CN111380373B - 一种多级换热的闭式冷却塔 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多级换热的闭式冷却塔，所述闭式冷却塔包括塔体、风机、收水除雾器、喷淋管件、换热管组件、旋转床组件、集水箱，所述风机设置于塔体顶部，收水除雾器设置于风机下方，所述喷淋管件、换热管组件、旋转床组件设置于收水除雾器下方，所述集水箱设置于塔体底部，所述集水箱设有出液口，集水箱出液口经管线与喷淋管件连接，所述塔体顶部设有出风口，集水箱上方塔体侧壁设置有进风口。本发明多级换热的闭式冷却塔通过多级热湿平衡换热，使得空气‑喷淋水经过不同温度梯度的湿热平衡级换热，并及时有效的将换热冷量传递给冷却水，从而极大提高冷却塔的冷却性能。

Description

一种多级换热的闭式冷却塔
技术领域
本发明属于冷却设备技术领域，涉及一种闭式冷却塔，特别是涉及一种多级换热的闭式冷却塔。
背景技术
冷却塔是一种常用的冷却设备，其工作原理为需要被冷却的高温循环水在冷却塔内部，通过与空气进行潜热、显热交换把自身的热量传给空气，实现降温。
根据空气与被冷却水是否直接接触，可分为开式冷却塔和密闭式冷却塔。开式冷却塔中，空气与水直接接触，热交换发生在接触面，因此换热效果相对更好，冷却水温度可与空气换热至空气的湿球温度。但由于开式冷却塔中空气与被冷却水直接接触，造成冷却水质易受污染、易滋生病菌、设备腐蚀过快等问题，并且由于换热过程会伴随着冷却水的不断蒸发，会增大循环水的盐浓度，造成冷却水水质下降。闭式冷却塔中，用间壁式换热盘管代替了传统的填料，冷却水在换热盘管内流动，避免了与空气的直接接触，保证了冷却水质的清洁。随着国家节能减排、低碳环保政策的提出，闭式冷却塔因其清洁性，在电力、化工、钢铁、冶金、暖通等行业应用市场前景良好。
目前常见的闭式冷却塔一般采用喷淋形式，喷淋水由上至下靠重力流过换热管束形成水膜，带走管内流体的热量，空气与喷淋水接触，通过与喷淋水蒸发换热和对流换热带走喷淋水的热量。为强化喷淋水与空气热湿交换效果，并降低换热盘管用量，一般在塔内换热盘管上部或下部设置填料，为了使塔内空气接近或达到饱和湿度，往往喷淋水循环量大，填料体积大。此外，传统的热湿交换闭式冷却塔主要通过喷嘴实现喷淋水的雾化分布，喷水量大小直接影响喷嘴雾化分布效果，进而一定程度限制了冷却塔的处理能力范围，冷却塔负荷可调整性能较差。
专利CN102620597A提供一种底部进风的闭式冷却塔，通过在冷却塔底部设置多个导水百叶，相邻的导水百叶之间为进风口，使得布风均匀的方式提高换热效率，但仅从气相角度出发，对于冷却塔整体换热效果的提高非常有限。专利CN102809306A提出一种等焓加湿降温节水闭式冷却塔，在铜管铝翅片式盘管下面设有一个由上层填料、下层填料、离心式雾化器组成的绝热腔体，离心式雾化器能够促进雾化水蒸发从而降低空气温度，提高冷却塔性能，并能实现消白烟效果，但是通过上端翅片式盘管进行空气与冷却水的热传导实现，换热面积大，且是以空气不饱和外排为代价，汽化潜热冷量利用率低。
综合本领域现有技术情况，目前急需开发一种能够显著提高冷却塔换热效率且操作灵活、负荷调整范围大的新型闭式冷却塔。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种多级换热的闭式冷却塔，通过多级热湿平衡换热，使得空气-喷淋水经过不同温度梯度的湿热平衡级换热，并及时有效的将换热冷量传递给冷却水，从而极大提高冷却塔的冷却性能。
本发明提供了一种多级换热的闭式冷却塔，所述闭式冷却塔包括塔体、风机、收水除雾器、喷淋管件、换热管组件、旋转床组件、集水箱，所述风机设置于塔体顶部，收水除雾器设置于风机下方，所述喷淋管件、换热管组件、旋转床组件设置于收水除雾器下方，所述集水箱设置于塔体底部，所述集水箱设有出液口，集水箱出液口经管线与喷淋管件连接，所述塔体顶部设有出风口，集水箱上方塔体侧壁设置有进风口；其中，所述旋转床组件包括旋转轴、床层和旋转盘，所述床层中心为圆柱形空腔，旋转轴设置于床层中心的圆柱形空腔中，床层固定在旋转盘上，所述旋转盘与旋转轴固定连接，所述旋转轴内部位于最下层床层以上为空心结构，且旋转轴管壁与床层水平对应区域内设置有若干孔，所述床层与换热管组件从下至上依次呈“床层-换热管组件-床层-换热管组件”交替布置。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述孔用于喷淋水分配，所述旋转轴上端与喷淋管件连通，旋转轴下端通过转向器与驱动装置连接，通过驱动装置为变频电机，用于调整床层转速，所述驱动装置优选设置在闭式冷却塔塔体外部。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述床层为轴向多层布置，优选设置2层以上，每层床层上方均设置有换热管组件，相邻两层床层之间的距离与床层厚度比为10～1:1，优选5～2:1。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述床层可以为填料结构、丝网结构、筛网结构中的一种或几种，优选为填料结构，进一步优选为规整填料结构。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述床层转速为50～5000转/分，优选200～2000转/分。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述用于固定床层的旋转盘上设有通孔，所述通孔用于空气流通。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述换热管组件包括若干根换热管，若干根换热管呈水平环形管束布置，相邻换热管呈交错布置，相邻换热管间距与换热管外径比为3～0.5:1，优选2～1:1。所述换热管可以为圆管、椭圆管、扭曲管中的一种或几种；所述换热管材质为铜管、钢管、不锈钢管、改性氟塑料管中的一种。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述换热管组件与床层从下至上依次呈“床层-换热组件-床层-换热组件”交错布置，优选设置2组以上。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，相邻两层换热管组件之间通过连通管连通。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述换热管组件上设有被冷却介质入口和被冷却介质出口。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述集水箱出液口与喷淋管件的连接管线上设置有循环泵和调节阀，所述循环泵设置于集水箱外侧，调节阀用以调整循环水流量。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述进风口处设置有进风格栅，进风格栅形式不限，能够实现使空气风均匀的进入塔内，并且降低外部灰尘进入塔内而影响水质，同时有效防止喷淋水外溅。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述收水除雾器可以为丝网除雾器、折板式除雾器、平板式除雾器、格栅除雾器中的一种或几种，能够起到良好的收水及除雾效果，降低空气饱和水外携带的雾滴，减少喷淋循环水损失。
与现有技术相比，本发明所述多级换热的闭式冷却塔的优点及有益效果如下：
1、本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，通过在冷却塔塔体内设置旋转床组件，喷淋水被高速旋转填料不断切割和聚并，液体在高分散、高湍动、强混合以及界面急速更新的环境下与气体以极大的相对速度在弯曲孔道中逆向接触，与传统传质方式相比传质效率得到数量级提升，喷淋水在高速旋转料层中能够被撕裂成微米级雾滴，在床层区域雾滴与通过的空气有着极大的换热和蒸发面积，极大的提高了喷淋水和空气的传热传质效果，从而促进水和空气的热交换，实现水分充分蒸发，提高喷淋水和空气热湿换热效果。
2、本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，所述换热管组件与旋转组件中的床层从下至上依次呈“床层-换热组件-床层-换热组件”交替布置，在每级床层上空气与喷淋水错流混合并充分传质传热，达到对应湿球温度，并且微米级雾滴被气流带至上层换热组件，饱和湿度空气与被携带雾滴在上层换热组件上，以快速更新的雾滴膜形式与管内冷却水进行热交换，换热后的饱和湿度空气升温变成不饱和空气，继续上升到上一层填料中与喷淋水进行热湿交换变为饱和，并再一次达到对应湿球温度实现降温，空气由下至上依次经过“饱和降温-升温不饱和-饱和降温-升温不饱和”的多次热湿平衡换热过程，极大回收了不同温度梯度的潜热热量，并能够及时将冷量通过换热组件传至管内，实现对管内冷却水的有效降温。
3、本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，能够使塔内相互作用的空气、冷却水、循环喷淋水三者间显热传导和潜热蒸发的热湿交换充分耦合，最大限度的利用汽化潜热冷量，提高冷却效率的同时，大大节约循环水量，起到有效的节水效果。
4、本发明所述多级换热的闭式冷却塔中，调节手段丰富灵活，传统闭式喷淋塔的喷水量大小直接影响喷嘴雾化分布效果，进而一定程度影响不同负荷的换热效果，而本发明方法设置了旋转床组件，主要通过高速旋转的床层破碎撕裂水滴，水量大小对水分布影响甚微，不同水量均可实现高效传质传热效果，可根据冷却工艺流体的不同要求进行灵活、及时调整冷却塔制冷负荷。
附图说明
图1为本发明所述多级换热的闭式冷却塔结构示意图。
图2为比较例1常规形式闭式冷却塔结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图说明和实施例对本发明所述的多级换热的闭式冷却塔做详细说明，但并不因此限制本发明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设有”、“置于”、“相连”、“连接”、“安装”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明提供一种多级换热的闭式冷却塔，所述闭式冷却塔包括塔体1、风机2、收水除雾器3、喷淋管件4、换热管组件5、旋转床组件、集水箱20；所述风机2设置于塔体1顶部，收水除雾器3设置于风机2下方，所述喷淋管件4、换热管组件5与旋转床组件设置于收水除雾器3下方，所述集水箱20设置于塔体1底部，所述集水箱20设有出液口27，集水箱20的出液口27经管线与喷淋管件4连接，所述出液口27与喷淋管件4的连接管线上设置有循环泵21和调节阀22，所述循环泵21设置于集水箱20外侧，调节阀22用以调整循环水流量。所述塔体1的顶部设有出风口24，集水箱20上方塔体侧壁设置有进风口18，所述进风口处设置有进风格栅19。所述换热管组件5上设有被冷却介质入口8和被冷却介质出口9。所述旋转床组件包括旋转轴16、床层10和旋转盘25，所述床层10为轴向多层布置，优选设置2层以上，床层10中心为圆柱形空腔，旋转轴16设置于床层10中心的圆柱形空腔中，并且通过固定支架12固定在塔体内壁上，旋转轴16上端通过旋转接头17与喷淋管件4连通，旋转轴下端通过转向器14与驱动装置13连接，所述驱动装置13设置于冷却塔塔体1外部。床层10固定在旋转盘25上，旋转盘25上设有通孔，所述通孔用于空气流通。所述旋转盘25与旋转轴16固定连接。所述旋转轴16内部位于最下层床层10以上为空心结构，且旋转轴16管壁与床层10水平对应区域内设置有若干孔15，所述孔15用于喷射喷淋水。所述换热管组件5包括若干根换热管，若干根换热管呈水平环形管束布置，相邻换热管呈交错布置。所述床层10与换热管组件5从下至上依次呈“床层-换热管组件-床层-换热管组件”交替布置。相邻两层换热管组件之间通过连通管23连通。
本发明所述多级换热的闭式冷却塔的具体工作过程如下：温度较高的冷却水被输送到所述冷却塔的换热管组件中，循环泵将集水箱内的水通过喷淋管件经旋转接头后，由空腔旋转轴开孔向四周床层喷射，喷淋水被高速旋转的填料不断切割撕裂成微米级雾滴，形成高分散、强混合以及急速更新的界面状态，与此同时，由于塔顶风机的抽吸作用，干冷空气（不饱和空气）从塔底部的侧面进风口通过进风格栅均匀进入塔体，首先经过最下端床层，在床层上空气与喷淋水错流混合并充分传质传热，实现饱和湿度并达到对应湿球温度，同时微米级雾滴被气流带至上层换热组件，饱和湿度空气与雾滴在上层换热组件上与管内冷却水进行热交换而升温，换热后的饱和湿度空气升温变成不饱和空气，继续上升到上一层填料中与喷淋水进行热湿交换变为饱和，并再一次达到对应湿球温度实现降温，空气由下至上依次经过“饱和降温-升温不饱和-饱和降温-升温不饱和”的多次热湿平衡换热过程，极大回收了不同温度梯度的汽化潜热热量，并能够及时将冷量通过雾滴膜形式经换热组件传至管内，实现对管内冷却水的有效降温。进行多次热湿平衡换热的空气最终经过收水除雾器回收饱和水外携带的雾滴后，排出塔体。
实施例1
采用图1结构多级换热闭式冷却塔，冷却塔内设置3层轴向床层，床层采用多孔波纹板填料，每层床层高度200mm，每层床层径向厚度200mm，上下床层间距300mm，气液接触方式为错流，换热管组件布置在床层间，与旋转床层从下至上依次呈“床层-换热组件-床层-换热组件”交错布置3组，旋转床组件床层转速可调范围为200～1000转/分。塔体顶部风机最大引风量20000Nm3/h，喷淋水最大循环量40m3/h。本实施例中闭式冷却塔在空气温度32℃，相对湿度60%环境中，冷却过程中外排的空气相对湿度可达近100%，当喷淋水量30m3/h，床层转速600rpm，能够将流量35m3/h的冷却水降温7℃以上。
比较例1
与实施例1相同，不同之处在于，闭式冷却塔内设施采用常规形式布置，结构如图2所示，即冷却塔从上至下依次为风机51、收水除雾器52、喷淋组件53、换热管组件54、填料55。本比较例与实施例1相比，最大冷却能力降低20%以上；本比较例制冷负荷调节手段单一，仅能靠风量及循环水量进行运行参数调整，喷淋组件对于不同流量的循环水分散效果影响较大，进而影响冷却塔整体制冷效果。而实施例1中，对于不同喷淋水量，配合调整床层转速均能达到空气与喷淋水充分热湿交换实现制冷效果，操作灵活，效率更高。

Claims (21)

1.一种多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述闭式冷却塔包括塔体、风机、收水除雾器、喷淋管件、换热管组件、旋转床组件、集水箱，所述风机设置于塔体顶部，收水除雾器设置于风机下方，所述喷淋管件、换热管组件、旋转床组件设置于收水除雾器下方，所述集水箱设置于塔体底部，所述集水箱设有出液口，集水箱出液口经管线与喷淋管件连接，所述塔体顶部设有出风口，集水箱上方塔体侧壁设置有进风口；其中，所述旋转床组件包括旋转轴、床层和旋转盘，所述床层中心为圆柱形空腔，旋转轴设置于床层中心的圆柱形空腔中，床层固定在旋转盘上，所述旋转盘与旋转轴固定连接，所述旋转轴内部位于最下层床层以上为空心结构，且旋转轴管壁与床层水平对应区域内设置有若干孔，所述床层与换热管组件从下至上依次呈“床层-换热管组件-床层-换热管组件”交替布置，在每级床层上空气与喷淋水错流混合并充分传质传热，微米级雾滴被气流带至上层所述换热管组件，饱和湿度空气与被携带雾滴在上层所述换热管组件上，以快速更新的雾滴膜形式与管内冷却水进行热交换。
2.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述旋转轴上端与喷淋管件连通，旋转轴下端与驱动装置连接。
3.按照权利要求2所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述驱动装置为变频电机，所述驱动装置设置在闭式冷却塔塔体外部。
4.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述床层为轴向多层布置，每层床层上方均设置有换热管组件。
5.按照权利要求1或4所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述床层设置2层以上。
6.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：相邻两层换热管组件之间通过连通管连通。
7.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：相邻两层床层之间的距离与床层厚度比为10～1:1。
8.按照权利要求7所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：相邻两层床层之间的距离与床层厚度比为5～2:1。
9.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述旋转盘上设有通孔。
10.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述换热管组件包括若干根换热管，若干根换热管呈水平环形管束布置，相邻换热管呈交错布置。
11.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述换热管组件上设有被冷却介质入口和被冷却介质出口。
12.按照权利要求6所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：相邻换热管间距与换热管外径比为3～0.5:1。
13.按照权利要求12所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：相邻换热管间距与换热管外径比为2～1:1。
14.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述床层为填料结构或丝网结构。
15.按照权利要求14所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述床层为规整填料结构。
16.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述床层转速为50～5000转/分。
17.按照权利要求16所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述床层转速为200～2000转/分。
18.按照权利要求10所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述换热管为圆管、椭圆管、扭曲管中的一种或几种；所述换热管材质为铜管、钢管、改性氟塑料管中的一种。
19.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述集水箱出液口与喷淋管件的连接管线上设置有循环泵和调节阀，所述循环泵设置于集水箱外侧，调节阀用以调整循环水流量。
20.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述进风口处设置有进风格栅。
21.按照权利要求1所述多级换热的闭式冷却塔，其特征在于：所述收水除雾器为丝网除雾器、折板式除雾器、平板式除雾器、格栅除雾器中的一种或几种。
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