CN102187170A - 热交换器,操作热交换器的方法以及热交换器在空调中的用途 - Google Patents
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Abstract
在具有一组毛细管的热交换器中,将要被冷却和/或加热的流体引入毛细管(1,2),所述毛细管(1,2)被与所述流体形成顺流的水或吸湿性吸附溶液所润湿,空气以与所述流体逆流的方向从外部流过所述毛细管。该毛细管组由至少一个毛细管辐射板(10)组成,所述毛细管具有小于20°接触角的亲水性或水扩散表面。
Description
技术领域
本发明涉及一种根据权利要求1前序部分所述的热交换器,一种用于操作该热交换器的方法以及至少两个该热交换器在空调中的用途。
背景技术
毛细管为例如在空气/水热交换器的使用中提供了良好的条件。它们需要相对少且经济的材料用于其制造,并提供相对大的外表面以用于热交换,因此例如与板式热交换器相比,热交换器值成倍提高。此外,它们耐水和吸附溶液的腐蚀。具有0.5~5mm外径的柔性塑料管被称为毛细管。
毛细管通常组合在一起而形成辐射板,这些管以约10~20mm的间隔相互平行放置,并且在一端,将这些毛细管与用于水或其它加热或冷却流体流入的共同分支相连接,同时在另一端,将这些毛细管与用于水或其它加热或冷却流体回流的共同分支相连接。通过间隔物将毛细管保持在它们的相互位置处。这种辐射板在例如DE19640514A1中有所显示。
EP 0901601B1中公开了一种具有毛细管调节器的热交换器,通过其引导要被冷却或被加热的流体。毛细管调节器用平行于流体流动的水喷淋并经受逆流于流体的空气流。毛细管之间的间隔至少部分地用泡沫材料填充,其结果是扩大了热交换器的表面。一种可能的制造该热交换器的方法是用泡沫材料涂层涂覆毛细管本身。因此,泡沫材料层可由与毛细管相同的材料构成。然而,已经发现不能实现泡沫材料层的均匀喷涂。如果喷涂是使用用于干燥空气的吸附溶液而不是使用水来实现的,则会尤其明显。为了获得符合要求的热交换器效率,应尽可能降低吸附溶液量,如果可能的话,不超过流过毛细管的流体量的5%,优选不超过1%。然而,对于泡沫材料层的均匀润湿来说,不能实现这些数值。
发明内容
因此,本发明的目的是提供一种具有毛细管调节器的热交换器,要被冷却或要被加热的流体流过该毛细管调节器,管调节器被平行于流体流动的水或吸湿性吸附溶液润湿并经受逆流于流体的空气流,该热交换器至少具有比现有使用毛细管辐射板的热交换器更高的效率。
根据本发明,上述目的通过具有权利要求1特征的热交换器实现。从属权利要求中披露了该热交换器的有利改进,用于操作该热交换器的优选方法以及至少两个该热交换器在一个空调中的有效使用。
由于毛细管调节器实际上由至少一个管辐射板构成,所以其毛细管具有低于20°接触角的亲水性或水扩散表面,即使用极少量的水或吸附溶液也能产生毛细管的均匀润湿。因为所需的热交换趋向于在流体和空气之间产生,所以经非蒸发的水或吸附溶液吸收的热量是破坏性的,因为这代表存在热损失。然而,这种热损失越大,越是需要更多量的水或吸附溶液。因此,在不破坏毛细管的均匀润湿的情况下,水或吸附溶液量与流过毛细管的流体量的比不应超过5%,优选不超过1%。
为了获得亲水性或水扩散表面,优选用起绒布(fleece)覆盖毛细管。为了均匀润湿,已经证实由具有0.1~0.5mm直径的玻璃纤维制成的起绒布是特别有利的。
毛细管由诸如聚丙烯的塑料材料制成,所述材料通常具有较低的固体表面张力,因此很难用水或水溶液润湿。这导致在其结构中不具有或具有极少量的极性基团。因此,为了实现良好的润湿性,优选将其用水扩散材料覆盖。水扩散塑性材料在例如EP 0149182B2中公开。
为了使毛细管与水扩散层之间具有良好的粘附性,可在它们之间设置粘合剂层。该粘合剂层包含足量的极性基团,而且其在水中不溶且不溶胀。该粘合剂层可由例如混合聚合物(由87.6%(重量)的甲基丙烯酸甲酯和12.4%(重量)的y-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷制成)的2.5%溶液构成,并具有0.01~2μm的厚度。
毛细管辐射板可优选由纵向和横向毛细管形成,纵向和横向毛细管以网状形式彼此连接,以用作流体通道,至少纵向毛细管通过其末端分别与用于供给或排放流体的一个分支形成共同连接。因此,与仅使用由纵向毛细管构成的辐射板相比较,热交换器表面可被显著扩大,甚至可扩大两倍,这使热交换器的效率也相应提高。因为横向毛细管确保了纵向毛细管的相互间隔,所以也可以省掉间隔物,在此可以假设横向毛细管的材料费用大约相当于间隔物的材料费用。
具有纵向毛细管和横向毛细管的辐射板的构造也可以使根据需要通过阻挡个别纵向和/或横向毛细管中的通道来控制辐射板内流体的流动路线成为可能。因此,也可在辐射板内部和边缘处设置凹槽或者调整辐射板中的曲流路线。因此,也可在毛细管的各个末端处设置流体供给和/或排放管道(短于辐射板的相应侧),以使通过这些管道的要被冷却或要被加热的空气流受到更小的阻碍。
辐射板的毛细管可设置为纵向毛细管和横向毛细管彼此呈直角延伸。然而,对于流动路线来说更优选的是,纵向毛细管和横向毛细管相交的夹角偏离直角5°~20°。在这方面特别优选的是,纵向毛细管和横向毛细管实际上相交呈直角,但相对于辐射板边缘并因此相对于分支,纵向毛细管和横向毛细管分别倾斜45°。在这种情况下,纵向毛细管和横向毛细管都与分支直接相连。
附图说明
随后将参考图中所示实施例更详细地说明本发明,其中:
图1显示了具有内部剪切部分的纵向管和横向管的毛细管辐射板;
图2显示了具有边缘剪切部分的毛细管;
图3显示了具有用于排放流体的缩短分支管的毛细管辐射板;
图4显示了具有曲流路线的毛细管辐射板;
图5显示了具有相对于分支分别呈45°延伸的纵向和横向管的毛细管辐射板;
图6显示了具有多个平行毛细管辐射板的热交换器;以及
图7显示了空调的示意图。
具体实施方式
图1显示了毛细管辐射板,其具有相交呈直角的纵向毛细管1和横向毛细管2,所述毛细管具有亲水性或水扩散表面,且所述毛细管内部彼此分别在交点处连接,以便在一个毛细管中流动的流体可进入到另一毛细管中。纵向毛细管1通过其顶端与用于提供流体(优选为水)的分支3共同连接,且通过其底端与用于排放流体的分支4共同连接。因此,流体如箭头5所示的方向流过辐射板,然而所述流体不仅流过纵向毛细管,而且也流过横向毛细管2。因为横向毛细管2具有与纵向毛细管1相同的相互间隔,所以其总体长度等于纵向毛细管1的总体长度,因此用于热交换的表面是仅由纵向毛细管构成的辐射板表面的两倍。因此,其效率更高。横向毛细管2还确保纵向毛细管1的相互间隔不发生变化。因此可以省掉间隔物。
图1中所示的毛细管辐射板包含内部剪切部分6,该部分没有毛细管。将在剪切部分6处开口的毛细管直接设置为用夹具7夹住其前端,以使流体不在该处从毛细管中溢出,但可以将流体预先转移到相交的毛细管中。
网格状毛细管辐射板的制造相对简单。首先,分别利用半毛细管轮廓制造两个半壳,随后将两个半壳料焊接在一起。对于成品辐射板来说,可以通过这样的方式夹紧毛细管:将相关的毛细管压合到一起,并且通过供热来焊接经压缩的内壁。
根据图2的毛细管辐射板对应于根据图1的毛细管辐射板,然而前者不具有内部剪切部分,而是具有边缘剪切部分8。
对于根据图3的毛细管辐射板来说,用于排放流体的底部分支4被大大缩短,并且在没有与该分支相连接的纵向毛细管1的底端设置夹具7,以便将流体通过横向毛细管2从这些毛细管转移到与分支4相连接的纵向毛细管1。为了使流体的流动路径大致相同,另外在与分支相连接或与分支紧邻的纵向毛细管1中提供通过夹紧而形成的挡板9,以使流体流过这些通道时仅能转向至分支4。
根据图4的毛细管辐射板包括两个挡板9,所述两个挡板通过夹紧的纵向毛细管1而获得,并且分别沿着横向毛细管2的方向,从辐射板的相反边缘延伸出来,并超过辐射板的一半宽度。因此,流体的流动路径呈弯曲形延伸。如果流体/空气的量比小,则这种构造是合理的,因为流体的流速不应降至最小值以下,否则流体和空气之间的热交换将下降且流体的流动会变得不均匀。
对于图1~4中所示的毛细管辐射板来说,其都是将流体引入纵向毛细管,并且所述毛细管辐射板具有彼此正交的纵向毛细管和横向毛细管,在连接点处实现了流体的90°转向。即使在横向毛细管中这也能产生足够的流量,然而这也能够通过横向毛细管不呈直角延伸而是呈偏离直角大约5°~20°延伸来改进。因此,可以增加流过横向毛细管的部分流体的流量,这可以增强流体和空气之间的热交换。
图5显示了特别优选的毛细管辐射板构造。纵向毛细管1和横向毛细管2实际上同样彼此呈直角相交,然而它们分别相对于分支3和4呈45°延伸,并且还分别直接与上述分支相连接。因此流出分支3的流体同时直接进入纵向毛细管1和横向毛细管2,以便提供相同程度的流量并且实现它们之间少量的流体交换。然而,应确保纵向毛细管1和横向毛细管2的热交换容量相互等同,从而实现最佳效率。
图6显示了空气/水热交换器中的毛细管辐射板的用途,例如图1~5中所示。将以侧视图显示的毛细管辐射板10彼此平行放置,并将其垂直放置于外壳11中。各个辐射板的各个分支3都与用于供水(流体)的共用前驱管线12相连接,并且辐射板10的各个分支4都与共用回流管线13相连接。要被加热或要被冷却,或分别要被加湿或要被除湿的空气与水逆向并且平行于毛细管辐射板10流动,即从底部通过外壳11流至顶部,如箭头14、15所示。
对于加湿或除湿空气来说,辐射板10的毛细管具有亲水性或水扩散表面,并具有20°以下的接触角。在各个辐射板10的尽可能高的位置处提供水(在加湿的情况下)和例如由氯化锂水溶液构成的吸附溶液(在除湿的情况下)。因此,尽可能均匀地利用水或吸附溶液将辐射板10的毛细管在其总体长度上进行润湿。为此,在毛细管上提供由起绒布或水扩散材料制成的涂层。
由于存在重力以及毛细效应,水或吸附溶液均匀分散在毛细管的总体长度上。为此,根据图5的毛细管辐射板构造比根据图1~4的毛细管辐射板构造更合适,因为所有毛细管都相对于水平面倾斜相同的角度。
当从辐射板10的毛细管向下流动时,吸附溶液吸收逆流空气的水分,并在辐射板10的底端处将所吸收的水导入收集容器。随后,水分再生并被再次提供给辐射板。由包含在空气中的水分冷凝产生的热量通过热交换传递给毛细管中的水并通过毛细管排放。相反,用于毛细管上的水蒸发的空气加湿过程中所需的热量经由水流被带入毛细管中。
通常,就空气/水热交换器而言,如果所谓的水量在整个表面上相同的话,可实现最高效率(即空气的温度变化与水的温度变化之比)。这种要求对于空气的干燥冷却来说不成问题,因为空气的比热像水的比热一样保持不变。然而,对于同时进行空气除湿来说,由于所释放的冷凝热量,空气的比热容会升高至干燥空气的比热容的数倍,实际上,较高的空气温度下的比热容数值要大于较低的空气温度下的比热容数值。
如果现在使用根据图4的具有曲流流动的毛细管辐射板,则较高除湿区域中流体(水)的停留时间可通过不同程度的弯曲结构得以提高,并且因此两种介质的水量可保持大致不变。
因为在操作过程中除湿的程度可大幅变化,所以弯曲结构被设计用于尤其注重高效率的工作点。
图7示意性显示了使用根据图6的两个热交换器的空调。对于空调来说,其会产生非常高的热回收,通过分别与作为用于进入空气和排出空气的全热交换器相连接的热交换器,使过量的进入空气被额外加热或冷却。
在夏季操作中,进入空气16在第一全热交换器17中被冷却并被除湿。冷却水循环流过两个热交换器。在第一全热交换器17的调节器中,冷却水在进入空气16的冷却和除湿过程中被加热。在第二全热交换器18的调节器中,冷却水再次通过逸出空气19被冷却,在这之前,该排出空气19在先前的加湿器中被绝热冷却至其露点温度。因此,排出空气19被加热加湿,并且随后从建筑物中排出。
在第一全热交换器17的调节器的上部中,被涂覆的毛细管受到在涂层内向下扩散的吸附溶液的影响,并且该涂层吸收空气水气冷凝所形成的水。
同样地,第二全热交换器18的调节器的上部中的水被供给至被涂覆的毛细管,该毛细管的水至少部分蒸发并随排出空气19排出。
Claims (21)
1.一种具有毛细管调节器的热交换器,其中流过要被冷却和/或要被加热的流体,所述毛细管调节器被平行于该流体流动的水或吸湿性吸附溶液润湿,并且经受逆流于该流体的空气流,其特征在于所述毛细管调节器由至少一个毛细管辐射板(10)构成,所述毛细管调节器的毛细管具有小于20°接触角的亲水性或水扩散表面。
2.根据权利要求1所述的热交换器,其特征在于所述毛细管被起绒布覆盖。
3.根据权利要求2所述的热交换器,其特征在于所述起绒布由具有0.1~0.5mm直径的玻璃纤维构成。
4.根据权利要求1所述的热交换器,其特征在于所述毛细管被由水扩散材料制成的层所涂覆。
5.根据权利要求4所述的热交换器,其特征在于在所述毛细管和所述由水扩散材料制成的层之间设置有粘合剂层。
6.根据权利要求1~5中任一所述的热交换器,其特征在于所述毛细管辐射板(10)由纵向毛细管(1)和横向毛细管(2)形成,所述纵向毛细管(1)和所述横向毛细管(2)以网状方式相互连接,以用作流体通道,至少所述纵向毛细管(1)通过其末端分别与用于供给和排放流体的分支(3,4)共同连接。
7.根据权利要求6所述的热交换器,其特征在于为了控制所述毛细管辐射板(10)中流体的流动路线,阻挡个别纵向毛细管(1)和/或横向毛细管(2)中的流体通道。
8.根据权利要求7所述的热交换器,其特征在于一个毛细管辐射板(10)的至少一个分支(4)短于所述毛细管辐射板(10)的与其平行的一侧的长度。
9.根据权利要求7或8所述的热交换器,其特征在于所述毛细管辐射板(10)在其内部或在其边缘处设置剪切部分(6,8)。
10.根据权利要求7~9中任一所述的热交换器,其特征在于所述毛细管辐射板(10)中的流动路线是弯曲的。
11.根据权利要求10所述的热交换器,其特征在于所述毛细管辐射板(10)中的流动路线的弯曲程度是变化的。
12.根据权利要求6~11中任一所述的热交换器,其特征在于所述纵向毛细管(1)相对于所述分支(3,4)呈90°延伸,并且所述横向毛细管(2)相对于所述分支(3,4)呈5°~20°延伸。
13.根据权利要求6~11中任一所述的热交换器,其特征在于所述纵向毛细管(1)和所述横向毛细管(2)相对于所述分支(3,4)分别沿对角线方向延伸。
14.根据权利要求12所述的热交换器,其特征在于所述纵向毛细管(1)和所述横向毛细管(2)分别相对于供给和排放流体的所述分支(3,4)呈45°角延伸并直接与所述分支(3,4)相连接。
15.根据权利要求1~14中任一所述的热交换器,其特征在于所述毛细管调节器由多个所述毛细管辐射板(10)构成,多个所述毛细管辐射板(10)彼此平行设置,并且在一侧上具有用于流体的共用供给管线(12),在相反一侧上具有用于流体的共用排放管线(13)。
16.一种用于操作根据权利要求1~15中任一所述的热交换器的空气除湿的方法,其特征在于所述毛细管的表面被吸湿性吸附溶液均匀润湿,并且流过所述毛细管调节器的流体释放了从空气中分离出的水气的冷凝热。
17.根据权利要求16所述的方法,其特征在于所述吸附溶液是氯化锂水溶液。
18.一种用于操作根据权利要求1~15中任一所述的热交换器的空气加湿的方法,其特征在于所述毛细管的表面被水均匀润湿,并且流过所述毛细管调节器的流体传递了加湿空气所需的蒸发热。
19.一种根据权利要求1~15中任一所述的至少两个热交换器(17,18)在空调中的用途,所述热交换器(17,18)受到在连续封闭循环中流体流动的影响,第一热交换器(17)用于对进入空气(16)进行冷却和除湿,第二热交换器(18)用于通过排出空气(19)来冷却流体。
20.根据权利要求19所述的用途,其特征在于所述排出空气(19)在流过所述第二热交换器(18)之前被绝热冷却至其露点温度。
21.根据权利要求19或20所述的用途,其特征在于所述第一热交换器(17)的毛细管表面被吸附溶液润湿,所述第二热交换器(18)的毛细管表面被水润湿。
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