冷却塔专利研究进展分析

刘培冲¹，王远洋¹，于同山¹，朱晓静^2*

（¹ 大连斯频德环境设备有限公司，辽宁 大连 116033; ² 大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连 116024）

摘  要：冷却塔是一种重要散热装备，近年来发展迅速。分析了冷却塔专利技术进展，结果显示：冷却性能强化是重要研究方向，包括提高淋水填料的热力性能、改善布水系统的均匀性及增大塔内通风量。主要节能方法有降低通风阻力、多元化风机驱动力、采用无机械动力传动以及高效消雾收水。此外，防寒防冻、防尘防沙及降噪的研究也对安全稳定运行具有显著意义。

关键词：冷却塔；节能；防尘防沙；降噪

Progress in patents of cooling tower

Abstract: The cooling tower (CT) is a kind of important heat transfer equipment, developing rapidly in recent years. This paper analyses the progress in CT patents, and the result shows that the cooling performance enhancement is an important research interests, including raising the thermal performance of water-spraying fillers, improving the uniformity of water distribution system, and increasing the inside ventilation volume. The energy saving methods on CT are reducing the ventilation resistance, diversifying fan drive power, adopting non-mechanical power transmission, and achieving efficient mist collection and water recovery. The frost prevention, dust and sand prevention, and noise reduction are effective solutions for the safe and stable operation of CT.

Key words: cooling tower; energy conservation; dust and sand prevention; noise reduction

0 前言

冷却塔是一种工商用散热装备，利用空气流过塔内填料与热流股进行传热传质将热量带走，达到冷却目的。冷却塔主要由通风系统、收水器、喷淋系统、填料层和集水系统等组成，工作原理如图1所示：热流股通过喷淋系统在填料上形成水膜。冷空气通过填料层空隙穿过水膜，发生热质传递，吸收热量后被风机吸排出塔。热水通过填料层下滴到集水池中，可被循环使用。本文以冷却塔为关键词，检索近年相关专利文献，分析冷却塔专利研究进展，包括冷却性能强化、节能、防寒防冻、防尘防沙以及降噪等方面，如图2所示 。

1. 冷却性能强化方面进展

1.1 提高淋水填料的热力性能

冷却塔的冷却过程主要通过淋水区、填料区和雨水区的热质交换来实现。填料区是冷却塔内水气热质交换的核心区域，其散热效果对整个冷却塔的冷却效率至关重要。因此，提升填料的热力性能是实现冷却塔高效冷却的关键。使用高传热传质性能薄膜式填料是一种方案。此外，通过在改进的填料层之间水平设置流通管，并在管外壁均匀布置翅片以增加水气换热面积，也能实现强化冷却塔散热能力效果^[1]。改进填料结构还能增强填料层水膜的蒸发传热，使湿式冷却塔的出水温接近环境湿球温度，提高整体换热效果^[2]。此外，也有学者提出通过改变填料层的表面粗糙度，改变其亲水性，提高填料层表面液相成膜能力，并延长水气传热传质的时间，从而提升填料的热力性能。这一方法缓解了高热力性能填料面临通风阻力大的问题^[3]。

1.2 改善布水系统的均匀性

除填料因素外,冷却塔喷淋系统的布水均匀性、通风方式及通风量等因素也可影响冷却塔的冷却效果。布水越均匀，冷却效率越高。为此，李高峰等^[4]提出了一种可旋转的喷淋管，喷淋口出水分布均匀，喷淋效果较好；王永全等^[5]提出了一种冷却塔布水盘，盘底壁的凸起设计可实现变循环热水流量下的均匀布水；李新利^[6]设计的布水装置可实现较大范围内（10%~100%）循环热水流量的布水均匀，有利于高冷却效率。 

1.3 增大塔内通风量

（1）设计聚风装置。聚风装置包括环形轨道及轨道上的挡风板。通过调节挡风板的位置使其实时处于自然主导风的正对方向，并对其阻挡汇聚，汇聚的风与吹向冷却塔的风一同吹入塔内，促使通风量增加^[7]。（2）设计风力增强装置。在塔体底部设置可引导风向的导风横管、竖管使得外界空气可均匀分布塔内，且提高了进风量，使自然通风冷却塔愈加节能高效^[8]。（3）设计绿色驱动装置。例如以可再生能源发电来驱动塔上风机运转，在增大自然通风冷却塔的通风量的同时，不增加原有供电系统负荷^[9]。

2. 节能方面进展

2.1 降低冷却塔的通风阻力

在冷却塔工作过程中，通常是由电机驱动风机运转引入冷却风与循环水进行热交换从而实现降温冷却。降低风机能耗有利于产生节能效果，而风机能耗取决于气流流经塔内各部件的阻力及通风流量。气流在流经却塔底底座内的横梁时会上下分流，形成气流扰动或涡流，而涡流的存在会折损部分空气动能，增大风机能耗。研究发现在横梁底部镶嵌下端为“V”型的导流罩，使流经导流罩下方的气流向高处流动，能减少涡流、改善塔底座与横梁间的气流断续现象，有效降低底座内部空气阻力，从而降低了风机能耗^[10]。

冷却塔填料的通风阻力也影响风机能耗。波形薄膜式填料因其热力性能优越而被广泛采用，按水气流动方向不同分为逆流式（水自上而下，空气自下而上，两者流向相反）与横流式（水自上而下，空气自塔外水平流向塔内两者流向呈垂直正交）两种。逆流式填料的热力性能虽优于横流式填料，但通风阻力较之也大。此外，上述两种填料均存在着水温分布不均匀缺点。针对上述不足，史金华等^[11]人提出了一种分层变流组合式淋水填料，在布水器到填料底部之间自上而下设置斜波纹逆流式填料与人字形波纹横流式填料，两种方式填料的交叉重叠使得水气通过横流式填料段时阻力大幅降低，且在由逆流式到横流式的分层变流过程中受到了扰动，促进了水气的热、质交换。该强化传热传质能力的同时也降低了通风阻力，达到节能效果。

2.2 风机驱动力多元化

除电机驱动风机外，陈祥荣等人^[12]提出了一种混合动力喷雾推进冷却塔，利用经泵输送至冷却塔喷雾推进器的进水余压作为补充动力驱动风机运转，且克服了传统喷雾推进冷却塔冷却性能受进水流量、压力影响较的弊端，在降温效果稳定的基础上实现节能。钱志强^[13]设计了一种节能抽风系统，该系统利用冷却水的富裕能量通过推动液力透平的转动间接驱动发电机发电，降低风机电耗，达到节能效果。

2.3 无机械动力传动冷却塔

为进一步解决风机电耗问题，一种无风机无电机的节能环保型喷雾式冷却塔被提出^[14]。利用循环冷却水在水泵的余压推动力下通过三段式喷嘴高速喷出，形成水幕和水雾。高速喷出的水幕吸引周围的空气进行混合，实现动能转换和热交换，形成压力差。压力差使得空气被抽入塔内进行热交换，实现无噪声冷却。该技术的关键在于喷嘴能够稳定形成水幕和雾化状态，确保冷却塔内的气流畅通和良好的热力性能。

利用喷嘴喷出的水流产生的推动力还可驱动带有风叶的漩涡轴承绕轴转动，形成冷却风并与喷嘴喷出的循环水进行热交换，实现降温冷却的目的^[15]。与无风机喷雾冷却塔类似，该连贯降温冷却装置也不需要外部动力设备，不同之处在于降温冷却装置的冷却塔无需引入外部空气作为风冷冷源。

2.4 消雾收水的高效化

除减小气流阻力外，减少冷却塔的云水（白雾）损失也有利于节能降耗。冷却塔运行中，冷空气经过与塔内循环水进行热质交换后变成了饱和湿热气，然后被外部冷空气冷凝成“白雾”。这个过程导致大量水气溢出，造成水资源浪费并增加成本。针对该问题，（1）在塔顶设置冷却收水器^[16]。冷却收水器对塔内湿热空气进行冷却并有效截留冷凝液滴，同时湿热空气与被引进来的空气热质交换变成了不饱和空气，提高收水消雾能力。（2）云水回收装置加空气预冷装置^[17]。空气预冷装置位于湿式冷却塔进风口与填料底部之间，通过对环境空气进行绝湿冷却，降低空气湿度。云水回收装置位于冷却塔的出风口处，通过冷凝饱和湿空气，使出塔水温充分冷却。冷凝后的云水流入集水池，提升了水池的高度，减少了云水的损失。

3. 其他方面进展

3.1 防寒防冻方面

在冬季或低温环境下，冷却塔常常面临寒冷空气进入造成进风格栅和集水池结冰问题，对运行产生不利影响。人工除冰效率低且易损坏进风格栅。为此，在冷却塔的进风口设计安装开孔格栅^[18]，通过开设多个透气孔以及在易结冰区域安装密封板，减少冷空气的流入，从而有效缓解了冷却塔的结冰问题。同时，多孔的布设也有利于正常运行所需的空气流入。

为解决集水池内的积水结冰问题，传统方法通常是在集水池内部配置电加热器，然而长时间的加热会导致能耗大的问题。为此，在集水池与循环冷却水泵之间设计布设了保温组件^[19]，用于保温储存冷却水，以较低电耗克服防止集水池积水结冰问题。

3.2 防尘防沙方面

冷却塔运行中，冷空气从进风口进入塔内，自下而上地与循环水进行热质交换。在长期运行或多风沙环境下，空气中的灰尘会在塔体内积聚，导致填料堵塞和水池污染，严重时会整机运行。传统的进风口多采用焊接固定式百叶窗，更换困难。而新型百叶窗，可以自动调节百叶片角度，在塔停机状态下，通过调整百叶片的角度关闭百叶窗，以防止风沙进入塔内^[19]。尽管这一设计在一定程度上减少了停机时风沙灰尘的侵入，但无法解决机组运行期间风沙堆积问题。因此，需在进风口处设置防沙防尘装置来过滤空气。然而，随着运行时间的增加，防沙防尘装置沙尘堆积问题需要解决，否则能耗随着进风口阻力的增加而增加、甚至停机。为时机恰当地清理沙尘堆积，一种在进气通道中设置了空气测速装置的想法被提出^[21]。当沙尘堆积严重时，空气流通阻力增大，于是设定在空气速度低于一定值时，警示用户清洗或更换滤网。

为提高防尘防沙装置的清洗效率，有研究者提出在防沙器上设置多孔喷水管进行自清洗，并对冷却塔水池进行改造，使其具备自动集泥排泥功能，以确保冷却水保持一定的洁净度，便于循环^[22]。但该清洁结构不易拆卸，长期使用后，清洁能力会下降，无法完全解决堵塞问题。为此，团队又设计了一种新型防沙装置^[23]，包括滤网、方便更换的刮板和传动机构，解决滤网清洁不便以及清洗结构无法更换的问题，保证滤网清洁。

3.3 降噪方面

传统冷却塔其噪声污染主要来源于风动噪声、淋水噪声以及机械装置（风机、电机、水泵）运转产生的噪声等，而对于上述介绍的无机械传动装置的冷却塔，其产生的噪声极低甚至可实现无噪声运行，故本节主要介绍传统冷却塔的降噪技术进展情况。

（1）从优化风机和电机运行噪声的角度。其一，更新风机隔振结构^[24]，通过缓冲组件对驱动电机产生的振动进行缓冲，以减少由振动引起的噪声。同时，配合吸音罩，可进一步吸取噪声，显著降低噪声水平。其二，更细全钢叶片式的大厚度低噪声风机结构^[25]。采用锐角形状的设计和边缘通孔，可显著降低风机运转时的外边缘阻力，达到降噪目的。

（2）从优化循环水泵系统运行噪声角度。在填料层上方布设风筒，不但有利于缓解塔内风动噪声，还能利用冷却塔隔声围板将水泵房封闭，系统性降低噪声污染^[26]。然而这种降噪方案效果占地空间大，隔声挡板还会对冷却塔空气流场造成影响，增大进风阻力。为此，新设计是直接将风筒安装在风机叶片的外围，利用微孔吸音原理降低出风口的噪音等级，而且不会增加冷却塔高度^[27]。此外，也有设计是将消声装置安装在进风口处，通过调节消声片的位置满足冷却塔昼夜间的冷却性能，同时实现了良好的消音效果^[28]。

（3）从优化淋水过程噪声角度。淋水噪声是湿式冷却塔的主要噪声源之一。除在周围安装隔声挡板外，还可以利用由消声垫组成的缓冲层来阻隔下落的滴水噪声，不过实际运行中该方法的降噪效果有限。有最新研究在冷却塔的雨区间布设倒锥形的汇流面^[29]。水滴沿汇流面的倾斜方向流动，并最终进入导流管，避免了水滴对水面的冲击和溅起的噪声，实现了高效降噪。

4. 讨论与展望

冷却塔作为一种重要的散热装备，随着我国工商业的迅速发展而被广泛应用。近年来针对冷却塔领域的发明研究主要集中在的增强冷却性能、节能、防寒防冻、防尘防沙以及降噪等几个关键领域。

冷却性能强化的研究集中在提高淋水填料的热力性能、改善布水系统的均匀性和增大塔内通风量，以提高热传导效率和冷却效果等方面；在节能领域的进展表现在，发展通过降低通风阻力、多元化风机驱动力、采用无机械动力传动的冷却塔和高效的消雾收水方法，以减少能耗和机械故障率，并提高收水效率等方面；在关于防寒防冻的研究中，关注要点是保温、防冻和防冰措施，以确保冷却塔在寒冷环境下能够正常运行；防尘防沙的研究主要关注如何设计冷却塔结构以避免尘埃和沙尘的入侵，以确保系统的稳定性和运行效果；在降噪研究中，目标是通过优化设计和噪声隔离技术来降低冷却塔的噪声水平，减少对环境和人员的影响。

未来的研究将会继续深入这些领域，并兼顾“低碳排、低成本、以及长期稳定性”，以期在提升冷却塔的效率、节能减排、优化设计、环保和健康以及客户满意度等方面实现更多的创新和突破。

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通讯作者：朱晓静，男，教授，博导，大连理工大学-大连斯频德联合研究中心主任，主要从事多相及超临界流体流动与传热领域的研究工作。