集库而不是贮槽42。退出热虹吸冷却器12的冷却流体可通过阀32流到冷却塔14。在冷却塔14内，冷却流体可由喷嘴34引导经过填充材料36，且可在贮槽42内收集，贮槽42可位于冷却塔14的下部部分中。可打开阀44以将补充冷却流体引导到贮槽42中以考虑由于吹除和蒸发带来的冷却流体损失。也可打开阀46以从冷却塔14移除吹除物。来自贮槽42的受冷却冷却流体可随后经由泵48返回到工艺热交换器18。在工艺热交换器18内，冷却流体可再次从在工艺流体回路20内循环的工艺流体吸收热。

如上文相对于图1到4所描述，热虹吸冷却器12可在包含开环冷却塔的冷却系统10中使用，其中环境空气可与流过冷却系统10的冷却流体直接接触。然而，在其它实施例中，热虹吸冷却器10可用于如图5所示的闭路冷却塔内。闭环冷却塔可尤其有用于可能期望减少冷却流体中的污染物的系统中。

图5所示的冷却系统10的实施例可大体上类似于上文相对于图1描述的冷却系统。然而，图5中的冷却系统10通过采用闭路冷却塔91代替冷却塔14而被隔离以免接触环境空气，而不是如图1中那样允许冷却系统回路22内的冷却流体直接暴露于冷却塔14内的环境空气。在闭路冷却塔91内，流过冷却系统回路22的冷却流体可通过闭路冷却塔冷却盘管98冷却，闭路冷却塔冷却盘管98可将热传递到与闭路冷却塔91成一体式的喷淋水回路102。在喷淋水回路93内循环的喷淋水可经由借助环境空气的蒸发冷却而冷却，因此使流过冷却系统回路22的冷却流体能够不暴露于通常与开放的冷却系统回路相关联的空气传播的和补充水传播的污染物。喷淋水回路可包含：喷嘴34，其将喷淋水引导经过闭路冷却塔冷却盘管98；贮槽42，用以收集喷淋水；喷淋水管路99；以及喷淋水贮槽101。由电动机40驱动的风扇38可将空气向上引导通过闭路冷却塔91以促进喷淋水的蒸发冷却。吹除阀46可用来从喷淋水回路93移除污染物，且补充水阀44可用来将补充喷淋水引导到贮槽42中以考虑由于吹除和蒸发带来的喷淋水损失。

图6描绘方法100，其可用来代管包含如图1和4所示的开环冷却塔或如图5所示的闭环冷却塔的冷却系统10的操作。方法100可通过确定（框102）冷却系统10是否正在开始操作而开始。举例来说，冷却系统10可在工艺热交换器18的启动后即刻开始操作。如果冷却系统10正在开始操作，那么控制器50可起始（框103）防冻系统56的防冻模式。为了起始防冻模式，控制器50可定位阀24以引导冷却流体绕过热虹吸冷却器12。控制器50还可将阀60、62和66保持在打开位置。此外，控制器50可关闭阀97以阻挡热虹吸冷却器12的冷冻剂回路80内的冷冻剂流动。

如果冷却系统10不在开始操作，那么控制器50可确定（框104）是否起始防冻系统56的低温保护模式。举例来说，控制器50可从温度传感器68接收环境温度作为输入，且可确定环境温度是否低于环境温度设定点，环境温度设定点在某些实施例中可为36°F。然而在其它实施例中，环境温度设定点可变化。如果环境温度低于环境温度设定点，那么控制器50可随后确定是否存在通过热虹吸冷却器12的流动。举例来说，控制器50可使用差压开关58来检测通过热虹吸冷却器12的流动。

如果控制器50确定没有通过热虹吸冷却器12的流动，那么控制器50可起始（框105）防冻系统56的低温保护模式。低温保护模式可允许冷却流体在低环境温度的相对短周期期间和/或在冷却系统10的停工的相对短周期期间保持在热虹吸冷却器12内。举例来说，当冷却系统10在没有来自工艺热交换器18的冷却需求时在夜间停工时，可起始低温保护模式。

为了起始低温保护模式，控制器50可调整冷却系统10的操作以保护热虹吸冷却器12内的冷却流体免于冻结。举例来说，控制器50可关闭热虹吸冷却器风扇26。控制器50还可确保阀24和30打开以允许冷却流体流过热虹吸冷却器12。此外，控制器50可关闭阀97以阻挡冷冻剂流过冷冻剂回路80。关闭阀97可允许冷冻剂收集于冷凝器78内，其可抑制蒸发器76内的冷却流体的冻结。控制器50还可接通用于蒸发器76的补充热，其可对蒸发器76提供热以抑制包含在蒸发器76内的冷却流体的冻结。

如果存在通过热虹吸冷却器12的流动和/或如果环境温度高于环境温度设定点，那么控制器50可随后确定（框106）蒸发器温度是否低于蒸发器温度设定点。举例来说，控制器50可从温度传感器57接收蒸发器温度作为输入，其可指示蒸发器76的壳侧内的冷冻剂的温度。根据某些实施例，蒸发器温度设定点可为33°F。然而在其它实施例中，蒸发器温度设定点可变化。

如果控制器50确定蒸发器温度低于蒸发器温度设定点，那么控制器50可起始（框108）防冻系统56的防冻模式。为了起始防冻模式，控制器50可调整冷却系统10的操作，使得冷却流体绕过热虹吸冷却器12。特定来说，控制器50可关闭热虹吸冷却器风扇26且可使用阀24使水转向远离热虹吸冷却器12。控制器50还可定位阀32以将退出热虹吸冷却器12的冷却流体直接引导到贮槽42。在冷却流体已从热虹吸冷却器12排放之后，控制器50可定位阀32以允许冷却流体流过冷却塔14，在该处冷却流体可通过蒸发冷却而冷却。

在防冻模式中，控制器50还可从热虹吸冷却器12排放冷却流体。举例来说，控制器50可关闭阀30且打开阀60和62以将热虹吸冷却器12内的冷却流体引导到排放管线64。控制器50还可打开阀66以将空气注入到热虹吸冷却器12中以进一步促进冷却流体从热虹吸冷却器12的排放。根据某些实施例，在防冻模式中从热虹吸冷却器12排放冷却流体可保护管道86免于由于冷却流体的膨胀和/或冻结而带来的损坏。

如果控制器50确定不应起始防冻模式，那么控制器50可随后确定（框110）是否应停用防冻模式。首先，控制器50可例如基于阀24、60、62、66和30的位置而确定防冻模式是否当前被启用。如果防冻模式当前被启用，那么控制器50可随后确定如由温度传感器70测量的中间温度（即，退出热虹吸冷却器12的冷却流体的温度）是否高于中间温度设定点，中间温度设定点在某些实施例中可为大约50°F。然而在其它实施例中，中间温度设定点可变化。

如果中间温度不高于中间温度设定点，那么控制器50可允许冷却系统10继续在防冻模式中操作。然而，如果中间温度高于中间温度设定点，那么控制器50可起始（框112）冻结重启序列以允许冷却流体流过热虹吸冷却器12。特定来说，控制器50可关闭排放阀60和62且还可关闭通风阀66。此外，控制器50可调整阀24和30的位置以允许冷却流体流过热虹吸冷却器12。因此，冷却系统10现在可在工艺冷却模式中操作，其中冷却流体流过热虹吸冷却器12以由环境空气冷却。

如图7所示，方法100可随后通过确定（框114）冷却系统10是否正在工艺冷却模式中操作而继续。在工艺冷却模式中，冷却系统10可经设定以使得将冷却流体引导通过热虹吸冷却器12和冷却塔14两者。因此，控制器50可基于来自电动机28和40以及阀24和32的输入来检测工艺冷却模式中的操作。如果控制器50检测到冷却系统10不在工艺冷却模式中操作，那么控制器50可将冷却系统10保持在其当前模式中操作。举例来说，如果冷却系统10不在工艺冷却模式中操作，那么冷却系统10可能正在防冻模式中或低温模式中操作。

如果冷却系统10正在工艺冷却模式中操作，那么控制器50可随后执行（框116）计算，所述计算可用来确定（框118）是否应启用借助热虹吸冷却器12的冷却。举例来说，控制器50可计算热虹吸经济功率消耗限制（TEPCL）。如图8所示，TEPCL可为冷凝器风扇26针对由热虹吸冷却器12实现的每一度冷却流体温度下降应使用的电力的最大千瓦数，以确保所避免的水成本大于用来操作热虹吸冷却器12的增加的电力成本。

可使用例如水成本、电力成本、环境湿球和干球温度、冷却塔水使用、浪费的水的成本、水处理的成本和/或冷却塔风扇功率消耗等等输入来计算TEPCL。水和电力的成本可由操作者输入或可由控制器50经由网络连接而获得。使用水费和电费，控制器50可将TEPCL计算为冷凝器风扇电动机28针对如通过由传感器72测量的退出工艺热交换器18的冷却流体的温度与由传感器70测量的退出热虹吸冷却器12的冷却流体的温度（即，中间温度）之间的温度差所测量的每一度冷却应使用的最大千瓦数。

TEPCL可用来计算热虹吸启动阈值（TST）。如图7所示，热虹吸启动阈值可为在由温度传感器72测量的退出工艺热交换器18的冷却流体的温度与温度传感器68测量的环境空气温度之间应存在的最小温度差，以允许当冷凝器风扇26在低风扇速度下操作时热虹吸冷却器12在低于TEPCL的经济功率消耗水平下操作。

控制器50可随后使用所计算的TST来确定（框118）退出工艺热交换器18的冷却流体与环境空气温度之间的实际温度差是否大于TST。举例来说，控制器50可基于从传感器70和68接收的温度而计算实际温度差。如果实际温度差低于TST，那么控制器50可停用（框120）热虹吸冷却器12的操作。举例来说，控制器50可定位阀24以使得冷却流体绕过热虹吸冷却器12。此外，在某些实施例中，控制器50可关闭冷凝器风扇26。

而且，在某些实施例中，控制器50还可确定环境温度是否高于高温设定点。举例来说，控制器50可从温度传感器68接收指示环境温度的输入。如果环境温度高于高温设定点，那么控制器50可停用（框120）热虹吸冷却器12的操作。根据某些实施例，高温设定点可为一个环境温度，在这个环境温度以上将会把热添加到流过热虹吸冷却器12的冷却流体。因此，在某些实施例中，高温设定点可取决于退出工艺热交换器18的冷却流体的温度，其可由温度传感器72检测。在环境温度大约等于或高于退出工艺热交换器18的冷却流体的温度的情形中，可能期望绕过热虹吸冷却器12以避免将来自环境空气的热添加到冷却流体。

如果另一方面控制器50确定（框118）环境温度低于高温设定点和/或如果实际温度差大于TST，那么控制器50可启用（框122）热虹吸冷却器12的操作。举例来说，控制器50可定位阀24以允许冷却流体流过热虹吸冷却器12。因此，冷却流体可流过热虹吸管12，其中流体可由环境空气冷却。

在启用热虹吸冷却器12之后，控制器50可随后调整风扇26的操作以改变由热虹吸冷却器12提供的冷却量。根据某些实施例，可调整风扇26的操作以使电力消耗最小，同时仍提供所需的冷却量。举例来说，控制器50可确定（框124）由温度传感器70测量的中间温度是否低于冷却系统温度设定点。当中间温度处于或低于作为进入工艺热交换器18的冷却流体的所需温度的冷却系统温度设定点时，热虹吸冷却器12可能够提供足够的冷却以实现冷却系统温度设定点，而无需来自冷却塔14的额外的冷却。此外，当中间温度低于冷却系统温度设定点时，热虹吸管12可能当前使冷却流体过冷，且因此可减小冷凝器风扇26的速度。

如果中间温度低于冷却系统温度设定点，那么控制器50可随后确定（框126）冷凝器风扇是否正在最小速度下操作。如果冷凝器风扇正在最小速度下操作，那么控制器50可关闭（框128）冷凝器风扇。在这些实施例中，环境空气的温度可足够低以将冷却流体冷却到冷却系统温度设定点而无需使用电力来操作风扇。在此操作模式中，可在不消耗电力的情况下操作热虹吸冷却器12。另一方面，如果控制器50确定（框126）风扇不在最小风扇速度下操作，那么控制器50可减小（框130）风扇速度。减小风扇速度可减少由热虹吸冷却器12消耗的电力量。

如果控制器50确定（框124）中间温度高于冷却系统温度设定点，那么热虹吸冷却器12可能当前未提供足够冷却来实现冷却系统温度设定点。因此，控制器50可确定其是否应通过调整冷凝器风扇的速度来增加热虹吸冷却器12的冷却容量。首先，控制器50可确定（框132）冷凝器风扇是否在操作。如果风扇在操作，那么控制器50可随后确定（框134）风扇是否在以经济有效方式操作。根据某些实施例，控制器134可计算由热虹吸冷却器12使用的当前热虹吸经济功率消耗（TEPC）。举例来说，控制器50可计算正由电动机28使用的当前千瓦数，且可将这些千瓦数除以由温度传感器72测量的退出工艺热交换器18的冷却流体的温度与由温度传感器70测量的退出热虹吸冷却器12的冷却流体的温度之间的温度差。

控制器50可随后将实际TEPC与TEPCL进行比较。如果实际TEPC高于TEPCL，那么控制器50可随后减小（框135）风扇速度。减小风扇速度可减少由热虹吸冷却器12提供的冷却量，且因此，较多冷却可由冷却塔14提供。在这些实例中，控制器50可增加冷却塔风扇38的速度以提供额外冷却容量。另一方面，如果TEPC低于TEPCL，那么控制器50可增加（框136）冷凝器风扇的速度以增加由热虹吸冷却器12提供的冷却量。此外，如果控制器50确定（框132）风扇未接通，那么控制器50可打开（框138）风扇到最小风扇速度。控制器50可随后再次确定（框124）中间温度是否低于冷却系统温度设定点，且可随后调整冷凝器风扇的操作，如上文相对于框126到138所述。

可了解，当改变冷凝器风扇的操作时可采用某一量的滞后。举例来说，在某些实施例中，控制器50可在检测到由温度传感器70测量的中间温度的阈值改变量之后调整冷凝器风扇的操作。

图8描绘可由控制器50使用以代管冷却系统12的操作的各种输入和输出。如上所述，所述输入和输出可为模拟和/或数字输出，且可由控制器50使用以启用防冻系统56且代管热虹吸冷却器12和冷却塔14的操作。此外，在某些实施例中，图7所示的输入和输出可由控制器50采用以确定何时将冷却流体引导通过热虹吸冷却器12、通过冷却塔14或通过热虹吸冷却器12和冷却塔14两者。

虽然图6和7在热虹吸冷却器的情形中描述方法100，但在其它实施例中，可采用方法100的部分来控制具有其它类型的干式排热系统的冷却系统，例如在将冷冻剂直接循环到排热装置的系统中与蒸发冷凝器并联使用的空气冷却式冷凝器。

虽然图6和7在热虹吸冷却器的情形中描述方法100，但在其它实施例中，可采用方法100的部分来控制具有其它类型的干式排热系统的冷却系统，例如结合防冻冷却剂使用的干式冷却器。图9描绘冷却系统10的另一实施例，其包含干式冷却器142和热交换器143。根据某些实施例，干式冷却器142可类似于在热虹吸冷却器12内采用的空气冷却式冷凝器78。然而，在其它实施例中，可使用任何合适的空气冷却式冷凝器或其它类型的干式排热装置。如本文使用，术语“干式排热装置”可指代不采用湿式或蒸发冷却的热传递装置。根据某些实施例，热交换器143可类似于在热虹吸冷却器12中采用的蒸发器76。然而，在其它实施例中，可采用任何合适类型的热交换器，例如板式热交换器。

如图9所示，冷却系统10包含干式排热系统，其包含热交换器143、干式冷却器142、防冻冷却剂回路（例如乙二醇或盐水回路）138，和泵140。来自工艺热交换器18的冷却流体可流过热交换器143，在该处冷却流体可将热传递到流过热交换器143的防冻冷却剂，例如乙二醇或盐水。冷却流体可随后退出热交换器143且流到冷却塔14，在该处冷却流体可如上文相对于图1所述进一步冷却。在热交换器143是壳管式热交换器的某些实施例中，冷却流体可流过热交换器143的管道，同时例如乙二醇或盐水等防冻冷却剂流过热交换器143的壳侧。

在干式排热系统内，来自热交换器143的受加热防冻冷却剂可经由泵140流过冷却剂回路138到达干式冷却器142。虽然未图示，但泵140可由一个或一个以上电动机驱动。在干式冷却器142内，防冻冷却剂可通过由风扇26引导通过干式冷却器142的空气而冷却。受冷却冷却剂可随后退出干式冷却器142且返回到热交换器143，在该处冷却剂可再次从流过热交换器143的冷却流体吸收热。

由于额外的防冻冷却剂回路138，冷却流体可包含在建筑物16内且可不暴露于环境空气。因此，可不采用防冻系统，因为冷却系统可由建筑物16保护以免于低环境温度。因此，当操作图9所示的冷却系统的实施例时可省略方法100的框102到112（图6）。然而，如图10所示，可采用类似于图7的框114到138的方法146来操作图9所示的干式排热系统。

如图10所示，方法146可通过检测（框148）冷却系统10正在工艺冷却模式中操作而开始。举例来说，控制器50可基于阀24和32的位置而检测工艺冷却模式中的操作。如果控制器50检测到系统正在工艺冷却模式中操作，那么控制器50可随后计算（框150）干式排热经济功率消耗限制（DEPCL）。

DEPCL可类似于上文相对于图5到7描述的TEPCL。举例来说，DEPCL可为干式排热系统针对由干式排热系统实现的每一度冷却流体温度下降所使用的电力的最大千瓦数，以确保所避免的水成本大于用来操作干式排热系统的增加的电力成本。举例来说，如图8所示，电力成本可基于用以驱动风扇26的电动机28的电消耗，以及由驱动泵140的电动机使用的电力。控制器50可随后计算（框152）干式排热系统启动阈值（DST）。DST可类似于上文相对于图5到7描述的TST。举例来说，DST可为在由传感器72测量的退出工艺热交换器的冷却流体的温度与由温度传感器68测量的环境温度之间应存在的最小温度差，已知其实现干式排热系统的实际功率消耗，所述实际功率消耗低于DEPCL。

控制器50可随后使用所计算的DST来确定（框154）退出工艺热交换器18的冷却流体与环境空气之间的实际温度差是否大于DST。如果实际温度差低于DST，那么控制器50可停用（框156）干式排热系统的操作。举例来说，控制器50可定位阀24以引导冷却流体绕过热交换器143且直接流过阀32到达冷却塔14。此外，在某些实施例中，控制器50可关闭风扇26和泵140。

另一方面，如果控制器50确定（框154）实际温度差大于DST，那么控制器50可启用（框158）干式排热系统。举例来说，控制器50可调整阀24以引导冷却流体通过热交换器143以将热从冷却流体传递到流过干式冷却器142的防冻冷却剂。此外，控制器50可打开风扇26和泵140。而且，在干式排热系统正在操作时，控制器50可代管风扇26的操作，如上文在图6中相对于框124到138所描述。

图11描绘包含热虹吸冷却器12和开环冷却塔160的冷却系统10的另一实施例，所述开环冷却塔160是自然通风双曲冷却塔。可使用蒸汽冷凝器162来将热从来自涡轮机的蒸汽传递到冷却系统回路22。根据某些实施例，冷却系统10可用来为发电站提供冷却。图11所示的冷却系统可大体上类似于上文相对于图1描述的冷却系统而操作，且可采用方法100来操作冷却系统，如上文相对于图6和7所描述。

虽然已说明和描述本发明的仅某些特征和实施例，但所属领域的技术人员可进行许多修改和变化（例如，各种元件的大小、尺寸、结构、形状和比例、参数值（例如，温度、压力等）、安装布置、材料使用、定向等的变化），而不会实质上脱离权利要求书中陈述的标的物的新颖教示和优点。举例来说，任何过程或方法步骤的次序或序列可根据替代实施例而变化或重新排序。此外，虽然本文论述个别实施例，但本发明既定涵盖这些实施例的所有组合。因此应了解，所附权利要求书既定涵盖属于本发明的真实精神内的所有这些修改和改变。此外，为了提供示范性实施例的简明描述，可能未描述实际实施方案的所有特征（即，与实施本发明的当前预期最佳模式无关的那些特征，或与实现所主张发明无关的那些特征）。应了解，在任何此类实际实施方案的开发中，例如在任何工程化或设计工程中，可进行许多实施方案特定的决策。此开发努力可能是复杂且耗时的，但在无过度实验的情况下，对于得益于本发明的所属领域的技术人员来说仍将是设计、制造和制作的例行任务。

Claims (25)

1.一种冷却系统，其包括：

干式排热系统，其经配置以通过干式冷却将热从冷却流体传递到环境空气；

冷却塔，其安置于所述干式排热系统相对于所述冷却流体的下游，且经配置以通过蒸发冷却将热从所述冷却流体传递到环境空气；以及

控制器，其经配置以基于水成本和/或电力成本而选择性地启用所述干式排热系统的操作。

2.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述干式排热系统包括热虹吸冷却器。

3.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述干式排热系统在无机械循环装置的情况下操作。

4.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述干式排热系统包括：

壳管式蒸发器，其经配置以将热从所述冷却流体传递到循环通过所述蒸发器的冷冻剂；

空气冷却式冷凝器，其经配置以将热从所述冷冻剂传递到所述环境空气；以及

管路，其经定尺寸以基于自然对流而在所述壳管式蒸发器与所述空气冷却式冷凝器之间循环所述冷冻剂。

5.根据权利要求4所述的冷却系统，其包括可操作地耦合到所述控制器的阀系统，且其中所述控制器经配置以响应于检测到所述壳管式蒸发器内的所述冷冻剂的温度低于温度设定点而调整所述阀系统以从所述干式排热系统排放所述冷却流体。

6.根据权利要求4所述的冷却系统，其包括可操作地耦合到所述控制器的阀系统，且其中所述控制器经配置以响应于检测到环境温度、冷冻剂温度或冷却流体温度或其组合低于温度设定点而调整所述阀系统以阻挡所述管路内的冷冻剂流动。

7.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述冷却塔包括开环冷却塔，且其中所述冷却流体包括水。

8.根据权利要求1所述的冷却系统，其中所述干式排热系统包括：

壳管式蒸发器，其经配置以将热从所述冷却流体传递到循环通过所述蒸发器的防冻冷却剂；

空气冷却式冷凝器，其经配置以将热从所述防冻冷却剂传递到所述环境空气；以及

泵，其经配置以在所述壳管式蒸发器与所述空气冷却式冷凝器之间循环所述冷冻剂。

9.一种热虹吸冷却器，其包括：

壳管式蒸发器，其经配置以将热从冷却流体传递到冷冻剂，且包括用于清洁所述壳管式蒸发器的管道的可装卸式区段；

空气冷却式冷凝器，其经配置以将热从所述冷冻剂传递到所述环境空气；以及

管路，其经定尺寸以基于自然对流而在所述壳管式蒸发器与所述空气冷却式冷凝器之间循环所述冷冻剂。

10.根据权利要求9所述的热虹吸冷却器，其中所述热虹吸冷却器包括含有所述壳管式蒸发器、所述管路和所述空气冷却式冷凝器的单个框架。

11.根据权利要求9所述的热虹吸冷却器，其中所述可装卸式区段包括可从所述壳管式蒸发器的头端移除的检修盖。

12.根据权利要求9所述的热虹吸冷却器，其中所述可装卸式区段包括所述壳管式蒸发器的可装卸式头端。

13.根据权利要求9所述的热虹吸冷却器，其中所述壳管式蒸发器包括经配置以循环所述冷冻剂的壳侧，且其中所述管道经配置以循环所述冷却流体。

14.根据权利要求9所述的热虹吸冷却器，其包括空气注入阀，所述空气注入阀耦合到所述管道且经配置以允许环境空气进入所述管道以从所述管道排放所述冷却流体。

15.根据权利要求9所述的热虹吸冷却器，其包括一个或一个以上阀的阀系统，所述阀系统经配置以从所述壳管式蒸发器排放所述冷却流体。

16.根据权利要求9所述的热虹吸冷却器，其包括阀，所述阀耦合到所述管路以选择性地阻挡所述冷冻剂从所述空气冷却式冷凝器到所述壳管式蒸发器的返回。

17.根据权利要求9所述的热虹吸冷却器，其包括控制器，所述控制器经配置以基于水费和电费而选择性地操作所述热虹吸冷却器。

18.一种用于操作冷却系统的方法，所述方法包括：

确定经济功率消耗限制，低于所述经济功率消耗限制操作热虹吸冷却器是具成本效益的，其中所述经济功率消耗限制是基于水成本和/或电力成本而确定的；

使用所述经济功率消耗限制确定由所述冷却系统冷却的退出工艺热交换器的冷却流体的第一温度与环境温度之间的所需温度差；以及

响应于检测到所述第一温度与所述环境温度之间的所感测温度差大于所述所需温度差而启用热虹吸冷却器的操作。

19.根据权利要求18所述的方法，其中启用所述热虹吸冷却器的操作包括定位一个或一个以上阀以使冷却流体循环通过所述热虹吸冷却器。

20.根据权利要求18所述的方法，其包括计算所述热虹吸冷却器的实际功率消耗，且基于所述热虹吸冷却器的所述实际功率消耗而调整所述热虹吸冷却器的一个或一个以上风扇的速度。

21.根据权利要求20所述的方法，其包括响应于检测到所述实际功率消耗超过所述经济功率消耗限制而减小所述速度。

22.根据权利要求18所述的方法，其包括响应于检测到冷冻剂温度低于防冻温度设定点而启用防冻模式。

23.根据权利要求22所述的方法，其中启用防冻模式包括调整一个或一个以上阀的位置以从所述热虹吸冷却器排放冷却流体。

24.根据权利要求22所述的方法，其中启用防冻模式包括打开阀以将环境空气注入所述热虹吸冷却器以从所述热虹吸冷却器排放冷却流体。

25.根据权利要求18所述的方法，其包括：

检测退出热虹吸冷却器的冷却流体的中间温度；以及

响应于检测到所述中间温度大于进入工艺热交换器的所述冷却流体的温度设定点而启用冷却塔的操作。

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