CN105135905A - 一种水气微纳米细分子化冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水气微纳米细分子化冷却装置，主要包括：循环水泵、液体涡流流量计、控制阀、高压鼓风机、静态变螺距螺旋切割腔、离心排风机、蓄水箱、螺旋脱气机和离心泵等组成。所述的静态变螺距螺旋切割腔无旋转动力机构，由几千片厚度为0.08mm的切割叶片叠加旋转组成。

Description

一种水气微纳米细分子化冷却装置

技术领域

本发明涉及循环水冷却设备领域，具体来说是一种水气静态变距螺旋微纳米切割细分子化冷却装置。

背景技术

在冷却设备领域，气、液体纳米化冷却技术是一项新兴技术。目前，市场上已经出现了一些气、液态物体的纳米化设备，利用能耗较大且动力旋转的切割机械，实现气液微纳米细化。这些设备动力消耗巨大，可靠性差，旋转部件在高温高湿条件下极易损坏，维修困难。此外，在上述纳米化设备的前端一般需要安装高效的气液混合泵，因此，整套纳米化设备的结构复杂，制造成本高。实际上真正达到纳米量级的设备几乎没有。

发明内容

本发明克服了上述纳米化设备存在的缺陷，提供了一种水气静态变距螺旋微纳米切割细分子化冷却装置，该装置有效的将气水均匀混合部件和纳米化切割部件进行集成，一方面采用中心加气法将空气输送进入水流管道，实现气水的充分接触和均匀混合，另一方面利用了流体通道内变距螺旋叶片的相对切割作用和由流体入口的大螺距叶片逐渐过渡为流体出口的小螺距叶片而产生的流体内部的剪切力，利用流体自身的压力和流速，实现对泵入的气、水流体进行微纳米细分子化切割混合和热量交换。

本发明采用的技术方案为水气静态变距微纳米螺旋切割细分子化冷却装置，主要包括：循环水泵、液体涡流流量计、第一控制阀、鼓风机、工业冷干机、静态变螺距螺旋切割腔、离心排风机、蓄水箱、螺旋脱气机、第二控制阀、离心泵及管路；

所述静态变距螺旋切割腔是本发明装置的主体结构件，主要由厚度为0.08mm的变距螺旋切割叶片、固定螺母、固定架等组成，该结构件有水气充分混合和纳米化切割的功能。所述静态变距螺旋切割腔采用了特殊的变螺距设计，即由流体入口的大螺距过渡为流体出口的小螺距，螺旋面函数表达式为：

X＝Rcosθ

Y＝Rsinθ

Z＝(50θ)^m

上式中，X、Y、Z为螺旋面任意点的坐标值；R为螺旋切割片半径；θ为螺旋旋转角度；L为螺旋面长度；m为变螺距系数，m的取值范围为0～1。静态变距螺旋切割腔由几千片切割叶片按照上述函数变化规律的螺距叠加旋转而形成的阶梯状螺旋曲面。

作为优选，所述高压鼓风机可选择罗茨风机、旋涡气泵、鼓风机，优选罗茨风机。提供一定压力的气体，经由加气装置，送入主流道水管中，实现气泡与液体的均匀混合。

作为优选，所述切割叶片采用表面耐磨涂层处理的不锈钢材料，叶片通道为变螺距阶梯状螺旋曲面，通过水和空气在切割腔内的螺旋运动，水和空气的大分子团被切割成微纳米量级的小分子团，微纳米量级的水分子团和气体分子团的接触表面积急剧增加，形成快速的热量交换达到快速降温。

有益效果：本发明装置有效的集成了气液混合和微纳米细分子化切割的功能，原理上创新性地实现了在静态变距螺旋切割条件下，微纳米量级的水分子团和气体分子团形成快速的热量、质量、动量传递过程，本装置具有结构简单，冷却效率高和节能环保等有益效果。

附图说明

图1为本发明试验装置的静态变距螺旋切割腔示意图；

图2为高效低压离心雾化装置布水管路图；

图3为水气微纳米细分子化冷却装置工艺流程图

附图符号说明：

1、4、5、11、12、18：连接法兰，3：空气输入管，6：切割内腔；7：切割叶片，8：轴，9：压块，10：锁紧螺母，14：导流锥，15：出气口，16：出气阀座，17：热水输入口，19：气液出口，20：气液混合管。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明应用做进一步说明。

本发明克服了上述纳米化设备存在的缺陷，提供了一种水气静态变距螺旋微纳米切割细分子化冷却装置，该装置有效的将气水均匀混合部件和纳米化切割部件进行集成，一方面采用中心加气法将空气输送进入水流管道，实现气水的充分接触和均匀混合，另一方面利用了流体通道内变距螺旋叶片的相对切割作用和由流体入口的大螺距叶片逐渐过渡为流体出口的小螺距叶片而产生的流体内部的剪切力，利用流体自身的压力和流速，实现对泵入的气、水流体进行微纳米细分子化切割混合和热量交换。

本发明采用的技术方案为水气静态变距微纳米螺旋切割细分子化冷却装置，主要包括：循环水泵、液体涡流流量计、第一控制阀、高压鼓风机、工业冷干机、静态变螺距螺旋切割腔、离心排风机、蓄水箱、螺旋脱气机、第二控制阀、离心泵及管路；

所述静态变距螺旋切割腔是本发明装置的主体结构件，主要由厚度为0.08mm的变距螺旋切割叶片、固定螺母、固定架等组成，该结构件有水气充分混合和纳米化切割的功能。所述静态变距螺旋切割腔采用了特殊的变螺距设计，即由流体入口的大螺距过渡为流体出口的小螺距，螺旋面函数表达式为：

X＝Rcosθ

Y＝Rsinθ

Z＝(50θ)^m

上式中，X、Y、Z为螺旋面任意点的坐标值；R为螺旋切割片半径；θ为螺旋旋转角度；L为螺旋面长度；m为变螺距系数，m的取值范围为0～1。静态变距螺旋切割腔由几千片切割叶片按照上述函数变化规律的螺距叠加旋转而形成离散化的阶梯状螺旋曲面。静态变距螺旋切割腔示意图见图1。件1、4、5、11、12、19为连接法兰，17为热水输入口，件3为空气输入管，件3上端与气源相连接。件16为出气阀座，气管3与件16通过螺纹连接在一起，15为出气口，出气口15的孔中心线与气液混合管20孔中心线的同轴度保证在0.1mm以内，才可保证气体可以顺利散逸到水中。件14为导流锥，其作用是为了使气液混合流均匀,经扩散之后可以较缓慢、均匀地通过静态变距螺旋切割腔。件7为切割叶片，其中心孔与轴8为间隙配合，通过压块9和锁紧螺母10固定在轴8上。19为气液出口，与水箱进水管连接。利用循环水的自身的压力和流速，气液混合物流过切割腔，由于切割腔内特殊的变螺距螺旋结构，形成气液两相流体内部x、y、z三维速度梯度的存在，因此流体内部在x、y、z三个方向上均受到剪切力；而且流体在边界面上与离散化的，厚度仅为0.08mm的切割叶片累叠而成的阶梯状螺旋切割表面接触，假设流体不动，相当于无限多刀片的刀刃在切割流体，两个作用的合力将水和空气切割成微纳米量级的小分子团物质，微纳米量级的水分子团和气体分子团的接触表面积急剧增加，形成快速的热量交换达到快速降温的效果。

静态变距螺旋切割腔有效的将气水均匀混合功能和微纳米化切割功能进行集成，不消耗机械动力，节能效果明显。

作为优选，所述高压鼓风机可选择罗茨风机、旋涡气泵、鼓风机，优选罗茨风机。提供一定压力的气体，经由加气装置，送入主流道水管中，实现气泡与液体的均匀混合。所述高压鼓风机提供一定压力的气体，经由特殊设计的加气装置，采用中心加气法实现大气液比的加气量。由于加气孔15与气液混合管20的同心度非常好，小于0.1mm。根据层流流体绕流圆柱体的流体力学理论分析可知，加气孔15附近区域水的流速接近于0，空气可以顺利散逸到水中，实现大气液比的加气量。

作为优选，所述切割叶片采用表面耐磨涂层处理的不锈钢材料，叶片通道为变螺距阶梯状螺旋曲面，通过水和空气在切割腔内的螺旋运动，水和空气的大分子团被切割成微纳米量级的小分子团，微纳米量级的水分子团和气体分子团的接触表面积急剧增加，形成快速的热量交换达到快速降温。

利用高效、低压、静态的变距螺旋叶片组成切割腔(切割腔入口处压力仅需0.1Mpa，流速大于0.5m/s)实现工业热水和空气的快速热量交换，作为冷却元件取代传统填料塔的填料装置，所以整个装置采用一个气液分离水箱(或水池)替代冷却水塔，占地面积可减小一半。

布水方式与传统冷却塔不同：微纳米螺旋切割细分子化冷却装置在水箱进风口上方的横梁上安装主管道，在管道上采用雾化技术布置固定不转动的高效低压离心雾化装置，被冷却的水的喷射方向与风机抽吸的冷风同向，水在水箱内又可得到二次冷却。布水方式无轴承，省去轴承更换维护费用。高效低压离心雾化装置布水管路图见图2。

因冷却装置无填料存在，设备载核大大减小，阻力小、冷却温差大，可比传统冷却塔提高10-15℃。如果蓄水池采用混凝土结构。则不需要更多支撑架，节约土建投资。(如果采用混凝土结构，土建费大约为填料塔的85％左右)。

所选用的离心排风机只起到快速分离空气和排气的作用，可选用功率为100-1000w的小型离心排风机，耗电能少；而填料塔风机是冷却水的关键部件，要选用几十KW(某些填料塔厂家为保证达到工艺要求配套电机功率可能更高)的驱动电机，因此微纳米细分子化冷却装置的节能效果极其显著，经济效益相当明显。

下面，通过具体的工艺生产线改造实例来说明本发明水气微纳米细分子化冷却装置的突出效果：

某无纺布生产车间纺丝箱风冷机组工艺生产线冷却改造后冷却工艺流程图见图2。如图所示，工业循环热水由循环水泵输入管道，同时高压鼓风机将空气鼓入工业冷干机，工业冷干机可以将空气降温到需要的温度并实现干燥气体的功能。气液混合物在一定压力(大于0.1MPa)和一定流速下(线速度大于0.5m/s)流过静态微纳米螺旋切割腔，实现气液大分子团的微纳米化切割细化和混合，气液微纳米量级小分子团物质的比表面积非常大，冷气和热水充分接触，实现快速换热降温，降温后的冷水与空气进入水箱，经雾化喷头分离，空气由离心排风机抽走，冷水经过螺旋脱气机脱去溶于水的气泡(闭式循环水冷却系统可省略此步)，经由离心泵抽走，送入冷却机组工作。

经济效益分析：

1、原工艺路线:

夏天(10个月)：高温出水50-60度→冷却塔40度→冷凝机7-8度→纺丝箱风冷机组

冬天(2个月)：100公斤自来水内循环

2、存在问题：

夏天每天24小时，水冷凝机开机时间达12小时，功率120kw，耗电能巨大，耗电费每年120kw×10个月×30天/月×12小时/天×0.48元/kwh×1年＝20.7万元。

3、改造方案

技术路线：高温出水50-60度→微纳米细分子化冷却装置20度→冷冻机7-8度→纺丝箱风冷机组

3.1冷却塔改造

拆除冷却塔中的配水系统、填料、填料支架、收水器，将原冷却塔改造为无填料水气变径变距微纳米螺旋切割细分子化冷却装置，采用细分子化、喷雾技术，即采用高效低压细分子化切割腔和离心雾化装置作为冷却元件，使空气和水的纳米量级微小粒状均匀接触，达到更好的冷却效果。

3.2改造配水系统

将原配水管降低1米，重新安装配水系统。改造后将雾化装置安装在进风道上方，通过雾化装置将水喷成雾状，改变了填料塔将水分散成膜状的换热形式，提高了空气和水接触的表面积，能连续快速地更新传热传质表面积，迅速将雾化流的潜热带走。

3.3安装四喷头雾化水分散装置

在配水管上安装4套四喷头雾化水分散装置，使进冷却塔的热水通过水分散装置时转换成雾状，使气水进行热交换而达到降低循环水水温的目的。布水管路图见图2。

3.4安装SFLl60型收水器

安装两层SFL160型收水器，解决了冷却塔飘水的问题，提高了水的回收率，减少了环境污染。

4、改造效果：

4.1循环水冷却塔改造后冷却效果明显提高，避免了填料老化变形、脆裂以及淤泥堵塞产生的死区束流、沟流。改造实施后，可有效降低了循环水水温，优化了无纺布生产工艺，克服了填料塔因填料老化变形、脆裂和喷头堵塞及冲落的问题，消除了填料碎片堵塞管道、泵和换热器的隐患，提高了热交换效果，实现了稳产、高产。取消填料后，冷却塔的系统阻力、风机的全压值降到填料塔的50％，轴流风机的风量增至填料塔的120％，相同冷却水量时气水比增加20％，单塔处理能力相应提高，循环水质量得到了进一步改善，冷却效果更好，可比填料塔降低15度左右。

4.2夏天24小时冷冻机开机时间由12小时降到≤6小时，功率120kw，耗电能下降≤1/2。每年节能经济效益：电价按0.48元/kwh计算，12年共节约电费：120kw×10个月×30天/月×12小时/天×0.48元/kwh×12年×50％＝125万元，平均每年节约电费用为11(万元)/年，节能经济效益相当明显。

4.3去除原填料塔填料，12年运行周期内仅更换填料塔所需费用就可节省20万元。(不计填料塔更换填料所需的人工费)

4.4为了减少气水损失及水气飘滴影响环境，采用SFL160型收水器，收水效率高，整体刚度好，飘滴损失不超过循环水量的0.001％，使用寿命长，在正常使用条件下可达到20年以上。12年运行周期内节约水费12年×360天/年×24小时/天×50m3/小时×7％(水漂损失)×2.23元/m3＝80万元，每年可节水6.67万元。

4.5总计每年节能：电费11万+水费6.67万元+塔填料更换费1.67万元＝20万元。

Claims (6)

1.一种水气微纳米细分子化冷却装置，包括：循环水泵、液体涡流流量计、第一控制阀、高压鼓风机、工业冷干机、静态变螺距螺旋切割腔、离心排风机、蓄水箱、螺旋脱气机、第二控制阀、离心泵及管路；

所述静态变距螺旋切割腔由厚度为0.08mm的变距螺旋切割叶片及固定装置组成。

2.根据权利要求1所述的一种水气微纳米细分子化冷却装置，其特征在于：所述静态变距螺旋切割腔采用了特殊的变螺距设计，即由流体入口的大螺距过渡为流体出口的小螺距，螺旋面函数表达式为：

X＝Rcosθ

Y＝Rsinθ

Z＝(50θ)^m

其中，X、Y、Z为螺旋面任意点的坐标值；R为螺旋切割片半径；θ为螺旋旋转角度；L为螺旋面长度；m为变螺距系数，m的取值范围为0～1。

3.根据权利要求1所述的一种水气微纳米细分子化冷却装置，其中，作为优选，所述高压鼓风机可选择罗茨风机、旋涡气泵、鼓风机，最优选为罗茨风机；所述鼓风机提供一定压力的气体，采用中心加气法实现大气液比的加气量。

4.根据权利要求1所述的一种水气微纳米细分子化冷却装置，其中，所述静态变距螺旋切割腔入口处压力为0.1Mpa，流速大于0.5m/s。

5.根据权利要求1所述的一种水气微纳米细分子化冷却装置，其中，微纳米螺旋切割细分子化冷却装置在水箱进风口上方的横梁上安装主管道，在管道上采用雾化技术布置固定不转动的高效低压离心雾化装置，被冷却的水的喷射方向与风机抽吸的冷风同向，水在水箱内得到二次冷却，并且布水方式无轴承。

6.根据权利要求1所述的一种水气微纳米细分子化冷却装置，所述离心排风机选用功率为100-1000w的小型离心排风机。