CN103958995B - 用于液态干燥剂空气调节器的热量和质量交换器 - Google Patents

用于液态干燥剂空气调节器的热量和质量交换器 Download PDF

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Abstract

一种用于在气流(16)、液态干燥剂(26)和制冷剂之间交换热量和质量的热量和质量交换器，包括一个或多个辊压接合板(10)。每个辊压接合板具有至少一个内部通道(18)，所述通道大致位于相应的辊压接合板的平面中。在使用中，使制冷剂流过辊压接合板的内部通道。用于液态干燥剂的一个或多个流动区域(14)被限定在辊压接合板的外表面的至少一部分上。在操作中，气流(16)与被液态干燥剂(26)的流润湿的大的区域接触，提供来自空气的热量和来自空气中携带的水蒸汽的潜热至干燥剂的有效传递。同时，在辊压接合板(10)的内部通道(18)中流动的制冷剂连续地冷却干燥剂。

Description

用于液态干燥剂空气调节器的热量和质量交换器
技术领域
本发明涉及热量和质量交换器，并且更具体地，涉及用于从空调空间提取显热和潜热的热量和质量交换器。
背景技术
传统的蒸汽压缩空气调节器通过被维持在露点温度以下的蒸发器表面上的冷凝从空气提取潜热(水蒸汽)。这种传统方法的主要问题在于，潜热去除、除湿由蒸发器温度控制，并且因此不能在独立于恒温器调节的空气温度的情况下被控制。在潜热载荷高的高湿度环境中，湿度对恒温器温度的依赖性导致经调节空气中存在不舒适的、高的相对湿度，由于内壁上的冷凝物和霉菌(mould)的积聚，而对用户的直接舒适性和长期健康产生不利影响。而且，与期望的出口湿气含量相对应地将空气冷却至露点温度的要求或者需要″过加热″和重新加热空气，或者需要在空气高效混合的情况下以低的流量供给空气，从而在整个房间内实现舒适的空气条件；这两种方法在热力学上是无效率的。
干燥剂能够从高于露点的温度下从气流中吸收水蒸汽。可以通过调节被称为″再生″或″解吸″的干燥剂干燥条件从而独立于温度控制吸收率。液态干燥剂具有能够以液态将吸收的湿气运送至空调空间之外的、能够执行再生的″散热器″的优点。这种功能对于今天占据市场主流的分体式空气调节器来说是非常有利的。该发明的目标是提供一种紧凑的、重量轻的并且成本有效的空气-干燥剂-制冷剂混合器，其能够连续地冷却低流量的诸如氯化锂溶液之类的腐蚀性液态干燥剂，产生比现有液态干燥剂蒸汽压缩空气调节(LDVCAC)系统更高的蒸发压力，并且因此在运转循环中产生更高的性能系数(COP)。
US 2122012(Smith)描述了一种空气调节器，其中吸湿性液体(干燥剂)由蒸发制冷剂预先冷却，使得它随后能够从室内气流中吸收水蒸汽。通过冷凝制冷剂释放出来的热量被用于加热液态干燥剂，液态干燥剂随后接着暴露于干燥或″再生″干燥剂的室外气流，将它的浓缩物返回至第一状态。在吸收装置中，干燥剂被分配至多个直立的、大致平行的板的顶部，并且干燥剂以薄膜形式下落，因此将大的表面区域暴露至空气。
各种LDVCAC专利，包括但不限于US 4259849(Griffiths)、US6976365(Drykor)、US7360375(CRF)和来自Advantix、Kathabar和American Genius Corporation的商用系统，遵循在US 2122012中提出的基本方法，其中干燥剂被预先冷却并且被允许在吸收其期间获得显热。在这些系统中，干燥剂流量必须高，以使整个吸收器范围内的干燥剂温度增加最小化。在这种高流量下，气流中的干燥剂液体形成和后续转移需要相当多地过滤已有空气，导致高的压力损失。此外，高的流量需要大的内部热交换器来回收稀释的干燥剂流和浓缩的干燥剂流之间的热量。
虽然前文所述的专利通过利用预先冷却的干燥剂通过隔热质量交换器吸收湿气，但在现有技术中可以发现质量交换器被冷却以便于改善质量转移的各种示例；这种交换器在本文中称为热量和质量交换器(HMX)。
US 5022241(Wilkinson)描述了具有气冷HMX的液态干燥剂空气调节器。预先冷却的过程空气水平低移动通过交替的通道，而经调节空气垂直移动越过下落的液态干燥剂膜。在该发明中，过程空气通过蒸发冷却器中的增湿被切实地冷却。过程空气必须足够干燥以使得通过干燥剂吸收产生的所有热量都能够作为潜热在排出的过程气流中被带走。因此这种系统不适合潮湿气候。
在US 6745826 B2(Lowenstein)、WO 03/019081 A1(Lavemann)和WO10/89315 A2(Krause)中已经提出了用于液态干燥剂系统的水冷式热量和质量交换器。在所有情况中，交换器整体上由具有多个挤出式冷却剂通道的聚合物构成。这些发明具有制造简单、成本低、并且耐腐蚀性干燥剂的优点，但由于材料的疏水特性，需要结构化或带涂层的表面以能够良好的润湿。水由于它在大气压力处的沸点高而与诸如R410a之类的制冷剂相比作为冷却剂是不实际的。因此这种水基冷却系统限于单相使用，单向使用进入冷却剂的最低温度限制到可以通过采用冷却塔或辅助冷却器实现的温度。这种对辅助冷却设备的依赖性使得水对于小型空气调节(AC)系统而言不是最佳的冷却剂。
US 4819444(Meckler)是描述由蒸发制冷剂冷却的HMX的第一个专利，从而实现类似于US 2122012的LDVCAC系统，其中在吸收期间从干燥剂向制冷剂提取热量，以在干燥剂的″再生″期间被从冷凝的制冷剂中排出。虽然US 4819444未公开可以如何设计这种空气-干燥剂-制冷剂混合器，但US 4941324(Howell&Peterson)描述了非常类似的LDVCAC系统，并且进一步提出使用带有散热片的管式蒸发器用作HMX。在这种系统中，管水平地铺设，散热片垂直于管安装，并且所有部件优选是金属的。在文献中被多次认可氯化锂溶液对于大多数应用来说是最适合的液态干燥剂然而，它的高腐蚀导致其在与金属的热量和质量交换器一起使用时将产生问题。在US 4941324中，提出了使用非金属散热片，用于与氯化锂溶液兼容，但详细设计或可能的性能未被公开。
WO 94/00724(Lavemann)描述了类似的带有散热片的管状HMX，但试图通过限制干燥剂仅接触制冷剂管来解决腐蚀问题。为了在管表面上实现均匀的润湿，提出了一种吸水表面装置。这种方案在干燥剂从上部管移动至下部管时遇到液滴形成的问题，并且只有相对小的、昂贵的表面区域可用于从干燥剂向空气的质量转移。这两个问题都使这个方案不适合小型AC装置。
US 7269966 B2(Lowenstein)描述了用于LDVCAC系统的带有散热片的管状HMX的进一步改进。在该发明中，干燥剂主要流过由水平制冷剂管中断的垂直密集堆聚的聚合物膜散热片的堆栈，如图10中示意性地示出的那样。该设计能够实现非常大的质量转移区域，但是，与WO 94/00724一样，它依赖于非常小的面积将热量传递至制冷剂，并且因此在干燥剂在下落的同时获取显热时穿过管壁和在管之间都施加高的热梯度。由于提出使用铜镍或纯铜管以及由含有阻蚀剂的37％氯化锂溶液构成的液态干燥剂LIMIT 301，因此该发明的材料成本也相对高。根本上，US 7269966 B2解决了将氯化锂溶液与HMX一起使用的困难，但代价是与其它LDVCAC系统相比降低了蒸发温度，因此与传统的AC相比仅提供可忽略的COP改进。
发明内容
技术问题
现有技术缺少在高潜热条件下的高效的空气调节方案，这种方案在成本和尺寸方面都类似于家用的(即低于5kW冷却能力)的传统的蒸汽压缩空气调节器。已有的发明和商用LDVCAC产品依赖于i)挥发性干燥剂，其对于间歇使用来说是不经济的；ii)辅助水冷却器的可获得性，其在大多数住宅房地产中是不实际的；iii)或接近或低于露点的蒸发温度，这种蒸发温度相对于传统的AC系统仅能产生可忽略的效率好处。
技术方案
本发明提供了一种用于在气流、液态干燥剂和制冷剂之间交换热量和质量的热量和质量交换器，该交换器包括：
一个或多个辊压接合板，所述或每个辊压接合板(roll-bond plate)具有至少一个内部通道，所述通道大致位于相应板的平面中；
用于液态干燥剂的一个或多个流动区域，所述一个或多个流动区域被限定在辊压接合板的外表面的至少一部分上；和
用于使制冷剂流过辊压接合板的内部通道的装置。
发明的有益效果
本发明通过在高于现有技术可行温度的蒸发温度下使高效液态干燥剂(诸如氯化锂溶液)的使用更加便利，从而对现有技术加以改进。这使得同时具有高耐蚀性且在制冷剂和干燥剂之间具有非常低的热阻的本发明的热量和质量交换器(HMX)是可行的，其中该HMX结合有专门涂敷的辊压接合热交换器。更高的蒸发温度减小了单位压缩功，因此提高热力学效率。
附图说明
启用相似的附图标记指示相似的部件的下述附图用于说明本发明的实施例，并且不意图限制如由形成本申请的一部分的权利要求构成的本发明。
图1a是根据本发明的第一实施例的调节器形式的热量和质量交换器(HMX)板的透视图。
图1b是形成根据本发明的第一实施例的调节器的多个HMX板的截面透视图。
图1c是沿干燥剂流动方向的图1b的热量和质量交换器的截面透视图，图示了相邻的热量和质量交换器板之间的水平偏移的制冷剂沟槽，以用于产生蜿蜒的过程气流。
图2是根据本发明的第二实施例的逆流式HMX的图示，其中过程气流向上移动，与干燥剂的流动相反。
图3是根据本发明的第三实施例的HMX的图示，其中所述板是弯曲的。
图4是根据本发明的第四实施例的调节器形式的逆流式热量和质量交换器和轴向排气风扇的透视图。
图5a是根据本发明的第五实施例的热量和质量交换器的截面透视图，在制冷剂沟槽之间具有穿过所述板的间隙。
图5b是根据本发明的第五实施例的未被涂敷但在中心间隙附近具有变形边缘的热量和质量交换器的截面透视图。
图6是根据本发明的第六实施例的具有可变进气孔的调节器形式的热量和质量交换器的透视图。
图7a是根据本发明的第七实施例的调节器形式的热量和质量交换器的透视图。
图7b是图7a的热量和质量交换器的截面透视图。
图8是根据本发明的第八实施例的调节器形式的热量和质量交换器的透视图，仅示出了调节板和液体分配器。
图9是用于根据本发明的第九实施例的调节器的单个热量和质量交换器板的侧面正视图。
图10是如在US 7269966 B2中描述的LDVCAC吸收器形式的传统热量和质量交换器的透视图。
具体实施方式
本发明涉及用在液态干燥剂空气调节中的热量和质量交换器。本发明的HMX耐腐蚀性液态干燥剂，在制冷剂和干燥剂之间具有非常低的热阻，并被设计成用于使液滴在干燥剂流中的形成最小化。
本发明将被描述为应用于液态干燥剂蒸汽压缩空气调节器(LDVCAC)的调节器，但是本发明也可以用于所述系统的干燥剂再生器。本发明的HMX可以结合到多种类型的LDVCAC装置中，这些装置包括但不限于，单分体式装置、多分体式装置，空气调节装置、除湿器和空气源热泵。在后一种应用中，LDVCAC装置可以用来减缓霜的积聚，并且因此减少或避免对除霜循环的需求。
本发明的热量和质量交换器非常适合大规模生产工艺并且需要最少程度的维护。
示例1
图1a示出由辊压接合板10构成的热量和质量交换器，辊压接合板10具有一表面14，该表面能够在其上支撑液态干燥剂26的流同时与气流16接触，其中液态干燥剂能够改变空气的水蒸汽含量。可选地，液态干燥剂在辊压接合板的两个主表面上流动。每个HMX板由封闭沟槽18构成，封闭沟槽18延伸穿过板表面的大部分，将制冷剂流体从进入管20输送至排出管22。进入管20可以包括毛细管或膨胀阀或具有与排出管22相同的内径。沟槽路径18使得制冷剂能够从每个板的干燥剂润湿表面14提取热量，其中从干燥剂至制冷剂的平均热阻小于1.7×10-3Km2/W。辊压接合板优选地由铝合金制成，但也可以由具有足够高的热导率和抗拉强度的任何其它材料制成。每个HMX板10的所有外表面，除制冷剂进入管和排出管20和22之外，都用无针孔涂层12处理，该图层具有不大于250微米的厚度且是对40％浓度(以质量计)氯化锂水溶液有耐受性的环氧树脂材料。可替换地，涂层12可以包括代替环氧树脂材料的瓷釉、酚醛树脂、聚亚安酯或阳极氧化材料。此外，涂层不限于单层材料，而且可替换地可以包括两层或多层不同材料(可选地，每种材料都是从上述材料选择的)。合适的涂层的一个示例包括由聚亚安酯外涂层覆盖的铬酸盐钝化的环氧树脂底层。
每个板14的每个面的至少一部分随后被进一步处理以使得它更亲水，从而0.5-1.0升/m2/小时的工作干燥剂流量将完全润湿所限定的区域。这可以通过用非常亲水材料的涂敷来实现，通过湿度亲水的材料中制成微结构化表面来实现，或者通过将干燥剂约束在可透蒸汽的隔膜的后面来实现。通过聚集聚合物或金属纤维，通过使用微沟槽，或者通过将多孔性织物涂敷至所述表面，可以以宏观尺度制造这种微结构。可替换地，通过专有的表面处理工艺，可以制造纳米级的亲水结构。也可以采用上述方法的任意组合，来实现低干燥剂流量下的均匀润湿。亲水涂层必须是耐蚀性的并防止液滴的积聚。申请人已经观察到，0.5mm尼龙纤维的聚集(flocked)表面在充满液态干燥剂时，以所述的工作干燥剂流量提供足够的表面润湿。
如图1b所示，吸收器包括多个HMX板10并且操作以允许过程气流16以与被液态干燥剂26流润湿的大面积接触的方式通过。过程空气由风扇强制大致水平地越过吸收器的所述板并在吸收器的所述板之间通过。空气与干燥剂的接触便于：i)来自空气的显热；和ii)来自空气中携带的水蒸汽的潜热，传递至干燥剂。干燥剂随着它由于水蒸汽的放热吸收变稀释而获得额外的热量。随着干燥剂获得热量，它的温度升高。然而，与现有的HMX发明不同，本发明允许干燥剂被冷的制冷剂流体连续地冷却。这样做时，制冷剂从干燥剂获得热量，使经由进入管20进入的液体制冷剂在它沿着沟槽18通过时至少部分地蒸发，并导致蒸汽制冷剂的温度增加。在出口22处提取的制冷剂借助于由后续压缩机(未示出)施加的吸入压力将该热量带离HMX板。制冷剂随后在它被重新引入进入管20之前被冷凝、过冷和膨胀。被传递至吸收器的制冷剂通过膨胀阀或毛细管计量，以在需要时调节蒸发压力和过热量，(显热的单位增益)。(本说明书假设HMX被构造成用作吸收器，但是，如提到的那样，可替换地，HMX可以被构造成用作解吸塔或再生器。在该情况中，经由进入管20进入的制冷剂将在它沿着沟槽18通过时至少部分地冷凝，并且液体制冷剂的温度在它沿着沟槽18通过时将降低。
与干燥剂接触的过程气流变为被部分除湿和冷却至由干燥剂的等效蒸汽压力、干燥剂温度以及热量和质量传递系数确定的蒸汽压力和温度。通过吸收器的尺寸参数、空气和干燥剂流量、以及在后续实施例中描述的各种几何变量，可以改变热量和质量传递系数。
通过向微沟槽32或开孔泡沫材料30分配器供料的一个或多个管或优选地平行流歧管28，将干燥剂输送至每个吸收器板的顶部，以确保在所述板的整个宽度范围内均匀地分布。干燥剂均匀地润湿亲水表面并在重力作用下以非常薄的膜的形式下落至每个板的底边缘，在该底边缘处它进入吸收器下面的贮槽34中。
辊压接合热交换器的平滑轮廓使气流湍流最小化，因此使干燥剂转移的势能和风扇功率需求二者都最小化。
过滤器(未示出)位于贮槽的正上方，用于从干燥剂中过滤大的颗粒，以防止堵塞或损坏干燥剂泵。
干燥剂是氯化锂、氯化钙、溴化锂或其它卤化盐或甲酸钾的水溶液。
所述板可以经由贯通螺栓连接，其中安装孔位于远离亲水表面的边缘区域中，以同时避免形成通向金属板的腐蚀路径和避免液滴在干燥剂流中的形成。
可替换地，可以通过将粘合剂涂敷至一个或两个相互面对的表面，或者通过将导致一个或两个板表面的一个区域熔化并熔接至对面的板的热力方法，将所述板结合在一起。在所有情况中，可通过使用间隔件或通过具有一体的间隔件的干燥剂分配器30或32，如图1b示出的分配器30，限定和维持气隙。
在优选实施例中，HMX板是高的，从而以最少量的板使进气孔最大化。
HMX板还可以由具有高热导率和抗拉强度的非金属材料(如定制陶瓷合成物)制成，其具有下述优点中的一个或多个：i)较低的比重；ii)每单位暴露表面区域的成本较低；iii)对浓缩卤化物盐溶液的固有的耐化学性；iv)固有亲水性表面。
每个吸收器堆栈中的板可以相对于制冷剂流串联或并联连接。
制冷剂沟槽的图案偏离每个HMX板的中心，使得当多个板以被相反地定向的交替的板堆叠时，相邻板的制冷剂沟槽不是彼此面对的，而是每个沟槽面向板的平坦部分，如在图1c中可以看到的那样。申请人已经观察到，在计算流体动力学模型中，当气流蜿蜒通过由上述偏移沟槽形成的通道时，空气和干燥剂表面之间的粘性边界层分布在每个内部弯曲处。可以观察到这种扰动(其幅度可以通过空气沟槽宽度、空气表面速度和制冷剂沟槽轮廓和沟槽间距控制)相对于通过传统管和散热片HMX中的平板的流动增加了HMX中的对流热和质量转移。由交替偏移定位的辊压接合板提供的这种具体性能的增加与堆栈体积、空气侧压力损失和液滴形成的势能的最小增加相关联。
示例2
垂直于干燥剂的制冷剂
参照图2，其示出了本发明的第二实施例的吸收器板10的堆栈。该吸收器类似于第一实施例的吸收器，但被定向且具有特定特征以允许逆着液态干燥剂26的流向上抽吸过程气流16，产生热量和质量交换的对流。在该实施例中，沿着每个吸收器板的底边缘形成切口38，以允许过程空气以垂直于吸收器中的空气流的角度进入，从而允许干燥剂被收集在未示出的储槽中，该储槽位于吸收器的正下方并沿着吸收器的整个宽度和长度延伸。基底切口38的形状被形成为最小化过程气流压力损失，同时允许以形成液滴风险最小的方式将干燥剂输送至贮槽。未示出的亲水涂层涂敷至板表面，扩展至每个板的整个高度并扩展至除去小的边缘之外的整个宽度。平行流歧管28以相等的压力将干燥剂分配至横跨所述多个吸收器板布置的分开的多个开孔泡沫材料分配器30。沿着每个吸收器板的顶边缘设置切口40，以允许在从垂直方向至侧向方向的方向范围内将过程空气从吸收器中抽出。顶部切口的形状被形成为最小化过程气流压力损失，同时允许干燥剂平稳地展开以润湿每个吸收器板的整个宽度。制冷剂可以在HMX的同一侧或相反侧进入和离开所述板，使得制冷剂沟槽设计能够更加灵活。
示例3
弯曲的板
如图3所示，蒸发器板10可以以相对于过程空气流16的方向弯曲的方式被制成。弯曲通道的好处是避免源自充气室的空间和压力损失，其中在充气室中，过程空气流的入口和出口需要位于不同的平面中。充气室的避免适合紧凑的、高空气流量空气调节器设计。
示例4
径向构造
轴流风扇是用于以高流量以及低吸力加速空气的最有效的装置和排出压力头。参照图4，本发明的第四实施例允许多个辊压接合HMX板10设置成大致径向结构，其被调整以适应的轴向排气风扇。通过轴流风扇42吸引过程气流16通过板10之间的间隙50并被大致向上吸引。通过将HMX堆栈的上部包围在圆形管44中，空气被强制进入基底附近的堆栈，导致过程气流相对于下落的液态干燥剂2逆流行进。与交叉流动式质量交换器相比，这种逆流式布置可以被呈现以在等温条件下提供改进的质量转移性能。干燥剂被从中央供给管(图中不可见)径向地输送至每个板上的一个或多个开孔泡沫材料分配器30。分配器优选地是窄的，以限制它们对离开HMX的气流的影响。
图4示出所述板是弯曲的，但原则上，图4的实施例可以具有非弯曲的板。
示例5
板中的湍流产生间隙
如图5a所示，吸收器板10可以包含间隙或孔46，所述间隙或孔位于制冷剂沟槽之间以便于过程空气16在相对的制冷剂沟槽18附近更平滑地通过，以及板之间的空气互换。该实施例具有中断(disrupting)粘性边界层而不减小气隙的优点，因此针对相同的空气侧压力损失，使得HMX板能够以比连续板实施例中的间距更近的间距堆叠。这种方法的缺点在于，所述板在气流方向上必须变得更长，以提供与没有间隙的板相同的接触表面区域。
图5b示出了图5a的另一个实施例，其中围绕间隙的板边缘的一部分在垂直于所述板的平面的方向变形。这些变形部48与间隙46结合促进过程空气16的混合，因此中断粘性边界层并促进对流热和质量转移。如图5b所示，间隙的相对侧上的反向地变形的边缘的使用进一步促进气流的混合并减少阻塞和所导致的压力损失。沿着每个暴露边缘的长度的交替正向和负向变形的使用用于均衡通道之间的空气的质量流。这种变形的幅度必须小并且避免损坏辊压接合整体性和确保无针孔涂敷。
应当说明的是，在图5a和5b的实施例中，间隙46不能在所述板的整个高度范围内延伸。间隙优选地尽可能多在所述板的高度上延伸，同时仍然使所述板具有足够的结构强度，并且优选地具有最少数量的分割——例如，单个连续间隙，从离所述板的顶边缘大约25mm处开始并在离底边缘25mm处结束。然而，间隙的其它结构也是可行的。
示例6
可变气孔
如图6所示，本发明的另一个实施例允许HMX板被布置成使得板之间的间隙从空气入口侧向空气出口侧增加或减小。这种布置允许朝向入口或出口最大化过程气流的湍流，这对于采用传统的管和散热片热交换器来制造是不容易的。通过增加气流中的湍流，热量和质量传递系数都可以被提高，从而减小所需要的总接触面积。可变入口和出口宽度对于紧凑的设计而言也会是有好处的。
示例7
板中用于减少板数量的中心间隙
在图7a中举例说明了本发明的另一个实施例，其中由数个HMX板10的堆栈构成的调节器被制造成在这些板中的每一个中都具有间隙，并且这些间隙对齐以在所述堆栈内形成空洞(void)54。这种空洞可以包含风扇或通向风扇的管道，以用于同时从调节器的两侧提取空气，如在图7b中举例说明的那样。这种设计具有增加给定数量的HMX板的进气孔并且从而降低部件和组装成本的优点。
示例8
双重质量交换
在图8中举例说明了本发明的另一个实施例，其中调节器堆栈的一个或多个板10被制造成具有粘附至或位于空气出口边缘附近的一个或多个散热片56。散热片优选地由诸如聚丙烯之类的便宜的热塑性塑料制成并且可以采用环氧树脂粘合剂粘附至带涂层的HMX板。散热片本身涂敷由亲水材料60形成的辅助区域，以用于保持和控制水或稀释的水溶液62从顶部至底部的低流量。散热片上的亲水材料必须与用于保持和控制干燥剂流26的前述亲水材料14的区域隔开一个间隙，以避免两种液体的混合。散热片也可以由薄的金属片、非金属亲水材料、涂敷有亲水材料的聚合物制成。没有必要要求所述材料对干燥剂具有耐化学性，但这种特性对于本发明的应用是有好处的，其中在本发明的该应用中干燥剂的转移不是关键的。水或稀释的水溶液可以由辅助分配器58输送至辅助亲水表面60，辅助分配器58可以具有与前述干燥剂分配器类似的结构。
当过程气流在散热片之间通过时，水从散热片表面上蒸发，从而加湿和冷却空气，并且由此将气流中的显热的一部分转换成潜热。通过控制水流量，这些散热片和水输送系统的增加将使得用户能够控制由LDVCAC装置实现的显冷却(sensible cooling)与潜冷却(latent cooling)的比率。这种控制未被提供至传统的蒸汽压缩空气调节器，因为现有的过程气流已经饱和了。来自LDVCAC的已冷却的空气的增湿在现有技术中是已知的，具体地，在US 4941324中被描述，但还未被提出以这种进凑和便宜的方式制成。
示例9
优化的温度分布
在图9中举例说明了本发明的另一个实施例，其中至板10的制冷剂连接被并联地形成，即，所述板的内部通道彼此并联连接，使得流过交换器的制冷剂在所述板之间被分割(并且如果所有的板都彼此相同时，将在所述板之间均等地分割)。在该实施例中，每个板的制冷剂通道18优选地是从入口20至出口22的单个连续的路径，优选地，从入口20至出口22的蜿蜒路径。通过这种方式，每个板中的制冷剂的一部分以最低温度进入，并以最高温度离开。图9的底部处的插入曲线示出了作为横跨每个HMX板的水平距离的函数的空气(16)和制冷剂(18)的温度(T)。
将所述板的内部通道彼此并联连接具有的另一个优点，即，将在所述板之间流过交换器的制冷剂分开以使每个板的流量减小，并且因此允许减小内部通道的横截面积。由于辊压接合板的最大宽度由内部通道的宽度确定，因此减小内部通道的横截面积允许减小辊压接合板的宽度，因此减小相邻的HMX板之间所需要的间距。
展现本发明相对于用于基于蒸汽压缩(制冷剂)的液态干燥剂系统的现有技术的优点的另一个可选方面是非共沸制冷剂(例如R407C)的使用，所述非共沸制冷剂具有温度滑移(在恒定压力下具有蒸发温度范围)并以相对于空气、干燥剂或二者的逆流流过HMX板中的通道。这具有通过增加对数平均温差和/或对数平均蒸汽压力差来改善热量和/或质量转移的优点。为了实现此目的，所有的板必须如上所述的那样并联连接，使得制冷剂在所有板之间分开。通过这种方式，每个板内的制冷剂部分经历完整的温度滑移，以最低温度进入，并以最高温度离开。这种布置还使得HMX能够从制冷剂过热和过冷中受益。蜿蜒的通道设计是使入口边缘和出口边缘(相对于气流而言)之间的差最大化的最简单的方式，但其它通道构造/设计在某些情况中可以是有利的。这种用于产生逆流热量和/或质量交换的平行制冷剂通道布置可以有利于调节器和再生器二者。
更低压力的制冷剂(如，代替R410A的R407C)的使用具有降低材料成本的额外的益处，因为辊压接合板需要支撑较低的内部压力，因此他们可以采用更薄的片材制成。
R407C和R410都是已知的制冷剂。R-407C是非共沸制冷剂，是二氟甲烷(R-32)、五氟乙烷(R-125)和1，1，1，2-四氟乙烷(R-134a)的混合物。通常以PURON、ECOFLUOR R410(或EcoFluor R410)、GENETRON R410A或AZ-20为商标售卖的R-410A是二氟甲烷(CH2F2，称为R-32)和五氟乙烷(CHF2CF3，称为R-125)的非共沸但接近非共沸的混合物，其在空气调节应用中被用作制冷剂。
虽然已经参照特定实施例或多个实施例示出和描述了本发明，但在阅读和理解本说明书和附图之后，等同变化和修改是本领域技术人员可以想到的。特别地，除非另外指明，由上述元件(构件、组件、装置、合成物等)执行的各种功能、用来描述这些元件的术语(包括对″装置″的引用)的意图是对应于用于执行所描述的元件的具体功能的(即，功能等效的)任何元件，即使在结构上不等同于通过本发明的示例性的一个实施例或多个实施例中在这里公开的执行该功能的结构。此外，虽然上文已经参照数个实施例中的一个或多个描述了本发明的特定特征，但该特征可以与其它实施例的一个或多个其它特征组合，只要对于任何给定的或特定的应用而言是理想的并且有利的。
例如，对本发明的某些实施例来说可行的是彼此组合。作为示例，交换器可以同时具有图5a或5b的间隙和图7a的中心空洞。作为另一个示例，图4的径向实施例可以附加地或可替换地在所述板的上边缘和/或下边缘中设置有切口(如图2中所示的那样)。作为另一个示例，与图5a或5b中的间隙相类似的间隙可以设置在图4的径向实施例的板的自由垂直边缘中，其中间隙水平地延伸，如图4中图示的实施例一样。作为又一个示例，图4的径向实施例的相邻板可以相对于彼此偏移，如参照图1c描述的那样，从而相邻的板的制冷剂通道不彼此面对，而是作为代替地，一个板的制冷剂通道面对着相邻的板的平坦部分。
如上所述，本发明存在能够减轻由于本发明中使用的辊压接合板可能需要的材料厚度引起的增加材料的需求的多个方面。这些方面包括下述方面中的一个或多个：
I减小从制冷剂至干燥剂的热阻(热量移动的距离越小，热导管越厚{铝板})
II形成逆流而不是交叉流质量交换
III形成逆流而不是交叉流热量交换
IV增加湍流(即，较高的局部速度)
V能够实现更高流量的整体空气速度而没有液滴转移的风险
外表面相对平滑的辊压接合板的使用相对于实现同样方面的传统(现有技术)方法而言实现了上述方面I和V。
图2或4的凹部使得通过允许气流相对于干燥剂逆流流动从而实现逆流质量交换，(即，它们影响方面II)。
非共沸制冷剂R407C在并行流吸收器设计中的使用可以形成逆流热交换条件(方面III)。
图5a的间隙增加了湍流并且中断热边界层(即，实现方面IV)，并且图5b中的间隙的成形的边缘进一步增加了湍流。
在实施例的描述中，辊压接合板中的内部通道被示出为具有卵形或椭圆形横截面。本发明不仅限于此，并且辊压接合板中的内部通道可以具有其它截面，例如六边形横截面。
在本发明的任何实施例中，亲水涂层可以是吸收剂，使得在间歇操作期间能够被干燥剂更快地润湿。
本发明提供了一种用于在气流、液态干燥剂和制冷剂之间交换热量和质量的热量和质量交换器，该交换器包括：一个或多个辊压接合板，所述或每个辊压接合板具有至少一个内部通道，所述通道大致位于相应板的平面中；用于液态干燥剂的一个或多个流动区域，所述一个或多个流动区域被限定在辊压接合板的外表面的至少一部分上；和用于引起制冷剂流过辊压接合板的内部通道的装置。
所述或每个板可以是辊压接合板。如所知道的那样，在辊压接合工艺(或辊压结合工艺)中，除了一个或多个期望的流动通道之外，两个金属片通过真正的冶金接合结合在一起，其中在所述一个或多个期望的流动通道处的两个金属片被阻止结合。在辊压接合工艺中，″阻焊(stopweld)″材料以期望图案(对应于期望的流动通道)设置在一个金属片上，并且另一个金属片随后堆叠在其上面。随后，除了设置了阻焊材料的位置之外，金属片在压力下被加热和辊压以在金属片之间提供冶金接合。通道的一端随后被打开，并且高压空气用于使流动通道膨胀。如本文中使用的用语″辊压接合″板表示通过这种辊压接合工艺获得的板。
如本文中使用的用语″制冷剂″优选地表示如由DuPont公司开发的、在用于制冷剂的R-#分类系统中被分类的材料。制冷剂可以是纯流体(例如，如丁烷)，或者它可以是两种或更多种流体的混合物(例如，如下文所述的R407C或R410)。应当注意到，虽然根据一些资料，空气和水被分类为制冷剂，但它们不是本发明的优选制冷剂。
交换器还可以包括至少位于所述板的外表面的一部分上的非金属涂层，在使用中，液态干燥剂在该部分上流动，非金属涂层对液态干燥剂是耐蚀的。
非金属涂层可以包括瓷釉、环氧树脂、酚醛树脂、聚氨酯或阳极电镀材料中的至少一种。
所述板可以由对液态干燥剂耐腐蚀的非金属材料制成。
所述板中的内部通道在使用中大致基本上平行于液态干燥剂流，或者它们在使用中大致基本上垂直于于液态干燥剂流。
交换器可适于与大致垂直于干燥剂流且大致平行于所述板的平面指向的气流交换热量和质量。可替换地，它可以适于与大致与干燥剂流相反地指向的气流交换热量和质量。
交换器可以包括在至少一个方向上彼此大致平行延伸的多个板。
所述板可以彼此大致平行。可替换地，相邻板之间的间距可以沿着气流的方向改变。
所述板的边缘可以被定形，以用于促进空气从被导入相邻的板之间的空间，或从该空间抽出。
一个板的内部通道可以在气流的方向上相对于相邻板中的内部通道偏移。
一个或多个第一孔可以形成在所述板中，一个板中的第一孔与相邻板中的内部通道大致相对地设置，并在与相邻板通道中的内部通道大致相同的方向上延伸。
一个板中的第一孔的多个边缘中的一个边缘的至少一部分可以在垂直于所述板平面的方向上变形。
所述板的中间平面可以是非平坦的。例如，所述板的中间平面可以是曲面的或者包括曲面的部分，从而所述板的一部分与气流的方向交叉，如图3所示。(板的″正中平面″指的是位于所述板的前表面和所述板的后表面之间的平面。)
第二孔可以形成在每个板中，一个板中的第二孔设置成与相邻板的第二孔相邻并与相邻板的第二孔基本上共同延伸，从而形成延伸穿过所述多个板的空洞。
当沿着干燥剂流的方向观察时，交换器可以包括从中心支撑件径向地延伸的多个板，该支撑件沿干燥剂流的方向延伸。
所述板在它们的沿干燥剂流的方向的长度的至少一部分范围内可以是封闭的，从而促进所述板的沿干燥剂流的方向的长度的预定部分范围内的气流。所述板可以是封闭的，以促进所述板的沿干燥剂流的方向的大致整个长度范围内的气流。
所述板在使用中可以大致垂直地布置，并且交换器可以包括用于在所述板的上边缘处或附近释放所述液态干燥剂的流的分配器。
所述分配器可以包括微通道分配器或开孔式多孔材料。
如前述任一权利要求所述的交换器，包括用于收集穿过所述板之后的所述液态干燥剂的接收器。
所述交换器可以包括第一亲水涂层，第一亲水涂层设置在所述板的外表面的至少一部分上，从而限定出用于液态干燥剂的流动区域。
第一亲水涂层可以是微结构化的表面。
可替换地，交换器可以包括可透蒸汽的隔膜，该隔膜设置在所述板的外表面的至少一部分上，从而限定液态干燥剂的流动区域。
所述或每个板可以具有单个连续内部通道。
所述或每个板可以包括具有蜿蜒形状的内部通道。
至少一个板可以设置有附接至该板的一个或多个散热片，所述或每个散热片涂覆有用于限定冷却剂的流动区域的亲水材料区域。散热片在气流的方向上沿着所述板的有效宽度延伸。
冷却剂可以是水或水溶液。
交换器还可以包括用于将冷却剂分配至散热片的流动区域的第二分配器。
第二分配器可以包括微通道分配器或开孔式多孔材料。
液态干燥剂可以是氯化锂、氯化钙或溴化锂的水溶液。可替换地，可以采用其他卤化物盐。
每个板中的制冷剂通道可以被布置成优化制冷剂过热和/或冷却相对于蒸发温度的位置，和/或制冷剂通道可以被设计成优化跨越每个板上的温度分布。特别地，在交换器包括多个板的情况中，所述板的内部通道可以彼此并联连接，使得流过交换器的制冷剂在所述板之间分开(并且在所有板彼此相同的情况下，将在所述板之间均等地分开)。通过这种方式，每个板中的制冷剂部分以最低温度进入并以最高温度离开。
在具有多个板的交换器中，所述板中的一些板并且可选地全部板的内部通道可以彼此并联连接。
交换器可以被构造成使得制冷剂在内部通道中随着从该通道的一端流向另一端时至少部分地改变相态-，例如，制冷剂可以在沿着内部通道通过时部分地或全部地蒸发(如果希望它去冷却气流的话)，或者可以在沿着内部通道通过时部分地或全部地冷凝(如果希望它去加热气流的话)。
制冷剂可以是非共沸制冷剂。
本发明还提供了包括上述热量和质量交换器的空气调节单元。
空气调节单元可以包括用于在所述板上产生气流的装置。
本发明还提供了包括上述热量和质量交换器的制冷单元。
现有技术缺少在高潜热条件下的高效的空气调节方案，这种方案在成本和尺寸方面都类似于家用的(即低于5kW冷却能力)的传统的蒸汽压缩空气调节器。已有的发明和商用LDVCAC产品依赖于i)挥发性干燥剂，其对于间歇使用来说是不经济的；ii)辅助水冷却器的可获得性，其在大多数住宅房地产中是不实际的；iii)或接近或低于露点的蒸发温度，这种蒸发温度相对于传统的AC系统仅能产生可忽略的效率好处。
本发明通过在高于现有技术可行温度的蒸发温度下使高效液态干燥剂(诸如氯化锂溶液)的使用更加便利，从而对现有技术加以改进。这使得同时具有高耐蚀性且在制冷剂和干燥剂之间具有非常低的热阻的本发明的热量和质量交换器(HMX)是可行的，其中该HMX结合有专门涂敷的辊压接合热交换器。更高的蒸发温度减小了单位压缩功，因此提高热力学效率。
本发明的所有实施例被设计成在类似于US 4941324中描述的LDVCAC循环内运行，其中热量和质量交换器吸收水蒸汽和来自过程气流的显热至液态干燥剂，液态干燥剂被蒸汽压缩回路中的制冷剂主动地和连续地冷却。虽然接下来的描述适用于LDVCAC系统的吸收器，但本领域技术人员将会注意到，本发明的HMX可以被容易地构造成能够在作为相同系统中操作的解吸塔或再生器，用来增湿和加热外部过程气流。
本发明可以用来代替US 4941324循环中的热量和质量交换器，并且从而使得非挥发性的干燥剂，如氯化锂溶液，能够用在非常适合大规模生产的紧凑的、低维护的装置中。
本发明的第一方面包括：多个铝合金辊压接合热交换器板，所述板被平行地布置以形成堆栈，其中过程空气被如由排气风扇供给的吸力吸引穿过所述板之间的间隙；位于每个HMX板内的密封的制冷剂通道，所述通道大致垂直于过程气流且大致平行于液态干燥剂流；将液态干燥剂分配至每个辊压接合板的两侧的顶部的装置；每个板的至少一个区域涂敷有亲水材料以形成每个板的容易被所分配的干燥剂润湿的至少一个区域；每个板的未涂敷有亲水材料的至少一个区域；和干燥剂储槽。
干燥剂分配装置可以是向多个小通道供料的加压容器或充满干燥剂的多孔材料，加压容器或多孔材料中的任一个可以定位在每个板的顶部处并与每个板接触。
干燥剂可以是卤盐溶液，如氯化锂溶液，或者它可以是甲酸钾。
过程气流可以由机动抽吸装置，如轴流或切向流风扇提供，或者由被动抽吸源，如烟囱效应或扩散梯度提供。
HMX被设计以被定位成允许空气平稳地进/出该装置。贮槽将被定位在所述板的下方，以回收和过滤干燥剂并提供用于向干燥剂剂泵供料的压头。HMX板被设计以被定位成使得相邻的板的制冷剂通道在过程气流的方向上偏置。
辊压接合热交换器仅由两个金属片制成，这两个金属片一起将制冷剂容纳和与同一平面和同一材料中的空气大面积热接触的功能结合起来，从而提供了非常平滑的几何结构和低的热阻。平滑轮廓便于用耐蚀性层在整个暴露表面上形成无针孔涂层，而制冷剂通道之间的相对厚的散热片部分提供高的结构刚性。本发明以新颖的和非直观的方式采用辊压接合技术，采取主要被设计用于家用冰箱的内表面容易清洁的技术，并且随后以全新的方式开发平滑的辊压接合几何形状以实现可以易于涂敷耐蚀性和亲水性材料的热量和质量交换板。
应当说明的是，与传统铜焊的带有散热片的管状热交换器相比，本发明中使用的辊压接合板由于对散热片部分的等于最小制冷剂容纳厚度的两倍的厚度需求而可能在5倍和10倍厚之间，从而导致更大的材料成本。然而，如下所述，本发明存在能够减轻增加的材料需求的多个方面。
针对LDVCAC装置的现有技术，辊压接合的HMX堆栈由于消除了垂直于气流的元件且由于所述表面的平滑轮廓，从而使得对过程空气流的阻碍减少。更平滑的流路带来两个益处：i)气流的压力损失较低，从而降低风扇上的电负荷；ii)降低了干燥剂液滴形成的可能性，因此实现更高的空气通道速度，而不会导致在气流中夹带干燥剂液滴的风险。
申请人已经在计算流体动力学模型中观察到，制冷剂通道在气流方向上的偏移定位导致在空气在相邻的HMX板之间通过时空气和干燥剂表面之间的粘性层流边界层被扰乱。这种扰乱允许干燥剂周期性紧密接触空气通道的中心处的大量气流，因此与平的HMX板相比改进热量和质量转移。
#2根据本发明的第二方面，制冷剂通道被设计成大致垂直于干燥剂流，并且过程气流以相对于干燥剂成逆流的方式定向。每个板的顶边缘和底边缘的轮廓形成为便于垂直于HMX内的气流的方向的过程空气进/出。
#3根据本发明的另一个方面，HMX板是弯曲的以使得空气在HMX组件内转向。
#4根据本发明的另一个方面，制冷剂通道基本上垂直于干燥剂流，并且一个或多个HMX板在垂直于干燥剂流的平面内是弯曲并被布置成螺旋形式。
#5根据本发明的另一个方面，在HMX板中、制冷通道之间存在间隙。这些间隙的边缘可以被变形以改善HMX内的气流条件。
#6根据本发明的另一个方面，HMX板可以被构造成非平行的堆栈，使得板之间的进气孔可以比排气孔更宽或更窄。
#7根据本发明的另一个方面，HMX板由复合材料制成，该复合材料包含嵌入低成本的聚合物基质中的小部分陶瓷颗粒或纤维。
#8根据本发明的另一个方面，HMX板涂敷有由聚合物纤维构成的芯(wick)。
#9根据本发明的另一个方面，该装置中的至少一个HMX板具有位于所述板的平坦部分中的用于提取空气的间隙。
#10根据本发明的另一个方面，两个独立的分配器将两种不同的液体输送至每个HMX板的每一侧上的两个或更多个独立的亲水区域。例如，在图8的实施例中，冷却剂(例如，水)被输送至HMX板的散热片，而液态干燥剂被输送至所述板。已知的是，绝热地增湿已经被液态干燥剂等温地除湿的空气。通过这种方式，空气可以被冷却至低于HMX中的冷却剂(制冷剂)温度的温度。本发明的该方面在单个组件中以共用几何结构结合两种功能(HMX和隔热增湿器)，并提供了相对于传统的增湿器的减少气流中的压力损失的优点。
为了实现前述和相关目的，因而，本发明包括以后被完整描述的并且在权利要求中特别指出的特征。接下来的描述和附图详细地阐述本发明的说明性实施例。然而，这些实施例仅表示可以采用本发明的原理的多种方式中一些。当结合附图考虑本发明的下面的详细描述时，本发明的其它目标、优点和新颖特征将变得明显。
工业实用性
本文中描述本发明可以用于下述应用中的任一种：
(1)单分体式空气调节系统-典型地，用于住宅或小的商用或办公房屋。
(2)多分体式空气调节系统。
(3)空气处理单元(AHU)。
(4)需要或期望除湿的冷藏车。
附图标记列表
10 热量和质量交换器(HMX)板
12 耐蚀性涂层
14 亲水表面
16 过程气流
18 制冷剂通道
20 制冷剂进入管
22 制冷剂排出管
24 干燥剂输送管
26 液态干燥剂溶液流
28 平行流干燥剂歧管
30 开孔式泡沫材料干燥剂分配器
32 微通道干燥剂分配器
34 干燥剂储槽
36 固定孔
38 HMX板中的底部切口
40 HMX板中的顶部切口
42 轴向排气风扇
44 空气管道
46 HMX板中的间隙
48 变形的边缘
50 过程空气入口
52 过程空气出口
54 排气通道
56 隔热散热片
58 辅助分配器
60 辅助亲水区域
62 水或稀释的水溶液流

Claims (19)

1.一种用于在气流、液态干燥剂和制冷剂之间交换热量和质量的热量和质量交换器，该交换器包括：
一个或多个辊压结合板，每个辊压结合板具有至少一个内部通道，所述通道大致位于相应的辊压结合板的平面中；
用于液态干燥剂的一个或多个流动区域，所述一个或多个流动区域被限定在所述辊压结合板的外表面的至少一部分上；
用于使制冷剂流过辊压结合板的内部通道的装置；和
非金属涂层，所述非金属涂层至少覆盖所述辊压结合板的外表面的所述部分，在使用中，液态干燥剂在所述非金属涂层上流动，所述非金属涂层对液态干燥剂是耐腐蚀的并且包括环氧树脂、瓷釉中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的交换器，其中，非金属涂层包括酚醛树脂、聚亚安酯或阳极处理材料。
3.根据权利要求1所述的交换器，该交换器适于在干燥剂流和与干燥剂流大致相反地指向的气流之间交换热量和质量。
4.根据权利要求1所述的交换器，包括在至少一个方向上彼此大致平行地延伸的多个辊压结合板。
5.根据权利要求4所述的交换器，其中，相邻的辊压结合板之间的间距沿气流的方向改变。
6.根据权利要求3和4中任一项所述的交换器，其中，在气流的方向上，一个辊压结合板的内部通道相对于相邻的辊压结合板中的内部通道偏移。
7.根据权利要求4所述的交换器，其中，一个或多个第一孔形成在所述辊压结合板中，一个辊压结合板中的第一孔与相邻的辊压结合板中的内部通道大致相对地设置并在与相邻的辊压结合板中的内部通道大致相同的方向上延伸。
8.根据权利要求7所述的交换器，其中，一个辊压结合板中的第一孔的多个边缘中的一个边缘的至少一部分在垂直于该辊压结合板的平面的方向上变形。
9.根据权利要求4所述的交换器，其中，所述辊压结合板的中间的面是非平坦的。
10.根据权利要求1至4中任一项所述的交换器，所述交换器还包括：当沿着干燥剂流的方向观察时，从中心支撑件径向地延伸的多个辊压结合板，该支撑件沿干燥剂流的方向延伸。
11.根据权利要求10所述的交换器，其中所述辊压结合板在它们的沿干燥剂流方向的长度的至少一部分范围内是封闭的，从而在所述辊压结合板的沿干燥剂流方向的长度的预定的部分范围内促进气流。
12.根据权利要求1至4中任一项所述的交换器，其中，每个辊压结合板包括具有蜿蜒形状的内部通道。
13.根据权利要求1所述的交换器，其中，至少一个辊压结合板设置有附接至该辊压结合板的一个或多个散热片，每个散热片涂覆有用于限定冷却剂的流动区域的亲水材料区域。
14.根据权利要求13所述的交换器，其中，所述冷却剂是水或水溶液。
15.根据权利要求13或14所述的交换器，还包括用于将冷却剂分配至散热片的流动区域的分配器。
16.根据权利要求15所述的交换器，其中所述分配器包括微通道分配器或开孔式多孔材料。
17.根据权利要求4所述的交换器，其中，所述辊压结合板的内部通道彼此并联连接。
18.根据权利要求1至4中任一项所述的交换器，该交换器被构造成使得制冷剂在内部通道中至少部分地改变相。
19.根据权利要求1至4中任一项所述的交换器，其中，所述制冷剂是非共沸制冷剂。
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