TW201829975A - 冷卻塔水分配系統 - Google Patents

Abstract

提供一種具有一熱交換區段之冷卻塔。一水收集槽位於該熱交換區段上方。該水收集槽具有複數個開口，該等開口容許水朝下分配至該熱交換區段上。該等水收集槽開口各具有一從0.2英吋到0.6英吋之直徑。

Description

冷卻塔水分配系統

本發明大體上關於一種改良灑水分配系統，其用於譬如冷卻塔、閉迴路流體冷卻器、流體加熱器、冷凝器、蒸發器、貯熱系統、空氣冷卻器或空氣加熱器等蒸發熱交換設備內。

一些蒸發熱交換設備使用重力供給、不加壓灑水分配系統來潤濕直接或間接熱交換器之表面。水從直接或間接熱交換器上方噴灑且大體上朝下流動以潤濕交換器之各種表面。空氣被吸引或推迫通過該等熱交換器潤濕表面，導致在該空氣與該等潤濕表面上水薄膜之間發生潛熱及顯熱熱傳二者。

為使蒸發熱傳效率最大化，直接或間接熱交換器之所有表面皆應均勻且一致地潤濕。部份地或不充份地潤濕之熱交換器將導致熱傳損失，且更可能污染該等熱交換器表面。

灑水分配系統設計中之一設計係一具有或不具有噴嘴之加壓管噴灑系統。另一設計係一開放頂部、重力洩水收集槽，其具有複數個噴嘴或噴孔，頂部水槽 藉重力從該槽內之水頭高度經由該等噴嘴或噴孔朝下送水。本發明係關於不使用任何噴嘴之重力洩水收集槽噴灑系統的設計。

本發明之一目的係容許以來自重力洩水收集槽噴灑系統之通常為水的蒸發流體來均勻且一致地潤濕直接或間接熱交換器。本發明之另一目的係減少重力排洩槽水噴灑系統中之孔洞數量，如此將容許較大直徑之孔洞而使該等孔洞阻塞之機會較小、或容許重力洩水收集槽噴灑系統之檢修頻率較低。

本發明提供一種改良重力洩水收集槽噴灑系統，其用於譬如一冷卻塔、閉迴路流體冷卻器、流體加熱器、冷凝器、蒸發器、貯熱系統、空氣冷卻器或空氣加熱器等直接或間接熱交換設備中。

一典型蒸發冷卻塔熱交換設備具有一直接熱交換器、一風扇系統、一上方重力洩水收集槽噴灑系統、及一收集蒸發液之下方池。熱交換器之型式可為一間接熱交換器、一直接熱交換器、或該二者之組合。

間接熱交換器可為一盤管(coil)或一板式熱交換器，而處理流體係在其內側流動。直接熱交換器可為一充填組，其典型地由複數個獨立之薄塑膠聚氯乙烯填充片製成，此等填充片係以間隔物分開。填充片可使用一吊鉤系統而懸掛於該上方重力排洩槽水噴灑系統下方、或可切割成較小件且束成複數個小填充塊再接著相互堆疊於該重力洩水收集槽噴灑系統下方，其中每一填 充片大體上呈矩形型且具有一正面側與一反面側，及亦運用一凸出該片標稱平面上方與下方之表面型態。使用間隔物時，填充片大體上分離一標稱距離且大體上一氣隙平面形成於二填充片之間，其中該標稱距離典型地大於表面型態之總高度。噴灑之水從頂部向下流動至每一填充片之二面上且黏附至每一填充片之表面輪廓。由於該等片之間存在氣隙，因此噴灑之水通常不致從某一片傳遞到其相鄰填充片。

一空氣流係藉一風扇系統而被推迫通過或拉動通過該等填充氣隙，以在噴灑之水與氣流之間發生熱傳。在該填充組上方者係重力洩水收集槽，且典型地可具有一預分配箱或系統以容許均勻流入該重力洩水收集槽中。待加熱或冷卻之水經由該上方重力洩水收集槽之預分配箱而進入該槽中，該預分配箱將一高速的快速流動水流轉變成一低速的緩慢流動良好分配水流，且該良好分配水流將流動通過該重力洩水收集槽底板。典型地，有充份水流入該重力排洩槽中以支援數英吋之水。該重力洩水收集槽底板具有複數個噴孔。來自該預分配箱之結合低速與緩慢流動的水容許均勻且一致之水量運行流入且通過每一噴孔。

在一較佳具體實施例中，該等噴孔策略性地設置成，使得相等數量之孔洞分配至每一填充片或每一板式熱交換器之每一正面或反面。分配至每一填充面之孔洞大體上相等地分隔，以均勻地分配噴灑水至每一填充面上。由於水流中可能有譬如銹屑及碳酸鈣屑等大顆 粒，因此一些噴孔之直徑減小而仍容許每一填充片上較大之水覆蓋範圍，且同時容許噴孔直徑擴大以讓該等顆粒通過此等噴孔。

從該上方重力洩水收集槽噴灑之水大體上向下流通過每一填充面且最終進入該下方池中，該下方池具有一水出口，冷卻或加熱之水可在該處排洩且稍後抽回該上方重力洩水收集槽中

本發明之一目的係容許以來自重力洩水收集槽噴灑系統均勻且一致地潤濕直接或間接熱交換器。本發明之另一目的係減少重力洩水收集槽噴灑系統中之孔洞數量，如此將容許較大直徑之孔洞而使該等孔洞阻塞之機會較低、或容許重力排洩槽水噴灑系統之檢修頻率較低。

10‧‧‧冷卻塔直接加熱交換設備

11‧‧‧機殼

12‧‧‧直接熱交換填充組

13‧‧‧上方重力排水槽

14‧‧‧下方水池

15‧‧‧水預分配箱

16‧‧‧風扇總成

17‧‧‧上方重力排洩槽蓋

18‧‧‧預分配箱管入口

19‧‧‧空氣入口

20‧‧‧空氣出口

21‧‧‧間接熱交換設備

22‧‧‧間接熱交換區段

23‧‧‧內部處理流體入口管

24‧‧‧內部處理流體出口管

30‧‧‧直接熱交換設備

30A‧‧‧間接熱交換設備

31‧‧‧機殼

32‧‧‧直接熱交換填充組

32A‧‧‧間接熱交換區段

33‧‧‧上方重力排水收集槽

34‧‧‧下方池

35‧‧‧預分配箱

36‧‧‧風扇總成

37‧‧‧預分箱管

38‧‧‧空氣入口

39‧‧‧充氣部空氣出口

40‧‧‧水頭

41‧‧‧良好分配流

42‧‧‧淺水池

43‧‧‧薄塑膠填充片

43A‧‧‧間接熱交換器板

44‧‧‧上方重力排洩槽底板

45‧‧‧側面

46‧‧‧間接熱交換入口接頭

47‧‧‧間接熱交換出口接頭

48‧‧‧上方重力洩水收集槽一部份

50‧‧‧上方重力洩水收集槽底板

51‧‧‧噴水孔

52‧‧‧直接熱交換填充片

53‧‧‧填充片標稱平面

55‧‧‧正面側

56‧‧‧反面側

57‧‧‧正面噴孔

58‧‧‧反面噴孔

59‧‧‧空氣入口緣

60‧‧‧空氣出口緣

61‧‧‧填充間隔物

70‧‧‧間隙

71‧‧‧間隙

72‧‧‧間隙

圖式中，第1圖係依據本發明之一直接熱交換設備的透視圖；第1A圖係依據本發明之一間接熱交換設備的透視圖；第2圖係依據本發明之一直接熱交換設備的側視圖；第2A圖係依據本發明之一間接熱交換設備的側視圖；及第3圖係依據本發明之上方重力洩水收集槽一部份的上視圖。

現在請參考圖式之第1圖，本發明之一具體實施例顯示於一冷卻塔直接加熱交換設備10中。直接熱 交換設備10係由機殼11、直接熱交換填充組12、上方重力排水槽13、下方水池14、水預分配箱15、風扇總成16、複數個上方重力排洩槽蓋17、預分配箱管入口18、空氣入口19、及空氣出口20組成。請注意，該直接熱交換填充組亦可為一間接熱交換器，且非本發明之限制。冷卻塔直接填充熱交換設備10大體上包覆於機殼11中，該機殼可由金屬或纖維強化塑膠薄片製成。機殼11提供一外殼，用於填充組12、上方重力排水槽13、風扇總成16、及下方槽14。上方重力排洩槽13大體上位於填充組12正上方，且填充組12位於下方池14上方。上方重力排洩槽13大體上呈矩形外型，其具有一寬度、長度、及高度。上方重力排洩槽13之寬度及長度大體上與填充組12之寬度及長度呈相同大小，且高度通常4到12英吋。上方重力排水收集槽13可藉由複數個上方重力排水收集槽蓋17覆蓋，以防止碎屑進入。在上方重力排水收集槽13內側者係預分配箱15，該預分配箱大體上坐落於上方槽13中間，然預分配箱15可置於上方槽13之任何位置。水經由預分配箱15進入上方重力排水收集槽13，該預分配箱有助於將水更均勻地散播於整個上方重力排水收集槽13。風扇總成16經由空氣入口19吸入空氣，且大體上依橫流通過填充組12，及經由空氣出口20將空氣噴出直接熱交換設備10。氣流之方向大體上朝上、大體上朝下、與通過該直接熱交換器之水流大體上交叉或大體上重合。冷卻塔直接熱交換設備10可具有一個以上的水入口18、一個以上的填充組12、一個 以上的風扇總成16、及一個以上的空氣出口20。

現在請參考圖式之第1A圖，本發明之一具體實施例顯示於一間接熱交換設備21中。間接熱交換設備22係由機殼11、間接熱交換區段22、上方重力排水收集槽13、下方水池14、水預分配箱15、風扇總成16、複數個上方重力排水收集槽蓋17、預分配箱管入口18、空氣入口19、及空氣出口20組成。請注意，該間接熱交換區段可為包含管件、板件、鰭片型之任何型式，且非本發明之限制。亦可為直接/間接熱交換區段之組合。間接熱交換設備21大體上包覆於機殼11中，該機殼可由金屬或纖維強化塑膠薄片製成。機殼11提供一外殼，用於間接熱交換區段22、上方重力排洩槽13、風扇總成16、及下方槽14。上方重力排水收集槽13大體上位於間接熱交換區段22正上方，該間接熱交換區段位於下方池14上方。上方重力排水收集槽13大體上呈矩形外型，其具有一寬度、長度、及高度。上方重力排水收集槽13之寬度及長度大體上與間接熱交換區段22之寬度及長度呈相同大小，且高度通常4到12英吋。上方重力排水收集槽13可藉由複數個上方重力排水收集槽蓋17覆蓋，以防止碎屑進入。在上方重力排水收集槽13內側者係預分配箱15，該預分配箱大體上坐落於上方水收集槽13中間，然預分配箱15可置於上方水收集槽13之任何位置。水經由預分配箱15進入上方重力排水收集槽13，且散播於整個上方重力排水收集槽13。風扇總成16經由空氣入口19吸入空氣，且大體上依橫流通過間接熱交 換區段22，及經由空氣出口20將空氣噴出間接接熱交換設備21。氣流之方向大體上朝上、大體上朝下、與通過該間接熱交換器之水流大體上交叉或大體上重合。間接熱交換區段22具有一內部處理流體入口管23及出口管24。倘必要時，連接可相反。內部處理流體係由從上方重力排水收集槽13藉重力大體上朝下流穿過之蒸發水間接地冷卻。間接熱交換設備21可具有一個以上的水入口18、一個以上的間接熱交換區段22、一個以上的風扇總成16、及一個以上的空氣出口20。

現在請參考圖式之第2圖，以一側視圖顯示本發明之一具體實施例，其大體上如同直接熱交換設備30。熱交換設備30係由機殼31、直接熱交換填充組32、上方重力排水收集槽33、下方池34、預分配箱35、風扇總成36、預分箱管37、空氣入口38、及充氣部空氣出口(plenum air outlet)39組成。

作動期間，待加熱或冷卻之水經由預分配管37進入直接熱交換設備30，散播遍佈上方重力供給水收集槽33，且在上方重力洩水收集槽33內側積累一水頭40。上方重力排水收集槽33大體上係一開放頂部矩形箱，其由複數個側面45、及上方重力排洩槽底板44組成，該槽底板具有複數個噴孔，該等噴孔大體上遍及整個該槽底板而相間隔。上方重力供給水收集槽33內側積累之水頭40朝下運行通過槽底板44中之該複數個噴孔，且形成一良好分配流41及落於直接熱交換填充組32頂部上。

直接熱交換填充組32係由複數個薄塑膠填充片43製成，該等填充片係使用一吊鉤系統懸掛、或彼此束成一塊型，且堆疊於上方重力排水槽33下方及下方池34上方。直接熱交換填充組32具有複數個氣隙，使得噴灑水及空氣二者可輕易地流通過。當噴灑水流通過直接熱交換填充組32且到達下方池34時，水在池34中積累，以在離開熱交換設備30前形成一淺水池42。空氣經由空氣入口38進入冷卻塔直接熱交換設備30、運行通過填充組32內之複數個間隙、在充氣部出口39內側大體上轉向上、及經由風扇總成36離開冷卻塔直接熱交換設備30。當空氣運行通過填充組32時，在填充片43上、空氣與噴灑水之間發生熱交換。

現在請參考圖式之第2A圖，以一側視圖顯示本發明之另一具體實施例，其大體上如同間接熱交換設備30A。間接熱交換設備30A係由機殼31、間接熱交換區段32A、間接熱交換入口接頭46與間接熱交換出口接頭47、上方重力排水收集槽33、下方池34、預分配箱35、風扇總成36、預分箱管37、空氣入口38、及充氣部空氣出口39組成。

作動期間，待加熱、冷卻、蒸發、或凝結之處理流體經由入口接頭46進入間接熱交換設備30A，且從出口接頭47離開。通常為水之蒸發流體進入預分配管37、散播遍佈上方重力水收集槽33、且在上方重力洩水收集槽33內側累積一水頭40。上方重力排水收集槽33大體上係一開放頂部矩形箱，其由複數個側面45、及上 方重力排洩槽底板44組成，該槽底板具有複數個噴孔，該等噴孔大體上遍及整個該槽底板而相間隔。上方重力水收集槽33內側積累之水頭40朝下運行通過槽底板44中之該複數個噴孔，且形成一良好分配流41及落於間接熱交換區段32A頂部上。

間接熱交換區段32A可由複數個板43A、管件或鰭片型熱交換器製成，但非本發明之限制。間接熱交換器板43A可使用一吊鉤系統懸掛、或彼此束成一塊型，且堆疊於上方重力排水槽33下方及下方池34上方。間接熱交換區段32A具有複數個氣隙，使得噴灑水41及空氣二者可輕易地流通過。當噴灑水流通過間接熱交換區段32A且到達下方池34時，水在池34中積累，以在離開間接熱交換設備30A前形成一淺水池42。

空氣經由空氣入口38進入間接熱交換設備30A、運行通過間接熱交換區段43A內之複數個間隙、在充氣部出口39內側大體上轉向上、及經由風扇總成36離開間接熱交換設備30A。當空氣運行通過間接熱交換器32A時，在該噴灑水與該內部處理流體之間發生間接熱交換，且同時在噴灑蒸發噴灑水與空氣流動之間發生直接熱傳。

現在請參考圖式之第3圖，以一平面視圖顯示本發明之一具體實施例48。上方重力洩水收集槽底板50具有複數個噴水孔51，其策略性地對齊複數個直接熱交換填充片52之頂部上方。填充片52各具有一前面側55及一後面側56。填充片52各分離由填充間隔物61所 界定之一標稱距離，使得填充片52之間有一間隙。填充片52具有複數個隆峰及凹谷表面型態，此等隆峰與凹谷可相對於填充片標稱平面53曲折，且當從重力洩水槽底板50朝下觀看時可不垂直地對齊。此等隆峰及凹谷之幾何及定位提供填充片52從重力洩水槽底板50朝下觀看時之一本體厚度。各填充片52典型地由塑膠或聚氯乙烯(PVC)薄片製成，但可由任何期望之材料製成。

噴孔51策略性地對齊複數個填充片52之上方，使得當噴灑之水向下滴通過複數個孔洞51時，水將落至填充片52上。噴灑水流特意地著陸於填充片52之正面側55及反面側56二者上。噴孔51係藉間隙70及72在寬度上分離，且藉間隙71在正面與反面側之間分離。間隙72與70大體上相等，使得孔洞之數量減少。間隙72與70分開一距離，使得當噴灑之水碰撞填充片52時，噴灑之水散播開，使得填充片52一致且均勻地潤濕。填充片52中隆峰及凹谷之型態的組合將單一水流散播遍及一表面區域成為一水薄膜，使得可發生更高效率之空氣對水熱交換。空氣係沿著從空氣入口緣59朝空氣出口緣60之方向運行，且填充片52對齊使其不致阻擋該空氣運行。

間隔70及72必須最佳化，以容許一致地散播於填充片52之正面側55及反面側上，且同時減少所需之孔洞數量，使得該等孔洞之直徑最大化。可藉疊代地(iteratively)求解以下方程式來求得孔洞51直徑、及孔洞間隔70與72： 流率=填充片數量‧孔洞間隔‧孔洞係數，其中孔洞間隔=填充片空氣運行長度÷每填充片之孔洞數量孔洞係數=Cd‧A‧(2gh)²，其中Cd為一板中孔洞之阻力係數，A為孔洞之面積g為重力常數，及h為重力洩水槽中之水柱高度。

較佳之孔洞51直徑係0.4英吋±0.2英吋，而較佳之間隙70及72係4英吋±2英吋。選定之孔洞直徑與選定之間隔70及72之間的平衡可根據所需之總體流率而改變。一旦總體目標設計流率已知，即疊代孔洞間隙70及72、與孔洞51直徑，以得出可保證均勻且一致之水覆蓋範圍且同時使噴孔數量最小化而使得噴灑性能最大化的一解。此求得最佳之間隙70及72、與孔洞51直徑的平衡，將保證最大熱傳且同時降低孔洞阻塞之可能性。可選擇性地設定孔洞間隙71，以確保適當地覆蓋填充片52之正面側55及反面側二者。此間隙取決於該等填充片之間的間隙。

屬於同一填充片52之一組正面噴孔57及反面噴孔58並非必須在空氣運行方向上呈一筆直線。正面噴孔57從填充片標稱平面53朝正面55方向略微偏移，且反面噴孔58從對應填充片52之填充片標稱平面53朝反面56略微偏移。存有孔洞偏移，使得當填充片52之位置在一空氣入口緣59之平行方向上有略微變動時，正面55及反面56二者將藉噴孔51適當地潤濕。

Claims (15)

1. 一種具有一熱交換區段之冷卻塔，一水收集槽，位於該熱交換區段上方，該水收集槽具有複數個開口，該等開口容許水朝下分配至該熱交換區段上，該等水收集槽開口配置成複數個橫排，該等水收集槽開口各具有一從0.2英吋到0.6英吋之直徑，相鄰水收集槽開口之間的間距係從2.0到6.0英吋。
2. 如請求項1之冷卻塔，其中每一橫排中之相鄰水收集槽開口彼此縱向偏置。
3. 如請求項1之冷卻塔，其中該熱交換區段包括複數個填充片，該等填充片配置成複數個橫排，及其中每一橫排之水收集槽開口係與一橫排之填充片對齊。
4. 如請求項3之冷卻塔，其中每一填充片皆具有一前面側及一後面側，及來自該等收集槽開口之水覆蓋每一填充片之該前面側與該後面側二者。
5. 如請求項1之冷卻塔，其中該熱交換區段包括複數個填充片，該等填充片配置成複數個橫排，及其中每一橫排之水收集槽開口係從與一橫排之填 充片的直接對齊略微偏移，且每一橫排之水收集開口係相對於每一橫排呈一交替型態。
6. 一種具有一直接熱交換區段之冷卻塔，一水收集槽，位於該直接熱交換區段上方，該水收集槽具有複數個開口，該等開口容許水朝下分配至該直接熱交換區段上，該等水收集槽開口配置成複數個橫排，該等水收集槽開口各具有一從0.2英吋到0.6英吋之直徑，及相鄰水收集槽開口之間的間距係從2.0到6.0英吋。
7. 如請求項6之冷卻塔，其中每一橫排中之相鄰水收集槽開口彼此縱向偏置。
8. 如請求項6之冷卻塔，其中該直接熱交換區段包括複數個填充片，該等填充片配置成複數個橫排，及其中每一橫排之水收集槽開口係與一橫排之填充片對齊。
9. 如請求項8之冷卻塔，其中每一填充片具有一前面側及一後面側，及來自該等收集槽開口之水覆蓋每一填充片之該前面側與該後面側二者。
10. 如請求項6之冷卻塔，其中該直接熱交換區段包括複數個填充片，該等填充片配置成複數個橫排，及 其中每一橫排之水收集槽開口係從與一橫排之填充片的直接對齊略微偏移，且每一橫排之水收集開口係相對於每一橫排呈一交替型態。
11. 一種具有一間接熱交換區段之冷卻塔，一水收集槽，位於該間接熱交換區段上方，該水收集槽具有複數個開口，該等開口容許水朝下分配至該間接熱交換區段上，該等水收集槽開口配置成複數個橫排，該等水收集槽開口各具有一從0.2英吋到0.6英吋之直徑，及相鄰水收集槽開口之間的間距係從2.0到6.0英吋。
12. 如請求項11之冷卻塔，其中每一橫排中之相鄰水收集槽開口彼此縱向偏置。
13. 如請求項11之冷卻塔，其中該間接熱交換區段包括複數個板型熱交換器，該等板型熱交換器配置成複數個橫排，及其中每一橫排之水收集槽開口係與一橫排之板型熱交換器對齊。
14. 如請求項13之冷卻塔，其中每一板型熱交換器皆具有一前面側及一後面側，及來自該等收集槽開口之水覆蓋每一板型熱交換器之該前面側與該後面側二者。
15. 如請求項11之冷卻塔，其中該間接熱交換區段包括複數個板型熱交換器，該 等板型熱交換器配置成複數個橫排，及其中每一橫排之水收集槽開口係從與一橫排之板型熱交換器的直接對齊略微偏移，且每一橫排之水收集開口係相對於每一橫排呈一交替型態。