专利名称：用于对冷却塔的流出物进行冷凝的气－气常压热交换器的制作方法
技术领域：
总的来讲，本发明涉及从冷却塔流出物或其他散热装置中回收水。具体地说，本发明涉及从冷却塔流出物中回收水的方法和设备，以便提供清洁水源、减少冷却塔的耗水量，和/或减少冷却塔的烟缕(Plume)。
本申请请求享有2001年10月11日提交的流水号为09/973,732、题为“用于对冷却塔的流出物进行冷凝的气-气常压热交换器(Air-To-AirAtmospheric Heat Exchanger For Condensing Cooling Tower Effluent)”的美国专利申请的优先权，该申请所公开的内容作为本申请的参考。
背景技术：
在用蒸汽驱动涡轮机的发电过程中，用锅炉将水加热，以产生驱动涡轮机的蒸汽进行发电。为了使该过程中所需要的清洁水量最少，必须通过散热将蒸汽再转换成水，从而可以在该过程中重新利用水。在大建筑物的空调系统中，强制建筑物内的空气通过装有已冷却的气态制冷剂的盘管，由此将建筑物内的热量传递给制冷剂气体。然后将加热过的制冷剂用管子输送到建筑物外，在此过程中必须从制冷剂中除去余热，使制冷剂气体能够重新被冷却，继续供冷过程。
在上述两种过程以及许多需要排放余热的步骤的其他过程中，都使用了冷却塔。在湿式冷却塔中，将水泵送通过装有热蒸汽、制冷剂或其他热液体或气体的冷却器盘管，由此将热量传递给水。然后将水泵送到冷却塔的顶部，喷洒在由薄板材料或挡杆构成的冷却塔介质上。当水向下流过冷却塔介质时，强制环境空气通过热水，通过显热传递和蒸发热传递两者将水的热量传递给空气。然后强制空气离开冷却塔，散发到周围的空气中。
冷却塔是散发余热效果很好而且经济高效的部件，所以被广泛用于散热。然而，冷却塔的一个缺点是在某些大气情况中，由来自热水源的湿气汽化后成为从冷却塔顶部排出的气流可能形成烟缕。在冷却塔很大的场合，例如在发电厂的情况下，烟缕可能在冷却塔附近引起低位雾(low lyingfog)。烟缕也可能导致冷却塔附近的道路结冰，在那些地方较低的温度使烟缕中的湿气结冰。
因此，人们曾致力于限制或减少由冷却塔引起的烟缕。从下面的美国专利中可以得知这类研究的例子授权于Vouche的美国专利6247682号描述了一种减少烟缕的冷却塔，在该冷却塔中，除了将环境空气引到冷却塔的底部以及在热水向下喷洒到填料组件(fill pack)上时强制环境空气向上通过该填料组件外，还使环境空气通过热水喷头下面的隔开的导热通道进入冷却塔。这些由如铝、铜等导热材料构成的通道使环境空气吸收一部分热量，但湿气没有被汽化成空气。在塔的顶部将湿热空气(wet laden heated air)和干热空气混合，由此减少烟缕。
授权于Howlett的美国专利4361524号描述了一种防止烟缕的系统，在该系统中，热水在进入冷却塔以前被部分冷却。用一个独立的、具有独立的冷却介质例如空气或水运行的热交换器实现热水的部分冷却。正如该专利中所讨论的那样，这种独立的热交换器使冷却塔的效率降低，所以只有在冷却塔产生烟缕的大气情况下才使用这种热交换器。
在冷却塔研究所的1993年年会论文集“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”中还可以看到用于减少湿式冷却塔中的烟缕的系统的另一个例子。在该论文所描述的系统中，首先将热水泵送通过干燥空气冷却区段，空气在此被强制经过连接在流道上的换热翅片。然后将已被部分冷却的水喷洒在处于干燥空气冷却区段下方的填料组件上，并强制空气通过该填料组件，以对水进一步冷却。然后强制塔中的湿空气向上与干燥冷却过程中被加热的干燥空气混合，并将其强制排出塔顶。
虽然上述系统为湿式冷却塔的烟缕问题提供了有效的解决方案，但它们全都需要复杂的结构，并且需要昂贵的湿式和干式空气传热机构。所以仍需求一种简单而便宜的湿式和干式空气冷却机构，其中经加热的干燥空气在离开冷却塔以前与湿热空气混合，由此减少烟缕。
使用冷却塔的另一个问题是，用于冷却的水可能成为浓缩了污染物的水。当水从冷却塔中蒸发出来时，另外还要再加水，但很容易发现水中的污染物变得更浓，因为这些污染物不能通过蒸发而排出。如果将化学物质添加到冷却水中对水进行处理，这些化学物质可能高度浓缩，当然不希望将它们排到大气中。得不到新鲜水或用新鲜水不经济时，常用海水或废水代替蒸发水，此时在冷却水回路中可能形成盐和固体颗粒。当这些污染物被进一步浓缩时，它们将在各蒸发薄板之间结块，因而降低了塔的冷却效果。
为了防止上述问题，通常的做法就是“排放(blowdown)”部分含有浓缩污染物的水，并用来自水源的新鲜水代替排出的这部分水。虽然这样可以防止冷却塔水中的污染物变得过浓，但在排放过程中可能产生排水导致的环境问题。所以有人曾为减少冷却塔中的水耗作出了努力。
授权于Houx等人的美国专利4076771号披露了现有技术中为减少冷却塔中的水耗的现状。在该专利所描述的系统中，在同一系统中设置了冷却塔蒸发热传递介质和进行显热传递的盘管部件。盘管的显热传递可使工艺用水(process water)冷却，但不消耗水。
虽然上述专利对现有的冷却塔作出了显著的改进，但是理想的是开发一种用于从烟缕中回收水、再将它返回到冷却塔的不需要用于显热传递的盘管部件的水容器中的机械装置。
被关注的另一独立问题是为了得到可饮用的饮用水，要对海水进行淡化、对其他水源进行纯化。已经开发出了许多从湿气流中提取纯化水的方法。大多数商业方法包括多级急骤蒸馏淡化法、多效蒸馏法、蒸气压缩蒸馏法和反向渗透法。这些请参见由International Desalination Association的O.K.Buros准备、并在1990年由Research Department Saline Water ConversionCorporation改进重新生产的“The Desalting ABC’s”。以下是用低温水脱盐或去除废热的系统的例子。
在2000年8月出版的ADA North American Biennial Conference andExposition报告集中由Lu等人撰写的题为“Zero Discharge Desalination”的论文提供了有关从冷气流中生产新鲜水和从低等级的废热源中生产热湿气流的装置的信息。新鲜水沿将两种气流分开的壁冷凝。另外，将冷水喷洒在热湿气上，从而加强冷凝。
在International Symposium on Desalination and Water Re-Use的1991年第4卷中由Baumgartner等人撰写的论文“Open Multiple Effect Desalinationwith Low Temperature Process Heat”中提供了用于脱盐的塑料管热交换器的信息，该热交换器的塑料管内使用冷流水，热湿气在管外流动。冷管的外侧形成冷凝液。
上面的描述表明需要用于脱盐的系统，以便将海水或其他含有高浓度杂质的水源转变成纯水源。所以，需要一种既简单又经济的部件来对作为水源的冷却塔的流出物进行冷凝。
发明内容
本发明一方面是提供一种热交换器，该热交换器具有一第一组用于接收第一气流的通道(passage way)。在该热交换器中还设置一第二组用于接收第二气流的通道，第二气流比所述第一气流热。第一组通道中的每一通道与第二组通道中的至少一条通道隔开并且相邻，以便用第一气流从第二气流中吸收热量。还设置一个用于收集从所述第二气流中冷凝出的湿气的容器。
本发明另一方面是提供一种热交换器，该热交换器具有两个相对的壁，这两个壁上带有可使第一气流通过的孔。在第一壁的孔和第二壁的相应的孔之间设有管子，以便导引第一气流通过管子。设置在一个壁的至少两个平行边缘和所述第二壁的相应的平行边缘之间的壁能确保将第二气流通过所述管子导引到从所述第二气流中冷凝出的湿气中。
本发明的再一方面是提供一种降低气流的含湿量的方法，其中使具有干燥空气的流率在10和80每分钟每平方英尺磅(pda/ft2/min)之间、相对湿度等于或高于90％的第一气流流过第一组通道。使流率在10和80pda/ft2/min之间、干球温度比一第二流(second stream)至少低5华氏度(°F)的所述第二气流流过第二组通道。用薄热导材料将第一组通道的每条通道与第二组通道的至少一条通道隔开。第二气流的热被第一气流吸收，收集从第二气流中冷凝出的水。在本发明的另一实施方式中，提供一种冷却塔，该冷却塔具有一逆流蒸发介质和一将热水分配到逆流蒸发介质上的水分配系统。还设置一将第一气流的热吸收到第二气流中的热交换器，该热交换器具有第一组通道和第二组通道。冷却塔中的风扇导引空气通过逆流蒸发介质，从而形成所述的第一气流，该风扇导引具有干燥空气的流率在10和80每分钟每平方英尺磅(pda/ft2/min)之间、相对湿度等于或高于90％的第一气流通过第一组通道。该风扇还导引流率在10和80pda/ft2/min之间、干球温度比一第二流至少低5°F的所述第二气流通过第二组通道。用薄热导材料将第一组通道的每条通道与第二组通道的至少一条通道隔开。还设置一个容器用于收集从第一气流中冷凝出的水。
本发明的又一方面是提供一种冷却塔，冷却塔顶上装有使冷却塔内产生负压的风扇。与喷头一起设置一逆流蒸发介质，喷头将热水喷洒到逆流介质上。还设置一热交换器，其具有第一组通道和第二组通道，第一组通道使冷却塔外的气流流入塔中心，第二组通道使从蒸发介质中流出的气流通过。来自冷却塔外的气流吸收流出气流的热量，而使流出物中的水冷凝。
本发明的再一方面是提供一种冷却塔，冷却塔顶上装有使该冷却塔内产生负压的风扇。设置一个叉流蒸发介质以及一个将热水喷洒到该叉流蒸发介质上的热水分配系统。设置一个热交换器，其具有一第一组通道和一第二组通道，第一组通道使冷却塔外的第一气流流入塔中心，第二组通道使从所述蒸发介质中流出的气流通过。来自冷却塔外的气流吸收流出气流的热量，由此冷凝来自流出物中的水。
上面已经相当概括地对本发明作了概述，通过下面对本发明的重要特征的详细描述可以更清楚地理解本发明并体现出本发明对现有技术的贡献。当然，下面也将对本发明的附加特征进行描述，这些特征形成从属权利要求请求保护的内容。
就这点而言，在详细描述本发明的至少一实施方式之前应当了解本发明的应用并不局限于下面结合
或描述的结构的细节和各部件的布置。本发明可以有其它实施方式，本发明可以用不同的方式实施和实现。另外还应当理解的是，本文中的措词和所用的术语以及摘要都是为了说明，所以不能认为是对本发明的限定。
因此，本领域的技术人员很清楚，根据本发明所公开的构思可以很方便地设计出完成本发明各种目的的其他结构、方法和系统。所以，就此而论，重要的是可以认为包括了这些等同结构的权利要求书并没有超出本发明的构思和保护范围。
图1是本发明一优选实施方式的热交换器的部分透视图；图2是为了示出细节而将图1中热交换器局部放大的透视图；图3是热交换器的焓湿图；图4是用于烟缕减少过程的焓湿图；图5是具有冷凝湿气的热交换器时烟缕减少过程的焓湿图；图6是本发明一优选实施方式的冷却塔的区划图；图7A和7B是本发明另一优选实施方式的冷却塔的区划图；图8A和8B是本发明又一优选实施方式的冷却塔的区划图；图9是本发明再一优选实施方式的冷却塔的区划图；图10是本发明另一优选实施方式的冷却塔的区划图；图11是本发明又一优选实施方式的冷却塔的区划图；图12是本发明再一优选实施方式的冷却塔的区划图；图13是本发明另一优选实施方式的冷却塔的区划图；图14是本发明再一优选实施方式的冷却塔的区划图；图15示出了本发明一优选实施方式的管式热交换器；图16是本发明另一优选实施方式的冷却塔的区划图；图17是本发明再一优选实施方式的冷却塔的区划图。
具体实施例方式
热交换器组件现在参见所述附图，附图中相同的标号表示相同的部件。图1示出的是蒸汽冷凝热交换器组件10。热交换器组件10由一些焊接在一起形成一个组件的薄板12构成，该热交换器组件具有用于两种不同气流的第一通道(passageway)14和第二通道16。在一优选实施方式中，两种气流以彼此成直角的方式流入热交换器10，且由薄板12隔开。
薄板12是比较薄的合成树脂材料，薄板的形状应有助于使流过通道14的含有热水的气流(heated water laden air stream)中的蒸汽冷凝，并有助于将热传递给通过通道16的冷气流。在一优选实施方式中，所述材料的厚度为.005至.040英寸(inches)，优选厚度为.015至.020inches。表面18可以具有纹理，以便为各种气流提供加大了的面积，同时使气流的流动阻力最小。在授权于Kinney，Jr等人的美国专利5944094号和授权于Cates的美国专利3995689号中可以找到适合这种用途的纹理图形的例子，本申请以这些出版物为参考。其他纹理图形可以包括如类似于高尔夫球纹理那样的凹痕，和类似于在塑料板上压制出的网状图形那样的网格图形，但不限于这些纹理。增大的表面积提高了薄板的传热能力，且加大了薄板表面附近的速度变化，这将改善各气流的局部混合。这种加大了的变化及所引起的气流的局部混合同样也能提高薄板的传热能力。
如图2所示，为了防止两种气流在热交换过程中混合，在合成树脂薄板的第一边缘上形成一密封部分20。该密封部分由薄板材料12的突出边缘22构成，它位于薄板12的一边缘上的与空气通道14的中心汇聚之处，或者换句话说，该密封部分突出于通道14宽度的一半之处。该边缘密封部分20沿与空气通道16平行的空气通道14的长度延伸。
同样，在与密封部分20垂直的边缘上借助于薄板材料12的突起边缘26形成一密封部分24，它汇聚在空气通道16的中心，或者换句话说，它突起于通道16宽度的一半之处。边缘密封部分24沿与空气通道14平行的空气通道16的长度延伸。
尽管没有示出，与密封部分20平行的边缘及与密封部分24平行的边缘用类似的方法连接。于是，可将垂直通道14、16形成在热交换器组件中。
一突起边缘26沿形成的薄板的正向地(positively off of the formed sheet)延伸，另一边缘22向下或负向地延伸。在这种配置中，可以只用单个薄板元件形成整个热交换器组件的主要部分。将多块薄板12彼此堆叠在上部并翻转另外的每一块薄板、并将其放在所述前面的薄板上，由此组装成热交换器组件，从而实现这种配置。尽管只描述了三条通道，但很容易理解，在使用时，热交换器组件可以有许多垂直通道，使用此处描述的薄板12可以形成任意数量的通道。
为了保持空气路径(pathway)的开启，在薄板材料上形成定位钮或按钮。使这些按钮象边缘密封部分那样地隔开，它们或者从形成的薄板沿正向延伸28，或者从形成的薄板沿负向延伸30，延伸的距离是空气通流口(passageopening)宽度的一半。在一优选实施方式中，当沿空气流过通道16的方向看时，正向延伸的按钮28是具有一个平顶表面的圆锥形。当安放在一起的时候，将一薄板的各按钮的平表面布置成与相邻薄板上的各按钮的平表面相对。每一个正向突起的按钮28沿与空气流动方向平行的薄板的长度延伸。在一优选实施方式中，负向突起的按钮30的形状与正向突起的按钮28的形状相同，但负向按钮为垂直取向。另外，将一薄板的各负向突起按钮30布置成与相邻薄板上的各负向突起按钮相对。在Kinney的′094号中可找到对薄板进行定位和互锁的另一种定位的实施方式。
上面的特征被设计成能保持空气通道具有恒定的宽度，并在压差作用在两通道之间时可防止通道塌陷。按钮的结构也被设计成对空气流的阻力最小，同时具有足以防止通道塌陷的结构。
不论是用于冷气流还是用于含蒸汽的气流，每一通道的宽度都可以根据具体任务的设计条件变化。另外，冷空气通道16和含蒸汽的空气通道14不一定具有相同的宽度。具体而言，对于本发明的给定任务来讲，通道的最小宽度为0.5inches，最大宽度为3.0inches，优选宽度在1.0到1.5inches之间。
薄板总成的组件的整体尺寸根据与发明相关的具体设计任务而变。但是，设计所考虑的最小组件尺寸是2英尺(feet)乘以2feet，最大组件尺寸是6feet乘以24feet。
到达热交换器组件工作面上的空气的特点在于整个工作面面积上的质量流。通常用每分钟每平方英尺面积干燥空气的磅数(pda/ft2/min)表示。在本优选实施方式中，每一组空气通道的质量流约在10pda/ft2/min到约60pda/ft2/min之间。
对于三种过程、即水保存、水纯化和减少烟缕过程的优选实施方式来讲，热湿气流的温度通常用冷却塔和其他废热排出装置经受的温度表示。这些温度的范围最高约150°F，最低约为40°F。蒸发冷却塔通常排出饱和或接近饱和(相对湿度约100％)的空气。对于本发明来讲，提供相对湿度约为90％或更高的空气的类似蒸发设备均是可行的。相对湿度低于约90％的气流需要传递大量显热，以便将气流冷却到它们各自的露点温度，只有在露点气流到达饱和曲线后才可出现冷凝。
用于本优选实施方式的热交换器组件的工作压力与一般冷却塔的工作压力大体相同，在+/-6毫巴(millibar)的范围内。通常冷却塔的工作压力为大气压或接近大气压。冷却塔装有轴流式风扇和/或风机，也可为公知的离心风扇，风扇造成大气压力的轻微变化，以使产生的气流通过填充介质喷淋和吹净挡水板。由于需要使压力从大气压力发生变化来强制空气通过塔，所以这些不同的构件使空气流动因摩擦和速度差而受到限制。这些压力对于轴流风扇系统来讲通常为+/-3millibar的范围，而对于具有风机的系统来讲为+/-6millibar的范围。通常认为这些在较小的压差下工作的冷却塔系统的工作压力为常压。
一般冷凝过程如上所述，将蒸汽-冷凝热交换器设置成具有用于两种不同气流的通道的组件。来自外部气源或从周围大气的气团(air mass)中的冷空气被送入通道16中。获得冷空气的方法与具体应用的装置有关。冷空气的温度一般比相对通道14中的气流的气团的温度低得多。在相对通道14中，热湿空气被送到所述通路(path)中。热湿空气通常使水蒸汽达到饱和，或者是具有等于或接近所得到的湿球温度的干球温度。所述气团类似于由用于将过程中的废热排出的冷却塔产生的气团。但是，对于如蒸发冷凝器之类的设备的输入也可以用产生类似热湿气流的其他过程和方法。
如图3的焓湿图所示，热湿气处在所示饱和曲线的点32上。饱和曲线上的点32的位置表示在高温下热湿气100％地使水蒸汽达到饱和。进入其他通道的冷却空气处在饱和曲线以下的某一点34上。焓湿图上冷却空气位置表示其温度低于进入的热气温度。与该气流相关的含湿量通常与装置的功能度无关。但在烟缕减少的情况下，进入的空气的含湿量不仅影响“混合(mix)”的含湿量，而且影响混合线的斜率。
当这两种气流通过热交换器时，热气流受到冷却，而冷气流的温度升高。因为两种气流实际上彼此不接触，所以冷气流以气流中不添加水分或不从气流中除去水分的方式被加热。作为气流的显热这是公知的。正如焓湿图所示出的那样，离开热交换器的冷空气36温度升高，但含湿量保持恒定。
热湿气从饱和曲线上的起始点32冷却到低温。当热湿气团被冷却时，必然使气流的含湿量降低。由于气流得到100％的饱和，所以可从气流中冷凝出水，所得到的生成物38的温度沿100％的饱和曲线下降到新的较低温度。热饱和气流中损失的热量必然等于冷干燥气流中增加的热量。
从脱盐研究中偶然发现，排入换热器中的空气的干燥空气比期望的多得多。这种发现就可以用以前以为不合适的装置减少烟缕。传统知识曾提议用于减少烟缕的气-气热交换器的效率比如Kinney的′094号所公开的盘管或塑料热交换器之类的水-气热交换器的效率低得多。从塔外抽吸冷环境空气，并将其合理地加热。加热空气的热源应有助于水遍及空气，这是因为它的质量很大。例如在′094号中所披露的塑料热交换器，通常流率为20gpm/sf或更高。所以质量流量通常为20gpm/sf×8.33Ibm/gallon＝167Ibm/sf/min或更高。上面所述的气-气热交换器在10至80pda/sf/min范围内工作。通过乘以干燥空气流速的倍数(1+ws)确定总质量流，其中ws是比湿。假设饱和空气为100°F，则比湿ws是0.0432。气流的质量从10.4Ibm/sf/min到83.5Ibm/sf/min之间变化。所以，′094号的塑料热交换器的水的质量流量通常比本发明的空气的质量流量大好几倍。为了比较干燥热量，气/气热交换器的空气看来要求改变这两种气流的温度，使气流的温度变成′094的热交换器的水流温度的好几倍。为了实现相同的传热，除非将表面积增加，使该面积比水-气热交换器的表面积大几倍，否则认为这是不可能的。所以，似乎要将气-气热交换器的尺寸增加到难以控制的比例或不经济的比例。但是，当用上述图1的热交换器10时，如前所述，使热湿气流经受冷凝过程。在冷凝过程中，热气与冷表面接触，空气中的水冷凝出来。在该过程中，既释放显热又释放潜热，绝对湿度降低。由于装置中传递显热和潜热，所以效率比上述考虑的可能的效率要高许多。
在热湿气的通道14中，当蒸汽与冷却通道的冷表面接触时，就在具有热湿气流的通道表面上形成冷凝液滴。这些液滴是热湿气被冷却和所得到的气流中湿气减少的结果。这些液滴聚集在薄板上，并流向薄板的热湿气流通道表面的下面。在薄板上冷凝的湿气或者可以被收集在薄板的底部，或者可以返回到初始水源。下面将进一步描述这种水的利用。
用于热交换器的过程A.用于冷却塔的水保存如上面所讨论的那样，流过热交换器通道的热湿空气被冷却，使含湿量降低。热湿气含湿量降低，使得薄板的热气通道上形成水滴。这些水滴聚集在薄板底部并从底部落下。从湿气流回收的水可以用于减少冷却塔设备的水消耗。
冷却塔通过蒸发过程降低处理水的温度，因而该冷却塔提供了将热量从系统中除去的场所。除去的热量通常不用于其它过程，这种热量称作“低质废热”，并被释放到周围的大气中。通过冷却塔的处理，一定比例的工艺用水流过系统循环时因蒸发而受到损失。通过蒸发损失的水量通常是总流率的0.5-3％之间。通常，工艺用水每冷却10°F，损失大概为0.8％。水的损失使冷却塔设备的运行费用增加。
经蒸发离开塔的水处于纯蒸汽状态，所以，其它杂质，例如固体、溶解固体、盐等留在工艺用水中。在所有时间，由于提取出纯水，所以这些杂质聚集在工艺用水中。为了减少杂质，需不断地除去一定比例的工艺用水。从系统中除去水称之为排放。所以，为了使冷却塔运行，必须添加水，既用于补偿水的蒸发，又用于补偿所需要的排放。因为含有化学物质的水的质量和增加与排放水相关的调节，在很多情况下难以直接将水排放到周围环境中。因此，由于减少了排放量，所以有明显的经济效益.
利用上面所述的图1中的气-气热交换器10，可以将从热湿气流中回收的水返回到系统中。其效果不仅减少了塔的蒸发，而且减少了系统所需要的排放。下面描述装有这种热交换器的冷却塔的结构。由于返回到冷却塔中的水几乎为纯水，因此在任何情况下，水的质量都比原有补充水的质量好。水质量的这种改善从根本上减少了用于冷却塔过程中所需要的化学物质的量。
为了使热交换器有效运行，并使回水返回到系统中，进入冷气通道的空气的温度必须低于进入相对通道中的热空气的温度。对于储水设备来讲，当这两个温度接近相同值时，返回到水槽中的水量较少。如果热交换器冷却侧为环境空气的温度，而且没有被其他部件冷却，则当温度较低或在冬季运行时，热交换器就会返回较多的水。在夏季运行时，热交换器返回较少的水。返回容器的常规水量范围是从冬季几个月的蒸发水的40％到夏季运行期间的蒸发水的3％。按一年度计算的话，返回的水根据区域的不同约为10％到30％。下面的表1说明夏季和冬季在不同区域中回收蒸发水的百分比。对于从冷却塔流出物中回收的最多水量来讲，提供的数值是以25°F时地区情况和电厂负载为基础的，
B.水的纯化和脱盐冷却塔在蒸发/散热过程中产生热湿空气。这种热湿空气含有几近纯净的蒸汽，而且几乎没有如固体、溶解固体、盐和化学物质之类的杂质。当采用这种热交换器时，可以回收大部分纯净蒸汽。除了将水重新循环回到冷却塔容器中以外，当纯净蒸汽转变成水时，该纯净蒸汽可以用于其他需要清洁水源的用途中。因为成本与为冷却塔提供的工艺用水有关，所以所用的补充水通常要么是来自海水源中的盐水，要么是来自工业过程中的废水。当将这种热交换器用作水的回收装置时，这种热交换器能够转换水，换句话说，可转换质量不合乎要求的水。
虽然不纯，最后得到的水可以基本没有杂质。但细菌、生物杂质和少量溶解固体可能被带到蒸汽中。另外，少量的工艺用冷却水也可能被带到湿气流中并污染冷凝水。在冷却塔工业中将这种夹带称作“漂移(drift)”。为获得质量更理想的水，可以采用二次纯化过程。该过程的优越性可以在将海水淡化以产生饮用水的情况中看到。在海水淡化的情况中，过程中费用最高的步骤之一是将盐除去。可将上述冷却塔回收过程用于显著地降低盐的含量，从而将费用较低的过程用于水的最终纯化。可以用于最终纯化过程的例子是反向渗透过程。
除将从热交换器组件中回收的水收集在一个独立容器中外，其他应用中的回收水的过程与上面对保存水部件已经描述的过程相同。下面描述冷却塔与一回收容器一起应用的细节。
当采用水保存塔(water conservation tower)时，如果将周围空气用作冷却侧温度源，当夏季各月空气温度升高时清洁水的产量将减少。以年度计算的话，通常从该系统中回收的水为总蒸发水的20％到25％。如果能用冷气源或冷水源的话，则可以从系统中回收更多的水。例如，如果能用冷海水源，则该海水源可用来冷却进入热交换器的冷却通道中的空气。当热交换器薄板热侧和冷却侧之间的温差增加时，冷凝将增加，因而将产生更多的清洁水。下面描述在有冷海水源时可以提高清洁水生产率的结构。
因为产生热湿空气，所以水纯化装置非常适合用在冷却塔中，当然其他产生热湿空气的装置也可以与该装置结合使用。
C.减少冷却塔的烟缕本发明的热交换器也可用于减少冷却塔的可见烟缕。这种过程与水保存过程基本相同。唯一的差别就是将冷却侧通道中被加热的冷空气与带有含热湿气的气流混合。通过与常规的减少烟缕的塔的冷却程度不同(approach different)，这两种气流的混合物可以有效地减少存在的可见烟缕。
在图4的焓湿图中示出了一种用于减少冷却塔中的可见烟缕的典型方法。如该图所示，从冷却塔的蒸发区段中流出的空气是100％的饱和热空气40。来自热源的热水还被送到处于塔的所述侧的盘管或另一热交换器中。热水用来加热环境空气42。然后空气通过热蒸发区段和水/气热交换器。对流过水/气热交换器的环境空气42加热，但含湿量没有任何变化(即显热传递)44。然后干燥热空气44被排出气-水热交换器。
然后将排出气-水热交换器的干燥热气流44与离开冷却塔蒸发区段的湿气流40混合。这两种气流的混合形成气流46，该气流的参数(property)表现为将离开冷却塔的气流46的温度和环境空气42的温度在焓湿图上用一条线连接时，该连线48与100％的饱和曲线不相交。如果环境空气与排出的空气混合时的连线48与100％的饱和曲线相交，则来自蒸发区段的气流的水蒸汽将出现冷凝，产生可见烟缕或雾。100％饱和曲线以上的区域是过饱和区域，也称作雾区。所以，应将系统设计成使得在给定的设计条件下离开冷却塔的气团的参数和环境空气团的参数结合时不出现可见烟缕。
利用本发明图1的热交换器10，通过降低来自蒸发区段的气流的含湿量和为减少烟缕而提供热的干燥热源，可以改进常规方法。减少热湿气流中的含湿量就是降低气流的绝对湿度。通过使用上述气-气热交换器可将来自冷却塔蒸发区段的空气的含水量减少。所述干燥热气源就是来自冷却空气通道的在热交换器中被加热的环境空气。
在图5的焓湿图中示出了用本发明的气-气热交换器减少烟缕的过程。当来自冷却塔蒸发区段的空气40通过热交换器时，温度和含湿量都降低50。环境空气42在形成干燥热气流52的相对通道中被加热。使两种气流混合在一起，形成的最后气团54处于饱和曲线下方。当环境空气42与来自冷却塔中的两种气流54的混合物的气团混合时，这些参数在曲线的过饱和区或雾区不相交。这由焓湿图上的一条连接环境气团42和混合气团54的连线56表示。
因为可能形成烟缕的湿气在进入周围环境中以前已经从塔中除去了一部分，上述的用于减少烟缕的方法对于减少烟缕很有效。因为在热交换器系统中不用水，所以这种方法不复杂。因为在热交换器中不用水，所以为冷却塔提供其他管道系统的复杂性也不存在。
冷却塔结构图6示出了使用上述热交换器的冷却塔58的第一优选实施方式。在该结构中，热交换器10以逆流的方式安排在蒸发介质60的上方。热交换器的这种布置对于储水和减少烟缕的结构来讲是最适合的。下面描述该冷却塔所使用的过程。
将来自热源的热水泵送通过具有喷头的管道62，并将热水喷洒到蒸发介质60上。一台(或多台)轴流风扇64促使冷环境空气的气流66通过蒸发介质。空气在蒸发介质60中被加热，湿气被蒸发为气流。然后将含有被加热的水的空气导引通过热交换器10的气流通道14。同时还将环境空气68导引通过热交换器的与含有被加热的水的空气流垂直的独立通道16。冷环境空气68在热交换器上形成冷却表面，以便蒸汽在该表面上冷凝。冷凝液15从热交换器落下后返回到冷却塔的主要水收集区域中。为清楚起见，图中将冷凝水滴的尺寸放大了。排出热交换器10的两种气流70、72在风扇入口附近混合。
当气-气热交换器10被装到冷却塔中时，热交换器对风扇64将产生阻力。在装入热交换器10以后，为了保持通过冷却区段的流率相同，增加的阻力将要求风扇64的功率增大。如图7A和7B所示，在运行期间，当需要冷却塔具有更好的性能时，可以使塔中的气门74开启。当开启这些气门74时，大量空气将绕过热交换器10直接到达风扇64。这将减小因热交换器10造成的空气阻力，增加流过冷却塔介质60的空气量。由于增加了通过介质60的气流，就能提高冷却塔的性能。但是，当绕过热交换器10时，水的保存、水的纯化以及烟缕减少的过程将会停止。
图8A和8B中示出了门的另一实施方式。在该结构中，门76不仅提供使热湿空气绕过热交换器10的手段，而且还提供关闭热交换器冷侧的手段。实际上它成为了风门。
减小热交换器10中的阻力的另一方法是增大热交换器组件的流动面积。如图9所示，为使两种不同气流(热湿气和冷环境空气)流过冷却塔的单个风扇64，堵塞一部分冷却塔介质的流动面积。由于堵塞一部分流动面积，气流速度必然增加。当通过热交换器10时，增加的流速引起较大的阻力。为了减少这种阻力，可以将热交换器的流动面积扩大，使扩大量等于堵塞量。在这种结构中，实际上热交换器组件10为伸出冷却塔介质60的有效的突梁形式。这样就减少了热湿空气通过热交换器的速度，并减少了系统中的压降。
图10所示的构成热交换器10的第三种方式在于将热交换器组件10的上坡部分(upward)80朝风扇64倾斜。这种结构使热交换器的流动面积增加，减少如上所述的压降。由于路径的出口位置更加朝向风扇64，所以这种结构使空气在热交换器10的面朝内的部分68上流动的空气通路(冷通路)得到改进。改进的空气通路使热交换器冷却侧的阻力和压降减小。不使热交换器10成为伸出冷却塔介质60的突梁形式也可实现倾斜热交换器10。
在图11所示的结构中，热交换器组件10的上部82的长度被减小。在该结构中，因为用于流过湿热空气的热交换器介质较小，所以系统的压降减小，而且这种结构还使湿气流与干燥气流进行更好的混合。在减少烟缕的过程中，这两种气流的混合是很重要的，以确保热湿空气不与冷环境空气混合而形成雾。同样，如图12所示，可以减小热交换器组件10下部的长度84，以便减小压降。
在冷却塔的另一实施方式中，如图13所示，用叉流介质86代替逆流蒸发介质。使热交换器介质10位于叉流冷却塔通风中的排出湿气流的通路中。在该结构中，热交换器10和蒸发介质86的这种布置对于水的纯化过程以及减少烟缕的过程均是最好的。下面描述这种冷却塔的运行。
将来自热源的热水泵送到水分配系统88，并且将热水分配到叉流蒸发介质86上。轴流风扇64促使环境空气流过蒸发介质86和热交换器10的面朝内的板16。将离开蒸发介质86的气流向上导引，使之通过蒸汽-冷凝介质(热交换器)10的面朝外的板14。冷环境空气90使面朝外的板上的蒸汽冷凝。冷凝液从热交换器上落下，返回到可以收集冷凝液的容器92中以作它用，或返回到主循环水系统中。来自面朝内的板和面朝外的板94、96两者的气流在风扇入口附近混合。
应当理解的是，图7A、7B、8A和8B所示的用于逆流冷却塔的门74和76可以很方便地装到叉流冷却塔结构中。此外，可将图10、11和12所示的用于逆流冷却塔的倾斜式热交换器组件10和台阶式热交换器组件10很方便地装到叉流冷却塔结构中。
在系统作为水纯化系统或脱盐系统运行时，可以不将环境温度冷却到足以从冷凝过程中获得所期望的清洁水输出的温度。为了有助于从热交换器10中输出清洁水，需要二次系统来降低进入热交换器10冷却侧的温度。如图14所示，可以在热交换器10的冷却侧的前面设置另一组冷却塔传热介质98。该冷却塔介质98喷洒冷水以便冷却进入的空气。可行的冷水源可以是海水源或其他比环境干球更冷的大水源。如果湿球温度较低，则冷水源不一定非得显著低于环境干球。于是，空气进入冷却塔介质，空气的温度在进入热交换器冷却侧以前就被降低。
在图15所示的另一实施方式中，用管式热交换器100代替薄合成树脂板组件10。这种管式热交换器的热力学性能与薄合成树脂板组件的热力学性能相同。管式热交换器的管子102可以用与上面所述的热交换器相同的薄合成材料制成，也可以用耐腐蚀金属如镀锌炉用管构成。将这些管子102固定到具有孔的板104上，使在管内流动的冷环境空气106与流过管子的热湿空气108分开。在一优选实施方式中，管子102的直径为6inches。用这种热交换器100的冷却塔的结构与上面所述的相同。
在图16的逆流系统的冷却塔和图17的叉流系统的冷却塔的另一些实施方式中，可以通过一根或多根管道110将外部环境空气送到处于强制通风区中的热交换器组件10。这些热交换器组件通常为交错的对角图形。在这种图形中，所述组件不是彼此直接堆放在上面的，由此减少了系统中的总压降。通过为每一个热交换器区段提供冷环境空气，并由此在每一个热交换器区段中形成最大的传热，该实施方式减少了所需要的热交换器10的总量。在这种结构中，由于两种气流相互混合，这种几何形状使混合更佳。这有助于减少烟缕。
在两种不同气流之间传热的气-气热交换器通常用在工业过程和发电过程中。一种气-气热交换器称作板翅式热交换器。这些热交换器通常由金属制成，并包括一块由一系列波纹板分开的平板。所述波纹板用于对热交换器进行结构支撑、通过改进边界层的流道结构提高传热，并提高分隔板(翅片)的热导率。分隔板也称作隔板，它将两种气流分开，并通过热传导使这两种气流之间进行传热。请参见“Process Heat Transfer”，Hewitt，Shires，andBott，CRC，Press，Inc.1994。
本发明的热交换器的一个优点是重量轻。对于图16所示的优选实施方式来讲，具有六个分段的塔的运行重量约为1100Ibs。而参数相当的塑料热交换器的运行重量，例如Kinney的′094号中的热交换器的运行重量约为2200Ibs。此外，′094号的发明将重量集中在外置塔上，而图16的热交换器的重量分散在三个分段上。这样就减少了附加到各塔上的负载量。重量或质量的减少也是地震设计所要求的。
本发明的经济效益在于使常规的烟缕减少，并将水储存起来。如上所述，气-气热交换器节省了必须用管子将热水传送到冷却塔干燥区段上的费用。这不仅节省了安装管子的费用，而且还节省了将水泵送到干燥区段的费用。然而，由于风扇抽吸湿气流使之通过气-气热交换器，所以风扇经受的静压增大。当与传统的具有使头部最小的虹吸环路的两个旁路盘管(psaacoils)比较时，本发明需要的功率几乎与其相同，或者与单个旁通盘管或与Kinney的发明′094号相比较，本发明需要较小的功率。在后一种情况下，节省的总功率约为头部的15’的量，对于200,000gpm的塔流量来讲，这差不多为900horsepower。按$0.03/kw-hr计算，每年节省约$175,000。
比节省功率更重要的是节省的维修费用和所需的水量费用。通常盘管的管子直径为1”-1.25”。再大的管子通常不能满足所要求的传热。水质必须足以防止管子结污和堵塞。在海水或盐水的情况下，传统翅片管必须由优质材料构成。通过使用如Kinney的′094号公开的塑料热交换器可以省略这种材料，该发明公开的内容在此引为参考。但是，Kinney的′094号中的热交换器的水通道比盘管更受限制。如果水质不够好，必须进行过滤处理或化学处理来提高和保持水质。这样做的费用是很高的。本发明节省了为提高和保持水质所花的费用。湿气流中的湿气基本上是纯的，它不会对气-气热交换器造成污染。本发明可用水质不如为减少烟缕所能考虑的水或储存水的水。
另外，某些冷却塔还可以用含有比热交换器通道大可能堵塞所述通道的有机物残渣的水。一个例子是“直通(once through)”式发电厂的应用，其中从河中或其他水源抽水，水在通过冷凝器时受到加热，在排回水源之前将其送到冷却塔。冷却塔的湿区段可以有挡溅填料(splash fill)和大孔的配水喷嘴，如授权给本受让人的美国专利4700893号所描述的那样。该′893号发明已经市场化，其孔径为1.875”和2.5”，从理论上讲是比较大的。所以，可以使用的水所含的有机物残渣比以前的用于减少烟缕的水所含的有机物残渣杂质大。
冷却塔的湿区段可以有挡溅填料和大孔的配水喷嘴，例如Bugler的美国专利4700893号所描述的那样，本文将该专利引为参考。因此可以节省为进行污物检修和提高水质所花的费用。这样每年在大型电厂冷却塔上就可节省$1,000,000。
最后，本发明的前期投资费用比现有技术的少。通常减少烟缕的塔的费用是常规的仅为湿塔的两至三倍。对于大型电厂设备来讲，减少烟缕的塔的费用可以是$6,000,000或更多。本发明可以比传统盘管技术节约$1,000,000或更多。
对于脱盐来讲，每1000gallons的水约为$1.50，而多级闪蒸淡化需$4，反向渗透需$3。本发明需要二次处理以生产饮用水。这样增加约$0.50/1000gallons。对于每天产量为5,000,000gallons的工厂来讲，这种工艺每天可以节省$5,000-$7,500，一年约为$2,000,000。
本发明实现的烟缕减少可作为用于在不增加费用的前提下设计的脱盐的塔的副产品。此外，对于需要减少烟缕的冷却塔来讲，通过利用本发明，脱盐可以是用于收集的费用很低的副产品。本发明的许多特点和优点从说明书的详细描述中已清楚地显现出来，所以，权利要求书覆盖了本发明的落入本发明的构思和保护范围内的所有这些特征和优点。另外，由于本领域技术人员无需创造性劳动就能进行各种改型和变换，所以希望不要将本发明限制在与上面已描述及图示出的结构和运行丝毫不差的结构和运行中，因此，所有适当的改型和等同物都落在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种减少气流的含湿量的方法，包括如下步骤将一具有干燥空气的流率在10和80每分钟每平方英尺磅之间、相对湿度等于或高于90％的第一气流导引通过第一组通道，将具有流率在10和80每分钟每平方英尺磅之间、干球温度比一第二流至少低5华氏度的所述第二气流导引通过第二组通道，用薄热导材料将所述第一组通道的每条通道与所述第二组通道的至少一条通道隔开；将所述第二气流中的热吸收到所述第一气流中；及收集从所述第二气流冷凝出的水。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导引第一气流的步骤和所述导引第二气流的步骤由单个空气导引装置实现。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述空气导引装置是一风扇。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述每条第一通道和每条第二通道内的压力在正6毫巴和负6毫巴之间。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述每条第一通道和每条第二通道内的压力在正3毫巴和负3毫巴之间。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述第一气流从冷却塔的流出物中获得。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述第二气流从冷却塔外的环境空气中获得。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，还包括将所述收集的水返回到所述冷却塔容器中的步骤。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，还包括纯化所述收集水的步骤。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述纯化收集水的步骤用反向渗透法完成。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二组通道由圆柱管构成，其中所述第二组通道是所述圆柱管周围的所述空间。
12.一种减少气流含湿量的设备，包括将第一气流中的热吸收到第二气流中的部件，所述吸收部件具有一组第一通道和一组第二通道；将具有干燥空气的流率在10和80每分钟每平方英尺磅之间、相对湿度等于或高于90％的一第一气流导引通过所述吸收部件的所述第一组通道、并将流率在10和80每分钟每平方英尺磅之间、干球温度比一第二气流至少低5华氏度的所述第二气流导引通过所述吸收部件的所述第二组通道的部件，用一薄热导材料将所述第一组通道的每条通道与所述第二组通道的至少一条通道分开；用于收集从所述第二气流冷凝出的水的部件。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述每条第一通道和每条第二通道内的压力在正6毫巴和负6毫巴之间。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述第一气流从一冷却塔的流出物中获得。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，还包括一将所述收集的水返回到所述冷却塔容器中的部件。
16.根据权利要求14所述的设备，其中，还包括纯化所述收集水的部件。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，用于纯化所述收集水的所述部件执行反向渗透过程。
18.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第二组通道用圆柱管形成，其中，所述第二组通道是所述圆柱管周围的所述空间。
19.根据权利要求12所述的设备，其中，所述第一组通道和所述第二组通道由夹在一起的薄板形成。
20.根据权利要求19所述的热交换器，其中，还包括沿所述薄板材料的两平行边缘正向突出的边缘和沿所述薄板的两平行边缘负向突出的边缘，所述负向突出的边缘垂直于具有所述正向突出边缘的边缘；通过将两薄板反过来将一侧的所述正向突出边缘连接在一起并将另一侧的所述正向突出边缘连接在一起，形成所述第一通道；及通过将两薄板反过来将一侧的所述负向突出边缘连接在一起并将另一侧的所述负向突出边缘连接在一起，形成所述第二通道。
21.根据权利要求20所述的热交换器，其中，通过交替连接一组薄板中的所述负向突出边缘和所述正向突出边缘，使所述第一通道的走向垂直于所述第二通道。
22.根据权利要求21所述的热交换器，其中，还包括在所述薄板中正向和反向地形成的按钮，以便在所述第一通道和所述第二通道之间的压差作用下保持所述通道开启。
23.根据权利要求22所述的热交换器，其中，在一第一薄板上所述正向地形成的按钮压靠在一第一相邻薄板上所述正向地形成的按钮，所述负向地形成的按钮压靠在一第二相邻薄板上所述负向地形成的按钮。
24.根据权利要求23所述的热交换器，其中，所述正向地形成的按钮被构成为可减小所述第一气流在第一方向上的流动阻力，所述负向地形成的按钮被构成为可减小所述第二气流在第二方向上的流动阻力。
25.根据权利要求24所述的热交换器，其中，所述薄板由合成树脂膜制成。
26.根据权利要求25所述的热交换器，其中，所述薄板由PVC制成。
全文摘要
本发明公开了一种热交换器组件(10)，其包括容纳环境气流的第一组通道(14)和容纳含有热水的气流的第二组通道(16)。第一组通道(14)和第二组通道(16)被隔开，并借助于环境气流使含有热水的气流冷却，致使水能从含有热水的气流中冷凝出来。冷却塔的结构包括所述热交换器组件，以便减少流出的烟缕，并收集部分流出物用于返回到所述冷却塔中或作为被纯化的水源。
文档编号F28C1/14GK1610575SQ02823434
公开日2005年4月27日 申请日期2002年10月11日 优先权日2001年10月11日
发明者布赖恩·J·哈伯德, 埃尔登·F·莫克里, 小奥勒·L·金尼 申请人:马利冷却技术公司