CN103492820A - 用于实施工作介质的交替的蒸发和冷凝过程的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于在同时设定作为蒸发和冷凝面的传热面上实施工作介质的交替的蒸发和冷凝过程的方法。该方法特征在于，在各由一个冷凝过程和一个蒸发过程构成的每个工作循环期间，在冷凝过程期间形成的工作介质冷凝物膜在现场持久地被存储在传热面上并且接着在蒸发过程期间被传热面蒸发。在设备方面，传热面（2）构成为用于工作介质冷凝物膜（6）的现场存储器，该冷凝物膜在冷凝过程期间保留在传热面上并且在蒸发过程期间蒸发、覆盖传热面以及不滴落。

Description

用于实施工作介质的交替的蒸发和冷凝过程的方法和设备
技术领域
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的用于实施工作介质的交替的蒸发和冷凝过程的方法和一种按照权利要求5前序部分所述的用于运行这种方法的设备。
背景技术
这种设备例如应用在空调技术中、特别是热的吸热泵或冷冻装置中。在这种装置中周期地吸取和解吸以冷却介质形式的工作介质。在此从气相转变到液态的紧密状态或者从液态的状态转变回到气相。在此被释放的凝结热向外面被排出或者必须从外面输送给该设备。
冷凝和蒸发表现虽然在热技术上是类似的，但是它们要求不同的前提条件以便获得良好的传热。这主要决定性地由通过工作介质膜传送热量来决定。膜厚越大，必须克服的传热阻力就越大。
在由现有技术已知的冷凝器和冷凝过程中因此形成的传热面膜通过合适的措施、特别是表面涂层或表面结构来去除。相反，在蒸发时尝试，在传热面上产生尽可能薄的膜。这种设备因此例如实施为落膜蒸发器或旋转蒸发器，在其中，工作介质分布得尽可能薄。
一方面在冷凝过程中膜的去除和另一方面在蒸发中形成薄的工作介质膜厚的必要性，阻碍用一个唯一的装置实施两个过程，或者阻碍两个过程之一在该装置内是优选的而另一个过程只以有限的效率进行。但是在其中不仅实施冷凝而且实施蒸发的组合式装置尤其是在吸收过程中是有极大兴趣的，如吸收过程在组合式装置中按加热和冷却技术实现，因为由此可以实现紧凑的和成本有利的热技术设备、特别是热泵或冷却机。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种用于在同时设定作为蒸发和冷凝面的传热面上实施工作介质的交替的蒸发和冷凝过程的方法，在该方法中不仅冷凝过程而且对于蒸发过程以相同的效率实施。此外目的是，创建一种用于交替地蒸发和冷凝工作介质的、紧凑的和高效地工作的设备。该设备应该特别是可应用在循环过程中，在该过程中，在同一个装置中蒸发和冷凝工作介质并且确保在两个过程阶段中尽可能高的效率。
该目的通过具有权利要求1特征部分特征的、用于实施工作介质的交替的蒸发和冷凝过程的方法来实现。诸从属权利要求包含按本发明方法的适宜的和/或有利的设计。关于设备方面，该目的是通过具有权利要求5特征部分特征的设备来实现的。诸从属权利要求同样包含该设备的适宜的和/或有利的实施形式。
一种用于在同时设定作为蒸发和冷凝面的传热面上实施交替的工作介质蒸发和冷凝过程的方法，其特征在于，在由一个冷凝过程和一个蒸发过程构成的每个工作循环期间，在冷凝过程期间形成的工作介质冷凝物膜持久地保留在传热面上并且接着在蒸发过程期间被传热面蒸发。
按本发明方法的构思因此是，把在冷凝期间形成的工作介质冷凝物膜保留在传热面上并且中间存储在那里。在蒸发期间，该冷凝物膜重新被转变为气相。由此达到两种效果。一方面，在冷凝中的传热只进行这样长，直至已经形成整个冷凝物膜。在该点上，工作介质完全凝结并且凝结结束。工作介质向传热面的传热由此只在低的程度上受到影响，因为在冷凝期间该膜还没有完全形成。另一方面，通过以冷凝物膜形式存储工作介质，似乎本身促使液态工作介质的对于蒸发过程有利的薄的和均匀的分布并且不必首先通过附加的设备或方法步骤来产生。总体上由此不仅冷凝过程而且蒸发过程以相同的效率在同一个传热面上实施并且可以无中间步骤地进行。
适宜的是，在工作介质的量与传热面的大小之间的比例设定为，至少使得冷凝物膜的厚度保持为小于临界膜厚度，在该临界膜厚度时冷凝物膜开始滴落。在这种状况下，整个工作介质在现场在传热面上凝结和存储。由此存储步骤和以后的分布步骤不再是必须的。同样取消了用于冷凝物的收集装置。传热面本身起存储位置的作用。
在该方法的另一实施形式中，在工作介质的量与传热面的大小之间的比例设定为，使得在冷凝物膜厚度最小的情况下达到传热面的基本上均匀的覆盖。这种实施结构保证尽可能高的蒸发过程效率和同时最大地利用传热面作为用于冷凝物的现场存储器。
在该方法的一种有利的设计中，通过吸湿地/展开地和/或加大表面地形成传热面来达到用冷凝物膜覆盖传热面。由此冷凝物膜均匀地扩展，其中，传热面的表面加大提高了其存储能力。
用于在同时设定作为蒸发和冷凝面的传热面上实施交替的工作介质蒸发和冷凝过程的设备，按照本发明，其特点在于，传热面构成为用于工作介质冷凝物膜的现场存储器，该冷凝物膜在冷凝过程期间保留在传热面上并且在蒸发过程期间蒸发、覆盖传热面以及不滴落。
适宜的是，在传热面的大小与转变为冷凝物膜的工作介质的量之间的比例设计为，使得冷凝物膜的厚度在基本上均匀地覆盖传热面的情况下最小。这尤其是提高蒸发过程的效率。
在一种适宜的实施形式中，传热面具有吸引工作介质的吸湿的和/或展开工作介质的表面涂层形式的表面改良结构。由此达到均质的和均匀的冷凝物膜。
在一种适宜的实施形式中，传热面具有加大表面的成型部。由此加大了传热面的存储能力。该加大表面的成型部在一种适宜的实施形式中构成为多孔的和/或纤维状的结构的形式。
附图说明
下面要借助实施例详细地阐述按本发明的设备和按本发明的方法。附图1至3用来加以说明。对于相同的或相同作用的部件使用相同的参考标记。附图如下：
图1示出示出按本发明的设备的原理构造；
图1a示出用于传热介质的带有多孔包覆体的示例性的管；
图2示出画有均衡膜的蒸发和冷凝过程的图解；
图3示出冷凝的工作介质的膜厚度在工作循环期间关于时间的示例性时间分布曲线。
具体实施方式
图1示出按本发明设备的原理构造。该设备包含在这里示意地示出的容器壁1，该容器壁围成由工作介质通流的容积。在容器壁的内部存在多重细分的传热面2，该传热面设置在蛇状弯曲地布设的导管2a上。该导管2a被载热介质通流，该载热介质导出工作介质的凝结热或者为工作介质输送所需要的蒸发热。
传热面在这里构成为各单个薄片的整体。这些薄片这样定向，使它们可以尽可能有效地被工作介质加载。它们形成尽可能大的表面。
传热面、亦即在这里使用的薄片，分别具有表面改良结构3。在这里存在的实例中，表面改良结构按不同的类型设计。但是清楚的是，在该设备的具体实现的实施形式中，可以只存在一种相应优选的和统一的表面改良结构设计。
表面改良结构在这里所示的实例中由展开的亲水的表面涂层4和一系列多孔的填充体或多孔的覆盖物构成，它们施加在传热面2上、亦即各单个的薄片上。在此，可以单独地设置亲水的涂层或多孔的覆盖物或者组合地设置。填充体或多孔的覆盖物可以用表面涂层4的材料浸渍或至少表面涂覆。多孔的覆盖物具有良好的导热性。它可以例如构成为金属海绵或金属泡沫的形式。使用沸石材料同样是可能的并且经常证明是有利的。代替海绵或泡沫也可以使用纤维垫、特别是钢丝绒或类似的材料。也可以采用管束、格栅、粒料、起皱的薄膜和类似的对于本领域技术人员已知的用来加大表面的手段。
也可能采用单个的多孔块体，它由导管2a穿过并且同样用亲水涂层浸渍或者至少表面设有该亲水涂层。
亲水的表面涂层4设计为，凝聚在该表面涂层上、也就是凝结在该表面涂层上的工作介质小液滴分散成封闭的膜，该膜覆盖整个传热面并且即使在冷凝过程结束之后也持久地保持在那里。为此，特别是使用亲水的材料，这些材料一方面是耐温度的并且另一方面确保尽可能小的、在理想情况下对于积聚的冷凝液滴是极小的接触角。
多孔的填充体确保加大的设备内表面。同亲水的装载物相结合，这些填充体如海绵那样起作用并且用作整个量的冷凝和蒸发的工作介质的冷凝物贮存器。
此外传热面的形状实施为，避免尖锐的角和棱，在它们上可能导致液体膜破裂和膜滴落。
图1a示出示例性的导管2a，在其中，管壁自身构成为多孔的覆盖体。但是该覆盖体对于管内容积是密封的，使得在内侧和外侧之间没有发生物质交换，而是仅仅发生传热。这种管可以通过把粒料烧结在薄壁的原始管上或者通过其他的涂层方法来制成。自然可以附加地存在亲水的涂层。
该设备装载工作介质在图1的视图中是通过方框箭头和侧面的输入及输出口5a表示的。在凝结中，气态的工作介质进入该设备中并且凝聚在传热面上。在此时，工作介质向传热面输出凝结热。在冷凝过程结束之后，整个工作介质沉积在传热面上作为薄的尽可能均匀的冷凝物膜。该冷凝物膜的厚度是通过工作介质的量和通过传热面的大小与具体运行的过程状态无关地调节为，使得冷凝物膜没有滴落并且通过吸附力保持粘附在传热面上。但是同时冷凝物膜是足够薄的，以便在蒸发时热量输入尽可能有效。传热面由此形成用于冷凝的工作介质的现场存储器。这意味着，工作介质没有转送至附加的贮存器，而是正好存储在该部位上，在该部位实际上发生冷凝或蒸发。
冷凝和蒸发过程的流程在图2中详细地示出。图3示出在传热面上沉积的工作介质液体膜的厚度的、属于该流程的时间分布曲线。
在图2左边示出蒸发过程，冷凝过程通过图2右边的分图表示。在工作介质的蒸发中，从外面经由容器壁1输入足够量的蒸发热Qv。该蒸发热把位于表面涂层4上的工作介质量的至少一部分转变为蒸气相。通常蒸发实施为，使得工作介质被传热面完全转化为蒸气相。
冷凝过程对应于蒸发过程的逆反。蒸汽状的工作介质从气相凝聚在传热面上并且在那里输出凝结热Qk。在此时，在表面涂层4上重新形成表面膜。
图3示出在传热面上存在的表面膜厚度的与之相关的时间分布曲线。在冷凝过程期间，表面膜持续地增长并且最终达到工作介质冷凝物膜的最大膜厚度Dmax。在工作介质完全冷凝于传热面上的情况下，该膜厚度Dmax基本上只通过工作介质总体积与可供使用传热面的大小的比例确定。在位于过程中的工作介质的总体积Vges和具有有效表面积Aeff的传热面的情况下，对于膜厚度Dmax近似地适用简单的关系式：Dmax＝Vges/Aeff。随着达到Dmax，冷凝过程达到绝对结束并且整个工作介质量现在已经凝聚在冷凝物膜中。工作介质然后完全和在现场存储在传热面上。
在随后的蒸发过程中，冷凝物膜重新消散。工作介质重新转变为气相，使得在一定的时间之后表面膜的厚度降低到数值D0。在工作介质完全蒸发时D0＝0。表面膜在这种情况下完全消失并且蒸发过程已经达到其绝对结束。
只要冷凝过程和蒸发过程完全进行，在传热面上沉积的工作介质液体层在时间上在数值D0与最大膜厚度Dmax之间波动。这两个值由此形成所存储的液体膜的厚度的绝对极限值，在工作循环中在不同时间上周期地达到这些极限值。
因为冷凝物膜只有在冷凝过程结束时才达到其完全的膜厚度Dmax，在冷凝过程期间对传热面的传热自身基本上没有受到阻碍。已表明，在冷凝时及在蒸发时对于在容器中的气相与传热面之间热输送的接触阻力具有基本上相同的值。由此，两个过程原则上以相同的效率进行。
前述的过程步骤作为在本设备中运行的极限过程，该极限过程具有一定的调节宽度。通过不同类型的过程控制，由此可以在预定的在D0与Dmax之间的范围内改变在工作周期期间达到的膜厚度。在此，特别是能够在蒸发过程中不把整个液体膜转变为气相，而是把蒸发过程设计为，使得最终的残余膜厚度DRest保留在传热面上。这种情况特别是在蒸发过程提前结束时出现。
同样冷凝过程可以这样进行，使得在冷凝过程结束之后没有出现最大膜厚度的DMax而是出现较小的沉积厚度DK。这种过程状态形成这样的可能性，即补偿在本设备与环境热接触时热负荷内部的一定波动或者有针对性地调节与本设备耦联的热力学过程的运行状态。
借助实施例详细地阐述了本设备和方法流程。在本领域技术人员的能力范围内可以实现其他的实施形式。这些实施形式特别是从诸从属权利要求得出。
附图标记列表
1     容器和装置壁
2     传热面
2a    导管
3     表面改良结构
4     亲水的表面涂层
5     多孔的填充体、多孔的覆盖物
5a    工作介质的输入和输出口
6     表面膜
QK    凝结热
Qv    蒸发热
Dmax  最大膜厚度
D0    最小膜厚度
DRest 残余膜厚度
DK    沉积厚度

Claims (9)

1.用于在同时设定作为蒸发和冷凝面的传热面上实施工作介质的交替的蒸发和冷凝过程的方法，其特征在于，在由一个冷凝过程和一个蒸发过程构成的每个工作循环期间，在冷凝过程期间形成的工作介质冷凝物膜在现场持久地被存储在传热面上并且接着在蒸发过程期间被传热面蒸发。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，在工作介质的量与传热面的大小之间的比例设定为，至少使得冷凝物膜的厚度小于临界膜厚度，在该临界膜厚度的情况下冷凝物膜开始滴落。
3.按照权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在工作介质的量与传热面的大小之间的比例设定为，使得达到传热面的基本上均匀的覆盖，在此情况下冷凝物膜厚度最小。
4.按照上述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过吸湿地/展开地和/或加大表面地形成传热面来达到用冷凝物膜进行覆盖。
5.用于在同时设定作为蒸发和冷凝面的传热面（2）上实施工作介质的交替的蒸发和冷凝过程的设备，其特征在于，传热面（2）构成为用于工作介质冷凝物膜（6）的现场存储器，该冷凝物膜在冷凝过程期间保留在传热面上并且在蒸发过程期间蒸发、覆盖传热面以及不滴落。
6.按照权利要求5所述的设备，其特征在于，在传热面（2）的大小与转变为冷凝物膜的工作介质的量之间的比例设定为，使得冷凝物膜的厚度在基本上均匀地覆盖传热面的情况下最小。
7.按照权利要求5或6所述的设备，其特征在于，传热面具有表面改良结构（3），所述表面改良结构的形式为吸引工作介质的吸湿的和/或展开工作介质的表面涂层（4）。
8.按照上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，传热面具有加大表面的成型部。
9.按照上述权利要求之一所述的设备，其特征在于，加大表面的成型部构成为多孔的和/或纤维状的结构（5）的形式。
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