CN113670090A - 一种内置换热器的间接蒸发流体冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种内置换热器间接蒸发流体冷却装置，包含外壳、入风口、出风口、风机、流体入口、收水模块、喷淋模块、蒸发冷却换热器、流体出口、湿膜、换热器、集水池、循环水泵、补水阀。通过用加湿湿膜产生的冷水通过换热器对被冷却流体进行冷却，同时湿膜产生的冷水被加热后喷淋在蒸发冷却换热器上，两者有机结合在一起大幅度提高了整个装置的冷却效率和制冷能力。

Description

一种内置换热器的间接蒸发流体冷却装置

技术领域

本发明涉及中央空调系统所在的应用场合，特别涉及空调节能和自然冷却领域。

背景技术

目前常规的冷却塔以开式塔为主，耗水量大，且出水温度相对外部空气湿球温度偏高，一般比湿球温度高2-5℃。常规闭式冷却塔具有清洁、省水、节能、可向末端直接供冷、可冷却各种流体介质等诸多优点，但同时也有成本高、体积大、笨重等缺点。这些缺点是因为常规闭式冷却塔所用列管式换热器效率偏低，表面积不够大，水喷淋粗放不均匀，并且将在蒸发冷却过程中制得的冷水直接喷在列管式蒸发冷却换热器上，不但降低了蒸发换热管上的水温和水蒸发量，也浪费了蒸发冷却产生的冷水的冷量，从而降低了常规闭式冷却塔的冷却效率和制冷量。

发明内容

为了解决常规闭式冷却塔冷却效率低制冷能力不高的技术问题，本发明实施例采用用加湿湿膜产生的冷水通过换热器对被冷却流体进行冷却，同时湿膜产生的冷水被加热后喷淋在蒸发冷却换热器上，两者有机结合在一起大幅度提高了整个装置的冷却效率和制冷能力。

本发明实施案例的技术方案如下：

一种内置换热器的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

包含外壳、入风口、出风口、风机、流体入口、收水模块、喷淋模块、蒸发冷却换热器、流体出口、湿膜、换热器、集水池、循环水泵、补水阀；

所述风机设置在所述间接蒸发流体冷却装置的上部，所述收水模块设置在所述风机的下方，所述蒸发冷却换热器设置在所述收水模块的下方，所述湿膜设置在所述蒸发冷却换热器的下方，所述湿膜与所述入风口相连通；

所述流体入口、所述蒸发冷却换热器、所述换热器、所述流体出口通过被冷却流体管道依次连接；

所述喷淋模块设置在所述蒸发冷却换热器的上方，所述喷淋模块的若干个喷头均匀分布在所述蒸发冷却换热器上表面的上方，且所述若干个喷头的喷嘴对准所述蒸发冷却换热器上表面进行设置；

所述补水阀与所述集水池相连；所述集水池、所述循环水泵、所述换热器、所述喷淋模块通过循环水管道相连。

工作时，循环水、外部空气、被冷却流体工作方式如下：

所述循环水泵运转时，所述集水池中的循环水经所述循环水泵沿着所述循环水管道先进入所述换热器，再进入所述喷淋模块；经所述喷淋模块的若干喷头均匀的喷在所述蒸发冷却换热器上；从所述蒸发冷却换热器流出的循环水，流入所述湿膜,然后再流入所述集水池；循环水和被冷却流体在所述换热器中进行热交换；

所述风机运转时，外部空气从所述入风口进入所述湿膜进行加湿降温；被加湿降温后的外部空气向上进入所述蒸发冷却换热器进行蒸发换热，然后流过所述收水模块，再被所述风机送出；

所述被冷却流体工作时，通过所述流体入口进入所述蒸发冷却换热器进行蒸发冷却换热，再通过所述换热器进行换热，然后通过所述流体出口流出。

本发明实施例的具体技术效果如下：

本发明用湿膜产生的冷水通过换热器对被冷却流体进行冷却，使得整个装置的被冷却流体因其和循环水之间的换热能力大幅度增强，其出水温度进一步降低，接近进入换热器的循环水进水温度，大幅度提高了整个装置的冷却能力，同时湿膜产生的冷水被加热后喷淋在蒸发冷却换热器上，可增加系统水蒸发量，也达到增大该冷却装置冷却能力的效果，两者有机结合在一起大幅度提高了整个装置的冷却效率和冷却能力。

在本发明的另一实施例中，增加了空气冷却表冷器对空气进行预冷，其技术效果如下：

本发明通过用空气冷却表冷器对空气进行预冷，降温后的空气湿球温度降低，再通过湿膜高效蒸发制得低于外部空气湿球温度的冷空气和冷水；由此制得的冷水再通过换热器对被冷却流体进行冷却，在此过程中制得的低于外部空气湿球温度的湿空气进入上部设置有水喷淋装置的蒸发冷却换热器，通过蒸发冷却过程中生成的冷水和冷空气对蒸发冷却换热器管内的被冷却流体进行冷却；被空气冷却表冷器加热的循环水通过蒸发冷却换热器流出时也逐步被冷却然后流入湿膜，然后再次制得低于外部空气湿球温度的冷水流入集水池，如此循环。相比空气没有预冷或冷水直接喷淋在蒸发冷却换热器上的方式，本发明的蒸发冷却换热器的水蒸发量和整体蒸发冷却效率均有较大的提升，从而使得整个装置的冷却能力进一步提高。

进一步地，本发明实施中采用分流的被冷却流体对空气进行预冷，在冬季干冷模式下可增大系统冷却能力，同时在温度较低时还可以对空气进行预热，防止内部结冰，亦可在冬季启动喷淋模式，增加系统冷却能力、降低功耗。

本发明的其他实施例中，空气预冷表冷器、喷淋模块、蒸发冷却换热器、湿膜均呈倾斜放置，用来增加相应的迎风面积和换热面积。喷淋模块的喷头均匀排列并对准蒸发冷却换热器，喷出的水珠粒径较小，可大幅提高蒸发冷却效率；换热器翅片上涂有添加辐射散热材料的亲水涂层，用来强化换热的散热效果。这些进一步优化改进，提高了整个装置的冷却效率和冷却能力。

附图说明

图1为本发明的第一实施例的流体冷却装置的结构示意图；

图2为本发明的第一实施例中包含自动排污过滤装置的安装示意图；

图3为本发明的第一实施例的蒸发冷却换热器的安装示意图；

图4为本发明的第一实施例的蒸发冷却换热器的结构示意图；

图5为本发明第二实施例的流体冷却装置的结构示意图；

图6为本发明第三实施例的流体冷却装置的结构示意图；

图7为本发明第四实施例的流体冷却装置的结构示意图；

110收水模块，110a流体预冷表冷器；120蒸发冷却换热器，120a蒸发冷却换热器的被冷却流体入口，120b蒸发冷却换热器的被冷却流体出口;130空气冷却表冷器，130a空气冷却表冷器流体入口，130b空气冷却表冷器流体出口，140空气冷却循环泵、止回阀150；200湿膜； 300换热器；400风机；510集水池；520循环水泵；530自动过滤排污装置，531止回阀，532排污电动阀、533过滤网；540喷淋模块；550补水阀；600外壳；710进风口；720出风口；810流体入口；820流体出口。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。

本实施例中的被冷却流体可以是水，也可以是其他液体介质。在数据中心领域，采用水冷空调系统对数据中心进行冷却时，本装置可对水冷空调的冷冻水或冷却水进行冷却。夏季主要对冷却水进行冷却；其他季节主要对冷冻水进行冷却。在数据中心领域，采用液冷空调系统对数据中心进行冷却时，本装置对液冷空调系统的冷却液进行冷却。

第一实施例：

本实施例的间接蒸发流体冷却装置，如图1所示，包含外壳600、入风口710、出风口720、风机400、流体入口810、收水模块110、喷淋模块540、蒸发冷却换热器120、流体出口820、湿膜200、换热器300、集水池510、循环水泵520、补水阀550。从外部空气角度依次为入风口、湿膜、蒸发冷却换热器、喷淋模块、收水模块、风机、出风口；从循环水角度依次为集水池、循环水泵、换热器、喷淋模块、蒸发冷却换热器、湿膜、集水池、补水阀；从被冷却流体角度依次分为流体入口、蒸发冷却换热器、换热器、流体出口。

优选地，在循环水泵和换热器之间还设置有自动过滤排污装置530，用于定期自动排污，如图1所示，图1中仅表示该装置的安装位置。

自动过滤排污装置530电磁阀1和过滤装置组成，优选地自动过滤排污装置530由第一电磁阀531、过滤装置532、排污电磁阀533、第二电磁阀534组成、第一管道535、第二管道536。自动过滤排污装置530需要和循环水泵520配合使用，至少需要整个装置中安装两套自动过滤排污装置530和两个循环水泵520，如图2所示。正常工作是531,534打开，533关闭。清洗532a时，533a打开，531a和534a关闭，531b和534b打开，532b关闭。通过这样的设置，使得自动排污过滤装置能够借助循环水泵进行自动排污，无需增加额外的排污泵。另外可设置自动排污频率，在排污的同时不影响整个装置正常工作。

风机400设置在间接蒸发流体冷却装置的上部，特别地设在外壳顶部。

收水模块110设置在风机400的下方，用于收集整个装置的因蒸发而带出的水汽，用于降低整个装置的飘水率。

蒸发冷却换热器120设置在收水模块110的下方，湿膜200设置在蒸发冷却换热器120的下方，空气冷却表冷器300设置在湿膜200的进风方向前侧方或者下方，空气冷却表冷器300与入风口710相连通。

喷淋模块540设置在蒸发冷却换热器120的上方，喷淋模块540的若干个喷头均匀分布在蒸发冷却换热器120上表面的上方，且该若干个喷头的喷嘴对准蒸发冷却换热器120上表面进行设置。

补水阀550在与集水池510相连，用于补充循环水的损耗。

换热器300发生的物理过程是被冷却流体和来自集水池里面的循环水进行液体-液体热交换。对于被冷却流体，流体入口810、蒸发冷却换热器120、换热器300依次相连，使得被冷却流体在先通过蒸发散热再在换热器上进行换热；对于循环水，集水池510、循环水泵520、自动过滤排污装置530、换热器300、喷淋模块540依次相连，使得集水池中的循环水被过滤后第一时间先与被冷却流体进行换热，换热之后被加热的循环水再进入喷淋。通过增加换热器利用湿膜产生的冷水对被冷却流体进行冷却，使得被冷却流体和循环水之间的换热大大增强，被冷却流体温度更接近于集水池的温度，打破了现有闭式冷却塔冷却能力大幅度依赖循环水的蒸发散热现状。另外循环水也同时被换热器加热，也进一步提高了循环水的蒸发量。

换热器300设置在整个装置的下部空间中，在蒸发冷却换热器120的下方。

优选地，换热器300为板式换热器或者壳管式换热器。相对于其他类型的液体-液体换热器，采用板式换热器或壳管式换热器结构的液体-液体换热器的换热效果更好，这样使得相同制冷量下需要的换热器的体积和重量更小。

进风口710设置在外壳下部与湿膜200对应的位置，进风口710和湿膜200直接连通。

本实施例的间接蒸发流体冷却装置的工作方式如下：

1）完整的流体冷却循环过程为：被冷却流体由进水口810进入蒸发冷却换热器120进行降温，再流经换热器300进行二次降温，然后经过出水口820送出。

2）完整的循环水循环过程为：集水池510中的循环水通过经循环水泵520经过过滤后，沿着循环水管道先进入换热器300，然后再进入喷淋模块540；经喷淋模块540的喷淋的循环水喷在蒸发冷却换热器300上；从蒸发冷却换热器120流出的水流，流入湿膜200,然后再流入集水池510形成循环。

3）完整的外部气体循环过程为： 外部空气从设备两侧的入风口710进入湿膜200进行加湿降温；被加湿降温后的外部空气向上进入蒸发冷却换热器120进行蒸发换热，然后外部空气流过收水模块110，再被风机400经出风口720送出。

相比于现有的闭式冷却塔，本实施例在冷却水经过间接蒸发后又在换热器上进行了一场来自集水池循环水的液体-液体热交换，使得整个流体冷却装置的被冷却流体因其和循环水之间的换热能力大幅度增强，其出水温度进一步降低，接近进入换热器的循环水进水温度，大幅度提高了整个装置的冷却能力，同时湿膜产生的冷水被加热后喷淋在蒸发冷却换热器上，可增加系统水蒸发量，也达到增大该冷却装置冷却能力的效果，两者有机结合在一起大幅度提高了整个装置的冷却效率和冷却能力。

进一步地，本实施的蒸发冷却换热器120优选为径向翅片管换热器，该径向翅片管换热器呈V字形或者倒V字形排列。如图3和图4所示，径向翅片管换热器由盘管121和翅片122组成，盘管121由导液部121a和连接部121b组成，径向翅片管换热器上的翅片均匀排布，完整覆盖并均匀分割翅片管换热器内部的空气流通空间，并且在沿气流方向呈波纹状或者沿气流方向呈交错排列；被冷却流体的流动方向在径向翅片管换热器层间相对气流方向呈逆流排列。

通过连接部121b实现在竖直方向上相连的导液部呈S形连接构成一排排竖直盘管，这样保证了每排竖直盘管里的被冷却流体从上到下流出，使得进入径向翅片管的被冷却流体和进入径向翅片管的空气整体层间呈逆流方式进行热交换，换热效率高。

如图4本实施例的径向翅片管换热器的翅片122在沿气流方向呈波纹状（图中未示出，本领域技术人员可以由图3中直片状的翅片推断波纹状翅片）或呈交错状排列或为波纹交错状排列。通过径向翅片管换热器的翅片在沿气流方向呈波纹状，相对于常规直片状的情形，增大了空气与翅片的接触面积，提高了换热效率。通过径向翅片管换热器的翅片在沿气流方向呈交错排列，相对于常规排列的情形，增加了气流扰动，提高了换热效率。特别地，交错排列时，一排的翅片可以延伸到相邻一排翅片间的空间中，增大整体翅片面积且增强气流扰动，换热器的换热效率增加。

优选地，作为本实施例的间接蒸发流体冷却装置还设置有进风温湿度传感器、出风温度传感器、进水温度传感器、出水温度传感器、控制器，该控制器可根据出水温度测量值和出水温度目标值自动调节风机400、循环水泵520的负荷，使出水温度达到预设值。

优选地，在蒸发冷却换热器表面设置有添加红外辐射散热材料的亲水涂层。本实施例中，这种涂层含有纳米二氧化硅或者纳米氧化铝，并含有钴、镍、锰等过渡金属氧化物。设置这样的涂层能够提高蒸发冷却换热器的热交换效率，同时更好吸附水滴形成水膜，增加喷淋水蒸发效率，整体上提高间接蒸发流体冷却装置的冷却能力。

优选地，喷淋模块540由若干个喷头和管道连接组成，喷头均匀设置并对准蒸发冷却换热器，喷头喷出的水珠平均粒径小于1mm。喷头优选地为实心圆锥形喷嘴，通过优选喷淋喷头和水压，使得喷淋水呈粒径小于1mm小液滴的形式均匀喷淋在蒸发冷却换热器上（优选平均粒径为0.5mm的工艺），而不是传统的水流柱状喷淋，也不是传统的滴淋，这种喷淋使得喷淋水的水珠在蒸发冷却换热器表面均匀分布，且使得喷淋水在空气流动方向呈明显的温度梯度分布，蒸发冷却换热器上方喷淋水温度高，蒸发冷却换热器下方喷淋水温度低。实验表明，当喷淋水喷淋的粒径小于0.5mm时，大部分喷淋颗粒易被风吹走；当喷淋水喷淋的粒径大于1mm时，会出现喷淋水分布不均，同时因喷淋出水球总表面积减小，蒸发速率变小。

实施例二：

如图5所示，实施例二与实施一的区别在于，在被冷却流体流出换热器后进一步增加了空气冷却表冷器、空气冷却循环泵、止回阀。

空气冷却表冷器130设置在湿膜200的进风方向前侧方或者下方，空气冷却表冷器与入风口710相连通。空气冷却表冷器130出水口与间接蒸发流体冷却装置的流体入口810通过管道相连接；空气冷却表冷器130入水口与换热器300的被冷却流体出口之间通过管道依次连接空气冷却循环泵140、止回阀150。

在整个间接蒸发流体冷却装置的流体出口温度低于环境干球温度时，空气冷却表冷器借助低于环境干球温度的被冷却流体对进入湿膜的空气进行预冷，有利于湿膜得到更低温度的冷水和更低温度的冷空气，从而使得整个装置的集水池温度更低，更利于整个装置的被冷却流体和循环水之间的换热，使得被冷却流体温度降得更低，增强整个装置的冷却能力。一般地，通过优选空气冷却表冷器使得其能够将空气温度降低3-5℃且湿膜的直接蒸发效率达到95%以上时，通过空气冷却表冷器将空气进行预冷，预冷后的空气再通过湿膜进行直接蒸发，能够将出湿膜空气温度和出湿膜的喷淋水温度均降至湿球温度以下。

对于本实施例应用于数据中心经常发生的情况就是整个间接蒸发流体冷却装置的流体出口温度低于环境干球温度，这在一年中占据大多数情况。

在冬季环境温度在冰点以下时，流体出口温度高于环境温度，能起到加热空气的作用。可预防冷却塔内部结冰，使得在这一恶劣工况下冷却塔得以运行。比如在流体入口温度30℃，流体出口温度15℃，环境温度0℃以下时，设备外部的冷空气首先被15℃以上流体的进行加热，之后进入到湿膜中。通过优选空气表冷器参数使得被空气表冷器加热的空气温度达到冰点以上，这样被加热后的空气通过湿膜就不会使得湿膜上发生结冰现象。同时，在这种工况下，空气表冷器在加热室外空气的同时也起到了冷却待冷却流体的作用，增强了这一工况下的整个设备的冷却能力。

本实施例采用分流的被冷却流体对空气进行预冷，在冬季干冷模式下可增大系统冷却能力，同时在温度较低时还可以对空气进行预热，防止内部结冰，亦可在冬季启动喷淋模式，增加系统冷却能力、降低功耗。

实施例三和实施例四

如图6和图7所示，实施例三和实施例四是在实例一、实施例二的基础上将收水器进一步优化为流体预冷表冷器110a，从而在收集水汽的同时，充分利用空气中的余冷对被冷却流体进行冷却，提高冷却塔空气余冷利用率，提高间接蒸发流体冷却装置的冷却能力。

优选地在流体预冷表冷器的表面设置有添加红外辐射散热材料的亲水涂层。本实施中，这种涂层含有纳米二氧化硅或者纳米氧化铝，并含有钴、镍、锰等过渡金属氧化物。设置这样的涂层能够提高流体预冷表冷器的热交换效率，同时更好吸附水滴形成水膜，增加喷淋水蒸发效率，整体上提高间接蒸发流体冷却装置的冷却能力。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅表达了本发明的优选的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种内置换热器的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

包含外壳、入风口、出风口、风机、流体入口、收水模块、喷淋模块、蒸发冷却换热器、流体出口、湿膜、换热器、集水池、循环水泵、补水阀；

所述风机设置在所述间接蒸发流体冷却装置的上部，所述收水模块设置在所述风机的下方，所述蒸发冷却换热器设置在所述收水模块的下方，所述湿膜设置在所述蒸发冷却换热器的下方，所述湿膜与所述入风口相连通；

所述流体入口、所述蒸发冷却换热器、所述换热器、所述流体出口通过被冷却流体管道依次连接；

所述喷淋模块设置在所述蒸发冷却换热器的上方，所述喷淋模块的若干个喷头均匀分布在所述蒸发冷却换热器上表面的上方，且所述若干个喷头的喷嘴对准所述蒸发冷却换热器上表面进行设置；

所述补水阀与所述集水池相连；所述集水池、所述循环水泵、所述换热器、所述喷淋模块通过循环水管道相连。

2.根据权利要求1所述的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

所述间接蒸发流体冷却装置还包括空气冷却表冷器、空气冷却循环泵、止回阀，所述空气冷却表冷器设置在所述湿膜的进风方向的前侧方或者下方，所述空气冷却表冷器与所述入风口相连通；所述空气冷却表冷器出水口与所述间接蒸发流体冷却装置的所述流体入口通过管道相连接；所述流体冷却换热器的被冷却流体出口与所述空气冷却表冷器入水口之间通过管道依次连接所述空气冷却循环泵、所述止回阀。

3.根据权利要求1或2所述的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

所述蒸发冷却换热器为径向翅片管换热器，所述径向翅片管换热器呈V字形或者倒V字形排列；所述径向翅片管换热器上的翅片均匀排布，完整覆盖并均匀分割所述翅片管换热器内部的空气流通空间，并且在沿气流方向呈波纹状或者在沿气流方向呈交错排列；被冷却流体的流动方向在所述径向翅片管换热器层间相对气流方向呈逆流排列。

4.根据权利要求1或2所述的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

所述间接蒸发流体冷却装置还设置有进风温湿度传感器、出风温度传感器、进水温度传感器、出水温度传感器、控制器，所述控制器可根据出水温度和预设温度目标值自动调节所述风机的负荷和所述循环水泵的负荷，使出水温度达到所述预设温度目标值。

5.根据权利要求1或2所述的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

所述收水模块为流体预冷表冷器，所述流体入口、所述流体预冷表冷器、所述蒸发冷却换热器、所述流体出口通过所述被冷却流体管道依次连接。

6.根据权利要求1或2所述的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

所述间接蒸发流体冷却装置还设置有自动过滤排污装置，所述自动过滤排污装置设置在所述循环水泵和所述换热器之间。

7.根据权利要求1或2所述的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

所述换热器为板式换热器或者壳管式换热器。

8.根据权利要求1或2所述的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

所述蒸发冷却换热器的表面设置有添加红外辐射散热材料的亲水涂层。

9.根据权利要求5所述的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

所述流体预冷表冷器的表面设置有添加红外辐射散热材料的亲水涂层。

10.根据权利要求1或2所述的间接蒸发流体冷却装置，其特征在于：

所述喷淋模块的所述喷头喷出的水滴平均粒径小于1mm。

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