一种流体的冷却方法及装置与流程

本发明涉及一种流体的冷却方法及装置，特别是对工业过程中的循环冷却水的降温和蒸汽的冷凝，利用机械制冷和水汽化降温弥补空气冷却在高温段的冷却能力不足，使整体设备大幅缩小，节省设备投资和运行费用，又达到空气冷却节水的工业循环冷却水降温循环利用和蒸汽冷凝的方法与装置，属于工业水循环、工业冷却和空气冷却节水领域。

背景技术：

在工业生产过程中，有很多需要冷却的工序，如冶金和电力等行业中需要冷却的环节更多。通常，冷却过程多以水为介质，在冷却过程中，温度升高后的冷却水需要降温后循环使用。循环冷却水的降温常采用凉水塔蒸发冷却，也有采用闭路循环间接冷却的方法，间接冷却要通过罐外喷水或空气冷却。凉水塔式的直接冷却和喷水降温的间接冷却均是通过水蒸发吸热实现，所以，需要消耗大量的水。用空气冷却可以达到节水的目的，但由于空气的传热系数远小于水蒸发的传热系数，所以，冷却设备庞大，会导致设备投资过大。从另一方面看循环冷却水的冷却负荷由工艺条件决定，通常比较稳定；而空气冷却依靠空气与循环水的温差实现循环水的降温，由于大气温度因季节、时段和天气状况而变化很大，导致空冷的冷却能力波动很大。所以，要满足工业生产的需要，就需要将空冷的设备按温度较高的大气条件设计，设备会很庞大，而在大气温度低时，设备冷却能力又浪费很大。同样，如电厂、工业加热使用的蒸汽尾气的冷凝如采用空气冷却，其特点也与循环冷却水的降温相同，存在着如前说述的冷却能力随大气温度变化而变动的问题，导致设备庞大。因此，开发一种以空气冷却为主，在大气温度高的时段通过其他方式补足冷却能力不足的缺陷，做到整体设备投资低，综合成本低的技术和设备就显得非常重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可大幅降低设备投资，实现循环冷却水降温和蒸汽冷凝(通称为流体的冷却)的低成本空气冷却方法与装置，通过冷却模式和装备的革新实现以电代水，节点应急的水介质削峰复合运行达到水资源高效利用，适应多种水质的密闭循环冷却，为工业节水提供一条经济可行的技术手段和装置保障。本技术具有节水效果显著，投资费用少，运行动力消耗小，整体成本低的特点。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种流体的冷却方法，其特征是在工业生产工艺工程中温度升高的冷却水的降温和/或蒸汽冷凝过程由以下冷却方式选择；依大气温度和工艺负荷的情况进行冷却方式切换或选择使用，所述冷却方式包括：(1)空气间接冷却(空冷)，(2)空气间接冷却之后机械压缩制冷的间接冷却(空冷-机冷)，(3)空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却(空水冷)，(4)空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却之后进行机械压缩制冷的间接冷却(空水冷-机冷)，(5)空气间接冷却之后，空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却(空冷-空水冷)，(6)空气间接冷却之后，空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却，再进行机械压缩制冷的间接冷却(空冷-空水冷-机冷)。

所述流体的冷却方法是在于空气间接冷却(空冷)，和空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却(空水冷)的冷却方式的切换是在同一套设备上，通过所述间接冷却水的施加与不施加实现的。

实现所述流体的冷却方法的装置是实现空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却的装置至少由如下部分构成：内部流通所需冷却的工业循环冷却水的冷却水管或内部流通蒸汽的蒸汽管、与所述冷却水管或蒸汽管的外侧连接的片状板、在所述片状板上布置的渗水管。

实现所述流体的冷却方法的装置是所述装置至少由能够进行空气冷却(空冷)与同时能够进行空气冷却和水间接冷却(空水冷)的片状板冷却机构、机械压缩制冷系统构成；进行空气冷却的工业循环冷却水入口与工业循环冷却设施的冷却水出口相连接，进行空气冷却的工业循环冷却水出口与机械压缩制冷系统的工业循环冷却水入口相连接，机械压缩制冷系统的工业循环冷却水出口与工业循环冷却设施的冷却水入口相连接。

所述流体的冷却方法是所述机械压缩制冷的间接冷却是利用夜间电力制冷得到冷水并储存，昼间使用所储存的冷水进行工业循环冷却水的降温或蒸汽冷凝。

实现流体冷却方法的装置是所述冷却水管的外侧连接的片状板与水平面的夹角小于90°；在片状板上部设置的渗水管水出口与片状板相接触；在沿流体管轴向方向上片状板按一定间隔设置幅宽小的片状板，在该小片状板上设置渗水管，或在沿流体管轴向方向上片状板按一定间隔设置不同板间距的片状板，在该宽板间距的片状板上设置渗水管，或在等间距设置的片状板上部设置渗水管，从渗水管渗出的水流在片状板上从上向下流动，空气与水流方向垂直或以一定角度穿过片状板间的空间，或在宽间距的等间距设置的片状板上部设置渗水管，从渗水管渗出的水流在片状板上从上向下流动，空气从下方穿过片状板间的空间，或等间距设置的片状板上部设置渗水管的空气冷却单元在渗水冷却时渗水管在片状板的上方，当单纯用空气冷却时，冷却单元以冷却流体管轴为圆心旋转90°，空气从下向上穿过片状板间的空间。

所述流体的冷却方法是在空气冷却器的片状板的空气进口处设置有向外渗水的渗水机构，空气经过该渗水机构后，与一组循环冷却水换热单元或蒸汽冷凝换热单元接触后排出，或从一组循环冷却水换热单元或蒸汽冷凝换热单元接触后进入下一组循环冷却水换热单元或蒸汽冷凝换热单元换热。

所述流体的冷却方法是在空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却过程中，向流体管外壁施加的水量是通过渗水管中水的压力调节渗出水的量，或通过开关不同渗水管路，调节渗出水量的总量实现的。

所述流体的冷却方法是在空气冷却器的空气进口侧用水向进入空冷器的空气喷雾，含有水雾滴的空气与一组循环冷却水换热单元或蒸汽冷凝换热单元接触后排出，或从一组循环冷却水换热单元或蒸汽冷凝换热单元接触后进入下一组循环冷却水换热单元或蒸汽冷凝换热单元换热。

所述流体的冷却方法是在循环冷却水或蒸汽的流通管线上，串联不同片状板间距的冷却单元，片状板间距小的冷却单元设置在循环水或蒸汽流通管线的上游，片状板间距大的冷却单元设置在流通管线的下游；在片状板间距大的冷却单元设置渗水机构，在片状板间距小的冷却单元的空气进口侧设置或不设置水喷雾机构。

具体说明如下：

以温度变化很大的大气为冷媒对循环冷却水降温或使蒸汽冷凝的流体冷却过程中，在气温低时只用空气冷却即可；但温度在昼夜差距比较大，在午间气温较高时段，用机械压缩制冷的冷水在流体的末端加以辅助，保障冷却后的流体能够满足工艺要求，而成本却增加很少；在盛夏高温期，仅用机械压缩制冷保障流体的冷却温度就会使机械制冷设备变的庞大，冷却成本也会增加较多，在这种情况下，在空冷器上适当加水，形成水蒸发冷却与空气冷却并行，会大幅提高冷却器的冷却能力，以小的空冷和机械压缩制冷设备和成本，实现低成本冷却；在昼夜间大气温度变化和盛夏高温情况下，不适用机械压缩制冷，直接在空冷器上适当加水，形成水蒸发冷却与空气冷却并行，大幅提高空冷器的冷却能力，保障工业冷却要求。在昼夜温差大，空气湿度低的地区，空气间接冷却之后，空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却(空冷-空水冷)可以做到很少的设备投资达到冷却又能做到节约用水；在盛夏昼夜气温均偏高的情况下，空气间接冷却之后，空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却，再进行机械压缩制冷的间接冷却(空冷-空水冷-机冷)能够保障工业冷却的要求。这几种运行模式随大气温度变化进行切换运行，使得较小的设备投资，满足工业冷却要求，又达到节水的目的。

空气间接冷却(空冷)，和空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却(空水冷)的冷却方式的切换是在同一套设备上进行，通过间接冷却水的施加与不施加实现，达到一套设备简单地调节冷却能力，适应不同的大气温度下的冷却要求，以少的设备投资满足工业流体的冷却。

实现空气间接冷却，和空气间接冷却的同时进行外壁与水接触的水间接冷却的装置至少由如下部分构成：内部流通所需冷却的工业循环冷却水的冷却水管或内部流通需要冷凝的蒸汽的蒸汽管、与所述冷却水管或蒸汽管的外侧连接的片状板、在所述片状板上布置的渗水管。能够进行空气冷却(空冷)与同时能够进行空气冷却和水间接冷却(空水冷)的片状板冷却机构，与其上设置的渗水管配合以少量的水达到大幅提高冷却能力的目的。

机械压缩制冷的间接冷却主要利用夜间电力制冷得到冷水并储存，昼间使用所储存的冷水进行工业循环冷却水的降温或蒸汽冷凝，利用夜间的低价电达到降低运行成本的目的。也可只用空水冷的冷却器调节大气温度的变动带来的冷却能力的变化。

冷却水管的外侧连接的片状板与水平面的夹角小于90°，在片状板上方设置的渗水管渗水管水出口与片状板相接触能够使得渗出的水沿片状板向下缓慢流动，均匀地分布在片状板上，通过汽化向片状板吸热降温并传导到流体管达到流体的冷却降温。在沿流体管轴向方向上片状板按一定间隔设置幅宽小的片状板，在该小片状板上设置渗水管，或在沿流体管轴向方向上片状板按一定间隔设置不同板间距的片状板，在该宽板间距的片状板上设置渗水管，或在等间距设置的片状板上方设置渗水管，水流从上向下流动，空气与水流方向垂直或以一定角度穿过片状板间的空间，或等间距设置的片状板上方设置渗水管的空气冷却单元在渗水冷却时渗水管在片状板的上方，当单纯用空气冷却时，冷却单元以冷却流体管轴为圆心旋转90°，空气从下向上穿过片状板间的空间。由于要保证空冷的能力，通常片状板布置的很密，即片状板之间的间距很小，对渗水管的布置带来困难，通过所述措施既能保证片状板的密度又能比较方便地布置渗水管。如图1所示的间隔设置的小宽幅渗水片状板冷却器，在流体管1上设置有标准幅宽片状板3和幅宽小的短板片状板4，在短板片状板上设置了渗水管5，片状板与水平面的夹角β小于90°，通常在25-60°为宜，空气6穿过冷却器；通常短板是在上部短一点，安装渗水管后的高度在工业流体管外壁至标准片状板上部边沿长度的60％-100％之间。如图2所示的不同间距渗水片状板冷却器，在流体管上分别设置了等间距片状板7和宽间距片状板8，在宽间距片状板上设置渗水管5(间距b>a，通常取b为1.5a～2.5a)。图3所示的等间距渗水片状板侧面空气流通式冷却器，在其上部设置了渗水管5的等间距片状板9均匀地布置在流体管1上，空气6从侧面流过片状板和流体管。图4表示了等间距渗水片状板流体管轴心旋转式冷却器结构，图4-1为旋转前的渗水管及空气流通方向(实施渗水)，4-2是旋转后的渗水管及空气流通方向(停止渗水)。在宽间距的等间距设置的片状板上部设置渗水管，从渗水管渗出的水流在片状板上从上向下流动，空气从下方穿过片状板间空间的结构安排(加装渗水管后渗水管所占片状板间距不超过20％为标准设计板间距)的更有利于设备的简单制造，但空气流过时会稍微增加阻力和扰动。所述几种结构可以根据冷却水热水的温度，所在区域气候条件选择片状板与渗水管的配置方式。如对于昼夜温差大，午间温度高的时间段很短的区域选择渗水管的宽窄间隔设置或短板设置方式更为经济，渗水管细的情况下采用短板片状板更利于制作；对于昼夜温差较小的区域选择宽间距的片状板方式和流体管旋转方式的冷却效果会更突出，需要风量小，或工业流体热水温度高的情况下采用宽间距片状板的结构会使设备更简单。

从渗水管渗出的水量由渗水管中的压力来调节，或通过开关不同渗水管路，调节渗出水量的总量。这两种调节方法都可以根据大气温度调节渗出水量，达到节水和保障冷却的目的。

实际工程中，在片状板上部设置渗水管比较繁杂，可以简单地在空冷器的空气进口处设置有向外渗水的渗水机构，空气经过该渗水机构吸水降温，以低温湿空气与片状板换热，或在空气冷却器的空气进口侧用水向进入空冷器的空气喷雾，含有水雾滴的空气吸水降温，以低温湿空气与片状板换热。吸水后的湿空气可以与一组流体换热单元接触后排出，也可进入下一个流体换热单元二次换热。

实际工程中，可以在循环冷却水或蒸汽的流通管线上，串联不同片状板间距的冷却单元，片状板间距小的冷却单元设置在循环水或蒸汽流通管线的上游，片状板间距大的冷却单元设置在流通管线的下游；在片状板间距大的冷却单元设置渗水机构，在翅片间距小的冷却单元的空气进口侧设置或不设置水喷雾机构。这样，可以通过启动和关停渗水或喷雾来部分调节空冷器的冷却能力。

本发明所述渗水是指水不是以喷出的方式与片状板接触，而是从水管流出的水在与原水管脱离接触之前就与片状板接触，即从水管流出的水与片状板接触前不需要脱离固体支撑物而通过空气介质空间到达片状板，也即从水管流出的水到达片状板不是依靠喷出的水的动能落到片状板上，而是通过片状板对水的吸附力接触，并在受到片状板吸附力的作用下缓慢向下移动，在片状板的下部边沿没有水滴滴出片状板为控制目标。这样可使水的蒸发尽可能多地从片状板吸热，提高工业流体的降温效果，并避免喷雾造成的水滴夹带损失。

实际工程中，片状板的大小、板间距及板的倾斜角可根据传热和传质知识进行优化即可。

本发明的有益效果是通过冷却模式的切换，做到以空气冷却为主，大气高温时段节点应急的水介质削峰、末端机械压缩制冷复合运行达到大幅降低设备投资和水资源高效利用，通过空冷单元的渗水和水喷雾手段做到使用一套设备能够顺畅的调节冷却能力，为工业节水提供低成本空气冷却方法与装置，为工业节水提供一条经济可行的技术手段和保障。本技术具有节水效果显著，投资费用少，运行动力消耗小，整体成本低的特点。

附图说明

图1：间隔短板渗水片状板冷却器结构示意图；

图2：不同间距渗水片状板冷却器结构示意图；

图3：等间距渗水片状板侧面空气流通式冷却器结构示意图；

图4：等间距渗水片状板流体管轴心旋转式冷却器结构示意图；

(图4-1为旋转前的渗水管及空气流通方向(实施渗水)示意图，4-2是旋转后的渗水管及空气流通方向(停止渗水)示意图

图5：空气冷却-渗水冷却-机械压缩制冷串联模式示意图；

图6：同一设备空气冷却-渗水冷却运行切换模式示意图；

图7：空气冷却-机械压缩制冷串联模式示意图；

图8：同一设备空气冷却-渗水冷却运行切换-机械压缩制冷串联模式示意图；

其中：1-工业流体管，2-工业流体热流体，3-标准幅宽片状板，4-幅宽小的短板片状板，5-渗水管，6-空气流动方向，7-等间距片状板，8-宽间距片状板，9-设置了渗水管的等间距片状板，10-空气冷却单元，11-空气冷却-渗水冷却通用单元，12-工业流体冷流体，13-机械压缩制冷单元，14-渗水冷却用水，a-片状板的等间距，b-片状板的宽间距，β-片状板与水平面的夹角。

具体实施方式

实施例1

本实施例为冶金行业循环冷却水的降温方案，如图5所示。本冷却系统包括了空气冷却单元、空气冷却-渗水冷却通用单元和机械压缩制冷单元，空气冷却-渗水冷却通用单元串联设置在空气冷却单元和机械压缩制冷单元之间，同时也设置了不通过渗水冷却单元的工业流体旁路管线；同样机械压缩制冷单元也设置了工业流体旁路管线。在工业冷却过程中，温度升高到40℃的循环冷却水热水2(此例的工业流体热流体)进入空气冷却单元10中，大气温度低的季节，和气温低的夜间及上午时段，只经过空气冷却就降到30℃，循环冷却水不经过空气冷却-渗水冷却通用单元，而是通过旁路流通，机械压缩制冷单元不工作，只作为循环冷却水的流通通道流过，也可不进入机械压缩制冷单元而是通过旁路流通，最后作为循环冷却水冷水12(此例的工业流体冷流体)返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。但在温度较高的时段如12点至17点的时段，循环冷却水经过空气冷却再通过不启动渗水的空气冷却-渗水冷却通用单元冷却到30℃后通过机械压缩制冷单元(不制冷)或其机械压缩制冷单元的旁路返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。如大气温度比较高，在温度较高的时段如12点至17点的时段，循环冷却水经过空气冷却再通过不启动渗水的渗水冷却单元冷却到33-32℃后，再通过机械压缩制冷单元13，进一步降温到30℃后返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。机械压缩制冷系统在夜间制取冷水储存，在需要机械制冷时段使用储存的冷水在换热器中使循环冷却水降温，机械压缩机停止运行。

在夏天气温高的季节，温度升高到40℃的循环冷却水热水2进入空气冷却单元10和空气冷却-渗水冷却通用单元11(不渗水)中，气温低的晚上和上午时段，只经过空气的冷却就降到33℃后，再通过机械压缩制冷换热器13，进一步降温到30℃后返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。在空气湿度小的北方，在夏天气温高的季节，温度较高的时段如11点至18点的时段，循环冷却水冷水2经过空气冷却单元10冷却到36℃后，再通过空气冷却-渗水冷却通用单元11冷却(渗水冷却)到30℃后，再通过机械压缩制冷换热器的旁路，返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。

在夏天气温高，湿度较大的季节，温度较高的时段如11点至18点的时段，循环冷却水冷水2经过空气冷却单元10冷却到38℃后，再通过空气冷却-渗水冷却通用单元11冷却到32℃后，再通过机械压缩制冷换热器13，进一步降温到30℃后返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。渗水冷却管采用图1所示，间隔短板结构的渗水换热器。

通过这种模式转换，可以在保障工业冷却的同时，以仅靠空气冷却的空冷器的30％的设备投资，实现与完全水冷节水60％的目的。

冷却器末端串联了机械压缩制冷单元的冷却对于昼夜温差大，午间温度高的时间段很短的区域，及雨天比较多的季节应用效果会更突出。

实施例2

本实施例为冶金行业循环冷却水的降温方案，如图6所示。在工业冷却过程中，温度升高到46℃的循环冷却水热水2进入空气冷却-渗水冷却通用单元11中，大气温度低的季节，和气温低的晚上和上午时段，只经过空气冷却就降到35℃，作为循环冷却水冷水12返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。但在温度较高的时段如12点至17点的时段，开启渗水冷却用水14，循环冷却水经过空气和渗水汽化的耦合冷却，降温到35℃后返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。渗水冷却的空气在通过一组渗水单元后，再通过另一个渗水冷却单元或空气冷却单元。

在夏天气温高的季节，渗水量通过加大流入渗水管中的水的压力增加渗水量，提高冷却能力。

渗水冷却管采用图2所示，不同间隔片状板结构的渗水换热器。

通过这种模式转换，可以在保障工业冷却的同时，以仅靠空气冷却的空冷器的25％的设备投资，实现与完全水冷却节水50％以上的目的。

对于昼夜温差大，空气湿度低的区域采用该运行方式效果显著，设备成本低。

实施例3

本实施例为冶金行业循环冷却水的降温方案，如图7所示。在工业冷却过程中，温度升高到40℃的循环冷却水热水2进入空气冷却单元10中，大气温度低的季节，和气温低的晚上和上午时段，只经过空气冷却就降到28℃，作为循环冷却水冷水12返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。但在温度较高的时段如12点至17点的时段，循环冷却水经过空气冷却到33-32℃后，再通过机械压缩制冷换热器13，进一步降温到28℃后返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。

通过这种模式转换，可以在保障工业冷却的同时，以仅靠空气冷却的空冷器的40％的设备投资，实现与完全水冷节水60％的目的。

实施例4

本实施例为冶金行业循环冷却水的降温方案，如图8所示。在工业冷却过程中，温度升高到40℃的循环冷却水热水2进入空气冷却-渗水冷却通用单元11中，大气温度低的季节，和气温低的晚上和上午时段，只经过空气冷却(关闭渗水冷却用水)就降到30℃，作为循环冷却水冷水12返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。但在温度较高的时段如12点至17点的时段，导入渗水冷却用水14，开启渗水冷却，循环冷却水经过空气和渗水汽化的耦合冷却，降温到30℃后通过不制冷的机械压缩制冷单元返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。

在夏天气温高的季节，尤其是雨天，关闭渗水冷却用水14，不使用渗水冷却，而是通过空气冷却将循环冷却水热水冷却到33℃后，再通过机械压缩制冷单元13冷却到30℃后返回工业冷却器(图中未标示)循环冷却工业介质。机械压缩制冷不仅在夜间运行储存冷水，在白昼也运行，保证工业冷却的需要。

渗水冷却的空气在通过一组渗水单元后排出。空气冷却-渗水冷却通用单元中的渗水管分段控制，在大气温度高的情况下，所有渗水管都开启渗水；在大气温度不很高的情况下只开启部分渗水管的渗水，控制升水总量，进行部分渗水冷却。

渗水冷却管采用图3所示，等间距片状板结构，侧面进入空气的渗水换热器。

实施例5

本实施例为发电机组的汽轮机乏汽的蒸汽直接冷凝的方案。冷却器由多段换热单元组成，复数个换热单元并联组成换热单元组，换热单元组间串联，冷却器可以为空气冷却-渗水冷却通用单元，也可是空气冷却单元组与空气冷却-渗水冷却通用单元的串联。冬季等大气温度低的季节，温度为48℃的乏汽(此例中的工业流体热流体为乏汽的蒸汽)进入冷却器，通过与管壁外的空气换热蒸汽冷凝，冷凝水返回发电供水系统。在夏天高温季节，汽轮机乏汽进入换热单元的上游单元组，与空气进行间接换热一部分蒸汽冷凝后，剩余的蒸汽进入换热单元的下游单元组，在下游单元组与空气及渗水换热，被冷凝后，冷凝水返回供水系统。

冷却器串联了不同片状板间距的冷却单元，片状板间距小的冷却单元设置在蒸汽流通管线的上游，片状板间距大的冷却单元设置在流通管线的下游；在片状板间距大的冷却单元设置渗水机构，在片状板间距小的冷却单元的空气进口侧设置了水喷雾机构，在气温很高的情况下开启该喷雾机构强化冷却。

渗水冷却管采用图4所示，渗水管方向旋转的片状板结构的渗水换热器。

实施例6

本实施例与实施例4基本相同，所不同的是在高温季节的冷却能力的强化所用水蒸发，不是通过渗水，而是在空冷器的空气进口段喷水雾使空气降温以提高空气的冷却能力的。该法虽冷却效果不及渗水冷却，但设备结构简单，在短时高温和空气湿度小的区域具有良好的效果和低成本优势。

实施例7

本实施例与实施例6基本相同，所不同的是在高温季节的冷却能力的强化所用水蒸发，不是通过设置在片状板上部的渗水，而是在片状板空气进口侧的渗水管表面的渗水，使空气降温以提高空气的冷却能力的。该法虽冷却效果不及渗水冷却，但设备结构简单，在短时高温和空气湿度小的区域具有良好的效果和低成本优势。