静电收水型冷却塔的制作方法

1.本发明涉及冷却塔技术领域，尤其涉及一种静电收水型冷却塔。


背景技术：

2.湿式冷却塔作为一种水冷技术，在电力和石化等行业得到广泛应用。在冷却塔的运行过程中，塔内的循环水与空气直接接触进行传热传质，会产生循环水的蒸发损失、风吹损失和排污损失，造成水资源的大量浪费。冷却塔的蒸发损失占整体耗水量的30～55％。而其蒸发的水分在一定气候条件下，被外界的冷空气冷却，形成白雾，对城市景观、道路能见度等产生不良的影响。并且，空气中的颗粒物容易吸附在白雾中，加重雾霾的影响。所以，减小蒸发损失，除雾节水对冷却塔具有重要意义。而目前湿式冷却塔主要采用加热型、多风量型以及空气并联型这三种消雾技术，通过加热或者增大风量等手段将过饱和的湿空气调节至未饱和区，只是消除了“白雾”现象，而冷却塔的蒸发损失并未减少。
3.近年来，maher damak等人为了将大气中雾气转换为水资源，提出了一种静电雾收集器，通过引入电晕电场，使得雾气中的液滴带电，随后带电的液滴在电场的作用下被收集电极捕获。这种静电雾收集器为冷却塔的除雾节水带来了启发。目前，虽然有专利公开了相关的冷却塔水回收技术，但申请人发现，由于冷却塔排出的湿空气中的水分主要以气态形式存在，仅依靠静电集雾技术，无法有效的回收冷却塔的蒸发损失，仅能回收部分液态水。此外，对于在高电压和高湿度下运行的静电集雾器，许多专利仅采用绝缘子对装置的高压进行绝缘，未考虑到在高湿度环境下，绝缘子表面凝结的水滴会导致其绝缘性能的失效。所以，需要提供一种更有效、更稳定的冷却塔静电除雾节水技术。
4.专利cn2709906y提出了一种燃煤发电锅炉冷却塔水雾回收装置，所述回收装置由收集电极和配置绝缘体的放电电极组成，经悬调梁竖直安装在冷却塔出口处。申请人发现，受静电集雾的原理限制，该装置仅能回收出口雾气中的少部分液态水，节水能力不足。
5.专利cn103453785b提出了一种径流式静电集水装置及具有径流式静电集水装置的冷却塔，所述静电集水装置由前放电网，集水极和后放电网组成，集水极由多孔金属泡沫或是多个波纹板或是蜂窝板或是丝网制成。此外，在集水极内还设有冷水管用于冷却雾气。申请人发现，该装置产生的电晕电场仅产生在前后放电网和集水极之间，在集水极内部没有电晕电场的覆盖，这会导致收集性能的降低。此外，由金属泡沐等材料制成的集水极会产生较大的空气阻力，会对冷却塔的正常运行产生阻碍。
6.专利cn105890437b提出了一种多级并联多线-水膜离子风冷却塔水回收装置，所述装置由多线电极，水模电极，绝缘子以及相关的托架组成。所述装置布置在冷却塔的顶部。经申请人研究发现，由于大量的蒸发损失是以气态形式存在的，会导致装置的收集能量受限。此外，该专利虽然采用了绝缘子隔绝高压带电部分，但在高雾气浓度环境下，绝缘子的可靠性不高，无法保障装置的稳定运行。
7.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

8.本发明的目的是提供一种静电收水型冷却塔，针对现有技术中的不足，解决冷却塔的高耗水量的缺点，提供了一种更高效的、更稳定的静电收水型冷却塔，可以回收冷却塔浪费的水资源，并减小冷却塔出口白雾对环境的污染。
9.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
10.本发明的一种静电收水型冷却塔包括，
11.湿式冷却塔，其包括设在顶端的出口；
12.静电收水装置，其安装在湿式冷却塔的顶部且位于所述出口下方，以产生电荷以及通过电晕电场收集白雾中液滴，静电收水装置包括，
13.至少一个收集通道，其包括，
14.放电电极，
15.两个绝缘子，分别固定于所述放电电极的一个延伸方向的两侧，
16.两个接收电极，在正交于所述延伸方向的另外方向上，分别布置于所述放电电极两侧且平行于所述出口的雾气流动方向，所述接收电极和放电电极之间产生电荷以及电晕电场，带有液滴的空气在被电离的空气分子和电晕电场的作用下，液滴被荷电，带电的液滴在电场的作用下被收集到所述接收电极。
17.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述湿式冷却塔开设有干冷空气的进气口，所述进气口位于所述静电收水装置下方。
18.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述静电收水型冷却塔为对称结构，所述进气口对称分布于湿式冷却塔侧壁。
19.所述进气口内设有控制流量的风扇，通过调节外界干冷空气的流量，使得干冷空气和塔内饱和湿空气的流量比例控制在最优值，使得塔内的饱和湿空气析出的水滴的含量最高。所述流量比例的最优值随外界环境温度和冷却塔出口温度的变化而改变。
20.所述绝缘子，通过电加热或者持续通入干空气的方式保护其绝缘性能。
21.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述放电电极包括，
22.电极固定框架，
23.多个线电极，其阵列排布于所述电极固定框架中。
24.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述线电极直径为0.1mm-5mm，所述线电极的材质为金属材料。
25.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述金属材料为钨或不锈钢。
26.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述电极固定框架为中空四边形结构。
27.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述绝缘子固定连接于所述电极固定框架。
28.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述放电电极和接收电极的间距g为5cm-25cm。
29.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述相邻线电极之间的间距为1.2-3.5倍的间距g。
30.所述的一种静电收水型冷却塔中，，所述线电极表面可以通过气象沉积等方法将石墨烯或碳纳米管修饰在线电极的表面，在电极表面形成许多曲率半径为几微米的放电点位。
31.所述的一种静电收水型冷却塔中，所述接收电极的形状为平板状，其由导电材质
制成。
32.在上述技术方案中，本发明提供的一种静电收水型冷却塔，具有以下有益效果：本发明所述的一种静电收水型冷却塔采用静电收水装置可以有效的回收冷却塔运行时的蒸发损失，回收水资源，降低运行成本；通过引入外界干冷空气与塔内饱和湿热空气以一定的最优比例混合，使得更多的水在静电收水装置凝出，提高了装置的水回收率；通过在电极表面修饰石墨烯和碳纳米管，形成许多放电点位，提高了线电极的放电性能；静电收水装置的接收电极板和气流方向平行，和冷却塔内原有的流道弯曲的挡水板相比，具有较低的气流阻力，降低了冷却塔排风扇的能耗；通过引入干空气或是添加电加热模块，对绝缘子进行了保护措施，避免了绝缘子在饱和湿空气环境中被水滴污染和爬电现象的发生，有助于维持静电收水装置的稳定运行。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1是静电收水型冷却塔一个实施例的结构示意图；
35.图2是静电收水型冷却塔一个实施例的收集通道的结构示意图；
36.图3(a)、图3(b)分别是一个实施例中提供的绝缘子在湿饱和空气环境中的结构示意图；
37.图4是静电收水型冷却塔一个实施例的放电电极和接收电极的结构示意图；
38.图5是放电电极和接收电极的结构参数和其之间产生的电晕电场的示意图；
39.图6是线电极表面经过碳纳米管或石墨烯等材料修饰后形成放电点前后的示意图；
40.图7是一个实施例在超声波雾化器产生白雾中的收水性能实验测试结果示意图。
具体实施方式
41.为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图1至图7，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
42.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
43.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
44.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时
针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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。
45.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
46.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
47.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
48.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
49.在一个实施例中，如图1至图7所示，静电收水型冷却塔包括，
50.湿式冷却塔1，其包括设在顶端的出口；
51.静电收水装置2，其安装在湿式冷却塔1的顶部且位于所述出口下方，以产生电荷以及通过电晕电场收集白雾中液滴，静电收水装置2包括，
52.固定支架3，其固定于所述湿式冷却塔1内，
53.至少一个收集通道4，其包括，
54.放电电极7，
55.绝缘子9，其固定于所述放电电极7，
56.两个接收电极8，其分别布置于所述放电电极7两侧且平行于所述出口的雾气流动方向，所述接收电极8和放电电极7之间产生电荷以及电晕电场，带有液滴的空气在被电离的空气分子和电晕电场的作用下，液滴被荷电，带电的液滴在电场的作用下被收集到所述接收电极8。
57.本发明的高压电源在电晕电极上产生的电晕使得空气电离，并在电晕电极和接收电极之间产生电场。在电场的作用下，电离的空气分子发生运动，并使冷却塔1内过饱和空气中的小液滴带上电荷，进而在电场力的作用下向接收电极8运动，最终被接收电极捕获回收。这项技术具有收集率高、耗能低的优点，在冷却塔1除雾节水应用领域具有很大的潜力。
58.所述的一种静电收水型冷却塔的优选实施例中，所述湿式冷却塔1开设有干冷空气的进气口5，所述进气口5位于所述静电收水装置2下方。
59.所述的一种静电收水型冷却塔的优选实施例中，所述静电收水型冷却塔1为对称
结构，所述进气口5对称分布于湿式冷却塔1侧壁。
60.所述进气口内设有控制流量的风扇6，通过调节外界干冷空气的流量，使得干冷空气和塔内饱和湿空气的流量比例控制在最优值，使得塔内的饱和湿空气冷凝出的液滴的含量最高。所述流量比例的最优值随外界环境温湿度和冷却塔内饱和湿空气温湿度的变化而改变。
61.例如，当外界环境温度为0℃，相对湿度为60％时，干空气的含湿量为2.25g/kg。当冷却塔出口温度为32℃，相对湿度为100％时，塔内饱和湿空气的含湿量为30.63g/kg。通过风扇将干冷空气和饱和湿空气以最优的流量比例3∶1混合后，混合后的空气温度为11.1℃，相对湿度为100％，最大含湿量为8.22g/kg，此时多余的液滴从饱和湿空气中冷凝出来，所凝结出的液态水的含量约占塔内饱和湿空气的含水量的16％。
62.假设直接采用静电收水装置回收冷却塔的蒸发损失，在无外界干冷空气辅助冷凝的条件下，塔内饱和湿空气所含的水绝大部分是气态的，仅夹带小部分的液态水，液态水约占气态水含量的6％。虽然当雾气流动到冷却塔顶部时，饱和湿空气会和外界空气混合，产生部分液态的小液滴，但在冷却塔出口空气的高温度、高风速和高流量的工况下，在冷却塔出口处产生的液态水较少。受静电收水装置原理的限制，静电收水装置只能收集出口空气中夹带的液态水滴。而含有大量气态水的饱和湿空气会被排出冷却塔。此时，静电收水装置仅消除了白雾现象并且收集其中一小部分的冷却塔水损失。而在引入外界干冷空气辅助冷凝的条件下，通过静电收水装置可以将液态水的回收量从6％提高到22％，提升了约266％，这大大的提高了装置的收集效率，节约了更多的水资源。
63.所述的一种静电收水型冷却塔的优选实施例中，所述放电电极7包括，
64.电极固定框架，
65.多个线电极12，其阵列排布于所述电极固定框架中。
66.所述的一种静电收水型冷却塔的优选实施例中，所述线电极12直径为0.1mm-5mm，所述线电极12的材质为金属材料。
67.所述的一种静电收水型冷却塔的优选实施例中，所述金属材料为钨或不锈钢。
68.所述的一种静电收水型冷却塔的优选实施例中，所述电极固定框架为中空四边形结构。
69.所述的一种静电收水型冷却塔的优选实施例中，所述绝缘子9固定连接于所述电极固定框架。
70.所述的一种静电收水型冷却塔的优选实施例中，所述放电电极7和接收电极8的间距g为5cm-25cm。
71.进一步地，所述相邻线电极之间的间距s为1.2g-3.5g之间。
72.所述的一种静电收水型冷却塔的优选实施例中，所述接收电极8的形状为平板状，其由导电材质制成。
73.在一个实施例中，所述接收电极8接地。
74.在一个实施例中，多个收集通道4阵列排布于冷却塔1内且排布方向垂直于所述出口的雾气流动方向。
75.在一个实施例中，所述出口附近设有排风扇6。
76.在一个实施例中，所述静电收水装置2安装在冷却塔1顶部，通过产生的电荷以及
通过电晕电场收集白雾中小液滴回收水，所述静电收水装置2由多个收集通道4、相关固定支架3和绝缘子9组成，所述收集通道4由放电电极7、接收电极8组成，所述放电电极7和接收电极8通过螺栓等连接方式以及绝缘子9固定在固定支架3上。优选的，所述静电收水装置2下方开设有干冷空气的进气口5，通过进气风扇引入外界的干冷空气和塔内的高温饱和湿空气按一定比例混合，使得湿空气中的气态水冷凝析出，形成白雾，增大静电收水装置2的回收水量。优选的，接收电极和冷却塔1出口雾气的流动方向平行，放电电极7位于相邻的两块接收电极8之间。
77.所述绝缘子9通过持续引入外界干空气或是采用电加热方式对绝缘子9进行加热，避免饱和空气经过绝缘子9时，凝结成水滴挂在绝缘子9表面，污染绝缘子9，降低绝缘性能。在塔内的高温饱和湿空气环境下，绝缘子表面容易受湿空气凝结的水滴污染，导致绝缘子绝缘性能的消失。这将导致线电极上的高压通过绝缘子、电极固定支架直接导通接地的板电极上，此时由于线电极和板电极的电压相近，导致电晕电场不再形成，静电收水装置的功能失效。所以为了保障静电收水装置的正常工作，需要对绝缘子进行保护。
78.优选的，所述放电电极7由多个电极和电极固定框架组成，所述电极为导线状，所述线电极12直径为0.1mm～5mm，所述电极的材质为金属材料，如钨、不锈钢。优选的，所述接收电极8的形状为平板的，采用的导电材质制成，不局限于金属材质，例如，可以在塑料板上镀一层导电层作为接收电极。
79.优选的，所述静电收水装置2的放电电极7和接收电极8的间距g为5cm～25cm，所述静电收水装置2的工作电压在-15kv到-100kv。
80.优选的，所述相邻线电极之间的间距s为1.2g-3.5g之间。此时多根线电极产生的多个电晕电场13可以很好的覆盖整个收集通道。当线电极之间的间距过大，超过3.5g，会导致通道内部分无电场覆盖，降低了装置的雾气收集性能。而当线电极之间的间距过小时，相邻线电极之间产生的电晕电场之间会相互干扰，影响静电收水装置的收集性能，还额外增加通道内线电极12的数量。
81.优选的，所述线电极表面可以通过气象沉积等方法将石墨烯或碳纳米管修饰在线电极的表面，在电极表面形成许多曲率半径为几微米的放电点14。在工作时，这些微米级的放电点14可以增强线电极的放电性能，产生更多的电子，增强静电收水装置对液滴的荷电能力，提高装置的收水能力。
82.一个实施例中，静电收水装置1安装在冷却塔顶部。所述静电收水装置由多个收集通道4组成，由相关固定支架3固定在冷却塔中。冷却塔中，在静电收水装置下方开设有进气口5，可以在冷却塔运行时引入外界的干冷空气b和塔内的高温饱和湿空气a混合形成带有液滴的低温空气(白雾)。引入外界空气的主要目的是降低冷却塔内饱和湿空气a的温度，使得更多的水从饱和空气中冷凝出来，提高静电收水装置的回收率。随后带有液滴的空气经过静电收水装置，在被电离的空气分子和电晕电场的作用下，液滴被荷电，带电的液滴在电场的作用下，被收集到接收电极上，剩余的空气c，即经过静电收水装置后排出的空气，则在风扇的作用下被排出。
83.图2为静电收水装置中单个收集通道4的示意图，所述收集通道由一个放电电极7、两个接收电极8和若干绝缘子9组成，所述绝缘子9通过螺钉等连接方式固定在放电电极7上。其中，接收电极8和冷却塔出口雾气的流动方向平行，而放电电极7位于两块接收电极中
间，放电电极7和每块接收电极平行。与冷却塔中的原有的流道弯曲的挡水板相比，这种平行布置的平板结构有助于降低静电收水装置的空气阻力，减小冷却塔中风扇的功耗。在一个实施例中，绝缘子安装在放电电极和塔体之间，用于固定和绝缘，一个放电电极至少需要两个进行固定。
84.参见图1和图2，当静电收水装置包括多个收集通道4时，两个相邻的收集通道共用一个接收电极8。对于每个收集通道，其放电电极7由多个线电极和1个电极固定框架组成，所述电极固定框架为中空四边形结构时，所述中空四边形的两条平行的边的中点附近，分别向外延伸出一端，图2中的两个绝缘子则固定连接于这两端，并处于电极固定框架的对侧，从而使得所述两个绝缘子固定于放电电极的两侧。此外，多个收集通道中，每个收集通道中每一侧的绝缘子，都大致位于同一平面，且该平面与固定支架3大致共面。
85.图3(a)、图3(b)展示了绝缘子在饱和湿空气环境中的两种保护方案。图3(a)展示了通过持续引入外界干空气保护绝缘子的示意图。通过在绝缘子外侧安装保护罩9，并且通过保护罩9持续引入外界的干空气b，隔绝塔内饱和湿空气对绝缘子的污染。图3(b)展示了通过电加热的方式保护绝缘子的性能。通过绕在绝缘子8上的电加热线圈10，将绝缘子的温度保持在150℃以上，使得绝缘子表面保持干燥，维持良好的绝缘性。
86.结合图1至图3(b)，需要进一步限定的是，两个绝缘子，分别固定于所述放电电极的一个延伸方向的两侧；两个接收电极，在正交于所述延伸方向的另外方向上，分别布置于所述放电电极两侧且平行于所述出口的雾气流动方向。
87.图4则展示了放电通道中放电电极6和接收电极7的结构示意图。所述放电电极由多个电极11和电极固定框架组成，所述电极为导线状，所述线电极直径为0.1mm～5mm，所述电极的材质为金属材料，如钨、不锈钢等。所述接收电极为平板状的，采用的导电材质制成，包括但不局限于金属材质。比如可以在不导电的塑料板上镀一层导电层作为接收电极。其中，所述静电收水装置的放电电极和接收电极的间距g为5cm～25cm。所述静电收水装置在工作时放电电极上所施加的直流电压在-15kv到-100kv之间，而接收电极接地。
88.图5展示了放电电极和接收电极的结构参数(s，g)和其之间产生的电晕电场13。当装置工作时，多根线电极12和板电极8之间产生的多个电晕电场13可以很好的覆盖整个收集通道。当有雾气流过时，其中的液滴被荷电，并在电晕电场的作用下被板电极捕获。
89.图6展示了线电极表面经过碳纳米管或石墨烯等材料修饰后形成放电点前后的示意图。当采用气象沉积等方法将石墨烯或碳纳米管修饰在线电极的表面后，会在电极表面形成许多曲率半径为几微米的放电点14。在工作时，这些微米级的放电点14可以增强线电极的放电性能，产生更多的电子，增强静电收水装置对液滴的荷电能力，提高装置的收水能力。
90.优选的，在一个实施例中，可以选择直径较粗的金属线作为作为线电极，并在线电极表面采用气象沉积等方法将石墨烯或碳纳米管进行修饰，形成许多放电点14增强放电性能，避免了线电极直径的增大导致的放电性能的降低，使之同时具备良好的机械性能，增加了线电极的耐久性。
91.冷却塔出口风扇的作用下，塔内带有细微液滴的饱和热空气和冷空气混合，形成一股带有小液滴(雾气)的空气。该空气随后向上进入静电收水装置，放电电极在高压下电离周围的分子，形成离子，离子在电场的作用下运动，和空气中的液滴碰撞，使得液滴带上
电荷。在电场的作用下，带电液滴一边向接收电极运动，一边液滴之间互相团聚形成大液滴，最后被接收电极捕获，凝结在接收电极上，而经过接收电极的不带液滴的空气(无白雾)从冷却塔上方排出。
92.在一个具体实施例中，本公开通过超声波雾化器以及静电收水装置模拟冷却塔中的收水实验，如图7所示，当静电收水装置的工作电压从-7.5kv增大到-15.0kv时，静电收水装置的收集量逐渐增大，最大达到10.03kg/(h
·
m2)，即一个截面积为1m2的静电收水装置，每小时可收集水量约为10kg，这证明了静电收水装置可以有效的将雾气转化为水。
93.最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本技术保护的范围。
94.以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。