CN1203287C - 用于封闭管路冷却塔上的环流装置 - Google Patents

Abstract

二分之一回路或三分之一回路的盘管组件上的最后管段被设置成与闭路冷却塔内的空气流动方向一致的形式，从而更加充分地利用产生在位于盘管组件下方和水池水面上方区域内的喷水冷却作用。

Description

用于封闭管路冷却塔上的环流装置

技术领域

本发明提供一种用于闭路冷却塔内的盘管或环流装置。具体而言，用于冷却塔上的盘管组件包括一个设置有多个盘管管路的盘管组件，其中冷却塔通常为逆流闭路冷却塔。本发明还公开了一种用于闭路冷却塔内的盘管组件之环流方法，该方法能够提高盘管组件的性能，尤其是提高盘管组件在以较小内部流体流量工作时的性能。

背景技术

在用于冷却塔内的常规盘管装置中，所述管路设置于上部总管和下部总管之间，其中上部总管设置有一个流体入口喷嘴，下部总管设置有一流体出口喷嘴。各个管路以螺旋形的排列方式从上部总管延伸到下部总管，这些管路也可被描述成一系列通过U形弯曲部分连接在一起的平行直管部分。过去，流体借助于横向定位的多个平行管段从盘管组件的顶部或上部总管通向下部总管。

需要冷却的流体在热交换器的盘管内部循环流动。热量从过程流体(process fluid)经盘管管壁传递给从喷水分配装置喷到管子上的水。空气被迫向上流过盘管，蒸发掉小百分率的水，吸收蒸发的潜热并将热量排放到大气中。剩余的水被回收到冷却塔的水池中，用于循环喷水。夹带在空气流中的水在装置的排放口处被再次捕捉到除雾器中并返回水池。配水系统可被关闭，而且整个装置可在干燥条件下运转，这些都是公知的。空气仍然被迫向上流过整个盘管，但现在热量仅通过显热冷却散失到大气中。

在传统的蒸发式热交换器中，通常要设置多个液体喷射总管，这些喷射总管以叠置的方式横跨在用于携带需要冷却的流体的一排管道上。多个较小的管道或支管从总管侧向伸出，每个支管都包括一个或多个喷嘴，这些喷嘴能够喷出雾化状态的流体，喷出的流体撞击携带流体的管道。

授权给Schinner的美国专利4,196,157公开了一种设置于盘管组件的相邻管道之间的隔离装置。此外，在该专利中还公开了一种常规闭路冷却塔的结构。用于进送需要冷却的流体的常规进送装置也在该专利中公开并图示，该进送装置设置有用于容纳需要冷却的温暖流体的上部入口总管，一个用于排出较冷流体的下部出口总管，及设置于入口总管和出口总管之间用于连接入口总管和出口总管的螺旋状喷嘴组件。这是一个理解现有技术中闭路冷却塔的热传递和最大期望冷却效果的实例。

冷却盘管的布置方式整体上已能够在工业上全部实现。流体流过盘管或管路的方向被认为是在闭路冷却塔领域内实践原则的一种反映。即，可通过在管道内相对空气流动方向保持流体逆流而使流体得到最大程度的冷却。但是，近期的研究已经注意到喷水冷却效果，因此现有技术还未对其加以考虑。

发明内容

本发明提供一种用于在冷却盘管的底部附近和水池中的水之间恢复压力通风区域(plenum-area)喷水冷却效果的装置。管束及其布置方式大体上与现有技术中的惯例相容，目的是保持冷却塔安装轨迹的结构排列。但是，流体流过管道的方向已被重新调整，以便为每个管路的最后管段(last leg)或段提供沿垂直方向向上流动的流体流。在该最后部分或最后管段的向上流动利用了上述的压力通风区域冷却效果，或在盘管组件下方增加冷却。在这种冷却盘管组件的结构中，即使是一个标准的盘管组件，盘管内的最后部分也会向上沿与空气流并流的方向定位，以更好地利用需要冷却的流体的已有热传递/温度，同时不会增加运行成本。现有技术一般使用入口总管和出口总管，这有利于安置多个管道结构，独立通过管道连接的设置可被构造成能够适应管道路线的排列，以形成所需的流动方向，这也是公知的，这种限制包括在本申请的启示内，而且使用总管可以迅速地实现该任务。

附图说明

在附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中附图：

图1为现有技术中闭路冷却塔的局部剖开侧视图；

图2为图1所示的冷却塔的局部剖开前视图；

图3为图2的盘管组件沿剖面线3-3的剖视图；

图4为图3之盘管组件沿剖面线4-4的剖视图；

图5为一个标准单盘管组件的示意图；

图6为半个管路的单盘管组件的示意图，该盘管组件通过重新构造的入口和出口总管形成了流过逆流部分；

图7为三分之一管路的盘管组件的示意图；

图8为具有两个逆流管道的标准盘管组件的示意图；

图9为图8所示的盘管组件设置有两个串联盘管的示意图；

图10为单根盘管组件的示意图，其中第二管段内的流体流与在闭路冷却塔内流动的空气流平行；

图11示出了已被半循环化的两个盘管组件的示意图，目的是提供使流体流平行闭路冷却塔内空气流的部分盘管；

图12为三分之一管路盘管组件的示意图，最后的盘管管段其流体流平行与闭路冷却塔内的空气流；

图13为三分之一管路盘管组件的另一种排列方式的示意图，最后的盘管部分其流体流平行与闭路冷却塔内的空气流。

具体实施方式

本发明提供了一种如图1所示用于闭路冷却塔中的盘管组件的变形结构，具体而言，本发明提供一种用于内部流体以较低流量流动的装置上的盘管环路。在本文中，流体是指气体和液体，但一般指液体。其变形排列方式具体见图10至13，但盘管组件的物理环境和常规位置如图1和2所示。图1和2所示的闭路冷却塔是逆流结构的一种示例，但其只是示意性的，并非是对本发明的限制。冷却塔11设置有一基本垂直的壳体10，在壳体10的内部设置有不同的水平，包括除雾器12、喷水部件14、盘管组件16、风机部件18和下部水槽或水池20。

壳体10设置有一如图1所示的垂直前壁24和后壁及图2所示的侧壁26和28。对角斜壁30从前壁24向下延伸至后壁22，以形成水池20。风机部件18定位于对角斜壁30的后下方。图示的风机组件18设置有一对离心风扇32及穿过壁30延伸到位于水池20上方但位于盘管组件16下方的导管13内的出口通风罩34。风机部件18包括设置于一根公共驱动轴36上的驱动电机42和皮带轮38，皮带轮38和电机42通过一皮带40连接在一起。

图2中的循环管道45穿过壳体10的侧壁26在水池20的底部附近延伸。管道45从水池20延伸到循环泵46、管道44和后面的喷水部件14，以联通流体，从而将流体喷射到整个盘管组件16上。

喷水组件14设置有一沿侧壁26延伸的水箱48和一对穿过壳体10的内部水平延伸到相对的侧壁28的分配管50。分配管50装配有导管喷嘴52，这些喷嘴能够发出交叉的扇形水雾，从而将水均匀分布到整个盘管组件16上。喷水部件14和喷嘴52的具体类型仅是示意性的，并非是对本发明的限制。

除雾器12设置有多个以细小间距隔开的细长条带54，条带54沿其长度方向弯曲，以形成一个从喷水部件14穿过壳体10的顶部延伸的弯曲路线。除雾器12在顶部41基本穿过壳体10的整个截面延伸。

盘管组件16及上部入口总管56和下部出口总管58如图1和2所示，总管56和58穿过邻近侧壁26的上部内导管72水平延伸，如图2至4所示。流体入口导管或喷嘴62和出口导管或喷嘴64穿过侧壁26延伸并分布与上部总管56和下部总管58连接在一起。这些流体喷嘴被连接起来，以接收需要冷却的过程流体。

盘管组件16在上部总管56和下部总管58之间设置有多个常规的管路66，如图2至4所示。在图1中，位于前壁和后壁22、24上的管路91和93仅是多个管路中的两个，而且将用于充填壁22和24之间的腔室15。每个管路91和93都在上部总管56和下部总管58之间延伸，或者设置有一个在图中未被示出的独立总管，这决定于总管的结构设计及腔室15的宽度。图示的两个独立管道束及其相关的总管就是图8所示的管道排列方式。

图1至4中的每个常规管路66都包括多个细长的管段95并被制造成一个螺旋状的装置，这些螺旋状的部件在图4中靠近壁26和28的弯曲部分68和70处弯曲180°。这样，每个管路66的不同部分95都大体穿过壳体10的内部导管72在侧壁26和28之间的不同高度上沿平行的垂直平面水平延伸，其中平行的垂直平面与另一管路66中的每个对应平面间隔很小的距离。此外，管路66以交错偏移的阵列形式排列，同时每个单独的直线长度部分都相对其两侧的各个直线长度部分以一个短的距离定位于更高或更低的位置上。

在图2和4中，示出了管路66与上部总管56及下部总管58的垂直连接情况。在图4中，需要冷却的流体入口由入口喷嘴62处的箭头21表示，冷却后的流体的排出被表示在排放喷嘴64处，这只是一个几乎通用的实例，在内部腔室15的顶部设置流体的入口，并在腔室15的下部排出流体。

另一现有技术的管道和总管设计方案在于使需要冷却的流体在腔室15内受到逆流空气的作用，具体见图5至9所示。在图5中，示出了一个具有常规管路66的标准盘管组件，其在上部总管56和下部总管58之间延伸，具体而言，是在入口导管62和排放导管64之间延伸。如上所述，图8示出了一个具有两个相似的管路66和75及其总管56、58的盘管组件，其中两个总管56、58在闭路冷却塔11的腔室15内相互平行。

在闭路冷却塔11的运转过程中，需要冷却的流体通过入口喷嘴62流入闭路冷却塔11内。接着，该流体或过程流体通过上部总管56分配到管路66的上端并向下流过螺旋状管道管路66进入下部总管68，以从出口喷嘴64排出。当需要冷却的流体流过管路66时，水从喷嘴52内向下喷射到管路66的外表面上，同时空气从风机32向上吹入管路66之间。喷出的水被收集在水池20中，用于循环流向喷射部件14。向上流动的空气穿过除雾器12，以捕捉夹带的水并在将空气排出装置11之前将其送回水池20。尽管风机32被表示在装置11的下部，但应该理解：风机也可设置于该装置的顶部，以将空气吸过该装置11，而且本发明的装置11仅是闭路装置11的一个实例，并非是对本发明的限制。

当需要冷却的流体从上部总管56向下经管路66流向下部总管58时，流体将热量传递给管壁。这些热量穿过管壁流向在管表面上向下流动的水。当水继续向下流动时，将会遇到向上流动的空气并通过显热交换和潜热交换将热量传递给空气，即通过局部蒸发传递热量。剩余的水被收集在水池20中，用于再循环。一定量的水被夹带在空气中成为液滴，这些液滴被盘管组件16和喷水组件14所携带。但是，当这些夹带空气流的水被输送到除雾器12内时，液滴将与空气分离并附着在除雾器的部件上。接着，这些水被回收到水池20内。

为图6所示的标准盘管组件提供一个被称为半回路的盘管部件、或为图7所示的标准盘管组件提供一个三分之一回路的盘管部件也是公知的技术。该技术可从整体上减少平行管路的数量，增加其余管路的总有效长度并提高流体在管道内的流速。这种回路布置方式通常被应用于需要冷却的流体在盘管组件内以较低的内部流速流动的情况下，流速较低将使热传递系数较低，而且大体上仅与盘管回路内的标称压降有关。当采用这种半回路技术时，尽管在整个回路内压降的绝对值通常增加，但流体流速的增加和热效率的最终增加却更为重要。应该注意到：这些流体流速较低的情况通常与较差的导热条件有关。较差的导热条件可能包括下列两种情况的组合：盘管入口喷嘴到盘管出口喷嘴的流体温差很大，和/或其余流体温度与周围湿球温度非常接近。

在常规的操作过程中，压降小于每平方英寸三磅的管路可被认为是一个半回路的装置。类似地，压降小于每平方英寸一磅的管路可被认为能够用于三分之一管路装置内。

图5至13为与图4所示的盘管组件相似的管组的端部连接视图。在图5中，盘管组件16是完整的，而且过程流体的流动方向是从常规管路66的顶部流向底部。在图6中，盘管组件16被分开，从而使第一组管路65通过一个交叉管80与第二组管路67连接在一起。上部总管56被设置成一个两部分的装置，同时第一管段51和第二管段53被一个隔板71隔开。类似地，下部总管58被隔板73划分成第三管段55和第四管段57。上部总管56和下部总管58的划分允许流体在上部总管和下部总管之间流动，接着从下部总管58流向上部总管56并最终在下部总管58的第四管段57处排出。这种在总管内的流体输送允许需要冷却的流体沿与空气在腔室15内的流动方向相反的方向连续流过常规的管路65和67。

在图7中，用一个在图5中表示出来的盘管组件16之常规回路66的形式示出了一个第二可替换的循环装置，这种循环装置可被称为三分之一管路装置，其包括第一管段65、第二管段67和第三管段69。在该结构中，下部总管的第三管段55充当了一根在第一管段65和第二管段67之间输送过程流体的导管，流体通过第二管段67被输送到上部总管的第二管段53内。在该图中，第二上部总管管段53充当了一个用于将流体输送到第三管段69内的导管。接着，流体通过第三管段69被输送到下部导管的第四管段57和排放喷嘴64。在这种设置方式下，需要冷却的流体受到通过第一管段65和第三管段69逆流的空气的作用。图中的流体流由常规回路66中的箭头及几个示出的管段65、67和69表示。

在上述变化的结构中，常规回路66内的流体受到两个管段内逆流空气的作用，而且希望在从喷嘴64排出之前进一步冷却上述管段内的流体。但是，这种装置内存在流体的物理动力损耗，这些损耗包括流速的变化和从入口喷嘴62到出口喷嘴64的巨大压降。已经知道：图6的半回路装置可能要经受大于图5装置约7倍的压降。另外，图7的三分之一回路能够经受约为图5所示的标准盘管组件21倍的压降。当几个盘管回路中流体的流速增加时，盘管组件16的内部热传递效率也增加。还要承受较大的压降，而在传统的盘管部件中初始压降较低。

图8示出了一个具有独立的常规回路66和75的盘管组件，而且回路66和75在分别设置有入口喷嘴62和出口喷嘴64的上部总管56和下部总管58之间延伸。在图9中，独立的回路66和75已通过在回路66的排出喷嘴64和回路75的入口喷嘴62之间连接交叉管80而被串联设置。

在上述半回路或三分之一回路的条件下，我们知道：回路66和75上的压降将会增加。当在相同尺寸的壳体10内设置较少的回路时，流体的流速也将增加，从而提高热容量。我们还知道：由这些循环装置和提高了的流速而产生的热容量将使上述的压降升高。在高流速、高过程流体流速的闭路冷却塔11内，一般不需要在整个系统中进一步增加已经很高的压降。这样，本发明就发现了低流速流体的具体应用领域和低压降的应用领域，如上所述，在这些领域内，过程流体流速的增加将使热容量产生更为明显的增加，同时仍然落入这些系统可以接受的压降极限范围内。

图10是一个设置有一个常规回路66的盘管组件16，该盘管组件已被制造成半回路的结构形式。该图示出了闭路冷却塔11的最基本的情况，在这种情况下，上部总管56已被划分成带有入口喷嘴62的第一管段51和带有出口喷嘴64的第二管段53。包括有回路66的盘管组件16定位于腔室15内并在上部总管56上设置有入口喷嘴62和出口喷嘴64，而上部总管56又被隔板71划分成第一管段51和第二管段53。在这种结构中，如图5的标准盘管结构所示，下部总管58上的流体出口喷嘴64已被密封或者不存在。现在下部总管58的特征在于：一根导管在第一管段65和第二管段67之间联通流体。在该结构中，如图1和2所示，空气流沿垂直方向向上与腔室15联通。这样，管段65和67内的过程流体流就会受到管段65和67外的空气流的作用。但是，管段65内的流体流与空气流的流动方向相反，而在管段67内，流体流的方向与空气流的方向平行而且一致。

已经发现：喷水冷却在腔室15内产生在位于盘管组件16的下方和水池20中水的上方的区域内。与在下部总管58上排出流体的情况相比，如图1至9的现有技术装置所示，这种喷水冷却区域可用于在过程流体内形成一个较低的出口温度，以在沿空气流向的平行流动之后，进一步输送到出口喷嘴64。使用本发明的另一盘管组件结构如图10至13所示。常规的回路66或管段65、67仍然串联排列，如图6、7和9所示。但是，在本发明中，图10和11中的最后管段或段在盘管组件16内沿与空气在腔室15内相同的流动方向为流体流导向，这应该是现有技术中的明示。

对图10所示的常规回路66的修改能够使过程流体的流速加倍，从而增加内部薄膜系数和盘管组件16的整个热传递速度。与图5所示的传统环流装置相比，装置11的冷却能力能够提高20％或更多，但百分率的增加决定于标准装置内的过程流体流速和具体的导热条件。但是，与图6所示的二分之一回路的实例相比，图10所示的对环流的重新布置将会进一步提高10个百分点。还应该认识到：在相同的标准装置11内，还将增加入口喷嘴62和出口喷嘴64之间的压降，我们认为：压降的增加是可以接受的，而且还在能够测定的范围内显著提高导热性能。就是说，已经发现：对于相同流速的流体而言，需要冷却的流体之出口温度的在可测定的范围内下降，这是通过改变出口喷嘴64的位置并利用上述未被识别的可利用喷水冷却能力来实现的。在该装置内，最后管段内的流体流与箭头81所示的空气流动方向一致。

图11示出了一种已被半回路处理过的两个盘管装置，即两个常规的回路66已被串联在一起。具体而言，在该装置内，第一管路66被表示成管段65，而第二回路66被表示为管段67，而管段65和67最初是独立的回路，其分别在上部总管56上设置有一入口喷嘴62，在下部总管58上设置有一出口喷嘴64。但在该图中，下部总管58上的喷嘴被一外部交叉管80所连接。这样，入口喷嘴62和上部总管56就通过管段65与下部总管58连接在一起。这样，下部总管58和交叉管80就起到介于第一管段65和第二管段67之间的一根导管的作用，其中第二管段67连接在下部总管58和上部总管56的出口喷嘴64之间。在图11的装置中，最后部分67内的流体流再次与箭头81所示的空气流的流动方向相一致，而且从位于最后部分处的腔室15之下部17与空气流联通。下部17被标记在图1的闭路冷却塔11内。

图12示出了常规回路66被设置成三分之一回路的盘管组件的另一实施例或管道结构。在该图中，上部总管56设置有第一隔板71和第三隔板79，而下部总管58设置有一第二隔板73。在该结构中，下部总管58设置有第三部分55和第四部分57，这与图6所示的情况相一致。但是，上部总管56现在包括第一部分51、第二部分53和第五部分59，其还包括出口喷嘴64。在该结构中，入口喷嘴62和第一部分51通过管段65与下部总管的第三部分55连接在一起。第二管段67将上部总管的第二部分53和下部总管的第三部分55连接在一起，下部总管部分58充当了一根介于管段65和67之间的导管。在该结构中，交叉管80将上部总管上的管段67、第二部分53和下部总管上的管段69及第四部分57连接起来，其中交叉管80在图中被表示成一个外管部分。接着，管段69使来自下部总管第四部分57的流体与上部总管、第五部分59和出口喷嘴64联通。在图12所示的结构中，最后部分69使流体的流动方向与流过腔室15的空气流向相一致，如箭头81所示。

图13示出了第二个变化的实施例，在该实施例中，常规回路66被设置成一个三分之一回路的盘管组件。在该图中，上部总管56设置有一第一隔板71，该隔板将总管56再次划分成第一部分51和第二部分53。下部总管58设置有一第二隔板73，该隔板73将总管58划分成第三部分55和第四部分57。在该实施例中，入口喷嘴62定位于下部总管58的第四部分57上，第一管段65连接在入口喷嘴62和上部总管56的第二部分53之间。第二管段67与上部总管的第二部分53及下部总管的第三部分55相连接，用于将流体送向位于腔室15之下端17的第三部分55。第三管段69连接在下部总管的第三部分55和上部总管的第一部分51及用于排出流体的出口喷嘴64之间。在该图中，上部总管部分56被用作一个介于第一管段65和第二管段67之间的导管。类似地，下部总管部分58被用作一个介于第二管段67和第三管段69之间用于联通流体的导管。在该结构中，第一和第三管段65、69使流体的流动方向与箭头81所示的空气流动方向相同，从而使最后管段69沿空气流动的方向从腔室15的下部区域17提供流体流。

在操作过程中，闭路冷却塔11作为一个标准的操作系统出现。但是，本发明更加充分地利用先前未能充分利用并且可得到的冷却能力，从而通过与盘管组件16和常规回路66相联通来降低需要冷却的流体之温度。冷却能力的提高量决定于装置11的具体尺寸及其操作参数，例如空气的流速、流体的流速和流体的压降。但是，可在不增加投资的前提下，利用可得到的冷却能力和降低的流体出口温度。这样，就可在不增加结构尺寸的前提下，将已提高的冷却能力用于现有的热交换单元上。应该承认：利用这些先前未被利用的能力可能会存在未被认可的装置体积或操作参数的限制。但是，很清楚：这种可利用的冷却能力可被压降较低、流速较低的过程流体装置11充分利用起来，其中低压降的装置11在HVAC工业中是公知的设备。

可操作的条件使通向在上述实施例中示出的流体出口喷嘴64的最终回路部分存在于与来自增压腔室15之下部区域17的空气流流动方向平行的流动方向上。各种不同系统的机械操作设备的位置，例如泵46和风机32的位置可随设计方案的不同而变化，但这些变化并非是本发明的必要条件。此外，图12和13的替换结构清楚表明：入口喷嘴62的位置可由替代品来调整。尽管上述的说明仅注意到了并排设置的回路或盘管组66中的一个或两个总管，但应该认识到：这只是盘管组件16的一个代表，盘管组件16可能需要多个回路66装填到常规闭路冷却塔11的腔室15内。

尽管已对本发明作出了说明和图示，但应该清楚：可对本发明作出各种修改和变化。因此，覆盖所有上述修改和变型的权利要求书落入本发明的保护范围内。

Claims (1)

1.一种用于闭路冷却塔的盘管组件的管路装置，所述闭路冷却塔设置有一个包括一个上端和一个下端的盘管腔室；

一个用于使空气在所述腔室的下端和所述腔室的上端之间流通的空气运送部件；

一个液体喷射组件；

安装于所述盘管腔室内的盘管组件；

所述盘管组件包括一个接近所述腔室上端的顶端和一个接近所述腔室下端的底端；

需要冷却的流体；

至少一个用于需要冷却的流体的入口喷嘴和出口喷嘴；

用于提供所述需要冷却的流体的装置，所述流体提供装置与所述入口喷嘴相连接；

所述用于所述盘管组件的管路装置包括：

至少一个在所述盘管组件内的冷却盘管回路；

所述冷却盘管回路可操作使所述需要冷却的流体从所述入口喷嘴到所述出口喷嘴流通；

每个设置于所述腔室内的冷却盘管回路都使需要冷却的流体在所述腔室上端和腔室下端之间流通；

每个所述的冷却盘管回路都具有一个第一管段和一个第二管段；

所述盘管组件还包括一个上部总管和一个下部总管，

所述下部总管安装于靠近所述腔室下端的位置上；

所述上部总管安装于接近所述腔室上端的位置上；

一个在所述上部总管内的隔板，用于将所述上部总管分隔成一个第一部分和一个第二部分；

所述入口喷嘴设置于所述上部总管的第一部分中；

所述出口喷嘴设置于所述上部总管第二部分中；

每个所述冷却盘管回路具有多个管道长度部分；

每个所述管道长度部分都具有一第一管段和一第二管段；

所述第一管段从所述上部总管的第一部分延伸至所述下部总管，且所述第二管段从所述下部总管延伸至所述上部总管的第二部分。

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