УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ В ТОЧКЕ РОСЫ Российский патент 2011 года по МПК F24F3/14 F28D5/02 

Настоящее изобретение относится к устройству охлаждения потока воздуха, содержащему, по меньшей мере, один охлаждающий канал с входным отверстием для воздушного потока, который надлежит охладить, и выходным отверстием для охлажденного воздушного потока, по меньшей мере, один испарительный канал, отделенный от охлаждающего канала проводящей стенкой и имеющий входное отверстие, которое соединено с выходным отверстием охлаждающего канала, и выходное отверстие, и средство увлажнения стороны проводящей стенки, обращенной к испарительному каналу. Такое устройство, с помощью которого воздушный поток можно охлаждать опосредованно, путем испарения, и которое также известно как «устройство охлаждения в точке росы», известно из патента США №4,002,040.

Известное устройство охлаждения выполнено в форме противоточного теплообменника, имеющего некое количество групп взаимно параллельных охлаждающих каналов и некое количество групп испарительных каналов, которые также взаимно параллельны и перпендикулярны охлаждающим каналам. В таком устройстве группа охлаждающих каналов в каждом случае граничит с обеих сторон с двумя группами испарительных каналов, и наоборот, и, таким образом, создается своего рода многослойная структура теплообменника.

Стенки, которые формируют перегородку между охлаждающими и испарительными каналами, таким образом, служат для передачи тепла (или холода) между этими каналами, выполнены из материала, который обладает очень хорошей теплопроводностью, такого как, например, алюминий. Стенки испарительных каналов, включая также и стенки, которые формируют перегородку между испарительными каналами и охлаждающими каналами, имеют сплошное покрытие материалом, который способен удерживать влагу. Над испарительными каналами установлены средства увлажнения в виде периодически приводимых в действие распылителей, которые распыляют некоторое количество воды на стенки, содержащие материал, удерживающий влагу.

В известном устройстве охлаждения, предназначенном для охлаждения, например, окружающего воздуха, воздух нагнетают вентилятором и пропускают через охлаждающие каналы. Из охлаждающих каналов охлажденный воздух поступает, например, в вентилируемое пространство. Однако при выходе из охлаждающих каналов некоторую часть объема воздуха, например одну треть объемного расхода, отделяют от общего потока и пропускают через испарительные каналы. Там охлажденный воздух проходит вдоль влажных стенок, посредством чего влага испаряется и уносится воздушным потоком. Испарение влаги приводит к снижению температуры стенок. Благодаря хорошей теплопроводности проводящих стенок это приводит также к снижению температуры в охлаждающих каналах, где воздух, таким образом, охлаждается.

По сравнению, например, с установкой для кондиционирования воздуха такое известное устройство охлаждения на основе опосредованного испарения обладает преимуществом, заключающимся в том, что для охлаждения воздуха требуется лишь незначительное количество энергии. Более того, такое устройство охлаждения содержит незначительное количество движущихся частей, благодаря чему его производство и установка являются простыми и малозатратными. В качестве дополнения, такое устройство не требует каких-либо хладоагентов.

По сравнению с устройствами охлаждения с непосредственным испарением опосредованно функционирующее устройство охлаждения обладает преимуществом, которое заключается в том, что для охлаждения воздуха не требуется повышение его влажности. Подача сухого охлажденного воздуха создает в охлаждаемом таким образом пространстве комфортный климат. Более того, посредством такого опосредованно функционирующего устройства охлаждения воздух может быть охлажден до более низкой температуры, чем при использовании устройства охлаждения с непосредственным испарением. В то время как устройство охлаждения с непосредственным испарением не способно охладить воздух ниже так называемой температуры «по влажному термометру», опосредованно функционирующее устройство охлаждения с испарением способно охлаждать воздух до так называемой «точки росы», благодаря чему известное устройство охлаждения также называют устройством охлаждения в точке росы.

Задача настоящего изобретения состоит в улучшении устройства охлаждения вышеописанного типа таким образом, чтобы указанное устройство обеспечивало возможность еще более сильного охлаждения подаваемого потока воздуха, благодаря чему в помещении создавался бы еще более комфортный климат. Согласно настоящему изобретению указанная задача в таком устройстве охлаждения решается путем применения средства осушения воздушного потока в охлаждающем канале. При извлечении влаги из воздуха, который надлежит охладить, такой воздух способен впитать больше влаги в испарительном канале, благодаря чему стенка отдает большее количество тепла, участвующего в испарении, и температура стенки снижается еще сильнее.

Средство осушения в предпочтительном варианте осуществления изобретения содержит полимер с низкой критической температурой растворения (полимер с НКТР). Такой полимер является водорастворимым вплоть до критической температуры и, таким образом, удерживает влагу. Стабильность полимера в растворенном состоянии в данном случае обеспечивается надлежащим образом выбранным средством перекрестного связывания.

Простой вариант осуществления устройства охлаждения согласно настоящему изобретению получают путем, по меньшей мере, частичного покрытия стороны разделительной стенки, обращенной к охлаждающему каналу, полимером с НКТР, или производства указанной стороны разделительной стенки из такого полимера. Таким образом, обращенная к потоку сторона каждого охлаждающего канала может быть, например, покрыта полоской из полимера с НКТР. Разумеется, также возможно предусмотреть полное покрытие всех стенок каждого охлаждающего канала таким материалом.

Полимер с НКТР может быть с достижением преимущества выбран из группы, содержащей полиоксазолин, поли(диметиламиноэтилметакрилат) (p(DMAEMA) и поли(N-изопропилакриламид) (pNiPAAm). Все эти полимеры способны извлекать из воздуха и удерживать относительно большое количество влаги.

Устройство охлаждения согласно настоящему изобретению в предпочтительном варианте осуществления дополнительно содержит средство восстановления и средство осушения. Эффективность таких средств осушения в конечном итоге будет снижаться вследствие того, что они извлекают больше влаги из поступающего воздуха и таким образом насыщаются. Путем последующего приведения в действие средства восстановления влага может быть извлечена из средства осушения, и таким образом восстанавливается исходный уровень эффективности.

В простом с точки зрения структуры и принципа работы варианте осуществления устройства охлаждения средство восстановления выполнено с возможностью периодического нагревания полимера с НКТР до температуры выше критической температуры растворения. Поскольку такой полимер характеризуется низкой критической температурой растворения, обычно порядка 60-70°С, можно ограничиться применением простых нагревательных элементов.

Для того чтобы восстановление не приводило к увлажнению потока воздуха, который надлежит охладить, средство восстановления в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнено с возможностью сбора и удаления из охлаждающего канала влаги, которую полимер с НКТР выделил при восстановлении.

Особенно эффективное устройство для охлаждения получают, если средства восстановления выполнены с возможностью направления собранной влаги в средство увлажнения. При этом для увлажнения испарительных каналов требуется подача лишь незначительного количества воды.

Далее изобретение будет подробно раскрыто на основании двух вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, где:

Фиг.1 представляет собой схематичное изображение прохождения воздушного потока через устройство охлаждения согласно настоящему изобретению, работающее по принципу противотока,

Фиг.2 представляет собой подробный вид в перспективе части охлаждающих каналов и испарительных каналов устройства охлаждения по Фиг.1,

Фиг.3 представляет собой вид сверху в разрезе альтернативного варианта осуществления устройства охлаждения, и

Фиг.4 представляет собой поперечное сечение по линии IV-IV по Фиг.3.

Устройство 1 (Фиг.1) охлаждения воздушного потока содержит некое количество групп взаимно параллельных охлаждающих каналов 2, разделенных разделительными стенками 7 (Фиг.2), с входным отверстием для воздушного потока A₁, который надлежит охладить, и выходным отверстием для охлажденного воздушного потока А₂. Входные отверстия, например, сообщаются с внешней средой S, в то время как выходные отверстия выходят в охлаждаемое пространство R. Воздушный поток, проходящий через устройство 1 охлаждения, нагнетается вентилятором 5.

Устройство 1 охлаждения дополнительно содержит некое количество групп испарительных каналов 3, отделенных от охлаждающих каналов 2 проводящими стенками 4. Испарительные каналы 3 взаимно разделены разделительными стенками 8. Входные отверстия испарительных каналов 3 соединены с выходными отверстиями охлаждающих каналов 2, в то время как выходные отверстия охлаждающих каналов 3 выходят во внешнюю среду S.

Благодаря соединению между охлаждающими каналами 2 и испарительными каналами 3 неполный воздушный поток А₃ отделяется от охлажденного воздушного потока A₂, после чего его проводят через испарительные каналы 3. После прохождения через испарительные каналы полученный влажный воздушный поток A₂ выпускают во внешнюю среду S. Соотношение между объемами основного потока А₄, который в конечном итоге направляют в охлаждаемое пространство R, и отделенного неполного потока А₃ определяется, помимо прочих факторов, размерами охлаждающих каналов и испарительных каналов и может составлять, например, 2:1.

Устройство 1 охлаждения дополнительно содержит средство 6 увлажнения испарительных каналов 3 и, в частности, проводящих стенок 4. Такие средства 6 увлажнения в данном случае содержат распылительную трубку 9 с некоторым количеством отверстий 10 и питающий трубопровод 11, по которому воду подают из сборной емкости 12 под испарительными каналами 3 в распылительную трубку 9 путем использования насоса (не показан). Для того чтобы средство 6 увлажнения не работало постоянно, стенки 4, 8 испарительных каналов 3 покрыты материалом 13, который удерживает влагу, представляющим собой, например, впитывающую ткань или металлокерамическое покрытие.

До сих пор устройство 1 охлаждения имеет в основном обычную структуру. С целью повышения эффективности устройства охлаждения и таким образом более сильного охлаждения входящего воздушного потока A₁ в соответствии с настоящим изобретением предлагается осушение такого входящего воздушного потока A₁. Таким образом повышается способность отделенного воздушного потока А₃ поглощать влагу, вследствие чего в испарительных каналах 3 может испаряться большее количество влаги и таким образом из проводящих стенок 4 может быть извлечено большее количество тепла, участвующего в испарении. Таким образом, проводящие стенки 4 охлаждаются сильнее, чем в обычных устройствах охлаждения, благодаря чему повышается охлаждающая способность устройства.

В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения средства 14 осушения воздушного потока A₁, который надлежит охладить, имеют форму полимерного материала с низкой критической температурой растворения (полимер с НКТР), который нанесен в виде покровного слоя 15 на стенки 4, 7 охлаждающих каналов 2. В качестве полимера с НКТР в данном случае возможно предусмотреть такой материал, как полиоксазолин, поли(диметиламиноэтилметакрилат) (p(DMAEMA) и поли(N-изопропилакриламид) (pNiPAAm). Хотя все стенки 4, 7 охлаждающих каналов 2 сплошь покрыты полимером с НКТР, возможно также предусмотреть покрытие лишь части стенок, например вертикальных проводящих стенок 4. Также возможно предусмотреть нанесение полимера с НКТР лишь на часть длины охлаждающих каналов 2, например на их стороны, обращенные к входящему потоку, или даже на обращенную к входящему потоку часть устройства 1 охлаждения, расположенную на входе соответствующих охлаждающих каналов 2.

Слой 15 полимера с НКТР на стенках 4, 7 впитывает влагу из проходящего воздуха и таким образом переходит в состояние раствора. Растворенный слой 15 полимера сохраняет стабильность благодаря наличию надлежащим образом подобранных средств перекрестного связывания. Как уже было сказано, способность воздушного потока А₃ к поглощению влаги в испарительных каналах 3 - и соответственно способность к охлаждению - повышается благодаря осушению воздуха. В качестве дополнения, это приводит к повышению уровня комфорта, поскольку охлажденный поток воздуха А₂, поступающий в пространство R, является более сухим.

Поскольку слой 15 полимера с НКТР поглощает больше влаги и таким образом этот слой дополнительно становится более насыщенным, происходит снижение эффективности средства 14 осушения. Вследствие этого, в проиллюстрированном варианте осуществления устройство 1 охлаждения также содержит средство 16 восстановления полимерного слоя 15. Такие средства восстановления 16 выполнены с возможностью периодического нагревания полимера с НКТР до температуры выше его критической температуры растворения. Поскольку такая критическая температура относительно низка и составляет, например, порядка 60-70°С, создаются относительно простые условия и имеется возможность ограничиться нагревательными элементами 17 с низким уровнем потребления энергии. Конструкция и принцип действия таких нагревательных элементов описаны и проиллюстрированы в неопубликованной на момент подачи настоящей заявки патентной заявке Нидерландов №1030149 данного заявителя.

Когда полимер 15 с НКТР нагревают до температуры выше его критической температуры растворения, он выделяется из раствора, и таким образом вновь высвобождается влага L. Эта влага L протекает вдоль стенок 4, 7. Для того чтобы избежать нежелательного увлажнения входящего воздушного потока A₁ в результате протекания влаги, средства 16 восстановления дополнительно выполнены с возможностью сбора и удаления из охлаждающих каналов 2 указанной влаги L, выделенной при восстановлении. Для этих целей охлаждающие каналы 2 могут быть, например, в некоторой степени наклонены вниз, чтобы влага L стекала в нижнюю часть охлаждающих каналов 2. В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения в указанном месте расположена сборная емкость 18. Она, в свою очередь, соединена со сборной емкостью 12 средства 6 увлажнения. Таким образом, уровень потребления воды устройством 1 охлаждения снижен благодаря направлению влаги L, извлеченной из входящего воздуха, в средство увлажнения.

Вместо того чтобы пересекаться, охлаждающие каналы 2 и испарительные каналы 3 могут также проходить параллельно друг другу, но в противоположных направлениях (Фиг.3 и 4). В таком случае устройство представляет собой устройство охлаждения, основанное на принципе противотока. Такой вариант компоновки имеет преимущество, заключающееся в обеспечении возможности более длительного и таким образом более интенсивного теплообменного контакта между воздушным потоком A₁, который надлежит охладить, и испарительным потоком А₃.

При том что изобретение проиллюстрировано выше на основании нескольких вариантов осуществления, должно быть очевидно, что в него могут быть внесены многочисленные изменения. Поэтому объем настоящего изобретения определяется исключительно нижеприведенной формулой изобретения.

Устройство предназначено для охлаждения воздушного потока и создания комфортных условий в различных помещениях. Устройство содержит, по меньшей мере, один охлаждающий канал с входным отверстием для воздушного потока, который надлежит охладить, и выходным отверстием для охлажденного воздушного потока, по меньшей мере, один испарительный канал, отделенный от охлаждающего канала проводящей стенкой и имеющий входное отверстие, которое соединено с выходным отверстием охлаждающего канала, и выходное отверстие, средство увлажнения стороны проводящей стенки, обращенной к испарительному каналу, и средство для осушения воздушного потока в охлаждающем канале. Средство осушения может содержать полимер с низкой критической температурой растворения, которым может быть покрыта сторона проводящей стенки, обращенная к охлаждающему каналу, или из которого может быть выполнена указанная сторона проводящей стенки. Устройство охлаждения может дополнительно содержать средство восстановления средства осушения. Технический результат - повышение охлаждающей способности устройства. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство охлаждения воздушного потока, содержащее:
по меньшей мере, один охлаждающий канал с входным отверстием для воздушного потока, который надлежит охладить, и выходным отверстием для охлажденного воздушного потока,
- по меньшей мере, один испарительный канал, отделенный от охлаждающего канала проводящей стенкой и имеющий входное отверстие, которое соединено с выходным отверстием охлаждающего канала, и выходное отверстие, и
- средство увлажнения стороны проводящей стенки, обращенной к испарительному каналу,
- средство осушения воздушного потока в охлаждающем канале,
отличающееся тем, что средство осушения воздуха содержит полимер с низкой критической температурой растворения (полимер с НКТР).

2. Устройство охлаждения по п.1, отличающееся тем, что сторона проводящей стенки, обращенная к охлаждающему каналу, по меньшей мере, частично покрыта полимером с НКТР или выполнена из указанного полимера.

3. Устройство охлаждения по п.1, отличающееся тем, что полимер с НКТР выбран из группы, содержащей полиоксазолин, поли(диметиламиноэтилметакрилат) (p(DMAEMA) и поли(N-изопропилакриламид) (pNiPAAm).

4. Устройство охлаждения по п.1, характеризующееся средством восстановления средства осушения.

5. Устройство охлаждения по п.4, отличающееся тем, что средство восстановления выполнено с возможностью периодического нагревания полимера с НКТР выше критической температуры растворения.

6. Устройство охлаждения по п.4, отличающееся тем, что средство восстановления выполнено с возможностью сбора и удаления из охлаждающего канала влаги, выделенной полимером с НКТР во время восстановления.

7. Устройство охлаждения по п.6, отличающееся тем, что средство восстановления выполнено с возможностью направления собранной влаги в средство увлажнения.