CN112484525B - 自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔及冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电站冷却系统领域，为能够在加快气流上升效率的同时，提高风机效率，公开了一种自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，包括：塔身；第一进风口，设置在塔身下部；耦合风机组件，设置在塔身内，耦合风机组件位于第一进风口上方，耦合风机组件的出风方向朝上；耦合风机组件设置在塔身的喉部；应用上述自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，能够在加快气流上升效率的同时，提高风机效率；本发明还公开一种自然通风与强制通风耦合湿式冷却方法。

Description

自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔及冷却方法

技术领域

本发明涉及发电站冷却系统领域，特别涉及一种自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔。

背景技术

自然通风冷却塔是靠塔内外的空气密度差或自然风力形成的空气对流作用进行通风的冷却塔，在使用自然通风冷却塔进行冷却时，冷空气从塔身底部进入，经过散热材料，与配水系统喷洒到散热材料上的热水进行热交换后，形成湿热空气，上升至冷却塔顶端并排出。

在现有的自然通风冷却塔当中，湿热空气仅通过空气的浮力以及空气对流作用上升，上升速度较慢；随着机组运行时间增多，冷却塔的冷却能力也在下降。有些机组由于冷却塔不能满足冷却需要，因此会安装一定数量的机械通风冷却塔，但也因此增加了电厂的投资和运行费用。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，能够加快气流上升效率的同时，提高风机效率。

本发明的自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，包括：塔身；第一进风口，设置在塔身下部；耦合风机组件，设置在塔身内，耦合风机组件位于第一进风口上方，耦合风机组件的出风方向朝上；耦合风机组件设置在塔身的喉部。

根据本发明的一些实施例，耦合风机组件设置在塔身的内壁面上。

根据本发明的一些实施例，耦合风机组件包括设置在塔身内的第一轴流风机，第一轴流风机与塔身同轴，第一轴流风机的出风方向朝上。

根据本发明的一些实施例，耦合风机组件包括设置在塔身内的多个第二轴流风机，第二轴流风机的轴线与塔身轴线平行，第二轴流风机的出风方向朝上。

根据本发明的一些实施例，多个第二轴流风机沿塔身的周向均布。

根据本发明的一些实施例，自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔还包括设置在塔身内壁上的收水装置，收水装置位于耦合风机组件上方。

根据本发明的一些实施例，收水装置朝向耦合风机组件的面与塔身喉部的内壁面相切。

根据本发明的一些实施例，挡风朝向耦合风机组件的面为曲面。

本发明还公开一种自然通风与强制通风耦合湿式冷却方法，运用上述自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，包括以下步骤：冷空气通过第一进风口进入塔身；进入塔身的冷空气通过冷却组件变为湿热空气；湿热空气在冷空气与耦合风机组件的共同作用下上升。

应用本发明的自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，在使用时，冷空气通过第一进风口进入塔身，在经过换热组件后转化为湿热空气，在空气对流作用下上升，同时耦合风机组件也能够促使湿热空气上升，通过空气对流与风机的共同作用增加空气上升效率，起到强制通风的作用；同时由于耦合风机组件设置在喉部，被塔身遮挡的气流大大减少，有效提高了风机效率。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例中第一种冷却塔的示意图；

图2为图1中喉部的俯视剖视图；

图3为本发明实施例中第二种冷却塔的示意图；

上述附图包含以下附图标记。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右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。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个及两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1、图2所示，本实施例第一方面的自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，包括：塔身100；第一进风口140，设置在塔身100下部；耦合风机组件200，设置在塔身100内，耦合风机组件200位于第一进风口140上方，耦合风机组件200的出风方向朝上；耦合风机组件200设置在塔身100的喉部。

应用本实施例的自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，在使用时，冷空气通过第一进风口140进入塔身100，在经过换热组件后转化为湿热空气，在空气对流作用下上升，同时耦合风机组件200也能够促使湿热空气上升，通过空气对流与风机的共同作用增加空气上升效率，起到强制通风的作用；同时由于耦合风机组件200设置在喉部，被塔身100遮挡的气流大大减少，有效提高了风机效率。

在本实施例当中的冷却塔，均是在自然通风冷却塔的基础上改造而来，因而本实施例所称的塔身100，与现有技术当中所称的冷却塔的塔身100含义一致；在本领域当中，自然通风冷却塔的塔身100截面形状一般为曲线形，优选为双曲线形状，而喉部即为沿塔身100的轴线，截面面积最小的部分；因此，将耦合风机组件200设置在此处，耦合风机组件200的进风和出风都不会受到塔身100内壁的阻挡，另一方面，由于喉部以上部分为扩口，根据科恩达效应的相关原理，气流会随着塔身100内壁的方向加快流动，进一步增加湿热空气的上升速度，增加换热效率。

在本实施例当中，冷却组件的构成与常见的湿式冷却塔中的冷却组件的构成一致，由挡水器110、配水系统120和散热材料130三部分构成，水经过水泵输送到配水系统120，喷洒到散热材料130上与空气换热后，落入蓄水池310然后进入水泵，循环利用；此时，优选为将冷却组件安装在喉部下方，即冷却组件位于耦合风机组件200下方。

在本实施例当中，耦合风机组件200指的是风机组件能够在原有的自然通风的基础上，加入风机强制通风，实现自然通风与强制通风的结合。

如图2所示，为了增强耦合风机组件200的通风性能，可以将耦合风机组件200设置在塔身100的内壁面上，使得耦合风机组件200的气流能够尽量接近塔身100内壁，便于导流，此时，耦合风机组件200可以采用多种设置方式，例如采用单个轴流风机，尽可能覆盖喉部的截面，增大通风量；也可以在塔身100内壁上设置多个小轴流风机，便于安装。

当采用单个轴流风机时，耦合风机组件200包括设置在塔身100内的第一轴流风机，第一轴流风机与塔身100同轴，第一轴流风机的出风方向朝上。

当然，如图2所示，可以采用多个轴流风机共同通风，此时耦合风机组件200包括设置在塔身100内的多个第二轴流风机210，第二轴流风机210的轴线与塔身100轴线平行，第二轴流风机210的出风方向朝上；此时多个轴流风机可以单独安装，单独驱动，相对于驱动单个大型轴流风机而言，能够有效减小电机等驱动装置的负荷。

优选地，多个第二轴流风机210沿塔身100的周向均布。

如图1所示，当上升的湿热空气接触到风机的叶片后，会遇冷凝结成水滴，然后被叶片甩到塔身100内壁上，为了将这部分水回收，重复利用，起到节水的效果，需要在塔身100内壁上设置收水装置220，当冷凝水被叶片甩向四周时，能够被收水装置220阻挡从而下落到蓄水池310当中。

为了减小收水装置220带来的空气阻力，收水装置220朝向耦合风机组件200的面与塔身100喉部的内壁面相切，此时，收水装置220朝向耦合风机组件200的面与塔身100内壁面平滑过渡，没有阻挡上升气流的尖角；此时，收水装置220朝向耦合风机组件200的面既可以为平面，也可以为曲面；当收水装置220朝向耦合风机组件200的面时，可以将该面的曲率半径设置的较大，在有效阻挡冷凝水的同时，尽可能的减少对于上升气流的风道的影响。

本实施例还提供一种自然通风与强制通风耦合湿式冷却方法，运用上述自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，包括如下步骤：冷空气通过第一进风口140进入塔身100；进入塔身100的冷空气通过冷却组件变为湿热空气；湿热空气在冷空气与耦合风机组件200的共同作用下上升。

如图3所示，本实施例第二方面，提供一种立体式多级冷却湿式冷却塔，包括：塔身100；蓄水池310，设置在塔身100下方；第一接水槽410，设置在塔身100与蓄水池310之间，第一接水槽410至少部分位于蓄水池310的外围；第一接水槽410与蓄水池310之间设置有进风通道。

需要注意，第一接水槽410至少部分位于蓄水池310的外围指的是，第一接水槽410在水平面上的投影要能够延伸出蓄水池310的投影，而本实施例中的内，指的是从塔身100外部指向塔身100内部的方向，外与内相反。

应用本发明的立体式多级冷却湿式冷却塔，在使用时，冷空气通过第一接水槽410与蓄水池310之间的进风通道进入塔身100后上升，在经过换热组件后转化为湿热空气，在空气对流作用下继续上升，而后排出；由于第一接水槽410阻挡了部分飘滴下落，通过进风通道进入塔身100的冷空气能够更多的进入塔身100的中心区域参与换热，使得塔身100中心区域的热交换效率大大提升。

如图3所示，由于第一接水槽410挡住了部分飘滴，冷空气能够顺着进风通道进入到塔身100内部的区域，而在现有技术当中，冷空气通过设置在塔身100侧面的第一进风口140进入后，会被飘滴阻挡，难以进入到塔身100较为中心的区域，而在本实施例当中，第一接水槽410能够在进风通道上方接住飘滴，减少飘滴对于进风的影响；而在图2中，第一接水槽410和蓄水池310之间的小型箭头，即为进风风向的示意。

另一方面，由于第一接水槽410设置的比蓄水池310高，当飘滴落入第一接水槽410后，如将第一接水槽410连接水泵的话，可以通过对冷却后的水重力势能的利用，减小水泵的泵功，降低能耗。

如图3所示，为了适应回转体的塔身100结构，第一接水槽410为环形接水槽，蓄水池310为圆形蓄水池310。

其中，为了便于修建第一接水槽410和蓄水池310，第一接水槽410和蓄水池310之间连接有多根支撑柱，相邻两根支撑柱之间形成有进风通道；当然也可以将第一接水槽410和蓄水池310一体设置，然后在第一接水槽410和蓄水池310之间的侧壁上开设进风口。

如图3所示，第一接水槽410的外径大于蓄水池310的外径，第一接水槽410的内径等于蓄水池310的外；此时，第一接水槽410和蓄水池310在水平面上的投影没有间隙，可以有效防止飘滴落入蓄水池310和第一接水槽410之间。

如图3所示，为了使得冷空气能够更多的进入塔身100内的中心区域，冷却塔还包括第二接水槽420，第二接水槽420位于第一接水槽410和蓄水池310之间，第二接水槽420和第一接水槽410之间设置有进风通道，第二接水槽420和蓄水池310之间设置有进风通道；此时，多个进气通道阶梯设置，越往下的进风通道越接近塔身100中心，有效增加了进入塔身100中心区域的空气。

此时，第一接水槽410和第二接水槽420均为环形接水槽，蓄水池310为圆形蓄水池310。

当然，可以在图3所示的基础上，设计多级的环形接水槽，其中，最底端蓄水池310的半径为R₁,在蓄水池310上方一级的环形水槽的宽度为R₂,依次类推在蓄水池310上方i-1级的环形蓄水槽的宽度为R_i,而半径最大的环形接水槽的外径也即原集水池的半径为R₀；另一方面，定义第一进风口140的高度为第一进风口140顶端距离蓄水池310底壁的铅垂高度H₀，而在蓄水池310上方一级的环形蓄水槽距离蓄水池310的铅垂高度为h₁,在蓄水池310上方两级的环形蓄水槽距离而在蓄水池310上方一级的环形蓄水槽的铅垂高度为h₂,依次类推得到h_i；为此，有以下两套方案确定各级的R_i和H_i。

方案1：

方案2：

其中，各级环形接水槽以及蓄水池310均与冷却组件的水泵连通。

本实施例还给出一种立体式多级冷却方法，利用上述立体式多级冷却湿式冷却塔，包括如下步骤：冷空气通过第一接水槽410和蓄水池310之间的进风通道，进入塔身100中心区域，与换热组件交换热量。

如图1所示，本实施例第三方面，提供一种底部收水及流场强化型湿式冷却塔，包括：塔身100；第一进风口140，设置在塔身100下端；挡风结构，设置在第一进风口140处，挡风结构能够阻挡空气从塔身100内部吹出第一进风口140。

应用本实施例的底部收水及流场强化型湿式冷却塔，在冷却过程当中，冷空气通过第一接水槽410与蓄水池310之间的进风通道进入塔身100后上升，在经过换热组件后转化为湿热空气，在空气对流作用下继续上升，在此过程当中会产生一定量的飘滴下落，带动空气下落；当空气下落至底部并朝向第一进风口140流动时，受到挡风结构的阻挡无法从第一进风口140排出，有效减少了对正常进风的干扰，并在塔底内部形成高压区，强化塔内通风；同时携带水蒸气的空气被阻挡在了塔身100内部，有效减少了水汽的流失，节约了冷却水的用量。

其中，可以采取多种方案，使得挡风结构在阻挡逆流的同时，减少对于正常进风的影响，例如将挡风结构设置为与塔身100转动连接，在出现逆流时封闭进风口，当逆流减弱时打开进风口；或者采用挡风结构与塔身100固定连接的方案，此时挡风结构可以部分封闭进风口，在阻挡逆流的同时减小对于正常进风的影响。

此时，可以如图1所示，在第一进风口140处底端设置百叶组件150，百叶组件150的高度小于第一进风口140的高度，使得百叶组件150仅能够覆盖第一进风口140的部分范围，留出正常进风的通道。

此时，可以将百叶组件150设置为固定角度，也可以在塔身100上设置电机、气缸等驱动装置，驱动百叶组件150调整角度；在本实施例当中，百叶组件150与水平面的夹角优选为0-20度，便于对逆流起到较好的阻挡效果。

进一步地，为了平衡阻挡逆流的优点和进风口被阻挡的缺点，第一进风口140的高度H₀和百叶组件150的高度H_by之间满足H_by＝0.5H₀。

进一步地，百叶组件150的高度H_by以及百叶组件150的关度也即百叶组件150底端的高度H_{by_r}可以按照以下方案确定；

已知进风口高度H₀；

百叶组件150窗高度H_by＝0.5×H₀；

百叶组件150窗关度H_{by_r}＝P/P_rated×H_by+M_h；

其中P为机组发电功率，P_rated为机组额定功率，M_h为热负荷修正函数；

M_d＝((D_c-D_c,rated)/D_c,rated+(ΔH-ΔH_rated)/ΔH_rated)×H_by；

其中D_c为排汽流量，D_c,rated为该工况下额定排汽流量，ΔH为排汽潜热，ΔH_rated为该工况下额定排汽潜热。

另一方面，为了减少冷却塔的施工难度，挡风结构还可以采用挡风板，挡风板设置在第一进风口140底端，挡风板覆盖第一进风口140的部分范围；此时，可以直接将挡风板固定连接于塔身100底部固定架上，使得挡风板固定在塔身100的外侧或内侧；此处所称的外侧和内侧，均是基于塔身100本体而言。

与百叶组件150类似，为了阻挡逆流的同时，减少挡风板对于正常进风的影响，挡风板的高度H₀和挡风板的高度H_by之间满足H_by＝0.5×H₀；其中，挡风板的高度，指的是挡风板最高位置与冷却塔底部水池底壁之间的距离。

本实施例还提供一种底部收水及流场强化型湿式冷却方法，运用上述底部收水及流场强化型湿式冷却塔，包括如下步骤：冷空气经过第一进风口140进入塔身100，与冷却组件热交换后，形成飘滴下落；下落的飘滴带动空气，从塔身100底部吹向第一进风口140；吹向第一进风口140的空气被挡风结构阻挡。

如图1所示，本实施例第四方面的中央补风湿式冷却塔，包括：塔身100；进风口，开设于塔身100下方；进风通道，设置在进风口一侧，冷空气能够通过进风通道，进入塔身100内部。

应用本实施例的中央补风湿式冷却塔，在冷却过程当中，冷空气能够同时通过第一进风口140和进风通道进入塔身100内部，参与换热，使得更多的空气能够依次通过第一进风口140和进风通道进入到塔身100中心的位置，从而加强了中心区域进风的效率。

其中，进风通道可以通过多种方式，建立起空气通道，使得冷空气能够直接进入塔身100内部，例如在冷却塔中设置多根进风管，连通外界大气与塔身100内部，或者在蓄水池310下方设置单独的进风层等；在图1中的第二进风道320即为进风通道。

需要注意的是，本实施例所称的塔身100内部，指的是冷却塔内用于换热的空间；而不是塔身100本体材料的内部。

为了尽可能的增加中心区的进风量进风通道设置在进风口下方，进风通道两端分别设置有第二进风口321和第二出风口322，第二进风口321设置在塔身100外侧，第二出风口322设置在塔身100内部的中心位置；此时，一路冷空气从第一进风口140进入塔身100，另一路冷空气从第二进风口321进入，从第二进风口321出来后当道塔身100内部的中心区域。

如图1所示，可以将第二出风口322的出风方向设置为斜向上，便于对进入塔身100内部的气流进行导流。

另一方面，为了使得进入进风通道内的气流加速，第二进风口321向外扩口设置；根据伯努利定理，气流在通过向外扩口的第二进风口321后会增加流速，提高进风效率。

在图1中，补风通道到达塔内中心区域，冷却的水滴进不去这个通道；另外，图1中凹陷部分跟蓄水池310是相连的，不需要额外的抽水装置。

如图1所示，第二出风口322略小于第二进风口321，根据气体流动力学原理，当气体流速小于当地声速时，采用渐缩型通道有利于加快气体流动。

为了减小进风通道的布置难度，进风通道包括多根进风管，多根进风管沿塔身100的周向分布；此时，多根进风管从塔身100外部延伸至塔身100内部当中。

如图1所示，进风管的出口处设置有弧形导风部323，弧形导风部323能够阻挡飘滴进入进风管；当塔身100内部的中心区域有飘滴掉落时，弧形导风部323能够阻挡飘滴落入进风通道；同时，弧形导风部323能够使得气流从第二出风口322排出后，向四周扩散。

本实施例还提供一种中央补风湿式冷却方法，运用上述中央补风湿式冷却塔，包括如下步骤：冷空气同时通过进风口和进风通道，进入塔身100，与冷却组件换热。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (6)

1.自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，其特征在于，包括：

塔身（100）；

第一进风口（140），设置在所述塔身（100）下部；

耦合风机组件（200），设置在所述塔身（100）内，所述耦合风机组件（200）位于所述第一进风口（140）上方，所述耦合风机组件（200）的出风方向朝上；

所述耦合风机组件（200）设置在所述塔身（100）的喉部；

所述耦合风机组件（200）包括设置在所述塔身（100）内的第一轴流风机，所述第一轴流风机与所述塔身（100）同轴，所述第一轴流风机的出风方向朝上；

收水装置（220），设置在所述塔身（100）内壁上，所述收水装置（220）位于所述耦合风机组件（200）上方，收水装置（220）朝向所述耦合风机组件（200）的面与所述塔身（100）喉部的内壁面相切，收水装置（220）朝向所述耦合风机组件（200）的面为曲面。

2.根据权利要求1所述的自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，其特征在于，所述耦合风机组件（200）设置在所述塔身（100）的内壁面上。

3.根据权利要求1所述的自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，其特征在于，所述耦合风机组件（200）包括设置在所述塔身（100）内的多个第二轴流风机（210），所述第二轴流风机（210）的轴线与所述塔身（100）轴线平行，所述第二轴流风机（210）的出风方向朝上。

4.根据权利要求3所述的自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，其特征在于，多个所述第二轴流风机（210）沿所述塔身（100）的周向均布。

5.自然通风与强制通风耦合湿式冷却方法，运用权利要求1所述的自然通风与强制通风耦合湿式冷却塔，其特征在于，包括如下步骤：

冷空气通过第一进风口（140）进入塔身（100）；

进入塔身（100）的冷空气通过冷却组件变为湿热空气；

湿热空气在冷空气与耦合风机组件（200）的共同作用下上升。

6.根据权利要求5所述的自然通风与强制通风耦合湿式冷却方法，其特征在于，还包括以下步骤：

湿热空气在上升过程当中形成飘滴；

飘滴在耦合风机组件（200）作用下甩向四周；

甩向四周的飘滴受到收水装置（220）遮挡后下落。

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