一种节水节电型消雾冷却塔
技术领域
本发明涉及循环水冷却技术领域，具体涉及一种节水节电型消雾冷却塔。
背景技术
工业循环水的主要作用是对生产设备换热降温，循环水在循环过程中需由水泵提供动能，给生产设备换热后需通过冷却塔降温，而一般工业循环水系统大都采用机械通风冷却塔，即使用电机驱动风机与循环水对流换热，从而达到降温的效果。系统运行过程中需消耗大量的电能和水资源。
据不完全统计，循环水系统中的泵类装置和冷却塔装置所消耗的电量约占总发电量的25％以上。而我国的水泵平均设计效率为75％，比国际先进水平低5个百分点，运行效率更是低20个百分点左右；我国机械通风式冷却塔总循环水量超过22亿吨，仅风机电机的电耗每年近8000亿度，由于设计和运行的不合理，冷却塔还存在严重的背压、飘水等现象。目前全国总用水量约6000亿立方米，其中工业用水占20％以上，而循环水补水占工业用水量的70～80％，大部份工业企业通过提高循环水浓缩倍数减少排污水来实现节约水资源、降低生产成本的目的，但因浓缩倍数提高后，随着循环水的不断蒸发，水中含盐浓度增高造成沉淀，从而形成水垢，同时循环水运行过程中还会形成污垢、微生物粘泥和设备腐蚀等问题，不但降低了循环水的传热效率，也影响了设备的使用寿命。然而通过提高浓缩倍数减少的排污水只是系统补水量的一小部分，蒸发和风吹损耗才是补水量的大头。
可见，现有的工业循环水系统运行是，一方面泵类和冷却塔装置电耗高，另一方面冷却塔水份蒸发和水份风吹损耗，同时还存在冷却塔羽雾现象，不但消耗能源还对环境产生影响。通过对冷却塔进行改造，实现冷却塔节水、消雾和节电是当前亟待解决的问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种能有效降低电耗和水耗，消除羽雾的冷却塔。
为实现上述目的，本发明的一种节水节电型消雾冷却塔，包括冷却塔本体、设置于冷却塔本体底部的集水池，所述冷却塔本体内设置雾化装置，所述雾化装置上端配设冷凝换热装置，所述冷凝换热装置上端预留气室，所述气室上端通向冷却塔出口，所述冷凝换热装置引入干冷空气与冷却塔本体内雾化喷出的湿热空气间壁式换热，干冷空气与湿热空气换热后通入气室后交融，排出塔外后形成不饱和空气；
所述冷凝换热装置包括冷凝换热壳体和冷凝换热腔，所述冷凝换热腔包括湿热空气通道和干冷空气通道，所述湿热空气通道和所述干冷空气通道通过冷凝换热壳体间壁换热；所述湿热空气通道倾斜排出换热后的湿热空气，所述干冷空气通道倾斜排出换热后的干冷空气，且所述湿热空气通道倾斜排出的湿热空气与所述干冷空气通道倾斜排出的干冷空气在预留的气室交汇，湿热空气中的水蒸气冷凝部分回收进入水池，含湿量下降后的湿热空气与干冷空气在气室内混合通过风叶送离冷却塔本体。
进一步地，所述湿热空气通道设置多层，所述干冷空气通道设置多层；各湿热空气通道之间以干冷空气通道为间隔层，形成湿热空气通道与干冷空气通道相邻设置实现多层间壁换热以提高换热效率，且各层湿热空气通道与各层干冷空气通道通出的湿热空气与干冷空气形成多个交汇处，提高湿热空气液化程度。
进一步地，所述干冷空气通道在纵向上的剖面呈斜菱形，干冷空气从呈斜菱形的干冷空气通道向上流通，干冷空气在干冷空气通道中流通时，因干冷空气通道的形状，易撞壁而提升与壁面另一侧的湿热空气通道换热，干冷空气从斜菱形的干冷空气通道上端的的出风口通出，实现了干冷空气斜向吹出。
进一步地，所述干冷空气通道的进气口连通所述冷却塔本体的外壁通入，所述干冷空气通道在进气口设置一与所述干冷空气通道垂直的的干冷空气进口风门，所述干冷空气进口风门至所述干冷空气通道的进口之间设置若干干冷空气进风口分流隔板，所述干冷空气进风口分流隔板均匀分流干冷空气进口风门涌进的干冷空气；
或，所述干冷空气进口风门选用电动风门。
进一步地，所述湿热空气通道在垂直方向上的剖面呈斜菱形，所述湿热空气通道的进风口为与水平方向呈一角度的斜口，雾化喷出的湿热空气从呈斜菱形的湿热空气通道流通，湿热空气在湿热空气通道中流通时，因湿热空气通道的形状，易撞壁而提升与壁面另一侧的干冷空气通道换热，湿热空气从菱形的湿热空气通道的出风口为与水平方向呈一角度的斜口，同时实现了湿热空气斜吹出，与所述干冷空气形成交叉。
进一步地，所述冷凝换热壳体呈扁菱形，所述湿热空气通道与所述干冷空气通道的气流流通方向交叉；
所述冷凝换热壳体在水平方向设置二个或多个，且各所述冷凝换热壳体平行设置；
各所述冷凝换热壳体湿热空气通道和干冷空气通道分别斜向吹出交汇，形成多个换热后的干冷空气和湿热空气交汇。
进一步地，所述冷却塔本体上端配设一水轮机，所述水轮机的进水管通入自集水池的冷却水；所述水轮机的出水管向下垂落，冷却水自垂直掉落后涌入雾化进水管，通过所述雾化进水管配设的雾化喷头雾化喷出，所述雾化喷头上端设置收水器，所述收水器上端设置冷凝换热装置。
进一步地，所述水轮机的进水管上设置一换热装置；
或，所述换热装置的出水管连接雾化进水管，所述雾化进水管与所述换热装置的出水管连接，通入的水直接利用所述换热装置的出水管的富余压头雾化喷出。
进一步地，所述换热装置连接水轮机，水轮机设置竖立的出水管，竖直坠落的水通过出水管几何高差产生余压，进入喷雾装置，通过雾化进水管经雾化喷头喷出；所述喷雾装置包括雾化进水管和分布在雾化进水管上的雾化喷头；
所述冷却塔上水管通过旁通阀与雾化进水管相连接，直接利用水系统的富余压头通过雾化喷头雾化喷出。
进一步地，冷却塔设置辅助电机辅助驱动冷却塔的风叶转动，水轮机和辅助电机通过双输入减速机驱动风叶转动，以实现系统富余能量的充分利用，同时保证冷却塔的降温效果。
本发明与现有技术相比，有益效果为：
1、降低了冷却塔进水管的高度，增加了系统可利用的回水压头。
2、利用循环水回水富余压能，使循环热水雾化成细小水滴，从而提高循环水的换热面积；同时因填料拆除，减少了通风阻力，增加风量，提高气水比，且采用上喷的方式，可以增加雾化水滴与空气的换热时间，从而提高循环水的换热效果。
3、如富余能量较大，循环热水雾化后仍有富余，则可将原电机驱动的风机改为“水轮机”或“水电混合驱动”风机的方式对富余能量进行利用，实现节能的效果。
4、扁菱形设计的冷凝换热装置可尽量少的占用气室，更加适用于现有冷却塔的改造。且模块化设计，便于安装。
5、雾化后的循环热水与空气换热后形成接近饱和的湿热空气，在冷凝换热装置内与另外引入的塔外环境干冷空气中进行间壁式换热，从而降低塔内湿热空气的温度和含湿量，湿热空气中的水蒸汽冷凝，流回冷却塔利用；同时含湿量下降后的湿热空气与干冷空气在气室内混合并排出塔外，在与塔外冷空气再次混合时形成不饱和空气，无法形成羽雾，从而达到消雾的效果。塔顶风机给湿热空气与干冷空气提供动能。
附图说明
图1为本发明的冷却塔的结构示意图；
图2为本发明的冷却塔的侧视图；
图3是本发明的冷凝换热模块结构示意图；
图4为本发明的冷凝换热模块的侧视图；
图5为发明的冷凝换热模块的干冷空气通道和湿热空气通道的结构示意图；
附图中，集水池1；循环水泵2；换热装置3；冷却塔本体4；水轮机41；冷凝换热装置42；冷凝换热壳体421；湿热空气通道422；干冷空气通道423；干冷空气进风口分流隔板425；干冷空气进口风门426；喷雾装置43；雾化进水管431；雾化喷头432；出水管414；旁通阀433；干冷空气进口风门45；风叶46；双输入减速机47；辅助电机48；收水器8；气室9。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1-5所示，本发明的一种节水节电型消雾冷却塔，包括冷却塔本体4、设置于冷却塔本体4底部的集水池1，所述冷却塔本体4上端配设一水轮机41，所述水轮机41的进水管通入自集水池1的冷却水；所述水轮机41的出水管向下垂落，冷却水自垂直掉落后涌入雾化进水管431，通过所述雾化进水管431配设的雾化喷头432雾化喷出，所述雾化喷头432上端设置收水器8，所述收水器8上端设置冷凝换热装置42，所述冷凝换热装置42上端预留气室9，所述气室9上端在冷却塔本体4开口处设置风叶46，所述冷凝换热装置引入干冷空气与冷却塔本体内雾化喷出的湿热空气间壁式换热，干冷空气与湿热空气换热后通入气室后交融，排出塔外后形成不饱和空气。
所述冷凝换热装置42包括冷凝换热壳体421和冷凝换热腔，所述冷凝换热腔包括湿热空气通道422和干冷空气通道423，所述湿热空气通道422和所述干冷空气通道通过冷凝换热壳体421间壁换热；所述湿热空气通道422倾斜排出换热后的湿热空气，所述干冷空气通道423倾斜排出换热后的干冷空气，且所述湿热空气通道422倾斜排出的湿热空气与所述干冷空气通道423倾斜排出的干冷空气在预留的气室9交汇，湿热空气中的水蒸气冷凝，流回冷却塔，湿热空气中的风吹损耗可以通过收水器收集，冷凝水可以通过干冷空气通道423和湿热空气通道422流下，含湿量下降后的湿热空气与干冷空气在气室内混合通过风叶送离冷却塔本体。
本发明的一种节水节电型消雾冷却塔，在收水器8上方的气室9内安装冷凝换热装置42，通过引入一定量的塔外环境干冷空气与塔内雾化喷出的湿热空气在冷凝换热装置中进行间壁式换热，从而降低塔内湿热空气的温度和含湿量，使湿热空气中的水蒸汽冷凝并流回冷却塔利用，达到节水的目的；另外，在冷凝换热装置换热之后，在湿热空气通道422和干冷空气通道423通出湿热空气和干冷空气两个倾斜通出，在气室内的干冷和湿热交汇混合形成不饱和空气，湿热空气中的部份水蒸气冷凝后流入水池，湿热空气经过换热和液化后再通过风叶46流出塔外，不会形成羽雾，以达到节水、消雾的效果。所述湿热空气通风道422在倾斜方向排出，湿热空气的出风口在竖直方向上以倾斜角度方向送入气室9；所述干冷空气通风道423以倾斜角度方向送入风室，且所述干冷空气通风道423的通风方向与湿热空气通风道422的通风方向交叉，形成干冷空气与湿热空气在间壁换热后在气室交汇，液化后流入水池，实现冷却塔的节水、消雾功能。
所述湿热空气通道422设置多层，所述干冷空气通道423设置多层；各湿热空气通道422之间以干冷空气通道423为间隔层，形成湿热空气通道422与干冷空气通道423相邻设置实现多层间壁换热以提高换热效率，且各层湿热空气通道422与各层干冷空气通道423通出的湿热空气与干冷空气形成多个交汇处，增加了干冷空气与湿热空气的交汇，实现干冷空气和湿热空气交汇之后在流通方向实现充分交汇，湿热空气中的水蒸气冷凝率，减少羽雾造成的冷却水流失。
所述冷凝换热壳体呈扁菱形，所述湿热空气通道与所述干冷空气通道的气流流通方向交叉；所述冷凝换热壳体在水平方向设置二个或多个，且各所述冷凝换热壳体平行设置；各所述冷凝换热壳体湿热空气通道和干冷空气通道分别斜向吹出交汇，形成多个换热后的干冷空气和湿热空气交汇。
所述冷凝换热壳体421由二个或多个模块安装形成，便于安装，也更加适用于现有冷却塔的改造，且各所述冷凝换热壳体421呈扁菱形，所述湿热空气通道422与所述干冷空气通道423的气流流通方向交叉，本发明中的冷凝换热壳体421，选用扁菱形，尽量少的占用气室，扁菱形的冷凝换热壳体421可以在有限的高度空间内延长湿热空气和干冷空气的换热路径，同时形成湿热空气和干冷空气的通出后的交汇，有效降低冷却塔羽雾，也提高了湿热空气中的水蒸气冷凝率，流回冷却塔再利用，提高了冷却水回收率。
本发明中的两个冷凝换热壳体421共用同一个干冷年空气进口风门426，也共用干冷空气进风口分流隔板425，减少了对冷却塔本体内的占用，简化了使用的结构，提升了湿热空气的流通率。
所述湿热空气通道422的气流流通方向与所述干冷空气通道423的气流流通方向倾斜，湿热空气通出方向与干冷空气通出方向倾斜，使得湿热空气和干冷空气交汇面积增加，能进一步降低湿热空气的含湿量，也能增加干冷空气和湿热空气交汇之后在流通方向实现二次或三次交汇的概率，进一步实现湿热空气液化程度，减少羽雾造成的冷却水流失。
所述干冷空气通道423在纵向上的剖面呈斜菱形，干冷空气从呈斜菱形的干冷空气通道423向上流通，干冷空气在干冷空气通道423中流通时，因干冷空气通道的形状，易撞壁而提升与壁面另一侧的湿热空气通道换热，干冷空气从斜菱形的干冷空气通道上端的的出风口通出，实现了干冷空气斜向吹出。所述干冷空气通道423的进气口连通所述冷却塔本体的外壁通入，所述干冷空气通道423在进气口设置一与所述干冷空气通道垂直的的干冷空气进口风门426，所述干冷空气进口风门426至所述干冷空气通道423的进口之间设置若干干冷空气进风口分流隔板425，所述干冷空气进风口分流隔板425均匀分流干冷空气进口风门426涌进的干冷空气；
所述干冷空气进口风门选用电动风门。
所述湿热空气通道422在纵向方向上的剖面呈斜菱形，所述湿热空气通道422的进风口为与水平方向呈一角度的斜口，雾化喷出的湿热空气从呈菱形的湿热空气通道422流通，湿热空气在湿热空气通道422中流通时，因湿热空气通道422的形状，增加了干冷空气与湿热空气的换热面积，湿热空气从菱形的湿热空气通道422的出风口为与水平方向呈一角度的斜口，同时实现了湿热空气斜吹出，与所述干冷空气形成交叉。
所述湿热空气通道422在空气进口方向设置湿热空气导流板425，所述湿热空气进风导流板425对通入湿热空气通道422中的湿热气体进行导流。
所述湿热空气通道422设置多层，所述干冷空气通道423设置多层；各湿热空气通道422之间以干冷空气通道423为间隔层，形成湿热空气通道422与干冷空气通道423相邻设置多层，增强换热效率。
所述湿热空气通道422的气流流通方向与所述干冷空气通道423的气流流通方向交叉。
所述水轮机41的进水管与各换热装置连接；所述换热装置3的出水管连接雾化进水管431，所述雾化进水管与所述换热装置的出水管连接，通入的水直接利用所述换热装置的出水管的富余压头雾化喷出。
所述换热装置3连通喷雾装置43，所述喷雾装置43包括雾化进水管431和分布在雾化进水管431上的雾化喷头432，水轮机41设置竖立的出水管414，竖直坠落的水通过出水管414几何高差产生余压，通入雾化进水管431经雾化喷头喷出；
所述冷却塔上水管通过旁通阀433与雾化进水管431相连接，直接利用水系统的富余压头通过雾化喷头432雾化喷出。
冷却塔4设置辅助电机48辅助驱动冷却塔4的风叶46转动，水轮机41和辅助电机48通过双输入减速机47驱动风叶46转动，以实现系统富余能量的充分利用，同时保证冷却塔4的降温效果。
本发明的一种节水节电型消雾冷却塔，通过水泵驱动水池中的水去往换热装置进行换热，如在循环水雾化后仍有富余能量，所述冷却塔4可选用“水轮机驱动”或“水电混合驱动”风叶式冷却塔，以降低冷却塔能耗；所述冷却塔4在气室设有冷凝换热装置42，所述冷凝换热装置42包括冷凝换热壳体421和冷凝换热腔，冷凝换热腔包括设置湿热空气通风道422和干冷空气通风道423，两个通风道内的空气在冷凝换热壳体421内进行热交换；干冷空气主通道423引入塔外干冷空气与冷却塔内湿热空气间壁式换热生成离塔的不饱和空气；
本发明所述的冷却塔节电技术，是通过对系统多余的回水富余能量进行利用，将原电机驱动的风机改为“水轮机驱动”或“水电机混合驱动”，解决系统能耗浪费和富余能量无法充分利用的问题，降低了风叶驱动的电耗。冷却塔4设置辅助电机48辅助驱动冷却塔4的风叶46转动，水轮机41和辅助电机48通过双输入减速机47驱动风叶46转动，以实现系统富余能量的充分利用，同时保证冷却塔4的降温效果。
本发明在冷却塔收水器上方的气室内安装冷凝换热装置，通过引入一定量的塔外环境干冷空气与塔内湿热空气在冷凝换热装置中进行间壁式换热，从而降低塔内湿热空气的温度和含湿量，使湿热空气中的水蒸汽冷凝并流回冷却塔利用，达到节水的目的；同时冷凝换热装置上端通出湿热空气和干冷空气两个间隔通出，在气室内的干冷和湿热混合空气混合形成不饱和空气，在流出塔外时不会形成羽雾，以达到消雾的效果。本发明中的湿热空气和干冷空气通过风叶46向上吸入，驱动干冷空气和湿热空气自冷凝换热壳体换热后，进入气室9，本发明选用的冷凝换热装置42能有效实现换热的节能。
所述水轮机4出口还设有喷雾装置43，所述喷雾装置43包括雾化进水管431和分布在雾化进水管431上的雾化喷头432，水轮机41设置竖立的出水管414，竖直坠落的水通过出水管414几何高差产生余压，通入雾化进水管431经雾化喷头喷出。
所述冷却塔上水管通过旁通阀433与雾化进水管431相连接，直接利用水系统的富余压头通过雾化喷头432雾化喷出。
本机构中，喷雾装置43利用水多余的势能，实现低压雾化喷出，实现了塔内无填料雾化冷却，降低了冷却塔的通风阻力。
本结构，利用系统的富余压头或雾化喷头与原进水管的几何高差使循环热水在低压雾化喷头中雾化，雾化热水在与空气换热后形成接近饱和的湿热空气，再通过引入一定量的塔外环境空气与塔内湿热空气在安装于冷却塔内的冷凝换热装置中进行间壁式换热，从而降低塔内湿热空气的温度和含湿量，使湿热空气中的水蒸汽冷凝并流回冷却塔利用；同时含湿量下降后的塔内空气在排出塔外时与塔外冷空气混合时形成不饱和空气，无法形成羽雾，低压雾化和冷凝换热装置的配合，以达到消雾的效果，减少冷却塔因雨雾形成的损耗。因冷却塔采用无填料雾化冷却，降低了冷却塔的通风阻力，通过增加气水比、换热时间和换热面积，从而提高降温效果。
所述冷却塔本体4配合干冷空气通道423设置干冷空气进口风门45，以控制通入的干冷空气流量。
所述干冷空气进口风门45采用电动控制，冷却塔的进、回水温差来自动调节风门开度，当温差大于设定值时，自动开大风门，以提高节水、消雾的效果；当温差小于设定值时，自动关小风门，提高循环水的降温效果。干冷空气进口风门45根据现场实际情况也可采用手动控制。
所述冷凝换热壳体421上端预留干冷空气交会的空间，所述冷凝换热壳体421呈扁状的菱形，在高度上减少占用气室，给冷热空气预留充分的交会空间，便于形成不饱和气体，不易形成羽雾。这样的设计，最大限度的增加气室的空间，便于对已有的冷却塔进行改造适用
下面结合具体的实例对本发明做进一步论证。
本实例中，设计有额定流量为10000m3/h、扬程50m、电机功率1800kW的循环水泵3台(2开1备)，配套4座额定水处理量为5000m3/h的方形逆流机械通风冷却塔，进水高度10.5米，设计温差43-33℃，冷却塔风机配套电机功率为200kW。系统通过循环水泵2将循环水从水池送到各换热设备进行热交换，换热后的热水通过机械通风冷却塔降温并回到水池。
在系统运行过程中，发现实际运行流量大于水泵和冷却塔设计的额定流量，以加大流量的方式来提高末端设备的的换热效果；且系统还通过调节上塔阀门的方式提高供水压力，使各换热器进水压力达到设计的工作压力，导致了浪费了大量的能耗。同时冷却塔还存在羽雾现象，在浪费水资源的同时还影响环境、造成周边生产设备腐蚀，影响设备使用寿命。水系统实际运行情况如下：
系统优化改造前系统实际运行工况
针对循环水系统存在的问题，对系统进行优化和改造，最终使其达到最佳的运行效果。具体步骤如下：
1、拆除填料，如此可以减少约50％的通风阻力；将原安装于填料上方、收水器下方的布水管及喷头移至原安装填料处的下端，以减少上水高度，使循环水雾化压头增加3米左右。同时将原下喷安装的盘式喷头改为上喷式雾化喷头，利用系统的回水富余压头和布水管下移后的几何高差使循环水雾化。
2、因系统回水压力有0.25Mpa(1Mpa≈102米水柱)，而雾化喷头的安装高度为7.5米，系统可利用的回水富余压头≈25.5-7.5≈18米。雾化喷头所需压头在5～8米左右，该富余压头在雾化喷头利用后仍有富余，再通过将电机驱动的风叶改为“水轮机驱动”或“水电混合驱动”以实现能量的充分利用。
3、在冷却塔收水器上部安装冷凝换热装置，因其为扁菱形设计，可尽量减少气室的占用空间，为湿热空气与干冷空气混合留足空间；冷凝换热装置采用模块化设计，安装简单、方便。
4、冷凝换热装置下方设有干冷空气通风道，且用分流隔板分开，使干冷空气能均匀的进入每块冷凝换热装置与湿热空气换热。在干冷空气进风口上设有电动风门，风门根据冷却塔的进、出水温自动调节开度，在保证循环水降温效果的前提下，实现节水消雾的最优运行。
5、通过改造后，因通风阻力下降，风机风量增加，提高了循环水的气水比；同时采用无填料雾化后，循环水的换热面积增加；且采用上喷的方式增加了雾化小水滴与空气的热交换时间，整体提高了冷却水的降温效果，使温差从6.5℃升高到8℃左右，从而提高了生产效率。
采用本发明技术改造后，该化工企业循环水系统实际运行工况如下：
系统优化改造后系统运行工况
通过优化改造，在水泵运行功率、流量和供回水压力均不变的前提下，冷却塔风机每小时可节约电量：(155-16)×4台＝556kW，节电率：(155-16)÷155＝89.7％，每年可节约用电487万度；系统小时节水:307-266＝41吨/小时，节水率:(307-266)÷307＝13.3％，年节水35.9万吨。且因冷却塔换热温差提高，提高了企业的生产效率、增加产量。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施方式。显然，本发明不限于以上实施方式，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
