專利名稱:用于對冷卻塔的流出物進(jìn)行冷凝的氣-氣常壓熱交換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
總的來講,本發(fā)明涉及從冷卻塔流出物或其他散熱裝置中回收水。具體地說,本發(fā)明涉及從冷卻塔流出物中回收水的方法和設(shè)備,以便提供清潔水源、減少冷卻塔的耗水量,和/或減少冷卻塔的煙縷(Plume)。
本申請請求享有2001年10月11日提交的流水號為09/973,732、題為“用于對冷卻塔的流出物進(jìn)行冷凝的氣-氣常壓熱交換器(Air-To-AirAtmospheric Heat Exchanger For Condensing Cooling Tower Effluent)”的美國專利申請的優(yōu)先權(quán),該申請所公開的內(nèi)容作為本申請的參考。
背景技術(shù):
在用蒸汽驅(qū)動渦輪機(jī)的發(fā)電過程中,用鍋爐將水加熱,以產(chǎn)生驅(qū)動渦輪機(jī)的蒸汽進(jìn)行發(fā)電。為了使該過程中所需要的清潔水量最少,必須通過散熱將蒸汽再轉(zhuǎn)換成水,從而可以在該過程中重新利用水。在大建筑物的空調(diào)系統(tǒng)中,強(qiáng)制建筑物內(nèi)的空氣通過裝有已冷卻的氣態(tài)制冷劑的盤管,由此將建筑物內(nèi)的熱量傳遞給制冷劑氣體。然后將加熱過的制冷劑用管子輸送到建筑物外,在此過程中必須從制冷劑中除去余熱,使制冷劑氣體能夠重新被冷卻,繼續(xù)供冷過程。
在上述兩種過程以及許多需要排放余熱的步驟的其他過程中,都使用了冷卻塔。在濕式冷卻塔中,將水泵送通過裝有熱蒸汽、制冷劑或其他熱液體或氣體的冷卻器盤管,由此將熱量傳遞給水。然后將水泵送到冷卻塔的頂部,噴灑在由薄板材料或擋桿構(gòu)成的冷卻塔介質(zhì)上。當(dāng)水向下流過冷卻塔介質(zhì)時,強(qiáng)制環(huán)境空氣通過熱水,通過顯熱傳遞和蒸發(fā)熱傳遞兩者將水的熱量傳遞給空氣。然后強(qiáng)制空氣離開冷卻塔,散發(fā)到周圍的空氣中。
冷卻塔是散發(fā)余熱效果很好而且經(jīng)濟(jì)高效的部件,所以被廣泛用于散熱。然而,冷卻塔的一個缺點(diǎn)是在某些大氣情況中,由來自熱水源的濕氣汽化后成為從冷卻塔頂部排出的氣流可能形成煙縷。在冷卻塔很大的場合,例如在發(fā)電廠的情況下,煙縷可能在冷卻塔附近引起低位霧(low lyingfog)。煙縷也可能導(dǎo)致冷卻塔附近的道路結(jié)冰,在那些地方較低的溫度使煙縷中的濕氣結(jié)冰。
因此,人們曾致力于限制或減少由冷卻塔引起的煙縷。從下面的美國專利中可以得知這類研究的例子授權(quán)于Vouche的美國專利6247682號描述了一種減少煙縷的冷卻塔,在該冷卻塔中,除了將環(huán)境空氣引到冷卻塔的底部以及在熱水向下噴灑到填料組件(fill pack)上時強(qiáng)制環(huán)境空氣向上通過該填料組件外,還使環(huán)境空氣通過熱水噴頭下面的隔開的導(dǎo)熱通道進(jìn)入冷卻塔。這些由如鋁、銅等導(dǎo)熱材料構(gòu)成的通道使環(huán)境空氣吸收一部分熱量,但濕氣沒有被汽化成空氣。在塔的頂部將濕熱空氣(wet laden heated air)和干熱空氣混合,由此減少煙縷。
授權(quán)于Howlett的美國專利4361524號描述了一種防止煙縷的系統(tǒng),在該系統(tǒng)中,熱水在進(jìn)入冷卻塔以前被部分冷卻。用一個獨(dú)立的、具有獨(dú)立的冷卻介質(zhì)例如空氣或水運(yùn)行的熱交換器實(shí)現(xiàn)熱水的部分冷卻。正如該專利中所討論的那樣,這種獨(dú)立的熱交換器使冷卻塔的效率降低,所以只有在冷卻塔產(chǎn)生煙縷的大氣情況下才使用這種熱交換器。
在冷卻塔研究所的1993年年會論文集“Technical Paper NumberTP93-01”中,在Paul A.Lindahl,Jr等人的文章“Plume Abatement and WaterConservation with the Wet/Dry cooling Tower”中還可以看到用于減少濕式冷卻塔中的煙縷的系統(tǒng)的另一個例子。在該論文所描述的系統(tǒng)中,首先將熱水泵送通過干燥空氣冷卻區(qū)段,空氣在此被強(qiáng)制經(jīng)過連接在流道上的換熱翅片。然后將已被部分冷卻的水噴灑在處于干燥空氣冷卻區(qū)段下方的填料組件上,并強(qiáng)制空氣通過該填料組件,以對水進(jìn)一步冷卻。然后強(qiáng)制塔中的濕空氣向上與干燥冷卻過程中被加熱的干燥空氣混合,并將其強(qiáng)制排出塔頂。
雖然上述系統(tǒng)為濕式冷卻塔的煙縷問題提供了有效的解決方案,但它們?nèi)夹枰獜?fù)雜的結(jié)構(gòu),并且需要昂貴的濕式和干式空氣傳熱機(jī)構(gòu)。所以仍需求一種簡單而便宜的濕式和干式空氣冷卻機(jī)構(gòu),其中經(jīng)加熱的干燥空氣在離開冷卻塔以前與濕熱空氣混合,由此減少煙縷。
使用冷卻塔的另一個問題是,用于冷卻的水可能成為濃縮了污染物的水。當(dāng)水從冷卻塔中蒸發(fā)出來時,另外還要再加水,但很容易發(fā)現(xiàn)水中的污染物變得更濃,因?yàn)檫@些污染物不能通過蒸發(fā)而排出。如果將化學(xué)物質(zhì)添加到冷卻水中對水進(jìn)行處理,這些化學(xué)物質(zhì)可能高度濃縮,當(dāng)然不希望將它們排到大氣中。得不到新鮮水或用新鮮水不經(jīng)濟(jì)時,常用海水或廢水代替蒸發(fā)水,此時在冷卻水回路中可能形成鹽和固體顆粒。當(dāng)這些污染物被進(jìn)一步濃縮時,它們將在各蒸發(fā)薄板之間結(jié)塊,因而降低了塔的冷卻效果。
為了防止上述問題,通常的做法就是“排放(blowdown)”部分含有濃縮污染物的水,并用來自水源的新鮮水代替排出的這部分水。雖然這樣可以防止冷卻塔水中的污染物變得過濃,但在排放過程中可能產(chǎn)生排水導(dǎo)致的環(huán)境問題。所以有人曾為減少冷卻塔中的水耗作出了努力。
授權(quán)于Houx等人的美國專利4076771號披露了現(xiàn)有技術(shù)中為減少冷卻塔中的水耗的現(xiàn)狀。在該專利所描述的系統(tǒng)中,在同一系統(tǒng)中設(shè)置了冷卻塔蒸發(fā)熱傳遞介質(zhì)和進(jìn)行顯熱傳遞的盤管部件。盤管的顯熱傳遞可使工藝用水(process water)冷卻,但不消耗水。
雖然上述專利對現(xiàn)有的冷卻塔作出了顯著的改進(jìn),但是理想的是開發(fā)一種用于從煙縷中回收水、再將它返回到冷卻塔的不需要用于顯熱傳遞的盤管部件的水容器中的機(jī)械裝置。
被關(guān)注的另一獨(dú)立問題是為了得到可飲用的飲用水,要對海水進(jìn)行淡化、對其他水源進(jìn)行純化。已經(jīng)開發(fā)出了許多從濕氣流中提取純化水的方法。大多數(shù)商業(yè)方法包括多級急驟蒸餾淡化法、多效蒸餾法、蒸氣壓縮蒸餾法和反向滲透法。這些請參見由International Desalination Association的O.K.Buros準(zhǔn)備、并在1990年由Research Department Saline Water ConversionCorporation改進(jìn)重新生產(chǎn)的“The Desalting ABC’s”。以下是用低溫水脫鹽或去除廢熱的系統(tǒng)的例子。
在2000年8月出版的ADA North American Biennial Conference andExposition報告集中由Lu等人撰寫的題為“Zero Discharge Desalination”的論文提供了有關(guān)從冷氣流中生產(chǎn)新鮮水和從低等級的廢熱源中生產(chǎn)熱濕氣流的裝置的信息。新鮮水沿將兩種氣流分開的壁冷凝。另外,將冷水噴灑在熱濕氣上,從而加強(qiáng)冷凝。
在International Symposium on Desalination and Water Re-Use的1991年第4卷中由Baumgartner等人撰寫的論文“Open Multiple Effect Desalinationwith Low Temperature Process Heat”中提供了用于脫鹽的塑料管熱交換器的信息,該熱交換器的塑料管內(nèi)使用冷流水,熱濕氣在管外流動。冷管的外側(cè)形成冷凝液。
上面的描述表明需要用于脫鹽的系統(tǒng),以便將海水或其他含有高濃度雜質(zhì)的水源轉(zhuǎn)變成純水源。所以,需要一種既簡單又經(jīng)濟(jì)的部件來對作為水源的冷卻塔的流出物進(jìn)行冷凝。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明一方面是提供一種熱交換器,該熱交換器具有一第一組用于接收第一氣流的通道(passage way)。在該熱交換器中還設(shè)置一第二組用于接收第二氣流的通道,第二氣流比所述第一氣流熱。第一組通道中的每一通道與第二組通道中的至少一條通道隔開并且相鄰,以便用第一氣流從第二氣流中吸收熱量。還設(shè)置一個用于收集從所述第二氣流中冷凝出的濕氣的容器。
本發(fā)明另一方面是提供一種熱交換器,該熱交換器具有兩個相對的壁,這兩個壁上帶有可使第一氣流通過的孔。在第一壁的孔和第二壁的相應(yīng)的孔之間設(shè)有管子,以便導(dǎo)引第一氣流通過管子。設(shè)置在一個壁的至少兩個平行邊緣和所述第二壁的相應(yīng)的平行邊緣之間的壁能確保將第二氣流通過所述管子導(dǎo)引到從所述第二氣流中冷凝出的濕氣中。
本發(fā)明的再一方面是提供一種降低氣流的含濕量的方法,其中使具有干燥空氣的流率在10和80每分鐘每平方英尺磅(pda/ft2/min)之間、相對濕度等于或高于90%的第一氣流流過第一組通道。使流率在10和80pda/ft2/min之間、干球溫度比一第二流(second stream)至少低5華氏度(°F)的所述第二氣流流過第二組通道。用薄熱導(dǎo)材料將第一組通道的每條通道與第二組通道的至少一條通道隔開。第二氣流的熱被第一氣流吸收,收集從第二氣流中冷凝出的水。在本發(fā)明的另一實(shí)施方式中,提供一種冷卻塔,該冷卻塔具有一逆流蒸發(fā)介質(zhì)和一將熱水分配到逆流蒸發(fā)介質(zhì)上的水分配系統(tǒng)。還設(shè)置一將第一氣流的熱吸收到第二氣流中的熱交換器,該熱交換器具有第一組通道和第二組通道。冷卻塔中的風(fēng)扇導(dǎo)引空氣通過逆流蒸發(fā)介質(zhì),從而形成所述的第一氣流,該風(fēng)扇導(dǎo)引具有干燥空氣的流率在10和80每分鐘每平方英尺磅(pda/ft2/min)之間、相對濕度等于或高于90%的第一氣流通過第一組通道。該風(fēng)扇還導(dǎo)引流率在10和80pda/ft2/min之間、干球溫度比一第二流至少低5°F的所述第二氣流通過第二組通道。用薄熱導(dǎo)材料將第一組通道的每條通道與第二組通道的至少一條通道隔開。還設(shè)置一個容器用于收集從第一氣流中冷凝出的水。
本發(fā)明的又一方面是提供一種冷卻塔,冷卻塔頂上裝有使冷卻塔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的風(fēng)扇。與噴頭一起設(shè)置一逆流蒸發(fā)介質(zhì),噴頭將熱水噴灑到逆流介質(zhì)上。還設(shè)置一熱交換器,其具有第一組通道和第二組通道,第一組通道使冷卻塔外的氣流流入塔中心,第二組通道使從蒸發(fā)介質(zhì)中流出的氣流通過。來自冷卻塔外的氣流吸收流出氣流的熱量,而使流出物中的水冷凝。
本發(fā)明的再一方面是提供一種冷卻塔,冷卻塔頂上裝有使該冷卻塔內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓的風(fēng)扇。設(shè)置一個叉流蒸發(fā)介質(zhì)以及一個將熱水噴灑到該叉流蒸發(fā)介質(zhì)上的熱水分配系統(tǒng)。設(shè)置一個熱交換器,其具有一第一組通道和一第二組通道,第一組通道使冷卻塔外的第一氣流流入塔中心,第二組通道使從所述蒸發(fā)介質(zhì)中流出的氣流通過。來自冷卻塔外的氣流吸收流出氣流的熱量,由此冷凝來自流出物中的水。
上面已經(jīng)相當(dāng)概括地對本發(fā)明作了概述,通過下面對本發(fā)明的重要特征的詳細(xì)描述可以更清楚地理解本發(fā)明并體現(xiàn)出本發(fā)明對現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)。當(dāng)然,下面也將對本發(fā)明的附加特征進(jìn)行描述,這些特征形成從屬權(quán)利要求請求保護(hù)的內(nèi)容。
就這點(diǎn)而言,在詳細(xì)描述本發(fā)明的至少一實(shí)施方式之前應(yīng)當(dāng)了解本發(fā)明的應(yīng)用并不局限于下面結(jié)合
或描述的結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)和各部件的布置。本發(fā)明可以有其它實(shí)施方式,本發(fā)明可以用不同的方式實(shí)施和實(shí)現(xiàn)。另外還應(yīng)當(dāng)理解的是,本文中的措詞和所用的術(shù)語以及摘要都是為了說明,所以不能認(rèn)為是對本發(fā)明的限定。
因此,本領(lǐng)域的技術(shù)人員很清楚,根據(jù)本發(fā)明所公開的構(gòu)思可以很方便地設(shè)計出完成本發(fā)明各種目的的其他結(jié)構(gòu)、方法和系統(tǒng)。所以,就此而論,重要的是可以認(rèn)為包括了這些等同結(jié)構(gòu)的權(quán)利要求書并沒有超出本發(fā)明的構(gòu)思和保護(hù)范圍。
圖1是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方式的熱交換器的部分透視圖;圖2是為了示出細(xì)節(jié)而將圖1中熱交換器局部放大的透視圖;圖3是熱交換器的焓濕圖;圖4是用于煙縷減少過程的焓濕圖;圖5是具有冷凝濕氣的熱交換器時煙縷減少過程的焓濕圖;圖6是本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖7A和7B是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖8A和8B是本發(fā)明又一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖9是本發(fā)明再一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖10是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖11是本發(fā)明又一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖12是本發(fā)明再一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖13是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖14是本發(fā)明再一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖15示出了本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方式的管式熱交換器;圖16是本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖;圖17是本發(fā)明再一優(yōu)選實(shí)施方式的冷卻塔的區(qū)劃圖。
具體實(shí)施例方式
熱交換器組件現(xiàn)在參見所述附圖,附圖中相同的標(biāo)號表示相同的部件。圖1示出的是蒸汽冷凝熱交換器組件10。熱交換器組件10由一些焊接在一起形成一個組件的薄板12構(gòu)成,該熱交換器組件具有用于兩種不同氣流的第一通道(passageway)14和第二通道16。在一優(yōu)選實(shí)施方式中,兩種氣流以彼此成直角的方式流入熱交換器10,且由薄板12隔開。
薄板12是比較薄的合成樹脂材料,薄板的形狀應(yīng)有助于使流過通道14的含有熱水的氣流(heated water laden air stream)中的蒸汽冷凝,并有助于將熱傳遞給通過通道16的冷氣流。在一優(yōu)選實(shí)施方式中,所述材料的厚度為.005至.040英寸(inches),優(yōu)選厚度為.015至.020inches。表面18可以具有紋理,以便為各種氣流提供加大了的面積,同時使氣流的流動阻力最小。在授權(quán)于Kinney,Jr等人的美國專利5944094號和授權(quán)于Cates的美國專利3995689號中可以找到適合這種用途的紋理圖形的例子,本申請以這些出版物為參考。其他紋理圖形可以包括如類似于高爾夫球紋理那樣的凹痕,和類似于在塑料板上壓制出的網(wǎng)狀圖形那樣的網(wǎng)格圖形,但不限于這些紋理。增大的表面積提高了薄板的傳熱能力,且加大了薄板表面附近的速度變化,這將改善各氣流的局部混合。這種加大了的變化及所引起的氣流的局部混合同樣也能提高薄板的傳熱能力。
如圖2所示,為了防止兩種氣流在熱交換過程中混合,在合成樹脂薄板的第一邊緣上形成一密封部分20。該密封部分由薄板材料12的突出邊緣22構(gòu)成,它位于薄板12的一邊緣上的與空氣通道14的中心匯聚之處,或者換句話說,該密封部分突出于通道14寬度的一半之處。該邊緣密封部分20沿與空氣通道16平行的空氣通道14的長度延伸。
同樣,在與密封部分20垂直的邊緣上借助于薄板材料12的突起邊緣26形成一密封部分24,它匯聚在空氣通道16的中心,或者換句話說,它突起于通道16寬度的一半之處。邊緣密封部分24沿與空氣通道14平行的空氣通道16的長度延伸。
盡管沒有示出,與密封部分20平行的邊緣及與密封部分24平行的邊緣用類似的方法連接。于是,可將垂直通道14、16形成在熱交換器組件中。
一突起邊緣26沿形成的薄板的正向地(positively off of the formed sheet)延伸,另一邊緣22向下或負(fù)向地延伸。在這種配置中,可以只用單個薄板元件形成整個熱交換器組件的主要部分。將多塊薄板12彼此堆疊在上部并翻轉(zhuǎn)另外的每一塊薄板、并將其放在所述前面的薄板上,由此組裝成熱交換器組件,從而實(shí)現(xiàn)這種配置。盡管只描述了三條通道,但很容易理解,在使用時,熱交換器組件可以有許多垂直通道,使用此處描述的薄板12可以形成任意數(shù)量的通道。
為了保持空氣路徑(pathway)的開啟,在薄板材料上形成定位鈕或按鈕。使這些按鈕象邊緣密封部分那樣地隔開,它們或者從形成的薄板沿正向延伸28,或者從形成的薄板沿負(fù)向延伸30,延伸的距離是空氣通流口(passageopening)寬度的一半。在一優(yōu)選實(shí)施方式中,當(dāng)沿空氣流過通道16的方向看時,正向延伸的按鈕28是具有一個平頂表面的圓錐形。當(dāng)安放在一起的時候,將一薄板的各按鈕的平表面布置成與相鄰薄板上的各按鈕的平表面相對。每一個正向突起的按鈕28沿與空氣流動方向平行的薄板的長度延伸。在一優(yōu)選實(shí)施方式中,負(fù)向突起的按鈕30的形狀與正向突起的按鈕28的形狀相同,但負(fù)向按鈕為垂直取向。另外,將一薄板的各負(fù)向突起按鈕30布置成與相鄰薄板上的各負(fù)向突起按鈕相對。在Kinney的′094號中可找到對薄板進(jìn)行定位和互鎖的另一種定位的實(shí)施方式。
上面的特征被設(shè)計成能保持空氣通道具有恒定的寬度,并在壓差作用在兩通道之間時可防止通道塌陷。按鈕的結(jié)構(gòu)也被設(shè)計成對空氣流的阻力最小,同時具有足以防止通道塌陷的結(jié)構(gòu)。
不論是用于冷氣流還是用于含蒸汽的氣流,每一通道的寬度都可以根據(jù)具體任務(wù)的設(shè)計條件變化。另外,冷空氣通道16和含蒸汽的空氣通道14不一定具有相同的寬度。具體而言,對于本發(fā)明的給定任務(wù)來講,通道的最小寬度為0.5inches,最大寬度為3.0inches,優(yōu)選寬度在1.0到1.5inches之間。
薄板總成的組件的整體尺寸根據(jù)與發(fā)明相關(guān)的具體設(shè)計任務(wù)而變。但是,設(shè)計所考慮的最小組件尺寸是2英尺(feet)乘以2feet,最大組件尺寸是6feet乘以24feet。
到達(dá)熱交換器組件工作面上的空氣的特點(diǎn)在于整個工作面面積上的質(zhì)量流。通常用每分鐘每平方英尺面積干燥空氣的磅數(shù)(pda/ft2/min)表示。在本優(yōu)選實(shí)施方式中,每一組空氣通道的質(zhì)量流約在10pda/ft2/min到約60pda/ft2/min之間。
對于三種過程、即水保存、水純化和減少煙縷過程的優(yōu)選實(shí)施方式來講,熱濕氣流的溫度通常用冷卻塔和其他廢熱排出裝置經(jīng)受的溫度表示。這些溫度的范圍最高約150°F,最低約為40°F。蒸發(fā)冷卻塔通常排出飽和或接近飽和(相對濕度約100%)的空氣。對于本發(fā)明來講,提供相對濕度約為90%或更高的空氣的類似蒸發(fā)設(shè)備均是可行的。相對濕度低于約90%的氣流需要傳遞大量顯熱,以便將氣流冷卻到它們各自的露點(diǎn)溫度,只有在露點(diǎn)氣流到達(dá)飽和曲線后才可出現(xiàn)冷凝。
用于本優(yōu)選實(shí)施方式的熱交換器組件的工作壓力與一般冷卻塔的工作壓力大體相同,在+/-6毫巴(millibar)的范圍內(nèi)。通常冷卻塔的工作壓力為大氣壓或接近大氣壓。冷卻塔裝有軸流式風(fēng)扇和/或風(fēng)機(jī),也可為公知的離心風(fēng)扇,風(fēng)扇造成大氣壓力的輕微變化,以使產(chǎn)生的氣流通過填充介質(zhì)噴淋和吹凈擋水板。由于需要使壓力從大氣壓力發(fā)生變化來強(qiáng)制空氣通過塔,所以這些不同的構(gòu)件使空氣流動因摩擦和速度差而受到限制。這些壓力對于軸流風(fēng)扇系統(tǒng)來講通常為+/-3millibar的范圍,而對于具有風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)來講為+/-6millibar的范圍。通常認(rèn)為這些在較小的壓差下工作的冷卻塔系統(tǒng)的工作壓力為常壓。
一般冷凝過程如上所述,將蒸汽-冷凝熱交換器設(shè)置成具有用于兩種不同氣流的通道的組件。來自外部氣源或從周圍大氣的氣團(tuán)(air mass)中的冷空氣被送入通道16中。獲得冷空氣的方法與具體應(yīng)用的裝置有關(guān)。冷空氣的溫度一般比相對通道14中的氣流的氣團(tuán)的溫度低得多。在相對通道14中,熱濕空氣被送到所述通路(path)中。熱濕空氣通常使水蒸汽達(dá)到飽和,或者是具有等于或接近所得到的濕球溫度的干球溫度。所述氣團(tuán)類似于由用于將過程中的廢熱排出的冷卻塔產(chǎn)生的氣團(tuán)。但是,對于如蒸發(fā)冷凝器之類的設(shè)備的輸入也可以用產(chǎn)生類似熱濕氣流的其他過程和方法。
如圖3的焓濕圖所示,熱濕氣處在所示飽和曲線的點(diǎn)32上。飽和曲線上的點(diǎn)32的位置表示在高溫下熱濕氣100%地使水蒸汽達(dá)到飽和。進(jìn)入其他通道的冷卻空氣處在飽和曲線以下的某一點(diǎn)34上。焓濕圖上冷卻空氣位置表示其溫度低于進(jìn)入的熱氣溫度。與該氣流相關(guān)的含濕量通常與裝置的功能度無關(guān)。但在煙縷減少的情況下,進(jìn)入的空氣的含濕量不僅影響“混合(mix)”的含濕量,而且影響混合線的斜率。
當(dāng)這兩種氣流通過熱交換器時,熱氣流受到冷卻,而冷氣流的溫度升高。因?yàn)閮煞N氣流實(shí)際上彼此不接觸,所以冷氣流以氣流中不添加水分或不從氣流中除去水分的方式被加熱。作為氣流的顯熱這是公知的。正如焓濕圖所示出的那樣,離開熱交換器的冷空氣36溫度升高,但含濕量保持恒定。
熱濕氣從飽和曲線上的起始點(diǎn)32冷卻到低溫。當(dāng)熱濕氣團(tuán)被冷卻時,必然使氣流的含濕量降低。由于氣流得到100%的飽和,所以可從氣流中冷凝出水,所得到的生成物38的溫度沿100%的飽和曲線下降到新的較低溫度。熱飽和氣流中損失的熱量必然等于冷干燥氣流中增加的熱量。
從脫鹽研究中偶然發(fā)現(xiàn),排入換熱器中的空氣的干燥空氣比期望的多得多。這種發(fā)現(xiàn)就可以用以前以為不合適的裝置減少煙縷。傳統(tǒng)知識曾提議用于減少煙縷的氣-氣熱交換器的效率比如Kinney的′094號所公開的盤管或塑料熱交換器之類的水-氣熱交換器的效率低得多。從塔外抽吸冷環(huán)境空氣,并將其合理地加熱。加熱空氣的熱源應(yīng)有助于水遍及空氣,這是因?yàn)樗馁|(zhì)量很大。例如在′094號中所披露的塑料熱交換器,通常流率為20gpm/sf或更高。所以質(zhì)量流量通常為20gpm/sf×8.33Ibm/gallon=167Ibm/sf/min或更高。上面所述的氣-氣熱交換器在10至80pda/sf/min范圍內(nèi)工作。通過乘以干燥空氣流速的倍數(shù)(1+ws)確定總質(zhì)量流,其中ws是比濕。假設(shè)飽和空氣為100°F,則比濕ws是0.0432。氣流的質(zhì)量從10.4Ibm/sf/min到83.5Ibm/sf/min之間變化。所以,′094號的塑料熱交換器的水的質(zhì)量流量通常比本發(fā)明的空氣的質(zhì)量流量大好幾倍。為了比較干燥熱量,氣/氣熱交換器的空氣看來要求改變這兩種氣流的溫度,使氣流的溫度變成′094的熱交換器的水流溫度的好幾倍。為了實(shí)現(xiàn)相同的傳熱,除非將表面積增加,使該面積比水-氣熱交換器的表面積大幾倍,否則認(rèn)為這是不可能的。所以,似乎要將氣-氣熱交換器的尺寸增加到難以控制的比例或不經(jīng)濟(jì)的比例。但是,當(dāng)用上述圖1的熱交換器10時,如前所述,使熱濕氣流經(jīng)受冷凝過程。在冷凝過程中,熱氣與冷表面接觸,空氣中的水冷凝出來。在該過程中,既釋放顯熱又釋放潛熱,絕對濕度降低。由于裝置中傳遞顯熱和潛熱,所以效率比上述考慮的可能的效率要高許多。
在熱濕氣的通道14中,當(dāng)蒸汽與冷卻通道的冷表面接觸時,就在具有熱濕氣流的通道表面上形成冷凝液滴。這些液滴是熱濕氣被冷卻和所得到的氣流中濕氣減少的結(jié)果。這些液滴聚集在薄板上,并流向薄板的熱濕氣流通道表面的下面。在薄板上冷凝的濕氣或者可以被收集在薄板的底部,或者可以返回到初始水源。下面將進(jìn)一步描述這種水的利用。
用于熱交換器的過程A.用于冷卻塔的水保存如上面所討論的那樣,流過熱交換器通道的熱濕空氣被冷卻,使含濕量降低。熱濕氣含濕量降低,使得薄板的熱氣通道上形成水滴。這些水滴聚集在薄板底部并從底部落下。從濕氣流回收的水可以用于減少冷卻塔設(shè)備的水消耗。
冷卻塔通過蒸發(fā)過程降低處理水的溫度,因而該冷卻塔提供了將熱量從系統(tǒng)中除去的場所。除去的熱量通常不用于其它過程,這種熱量稱作“低質(zhì)廢熱”,并被釋放到周圍的大氣中。通過冷卻塔的處理,一定比例的工藝用水流過系統(tǒng)循環(huán)時因蒸發(fā)而受到損失。通過蒸發(fā)損失的水量通常是總流率的0.5-3%之間。通常,工藝用水每冷卻10°F,損失大概為0.8%。水的損失使冷卻塔設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用增加。
經(jīng)蒸發(fā)離開塔的水處于純蒸汽狀態(tài),所以,其它雜質(zhì),例如固體、溶解固體、鹽等留在工藝用水中。在所有時間,由于提取出純水,所以這些雜質(zhì)聚集在工藝用水中。為了減少雜質(zhì),需不斷地除去一定比例的工藝用水。從系統(tǒng)中除去水稱之為排放。所以,為了使冷卻塔運(yùn)行,必須添加水,既用于補(bǔ)償水的蒸發(fā),又用于補(bǔ)償所需要的排放。因?yàn)楹谢瘜W(xué)物質(zhì)的水的質(zhì)量和增加與排放水相關(guān)的調(diào)節(jié),在很多情況下難以直接將水排放到周圍環(huán)境中。因此,由于減少了排放量,所以有明顯的經(jīng)濟(jì)效益.
利用上面所述的圖1中的氣-氣熱交換器10,可以將從熱濕氣流中回收的水返回到系統(tǒng)中。其效果不僅減少了塔的蒸發(fā),而且減少了系統(tǒng)所需要的排放。下面描述裝有這種熱交換器的冷卻塔的結(jié)構(gòu)。由于返回到冷卻塔中的水幾乎為純水,因此在任何情況下,水的質(zhì)量都比原有補(bǔ)充水的質(zhì)量好。水質(zhì)量的這種改善從根本上減少了用于冷卻塔過程中所需要的化學(xué)物質(zhì)的量。
為了使熱交換器有效運(yùn)行,并使回水返回到系統(tǒng)中,進(jìn)入冷氣通道的空氣的溫度必須低于進(jìn)入相對通道中的熱空氣的溫度。對于儲水設(shè)備來講,當(dāng)這兩個溫度接近相同值時,返回到水槽中的水量較少。如果熱交換器冷卻側(cè)為環(huán)境空氣的溫度,而且沒有被其他部件冷卻,則當(dāng)溫度較低或在冬季運(yùn)行時,熱交換器就會返回較多的水。在夏季運(yùn)行時,熱交換器返回較少的水。返回容器的常規(guī)水量范圍是從冬季幾個月的蒸發(fā)水的40%到夏季運(yùn)行期間的蒸發(fā)水的3%。按一年度計算的話,返回的水根據(jù)區(qū)域的不同約為10%到30%。下面的表1說明夏季和冬季在不同區(qū)域中回收蒸發(fā)水的百分比。對于從冷卻塔流出物中回收的最多水量來講,提供的數(shù)值是以25°F時地區(qū)情況和電廠負(fù)載為基礎(chǔ)的,
B.水的純化和脫鹽冷卻塔在蒸發(fā)/散熱過程中產(chǎn)生熱濕空氣。這種熱濕空氣含有幾近純凈的蒸汽,而且?guī)缀鯖]有如固體、溶解固體、鹽和化學(xué)物質(zhì)之類的雜質(zhì)。當(dāng)采用這種熱交換器時,可以回收大部分純凈蒸汽。除了將水重新循環(huán)回到冷卻塔容器中以外,當(dāng)純凈蒸汽轉(zhuǎn)變成水時,該純凈蒸汽可以用于其他需要清潔水源的用途中。因?yàn)槌杀九c為冷卻塔提供的工藝用水有關(guān),所以所用的補(bǔ)充水通常要么是來自海水源中的鹽水,要么是來自工業(yè)過程中的廢水。當(dāng)將這種熱交換器用作水的回收裝置時,這種熱交換器能夠轉(zhuǎn)換水,換句話說,可轉(zhuǎn)換質(zhì)量不合乎要求的水。
雖然不純,最后得到的水可以基本沒有雜質(zhì)。但細(xì)菌、生物雜質(zhì)和少量溶解固體可能被帶到蒸汽中。另外,少量的工藝用冷卻水也可能被帶到濕氣流中并污染冷凝水。在冷卻塔工業(yè)中將這種夾帶稱作“漂移(drift)”。為獲得質(zhì)量更理想的水,可以采用二次純化過程。該過程的優(yōu)越性可以在將海水淡化以產(chǎn)生飲用水的情況中看到。在海水淡化的情況中,過程中費(fèi)用最高的步驟之一是將鹽除去??蓪⑸鲜隼鋮s塔回收過程用于顯著地降低鹽的含量,從而將費(fèi)用較低的過程用于水的最終純化??梢杂糜谧罱K純化過程的例子是反向滲透過程。
除將從熱交換器組件中回收的水收集在一個獨(dú)立容器中外,其他應(yīng)用中的回收水的過程與上面對保存水部件已經(jīng)描述的過程相同。下面描述冷卻塔與一回收容器一起應(yīng)用的細(xì)節(jié)。
當(dāng)采用水保存塔(water conservation tower)時,如果將周圍空氣用作冷卻側(cè)溫度源,當(dāng)夏季各月空氣溫度升高時清潔水的產(chǎn)量將減少。以年度計算的話,通常從該系統(tǒng)中回收的水為總蒸發(fā)水的20%到25%。如果能用冷氣源或冷水源的話,則可以從系統(tǒng)中回收更多的水。例如,如果能用冷海水源,則該海水源可用來冷卻進(jìn)入熱交換器的冷卻通道中的空氣。當(dāng)熱交換器薄板熱側(cè)和冷卻側(cè)之間的溫差增加時,冷凝將增加,因而將產(chǎn)生更多的清潔水。下面描述在有冷海水源時可以提高清潔水生產(chǎn)率的結(jié)構(gòu)。
因?yàn)楫a(chǎn)生熱濕空氣,所以水純化裝置非常適合用在冷卻塔中,當(dāng)然其他產(chǎn)生熱濕空氣的裝置也可以與該裝置結(jié)合使用。
C.減少冷卻塔的煙縷本發(fā)明的熱交換器也可用于減少冷卻塔的可見煙縷。這種過程與水保存過程基本相同。唯一的差別就是將冷卻側(cè)通道中被加熱的冷空氣與帶有含熱濕氣的氣流混合。通過與常規(guī)的減少煙縷的塔的冷卻程度不同(approach different),這兩種氣流的混合物可以有效地減少存在的可見煙縷。
在圖4的焓濕圖中示出了一種用于減少冷卻塔中的可見煙縷的典型方法。如該圖所示,從冷卻塔的蒸發(fā)區(qū)段中流出的空氣是100%的飽和熱空氣40。來自熱源的熱水還被送到處于塔的所述側(cè)的盤管或另一熱交換器中。熱水用來加熱環(huán)境空氣42。然后空氣通過熱蒸發(fā)區(qū)段和水/氣熱交換器。對流過水/氣熱交換器的環(huán)境空氣42加熱,但含濕量沒有任何變化(即顯熱傳遞)44。然后干燥熱空氣44被排出氣-水熱交換器。
然后將排出氣-水熱交換器的干燥熱氣流44與離開冷卻塔蒸發(fā)區(qū)段的濕氣流40混合。這兩種氣流的混合形成氣流46,該氣流的參數(shù)(property)表現(xiàn)為將離開冷卻塔的氣流46的溫度和環(huán)境空氣42的溫度在焓濕圖上用一條線連接時,該連線48與100%的飽和曲線不相交。如果環(huán)境空氣與排出的空氣混合時的連線48與100%的飽和曲線相交,則來自蒸發(fā)區(qū)段的氣流的水蒸汽將出現(xiàn)冷凝,產(chǎn)生可見煙縷或霧。100%飽和曲線以上的區(qū)域是過飽和區(qū)域,也稱作霧區(qū)。所以,應(yīng)將系統(tǒng)設(shè)計成使得在給定的設(shè)計條件下離開冷卻塔的氣團(tuán)的參數(shù)和環(huán)境空氣團(tuán)的參數(shù)結(jié)合時不出現(xiàn)可見煙縷。
利用本發(fā)明圖1的熱交換器10,通過降低來自蒸發(fā)區(qū)段的氣流的含濕量和為減少煙縷而提供熱的干燥熱源,可以改進(jìn)常規(guī)方法。減少熱濕氣流中的含濕量就是降低氣流的絕對濕度。通過使用上述氣-氣熱交換器可將來自冷卻塔蒸發(fā)區(qū)段的空氣的含水量減少。所述干燥熱氣源就是來自冷卻空氣通道的在熱交換器中被加熱的環(huán)境空氣。
在圖5的焓濕圖中示出了用本發(fā)明的氣-氣熱交換器減少煙縷的過程。當(dāng)來自冷卻塔蒸發(fā)區(qū)段的空氣40通過熱交換器時,溫度和含濕量都降低50。環(huán)境空氣42在形成干燥熱氣流52的相對通道中被加熱。使兩種氣流混合在一起,形成的最后氣團(tuán)54處于飽和曲線下方。當(dāng)環(huán)境空氣42與來自冷卻塔中的兩種氣流54的混合物的氣團(tuán)混合時,這些參數(shù)在曲線的過飽和區(qū)或霧區(qū)不相交。這由焓濕圖上的一條連接環(huán)境氣團(tuán)42和混合氣團(tuán)54的連線56表示。
因?yàn)榭赡苄纬蔁熆|的濕氣在進(jìn)入周圍環(huán)境中以前已經(jīng)從塔中除去了一部分,上述的用于減少煙縷的方法對于減少煙縷很有效。因?yàn)樵跓峤粨Q器系統(tǒng)中不用水,所以這種方法不復(fù)雜。因?yàn)樵跓峤粨Q器中不用水,所以為冷卻塔提供其他管道系統(tǒng)的復(fù)雜性也不存在。
冷卻塔結(jié)構(gòu)圖6示出了使用上述熱交換器的冷卻塔58的第一優(yōu)選實(shí)施方式。在該結(jié)構(gòu)中,熱交換器10以逆流的方式安排在蒸發(fā)介質(zhì)60的上方。熱交換器的這種布置對于儲水和減少煙縷的結(jié)構(gòu)來講是最適合的。下面描述該冷卻塔所使用的過程。
將來自熱源的熱水泵送通過具有噴頭的管道62,并將熱水噴灑到蒸發(fā)介質(zhì)60上。一臺(或多臺)軸流風(fēng)扇64促使冷環(huán)境空氣的氣流66通過蒸發(fā)介質(zhì)。空氣在蒸發(fā)介質(zhì)60中被加熱,濕氣被蒸發(fā)為氣流。然后將含有被加熱的水的空氣導(dǎo)引通過熱交換器10的氣流通道14。同時還將環(huán)境空氣68導(dǎo)引通過熱交換器的與含有被加熱的水的空氣流垂直的獨(dú)立通道16。冷環(huán)境空氣68在熱交換器上形成冷卻表面,以便蒸汽在該表面上冷凝。冷凝液15從熱交換器落下后返回到冷卻塔的主要水收集區(qū)域中。為清楚起見,圖中將冷凝水滴的尺寸放大了。排出熱交換器10的兩種氣流70、72在風(fēng)扇入口附近混合。
當(dāng)氣-氣熱交換器10被裝到冷卻塔中時,熱交換器對風(fēng)扇64將產(chǎn)生阻力。在裝入熱交換器10以后,為了保持通過冷卻區(qū)段的流率相同,增加的阻力將要求風(fēng)扇64的功率增大。如圖7A和7B所示,在運(yùn)行期間,當(dāng)需要冷卻塔具有更好的性能時,可以使塔中的氣門74開啟。當(dāng)開啟這些氣門74時,大量空氣將繞過熱交換器10直接到達(dá)風(fēng)扇64。這將減小因熱交換器10造成的空氣阻力,增加流過冷卻塔介質(zhì)60的空氣量。由于增加了通過介質(zhì)60的氣流,就能提高冷卻塔的性能。但是,當(dāng)繞過熱交換器10時,水的保存、水的純化以及煙縷減少的過程將會停止。
圖8A和8B中示出了門的另一實(shí)施方式。在該結(jié)構(gòu)中,門76不僅提供使熱濕空氣繞過熱交換器10的手段,而且還提供關(guān)閉熱交換器冷側(cè)的手段。實(shí)際上它成為了風(fēng)門。
減小熱交換器10中的阻力的另一方法是增大熱交換器組件的流動面積。如圖9所示,為使兩種不同氣流(熱濕氣和冷環(huán)境空氣)流過冷卻塔的單個風(fēng)扇64,堵塞一部分冷卻塔介質(zhì)的流動面積。由于堵塞一部分流動面積,氣流速度必然增加。當(dāng)通過熱交換器10時,增加的流速引起較大的阻力。為了減少這種阻力,可以將熱交換器的流動面積擴(kuò)大,使擴(kuò)大量等于堵塞量。在這種結(jié)構(gòu)中,實(shí)際上熱交換器組件10為伸出冷卻塔介質(zhì)60的有效的突梁形式。這樣就減少了熱濕空氣通過熱交換器的速度,并減少了系統(tǒng)中的壓降。
圖10所示的構(gòu)成熱交換器10的第三種方式在于將熱交換器組件10的上坡部分(upward)80朝風(fēng)扇64傾斜。這種結(jié)構(gòu)使熱交換器的流動面積增加,減少如上所述的壓降。由于路徑的出口位置更加朝向風(fēng)扇64,所以這種結(jié)構(gòu)使空氣在熱交換器10的面朝內(nèi)的部分68上流動的空氣通路(冷通路)得到改進(jìn)。改進(jìn)的空氣通路使熱交換器冷卻側(cè)的阻力和壓降減小。不使熱交換器10成為伸出冷卻塔介質(zhì)60的突梁形式也可實(shí)現(xiàn)傾斜熱交換器10。
在圖11所示的結(jié)構(gòu)中,熱交換器組件10的上部82的長度被減小。在該結(jié)構(gòu)中,因?yàn)橛糜诹鬟^濕熱空氣的熱交換器介質(zhì)較小,所以系統(tǒng)的壓降減小,而且這種結(jié)構(gòu)還使?jié)駳饬髋c干燥氣流進(jìn)行更好的混合。在減少煙縷的過程中,這兩種氣流的混合是很重要的,以確保熱濕空氣不與冷環(huán)境空氣混合而形成霧。同樣,如圖12所示,可以減小熱交換器組件10下部的長度84,以便減小壓降。
在冷卻塔的另一實(shí)施方式中,如圖13所示,用叉流介質(zhì)86代替逆流蒸發(fā)介質(zhì)。使熱交換器介質(zhì)10位于叉流冷卻塔通風(fēng)中的排出濕氣流的通路中。在該結(jié)構(gòu)中,熱交換器10和蒸發(fā)介質(zhì)86的這種布置對于水的純化過程以及減少煙縷的過程均是最好的。下面描述這種冷卻塔的運(yùn)行。
將來自熱源的熱水泵送到水分配系統(tǒng)88,并且將熱水分配到叉流蒸發(fā)介質(zhì)86上。軸流風(fēng)扇64促使環(huán)境空氣流過蒸發(fā)介質(zhì)86和熱交換器10的面朝內(nèi)的板16。將離開蒸發(fā)介質(zhì)86的氣流向上導(dǎo)引,使之通過蒸汽-冷凝介質(zhì)(熱交換器)10的面朝外的板14。冷環(huán)境空氣90使面朝外的板上的蒸汽冷凝。冷凝液從熱交換器上落下,返回到可以收集冷凝液的容器92中以作它用,或返回到主循環(huán)水系統(tǒng)中。來自面朝內(nèi)的板和面朝外的板94、96兩者的氣流在風(fēng)扇入口附近混合。
應(yīng)當(dāng)理解的是,圖7A、7B、8A和8B所示的用于逆流冷卻塔的門74和76可以很方便地裝到叉流冷卻塔結(jié)構(gòu)中。此外,可將圖10、11和12所示的用于逆流冷卻塔的傾斜式熱交換器組件10和臺階式熱交換器組件10很方便地裝到叉流冷卻塔結(jié)構(gòu)中。
在系統(tǒng)作為水純化系統(tǒng)或脫鹽系統(tǒng)運(yùn)行時,可以不將環(huán)境溫度冷卻到足以從冷凝過程中獲得所期望的清潔水輸出的溫度。為了有助于從熱交換器10中輸出清潔水,需要二次系統(tǒng)來降低進(jìn)入熱交換器10冷卻側(cè)的溫度。如圖14所示,可以在熱交換器10的冷卻側(cè)的前面設(shè)置另一組冷卻塔傳熱介質(zhì)98。該冷卻塔介質(zhì)98噴灑冷水以便冷卻進(jìn)入的空氣??尚械睦渌纯梢允呛K椿蚱渌拳h(huán)境干球更冷的大水源。如果濕球溫度較低,則冷水源不一定非得顯著低于環(huán)境干球。于是,空氣進(jìn)入冷卻塔介質(zhì),空氣的溫度在進(jìn)入熱交換器冷卻側(cè)以前就被降低。
在圖15所示的另一實(shí)施方式中,用管式熱交換器100代替薄合成樹脂板組件10。這種管式熱交換器的熱力學(xué)性能與薄合成樹脂板組件的熱力學(xué)性能相同。管式熱交換器的管子102可以用與上面所述的熱交換器相同的薄合成材料制成,也可以用耐腐蝕金屬如鍍鋅爐用管構(gòu)成。將這些管子102固定到具有孔的板104上,使在管內(nèi)流動的冷環(huán)境空氣106與流過管子的熱濕空氣108分開。在一優(yōu)選實(shí)施方式中,管子102的直徑為6inches。用這種熱交換器100的冷卻塔的結(jié)構(gòu)與上面所述的相同。
在圖16的逆流系統(tǒng)的冷卻塔和圖17的叉流系統(tǒng)的冷卻塔的另一些實(shí)施方式中,可以通過一根或多根管道110將外部環(huán)境空氣送到處于強(qiáng)制通風(fēng)區(qū)中的熱交換器組件10。這些熱交換器組件通常為交錯的對角圖形。在這種圖形中,所述組件不是彼此直接堆放在上面的,由此減少了系統(tǒng)中的總壓降。通過為每一個熱交換器區(qū)段提供冷環(huán)境空氣,并由此在每一個熱交換器區(qū)段中形成最大的傳熱,該實(shí)施方式減少了所需要的熱交換器10的總量。在這種結(jié)構(gòu)中,由于兩種氣流相互混合,這種幾何形狀使混合更佳。這有助于減少煙縷。
在兩種不同氣流之間傳熱的氣-氣熱交換器通常用在工業(yè)過程和發(fā)電過程中。一種氣-氣熱交換器稱作板翅式熱交換器。這些熱交換器通常由金屬制成,并包括一塊由一系列波紋板分開的平板。所述波紋板用于對熱交換器進(jìn)行結(jié)構(gòu)支撐、通過改進(jìn)邊界層的流道結(jié)構(gòu)提高傳熱,并提高分隔板(翅片)的熱導(dǎo)率。分隔板也稱作隔板,它將兩種氣流分開,并通過熱傳導(dǎo)使這兩種氣流之間進(jìn)行傳熱。請參見“Process Heat Transfer”,Hewitt,Shires,andBott,CRC,Press,Inc.1994。
本發(fā)明的熱交換器的一個優(yōu)點(diǎn)是重量輕。對于圖16所示的優(yōu)選實(shí)施方式來講,具有六個分段的塔的運(yùn)行重量約為1100Ibs。而參數(shù)相當(dāng)?shù)乃芰蠠峤粨Q器的運(yùn)行重量,例如Kinney的′094號中的熱交換器的運(yùn)行重量約為2200Ibs。此外,′094號的發(fā)明將重量集中在外置塔上,而圖16的熱交換器的重量分散在三個分段上。這樣就減少了附加到各塔上的負(fù)載量。重量或質(zhì)量的減少也是地震設(shè)計所要求的。
本發(fā)明的經(jīng)濟(jì)效益在于使常規(guī)的煙縷減少,并將水儲存起來。如上所述,氣-氣熱交換器節(jié)省了必須用管子將熱水傳送到冷卻塔干燥區(qū)段上的費(fèi)用。這不僅節(jié)省了安裝管子的費(fèi)用,而且還節(jié)省了將水泵送到干燥區(qū)段的費(fèi)用。然而,由于風(fēng)扇抽吸濕氣流使之通過氣-氣熱交換器,所以風(fēng)扇經(jīng)受的靜壓增大。當(dāng)與傳統(tǒng)的具有使頭部最小的虹吸環(huán)路的兩個旁路盤管(psaacoils)比較時,本發(fā)明需要的功率幾乎與其相同,或者與單個旁通盤管或與Kinney的發(fā)明′094號相比較,本發(fā)明需要較小的功率。在后一種情況下,節(jié)省的總功率約為頭部的15’的量,對于200,000gpm的塔流量來講,這差不多為900horsepower。按$0.03/kw-hr計算,每年節(jié)省約$175,000。
比節(jié)省功率更重要的是節(jié)省的維修費(fèi)用和所需的水量費(fèi)用。通常盤管的管子直徑為1”-1.25”。再大的管子通常不能滿足所要求的傳熱。水質(zhì)必須足以防止管子結(jié)污和堵塞。在海水或鹽水的情況下,傳統(tǒng)翅片管必須由優(yōu)質(zhì)材料構(gòu)成。通過使用如Kinney的′094號公開的塑料熱交換器可以省略這種材料,該發(fā)明公開的內(nèi)容在此引為參考。但是,Kinney的′094號中的熱交換器的水通道比盤管更受限制。如果水質(zhì)不夠好,必須進(jìn)行過濾處理或化學(xué)處理來提高和保持水質(zhì)。這樣做的費(fèi)用是很高的。本發(fā)明節(jié)省了為提高和保持水質(zhì)所花的費(fèi)用。濕氣流中的濕氣基本上是純的,它不會對氣-氣熱交換器造成污染。本發(fā)明可用水質(zhì)不如為減少煙縷所能考慮的水或儲存水的水。
另外,某些冷卻塔還可以用含有比熱交換器通道大可能堵塞所述通道的有機(jī)物殘?jiān)乃R粋€例子是“直通(once through)”式發(fā)電廠的應(yīng)用,其中從河中或其他水源抽水,水在通過冷凝器時受到加熱,在排回水源之前將其送到冷卻塔。冷卻塔的濕區(qū)段可以有擋濺填料(splash fill)和大孔的配水噴嘴,如授權(quán)給本受讓人的美國專利4700893號所描述的那樣。該′893號發(fā)明已經(jīng)市場化,其孔徑為1.875”和2.5”,從理論上講是比較大的。所以,可以使用的水所含的有機(jī)物殘?jiān)纫郧暗挠糜跍p少煙縷的水所含的有機(jī)物殘?jiān)s質(zhì)大。
冷卻塔的濕區(qū)段可以有擋濺填料和大孔的配水噴嘴,例如Bugler的美國專利4700893號所描述的那樣,本文將該專利引為參考。因此可以節(jié)省為進(jìn)行污物檢修和提高水質(zhì)所花的費(fèi)用。這樣每年在大型電廠冷卻塔上就可節(jié)省$1,000,000。
最后,本發(fā)明的前期投資費(fèi)用比現(xiàn)有技術(shù)的少。通常減少煙縷的塔的費(fèi)用是常規(guī)的僅為濕塔的兩至三倍。對于大型電廠設(shè)備來講,減少煙縷的塔的費(fèi)用可以是$6,000,000或更多。本發(fā)明可以比傳統(tǒng)盤管技術(shù)節(jié)約$1,000,000或更多。
對于脫鹽來講,每1000gallons的水約為$1.50,而多級閃蒸淡化需$4,反向滲透需$3。本發(fā)明需要二次處理以生產(chǎn)飲用水。這樣增加約$0.50/1000gallons。對于每天產(chǎn)量為5,000,000gallons的工廠來講,這種工藝每天可以節(jié)省$5,000-$7,500,一年約為$2,000,000。
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的煙縷減少可作為用于在不增加費(fèi)用的前提下設(shè)計的脫鹽的塔的副產(chǎn)品。此外,對于需要減少煙縷的冷卻塔來講,通過利用本發(fā)明,脫鹽可以是用于收集的費(fèi)用很低的副產(chǎn)品。本發(fā)明的許多特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)從說明書的詳細(xì)描述中已清楚地顯現(xiàn)出來,所以,權(quán)利要求書覆蓋了本發(fā)明的落入本發(fā)明的構(gòu)思和保護(hù)范圍內(nèi)的所有這些特征和優(yōu)點(diǎn)。另外,由于本領(lǐng)域技術(shù)人員無需創(chuàng)造性勞動就能進(jìn)行各種改型和變換,所以希望不要將本發(fā)明限制在與上面已描述及圖示出的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行絲毫不差的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行中,因此,所有適當(dāng)?shù)母男秃偷韧锒悸湓诒景l(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種減少氣流的含濕量的方法,包括如下步驟將一具有干燥空氣的流率在10和80每分鐘每平方英尺磅之間、相對濕度等于或高于90%的第一氣流導(dǎo)引通過第一組通道,將具有流率在10和80每分鐘每平方英尺磅之間、干球溫度比一第二流至少低5華氏度的所述第二氣流導(dǎo)引通過第二組通道,用薄熱導(dǎo)材料將所述第一組通道的每條通道與所述第二組通道的至少一條通道隔開;將所述第二氣流中的熱吸收到所述第一氣流中;及收集從所述第二氣流冷凝出的水。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中,所述導(dǎo)引第一氣流的步驟和所述導(dǎo)引第二氣流的步驟由單個空氣導(dǎo)引裝置實(shí)現(xiàn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法,其中,所述空氣導(dǎo)引裝置是一風(fēng)扇。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法,其中,所述每條第一通道和每條第二通道內(nèi)的壓力在正6毫巴和負(fù)6毫巴之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中,所述每條第一通道和每條第二通道內(nèi)的壓力在正3毫巴和負(fù)3毫巴之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法,其中,所述第一氣流從冷卻塔的流出物中獲得。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中,所述第二氣流從冷卻塔外的環(huán)境空氣中獲得。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中,還包括將所述收集的水返回到所述冷卻塔容器中的步驟。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法,其中,還包括純化所述收集水的步驟。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法,其中,所述純化收集水的步驟用反向滲透法完成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法,其中,所述第二組通道由圓柱管構(gòu)成,其中所述第二組通道是所述圓柱管周圍的所述空間。
12.一種減少氣流含濕量的設(shè)備,包括將第一氣流中的熱吸收到第二氣流中的部件,所述吸收部件具有一組第一通道和一組第二通道;將具有干燥空氣的流率在10和80每分鐘每平方英尺磅之間、相對濕度等于或高于90%的一第一氣流導(dǎo)引通過所述吸收部件的所述第一組通道、并將流率在10和80每分鐘每平方英尺磅之間、干球溫度比一第二氣流至少低5華氏度的所述第二氣流導(dǎo)引通過所述吸收部件的所述第二組通道的部件,用一薄熱導(dǎo)材料將所述第一組通道的每條通道與所述第二組通道的至少一條通道分開;用于收集從所述第二氣流冷凝出的水的部件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備,其中,所述每條第一通道和每條第二通道內(nèi)的壓力在正6毫巴和負(fù)6毫巴之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的設(shè)備,其中,所述第一氣流從一冷卻塔的流出物中獲得。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備,其中,還包括一將所述收集的水返回到所述冷卻塔容器中的部件。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的設(shè)備,其中,還包括純化所述收集水的部件。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的設(shè)備,其中,用于純化所述收集水的所述部件執(zhí)行反向滲透過程。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備,其中,所述第二組通道用圓柱管形成,其中,所述第二組通道是所述圓柱管周圍的所述空間。
19.根據(jù)權(quán)利要求12所述的設(shè)備,其中,所述第一組通道和所述第二組通道由夾在一起的薄板形成。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的熱交換器,其中,還包括沿所述薄板材料的兩平行邊緣正向突出的邊緣和沿所述薄板的兩平行邊緣負(fù)向突出的邊緣,所述負(fù)向突出的邊緣垂直于具有所述正向突出邊緣的邊緣;通過將兩薄板反過來將一側(cè)的所述正向突出邊緣連接在一起并將另一側(cè)的所述正向突出邊緣連接在一起,形成所述第一通道;及通過將兩薄板反過來將一側(cè)的所述負(fù)向突出邊緣連接在一起并將另一側(cè)的所述負(fù)向突出邊緣連接在一起,形成所述第二通道。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的熱交換器,其中,通過交替連接一組薄板中的所述負(fù)向突出邊緣和所述正向突出邊緣,使所述第一通道的走向垂直于所述第二通道。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的熱交換器,其中,還包括在所述薄板中正向和反向地形成的按鈕,以便在所述第一通道和所述第二通道之間的壓差作用下保持所述通道開啟。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的熱交換器,其中,在一第一薄板上所述正向地形成的按鈕壓靠在一第一相鄰薄板上所述正向地形成的按鈕,所述負(fù)向地形成的按鈕壓靠在一第二相鄰薄板上所述負(fù)向地形成的按鈕。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的熱交換器,其中,所述正向地形成的按鈕被構(gòu)成為可減小所述第一氣流在第一方向上的流動阻力,所述負(fù)向地形成的按鈕被構(gòu)成為可減小所述第二氣流在第二方向上的流動阻力。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的熱交換器,其中,所述薄板由合成樹脂膜制成。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的熱交換器,其中,所述薄板由PVC制成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種熱交換器組件(10),其包括容納環(huán)境氣流的第一組通道(14)和容納含有熱水的氣流的第二組通道(16)。第一組通道(14)和第二組通道(16)被隔開,并借助于環(huán)境氣流使含有熱水的氣流冷卻,致使水能從含有熱水的氣流中冷凝出來。冷卻塔的結(jié)構(gòu)包括所述熱交換器組件,以便減少流出的煙縷,并收集部分流出物用于返回到所述冷卻塔中或作為被純化的水源。
文檔編號F28C1/14GK1610575SQ02823434
公開日2005年4月27日 申請日期2002年10月11日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月11日
發(fā)明者布賴恩·J·哈伯德, 埃爾登·F·莫克里, 小奧勒·L·金尼 申請人:馬利冷卻技術(shù)公司