CN110418922B - 温度和相对湿度控制器 - Google Patents

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Abstract

提供控制系统，其提供对温度和相对湿度的热力学解耦控制，和/或减少或防止结霜或移除先前形成的霜。本文中的所述控制系统能够作为包含热交换器的采暖、通风、空调和制冷系统的部件而被包含。

Description

温度和相对湿度控制器
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月12日提交的第62/445,434号美国临时申请的权益，其以全文引用的方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及用于例如结合HVAC系统以热力学解耦方式控制和维护温度和相对湿度的控制系统。
背景技术
用于采暖、通风和空调(heating,ventilation,and air conditioning，HVAC)系统的电流控制器以恒温方式受控且基于热力学平衡而操作。这些恒温器通过物理定律在其耦合到相对湿度时控制温度。这些恒温器允许用户设定期望区域温度，且如果温度下降得远低于此设定点，那么房间将被加热。替代地，如果温度上升远高于此设定点，那么房间将被冷却。主要通过借助于在HVAC单元内发生的冷凝过程移除湿气来控制空气的冷却。在某些内部环境和气候中，湿度与此恒温温度控制的热力学耦合是有问题的。举例来说，当在沙漠环境中冷却干燥空气时，将还移除湿气，从而使空气进一步干燥并产生不舒适的生活环境。常常在此状况下，将添加至单独的硬件(加湿器)以解决此问题。例如服务器和电子组装区域等一些特殊应用可极大地受益于控制相对湿度的能力，这是因为在室内空气冷却时出现的干燥环境中，静电放电要常见得多。
可运用蒸发冷却器执行用于温度控制的额外方法。在这些系统中，将湿气添加到低湿度空气。沿着恒定焓线以绝热方式冷却空气。所得空气具有提高的湿度和降低的干球温度。
除了恒温(主)控制器以外，现代采暖、通风、空调和制冷(heating,ventilation,air conditioning,and refrigeration，HVAC-R)系统还可包含用于确定例如结霜等低效操作条件的传感器。此外，用途、天气、空间和时间数据可用以管理HVAC-R系统的操作条件，包含除霜周期的操作工作周期和操作。一些现代HVAC-R系统还通过可变制冷剂流使交换器的热负荷变化。
涂布有疏水材料的HVAC-R系统致使水在表面上成珠。当通过风扇跨越冷却表面推动空气时，还跨越表面牵引液滴并进入收集盘。不可避免地，这些液滴中的一些将夹带到空气流中并再蒸发，从而导致空气流的温度降低以及湿度增加。对于典型的无涂层系统、亲水涂层系统和疏水涂层系统，此液滴再蒸发可忽略不计。
制冷系统需要定期对蒸发器盘管进行除霜，这导致能耗增加、设备停机时间增加、设备成本增加以及待冷却产品的温度提高。对于鼓风冷却和冷冻系统，这通常要求系统在冷却周期的中间停止以对冷却盘管进行除霜。这会降低处理量并导致冷却/冷冻产品的质量降低。
需要用于控制温度和湿度和用于冷却材料的改良型方法和系统。
发明内容
提供控制系统和所述控制系统的使用方法，以例如在房间或环境中独立地控制温度和相对湿度(例如，提供温度与相对湿度的热力学解耦控制)，和/或例如作为HVAC或HVAC-R系统的部件，例如在例如热交换器等装置中减少或防止结霜或移除先前形成的霜。
在一个方面中，提供一种控制系统，其提供例如采暖、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统，例如包括热交换器的HVAC-R系统，等系统中的相对湿度和温度的热力学解耦控制。在一个实施例中，所述HVAC-R系统包含热交换器，且独立(热力学解耦)控制包含使穿过所述热交换器的空气速度变化。在一些实施例中，独立(热力学解耦)控制至少部分地包含所述HVAC-R系统的至少一个表面上——例如热交换器的空气穿越的至少一个表面上——的弹跳液滴冷凝。在一些实施例中，在纳米结构组合物或层上发生所述弹跳液滴冷凝。在一个实施例中，在例如鳍状结构等结构上的纳米结构组合物或层上发生所述弹跳液滴冷凝，所述鳍状结构例如是包括或由铝或铝合金组成的鳍状结构。
在一些实施例中，所述控制系统减少或消除霜和/或防止结霜。在一些实施例中，独立(热力学解耦)控制包含使穿过所述热交换器的空气速度变化，使得所述空气速度大于结霜的临界空气速度，由此防止结霜。在一些实施例中，在所述控制系统在操作中的至少一部分时间期间，穿过所述热交换器的空气速度增加到大于结霜的临界空气速度的值，由此移除在所述控制系统的操作之前形成的霜。举例来说，在一些实施例中，对于相对湿度是0％到约100％、约40％到约80％、例如约60％且温度是约0℃到约60℃、约5℃到约40℃、约10℃到约30℃或约15℃到约25℃的空气，临界空气速度约1到约20m/s，例如约3m/s。在一些实施例中，所述热交换器包含所述热交换器的空气穿越的至少一个表面上的涂层组合物，且其中结霜的起始相对于无涂层系统减少，由此防止结霜。在一些实施例中，独立(热力学解耦)控制至少部分地包含所述HVAC-R系统的至少一个表面上，例如热交换器的空气穿越的至少一个表面上，的弹跳液滴冷凝。在一些实施例中，在纳米结构组合物或层上发生所述弹跳液滴冷凝。
在另一方面中，提供一种解耦(例如，独立地控制)相对湿度与温度的控制的控制器。在一些实施例中，相比于相对湿度与温度不独立受控(热力学解耦)的系统，所述控制器通过减少运行时间来提高效率和/或减少能量使用。在一些实施例中，所述控制器为暴露于温度和湿度受控空气等工艺流体的所得工艺流体的环境的占用者建立期望的舒适性设置。在一些实施例中，相对湿度和温度的控制包含例如热交换器的表面上的弹跳液滴冷凝，例如具有例如纳米结构涂层组合物或层等涂层的表面上的弹跳液滴冷凝。在一些实施例中，所述控制器例如在HVAC-R系统中控制第一温度设定点和第二湿度设定点。
在另一方面中，提供一种涂层组合物。当沉积于热交换器的空气侧表面上时，所述组合物引起所述热交换器中的管侧温度、压力和/或热传递能力的改变。在一些实施例中，所述涂层是纳米结构。在一些实施例中，相比于不包含所述涂层组合物的表面，所述涂层促进提高冷凝物排斥率。举例来说，提高的冷凝物排斥率可包含弹跳液滴冷凝或液滴喷射。
在另一方面中，提供一种热交换器，其在至少一个空气侧表面上包含如本文所描述的涂层组合物。
在另一方面中，提供一种用于包含空气侧和管侧的热交换器的控制器，其中所述控制器例如在HVAC或HVAC-R系统中使管侧温度、压力和/或热传递能力变化。在一个实施例中，所述控制器调节HVAC或HVAC-R系统的冷却能力。
在一些实施例中，所述控制器调节可变频率压缩机，例如反相器。在一些实施例中，对所述热交换器中的管侧条件的控制包含使所述空气侧热传递率变化。在一些实施例中，所述热交换器的至少一个空气侧表面包含涂层或表面改性，且相比于不包含所述空气侧涂层或表面改性的热交换器，所述空气侧热传递率因增大的冷凝物排斥率而增大。举例来说，所述增大的冷凝物排斥率可包含弹跳液滴冷凝或液滴喷射。在一些实施例中，可通过所述空气侧热传递表面的涂层或表面改性促进所述热交换器的至少一个空气侧表面上的弹跳液滴冷凝或液滴喷射。举例来说，所述涂层或表面改性可包含纳米结构组合物。在实施例中，包含纳米结构涂层组合物或层等涂层或表面改性的所述热交换器表面包括铝或铝合金，或由铝或铝合金组成。
在另一方面中，提供一种控制器，其控制空气速度和冷却剂温度、压力和/或能力以实现HVAC-R系统中的期望解耦(例如，独立受控)的空气温度与空气湿度输出条件。
在另一方面中，提供方法和系统，其用以通过使用液滴喷射表面改性蒸发器盘管来实现无霜鼓风冷却和或霜减少的鼓风冷冻，并作为所述制冷系统的部分以热方式控制盘管温度。液滴喷射涂层能够抑制低于水的冰点的结霜。这完全或大体上提供无霜鼓风冷却器和在以规定方式操作时具有更少除霜的鼓风冷冻器。液滴喷射表面改性降低结霜率或完全防止结霜(图7)。
所述制冷系统可在若干可能模式下操作：(a)冷却；(b)冷冻；或连续模式(a)+(b)。在冷却模式(a)下，所述制冷系统将在足以快速冷却产品的温度下操作并在所述蒸发器盘管上的结霜的初动内保持高于所述温度。归因于所述液滴喷射表面改性，所述盘管可维持温度低于0℃、约0℃到约-25℃、约-5℃到约-10℃、或约-5℃、约-10℃、约-15℃、约-20℃或25℃中的任一个，而在所述盘管上没有结霜。在一些实施例中，在所述温度和图7中描绘的空气速度范围内发生所述系统的操作。此范围内的操作允许快速冷却产品，而在所述盘管上没有结霜和相称除霜相关问题。
当在冷冻模式(b)下操作时，所述制冷系统降低所述盘管温度以快速冷冻产品直到实现所述期望设定点为止。通过首先在上文概述的制冷模式(a)下操作并转变到冷冻模式(b)中，将对空气进行除湿且将降低水的蒸气压。当在这些连续冷却和冷冻模式(a)+(b)下操作时，通过所述冷却模式下的先前除湿最小化结霜，冷凝物被排出而非结霜。在这些连续模式下操作的结果是给定制冷系统的已冷却产品的处理量增加。举例来说，处理量可增加至少约10％或至少约20％。
这两个技术减少结霜，这提高盘管和系统性能并提高通过制冷系统冷却的产品的处理量。
附图说明
图1描绘炎热且干燥的环境中的HVAC-R系统中的控制器与常规冷却路径的对比。
图2描绘炎热和潮湿室外条件下的HVAC-R系统中的控制器和常规冷却路径。
图3描绘HVAC-R系统内的如本文所描述的控制器的相互作用。
图4示出9mm宽的场图像。纳米结构表面位于图的底部上。可以看到尺寸不同的液滴。顶部的白色区域是背景无涂层衬底，其易于示出结霜。此图像的操作速度高于结霜的临界速度。
图5示出可用作控制算法部分以避免或最少化结霜的空气速度的操作方案。
图6示出引起结霜(t＝0到12分钟)和解冻(12到13.5分钟)的条件下的样品。在图的顶部部分中示出用于这些测试配置的速度剖面。
图7示出依据进气速度和温度而针对饱和空气观察液滴喷射涂层盘管和未涂层盘管上的霜动。在此图中，进气饱和，但可依据入口相对湿度而产生类似曲线图。
具体实施方式
提供例如在HVAC或HVAC-R系统中独立地调节温度和相对湿度的控制系统和控制器。温度与相对湿度在本文中所描述的系统中热力学解耦。
已知超疏水材料允许液滴以非常小的尺寸从表面喷射或“弹跳”，这与未改性的亲水或疏水表面相比可以使夹带液滴的量增大许多数量级。来自后面这些表面的夹带液体来自大的扰流或排出动作。所得液滴是大的且再蒸发率有限。相比之下，在某些超疏水表面上，每秒极大数目(例如，数百万)个液滴被夹带并带到下游。另外，这些液滴足够小以快速蒸发并将传递潜热以冷却空气同时提高湿度。在本文中关于热交换和对温度和相对湿度(RH)的随后控制而描述此类材料。
从表面弹跳或喷射以变得夹带的液滴的数量依据热交换器中的空气速度。通过控制跨越交换器的面速度，可以控制再蒸发的量，引起允许一系列独立的温度和RH选项，而非由当前恒温系统提供的耦合的温度与RH控制。此外，通过热交换器中的制冷剂(管侧)与空气侧(鳍侧)之间的温度差控制冷凝驱动力的程度将影响液滴喷射和再蒸发的程度。这可以多种方式实现，包含但不限于制冷剂速度、通过控制压缩机的制冷剂温度(制冷剂压力)和/或如上所述的气流。
在一些实施例中，通过涂料组合物促进本文中描述的面速度和潜在降解现象的改变，所述涂料组合物引起热交换器中管侧平衡的变化。在一些实施例中，涂层组合物包含纳米结构材料。在一些实施例中，纳米结构材料促进从表面喷射液滴。空气侧热传递系数的显著增大可极大地增加热交换器的容量，且因此，将还需要管侧的容量增大。此可通过例如反相器压缩机等可变容量压缩机实现。
空气速度、风冷容量与随之发生的管侧容量的此新耦合需要新颖的控制系统以最大化涂层HVAC-R系统的功能性并最大化其操作效率。在图3中示出实例控制系统的示意图。
在某些实施例中，传入空气的条件和鳍温度致使交换器上的冷凝物结霜。此结霜限制从蒸发器传递热，从而减小来自装置的有用冷却的量，并另外增大跨越蒸发器盘管的压降，这会不利地影响能效。
在某些实施例中，运用如本文所描述而涂覆的纳米结构涂层，已意外地示出在没有纳米结构涂层(即，可在典型HVAC系统中获得速度)时在材料上易于出现结霜的某些速度下，未观察到结霜。在图4中示出此现象的实例。观察到冷凝在未冷冻区中继续。
在某些实施例中，提供HVAC-R系统设计，其中设计空气速度大于特定纳米结构表面的临界空气速度，其中严重延迟或甚至完全防止结霜的初动。在某些实施例中，需要应最小化跨越表面的速度以限制压降和潜在噪声产生。
意外地，还已观察到单独改变空气速度足以对涂覆有纳米结构涂层的样品进行除霜。在此情境下，样本经受引起结霜的条件。此时，空气速度增加，且在先前条件下形成的霜被移除到液态水中并从样品移除。
在一些实施例中，提供HVAC-R控制系统设计，其中主操作空气速度可导致可以规定或以其它方式控制的方式发生结霜的条件，并增大主空气速度以移除任何潜在的结霜并防止额外结霜和相称地有害后果。增加速度的时间段可相对频繁以防止结霜并防止因霜冻而导致的热传递结垢，或可能相对不频繁以移除已经形成的霜。
可通过风扇速度、间距或接近度、旁路通风、挡板或阻尼器(后者是涡轮机的入口冷却器的状况，其中涡轮机位于下游并且是工艺流体(空气)的原动机)，且可以通过影响前端上的阻尼器位置来改变速度)来调节空气速度。
定义
除非上下文另外明确规定，否则“一(a/an)”和“所述”包含多个指示物。
“纳米结构”涂层是指在至少一个维度上具有小于100纳米的特征的涂层组合物。
“非冷凝气体”或“NCG”是指在蒸汽的期望冷凝条件下不会改变相位的气体。举例来说，当被除湿时，氧气和氮气是NCG。
“冷凝条件”是指将表面冷却到低于蒸汽露点的条件。
“过饱和度”是指蒸汽的蒸气压在给定温度和压力下高于平衡蒸气压的条件。1的过饱和度是指100％的相对湿度，且任何进一步的增大会促进冷凝。
关于液体液滴的“喷射”是指以具有非零法线分量的速度离开表面。
“表面张力”是指由大部分液体中的内聚力引起的液体表面的张力，其朝内拉向体积并倾向于最小化给定体积的表面面积。
“液滴粘合力”是指负责致使液滴朝外拉并在表面上扩散的力，从而防止液滴形成球面。相反地，“内聚力”是致使液滴自身朝内拉动并形成球面的那些力，例如表面张力。
“制冷剂”是指作为工作流体用于制冷周期中的物质或混合物。此流体常常经历相变，但无需有效。商业制冷剂包含但不限于R-22、R-134a、R-401和其它配方。可在https://en.wikipedia.org/wiki/List_of_refrigerants找到非限制性制冷剂列表。
“工作流体”是指吸收或发射能量的液体或气体。举例来说，空调系统中的工作流体是冷却剂，例如氟氯烷、二醇、氨气、丙烷或用以冷却工艺流体的水。
“工艺流体”是指通过与工作流体相互作用来进行处理的液体或气体。举例来说，在空调系统中，工艺流体是被冷却的空气。
“显热”是指相位没有改变的气体或物体的温度变化。
“显热比”是指显热冷却能力与总冷却能力的比。
在本文中可互换地使用“控制系统”与“控制器”指的是控制逻辑、机器代码、设计、概念、配置和/或支持性硬件。
“相对湿度”是指空气中存在的水蒸气的量，其表达为相同温度下达到饱和所需的量的百分比。
关于热交换器的“空气侧”是指邻近于工艺流体的表面和伴随有工艺流体的区，工艺流体例如待冷却空气。
“空气侧热传递率”是指从工艺流体传递到主蒸发器装置的热量。
关于热交换器的“管侧”是指邻近于工作流体的表面，工作流体例如制冷剂。
“冷凝物排斥率”是指每单位时间从空气流冷凝且从主热传递表面移除的冷凝物的量。
“弹跳液滴冷凝”或“液滴喷射”是指形成于主热传递表面上的冷凝物，其中液滴以某一速度离开表面到主热传递表面的平面之外(相对于沿着表面滚动，发现边缘并且分离)。通常但不是必须地，液滴经受外力(拖曳、振动、聚结、重力等)。
“处理量”是指每单位时间可冷却或冷冻的产品或商品的量(例如，磅/天)。
控制器
在图3中示出指示如本文所描述的控制器可如何在HVAC-R系统内介接的非限制性实例的图。在此状况下，控制器作为负反馈控制器操作，其中从空气输出的传感器读数减去输入温度和湿度设定点。通过控制器调节空气速度以增加或减少液滴喷射的效应并因此增加或减少潜在降解来减少设定点的此差分误差。举例来说，在一些实施例中，控制器可在部分时间内，例如在大部分时间内以约300英尺/分钟(fpm)的空气速度操作，并将速度增大到约600fpm到约800fpm或约1000fpm以移除结霜，接着返回到约300fpm。可通过改变风扇速度来调节空气速度。此外，通过改变可变频率驱动器的频率来控制压缩机容量。在盘管上具有液滴喷射涂层的此控制系统的益处是解耦的输出空气温度与湿度以及更高效的操作。
本文中所描述的系统(例如，纳米结构涂层热交换器)可用于例如可变制冷剂流动系统等现有控制器系统内，以控制管侧HVAC条件。在一些实施例中，可通过可变的制冷剂压缩机速度或穿过膨胀阀控制的可变压降来实现可变制冷剂控制。
本文中的制冷系统可受控以在无霜区内操作以防止需要除霜。可通过产生例如图7中示出的入口湿度、温度和速度曲线图确定此操作范围。可以监测系统的制冷剂压力温度和质量流动。可以监测系统的进气湿度、温度和速度。可以监测系统中的参数组合。可通过阀和/或可编程风扇马达或本领域的技术人员已知的其它构件控制空气速度和制冷剂质量流动。作为实例，可开发并采用算法来控制风扇的速度，其中结果是避免或调节结霜。在图5和6中提供用于控制霜的操作方案和控制算法的实例。
液滴喷射涂层
在本文中所描述的温度和相对湿度控制系统的一些实施例中，提供液滴喷射涂层材料，其从例如HVAC系统中的衬底的表面，例如热交换器的表面，喷射冷凝液体液滴。在一些实施例中，液滴喷射涂布材料包含沉积在衬底上的纳米结构，并视情况包含沉积于纳米结构材料上的疏水材料。纳米结构材料包含提供从表面喷射液滴的驱动力的几何结构。几何结构可包含但不限于纳米结构，所述纳米结构致使液滴在冷凝后即可呈变形的形状。
液滴喷射涂层材料可包含表面，所述表面被纹理化使得在表面张力超出液滴粘合力时喷射冷凝液滴，由此产生具有超出衬底平面的分量的净力向量。
本文中公开的涂层材料可在存在一种或多种非冷凝气体(non-condensing gas，NCG)的情况下从表面喷射冷凝流体。举例来说，涂层材料可在存在空气、空气的气体组分或惰性气体的情况下喷射流体。在一些实施例中，NCG选自空气、氮气、氧气、二氧化碳、氢气、氦气、氩气或其组合。在一些实施例中，NCG选自空气、氧气、氮气、二氧化碳、氩气或其组合。在一个实施例中，NCG是空气。
本文中公开的涂层材料可在大于约1.0、约1.1、约1.2或约1.25的过饱和度下或在约1.0到约1.1、约1.1到约1.25、约1.1到约3.0或约1.1至5.0的过饱和度下从表面喷射冷凝流体。
可由本文公开的涂料喷射的冷凝流体液滴包含但不限于水、乙醇和制冷剂。在一些实施例中，冷凝流体选自水、乙醇、氢氟烃(HFC)和氢氟烯烃(HFO)或其组合。在一些实施例中，冷凝流体选自水、乙醇、二氟甲烷(HFC-32)、二氟乙烷(HFc-152a)、五氟乙烷(HFC-125)、2,3,3,3-四氟丙烯(HCO-1234yf)、1,3,3,3-四氟丙烯(HFO1234ze)或其组合。在一个实施例中，冷凝流体是水。在一些实施例中，冷凝流体是工业工艺或工作流体。
如本文所描述的流体液滴喷射涂层材料可从表面喷射具有小于约2毫米、小于约1毫米或小于约500微米的平均直径的冷凝流体液滴。
在一些实施例中，纳米结构涂层包含纳米结构金属、陶瓷、玻璃或聚合物。
在一些实施例中，纳米结构涂层包含是金属氧化物的陶瓷。金属氧化物可以是例如过渡金属氧化物、氧化锡(IV)、氧化镁或氧化铝。在一些实施例中，过渡金属氧化物选自氧化锌、氧化铁(II、III)(Fe3O4)、氧化铁(III)(Fe2O3)、氧化锰(IV)(MnO2)、氧化锰(II、III)(Mn3O4)、氧化锰(III)(Mn2O3)、氧化镍(II)(NiO)、氧化镍(III)(Ni2O3)、氧化锆(IV)(ZrO2)、氧化钛(IV)(TiO2)、氧化铬(III)(Cr2O3)、氧化铜(II)(CuO)、氧化钴(II)(CoO)、氧化钴(III)(Co2O3)和氧化钴(II、III)(Co3O4)。
在一些实施例中，纳米结构涂层包含玻璃。在一些实例中，玻璃包含二氧化硅或硅酸盐。
在一些实施例中，纳米结构涂层包含聚合物。在一些实例中，聚合物是含氟聚合物、聚乙烯或聚丙烯。在一些实施例中，聚合物是选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚氟乙烯(PVF)和氟化乙烯丙烯(FEP)或其组合的含氟聚合物。在一些实施例中，聚合物是嵌段共聚物，例如但不限于其中共聚物的每个嵌段小于约500个单体单元、或小于约200个单体单元。举例来说，嵌段共聚物可以是包含两种或更多种单体单元的疏水聚合物。在一些实施例中，嵌段共聚物可包含一种或多种单体、例如但不限于丙烯、乙烯、四氟乙烯、三氟乙烯、氟乙烯、六氟丙烯、1,1-二氟乙烯、1,2-二氟乙烯和异丁烯。
在一些实施例中，疏水涂层可包含选自烷基、乙烯基、苯基和氟代烷基的一种或多种疏水官能团。举例来说，疏水官能团可包含但不限于烷基硅烷、乙烯基硅烷、苯基硅烷或氟代烷基硅烷。在某些非限制性实施例中，疏水官能度是六甲基二硅氮烷、甲基硅酸钠、甲基硅酸钾、聚二甲基硅氧烷醇、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟辛基三乙氧基硅烷、全氟辛基三甲氧基硅烷、全氟癸基三甲氧基硅烷、十八烷基三乙氧基硅烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、异丁基三甲氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷或苯基三乙氧基硅烷。在一些实施例中，疏水涂层是指在添加到光滑衬底时赋予大于或等于90度的接触角的涂层。
制造液滴喷射涂层的方法
提供制造例如在冷凝条件下从衬底喷射冷凝液体的液滴的涂层的方法。在某些非限制性实施例中，所述方法包含：(a)在衬底上沉积纳米结构涂层；以及任选地(b)在纳米结构材料的表面上沉积疏水功能层，即，包含一个或多个疏水官能团的疏水材料。
纳米结构化层可以通过任何合适的方式沉积在衬底上，包含但不限于溶胶获得处理、化学浴沉积、浸涂、喷涂、物理气相沉积或化学气相沉积。在一个实施例中，纳米结构涂层是通过例如溶胶凝胶处理、化学浴沉积或浸涂沉积的金属氧化物。疏水功能层可通过任何合适构件沉积到纳米结构层上，包含但不限于气相沉积或浸涂。
在上文描述纳米结构和疏水涂层材料的非限制性实例。衬底可包含金属、金属合金、玻璃或陶瓷材料。
在一些实施例中，在沉积涂料组合物，例如如本文所描述的纳米结构涂层，之前预处理衬底，以移除表面上的碎屑或物质和/或平滑表面(即，以访问衬底以促进粘合并防止缺陷)，一个或多个处理选自清洁、去除油污、冲洗、蚀刻、去污、氧化、移除先前处理、粗糙化、平面化、蒸汽清洁、热氧化和平滑。
以下实施例旨在说明而非限制本发明。
实例
实例1
在炎热且干燥的环境中，例如37℃，20％相对湿度(RH)，如本文所描述的控制器以例如0到约3m/s，例如约1.5m/s，的面速度在常规冷却模式下操作，并显著地将空气冷却到期望舒适范围。替代地，如果操作者需要更高的相对湿度和更低的功耗或控制器被编程来最小化能耗，那么将面速度增大到约1到约20m/s，例如约3.0m/s，这将引起更大的液滴喷射率，从而增大再蒸发率。这提高湿度并提高温度。控制器使得HVAC系统能够同时操作为常规加压空气盘管和蒸发冷却器。
图1示出焓湿图上的冷却路径。当操作者需要更高的湿度时，相对于常规冷却(1→2→3)路径而示出具控制器功能的冷却路径(1→2→4)。冷却单元以常规方式操作且控制器在点2处接通并增大风扇速度以提升湿度，从而归因于潜伏降解而提供额外冷却能力，并提高单元的总效率以在舒适区中实现条件。此受控的潜在降解路线允许同步的蒸发冷却和强制散热，从而是能量使用减少大于50％。
实例2
如本文所描述的控制器有利地在炎热且潮湿的环境中操作，例如在30℃和80％RH的室外条件下操作。高湿度环境无法使用任何额外潜在降解。控制器因此允许单元使用常规操作路线来冷却，以最小化期望设定点的能量使用。在图2中标绘此冷却路径。
在炎热且潮湿的环境中，控制器不会增大风扇速度并遵循常规冷却路径。在此状况下，归因于低显热比，这是最高能效的冷却路线。控制器被编程来确认此情形以尽可能有效率地操作单元。
实例3
将具有如本文所描述而涂覆的大致30mm乘40mm的纳米结构涂层的铝板放置到风洞中，并将其安装到具有-15℃的估计温度的冷板。邻近于板定位的无涂层铝由霜覆盖。气流条件是～20℃，60％RH。跨越板的速度是大致5m/s。维持这些条件超过1小时。在无涂层区段上观察到霜，而纳米结构涂层材料仅示出冷凝。在观察到稳态条件之后，速度减小到2m/s。在几分钟之后，在纳米结构涂层样品和无涂层材料两者上观察到液滴和结霜冷冻。在12分钟的时段之后，速度返回到5m/s，且在结霜表面上注意到冰和霜的融化。在大致90秒后，重新建立先前观察到的稳态条件。在图6中示出结果。
实例4
鳍管式热交换器，其具有含有促进液滴喷射的表面材料的表面改性鳍片，放置于受控冷却环境中，其中包含湿度和温度的进气条件受控。
此系统在管侧上使用填充有二醇-水混合物的再循环冷却器。针对入口温度、出口温度和冷却剂流量测量此水侧回路。这些测量允许计算传送到制冷剂中的热。
还针对入口温度、出口温度、入口相对湿度、出口相对湿度和体积流量测量跨越热交换器流动的空气。这些量测用以计算在其跨越热交换器时从空气移除的能量的量。
测试具有液滴喷射涂层的一个盘管。以类似方式测试不具有液滴喷射的另一盘管。盘管经受每分钟200到500英尺的进气速度。进气用水(RH 100％)饱和，且使进气温度从0℃变化到零下6℃。在这些测试中，设定冷却剂流量以确保进气温度与冷却剂温度之间的最小差。针对结霜的初动而在视觉上观察盘管。
具有液滴喷射涂层的表面比不具有液滴喷射涂层的那些表面需要更低的入口温度以观察结霜。霜起始抑制程度依据空气速度，其范围介于低速度下约-4℃到高速度下约-6℃。速度范围对应于典型HVAC条件，但所述机制应适用于更宽的速度范围。无涂层盘管示出低速度下约-1.5℃到高速度下约-3℃的霜动。这些结果以图形方式示出为图7。
实例5
大型鼓风冷却器引入大量制品来加以冷却/冷冻。当前系统能够以10,000磅(lbs)产品/天的速率冷冻产品。此限度可由对冷却盘管进行除霜所需的时间量设定。作为实例，冷却盘管可操作11小时并需要1小时除霜周期。液滴喷射涂层的操作和本文中所描述的操作条件的实施例提供连续操作而不需要除霜。此产生处理约11,000lbs/天的产品的能力——设施处理量提高了10％。
尽管为了清楚理解的目的已经借助于说明和实施例详细地描述了前述发明，但是对于所属领域技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下实施某些改变和修改。因此，描述不应被解释为限制本发明的范围，本发明的范围在所附权利要求中描述。
本文中引用的所有出版物、专利和专利申请特此以全文引用的方式并入用于所有目的，且其引用程度就如同特定且个别地指示每一个别出版物、专利或专利申请是以引用的方式并入一般。

Claims (26)

1.一种控制系统，其在包括热交换器的采暖、通风、空调和制冷(HVAC-R)系统中提供对相对湿度和温度的热力学解耦控制，
其中所述热力学解耦控制包括通过使穿过所述热交换器的空气速度变化和/或使包括温度、压力和/或热传递能力的冷却剂条件变化来控制热交换器的空气侧与管侧之间的温度差，以影响液滴喷射和/或再蒸发的程度，以及
所述热力学解耦控制至少部分地包括所述HVAC-R系统的至少一个表面上的弹跳液滴冷凝，
其中所述热力学解耦控制还包括：
当环境的湿度小于预定阈值时，通过增大所述空气速度将液滴喷射到流过所述热交换器的空气中，其中所述液滴足够小以重新蒸发并且传递潜热，以冷却空气同时增加湿度。
2.根据权利要求1所述的控制系统，其中在所述热交换器的空气穿越的表面上发生所述弹跳液滴冷凝。
3.根据权利要求2所述的控制系统，其中所述至少一个表面包括纳米结构层，所述纳米结构层与穿越所述热交换器的所述空气接触。
4.根据权利要求3所述的控制系统，其中所述纳米结构层涂布于鳍状结构上。
5.根据权利要求4所述的控制系统，其中所述鳍状结构包括铝。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的控制系统，其中穿过所述热交换器的空气速度变化，使得所述空气速度大于经过从水蒸气到液态水再到霜的三相转变的结霜的临界空气速度，由此防止结霜。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的控制系统，其中在所述控制系统在操作中的至少一部分时间内，穿过所述热交换器的空气速度增加到大于经过从水蒸气到液态水再到霜的三相转变的结霜的临界空气速度的值，由此移除在所述控制系统的操作之前形成的霜。
8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的控制系统，其中在其上发生所述弹跳液滴冷凝的至少一个表面包括所述热交换器的空气穿越的至少一个表面上的涂层组合物，且其中经过从水蒸气到液态水再到霜的三相转变的结霜的起始相对于无涂层系统减少，由此防止结霜。
9.一种热力学解耦对相对湿度和温度的控制的控制器，
其中热力学解耦控制包括通过使穿过热交换器的空气速度变化和/或使包括温度、压力和/或热传递能力的冷却剂条件变化来控制热交换器的空气侧与管侧之间的温度差，以影响液滴喷射和/或再蒸发的程度，以及
所述热力学解耦控制至少部分地包括所述热交换器的至少一个表面上的弹跳液滴冷凝，
其中所述热力学解耦控制还包括：
当环境的湿度小于预定阈值时，通过增大所述空气速度将液滴喷射到流过所述热交换器的空气中，其中所述液滴足够小以重新蒸发并且传递潜热，以冷却空气同时增加湿度。
10.根据权利要求9所述的控制器，其中相比于相对湿度与温度未被热力学解耦的系统，所述控制器通过减少运行时间来提高效率和/或减少能量使用。
11.根据权利要求10所述的控制器，其中所述控制器为暴露于包括温度和湿度受控空气的所得工艺流体的环境的占用者建立期望的舒适性设置。
12.根据权利要求9所述的控制器，其中在纳米结构涂层上发生所述弹跳液滴冷凝。
13.一种包括根据权利要求9所述的控制器的制冷系统，其中所述制冷系统包括冷却操作模式，其中在其上发生所述弹跳液滴冷凝的至少一个表面包括涂覆到蒸发盘管的表面的液滴喷射涂层，并且其中在所述冷却操作模式下，所述盘管温度在防止经过从水蒸气到液态水再到霜的三相转变的结霜的空气速度下维持低于水的冰点。
14.根据权利要求13所述的制冷系统，其中所述盘管温度维持成比水的冰点低大于1℃。
15.根据权利要求14所述的制冷系统，其中所述盘管温度维持成比水的冰点低大于5℃。
16.根据权利要求15所述的制冷系统，其中所述盘管温度维持成比水的冰点低大于10℃。
17.根据权利要求13至16中任一权利要求所述的制冷系统，其中所述制冷系统进一步包括与所述冷却操作模式替换操作的冷冻操作模式，其中对所述制冷系统中的空气进行除湿，且相比于不包括所述液滴喷射涂层的系统，提高了系统处理量。
18.一种包括HVAC-R系统中的第一温度设定点和第二湿度设定点的控制器，
其中所述控制器热力学解耦对相对湿度和温度的控制，并且热力学解耦控制包括使穿过所述HVAC-R系统中的热交换器的空气速度变化和/或使包括温度、压力和/或热传递能力的冷却剂条件变化，以及
所述热力学解耦控制至少部分地包括所述HVAC-R系统的至少一个表面上的弹跳液滴冷凝，
其中所述热力学解耦控制还包括：
当环境的湿度小于预定阈值时，通过增大所述空气速度将液滴喷射到流过所述热交换器的空气中，其中所述液滴足够小以重新蒸发并且传递潜热，以冷却空气同时增加湿度。
19.一种用于包括空气侧和管侧的热交换器的控制器，其中所述控制器使管侧温度、压力和/或热传递能力变化，
其中所述控制器热力学解耦对相对湿度和穿过所述热交换器的温度的控制
所述热力学解耦控制包括通过使穿过所述热交换器的空气速度变化和/或使包括温度、压力和/或热传递能力的冷却剂条件变化来控制热交换器的空气侧与管侧之间的温度差，以影响液滴喷射和/或再蒸发的程度，以及
所述热力学解耦控制至少部分地包括所述热交换器的至少一个表面上的弹跳液滴冷凝，
其中所述热力学解耦控制还包括：
当环境的湿度小于预定阈值时，通过增大所述空气速度将液滴喷射到流过所述热交换器的空气中，其中所述液滴足够小以重新蒸发并且传递潜热，以冷却空气同时增加湿度。
20.根据权利要求19所述的控制器，其中所述控制器控制HVAC-R系统中的所述热交换器的温度、压力和/或热传递能力。
21.根据权利要求20所述的控制器，其中所述控制器调节所述HVAC-R系统的冷却能力。
22.根据权利要求19或20所述的控制器，其中所述控制器调节可变频率压缩机。
23.根据权利要求22所述的控制器，其中对管侧条件的控制包括使所述空气侧热传递率变化。
24.根据权利要求23所述的控制器，其中所述热交换器的在其上发生所述弹跳液滴冷凝的至少一个表面包括所述热交换器的空气侧热传递表面上的涂层或表面改性，其中弹跳液滴冷凝由所述空气侧热传递表面上的所述涂层或表面改性促进，由此相比于不包括所述空气侧涂层或表面改性的热交换器，导致热传递率因增大的冷凝物排斥而增大。
25.根据权利要求24所述的控制器，其中所述涂层或表面改性包括纳米结构组合物。
26.根据权利要求25所述的控制器，其中包括所述纳米结构组合物的所述热交换器表面包括铝合金。
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