CN105716443B - 一种循环水冷却系统及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种循环水冷却系统及冷却方法，冷却系统包括闭式冷却塔、罗茨风机、真空泵、缓冲罐、压缩机、换热器和节流阀，所述闭式冷却塔一侧塔壁下方设有两个出风口，分别与罗茨风机和真空泵相连，用于抽取冷却塔内的气体至缓冲罐，缓冲罐后面连接有压缩机，用于控制缓冲罐内的压力，从而实现闭式冷却塔内部的真空环境，经过压缩后的高温高压蒸汽进入换热器变成低温高压液体，然后经过节流阀变成低温低压液体，回流到闭式冷却塔的喷淋系统。本发明将闭式冷却塔与真空技术相结合，实现了水和热能的双重回收，同时可以保证循环水系统的高效稳定运行，冷却效率显著提高。

Description

一种循环水冷却系统及冷却方法

技术领域

本发明属于工业节水技术领域，具体涉及一种循环水冷却系统及冷却方法。

背景技术

大型企业现有的循环水系统绝大部分采用敞开式结构，即传统的开式冷却塔，一方面造成新鲜水消耗量大（主要表现为蒸发损失、风冷塔风吹损失和旁滤反洗水消耗），一般循环水系统消耗的水量占工业用水量的2/3，甚至更多；另一方面开式冷却塔的冷却水与大气直接接触，大气中大量的杂质进入系统，造成管道腐蚀和结垢，被迫投加大量阻垢剂、缓蚀剂、杀菌剂等化学药剂，即不经济又产生二次污染。

近年来，越来越多的研究者将目光转向了闭式冷却塔，其将管式换热器置于塔内，通过流通的空气、喷淋水与循环水的热交换保证降温效果。由于是闭式循环，其能够保证水质不受污染，很好的保护了主设备的高效运行，提高了使用寿命。但是从本质上讲，闭式冷却塔和开式冷却塔都是利用风来加快水的蒸发，通过水的气化潜热来带走热量，然后再由风把热量、水汽以及液态飘溢出来的水份带到大气中，虽然闭式冷却塔在工艺上具有良好的节水节能效果，但是还是不能从根本上解决水和能量的流失，而循环水系统又是企业耗水大户，并且循环水的冷却温差里又蕴含着非常大的热能，都是直接分散到大气中，很不经济。

CN201320311196.7公开了一种闭式冷却塔，包括壳体、风机、盘管和喷淋器，其特征在于：所述壳体一侧设有进风口，所述风机安装在进风口处，所述壳体顶部设置有排风窗；所述盘管设置在壳体内，盘管的热流体进口在上，冷流体出口在下；在盘管正上方设置有喷淋器，在盘管正下方的壳体底部设置有接水槽，所述接水槽下部一侧设有排水口，排水口通过喷淋泵和循环管路与喷淋器的进水口连接。该发明通过在壳体内增加了填料，虽然延长了冷却水停留时间，增加换热面积，冷却效果有一定的提高，但是存在大量水耗的事实没有改变，且循环水带来的能量也散发到空气中，没有得到回收利用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种循环水冷却系统及冷却方法。本发明将闭式冷却塔与真空技术相结合，实现了水和热能的双重回收，同时可以保证循环水系统的高效运行，冷却效率显著提高。

本发明的循环水冷却系统包括闭式冷却塔、罗茨风机、真空泵、缓冲罐、压缩机、换热器和节流阀，所述闭式冷却塔一侧塔壁下方设有两个出风口，分别与罗茨风机和真空泵相连，用于抽取冷却塔内的气体至缓冲罐，缓冲罐后面连接有压缩机，用于控制缓冲罐内的压力，从而实现闭式冷却塔内部的真空环境，经过压缩后的高温高压蒸汽进入换热器变成低温高压液体，然后经过节流阀变成低温低压液体，回流到闭式冷却塔的喷淋系统。

本发明中，所述闭式冷却塔内部设置有换热盘管，在换热盘管正上方设置有喷淋器，在换热盘管下方设置有集液槽，所述集液槽下部一侧设有排液口，排液口通过循环泵及管路与喷淋器连接。本发明采用混合排布的方式在换热盘管空隙处设置填料，可以按照一层填料、一层换热盘管混合排布的方式，以增大喷淋液体的换热面积，延长液体的停留时间，提高液体的蒸发量。

本发明中，所述的闭式冷却塔与罗茨风机和真空泵相连的一侧设有挡水板，含水雾的空气流过挡水板组成的波形通道后，即将空气中的液态水滴截留下来，防止在抽真空的过程中喷淋水的逸散。所述的挡水板采用耐腐蚀的PVC材料。

本发明中，所述的换热盘管采用烧结型高通量管，即在普通换热管表面烧结一薄层具有特定结构的多孔表面换热管，可烧结在外表面或内表面。具体制备方法如下：首先采用波纹管专用机械将光管压制成波纹基管，然后采用烧结方式将50-300目的金属粉末涂装到波纹基管上形成多孔金属表面，即制备出高通量管。所述的波纹基管为碳钢、低合金钢或不锈钢管等普通换热管；所述的金属粉末为铁基合金粉末。所制备的波纹管的多孔层厚度为0.3-0.7mm，孔隙率为30-60%，换热系数为普通光管的8-10倍，防盐类析出结垢能力强，冷却换热能力大幅度提升。相比较于普通光管，采用高通量管，所需闭式冷却塔的空间大幅度减小，容器成本大幅度降低，特别是有利于对闭式冷却塔抽真空，实现冷却系统的长期稳定运行。本发明中，所述的集液槽内的液体主要为除盐水，为了增强冷却能力，可以加入少量的质量浓度为10%-30%的氨水，体积分数占比不超过30%，以降低冷却系统对设备材质的较高要求。

本发明中，所述的换热器为管式换热器，冷却介质与高温高压蒸汽采用逆流换热，传热推动力强，冷却介质出口温度高，经过换热后，高温高压蒸汽变成低温高压液体，然后经过节流阀变成低温低压液体，回流到闭式冷却塔的喷淋系统。所述的冷却介质可以是水或者空气，出口温度在45-80℃，可以用来供暖、洗漱以及锅炉补水。

本发明中，在压缩机与缓冲罐之间设置气体回路，将经压缩机压缩的高温高压蒸汽再次回流到缓冲罐，使缓冲罐原有的蒸汽得到预热，混合后一起进入压缩机进行二次压缩，再次提高蒸汽的位能，然后经过换热器换热，进一步提高了冷却介质出口温度，适用于对换热器出口温度要求较高的场合。

本发明中，通过罗茨风机和真空泵的协同作用控制冷却体系的真空度为0.05-0.07MPa。由于罗茨风机在大量吸收蒸发出来的气体时，还可以对蒸汽进行初步压缩，因此当冷却能力要求不高，罗茨风机单独作用可以满足体系所需的真空度，则不需要开启真空泵；当冷却能力要求较高时，或循环水处理温差大于10℃或出口温度低于32℃，则启动真空泵辅助抽真空。

本发明中，所述的缓冲罐内部设有压力表和自动压力控制系统，用来提高压缩机工作效率和降低能耗，即当压力达到0.2MPa-0.4MPa时，后面连接的压缩机开始启动，对蒸汽进行升温加压；当缓冲罐内的压力降至0.05MPa-0.2MPa后，压缩机停止工作。

采用上述冷却系统的循环水冷却方法，首先启动循环泵，喷淋器流出的喷淋液均匀的流经层层填料和换热盘管；随后开启罗茨风机和真空泵，控制冷却体系的真空度为0.05-0.07MPa；蒸发的气体通过风机被吸入到缓冲罐，其中PVC挡水板可以有效的去除湿空气夹带的喷淋液，降低喷淋水的飘溢率；缓冲罐内的压力到达设定的0.2-0.4MPa后，压缩机开式工作，缓冲罐内的蒸汽经压缩机做功变成了高温高压蒸汽，流经管式换热器被冷却介质冷却后，变成了低温高压液体，然后经过节流阀减压，成为低温低压液体，最后回流到闭式冷却塔。若冷却能力要求较高或者需要进一步降低循环水出口温度，则开启真空泵辅助抽真空；若提高冷却介质出口温度，则需要开启气体回路阀门。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、水得到回收，没有损失。本发明利用真空条件下水的沸点降低这一原理以及循环水可以提供稳定热源的特点，对闭式冷却塔内部抽真空，使冷却系统处于一个全封闭式的回路内，水从液态蒸发变成气态，气态经过压缩变成高温高压气体，冷却后重新变成液体回流，水只是形态发生了变化，没有损耗；

2、热能得到回收。现有循环水系统的开式冷却塔和闭式冷却塔都是把循环水的热量转移到了大气中去，巨大的热量都随着空气的流通而浪费掉，本发明以除盐水和少量的氨水为介质，经过罗茨风机、真空泵、压缩机的提升，使得低品位的热源转变成了高品位的热源，最后被重新利用；

3、换热盘管采用烧结型多通量管，使得换热盘管的传热效率提高1.5-4倍，换热能力大大提升，所需的闭式冷却塔的尺寸大大减少，特别有利于对闭式冷却塔抽真空，实现冷却系统的长期稳定运行；

4、制冷介质采用除盐水，外加少量的氨水，成本低廉，操作安全，环保无污染，对设备材质和规格要求较低。

附图说明

图1为本发明所用循环水冷却系统工艺流程图；

图中1-闭式冷却塔，2-罗茨风机，3-真空泵，4-缓冲罐，5-压缩机，6-换热器，7-节流阀，8-循环水入口，9-循环水出口，10-循环泵，11-集液槽，12-换热盘管，13-喷淋器，14-填料，15-挡水板，16-气体回路，17-冷却介质入口，18-冷却介质出口。

图2为本发明使用的烧结型高通量的外壁结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步详细说明。以下所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明范围内所做的均等变化与修饰，皆应属于本发明的涵盖范围。

如图1所示的循环水冷却系统，包括闭式冷却塔1、罗茨风机2、真空泵3、缓冲罐4、压缩机5、换热器6和节流阀7，其中闭式冷却塔1中循环水入口8在上，循环水出口9在下。换热盘管12和填料14按照一层填料、一层换热盘管混合排布的方式。在换热盘管12下方设置有集液槽11，所述集液槽下部一侧设有排水口，排水口通过循环泵10及管路与喷淋器13的进水口连接。闭式冷却塔1另一侧塔壁下方设有两个出风口，分别与罗茨风机2和真空泵3相连，用于抽取冷却塔内的气体至缓冲罐4，缓冲罐4后面连接有压缩机5，用于控制缓冲罐4内的压力，从而实现闭式冷却塔内部的真空环境，经过压缩后的高温高压蒸汽进入换热器6变成低温高压液体，然后经过节流阀7变成低温低压液体，回流到闭式冷却塔的喷淋系统。

本发明循环水冷却系统运行时，首先启动循环泵10，喷淋器13流出的喷淋液均匀的流经层层填料14和换热盘管12。随后开启罗茨风机2和真空泵3，控制冷却体系的真空度为0.05-0.07MPa；蒸发的气体通过风机被吸入到缓冲罐4，其中PVC挡水板15可以有效的去除湿空气夹带的喷淋液（主要是喷淋水），降低喷淋水的飘溢率。缓冲罐4内的压力到达设定的0.2-0.4MPa后，压缩机5开式工作，缓冲罐内的蒸汽经压缩机做功变成了高温高压蒸汽，流经管式换热器6被冷却介质冷却后，变成了低温高压液体，然后经过节流阀7减压，成为低温低压液体，最后回流到闭式冷却塔。若需要进一步降低循环水出口9温度，则需开启真空泵3。若提高冷却介质出口18温度，则需要开启气体回路16阀门。

实施例1

采用图1所示的工艺流程，循环水入口温度为40℃左右，需要冷却至循环水出口温度35℃。喷淋水补水采用除盐水，其中电导率为21μs/cm，换热盘管采用普通光管，首先只开启罗茨风机，不开启真空泵。缓冲罐设定为0.3MPa时开启压缩机，0.15MPa时关闭压缩机，不开启气体回路。换热器采用管式换热器，冷却介质为自来水，进水温度24℃，采用逆流换热，经过24时连续运行，测得闭式冷却塔内的真空度为0.057MPa（大气压强-绝对压强），循环水出口温度为35.5℃左右，出口温度基本达到冷却要求，运行非常稳定，几乎不受外界气温变化的影响，并且水没有损耗。此外，压缩机处于间歇运转的状态，换热器自来水出口平均温度接近55℃，热量得到有效回收。

实施例2

采用图1所示的工艺流程，循环水入口温度为45℃左右，需要冷却至循环水出口温度35℃。喷淋水补水采用除盐水，加入质量分数20%的氨水，氨水在总液体中的体积分数为30%，其中电导率为110μs/cm，换热盘管采用普通光管，首先只开启罗茨风机，不开启真空泵。缓冲罐设定为0.4MPa时开启压缩机，0.15MPa时关闭压缩机，不开启气体回路。换热器采用管式换热器，冷却介质为自来水，进水温度24℃，采用逆流换热，经过24时连续运行，测得闭式冷却塔内的真空度为0.045MPa（大气压强-绝对压强），循环水出口温度为40.5℃左右，出口温度不满足要求。此时开启真空泵辅助抽真空，控制冷却塔内的真空度为0.06MPa。经过12小时连续运行，循环水出口温度为35.3℃左右，基本达到冷却要求，运行稳定，几乎不受外界气温变化的影响，并且水没有损失。此外，压缩机处于间歇运转的状态，换热器自来水出口平均温度接近61℃，热量得到有效回收。

实施例3

采用图1所示的工艺流程，循环水入口温度为45℃左右，需要冷却至循环水出口温度30℃。喷淋水补水采用除盐水，加入质量分数20%的氨水，氨水在总液体中的体积分数为10%，其中电导率为50μs/cm，换热盘管采用普通光管，开启罗茨风机，同时开启真空泵辅助抽真空，控制冷却系统的真空度为0.065MPa。缓冲罐设定为0.4MPa时开启压缩机，0.15MPa时关闭压缩机，不开启气体回路。换热器采用管式换热器，冷却介质为自来水，进水温度24℃，采用逆流换热，经过24时连续运行，测得闭式冷却塔内的真空度为0.064MPa（大气压强-绝对压强），循环水出口温度为32℃左右，出口温度基本满足要求，运行稳定，几乎不受外界气温变化的影响，并且水没有损失。此外，压缩机处于间歇运转的状态，换热器自来水出口平均温度接近72℃，热量得到有效回收。

实施例4

处理流程即工艺条件同实施例2，不同之处在于换热盘管采用烧结型高通量管，烧结型高通量管的具体制备方法如下：首先采用波纹管专用机械将光管压制成波纹基管，然后采用烧结方式将50-300目的铁基合金粉末涂装到波纹基管上形成多孔金属表面，即制备出高通量管。所制备的波纹管的多孔层厚度为0.3-0.5mm，孔隙率为40%-50%。制备成型的高通量的表面结构图2所示。

在只开启罗茨风机，不开启真空泵的情况下，经过24时连续运行，测得闭式冷却塔真空度为0.049MPa，循环水出口温度可达34℃，出口温度稳定。此外，压缩机处于间歇运转的状态，换热器自来水出口平均温度67℃，热量得到有效回收。

实施例5

处理流程即工艺条件同实施例3，不同之处在于换热盘管采用烧结型高通量管。经过24时连续运行，测得闭式冷却塔真空度为0.070MPa，循环水出口温度可达30.5℃左右，出口温度满足要求，运行稳定。此外，压缩机处于间歇运转的状态，换热器自来水出口平均温度68℃，热量得到有效回收。

实施例6

处理流程即工艺条件同实施例3，不同之处在于开启气体回路阀门，阀门大概开启到一半的位置。经过24时连续运行，测得闭式冷却塔真空度为0.066MPa，循环水出口温度可达31.5℃，出口温度稳定，不受外界气温变化的影响，除此之外，压缩机处于间歇运转的状态，换热器自来水出口明显提升，平均温度达76℃，可以用作冬季供暖。

比较例1

处理流程及操作条件与实施例1相同，不同之处在于采用传统工艺的闭式冷却塔对循环水进行冷却，不进行抽真空和蒸汽压缩。一方面循环水中的热量没有得到有效回收利用，另一方面由于水路不是处于一个完全闭合回路中，因此，蒸发损失不可避免，需要不断补充损耗的水量以及定期对外部喷淋水进行处理。

Claims (13)

1.一种循环水冷却系统，其特征在于包括闭式冷却塔、罗茨风机、真空泵、缓冲罐、压缩机、换热器和节流阀，所述闭式冷却塔一侧塔壁下方设有两个出风口，分别与罗茨风机和真空泵相连，用于抽取冷却塔内的气体至缓冲罐，缓冲罐后面连接有压缩机，用于控制缓冲罐内的压力，从而实现闭式冷却塔内部的真空环境，经过压缩后的高温高压蒸汽进入换热器变成低温高压液体，然后经过节流阀变成低温低压液体，回流到闭式冷却塔的喷淋系统。

2.根据权利要求1所述的循环水冷却系统，其特征在于：所述闭式冷却塔内部设置有换热盘管，在换热盘管正上方设置有喷淋器，在换热盘管下方设置有集液槽，所述集液槽下部一侧设有排液口，排液口通过循环泵及管路与喷淋器连接。

3.根据权利要求1或2所述的循环水冷却系统，其特征在于：采用一层填料、一层换热盘管混合排布的方式在换热盘管空隙处设置填料，以增大喷淋液体的换热面积。

4.根据权利要求1所述的循环水冷却系统，其特征在于：所述的闭式冷却塔与罗茨风机和真空泵相连的一侧设有挡水板，挡水板采用耐腐蚀的PVC材料。

5.根据权利要求2所述的循环水冷却系统，其特征在于：所述的换热盘管采用烧结型高通量管，即在普通换热管表面烧结一薄层具有特定结构的多孔表面换热管，烧结在外表面和/或内表面。

6.根据权利要求5所述的循环水冷却系统，其特征在于：烧结型高通量管的具体制备方法如下：首先采用波纹管专用机械将光管压制成波纹基管，然后采用烧结方式将50-300目的金属粉末涂装到波纹基管上形成多孔金属表面。

7.根据权利要求2所述的循环水冷却系统，其特征在于：所述的集液槽内的液体主要为除盐水，并加入少量的质量浓度为10%-30%的氨水，体积分数占比不超过30%。

8.根据权利要求1所述的循环水冷却系统，其特征在于：所述的换热器为管式换热器，冷却介质与高温高压蒸汽采用逆流换热，冷却介质是水或者空气，出口温度在45-80℃。

9.根据权利要求1所述的循环水冷却系统，其特征在于：在压缩机与缓冲罐之间设置气体回路，将经压缩机压缩的高温高压蒸汽再次回流到缓冲罐，使缓冲罐原有的蒸汽得到预热，混合后一起进入压缩机进行二次压缩，再次提高蒸汽的位能，然后经过换热器换热，进一步提高了冷却介质出口温度。

10.根据权利要求1所述的循环水冷却系统，其特征在于：以罗茨风机为主，真空泵辅助抽真空，控制冷却体系的真空度为0.05-0.07MPa。

11.根据权利要求10所述的循环水冷却系统，其特征在于：当冷却能力要求不高，罗茨风机单独作用可以满足体系所需的真空度，则不需要开启真空泵；当冷却能力要求较高时，或循环水处理温差大于10℃或出口温度低于32℃，则启动真空泵辅助抽真空。

12.根据权利要求1所述的循环水冷却系统，其特征在于：所述的缓冲罐内部设有压力表和自动压力控制系统，当缓冲罐内的压力达到0.2MPa-0.4MPa时，后面连接的压缩机开始启动，对蒸汽进行升温加压；当缓冲罐内的压力降至0.05MPa-0.2MPa后，压缩机停止工作。

13.采用权利要求1至12任一所述循环水冷却系统的方法，其特征在于：首先启动循环泵，喷淋器流出的喷淋液均匀的流经层层填料和换热盘管；随后开启罗茨风机和真空泵，控制冷却体系的真空度为0.05-0.07MPa；蒸发的气体通过风机被吸入到缓冲罐，其中PVC挡水板可以有效的去除湿空气夹带的喷淋液，降低喷淋水的飘溢率；缓冲罐内的压力到达设定的0.2-0.4MPa后，压缩机开式工作，缓冲罐内的蒸汽经压缩机做功变成了高温高压蒸汽，流经管式换热器被冷却介质冷却后，变成了低温高压液体，然后经过节流阀减压，成为低温低压液体，最后回流到闭式冷却塔。