一种水轮机驱动式智能雾化冷却塔的制作方法

本实用新型涉及冷却塔领域，尤其涉及一种水轮机驱动式智能雾化冷却塔。

背景技术：

工业循环水冷却塔有机械通风冷却塔、自然通风冷却塔和喷雾冷却塔。喷雾冷却塔采用上喷型喷雾通风雾化装置，去除了冷却塔的填料部分，使整个塔几乎成为一个“空塔”，减少了塔内的阻力；并利用水力驱动，低压水流通过旋流雾化喷头产生雾流，雾流的作用力启动密封传动机构和风叶作反向旋转，冷风从进风口进入与雾化流的雾化水滴在雾状条件下进行热交换，以取得预期的降温效果,喷雾冷却塔从理论上来说投资比普通机械通风冷却塔要少，特别是带喷雾推进装置的冷却塔减少了电机驱动，安装了收水器，节电又节水；但实际使用中的喷雾冷却塔存在以下缺点：一，由于循环水系统运行的不稳定性，造成进入冷却塔的水压压头太低，使得喷雾装置喷雾效果不理想；二，喷雾产生的推力不足以保证装置的快速旋转，运行困难，无法保证风叶的旋转通风量；三，水质问题，极易造成喷嘴堵塞，维护不方便；四，由于风叶的转速降低，风量小从原理上讲达不到冷却所需要的风量及气水比,降温有限；五，缺乏性能优良的低压、大流量、大流道的雾化装量,喷雾效果好与不易堵塞这一矛盾难以克服。

另外，目前绝大多数普通机械通风冷却塔采用电机驱动风机使冷却塔强制通风与低温热水通过填料热交换来降温；现有雾化冷却塔通过循环水回水压力驱动雾化推进装置旋转喷射雾化流与冷风热交换来降温；控制手法单一，基本通过调整水泵出口阀门或循环水回水压力来控制，无法查证冷却塔内部的冷却数据。在实际应用中，控制精度低，无法精准控制流量来调节控温，因此电力和水仍有较大损失浪费。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供了一种结构简单，安装、维修方便；富余能量不够时能够自动调节增压系统提高雾化效果，且节电节水的冷却塔。

为实现上述目的，本实用新型的一种水轮机驱动式智能雾化冷却塔，采用如下技术方案：包括塔体、设置在塔体内的雾化单元和智能控制系统，所述塔体配设进水管和出水管；

所述雾化单元包括驱动装置和喷雾装置；所述驱动装置包括驱动风叶旋转的水轮机和吹送雾化水滴的风叶，所述水轮机设有转轮轴、水轮机进水端和水轮机出水管，所述水轮机进水端水压驱动所述转轮轴转动并带动风叶转动；所述水轮机进水端连通所述进水管，所述水轮机出水管与所述喷雾装置相连；

所述喷雾装置包括雾化进水管和雾化喷头，所述雾化进水管一端连通所述水轮机出水管，并流入流经水轮机且富有余压的水，另一端连接所述雾化喷头，所述雾化喷头朝上喷射并生成雾化水滴；

所述雾化单元设有若干个，若干所述雾化单元连通同一进水管并分布在塔体内；

所述塔体内预留雾化喷头的喷射空间，所述塔体顶端配设有收水器，所述塔体内壁四周设有淋水板，所述淋水板上端连接收水器，所述塔体下端设有进风口，所述淋水板位于所述进风口的上缘；

还设有智能控制系统，所述智能控制系统选用PLC自动控制系统，通过配设的传感器和变频增压装置实现对各雾化单元的喷雾进行控制进而调控冷却效果。

优选方案为：还设有钢支架，所述钢支架支撑所述雾化单元；

或，所述塔体下端连通水池，所述出水管自所述水池通出，所述钢支架固设在所述水池上；或，所述进风口设置在塔体下端；

或，所述进风口配设引风片，所述引风片引风朝塔体内向上吹。

优选方案为：所述进水管设有温度传感器，所述所述水轮机进水端配设有支路自动阀门用于控制进入水轮机进水端的水流；所述出水管上设有出水温度传感器用于检测出水温度；

各雾化单元单独配设流量传感器、压力传感器、变频增压装置和转速传感器，所述流量传感器、压力传感器设置在所述水轮机进水端，所述变频增压装置设置在所述水轮机的进水端或出水端用于控制进入水轮机的水流，所述转速传感器配合所述转轮轴设置用于监管风叶的转速；

所述智能控制系统配设控制主机PLC，所述温度传感器、流量传感器、压力传感器、变频增压装置和转速传感器通过实时数据传输连接所述控制主机PLC，所述控制主机PLC通过数据分析和数据调节自动控制各雾化单元的运行。

优选方案为：所述水轮机进水端连通水轮机进水管，各水轮机进水管通过支路进水管连通进水管，所述支路自动阀门设置在所述支路进水管上。

优选方案为：所述水轮机进水端还连通旁路进水管，所述旁路进水管通过旁路自动阀门与进水管连通；

或，所述旁路进水管连通若干水轮机旁路进水管，所述水轮机旁路进水管连通所述水轮机进水端。

优选方案为：所述控制主机PLC与所述温度传感器、流量传感器、压力传感器、变频增压装置和转速传感器的链路选用RS-485串行总线通讯连接；

或，所述变频增压装置包括增压水泵，所述增压水泵装有变频器。

优选方案为：所述雾化进水管连接若干个雾化布水器管路，所述雾化布水器管路上设有若干个雾化喷头；

或，所述雾化推送单元设有多个，各风叶外圈设置内风筒导向板。

优选方案为：所述塔体选用圆锥形、或双曲线形、或圆柱形、或多边形、或方形、或水泥塔、或钢架形、或玻璃钢塔；

或，所述塔体顶端设有出气风口格栅；或，所述塔体顶端设有风筒，所述风筒顶端设有出气风口格栅。

本实用新型的有益效果为：

一，本实用新型的一种水轮机装置的智能雾化冷却塔，在机械通风冷却塔内拆除冷却塔内填料部分，使整个塔几乎成为一个“空塔”，减少了塔内的阻力；并利用水力驱动水轮机带动风叶高速旋转，产生向上的风量，并在风叶上端安装有雾化布水器支管和向上雾化的雾化喷头，使得大风量与雾化水滴充分接触换热，加大气水比；

二，在喷雾装置进水管或者水轮机进水端上安装有增压设备并通过冷却塔配设的智能监控系统，使循环水在任何生产状况下及任何低压头运行时，都能保证水轮机的正常运行所需的压头，尤其是，当所述循环水的压力过低时，会引起水轮机转速过低，通风量减少及雾化喷头无法雾化，产生不了雾状雾化流，更会造成冷却塔无法降温或降温不理想；智能控制系统通过压力传感器及温度传感器的数据反馈给控制主机PLC，并经数据分析及系统平衡调节后通过变频增压装置对管路的低压热水增压，以满足各水轮机在任何生产工况下都能按设计状况下正常运行，并保证喷嘴产生雾化雾化流的运行要求，从而使冷却塔达到正常降温的要求；该智能控制系统彻底解决了当循环水系统在驱动装置或者喷雾装置中的水压力超低时，能满足冷却塔的降温冷却要求，并通过分析数据，根据冷却塔的水温能自动调节增压系统，合理调节循环水压头，降低电耗；通过智能监控系统，选用RS-485串行总线通讯，合理分析雾化推送单元是否正常运行、是否有故障，堵塞等问题，降低了对冷却塔检修的难度，提高了维修的效率，实际使用中冷却塔的维护更方便。

三，所述低压热水通过进水管流入水轮机做功带动风叶旋转，产生向上的风量，水轮机在水势能转化成机械能后会留有一部分的余压，低压热水通过水轮机出水管，经雾化进水管和雾化布水器支管从雾化喷头喷射出向上的雾化流以雾状形式与冷风进行热交换，冷风增湿增热带走热水热量；而通过雾化喷头喷射出向上的一部分水雾在冷风推动上升过程中，经过收水器和淋水板形成了大水珠往下坠落，并与进风口进入的冷风二次接触，增加了循环水与冷风的接触时间和接触面积，实现了循环水的二次换热降温，能进一步提高循环水的冷却效果；而另一部分雾化水与湿热的空气经过塔体顶端设置的收水器收水后通过出气口格栅排出塔外，带走部分热水热量。

四，所述循环水以低压热水形式通过进水管流入水轮机做功带动风叶旋转，产生向上的风量，达到降温的效果，而本实用新型中雾化单元设置在塔体内，并在塔体内预留有雾化喷头的喷射空间，使得雾化水滴在塔体内实现了换热降温，并通过收水器和淋水板回收到了水池中，一方面减少了普通机械通风冷却塔风机因强力抽风而造成的冷却塔飘水，另一方面采用水轮机驱动风机取消普通机械通风冷却塔的风机电机，达到了节水节电的目的。

五，本实用新型中旁路水管作为水轮机进水的辅助进水管，当循环水的回水压力足够满足水轮机高速运行及喷嘴雾化时，智能控制系统通过压力传感器、温度传感器及流量传感器的数据通过RS-485串行总线的传输反馈给控制主机PLC，控制支路自动阀门自动关闭，开启旁路自动阀门，给水轮机供水并保证水轮机的正常运行及雾化喷头的雾化需求，满足冷却塔的降温要求，合理利用了循环水的富余能量，从而达到了100％节电及节水的目的；

六，本实用新型的冷却塔结构简单，安装、改装方便，适于从新建立和安装，也适用于现有冷却塔的改装，对各种塔体的适应能力强，易于推广使用。

附图说明

图1是实施例1冷却塔的剖切图；

图2是实施例1冷却塔的俯视图；

图3是实施例1驱动装置的局部剖切图；

图4是实施例1水轮机的局部剖切图；

图5是实施例1水轮机出水管的局部剖切图；

图6是实施例1雾化装置俯视图；

图7是实施例1智能控制系统控制方法流程图。

具体实施方式

实施例1:

如图1-图7所示的水轮机驱动式智能雾化冷却塔，包括塔体1、设置在塔体1内的雾化单元和智能控制系统，所述塔体1通入进水管4并配设有出水管5；所述雾化单元包括驱动装置和喷雾装置；所述驱动装置包括吹送雾化水滴的风叶7和驱动风叶7旋转的水轮机28，所述水轮机28设有转轮轴29、水轮机进水端和水轮机出水管23，所述水轮机进水端驱动转轮轴 29转动并带动风叶7转动，所述水轮机进水端连通所述进水管4，所述水轮机出水管23与所述喷雾装置相连；所述雾化装置包括雾化进水管19和雾化喷头9，所述雾化进水管19一端连通所述水轮机出水管23，并流入流经水轮机且富有余压的水，另一端连接所述雾化喷头9，所述雾化喷头9利用余压朝上喷射生成雾化水滴。

所述雾化进水管19连接若干个雾化布水器管路25，所述雾化布水器管路25上设有若干个雾化喷头9。

所述雾化单元数量根据冷却塔循环水量的多少视情况设计，本实施例中，所述雾化单元设有若干个，这若干个雾化单元设置在塔体1内，所述塔体1内预留雾化喷头9的喷射空间110，而各风叶7外圈设置内风筒导向板10以引导风叶7风吹向所述雾化喷头9，将雾化水滴吹向喷射空间110实现冷热交换，所述塔体1的顶端配设有收水器2，所述收水器2为双层收水器；所述塔体1内壁四周布有淋水板21，所述淋水板上端连接收水器2，所述塔体1下端设有配合淋水板21进风口6，所述淋水板21位于所述进风口6的上缘。

还设有所述钢支架18用于支撑所述塔体1和所述雾化单元，所述塔体1下端连通水池20，雾化水滴与经从进风口6进入的冷风换交换后并经所述收水器2和所述淋水板21收集落入所述水池20，所述出水管5自所述水池20通出，所述钢支架18固设在所述水池20上。

所述塔体1下端侧面设有配合淋水板21进风口6，所述进风口6围绕在所述钢支架18的外围，所述进风口配设引风片22，所述引风片22引入的冷风并朝塔体1内的向斜上方吹，降低了进风阻力，增加风叶7的风量。

还设有智能控制系统，所述智能控制系统选用PLC自动控制系统，通过配设的传感器和变频增压装置实现对各雾化单元的喷雾控制，进而达到最优的冷却效果。

所述进水管上设有温度传感器121，所述水轮机进水端配设有支路自动阀门131用于控制进入水轮机进水端的水量；所述出水管上设有出水温度传感器122用于检测经冷却塔冷却的水温，以检测冷却塔的冷却效果；

所述水轮机进水端连通水轮机进水管24，若干个水轮机28各自通过水轮机进水管24连通支路进水管14-1连通进水管4，而所述支路进水管14-1上设有所述支路自动阀门13-1。

所述水轮机进水端还连通旁路进水管14-2，若干个水轮机28各自的进水端连通水轮机旁路进水管27，所述若干个水轮机旁路进水管27都与所述旁路进水管14-2连接，旁路进水管14-2 上设置的旁路自动阀门132与所述进水管4连通；

所述旁路进水管14-2和支路进水管14-1安装在所述钢支架18上方。

若干个雾化单元都单独配设有压力传感器15、流量传感器17、变频增压装置16和转速传感器8，所述流量传感器17和压力传感器15设置在所述水轮机进水管24上，所述变频增压装置16设置在所述水轮机出水管23上用于控制水轮机进水端的水流，所述转速传感器8配合所述转轮轴29设置用于监管风叶7的转速。

所述智能控制系统配设控制主机PLC,通过压力传感器15、流量传感器17、变频增压装置16、转速传感器8、进水管温度传感器1和出水管温度传感器122，获得水流的数据，所述压力传感器15、流量传感器17、变频增压装置16、转速传感器8、进水管温度传感器1和出水管温度传感器122与所述控制主机PLC的链路选用RS-485串行总线通讯连接，所述控制主机PLC 通过实时通讯连接，再经过数据分析和数据调节自动控制各雾化单元的运行，从而实现冷却塔最优的冷却效果。

本实施例所述塔体1选用方形的钢架形塔，所述塔体1顶端设有出气风口格栅3。

本实施例所述支路进水管141上连接有9个水轮机进水管24；所述水轮机进水管24上安装有变频增压装置16、压力传感器15、流量传感器17并与水轮机28连接，水轮机28的转轮轴29上安装有风叶7与转速传感器8；所述旁路水管上连接有旁路自动阀门131并与数个水轮机28相连接；各所述水轮机出水管23与各自连接有雾化进水管19相连接；雾化进水管19各自在出口处布置了数条雾化布水器管路25，各条雾化布水器管路25分别安装有若干个雾化喷头9，所述水轮机风叶7外圈设置有内风筒导向板10为风叶7风向引导。

本实用新型在使用雾化喷头9的实现降温冷却的基础上,还设置了第二降温结构来增强冷却降温效果。所述第二降温结构即为淋水板21、进风窗6,淋水板21位于进风口6的上缘，并与上部收水器2连接；热水经过雾化喷头9雾化并与冷风进行热交换降温冷却后,部分水雾向上碰到收水器后通过淋水板21下流,并经淋水板21的淋水孔冷热交换,达到二次降温冷却的效果。

目前绝大多数普通机械通风冷却塔采用电机驱动风机使冷却塔强制通风与低温热水通过填料热交换来降温；现有雾化冷却塔通过循环水回水压力驱动雾化推进装置旋转喷射雾化流与冷风热交换来降温；控制手法单一，基本通过调整水泵出口阀门或循环水回水压力来控制，无法查证冷却塔内部的冷却数据。在实际应用中，控制精度低，无法精准流量调节控温，因此仍有较大损失浪费。而本系统中将现有技术中的单一主管道分成了若干个雾化单元进行控制，控制核心采用控制主机PLC并配设有所述压力传感器15、流量传感器17、转速传感器8、进水管温度传感器1和出水管温度传感器122和变频增压装置16，每一雾化单元单独设有驱动装置，每一驱动装置单独设置增压装置、流量传感器、压力传感器和转速传感器，变频增压装置16选包括增压水泵，每一所述增压水泵单独装有变频器。为了避免常规控制系统现场大量接线施工的繁琐，本系统从控制主机PLC至所述压力传感器、所述流量传感器、所述及温度传感器和所述变频增压装置的链路采用目前技术成熟的RS-485串行总线方式，不仅提高了现场安装效率、在实际应用中维护方便，而且还节省了大量的现场施工线管材料。

作为替换方案：

一，本实施例中的所述塔体1顶端设有风筒3，所述风筒3顶端设有出气风口格栅31；

二，本实施例中的塔体1可采用圆锥形、双曲线形、多边形、方形、水泥塔、钢架型、玻璃钢塔等的新建或改造；

三，本实施例中的所述冷却塔中可雾化单元多层布置。

本实施例汇总，所述低压热水通过进水管4流入水轮机28做功带动风叶7旋转，产生向上的风量；设计水轮机28在水势能转化机械能后会留有一部分的余压，低压热水通过水轮机出水管24，经雾化布水管支管25及雾化喷头9喷射出向上的雾化流以雾状形式与冷风进行热交换；冷风增湿增热带走热水热量，一部分水雾在冷风推动上升过程中，形成了大水珠往下坠落，并与冷风二次接触换热降温，另一部分雾化水与湿热的空气经过塔顶的收水器收水后通过出气口格栅排出塔外，达到降温的效果。由于取消了普通机械通风冷却塔的电机风机，并降低了冷却塔的飘水，达到了节水节电的目的。

所述循环水的压力过低时，会引起水轮机转速过低，通风量减少及雾化喷头9无法雾化，产生不了雾状雾化流，更会造成冷却塔无法降温或降温不理想；智能控制系统通过RS-485串行总线传输压力传感器及温度传感器的数据反馈给控制主机PLC，并经数据分析及系统平衡调节后通过变频增压水泵对管路的低压热水增压，以满足各水轮机在任何生产工况下都能按设计状况下正常运行，并保证雾化喷头产生雾化流的运行要求，从而使冷却塔达到正常降温的要求；该智能控制方式彻底解决了循环水系统在任何状况下的回水压力超低时，满足冷却塔的降温要求。

当循环热水的回水压力足够满足水轮机高速运行及雾化喷头雾化时，智能控制系统通过 RS-485串行总线通讯将压力传感器、温度传感器及流量传感器的数据反馈给控制主机PLC，控制支路自动阀门自动关闭，开启旁路自动阀门，给水轮机供水并保证水轮机的正常运行及雾化喷头雾化，满足冷却塔的降温要求，合理利用了循环水的富余能量，从而达到了100％节电及节水的目的。

案例：某循环水系统有额定水处理量为3500m3/h的冷却塔，冷却塔进水高度为10米，冷却塔进风口顶部高5米，冷却塔阀前回水压头为19米，冷却塔风叶的风机配套电机功率为160kW，风量273×10⁴m³/h，湿空气密度为1.1358kg/m³。冷却塔风机实际运行功率为140.7kW，冷却塔实际运行流量为3600m³/h。系统补水量为70m³/h。

1、通过公式P＝ρ×g×Q×H÷3600×η对系统富余能量进行计算，系统的富余能量远小于冷却塔风机所需的功率，无法采用纯水轮机驱动，需采用水-电混合驱动，但冷却塔飘水量过高仍无法解决。

2、采用本实用新型中的水轮机驱动式智能雾化冷却塔在解决了冷却塔风耗电问题的同时减少了冷却塔飘水。在富余能量不足的同时采用智能增压装置给予补充，使系统富余能量得到充分的利用。实施过程如下：

(1)水轮机驱动式智能雾化冷却塔采用模块化组合方式布置于冷却塔内。循环水雾化装置所需压头为5米，水轮机驱动式智能雾化冷却塔所需的水轮机压头按系统实际富余压头情况减去雾化装置所需的压头，水轮机最低设计压头按10米计，如水轮机实际压头低于10米，则采用变频增压装置补足，高于10米则通过旁路进入水轮机，变频增压装置所在的支路进水管关闭。本项目单个雾化推送单元按100m³/h设计，具体流量可根据实际情况增减。

水轮机实际设计压头＝系统回水压头-水轮机驱动式智能雾化冷却塔-雾化装置所需压头，如水轮机实际设计压头≥10米，则按实际压头设计；如水轮机实际设计压头＜10米，则通过增压装置补足，按10米设计。

(2)本项目水轮机富余压头＝19米-6米-5米＝8米

19米：为回水压头；

6米：水轮机雾化装置安装高度，安装于进风口顶1米左右位置；

5米：水轮机雾化装置所需压头；

因水轮机富余压头只有8米，采用变频增压装置补足10米，

水轮机实际做功P＝ρ×g×Q×H÷3600×η水轮机

＝1.0×10³×9.81×100×10÷3600×88％

＝2.398kW

ρ：为水的密度(1.0×10³kg/m³)；

g：为重力加速度(9.81m²/s)；

H：为系统中可用富余压头(m)；

η：水轮机效率(％)

(3)为使冷却塔起到较好的降温效果，水轮机驱动式智能雾化冷却塔气水比按1.3设计，并按气水比设计水轮机所转动风叶的风量和风压，按照实际的风量、风压和转速设计选择风叶所需的风机。具体可通过以下公式进行计算：

气水比＝进塔空气质量流量Q气m÷进塔水的质量流量Q水

进塔空气流量Q气＝进塔空气质量流量Q气m÷湿空气密度ρmm

Q气m：进塔空气质量流量(kg/s)

Q水：进塔水的质量流量(kg/s)

Q气：进塔空气流量，即风量(m³/h)

ρm：湿空气密度(kg/m³)

因风叶的风机是由水轮机直接驱动的，风机转速与水轮机转速相同，水轮机的输出功率即为风机的输入功率，所以风叶的风机风压可通过风机功率公式反算得出，即：

风叶的风机风压＝水轮机做功×3600×1000×η风机÷风量Q气

风压单位:Pa

水轮机做功单位：kW

风量Q气单位：m³/h

通过对系统能量的计算，并根据计算情况设计水轮机驱动式智能雾化冷却塔气水，包括水轮机、风叶的风机、雾化装置、控制系统等。经过对冷却塔改造前后实际运行数据的测试，冷却塔改造后节电可达76.7％，节水也有20％以上。详见下表:

改造前后冷却塔运行数据对比

本实用新型的技术经济效果如下：

本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果：结构简单，安装、维修方便；富余能量不够时能够自动调节增压系统推力；综合利用了工厂的富余能量，不造成浪费。

由于采用了智能控制系统及变频增压装置调节压力，实现了循环水在任何情况下的系统调整及生产状况下所发生的低压都能满足运行；并通过冷却塔冷却空气量及冷却水量的气水比、采用顺向布置，水在塔内具有顺流和逆流两个冷却过程，部分微小雾滴在塔上部呈悬浮状态，从而延长了水在塔内的停留时间，充分的保证了热交换的时间，由于采用了内风筒导向板，筛板(网)淋水，双层收水器，实现了节电、节水、降噪，降低了工艺循环水的运行成本，效果明显，因此一种水轮机装置的智能雾化冷却塔应当是现行冷却塔的换代产品。

本说明书中所描述的上述内容仅仅是对本实用新型所作的举例说明。本实用新型中所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施案例，做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本实用新型中说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本实用新型中的保护范围。