一种高效干湿联合一体式换热站及其使用方法

技术领域

本发明涉及换热站技术领域。

具体地说，是涉及一种高效干湿联合一体式换热站及其使用方法。

背景技术

冷却塔是工业或民用生产、生活过程中常见的冷却设备，其利用环境空气与循环水换热，将工业或民用生产、生活过程产生的废热排放至环境，并不断产生低温的循环冷却水，用于冷却工业或民用生产或生活过程。冷却塔广泛应用于电力、冶金化工、机械、空调等技术领域。

空冷塔是冷却塔的一种，空冷塔内布置有散热器，通过环境空气与散热器内循环水进行间壁式换热，空气与水不直接接触；换热过程无水的蒸发损耗，但冷却效率较低，特别是夏季高温时段，难以满足冷却负荷要求。闭式冷却塔也是冷却塔的一种，塔内从上至下依次布置有风机、除水器、喷淋装置、散热盘管，在冬季可不开喷淋，此时换热过程类似于空冷塔；在环境温度较高时，开启喷淋，喷淋水直接喷淋至散热盘管外侧，通过管外喷淋水蒸发以及喷淋水与管内循环水间的显热换热，实现冷却管内循环水的目的，换热效率高；但是闭式冷却塔耗水量较大，在干旱缺水地区难以大范围使用。因此，亟需发明一种兼顾冷却效果和蒸发水耗的新型冷却装备。

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统技术的不足之处，针对现有技术的不足，提供一种高效干湿联合一体式换热站及其使用方法。

本发明的目的是通过以下技术措施来达到的：一种高效干湿联合一体式换热站，其特征在于：包括第一塔体和第二塔体以及设置在第一塔体和第二塔体之间的中间水箱，所述第一塔体内设置有第一换热器，所述第二塔体内设置有第二换热器，所述第一换热器的一端连接有进水管，所述第一换热器的另一端连接有第一中间水管，所述第一中间水管远离第一换热器的一端与中间水箱的上端连接，所述中间水箱的下端连接有第二中间水管，所述第二中间水管远离中间水箱的一端与第二换热器连接，所述第二换热器远离第二中间水管的一端连接有出水管，所述第一塔体的下端设置有第一进风口，上端设置有第一排风口，所述第一排风口处设置有第一风机，所述第一塔体的下端设置有集水槽，所述集水槽内设置有第一水泵，所述集水槽上方设置有填料，所述填料上部设置有第一布水管，所述第一布水管与第一水泵连接，所述第一布水管上设置有第一喷嘴。

作为上述技术方案的一种改进：所述第一进风口处设置有可开合的铰链门，所述集水槽设置在铰链门下部，第一喷嘴设置在铰链门上部，填料设置在集水槽和第一喷嘴之间。

作为上述技术方案的一种改进：所述集水槽设置在第一塔体的底部，所述填料位于第一塔体内部的第一进风口和第一换热器之间，所述第一喷嘴位于填料上方。

作为上述技术方案的一种改进：所述第一换热器为翅片管换热器，所述第一换热器整体呈V型设置，所述换热器的夹角为R，20°≤R≤60°，所述第一换热器的中间部分设置有检修通道。

作为上述技术方案的一种改进：所述第一中间水管上设置有温度计、第二控制阀和第二水泵，所述第二中间水管上设置有第三水泵和第三控制阀。

作为上述技术方案的一种改进：所述第二塔体的下部设置有第二进风口，上端设置有第二排风口，所述第二排风口处设置有第二风机。

作为上述技术方案的一种改进：所述第二塔体的底部设置有集水池，所述第二换热器的上部设置有第二布水管，所述第二布水管与集水池连通，所述第二布水管上方朝向第二换热器设置有多个第二喷嘴，所述第二布水管上设置有第四水泵，所述第四水泵连接有第四控制阀。

一种高效干湿联合一体式换热站的其使用方法，其特征在于：环境温度低于5℃时，铰链门开启，关闭第一控制阀、第二控制阀、第三控制阀和第四控制阀，开启第一风机，进行风冷。

一种高效干湿联合一体式换热站的其使用方法，其特征在于：环境温度在5-15℃时，铰链门关闭，第一控制阀开启，第二控制阀、第三控制阀和第四控制阀均关闭，开启第一风机，进行预冷+风冷。

一种高效干湿联合一体式换热站的其使用方法，其特征在于：环境温度高于15℃时，铰链门关闭，第一控制阀，第二控制阀、第三控制阀和第四控制阀均开启，开启第一风机和第二风机，进行预冷+风冷+水冷。

由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明的优点是：可解决两个关键问题：一是空冷塔冷却效率较低，特别是夏季高温时段，难以满足冷却负荷要求；二是闭式冷却塔耗水量较大，在干旱缺水地区难以大范围使用。本专利中，第一塔体增加了进风预冷系统，与传统的空冷塔相比，初投资可节省换热面积5-20％，运行性能可提升30-80％；由于本换热站可根据环境条件进行多模式运行，以最大程度充分利用干空气能进行空冷，故与传统的闭式冷却塔相比，可节水20-100％，100％即为单纯空冷工况运行。这样可以提高冷却效率，同时提高设备的适用性，既可以满足环境低温时的使用，也可以满足在环境高温时的使用，根据实际情况选择运行模式，可以做到节水节能。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是本发明一种高效干湿联合一体式换热站的整体结构示意图。

图2是本发明一种高效干湿联合一体式换热站的铰链门结构示意图。

图3是本发明一种高效干湿联合一体式换热站的实施例2结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：如图1所示，一种高效干湿联合一体式换热站，包括进风预冷型空冷塔1和闭式冷却塔2以及设置在进风预冷型空冷塔1和闭式冷却塔2之间的中间水箱3，进风预冷型空冷塔1内设置有第一换热器4，闭式冷却塔2内设置有第二换热器5，第一换热器4的一端连接有进水管6，用于循环水的进入，第一换热器4的另一端连接有第一中间水管7，第一中间水管7远离第一换热器4的一端与中间水箱3的上端连接，中间水箱3的下端连接有第二中间水管8，第二中间水管8远离中间水箱3的一端与第二换热器5连接，第二换热器5远离第二中间水管8的一端连接有出水管9。

循环水先经过进风预冷型空冷塔1内的第一换热器4冷却后流入中间水箱3，再经闭式冷却塔2内的第二换热器5冷却后流出，完成冷却。

如图1-2所示，本实施例中，进风预冷型空冷塔1的下端设置有第一进风口10，上端设置有第一排风口11，第一排风口11处设置有第一风机12，冷却水从进水管6进入到第一换热器4内，第一风机12启动，带动空气从下端的第一进风口10进入，与第一换热器4进行热交换后从上端的第一排风口11排出，经过冷却的循环水从第一中间水管7流出。

如图1-2所示，本实施例中，第一进风口10处设置有铰链门13，铰链门13的一侧与第一进风口10通过合页39铰接，铰链门13可开合设置，铰链门13的下部设置有集水槽14，集水槽14内盛有喷淋水，集水槽14上开设有第一补水口15，用于向集水槽14内补充喷淋水，集水槽14连接有第一水泵16，用于将喷淋水抽出。铰链门13的上部设置有第一布水管17，第一布水管17与第一水泵16连接，第一水泵16连接有第一控制阀18，第一控制阀18控制第一水泵16的开启和关闭以及喷淋水流量的大小。第一布水管17朝下设置有第一喷嘴19，第一喷嘴19和集水槽14之间设置有填料20。开启第一水泵16，集水槽14内的水经第一布水管17到达第一喷嘴19，从第一喷嘴19喷到填料20上，将填料20打湿，多余的水再向下流入集水槽14内。填料20的材质和结构与现有技术中的冷却塔填料20相同，不赘述。

第一进风口10处设置有第一百叶窗21，本实施例中第一百叶窗21设置在填料20远离第一进风口10的一侧，用于空气的进入。

如图1所示，本实施例中，第一换热器4为翅片管换热器，整体呈V型设置。第一换热器4由多个翅片管换热器管束呈V型排布组合而成，V字型换热器的夹角为R，20°≤R≤60°，V字型布置可以尽可能增大空气与管内循环水的接触面积，以提升换热效果。

第一换热器4的中间部分设置有检修通道22。

第一进风口10可以设置有一个也可以设置有多个，第一进风口10设置在进风预冷型空冷塔1的侧部，形状不做具体限定，铰链门13与第一进风口10一一对应设置。如图1所示，本实施例中，第一进风口10设置有两个，铰链门13也设置有两个，两个第一进风口10分别对应V型的第一换热器4的两侧，使空气经第一进风口10后直接作用到V型换热器上，再从第一排风口11排出，空气流通见图1示意箭头。

集水槽14中的喷淋水经第一水泵16输送至第一布水管17，然后经第一喷嘴19均匀喷淋至填料20表面，在填料20的表面形成一层水膜。环境空气在第一风机12的驱动作用下，从第一百叶窗21进入填料20，与填料20表面的水膜直接接触换热；被蒸发冷却后的空气在进风预冷型空冷塔1内与第一换热器4中的循环水换热，升温后的空气从第一排风口11排至进风预冷型空冷塔1外，冷却后的循环水从第一中间水管7流到中间水箱3内。喷淋水经由第一布水管17、第一喷嘴19被均匀地喷淋至填料20表面，与空气进行换热后，未蒸发的喷淋水被收集到填料20下方的集水槽14中，并通过第一水泵16不断地输送至第一布水管17、第一喷嘴19进行循环使用；由于填料20存在水的蒸发损失，可通过第一补水口15向集水槽14进行补水。

将少量水均匀喷淋在填料20上，使得水均匀润湿填料20，环境空气流经填料20时，与填料20上的水膜进行传热传质，空气被降温加湿，可增大环境空气与第一换热器4内循环水的传热温差，提升空冷塔的冷却效果。

填料20的厚度一般不宜太薄也不宜太厚。填料20厚度即空气穿过填料20所经历的距离。填料20厚度太薄，蒸发冷却效率低，空气被冷却后的温降低，冷却作用不明显；填料20厚度太厚，蒸发冷却效率达到最大值后，也会失去冷却的作用，只能徒增额外的流动阻力。因此，填料20厚度选择，应该根据空冷塔的塔型、塔尺寸、应用环境、填料种类等因素选取。本实施例中，填料厚度为d，100mm≤d≤500mm。

布置填料后，还可提高空冷塔的进风均匀性，有利于充分利用空冷塔内的第一换热器4面积，提升换热效果。

当环境温度较低，进风预冷型空冷塔1在单纯空冷模式下运行时，即可以关闭第一水泵16，打开铰链门13，空气直接从第一进风口10进入，不经过铰链门13上的填料20，以减小填料20带来的流动阻力；当环境温度较高，进风预冷型空冷塔1在空冷+进风预冷模式下运行时，即开启第一水泵16，关闭铰链门13，空气穿过铰链门13上的填料20，与填料20上的水膜进行潜热和显热换热，先将空气冷却再对循环水冷却，这样可以提高冷却效率，同时提高设备的适用性，既可以满足环境低温时的使用，也可以满足在环境高温时的使用，根据实际情况选择第一水泵16的开关，可以做到节水，同时通过铰链门13上的填料20对空气冷却，不占用额外的空间，整个进风预冷型空冷塔1的体积不变。

如图1所示，第一中间水管7上设置有温度计23、第二控制阀24和第二水泵25，温度计23实时测量经第一换热器4冷却的循环水的温度，而第二控制阀24控制第二水泵25的开启和关闭以及经过第一换热器4的循环水流量的大小。第二中间水管8上设置有第三水泵26和第三控制阀27，第三控制阀27控制第三水泵26的开启和关闭以及经过第二换热器5的循环水流量的大小。

如图1所示，闭式冷却塔2的下部设置有第二进风口28，上端设置有第二排风口29，第二排风口29处设置有第二风机30，中间水箱3内的水经第二中间水管8进入到闭式冷却塔2内的第二换热器5内，第二风机30启动，带动空气从下端的第二进风口28进入，与第二换热器5进行热交换后从上端的第二排风口29排出，经过冷却的循环水从出水管9流出。

如图1所示，闭式冷却塔2的底部设置有集水池31，第二换热器5的上部设置有第二布水管32，第二布水管32与集水池31连通，第二布水管32上方朝向第二换热器5设置有多个第二喷嘴33，第二布水管32上设置有第四水泵34，第四水泵34连接有第四控制阀35，第四控制阀35控制第四水泵34的开启和关闭以及喷淋水流量的大小。开启第四水泵34，集水池31内的水经第二布水管32到达第二喷嘴33，从第二喷嘴33喷到第二换热器5上，给第二换热器5降温，多余的水再向下流入集水池31内。集水池31上设置有第二补水口40，第二补水口40用于补充集水池31内的喷淋水。第二布水管32上安装有流量计41。

第二布水管32的上方设置有第二除水器37。

第二进风口28处还设置有第二百叶窗36，用于空气的进入。

第二进风口28可以设置有一个也可以设置有多个，第二进风口28设置在闭式冷却塔2的侧部，形状不做具体限定，第二百叶窗36与第二进风口28一一对应设置。如图1所示，本实施例中，第二进风口28设置有两个，第二百叶窗36也设置有两个，使空气经第二进风口28后直接作用到第二换热器5上，再从第二排风口29排出，空气流通见图1示意箭头。

在应用时，闭式冷却塔2一般是开启喷淋，空气从第二进风口28进入塔内与第二换热器5外的喷淋水进行潜热和显热交换，潜热换热占比大，故此过程水的蒸发损耗较大。因此，在换热站工作时，优先使用前端的进风预冷型空冷塔1，以最大程度充分利用干空气能进行空冷，实现系统的高效、节水运行。

循环水先经过进风预冷型空冷塔1进行一次冷却，被冷却后循环水通过第二水泵25输送到中间水箱3内，再根据一次冷却后循环水的温度，并基于闭式冷却塔2的冷却能力，确定输送到闭式冷却塔2内的循环水流量；输送到闭式冷却塔2的循环水，在闭式冷却塔2内被二次冷却，满足冷却工艺要求后再输送到冷却工艺进行使用。

实施例2：如图3所示，集水槽14设置在进风预冷型空冷塔1的底部，填料20设置在进风预冷型空冷塔1内部，本实施例中，填料20位于第一进风口10和第一换热器4之间，填料20的面积与进风预冷型空冷塔1的横截面积相等，第一喷嘴19位于填料20上方。

当环境温度较低，进风预冷型空冷塔1在单纯空冷模式下运行时，关闭第一水泵16，空气从第一进风口10进入，经过填料20到达第一换热器4换热；当环境温度较高，进风预冷型空冷塔1在空冷+进风预冷模式下运行时，即开启第一水泵16，喷淋水喷洒在填料20上，空气穿过填料20，与填料20上的水膜进行潜热和显热换热，先将空气冷却再对循环水冷却，这样可以提高冷却效率，同时提高设备的适用性。

本实施例中，如图3所示，第一换热器4和第一喷嘴19之间还设置有第一除水器38，用于收集冷却水。

本实施例中其他部分与实施例1相同，不赘述。

此时环境温度低(低于0-5℃)，仅进风预冷型空冷塔1独立运行可满足冷却负荷需求，且铰链门13开启，进风预冷型空冷塔1单独进行空冷冷却，无水的蒸发损耗。环境冷空气从第一进风口10进入，循环水从进水管6输送至第一换热器4内，进入塔内的冷空气与翅片管内的循环水进行显热换热，达到降温的目的。此过程中，空气和水间接接触，空气温度升高，水的温度降低。整个系统为空冷塔运行模式，不存在水的蒸发损失，具有良好的节水效果。

具体地，单纯空冷模式运行，此时第一控制阀18、第二控制阀24、第三控制阀27和第四控制阀35均关闭，仅第一风机12运行。此过程，铰链门13打开，空气直接旁通过铰链门13上的填料20，以减小填料20带来的流动阻力。环境冷空气经第一百叶窗21进入塔内，循环水从进水管6输送至第一换热器4，环境冷空气由下至上依次与第一换热器4中的循环水进行间接接触换热，被冷却后的循环水达到冷却需求后从第一中间水管7排出；吸热后的空气在第一风机12的驱动下从第一排风口11排至环境中。

实施例4：较高温环境工况(5-15℃)，空冷+进风预冷模式运行。

此时，空冷运行模式冷却能力有限，难以满足冷却负荷需求，因此，启动进风预冷。空气首先经过第一进风口10处的填料20进行进风预冷，与填料20表面的喷淋水膜直接接触进行热湿交换，空气被降温加湿；预冷后的空气进入到塔内部，与第一换热器4中的循环水进行显热换热，降低循环水温度。预冷过程中进塔空气温度降低，湿度增加，可以增大塔内空气与循环水的换热温差，提升换热效果。因此，开启填料20预冷，可进一步提升冷却效果，但由于填料20预冷通过水的蒸发，仅仅冷却了进塔空气，故水的蒸发损耗并不大，对塔的冷却性能提升效果有限。

具体地，此时第一控制阀18开启，第二控制阀24、第三控制阀27和第四控制阀35均关闭，空冷+进风预冷系统运行。通过第一控制阀18调控喷淋水流量；集水槽14中的水经第一水泵16输送至第一布水管17，然后经第一喷嘴19均匀喷淋至填料20表面，在填料20的表面形成一层水膜；环境空气在第一风机12的驱动作用下，从第一百叶窗21进入填料20预冷，与填料20表面的水膜直接接触换热；被蒸发冷却后的空气在塔内与第一换热器4中的循环水换热，升温后的空气从第一排风口11排至塔外，冷却后的循环水从第一中间水管7排出。

喷淋水经由第一布水管17、第一喷嘴19被均匀地喷淋至填料20表面，与空气进行换热后，未蒸发的喷淋水被收集到集水槽14中，并通过第一水泵16不断地输送至第一布水管17、第一喷嘴19进行循环使用；由于预冷存在水的蒸发损失，可通过第一补水口15向集水槽14进行补水。

实施例5：高温环境工况(15℃以上)，进风预冷型空冷塔1+闭式冷却塔2联合运行模式。

此时，进风预冷型空冷塔1的换热性能较低，即使开启进风预冷，进风预冷型空冷塔1可能仍存在不能满足冷却负荷需求的情况。此时，循环水先进入进风预冷型空冷塔1进行一次冷却，而后经一次冷却后的循环水进入闭式冷却塔2进行二次冷却。

在进风预冷型空冷塔1内，空气先经填料20预冷被冷却加湿，而后进入塔内与第一换热器4内的循环水进行显热换热，之后空气被排出塔外；在闭式冷却塔2内，空气进入闭式冷却塔2，此时闭式冷却塔2需开启喷淋，空气在闭式冷却塔2内的第二换热器5处与管外的喷淋水进行潜热和显热交换，之后空气被排出塔外；因此，循环水在进风预冷型空冷塔1内进行了一次冷却，在闭式冷却塔2内进行了二次冷却，经过两次冷却，可保障循环水满足冷却负荷要求。

具体地，第一控制阀18、第二控制阀24、第三控制阀27、第四控制阀35均开启。

进风预冷空冷塔内的空气和喷淋水的运行见实施例4，不赘述。

经进风预冷空冷塔一次冷却后的循环水从第一中间水管7排出后，经温度计23测量水温，并通过第二控制阀24和第二水泵25被送至中间水箱3；根据一次冷却后循环水的温度，并基于闭式冷却塔2的冷却能力，确定输送到闭式冷却塔2的循环水流量；确定好进入闭式冷却塔2的循环水流量后，通过第三控制阀27调节进入闭式冷却塔2的循环水流量；循环水经第三水泵26从第二中间水管8输送至闭式冷却塔2，在第二换热器5处与管外喷淋水、空气进行换热，通过管外喷淋水与空气间的直接蒸发作用，第二换热器5内的循环水被二次冷却，满足冷却工艺要求后从闭式冷却塔2出水管9被输送到冷却工艺进行使用。

闭式冷却塔2的喷淋水，在第二换热器5处与空气进行传热传质，部分水蒸发，其余未蒸发的水滴落至闭式冷却塔2底部的集水池31供循环使用。闭式冷却塔2的喷淋水通过第四控制阀35进入第二布水管32和第二喷嘴33的水量。集水池31中的喷淋水在第四水泵34的驱动下依次经过第二布水管32和第二喷嘴33，并最后均匀喷淋至第二换热器5。闭式冷却塔2内由于水蒸发损失较大，为保证冷却塔的高效稳定运行，需通过第二补水口向集水池31补水。

闭式冷却塔2的喷淋系统采用自动控制模式，可根据环境条件调控喷淋水量。具体地，可根据环境温湿度、温度计23测得的一次冷却水温度和目标水温，通过第四控制阀35结合流量计41调节进入第二布水管32和第二喷嘴33的水量，实现冷却塔节水运行。

环境空气经第二百叶窗36进入闭式冷却塔2，在第二换热器5处与管外喷淋水、管内循环水进行传热传质，而后空气在第二风机30的驱动下排至塔外。