專利名稱：冷卻系統(tǒng)及方法
相關(guān)申請(qǐng)的參考條目本申請(qǐng)要求2001年8月15日提交的題為《冷卻系統(tǒng)及方法》的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)60/312,441的優(yōu)先權(quán)，該申請(qǐng)?jiān)诖艘宰鲄⒖肌?br> 背景技術(shù)：
在工業(yè)設(shè)施中用于冷卻高溫流體的普通系統(tǒng)通?？墒褂貌恍枰獞?yīng)用水源的空氣冷卻器或需要使用水源的水冷卻器。例如，高溫流體可以以使流體通過一設(shè)備或裝置來進(jìn)行空氣冷卻，其中的設(shè)備或裝置可以是直接與周圍大氣進(jìn)行熱交換的熱交換器。另一種空氣冷卻結(jié)構(gòu)可以帶有使高溫流體通過與低溫流體或液態(tài)熱交換媒質(zhì)進(jìn)行熱交換的設(shè)備或裝置，其中的液態(tài)熱交換媒質(zhì)可以是水/乙二醇混合物，而后流體又將通過另一個(gè)與周圍大氣進(jìn)行熱交換的裝置。在后一種空氣冷卻結(jié)構(gòu)中，低溫流體被設(shè)置成封閉環(huán)路內(nèi)的循環(huán)流體，這種封閉環(huán)路帶有流體蒸發(fā)損耗最小。
以水為基礎(chǔ)的冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)主要有兩種類型，這兩類冷卻系統(tǒng)均是以循環(huán)流動(dòng)的冷卻水來冷卻高溫流體的。在一種結(jié)構(gòu)中，冷卻水經(jīng)歷與高溫流體的熱交換，而后，在再循環(huán)到處理或工業(yè)設(shè)施之前，冷卻水將在一蒸發(fā)冷卻塔中被冷卻。這種結(jié)構(gòu)需要額外的水來彌補(bǔ)揮發(fā)劑大氣的蒸發(fā)損耗。另外，由于要求通過泄放液流來清除循環(huán)冷卻水中的溶解的礦物質(zhì)造成的損耗也需要以補(bǔ)給水來彌補(bǔ)，而這種泄放液流又必須適當(dāng)?shù)剡M(jìn)行。在另一種結(jié)構(gòu)中，熱量直接從冷卻水排放到一水體中，水體通?？梢詾樽匀凰?，例如河流、池溏或海。這兩種類型的以水為基礎(chǔ)的冷卻系統(tǒng)均會(huì)對(duì)水源造成影響第一類型是由于水的消耗以及泄放處理而造成影響，而第二類型是由于排放的熱量而引起的水體溫度上升而造成影響。
由于根據(jù)單位表面積的傳熱量空氣冷卻系統(tǒng)不及水冷卻系統(tǒng)有效，因此，只利用空氣冷卻的普通系統(tǒng)與冷卻容量可比的水冷卻系統(tǒng)相比，一般需要更大的進(jìn)行熱交換的表面積。因此，上述空氣冷卻系統(tǒng)常常比水冷卻系統(tǒng)更為昂貴，特別是當(dāng)它們用于那些為了更有效的工作而需要較低溫的流體的應(yīng)用時(shí)。這些應(yīng)用的實(shí)例包括(但不僅限于)氣體壓縮，利用冷藏或冷凍設(shè)備的處理以及特定的吸收和吸附處理。然而，也可能需要使用空氣冷卻來實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用的情況，例如，在水的成本過高或由于可用資源有限、環(huán)境問題或其它原因引起的水的使用受到限制的情況中。
因此，需要為工業(yè)設(shè)施或處理使用提供另外的冷卻系統(tǒng)或方法。


雖然，以權(quán)利要求書結(jié)尾的說明書清楚地指出申請(qǐng)者所認(rèn)為的本發(fā)明的主題，但結(jié)合附圖可以更好地理解本發(fā)明，附圖分別為圖1為本發(fā)明的一實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例具有與蒸發(fā)塔相連的一個(gè)空氣冷卻裝置和一個(gè)水冷卻裝置；圖2為本發(fā)明另一實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例具有一個(gè)結(jié)合在一封閉循環(huán)冷卻回路中的空氣冷卻裝置以及一個(gè)與蒸發(fā)塔相連的水冷卻裝置；圖3為循環(huán)冷卻系統(tǒng)的另一實(shí)施例的示意圖，該循環(huán)冷卻系統(tǒng)具有一個(gè)與蒸發(fā)冷卻塔相連的空氣冷卻裝置；圖4為本發(fā)明另一實(shí)施例的示意圖，其中帶有的水冷卻設(shè)置為一種“一次通過”的結(jié)構(gòu)；以及圖5為利用根據(jù)本發(fā)明冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻壓縮氣流的示意圖。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明總的涉及一種冷卻的系統(tǒng)和方法。本發(fā)明的一個(gè)方面在于提供了用于空氣分離設(shè)施中的冷卻系統(tǒng)。該冷卻系統(tǒng)包括一空氣冷卻階段，該階段在空氣分離設(shè)施中處于一設(shè)備的下游，用于將與設(shè)備相關(guān)的一高溫流體流冷卻到一第一溫度；以及一水冷卻階段，該階段處于空氣冷卻階段的下游，用于將高溫流體流進(jìn)一步冷卻到一第二溫度。
本發(fā)明的另一個(gè)方面在于提供在空氣分離設(shè)施中使用的冷卻方法。該方法包括使用空氣冷卻階段將在空氣分離設(shè)施中與一設(shè)備相關(guān)聯(lián)的一高溫流體冷卻到第一溫度；在空氣冷卻階段下游的水冷卻階段中將高溫流體流進(jìn)一步冷卻到一第二溫度。
本發(fā)明的再一個(gè)方面提供了在工業(yè)設(shè)施中使用的冷卻方法。該方法包括使用空氣冷卻階段來將從來自于工業(yè)設(shè)施中的設(shè)備的高溫流體流冷卻至一第一溫度，該設(shè)備是從包括一壓縮機(jī)和一壓縮機(jī)/膨脹器系統(tǒng)的組中選出的；以及在空氣冷卻階段下游的水冷卻階段中，將高溫流體流進(jìn)一步冷卻到一第二溫度。
具體實(shí)施例方式
一般而言，本發(fā)明提供了可以用于各種應(yīng)用的一種冷卻系統(tǒng)和方法。具體地說，本發(fā)明涉及一種混合冷卻系統(tǒng)，該冷卻系統(tǒng)結(jié)合有至少一個(gè)以較高溫度范圍工作的空氣冷卻系統(tǒng)以及至少一個(gè)以較低溫度范圍工作的水冷卻系統(tǒng)。根據(jù)特定的應(yīng)用，這種混合系統(tǒng)可以使實(shí)現(xiàn)冷卻的成本比僅由空氣冷卻或水冷卻系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)冷卻的成本低。一般而言，空氣冷卻系統(tǒng)可以包括任何合適的不同設(shè)計(jì)的空氣冷卻器，而水冷卻系統(tǒng)可以包括任何合適的普通的蒸發(fā)系統(tǒng)，例如冷卻塔，或者可以包括向諸如河、湖或海之類的水源或水體排出熱量的系統(tǒng)。雖然，本發(fā)明的實(shí)施例是根據(jù)與空氣分離設(shè)施中的設(shè)備相關(guān)的實(shí)例進(jìn)行論述的，但它們更普遍地應(yīng)用于如各種工業(yè)處理或工業(yè)設(shè)施中所使用的那些與任何主要的機(jī)械或設(shè)備相關(guān)聯(lián)的冷卻功能。
如此處所使用的，“空氣冷卻器”或“空氣冷卻裝置”一般是指任何那些向大氣或周圍環(huán)境排熱的主要模式是通過向大氣非蒸發(fā)傳熱來實(shí)現(xiàn)的熱交換器。較佳地，在第一冷卻階段中，即在空氣冷卻階段中有非蒸發(fā)熱量轉(zhuǎn)移，但也可以允許有限量的蒸發(fā)。這樣的空氣冷卻器可以包括許多不同的設(shè)計(jì)方案，例如包括一些其中可以使用有限量的水來提高空氣冷卻器性能的設(shè)計(jì)方案。因此，結(jié)合一種主要通過非蒸發(fā)熱量轉(zhuǎn)移過程來向周圍大氣排熱的空氣冷卻器的冷卻階段被稱之為空氣冷卻階段。因此，空氣冷卻階段可以包括這樣一種結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括一個(gè)用于從高溫處理流體向空氣冷卻器轉(zhuǎn)移熱量的封閉環(huán)液態(tài)冷卻劑系統(tǒng)，而后空氣冷卻器又將向周圍大氣排熱。作為通過使用水源或通過蒸發(fā)冷卻，或通過向諸如河、湖或海之類的水體排熱的系統(tǒng)的一部分的熱交換器將被稱之為“水冷卻器”或“水冷卻的”。
本發(fā)明的混合冷卻系統(tǒng)和方法特別適用于這樣一些應(yīng)用或場(chǎng)所，在這些應(yīng)用或場(chǎng)所中水供給昂貴，水的使用受到有限資源或可用性的限制或者向水體排放出冷卻塔的水或釋放出熱量會(huì)造成環(huán)境問題。
根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，混合冷卻系統(tǒng)將冷卻分成兩個(gè)階段。在第一階段中，高溫流體是使用空氣冷卻系統(tǒng)或裝置冷卻的。在此階段中，高溫流體的溫度相對(duì)較高，而空氣冷卻系統(tǒng)或裝置能夠以相應(yīng)較大的接近溫度(即流出的冷卻流體和進(jìn)入的周圍空氣冷卻劑之間的溫差)進(jìn)行工作。這樣使得無需使用大型的空氣冷卻系統(tǒng)即可去除大量熱量，而大型空氣冷卻系統(tǒng)對(duì)于以較小接近溫度進(jìn)行工作則是必須的。該混合冷卻系統(tǒng)一般可用于冷卻任何與工業(yè)設(shè)施內(nèi)的設(shè)備相關(guān)聯(lián)的高溫流體。因此，高溫流體可以是起源于諸如一個(gè)工業(yè)設(shè)施中特定的設(shè)施或設(shè)備的熱源處理流體，例如來自于空氣分離設(shè)施的壓縮機(jī)的壓縮氣流。在另一實(shí)施例中，高溫流體可以為用于與處理流體熱交換(兩種流體之間不直接接觸)或用于工業(yè)設(shè)施中的設(shè)備冷卻的適合的熱轉(zhuǎn)移媒質(zhì)。
冷卻的第二階段是通過水冷卻來提供的，水冷卻使高溫流體可以被冷卻到一更低的溫度。由于水冷卻的傳熱系數(shù)比空氣冷卻的傳熱系數(shù)大，所以小型且低成本的水冷卻裝置可以被用來實(shí)現(xiàn)較小的接近溫度。因此，一般水冷卻可實(shí)現(xiàn)的接近溫度比空氣冷卻器小。與如美國(guó)專利6,233,941中所揭示的一種混合冷卻塔或美國(guó)專利4,003,970中揭示的一種組合式的濕-干傳熱系統(tǒng)那樣兩個(gè)階段被結(jié)合在一單個(gè)冷卻系統(tǒng)中相反，本發(fā)明中的兩個(gè)階段是在獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)或裝置中實(shí)現(xiàn)的。兩個(gè)串聯(lián)在一起的冷卻階段被用于本發(fā)明中，用來通過以空氣以及而后的水來傳熱而對(duì)高溫流體進(jìn)行冷卻，從而達(dá)到較低的最終溫度。
圖1為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的冷卻系統(tǒng)100的示意圖。冷卻系統(tǒng)100包括一個(gè)空氣冷卻裝置110，該空氣冷卻裝置110與一個(gè)水冷卻裝置120相連。如圖1所示，熱源102的高溫流體流104首先受到空氣冷卻裝置110的冷卻作用而達(dá)到由Ti(離開空氣冷卻器的高溫流體的溫度)和Tain(進(jìn)入空氣的溫度)之差給出的接近溫度。而后，高溫流體由水冷卻裝置120進(jìn)一步冷卻到另一溫度Tf。
如圖1所示，一循環(huán)泵124在水冷卻裝置120和蒸發(fā)塔回路122之間形成了水循環(huán)。泵124、水冷卻裝置120和塔回路122可以被視作形成了一水冷卻回路或系統(tǒng)160。蒸發(fā)塔回路122可以為一種普通回路，該回路一般由各種組件構(gòu)成(未圖示)，這些組件可以包括一個(gè)蒸發(fā)塔、一個(gè)利于蒸發(fā)冷卻的風(fēng)扇以及相關(guān)組件，例如泵、過濾器和水處理設(shè)備、引入和排出結(jié)構(gòu)等?？梢允褂靡粋€(gè)備用的致冷器126來進(jìn)一步冷卻循環(huán)到水冷卻裝置120的水。
在本實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)熱源102可以設(shè)有它們自己的空氣冷卻裝置110，以滿足相應(yīng)的冷卻要求，而諸如泵124或致冷器126之類水冷卻系統(tǒng)160內(nèi)的單個(gè)組件可以與一個(gè)或多個(gè)需要冷卻的設(shè)施或設(shè)備共享。因此，若干部分冷卻水可以被分配到需要冷卻的設(shè)備140、142，而來自如設(shè)備或設(shè)施的高溫水將相繼進(jìn)入蒸發(fā)塔回路122內(nèi)。一般而言，如果需要，供給到這些其它設(shè)施或設(shè)備140和142的水可以由一個(gè)或多個(gè)致冷器系統(tǒng)進(jìn)一步冷卻，也可以在水返回到水冷卻回路160之前在一個(gè)或多個(gè)空氣冷卻器(未圖示)中進(jìn)行冷卻。
例如，熱源102可以是空氣分離設(shè)施中的一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)。當(dāng)經(jīng)過壓縮機(jī)級(jí)壓縮之后，高溫氣體104具有的初始溫度(Th)可以約為80℃。周圍空氣溫度(Tain)可以約為30℃?？諝饫鋮s裝置110可以為一種散熱片風(fēng)扇式冷卻器，該冷卻器被用來將高溫氣體冷卻到一中間溫度(Ti)，該中間溫度例如約為50℃。當(dāng)氣體通到空氣分離設(shè)施中的另一壓縮機(jī)級(jí)或另一設(shè)備之前，高溫氣體接著由水冷卻裝置120冷卻至約35℃的溫度(Tf)。進(jìn)入和離開塔回路122的水流通常具有的溫度分別約為40℃和30℃。
可以理解的是，本例中提到的工作溫度是說明性的，其它壓縮機(jī)應(yīng)用也可以涉及不同的操作溫度范圍。一般而言，混合冷卻系統(tǒng)可以用于許多其它處理過程或較廣的范圍的操作溫度條件。
可以表現(xiàn)空氣冷卻裝置性能特征的一個(gè)參數(shù)是對(duì)數(shù)平均溫度差(LMTD)，它可以由(ΔT1-ΔT2)/ln(ΔT1/ΔT2)來確定，其中ΔT1為進(jìn)入高溫流體和流出的氣流(當(dāng)熱交換之后)之間的溫差，而ΔT2為流出的高溫流體(當(dāng)空氣冷卻之后)和進(jìn)入氣流(熱交換之前)之間的溫差。一般而言，LMTD值越小，則空氣冷卻設(shè)備所需的尺寸越大。為了使高溫流體達(dá)到給定的期望的最終溫度(Tf)，混合冷卻系統(tǒng)使空氣冷卻裝置工作所處的LMTD比只使用空氣冷卻的冷卻系統(tǒng)的高，這樣，使采用的空氣冷卻器比其它可能的更小。
混合冷卻手段提供了另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，尤其是在高溫干燥的氣候區(qū)域內(nèi)。由于相對(duì)較大的蒸發(fā)冷卻潛能(這是由濕球和干球溫度之間較大的差異所造成的)，空氣冷卻和水冷卻相結(jié)合的手段使高溫流體可以冷卻到的最終的溫度比只使用空氣冷卻可能達(dá)到的溫度低。
圖2為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的冷卻系統(tǒng)200的示意圖。由熱源202產(chǎn)生的高溫流體流204首先在第一熱交換部分215中受到冷卻作用。該第一階段中的冷卻是通過封閉環(huán)冷卻回路210實(shí)現(xiàn)的，該冷卻回路與一個(gè)用于排熱的空氣冷卻器212相結(jié)合。在封閉環(huán)冷卻回路210中，含有一適合的傳熱流體的冷卻液流250由循環(huán)泵214循環(huán)。一般而言，可以使用不同的傳熱流體，例如水或水和乙二醇的混合物等。高溫流體流204可以在熱交換部分215中通過與冷卻劑流體250進(jìn)行的熱交換而從溫度Th冷卻到Ti。而后，熱的冷卻液流250可以由空氣致冷器212進(jìn)行冷卻，該空氣致冷器212可以為一種散熱片風(fēng)扇式致冷器或其它合適的設(shè)計(jì)方案。離開空氣致冷器212的冷卻液流250被循環(huán)回?zé)峤粨Q部分215。在本實(shí)施例中使用的封閉環(huán)冷卻回路210是說明性的。一般而言，本實(shí)施例中的第一冷卻階段可以通過其它用冷卻液流來從高溫流體流204向空氣致冷器212傳熱，然后向周圍大氣排熱的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。
當(dāng)熱源202的高溫流體流204從其初始的較高溫度Th冷卻到一中間溫度Ti之后，流體流204將在第二熱交換部分225中進(jìn)一步被冷卻到一最終溫度Tf，而第二熱交換部分225為水冷卻裝置。與圖1所示類似，水冷卻裝置225與一冷卻塔回路222相連。一循環(huán)泵224使水在塔回路222和水冷卻裝置225之間循環(huán)，由此形成了一個(gè)水冷卻回路或系統(tǒng)260。另外，可以設(shè)置一個(gè)備用的致冷器226來對(duì)水冷卻系統(tǒng)260中的水進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻。
在本實(shí)施例中，用于從不同熱源去除熱量的空氣冷卻器可以集中在一個(gè)或多個(gè)位置(這與單個(gè)地處于每個(gè)熱源附近不同)。另外，除用于熱源202的冷卻需求之外，帶有空氣冷卻器212的封閉環(huán)循環(huán)回路210可以提供對(duì)一個(gè)或多個(gè)熱源的冷卻，如熱源230。因此，與熱源230相關(guān)聯(lián)的冷卻液流232可以通過空氣冷卻器212冷卻，而泵214下游的部分冷卻液流可以被循環(huán)回該設(shè)施或設(shè)備230。
此外，水冷卻回路260中的組件，例如塔回路222、泵224或致冷器226，可以與其它需要冷卻的設(shè)施或設(shè)備240和242共享。這樣，離開塔回路222的部分冷卻水流可以循環(huán)到設(shè)備240和242，而來自設(shè)備240和242的高溫水流244和246可以回到用于冷卻的塔回路222。
例如在上下文中的空氣分離設(shè)施中，熱源202可以為產(chǎn)生高溫壓縮氣流204的壓縮機(jī)，氣流204具有的溫度Th約為80℃，而第一和第二熱交換部分215和225可以與殼體內(nèi)的兩個(gè)不同部分以及用于冷卻壓縮氣流的管型熱交換器相應(yīng)。或者，第一和第二熱交換部分215和225也可以為獨(dú)立的熱交換器。周圍空氣溫度，即圍繞空氣冷卻器212的空氣溫度，可以約為30℃。封閉環(huán)冷卻回路210內(nèi)的冷卻液流可以以約45℃的溫度供給到熱交換部分215中，并且當(dāng)冷卻液與壓縮氣流204進(jìn)行熱交換之后，冷卻液具有有溫度約在55-60℃之間，而壓縮氣流204可以被冷卻到的溫度Ti約為50℃。在第二冷卻階段中，進(jìn)入水冷卻裝置225的冷卻水的溫度通常約為30℃，并且當(dāng)與壓縮氣流204進(jìn)行熱交換之后可以上升到約40℃，而壓縮氣流204被冷卻到的最終溫度Tf約為35℃。當(dāng)壓縮氣流204被冷卻之后，壓縮氣流204可以被引到空氣分離設(shè)施的其它設(shè)施或設(shè)備中。
圖3為根據(jù)本發(fā)明的另一種混合冷卻系統(tǒng)300的示意圖。來自熱源302的高溫流體流304通過與熱交換部分325內(nèi)的冷卻水流350的熱交換從初始溫度Th冷卻到溫度Tf?；旌侠鋮s系統(tǒng)300包括串聯(lián)在一起的一空氣冷卻裝置310和一水冷卻裝置320，以及位于兩個(gè)冷卻裝置之間使水循環(huán)的循環(huán)泵324。在本實(shí)例中，水冷卻裝置320為一蒸發(fā)水塔。與特定的現(xiàn)有技術(shù)揭示的內(nèi)容不同，如美國(guó)專利6,233,941中揭示的混合式冷卻塔，與結(jié)合在一單個(gè)結(jié)構(gòu)中相反，本發(fā)明中所使用的空氣冷卻裝置310和水塔320為獨(dú)立的冷卻裝置。因此，這些裝置可以被設(shè)置到設(shè)備的不同位置中，這將有利于整體設(shè)備布置。
在本實(shí)施例中，使用了單個(gè)循環(huán)水系統(tǒng)。含有從高溫流體流304吸收的熱量的水流350首先通過空氣冷卻裝置310從溫度Th’冷卻到溫度Ti’。空氣冷卻裝置310例如可以為一種有散熱片風(fēng)扇式冷卻器或其它適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)。而后，水流受到由蒸發(fā)冷卻塔320提供的第二冷卻階段的作用。溫度為Tf’的被冷卻的水流通過泵324循環(huán)回?zé)峤粨Q部分325。另外，還可以使用一個(gè)備用的致冷器326來對(duì)循環(huán)水進(jìn)行進(jìn)一步的冷卻。
如一個(gè)說明性的實(shí)例，使用混合冷卻系統(tǒng)300周圍溫度為30℃，初始溫度Th約為80℃的高溫流體304可以很容易地冷卻到約35℃的溫度Tf。在本實(shí)施例中，空氣冷卻裝置310提供用于冷卻水流350的冷卻第一階段，這使冷卻水流350的溫度從約60℃減少到約45℃。冷卻塔320可以從水流350中去除額外的熱量，這可以使冷卻液流的溫度Tf’約為30℃。(p10，10-15)與圖1和圖2中示出的實(shí)施例類似，這種混合冷卻系統(tǒng)300也可以與需要冷卻的其它設(shè)施或設(shè)備336、338和340相連。例如，被冷卻的水流可以合理地分配到設(shè)備336或338中。或者，如果需要，可以使用一循環(huán)泵328來向另一個(gè)能夠利用溫度Ti’的較熱的冷卻液流的設(shè)施或設(shè)備340提供冷卻水流。來自設(shè)備336、338或340的高溫水流可以在空氣冷卻器310的上游或下游的不同連接點(diǎn)返回到冷卻系統(tǒng)300中，例如在連接點(diǎn)330或334。圖3中的虛線示出的一些備用的返回路徑。一般而言，這些其它的設(shè)施或設(shè)備可以利用由下列手段中的一個(gè)或多個(gè)所提供的冷卻單個(gè)的空氣冷卻器，來自需要或無需補(bǔ)充冷卻的蒸發(fā)塔的冷卻液或任何上述的組合形式。再次說明，可以理解的是，上述實(shí)例中的溫度范圍僅是出于說明性的目的，混合冷卻系統(tǒng)也可以用于高溫源。
圖4示出了冷卻系統(tǒng)400的另一實(shí)施例，該冷卻系統(tǒng)400包括一空氣冷卻系統(tǒng)410和一水冷卻系統(tǒng)460。與圖1中所描述相類似，空氣冷卻系統(tǒng)410可以與一空氣冷卻裝置相應(yīng)。或者，空氣冷卻系統(tǒng)410可以與圖2中示出的封閉環(huán)冷卻回路210類似，其中來自熱源402的高溫流體流404的冷卻是通過與循環(huán)液態(tài)冷卻液進(jìn)行熱交換而實(shí)現(xiàn)的，而循環(huán)液態(tài)冷卻液又可通過一空氣冷卻裝置來冷卻。當(dāng)高溫流體流從初始溫度Th冷卻到溫度Ti之后，高溫流體流404將由水冷卻系統(tǒng)460進(jìn)一步冷卻到最終溫度Tf。
在本實(shí)施例中，水冷卻系統(tǒng)460包括一個(gè)與水源422相連的水冷卻裝置420，該水源422可以為諸如河、湖或海之類的水體。來自水源422的水將通過一水泵424提供到水冷卻裝置420。當(dāng)冷卻水在水冷卻裝置420中與高溫流體404經(jīng)過熱交換之后，冷卻水將被排放到水源422中。這種結(jié)構(gòu)有時(shí)被稱作“一次通過”的冷卻系統(tǒng)?；蛘?，在冷卻水進(jìn)入水冷卻裝置420之前，可以使用一致冷器426來對(duì)冷卻水提供額外的致冷處理。再次說明，如果需要，來自水源422的冷卻水可以被用來向其它設(shè)施或設(shè)備440、442提供冷卻。需理解的是，如先前在圖1-3中示出的，一次通過的水冷卻系統(tǒng)可以被用作混合冷卻系統(tǒng)的一部分。也就是說，先前在圖1-3中示出的蒸發(fā)塔回路完全可以由一個(gè)通向大氣的水源來替代或者與之相結(jié)合，其中通向大氣的水源可以為河、湖、海等。
如上述實(shí)例中所示，水冷卻階段包括用于排放熱量的一個(gè)蒸發(fā)水塔或一敞開的水體。然而，根據(jù)應(yīng)用，也可以將封閉環(huán)冷卻液回路設(shè)置到水冷卻階段中。例如，高溫流體流可以與封閉環(huán)回路內(nèi)的冷卻液進(jìn)行熱交換，而封閉環(huán)回路內(nèi)的冷卻液又將與蒸發(fā)水塔或敞開的水體進(jìn)行熱交換，以實(shí)現(xiàn)最終的熱量排出。
在其它實(shí)施例中，也可以設(shè)置這樣兩個(gè)冷卻階段，每個(gè)冷卻中均使用了蒸發(fā)和非蒸發(fā)的傳熱處理過程。在這些情況下，第二冷卻階段中使用的蒸發(fā)冷卻與非蒸發(fā)冷卻的比例應(yīng)當(dāng)比第一階段中的大。
本發(fā)明的實(shí)施例通?？捎糜跒楣I(yè)設(shè)施中的主要設(shè)備或機(jī)器提供冷卻。例如混合冷卻系統(tǒng)可以被用作在一個(gè)工業(yè)設(shè)施中的不同壓縮機(jī)級(jí)之間的壓縮機(jī)中間冷卻器，或者用于冷卻壓縮機(jī)/膨脹器系統(tǒng)。在某些情況下，混合冷卻系統(tǒng)也可以被用于致冷裝置冷凝器。圖5示出了串聯(lián)設(shè)置的若干壓縮機(jī)級(jí)510、512和514，以使氣流520連續(xù)壓縮以達(dá)到增加的較高壓力。通過具有本發(fā)明的混合冷卻方案的相應(yīng)的中間冷卻器530、532可以實(shí)現(xiàn)離開壓縮機(jī)級(jí)510、512的壓縮氣流的冷卻。通過在每個(gè)壓縮階段之后對(duì)壓縮氣流進(jìn)行冷卻，可以實(shí)現(xiàn)低成本的有效的氣體壓縮。如果需要，混合冷卻系統(tǒng)也可以被用作后冷卻器。雖然那樣壓縮機(jī)本身并沒有節(jié)省能量，但可以減少下游設(shè)備的資金成本，例如可節(jié)省預(yù)凈化裝置的篩濾成本。
例如，氣流520可以以約1atma的第一壓力P1和約21℃的溫度T1進(jìn)入壓縮機(jī)級(jí)510。在壓縮之后，氣流的壓力P2約為2atma，而溫度T2約為100℃。具有一種本發(fā)明的混合冷卻方案的中間冷卻器530被用來將壓縮氣流冷卻到一較低的溫度，例如約26℃。而后，被冷卻的氣流在壓縮機(jī)級(jí)512進(jìn)一步壓縮至約4atma，其溫度約為105℃。在被進(jìn)一步壓縮氣流進(jìn)入下一個(gè)壓縮機(jī)級(jí)514之前，壓縮氣流可以通過另一中間冷卻器532被冷卻回到約26℃，在此之后，后冷卻器534可以被用來將壓縮氣流冷卻至一期望的溫度。
需理解的是，上述實(shí)例中引述的壓力和溫度條件僅是出于說明的目的。根據(jù)壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和特定的應(yīng)用，其它各種氣流也可以獲得其它的壓力和溫度范圍。此外，混合冷卻系統(tǒng)一般可用于大范圍的工作壓力或溫度條件，并且特別適用于冷卻與工業(yè)設(shè)施中的機(jī)器或設(shè)備相關(guān)的冷卻需求或用于冷卻來自空氣分離設(shè)施的流體。
混合冷卻系統(tǒng)可提供若干超出普通冷卻系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。例如，通過在第一冷卻階段中以較大的接近溫度操作空氣冷卻裝置，可以減少用于空氣冷卻裝置的表面積和風(fēng)扇能量需求。與設(shè)計(jì)用于以較低接近溫度工作的空氣冷卻系統(tǒng)相比，這樣可以降低每單位排熱的成本。以混合系統(tǒng)的水冷卻部分，可以實(shí)現(xiàn)以緊密的方法(at tight approaches)進(jìn)行的操作，而這又使壓縮機(jī)能高效率地工作。此外，作為與水冷卻階段相關(guān)的蒸發(fā)冷卻效應(yīng)的結(jié)果，可以實(shí)現(xiàn)較低的最終溫度(與單獨(dú)使用空氣冷卻相比)。僅帶有空氣冷卻器的系統(tǒng)通常以較高的接近溫度運(yùn)行，從而導(dǎo)致較高的壓縮成本。
對(duì)于具有蒸發(fā)冷卻塔的冷卻系統(tǒng)，與只使用蒸發(fā)冷卻的普通系統(tǒng)相比，由于通過空氣冷卻去除了一部分熱量，因此，使用此處所述的混合冷卻使補(bǔ)給水和泄料的需求有了相當(dāng)大的減少?；蛘撸瑢?duì)于使用一次通過的水冷卻結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，混合冷卻的手段使處理到水體的熱量有了相當(dāng)大的減少。整體效應(yīng)在于混合冷卻系統(tǒng)與根據(jù)普通準(zhǔn)則設(shè)計(jì)的空氣冷卻系統(tǒng)相比所需資金和操作成本較低，但可達(dá)到的性能水平與普通蒸發(fā)系統(tǒng)相近，而補(bǔ)給需求和/或?qū)λ吹沫h(huán)境影響較小。
盡管本發(fā)明是參照若干實(shí)施例描述的，但本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以想到，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，還可以作出各種變化、添加和省略。
權(quán)利要求
1.一種空氣分離設(shè)施中使用的冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一空氣冷卻階段，該冷卻階段在所述空氣分離設(shè)施中處于一設(shè)備的下游，用于使與所述設(shè)備相關(guān)的高溫流體流冷卻至第一溫度；以及一水冷卻階段，該冷卻階段處于所述空氣冷卻階段的下游，用于使所述高溫流體流進(jìn)一步冷卻到一第二溫度。
2.如權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述水冷卻階段包括一水冷卻裝置、一水源以及一泵，所述泵用于將水冷卻液流從所述水源傳送到所述水冷卻裝置。
3.如權(quán)利要求1或2所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣冷卻階段包括一熱交換部分、一空氣冷卻器以及一泵，所述泵用于使冷卻液流在所述熱交換部分和所述空氣冷卻器之間循環(huán)；所述熱交換部分構(gòu)造成用于在所述高溫流體流和所述冷卻液流之間進(jìn)行熱交換。
4.如權(quán)利要求1或2所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣冷卻階段與所述水冷卻階段與一熱交換部分和一循環(huán)泵串連在一起，所述空氣冷卻階段處于所述熱交換部分的下游，以提供將所述高溫流體流冷卻到所述第一溫度的空氣冷卻。
5.如權(quán)利要求4所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述空氣冷卻階段是一非蒸發(fā)空氣冷卻器，而所述水冷卻階段為一蒸發(fā)水塔。
6.如權(quán)利要求1所述的冷卻系統(tǒng)，其特征在于，所述設(shè)備是從由壓縮機(jī)和壓縮機(jī)/膨脹器系統(tǒng)組成的組中選擇的。
7.一種在空氣分離設(shè)施中使用的冷卻方法，該方法包括(a)使用空氣冷卻階段來將與所述空氣分離設(shè)施中的設(shè)備相關(guān)的高溫流體流冷卻至一第一溫度；以及(b)在所述空氣冷卻階段下游的水冷卻階段中，將所述高溫流體流進(jìn)一步冷卻到一第二溫度。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述水冷卻階段包括一水冷卻裝置、一水源以及一泵，所述泵用于將水冷卻液流從所述水源傳送到所述水冷卻裝置中，用于將所述高溫流體流冷卻到所述第二溫度。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述空氣冷卻階段是從由散熱片風(fēng)扇式空氣冷卻器和液體循環(huán)回路組成的組中選出；所述液體循環(huán)回路包括一熱交換部分、一空氣冷卻裝置以及一泵，所述泵用于使液態(tài)冷卻液在所述熱交換部分和所述空氣冷卻裝置之間循環(huán)。
10.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述高溫流體流是從所述設(shè)備離開的處理流或由同所述處理流進(jìn)行熱交換而被加熱的冷卻液流。
11.一種在工業(yè)設(shè)施中使用的冷卻方法，該方法包括(a)使用空氣冷卻階段來將從來自于所述工業(yè)設(shè)施中的設(shè)備的高溫流體流冷卻至一第一溫度，所述設(shè)備是從由壓縮機(jī)和壓縮機(jī)/膨脹器系統(tǒng)組成的組中選出的；以及(b)使用一水冷卻階段，將所述高溫流體流進(jìn)一步從所述第一溫度冷卻到一第二溫度。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述高溫流體流是來自于第一壓縮機(jī)的壓縮氣流，而所述方法還包括將處于所述第二溫度的所述壓縮空氣引入第二壓縮機(jī)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種工業(yè)設(shè)施中使用的冷卻系統(tǒng)及方法。首先，將一高溫流體流在空氣冷卻階段冷卻到中間溫度，而后在一水冷卻階段中冷卻到最終的溫度。兩階段冷卻方法具有超出單獨(dú)使用空氣冷卻或水冷卻的優(yōu)點(diǎn)，并且適用于由于經(jīng)濟(jì)或環(huán)境問題而限制水的使用的應(yīng)用或場(chǎng)所。
文檔編號(hào)F28D5/00GK1405523SQ0213022
公開日2003年3月26日 申請(qǐng)日期2002年8月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月15日
發(fā)明者B·M·戴維斯, S·R·麥卡利斯特, J·P·諾莫維茨 申請(qǐng)人:波克股份有限公司