CN108426463A - 一种水电混合的冷凝式智能控制冷却塔 - Google Patents

Abstract

本发明的一种水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，包括塔体，设有水轮机和连通水轮机的喷雾管，所述水轮机驱动风机，并设置在塔体的上端或者塔体上，所述喷雾管设置在所述水轮机的下端，并通过所述水轮机出水端的落水压差，或通过所述水轮机出水端的富余压力实现喷雾；所述喷雾管上端配设收水器，所述收水器上端配设干湿空气冷凝回收装置，所述收水器与所述干湿空气冷凝回收装置之间预留第一空间，所述第一空间容留从收水器排出的湿热水气，容留在第一空间中的湿热水气通过干湿空气冷凝回收装置进行冷凝回收；所述塔体上配合所述收水器和所述干湿空气冷凝回收装置设置进风口；还设有辅助电机，所述辅助电机驱动风机以补充水轮机的驱动。

Description

一种水电混合的冷凝式智能控制冷却塔

技术领域

本发明涉及一种冷却塔，具体涉及一种水电混合的冷凝式智能控制冷却塔。

背景技术

工业循环水冷却塔有机械通风冷却塔、自然通风冷却塔和喷雾冷却塔。其功能主要为循环水中的热量排放到大气中，以实现降低冷却水温的作用；由于冷却塔在运行时，水与空气流动接触后进行冷热交换产生蒸汽，蒸汽挥发带走热量，从而造成大量的蒸发水损失，使系统必须及时补水，否则将造成循环水水质变差，对循环水管网及设备造成腐蚀、结垢等现象，从而对设备造成损坏，给生产安全带来隐患，影响设备使用寿命。

目前在使用的喷雾冷却塔改造大都采用安装喷雾推进装置，减少了电机驱动，以实现节电；并采用多维收水器节水，但该种方法只节约了部份冷却塔风吹飘水损失，对于蒸发散热水损失未起到任何作用，而蒸发水损失是循环水损失的大头。且在实际使用过程中的喷雾冷却塔由于循环水系统运行的不稳定性，在冷却塔进水水压过低时，会造成喷雾装置雾化效果不理想；且喷雾产生的推力也不足以保证装置的快速旋转，会导致雾化颗粒直径大，通风量不足，从而影响降温效果。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种能同时保持或提升冷却塔降温效果，又能利用冷却塔进水的富余能量实现风机节电和蒸发水回收的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔。为实现上述目的，本发明的一种水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，包括塔体，其特征在于：设有水轮机和连通水轮机的喷雾管，所述水轮机驱动风机，并设置在塔体的上端或者塔体上，所述喷雾管设置在所述水轮机的下端，并通过所述水轮机出水端的落水压差，或通过所述水轮机出水端的富余压力实现喷雾；

所述喷雾管上端配设收水器，所述收水器上端配设干湿空气冷凝回收装置，所述收水器与所述干湿空气冷凝回收装置之间预留第一空间，所述第一空间容留从收水器排出的湿热水气，容留在第一空间中的湿热水气通过干湿空气冷凝回收装置进行冷凝回收；

所述塔体上配合所述收水器和所述干湿空气冷凝回收装置设置进风口；

还设有辅助电机，所述辅助电机驱动风机以补充水轮机的驱动。

进一步地，所述干湿空气冷凝回收装置配设干冷空气进风口通入干冷空气；还配设湿热空气进风通道流通湿热空气，干冷空气和湿热空气通过风机的吸力在所述干湿空气冷凝回收装置中间接换热。

进一步地，所述干湿空气冷凝回收装置中设置若干干冷空气进风通道，所述干冷空气进风通道自所述干冷空气进风口通入冷风；

或，所述干冷空气进风口配设导风叶调整风速和风向。

进一步地，冷却塔设有进风口，所述干冷空气进风口设置在进风口上部。

进一步地，所述进风口上部安装喷雾管，所述收水器设置在所述喷雾管上端。

进一步地，所述水轮机配设水轮机进水管和水轮机出水管，所述水轮机进水管和水轮机出水管另配旁路水管连通，所述旁路水管配设旁路自动阀门。

进一步地，所述干湿空气冷凝回收装置通入湿热空气和干冷空气，湿热空气和干冷空气，所述格栅板配设干冷空气进风口通入干冷空气，所述格栅板配设冷凝水槽排出所述干湿空气冷凝回收装置冷凝后的水。

进一步地，所述干湿空气冷凝回收装置与所述风机之间预留混合室增强换热。

进一步地，所述水轮机通过传动轴和双输入减速机连接；所述风机和双输入减速机连接；所述辅助电机通过传动轴与双输入减速机连接，所述传动轴与所述双输入减速机连接处设有分动箱。

进一步地，还设有智能控制系统，所述智能控制系统采用控制主机PLC，所述控制主机PLC通过对冷却塔进出水温差、空气温度、风机转速数据对冷却塔进行实时监测、控制。

本发明的一种水电混合的冷凝式智能控制冷却塔：

一，本发明拆除了传统机械冷却塔内的填料部分，使整个塔内变为一个“空塔”，减少了塔内的通风阻力，增加了雾化水的换热空间；

二，利用水力驱动水轮机带动风机旋转，解决了冷却塔风机耗电的问题；在利用水能驱动风机运行使得冷却塔产生向上的风，所述冷却塔内进风口上部安装有收水器及向上连通喷雾管的向上喷雾的喷口；由于风机的抽风作用，使冷却塔内部形成负压，冷风从冷却塔底部进入冷却塔与向上喷雾的雾化水流充分接触换热；雾化水滴在与空气换热时形成接近饱和的湿热空气，随着气流上升，水滴不断碰撞体积逐步增大，并在通过收水器后，凝结形成往下滴的水，并与冷风再次换热后进入水池，换热时间延长；进一步降低了循环水的温度，从而提高了换热效果；

三，拆除了冷却塔填料，雾化后的热水有足够的空间与进塔空气进行热交换，换热后形成基本饱和的湿热空气，雾化水滴经过收水器降温后的循环水回落到水池，湿热空气上升进入与进塔的干冷空气在干湿空气冷凝回收装置进行换热，使湿热空气再一次降温，实现二次的冷凝，提高了蒸发水的回收利用率；

四，本发明中，干湿空气冷凝回收装置与风机之间预留了混合室，一方面增加了干湿空气冷凝回收装置的排出的湿热空气与干冷空气的换热，同时，也减少了冷却塔的白雾现象，降低了蒸发损耗的问题；

五，采用水轮机驱动冷却塔风机时，利用冷却塔进水水压系统的富余能量节能的同时，在冷却塔进水富余能量不足时利用辅助电机输出一部分电能给予补充，使冷却塔进水的富余能量能得到充分的利用，同时也解决了进水能量富余不足时风机运行不稳的问题；

六，本发明利用水轮机出水端与雾化喷头的高度差或出水系统的富余压力使循环热水雾化，增强了雾化效果，使得雾化后颗粒直径较小，增加了换热面积，提升了换热效果；

七，水轮机进水端和出水端另行配设了旁路水管，便于冷却塔维修；

八，由于采用了智能控制系统、电机辅助系统、饱和湿热空气冷凝回收等手段，实现了循环水在任何情况下的系统调整及生产状况下所发生的低压都能满足运行；拆除填料后雾化水滴与空气的热交换空间和交换时间增加。湿热空气经过冷凝后，下降的过程中与空气进行二次降温，进一步提高了冷却塔的热交换效率。由于塔内部基本采用了喷雾降温及水流回收，降低了冷却塔噪音，实现了节电、节水、降噪；降低了工艺循环水的运行成本，效果明显。

附图说明

图1是本发明的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔结构示意图；

图2是图1的剖切图。

具体实施方式

以下，结合实施例1对本发明进行进一步说明。

实施例1

如图1-2所示，本发明的一种水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，设有水轮机11和连通水轮机11的喷雾管23，所述水轮机11驱动风机5，并设置在塔体的上端或者塔体上，所述喷雾管23设置在所述水轮机11的下端，并通过所述水轮机11出水端的落水压差，或通过所述水轮机11出水端的富余压力实现喷雾；

所述喷雾管23上端配设收水器21，所述收水器21上端配设干湿空气冷凝回收装置20，所述收水器21与所述干湿空气冷凝回收装置20之间预留第一空间37，所述第一空间37容留从收水器21排出的湿热水气，容留在第一空间37中的湿热水气通过干湿空气冷凝回收装置20进行冷凝回收；

所述塔体1上配合所述收水器21和所述干湿空气冷凝回收装置20设置进风口；

还设有辅助电机2，所述辅助电机2驱动风机以补充水轮机的驱动。

所述干湿空气冷凝回收装置配设干冷空气进风口通入干冷空气；还配设湿热空气进风通道流通湿热空气，干冷空气和湿热空气通过风机的吸力在所述干湿空气冷凝回收装置中间接换热。所述干湿空气冷凝回收装置中设置若干干冷空气进风通道，所述干冷空气进风通道自所述干冷空气进风口通入冷风；

或，所述干冷空气进风口配设导风叶22调整风速和风向。

冷却塔设有进风口，所述干冷空气进风口设置在进风口上部。

所述进风口上部安装喷雾管，所述收水器设置在所述喷雾管上端。

所述水轮机配设水轮机进水管15和水轮机出水管19，所述水轮机进水管15和水轮机出水管19另配旁路水管连通，所述旁路水管配设旁路自动阀门17。

所述干湿空气冷凝回收装置通入湿热空气和干冷空气，湿热空气和干冷空气，所述格栅板配设干冷空气进风口通入干冷空气，所述格栅板配设冷凝水槽35排出所述干湿空气冷凝回收装置冷凝后的水。

所述干湿空气冷凝回收装置20与所述风机5之间预留混合室38增强换热。

所述水轮机通过传动轴和双输入减速机连接；所述风机和双输入减速机连接；所述辅助电机通过传动轴与双输入减速机连接，所述传动轴与所述双输入减速机连接处设有分动箱。

还设有智能控制系统，所述智能控制系统采用控制主机PLC，所述控制主机PLC通过对冷却塔进出水温差、空气温度、风机转速数据对冷却塔进行实时监测、控制。

所述水轮机11进水端设有水轮机进水管15直通冷却塔进水管，所述水轮机11通过2#传动轴9和双输入减速机7连接，所述风机5和双输入减速机7连接；所述塔体上辅助电机2为辅助电机并通过1#传动轴6与双输入减速机7连接，1#传动轴6与双输入减速机7连接处设有分动箱3和2#分动箱10。当水轮机进水管15富余压头充足时，水轮机单独驱动双输入减速机7带动风机5高速旋转，满足冷却塔通风量的需求。当水轮机进水管15内水压不足，水轮机11转速过慢时，辅助电机2增加风机5转速以满足冷却塔11的通风量需求。所述水轮机进水管15与水轮机出水管处有旁路管道16、旁路管道16上安装有旁路自动阀门17，当水轮机11需要维修时，开启旁路自动阀门17，由辅助电机2直接驱动风机5，便于水轮机管道的检修。

本发明中，热水在水轮机11做功后通过水轮机出水管19，流向下水管26，利用高度差产生一定的压力或进水富余压力，通过喷雾管23连通的喷嘴喷雾，使循环热水雾化，雾化热水与冷却塔的下进风口27进来的冷风进行热交换，以达到冷却降温的效果。

当水轮机需要检修时，打开旁路自动阀门17，冷却塔进水从旁路管道16进入，向下流向下水管26，利用高度差产生压力或进水端的富余压力，使得喷雾管23喷嘴喷雾，使循环热水雾化。

本发明的一种水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，在机械通风冷却塔内拆除冷却塔内填料部分，使整个塔内变为一个“空塔”，在减少了塔内的通风阻力的同时增加了雾化水的换热空间；并利用水力驱动水轮机带动风机旋转，使冷却塔产生向上的风，所述冷却塔内进风口上部安装有收水器及向上喷雾的喷嘴；由于风机的抽风作用，冷却塔内部成负压，冷风从冷却塔底部进入冷却塔与向上喷雾的雾化水流充分接触换热；其特殊之处在于1、由于冷却塔内部无填料，增加了雾化热水与空气的换热空间和时间；2、且雾化后颗粒直径较小，换热面积增加；3、雾化水滴在与空气换热时形成接近饱和的湿热空气，随着气流上升，水滴不断碰撞体积逐步增大，并在通过收水器后，凝结形成往下滴的水，并与冷风再次换热后进入水池，换热时间延长；进一步降低了循环水的温度，从而提高了换热效果。

所述经过收水器21后的饱和湿热空气，在风机5的抽风作用下，继续往上经导流板进入干湿空气冷凝回收装置20；所述收水器21下部设有干冷空气进风口32，干冷空气进风口32设置在冷却塔11两侧，并由两侧进风进入干湿空气冷凝回收装置20。

所述干湿空气冷凝回收装置设有干冷空气进风口32，所述干冷空气进风口32通过干冷空气通风管30穿过第一空间37通向塔体外以通入干冷空气，所述干冷空气通风管30通过导风叶22调整风向，所述干湿空气通风管30设有多个。所述干湿空气冷凝回收装置20可选用格栅结构，下端设有若干直接通入自收水器21排出的湿热空气的湿热空气进风通道，利用风机5将湿热空气往上抽，同时将干湿空气抽入并在格栅内对湿热空气进行间接换热以实现冷凝回收，使湿热空气降温降湿，此时部分水蒸汽冷凝成水，另一部分水蒸汽经风机5抽风，排出大气中。

干冷空气进风口32设置于冷却塔进风口27上部，每个干冷空气进风口32设有一条干湿空气通风管30。干冷空气进风口32设有导风叶22，用于调节干冷空气风量和风向。干冷空气与湿热水蒸汽在冷凝装置中间接换热后，在风机风叶下部的混合室直接交汇，并通经过风机风叶排出塔外。

所述干湿空气冷凝回收装置20为长方体形状，布置于原冷却塔收水器和收水器位置处，也即塔体中上部，如此布置可以使雾化水有足够的冷却空间，且雾化水与空气换热后先经过收水器21，大水滴已经进行了回收，只有换热产生的水蒸汽进入冷却装置。而干冷空气的进风口位于冷却装置下部，在风机抽风的作用下，干冷空气与湿热水蒸汽在冷凝置中进行间接换热，使湿热水蒸汽降温降湿。

其中，水轮机11和旁路管道16进水一端设有进水温度传感器13和压力传感器12，风机5配设转速传感器8，在混合室38内配设混合空气温度传感器36，在第一空间配设湿热空气温度传感器28，并在塔体出水一端配设出水温度传感器24，本发明的冷却塔采用PLC并配有上位机监视系统，利用各温度传感器、压力传感器和转速传感器，对进出水温温差检测、湿热空气和混合空气温度、风机转速、各位置压力等数据进行实时监测；从而对自动阀门、电机等设备进行控制，以实现冷却塔节电、节水和降温效果的最优化。

本系统从控制主机PLC至变频器、压力及温差检测仪表的链路采用目前技术成熟的RS-485串行总线方式。

在具体实施例中,所述冷却塔塔体1可采用圆锥形、双曲线形、圆柱形、多边形、方形、水泥塔、钢架型、玻璃钢塔等的新建或改造。

冷却塔的进风口高度依《机械通风冷却塔工艺设计规范》中要求设计。如：双面进风冷却塔进风口面积与填料(塔)面积比设计应在0.4～0.5；冷却塔尺寸为长17米*宽17米*高13米，进风口面积与填料(塔)面积比按0.5计算时，塔面积约为17米×17米＝289平方米，系统冷却塔进风口高度为4.25米，喷雾管喷嘴布置于进风口27上沿的上侧。如水池高度为1.5米，则喷嘴高度为6米左右。收水器布置于原填料顶部，由于拆除了原冷却塔填料，确保雾化水有足够的换热空间。

案例一：某循环水系统有额定水处理量为4000m³/h的冷却塔，冷却塔长17米*宽17米*高13米，配水中心高8.5米，进风口顶部高6米。冷却塔风机配套电机功率为160kW，风量273×10⁴m³/h，在标准大气压下，设计干球温度31℃、湿球温度28℃，设计进出水温为42℃/32℃，湿空气密度为1.1452kg/m³。冷却塔风机实际运行功率为145kW，冷却塔实际运行流量为4000m³/h，冷却塔阀前回水压头为19米，

采用本发明中的一种水电混合的冷凝式智能冷却塔解决了冷却塔风机耗电问题的同时减少了冷却塔飘水和蒸发损耗。通过对系统富余能量利用，采用水轮机驱动冷却塔风机，在富余能量不足时利用辅助电机输出一部分电能给予补充，使系统富余能量得到充分的利用。并利用水轮机出水口与雾化喷头的高度差使循环热水雾化，因拆除了冷却塔填料，雾化后的热水有足够的空间与进塔空气进行热交换，换热后形成基本饱和的湿热空气，雾化水滴经过收水器降温后的循环水回落到水池，湿热空气上升进入凝汽回收装置与进塔的干冷空气换热，使湿热空气降温，并冷凝回收利用。实施过程如下：

1、利用富余能量驱动水轮机以实现节电。

(1)水轮机可利用的压头＝系统回水压头-水轮机安装高度+水轮机与雾化喷头的高差-雾化喷头的压头。

本项目水轮机富余压头＝20米-13米+(13米-6米)-5米＝9米

20米：为回水压头；

13米：水轮机安装位置(冷却塔平台)；

6米：雾化喷头安装高度；

5米：雾化喷头雾化所需压头。

(2)水轮机做功：

水轮机轴功P＝ρ×g×Q×H÷3600×η_水

＝82.2kW

ρ：为水的密度(1.0×10³kg/m³)；

g：为重力加速度(9.81m²/s)；

H：为系统中可用富余压头(m)；

η_水：水轮机效率(％)

(3)辅助电机做功

通过水轮机轴功和电机实际运行轴功之差计算出辅助电机的运行功率。

辅助电机做功＝(电机轴功-水轮机轴功)÷η_电机＝45kW

2、根据冷却塔蒸发损失水量计算公式Qe＝Ke×ΔT×Q÷100，计算出冷却塔实际蒸发水损失量为60m³/h，计算如下：

Qe＝Ke×ΔT×Q÷100

＝0.15×10℃×4000m³/h÷100

＝60m³/h

Ke：蒸发水损失系数(实测时进塔空气温度在30℃，此时Ke为0.5)

ΔT：冷却塔进出水温差，单位℃

Q：冷却塔过水量，单位m³/h

2、根据空气含湿量计算公式：计算出冷却塔内湿热空气的含湿量。

X：空气含湿量，单位kg/kg；

φ：空气相对湿度，单位％；

P_θ：空气温度在θ℃时的饱和水蒸汽压力，单位kPa；

P：大气压力，单位kPa；

3、根据空气焓值计算公式：h＝1.005θ+X(2500.8+1.846θ)

h：湿空气焓值，单位kj/kg；

4、计算出拆除冷却塔内填料后减少的通风阻力，和冷凝回收装置的阻力；因填料阻力大于冷凝回收装置了阻力，所以冷却塔整体通风阻力下降，风量增加。根据风机的性能，确定阻力下降后风机运行风量，在保持现有冷却塔降温效果的前提下，根据干冷空气进风量、换热前后的温度和焓差，计算出热交换能量，并根据热交换量算出湿热空气的焓值、热交换后的温度和空气含湿量。最后通过空气含湿量的差值算出湿热空气的冷凝水量。

通过采用以上公式计算，对该冷却塔采用一种水电混合的冷凝式智能冷却塔改造，改造后通过对运行数据进行实测，冷却塔节电在69％，节水在14.17％。改造前、后对比表如下：

改造前后冷却塔运行数据对比

现有技术相比，本发明的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔实现了冷却塔节电、节水的综合节能改造，且结构简单，安装、维修方便；改造时根据系统实际情况，可增加风机转速和风量，提高冷却效果。

在富余能量充足时，采用纯水轮机驱动风机；富余能理不足时，由辅助电机输出一部分电能以补足风机所需能量；富余能量较小，水轮机改造效果不明显时，采用原电机驱动，并利用原收水器与雾化喷头的高度差或进水系统富余压力，实现循环热水的雾化。

由于采用了智能控制系统、电机辅助系统、饱和湿热空气冷凝回收等手段，实现了循环水在任何情况下的系统调整及生产状况下所发生的低压都能满足运行；拆除填料后冷却塔雾化水滴热交换空间和与空气的交换时间增加。湿热空气经过冷凝后，下降的过程中与空气进行二次降温，进一步提高了冷却塔的热交换效率。由于塔内部基本采用了喷雾降温及水流回收，降低了冷却塔噪音，实现了节电、节水、降噪；降低了工艺循环水的运行成本，效果明显。

如水轮机驱动电机发生故障时，或者系统富余能量较小时，可纯做雾化节水改造，风机由原电机驱动。

本说明书中所描述的上述内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明中所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例，做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明中说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明中的保护范围。

Claims (10)

1.一种水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，包括塔体，其特征在于：

设有水轮机和连通水轮机的喷雾管，所述水轮机驱动风机，并设置在塔体的上端或者塔体上，所述喷雾管设置在所述水轮机的下端，并通过所述水轮机出水端的落水压差，或通过所述水轮机出水端的富余压力实现喷雾；

所述喷雾管上端配设收水器，所述收水器上端配设干湿空气冷凝回收装置，所述收水器与所述干湿空气冷凝回收装置之间预留第一空间，所述第一空间容留从收水器排出的湿热水气，容留在第一空间中的湿热水气通过干湿空气冷凝回收装置进行冷凝回收；

所述塔体上配合所述收水器和所述干湿空气冷凝回收装置设置进风口；

还设有辅助电机，所述辅助电机驱动风机以补充水轮机的驱动。

2.如权利要求1所述的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，其特征在于：所述干湿空气冷凝回收装置配设干冷空气进风口通入干冷空气；还配设湿热空气进风通道流通湿热空气，干冷空气和湿热空气通过风机的吸力在所述干湿空气冷凝回收装置中间接换热。

3.如权利要求2所述的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，其特征在于：所述干湿空气冷凝回收装置中设置若干干冷空气进风通道，所述干冷空气进风通道自所述干冷空气进风口通入冷风；

或，所述干冷空气进风口配设导风叶调整风速和风向。

4.如权利要求2或3所述的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，其特征在于：冷却塔设有进风口，所述干冷空气进风口设置在进风口上部。

5.如权利要求4所述的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，其特征在于：所述进风口上部安装喷雾管，所述收水器设置在所述喷雾管上端。

6.如权利要求1-3、5任一权利要求所述的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，其特征在于：所述水轮机配设水轮机进水管和水轮机出水管，所述水轮机进水管和水轮机出水管另配旁路水管连通，所述旁路水管配设旁路自动阀门。

7.如权利要求1-3、5任一权利要求所述的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，其特征在于：所述干湿空气冷凝回收装置通入湿热空气和干冷空气，湿热空气和干冷空气，所述格栅板配设干冷空气进风口通入干冷空气，所述格栅板配设冷凝水槽排出所述干湿空气冷凝回收装置冷凝后的水。

8.如权利要求1-3、5任一权利要求所述的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，其特征在于：所述干湿空气冷凝回收装置与所述风机之间预留混合室增强换热。

9.如权利要求1-3、5任一权利要求所述的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，其特征在于：所述水轮机通过传动轴和双输入减速机连接；所述风机和双输入减速机连接；所述辅助电机通过传动轴与双输入减速机连接，所述传动轴与所述双输入减速机连接处设有分动箱。

10.如权利要求1-3、5任一权利要求所述的水电混合的冷凝式智能控制冷却塔，其特征在于：还设有智能控制系统，所述智能控制系统采用控制主机PLC，所述控制主机PLC通过对冷却塔进出水温差、空气温度、风机转速数据对冷却塔进行实时监测、控制。