УСТРОЙСТВО ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ Российский патент 2011 года по МПК F28D5/00 

Настоящее изобретение относится к теплообменным устройствам, и, в частности к устройствам испарительного охлаждения такого типа, которые могут охлаждать первичный, или производственный, воздушный поток путем испарения жидкости во вторичном, или рабочем, потоке воздуха. Такие устройства могут также работать для обеспечения рекуперации тепла в сочетании с вентиляцией.

Испарительный охладитель является устройством, которое использует скрытое тепло испарения жидкости для охлаждения. Принцип устройства испарительного охладителя известен в течение многих веков. Например, влажная одежда, положенная на объект, сохранит объект холодным за счет испарения жидкости с одежды. Путем продолжительного добавления жидкости к одежде охлаждающий эффект может поддерживаться бесконечно без подвода электроэнергии. Самая низкая температура, которая может быть достигнута путем испарения влаги таким образом в воздушном потоке, определяется температурой смоченного термометра для такого воздуха. Этот принцип используется в непрямом испаряющем охладителе. Производственный воздушный поток, проходящий над первичной поверхностью теплообменного элемента, можно охладить при помощи рабочего воздушного потока, проходящего над вторичной влажной поверхностью или поглощающего влагу с вторичной влажной поверхности теплообменного аппарата.

В соответствии с теорией, если некоторое количество воздуха охлаждается путем прямого испарения, его абсолютная влажность возрастает благодаря поглощению влаги. Его относительная влажность также увеличивается благодаря его сниженной температуре до тех пор, пока при температуре влажного термометра не установится его полное насыщение парами воды. Однако если воздух охлаждается без прямого испарения, его абсолютная влажность остается прежней. По мере снижения температуры повышается лишь относительная влажность, пока не наступит полное насыщение воздуха при так называемой точке росы. Таким образом, точка росы ниже температуры влажного термометра и фактически определяется как температура, до которой нужно охладить массу воздуха для достижения насыщения или 100% относительной влажности. В этой точке водяной пар в воздухе начинает конденсироваться. Предпринимались попытки усовершенствовать принцип устройства непрямого испарительного охладителя путем охлаждения или высушивания рабочего потока воздуха перед тем, как осуществляется испарение. В частности, подходящим способом охлаждения рабочего потока воздуха является возврат части охлажденного производственного воздуха. Такие устройства часто называются конденсационными охладителями, поскольку они могут снижать температуру производственного воздуха ниже его температуры влажного термометра и точки росы. Путем оптимизации поверхностей, с которыми воздушные потоки обмениваются теплом, можно обеспечить высокоэффективный теплообмен. Было установлено, что наибольшее значение это имеет для случая переноса тепла с влажной вторичной поверхности. Чтобы снабдить влагой рабочий воздушный поток, увлажненная вторичная поверхность может быть снабжена каким-либо источником жидкости, например, в виде гидрофильного слоя. Наличие такого слоя может, однако, приводить к повышенной термоизоляции вторичной поверхности от рабочего воздушного потока, уменьшая таким образом перенос тепла.

Особенно эффективный вид конденсационного охладителя известен из публикации РСТ WO 03/091633, содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. Устройство использует мембрану, имеющую теплообменные элементы на первичной и вторичной поверхностях. Эти теплообменные элементы имеют вид ребер и, как считается, улучшают перенос тепла с первичной поверхности на вторичную поверхность. Ребра одновременно служат для непосредственного подведения тепла к мембране и для разрушения различных пограничных слоев, которые образуются в потоке. Они также служат для увеличения общей площади, доступной для теплообмена на соответствующих поверхностях. Другие важные характеристики влажной вторичной поверхности известны из этого документа, а также публикации РСТ WO 05/019739, содержание которой также полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. Соответственно, при тщательном выборе материала, используемого в качестве удерживающего воду слоя, может быть достигнуто оптимальное испарение без термоизоляции вторичной поверхности от рабочего воздушного потока.

Рабочая разность температур между первичными и вторичными потоками испарительного охладителя этого типа должна быть очень низкой для обеспечения охлаждения до точки росы. Как следствие, чтобы произошла хорошая передача тепла, коэффициент теплопроводности через теплообменное устройство должен быть высоким. Представляется, что в случае WO 03/091633 точка прикрепления пластин к мембране является областью низкой теплопередачи. Согласно публикации РСТ WO 03/091648 А, была предпринята попытка улучшить теплопередачу посредством соединения пластин на противоположных сторонах мембраны непосредственно через мембрану. Согласно публикации РСТ WO 01/57461, пластины образуются в виде изгибов самой мембраны.

Металлы обычно являются хорошими проводниками тепла, и в публикации РСТ WO 04/040219 описано устройство, которое использует термоотверждаемый металлический слоистый материал для форирования как пластин, так и мембраны. Они соединяются вместе тепловой сваркой. Однако считается, что адгезивные составляющие ламината негативно влияют на теплопередачу между пластинами на противоположных поверхностях мембраны. Кроме того, в процессе соединения площадь пластин, фактически соединенная под давлением с мембраной, обычно меньшей желаемой. Следует также заметить в этом контексте, что теплопередача вдоль мембраны нежелательна, поскольку это может негативно сказаться на перепаде температур между впускным и выпускным отверстиями. По этой причине в прошлом избегали использовать металлические мембраны в конденсационных охлаждающих устройствах.

Были предложены многие другие конструкции испарительных охлаждающих устройств, которые все требовали передачи тепла через мембрану. Мембрана разделяет влажную область, где находится испаряемая жидкость, и сухую область. Ряд конструкций Maisotsenko и др. приведен в US 6581402, где первичный и рабочий потоки через пластину разделяются направляющими каналов.

Вторичный поток отводится на противоположную сторону пластины и принимает тепло путем испарения и путем передачи тепла от пластины.

Для улучшения передачи тепла между первичным и вторичным потоками предложено согласно изобретению испарительное охлаждающее устройство, содержащее пару теплопроводящих пластин, расположенных в общем параллельно друг другу с промежутком между ними, и разделительные элементы, отделяющие пластины друг от друга и образующие каналы для первичного и вторичных потоков между пластинами. Таким образом, теплопередача между первичным и вторичным каналами может происходить в первую очередь путем проведения тепла вдоль пластин из области, связанной с первичными каналами, в области, связанные с вторичными каналами. В этом состоит отличие от традиционных устройств, где теплопередача между текучими средами происходит через мембрану, разделяющую текучие среды. Для направления первого и второго потоков предусмотрен первичный входной канал, образующий входное соединение текучей среды для подачи воздуха к группе каналов первичного потока, и вторичный входной канал, образующий входное соединение текучей среды для подачи воздуха к группе вторичных каналов. Входные каналы могут быть образованы самими пластинами или дополнительными элементами. Они могут быть также снабжены системой водораспределения для подачи воды к вторичным каналам для увлажнения их стенок. Таким образом, первичный воздушный поток через первичные каналы может охлаждаться путем проведения тепла вдоль пластин, чтобы вызвать испарение воды во вторичном воздушном потоке через вторичные каналы. В настоящем контексте ссылка на первичные и вторичные каналы означает, если не оговорено иное, что относится целиком к обоим каналам, а также к отдельным участкам каналов внутри устройства.

В соответствии с другим вариантом выполнения изобретения проводящие пластины могут содержать структуры, разрушающие пограничный слой. Такие структуры или элементы важны для недопущения образования ламинарных потоков в каналах, особенно во вторичных каналах. Ламинарный поток обычно нежелателен для хорошей теплопередачи с поверхности пластины. Разрушение приграничных слоев может вызывать локальный турбулентный поток и лучшее перемешивание насыщенного воздуха, что приводит к более высокому коэффициенту теплопередачи. Заметим, что турбулентный поток через теплообменник обычно нежелателен, поскольку увеличение перепада давления в канале перевесит выигрыш от увеличения теплопередачи. Структуры могут быть расположены на поверхностях пластин или могут быть образованы путем локальных деформаций или контурами самих пластин.

Устройство предпочтительно содержит некоторое количество теплопроводящих пластин, расположенных обычно параллельно друг другу с промежутками между ними. Разделительные элементы формируют области первичного и вторичного потоков между или через каждую смежную пару пластин. Таким образом, может быть легко образовано большое число каналов потока.

Более предпочтительно, для такой конструкции штабелированных пластин, чтобы область первичного потока между первой парой пластин была в общем выровнена со смежной областью первичного потока между смежной парой пластин. В этом случае пластины могут быть снабжены отверстиями для направления потока через пластины соответственно между смежными первичными каналами потока и смежными вторичными каналами потока. Отверстия могут выполнять ряд важных функций. Во-первых, они могут разрушать пограничные слои и разбивать локальный ламинарный поток, увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи. Во-вторых, посредством направления вторичного потока на обе поверхности пластины в случае, если на одной из поверхностей имеется вода или удерживающий воду слой, вторичный поток может попеременно подвергаться воздействию термической теплопередачи и скрытой теплоты. Отверстия предпочтительно имеют форму жалюзи или аналогичных отверстий, направляющих поток. Было обнаружено, что жалюзи наиболее эффективны при направлении насыщенного воздуха от пограничного слоя и внутрь каналов, при этом минимизируется перепад давлений вследствие чрезмерной турбулентности.

В соответствии с первым вариантом выполнения изобретения все каналы потока в общем направлены вдоль пластин, и направление потока в первичных каналах противоположно потоку во вторичных каналах. Противоположное направление потоков признано наиболее оптимальным для эффективного охлаждения конденсационного типа.

В соответствии со вторым вариантом выполнения изобретения направление потока в первичных каналах противоположно потоку во вторичных каналах и в общем перпендикулярно основной плоскости пластин. Такую конфигурацию можно обеспечить, если жалюзи или отверстия в пластинах достаточно велики, чтобы сделать возможным прохождение потока через пластины. Значительное достоинство такой конфигурации заключается в том, что разделительные элементы могут действовать в качестве барьеров теплопроводности, препятствующих проведению тепла в направлении первичного потока. Эта конфигурация может также обладать достоинством, заключающимся в обеспечении впускного и выпускного соединения для первичного и вторичного потоков.

В альтернативном варианте выполнения направление потока в первичных каналах может быть в общем перпендикулярным потоку во вторичных каналах. В этом случае устройство работает в перекрещивающихся потоках. Один из потоков может быть параллелен пластинам, а другой поток может воспользоваться отверстиями или жалюзи для прохождения через пластины. Или же оба потока могут частично проходить сквозь пластины и частично быть параллельны пластинам. Следует заметить, что большим достоинством настоящего изобретения является его универсальность, обеспечивающая возможность различных конфигураций потоков. В соответствии с важным признаком изобретения устройство дополнительно содержит гидрофильный слой, по меньшей мере частично покрывающий пластины в каналах вторичного потока. Гидрофильный слой действует как удерживающий и выделяющий воду слой. В этом контексте под водой понимается любая испаряющаяся жидкость, которую можно использовать в таком устройстве, как испаряющий охладитель. Гидрофильный слой более предпочтительно предусмотрен только на одной поверхности пластины. Гидрофильный слой необязательно является отдельным слоем, но может также быть образован в результате обработки поверхности пластин для увеличения ее гидрофильности. Ранее было обнаружено, что крайне желательно использовать цементирующие материалы, такие как портландцемент. Или же можно использовать волоконные материалы. Как было установлено, очень важно, чтобы удерживающий воду слой не препятствовал теплопередаче от пластины путем ее изоляции от вторичного потока.

В предпочтительном варианте выполнения разделительные элементы содержат теплоизолирующий материал. Таким образом, можно считать, что разделительные элементы образуют разделительную мембрану между областями первичного и вторичного потоков. Однако они не выполняют функции теплообменной мембраны, как в конструкциях, известных из предыдущего уровня техники. Разделительные элементы также несут конструктивную функцию для обеспечения надежной опоры для пластин.

В альтернативном варианте выполнения разделительные элементы могут содержать части пластин, вытянутые в общем в перпендикулярном направлении к главной плоскости пластин. Каждый разделительный элемент может опираться на смежные пластины или непосредственно, или через клей или соединительный элемент иного рода. В этом случае соединительный элемент может частично играть роль разделителя и может также обеспечивать функцию изолятора между смежными пластинами.

Хотя, как было описано, одной функцией разделительных элементов является изоляция между пластинами, могут быть предусмотрены другие формы барьеров проведения тепла в направлении первичного потока. Разумеется, это зависит от направления, выбранного для первичного потока. Для потока, проходящего вдоль пластин, барьер проведения тепла может обеспечиваться посредством жалюзи или иных маленьких щелей. В частности, можно использовать узкие щели, которые не позволяют потоку течь через них, но которые нарушают проведение тепла.

В соответствии с важным аспектом изобретения пластины должны быть хорошими проводниками тепла. Пластины предпочтительно содержат алюминий, который является также легким и простым для производства. Пластины могут быть также выполнены из других металлов, в частности из сплавов. Пластина может, если необходимо, иметь защитные слои, например, для недопущения коррозии или загрязнения. Однако такие слои не должны излишне препятствовать передаче тепла к пластине.

В соответствии с предпочтительным вариантом выполнения изобретения выходные отверстия первичных каналов сообщаются с входными отверстиями вторичных каналов. Таким образом, часть текучей среды, протекающей по первичным каналам, может быть впоследствии направлена через вторичные каналы. Предполагается, что такая работа конденсационного охладителя обеспечивает достижение наибольшей эффективности работы и наименьшей температуры на выходе из первичных каналов. Сообщение между первичным выходным отверстием и вторичным входным отверстием может осуществляться по принципу "один к одному", когда один первичный канал обеспечивает входной поток для одного вторичного канала. В альтернативном варианте объединенный первичный поток может быть разделен, и его часть возвращается и распределяется во вторичные каналы. В еще одном альтернативном варианте некоторые первичные каналы могут быть направлены исключительно на обеспечение вторичным воздухом всех вторичных каналов. В связи с этим ссылка на выходные отверстия первичных каналов включает в себя любые подходящие соединения, внутренние или внешние, которые могут доставлять часть первичного потока для подачи потока через вторичные каналы.

В соответствии с еще одним аспектом изобретения представлен испарительный охладитель, содержащий вышеописанный теплообменник, имеющий корпус для помещения в него теплообменника, впускные трубки, присоединенные к первичным каналам, выпускные трубки, идущие от первичных и вторичных каналов, устройство циркуляции воздуха для обеспечения циркуляции воздуха через первичные и вторичные каналы, источник воды, обеспечивающий водой систему водораспределения, и контроллер для управления работой охладителя. Такой конденсационный охладитель может работать в качестве автономного устройства или может быть включен в состав более крупной системы обогрева и вентиляции. Кроме того, внутри корпуса могут иметься датчики температуры, давления, влажности и т.д. для контроля работы и обеспечения, при необходимости, обратной связи с контроллером.

Отличительные признаки и преимущества изобретения будут понятны из ссылок на следующие чертежи нескольких типичных вариантов выполнения, в том числе:

на фиг.1А приведен вид в перспективе детали традиционного испарительного теплообменника;

на фиг.1В приведен разрез фрагмента детали на фиг.1А по линии 1В-1В;

на фиг.2 приведен разрез фрагмента детали, аналогичной приведенной на фиг.1В, теплообменного элемента согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения;

на фиг.3 приведен вид в перспективе теплообменного элемента, изображенного на фиг.2, сконструированного в виде конденсационного охладителя;

на фиг.4 приведен вид в перспективе второго варианта выполнения изобретения, аналогичного варианту осуществления, изображенному на фиг.3;

на фиг.5 приведен вид в перспективе альтернативной теплообменной пластины для использования в третьем варианте выполнения изобретения;

на фиг.6 приведен фрагмент, аналогичный изображенному на фиг.2, четвертого варианта осуществления изобретения; и

на фиг.7 показан вид сзади пятого варианта выполнения изобретения.

На фиг.1А приведен разрез теплообменного элемента 1 такого типа, который в настоящее время используется в теплообменнике предшествующего уровня техники, описанного в публикации РСТ WO 04/040219, содержание которой полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. Теплообменный элемент 1 содержит мембрану 10, имеющую первую поверхность 12 и вторую поверхность 14. Стрелки А и В указывают направление воздушных потоков, используемых в качестве конденсационного охладителя. Стрелка А представляет первичный воздушный поток над первой поверхностью 12. Стрелка В представляет вторичный воздушный поток над второй поверхностью 14. Мембрана 10 выполнена из тонкого калиброванного алюминиевого листа. Обе стороны мембраны 10 имеют ребра 16, расположенные в виде полосок 18. Ребра 16 прикреплены своими основаниями 28 к мембране 10 термоклеем. С этой целью ребра 16 также выполнены из алюминия, на который нанесен слой термоклея. В устройствах испарительного охлаждения этого типа теплообмен имеет место преимущественно на поверхностях ребер 16, расположенных на второй поверхности 14, чем на самой мембране. Это тепло переносится путем проводимости через материал ребер 16 от ребер на первой поверхности 12.

Ребра 16 снабжены жалюзи 20 в виде вытянутых щелей, проникающих через слоистый материал. Жалюзи 20 расположены группами. Первая группа 22 служит для направления потока на поверхность, тогда как вторая группа 24 направляет поток от поверхности. Направляя поток таким образом между обеими поверхностями ребер 16, жалюзи 20 обеспечивают увеличение коэффициента теплопередачи, разбивая образующиеся пограничные слои. Помимо этой функции на второй поверхности 14 может обеспечиваться попеременное протекание вторичного воздуха В сначала над внешней поверхностью ребра 16, где он может принять влагу, испаряющуюся из удерживающего жидкость слоя, а затем по внутренней поверхности ребра 16, где он может непосредственно получить тепловую энергию для повышения своей температуры. Ребра также имеют мосты 30 проводимости. Эти мосты 30 имеют вид прорезей в ребрах 16 на всю их высоту. Они уменьшают нежелательный перенос тепла по ребрам 16 в направлении воздушного потока, который в противном случае может уменьшить разность температур между входом и выходом.

На фиг.1В приведены различные слои, образующие конструкцию. Мембрана 10 содержит основной слой из мягкого отожженного алюминия 42, нанесенный на него грунтовый слой 44, и нанесенный поверх него антикоррозионный клейкий слой 46, активированный теплом и давлением для соединения с ребрами 16. Ребра 16 также содержат слой мягкого отожженного алюминия 48, снабженный грунтовыми слоями 50. На внешней поверхности ребра 16 также имеют удерживающий жидкость слой 26, который предназначен для удержания и последующего выделения воды для испарения.

Для эффективной работы в качестве конденсационного охладителя теплопередача между ребрами 16 на первой поверхности 12 и второй поверхности 14 должна быть максимальной за счет соответствующих способов соединения. Кроме того, для максимального увеличения площади теплопередачи через мембрану 10 основа или самая нижняя точка 28 ребер 16 должна быть сделана максимально широкой и плоской. Было обнаружено, однако, что несмотря на всю тщательность при соединении ребер 16 с мембраной 10, площадь контакта недостаточна. Кроме того, наличие клеев и грунтовых слоев в конструкции "ребро/мембрана/ребро" снижает коэффициент теплопередачи через мембрану.

На фиг.2 показано сечение части теплообменного элемента 100 для устройства испарительного охлаждения согласно настоящему изобретению. Для обеспечения непосредственного сравнения с устройством предшествующего уровня техники показано только сечение теплообменного элемента 100, соответствующего и имеющего ту же ориентацию, что и устройство, приведенное на фиг.1В.

Согласно фиг.2 имеется несколько теплопроводящих пластин 102, расположенных в общем параллельно друг другу с промежутками между ними. Разделительные элементы 104 отделяют пластины 102 друг от друга и образуют вместе с пластинами 102 первичные 106 и вторичные каналы 108 потока между пластинами 102. Пластины 102 выполнены из алюминия или другого подходящего теплопроводящего материала. В отличие от ребер 16 на фиг.1 пластины 102 не имеют клеевого слоя или грунтовочного слоя. В области вторичных каналов 108 пластины 102 имеют на одной из поверхностей удерживающий воду слой 110. В пластинах 102 имеются жалюзи 112 в области вторичных каналов 108. Разделительные элементы 104 выполнены из формоустойчивой смолы. От них не требуется теплопроводимость, поскольку их функция состоит только в том, чтобы поддерживать промежутки между пластинами 102 и не допускать воздушный поток из первичных каналов 106 во вторичные каналы 108. На самом деле, желательно, чтобы разделительные вставки 104 были теплоизолирующими для уменьшения теплопроводности в направлении потока.

Ниже подробно описывается работа устройства согласно фиг.2. Непоказанным способом вода или иная испаряющаяся жидкость подается на удерживающий воду слой 110. Обеспечивается протекание потока вторичного воздуха В через вторичный канал 108. Когда вторичный воздух проходит над удерживающим воду слоем, он поглощает воду посредством испарения. Жалюзи направляют воздух сквозь пластину 102, где он затем нагревается путем непосредственной теплопередачи от поверхности пластины 102. Обеспечивается протекание потока первичного воздуха А через первичные каналы 106 навстречу вторичному потоку. Первичный поток охлаждается путем непосредственной теплопередачи пластине 102. Тепло, переданное пластине 102 в области первичного канала, переносится по пластине 102 по стрелке Н в область вторичного канала 108. Таким образом, можно видеть, что пластины 102 работают как теплопроводящие элементы, а не как теплообменные мембраны.

На фиг.3 приведен вид в перспективе теплообменного элемента 100, изображенного на фиг.2, на котором можно видеть размеры пластин 102. На фиг.3 также показано, каким образом теплообменный элемент 100 может быть установлен в конденсационном охладителе 120. Следует также заметить, что теплообменный элемент 100 повернут на 90 градусов относительно фиг.2 в рабочее положение.

Как можно видеть на фиг.3, пластины 102 выходят за пределы первичных 106 и вторичных 108 каналов, приведенных на фиг.2, к другим первичным 106 и вторичным 108 каналам. Показан также размер пластин 102 в направлении потока. В отличие от ребер 16 устройства предшествующего уровня техники на фиг.1, которые располагались полосами 18, пластины 102 настоящего изобретения идут от одного края теплообменного элемента 100 до другого. На фиг.3 для простоты приведено только тридцать два коротких канала, однако следует понимать, что в действительности пластины 102 могут идти значительно дальше во всех направлениях, и поэтому и длина, и число каналов 106, 108 могут быть больше.

На фиг.3 приведены также входные каналы 114 для первичных каналов 106. Входные каналы 114 выполнены материалом разделительных элементов 104, выходящим за пределы пластин 102. Этот материал может подходящими способами формования быть превращен в закрытый входной канал 114. Входные каналы 114 служат для направления входного воздушного потока А от устройства 115 циркуляции к первичным каналам 106 и отделения его от воздушного потока В, выходящего из вторичных каналов 108. При использовании поток В обычно насыщается влагой и выпускается. Понятно, что можно также использовать, при необходимости, и другие способы формирования впускных или выпускных каналов как для первичных 106, так и для вторичных 108 каналов.

На фиг.3 приведена также система 116 водораспределения. Система 116 водораспределения существует в виде ряда труб 118, направленных от источника 119 воды к выходным отверстиям 122 для впрыскивания мелких капелек 124 воды во вторичные каналы 108. Жалюзи 112 позволяют капелькам 124 проходить через пластины 102 к другим вторичным каналам, расположенным ниже. Могут также использоваться альтернативные системы водораспределения 116. Предпочтительной конструкцией является система, используемая в настоящее время в испарительном охладителе Oxycell Rooftop 400, по существу описанном в международной патентной публикации WO 04/076931, содержание которого полностью включено в настоящий документ посредством ссылки. Как источник 119 воды, так и устройство 115 циркуляции управляется контроллером 130. Устройство может быть помещено в соответствующий корпус (не показан).

Важным фактором эффективной работы испаряющего охладителя является природа удерживающего жидкость слоя. Хотя он называется удерживающим жидкость слоем, ясно, что это слой на самом деле слой, удерживающий и выделяющий жидкость. От такого слоя требуется, чтобы он легко отдавал воду, так чтобы не было сопротивления испарению. Важно также, чтобы он распределял воду быстро и эффективно ко всем необходимым поверхностям. Таким образом, слой должен быть гидрофильным, но не гигроскопичным, предпочтительно удерживая воду преимущественно посредством поверхностного натяжения.

В варианте выполнения на фиг.2 и 3 удерживающий жидкость слой 110 выполнен из волокнистого материала. Слой 110 схематично показан имеющим очень неплотную структуру, так чтобы металл пластины 102 можно было ясно видеть в промежутках между волокнами слоя 110. Считается, что это способствует непосредственной беспрепятственной теплопередаче от пластины 102. Устройства предыдущего уровня техники, использующие толстые капиллярные слои, фактически изолировали теплопередающий слой, препятствуя теплопередаче. Примером материала для формирования удерживающего воду слоя 110 является смесь 50/50 полиэфира/вискозы плотностью 20 г/м², поставляемая компанией Lantor B.V., Нидерланды. Другим примером материала служит полиэфир, покрытый слоем полиамида, плотностью 30 г/м², поставляемый под названием Colback™ компанией Colbond N.V., Нидерланды. Можно также использовать другие материалы, имеющие аналогичные свойства, в том числе синтетические и натуральные волокна, такие как шерсть. При необходимости удерживающий жидкость слой 110 может быть покрыт или иным образом обработан для придания ему антибактериальных или других антизагрязняющих свойств. Удерживающий жидкость слой 110 может быть приклеен к пластине 102. Было обнаружено, что 2 мм слой двухкомпонентного полиуретанового клея при использовании с вышеупомянутыми алюминием и волокнами Lantor дает превосходные результаты. Влияние столь тонкого слоя на теплопередачу незначительно. Кроме того, следует заметить, что наличие удерживающего жидкость слоя влияет только на теплопередачу от пластины 102 во вторичный поток В и не имеет никакого существенного влияния на теплопроводность в самой пластине 102 между первичными 106 и вторичными 108 каналами. Было обнаружено, что описанные выше волокнистые слои являются идеальными для производственных целей, поскольку они могут поставляться в виде многослойного материала, который можно сформировать в жалюзи и в другие формы в непрерывном процессе. Можно также использовать другие удерживающие жидкость слои, такие как портландцемент, которые действительно показали превосходные свойства, хотя пока их изготовление является более сложным, поскольку они склонны к раскалыванию или тресканью, если их наносить до формирования теплообменного элемента. Тем не менее считается, что и другие материалы, такие как оксид алюминия, могут сами по себе отвечать требованиям обеспечения удержания воды и капиллярных свойств.

Действие устройства 120, приведенного на фиг.3 в конфигурации конденсационного охладителя, описывается ниже на основе принципа, описанного со ссылкой на фиг.2. Первичный воздушный поток поступает на вход 114 при температуре Т1 и протекает по первичным каналам 106. Поток А перемещается устройством 115 циркуляции. Поток охлаждается посредством теплопередачи на пластину 102 до температуры Т2, близкой к точке росы. На выходе из первичного канала 106 охлажденный первичный поток разделяется с образованием охлажденного производственного потока С и вторичного потока В. Производственный поток С доставляется по соответствующим трубам в место, где требуется охлажденный воздух. Вторичный поток В возвращается по вторичным каналам 108. Когда вторичный поток возвращается, он нагревается посредством теплопередачи от пластины 102 и поглощает влагу посредством испарения из удерживающего воду слоя 110. На выходе из вторичного канала 108 поток В возвращается с температурой, близкой к его первоначальной температуре Т1, но при этом он насыщен почти на 100%. Разность энтальпии между потоками А и В характеризует количество охлаждения, доступного для производственного потока С. В схеме, приведенной на фиг.3, можно заметить, что тепло может проводиться в обоих направлениях Н через пластину 102 от первичного канала 106 к вторичному каналу 108 с обеих его сторон. Тепло может также передаваться в направлении потока, что в общем нежелательно. Наличие жалюзи 112 во вторичных каналах 108 уменьшает продольную теплопередачу в этой области. Согласно варианту осуществления изобретения, приведенному на фиг.3, в области первичных каналов 106 жалюзи отсутствуют. Понятно, однако, что в этой области также имеются жалюзи как для поддержания турбулентности, так и для уменьшения продольной теплопередачи.

На фиг.4 показан альтернативный вариант осуществления изобретения, аналогичный схеме на фиг.3. Подобные элементы на фиг.4 обозначены теми же номерами позиций, что и на фиг.3. Согласно фиг.4 жалюзи 112 также имеются в области первичных каналов 106. В этом случае жалюзи 112 достаточно большие, чтобы потоки А и В могли целиком проходить без существенного сопротивления. Оба конца каналов 106, 108 потоков закрыты затворами 126. На нижней стороне самых нижних первичных каналов 106 имеются входные каналы 114. В процессе работы поток первичного воздуха А направляется вверх от входных труб 114 и протекает последовательно сквозь каждую пластину 102 через жалюзи 112. На выходе из области верхнего первичного канала 106 поток разделяется с образованием производственного потока С и вторичного потока В, который возвращается сверху вниз сквозь пластины 102 в область вторичных каналов 108. В остальном работа по существу идентична работе варианта выполнения, приведенного на фиг.3. Можно, однако, отметить ряд преимуществ. Поскольку потоки А и В являются в общем перпендикулярными пластинам 102, в направлении потока теплоперенос может отсутствовать. Более того, поскольку вторичный поток В течет в направлении водораспределения, его можно использовать для улучшения переноса воды. Следует заметить, что направление потоков на фиг.4 может быть противоположным, когда первичный поток течет сверху вниз. В альтернативном варианте устройство может быть положено на бок, и вода может подаваться к вторичным каналам 108 через затворы 126. Дополнительное преимущество варианта выполнения на фиг.4 заключается в том, что затворы 126 и входные каналы 114 (или другие каналы) могут быть более простыми в изготовлении и соединении.

Варианты выполнения на фиг.3 и фиг.4 работают во встречных потоках. Такая конфигурация признана для конденсационных охладителей наиболее эффективной. Однако при определенных обстоятельствах более желательными могут оказаться конфигурации с перекрестными потоками. Как схема на фиг.3, так и схема на фиг.4 подходят для работы в конфигурации с перекрестными потоками. На фиг.3 вторичный поток В может проходить сквозь жалюзи 110 в перпендикулярном к пластине направлении. На фиг.4 направление любого потока можно изменить посредством использования подходящих входных и выходных каналов.

Хотя вариант выполнения на фиг.4 описан с использованием жалюзи 112, понятно, что могут использоваться любые подходящие проходы сквозь пластины 102. Следует также заметить, что жалюзи или проходы необязательно ограничиваются областями отдельных каналов канала, если материалом разделительных элементов является смола, которая может пропитывать пластину 102 и закрывать такие проходы. На фиг.5 приведена пластина 202 с расположенными на ней разделительными элементами 204 для формирования первичных каналов 206 и вторичных каналов 208. На поверхности пластины 202 имеются отверстия 212. Материал разделительных элементов 204 проникает в отверстия 212 для недопущения утечки воздуха из первичных каналов 206 во вторичные каналы 208. Разделительные элементы 204 с обеих сторон пластины 202 можно, таким образом, соединить, например, путем плавления или тому подобного для формирования по существу непрерывного разделителя. Как и в предыдущих примерах, поток может протекать в общем вдоль пластины, или в общем сквозь пластину, или даже по диагонали. Пластины могут быть снабжены удерживающими воду слоями (не показаны), как описано выше.

Можно представить себе множество других видоизменений конструкции. На фиг.6 показан разрез части теплообменного элемента 300, аналогичного элементу на фиг.2. Вариант выполнения на фиг.6 отличается от варианта на фиг.2 отсутствием жалюзи. Вместо этого пластины 302 имеют профиль 312 поверхности, способствующий турбулентному потоку. В данном примере профиль 312 поверхности имеет вид небольших углублений. Однако понятно, что для достижения желаемого эффекта можно профилировать или сделать рифлеными сами пластины 302. Во вторичных каналах 308 имеется удерживающий воду слой 310 в виде прерывающихся полосок, так что воздушный поток проходит попеременно над металлической поверхностью пластины 302 и увлажненной поверхностью удерживающего воду слоя 310. Дополнительной особенностью варианта выполнения на фиг.6 является то, что система 316 водораспределения расположена внутри разделительных элементов 304. Каждый разделительный элемент 304 имеет вид небольшой упругой трубы 318, имеющей выходные отверстия 322. Подача воды в трубы 318 под давлением вызывает выдавливание капель из выходных отверстий 322 для увлажнения удерживающего воду слоя 310.

В вариантах выполнения на фиг.2-6 используются отдельные разделительные элементы, предназначенные для поддержания промежутков между пластинами. Согласно еще одному аспекту изобретения, на фиг.7 приведен разрез варианта выполнения, в котором разделительный элемент выполнен из материала самой пластины. Согласно фиг.7, формируется множество пластин 402, каждая из которых имеет зигзагообразную структуру. Каждая пластина 402 имеет области 430 первичных каналов и области 432 вторичных каналов, разделенные разделительными областями 434. Разделительные области в общем перпендикулярны областям 430 первичных каналов и областям 432 вторичных каналов. Следует заметить, что области 430 первичных каналов больше областей 432 вторичных каналов. Причина такого различия подробно объясняется ниже. Области 430, 432 первичных и вторичных каналов имеют жалюзи 412, и области 432 вторичных каналов имеют удерживающие воду слои (не показаны), как в предыдущих вариантах выполнения на фиг.2-5. Пластины 402 сложены друг на друга так, чтобы разделительные области 434 были выровнены друг относительно друга и отделяли каждую пластину 402 от соседней. Точки контакта между пластинами соединены клеем 436. Клей 436 также служит в качестве разделителя, как и в предыдущих вариантах осуществления. В альтернативном варианте пластины могут быть соединены вместе другими подходящими способами, например, путем защелочного механического соединения.

Вариант выполнения на фиг.7 работает в качестве конденсационного охладителя по существу так же, как и предыдущие варианты выполнения. Первичный воздушный поток проходит через области 430 первичных каналов. Поток может приводиться в движение предназначенным для этого вентилятором (не показан). Поток охлаждается посредством теплопередачи на пластину 402. На выходе из областей 430 первичных каналов охлажденный первичный поток разделяется с образованием охлажденного производственного потока С и вторичного потока В. Вторичный поток В возвращается через области 432 вторичных каналов. Когда вторичный поток возвращается, он нагревается посредством передачи тепла от пластины 402 и насыщается влагой посредством испарения из удерживающего воду слоя. Поскольку только часть потока возвращается через области вторичных каналов, площадь их поперечного сечения не должна быть такой же большой, как в областях первичных каналов. Такие различия в площади потока между первичными и вторичными каналами могут также использоваться и в предыдущих вариантах выполнения.

Потоки А, В могут проходить сквозь пластины 402 через жалюзи 410. При такой конфигурации потока клей 436 действует в качестве теплоразделителя или теплового моста, препятствуя проведению тепла в направлении потока. Потоки А, В могут также протекать в общем вдоль пластин 402, при этом только часть потока проходит жалюзи 410.

Таким образом, изобретение описано со ссылкой на рассмотренные выше некоторые варианты выполнения. Понятно, что эти варианты выполнения могут подвергаться различным видоизменениям и альтернативным формам, известным специалисту в данной области техники. В дополнение к описанному выше в конструкции и способы, описанные в настоящем документе, может быть внесено множество видоизменений без отступления от сущности и объема изобретения. Соответственно, хотя приведено описание конкретных вариантов выполнения, они являются только примерами и не ограничивают объем изобретения.

Изобретение относится к теплотехнике и может быть использовано в охладителях испарительного типа. Устройство испарительного охлаждения, имеющее пару теплопроводящих пластин, расположенных в общем параллельно друг другу с промежутками между ними, причем разделительные элементы отделяют пластины друг от друга и образуют первичные и вторичные каналы потока между пластинами. С первичными каналами соединены входные каналы, а от первичных и вторичных каналов идут выходные каналы. Предусмотрена также система водораспределения для подачи воды к вторичным каналам, так чтобы первичный воздушный поток через первичные каналы можно было охладить посредством переноса тепла вдоль пластин для обеспечения испарения воды во вторичный воздушный поток, идущий через вторичные каналы. Технический результат - улучшение теплопередачи между текучими средами. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Устройство испарительного охлаждения, содержащее: пару теплопроводящих пластин, расположенных в общем параллельно друг другу с промежутками между ними и содержащих структуры, разрушающие пограничный слой разделительные элементы, отделяющие пластины друг от друга и образующие первичные и вторичные каналы потоков между пластинами; источник первичного воздуха в первичные каналы потоков; источник вторичного воздуха во вторичные каналы потоков; гидрофильный слой, по меньшей мере частично покрывающий пластины во вторичных каналах потоков; и систему водораспределения для подачи воды во вторичные каналы, так чтобы первичный воздушный поток, проходящий по первичным каналам, мог быть охлажден путем передачи тепла вдоль пластин для обеспечения испарения воды во вторичном воздушном потоке, чтобы вызвать испарение воды во вторичный воздушный поток, проходящий по вторичным каналам.

2. Устройство по п.1, содержащее множество теплопроводящих пластин, расположенных в общем параллельно друг другу с промежутками между ними, и разделительные элементы, образующие первичные и вторичные каналы потока между каждой смежной парой пластин.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что первичный канал между первой парой пластин в общем выровнен со смежным первичным каналом между смежной парой пластин.

4. Устройство по п.3, дополнительно содержащее отверстия для направления потока через пластины между смежными каналами первичных потоков соответственно и соответствующими смежными каналами вторичных потоков.

5. Устройство по п.4, в котором отверстия имеют форму жалюзи.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что направление потока в первичных каналах противоположно направлению потока во вторичных каналах и в общем выровнено вдоль пластин.

7. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что направление потока в первичных каналах противоположно потоку во вторичных каналах и в общем перпендикулярно главной плоскости пластин.

8. Устройство по п.4 или 5, отличающееся тем, что направление потока в первичных каналах в общем перпендикулярно потоку во вторичных каналах.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разделительные элементы содержат термоизолирующий материал.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что разделительные элементы содержат части пластин, продолжающиеся в общем перпендикулярно главной плоскости пластин.

11. Устройство по п.1, дополнительно содержащее барьеры для переноса тепла, уменьшающие теплопроводность в направлении первичного потока.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пластины содержат алюминий.

13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что площади поперечного сечения первичных и вторичных каналов различны.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выход первичных каналов находится в жидкостном сообщении с входом вторичных каналов, причем по меньшей мере часть потока, протекающего по первичным каналам, может быть впоследствии направлена через вторичные каналы.

15. Испарительный охладитель, содержащий устройство по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий: корпус для вмещения устройства; входные каналы, соединяющиеся с первичными каналами; выходные каналы, продолжающиеся от первичных и вторичных каналов; устройство циркуляции воздуха для обеспечения циркуляции воздуха через первичные и вторичные каналы; источник воды для подачи воды в систему водораспределения; и контроллер для управления работой охладителя.