CN1668879A - 露点冷却器 - Google Patents

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Abstract

一种露点冷却器，包括：两个通过热传导壁部相互连接的介质回路，两种介质可通过该介质回路流动，其中次要介质包括气体，壁部包括传导热的突出部分；其中壁部和突出部分被亲水性的涂层所覆盖，该亲水性的涂层可以吸收可蒸发的液体，并通过蒸发再次将其释放，使得润湿的涂层、以及热传导表面和突出部分被冷却；一个润湿单元，通过从涂层上蒸发液体而使用可蒸发的液体将次要介质润湿，使得次要介质所含有的被蒸发的液体通过热传导壁部从主要介质中吸取热量。该涂层包括多孔工艺的陶瓷材料，例如矿物棉。

Description

露点冷却器
本发明涉及一种冷却装置，尤其涉及一种露点冷却器。
本发明提供一种露点冷却器，其包括：
第一介质回路，以及通过一个至少部分传热的壁部而与该第一介质回路热连接的第二介质回路，单独的两种介质可以通过这两个回路逆流流动，其中，至少该第二介质包含一种气体，例如空气，其相对湿度小于100％；
该热传导壁部具有用于在至少活动区域的位置处分解至少热边界层，层流边界层以及相对湿度边界层的分解(break-up)装置，用于至少在主要介质中进行热传递，该分解装置包括有：若干个热传导突出部分，其扩大了壁部的有效热传导表面积；
其中，所述壁部的热传导表面以及该分解装置至少在第二介质区域中被例如吸湿性涂层(hygroscopic coating)的亲水性物质所至少部分地覆盖，该涂层例如是多孔性以及/或可以通过毛细现象而吸收一种例如水的可蒸发液体，将其保持并且再次使其通过蒸发而释放，以使得润湿的涂层以及热传导表面和分解装置被冷却；
用于主要介质的基于压力差的主要驱动装置，例如风扇或泵；
用于次要介质的基于压力差的次要驱动装置，例如风扇；以及
一个润湿单元，用于通过使液体从涂层处蒸发而使次要介质能够被可蒸发液体所润湿，使得该次要介质所含有的已蒸发液体从主要介质处通过热传导壁部吸取热量；其中，该涂层由多孔技术的陶瓷材料或纤维材料所构成，多孔技术的陶瓷材料例如是烧制层(burnt layer)、如波特兰水泥(Portland cement)的水泥，纤维材料例如是石绵等矿物棉，并且其中整个壁部的传热系数等于最小1W/m2K。
利用波特兰水泥已经非常好的结果。该层可以由这种多微孔型的水泥所构成，其中，该层厚度的大小例如是50μm的等级。
已经得知，可以通过一种非常简单的方式，例如在温暖阳光的环境中，将液体包容在带有潮湿织物的容器中而将液体冷却至或大或小的程度。因为在织物中的水会由于热量以及可能有风而蒸发，蒸发的发生就伴随着容器壁部的温度降低，温度的降低就会被传送至存放在该容器中的液体。公知的露点冷却(dewpoint cooling)就是基于这个为人所知的基本原理。
露点冷却器是一种特殊类型的焓-交换器。已经了解，焓被定义为在热力学系统中的内能加上压力与容量的乘积的总和。其为一种类似能量的性质或状态函数，并且具有能量的单位。其数值仅通过系统中的温度、压力、以及组成所决定。
根据能量守恒定律，内能的改变等于传送至系统的热量减去系统所作的功。举例而言，如果所作的功仅为在恒定压力下的容积改变，则焓的改变精确地等于供应至该系统的能量。
关于露点冷却，水蒸发的热量是一个重要方面。当水沸腾时，能量被提供给水，但是温度无法提升至沸点以上。对系统的功在这种情况下被用来使水转变为水蒸气。这个过程被称作蒸发，并在此情况下等温地发生。在此发生相变，从液相到气相或汽相。
气体或蒸汽集聚形成液体的相反过程被称为凝结。凝结例如发生在湿润的空气中，亦即在水蒸发的空气中。当该空气接触到冷的表面时，在该位置处的相对湿度会提升至与相关温度对应的饱和值。在该空气不再能吸收水量的情况下，在该位置处水就会从气相或汽相变为液相。
与这种公知的技术相比，根据本发明的露点冷却器的优势在于，其效能通过所提出的各种特性方面而被显著改善。重要的是使用了所述的表面扩大分解装置，其对于热传导壁部与各个流通介质(flow-bymedia)之间的热传递提供了实质性的贡献。在此的特征量为所谓的努塞尔特数(Nusselt number)，它是这种热传递的测量值，根据本发明，可以达到非常高的数值。
注意到以下事实是很重要的：表面扩大分解装置会相当地增加露点冷却器的温度工作范围。在实际状况中，并且通过根据本发明的良好设计的露点冷却器，可以例如以80℃的输入温度(亦即该主要介质的馈入温度(infeed temperature))来进行操作。
也很重要的是，热传导表面以及分解装置以所述方式而被亲水性涂层所覆盖，该亲水性涂层可以进一步缓冲足够大量的水分，这些水例如是通过润湿单元间歇地供应。
在此强调指出的是，该润湿单元必须被设计为使其没有雾化或者至少发生的雾化可以忽略，但是必须有例如直接使亲水性涂层保持湿润的间歇性液体流动。只有这样，才能够确保露点冷却器以高效率操作，而不是不带涂层或带有薄涂层的热传导壁部被雾化液体喷洒的情况。在这种情况下，蒸发在相关介质流动中发生，该流动确实被冷却，但是热量传递到壁部，并通过壁部随后传递到位于该壁部另一侧的介质，因此非常有限。
根据本发明的一方面，露点冷却器所具有的特殊特点为，涂层由塑料所构成。在这个实施例中，该塑料也可以为多孔型。这种多孔性可以例如通过在冷却或固化期间收缩所获得。也可以使用凝胶，其可具有例如吸湿的性质，从而可以吸收水并将其排出至流经的气流中。
上述实施例所具有的有利特殊特点为，该涂层上所能够使液体蒸发的有效外表面积至少大于突出表面积的100倍(100x)，优选至少大于1000倍(1000x)。应当了解的是，该涂层的外表面可以不规则形状，例如类似布列塔尼(Brittany)的海岸线。在这种情况下，就微观上可以获得远远大于突出表面积的有效表面积，并且由于紊流或是其他空气运动，可以局部产生边界层的非常有效的分解。
一个优选实施例所具有的特点为，这样设计露点冷却器的尺寸以及介质流动的数值，使得在次要流动中露点接近1℃以内。所述的尺寸设计可以根据本发明在上述规格的基础上通过依据深入的知识来设计露点冷却器而实现。
根据本发明的另一方面，露点冷却器可具有的特点为，分解装置包括有翼片，该翼片被体现为若干条片，每一条片大致为波形，每个条片的连续波形顶部可以被连接在壁部的一侧上，并且涂层基本上仅设置在远离壁部的每一条片的表面上。这种不带有涂层的翼片就其本身而言是已知的，例如来自于汽车散热器。就根据本发明的露点冷却器而言，它们非常有效。结合仔细选择的亲水性涂层，尤其是由多微孔波特兰水泥所构成的涂层，它们可以产生惊人的高效率。
如上所述，在关于热交换器的已有知识的基础上，可以以本发明的原理为基础精心设计根据本发明的露点冷却器，以实现高效率。在这方面，有一个变数是很重要的，其中利用了有关显著扩大涂层的有效外表面积的所述方面，其中该涂层以及液体的性质也相关于彼此而被选择，使得：
(a)对于壁部以及分解装置的每表面积单位，预定量的液体可在涂层中被缓冲：以及
(b)充满液体的涂层在横向于其主平面的热阻相对于热传导壁部与流经的次要介质之间的路径中的总热阻而言可以忽略。
可以选择性地使用一个可调节反向单元(adjustable reversing unit)，用来使主要介质流动的一部分在第一介质回路的出口处反向，以形成次要介质流动。在这种情况下，处于冷却状态的总主要介质流动(grossprimary medium flow)、净主要介质流动(net primary medium flow)被作为有效流动传送，而皮分支流动(tare branch flow)通过在作为次要介质的该分支介质中液体的蒸发，而对该总主要介质流动施加冷却效应。被总主要介质流动加热的皮分支流动作为损失排放到环境中，尤其是排放到室外环境中。次要流动可以具有如总主要流动30％的数值。
由于总流动与皮流动间的比率可以显著地影响露点冷却器的效率，一个实施例所具有的特点为，该主要流动与该主要流动的所述部分间的比率为可调整，使得可以调整露点冷却器的效率。
在结合后一方面的特定实施例中，根据本发明的露点冷却器具有的特点为，该调整用装置体现为主要回路中的可选择调整流通馈送(through-feed)，以及次要回路中的可选择调整流通馈送。像任何流动回路一样，该主要回路具有特定流动阻抗。这意味着，在一个次要回路被分支出来的情况下，其中将会发生一个特定流动，而这取决于主要回路以及次要回路的上游及下游中的流动阻抗。举例而言，在主要回路不可变的情况下，通过选择次要回路中的流动阻抗，可以调整相关流动速率之间的比率，以便调整露点冷却器的效率。也可以将一个可调节流通馈送的阀应用在次要回路及主要回路的上游。
为了尽可能地增强热传导，流动方向上的突出部分必须尽可能少地彼此干涉，这样，每个突出部分(例如翼片)会与几乎未受干扰的流动一起作用。在此方面，可以有利地使用一个实施例，其中突出部分具有相互偏移的关系。
在基本上在纵向传热的情况下，即在介质流动的方向(介质在彼此相反的方向上流动以获得最佳效率)上，本发明的露点冷却器所具有的优点为，突出部分在流动方向上具有有限长度，增强了热传递。
露点冷却器还具有的特点为，突出部分在流动方向上通过热传导性基本上较小的部分所隔开。
为了获得所希望的高效率，根据本发明的露点冷却器需要确保由分离部分所构成的涂层的良好润湿，其中，特别是不能余留任何干的表面部分。这是因为从而可以局部发生温度差，而这会导致不良的热流动而影响冷却器的效能。主要和次要回路中的热传导表面与分解装置的表面积之间的比率必须被进一步选定，以使得在给定所有预定条件的情况下，该主要与次要介质之间的热流动尽可能大。
本发明提供了制造一种显著提高效率的露点冷却器的选择，其中在主要回路出口处的温度在根据莫尔(Mollier)的所谓h-x图中达到至少85％RH(相对湿度)线处，并且其中在主要入口和次要出口之间发生相当大的温度降低，即2℃至3℃。应当注意的是，尽管希望尽可能接近饱和线(100％RH)，实际上的目标大约为85％的数值。
以下依据所附的图示对本发明予以阐述，其中：
图1示出带有一个主要回路以及一个次要回路的露点冷却器的方框图；
图2显示出相应于图1的露点冷却器的方框图，其中次要回路连接至主要回路的出口；
图3显示出一个露点冷却器的说明示例，其中该露点冷却器带有用于使主要介质流动的一部分反向的反向单元；以及
图4显示出一个露点冷却器的简化立体示意图。
图1显示出一个带有主要回路2及次要回路3的露点冷却器1。其中流动的介质为逆向流动，如箭头4及5所示。主要介质I通过一个入口6而流入，并且通过一个出口7而排出。泵、风扇、或这样的介质运送装置的图示被予以省略。次要介质II通过一个入口8而流入，并且通过一个出口9而离开交换器。象征性地分别示出了两个交错单元和歧管10、11，其连结位于该露点冷却器内的多个相互交错的通道，以形成用于各个主要及次要回路的各个单独导管。
在次要回路3中，热交换壁部通过润湿装置(图中并未示出)所润湿，用以使壁部上的水因流经的第二气流而蒸发，从而冷却壁部。
介质I及II与冷却器1以热交换方式相接触。在这个实施例中，该冷却器包括有：一个外部主要入口11、一个外部主要出口12、一个外部次要入口13、以及一个外部次要出口14。
图2与图1的实施例的不同尤其涉及一个方面，其中露点冷却器1的次要入口8接收一个介质流I”，其为总介质流I’的一个分支。流通的介质流I’通过歧管11’而通往出口12。流动速率I’以及I”的总和等于I。流动速率I”等于流动速率II。I’与I”之间的比率在很大程度上决定了该冷却器的效能，并且例如可以具有70∶30的数值。该介质流I可以被认为是一个总流动(gross flow)，亦即被导入装置的中的总介质流动。该流动I’为热处理流动，具体来说是冷却流动，其可以被表示为净流动(net flow)。介于总流动I与净流动I’之间的差异为分支流I”或II，其对应于如图1的流动II。此流动II流动通过该次要回路，并且在根据图2的构型中可以被标示为皮流动(tare flow)。位于出口4处的经热处理的、尤其是已被加热的介质被作为损失排放至外界。
图3示意性地给出了一个露点冷却器20。其包括一个主要回路I以及一个次要回路II。一个主要气流21流动通过该主要回路。一个次要气流22流动通过该次要回路II。这是主要气流21的一个分支，其本身继续作为部分流动21。
该露点冷却器包括有一个主要入口23、一个主要出口24、以及一个次要出口25，该出口形成了外壳26的一部分。一个风扇27提供了气流21的驱动。被置放在该外壳中的是一个热交换壁部28，其使该主要回路I与该次要回路II相分离。一个开口29设置在壁部中，其可以通过被致动器31所控制的阀30而关闭及开启。
在图示开启位置中，主要流动21的选定部分被分支成流动22的形式，而剩下的部分则继续作为流动21’。
壁部28支承主要翼片32以及次要翼片33。这些翼片用来使相关边界层分解，并用于增大壁部28的有效表面积。该次要翼片33提供有波特兰水泥涂层。这些翼片因而在表面上为亲水性，并且可以缓冲有一定量的水。这些水通过水导管34以及分配阀35而被供应至分配导管36。这确保该涂层的持续润湿。
流过的次要气流22使得涂层中的水份蒸发，这伴随着翼片33、壁部28、以及翼片32的冷却，主要流动21从而被冷却。主要出口流动21’因此具有比主要流动21小的流动速率，并具有降低的温度。该流动21’因此被用作有效冷却气流，用于例如空间冷却的用途。带有水蒸气的次要气流22可以被排放至外界。
在此并未示出未使用阀30的变型。流动21与22之间的比率从而为不可调整。
图4显示出一个露点冷却器50，其外壳为了清楚说明的故而予以省略。在此简化视图中，该露点冷却器包括三个热传导以及介质分离壁部51、52、53，而位于壁部的每一侧边上设置有单个的翼片54、55、56、57，这些翼片以一种锯齿状条片的形式而在相对于流动方向的横向延伸，这将在下文中予以描述。这些翼片在流动方向上具有有限长度，同时这些壁部51、52、53在翼片区域处是热传导的，并且在标注为57、57’、57”的各个翼片的条片之间分别具有绝热部分58、58’。因此在纵向方向上的热传导得以避免，交换器50从而具有极佳的效率。
所显示的四个通道的中间两个对应于主要回路I。被外壳(在图示中并未显示出来)所进一步包围的外侧两个通道界定出次要回路II。各个流动及回路以与图2中相同的附图标记来表示。
该露点冷却器50还包括有：一个带有喷嘴60的中央供水导管59，用于润湿设置有亲水性涂层的翼片54-57。这些翼片具有若干孔，由此来自喷嘴60的水可以使位于较低位置处的翼片完全润湿。剩余水通过图中未示出的装置所排放。可以从图示中看出，这些孔61被体现为狭槽。这些狭槽不是由冲压而来，而是通过在冲压机器中形成切口并从周围表面的主平面处挤压翼片材料所形成，使得产生一个百叶板型结构(louvered structure)。孔61的形式(现在被称作百叶板)使得其能够被分组为两个在流动方向上的连续百叶板组，分别以附图标记62及63标示。在此实施例中，在流动方向上位于最远上游的百叶板组以附图标记63标示。百叶板被设置成使得流动5被百叶板拦截，并转向翼片的另一侧，而转向的流动转而被百叶板组62拦截，并至少大体恢复其原始路径。此结构在流过的介质与翼片之间提供了极佳的热传递。
优选间断地给带有喷嘴60的供水导管59提供能量，以在被覆盖的一侧(亦即在次要皮介质流动II中的翼片54-57)上产生水。供水系统对涂层供水，翼片从而变为亲水性。应尽可能避免的是次要气流的直接润湿，因为这只能降低露点冷却器的效率。根据本发明，喷洒器的使用因此当然应该避免。蒸发只发生在被水所润湿的翼片涂层，可选择地，也可在壁部51、52、53的自由壁部部分提供亲水性涂层，这些自由壁部部分亦即以附图标记58及58’标示的不带翼片的区域。
根据本发明，供水略微过度可使得润湿的壁部、还包括翼片，被充分均匀地供水，并在任何位置处容纳有几乎相同的水量。因此，用于蒸发的驱动压力差(driving pressure difference)在任意处均被优化。流动速度以及紊流程度的良好选择提供了一种高效率。
这也是通常关注焓-交换器效率的地方，尤其是参照图4，在这一方面非常清楚。在通过主要热交换侧后，总空气流I的一个部分I”被沿着焓-交换器50的次要侧运载，用以通过上述方式吸收水蒸气。所吸收的已蒸发水的蒸发热量被用来将总主要气流I冷却到净主要气流I’的温度，净主要气流I’最终为所期望的空气，而被吹入相关空间中以进行冷却。总流动与皮流动之间的比率对于该露点冷却器的每一尺寸设计而言具有一最佳点。从主要总空气流处所吸取的热量乘以露点冷却器50的热效率。对于焓的次要吸取而言，大量使用供给水(irrigationwater)蒸发的潜热。因此，在次要侧上只需要较小气流就足够了。在典型的状况中，主要流动与次要流动间的质量流的比率值为2至3。
给翼片以及支承翼片的热交换壁部提供所需湿度分布(moisture-distributing)及湿度缓冲(moisture-buffering)性质的亲水性或吸湿性覆盖件或是表面处理，提供了两个供水周期之间蒸发水的储存。该覆盖层或涂层很薄，使得热阻几乎可忽略，主要介质流动与次要介质流动之间的热传递从而可以通过实际上不受干扰的方式产生。
在图4中未示出在热交换器50两侧上用来将两个外侧通道分别连结至两个内侧通道所需要的歧管部件。也没有示出从所示的流动I形成局部流动I’及I”所需要的装置。为此目的，可使用图3的装置或任何其他适当的装置。
因为根据图4的类型或是根据本发明的一般类型的露点冷却器中，产生一个小的驱动温度差，并且因为饱和蒸气压直接取决于温度，非常重要的是，要确保此温度差不会在该壁部中由于纵向传导(在流动方向上)而消除。这颗通过选择相对较小的壁厚，或通过在介质流动方向上的翼片之间配置分隔件来实现，其中分隔件是不导热的或其热传导可忽略不计。这些分隔件是以附图标记58、58’所标示的绝热部分。
为了在润湿侧上提供最大可能的物质传送，从而将水蒸发至次要介质流动所含的水蒸气中，在主要温度下(prevailing temperature)饱和的蒸气压与供应空气的蒸气压间的压力差必须尽可能大。饱和空气或是几乎饱和的空气使得该差异较小，这对于焓-交换器的效能产生不利的影响。露点冷却器优选在被供水的次要侧上具有部分未覆盖的表面，其将吸收水的空气再次进一步带离饱和点，使得水仍然能够通过一种最佳方式被吸收。这可以是吸收及加热蒸气的连续或不连续处理。
除了上述在提供有翼片的区域之间的热分离部，介于主要流动与次要流动间的中间壁部的热传导性并不重要。增强热传递的装置的导热性，尤其是在相关通道中从壁部延伸一定距离并因而必须将传导所吸收的热量传送至该壁部的翼片的导热性相当重要，必须妥善选择。在一个特定实施例中，在这方面，本发明使用了被折叠成齿状或锯齿状、并包括带有如图4所示的百叶板状孔的铜条片的翼片。

Claims (10)

1、一种露点冷却器，其包括有：
第一介质回路，以及通过一个至少部分传热的壁部而与该第一介质回路热连接的第二介质回路，两种单独的介质可以通过这两个回路逆流流动，其中，至少该第二介质包含一种气体，例如空气，其相对湿度小于100％；
该热传导壁部具有用于至少在活动区域位置处分解至少热边界层，层流边界层以及相对湿度边界层的分解装置，用于至少在主要介质中进行热传递，该分解装置包括有若干热传导突出部分，其扩大了壁部的有效热传导表面积；
其中，所述壁部的热传导表面以及该分解装置至少在第二介质区域中被例如吸湿性涂层的亲水性物质所至少部分地覆盖，该涂层例如是多孔性和/或可以通过毛细现象而吸收例如水的可蒸发液体，将其保持住并再次使其通过蒸发而释放，使得润湿的涂层以及热传导表面和分解装置被冷却；
用于主要介质的基于压力差的主要驱动装置，例如风扇或泵；
用于次要介质的基于压力差的次要驱动装置，例如风扇；以及
一个润湿单元，用于通过使液体从涂层处蒸发而使次要介质能够被可蒸发液体所润湿，使得该次要介质所含有的已蒸发液体从主要介质处通过热传导壁部吸取热量；其中，该涂层由多孔技术的陶瓷材料或纤维材料所构成，多孔技术的陶瓷材料例如是烧制层、如波特兰水泥的水泥，纤维材料例如是石绵等矿物棉，并且其中整个壁部的传热系数等于最小1W/m2K。
2、根据权利要求1所述的露点冷却器，其中，所述次要介质流动是从所述主要介质流动的端部分支出来的部分流动，并且具有例如其30％的数值。
3、根据权利要求1所述的露点冷却器，其中，所述涂层由塑料构成。
4、根据权利要求1、2、或3所述的露点冷却器，其中，所述涂层上所能够使液体蒸发的有效外表面积比其突出的表面积大至少100倍，优选为至少1000倍。
5、根据权利要求1所述的露点冷却器，其中，设计露点冷却器的尺寸并且介质流动具有的数值使得在次要流动中露点接近1℃以内。
6、根据权利要求第1项所述的露点冷却器，其中，所述分解装置包括有翼片，该翼片被体现为若干条片，每一条片大致为波形，每个条片的连续波形顶部可以被连接在所述壁部的一侧上，并且涂层基本上仅设置在远离壁部的每一条片的表面上。
7、根据权利要求4所述的露点冷却器，其中，所述涂层以及液体的性质相关于彼此而被选择，使得
(a)对于所述壁部以及所述分解装置的每单位表面积，预定量的液体可以在所述涂层中被缓冲；以及
(b)相对于热传导壁部与流经的次要介质之间的路径上的总热阻而言，充满液体的涂层在横向于其主平面上的热阻可以忽略。
8、根据权利要求1所述的露点冷却器，其中，所述突出部分具有相互偏移的关系。
9、根据权利要求1所述的露点冷却器，其中，所述突出部分在流动方向上具有有限的长度，增强了热传递。
10、根据权利要求1所述的露点冷却器，其中，所述突出部分在流动方向上通过热传导性基本上较小的部分所隔开。
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