NO144364B - Fremgangsmaate for kjoeling av luft i en rekuperativ varmeveksler - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for å kjøle

en første luftstrøm, her kalt nytteluftstrøm, ved hjelp av en andre luftstrøm, her også kalt hjelpeluftstrøm, i en rekupera-

tiv varmeveksler som har to fra hverandre adskilte grupper av kanaler, gjennom hvis vegger varmeutveksling mellom de'to luft-strømmene finner sted, idet en første gruppe kanaler har vegger som er tørre, hvorfor nytteluftstrømmen passerer disse kanaler under vesentlig uforandret fuktighetsinnhold, mens en andre gruppe kanaler gjennom hvilke hjelpeluftstrømmen passerer, har vegger som er av fuktende materiale og holdes fuktet med vann, som til-føres hjelpeluftstrømmens kanaler intermittent og hver gang under kort tidsperiode i overskudd og som bringes til å fordampes ved hjelp av denne luftstrøm.

Oppfinnelsens formål er å tilveiebringe en høy kjøleeffekt i varmeutveksleren slik at kondisjonering av den for er rom be-regnet nytteluft til ønsket temperaturnivå kan utføres bare eller for en stor del ved hjelp av den rekuperative varmeutveksler. Dette gjelder spesielt ved slike klimaer hvor varm atmosfæreluft har lavt relativt fuktighetsinnhold.

Dette formål oppfylles ifølge oppfinnelsen ved at minst en del

av hjelpeluften, som skal bringes i kontakt med det tilførte vann i den andre gruppen av kanaler, utgjøres av luft som er blitt avkjølt ved å ledes gjennom kanaler, tilhørende den samme

varmevekslers første gruppe av kanaler.

Ifølge ytterligere trekk ved oppfinnelsen utgjøres hjelpeluft-strømmen i en første sone av varmeveksleren av en i varmeveksleren ubehandlet luftstrøm og i en andre sone av varmeveksleren av en delstrøm som tas fra nytteluftstrømmen etter at denne er blitt avkjølt i varmeveksleren ved varmeutvekslingen ved de i nevnte soner passerende hjelpeluftstrømmer. I det minste en av luftstrømmene utgjøres av luft som i forveien er blitt tørket i en fuktighetsutveksler.

Oppfinnelsen skal nedenfor beskrives nærmere under henvisning til på tegningene som eksempler viste utførelsesformer for ut-førelse av fremgangsmåten, idet også andre spesielle egenskaper for oppfinnelsen skal angis.

Fig. 1 viser en utførelsesform ifølge kjent teknikk.

Fig. 2-5 viser skjematisk fem forskjellige utførelsesformer av oppfinnelsen. Fig. 5A viser et parti av varmeutveksleren ifølge fig. 5 i snitt og større målestokk. Fig. 6 viser i perspektiv og snitt et parti av en varmeutveksler i større målestokk. Fig. 7 og 8 viser to t-X-diagrammer svarende til utførelses-formene ifølge fig. 1 resp. 2.

På tegningene betegner 10 en varmeutveksler som er av rekuperativ type, dvs. den har to grupper kanaler som er adskilt fra hverandre, slik at luftstrømmer som passerer gjennom disse, ikke kommer i direkte kontakt med hverandre. Ved utførelsesformene ifølge fig. 1-4 er varmeutveksleren av tverrstrømstype, dvs.

de to luftstrømmer passerer varmeutveksleren i vinkel med hverandre.

Ifølge fig. 6 er varmeutveksleren utformet med en første gruppe kanaler 12, i hvilke luftens hovedstrømningsretning er horison-tal som antydet med pilene 14. Disse kanaler begrenses av paral-lélle vegger 16 som er utfort av for luft resp. damp ugjennom-trengelig" materiale ;slik som plast eller metall, f.eks. aluminium, eller kobber som ér i hoy grad varmeledende. De holdes på innbyrdes avstand av tversgående veggpartier 18 av samme eller lignende materiale som i figuren er skjematisk antydet som plane strimler fast forenet med veggene 16, men som kan dannes f.eks. av et korrugert eller brettet mellomsjikt med korrugeringene eller brettene forlopende horisontalt.

En andre gruppe 20 av kanaler har utstrekning i vertikal retning og begrenses av et belegg eller av et sjikt 22 av et materiale med fuktende dvs. vannabsorberende resp. -spredende egenskaper. Sjiktet kan utfores av porost papir av cellulose-, asbest- eller glassfiber. Også et fnokket eller velurisert plastsjikt kan anvendes. Kanalene er også i dette tilfelle skjematisk anty-

det med firkantform. De fuktende sjikt 22 ligger an mot veggene 16 resp. tverrvegger 24 som forbinder disse og som fortrinns-.vis er av samme materiale som tverrveggene 18. Luftens stromningsretning gjennom den andre gruppe av kanaler er vertikalt nédadrettet ifolge pilene 26.

Den i fig. 6 viste oppbygning av varmeutveksleren IO er som nevnt bare skjematisk. Vesentlig er at de to grupper er adskilt av skillevegger 16 som bare tillater utveksling ved varmeledning mellom de to grupper av kanaler. Videre skal avstandsholdere eller forbindelsestverrvegger være således utformet resp. be-skafne at best mulig varmetransport finner sted mellom luft-strommene. Kanalene eller passasjene kan mellom skilleveggene 16 være sammenhengende i hele veggenes utstrekning.

Ved utforelsesformen ifolge fig. 1 inntas atmosfærisk luft av

en vifte 28 og deles i en nytteluftstrom 30> som passerer horisontalt gjennom varmeutvekslerens 10 gruppe 12 av kanaler. En delstrom eller hjelpeluftstrom går ifolge linjen 32 vertikalt i retning nedad gjennom varmeutvekslerens andre gruppe 20 av kanaler. Denne gruppes vegger 22 fuktes samtidig ved at vann påfores ovenifra som antydet med en spreder 34. Kanalene 12 er lukket ved varmeutvekslerens ovre og nedre horisontale sider, mens kanalene 20 er lukket ved varmeutvekslerens to vertikale

sidekanter. Vanntilførselen er begrenset slik at sjiktene 22 holdes fuktige men ikke mer. En viss vannsirkulas.jon kan imidlertid tillates f.eks. ved at sprederen 34 beveger seg over kjoletårnets ovre frontflate og derved intermittent og momentant tilforer vannoverskudd, som altså samles opp nedentil under varmeutveksleren for derpå å fores tilbake til sprederen 34 på

i og for seg kjent måte. Ved at luft og vann passerer kanalsystemet 20 i samme retning, hjelper luften til hurtig å fjerne overskuddet av tilfort vann.

Det i fig. 7 viste t - x - diagrams ordinat angir luftens absolutte dampinnhold i g/kg luft og dets abscisse luftens temperatur i °C. Kurven 4 2 angir tilstanden for fuktighetsmet-tet^luft, den såkalte metningskurve.. Den ytre lufts tilstand antas å tilsvare punktet 36 med en temperatur på 30°C. Luftens relative fuktighetsinnhold antas å være lav, f.eks. 30%. I kanalene 20 undergår hjelpeluften ved fordampning av vann fra de fuktede sjikt 22 en tilstandsendring ifolge linjen 48, dvs., den oppfuktes under samtidig okning av sitt varmeinnhold eller entalpi til punktet 50 som ligger nær kurven 4 2 for mettet luft. Derved kjoles veggene 22 og kjoler i sin tur nytteluftstrommen som passerer kanalene 12 under uforandret absolutt fuktighetsinnhold, dvs. langs linjen 43. Nytteluften er i diagrammet antatt å kjoles til temperaturen 20°C ifolge punktet 44. Denne tilstand har altså nytteluftstrommen når den benyttes for sitt formål f.eks. kjoling av lokaler. Hjelpeluftstrommen er efter varmeutveksleren forbrukt og avgår til omgivelsene. Mengden hjelpeluft behover ved denne anordning bare belope seg til en mindre del av nytteluften. I utforelseseksemplet er den antatt å være 30% av nytteluftmengden. Den konvensjonelle måte å

kjole luft ved fordampning av vann er at man lar nytteluften passere et dysekammer eller et vått innsatslegeme, hvorved nytteluftens temperatur synker ved fordampningen samtidig som dens fuktighetsinnhold oker. Den resulterende tilstandsfdran-dring skjer langs linjen 38 (en såkalt t . -linje) og den ytter-ste grense for den kjoling som kan tilveiebringes på denne måte, representeres av punktet 40 på metningskurven. I praksis når man ikke så langt (punktet 40 svarer til 100% virkningsgrad), men punktet 46 ved 20° er i fig. 7 angitt som representerende et

praktisk oppnåelig resultat.

Sammenligner man tilstanden for luft kjolt med konvensjonell evaporativ kjoling (punkt 46), med luft kjolt ved indirekte evaporativ kjoling (punkt 44) ifolge den i fig. 1 og 7 beskrevne metode, finner man at den indirekte kjolte luft har et betydelig lavere fuktighetsinnhold ved samme temperatur, hvilket er av meget stor betydning ved luftens fortsatte anvendelse.

Ifolge oppfinnelsen er således en betydelig temperatursenkning tilveiebragt av nytteluftstrommen, i eksemplet 10°C. I punktet 44 kan nytteluften ennu ha et forholdsvis lavt fuktighetsinnhold f.eks. 45%. En ytterligere temperatursenkning av luften kan således oppnås efter linjen 51 hvis den senere får passere en oppfukter av kjent slag.

Utforelsesformen ifolge fig. 2 med tilhorende t - x- diagram ifolge fig. 8 skiller seg fra den foregående ved at hele den av viften 28 inntatte ytre- eller atmosfæreluftstrommen 30 forst må passere gjennom varmeutvekslerens 10 kanalsystem 12. Nedstroms varmeutveksleren uttas nu en hjelpeluftstrom 52, som strommer nedad i kanalsysternet 20 under kontakt med de fuktede eller fuktige sjikt 22. Dette medforer at nytteluften vil kunne kjoles lavere enn ifolge fig. 1 da hjelpeluftstrommens inntredning; temperatur og fremfor alt dens såkalte våte temperatur er lavere enn i fig. 7. I utforelseseksemplet er antatt at kjoling skjer til punktet 53 på linjen 43, hvilket punkt svarer til 15°C. Hjelpeluftstrommens tilstandsendring folger linjen 54, nemlig

fra punktet 53 opp til det hoyt liggende punkt 55 i diagrammet. Derpå går hjelpeluftstrommen tilbake til den ytre atmosfære.

Ved denne utforelsesform kjoler" altså hjelpeluftstrommen

foruten nytteluften også seg selv. Av denne grunn fordres normalt en storre hjelpeluftstrom enn i den tidligere beskrevne utforelsesform. I eksemplet er antatt at forholdet mellom meng-dene hjelpeluft og nytteluft er 1:2. Til gjengjeld har man oppnådd en kraftig oket kjoleeffekt. Man har til og med kommet til en lavere temperatur på nytteluften enn hva som er teoretisk mulig med konvensjonell evaporativ kjoling (punkt 40).

Ved eventuelt å fukte opp nytteluften i en konvensjonell oppfukter, kan dens sluttilstand komme til å ligge et eller annet sted på linjen 56 som slutter på metningskurven i punktet 58, dvs. med en temperatur ned mot 12°C.

Ifolge fig. 3 er hjelpeluftstrommen oppdelt i to delstrommer, nemlig en forste delstrom 60 som uttas fra den innkommende luftstrom 30 oppstroms for varmeutveksleren, dvs. denne delstrom har ikke undergått noen kjoling i varmeutveksleren og svarer altså til luftstrommen 32 i fig. 1. Den andre delstrom 62 uttas nedstroms for den kjolte nytteluftstrom 30,. dvs. efterat den har passert varmeutveksleren 10. Nytteluftstrommen utveksler varme forst med delstrommen 60 og derpå med delstrommen 62. De to delstrommer passerer således gjennom hvert sitt parti av kanalsystemet 20, som i sin helhet fuktes ved hjelp av vannspre-deren 34. Denne utfdreise kan gi samme sluttilstand som ifolge fig. 8 med en gjennom kanalsystemet 12 sirkulerende mindre hjelpeluftmengde.

Ved utforelsesformen ifolge fig. 4 er parallelt med en varmeutveksler 10 og eventuelt sammenbygget med denne anbragt en hjelpevarmeutveksler 64 som er av samme prinsipielle utforelse som varmeutveksleren 10 men som bare har til oppgave å frem-bringe hjelpeluftstrommen til varmeutveksleren 10. Gjennom en vifte 66 innfores en hjelpeluftstrom 68, som passerer horisontalt gjennom hjelpeutvekslerens 64 kanalsystem 12, idet nedstroms for denne hjelpeluftstrom uttas en mindre delstrom 70 som går vertikalt gjennom varmeutvekslerens kanalsystem 20 og fuktes av vann tilfort av.en spreder 72 på samme måte som foran beskrevet. Den gjenværende bare kjolte hjelpeluftstrom 74 går over til varmeutveksleren 10 og kjoler nytteluftstrommen 30 på lignende måte som i fig. 8.

Hjelpeluftstrommens temperatur efter dens kjoling kan senkes, hvis man anvender luft med lavere fuktighetsinnhold enn den ytre lufts, dvs. luft som er avfuktet. Slik luft kan utgjores av luft som kommer fra de kjolte lokaler i slike tilfeller, hvor fuktighetsinnholdet i lokalluften er senket ved hjelp av et luftkondisjoneringsaggregat. Man kan også avfukte den ytre luft for den går inn i utveksléren. En slik anordning er antydet i fig". 4, hvor' hjelpeluf tstrommen 68 forst bringes til å passere en regenerativ fuktighetsutveksler 76 av kjent slag, hvis rotor regenereres ved hjelp av en luftstrom 78 som frembringes av en vifte 80 og oppvarmes til regenereringstemperatur av et varrae-batteri 82.

Ved å fremstille hjelpeluftstrom men i en varmeutveksler adskilt fra hovedvarmeutveksleren, behover"viftesystemet for hjelpeluftstrommen bare å dimensjoneres for å overvinne den relativt lave motstand som varmeutvekslerne og forbindelsesledninger volder. Nytteluftstrommens 30 vifte 28 derimot må ofte arbeide med et mange ganger hoyere trykk for å overvinne motstanden i de ror-ledninger som forbinder varmeutveksleren med de forskjellige rom likesom trykkfallene i filter, varme- og kjolebatterier og i innblåsningsorgan. En vesentlig besparelse av vifteeffekt oppnås altså ved denne utforelse. Videre kan hjelpeluftsystem-

et helt avkobles i perioder da kjoling av luften i rommene eller lokalene ikke bnskes, hvilket ytterligere reduserer viftearbeidet. Avkoblingen kan dessuten skje uten at stromningsfor-holdene i nytteluftkretsen forstyrres. Til dette kommer at man oppnår en storre fleksibilitet ved innbygningen av utveksléren likesom ved dimensjoneringen av den. Således kan man, som antydet i fig. 4, gi hjelpeluftutveksleren storre gjennornstromningsdybde enn utveksléren IO, hvorved hjelpeluftstrommen kan kjoles til en ennu lavere temperatur. Denne lavere temperatur medforer i sin tur, at nytteluften kan gis onsket kjoling med en mindre gjennornstromningsdybde, hvilket virker til fordel for å holde nede viftearbeidet for nytteluftviften 28.

En hjelpeluftstrom 74 frembragt ifolge utforelsesformen i fig.

4 kan også anvendes på annen måte enn i utveksléren 10. Således kan man la hjelpeluftstrommen 74 passere et kjoletårn og der avkjole vann til en lavere temperatur enn hva som er mulig med ubehandlet ytre luft. Det avkjclte vann kan i sin tur anvendes for i et konvensjonelt kjolebatteri å avkjole nytteluften 30.

Utf orelsesf ormen ifolge fig'. 5 skiller seg fra de foregående

ved at de to: luftstrommer passerer sine kanalsystem under mot-

strom eller stort sett motstrom. Den i fig. 5 og 5A viste utforelsesform ligner den i fig. 2 viste i så måte at såvel nytte-som hjelpeluft avkjdles sammen i utvekslerens torre del. Den ubehandlede luftstrøm inntas i likhet med tidligere f.eks. fra den ytre atmosfære og fordeler seg derpå fra ledningen 30 på kanalsystemet 12 over et inntak 84, beliggende ved den ovre del av en av varmeutvekslerens 10 vertikale sideflater. Fra dette inntak forldper kanalene 12 forst horisontalt innad og derpå vertikalt nedad i varmeutveksleren, slik at den avkjolte nytte-luf ts trom 86 avgår ved undersiden av utveksléren mens hjelpeluftstrommen 88 direkte passerer over til det ved siden av liggende kanalsystem 20, gjennom hvilket hjelpeluftstrommen passerer i motstrom mot luften i kanalsystemet 12 under største-delen av sin passasje gjennom utveksléren. I fig. 5 vises et nedre oppsamlingstrau 90 for sirkulerende overskuddsvann fra sprederen 34, hvilket vann fra trauet pumpes gjennom en ledning 92 tilbake til sprederen.

Anvendelsen av motstrom tillater en maksimal utnyttelse av til-gjengelig kjdlingspotensial for de anvendte luftstrømmer under bibehold av lave trykkfall. Den viste utforelsesform har motstrom over størstedelen av stromningsdybden og en gradvis over-gang til tverrstrom i den del av utveksléren, hvor luftstrømmen 30 kommer inn i utveksléren. Av betydning for sluttresultatet er at man har motstrom under den del av prosessen, hvor man normalt har de minste drivkrefter for temperaturutvekslingen, dvs. i utvekslerens kaldeste del, og motstrdmsutfdreisen i nettopp dette parti av utveksléren gir derfor best mulig kjdle-effekt.

Sett ut fra plass-synspunkt har den beskrevne motstrdmsutfdrei-se påtagelige fordeler ved at hjelpeluftstrommen efter sin av-kjøling går direkte inn i utvekslerens våte del. Ingen ekstra forbindelsesledninger fra den torre side til den våte fordres.

Av vesentlig betydning for de beskrevne apparaters virkemåte

er den måte fordampningen fra de våte flater anordnes og opprettholdes på. Det skal nu antas at fordampningen av fuktighet i hjelpeluftstrommen skjer ved at man.sprayer inn fine vanndråper i hjelpeluftstrommen. Avkjølingen vil da

skje fra vanndråpenes overflate, forplante seg til luften og fra den til mellomveggen samt derifra inn i nytteluften. Ifolge oppfinnelsen er det derimot vesentlig at fordampningen finner sted stort sett direkte fra skilleveggen mellom hjelpeluft og nytteluft, for at hoyest mulig effektivitet skal oppnås. Utover dette er det ifolge oppfinnelsen av vital betydning at de gjen-nomsnitlige vannstrdmmer man anvender for å holde de evaporative overflater våte, er minimale. Store vannstrdmmer utjevner de temperaturgradienter som oppstår i utveksléren, og reduserer derved kjdleeffekten betydelig.

Et stort sett stasjonært væskesjikt respektive - film, kan opprettholdes, ved at skilleveggen mellom luftstrømmene på

den våte side er forsynt med et vannsugende respektive - ab-sorberende sjikt, hvorved de strdmmende mediers innbyrdes på-virkning på hverandre skjer på den måte som er dnskelig, dvs. uten nevneverdig innvirkning i temperaturutjevnende retning av varmekapasitet i strdmmende vann. De sugende resp. absorber-ende sjikt eliminerer således behovet for store og stadig strdmmende vannmengder over hver enkelt del av de våte flater. Fordampningsflåtene kan fuktes opp intermittent og holder seg

da våte over et tidsintervall, som kan vare i flere minut-

ter, for neste fuktning blir nddvendig. Det er fordelaktig i en kort fuktningsperiode å sdrge for en intens spyling,

slik at stdvpartikler og fra vannet stammende mineralavleir-inger spyles bort. En slik vanning kan skje ved over hele eller en stor del av det vannede areal å dusje flatene kortvarig og intenst. Man kan også anvende en spreder, som med en kontinuer-lig vannstrdm sakte beveger seg over det overrislede areal og tilforer en kraftig vannstrdm til en eller et fåtall kanaler eller spalter samtidig. I de dvrige kanaler strdmmer hjelpeluf ts trommen i mellomtiden frem uten hindringer. Det overskudd av vann som på denne måte tilfores, samles opp i et trau under utveksléren og tilbakesirkuleres til sprederen. Man tilforer til systemet så meget vann som behdves for å erstatte det for-dampede vann pluss ytterligere en mengde, for å holde mineral-innholdet i det sirkulerende vann lavt. Ved en overrisling på foran beskrevne måte gjdres overrislingsperiodens lengde vesentlig kortere enn mellomliggende fordampningsperiode.

De på tegningene som eksempler viste utforelsesformer har viftene plasert for utvekslerne. Dette er av betydning for oppnåelse av maksimal kjoleeffekt. Under passasjen gjennom viftene varmes luften i en viss utstrekning. Ved at luften efter denne oppvar-ming avkjoles i utveksléren, fores denne varmemengde bort med hjelpeluften, i stedet for å fores inn i det avkjolte lokale.

Overrislingsanordningene på tegningene viser at vannfilmen vedlike-holdes ved at vann tilfores med en stromningsretning som faller sammen med eller er motsatt rettet i forhold til hjelpeluftens stromningsretning. Man kan imidlertid anordne vanntilfbrselen slik at den går vertikalt, mens hjelpeluftstrommen går horisontalt.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte for å kjøle en første luftstrøm, her kalt nytteluftstrøm (30), ved hjelp av en andre luftstrøm, her også kalt hjelpeluftstrøm (52; 60, 62), i en rekuperativ varmeveksler (10) som har to fra hverandre adskilte grupper (12, 20) av kanaler, gjennom hvis vegger varmeutveksling mellom de to luftstrømmene finner :sted, idet en første gruppe (12) kanaler har vegger (16) som er tørre, hvorfor nytteluftstrømmen passerer disse kanaler under vesentlig uforandret fuktighetsinnhold, mens en andre gruppe (20) kanaler gjennom hvilke hjelpeluftstrømmen passerer, har vegger (22) som er av fuktende materiale og holdes fuktet med . vann, som tilføres hjelpeluftstrømmens kanaler intermittent og hver gang under kort tidsperiode i overskudd og som bringes til å fordampes ved hjelp av denne luftstrøm, karakterisert ved at minst en del av hjelpeluften, som skal bringes i kontakt med det tilførte vann i den andre gruppen av kanaler (20), utgjøres av luft som er blitt avkjølt ved å ledes gjennom kanaler (12), tilhørende den samme varmevekslers (10) første gruppe av kanaler.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r 1 i ;s e r t ved at hjelpeluftstrømmen i en første sone av varmeveksleren utgjøres av en i varmeveksleren (10) ubehandlet luftstrøm (60) og i en andre sone av varmeveksleren av en delstrøm >(62) som tas fra nytteluftstrømmen (30) etter at denne er blitt avkjølt i varmeveksleren ved varmeutvekslingen ved de i nevnte soner passerende hjelpeluftstrømmer (fig. 3).

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2, karakterisert ved at i det minste en (74) av luftstrømmene utgjøres av luft (68) som i forveien er blitt tørket i en fuktighetsutveksler (76) (fig. 4).