CN102767877B - 自冷式多级蒸发制冷的系统及其制冷方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自冷式多级蒸发制冷的方法，属于空气调节、节能环保领域。本发明将多级间接蒸发与直接蒸发过程复合叠加在一起，送风温度渐进降低，直至达到设计状态；使蒸发冷却效率大幅提高，送风温度低于初始湿球温度趋向初始空气露点温度；其制冷能效比高达40kw/kw,多级间接蒸发湿球效率可达到110%；多级复合蒸发湿球效率可达到130%根据使用需求不同，可以调整送风为完全不加湿或少量加湿。有效避免了单一直接蒸发冷却技术中大量加湿难题。为蒸发制冷领域提供一种能源循环可再生的节能环保制冷新途径。

Description

自冷式多级蒸发制冷的系统及其制冷方法

技术领域

本发明专利属于空气调节、节能环保领域，尤其是涉及一种自冷式多级蒸发制冷的系统及方法。

背景技术

现有的直接蒸发冷却技术，普遍存在冷却效率低、送风温度湿球效率低、大量加湿等缺陷。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种自冷式多级蒸发制冷的系统及其制冷方法，可以将多级间接蒸发与直接蒸发过程复合叠加在一起，使送风温度渐进降低，直至达到设计状态、蒸发冷却效率大幅提高、可以调整送风为完全不加湿或少量加湿，有效避免了单一直接蒸发冷却技术中大量加湿难题。

本发明是这样实现的：一种自冷式多级蒸发制冷的系统，其特征在于：包括多级间接蒸发体、多级直接蒸发体和冷媒蒸发吸热装置，所述多级间接蒸发体由两级以上的间接蒸发干通道组成，所述多级直接蒸发体由与间接蒸发干通道相对应数量的湿通道组成，所述干通道与湿通道之间通过节流孔相连，所述的多级间接蒸发干通道依次排列，下一级的干通道与前几级所有的湿通道的流动方向相邻交叉设置。

所述干通道与湿通道由多层的间壁和导向骨架组成，所述间壁至少设有三层，导向骨架安装在间壁之间，最下层和中间层的间壁与导向骨架组成各级的干通道，中间层和最上层的间壁与导向骨架组成各级的湿通道，各级的干通道与湿通道之间通过设于通道间壁上的节流孔相连，所述第一级干通道为通过导向骨架封闭围成的单向通道，所述其他各级的干通道依次并排设在上一级干通道的旁边，所述各级的干通道其一端为进气口，各节流孔分别设在其另一端的顶部间壁上，所述各级的干通道所对应的湿通道也是通过导向骨架封闭围成的单向通道，其一端连接各节流孔，其另一端为出气口上。

所述第一级干通道为直线型通道，所述其它各级干通道均为依次紧靠上一级干通道侧边排列的L型通道，所述各节流孔均位于第一级干通道的流动方向延长线上直线排列。

所述湿通道与干通道呈直角排列。

所述冷媒蒸发吸热装置采用设置于湿通道内壁上用于保持湿通道内壁足够湿润的水冷装置。

根据上述一种自冷式多级蒸发制冷的系统的制冷方法，其特征在于包括以下步骤： 

a. 间接蒸发过程，具体为：

不饱和空气流I进入第一级间接蒸发干通道中，沿流动方向流动；先被干通道的间壁另一侧的湿通道内流动的变异气流Ib交叉流动换热，然后再与逆向流动的变异气流Ib逆流换热；该过程连续进行，实现对湿通道、干通道中空气流同步冷却；

不饱和空气流II进入下一级间接蒸发干通道中，沿流动方向流动；先被其前一级干通道的间壁另一侧湿通道内流动的变异气流Ib交叉流动换热，再被干通道的间壁另一侧湿通道内流动的变异气流IIb交叉流动换热，然后再与逆向流动的变异气流IIb逆流换热；

不饱和空气流III进入再下级间接蒸发干通道中，沿流动方向流动；先后被其前两级干通道的间壁另一侧湿通道内流动的变异气流Ib、IIb交叉流动换热，再被干通道的间壁另一侧湿通道内流动的变异气流IIIb交叉流动换热然，之后再与逆向流动的变异气流III b逆流换热；

不饱和空气流不断重复上述间接蒸发过程，实现对湿通道、干通道中空气流同步冷却；

b.逆流换热过程；

经过间接蒸发冷却过程后的不饱和空气通过间壁上设置的节流孔转到直接蒸发的湿通道中，依次被加湿，不同程度饱和或接近饱和，温度进一步降低降低，并沿湿通道导引架流动，湿通道与湿通道壁相邻的干通道之间形成温度差，热量从相对高温的干通道向相对低温的湿通道侧传递，热量的传递维持了湿通道侧直接蒸发连续进行；随着湿通道中变异气流不断被加湿，湿通道湿润的内壁上水份连续汽化、不断减少，在此过程中水冷装置向湿通道壁不断补充水，保持湿通道内壁足够湿润；

c.产出流体P按设定路径流动，依次被各变异气流Ib、IIb、IIIb冷却，显热依次转移到Ib、IIb、IIIb 中，然后送往设定空间，形成完全不加湿的自冷式多级间接蒸发制冷；

    或者也可根据需要将低温低湿的各变异气流Ib、IIb、IIIb的全部或其中的一部分直接作为产出流体形成少量加湿的自冷式多级复合蒸发制冷。

本发明的优点在于将多级间接蒸发与直接蒸发过程复合叠加在一起，送风温度渐进降低，直至达到设计状态。可以使蒸发冷却效率大幅提高，送风温度低于初始湿球温度趋向初始空气露点温度；其制冷能效比高达40kw/kw，多级间接蒸发湿球效率可达到110%；多级复合蒸发湿球效率可达到130%；根据使用需求不同，可以调整送风为完全不加湿或少量加湿。有效避免了单一直接蒸发冷却技术中大量加湿难题。为蒸发制冷领域提供一种能源循环可再生的节能环保制冷新途径。

附图说明

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。

图1是完全不加湿的自冷式多级间接蒸发制冷的原理示意图。

图 2 是少量加湿的自冷式多级复合蒸发制冷的原理示意图。

图3 是本发明所述的自冷式多级蒸发制冷的系统的最简化结构的示意图。

图4是自冷式多级蒸发制冷系统中的干、湿通道壁及节流孔相互配合的结构示意图。

图5是本发明所述的自冷式多级蒸发制冷的系统的另一实施例的结构示意图。

图例注释：I、II、III、IV----分级的原始工作气流；

Ib、IIb、IIIb 、IVb ----由原始气流变化形成的变异工作气流；

W----制冷剂（水）；

P----产出流体（可以是气体，也可以是液体等被冷介质）。

具体实施方式

请参阅图1至图4，是本发明所述的自冷式多级蒸发制冷的系统原理及结构示意图，包括多级间接蒸发体1、多级直接蒸发体2和冷媒蒸发吸热装置3，所述多级间接蒸发体1由两级以上的间接蒸发干通道11组成，所述多级直接蒸发体1由与间接蒸发干通道11相对应数量的湿通道21组成，所述干通道11与湿通道21之间通过节流孔12相连，所述的多级间接蒸发干通道11依次排列，下一级的干通道与前几级所有的湿通道的流动方向相邻交叉设置。

所述干通道11与湿通道21由多层的间壁13和导向骨14架组成，所述间壁13至少设有三层，导向骨架14安装在各间壁13之间，最下层和中间层的间壁13与导向骨架14组成各级的干通道11，中间层和最上层的间壁13与导向骨架14组成各级的湿通道21，各级的干通道11与湿通道21之间通过设于通道间壁上的节流孔12相连，所述第一级干通道为通过导向骨架封闭围成的单向通道，所述其他各级的干通道依次并排设在上一级干通道的旁边，所述各级的干通道其一端为进气口，各节流孔分别设在其另一端的顶部间壁上，所述各级的干通道所对应的湿通道也是通过导向骨架封闭围成的单向通道，其一端连接各节流孔，其另一端为出气口上。

所述第一级干通道为直线型通道，所述其它各级干通道均为依次紧靠上一级干通道侧边排列的L型通道，所述各节流孔均位于第一级干通道的流动方向延长线上直线排列。

所述湿通道与干通道呈直角排列。

所述冷媒蒸发吸热装置3采用设置于湿通道内壁上用于保持湿通道内壁足够湿润的水冷装置W。

以图1所示被冷介质是空气为例，以四级的多级蒸发构成。其具体的工作过程，分多级间接蒸发过程、多级直接蒸发过程、冷媒—水蒸发吸热工作过程，其工作原理分述如下：

多级间接蒸发过程：

不饱和空气流I进入第一级间接蒸发干通道中，沿导向方向流动。先被干通道另一侧湿通道内流动的冷湿气流Ib交叉流动换热，然后再与逆向流动的湿度不断增加的冷湿气流Ib逆流换热。（湿通道内变异气流Ib被不断连续加湿、温度不断降低）含湿量不变，干球温度、湿球温度同时降低，焓值降低。之后I通过间壁端部开启的节流孔（见图3）进入湿通道，被湿通道中不断补充的水饱和加湿，温度降低，形成Ib；Ib沿湿通道首先与通道壁另一侧干通道中I逆向换热，然后依次与其后的各级气流II、III、IV等交叉换热，不断吸收I、II、III、IV等的热量，并被不断加湿。最终排出。

本过程是传热不传质的热量转移过程。热量转移的结果是干通道中的不饱和气流I连续不断被冷却，焓值降低。而湿通道中的变异气流Ib被不断连续加湿、温度降低。该过程连续进行，实现对湿通道、干通道中空气流同步冷却（但温度不一定相等）。

   干通道和湿通道由间壁隔开（图3），保证不饱和空气流I和变异气流Ib完全独立流动，相互之间各自密封分开。只有热交换，没有质交换，也就是传热不传质。

完成对不饱和空气流I冷却工作的变异气流Ib，依次对其后的不饱和空气流II、III、III等多级不饱和空气流进行交叉换热冷却，冷量充分重复利用。

不饱和空气流II进入第二级间接蒸发干通道中，沿流动方向流动。先被其前一级干通道另一侧湿通道内流动的变异气流Ib交叉流动换热，再被干通道另一侧湿通道内流动的变异气流IIb交叉流动换热然，之后再与逆向流动的变异气流IIb逆流换热。含湿量不变，干球温度、湿球温度同时降低，焓值降低。

不饱和空气流III进入第三级间接蒸发干通道中，沿流动方向流动。先后被其前两级干通道另一侧湿通道内流动的变异气流Ib、IIb交叉流动换热，再被干通道另一侧湿通道内流动的变异气流IIIb交叉流动换热然，之后再与逆向流动的变异气流IIIb逆流换热。含湿量不变，干球温度、湿球温度同时降低，焓值降低。

不饱和空气流III进入第四级间接蒸发干通道中，沿流动方向流动。先后被其前三级干通道另一侧湿通道内流动的变异气流Ib、IIb、IIIb交叉流动换热，再被干通道另一侧湿通道内流动的变异气流IIIb交叉流动换热然，之后再与逆向流动的变异气流IIIb逆流换热。含湿量不变，干球温度、湿球温度同时降低，焓值进一步降低。

间接蒸发的过程是由两级以上的多级上述蒸发过程组成，而且多级蒸发分前后顺序，分级的原则是前一级先将自身冷却，然后将其后的所有级依次冷却（见图1）。

其规律是：用空气焓值衡量，前级空气焓值高，后级空气焓值低；第一级空气焓值最高，最末级空气焓值最低。

被冷流体P依次被冷。被冷过程中只有热交换，没有质转移。

多级直接蒸发过程：

被间接蒸发冷却的不饱和空气，干、湿球温度降低，干球温度接近初始状态的湿球温度，部分低于初始状态湿球温度，但含湿量没有变化。然后通过间壁上设置的节流窗转到直接蒸发的湿通道中，依次被加湿，不同程度饱和或接近饱和，温度进一步降低降低，并沿湿通道导引架流动，湿通道与湿通道壁相邻的干通道之间形成温度差，热量从相对高温的干通道向相对低温的湿通道侧传递，热量的传递维持了湿通道侧直接蒸发连续进行，冷媒--水不断补充。

冷媒—水蒸发吸热工作过程：

随着热量不断传递，水汽化连续进行，水份不断减少，为维持通过以水汽化为主要特征的直接蒸发连续进行，根据需求，作为冷媒的水，从外界被加压后补充。此过程重复进行。

产出流体P被冷却过程：

产出流体P按设定路径流动，以此被Ib、IIb、IIIb 、IIIb冷却，显热依次转移到Ib、IIb、IIIb 、IIIb中，然后送往设定空间。此种方式为完全不加湿的多级间接蒸发制冷。

根据需要，低温低湿的Ib、IIb、IIIb 、IIIb全部或其中的一部分也可直接作为产出流体。此种方式为少量加湿的多级复合蒸发制冷。

如图5所示，是本发明所述的本发明所述的自冷式多级蒸发制冷的系统的另一实施例的结构示意图，图中主要是采用多个自冷式多级蒸发制冷的系统的最简化结构的组合而成一个复合式的系统，可以更大地增大蒸发制冷的效率。

Claims (5)

1.一种自冷式多级蒸发制冷的系统，其特征在于：包括多级间接蒸发体、多级直接蒸发体和冷媒蒸发吸热装置，所述多级间接蒸发体由两级以上的间接蒸发干通道组成，所述多级直接蒸发体由与间接蒸发干通道相对应数量的湿通道组成，所述干通道与湿通道之间通过节流孔相连，所述的多级间接蒸发干通道依次并排列，下一级的干通道与前几级所有的湿通道的流动方向相邻交叉设置；所述第一级干通道为直线型通道，所述其它各级干通道均为依次紧靠上一级干通道侧边排列的L型通道，所述各节流孔均位于第一级干通道的流动方向延长线上直线排列。

2.根据权利要求1所述的自冷式多级蒸发制冷的系统，其特征在于：所述干通道与湿通道由多层的间壁和导向骨架组成，所述间壁至少设有三层，导向骨架安装在间壁之间，最下层和中间层的间壁与导向骨架组成各级的干通道，中间层和最上层的间壁与导向骨架组成各级的湿通道，各级的干通道与湿通道之间通过设于通道间壁上的节流孔相连，所述第一级干通道为通过导向骨架封闭围成的单向通道，所述其他各级的干通道依次并排设在上一级干通道的旁边，所述各级的干通道其一端为进气口，各节流孔分别设在其另一端的顶部间壁上，所述各级的干通道所对应的湿通道也是通过导向骨架封闭围成的单向通道，其一端连接各节流孔，其另一端为出气口上。

3.根据权利要求1所述的自冷式多级蒸发制冷的系统，其特征在于：所述湿通道与干通道呈直角排列。

4.根据权利要求3所述的自冷式多级蒸发制冷的系统，其特征在于：所述冷媒蒸发吸热装置采用设置于湿通道内壁上用于保持湿通道内壁足够湿润的水冷装置。

5.根据权利要求1所述的一种自冷式多级蒸发制冷的系统的制冷方法，其特征在于包括以下步骤：

a.间接蒸发过程，具体为：

不饱和空气流(I)进入第一级间接蒸发干通道中，沿流动方向流动；先被干通道的间壁另一侧的湿通道内流动的变异气流(Ib)交叉流动换热，然后再与逆向流动的变异气流(Ib)逆流换热；该过程连续进行，实现对湿通道、干通道中空气流同步冷却；

不饱和空气流(II)进入下一级间接蒸发干通道中，沿流动方向流动；先被其前一级干通道的间壁另一侧湿通道内流动的变异气流(Ib)交叉流动换热，再被干通道的间壁另一侧湿通道内流动的变异气流(IIb)交叉流动换热，然后再与逆向流动的变异气流(IIb)逆流换热；

不饱和空气流(III)进入再下级间接蒸发干通道中，沿流动方向流动；先后被其前两级干通道的间壁另一侧湿通道内流动的变异气流(Ib、IIb)交叉流动换热，再被干通道的间壁另一侧湿通道内流动的变异气流(IIIb)交叉流动换热，然后再与逆向流动的变异气流(IIIb)逆流换热；

不饱和空气流不断重复上述间接蒸发过程，实现对湿通道、干通道中空气流同步冷却；

b.逆流换热过程；

经过间接蒸发冷却过程后的不饱和空气通过间壁上设置的节流孔转到直接蒸发的湿通道中，依次被加湿，不同程度饱和或接近饱和，温度进一步降低降低，并沿湿通道导引架流动，湿通道与湿通道壁相邻的干通道之间形成温度差，热量从相对高温的干通道向相对低温的湿通道侧传递，热量的传递维持了湿通道侧直接蒸发连续进行；随着湿通道中变异气流不断被加湿，湿通道湿润的内壁上水份连续汽化、不断减少，在此过程中水冷装置向湿通道壁不断补充水，保持湿通道内壁足够湿润；

c.产出流体(P)按设定路径流动，依次被各变异气流(Ib、IIb、IIIb)冷却，显热依次转移到(Ib、IIb、IIIb)中，然后送往设定空间，形成完全不加湿的自冷式多级间接蒸发制冷；或者也可根据需要将低温低湿的各变异气流(Ib、IIb、IIIb)的全部或其中的一部分直接作为产出流体形成少量加湿的自冷式多级复合蒸发制冷。