CN1833151A - 冷却系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种流体冷却热交换器，包括：一个具有用于冷却流体的封闭环路的主热交换器；一个位于主热交换器上游的空气冷却器；一个风扇装置，可操作该风扇装置强迫空气通过该空气冷却器和主热交换器；以及一个流体分配器，可操作该流体分配器向受迫空气内分配液体。该流体分配器位于空气冷却器的下游和主热交换器上游。该空气冷却器包括一种吸湿材料，该吸湿材料在使用过程中保持潮湿而使受迫通过冷却器的空气在受迫通过主热交换器内的闭合环路的一部分之前通过蒸发作用冷却。

Description

冷却系统和方法

技术领域

本发明的系统和方法总体上涉及空气的冷却，并且更具体地涉及一种如下的系统和在该系统内冷却空气的方法，所述系统包括一个用来实现从冷却流体传递热量的热交换设备。本发明特别适于用于较大体积空气的冷却系统，例如在大型办公楼中的空气冷却等情况下需要较大的体积空气。

背景技术

通常需要对人们所处的区域进行某些形式的供热和/或冷却以使该区域保持合适的温度。在一些情况下，法规或协议要求一区域或房屋维持在一定的温度范围内。

因此，供热和冷却系统很早就产生了，并且存在于大多数现代建筑中，以在这些建筑中将温度维持在预定的温度范围内。

对例如办公楼等大型区域的供热和冷却来说，一般需要在起供热和/或冷却作用的装置和设备上进行大量的投资。

在温暖的气候环境中，安装有冷却塔的冷却系统已经成为用于大型建筑物的冷却系统的流行形式。在此类系统中，使用制冷气体来冷却空气，使该制冷气体通过第一热交换设备(蒸发器)，已经从空气中吸收了能量的制冷气体通到第二热交换设备(冷凝器)，在该处从该制冷气体中提取热量。为第二热交换设备供水，以实现对制冷气体的冷却，并且已经吸收了能量的水通常被传送到第三热交换设备(冷却塔)，以便为准备进一步使用而冷却这些水。虽然此类系统通常用于大型办公楼，但令人遗憾的是，冷却塔提供了利于滋生和传播已知为嗜肺军团杆菌(legionellapneumophilia)的细菌的环境。这种细菌通过空气传播，进而在冷却塔附近由人类吸入后会导致一种通常称为军团病(Legionnaires’Disease)的疾病的蔓延。

这种细菌首先于1976年在美国费城鉴别出来，并且从那时起，零星的或流行性的传染病已经在澳大利亚和许多其他国家发生。流行病学调查一般无法识别出准确的传染源，然而，一般认为冷却塔和配水系统是最有可能的源头。军团病通常表现为严重的肺炎，病人出现不适感、肌肉疼痛、头疼和发热的早期症状。病人逐渐变得呼吸短促并且该呼吸症状发展为肺炎，往往以呼吸停止而告终。军团病的发展通常伴随意识模糊和精神狂乱、呕吐和肾衰竭。这种疾病一般具有2到10天的潜伏期，虽然在澳大利亚经证实的军团病死亡率在过去六年中已经下降，但死亡仍然会发生。在1979年澳大利亚宣布军团病是须申报的疾病，一旦检测出来，所有病例必须由卫生专业人员报告给相关的卫生部门。

意识到冷却塔易于滋生和传播嗜肺军团杆菌，已经采取了多种途径减少冷却塔形成和传播细菌的可能性。更具体地，经常提出利用防腐剂、表面活性剂、生物杀伤剂和其他化学物质来处理冷却塔内的水，以便减少微生物的生长。

一般地，将广谱生物杀伤剂用于水处理过程，以便减少在冷却塔的水中的微生物总量。然而，在冷却塔系统的动态环境中，化学物质的性能与受控的实验室试验不同。例如，冷却塔的水在系统内不同的位置具有不同的温度以及不同的流速。许多系统内的其他参数——包括PH值、传导性、总的溶解固体、悬浮物和生物质量等也会随时间而变化。

从而，以广谱生物杀伤剂处理水的功效对于任何特定环境都不能事先确定，如此，除化学处理之外，需要对冷却塔的水随时取样以保障微生物的生长已限定在可接受的水平。除了生物杀伤剂的成本，随时取样的要求也会显著增加冷却系统维护成本。

也已提出使用臭氧，并且某些情况下已经成功地使用臭氧来减少微生物的生长。虽然臭氧是不稳定的化学物质，但它是一种很强的氧化生物杀伤剂，且必须借助于臭氧发生器在现场制造并立即用于水处理。臭氧杀菌对于在冷却塔的水中控制细菌水平是相对新型的技术，并且一般来说必须小心地根据制造商的建议来维护该发生器以保证最优的效率。除了臭氧发生器所需的大量资金投入外，对于此类系统防止微生物的生长和军团病的传播的效果等还存在疑问。

还提出使用紫外线来降低冷却塔水中的微生物水平。利用此类系统，冷却塔的水暴露于强度足够的紫外线辐射中，以减少水中的细菌。为使系统有效，保证水暴露于足够的紫外线辐射强度水平中是重要的。一般使用传感器来监控紫外线辐射强度，并且若传感器检测出功效降低则通常表明需要维护。紫外线辐射对于冷却塔的水的PH值、气味或化学成分没有影响。然而，水的颜色、温热和化学成分会干扰紫外线辐射的传播，如此，通常建议在安装紫外线设备之前确定要处理的水的紫外线吸收性。细菌可能会受到温热、团块或存在的粘质物的保护，因此通常推荐在安装紫外线辐射系统的同时对水进行适当的过滤。

尽管设计了这样一个系统来消灭细菌，但是紫外线对细菌的损害会通过酶修复机制而显著逆转，所述酶修复机制诸如在黑暗中工作而随后暴露于亮光下(光致复活作用)的机制等。同样，安装紫外线辐射系统涉及很大的资金投入，并且由于对这些系统的功效目前仍然存在疑问，其不是一个有吸引力的选择。

还提出了多种其他专有设备用来处理水，其包括将所处理的水暴露于电磁和静电场中的系统。但缺少结论性的科学上的证据证明这些专有设备对存在于所处理的水中的微生物具有显著影响。对于这些系统来说，如今已经在受控的实验室中进行了军团病细菌(legionella bacteria)的存活和生长的现场试验。

虽然过滤系统是用于减少水中微生物物质的最简单的方法，由于空间和重量限制，能去除微粒的全流量过滤设备对于大多数现存系统来说通常是不可行的。另外，这种过滤系统的相关安装和运行成本通常使得这种方法在经济上是不可行的。无论如何，对于任意类型的过滤系统来说，持续发生的用于逆流洗涤和更换过滤器的维护成本是必需的。

无论如何，在目前使用的水处理系统中，持续发生的水取样维护是不能避免的，并且必然增加了持续发生的运行安装有一冷却塔的冷却系统的维护成本。

在一个在先的申请中，本申请人公开了一种用于冷却系统的可选装置，在正常工作条件下，该装置消除了冷却系统产生空气传播的细菌(已知为嗜肺军团杆菌)的可能性。更具体地，申请人公开了一种包括一个冷却流体热交换器的冷却系统，该热交换器包括：具有用于冷却流体的封闭环路的主热交换器、位于主热交换器上游的空气冷却器、以及用来迫压空气通过该冷却器和主热交换器的风扇装置。在先前公开的装置中，空气冷却器包括一种保持在潮湿的环境中的吸湿材料，使得迫压通过冷却器的空气在被迫压经过主热交换器内的封闭环路的一部分之前通过蒸发作用进行冷却。

虽然这种包括用于冷却流体的封闭环路的装置通过将冷却流体保持在封闭环路内消除了冷却系统滋生空气传播的嗜肺军团杆菌的可能性，但是随后发现，与按照先前已公知的包括用于冷却流体的开放环路的解决方案操作规格相同的冷却系统相比，该装置的冷却能力大大降低。

为了获得与现有技术的系统相同的冷却能力，需要制造一个在物理上明显更大的设备，其包括用于冷却流体的预冷器以及封闭环路式热交换器。

在建筑物管理操作者通常设法更换或改建现有的开放环路式热交换器来消除当前冷却系统导致滋生空气传播的嗜肺军团杆菌的风险的情况下，包括预冷器和封闭环路式热交换器的设备的冷却能力降低的问题是一个至关重要的问题。在大量现有装置中，在房顶上能获得的物理空间是有限的，不可能用更大的封闭环路式热交换器装置替换现有的开放环路式热交换器。此外，随着物理尺寸的增加，此类设备的资金成本显著增加。

然而，冷却系统适应特定冷却能力的需求通常是基于建筑物在夏季所承受的热载荷的最恶劣情况。具体来说，通常在365天的周期中仅大约15到20天需要最大冷却能力。

因此，本发明的目的是提供一种冷却系统和冷却方法，该冷却系统包括：一个具有用于冷却流体的封闭环路的主热交换器设备，且在该主热交换器上游设有一个空气冷却器；和一个用于将空气迫压通过该冷却器和主热交换器的风扇装置，与先前公开的此类系统相比该系统具有改善的冷却能力。

对已经包括在本说明书中的文献、运作、材料、设备、物品等的讨论仅仅是为了为本发明提供前后呼应的背景。不应当认为任何或者所有这些事项形成了现有技术基础的一部分或者其是在本申请的每项权利要求的优先权日之前已存在的与本发明相关领域内的公知技术。

发明内容

一方面，本发明提供了一种流体冷却热交换器，它包括：

一个具有用于冷却流体的封闭环路的主热交换器；

一个位于主热交换器上游的空气冷却器；

一个风扇装置，操作该风扇装置而将空气迫压通过该空气冷却器和主热交换器；和

一个流体分配器，操作该液体器向所迫压的空气内分配流体，所述流体在空气冷却器的下游、主热交换器上游进行分配，

其中，所述空气冷却器包括在使用过程中保持水分的吸湿材料，从而使迫压通过冷却器的空气在被迫压过主热交换器内的闭合环路的一部分之前通过蒸发作用进行冷却。

由于具有用于冷却流体的封闭环路，因而保证了当冷却流体通过主热交换器时不会暴露于大气环境中，具体来说不会暴露于所迫压通过冷却流体热交换器的空气。冷却流体通过主热交换器时与所迫压通过热交换器的空气分离，这消除了滋生和传播通过空气传播的军团病细菌的风险。实践中，在冷却系统中，封闭环路可形成回路的一部分，在该处冷却流体从使用该流体来吸收热能的位置输送出，并随后被输送到冷却流体热交换器中以便释放冷却流体吸收的热能。

本发明对于提供一种减少空气传播的军团病细菌的滋生和传播风险的热交换器来说十分有用，同时还发现与吸湿垫结合的流体分配器显著改善了热交换器的冷却能力。因此，从较小的热交换器中可产生同等的冷却能力，从而对于特定的热负荷来说降低了热交换器的资金成本。因此，本发明还用于那些所用冷却流体并非是水(例如致冷剂)的场合。

与仅依赖迫压冷却空气通过主热交换器部分的情况相比，流体分配器的操作改善了冷却流体热交换器的冷却效率。由于流体分配器的操作具有将杂质沉积在主热交换器上(这会带来降低设备的热交换性能的后果)的潜在的不利之处，优选分配的流体仅在从冷却流体热交换器处需要较大的冷却能力的期间进行工作。然而，在另外一个实施例中，还可使用流体分配器来使主热交换器的外表面得以清洗。对主热交换器的清洗减少了可能积聚在主热交换器表面上的灰尘和污垢的数量。操作流体分配器来进行清洗可以预定时间间隔自动实施，且其有助于维持热交换器的传热性能。

当然，优选使用便宜并且可大量供应的流体。在一个特别优选的实施例中，用来分配的流体是大量供应的饮用水。然而，这种水通常包含溶于其中的杂质，例如钙，它们难以从水中去除。从水中有效去除溶解杂质的过滤工艺通常十分昂贵，因此通常认为是经济上不可行的。当大量供应的水应用到一个封闭环路式冷却热交换器时，在水蒸发之后，钙和其他杂质通常留在热交换器上成为沉积物。于是这些沉积物阻止了空气流过封闭环路式热交换器各部分，并且因此降低了设备的冷却效率。最终，需要维护热交换器，以清除积聚的沉积物，进而恢复设备的原始效率。

因此，最小限度的使用该分配流体降低了杂质在热交换器上的沉积速率，并因此降低了需要维护热交换器以清除沉积物的频率。在期望环境温度(以及由此对于特定建筑物的热负荷)与流体分配器不工作的情况相比需要更大的冷却流体热交换器冷却能力时，可通过致动流体分配器而手动实现流体分配器的工作。然而，在一个优选实施例中，流体分配器通过一个控制器致动，该控制器探测周围的环境状况并且使分配器操作且分配流体到所迫压的空气流中，直到不再需要通过分配流体来提供额外的冷却能力时。以此为基础的流体分配器的操作具有的优点是：在冷却流体热交换器的冷却能力按要求增加的同时将杂质在热交换器上的潜在沉积维持在最少。

在一个特别优选的实施例中，流体以喷洒细小液滴喷雾的形式分配。所分配的流体会沉降在热交换器的封闭环路多个部分上。与冷却流体相比，由于用于分配的流体源自另一个供应渠道，所分配的流体携带军团病细菌的风险大大降低。这主要是由于所分配的流体的温度与冷却流体的温度相比要低得多。

此外，在此实施方式中，在喷雾过程中插入无流体分配的间歇区段。一个具体的控制冷却流体热交换器的冷却能力的途径是根据探测到的周围的环境状况来调节喷雾的工作周期(即相对的开/关时间周期)。在一个具体实施例中，测量从热交换器流出的冷却流体的温度，并且当温度超过预定的第一极限值时致动流体分配器。当探测到的温度低于预定的第二极限值时，就通过控制器停用流体分配器。优选地，预定的第一极限值大于预定的第二极限值。

在一个可选实施例中，测量从热交换器中流出的流体的压力，并且当该压力超过第一预定压力时致动流体分配器。当探测到的压力低于第二预定压力时就通过控制器停用流体分配器。优选地，第一预定压力大于第二预定压力。在另外一个实施例中，当处于环境状况接近热交换器内的冷却流体的凝固点时的极冷条件下时，流体分配器还进行工作。在寒冷的环境中，分配装置内的流体很可能比主热交换器热。如果允许主热交换器内的冷却流体凝固，当流体从液态转换到固态时其体积膨胀会导致热交换器内的管道裂开并由此需要进行更换。在这种条件下致动流体分配器，使得温热流体被分配到主热交换器上，会阻止冷却流体凝固。在一个优选实施例中，主热交换器上连接一个温度传感器，用以测量热交换器机体的温度并且将表示温度的信号传送到一个控制器，从而当所测得的温度降到一预定水平时，致动流体分配器。可选地，可将一个温度传感器与冷却流体流体连通放置。

在任何情况下，重要的是控制落到主热交换设备上的流体量，以便控制流体中的杂质的影响，这些杂质会改变主换热设备的性能。

在一个实施例中，从空气冷却器中发出的冷却空气大致不再含有液态的流体，以避免流体杂质由于空气冷却器的作用而沉积在主热交换器上。在一个特别优选的实施例中，空气冷却器和主热交换器沿着空气从冷却器流向主热交换设备的路径隔开一段距离，以减少液态流体从空气冷却器出来进而碰撞主热交换设备的可能性。因此，流体碰撞热交换器的可能性仅仅是由于流体分配器作用的结果。

优选地，热交换设备包括多个空气入口和出口，且风扇装置设置在入口和出口之间并且可操作其而使得通过多个入口吸入空气以及通过多个出口排出空气。

空气冷却器可位于多个空气入口上方，从而通过风扇装置而吸入经过空气冷却器的空气在被吸入或迫压过主热交换器以及随后通过多个空气出口之前进行冷却。

在冷却流体是水时，冷却水优选在导热管(例如铜管)内通过主热交换器，且吸入的空气在该管上方通过并且带走穿经该管的水中的热量。

优选空气冷却器包括类似于在蒸发冷却装置内所使用的吸水材料，并且可包括木质纤维或者诸如以商标“CLEDEK”销售的冷却垫材料。潮湿的吸水材料通过蒸发作用冷却通过该材料的空气。这种效应一般在蒸发冷却系统中使用，并且从冷却流体中分离的水可通过使用与目前的蒸发冷却系统中相类似的装置供应到吸水材料。

水也是优选的待分配的流体。同样，由于水温不会上升到足够高的水平，落到主热交换器上的水不会形成任何滋生或传播空气传播的嗜肺军团杆菌的风险，从而避免了该风险。

流体从空气冷却器下游、热交换器的上游分配进入所迫压空气的额外冷却效果是各种作用效果的结果。

首先，在空气冷却器之后将流体分配到空气流中具有增加空气冷却器的饱和率的作用。例如，空气冷却器的饱和率可达到70-80％，而所分配的流体会产生大于80％的增加的饱和率，与从空气冷却器中释放的空气的温度相比，这具有进一步降低所迫压空气的干球温度的效果。

其次，在所分配的流体碰撞主热交换器表面上的情况下，存在其中所有互相热传导性接触的机体力图达到热平衡的热力学自然效应。在此情况下，沉降到相对较较热的封闭环路式热交换器上的相对较冷的分配流体将从热交换器上带走热能，进而使所沉降的流体的温度上升。如果所沉降流体的温度上升得足够高，流体可从液态转换到气态。

再次，迫压空气通过热交换器并且经过其上具有沉降流体的封闭环路式热交换器的部分，这降低了流体的蒸发压力(即流体从液态转换到气态的空气压力)。蒸发压力的降低增加了流体蒸发的可能性，并因此增加了从热交换器中提取热能以使流体转换状态的速率。

一般地，吸水材料垫将大体竖直地位于热交换器空气入口上方，水将施加到该吸水垫上部并将向下渗透而弄湿整个材料垫。在水以快于蒸发的速率施加到吸水材料垫的情况下，可在材料垫下方悬挂一个收集罐来收集流出的水。收集到罐中的流出的水可以通过将水抽回材料垫上部再运用而重新利用。

在一个特别优选的实施例中，将包括有多个尺寸小于7毫米的带槽开口的吸水材料垫用作空气冷却器的一部分。通常，在蒸发冷却应用场合中，使用具有多个7毫米的带槽开口的吸水材料垫。然而，在本发明的此实施例中，发现使用具有尺寸小于7毫米标准尺寸的带槽开口的材料垫提供了更有效率的冷却效果。该具体实施例还使用可变间距的风扇来抽吸空气通过主热交换器和空气冷却器垫。由于使用具有小于7毫米的带槽开口的材料垫而使得效率增加，在材料垫的整体尺寸减少的同时，仍然获得了与具有标准尺寸的带槽开口的材料垫相同的冷却效果。空气冷却器垫的整体尺寸的减少对于需要改造现有冷却塔装置的场合和在有限的物理空间内安装新的冷却流体热交换设备的场合下的安装是重要的。

在另外一个实施例中，冷却流体包括高度浓缩的氨，而主热交换器包括实现氨通过热交换器的通道的不锈钢管或铝管。在此具体实施例中，氨以气态进入主热交换器，并且一旦已经带走了热能，氨以液态释放。虽然以前氨已被用作冷却流体，但仅实施在较大型的装置中。由于应用空气冷却阶段以及将液体分配到冷却的迫压空气流中的流体分配器而产生的改善的冷却效果，可为较小的装置制造有效且经济上可行的使用氨作为冷却流体的流体冷却热交换器。在一个实施例中，冷却流体在工作过程中改变状态以实现热能传输。

另一方面，本发明提供了一种在冷却流体热交换器内冷却流体的方法，该方法包括下列步骤：

使冷却系统的冷却流体通过一个具有封闭的流体环路的主热交换器，从而容纳该冷却流体；

将一个空气冷却器置于主热交换器上游且将一个流体分配器置于空气冷却器的下游；以及

使空气流通过空气冷却器并且越过封闭流体环路的一部分，其中所述空气冷却器包括吸湿材料，该吸湿材料在使用时保持潮湿，使得通过该吸湿材料的空气借由蒸发包含于其中的流体以及操作流体分配器来将流体分配到所迫压的空气流中而被冷却。

在一个特别优选的实施例中，在一热交换能力范围内制造本发明的冷却流体热交换器，从而根据本发明的热交换器可用来替换具有相同热交换能力的现有冷却塔。

而在另外一方面，本发明提供了一种改造安装有该第一热交换器的冷却系统的方法，该方法通过以第二热交换器替换第一热交换器实现，该第一热交换器包括一个流体冷却热交换设备，在该处流体暴露于所抽吸通过该热交换器的空气，该第二热交换器包括：一个主热交换器；一个包括吸湿材料的空气冷却器，其中该吸湿材料在使用时保持潮湿，使得迫压通过空气冷却器的空气通过蒸发作用而被冷却；以及一个流体分配器，操作该流体分配器将流体分配到所迫压的空气流中，其中，该流体容纳在主热交换器中并且不会暴露于迫压通过该空气冷却器且随后通过该第二热交换器的空气中，所述方法包括下列步骤：

断开第一热交换器冷却流体入口和出口的连接；

重新将流体入口和出口连接到相应的第二热交换器的连接点上；以及

操作冷却系统。

在多数改造中，可能会移除第一热交换器来为第二换热设备提供空间，但这并非必需的。

在另一方面，本发明提供了一种冷却系统，其具有一流体冷却热交换器，其包括：

包括有用于冷却流体的封闭环路的主热交换器；

包括吸湿材料的空气冷却器，该吸湿材料保持潮湿，用于通过蒸发作用冷却空气，所述空气冷却器位于所述主热交换器上游；

风扇装置，可操作该风扇装置将空气迫压通过所述空气冷却器和所述主热交换器；以及

流体分配器，可操作该流体分配器而将流体分配到所迫压的空气流中；

其中，迫压通过所述空气冷却器的空气在被迫压越过所述主热交换器内的封闭环路的一部分之前受到冷却。

而在又一方面，本发明提供了一种冷却系统，其具有一流体冷却热交换器，其包括：

包括有用于循环流体的封闭环路的主热交换器；

包括吸湿材料的副热交换器，该吸湿材料在使用中保持潮湿，该副热交换器适于与所述主热交换器相联系而提供通过蒸发作用冷却的空气；以及

流体分配器，可操作该流体分配器来将流体分配到所迫压的空气流中。

在此说明书全文中，词“包括”应理解成意思是所述元件(整体或一阶段的)或元件组(整体或一阶段的)的包含物，而非任何其他元件(整体或一阶段的)或是元件组(整体或一阶段的)的排除物。

附图说明

现在参考附图描述本发明的一个示例：

图1是示出了包括一个冷却塔式换热设备的传统冷却系统的主要部件的示意图；

图2是示出了安装有一个空气冷凝器的冷却系统的主要部件的示意图；

图3是示出了安装有一个根据本发明一个实施例的热交换器的冷却系统的示意图；

图4A和4B分别是图3中热交换器设备的侧视图和侧剖图。

具体实施方式

参考图1，提供了安装有冷却塔的传统冷却系统的示意图。此类系统通常用于要冷却的空间较大的大型建筑物，并且通常设置为使大部分冷却系统位于建筑物地下室中而冷却塔位于建筑物的屋顶上。

在图1中，建筑物10具有安装好的冷却系统，该冷却系统包括一个制冷气体环路12，该环路12通过一个冷凝器14和一个蒸发器16。通过环路12的制冷气体流由一个压缩机18驱动并且通过膨胀阀20进行调节。建筑物10内的空气一般通过将空气抽吸穿过其中驻留了部分冷水环路22的管道而得以冷却。此过程实现了建筑物10内的空气的冷却。

出于冷却制冷气体的目的，将制冷气体通过冷凝器14。一般地，在大型建筑物中，制冷气体通过使用水而得以冷却。在从冷凝器14内的制冷气体中吸收热量后，水通过泵24被输送到冷却塔26中。如上所述，由于冷却塔通常较大并且在工作过程中发出相当大的噪音，通常把冷却塔放置到建筑物10的屋顶上。

来自冷凝器14的热水经过管子28行进到冷却塔26的水入口。然后，冷却塔26从水中提取热量并且通过管子30从冷却塔26抽吸冷水。

冷却塔通常通过采用空气流经冷却塔使部分水蒸发来实现从冷却水中带走热量。为了蒸发一部分水从而使水从液态转换到气态，需要热能，而这些热能从剩余的继续保持处于液态的水中提取。因此，随着热能从水中去除，塔内的水温降低。

最广泛使用的冷却塔形式使用了诱导通风逆流，其中空气借由一个位于冷却塔排放处的风扇而被抽吸通过该冷却塔。空气通过通风孔进入塔内并且以与经过该塔的冷却水流动方向相反的方向竖直通过该塔。另一类型的冷却塔具有安装在塔一侧上的风扇，而或被迫压或被诱导而通过冷却塔的空气以交叉流动的方式经过落下的水。无论如何，所有已知类型的冷却塔都涉及到将冷却水暴露于抽吸或迫压通过塔的空气中，并且会在通过泵24经管子30抽吸冷却好的水之前将水在水池中存储一段时间。因为使用诸如水等的流体来实现热交换以及将水泵至安装了热交换器的屋顶上以冷却水是较为便宜的，这种装置是得以普遍采用。

图2示出了一个可选的传统常规系统布置，其中该系统包括一个制冷气体40的封闭环路，该制冷气体借助于压缩机42压缩。制冷气体通过蒸发器46，在该处制冷气体从水环路48中吸收热能。建筑物35内的空气冷却以与图1所描述的系统相类似的方式发生。然而，与图1的系统相比，图2所示的系统不包括目的是从制冷气体中带走热能的水冷凝器和冷却塔装置。代之的是，将制冷气体从建筑物35的地下室泵到建筑物屋顶上以及通过空气冷凝器45。空气冷凝器45包括电动风扇(47和49)，其目的是将空气经空气入口抽吸通过空气冷凝器并且通过空气出口将吸入的空气排出。

通常，制冷气体容纳在导热的管子内，该管子以位于空气冷凝器45的区域内并且可通过空气流的曲折路径而形成。

图2所示类型的冷却系统通常用在设备室与空气冷凝器间的距离短得足以容许这样做的装置中。如果距离太长而使得输送气体是不可行的，那么就需寻求另外的装置。在热交换设备安装在建筑物屋顶的多数情况下，从设备室到热交换设备的距离过长，使得此类系统不可行。

本发明的一个实施例示于图3，其中，用于建筑物50的冷却系统包括一个制冷气体的封闭环路52，该环路52通过一个冷凝器54和一个在压缩机58附近的蒸发器56。经过封闭环路52的气体流通过一个膨胀阀60控制。蒸发器包括封闭的水环路62，其中热能已从该封闭的水环路62移除，从而该封闭水环路62可用于以与上面的描述(参考图1)类似的方式实现对建筑物50内的空气的冷却。至于图1所示的系统，冷凝器54作为一个热交换器工作，以从制冷气体的封闭环路52中提取热量。

在冷凝器54内从制冷气体的封闭环路52中移除热能是通过使用另外的流体——通常是水来实现的，该流体通过管子66而抽入冷凝器54中并且通过管子68带出冷凝器54。冷水是在泵70的控制下抽入并通过冷凝器54的。从冷凝器54排出的水由管道68输送到建筑物50的屋顶，并在该处进入屋顶上安装的热交换器75中。

热交换器75包括电动风扇(77和79)，该风扇运转而将空气抽吸通过热交换器。管子68通常是导热的并且以曲折的路径形成，并且以曲折路径形成的部分设置在当将空气吸入通过热交换器75时通过空气流的区域。导热的延伸部分可沿着管子形成为曲折路径的部分连接到管子68上，以便当空气在管子68和导热的延伸部分之上通过时，改善从管子68内的水中带走热量的效率。通常，导热的延伸部分包括由合适的导热材料形成的散热鳍片。在已经通过以曲折路径形成的管子部分之后，再使水经管子66流出屋顶上安装的热交换器75并且通过泵70的动作再次泵入冷凝器54中。

除了使冷却水通过遇到所迫动的空气流的管子部分之外，屋顶上安装的热交换器75还包括潮湿的吸水材料，该吸水材料悬挂在热交换器75的空气入口上方，从而被抽吸通过潮湿的吸水材料的空气在空气越过以曲折路径形成的管子68的部分之前借助于蒸发作用得以冷却。由于在越过携带有从冷凝器54中排出的水的管子之前将空气冷却，从该流体中带走热量的效率得以显著提高。

虽然图3没有详述流体分配器，但图4A和4B提供了热交换器75的侧视图和剖视图并且详示了在本发明一个优选实施例中的流体分配装置的位置。

参考图4B，热交换器75包括电动风扇(77和79)，该电动风扇(77和79)设置成将空气抽吸通过热交换器75。热交换器的侧壁(82和84)包括以曲折路径形成的导热管子，其携带来自冷凝器54的水，且位于空气流过热交换器75的区域中。该导热管子以曲折的路径弯曲而大致在整个经受空气流的区域上延伸，并且在图4B所示的剖视图中，该管子大体垂直延伸进入以及延伸出视图的平面。

在图4B详示的热交换器75的实施例中，侧壁82和84有效地形成了热交换器的两个边坡，其每个都用来消除经过其的水中的热能。在此方面，水穿过入口68和68a进入热交换器的边坡82和84，并且在穿过相应的热交换器边坡之后从对应的出口66和66a排出。水以“热”态穿过入口68和68a而进入热交换器的边坡82和84并且当从该处被提取热能之后，水以“冷”态穿过出口66和66a从热交换器的边坡82和84中排出。当然，入口68和68a可通过一个共用联管连接。类似地，出口66和66a也可以连接到一个共用联管上。

虽然可仅通过所抽吸经过热交换器边坡的空气的作用而从流经热交换器的边坡82和84的水中提取热能，但通过在热交换器75的空气入口上方悬挂潮湿的吸水材料，可显著提高从流经热交换设备的水中提取热量的效率。

参考图4B，吸水材料垫85和87悬挂在热交换器75的空气入口之上，从而在热交换器的边坡82和84之上通过的空气首先需穿过吸水材料垫85和87。

在一个优选实施例中，吸水材料垫85和87包括以商标“Celdek”销售的材料，并且这些材料垫85和87通过在入口90和92处将水施加到每个材料垫85和87的顶部而持续保持潮湿。在入口90和92施加的水最终向下滴流过吸水材料垫85和87，并基本上浸湿了整个材料垫。在材料垫85和87没有完全吸收施加到入口90和92的水的情况下，从每个材料垫底部流出的水可收集在一个罐子内(这里未详示)，通过一个泵(也未详示)使水回到水入口90和92处。

所吸入通过材料垫85和87的空气通过蒸发作用而得以冷却，并且该冷却空气从热交换器的边坡82和84之上通过会显著增加从流经这些热交换器边坡的水中提取热能的效率。

在一个特别优选的实施例中，使用包括多个直径尺寸小于7毫米的带槽开口的吸水材料垫作为空气冷却器的一部分。

虽然具有一定物理尺寸的热交换器与没有空气冷却器的装置相比冷却能力得以增加，其中，该热交换器具有用来从热交换器的边坡82和84中提取热能的已冷却空气，但是这种在冷却能力上所产生的改善对于各种环境条件可能是不充分的。这种装置的冷却能力可通过制造物理上更大的设备得以提高，该设备带有更长的曲折路径用来使水行经过热交换器边坡并且带有将冷却空气吸入通过的更大的材料垫。然而，这种热交换器物理尺寸的增加会显著增加成本。虽然增加的物理尺寸产生了增加的冷却能力，但是增加的冷却能力在热交换器的工作寿命内可能仅仅在一个较短的时间内是需要的。

在此情况下，显著增加成本来生产物理上较大的设备以提供所需的最大冷却能力很难说是合理的，并且通常被认为是经济上不可行的建议。此外，在建议安装本发明的热交换器作为现有技术中的热交换器的替换物的情况下，物理空间可能是受限，而以大很多的设备更换现有热交换器是不可能的。

本发明通过在无需增加设备的物理尺寸的情况下增加热交换器的冷却能力来克服该问题。在此方面，设置有一个流体分配器来协助从热交换器中提取更多的热能，该流体分配器工作时使流体沉降到空气冷却器和主热交换器之间的受迫空气流之中。

在一个优选实施例中，所分配的流体沉降到封闭环路式热交换器上，并且在此情况下，该操作会导致包含在该流体中且在流体蒸发后仍然存在于热交换器上的杂质的沉积。当该流体是水时，在蒸发后残存的主要杂质是钙，这些钙随着时间推移会积聚并且在热交换器表面上形成一个隔热层。这种沉积物还会积聚到足以堵塞通过热交换器的空气通道的程度。在热交换器具有细小地间隔开的散热鳍片的地方，钙的沉积物会易于堵塞鳍片之间的空气通道，进而降低了热交换器的工作效率。此外，杂质会导致主热交换器材料的腐蚀，因而减少热交换器的工作寿命。

虽然优选要避免杂质在主热交换器上的沉积，但在本发明中通过仅在需要增加冷却能力的时期内致动流体分配器在相当大的程度上地减少了杂质沉积的发生。因此，本发明在获得增加的冷却能力的同时使得杂质在主热交换器上的沉积最小化。

参考图4A和4B，管道101的入口95和96提供了使流体行进到流体分配器98和99的通道。电控阀门103位于每个管道101中，以响应来自控制器的信号而选择性地允许流体流到相应的分配器98和99中。每个相应的管道101从相应的分配器98、99大致向上延伸，从而在阀门103关闭期间使处于阀门103和分配器98、99之间的管道101内的流体通过分配器出口排出。通过保证水不会聚集和驻留在任何向分配出口供水的管道内，进一步减少了滋生嗜肺军团杆菌的风险。在图4A和4B的实施例中，分配器98和99以细小液滴喷雾的方式排出液体，随后，这些液滴由空气流迫压通过热交换器，从而一部分与主热交换器的外表面碰撞并且在上面沉降。与仅通过冷却空气相比，液滴的蒸发使得从主热交换器提取热量的速率增加。

在一个特别优选的实施例中，热交换器包括一个控制器，该控制器在需要增加冷却能力的期间致动流体分配器。例如，当从热交换器排出的冷却流体的温度上升超过第一预定极限值时，该控制方法能够规则地或周期性地间隔一段短的时间从分配器中输送流体。例如，第一预定极限值可以是31摄氏度。当冷却流体温度超过第一预定极限值时保持分配器致动，直到从热交换器中排出的冷却流体的温度下降到第二预定极限值之下。第二预定极限值优选至少低于第一预定极限温度2摄氏度，以避免分配器响应冷却流体温度相对预定极限值的微小波动而不停地致动和解除致动。

当在冷却流体的凝固点附近致动分配器时采取了类似的方法。在此情况下，当环境温度下降到低于第三预定极限值时致动分配器。第三预定极限值可以是3摄氏度。该分配器保持致动状态，直到环境温度超过大约为5摄氏度的第四预定极限值的时刻。

对于其目的是在最短的所需短时间内操作分配器以在需要增加冷却能力的期间内满足增加冷却能力的需求的情况来说，可采用另外的控制方法。

在一个特别优选的实施例中，使用了可变间距的风扇来将空气抽吸通过主热交换器和空气冷却器垫。使用具有直径小于标准直径之开口的吸水材料垫产生更有效的空气冷却效果，并且如此，在减少吸水材料垫的整体尺寸的同时可仍然提供与具有较大开口的材料垫相同的冷却效果。在换热设备必须符合物理空间限制的场合，材料垫整体尺寸的减少对于安装非常重要。在这些情况下，材料垫整体尺寸的减少可使得根据本发明的热交换设备对于特定的安装来说是一个可行的选择物。

在另外一个实施例中，冷却流体包括高度浓缩的氨，而主热交换器包括实现氨通过热交换器的通道的不锈钢管或铝管。虽然氨以前就已用作冷却流体，但是它一般仅限于在非常大型的设备中应用。然而，本发明热交换器的改善的冷却效果使得能够建造物理尺寸减少的包括氨冷却流体的热交换器，而其冷却能力与较大尺寸的传统热交换器差不多。因此，使用氨作为冷却流体的热交换器对于较小型的设备来说成为经济上更可行的选择。

结论

本发明具有很多优点，其中最重要的是提供了一种不会产生空气传播的军团病细菌的滋生和传播风险的可选热交换器。根据本发明的热交换器可用来替换现有的冷却塔式热交换器。在此方面，虽然已经提出了许多途径来克服冷却塔的缺点及其易于滋生和传播军团病细菌的性质，但这些途径多数涉及到冷却系统的不断发生的维护成本的大量增加。

与多数先前提议相比，本发明将冷却流体保持在完全封闭的环路内，从而冷却流体不会暴露于环境或大气中。如此，在一个根据本发明的系统中并且在正常的工作条件下，彻底消除了冷却流体向环境中传播军团病细菌的可能性。

包含一个流体分配器，其可操作用以向空气冷却器和主热交换器之间的迫压空气流分配流体，以增加设备的冷却能力，这使得可限制根据本发明的热交换器的物理尺寸并同时仍然能在热负荷峰值期间提供所需的冷却能力。

此外，通过维持地下室内的冷凝器的使用以及冷却流体向屋顶上的热交换器的泵送，本发明的装置本身特别适合替换现有的冷却塔装置。具体来说，通过从现有冷却塔上断开水入口和出口管道、移除冷却塔并且以根据本发明的热交换器替换且重新连接流体管道，可容易地实现从安装有冷却塔的现有冷却系统装置到根据本发明的系统的改造。

此外，在环境温度接近冷却流体的凝固点时的非常冷的条件下流体分配器的致动有助于阻止冷却流体从液态转变为固态。从而，使得热交换器内的管道由于冷却流体的体积膨胀而裂开的可能性最小化。此外，流体分配器的致动利于清洗主热交换器的外表面，减少了可能积聚的灰尘和污垢的数量，并因此有助于保持热交换器的热传导性能。

本领域普通技术人员可以理解，可根据在具体实施例中示出的本发明做出多个变体和/或改变而不背离宽泛描述的本发明的要旨或范围。因此现有实施例在各方面应视为例示性的而非限值性的。

Claims (28)

1、一种流体冷却热交换器，包括：

具有用于冷却流体的封闭环路的主热交换器；

位于该主热交换器上游的空气冷却器；

风扇装置，其可操作而将空气迫压通过该空气冷却器和主热交换器；以及

流体分配器，其可操作而将流体分配到所迫压的空气中，所述流体在空气冷却器的下游且在主热交换器上游进行分配，其中，所述空气冷却器包括一吸湿材料，该吸湿材料在使用中保持潮湿，使得所迫压通过冷却器的空气在被迫压过该主热交换器内的闭合环路的一部分之前通过蒸发作用而得以冷却。

2、如权利要求1所述的流体冷却热交换器，其中，所述流体分配器通过一个控制器致动，该控制器探测周围的环境状况并且当探测到预定的环境状况时致动所述分配器。

3、如权利要求2所述的流体冷却热交换器，其中，所述预定环境状况包括小于一预定极限值的环境温度。

4、如权利要求2或3所述的流体冷却热交换器，其中，所述分配器按照工作周期致动，该工作周期由所述控制器根据所探测到的周围环境状况而确定。

5、如权利要求2或3所述的流体冷却热交换器，其中，所述预定环境状况包括接近冷却流体凝固点的环境温度。

6、如权利要求2或4所述的流体冷却热交换器，其中，所述预定环境状况是该冷却流体的温度。

7、如权利要求2所述的流体冷却热交换器，其中，所述流体分配器通过探测从所述主热交换器中出来的冷却流体的温度并且当所探测到的温度高于一第一预定极限值时致动该分配器的控制器来致动。

8、如权利要求7所述的流体冷却热交换器，其中，所述流体分配器在所探测到的温度低于一第二预定极限值时通过所述控制器解除致动。

9、如权利要求7或8所述的流体冷却热交换器，其中，所述第一预定极限值大于第二预定极限值。

10、如权利要求2所述的流体冷却热交换器，其中，所述流体分配器由探测从主热交换器中出来的冷却流体的压力并且当所探测到的压力高于第一预定压力时致动该分配器的控制器致动。

11、如权利要求10所述的流体冷却热交换器，其中，所述流体分配器在所探测到的压力低于第二预定压力时控制器关闭。

12、如权利要求10或11述的流体冷却热交换器，其中，所述第一预定压力大于第二预定压力。

13、如上述权利要求中任一项所述的流体冷却热交换器，其中可致动所述流体分配器来清洗所述主热交换器的外表面。

14、如上述权利要求中任一项所述的流体冷却热交换器，其中，所述流体以喷洒细小液滴的形式分配。

15、如上述权利要求中任一项所述的流体冷却热交换器，其中，所分配的液体撞到所述主热交换器的表面，将热能从该主热交换器中带走。

16、如权利要求2至15中任一项所述的流体冷却热交换器，还包括一个连接到所述流体分配器上以对其供应流体的管道、一个位于该管道内用以响应来自控制器的信号选择性地允许流体流向分配器的电控阀门，其中该管道大体从分配器向上延伸到阀门，从而在阀门关闭期间，任何在阀门和分配器之间的管道内的流体都通过该分配器的出口排出。

17、如上述权利要求中任一项所述的流体冷却热交换器，还包括多个空气入口和出口，而风扇装置设置在入口和出口之间并且可操作该风扇装置通过所述多个入口吸入空气并且通过所述多个出口排出空气。

18、如上述权利要求中任一项所述的流体冷却热交换器，其中，所述流体在导热管内通过主热交换器。

19、如上述权利要求中任一项所述的流体冷却热交换器，其中，所述吸湿材料用水润湿。

20、如权利要求19所述的流体冷却热交换器，其中，用于润湿吸湿材料的水独立于要冷却的流体。

21、如上述权利要求中任一项所述的流体冷却热交换器，其中，所述吸湿材料包括多个带槽开口，而该开口的直径小于7毫米。

22、如上述权利要求中任一项所述的流体冷却热交换器，其中，所述冷却流体是水。

23、如权利要求1至21中任一项所述的流体冷却热交换器，其中，所述冷却流体是氨。

24、如权利要求1至21中任一项所述的流体冷却热交换器，其中，所述冷却流体在工作中改变状态而实现热量传递。

25、一种改造安装有一个第一热交换器的冷却系统的方法，该方法通过以一个第二热交换器替换该第一热交换器实现，该第一热交换器包括一个流体冷却热交换器，在该处流体暴露于吸入通过热交换器的空气，所述第二热交换器包括：主热交换器；包括有吸湿材料的空气冷却器，该吸湿材料在使用时保持潮湿而使受迫通过空气冷却器的空气借由蒸发作用和操作流体分配器来将流体分配到受迫空气流中而得以冷却，其中流体在主热交换器中容纳着并且未暴露于受迫通过空气冷却器且随后通过第二热交换器的空气中，该方法包括下列步骤：

断开第一热交换器冷却流体入口和出口的连接；

重新将流体入口和出口连接到相应的第二热交换器的连接点上；以及

操作冷却系统。

26、一种具有流体冷却热交换器的冷却系统，包括：

包括有用于冷却流体的封闭环路的主热交换器；

包括吸湿材料的空气冷却器，该吸湿材料保持潮湿，用于通过所述位于所述主热交换器上游的空气冷却器的蒸发作用而冷却空气；

风扇装置，可操作该风扇装置来迫压空气通过所述空气冷却器和所述主热交换器；以及

流体分配器，可操作该流体分配器来将液体分配到受迫空气流中；

其中受迫通过所述空气冷却器的空气在受迫越过所述主热交换器内的封闭环路的一部分之前受到冷却。

27、一种在冷却流体热交换器内冷却流体的方法，该方法包括下列步骤：

使一冷却系统的冷却流体通过一主热交换器，该主热交换器具有封闭的流体环路而使冷却流体容纳于其内；

使一空气冷却器位于主热交换器上游并且使一流体分配器位于空气冷却器的下游；以及

使空气流通过空气冷却器并且越过封闭流体环路的一部分，其中所述空气冷却器包括吸湿材料，该材料在使用时保持潮湿而使得通过该吸湿材料的空气通过蒸发包含于其中的流体和操作流体分配器来将流体分配到受迫空气流中而得以冷却。

28、一种具有流体冷却热交换器的冷却系统，包括：

包括有用于循环流体的封闭环路的主热交换器；

包括吸湿材料的副热交换器，该吸湿材料在使用时保持潮湿而使该副热交换器适于与所述主热交换器一起通过蒸发作用提供冷却的空气；以及

流体分配器，可操作该流体分配器将流体分配到受迫空气流中。

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