CN102272535A - 间接蒸发冷却器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种逆流间接蒸发热交换器(10)，其具有竖直堆叠的交替逆流湿通道(14)和干通道(12)，其中，湿通道在热交换器的操作过程中由沿叠层竖直运行的润湿装置(50、52、53、54、70、72、74、76)来润湿。在润湿装置的竖直运行过程中一次纵伸地润湿热交换器(10)的全部通道(14、12)中的少量通道。

Description

间接蒸发冷却器结构

技术领域

本发明涉及用于封闭空间的通风和冷却的方法、设备和系统。特别是，本发明涉及用于蒸发冷却器的逆流间接蒸发热交换器；例如适用于向封闭空间供给冷却空气的独立空调单元，本发明还涉及适用于供给在换热单元中使用的冷却水的独立调节单元，该换热单元形成用于冷却封闭空间的系统的一部分。

背景技术

在下面的说明书和权利要求中，除非上下文的另外要求，措辞“包括”或它的变化形式将理解为表示包含所述整体或步骤或者整体或步骤的组。

在本说明书中对任何现有技术的参考并不是也应当不会认为是承认或者以任意形式提出该现有技术形成澳大利亚的普通公知常识的一部分。

间接蒸发冷却的原理已经公知多年。关于在蒸发冷却之前通过换热和蒸发的组合来预冷却空气的原理的早期参考文献包括Maisotsenko的SU979796。这些原理已经以多个实际应用被利用，例如在Maisotsenko的US4977753中所示，还在US6581402、Reinders的美国专利申请2004/0226698和James的PCT/AU2006/000025中进一步改进。

如前述说明中所示的实际装置在那些装置能够操作为满足商业可行产品的标准之前还有多个要解决的难题。

在提供冷却器时实际上非常重要的是它们的尺寸和形状必须能够装配和结合至家庭住所中。尽管通常将直接蒸发冷却器安装在屋顶上，但是相同冷却能力的间接冷却器的附加尺寸和重量使得该方法并不实际。当间接蒸发冷却器的工作模型布置在住所外部周围的地面上时，它自身有类似问题。冷却器的设计面积可能太大，并使用在建筑物的墙壁和边界围栏之间的太多可用空间。

如果冷却器能够装配至抵靠住宅外壁安装的包装内且尺寸满足以下标准，则间接蒸发冷却器的销售将大大提高：

从墙壁至冷却器外侧的深度尽可能小；

宽度由搬运因素来限制；

高度只由到任何外伸屋顶/屋檐部件下侧的间隙来限制。

与操作的技术要求一致并考虑上述标准的理想结构通常将从它抵靠安装的墙壁凸出距离不超过大约600mm，宽度高达900mm，且高度限制为大约2100mm。

在这些参数内的冷却器结构要求基本违背前述那些装置的结构。在所有前述说明中，热交换器芯的某些尺寸由技术和/或实际限制来限定，而只有一个尺寸能够变化以便增加热交换器的能力。

在US6581402中所示的Maisotsenko装置的热交换器宽度和深度由空气流和阻力因素来限制，其中，能力由热交换器的高度来确定。Reinder和James的结构使得热交换器的深度和高度由技术因素来确定，而宽度决定装置的能力。我们认为，如果这些结构的各自的有利特征组合至装置中，则市场上将开发出更实际的间接冷却器。

不过，各前述结构有其它技术和实际困难，这使得组合这些优点有某些问题。

在US6581402中所述的装置需要水平的热交换器板，该水平的热交换器板在一侧有可润湿表面、在另一侧有不可渗透的表面。水在整个可润湿表面上的分布依赖于芯吸介质，该芯吸介质通过沿表面的芯吸和一些重力辅助(由于与水平稍微倾斜)的组合而分配来自中心沟槽的水。冷却至低温需要流过润湿表面的水尽可能地慢，优选地恰好足以代替由于蒸发而产生的损失。在并不使得空调的热性能产生明显退化的情况下，不能冲洗可润湿表面以便除去由于蒸发水而留下的任何盐积累。

Maisotsenko结构从干通道向湿通道逐渐传递一定百分率的冷却空气以便提供蒸发冷却，该Maisotsenko结构相对于其它结构损害了所传送空气的温度，因为传递的空气不能受到由热交换器提供的充分温度差。

由Reinders提供的结构充分利用了间接蒸发冷却的初始原理，但是热交换器的传热性能受到它的布局和构造的损害。从湿通道侧向干通道侧传递的热量必须经过相对较长距离的热交换器材料，因此必须使用高传导率材料例如金属来获得适当的性能。

在Reinders和James采用的两种结构中，通向热交换器芯的水分配通过灌注芯的顶表面来进行，从而使得水能够向下流过芯，以便收集在芯下面的储存器中。当冷却器工作时通过芯的水流必须保持最少，因为超过蒸发所需的任何多余水流将损害可以由冷却器提供的可用的调节空气的温度。对于热性能的水流量要求包括能够用于从芯表面冲洗残余的盐的能力。由Reinders和James采用的合理的实际折衷是定期地以过量的水润湿芯，以便冲走残余的盐，并充满水，从而保持用于形成湿槽道的材料的能力，随后在并不润湿的情况下进行相当长时间的操作。在这段时间中，还由保持在润湿表面中的水来进行蒸发，实现冷却器的全部热性能。只要润湿时间较短而在润湿之间的时间较长，该方案就很好地工作。

由James公开的可选方案是将芯分成单独润湿的段，各段有它自身的、热分离的水回路(泵、储存器和分配器)。该方法能够持续地冲洗芯，而并不使得热性能退化。尽管该可选方案已经证明能够在实际模型中工作，但是它很难在可行的生产模型中实施。

因此，优选方案是定期地润湿芯的湿通道，且在润湿之间的时间尽可能长，以便能够进行蒸发，并使得热交换器的冷却能力最大。当热交换器的高度增加以便利用总体间接蒸发冷却器的优选结构时，这种思想变得更困难。水只能以由它通过湿通道向下滴流所花费的时间来确定的速率添加给芯的顶部。润湿循环必须持续进行，直到水已经通过芯的大部分竖直距离扩展，然后切断，从而使得多余的水能够一直流过芯和流回至储存器。热交换器的冷却效果在水流过湿通道的所有时间中都受到损害，只有当全部水流都停止时才恢复至最大冷却。芯越高和因此湿通道越长，润湿所需的时间就越长，且冷却受到损害的时间比例越大。在芯与上述优选几何形状所需的芯一样高时，这种情况将不能维持。

发明内容

本发明通过构成一种热交换器芯而提出了与现有技术相关的问题的改进，在该热交换器芯中，湿通道和干通道安装成接近水平，并一个在另一个上面地交替堆叠，还提供了用于定期地润湿芯的湿通道的可选方法和装置。

根据第一方面，本发明提供了一种逆流间接蒸发热交换器，其中，当就位时，竖直相邻的逆流湿通道和干通道为水平或接近水平，湿通道用于通过润湿装置来润湿，该润湿装置横过热交换器的高度顺序地、纵伸地向湿通道施加水。

优选地，湿通道和干通道由波纹片材构成，其中，一侧包括可润湿的吸收性介质，另一侧包括水不可渗透的表面、隔膜或层。

在一个实施例中，湿通道和干通道由可润湿的吸收性纤维素基体来构成，不可渗透的隔膜施加在一个表面上。

在可选实施例中，湿通道和干通道由水不可透过的片材来构成，吸水介质施加在该片材的一个表面上。

在还一实施例中，形成各通道的波纹片材装配成使得竖直相邻的片材的波纹以在20°至70°范围内的角度相交。

在还一实施例中，各通道的顶部和底部的波纹片材分成关于中心线对称的两部分，该中心线基本平行于在各通道内的平均空气流方向，在一个部分中的波纹角度设置成与在相邻部分中的波纹角度互补。

在还一改进形式中，波纹片材构成为具有设置成关于各相应片材的中心线对称的人字形角度图案的波纹。

在另一实施例中，润湿装置包括水传送装置，该水传送装置适用于沿热交换器大致竖直地运行，用于沿热交换器的空气传送面将水一次直接供给少量湿通道中。

在还一实施例中，所述水传送装置包括多个有狭槽的管，这些管沿热交换器的传送面竖直布置，管的有狭槽侧邻近热交换器。在操作中，柱塞沿有狭槽的管上下横移，同时水从顶部传送到管内。因此，水传送给紧邻所述柱塞位置的湿通道。在还一改进形式中，热交换器构成为具有可用于结合有狭槽的管的空腔空间，以便容纳从狭槽传送给热交换器通道的水。

所需润湿机构的一种优选形式包括竖直运行的水散布器，该水散布器相对于芯的总通道数目一次润湿芯的少量通道，同时运动至芯的相邻部分，直到完成芯的整个润湿循环为止。优选地，润湿机构在芯的相邻水平通道之间的竖直运动是连续的。当运行的水散布器润湿特定的多个湿通道时，这些通道的冷却效率由于其中的水流而受损。不过，因为在任何一次进行润湿的通道数目都只是整个芯中的湿通道的总数的很小部分，因此对总体冷却的损害有限。使用这种润湿模式使得热交换器芯能够构成为只有对于高度的结构或机械限制，因此提供在所需尺寸和形状限制内提供间接蒸发冷却器所需的柔性。

在本发明的另一方面，提供了一种蒸发冷却器，它具有根据第一方面的逆流间接蒸发热交换器。

本发明的还一方面提供了一种操作根据第一方面的逆流间接蒸发热交换器的方法，该逆流间接蒸发热交换器具有交替的基本水平湿通道和干通道的竖直叠层。

特别适用于本发明实施例的热交换器通道的结构包括具有可润湿表面和水不可透过表面的波纹片材，其中，波纹角度设置为相反角度，如PCT/AU2006/000025中所述，该文献被本文参引。不过本领域技术人员应当知道，本发明的原理同样可以用于构造热交换器叠层或芯的其它方法。

附图说明

下面将参考附图通过示例介绍本发明，附图中：

图1是适合本发明实施例的间接蒸发冷却器的热交换器芯的等距视图，该热交换器芯与它的设计尺寸相比有相对较高的比例；

图2表示了在热交换器中具有均匀波纹的相邻波纹片材的侧视图；

图3是具有第一水分配机构的热交换器芯的侧视图；

图4是类似于图3的视图，但是表示了第二水分配机构的细节；以及

图5是穿过热交换器叠层或芯的剖视图，表示了呈人字形图形的、用于湿槽道的波纹的可选布局。

具体实施方式

在图1中，热交换器芯10的尺寸的纵横比例如适合间接蒸发冷却器的优选要求。尺寸16与尺寸18和20相比较大。通常，尺寸16为大约1500mm，尺寸20为大约900mm，尺寸18为大约400mm。干通道12(以水平阴影线表示)和湿通道14(以竖直阴影线表示)都定向成基本水平，尽管有利的是它们可以稍微离开水平，以便帮助水在湿槽道中的分配和除去多余的水。

在图2中，热交换器10以正视图表示，其中，干通道12和湿通道14在使用中定向成水平。热的、干的吸入空气从侧部40进入热交换器的干通道12，并作为冷却空气从侧部42离开。一部分空气从侧部42进入湿通道14，以便沿湿通道流回，直到它进入排气空间44，它从该排气空间44排向大气。通过芯的这种流动通路产生来自侧部42的有用的冷却空气流，该冷却空气流是并不通过湿通道14返回以便由空间44排出的空气部分。该机构通过其来冷却有用空气流的装置在现有公开文献中介绍，特别见PCT/AU2006/000025。

在图3中，横移的水分配机构表示为具有罩52，该罩52覆盖热交换器10的传送侧的一部分。在操作中，冷却空气运行通过热交换器10的干槽道12，沿面51离开。在正常操作中，从干槽道12离开的一部分空气转向至湿槽道14，来自干槽道12的冷却空气的其余部分可用作由冷却器传送的有用空气。不过，当水传送机构50的罩52在传送侧覆盖少量的湿槽道和干槽道时，空气不能象正常操作中那样分成2个流体流。在干槽道12中的静压总是相对较高，因为干槽道直接与要冷却的空间(该空间通过风扇(未示出)来增压)连接。当空气流由罩52中断时，在湿槽道14中的静压将降低，因为湿槽道直接与热交换器的排出区域(该排出区域处于正常大气压力)连接。由罩52中断流动的最终结果是空气在罩52的界限内从干槽道12加速流向相邻的湿槽道14。

通过管道53传送给水喷嘴54(该水喷嘴54是横移的水分配机构50的一部分)的水将水喷流58注射至上述加速的空气流中。这样喷射的水只能够流过湿槽道14，因为由罩52产生的静压差保证所有空气必须从干槽道流向湿槽道。因此，喷射的所有水都可用于润湿该湿槽道14，进入湿槽道14的水通过在其中的加速空气流而在整个湿槽道中分配。

因为湿槽道必须定期地进行润湿，因此水分配机构必须沿热交换器的冷却空气传送面51竖直地上下移动。这样，一次润湿少量的湿槽道，且润湿装置继续向相邻槽道运动，直到横移整个面并且所有湿槽道都被润湿为止。

图3中表示了一种使得水分配机构横移的方法。水分配机构附接在螺母62上，该螺母62在延伸螺杆60上运行。当螺杆60由驱动装置(例如电马达，未示出)沿往复方向驱动时，水分配机构将在热交换器的传送面上面运动。

图4中表示了一种可选的水分配机构。水被引导通过空心管道70，该空心管道70在朝向热交换器10的传送面的一侧有沿它的长度的狭槽。滑动插头76在空心管道70的内部，其通过连续皮带或链72而保持就位。柔性皮带72通过由电马达驱动的主动轮74来定位，使得主动轮的驱动导致滑动插头76在管道70内上下运动。

在操作中，水78从顶部沿管道70向下引导。水78沿管道70向下流动，直到它冲撞滑动插头76为止。滑动插头76在该滑动插头76的位置处使得水流通过管道70中的狭槽转向。因为管道70的狭槽定位成对着热交换器10的传送面，如剖面A-A所示，所以这样转向的水将在插头76的位置处撞上湿槽道和干槽道的少部分。因为空气沿热交换器10的传送面流出干槽道和流入湿槽道，因此转向至热交换器10的传送面上的水将只流入湿槽道中，从而提供了润湿湿槽道的内表面的装置。在干槽道处的影响(其中，没有水逆着空气流的方向而流动)在剖面B-B中表示。当滑动插头76沿热交换器10的面上下前进时，所有湿槽道都将在润湿循环的过程中逐渐润湿。

用于将通过插头76而转向的水传递至热交换器10中的优选结构在剖面可选的A-A中表示。在该结构中，热交换器10构成为具有在传送面51上的凹槽80，使得在管道70中的狭槽容纳于热交换器的凹槽中。通过滑动插头76而传送到热交换器中的水容纳于凹槽80中，从而大大降低当水在高速碰撞热交换器的传送面时将水喷射到传送的空气空间(图2中的42)的趋势。

向上述热交换器的湿槽道施加水的方法和装置设计成以远远大于蒸发实际所需的速率来向湿槽道施加水。需要这样高的流速是为了从湿槽道的表面上冲洗沉积的盐和污染物，并保证湿槽道的全部内表面都确实润湿。这在热交换器的槽道为水平且由与空气流设置成一定角度的波纹状纸来构成(如PCT/AU2006/000025中所述)时将引起实际问题。波纹的角度将全部水流(该水流贴在槽道的下表面上)沿波纹角度方向偏压。因为湿槽道和干槽道使得波纹角度交替，因此最后结果是湿槽道的所有下表面都有沿相同方向的波纹，并将槽道内的水只导向一侧。这导致很难均匀地润湿该湿槽道，并使得多余的水只在一侧通过排出空间44离开，而不是使得多余的水通过两个排出空间分配。

通过采用如图5中所示的多层热交换器芯的结构，可以大大减轻这些困难。图5表示了单个热交换器芯片材，其中，波纹的图形遵循“人字形”形状。在片材的一侧，波纹设置成与空气流(由箭头线表示)成一定角度，如脊90所示。关于中心线91对称的、在中心线91另一侧的波纹的角度为镜像图像，如脊线94所示。在热交换器叠层中的连续片材布置成相反方向，使得波纹的脊以一定角度彼此相交。在操作中，如果图5的图示表示湿槽道的底部片材时，空气从腔室42进入槽道，并流过在波纹的脊和相邻片材的凹处之间的空间。然后，空气通过排出口44排出。当水通过水分配器50而关于中心线91对称地引入这样形成的湿槽道中时，一半的水通过沿一个方向偏压的波纹进入湿槽道；另一半的水通过沿相反方向偏压的波纹进入。因此不会有全部水都流向一个排出空间44而不流向另一个排出空间的趋势。润湿更均匀，且来自排出口44的多余水流可以保持在可处理的水平。

如这里所述和如由附图所示实施例来示例说明的间接蒸发冷却器的结构能够制造这样的冷却器，其中，槽道元件水平或近似水平地布置在该冷却器中，且冷却器的最终冷却能力由热交换器叠层的高度来确定。因此可以构成紧凑的冷却器，它从墙壁(它安装在该墙壁上)的凸出最小。将水分配给热交换器叠层的湿槽道的优选方法能够可靠地和周期性地润湿槽道表面，同时提供冲洗污染物的能力。

Claims (18)

1.一种逆流间接蒸发热交换器，其中，当就位时，竖直相邻的逆流的湿通道和干通道为水平或接近水平，湿通道适于通过润湿装置来润湿，所述润湿装置横跨热交换器的高度顺序地将水纵伸地施加到湿通道。

2.根据权利要求1所述的热交换器，其中：湿通道和干通道由波纹片材构成，其中，一侧包括可润湿的吸收性介质，另一侧包括水不可渗透的表面、隔膜或层。

3.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中：湿通道和干通道由可润湿的、吸收性的纤维素基体来构成，不可渗透的隔膜施加在一个表面上。

4.根据权利要求1或2所述的热交换器，其中：湿通道和干通道由水不可渗透的片材构成，吸水介质施加在所述片材的一个表面上。

5.根据权利要求2或者从属于权利要求2的权利要求3或4所述的热交换器，其中：形成各通道的波纹片材装配成使得竖直相邻的片材的波纹以20°至70°范围内的角度相交。

6.根据权利要求5所述的热交换器，其中：各通道的顶部和底部的波纹片材分成关于中心线对称的两部分，所述中心线基本平行于在各通道内的平均空气流方向，其中，在一个部分中的波纹角度设置成与在相邻部分中的波纹角度互补。

7.根据权利要求5或6所述的热交换器，其中：波纹片材构成为具有设置成关于各个相应片材的中心线对称的人字形角度图形的波纹。

8.根据前述任意一项权利要求所述的热交换器，其中：润湿装置包括水传送装置，所述水传送装置适于沿热交换器大致竖直地运行，用于沿热交换器的空气传送面将水一次直接传送到全部通道的少量通道内。

9.根据权利要求8所述的热交换器，其中：所述水传送装置包括多个管，这些管具有在管中朝向空气传送面的狭槽，柱塞适于沿各个有狭槽的管上下横移，使得当水传送给各管的顶部内时，在各管内的柱塞的位置限定水从各管传送给热交换器的湿通道的位置。

10.根据权利要求9所述的热交换器，还包括：沿空气传送面的空腔空间或凹口，所述空腔空间或凹口成形为与有狭槽的管配合，从而容纳传送给热交换器通道的水。

11.根据权利要求8所述的热交换器，其中：润湿装置包括可竖直运动的水散布器，所述水散布器适于沿热交换器的空气传送面一次润湿全部通道中的少量通道。

12.根据权利要求11所述的热交换器，其中：在润湿循环的过程中，水散布器的竖直运动是连续的。

13.根据权利要求11或12所述的热交换器，其中：在润湿循环的过程中，水由水散布器连续地分配。

14.一种蒸发冷却器，具有如前述任意一项权利要求所述的逆流间接蒸发热交换器。

15.一种操作逆流间接蒸发热交换器的方法，所述逆流间接蒸发热交换器具有交替的基本水平的湿通道和干通道的竖直叠层，所述方法包括：在空气流过热交换器的过程中在通道接近干燥状态时每一次都循环地、纵伸地润湿全部通道中的少量通道。

16.一种逆流间接蒸发热交换器，基本如前面参考附图所述。

17.根据权利要求14所述的蒸发冷却器，基本如前面参考附图所述。

18.一种操作逆流间接蒸发热交换器的方法，所述逆流间接蒸发热交换器具有交替的基本水平的湿通道和干通道的竖直叠层，所述方法基本如前面参考附图所述。

Images