一种机械通风冷却塔及其运行控制方法

1.本发明涉及冷却塔技术领域，具体涉及一种机械通风冷却塔及其运行控制方法。


背景技术：

2.这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。
3.冷却塔是工业中常见的散热设备，它主要是通过空气与水直接接触发生热交换来带走系统的热量。机械通风冷却塔作为冷却塔的一种，因冷却效率高、稳定、占地面积小、投资少等优点被广泛应用于工业加工冷却以及中央空调的冷却等领域。
4.机械通风冷却塔一般安装在大型写字楼、医院、大型商场、学校等，由于在设计和安装过程中不重视噪声问题，已经严重影响周围居民的生活质量，经常被附近居民投诉。因此，机械通风冷却塔的噪声污染问题亟需治理。
5.目前对于冷却塔降噪的研究多为工程应用方向，即对现有的有噪声超标问题的机械通风式冷却塔进行改造。常通过添加声屏障或消音器的措施进行改造。声屏障和消声器降噪措施是可以达到冷却塔降噪的目的，但同时会对冷却塔的热力性能产生较大的影响，降低了冷却塔冷却效率，无法达到工程设计要求。为了实现工业加工生产的精细化操作，不仅需要降低冷却塔的风机噪声，往往需要冷却塔出塔水温的恒定，这就对冷却塔的制冷调节能力提出了更高的要求。同时，因昼夜温差的变化及季节的变化，常规的冷却塔会产生散热不足或出塔水温过低造成能源的浪费，无法实现出塔水温的恒定。
6.为了解决上述问题，发明专利cn109281850《一种低噪声同轴双叶轮冷却塔轴流风机》提出了一种1.5级双叶轮轴流风机，其结构为一级叶轮+导流器+二级叶轮，两叶轮为同一动力系统，一级叶轮与二级叶轮的转动方向相同。专利cn204987925u《一种同轴双风机冷却塔》设置了两组同轴串联的排风扇，其叶片安装角度为10
°‑
30
°
，两组排风扇也由同一驱动装置驱动。这些结构会传递给机壳同方向较大的叠加力矩，使冷却塔机壳力矩不稳定，容易产生较大的振动噪声。单电机同时驱动两组风机，不能做到两风机分别调节转速，并且会大大增加电机的输出功率，对电机提出了更高的要求。
7.专利cn110118509a《一种冷却塔风机节能控制系统及方法》及专利cn108195221a《变频风机控制方法及装置》通过判断出塔水温与目标出塔水温的大小来指导变频风机的运转。单变频风机的调节会导致出塔水温的波动大，不能精细化调节出塔水温。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种机械通风冷却塔及其运行控制方法，解决因治理冷却塔噪声污染而导致的热力性能恶化问题。
9.为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
10.第一方面，本发明的实施例提供了一种机械通风冷却塔，包括塔身，塔身内部由上至下依次设有风机系统、收水器、喷淋系统和集水池，集水池和填料之间的区域作为进风空间，对应的塔身设有进风口，所述风机系统包括上下同轴设置的第一风机组件和第二风机
组件，第一风机组件与第一驱动组件连接，第二风机组件与第二驱动组件连接，第一风机组件和第二风机组件的扇叶安装方向相反以使得第一风机组件和第二风机组件在转动方向相反的情况下能够产生同向气流。
11.可选的，所述第一风机组件包括平行设置且通过多个螺纹连接件连接的第一上盖板和第一下盖板，第一上盖板和第一下盖板边缘之间沿环向设有多个第一紧固件，第一紧固件与第一扇叶的一端固定，第一上盖板与第一驱动组件连接。
12.可选的，第一驱动组件包括第一减速机，第一减速机通过支撑架与塔身固定，第一减速机的输出轴与第一上盖板的中心部位连接，第一减速机与传动轴的一端连接，传动轴的另一端与固定在塔身的第一电机连接；
13.进一步的，所述第一电机采用第一变频电机。
14.可选的，所述第一紧固件包括固定在第一上盖板底面的第一紧固部和固定在第一下盖板顶面的第二紧固部，第一紧固部和第二紧固部相对设置的端面均设有与第一扇叶端部圆柱型结构相匹配的弧形槽，第一紧固部和第二紧固部通过弧形槽压合第一扇叶端部的圆柱型结构。
15.可选的，所述第二风机组件包括平行设置且通过多个螺纹连接件连接的第二上盖板和第二下盖板，第二上盖板和第二下盖板边缘之间沿环向设有多个第二紧固件，第二紧固件与第二扇叶的一端固定，第二下盖板与第二驱动组件连接。
16.可选的，第二驱动组件包括第二减速机，第二减速机通过支撑架与塔身固定，第二减速机的输出轴与第二下盖板的中心部位连接，第二减速机与传动轴的一端连接，传动轴的另一端与固定在塔身的第二电机连接；
17.进一步的，所述第二电机采用第二变频电机。
18.可选的，所述第二紧固件包括固定在第二上盖板底面的第三紧固部和固定在第二下盖板顶面的第四紧固部，第三紧固部和第四紧固部相对设置的端面均设有与第二扇叶端部圆柱型结构相匹配的弧形槽，第三紧固部和第四紧固部通过弧形槽压合第二扇叶端部的圆柱型结构。
19.可选的，所述喷淋系统的水管安装有温度传感器以测量进塔水温，所述集水池内安装有温度传感器以测量出塔水温；
20.进一步的，所述喷淋系统的水管安装有流量计。
21.可选的，所述喷淋系统的下方设置有填料；
22.或者，所述塔身的进风口处安装有百叶窗。
23.第二方面，本发明的实施例提供了一种机械通风冷却塔的运行控制方法：
24.第一驱动组件带动第一风机组件的扇叶转动，第二驱动组件带动第二风机组件的扇叶转动，第一风机组件的扇叶转动方向与第二风机组件的扇叶转动方向相反；
25.当出塔水温低于设定的下限值时，首先减小第一驱动组件的供电频率，当第一驱动组件的供电频率降低至设定值后，不再继续降低，第二驱动组件的供电频率降低直至出塔水温达到设定的目标温度。
26.当出塔水温高于设定的上限值时，首先增大第二驱动组件的供电频率，当第二驱动组件的供电频率达到额定频率后，第二驱动组件的供电频率不再增大，第一驱动组件的供电频率增大，直至出塔水温达到设定的目标温度。
27.本发明的有益效果如下：
28.1.本发明机械通风冷却塔，由于第一风机组件和第二风机组件的扇叶安装方向相反，因此其在转动方向相反的情况下能够产生同向气流进行排风，实现了第一风机组件和第二风机组件的反向转动，对塔身产生的力矩相互抵消，降低了塔身振动噪声的产生，而且通过第一风机组件和第二风机组件共同排风，在保证热力性能的前提下，降低了第一风机组件和第二风机组件的转速，减小了第一风机组件和第二风机组件的功率，并且同时降低风机的噪声。
29.2.本发明的机械通风冷却塔，第一电机和第二电机均采用变频电机，可根据运行工况、环境参数变频运转，实现第一风机组件和第二风机组件的同轴异速反转。相对于单变频电机调节，通过两个风机组件的单独调控实现了实施精细化调节全塔通风量，水温波动小，保证出塔水温的恒定，避免因外界环境温度变化过大时造成的电能的浪费，进一步降低了风机噪声的产生。
30.3.本发明的机械通风冷却塔，第一紧固件和第二紧固件均通过弧形槽压合扇叶端部的圆柱结构，扇叶的安装角度能够实现无级调节，提高了整个冷却塔的适用性。
附图说明
31.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
32.图1是本发明实施例1整体结构示意图；
33.图2是本发明实施例1整体结构主视图；
34.图3是本发明实施例1风机系统结构示意图；
35.图4是本发明实施例1第一风机组件、第二风机组件、第一驱动组件和第二驱动组件装配示意图；
36.图5是本发明实施例1第一风机组件和第二风机组件主视图；
37.图6是本发明实施例1第一风机组件爆炸示意图；
38.图7是本发明实施例1第一扇叶和第二扇叶安装示意图；
39.图8是本发明实施例1控制原理示意图；
40.图9是本发明实施例2工作方法流程图；
41.其中，1.塔身，2.风机系统,2-1.第一风机组件，2-1-1.第一上盖板，2-1-2.第一下盖板，2-1-3.第一扇叶，2-1-4.第一紧固部，2-1-5.第二紧固部，2-1-6.连接螺栓，2-1-7.固定螺母，2-2.第二风机组件，3.收水器，4.喷淋系统，5.填料，6.集水池，7.百叶窗，8.第一减速机，9.支撑架，10.传动轴，11.第一电机，12.第二减速电机，13.传动轴，14.第二电机。
具体实施方式
42.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”字样，仅表示与附图本身的上、下方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
43.实施例1
44.本实施例提供了一种机械通风冷却塔，如图1-图2所示，包括塔身1，塔身1采用现有的塔身结构即可，塔身1的顶部设有排风部，按照由上之下的方向，所述塔身内部依次安装有风机系统2、收水器3、喷淋系统4、填料5和集水池6，风机系统2安装在塔身1顶部的排风部内，填料5和集水池6之间的空间作为进风空间，其对应的塔身1上设置有进风口，进风口处安装有百叶窗7，本实施例中，塔身可采用四面进风或者双侧进风或者单侧进风，所述喷淋系统4包括多个喷淋管，喷淋管连接至喷淋总管，喷淋总管与进水管连接，所述喷淋管的底部设置有多个朝向填料设置的喷头，用于向填料喷出待冷却的水。
45.所述集水池6的侧部设有排水管，用于将集水池6内部的水排出。
46.本实施例的机械通风冷却塔，仅对风机系统进行改进，收水器3、喷淋系统4、填料5和集水池6的结构及在塔身1内的设置方式采用现有技术即可，在此不进行详细叙述。
47.本实施例中，如图3-图6所示，所述风机系统采用双风机系统，即风机系统2包括上下设置的第一风机组件2-1和第二风机组件2-2，第一风机组件2-1和第二风机组件2-2同轴设置。
48.第一风机组件2-1与第一驱动组件连接，第一驱动组件能够带动第一风机组件2-1的扇叶沿第一方向转动。
49.所述第二风机组件2-2与第二驱动组件连接，第二驱动组件能够带动第二风机组件2-2的扇叶沿第二方向转动，第二方向与第一方向相反。
50.所述第一风机组件2-1包括平行且同轴设置的第一上盖板2-1-1和第一下盖板2-1-2，第一上盖板2-1-1和第一下盖板2-1-2之间的边缘位置沿环向设置有多个第一紧固件，第一紧固件与第一扇叶2-1-3的内侧端部固定。
51.具体的，所述第一紧固件包括配合使用的第一紧固部2-1-4和第二紧固部2-1-5，第一紧固部2-1-4固定在第一上盖板2-1-1的底面，第二紧固部2-1-5固定在第一下盖板2-1-2的上表面，第一紧固部2-1-4和第二紧固部2-1-5相对的端面设有弧形槽，弧形槽与第一扇叶2-1-3内侧端部设置有圆柱型结构相匹配，第一紧固部2-1-4和第二紧固部2-1-5贴合后，通过弧形槽卡住第一扇叶2-1-3的圆柱型结构。
52.所述第一上盖板2-1-1和第一下盖板2-1-2的边缘处穿过有多个沿环向等间隔设置的连接螺栓2-1-6，连接螺栓2-1-6的杆部穿过第一下盖板2-1-2后旋紧固定螺母2-1-7，固定螺母2-1-7与第一下盖板的底面贴合，连接螺栓2-1-6的头部与第一上盖板2-1-1的上表面贴合，通过连接螺栓2-1-6和固定螺母2-1-7，能够使得第一上盖板固定的第一紧固部和第一下盖板对应的第二紧固部通过弧形槽压紧第一扇叶2-1-3端部的圆柱型结构，进而将第一扇叶2-1-3进行压紧固定。
53.本实施例中，由于弧形槽和圆柱型结构的设置，因此第一扇叶2-1-3的安装角度可以进行无级调节，本实施例中，第一扇叶2-1-3的安装角度为第一扇叶与水平面之间的夹角。
54.所述第二风机组件2-2与第一风机组件2-1的结构相同，也包括平行且同轴设置的第二上盖板和第二下盖板，第二上盖板和第二下盖板之间的边缘沿环向等间隔设置有多个第二紧固件，第二紧固件的结构与第一紧固件的结构相同，也包括与第二上盖板底面固定的第三紧固部和与第二下盖板上表面固定的第四紧固部，第三紧固部和第四紧固部相对的端面设有弧形槽，第三紧固部和第四紧固部压紧贴合时，能够通过弧形槽压紧第二扇叶内
侧端部的圆柱型结构，以实现第二扇叶的固定。
55.所述第二上盖板和第二下盖板的边缘之间设置有多个沿环向等间隔设置的连接螺栓，连接螺栓的杆部穿过第二下盖板后螺纹连接固定螺母，连接螺栓的头部和固定螺母配合，将第三紧固部和第四紧固部压紧，进而通过弧形槽压紧第二扇叶的圆柱型结构。
56.由于通过弧形槽和圆柱型结构对第二扇叶进行固定，因此第二扇叶的安装角度能够进行无级调节。
57.本实施例中，第一风机组件2-1和第二风机组件2-2的转向相反，为了使得第一风机组件2-1和第二风机组件2-2均能够同时向上方排风，所述第一扇叶2-1-3的安装角度和第二扇叶的安装方向相反。
58.本实施例中，第一扇叶2-1-3的安装角度和第二扇叶的安装方向相反解释为：
59.如图7所示，沿第一风机组件2-1和第二风机组件2-2上下相对应的第一扇叶和第二扇叶的径向角度，第一扇叶与水平面具有第一夹角α，第二扇叶与水平面具有第二夹角β，第一夹角和第二夹角的张开侧朝向是相反的。
60.采用此种设置方式，第一扇叶2-1-3和第二扇叶按照相反的方向转动时，能够产生相同的风向。第一扇叶2-1-3和第二扇叶的安装角度以及第一风机组件、第二风机组件之间的距离d可根据冷却塔的塔型、环境参数进行选取，在此不进行详细叙述。
61.所述第一风机组件2-1与第一驱动组件连接，第一驱动组件能够带动第一风机的多个第一扇叶绕第一上盖板、第一下盖板的轴线沿第一方向转动。
62.所述第一驱动组件包括第一减速机8，第一减速机8的外壳通过支撑架9与塔身1固定连接，所述支撑架9采用由多个支撑杆交叉焊接而成的框架式结构，降低了对通风的影响，第一减速机8的外壳的顶端与支撑架9固定，第一减速机8的输出轴与第一上盖板2-1-1的顶面中心位置固定连接。
63.第一减速机8与传动轴10的一端连接，传动轴10作为第一减速机8的输入轴，传动轴10的轴线与第一上盖板2-1-1、第一下盖板2-1-2的轴线垂直，传动轴10的一端与第一减速机8连接，另一端伸出至塔身1的排风部的外部并与第一电机11的输出轴连接，第一电机11固定在塔身上。
64.本实施例中，所述第一电机11采用第一变频电机，第一电机11与变频器连接，能够调节第一扇叶的转速。
65.所述第二驱动组件与第一驱动组件完全相同，包括第二减速机12，第二减速机12位于第二下盖板下方，其输出轴与第二下盖板下表面的中心位置固定连接，其外壳与支撑架9连接，支撑架9与塔身1的排风部固定，支撑架9的结构与第一驱动组件对应的支撑架的结构相同，在此不进行重复叙述。
66.所述第二减速机12与传动轴13的一端连接，传动轴13的另一端伸出至排风部外部并与第二电机14的输出轴连接，本实施例中，第二电机14采用第二变频电机，第二电机与变频器连接，能够对第二扇叶的转速进行调节。
67.两个传动轴13均与塔身1的排风部通过轴承转动连接，塔身的排风部对传动轴起到了支撑作用。
68.本实施例中，如图8所示，所述机械通风冷却塔还包括数据采集系统，所述数据采集系统包括多个第一温度传感器和多个第二温度传感器，多个第一温度传感器成矩阵排列
安装在集水池内部，用于检测集水池内水温，形成多个出塔水温测点，得到出塔水温，本实施例中，通过多个第一温度传感器测得的数值，求平均值后得到出塔水温，测量结果准确。
69.喷淋系统的喷淋管内均安装有第二温度传感器，用于检测喷淋管内的水温，形成多个进塔水温测点，进而得到进塔水温，所有第二温度传感器测得的数值求平均值后，得到进塔水温，测量结果准确。
70.所述喷淋管还安装有流量计形成循环水流量测点，用于采集进塔水流量。
71.还包括第三温度传感器，用于检测环境大气的温度。
72.所有温度传感器均通与数据采集设备连接，数据采集设备通过无线传输单元与总控室的控制中心连接，所有温度传感器和流量计采集的数据能够通过数据采集终端利用无线传输的方式传递给总控室的控制中心，所述控制中心与监控平台连接，能够将接收的数据在监控平台进行显示。
73.所述第一电机和第二电机与控制中心连接，控制中心能够控制第一电机和第二电机的工作频率，进而控制第一扇叶和第二扇叶的转速。
74.实施例2
75.本实施例提供了一种实施例1所述的机械通风冷却塔的运行控制方法，如图9所示，第一电机带动第一风机组件的多个第一扇叶沿第一方向转动，转速为n1，第二电机带动第二风机组件的多个第二扇叶沿第二方向转动，转速为n2，第一方向和第二方向相反，第一风机组件和第二风机组件对塔身产生的力矩相互抵消，塔身更加稳定，降低了塔身振动噪声的产生，而且通过第一风机组件和第二风机组件共同排风，由于双风机的叠加，可以增加塔体的通风量及出口静压，与传统的单风机冷却塔相比，达到相同的通风量时，双风机有着转速更低的优点，同时对驱动电机的要求降低。由于气动噪声的大小与风机转速密切相关，故该冷却塔可以产生较小的气动噪声。
76.随着夜晚环境温度的降低，出塔水温降低，冷却塔产能过剩。若设定出塔水温t与第二温度传感器测得出塔水温t2的差值大于极限值s，s为设定的温度波动范围，则发送指令控制中心，控制中心减小第一电机的供电频率，第一电机转速降低，进而第一扇叶的转速降低，当第一电机的供电频率f1低于设定值时，设定值为额定频率f的60％，为保护电机运转，不再继续降低第一电机的供电频率，改为降低第二电机的供电频率，致使第二电机转速降低，直至出塔水温达到目标值，在保证出塔水温的同时避免了电能的浪费。同时由于转速的降低，降低了风机噪声的产生。
77.随着白天温度的升高，出塔水温会随之升高。若第二温度传感器测得出塔水温t2与设定出塔水温t的差值大于极限值s，s为设定的温度波动范围，发送指令到控制中心，先增大第二电机的供电频率，第二电机转速升高。当第二电机的供电频率f2达到设置值即第二电机的额定频率f时，不再继续增加第二电机的供电频率，改为增加第一电机的供电频率，第一电机的转速增高，通风量增大，直至出塔水温达到目标值，维持冷却塔的出塔水温保持恒定。
78.在冷却塔正常运行中，无线传输单元会实时将测得的各参数传输到总控室，操作人员可以了解实时运行情况，当出塔水温偏离设定值预警值w时，控制中心发出出塔水温异常预警信息，供操作人员检修或进行下一步操作。
79.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技
术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种机械通风冷却塔，包括塔身，塔身内部由上至下依次设有风机系统、收水器、喷淋系统和集水池，集水池和填料之间的区域作为进风空间，对应的塔身设有进风口，其特征在于，所述风机系统包括上下同轴设置的第一风机组件和第二风机组件，第一风机组件与第一驱动组件连接，第二风机组件与第二驱动组件连接，第一风机组件和第二风机组件的扇叶安装方向相反以使得第一风机组件和第二风机组件在转动方向相反的情况下能够产生同向气流。2.如权利要求1所述的一种机械通风冷却塔，其特征在于，所述第一风机组件包括平行设置且通过多个螺纹连接件连接的第一上盖板和第一下盖板，第一上盖板和第一下盖板边缘之间沿环向设有多个第一紧固件，第一紧固件与第一扇叶的一端固定，第一上盖板与第一驱动组件连接。3.如权利要求2所述的一种机械通风冷却塔，其特征在于，第一驱动组件包括第一减速机，第一减速机通过支撑架与塔身固定，第一减速机的输出轴与第一上盖板的中心部位连接，第一减速机与传动轴的一端连接，传动轴的另一端与固定在塔身的第一电机连接；进一步的，所述第一电机采用第一变频电机。4.如权利要求2所述的一种机械通风冷却塔，其特征在于，所述第一紧固件包括固定在第一上盖板底面的第一紧固部和固定在第一下盖板顶面的第二紧固部，第一紧固部和第二紧固部相对设置的端面均设有与第一扇叶端部圆柱型结构相匹配的弧形槽，第一紧固部和第二紧固部通过弧形槽压合第一扇叶端部的圆柱型结构。5.如权利要求1所述的一种机械通风冷却塔，其特征在于，所述第二风机组件包括平行设置且通过多个螺纹连接件连接的第二上盖板和第二下盖板，第二上盖板和第二下盖板边缘之间沿环向设有多个第二紧固件，第二紧固件与第二扇叶的一端固定，第二下盖板与第二驱动组件连接。6.如权利要求5所述的一种机械通风冷却塔，其特征在于，第二驱动组件包括第二减速机，第二减速机通过支撑架与塔身固定，第二减速机的输出轴与第二下盖板的中心部位连接，第二减速机与传动轴的一端连接，传动轴的另一端与固定在塔身的第二电机连接；进一步的，所述第二电机采用第二变频电机。7.如权利要求5所述的一种机械通风冷却塔，其特征在于，所述第二紧固件包括固定在第二上盖板底面的第三紧固部和固定在第二下盖板顶面的第四紧固部，第三紧固部和第四紧固部相对设置的端面均设有与第二扇叶端部圆柱型结构相匹配的弧形槽，第三紧固部和第四紧固部通过弧形槽压合第二扇叶端部的圆柱型结构。8.如权利要求1所述的一种机械通风冷却塔，其特征在于，所述喷淋系统的水管安装有温度传感器以测量进塔水温，所述集水池内安装有温度传感器以测量出塔水温；进一步的，所述喷淋系统的水管安装有流量计。9.如权利要求1所述的一种机械通风冷却塔，其特征在于，所述喷淋系统的下方设置有填料；或者，所述塔身的进风口处安装有百叶窗。10.一种权利要求1-9任一项所述的机械通风冷却塔的运行控制方法，其特征在于：第一驱动组件带动第一风机组件的扇叶转动，第二驱动组件带动第二风机组件的扇叶转动，第一风机组件的扇叶转动方向与第二风机组件的扇叶转动方向相反；
当出塔水温低于设定的下限值时，首先减小第一驱动组件的供电频率，当第一驱动组件的供电频率降低至设定值后，不再继续降低，第二驱动组件的供电频率降低直至出塔水温达到设定的目标温度；当出塔水温高于设定的上限值时，首先增大第二驱动组件的供电频率，当第二驱动组件的供电频率达到额定频率后，第二驱动组件的供电频率不再增大，第一驱动组件的供电频率增大，直至出塔水温达到设定的目标温度。

技术总结
本发明涉及一种机械通风冷却塔及其运行控制方法，包括塔身，塔身内部由上至下依次设有风机系统、收水器、喷淋系统和集水池，集水池和填料之间的区域作为进风空间，对应的塔身设有进风口，所述风机系统包括上下同轴设置的第一风机组件和第二风机组件，第一风机组件与第一驱动组件连接，第二风机组件与第二驱动组件连接，第一风机组件和第二风机组件的扇叶安装方向相反以使得第一风机组件和第二风机组件在转动方向相反的情况下能够产生同向气流，采用本发明的冷却塔噪音小。用本发明的冷却塔噪音小。用本发明的冷却塔噪音小。


技术研发人员：高明 王友昊 何锁盈
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.06.15
技术公布日：2023/8/21