JP2017519182A - Improved evaporative condenser - Google Patents

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Abstract

冷却又は空調システムで使用するための蒸発凝縮器(10)は、凝縮コイルゾーン(13)に配置される1以上の凝縮コイル(12)を備える。コイルは、コイル内でシステムの冷媒を凝縮させる。凝縮器は、1以上の凝縮コイル(12)を濡らすための機構(14,15)も備える。凝縮器は、更に、自由水を、1以上の凝縮コイル及び濡らし機構(14,15)を通って流れた空気流Aから除去するように配置されているドリフトエリミネータ(30)を備える。凝縮器は、加えて、凝縮コイルゾーン(13)からドリフトエリミネータ(30)の方へ発散する発散ゾーン(40)であって、空気流が1以上の凝縮コイル(12)を通って流れると、空気流が、発散ゾーン40を通ってドリフトエリミネータ(30)へと流れるようになっている、発散ゾーン(40)を備える。An evaporative condenser (10) for use in a cooling or air conditioning system comprises one or more condensing coils (12) arranged in a condensing coil zone (13). The coil condenses system refrigerant within the coil. The condenser also includes a mechanism (14, 15) for wetting one or more condensing coils (12). The condenser further comprises a drift eliminator (30) arranged to remove free water from the air stream A flowing through the one or more condensing coils and the wetting mechanism (14, 15). The condenser is additionally a diverging zone (40) that diverges from the condensing coil zone (13) towards the drift eliminator (30), when the airflow flows through one or more condensing coils (12); A divergence zone (40) is provided in which the air flow is adapted to flow through the divergence zone 40 to the drift eliminator (30).

Description

冷却及び空調システムで使用するための改善された蒸発凝縮器及び蒸発凝縮プロセスが開示される。凝縮器及びプロセスは、化学冷媒(例えばヒドロフルオロカーボン)及び自然冷媒(例えば炭化水素(例えばプロパン及びイソブタン)、CO、アンモニア等)の両方で用いてもよい。 Improved evaporative condensers and evaporative condensation processes for use in cooling and air conditioning systems are disclosed. The condenser and process may be used with both chemical refrigerants (eg, hydrofluorocarbons) and natural refrigerants (eg, hydrocarbons (eg, propane and isobutane), CO 2 , ammonia, etc.).

既存の蒸発凝縮器は、様々な冷却及び空調システムにおいて、冷媒の凝縮により、排熱するために使用される。より詳細には、蒸発凝縮器は、1以上の濡らされる(例えばスプレーされる)凝縮コイルを備える。凝縮コイルは、凝縮コイルを空気流が通過することにより、冷媒を凝縮させるためのものであり、水の一部が蒸発することにより、凝縮コイルの冷媒から熱を除去し、凝縮コイル内で冷媒を凝縮させる。また、蒸発凝縮器は、ドリフトエリミネータ(又は、より単純にエリミネータであり、「ドリフト」は、除去されなければ大気へと通過するであろう水である)も備える。ドリフトエリミネータは、空気流が凝縮コイル及び水スプレーを通って流れるときに、空気流と共に通過する自由水(free water)を除去する。自由水の除去は、空気流を大気に解放する前になされる。   Existing evaporative condensers are used in various cooling and air conditioning systems to exhaust heat due to refrigerant condensation. More particularly, the evaporative condenser comprises one or more wetted (eg sprayed) condensation coils. The condensing coil is for condensing the refrigerant when an air flow passes through the condensing coil, and heat is removed from the refrigerant in the condensing coil by evaporating a part of the water, and the refrigerant in the condensing coil To condense. The evaporative condenser also includes a drift eliminator (or, more simply, an eliminator, where “drift” is water that will pass to the atmosphere if not removed). The drift eliminator removes free water that passes with the air flow as the air flow flows through the condensing coil and water spray. Free water removal is done before releasing the air stream to the atmosphere.

既存の蒸発凝縮器では、凝縮コイルの平面面積は、ドリフトエリミネータの平面面積と釣り合い、蒸発凝縮器を通る一定の空気流量及び空気流速度を保証する。   In existing evaporative condensers, the planar area of the condensing coil is commensurate with the planar area of the drift eliminator, ensuring a constant air flow rate and air flow velocity through the evaporative condenser.

既存の蒸発凝縮器では、熱交換効率は、凝縮コイル上を流れる空気の速度によって制限される。空気の速度は、今度は、ドリフトエリミネータが、ドリフトエリミネータを通過する空気から自由水を除去する能力によって制限される。既存の蒸発凝縮器では、このように除去された水は、凝縮コイルを濡らす際に再使用するためにリサイクルされる。しかし、ドリフトエリミネータを通って大気に流れる空気と共に通過する任意の水は、細菌、例えばレジオネラを含有することがあるので、可能な限り多くの自由水を空気流から除去することが要求される。   In existing evaporative condensers, the heat exchange efficiency is limited by the speed of air flowing over the condensation coil. The speed of the air is now limited by the ability of the drift eliminator to remove free water from the air passing through the drift eliminator. In existing evaporative condensers, the water thus removed is recycled for reuse when wetting the condensation coil. However, any water that passes through the drift eliminator with the air flowing to the atmosphere may contain bacteria, such as Legionella, so that as much free water as possible is required to be removed from the air stream.

例えば、多くの既存の蒸発凝縮器では、ドリフトエリミネータを通る最大空気速度を、3.5〜4m/sに規定して、十分な水の除去を保証することが知られているが、このような高い最大空気速度では、なお、除去されていない自由水と共にドリフトエリミネータを通る細菌(例えばレジオネラ)の著しいリスクがあると推測される。ドリフトエリミネータを通る、より安全な最大空気速度の3.5m/sが提案されている。しかし、このことは、今度は、凝縮コイル上を流れ得る空気の速度に対する限界を設定するであろう。   For example, many existing evaporative condensers are known to regulate the maximum air velocity through the drift eliminator to 3.5-4 m / s to ensure sufficient water removal. At high maximum air velocities, it is still assumed that there is a significant risk of bacteria (eg Legionella) passing through the drift eliminator with free water that has not been removed. A safer maximum air velocity of 3.5 m / s through the drift eliminator has been proposed. However, this in turn will set a limit on the velocity of air that can flow over the condensing coil.

上記の背景技術への参照は、必ずしも、技術が当業者の一般的な常識の一部を形成するという認識を構成しない。また、上記の参照は、本明細書で開示される凝縮器及びプロセスの用途を限定するように意図されない。   Reference to the background art above does not necessarily constitute recognition that the technology forms part of the common general knowledge of those skilled in the art. Also, the above references are not intended to limit the applications of the condensers and processes disclosed herein.

本明細書では、冷却又は空調システムで使用するための蒸発凝縮器が開示されている。本明細書で開示される蒸発凝縮器は、化学冷媒(例えばヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、ペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロオレフィン等)及び自然冷媒(例えば炭化水素、例えばプロパン及びイソブタン等、CO、アンモニア等)を凝縮させることができる。 Disclosed herein is an evaporative condenser for use in a cooling or air conditioning system. The evaporative condenser disclosed herein includes chemical refrigerants (eg, hydrofluorocarbons, hydrochlorofluorocarbons, perfluorocarbons, hydrofluoroolefins, etc.) and natural refrigerants (eg, hydrocarbons, eg, propane and isobutane, CO 2 , ammonia, etc. ) Can be condensed.

本明細書で開示される蒸発凝縮器は、1以上の凝縮コイルを備え、この凝縮コイルは、凝縮コイル内でシステムの冷媒を凝縮させるためのものである。1以上の凝縮コイルは、蒸発凝縮器の凝縮コイルゾーンに配置され得る。凝縮コイルゾーンは、一定の断面積を有する空気プレナムを備えてもよい。   The evaporative condenser disclosed herein comprises one or more condensing coils, which condense the system refrigerant within the condensing coils. One or more condensing coils may be located in the condensing coil zone of the evaporative condenser. The condensing coil zone may comprise an air plenum having a constant cross-sectional area.

また、本明細書で開示される蒸発凝縮器は、(例えば水でスプレーすることにより)1以上の凝縮コイルを濡らすための機構も備える。   The evaporative condenser disclosed herein also includes a mechanism for wetting one or more condensation coils (eg, by spraying with water).

本明細書で開示される蒸発凝縮器は、自由水を、1以上の凝縮コイル及び濡らし機構を通って流れた空気流から除去するように配置されているドリフトエリミネータを更に備える。   The evaporative condenser disclosed herein further comprises a drift eliminator arranged to remove free water from the air stream flowing through the one or more condensing coils and the wetting mechanism.

本開示によると、本明細書で開示される蒸発凝縮器は、凝縮コイルゾーンからドリフトエリミネータの方へ発散する発散ゾーンを備える。発散ゾーンの構成は、空気流が1以上の凝縮コイルを通って流れると、空気流が、発散ゾーンを通ってドリフトエリミネータへと流れるようになっている。例えば、発散ゾーンは、次第に増大する断面積を有する空気プレナムを備えてもよい。   According to the present disclosure, the evaporative condenser disclosed herein comprises a divergence zone that diverges from the condensation coil zone toward the drift eliminator. The configuration of the diverging zone is such that when the air flow flows through one or more condensing coils, the air flow flows through the diverging zone to the drift eliminator. For example, the divergence zone may comprise an air plenum having a gradually increasing cross-sectional area.

発散ゾーンは、凝縮コイルゾーンを流出する空気流の速度を減速させることができる。これは、凝縮コイル上を通過する空気の速度が、ドリフトエリミネータを通過する空気の速度に対して増加し得ることを意味する。このより高い速度は、チューブの汚れを低減することを助けることができる。   The divergence zone can reduce the speed of the air flow exiting the condensation coil zone. This means that the speed of air passing over the condensation coil can be increased relative to the speed of air passing through the drift eliminator. This higher speed can help reduce tube fouling.

更に、驚くべきことに、ドリフトエリミネータに対して減少した平面面積を有する凝縮コイル束が用いられ得ることが発見された。更にこのことにより、より少ない凝縮コイルが、同じ凝縮器性能のために必要とされる。これは、より低いコストの蒸発凝縮器を製造できることを意味する。なぜなら、凝縮コイル束が、このような凝縮器の唯一の最も高価な構成要素に相当するからである。   Furthermore, it has been surprisingly found that a condensing coil bundle having a reduced planar area relative to the drift eliminator can be used. Furthermore, this requires fewer condensing coils for the same condenser performance. This means that a lower cost evaporative condenser can be produced. This is because the condenser coil bundle represents the only most expensive component of such a condenser.

加えて、増加した冷媒の流れが、凝縮コイル束を通過してもよい。なぜなら、より大きな空気速度は、比較的多量の冷媒の凝縮を引き起こすことができるからである。   In addition, the increased refrigerant flow may pass through the condensing coil bundle. This is because higher air velocities can cause a relatively large amount of refrigerant to condense.

更に、これは、既知の溶融亜鉛めっき炭素鋼凝縮チューブを使用する代替として、より高価かつ/又はより強い材料(例えばステンレス鋼)を使用して、1以上の凝縮コイルを形成でき、その結果、より長い寿命、より少ない腐食、及び任意で、より薄いコイル(チューブ)の壁材を用いることができる。それにもかかわらず、好ましい場合、DN 8、10、15、及び20(スケジュール40)のシームレス、溶融シームレス亜鉛めっき炭素鋼チューブを、それでもなお使用して、1以上の凝縮コイルを形成してもよい。   In addition, as an alternative to using known hot dip galvanized carbon steel condensation tubes, more expensive and / or stronger materials (eg stainless steel) can be used to form one or more condensation coils, resulting in Longer life, less corrosion, and optionally thinner coil (tube) walling can be used. Nevertheless, if preferred, DN 8, 10, 15, and 20 (schedule 40) seamless, hot-dip galvanized carbon steel tubes may still be used to form one or more condensation coils. .

一実施形態では、1以上の凝縮コイルのうちのそれぞれは、ステンレス鋼チューブ(例えば304又は316ステンレス鋼であって、4.76〜31.8mmの外径及び0.5〜1.6mmの厚さのチューブ)を用いてもよい。304ステンレス鋼の使用は、より良好な伝導率を提供できるのに対し、316ステンレス鋼は、より良好な耐腐食性を提供できる。このようなチューブ材料は、亜鉛めっきされたマイルド(mild)炭素鋼の既知の凝縮コイルチューブと比較して、好ましく働くことができる。非常に小さな直径のチューブの使用は、特定の小規模の用途に適し得る。   In one embodiment, each of the one or more condensing coils is a stainless steel tube (eg, 304 or 316 stainless steel, with an outer diameter of 4.76-31.8 mm and a thickness of 0.5-1.6 mm. May be used. The use of 304 stainless steel can provide better conductivity, while 316 stainless steel can provide better corrosion resistance. Such a tube material can work favorably compared to known condensation coil tubes of galvanized mild carbon steel. The use of very small diameter tubes may be suitable for certain small scale applications.

ステンレス鋼チューブ材料の使用(すなわち、腐食/化学的耐性、冷媒耐圧強度の増加等のため)はまた、自然冷媒、例えばプロパン及び/又はイソブタン炭化水素、CO、アンモニア等を用いることも許容できる。 The use of stainless steel tube material (ie, due to corrosion / chemical resistance, increased refrigerant pressure strength, etc.) is also acceptable using natural refrigerants such as propane and / or isobutane hydrocarbons, CO 2 , ammonia, etc. .

一実施形態では、1以上の凝縮コイルは、束(例えば2以上の入れ子式(nested)コイルの束)として、凝縮コイルゾーンに配置されてもよい。例えば、凝縮コイルゾーンは、概ね一定の断面積の凝縮器のセクション(例えば、円形、四角形、長方形等の中空のセクションの空気プレナム)を備えてもよい。   In one embodiment, one or more condensing coils may be arranged in the condensing coil zone as a bundle (eg, a bundle of two or more nested coils). For example, the condensing coil zone may comprise a section of the condenser with a generally constant cross-sectional area (eg, an air plenum with a hollow section such as circular, square, rectangular, etc.).

一実施形態では、ゾーンの発散パートは、空気流を、徐々に減速させるように構成されていてもよい。   In one embodiment, the divergence part of the zone may be configured to gradually decelerate the air flow.

一実施形態では、発散ゾーンは、空気流が中を流れる中空の錐台(中空の空気プレナム)を備えてもよい。このような中空の錐台は、凝縮コイルプレナムの空気流出側に位置していてもよい。例えば、凝縮コイルプレナムが円形セクションである場合、発散錐台はそれぞれ、円錐台、又は四角形から円形の錐台状角柱を含み、凝縮コイルプレナムが四角形セクションである場合、発散錐台は四角形錐台を含んでもよい。   In one embodiment, the diverging zone may comprise a hollow frustum (a hollow air plenum) through which the air flow flows. Such a hollow frustum may be located on the air outflow side of the condensing coil plenum. For example, if the condensing coil plenum is a circular section, each diverging frustum includes a frustum, or a square to circular frustum-shaped prism, and if the condensing coil plenum is a quadrilateral section, the diverging frustum is a rectangular frustum. May be included.

一実施形態では、ドリフトエリミネータは、発散ゾーンの空気流出側に位置していてもよい。   In one embodiment, the drift eliminator may be located on the air outflow side of the divergence zone.

一実施形態では、凝縮器は、凝縮コイルゾーンの空気流入側に位置している吸気チャンバを備えてもよい。   In one embodiment, the condenser may comprise an intake chamber located on the air inflow side of the condensation coil zone.

一実施形態では、1以上の凝縮コイルを濡らすための機構は、1以上のスプレーノズルを備えてもよい。スプレーノズルは、1以上の凝縮コイルを通って流れる空気流と逆方向に、水を1以上の凝縮コイルにスプレーするように、発散ゾーンに対して配置されていてもよい。例えば、スプレーノズルは、発散ゾーンに配置されていてもよく、水を、概ね液体のコーン(cone)として、凝縮コイルゾーンにスプレーしてもよい。   In one embodiment, the mechanism for wetting one or more condensing coils may comprise one or more spray nozzles. The spray nozzle may be positioned relative to the divergence zone to spray water onto the one or more condensing coils in a direction opposite to the air flow flowing through the one or more condensing coils. For example, the spray nozzle may be located in the divergence zone, and water may be sprayed into the condensing coil zone as a generally liquid cone.

あるいは、1以上の凝縮コイルを濡らすための機構は、配水チャネル、例えば鋸歯状エッジ、内部スロット等を有する配水チャネルを備えてもよい。   Alternatively, the mechanism for wetting one or more condensing coils may comprise a water distribution channel, such as a water distribution channel having serrated edges, internal slots, and the like.

凝縮器は、(例えば吸気チャンバの底部に位置する)水回収ゾーンを備えてもよい。回収ゾーンは、凝縮コイルゾーンを通過した水を回収できる。   The condenser may comprise a water recovery zone (eg located at the bottom of the intake chamber). The recovery zone can recover the water that has passed through the condensation coil zone.

凝縮器は、回収した水を濡らし機構にリサイクルして、凝縮器の効率を最大化するためのリサイクルシステムを更に備えてもよい。一実施形態では、リサイクルシステムは、回収した水を、配管を通って濡らし機構に送り込むためのポンプを備えてもよい。例えば、取出パイプが、吸気チャンバの底部からポンプまで延びていてもよく、送達パイプが、ポンプアウトレットから濡らし機構まで(例えばスプレーノズル、配水管等まで)延びていてもよい。   The condenser may further comprise a recycling system for wetting the collected water and recycling it to the mechanism to maximize the efficiency of the condenser. In one embodiment, the recycling system may include a pump for wetting the collected water through the tubing and feeding it to the mechanism. For example, an extraction pipe may extend from the bottom of the intake chamber to the pump, and a delivery pipe may extend from the pump outlet to the wetting mechanism (eg, to a spray nozzle, water pipe, etc.).

一実施形態では、リサイクルシステムは、必要に応じて、蒸発凝縮器が効果的に運転するための所定量の水を(例えば水回収ゾーンに)維持するための水補給機構を更に備えてもよい。このような補給水は、ドリフトエリミネータによって除去された(捕捉された)水を含んでもよい。   In one embodiment, the recycling system may further comprise a water replenishment mechanism to maintain a predetermined amount of water (eg, in a water recovery zone) for effective operation of the evaporative condenser, if desired. . Such makeup water may include water removed (trapped) by a drift eliminator.

一実施形態では、蒸発凝縮器は、熱交換器(例えば、分離した、外側に位置する別個の熱交換ユニット)を更に備えてもよい。回収した水は、濡らし機構にリサイクルされる前に、熱交換器を通過してもよい。加えて、凝縮した冷媒は、熱交換器を通過して、リサイクルされる回収した水と熱を交換してもよい。このような熱交換器を使用して、凝縮した冷媒をサブクールし、蒸発凝縮器の運転効率を更に改善してもよい。   In one embodiment, the evaporative condenser may further comprise a heat exchanger (eg, a separate, externally located separate heat exchange unit). The recovered water may pass through a heat exchanger before being recycled to the wetting mechanism. In addition, the condensed refrigerant may pass through a heat exchanger to exchange heat with recovered water that is recycled. Such a heat exchanger may be used to subcool the condensed refrigerant and further improve the operating efficiency of the evaporative condenser.

本明細書では、凝縮コイルゾーンを通過した水を回収するための回収ゾーンを備える蒸発凝縮器を開示し、熱交換器を備えており、回収した水が、濡らし機構にリサイクルされる前に熱交換器を通過し、凝縮した冷媒が熱交換器を通過して、リサイクルされる回収した水と熱を交換する。   The present specification discloses an evaporative condenser with a recovery zone for recovering water that has passed through the condensing coil zone, is equipped with a heat exchanger, and the recovered water is heated before being recycled to the wetting mechanism. The condensed refrigerant that passes through the exchanger passes through the heat exchanger and exchanges heat with the recovered water that is recycled.

また、本明細書では、冷却又は空調サイクルの一部を形成する蒸発凝縮プロセスも開示されている。   Also disclosed herein is an evaporative condensation process that forms part of a cooling or air conditioning cycle.

プロセスは、冷媒に1以上の凝縮コイルを通過させるステップを含む。プロセスは、1以上の凝縮コイルを水で濡らすステップも含む。プロセスは、空気流に、濡れた1以上の凝縮コイル上を通過させることにより、冷媒をコイル内で凝縮させ、水の一部を空気流中に蒸発させるステップも更に含む。プロセスは、加えて、1以上の凝縮コイルを流出する空気流中に存在する水を除去するステップを含む。   The process includes passing the refrigerant through one or more condensation coils. The process also includes the step of wetting one or more condensation coils with water. The process further includes condensing the refrigerant in the coil by passing the air stream over one or more wet condensing coils and evaporating a portion of the water into the air stream. The process additionally includes removing water present in the air stream exiting the one or more condensing coils.

本開示によると、プロセスは、1以上の凝縮コイルを流出する空気流の速度を、空気流中に存在する水を除去する前に減速させるように実施される。   According to the present disclosure, the process is performed to reduce the velocity of the air flow exiting the one or more condensing coils before removing the water present in the air flow.

上記で概説したように、これにより、1以上の凝縮コイルの平面面積(したがって量)を、ドリフトエリミネータに対して減少させることができる(上記で概説した付帯する利点と共に)。   As outlined above, this allows the planar area (and hence the amount) of one or more condenser coils to be reduced relative to the drift eliminator (along with the attendant advantages outlined above).

本明細書では、1以上の凝縮コイルを通過する水を回収し、リサイクルして、1以上の凝縮コイルを水で濡らす、蒸発凝縮プロセスも開示されている。更に、このようなプロセスでは、回収した水をリサイクルして、1以上の凝縮コイルを濡らす前に、凝縮した冷媒と、回収した水との間で、熱を交換してもよい。   Also disclosed herein is an evaporative condensation process where water passing through one or more condensing coils is collected and recycled to wet one or more condensing coils with water. Further, in such a process, heat may be exchanged between the condensed refrigerant and the recovered water before the recovered water is recycled to wet one or more condensing coils.

本明細書で開示されるプロセスは、上記で説明される蒸発凝縮器で起こってもよい。   The process disclosed herein may occur in the evaporative condenser described above.

本明細書で開示されるプロセスでは、1以上の凝縮コイルで凝縮する冷媒は、自然冷媒(例えば炭化水素、例えばプロパン及び/又はイソブタン、CO、アンモニア等)又は化学冷媒(例えばヒドロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、ペルフルオロカーボン、ヒドロフルオロオレフィン等)を含んでもよい。 In the processes disclosed herein, the refrigerant that condenses in one or more condensing coils can be a natural refrigerant (eg, hydrocarbons such as propane and / or isobutane, CO 2 , ammonia, etc.) or a chemical refrigerant (eg, hydrofluorocarbon, hydro Chlorofluorocarbon, perfluorocarbon, hydrofluoroolefin, etc.).

1以上の凝縮コイルが配置されている凝縮コイルゾーン、及び凝縮コイルゾーンから離れる方向に延びる発散ゾーンを有する蒸発凝縮器の断面側面の概略を示す図である。It is a figure which shows the outline of the cross-section side surface of the evaporative condenser which has the condensing coil zone by which the 1 or more condensing coil is arrange | positioned, and the divergence zone extended in the direction away from a condensing coil zone. 図1の詳細を示す図であり、側面の熱交換器を更に含む蒸発凝縮器の変形例を図示する。It is a figure which shows the detail of FIG. 1, and shows the modification of the evaporative condenser which further contains the heat exchanger of a side surface. 図3Aは1以上の凝縮コイルが配置されている収束−発散ゾーンを有する蒸発凝縮器の断面の概略を示す図であり、図3Bは1以上の凝縮コイルが配置されている収束−発散ゾーンを有する蒸発凝縮器の側面の概略を示す図である。FIG. 3A is a schematic diagram showing a cross-section of an evaporative condenser having a convergence-divergence zone in which one or more condensation coils are arranged, and FIG. 3B shows a convergence-divergence zone in which one or more condensation coils are arranged. It is a figure which shows the outline of the side surface of the evaporation condenser which has. 図1と同様の蒸発凝縮器であるが、実施例による、異なるプロセスパラメータのための蒸発凝縮器の断面側面の概略を示す図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional side view of an evaporative condenser similar to FIG. 1, but for different process parameters, according to an embodiment. 実施例による、CO及び水の温度プロファイルを示すグラフである。 2 is a graph showing the temperature profile of CO 2 and water according to an example. 実施例による、CO熱容量プロファイルを示すグラフである。4 is a graph showing a CO 2 heat capacity profile according to an example. 実施例による、チューブ束を下方に流れる水流を示すグラフである。It is a graph which shows the water flow which flows down a tube bundle by an Example. 実施例による、総括伝熱係数及び圧力損失を示すグラフである。It is a graph which shows an overall heat-transfer coefficient and pressure loss by an Example. 実施例による、市販の遷臨界CO圧縮機に基づく排熱プロファイルを、飽和吸込温度5℃、有用吸込過熱5K、CO液体温度5℃において示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing an exhaust heat profile based on a commercially available transcritical CO 2 compressor at a saturated suction temperature of 5 ° C., a useful suction superheat of 5K, and a CO 2 liquid temperature of 5 ° C. according to an example. 実施例による、市販の遷臨界CO圧縮機の50Hz、30kW/27.2m/hでの性能を示すグラフである。According to the embodiment, it is a graph showing the performance of a commercial 50Hz of transcritical CO 2 compressor, 30kW / 27.2m 3 / h. 実施例による、NH、R22、R507A、プロパン及びR134aのCOPの飽和凝縮温度による変動を示すグラフである。According to the embodiment, it is a graph showing the variation due to NH 3, R22, R507A, saturated condensing temperature of propane and R134a the COP.

発明の概要で説明される凝縮器及びプロセスの範囲に属し得る任意の他の形態にかかわらず、具体的な実施形態を、添付図面を参照して、単に例として説明する。蒸発凝縮器、及び冷却又は空調システム/サイクルの一部を形成する蒸発凝縮プロセスの具体的な形態を説明する。   Regardless of the condenser and any other form that may belong to the scope of the process described in the Summary of the Invention, specific embodiments will be described by way of example only with reference to the accompanying drawings. Specific forms of evaporative condensers and evaporative condensation processes that form part of a cooling or air conditioning system / cycle are described.

10及び100と示される蒸発凝縮器の実施形態はそれぞれ、図1及び図2並びに図3A及び図3Bに示されている。蒸発凝縮器の実施形態10及び100は、(上記で説明された)化学冷媒及び自然冷媒の両方を用いることができる。図4〜図11は、実施例に説明される実施形態に関する。   The evaporative condenser embodiments designated 10 and 100 are shown in FIGS. 1 and 2 and FIGS. 3A and 3B, respectively. Evaporative condenser embodiments 10 and 100 may use both chemical and natural refrigerants (described above). 4 to 11 relate to the embodiment described in the examples.

図1〜図3では、蒸発凝縮器10及び100の同様の構成要素は、同様の番号を有しているが、図3の実施形態には100が加えられている。更に、簡潔にするために、下記の説明では、図3の実施形態に再度現れるこれらの同様の又は類似の構成要素を再度説明していないので、これらは既に説明されているものとして解釈されるべきであることが理解されるべきである。   1-3, similar components of evaporative condensers 10 and 100 have similar numbers, but 100 has been added to the embodiment of FIG. Furthermore, for the sake of brevity, in the following description, these similar or similar components that reappear in the embodiment of FIG. 3 have not been described again, so they are to be interpreted as already described. It should be understood that it should.

図1及び図2の好ましい蒸発凝縮器10は、2以上の入れ子式凝縮コイル束12を備え、入れ子式凝縮コイル束12内で、システムの選択された冷媒が(凝縮のために)流れている。凝縮コイル束12は、長方形の空気流プレナム13の形態の凝縮コイルゾーンに配置されている。   The preferred evaporative condenser 10 of FIGS. 1 and 2 comprises two or more nested condensing coil bundles 12 within which the selected refrigerant of the system flows (for condensation). . The condensation coil bundle 12 is arranged in a condensation coil zone in the form of a rectangular airflow plenum 13.

また、蒸発凝縮器10は、分配チューブ15に形成されているスプレーノズル14の形態の機構も備え、この機構は、凝縮コイル束12を水のコーン16でスプレーすることにより(例えば図示のように、速度3kg/m)、凝縮コイル束12を濡らすためのものである。あるいは、配水チャネル、例えば鋸歯状エッジ又は内部スロットを有する配水チャネルを用いてもよい。 The evaporative condenser 10 also includes a mechanism in the form of a spray nozzle 14 formed in the distribution tube 15, which can be achieved by spraying the condensing coil bundle 12 with a cone of water 16 (eg, as shown). , Speed 3 kg / m 2 ), for wetting the condensing coil bundle 12. Alternatively, a water distribution channel, such as a water distribution channel with serrated edges or internal slots may be used.

スプレーノズル14は、示されるように、凝縮コイル束12を通って流れる空気流と逆方向に、水を凝縮コイル束12にスプレーするように配置されている。   The spray nozzle 14 is arranged to spray water onto the condensing coil bundle 12 in the opposite direction of the air flow flowing through the condensing coil bundle 12 as shown.

また、蒸発凝縮器10は、凝縮器の上端部のファンハウジングに配置されているファンも備える。このような配置は、実際に、図3の実施形態において、凝縮器の最上端部に位置するファンハウジング120に配置されているファン118として示されている(図3Aを参照のこと)。同じ又は同様の配置を、図1及び図2の実施形態で用いることができる。この点について、ファンは空気を吸気口21から吸気チャンバ22内へ引き込み、吸気チャンバ22は、凝縮器10の下端の方へ配置されている。   The evaporative condenser 10 also includes a fan disposed in the fan housing at the upper end of the condenser. Such an arrangement is actually shown in the embodiment of FIG. 3 as a fan 118 located in a fan housing 120 located at the top end of the condenser (see FIG. 3A). The same or similar arrangement can be used in the embodiments of FIGS. In this regard, the fan draws air into the intake chamber 22 from the intake port 21, and the intake chamber 22 is disposed toward the lower end of the condenser 10.

図1及び図2の実施形態では、空気流Aは、例えば8.1m/sの体積流量で入り、最初にメッシュフィルタを通過した後、吸気チャンバ22内へ入り、その後、ファンによって、凝縮コイル束12を通って上方へ流れる。空気圧差は、ファンによって、例えば160Paに維持されてもよい。 In the embodiment of FIGS. 1 and 2, the air flow A enters, for example, at a volumetric flow rate of 8.1 m 3 / s, first passes through the mesh filter, then enters the intake chamber 22 and is then condensed by the fan. It flows upward through the coil bundle 12. The air pressure difference may be maintained at 160 Pa, for example, by a fan.

図3の実施形態では、空気流Aは、例えば3m/sの速度及び例えば23℃の湿球温度で入り、最初に、空気汚染に応じて任意のメッシュフィルタ124及び吸気スロット126を通過した後、吸気チャンバ122内へ入り、その後、ファン118によって、凝縮コイル束112を通って上方へ流れる。   In the embodiment of FIG. 3, the air stream A enters at a velocity of, for example, 3 m / s and a wet bulb temperature of, for example, 23 ° C., and first passes through an optional mesh filter 124 and intake slot 126 in response to air contamination. , Enters the intake chamber 122, and then flows upward through the condensing coil bundle 112 by the fan 118.

蒸発凝縮器10は、ドリフトエリミネータ30を更に備え、ドリフトエリミネータ30は、凝縮器内に、凝縮器の上端部に隣接して配置されている。ドリフトエリミネータ30は、自由水が凝縮コイル束12及びスプレーノズル14を通って流れると、自由水を空気流から除去する。   The evaporative condenser 10 further includes a drift eliminator 30, and the drift eliminator 30 is disposed in the condenser adjacent to the upper end of the condenser. The drift eliminator 30 removes free water from the air stream as free water flows through the condensing coil bundle 12 and the spray nozzle 14.

図1及び図2の実施形態では、蒸発凝縮器10は、長方形の空気流プレナム13を備え、そのすぐ後に、錐台形状プレナム40の形態の発散空気流ゾーンがある。長方形の空気流プレナム13は、四角形、長方形等の中空セクションの(例えば折り曲げて接合させたプラスチック又は金属のシート/プレートの)プレナムであってもよい。また、発散プレナム40は、(例えば折り曲げて接合させたプラスチック又は金属のシート/プレートの)中空セクションであってもよいが、錐台を規定するように形成されている。例えば、プレナム13が四角形セクションのプレナムである場合、発散プレナム40は、四角形又は長方形の錐台を備える。   In the embodiment of FIGS. 1 and 2, the evaporative condenser 10 comprises a rectangular airflow plenum 13 immediately followed by a diverging airflow zone in the form of a frustum-shaped plenum 40. The rectangular airflow plenum 13 may be a square, rectangular, etc. hollow section plenum (eg, a folded or joined plastic or metal sheet / plate). The diverging plenum 40 may also be a hollow section (eg, a plastic or metal sheet / plate joined by folding) but is formed to define a frustum. For example, if the plenum 13 is a square section plenum, the diverging plenum 40 comprises a square or rectangular frustum.

しかし、図3の実施形態では、蒸発凝縮器100は、収束空気流ゾーン135及び発散空気流ゾーン140の両方を用いており、これらは、中間の長方形の空気流プレナム113の両側に位置している。中間の長方形の空気流プレナム113は、凝縮コイル束112を収容している。プレナム113は、一定の断面積を有し、収束空気流ゾーン135及び発散空気流ゾーン140を相互連結する。中間の空気流プレナム113は、この場合も、四角形、長方形等の中空セクション(例えばシート/プレート)のプレナムであってもよい。収束空気流ゾーン135及び発散空気流ゾーン140は、この場合も、中空セクション(例えばシート/プレート)であってもよいが、それぞれ、錐台を規定するように形成されている。例えば、中間のゾーン113が四角形セクションのゾーンである場合、収束及び発散錐台は、それぞれ、四角形又は長方形の錐台を備えてもよい。   However, in the embodiment of FIG. 3, the evaporative condenser 100 uses both a converging airflow zone 135 and a diverging airflow zone 140, which are located on either side of an intermediate rectangular airflow plenum 113. Yes. An intermediate rectangular airflow plenum 113 houses the condensing coil bundle 112. The plenum 113 has a constant cross-sectional area and interconnects the convergent air flow zone 135 and the diverging air flow zone 140. The intermediate airflow plenum 113 may again be a square, rectangular or other hollow section (eg, sheet / plate) plenum. The converging air flow zone 135 and the diverging air flow zone 140 may again be hollow sections (eg, sheets / plates), but are each formed to define a frustum. For example, if the intermediate zone 113 is a square section zone, the converging and diverging frustums may each comprise a square or rectangular frustum.

図1及び図2の実施形態では、ファンは、空気流Aが既に、凝縮コイル束12において、ドリフトエリミネータ30よりも高い速度にあるように運転される。空気流Aは、凝縮コイル束12を通って流れると、発散空気流プレナム40内へ流れ、水コーン16を通過する。発散空気流プレナム40の断面積が次第に増加するので、空気流は、ドリフトエリミネータ30に達して通過する前に、許容可能な速度まで減速できる。蒸発凝縮器10、特に発散空気流プレナム40は、この速度が、環境上許容可能な最小量の空気流中の自由水が除去され得るレベルにあるように構成されている。この点について、ドリフトエリミネータ30における空気流量は、約3.5m/sまで減速し得る。   In the embodiment of FIGS. 1 and 2, the fan is operated such that the airflow A is already at a higher speed in the condensing coil bundle 12 than the drift eliminator 30. As the air stream A flows through the condensing coil bundle 12, it flows into the diverging air stream plenum 40 and passes through the water cone 16. As the cross-sectional area of the diverging air flow plenum 40 gradually increases, the air flow can be decelerated to an acceptable speed before reaching and passing through the drift eliminator 30. The evaporative condenser 10, particularly the diverging air flow plenum 40, is configured so that this speed is at a level where free water in the minimum environmentally acceptable amount of air flow can be removed. In this regard, the air flow rate in the drift eliminator 30 can be reduced to about 3.5 m / s.

ドリフトエリミネータ30は、発散空気流プレナム40の空気流出口のすぐ近くに配置されているので、空気流が必要以上に減速することが許容されないことが理解されるであろう。   It will be appreciated that because the drift eliminator 30 is located in the immediate vicinity of the air outlet of the diverging air flow plenum 40, the air flow is not allowed to decelerate more than necessary.

したがって、図1及び図2の実施形態は、収束空気流ゾーンを用いていない。むしろ、吸気チャンバ22から、凝縮コイル束12を通る空気流速度は、空気流が発散空気流プレナム40に達するまで、約5m/sであり、空気流は、ドリフトエリミネータ30での約3.5m/sまで、徐々に減速する。   Accordingly, the embodiment of FIGS. 1 and 2 does not use a convergent airflow zone. Rather, the air flow velocity from the intake chamber 22 through the condensing coil bundle 12 is about 5 m / s until the air flow reaches the diverging air flow plenum 40, and the air flow is about 3.5 m at the drift eliminator 30. Decelerate gradually until / s.

しかし、図3の実施形態では、凝縮コイル束112は、中間の空気流ゾーン113に配置されている。これらのゾーンの構成は、空気流Aが、収束空気流ゾーン135を通って、中間の空気流プレナム113に位置する凝縮コイル束112へと流れ、この際に加速するようになっている(例えば約5m/sに)。空気流Aは、凝縮コイル束112を通って流れると、発散空気流ゾーン140内へ流れ、水コーン16を通過し、ドリフトエリミネータ130に達する前に減速する。この場合も、ドリフトエリミネータ130は、発散空気流プレナム140の空気流出口のすぐ近くに配置されている。   However, in the embodiment of FIG. 3, the condensing coil bundle 112 is located in the intermediate airflow zone 113. The configuration of these zones is such that the airflow A flows through the converging airflow zone 135 to the condensing coil bundle 112 located in the intermediate airflow plenum 113, where it is accelerated (e.g. To about 5 m / s). As the air flow A flows through the condensing coil bundle 112, it flows into the diverging air flow zone 140, passes through the water cone 16, and decelerates before reaching the drift eliminator 130. Again, the drift eliminator 130 is located in the immediate vicinity of the air outlet of the diverging air flow plenum 140.

収束空気流ゾーン135は、空気流Aを、例えば徐々に加速させるように構成されている。逆に、発散空気流ゾーン140は、空気流を、例えば徐々に減速させるように構成されている。これは、中間の空気流ゾーン113を通って、凝縮コイル束112上を通過する空気の速度が、吸気チャンバ122内に入る空気の速度に対して、及びドリフトエリミネータ130を通る空気の速度に対して、増加することを意味する。例えば、描写される構成では、中間の空気流ゾーン113での空気流量は、ドリフトエリミネータを通る空気の速度3.5m/sの約2倍の約5m/sである(すなわち、約45%高い)。   The convergent air flow zone 135 is configured to gradually accelerate the air flow A, for example. Conversely, the diverging airflow zone 140 is configured to gradually decelerate the airflow, for example. This is because the velocity of the air passing over the condensing coil bundle 112 through the intermediate air flow zone 113 is relative to the velocity of the air entering the intake chamber 122 and to the velocity of the air through the drift eliminator 130. Means increase. For example, in the depicted configuration, the air flow rate in the intermediate air flow zone 113 is about 5 m / s (ie, about 45% higher) that is about twice the velocity of air 3.5 m / s through the drift eliminator. ).

いずれの実施形態でも、凝縮コイル束12,112上を通過する空気流量が増加する結果、驚くべきことに、ドリフトエリミネータ30,130に対して減少した平面面積を有する凝縮コイル束が用いられ得ることが発見された。更に、このように空気流量が増加する結果、より少ない凝縮コイルが、同じ凝縮器排熱(heat rejection)性能のために必要とされることが発見された。   In either embodiment, as a result of the increased air flow rate over the condensing coil bundles 12, 112, surprisingly, condensing coil bundles having a reduced planar area relative to the drift eliminators 30, 130 can be used. Was discovered. Furthermore, it has been discovered that as a result of this increased air flow, fewer condensing coils are required for the same condenser heat rejection performance.

結果として、より低いコストの蒸発凝縮器を製造できる。なぜなら、凝縮コイル束が、凝縮器の唯一の最も高価な構成要素に相当するからである。あるいは、既知の厚肉の溶融亜鉛めっき炭素鋼凝縮チューブをコイル束12,112で使用する代わりに、より高価かつ/又はより強い材料、例えばステンレス鋼を使用して、コイル束12,112を形成してもよい。このような場合には、より長いコイル寿命、より少ない腐食、及び、所望される場合、より薄いコイル束のチューブ用の壁材となる。この点について、コイル束12,112は、ステンレス鋼チューブ、例えば304又は316ステンレス鋼であって、4.76〜31.8mmの外径及び0.5〜1.6mmの厚さのチューブを備えてもよい。このようなチューブは、亜鉛めっきされたマイルド炭素鋼の既知の凝縮コイルチューブと比較して、良好に働くことが観察される。腐食及び化学的耐性、並びに冷媒耐圧強度の増加が、このようなステンレス鋼チューブ材料によって提供されるが、このような特性の増加は、自然冷媒、例えばプロパン及び/又はイソブタン炭化水素、CO、アンモニア等を、蒸発凝縮器10,100で用いることも許容する。 As a result, a lower cost evaporative condenser can be manufactured. This is because the condensing coil bundle represents the only most expensive component of the condenser. Alternatively, instead of using a known thick-walled hot dip galvanized carbon steel condensation tube in the coil bundles 12, 112, the coil bundles 12, 112 are formed using a more expensive and / or stronger material, such as stainless steel. May be. In such cases, a longer coil life, less corrosion, and, if desired, a wall material for thinner coil bundle tubes. In this regard, the coil bundles 12, 112 are stainless steel tubes, such as 304 or 316 stainless steel, with an outer diameter of 4.76-31.8 mm and a thickness of 0.5-1.6 mm. May be. Such a tube is observed to work well compared to the known condensation coil tube of galvanized mild carbon steel. Corrosion and chemical resistance, as well as increased refrigerant compressive strength, are provided by such stainless steel tube materials, but such increased characteristics are due to natural refrigerants such as propane and / or isobutane hydrocarbons, CO 2 , Ammonia or the like can be used in the evaporative condenser 10,100.

凝縮コイル上の空気流量が増加する別の結果として、増加した冷媒の流れが、凝縮コイル束12,112を通過し得る。なぜなら、より大きな空気速度は、比較的多量の冷媒の凝縮を引き起こすことができるからである。   Another consequence of the increased air flow over the condensing coil is that an increased refrigerant flow can pass through the condensing coil bundles 12,112. This is because higher air velocities can cause a relatively large amount of refrigerant to condense.

また、凝縮器10は、水盤50の形態の水回収ゾーンも備え、水盤50は、吸気チャンバ22の底部に(すなわち吸気チャンバ22に隣接して)位置している。水盤50は、凝縮コイルを通過した過剰のスプレー水を回収する。   The condenser 10 also includes a water recovery zone in the form of a basin 50 that is located at the bottom of the intake chamber 22 (ie, adjacent to the intake chamber 22). The basin 50 collects excess spray water that has passed through the condensing coil.

凝縮器の効率を最大化するために、凝縮器10は、更に、回収した水を、スプレーノズル14に供給するための分配チューブ15にリサイクルするためのリサイクルシステムを備える。この点について、リサイクルシステムは、回収した水を、配管を通って分配チューブ15に送り込むためのポンプ52を備える。ポンプ52は、取出パイプ54によって、水盤50から水を引き込む。このとき、送達パイプセクション56は、ポンプアウトレットから延び、分配チューブ15と接続する。   In order to maximize the efficiency of the condenser, the condenser 10 further comprises a recycling system for recycling the recovered water to a distribution tube 15 for supply to the spray nozzle 14. In this regard, the recycling system includes a pump 52 for sending the collected water to the distribution tube 15 through the piping. The pump 52 draws water from the basin 50 by the take-out pipe 54. At this time, the delivery pipe section 56 extends from the pump outlet and connects to the distribution tube 15.

また、リサイクルシステムは、蒸発凝縮器が効果的に運転するための所定量の水を水盤50に維持するための水補給器58(例えば383kg/h)も備える。このような補給水は、ドリフトエリミネータ30によって除去された(捕捉された)水の供給を含んでもよい。   The recycling system also includes a water replenisher 58 (for example, 383 kg / h) for maintaining a predetermined amount of water in the basin 50 for the evaporative condenser to operate effectively. Such make-up water may include a supply of water removed (trapped) by the drift eliminator 30.

図2の詳細に示される蒸発凝縮器の変形では、凝縮器10は、側面の熱交換器ユニット60を更に備えてもよい。水盤50の水は、送達パイプセクション56によって分配チューブ15にリサイクルされる前に、ポンプ52によって熱交換ユニット60に送り込まれてもよい。このようなユニットは、図3の実施形態にも適し得る。   In the variant of the evaporative condenser shown in detail in FIG. 2, the condenser 10 may further comprise a side heat exchanger unit 60. The water in the basin 50 may be pumped into the heat exchange unit 60 by the pump 52 before being recycled to the distribution tube 15 by the delivery pipe section 56. Such a unit may also be suitable for the embodiment of FIG.

この変形では、凝縮器チューブの凝縮した冷媒も、冷媒送達パイプ62経由で熱交換ユニット60を通過して、水盤50からのリサイクルされる水と熱を交換してもよい。熱交換ユニット60では、比較的低温の水盤の水が、凝縮した冷媒を、例えば30℃〜26.5℃付近にサブクールできる。これは、冷却システムの運転効率を更に改善できる。熱交換ユニット60を流れ64として流出する冷媒(例えばCO)は、サブクールされた温度(例えば26.5℃付近)にある。 In this variation, the refrigerant condensed in the condenser tube may also pass through the heat exchange unit 60 via the refrigerant delivery pipe 62 to exchange heat with the water recycled from the basin 50. In the heat exchange unit 60, the refrigerant in which the water in the relatively low temperature basin is condensed can be subcooled to, for example, around 30 ° C to 26.5 ° C. This can further improve the operating efficiency of the cooling system. The refrigerant (for example, CO 2 ) flowing out as the flow 64 through the heat exchange unit 60 is at a subcooled temperature (for example, around 26.5 ° C.).

本凝縮器及びプロセスの非限定的な例を提供して、凝縮器及びプロセスの理論上の基礎を示し、運転時の凝縮器及びプロセスをより良好に理解する。   Provide a non-limiting example of the present condenser and process, provide a theoretical basis for the condenser and process, and better understand the condenser and process during operation.

[実施例1−プロセス設計モデル]
蒸発凝縮器の亜臨界CO凝縮に適用するための設計モデル、例えば図1〜図3に描写される設計モデルを開発した。より具体的には、蒸発凝縮技術を亜臨界COの凝縮に適用する利益を調査した。このような利益としては、遷臨界(trans-critical)運転と比較して、より低い設計圧力、より少ないエネルギー消費、並びにより少ないランニングコスト及び運転コストが挙げられた。また、高温ガス除霜は、亜臨界CO冷却プラント運転の標準的な特徴になり得ることが注目された。
[Example 1-Process design model]
Design model for application to subcritical CO 2 condensation of evaporative condenser, developed a design model depicted in Figures 1-3, for example. More specifically, the benefits of applying evaporative condensation techniques to subcritical CO 2 condensation were investigated. Such benefits included lower design pressure, lower energy consumption, and lower running and operating costs compared to trans-critical operation. It has also been noted that hot gas defrosting can be a standard feature of subcritical CO 2 cooling plant operation.

しかし、第1に、アンモニアは、流入空気湿球温度24℃の蒸発凝縮器において、30℃で凝縮し得ることが注目された。開発された設計モデルでは、30℃(すなわち、臨界点よりも1.1K低い)で亜臨界COを凝縮するための蒸発凝縮器は、24℃の湿球温度で設計できることが示された。 First, however, it was noted that ammonia can condense at 30 ° C. in an evaporative condenser with an inlet air wet bulb temperature of 24 ° C. The developed design model showed that an evaporative condenser for condensing subcritical CO 2 at 30 ° C. (ie, 1.1 K below the critical point) can be designed with a wet bulb temperature of 24 ° C.

第2に、スペイン、イタリア、ギリシャ、及びトルコのより温暖な気候を含む、欧州の多くの平均気候条件は、蒸発凝縮器に適しており30℃で亜臨界COを蒸発凝縮することが注目された。カナダ、USAの広い範囲、中国、及び南回帰線よりも下のオーストラリアの大部分も、蒸発凝縮器を亜臨界CO凝縮に適用するのに適する気候を有することが注目された。30℃での亜臨界COの熱力学的特性、及び移送特性は、温度と共に著しく変化することが注目された。したがって、具体的な設計において、これらの変化が、CO温度プロファイル、伝熱、及び圧力損失について有する影響も示した。 Secondly, many European average climatic conditions, including the warmer climates of Spain, Italy, Greece and Turkey, are suitable for evaporative condensers and note that subcritical CO 2 evaporates at 30 ° C. It was done. It was noted that Canada, the wide range of the USA, China, and most of Australia below the southern regression line also had a climate suitable for applying evaporative condensers to subcritical CO 2 condensation. It was noted that the thermodynamic and transport properties of subcritical CO 2 at 30 ° C. changed significantly with temperature. Thus, in a specific design, we also showed the effect these changes have on the CO 2 temperature profile, heat transfer, and pressure loss.

例えば、平均気候条件の調査により、スペイン、イタリア、ギリシャ、及びトルコを含む、欧州の多くは、凝縮温度30℃以下で、常に、多くの場所で、亜臨界状態にあるCOの凝縮に、蒸発凝縮器が適用され得る気候を有することが明らかになった。例えば、5%の設計湿球温度発生率(design Wet Bulb temperature incidence)が24℃を超える欧州の唯一の場所はトルコのアダナであった(1%及び2.5%の湿球発生率設計レベルは26℃である)。ギリシャのテッサロニキでは、1%の湿球設計発生率は25℃であるが、2.5%及び5%の湿球設計発生率レベルは24℃である。次に高い1%の湿球設計発生率レベルである24℃は、ジブラルタル、バルセロナ、バレンシア、ミラン、イスタンブール、イズミルで生じた。 For example, according to a survey of average climatic conditions, many of Europe, including Spain, Italy, Greece, and Turkey, have condensation temperatures below 30 ° C. and always in many places to condense CO 2 in a subcritical state. It became clear that the evaporative condenser has a climate that can be applied. For example, the only place in Europe where the design wet bulb temperature incidence of 5% exceeds 24 ° C was Adana in Turkey (wet bulb incidence design levels of 1% and 2.5%) Is 26 ° C.). In Thessaloniki, Greece, the 1% wet bulb design incidence is 25 ° C, while the 2.5% and 5% wet bulb design incidence levels are 24 ° C. The next highest 1% wet bulb design incidence level, 24 ° C, occurred in Gibraltar, Barcelona, Valencia, Milan, Istanbul and Izmir.

最後に、COについて、蒸発凝縮器を温帯気候及び多くの亜熱帯気候で使用することは、CO冷却を任意の化学冷媒と同程度にどこでも使用できること、及び間接的な適用で使用される必要がある場合(例えばオフィスビル及び病院の暖房及び冷房)、アンモニアとうまく競合し得ることを結論付けた。 Finally, the CO 2, the use of evaporative condenser in temperate climates and many subtropical climate, may be used CO 2 cooled everywhere to the same extent as any chemical refrigerant, and should be used in an indirect application It was concluded that if there are (eg office buildings and hospital heating and cooling), it can compete well with ammonia.

約20年前に、CO冷却が再び流行したとき、空気冷却ガス冷却(air cooled gas cooling)(一部は、フィン付きコイルガス冷却器の吸気面に水をスプレーすることによる断熱補助(adiabatic assistance)を有する)が、ほぼ普遍的に適用された。この結果、事実上全てのCO冷却システムは、遷臨界モードで運転する必要があることが注目された。なぜなら、空気冷却温度は、COの臨界温度31.1℃に近く、又はこの温度を超えるからである。 About 20 years ago, when CO 2 cooling became popular again, air cooled gas cooling (partially adiabatic assistance by spraying water on the intake surface of a finned coil gas cooler) ) Has been applied almost universally. As a result, it was noted that virtually all CO 2 cooling systems need to operate in transcritical mode. This is because the air cooling temperature is close to or exceeds the critical temperature of CO 2 , 31.1 ° C.

大抵、空気冷却ガス冷却器からの夏設計CO出口温度は、臨界温度よりも高かったので、その結果、圧縮機が90bar以上の圧力で運転して、妥当なCOPを確保する必要があった。遷臨界CO圧縮機の夏設計COPは、一般に、空気冷却HFC又は蒸発冷却アンモニアシステムよりも低い。 Mostly, the summer design CO 2 outlet temperature from the air cooled gas cooler was higher than the critical temperature, and as a result, the compressor had to operate at a pressure of 90 bar or higher to ensure a reasonable COP. . The summer design COP of a transcritical CO 2 compressor is generally lower than an air cooled HFC or evaporatively cooled ammonia system.

したがって、凝縮器冷却媒体の温度を、完全な亜臨界CO冷却サイクルを可能にするレベルに低下させることが提案された。これは、周囲空気湿球(WB:Wet Bulb)温度が、効果的な冷却媒体温度である蒸発凝縮器で達成され、このとき、空気冷却凝縮器又はガス冷却器の場合の周囲空気乾球(DB:Dry Bulb)温度は用いられなかった。 Accordingly, it has been proposed to reduce the temperature of the condenser cooling medium to a level that allows for a complete subcritical CO 2 cooling cycle. This is achieved with an evaporative condenser in which the ambient air wet bulb (WB) temperature is an effective coolant temperature, where the ambient air dry bulb (in the case of an air cooled condenser or gas cooler) DB: Dry Bulb) temperature was not used.

注目される問題点としては、水供給、水消費及び水処理の必要性、並びに最低凝縮温度の制御が挙げられ、これは、現在、いくつかの圧縮機供給業者によって義務付けられている。別の問題点は、意図しない遷臨界状態を取り扱う制御戦略であった。これらの問題点に対処する推奨策が作成された。   Notable issues include water supply, water consumption and water treatment needs, and control of minimum condensation temperature, which is currently mandated by some compressor suppliers. Another problem was the control strategy for handling unintended transcritical states. Recommendations have been made to address these issues.

[CO蒸発凝縮器のための評価モデル]
[評価例]
図4は、ここから更に説明される蒸発凝縮器の概略フローシートを示す。図4のフローシートでは、水がチューブバンク上でリサイクルされ、スプレー水温度は水盤水温度と同じようになっていた。
[Evaluation model for CO 2 evaporation condenser]
[Evaluation example]
FIG. 4 shows a schematic flow sheet of an evaporative condenser that will now be further described. In the flow sheet of FIG. 4, water was recycled on the tube bank and the spray water temperature was the same as the basin water temperature.

規定されるパラメータは、(a)空気速度並びに湿球温度及び乾球温度、(b)スプレー水流量、(c)束寸法、並びに(d)30℃及び7.2MPaの飽和液体を含む流出COであった。 The parameters specified are: (a) air velocity and wet bulb temperature and dry bulb temperature, (b) spray water flow rate, (c) bundle size, and (d) effluent CO containing saturated liquid at 30 ° C. and 7.2 MPa. 2 .

[蒸発冷却器の質量及びエネルギーバランス]
Qureshi(2006)及びHeyns(2009)は、蒸発冷却における空気−流体相互作用を説明する5つの同時非線形微分方程式を公開した。
[Mass and energy balance of evaporative cooler]
Qureshi (2006) and Heyns (2009) have published five simultaneous nonlinear differential equations that explain air-fluid interactions in evaporative cooling.

パス長を40の間隔に分割し、Microsoft Excelスプレッドシートの後ろのMicrosoftのVBAで書かれる4次Runge−Kuttaルーチンを使用して、プログラムを書くことによって、式を解いた。解法は試行錯誤であった。なぜなら、空気入口における水盤水温度は、空気出口における計算された水温度と同じになるまで、反復的に推測され、調節されたからである。   The equation was solved by writing the program using a fourth-order Runge-Kutta routine written in Microsoft VBA behind the Microsoft Excel spreadsheet, dividing the path length into 40 intervals. The solution was trial and error. This is because the basin water temperature at the air inlet was repeatedly estimated and adjusted until it was the same as the calculated water temperature at the air outlet.

解法は、チューブパス(tube pass)に沿って、CO出口から入口へと、「逆に」進行した。飽和液体冷媒が30℃である吸気口から出発し、まるで加熱するように、上方へ進行し、計算された排出温度の過熱蒸気で終わった。プログラムは、2相凝縮及び単相蒸気脱過熱(de-superheating)の両方を可能にした。 The solution proceeded “reversely” from the CO 2 outlet to the inlet along the tube path. The saturated liquid refrigerant started from the inlet at 30 ° C., proceeded upwards as if to heat, and ended with superheated steam at the calculated exhaust temperature. The program allowed both two-phase condensation and single-phase steam desuperheating.

[モデルの検証]
数値解法を有効にできる5つの式に対する解析的解法はなかった。しかし、次の2つの発見が注目された:流出及び流入水温度が等しい場合、(a)COエンタルピー変化は、湿り空気エンタルピー変化と等しく、(b)30℃でのアンモニア凝縮について計算された熱負荷は、単純化された一定凝縮温度に基づくMerkelモデル(Merkel,1926)を使用して計算された負荷の9%以内であった。
[Model validation]
There was no analytical solution for the five equations that could validate the numerical solution. However, the following two findings were noted: if the effluent and influent temperatures were equal, (a) the CO 2 enthalpy change was equal to the wet air enthalpy change and (b) calculated for ammonia condensation at 30 ° C. The heat load was within 9% of the load calculated using the Merkel model based on a simplified constant condensation temperature (Merkel, 1926).

[モデル予測]
図5及び図6は、CO及び水の温度プロファイルを示す。CO温度プロファイルの形状(図5)は、驚くべきものであり、予想よりも大幅に平坦であった。交換器表面の約37%にわたって、CO蒸気温度は、間隔番号29において、32℃から30℃に低下しただけであった。これは、30℃のすぐ上での非常に高い熱容量(図6)の結果であった。
[Model prediction]
5 and 6 show the temperature profile of CO 2 and water. The shape of the CO 2 temperature profile (FIG. 5) was surprising and was much flatter than expected. Over approximately 37% of the exchanger surface, the CO 2 vapor temperature only decreased from 32 ° C. to 30 ° C. in interval number 29. This was the result of a very high heat capacity (Figure 6) just above 30 ° C.

モデルは、交換器表面の67%が、顕熱冷却(sensible cooling)のために必要であるであろうと予測した。COについて、臨界点に近い30℃でのエンタルピーデータは、排熱の68%が顕熱冷却であることを示した。これは、顕熱冷却が10%のみであるアンモニアとは異なる。 The model predicted that 67% of the exchanger surface would be required for sensible cooling. For CO 2 , enthalpy data at 30 ° C. near the critical point showed that 68% of the exhaust heat was sensible heat cooling. This is different from ammonia where sensible heat cooling is only 10%.

水温度プロファイルは、顕熱冷却が比較的小さいプロファイルと比較して、左に歪められ、臨界点に近いCOについて、顕熱冷却のより大きな割合を反映した。 The water temperature profile was distorted to the left and reflected a larger proportion of sensible heat cooling for CO 2 near the critical point compared to a profile with relatively small sensible heat cooling.

[水の蒸発]
図7は、チューブ束を下方に流れる水流を示す。別の驚くべきことは、束の上部において、水が空気へと蒸発しないことであった。ここで、水温度は低いが上昇しており、水は、空気−水界面における絶対湿度(humidity ratio)よりも高い絶対湿度で、空気と接触したので、多少の凝縮が起こり、水流が増加した。
[Evaporation of water]
FIG. 7 shows the water flow flowing down the tube bundle. Another surprising thing was that water did not evaporate into the air at the top of the bundle. Here, the water temperature is low but rising, and since the water is in contact with air at an absolute humidity higher than the absolute humidity at the air-water interface, some condensation occurs and the water flow increases. .

[特性変化の影響]
図8は、熱容量、密度、粘度、及び熱伝導率の変化が、総括伝熱係数及び圧力損失に与える影響を、それぞれの解法間隔(solution interval)にわたって図示する。間隔ゼロは、高温の排出ガスが入る場所であった。総括伝熱係数は、CO温度が32℃に近付くと、相当上昇し、対応して、蒸気相が2相に転移すると、1メートル当たりの圧力損失は減少した。
[Influence of characteristic changes]
FIG. 8 illustrates the effect of changes in heat capacity, density, viscosity, and thermal conductivity on the overall heat transfer coefficient and pressure loss over the respective solution intervals. The zero interval was where hot exhaust gases entered. The overall heat transfer coefficient increased considerably as the CO 2 temperature approached 32 ° C., and correspondingly the pressure loss per meter decreased as the vapor phase transitioned to two phases.

モデルでは、式(3)のルイス数に0.845を使用した。ルイス数1.00では、同じ熱負荷のために必要とされる表面積が、1.4%のみ減少した。   In the model, 0.845 was used for the Lewis number in equation (3). At the Lewis number of 1.00, the surface area required for the same heat load was reduced by only 1.4%.

[意見]
モデリングした事例は、30℃でのCOの凝縮が臨界点に非常に近いという点で、極端であった。より低い凝縮温度において、顕熱冷却の割合が減少し、温度による特性の変動が大幅に減少するであろうことが注目された。図9を参照した。
[opinion]
The modeled case was extreme in that the condensation of CO 2 at 30 ° C. was very close to the critical point. It was noted that at lower condensing temperatures, the rate of sensible cooling would decrease and the variation in properties with temperature would be greatly reduced. Reference was made to FIG.

単純化されたMerkelモデルによって予測される排熱は、30℃でのCO凝縮の微分モデルよりも約22%低かったことが更に注目され、これは、顕熱冷却の著しい割合を考えると、予想外ではなかった。 It is further noted that the exhaust heat predicted by the simplified Merkel model was about 22% lower than the differential model of CO 2 condensation at 30 ° C., given the significant rate of sensible cooling, It was not unexpected.

[CO圧縮機亜臨界エネルギー性能]
[凝縮温度がサイクル性能に与える影響]
図10では、5つのCOPプロットを、行程容積27.2m/h、50Hz及び30kWの4極モータの市販の半密封遷臨界CO圧縮機について作成した。
[CO 2 compressor subcritical energy performance]
[Effect of condensation temperature on cycle performance]
In FIG. 10, five COP plots were generated for a commercially available semi-sealed transcritical CO 2 compressor with a 4-pole motor with a stroke volume of 27.2 m 3 / h, 50 Hz, and 30 kW.

図10の曲線1を参照すると、+10℃の飽和吸込温度(SST:Saturated Suction Temperature)において、COPは、6.27(+30℃の飽和凝縮温度(SCT:Saturated Condensing Temperature)において)〜18.0(+16℃のSCTにおいて)の範囲であった。+10℃のSSTは、1Kの沸点降下に相当する吸込圧力低下で、+11℃の蒸発温度(ET:Evaporating Temperature)を許容するであろう。11℃は、空調(AC:Air Conditioning)空気の直接冷却のために、合理的に効率的な蒸発温度として注目され、冷却コイルを横切って、空気温度の比較的大きな拡散を可能にするので、循環する必要があるであろう空気の体積を限定し、これによりファンエネルギー消費及びその結果の寄生熱負荷(parasitic heat load)を減少させた。これは、今度は、圧縮機への必要とされるエネルギーインプットの減少につながることにより、システム全体としての総合的なエネルギー効率を上昇させるであろう。   Referring to curve 1 in FIG. 10, at a saturated suction temperature (SST) of + 10 ° C., the COP is from 6.27 (at a saturated condensation temperature (SCT) of + 30 ° C.) to 18.0. (In SCT at + 16 ° C.). An SST of + 10 ° C. would allow an evaporation temperature (ET) of + 11 ° C. with a suction pressure drop corresponding to a boiling point drop of 1K. 11 ° C. is noted as a reasonably efficient evaporation temperature for direct cooling of AC (Air Conditioning) air, and allows a relatively large diffusion of air temperature across the cooling coil, The volume of air that would need to be circulated was limited, thereby reducing fan energy consumption and the resulting parasitic heat load. This in turn will increase the overall energy efficiency of the entire system by leading to a reduction in the required energy input to the compressor.

曲線2は、+5℃のSSTで、30℃から16℃のSCTにおいて、4.45から11.67の範囲のCOPを示した。これは、既存の建物に追加導入し、新しい建物に適用するためのAC用の冷水生産を可能にするであろう。   Curve 2 showed a COP ranging from 4.45 to 11.67 at an SST of + 5 ° C. and an SCT of 30 ° C. to 16 ° C. This will allow additional cold water production for AC to be added to existing buildings and applied to new buildings.

上記2つの事例の両方において、AC圧縮機は、−5℃のSSTにおける冷却負荷のための並列圧縮機としても作用し得た。このような冷却負荷は、例えば、冷蔵貯蔵温度を0℃付近で維持すること、並びに低温貯蔵及びブラスト凍結用途に適用される2段階COシステム用の高段負荷である。 In both of the above two cases, the AC compressor could also act as a parallel compressor for the cooling load at -5 ° C SST. Such a cooling load is, for example, a high stage load for a two-stage CO 2 system that is applied to maintain a refrigerated storage temperature near 0 ° C. and for cold storage and blast freezing applications.

このような場合には、高段圧縮機は、仮想COガス冷却器出口温度+5℃及び+10℃で運転するであろう。これは、それぞれ、COP曲線3及び4になる。COP曲線3は、−5℃のSSTで、+30℃から+16℃の範囲のSCTにおいて、+5℃の仮想ガス冷却器出口温度で、4.7から7.88の範囲であった。COP曲線4は、+10℃の仮想ガス冷却器出口温度で、−5℃のSSTで、+30℃から+16℃の範囲のSCTにおいて、4.45から7.04の範囲のCOPを示した。これは、圧縮機吸込の吸込熱交換器(SHEX:Suction Heat Exchanger)と共に改善され、より曲線3に近い性能をもたらし得ることが注目された。 In such a case, the high stage compressor will operate at virtual CO 2 gas cooler outlet temperatures + 5 ° C. and + 10 ° C. This results in COP curves 3 and 4, respectively. The COP curve 3 was in the range of 4.7 to 7.88 with a virtual gas cooler outlet temperature of + 5 ° C. with SST of −5 ° C. and SCT ranging from + 30 ° C. to + 16 ° C. COP curve 4 showed a COP in the range of 4.45 to 7.04 at an SST of −30 ° C. to + 16 ° C. with an SST of −5 ° C. at a virtual gas cooler outlet temperature of + 10 ° C. It has been noted that this can be improved with the suction heat exchanger (SHEX) of the compressor suction and can result in performance closer to curve 3.

[周囲湿球温度が凝縮器性能に与える影響]
図4は、CO、空気、及び水についての全体的な詳細を示す。周囲湿球温度が凝縮器性能に与える影響は、下記の表で説明される結果に示される。
[Influence of ambient wet bulb temperature on condenser performance]
FIG. 4 shows the overall details for CO 2 , air, and water. The effect of ambient wet bulb temperature on condenser performance is shown in the results described in the table below.

[アンモニア、R22、R507A、プロパン、及びR134aの相対エネルギー効率]
同一の運転条件におけるこれらの冷媒のCOPは、図11に示される。結果から、アンモニアがこれらの冷媒のうち、最良の冷媒であることが確認された。驚くべきことに、R134aのCOPは低かった。16℃及び35℃のSCTでは、R134aのCOPはそれぞれ、アンモニアのCOPよりも、42%及び31%低かった。更に、+16℃のSCTにおけるR134a圧縮機のCOPは、3.84であり、同一の吸込条件での+35℃のSCTにおけるアンモニア圧縮機のCOPとほぼ同じであった。これにより、R134aが高い直接及び間接地球温暖化係数(GWP:Global Warming Potential)の両方を有することが確認された。R507Aの性能は、25℃から35℃のSCTにおいて、R22よりも11%から16%低効率であった。HFC R507Aは、HCFC R22のように、オゾン破壊能(Ozone Depletion Potential)を有しないが、R507Aの100年GWPは3,895であり、R22の100年GWPである1,810の2倍よりも高い。
[Relative energy efficiency of ammonia, R22, R507A, propane, and R134a]
The COPs of these refrigerants under the same operating conditions are shown in FIG. From the results, it was confirmed that ammonia was the best refrigerant among these refrigerants. Surprisingly, the COP of R134a was low. In SCT at 16 ° C. and 35 ° C., the COP of R134a was 42% and 31% lower than that of ammonia, respectively. Furthermore, the COP of the R134a compressor in the SCT at + 16 ° C. was 3.84, which was almost the same as the COP of the ammonia compressor in the SCT at + 35 ° C. under the same suction conditions. Thereby, it was confirmed that R134a has both a high direct and indirect global warming potential (GWP). The performance of R507A was 11% to 16% less efficient than R22 in SCT from 25 ° C to 35 ° C. HFC R507A does not have Ozone Depletion Potential like HCFC R22, but R507A's 100-year GWP is 3,895, more than twice the R22's 100-year GWP, 1,810 high.

[総括伝熱因子(overall heat transfer factor)、Uo]
図8を再度参照すると、Uoは、アンモニア凝縮の場合の馴染みのあるUoよりも非常に高かった。アンモニア凝縮では、表面空気速度2.6〜3.05m/sにおいて、Uoは、約450〜550w/m.Kの範囲である。3m/sの表面空気速度は、モデルの最大値として選択され、ドリフトエリミネータが、上方の空気ドラフトに浮遊している自由水の大部分を捕捉できるであろうことを保証した。
[Overall heat transfer factor, Uo]
Referring again to FIG. 8, Uo was much higher than the familiar Uo for ammonia condensation. For ammonia condensation, Uo is about 450 to 550 w / m 2 at a surface air velocity of 2.6 to 3.05 m / s. K range. A surface air velocity of 3 m / s was chosen as the maximum value of the model, ensuring that the drift eliminator could capture most of the free water floating in the upper air draft.

図4のCO蒸発凝縮器について、図8の平均Uoは、約1,050w/m.Kであった。これは、凝縮チューブ束に流入する事実上同じ表面空気速度における、アンモニアについての平均値の2倍を超えることが注目された。これは、図9に示されるように、30℃の凝縮で、除去される熱の68%は、顕熱過熱(sensible superheat)であり、32%のみが実際に、30℃での凝縮の潜熱であることを考えると、注目すべきことであった。高い総括伝熱因子は、計算圧力低下15kPaを引き起こす76オフ55メートル(76 off 55 metre)等価長回路において、高いCO質量流束338.7kg/m.sによるものであった。これは、大きすぎるドロップレッグ(drop leg)を必要とせずに、CO凝縮器が並列に運転して、液体ホールドアップを回避することを容易にするために許容可能な最大値である。 For the CO 2 evaporative condenser of FIG. 4, the average Uo of FIG. 8 is about 1,050 w / m 2 . K. It was noted that this exceeded twice the average value for ammonia at virtually the same surface air velocity entering the condenser tube bundle. This is, as shown in FIG. 9, with 30 ° C. condensation, 68% of the heat removed is sensible superheat, and only 32% is actually the latent heat of condensation at 30 ° C. Given that, it was notable. The high overall heat transfer factor is a high CO 2 mass flux of 338.7 kg / m 2 in a 76 off 55 meter equivalent length circuit causing a calculated pressure drop of 15 kPa. s. This is the maximum value that can be tolerated to facilitate the CO 2 condensers operating in parallel and avoiding liquid hold-up without requiring too large drop legs.

蒸発器と同様に、COの高いΔP/ΔT比率は、凝縮器回路内の高い質量流束を可能にした。これは、より高い熱伝達率(rate of heat transfer)を与え、より少なく、より長い回路を可能にしたので、チューブ束をより経済的に製造することにも役立った。 Similar to the evaporator, the high ΔP / ΔT ratio of CO 2 allowed a high mass flux in the condenser circuit. This also helped make tube bundles more economical because they gave higher rates of heat transfer and allowed for fewer and longer circuits.

蒸発凝縮器のアンモニア質量流束は、約25〜40kg/m.sの範囲であり、多くの場合、25kg/m.sよりも低いことが注目された。圧力低下は、アンモニア凝縮器における懸念であった。なぜなら、アンモニア蒸発凝縮器における過剰の圧力低下は、排出圧力を上昇させるので、飽和凝縮温度(SCT)も上昇させ、その結果、エネルギー消費が増加するからである。 The ammonia mass flux of the evaporative condenser is about 25-40 kg / m 2 . s range, often 25 kg / m 2 . It was noted that it was lower than s. The pressure drop was a concern in the ammonia condenser. This is because an excessive pressure drop in the ammonia evaporative condenser raises the discharge pressure, which also raises the saturation condensation temperature (SCT), resulting in increased energy consumption.

[最小空気流の結果]
図4を再度参照すると、計算された流出空気乾球温度は、100%RHで29.3℃であるので、流出湿球温度も29.3℃であった。これは、30℃のSCTよりも0.7°Kだけ低かった。これは、上部チューブが77℃の温度にあり、顕熱過熱の高い割合が、利用可能な47.7°Kの高い流出アプローチTDを保証したため、可能であった。これは、アンモニア蒸発凝縮器では不可能であったことが注目された。アンモニア蒸発凝縮器では、アンモニアのSCTと流出湿球温度との間の最低流出温度アプローチは、めったに3K未満にならず、設計条件では、2.5K以上であった。また、少ない空気流により、ファンのエネルギー消費は最小になった。
[Minimum air flow results]
Referring back to FIG. 4, the calculated outflow air dry bulb temperature was 29.3 ° C. at 100% RH, so the outflow wet bulb temperature was also 29.3 ° C. This was 0.7 ° K lower than the 30 ° C SCT. This was possible because the upper tube was at a temperature of 77 ° C. and a high rate of sensible heat overheating ensured a high spill approach TD of 47.7 ° K. available. It was noted that this was not possible with an ammonia evaporative condenser. In an ammonia evaporative condenser, the minimum effluent temperature approach between the ammonia SCT and the effluent wet bulb temperature was rarely less than 3K, and was 2.5K or higher in design conditions. Also, with less airflow, the fan's energy consumption is minimized.

[結論]
フルスケール試作CO蒸発凝縮器の満足な性能試験を得ることを条件として、最高設計湿球温度(WB)が24〜25℃である蒸発凝縮器を、より高い緯度の亜熱帯地方で適用することは、非常に前途有望であることが結論付けられた。CO蒸発凝縮器は、周囲WB温度がより低い、より温帯の気候、及び冷涼気候〜寒冷気候のエリアにおいて、更に前途有望であった。
[Conclusion]
Applying an evaporative condenser with a maximum design wet bulb temperature (WB) of 24-25 ° C in a higher latitude subtropical region, subject to obtaining a satisfactory performance test of the full scale prototype CO 2 evaporative condenser It was concluded that it was very promising. The CO 2 evaporative condenser was even more promising in temperate climates with lower ambient WB temperatures, and in cold to cold climate areas.

上記の結論によると、蒸発凝縮器を亜臨界CO圧縮機排出ガスの凝縮に適用するのに適したエリアは、事実上欧州の全て(地中海諸国を含む)、米国(メキシコ湾及び大西洋に面する南部の州、及びミネソタと同程度の北に位置する中西部の州の多くを除く)で実現可能であった。 Based on the above conclusions, areas suitable for applying evaporative condensers to subcritical CO 2 compressor exhaust gas condensation include virtually all of Europe (including the Mediterranean countries), the United States (facing the Gulf of Mexico and the Atlantic Ocean). In most southern states, and most of the midwestern states located to the north of Minnesota).

また、実験は、周囲湿球温度が28〜29℃であり、周囲空気WB〜CO出口温度のアプローチが3Kである蒸発ガス冷却が、完全に実現可能であることを示した。これは、遷臨界モードでは、凝縮相の無い(図9)、より大きなLMTDの顕熱伝熱のみがあり、比較的高い遷臨界流体密度と、図6に示されるものと同様の高い熱容量があるという事実によるものであった。 Experiments have also shown that evaporative gas cooling with an ambient wet bulb temperature of 28-29 ° C. and an ambient air WB-CO 2 outlet temperature approach of 3K is completely feasible. This is because in the transcritical mode, there is no condensed phase (FIG. 9), there is only a larger LMTD sensible heat transfer, a relatively high transcritical fluid density and a high heat capacity similar to that shown in FIG. It was due to the fact that there was.

蒸発冷却を、亜臨界のCOの凝縮及び遷臨界COでのガス冷却の両方に適用することにより、高いCOPの効率的な冷却につながった。この高いCOPは、臨界点未満で運転される従来の冷媒で達成されるCOPに匹敵し、多くの場合、従来の冷媒で達成されるCOPよりも高かった。これは、CO冷却を世界的に適用するための道を開いた。これは、COが、+5℃及び+10℃の圧縮機飽和吸込温度での空調負荷で、冷水のために使用される用途、並びにDX又はポンプCO AC用途でそれぞれ、特に当てはまる。 Evaporative cooling was applied to both subcritical CO 2 condensation and transcritical CO 2 gas cooling, leading to efficient cooling of high COPs. This high COP was comparable to that achieved with conventional refrigerants operating below the critical point and was often higher than that achieved with conventional refrigerants. This has opened the way for applying CO 2 cooled the worldwide. This, CO 2 is in the air-conditioning load at the compressor saturated suction temperature of + 5 ° C. and + 10 ° C., applications used for cold water, as well as the DX or pump CO 2 AC applications respectively, especially true.

更に、AC圧縮機が、施設における任意の残りの冷却負荷のための並列圧縮機としても作用し得ることが注目された。施設は、例えばスーパーマーケットであり、図10に示されるような高い〜非常に高いCOPで、冷蔵及び冷凍負荷が必要とされる場所である。   It was further noted that the AC compressor could also act as a parallel compressor for any remaining cooling load in the facility. The facility is, for example, a supermarket and is a place where refrigeration and refrigeration loads are required with high to very high COP as shown in FIG.

実際には、図10及び図11を比較すると、Pearson(2010)によっても見出されたように、亜臨界凝縮相において、COは、従来の化学冷媒、例えばR22、R507A、及びR134aより性能が優れていることが明らかであった。加えて、COは、大抵の運転条件下で、特に並列圧縮を含む場合に、アンモニア及びプロパンに匹敵し、又はアンモニア及びプロパンより性能が優れていた。 In fact, comparing FIGS. 10 and 11, as found also by Pearson (2010), in the subcritical condensed phase, CO 2 performs better than conventional chemical refrigerants such as R22, R507A, and R134a. Was clearly superior. In addition, CO 2 was comparable to or superior to ammonia and propane, under most operating conditions, especially when including parallel compression.

例えば28℃の高い湿球温度では、従来の蒸発凝縮器は、40℃のSCTで運転でき、図9に示されるように、COPは、NH、R22、R507A、プロパン、及びR134aでそれぞれ、3.37、3.34、2.71、2.96、及び2.38であったであろう。したがって、高効率のCO冷却を開発するために、より大きな圧縮機、例えば改造版のCNG燃料圧縮機が必要である。 For example, at a high wet bulb temperature of 28 ° C., a conventional evaporative condenser can be operated with an SCT of 40 ° C., and as shown in FIG. 9, the COP is NH 3 , R 22, R 507 A, propane, and R 134 a, respectively. It would have been 3.37, 3.34, 2.71, 2.96, and 2.38. Therefore, a larger compressor, such as a modified CNG fuel compressor, is needed to develop high efficiency CO 2 cooling.

[専門用語]
実施例において、下記の通りである。
[Terminology]
In the examples, it is as follows.

[モデルパラメータ]
1.飽和及び過熱COの熱力学的及び移送特性については、NIST(2011)データを使用した。
2.式(6)のhは、Mizushima及びMiyasita(1967)、Qureshi及びZubair(2006)の式(A.8)から計算した。
3.式(3)のhは、Mizushima及びMiyasita(1967)、Qureshi及びZubair(2006)の式(A.13)から計算した。
4.2相COフローについて、式(6)のhは、Shah’s(2009)、Qureshi及びZubair(2006)の式(A.6)及び(A.7)から計算し、圧力損失は、Muller−Steinhagen及びHeck補正(ASHRAE,2005)から計算した。
5.単相CO蒸気フローについて、式(6)のhは、Dittus−Boelter補正Nu=0.023Re0.8Pr0.3から計算し、圧力損失は、摩擦係数=0.079Re−0.25から計算した。
6.チューブバンクを横切る空気圧低下は、Mills(1999),section 4.5.1,p.316から計算した。
[Model parameters]
1. NIST (2011) data was used for the thermodynamic and transport properties of saturated and superheated CO 2 .
2. The h w of equation (6) was calculated from equation (A.8) of Mizushima and Miyashita (1967), Qureshi and Zubair (2006).
3. H d of the formula (3) is, of Mizushima and Miyasita (1967), was calculated from the equation (A.13) of Qureshi and Zubair (2006).
4. For two- phase CO 2 flow, the h i in equation (6) is calculated from equations (A.6) and (A.7) in Shah's (2009), Qureshi and Zubair (2006), and the pressure loss Was calculated from Muller-Steinhagen and Heck correction (ASHRAE, 2005).
5. For single-phase CO 2 vapor flow, h i of Equation (6) computes the Dittus-Boelter correction Nu = 0.023Re 0.8 Pr 0.3, pressure loss, friction coefficient = 0.079Re -0. Calculated from 25 .
6). The decrease in air pressure across the tube bank is described in Mills (1999), section 4.5.1, p. Calculated from 316.

下記の参考文献は、モデルを作成するために使用した。
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[実施例2−設計モデルアウトプット]
凝縮器能力の表面空気速度による変動を示すために、設計モデルによって、下記のデータ点を作成した。
[Example 2-Design model output]
In order to show the variation of condenser capacity with surface air velocity, the following data points were created by the design model.

いくつかの凝縮器及びプロセスの実施形態及びモデルを説明してきたが、凝縮器及びプロセスは、多くの他の形態で具現化され得ることが理解されるべきである。   Although several condenser and process embodiments and models have been described, it should be understood that the condenser and process may be embodied in many other forms.

例えば、プレナム13は円形のセクションであってもよく、この場合、発散プレナム40は円錐台、又は四角形〜円形の錐台状角柱を含む。しかし、このような構成はあまり好ましくない。なぜなら、凝縮器内の水の自由排水を促進しないからである。   For example, the plenum 13 may be a circular section, in which case the diverging plenum 40 includes a truncated cone or a square to circular frustum-shaped prism. However, such a configuration is not very preferable. This is because free drainage of water in the condenser is not promoted.

下記の特許請求の範囲、及び前述の説明では、明確な言語又は必然的な示唆によって、文脈が特に要求しない限り、単語「含む(comprise)」及びその変形、例えば「含む(comprises)」又は「含む(comprising)」は、包含する意味で使用され、すなわち、記述された特徴の存在を規定するために使用されるが、本明細書で開示される凝縮器及びプロセスの様々な実施形態において、更なる特徴の存在又は追加を排除しないために使用される。   In the claims below and in the foregoing description, the word “comprise” and variations thereof, such as “comprises” or “ “Comprising” is used in an inclusive sense, ie, to define the presence of the described feature, but in various embodiments of the condensers and processes disclosed herein, Used to not exclude the presence or addition of additional features.

Claims (19)

冷却又は空調システムで使用するための蒸発凝縮器であって、
− 凝縮コイルゾーンに配置されている1以上の凝縮コイルであって、前記凝縮コイル内で前記システムの冷媒を凝縮させるための凝縮コイルと、
− 前記1以上の凝縮コイルを濡らすための機構と、
− 前記1以上の凝縮コイル及び濡らし機構を通って流れた空気流から自由水を除去するように配置されているドリフトエリミネータと、
− 前記凝縮コイルゾーンから前記ドリフトエリミネータの方へ発散する発散ゾーンであって、前記空気流が前記1以上の凝縮コイルを通って流れると、前記空気流が、前記発散ゾーンを通って前記ドリフトエリミネータへと流れるようになっている、発散ゾーンと、
を備える、蒸発凝縮器。
An evaporative condenser for use in a cooling or air conditioning system,
One or more condensing coils arranged in the condensing coil zone, the condensing coils for condensing the refrigerant of the system in the condensing coils;
-A mechanism for wetting the one or more condensing coils;
A drift eliminator arranged to remove free water from the air stream flowing through the one or more condensing coils and a wetting mechanism;
A divergence zone that diverges from the condensing coil zone towards the drift eliminator, wherein the air flow flows through the one or more condensing coils, the air flow passes through the divergence zone and the drift eliminator. A divergence zone that flows into
An evaporative condenser.
前記1以上の凝縮コイルが、束として、前記凝縮コイルゾーンに配置されている、請求項1に記載の凝縮器。   The condenser according to claim 1, wherein the one or more condensation coils are arranged in the condensation coil zone as a bundle. 前記凝縮コイルゾーンが、概ね一定の断面積の前記凝縮器のセクションを備える、請求項2に記載の凝縮器。   The condenser of claim 2, wherein the condensing coil zone comprises a section of the condenser having a generally constant cross-sectional area. 前記発散ゾーンが、前記発散ゾーン内を流れる前記空気流を、前記ドリフトエリミネータに達する前に減速させるように構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の凝縮器。   The condenser according to any one of claims 1 to 3, wherein the diverging zone is configured to decelerate the airflow flowing through the diverging zone before reaching the drift eliminator. 前記発散ゾーンが、前記空気流が中を流れる中空の錐台を備える、請求項1〜4のいずれか1項に記載の凝縮器。   The condenser according to any one of claims 1 to 4, wherein the diverging zone comprises a hollow frustum through which the air flow flows. 前記ドリフトエリミネータが、前記発散ゾーンの空気流出側のすぐ近くに位置している、請求項1〜5のいずれか1項に記載の凝縮器。   The condenser according to any one of claims 1 to 5, wherein the drift eliminator is located in the immediate vicinity of the air outlet side of the divergence zone. 前記凝縮器が、前記凝縮コイルゾーンの空気流入側に位置している吸気チャンバを更に備える、請求項1〜6のいずれか1項に記載の凝縮器。   The condenser according to claim 1, further comprising an intake chamber located on an air inflow side of the condensation coil zone. 前記1以上の凝縮コイルを濡らすための前記機構が、スプレーノズルを備え、前記スプレーノズルが、前記1以上の凝縮コイルを通って流れる前記空気流と逆方向に、水を前記1以上の凝縮コイルにスプレーするように、前記発散ゾーンに対して配置されている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の凝縮器。   The mechanism for wetting the one or more condensing coils comprises a spray nozzle, wherein the spray nozzle causes water to flow in a direction opposite to the air flow flowing through the one or more condensing coils. The condenser according to claim 1, which is arranged with respect to the divergence zone so as to spray. 前記ノズルが、前記水を、概ね液体のコーンとして、前記1以上の凝縮コイル上へスプレーするために、前記発散ゾーンに配置されている、請求項8に記載の凝縮器。   The condenser of claim 8, wherein the nozzle is disposed in the divergence zone for spraying the water onto the one or more condensation coils as a generally liquid cone. 凝縮コイルゾーンを通過した水を回収するための回収ゾーン、及び回収した水を前記濡らし機構にリサイクルするためのリサイクルシステムを更に備える、請求項1〜9のいずれか1項に記載の凝縮器。   The condenser according to any one of claims 1 to 9, further comprising a recovery zone for recovering water that has passed through the condensing coil zone, and a recycling system for recycling the recovered water to the wetting mechanism. 前記リサイクルシステムが、前記回収した水を、配管を通って前記濡らし機構に送り込むためのポンプ、及び、必要に応じて、前記蒸発凝縮器が効果的に運転するための所定量の水を維持するための水補給機構を備える、請求項10に記載の凝縮器。   The recycling system maintains a pump for pumping the collected water through the piping to the wetting mechanism and, if necessary, a predetermined amount of water for the evaporative condenser to operate effectively. The condenser according to claim 10, further comprising a water replenishment mechanism. 熱交換器であって、前記回収した水が、前記濡らし機構にリサイクルされる前に前記熱交換器を通過し、凝縮した前記冷媒が前記熱交換器を通過して、リサイクルされる前記回収した水と熱を交換する、熱交換器を更に備える、請求項10又は11に記載の凝縮器。   A heat exchanger, wherein the recovered water passes through the heat exchanger before being recycled to the wetting mechanism, and the condensed refrigerant passes through the heat exchanger and is recovered for recycling. The condenser according to claim 10 or 11, further comprising a heat exchanger for exchanging heat with water. 前記1以上の凝縮コイルのうちのそれぞれが、ステンレス鋼チューブを備える、請求項1〜12のいずれか1項に記載の凝縮器。   The condenser according to any one of the preceding claims, wherein each of the one or more condensing coils comprises a stainless steel tube. 冷却又は空調システムで使用するための蒸発凝縮器であって、
− 凝縮コイルゾーンに配置されている1以上の凝縮コイルであって、前記凝縮コイル内で前記システムの冷媒を凝縮させるための凝縮コイルと、
− 前記1以上の凝縮コイルを濡らすための機構と、
− 自由水を、前記1以上の凝縮コイル及び濡らし機構を通って流れた空気流から除去するように配置されているドリフトエリミネータと、
− 凝縮コイルゾーンを通過した水を回収するための回収ゾーンと、
− 回収した水を前記濡らし機構にリサイクルするためのリサイクルシステムと、
− 熱交換器であって、前記回収した水が、前記濡らし機構にリサイクルされる前に前記熱交換器を通過し、凝縮した前記冷媒が前記熱交換器を通過して、リサイクルされる前記回収した水と熱を交換する、熱交換器と、
を備える、蒸発凝縮器。
An evaporative condenser for use in a cooling or air conditioning system,
One or more condensing coils arranged in the condensing coil zone, the condensing coils for condensing the refrigerant of the system in the condensing coils;
-A mechanism for wetting the one or more condensing coils;
A drift eliminator arranged to remove free water from the air stream flowing through said one or more condensing coils and a wetting mechanism;
-A recovery zone for recovering water that has passed through the condensing coil zone;
-A recycling system for recycling the collected water to the wetting mechanism;
-A heat exchanger, wherein the recovered water passes through the heat exchanger before being recycled to the wetting mechanism and the condensed refrigerant passes through the heat exchanger and is recycled. A heat exchanger that exchanges heat with the treated water,
An evaporative condenser.
請求項1〜13のいずれか1項で規定される、請求項14に記載の凝縮器。   15. A condenser according to claim 14, as defined in any one of claims 1-13. 冷却又は空調サイクルの一部を形成する蒸発凝縮プロセスであって、
− 冷媒に1以上の凝縮コイルを通過させるステップと、
− 前記1以上の凝縮コイルを水で濡らすステップと、
− 空気流に、濡れた前記1以上の凝縮コイル上を通過させることにより、冷媒を前記コイル内で凝縮させ、前記水の一部を前記空気流中に蒸発させるステップと、
− 前記1以上の凝縮コイルを流出する前記空気流中に存在する水を除去するステップと、
を含み、
前記1以上の凝縮コイルを流出する前記空気流の速度を、前記空気流中に存在する前記水を除去する前に減速させる、蒸発凝縮プロセス。
An evaporative condensation process that forms part of a cooling or air conditioning cycle,
-Passing the refrigerant through one or more condensing coils;
-Wetting the one or more condensing coils with water;
-Condensing refrigerant in the coil by passing the air stream over the wet one or more condensing coils and evaporating a portion of the water in the air stream;
-Removing water present in the air stream flowing out of the one or more condensing coils;
Including
An evaporative condensation process in which the velocity of the air stream exiting the one or more condensing coils is decelerated before removing the water present in the air stream.
冷却又は空調サイクルの一部を形成する蒸発凝縮プロセスであって、
− 冷媒に1以上の凝縮コイルを通過させるステップと、
− 前記1以上の凝縮コイルを水で濡らすステップと、
− 前記1以上の凝縮コイルを通過する前記水を回収し、リサイクルして、前記1以上の凝縮コイルを水で濡らすステップと、
− 空気流に、濡れた前記1以上の凝縮コイル上を通過させることにより、冷媒を前記コイル内で凝縮させ、前記水の一部を前記空気流中に蒸発させるステップと、
− 前記1以上の凝縮コイルを流出する前記空気流中に存在する水を除去するステップと、
− 回収した前記水をリサイクルして、前記1以上の凝縮コイルを濡らす前に、凝縮した前記冷媒と、前記回収した水との間で、熱を交換するステップと、
を含む、蒸発凝縮プロセス。
An evaporative condensation process that forms part of a cooling or air conditioning cycle,
-Passing the refrigerant through one or more condensing coils;
-Wetting the one or more condensing coils with water;
-Recovering and recycling the water passing through the one or more condensing coils to wet the one or more condensing coils with water;
-Condensing refrigerant in the coil by passing the air stream over the wet one or more condensing coils and evaporating a portion of the water in the air stream;
-Removing water present in the air stream flowing out of the one or more condensing coils;
-Exchanging heat between the condensed refrigerant and the recovered water before recycling the recovered water and wetting the one or more condensing coils;
Including evaporative condensation process.
前記プロセスが、請求項1〜15のいずれか1項に記載の蒸発凝縮器で起こる、請求項16又は17に記載のプロセス。   The process according to claim 16 or 17, wherein the process takes place in an evaporative condenser according to any one of claims 1-15. 前記1以上の凝縮コイルで凝縮する前記冷媒が、化学冷媒又は自然冷媒、例えば本明細書で説明される冷媒を含む、請求項16〜18のいずれか1項に記載のプロセス。   19. The process of any one of claims 16-18, wherein the refrigerant that condenses in the one or more condensing coils comprises a chemical refrigerant or a natural refrigerant, e.g., a refrigerant described herein.
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