Способ испарительного охлаждения до точки росы и пластинчатое устройство для испарительного охладителя
Изобретение относится к теплообменным аппаратам, используемым в установках кондиционирования и вентиляции воздуха, а именно к способам испарительного охлаждения до точки росы и пластинчатым устройствам для испарительного охлаждения. Изобретение заключается в том, что пластины пластинчатого устройства сконструированы таким образом, что имеют каналы и перфорацию для прохода газа с сухой стороны на влажную и хотя бы частично могли увлажняться испаряющейся жидкостью. Имеется желоб, выполненный в той части пластины, которая временно удерживает испаряющуюся жидкость, находящуюся в контакте с фитильным материалом на поверхности влажной стороны пластины. Испаряющаяся жидкость протекает по желобу через перфорацию для жидкости в следующий желоб. Когда желоб пластины с влажной стороны находится вверху, перфорация для жидкости оказывается на стороне, образующей резервуар для увлажнения противолежащих фитильных материалов. Когда потоки текут по сухой стороне, тепло передается пластине. Способ характеризуется тем, что применяют несколько теплопередающих пластин, причем пластины имеют влажные и сухие стороны и образуют желоба, при этом с влажных сторон смачивают пластины испаряющейся жидкостью, а через сухие стороны пропускают отдельно два потока: рабочий и продуктовый. Поток рабочего газа течет по сухой стороне и через перфорацию проходит в каналы на влажной стороне, которая при этом охлаждается благодаря испарению, а также теплопроводности пластины и ее тепловому излучению. Такое техническое решение для испарительного охлаждения с промежуточным хладоносителем позволяет обеспечить более эффективный поток воздуха и теплопередачу. 2 н. и 23 з.п. ф-лы, 21 ил.
Данное изобретение относится к кондиционированию воздуха с применением испаряющейся жидкости. Более конкретно, данное изобретение относится к охлаждению отводом тепла от текучих сред (газа, жидкости или смесей с фазовыми превращениями или без них) до точки росы для газа путем испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем в теплообменнике, имеющем направляемые по определенным каналам потоки газа и текучей среды и поперечный градиент температуры на пластинах теплообменника. Кроме того, данное изобретение касается усовершенствованной конструкции перегородки, способствующей быстрому распространению жидкости, эффективной системы резервуаров и системы регулирования.
Испарительное охлаждение с промежуточным холодоносителем является способом охлаждения потока газа, как правило, воздуха, с помощью испарения охлаждающей жидкости, как правило, воды, в присутствии второго потока воздуха, причем происходит перенос тепла из первого потока воздуха во второй. Этот способ имеет определенные неотъемлемые преимущества по сравнению с обычным кондиционированием воздуха: пониженную потребность в электроэнергии, относительно высокую надежность и способность обходиться без хладагентов, например, R-134 (тетрафторэтана) и всех неудобств, с ними связанных. Однако, испарительное охлаждение с промежуточным холодоносителем пока еще применяется только в особых, специальных случаях строительства и отсутствует на рынке как продукт, связанный с местом жительства. Это происходит вследствие определенных недостатков известных устройств и способов испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем: высокой стоимости, неэффективного термодинамического цикла, который не позволяет охлаждать воздух в степени, достаточной для предполагаемого использования, неэффективной системы подачи воды, образования накипи, плохого или дорогого теплообменника, чрезмерного перепада давления, труднодостижимой точки росы потока воздуха (теоретический предел охлаждения), относительно высоких точек росы во влажной атмосфере, больших перепадов давления на теплообменных аппаратах, громоздких теплообменных аппаратов и в некоторых конструкциях - необходимости большого количества вспомогательного оборудования.
В патенте США №4.002.040 от 11 января 1977 г., принадлежащем Мантерсу и др., описывается теплообменник, в котором отсутствует смешение потоков воздуха, направляемых по определенным каналам, и в котором поток воздуха, проходящий через устройство, совершает в пределах устройства поворот на 270 градусов, в результате чего возникает большой перепад давления, вызываемый траекторией потока. Кроме того, конструкция Мантерса не позволяет использовать для охлаждения жидкостей иной воздух, чем наружный, и не может быть применена в тех случаях, когда желательна рециркуляция.
В патенте США №5.187.946 от 23 февраля 1993 г., принадлежащем Ротенбергу, но во многом копирующем российский патент Майсоценко (2.096.257), описывается теплообменник, имеющий перфорацию в теплообменных пластинах и чередующиеся влажные и сухие каналы. Данное изобретение существенно отличается от описанного в 5.187.946 (российский патент Майсоценко 2.046.257), где не используются: отдельная обработка продуктовых сред (охлаждаемых текучих сред, либо газа, чем ограничивается описание 5.187.946, либо иных сред), тонкие пластмассовые пластины, которые действуют как эффективные теплопередающие средства от сухих каналов к влажным, не передавая при этом тепло в боковом направлении вдоль поверхности пластин, или небольшой наклон теплообменных пластин, чтобы позволить эффективное фитильное действие, но вместо этого указывается относительно большой угол наклона. Не раскрывается также применение питающего фитиля или системы фитилей или резервуаров, вместо чего используются сложные и дорогие распылительные головки, располагаемые в каждом влажном канале. Наконец, в 5.187.946 приводятся возражения против использования каналообразных направляющих, причем утверждается, что турбулентный поток обеспечивает лучшую эффективность. Однако, это не позволяет в устройстве по патенту США №5.187.946 регулировать поперечный профиль распределения температур отдельных теплообменных пластин. Вдобавок, в данном изобретении с помощью отделения потока рабочего воздуха от продукта этот поток рабочего воздуха уменьшается и проходит через перфорацию каналов, понижая перепад давления и в то же время позволяя лучшее регулирование выпускных каналов. Устройство по 5.187.946 подобно устройству Мантерса, описанному выше, ограничивается наружным воздухом для охлаждения.
В патенте США №5.170.633 от 15 декабря 1992 г., принадлежащем Каплану, указано количество вспомогательного оборудования, которое может возрастать в системах испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем. В патентах США №№5.727.394, 5.758.508, 5.860.284, 5.890.372, 6.003.327, 6.018.953, 6.050.100, принадлежащих Белдингу и др. и Голанду и др., показано такое же наличие чрезмерного количества оборудования для обработки воздуха. Следует иметь в виду, что в рассматриваемых системах, таких как указанные выше, один дополнительный теплообменник увеличивает общую стоимость системы более чем на одну треть. Эти системы, тем не менее, применяются только для охлаждения воздуха.
В патенте США №5.453.223 от 26 сентября 1995 г., принадлежащем данному заявителю, описывается устройство, в котором чередующиеся комплекты влажных и сухих пластин обеспечивают два потока воздуха: один сухой, охлаждаемый путем контакта с пластинами, и один влажный, охлаждаемый с помощью непосредственного испарения. Однако, это устройство требует двух потоков газа внутри и двух потоков газа снаружи. Вдобавок, описываемая в патенте конструкция не обеспечивает только охлаждение с промежуточным холодоносителем без дополнительного непосредственного испарительного охлаждения. Хотя такая вторая стадия - непосредственное испарительное охлаждение, повышающее влажность обрабатываемого воздуха, - часто является желательной, она часто и нежелательна.
Две находящиеся на рассмотрении заявки того же изобретателя также касаются технологии испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем. В заявке PCT/US 01/04082, поданной 7 февраля 2001 г., описывается один из способов устранения второй стадии, то есть непосредственного испарительного охлаждения. В заявке PCT/US 01/04081, поданной 7 февраля 2001 г., описываются улучшенные способы конструирования теплообменных трубок испарительного охладителя с промежуточным холодоносителем, обеспечивающие улучшенное увлажнение и пониженные перепады давления.
Имеется необходимость в способе и устройстве для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, обеспечивающих более эффективный поток воздуха и теплопередачу. Достоинства усовершенствованной перегородки, резервуара и механизма регулирования устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем представляют преимущества по сравнению с ранее описанными конструкциями, позволяя достичь более положительных результатов.
В данном изобретении предлагается испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем для текучих сред всех видов, имеющий перекрестно-поточные влажные и сухие каналы на противоположных сторонах теплообменной пластины, которая позволяет передачу тепла через пластину благодаря тонкой конструкции из пластмассы или другого подходящего материала, но предотвращает или сводит к минимуму передачу тепла в боковом направлении вдоль пластины. Для целей данной заявки мы хотим определить некоторые термины:
1. Теплопередающая или теплообменная поверхность имеет много конфигураций. Все они лежат в пределах предмета данного описываемого изобретения вместе с соответствующим регулированием увлажнения и потоков, как хорошо известно, в промышленности. Мы используем конфигурацию пластины в качестве примера для иллюстрации.
2. Влажная сторона или часть теплообменной поверхности означает часть, имеющую испаряющуюся жидкость на своей поверхности или в ней, чем обеспечивается возможность испарительного охлаждения поверхности и поглощения скрытой теплоты с поверхности.
3. Сухая сторона или часть теплообменника означает часть поверхности теплообменника, где отсутствует испарение в примыкающем к ней газе или жидкости. Таким образом, отсутствует передача пара и скрытой теплоты примыкающим газам. Фактически, поверхность может быть увлажнена, но не испаряющейся жидкостью, или увлажнена путем конденсации, но испарение здесь не имеет места.
4. Рабочий поток или поток рабочего газа является потоком газа, который протекает вдоль теплообменной поверхности на сухой стороне по сухим рабочим каналам, проходит через отверстия в поверхности на влажную сторону по влажным рабочим каналам, захватывает пар и с помощью испарения отбирает скрытую теплоту с теплообменной поверхности и переносит ее наружу на выпуск. В некоторых примерах исполнения рабочим потоком можно распоряжаться как отходами производства, а в других случаях он может быть использован с определенными целями, такими как добавление влажности или удаление тепла.
5. Поток продукта или продуктовый поток текучей среды является потоком текучей среды (газа, жидкости или смеси), который проходит вдоль теплообменной поверхности на сухую сторону по сухим продуктовым каналам и охлаждается путем поглощения тепла потоком рабочего газа на влажной стороне, абсорбирующим скрытую теплоту с помощью испарения во влажной зоне.
6. Желобчатая смачивающая система является характерной чертой перегородки, которая на иллюстрациях встречается на всех перегородках в центральной зоне перегородок, а желоба соседних перегородок работают совместно как пути прохода жидкости и как удерживающие ячейки или резервуары для целей увлажнения влажной стороны перегородок. Расположение и форма, а также относительное размещение этих желобчатых или подобных желобам образований являются здесь только иллюстрациями. В объем описываемого изобретения входят иные случаи ориентации, а также способы и устройства.
Пластина в определенных местах имеет перепускные каналы, или перфорацию или средства перемещения текучей среды между сухой стороной пластины и ее влажной стороной, обеспечивающие течение из сухих рабочих каналов во влажные рабочие каналы, в которых имеет место непосредственное испарительное охлаждение. Посредством перфорации достигается уменьшение перепада давления потоков рабочего газа в системе.
Способ, предлагаемый в данном изобретении, позволяет отделение потока рабочего газа (который используется для испарения жидкости во влажных каналах и, тем самым, для охлаждения влажной поверхности пластины теплообменника) от продуктового потока текучей среды, причем оба текут по сухим продуктовым каналам на одной и той же стороне теплообменной пластины и оба отдают тепло теплообменной пластине, которая на своей верхней стороне охлаждается испарением в рабочих влажных каналах.
Поток рабочего газа сначала входит в сухой рабочий канал, а затем через перфорацию, поры или другие подходящие средства переноса через пластину на влажную сторону и, следовательно, во влажные рабочие каналы, где испарение жидкости на поверхностях влажных каналов охлаждает эту пластину.
На сухой стороне пластины находятся сухие продуктовые каналы. Пластина выполняется из тонкого материала, что облегчает теплопередачу через эту пластину и тем самым позволяет теплу проходить из сухого продуктового канала во влажный рабочий канал. Это является одним из основных составляющих элементов изобретения, иллюстрирующим способ разделения потоков рабочего газа для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем отделенного жидкого продукта.
Следовательно, целью данного изобретения является создание охлаждающего устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, имеющего перфорацию, позволяющую перетекание из сухих рабочих каналов во влажные рабочие каналы на противоположной стороне теплообменной пластины.
Другой целью данного изобретения является создание охлаждающего устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, имеющего теплообменные пластины, которые не позволяют существенную передачу скрытой теплоты, но допускают теплообмен через пластину. Это позволяет температурный перенос через пластину, который не уравновешивается (average out) передачей скрытой теплоты в нижнюю часть пластины. Температура, возникающая внизу пластины, должна эффективно уменьшать перепад температур на пластине и результироваться в низких степенях теплопередачи через пластину. Таким образом, одной из сторон данного изобретения является наличие беспрепятственной теплопередачи через пластину от сухой стороны к влажной при одновременном отсутствии теплопередачи вдоль поверхности пластины.
Следующей целью данного изобретения является создание охлаждающего устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, имеющего градиент температуры поперек двух размерных поверхностей пластины и тем самым обеспечивающего каналы потоков рабочего газа, имеющие некоторый диапазон температур.
Еще одной целью данного изобретения является создание охлаждающего устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, позволяющего выбор продуктовых потоков текучей среды для использования при охлаждении, в частности могут быть выбраны потоки текучей среды, выходящие из наиболее холодных продуктовых каналов. Наоборот, можно выбрать некоторую часть потоков рабочего газа для обеспечения дополнительной влажности окружающей среды.
И еще одной целью данного изобретения является создание охлаждающего устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, имеющего эффективное фитильное действие, позволяющее легко увлажнять всю поверхностную область влажных каналов наружной избыточной водой, которая охлаждает воду скорее, чем воздух.
Следующей целью данного изобретения является создание охлаждающего устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, имеющего систему, обеспечивающую единообразие жидкости во всех влажных каналах устройства. Система обладает свойством быстрого распространения жидкости по всем влажным перегородкам, обеспечивая резервуары для увлажнения, и имеет систему управления для регулирования и контроля распространения жидкости.
Еще одной целью данного изобретения является создание охлаждающего устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, имеющего средство выбора цикла, так что в летние месяцы его можно использовать для обеспечения охлажденного неувлажняемого воздуха, а в зимние месяцы - для отбора тепла от газов, выходящих в окружающее пространство с одновременным увлажнением пространства.
И еще одной целью данного изобретения является создание эффективного охлаждающего устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, позволяющего охлаждение потока продукта до температуры точки росы рабочего газа.
И еще одной целью данного изобретения является создание эффективного охлаждающего устройства для испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем, имеющего относительно малый перепад давления потоков рабочего газа.
Краткое описание чертежей:
Фиг.1(а) - пространственный, перспективный схематический вид первого примера осуществления способа изобретения, на котором показан путь потока рабочего газа для охлаждения газа при протекании через перфорацию или проход от сухой стороны пластины к ее влажной стороне. На сухой стороне пластины имеются разделительные устройства для обеспечения пути рабочего газа отдельно от пути продуктового потока текучей среды.
Фиг.1(b) - перспективный схематический вид лицевой стороны другой пластины на фиг.1(а), на котором показана влажная сторона с каналами и изображен поток рабочего газа, который после его прохода через перфорацию течет по влажной поверхности каналов, где происходит испарение.
Фиг.1(с) - перспективный схематический вид двух пластин, изображенных на фиг.1(а) и 1(b); на этом виде показаны каналы влажной стороны, образованные влажными сторонами первой и второй противолежащих друг другу пластин, с их проходами, располагающимися в одной и той же общей области; показан также путь рабочего газа, входящего на сухую сторону, текущего через проходы и в каналы влажной стороны. Продуктовая среда отделяется от рабочего газа, когда они проходят вдоль сухой стороны первой и второй пластин. Сухие стороны дополнительных соседних пластин должны противолежать сухим сторонам этих первой и второй пластин. Таким образом, в пакете пластин каждая нечетная пластина ориентирована сухой стороной в одном и том же направлении противоположно всем четным пластинам.
Фиг.1(d) - пространственный, перспективный схематический вид второго примера осуществления этого аспекта изобретения, на котором показан путь потока рабочего газа, начиная с отделенного сухого пути, входящего на влажную сторону через перфорацию или проходы и выходящего с одной из сторон пластины после прохождения влажной поверхности влажного рабочего канала.
Фиг.2 - пространственный, перспективный схематический вид третьего примера осуществления этого аспекта изобретения, на котором показан путь потока газа в случае, когда изобретение используется для подогрева и увлажнения воздушного потока.
Фиг.3 - частично пространственный, перспективный схематический вид пути потока четвертого примера осуществления этого аспекта изобретения, на котором показан поток рабочего газа в случае, когда изобретение используется для охлаждения обезвоженной продуктовой текучей среды, и дополнительно показан поток продуктовой текучей среды в условиях использования.
Фиг.4 - частично пространственный, перспективный схематический вид пути потока пятого примера осуществления этого аспекта изобретения, на котором показан поток рабочего и продуктового газа в случае, когда изобретение используется с рециркулирующим потоком газа, и дополнительно показан поток газа в условиях использования.
Фиг.5 - пространственный, перспективный схематический вид расширенного блока многочисленных каналов, на котором показан поток сухой стороны, дополнительная перфорация и направляющие дополнительных каналов преимущественно в середине перегородки. Сухой рабочий газ подается и течет по проходам на влажную сторону (не показано).
Фиг.6 - пространственный, перспективный схематический вид того же самого расширенного блока на фиг.5, на котором показан поток газа влажной стороны после того, как сухой рабочий газ прошел через проходы. Поверхность пластины снабжена фитильным материалом для переноса жидкости от питателя к кромкам пластины и подачи жидкости для испарительного охлаждения.
Фиг.7 - поперечное сечение блока, изображенного на фиг.5, с дополнительными пластинами, на котором показан поток газа вместе с боковыми крыльями, направленными вверх под углом от средней точки. Пластина наверху имеет сухую поверхность. Нижняя поверхность этой пластины является влажной, а направляющие каналов перпендикулярны к каналам сухой стороны. Влажная поверхность второй пластины обращена к влажным поверхностям первой пластины, отчего каналы между первой и второй пластинами становятся влажными. Вторая пластина имеет свою сухую поверхность в нижней части. Последующие пластины продолжают сочетаться поверхностями: сухая поверхность к сухой, а влажная к влажной.
Фиг.8 - перспективный вид двусторонней сердцевины с питающей фитильной плитой между двумя боковинами и направленными от центра вверх под углом крыльями ориентации слоев сердцевины.
Фиг.9 - перспективный вид с частичным вырывом узла по данному изобретению, включающий схематические представления потока газа и потока жидкости с направленными вверх под углом крыльями сердцевины.
Фиг.10 - перспективный вид с частичным вырывом примера осуществления данного изобретения, в котором используется пластина, показанная на фиг.1(а), причем жидкость подается к фитильному материалу на пластинах с помощью резервуара. Здесь должны быть установлены последующие пластины с поверхностями «сухая к сухой» и «влажная к влажной».
Фиг.11 - перспективный вид сердцевины из двух частей с центральной плитой фитильного питания между двумя крыльями, причем крылья наклонены вниз от центра, а перфорация в каждом слое располагается в ближайшей к центральному фитилю области.
Фиг.12 - пример исполнения плиты фитильного питания, использованной на фиг.8, с канавками, которые проходят от самой верхней до самой нижней точки, чтобы ускорить перенос жидкости в нижнюю часть фитиля и позволить стекание излишней жидкости.
Фиг.13 - другой пример исполнения плиты фитильного питания с отверстиями во внутренней части плиты.
Фиг.14 - третий пример исполнения плиты фитильного питания многослойной конструкции для содействия быстрому распространению жидкости по периметру плиты и осушению. Многослойная конструкция выполнена из материалов с различной пористостью, причем средний слой обладает большей пористостью, чем наружные слои.
Фиг.15 - перспективный вид двух сердцевин, подобных показанной на фиг.8, на котором показаны пути воздуха и разделительный зазор между двумя сердцевинами для содействия переносу тепла путем разделения путей на части и, следовательно, разделения протяженных путей, которые создают пограничные слои, а те, в свою очередь, препятствуют переносу тепла.
Фиг.16 - узел трубок и клапанов резервуаров вместе с плитой питания фитилей по фиг.8, 15 или другим примерам исполнения. Верхний резервуар снабжает жидкостью плиту питания фитилей. С помощью поплавкового клапана нижнего резервуара определяется степень погружения фитиля в жидкость и при недостаточном погружении открывается питательный клапан, чтобы подать больше жидкости в верхний резервуар.
Фиг.17 - система резервуаров на фиг.16, объединенная с узлом сердцевины, показанном на фиг.8.
Фиг.18 - перспективный вид другого примера исполнения пластины типа 1 с влажной стороной наверху; показаны рабочие каналы и перфорация для газа с желобом, выполненным в пластине и имеющим перфорацию для жидкости, чтобы последняя могла проходить через следующий слой после того, как будет достигнут заданный уровень в желобе (в нижней части фиг.18), а также вторая желобчатая пластина типа 2, подобная пластине типа 1, но с сухой верхней стороной, с продуктовыми и рабочими каналами и перфорацией для жидкости, расположенной на дне желоба (в верхней части фиг.18).
Фиг.19 - перспективный схематический вид пакета пластин с пластиной типа 1 и пластиной типа 2, и второй пластиной типа 1 и второй пластиной типа 2 и третьей пластиной типа 1 и третьей пластиной типа 2; показан путь жидкости, когда она входит в верхнюю часть желоба пластины типа 2 из пластины над ней и выходит через перфорацию для жидкости, попадая в желоб следующей нижней пластины, пластины типа 1, где жидкость накапливается в резервуаре до тех пор, пока не достигнет уровня перфорации для жидкости по сторонам желоба, после чего она выходит и попадает в желоб следующей нижней пластины типа 2 и так далее. Жидкость, таким образом, падает вниз каскадом из резервуара в желобе каждой пластины типа 1.
Фиг.20 - перспективный схематический вид пакета пластин типа 1 и типа 2 с трубкой жидкостного питания для подачи жидкости в верхний желоб этого пакета; имеется верхняя пластина и затвор рабочего воздуха для регулирования воздушного и жидкостного прохода.
Фиг.21 - перспективный схематический вид пакета пластин типа 1 и типа 2, подобного пакету на фиг.20, с трубками подачи жидкости на более чем один уровень, и донным резервуаром для сбора жидкости с контрольным устройством, чтобы определять необходимость добавления жидкости в пакет.
Фиг.1(а) представляет собой пространственное, перспективное схематическое изображение примера исполнения главного элемента данного изобретения, демонстрирующего способ осуществления охлаждения с промежуточным холодоносителем. Элемент выполняется в виде плоской пластины (упоминаемой здесь также как пластина 6), имеющей перфорацию 11, которая соединяет сухую сторону 9 с влажной стороной 10. Сухая сторона 9 подразделяется на продуктовые каналы 3 и сухой канал 4 для рабочего газа; перфорация 11 находится в канале 4 рабочего газа. Влажная сторона 10 (см. фиг.1(b)) для обеспечения охлаждения увлажняется испаряющейся жидкостью. Влажная сторона 10 также имеет влажный канал 5. Сухие каналы 3 и 4 (фиг.1(а)) разделяются таким образом, что сухой рабочий газ удерживается отдельно от сухой продуктовой текучей среды. Направляющие 8 каналов ограничивают сухие каналы 3 и 4 таким образом, чтобы предотвращать взаимное смешивание газов из этих каналов и в то же время обеспечивать относительно свободное перемещение газов поперек пластины 6. Поскольку пластина 6 является очень тонкой, тепло может легко проходить через эту пластину перпендикулярно к ней с сухой стороны на влажную сторону. Материал пластины выбирается таким образом, чтобы свести к минимуму теплопередачу вдоль пластины. Предпочтительным материалом является пластмасса. Материалы направляющих каналов помимо обеспечения границ каналов могут также изолировать потоки, насколько это возможно, от соседних параллельных потоков с обеих сторон, тем самым обеспечивая низкую степень «параллельной теплопередачи».
При работе устройства продуктовый поток 1 текучей среды и поток 2 рабочего газа вводятся соответственно в сухие каналы 3 и 4, пересекая сухую сторону пластины 6 в ламинарном режиме. Поток 2 рабочего газа затем течет через перфорацию 11 на влажную сторону 10 в каналы 5. Влажные каналы 5 влажной стороны направляют поток 2 газа до некоторой степени перпендикулярно к перпендикуляру к текучим средам, протекающим по сухой стороне и поперек влажной стороны 10 пластины 6, где он получает тепло несколькими способами: во-первых, за счет испарения жидкости с влажной стороны 10 и, во-вторых, как тепло, отдаваемое вследствие теплопроводности и излучения пластины 6. Таким образом, пластина 6 работает как теплообменник и как испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем. Поток 2 газа выходит из испарительного охладителя 6 с промежуточным холодоносителем в виде потоков 2 газа, как показано на фиг.1(а) и фиг.1(b).
Поперечный поток не обязательно должен быть точно перпендикулярным, пока он является «до некоторой степени перпендикулярным». При повороте на 180 градусов поток становится противопотоком, а при 0 градусов потоки на обеих сторонах пластины 6 могут быть параллельными. До некоторой степени перпендикулярный поток может иметь место при величине угла, находящейся между этими крайностями, при условии, что этот угол позволяет потокам на противоположных сторонах пластины перекрещиваться друг с другом. Значение наличия потоков на противоположных сторонах пластины 6 заключается в том, что это обеспечивает температурный градиент и перепад температур, описанные ниже.
В этом примере осуществления все потоки 2 рабочих газов проходят через центр пластины 6 по сухому каналу 4. На лицевой стороне пластины 6 под сухим каналом 4 поток 2 газа вступает в контакт с влажной стороной и охлаждается путем испарения. На входе поток 2 (на сухой стороне в канале 4) охлаждается с помощью испарения на лицевой стороне пластины 6. Этот процесс является предварительным охлаждением потока 2. Таким образом, когда поток направляется вниз канала 4 на сухой стороне перед входом в перфорацию 11, он всухую охлаждается до идеальной температуры по влажному термометру. Это предварительное охлаждение на сухой стороне позволяет потоку входить на влажную сторону, имея температуру более низкую, чем его начальная температура.
Направление газовых потоков 1 и 2, кроме того, повышает эффективность устройства за счет возможности регулирования течения и температуры потока. Перепад температур поперек пластины 6 создается с помощью протекания газового потока 2 через влажные каналы 5; в начале течения потока 2 газа по влажным каналам 5 он очень сух и может поглощать максимальное количество пара от испаряемой текучей среды. При этом, в свою очередь, абсорбируется максимальное количество скрытой теплоты (превращение жидкости в пар), что допускает больший перепад температур на пластине 6. Следовательно, канал 3, ближайший к каналу 4, будет охлаждаться в самой большой степени.
На практике продуктовая текучая среда может быть любой средой (воздухом, газом, жидкостью или смесью), для которой желательно сухое охлаждение, то есть охлаждение без добавления газового компонента под парциальным давлением, получаемого при испарении охлаждающей жидкости. Например, при промышленном или связанном с местом жительства использовании текучая среда может быть воздухом, а охлаждающая жидкость - водой: продуктовые потоки воздуха, выходящие из каналов сухой стороны, в данном изобретении не увеличивают свою влажность. Можно применить хладагенты, либо в течение фазовых превращений, либо нет, чтобы позволить охлаждение до низких температур перед использованием и таким образом достичь более высокой эффективности холодильного цикла при низкой стоимости.
В примере осуществления, показанном на фиг.1(а), отделение сухого рабочего газа 2 от продуктовой текучей среды может выполняться с помощью направляющих 8 каналов, которые действуют как стенки между соседними пластинами. Заграждение или стенка 12 в конце сухого канала 4 предотвращает выход сухого рабочего газа и смешение его с продуктовой текучей средой. Если пластина 6 имеет складки или гофры, направляющие каналов частично обеспечиваются самими этими складками. Направляющие каналов должны находиться на каждой, то есть, на обеих сторонах пластины 6 и между продуктовой средой и рабочим газом, чтобы предотвращать проход текучих сред между складками противолежащей пластины. В каждом случае они выполняют функцию направления потоков газа или текучей среды в определенное русло, а в тех вариантах осуществления, где имеется больше одной теплопередающей пластины, могут также способствовать отделению пластины 6 от других пластин. Вдобавок, в тех случаях, когда отсутствует необходимость в дополнительном разделении, складчатые направляющие могут быть использованы между плоскими пластинами 6.
Влажная сторона 10 пластины 6 может иметь слой фитильного материала, способного наносить охлаждающую жидкость на влажную сторону 10. Предпочтительно, фитильный слой может покрывать всю поверхность влажной стороны 10. Для фитильного слоя можно использовать любой из большого количества хорошо известных материалов: целлюлозу, органические волокна, волокна на органической основе, пористые пластики, волокна на углеродной основе, полиэфиры, полипропилен, стекловолокно, волокна на основе кремния и сочетания этих веществ. Слой фитильного материала может иметь различные формы: пленки, ткани, шнуры, слои частиц, например, шариков, и их сочетания.
Предпочтительно, материал фитильного слоя может быть материалом пластины 6. Например, пластина 6 может состоять из фитильного материала, обработанного с одной стороны так, чтобы сделать его водонепроницаемым, причем водонепроницаемая сторона используется затем как сухая сторона пластины 6. Обработка может состоять в изменении природы самого фитильного материала или покрытии его другим веществом, например пластмассовой пленкой или чем-либо подобным. Фитильный материал можно обработать до получения низкой проницаемости вместо полной водонепроницаемости. В этой заявке «низкая проницаемость» означает, что количество воды, пропускаемое через пластину 6 на сухую сторону 9, является достаточно малым для того, чтобы потоки газа, пересекающие сухую сторону 9, не увлажнялись и не охлаждались с помощью испарения. Замена сухой стороны с низкой проницаемостью на сухую сторону с полной водонепроницаемостью, тем не менее, позволяет практическое использование данного изобретения, как это здесь заявлено.
Наоборот, материал пластины 6 может быть водонепроницаемым и обрабатываться для превращения его в проницаемый или фитильный на влажной стороне 10. В любом случае материал пластины 6 должен обладать относительно высоким сопротивлением теплопередаче. В то время как это почти не оказывает влияния на теплопередачу поперек пластины ввиду ее малой толщины, тепло не может передаваться в боковом направлении вдоль пластины, как указывалось ранее.
Пластина 6 может также получать охлаждающую жидкость от питающего фитиля, как будет описано ниже со ссылками на другие примеры осуществления.
Перфорация 11 может быть круглой или обладать другими формами, не имеющими углов, или такими формами, как прямоугольник со скругленными углами, не только для того, чтобы повысить долговечность пластины, но также и для того, чтобы содействовать предотвращению турбулентности потока 2 газов, когда он проходит через перфорацию. Путем предотвращения турбулентности перепад давления на испарительном охладителе с промежуточным холодоносителем можно свести к минимуму при одновременном повышении эффективности работы и уменьшении стоимости конструкции. Перфорация может представлять из себя проходы, такие как микропоры, скорее, чем обычную перфорацию.
Желательно, чтобы пластина 6 имела наклон, чтобы предотвращать накопление излишней воды и/или позволять нижней кромке пластины 6 находиться в контакте с источником охлаждающей жидкости, например резервуаром с водой, при помощи чего фитильный материал мог бы осуществлять непрерывную подачу охлаждающей жидкости на влажную сторону 10. При наличии совсем небольшого наклона, приблизительно от -10 до +10 градусов, подача жидкости на влажную сторону 10 становится намного более эффективной. При больших углах наклона максимально возможная высота фитильного материала чрезмерно ограничивает ширину пластин. В крайних случаях подача может оказаться неэффективной или невозможной, тем самым уменьшая величину испарительного охлаждения вследствие неадекватного количества охлаждающей жидкости для испарения. В зависимости от природы фитильного материала фитиль может не подавать жидкость на всю поверхность влажной стороны 10, оставляя некоторые участки сухими, или оставлять некоторые участки без количества жидкости, достаточного для эффективного испарения, создающего высокий уровень относительной влажности в потоке рабочего газа. Таким образом, малый угол обеспечивает значительно более эффективное фитильное действие и при заданной максимальной высоте фитиля позволяет большую ширину.
Пластина 6 может также иметь V-образное поперечное сечение с двойным наклоном, как показано на фиг.7 и 8, то есть пластина 6 может быть похожа в поперечном сечении на мелкую седловину, средняя часть которой расположена ниже, чем два противолежащих края или крыла. Две наклонные части могут иметь различную длину или различные углы наклона или могут различаться природой фитильного материала или другими факторами.
Пластина 6 может быть также оборудована «отсекателем выбора потока» (не показан), позволяющим выбор только наиболее холодных потоков газа на сухой стороне пластины 6 (можно также включить в конструкцию отсекатель для выбора рабочего газа определенной влажности, чтобы повысить влажность окружающей среды в центральной части пластин), или всех потоков газа или некоторый промежуточный выбор. Путем пропуска только наиболее холодных потоков для использования в охлаждении обеспечивается меньший, но более холодный поток газа; применение более широкого выбора потоков газа обеспечивает больший поток газа. Отсекатель может также выбирать влажный рабочий газ для использования при увлажнении окружающей среды.
Фиг.1(d) представляет собой пространственный, перспективный схематический вид второго примера осуществления элемента данного изобретения. В этом примере осуществления пластина 6 имеет перфорацию 11, расположенную вдоль одной из сторон, а не в середине, как в предшествующем исполнении. Направляющие 8 каналов образуют сухие каналы 3 и 4. В этом примере направляющие 8 являются ребрами, но могут быть и направляющими иных типов, как указывалось выше. Направляющая 8 служит также для предотвращения выхода потока газов за одну из кромок пластины 6. Поток 2 рабочего газа течет по каналу 4, продуктовый поток 1 течет по каналу 3. Газовый поток 2, то есть рабочий газ, течет через перфорацию 11 в канал 5 (не виден), а затем течет поперек лицевой стороны пластины 6, оставляя пластину 6 в виде газового потока 2.
Фиг.2 представляет из себя пространственный, перспективный схематический вид третьего примера осуществления изобретения, на котором показан путь потока газа, когда изобретение используется для подогрева и увлажнения потока воздуха с помощью воды. Следовательно, в этом примере потоки газа могут рассматриваться как потоки воздуха, а под охлаждающей жидкостью может подразумеваться вода. В зимние месяцы выгоден теплообмен между воздухом, выходящим из подогреваемого пространства, и холодным свежим воздухом, поступающим из атмосферы, то есть наружным воздухом, или воздухом из другого источника в окружающей среде. Этим уменьшается количество тепла, необходимое для подогрева свежего воздуха. Данное изобретение также позволяет добавление влаги в свежий воздух, обращаясь тем самым к другой зимней проблеме: холодный наружный воздух, который содержит конденсированную влагу и, следовательно, имеет низкую абсолютную влажность, или крайне сухой воздух, что результируется в сухом внутреннем воздухе, когда влажность внутри уменьшается из-за воздухообмена с наружным свежим воздухом. «Выбор цикла», то есть потока воздуха, который выходит в атмосферу, и потока, который входит в кондиционируемое пространство, является характерной чертой вариантов осуществления, имеющих такое устройство.
На фиг.2 пластина 6 имеет сухую сторону 9, влажную сторону 10, направляющие 8 каналов и перфорацию 11. Поток 1 воздуха выходит из кондиционируемого пространства. В то же время свежий воздух 2 входит и течет через перфорацию 11. Как показано в двух предыдущих примерах осуществления, пластина 6 действует как теплообменник, благодаря своей теплопроводности удаляя тепло из потока 1 воздуха на сухой стороне 9. Поток 2 воздуха течет по каналам влажной стороны (не показана) и другим параллельным каналам, получая тепло двумя способами (с помощью теплопроводности и излучения) и влажность (за счет испарения) от влажной стороны 10. Влажная сторона 10 может иметь фитильный материал, как было описано выше, а конструкция пластины 6 касательно проницаемости, материалов, обработки, питающих фитилей, направляющих каналов, складчатости, перфорации, отсекателей выбора циклов и т.д. может также быть такой, какая описана выше. Таким способом энергия, уже использованная в теплом потоке воздуха, сохраняется, а к потоку 2 свежего воздуха добавляется влага.
«Отсекатель выбора циклов» (не показан) обеспечивает возможность переключения между циклом охлаждения и циклом нагрева-увлажнения. Проще всего отсекатель выбора циклов может быть использован для выбора потока, который должен проходить в кондиционируемое пространство: либо воздуха, который проходит только по сухой стороне 9, либо воздуха, который проходит как по сухой стороне 9, так и по влажной стороне 10. Отсекатель может также обеспечивать различные источники для потоков 1 и 2 воздуха, как должно быть понятно всем специалистам в данной области.
Фиг.3 является частично пространственным, перспективным схематическим представлением пути потока по варианту осуществления изобретения, на котором показан поток газа в случае, когда изобретение используется для охлаждения, и, кроме того, показан поток газа в условиях применения. В этом варианте один из потоков газа является воздухом из кондиционируемого пространства. Поскольку этот воздух, извлекаемый из кондиционируемого пространства, часто оказывается более холодным и сухим, чем наружный воздух, или более холодным, чем осушенный воздух, его можно использовать в качестве рабочего потока в испарительном охладителе по данному изобретению.
Пластина 6 испарительного охладителя с промежуточным холодоносителем содержит направляющие каналов и перфорацию (обозначенную в совокупности для удобства как 11). Сухой продуктовый поток 1 воздуха создается осушителем 25 и входит в каналы 3 на сухой стороне. Протекая по сухой стороне пластины 6, он отдает тепло пластине 6, выходя более холодным, но без дополнительной влажности. Воздух выходит из кондиционируемого пространства 24 в виде потока 2 рабочего воздуха, который течет по каналу 4 пластины 6 испарительного охладителя с промежуточным холодоносителем, где он до того, как пройти через перфорацию 11 в канал влажной стороны, отдает некоторую часть тепла пластине 6 благодаря теплопроводности. На влажной стороне пластины 6 поток 2 воздуха охлаждается благодаря испарению и одновременно охлаждает пластину 6 благодаря тому же действию.
Осушитель 25 может содержать жидкий или твердый осушитель известного типа. Осушитель 25 должен быть повторно заряжаемым, то есть предоставлять возможность удаления воды, абсорбируемой из потока 1 воздуха. Это выполняется с помощью регенерирующего воздуха 27, который перед входом в осушитель 25 пропускается через воздухоподогреватель 26. Влага, абсорбируемая из потока 1 воздуха, удаляется из осушителя благодаря высокой температуре регенерирующего воздуха 27. Для переноса тепла из потока 1 воздуха после того, как этот поток будет нагрет и высушен путем пропускания его через осушитель 25, в регенерирующий воздух 27 перед его нагревом в подогревателе 26 можно использовать дополнительный теплообменник; этот способ известен в технике. Однако следует оценить тот факт, что ни в данном примере осуществления, ни в предпочтительных примерах, описанных ниже, такой дополнительный теплообменник не применяется, поскольку данным изобретением обеспечивается высокоэффективное охлаждение до точки росы, а дополнительный теплообменник увеличивает на 45 процентов стоимость всей системы.
Фиг.4 представляет собой частично пространственное, перспективное схематическое изображение пути потока пятого примера осуществления данного изобретения, на котором показан поток газа, когда изобретение используется с рециркулирующими потоками газа, и, кроме того, показан поток газа в условиях применения. В этом примере изобретения воздух из кондиционируемого пространства снова охлаждается и возвращается в виде продуктовой текучей среды. В результате этого достигается экономия энергии и дополнительное охлаждение продуктового потока воздуха.
Пластина 6 имеет направляющие каналов, каналы и перфорацию 11. Поток 1 воздуха выходит из осушителя 25 перед прохождением по каналам сухой стороны пластины 6, где он отдает тепло пластине 6 благодаря теплопроводности. Воздушный поток 1 затем проходит в кондиционируемое пространство 24 и, в конечном счете, рециркулирует в осушитель 25.
Направляющие каналов отделяют поток 2 рабочего воздуха от продуктового потока 1 воздуха после осушителя 25. Он проходит по каналу, где отдает тепло пластине 6 и течет через перфорацию 11 на влажную сторону пластины. Как и в предыдущих примерах осуществления, влажный канал не виден, но стрелки, обозначающие потоки рабочего воздуха, показывают, что на влажной стороне может быть множество каналов. В то же время поток 2 рабочего воздуха поглощает тепло из пластины 6 с помощью испарения, излучения или проводимости, охлаждая пластину 6.
Фиг.5 и 6 являются пространственными, перспективными схематическими изображениями большой пластины, содержащей элементы данного изобретения; показан поток газа на сухой стороне, поток газа на влажной стороне по каналам, которые не показаны, но представлены на лицевой стороне, дополнительная перфорация и направляющие дополнительных каналов, а фиг.7 является поперечным сечением фиг.5 и показывает поток газа на влажной стороне.
Испарительный охладитель имеет продуктовые потоки газа, потоки рабочего газа, продуктовые каналы, рабочие каналы, каналы влажной стороны, фитильный материал, направляющие каналов, сухую сторону, влажную сторону, перфорацию, блок и отверстия питающих фитилей.
При эксплуатации потоки рабочего газа или продуктовой текучей среды текут соответственно по сухим каналам 4 и 3, перенося тепло в теплообменник без повышения влажности. Поток рабочего газа течет через перфорацию в каналы 5 влажной стороны. На фиг.7 и 8 показано, что испарительный охладитель содержит множество пластин (три схемы соответственно показывают одну, фиг.5, две и три пластины, фиг.7, но количество пластин этим не ограничивается, фиг.16). Пластины могут быть «идентичны» в смысле наличия каналов на обеих сторонах, связанных перфорацией 11, позволяющей газовым потокам течь через пластины, выполнены из материалов, имеющих низкую степень передачи тепла в боковом направлении, и непроницаемы с одной стороны, с сухими сторонами, противолежащими одна другой через зазор между пластинами, и противолежащими влажными сторонами. Пластины располагаются параллельно и имеют подобные стороны, обращенные друг к другу. В этой заявке выражение "подобные стороны, обращенные друг к другу" относится к тому факту, что влажные стороны обращены к влажным сторонам других пластин, а сухие стороны обращены к другим пластинам. Это не относится к расположению перфорации 11, которая будет описана ниже.
В каналах влажной стороны воздушный поток получает тепло от пластин испарительного охладителя; механизм передачи тепла описан выше. Так же, как указывалось ранее, поток 2 рабочего газа предварительно охлаждается благодаря его прохождению по каналу 4 сухой стороны пластин, в чем заключается дополнительное охлаждающее действие устройства, предлагаемого в данном изобретении. Кроме того, как указывалось ранее, потоки газа могут выбираться на основе отклонения по теплу (степени охлаждения) для использования в качестве либо продуктового, либо рабочего воздуха, либо с влажностью, либо без нее. Таким образом, плита 12 (см. фиг.8) запирает концы каналов 4, требуя, чтобы весь поток 2 воздуха проходил через перфорацию 11 в каналы влажной стороны. При различных условиях некоторой части потока 2 воздуха может быть позволено проходить через конец канала 4 путем удаления плиты 12, в результате чего больший объем несколько менее холодного продуктового воздуха или, иначе, некоторая часть потока 1 воздуха может быть отклонена или заперта (та часть потока 1 воздуха, которая была наиболее удалена от центра испарительного охладителя 6 и поэтому подверглась наименьшему охлаждению), вследствие чего производится меньшее количество немного более холодного продуктового воздуха. Другие альтернативы конструкции, предлагаемой в данном изобретении, являются такими же, что и описанные ранее.
Таким образом, потоки воздуха в этом блоке текут между двумя пластинами, а не через одну пластину. Если две такие пластины расположить сухими сторонами друг к другу, то потоки воздуха будут течь между двумя пластинами по сухим сторонам, а если обратить друг к другу влажные стороны, то потоки воздуха будут течь между пластинами по влажным сторонам. В примерах осуществления, имеющих больше, чем две пластины, потоки воздуха сначала будут течь между сухими сторонами двух пластин, затем будут течь сквозь одну или обе пластины и входить во влажные каналы, по которым они будут течь через одну или две те же самые пластины (по обратной стороне) и влажной стороне третьей пластины.
В одном из вариантов через фитильные отверстия 23 могут проходить питающие фитили 13 для подачи воды к фитильному материалу 7, что будет описано в связи с фиг.8 и 9.
Фиг.9 является перспективным видом с частичным вырывом другого примера осуществления изобретения и включает схематические представления потока газа, которые видны под двумя различными углами.
Испарительный охладитель 14 с промежуточным холодоносителем имеет приблизительно коробчатую форму, хотя его форма может быть оптимизирована, приспосабливаясь к конкретным условиям, что хорошо известно в технике. Множество пластин 6 образует пакет. Каждая из пластин 6 имеет влажную сторону 10 и сухую сторону 9, хотя для ясности ссылки делаются только на самую верхнюю пластину 6. Пластины 6 располагаются параллельно и обращены друг к другу подобными сторонами, так что влажные стороны 10 обращены к влажным сторонам 10, а сухие стороны 9 обращены к другим сухим сторонам 9.
Предпочтительно иметь такие пластины 6, в которых перфорация в соседних пластинах не располагается на одной линии. Вместо этого в предпочтительных вариантах осуществления данного изобретения перфорация 11 смещена относительно перфорации 11 в следующей пластине 6. Это содействует уменьшению перепада давления на испарительном охладителе 14, что уменьшает потребление энергии устройством и повышает эффективность. Вдобавок, создается лучшее распределение воздуха во влажном испарительном канале 5.
Охладитель 14 также имеет резервуар 17 для воды, насос 15 и питающие фитили 13. Вода 7 забирается из резервуара 17 насосом 15 и подается вверх к питающим фитилям 13. Линия 8 повторного заполнения резервуара позволяет непрерывно пополнять запас воды в резервуаре или пополнять его при необходимости.
Хотя зазор между пластинами (сухие и влажные каналы) для некоторых газов или жидкостей может иметь любую величину, зазор между пластинами 6 играет важную роль в эффективном применении данного изобретения. Если зазор выбирается надлежащим образом, перепад давления потоков газа, проходящих через предлагаемое устройство, значительно уменьшается, обеспечивая либо больший поток, либо возможность использования меньших вентиляторов. Эксперимент показал, что предпочтительным является межплоскостной зазор 1,5-3,5 мм, а наиболее предпочтительными являются зазоры в пределах 1,50-1,85 мм, 2,00-2,35 мм, 2,10-2,90 мм и 3,10-3,50 мм. При этих зазорах возникают стоячие волны, уменьшающие сопротивление в процессах течения. Возможно также, что при этих зазорах не поддерживается турбулентный (неламинарный) поток, что также может служить для уменьшения сопротивления и перепада давлений в этом частном процессе. Надлежащий зазор может поддерживаться отдельными конструктивными элементами (не показаны) или предпочтительно может обеспечиваться с помощью направляющих 8 каналов пластины 6, которые могут быть снабжены ребрами, или с помощью других средств.
Питающие фитили 13 представляют из себя трубки, несущие фитильный материал, покрывающий, по крайней мере, часть наружной поверхности трубки. Отверстия в трубках позволяют воде 7, находящейся внутри трубки, достигать и увлажнять наружный фитильный материал, который находится в контакте с фитильным материалом 7 на влажных сторонах 10. Вода 7 вытекает из отверстий на наружный фитильный материал. Затем вода может стекать с фитильного материала питателя на фитильный материал 7 влажных сторон 10 и распространяться по тем частям влажных сторон 10, которые покрыты фитильным материалом 7.
Продуктовый поток 1 текучей среды входит в сухие каналы 3, а поток 2 рабочего воздуха входит в сухие каналы 4; те и другие располагаются на сухих сторонах 10 пластин 6. Поток рабочего воздуха проходит через перфорацию 11 в каналы 5 влажной стороны, охлаждая пластину 6, как описано выше. Заметим, что для ясности только четыре потока рабочего воздуха показаны выходящими из охладителя 14 и только один входящим в него; на самом деле, их может быть любое количество и они могут выходить (а в данном предпочтительном примере осуществления и выходят) с обеих сторон охладителя 14.
Направляющие каналов выполняют несколько функций. Вдобавок к разделению потоков 1 и 2 воздуха они подразделяют эти потоки дополнительно, тем самым улучшая распределение температур в предлагаемом устройстве, создавая каналы, несущие более холодный продуктовый воздух 1 близ центра пластины 6, помогают возникновению потока со стоячими волнами или ламинарного потока, тем самым уменьшая перепад давлений на устройстве, и помогают изолировать параллельные подразделения воздушных потоков 1 и 2, предотвращая тем самым параллельную теплопередачу. Наконец, направляющие каналов служат также в качестве конструктивных элементов для поддержки пакета и разделения пластин 6 желаемыми расстояниями.
Плита 12 (показанная на фиг.8 и 9) предотвращает выход рабочего воздуха 2 из устройства по сухим каналам 4, тем самым усиливая поток во влажных каналах 5. Иначе говоря, выход влажных каналов 5 будет всегда располагаться ниже по потоку, чем перфорация. Как указывалось выше для альтернативных примеров осуществления, в соответствии с конкретными требованиями и условиями некоторая часть продуктового воздуха может также быть задержана или отклонена, а некоторая часть рабочего воздуха может выпускаться в качестве продуктового воздуха.
Как указывалось выше, степень предварительного охлаждения, которому подвергается поток 2 рабочего воздуха, частично определяется выбором размеров перфорации и каналов. Так же, как указывалось выше, материал пластины 6 обеспечивает незначительную теплопередачу в боковом направлении, что, в свою очередь, создает разность температур или градиент в боковом направлении на пластине 6. Отсекатели выбора циклов (не показаны) преимущественно могут быть применены для выбора, какое из подразделений потоков 1 и/или 2 воздуха использовать для кондиционирования, тем самым позволяя большую степень охлаждения, чем в ином случае, а также для обеспечения гибкого регулирования температуры, влажности и количества продуктового газа.
Под цифрами 19 и 20 (см. фиг.9) схематически показаны вентиляторы или эквивалентные воздуходувные устройства, но предмет данного изобретения предусматривает альтернативные исполнения устройства вентиляции. Например, для обеспечения как рабочего, так и продуктового потоков 1 и 2 воздуха в качестве средства принудительной тяги может быть использован один вентилятор. Кроме того, нагнетательный вентилятор имеет преимущества над вытяжным. Благодаря испарительному процессу, использованному в устройстве, паразитное тепло, добавляемое двигателем вентилятора к воздушным потокам 1 и 2, эффективно используется для добавочного испарения воды 7 и таким образом помогает в удалении самого себя, результируясь в небольшом добавлении к температуре конечного продуктового потока 1 воздуха. Нагнетательный вентилятор обеспечивает воздух и в канале рабочего воздуха, и в канале продуктового воздуха в соответствии с падением давления в каждом и любом из наружных отсекателей, которые могут быть использованы. Наконец, поскольку рабочий и продуктовый воздух выпускаются через различные выходы, требуются два вентилятора для вытяжки двух потоков, но только один для нагнетания обоих потоков.
Пакет 14 (см. фиг.20 и 21) может быть заключен в кожух (не показан), который может дополнительно направлять и регулировать поток воздуха, а также повысить эстетические качества устройства. Кожух может иметь входы и выходы для потоков продуктового и рабочего воздуха и отсекатель выбора циклов. Например, когда отсекатель устанавливается в первое положение, он может заставить охладитель действовать в нормальном режиме, а когда отсекатель устанавливается во второе положение, он может заставить подогретый увлажненный рабочий воздух стать продуктовым воздухом. Вместе с рециркулирующим воздухом это явление можно использовать, как описывалось выше, для обеспечения увлажнения и предварительного нагрева зимнего воздуха.
Как и в предыдущих примерах осуществления, испарительный охладитель 14 с промежуточным холодоносителем можно использовать вместе с потоками рециркулирующего воздуха, осушительными устройствами, складчатыми пластинами и применять обработку материала пластин, перфорацию и другие детали.
Следует заметить, что испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем, предлагаемый в данном изобретении, может выполнять как непосредственное испарительное охлаждение, так и испарительное охлаждение с промежуточным холодоносителем продуктового потока 1 воздуха. Часть сухих сторон 9 может быть увлажнена с помощью применения фитильных материалов, используемых на влажных сторонах 10, или иным способом, чтобы вызвать дополнительное охлаждение продуктового потока воздуха. Эта влажная часть сухих сторон может предпочтительно располагаться вниз по потоку от сухой части сухих сторон, так что еще до увлажнения в процессе непосредственного испарительного охлаждения ощутимая температура продуктового потока 1 воздуха уменьшается, насколько это возможно. Одно из особых преимуществ такого положения заключается в том, что приблизительно ниже 65 градусов по Фаренгейту умеренное возрастание влажности вызывает непропорциональное уменьшение температуры воздуха в соответствии с обычными психрометрическими таблицами. В другом примере осуществления данного изобретения эта увлажняемая часть сухой стороны пластины составляет 25 процентов площади поверхности сухих каналов 3.
Фиг.10 представляет собой пространственный, перспективный схематический вид другого примера осуществления данного изобретения, на котором показан поток газа и резервуар для воды.
Испарительный охладитель 6 имеет сухие стороны 9, влажные стороны 10, продуктовый поток 1 воздуха и поток 2 рабочего воздуха, направляющие 8 каналов, сухие каналы 3 и 4 и влажные каналы 5, а также резервуар 17 для воды. В этом примере осуществления нет необходимости в водяном насосе для фитильной системы, поскольку фитильный материал влажных сторон 10 располагается непосредственно в резервуаре 17 для воды. Однако ширина пластин охладителя 6 ограничивается максимально возможной высотой фитильного материала, если пластины не наклонены, как описывалось ранее, причем наклон также позволяет более эффективное фитильное действие. Этот вариант осуществления также является примером испарительного охладителя с промежуточным холодоносителем по данному изобретению, в котором используется выпуск только с одной стороны пластин.
На фиг.8 два крыла сердцевины протяженны наружу и вверх от центра. В центре, как изображено, находится плита питания фитильной системы, которая сообщает жидкость, применяемую для испарительного охлаждения во влажных каналах, со слоями фитильного материала сердцевины.
На фиг.8 крылья протяженны вверх под углом между приблизительно 0 градусов и +10 градусами. Альтернативный вариант показан на фиг.11, где крылья протяженны от центра вниз также в пределах приблизительного диапазона наклона от 0 градусов до -10 градусов.
Выбор наклона крыльев вверх или вниз будет также включать выбор фитильного материала на влажных поверхностях, чтобы жидкость могла перемещаться по всей поверхности фитильного материала на каждой пластине.
Преимуществом наклона вниз является то, что жидкость может легче достигать кромок вследствие добавочного действия силы земного притяжения. Это будет содействовать уменьшению образования накипи на кромках, которое может происходить при использовании жидкости, имеющей минеральные примеси.
Добавочная помощь гравитации (или наклона крыльев вниз) заключается в возможности увлажнения крыльев большей длины от центрального фитильного питателя и этот процесс будет выполняться быстрее.
Результатом накопления излишнего количества воды на внешних кромках крыльев при их наклоне вниз будет образование капель жидкости. Также при охлаждении излишней воды излишнее охлаждение жидкости только понижает эффективность испарительного охладителя. Чтобы свести к минимуму накопление излишней воды, фитильный материал в слоях должен быть менее пористым, чем питающий фитиль.
Крылья, поднятые под углом вверх (фиг.8), не будут нести излишнюю воду, собирающуюся на кромках слоев. Более вероятным результатом будет недостаток воды, достигающей внешних кромок, что вызовет ухудшение охлаждения и накопление минералов на сухих кромках.
Примеры исполнения плит 13 фитильного питания, показанные на фиг.12, 13 и 14, показывают усовершенствованные конструкции твердой плиты фитильного питания. Целью выполнения канавок 50 (фиг.12), отверстий 51 (фиг.13) или многослойных конструкций (фиг.14) является создание возможности более быстрого перемещения жидкости из верхней части, где жидкость вводится в плиту фитильного питания, в нижнюю часть и, тем самым, более быстрого увлажнения фитильного материала сердцевины. К альтернативным способам относится установка стержней 57, располагаемых вдоль боковых сторон питающего фитиля (см. фиг.12).
Каналы, отверстия и более пористая сердцевина этих примеров осуществления изобретения позволит жидкости перемещаться по всей плите питания фитилей и, таким образом, способствовать распространению испаряющейся жидкости.
Каналы, отверстия или сердцевина не могут расширить все пути в нижнюю часть плиты питания фитилей, чтобы таким способом позволить жидкости очень легко проходить по этим путям перед увлажнением питающего фитиля.
На фиг.15 показан комплект секции сердечника с зазором 55 между соседними секциями. Этот зазор выполняет функцию разделения потоков воздуха, направляемых по определенным каналам, на отдельные части. Это, в свою очередь, уменьшает пограничные слои в каналах, препятствующие эффективной теплопередаче. При низкой скорости в каналах текучая среда стремится к ламинарному течению. В пограничном слое, ближайшем к пластине, в сухих каналах степень теплопередачи является низкой. Этот пограничный слой незначителен на входе пластины и растет по мере продвижения потока вперед, поэтому степень теплопередачи значительно выше на входе в любой канал и уменьшается экспоненциально до некоторой меньшей постоянной величины.
На фиг.16 и 17 показаны примеры исполнения системы резервуаров вместе с сердцевиной и плитами питания фитилей.
Верхний резервуар 60 подает жидкость в плиту питания фитилей. Верхний резервуар снабжен клапаном и трубкой с соответствующей жидкостью. Когда жидкость из резервуара подается в питающий фитиль, излишняя жидкость проходит в нижний резервуар 61.
Поплавковый клапан, чувствительный к уровню жидкости в нижнем резервуаре, приводит в действие питательный клапан 63 верхнего резервуара.
Когда фитиль забирает жидкость в фитильный материал на слоях сердцевины, верхний резервуар 60 опорожняется. Если испарение превышает поступление жидкости в нижний резервуар 61, поплавок 62 будет опускаться. При этом он приводит в действие питательный клапан 63, добавляя воду в верхний резервуар 60.
Когда к плите 13 питания фитилей подается больше жидкости, чем может испариться, излишек собирается в нижнем резервуаре 61. При этом поплавок поднимается и закрывает питательный клапан верхнего резервуара. Эта система требует постоянного выпуска воды из нижнего резервуара, так что он чувствителен к впуску воды в систему. Этот постоянный выпуск также способствует предотвращению концентрации минералов.
Таким образом, скорость испарения определяет необходимость добавления или уменьшения количества жидкости в питающем фитиле.
Дополнительными характерными особенностями данного варианта осуществления являются переливной спуск 64 и система 65 отключения и слива. В любых общеизвестных системах подача жидкости в резервуар может регулироваться термостатом.
На фиг.18 показан другой пример исполнения теплообменной пластины, а именно пластины 70 типа 1 с желобом 72 в нижней части и пластины 71 типа 2. Перфорация 11 пластин типа 1 и 2 для потока 2 газа находится вне желоба. Желоб 72 используется для удержания и распространения жидкости 1, применяемой на влажных сторонах пластины. В пластине 70 типа 1 видна влажная сторона 10 с фитильным материалом 7 на поверхности и видимой поверхности желоба.
Перфорация 73 в желобе предназначена для прохождения жидкости к следующему слою. При фитильном материале 7 на верхней части влажной стороны перфорация 73 находится по боковым сторонам желоба 72. Это позволяет жидкости 74 сохраняться на этом слое, чтобы смачивать фитили вне сторон пластины. Перфорация 73 по сторонам желоба позволяет заполнение до этого уровня. Подобный желоб 72 на следующем слое вверху (или пластине 71 типа 2) с фитильным слоем на нижней стороне будет частично погружаться в жидкость в резервуаре 74 и таким образом фитильный материал этого слоя будет запитан увлажняющей жидкостью из этого резервуара 74. Обе противолежащие влажные поверхности будут получать жидкость из одного этого резервуара.
На влажной стороне каналы 5 рабочего газа располагаются под углом к наружным кромкам, как и в других примерах осуществления, и получают рабочий газ 2 с сухой стороны 9 через перфорацию 11, как и в других примерах. Поток рабочего газа 2 помогает распространению жидкости наружу по влажной стороне пластины.
На пластинах 71 типа 2 продуктовые каналы 3 и рабочий сухой канал 4 разделяются направляющими 8 каналов. Перфорация 73 для жидкости располагается на дне желоба, позволяя жидкости, которая поступает из резервуара пластины, расположенной выше, или из питающей трубки 75, стекать вниз в резервуар следующей пластины, расположенной ниже.
При наличии множества пластин с противолежащими влажными сторонами, образующими рабочие влажные каналы 5, и лицевыми сторонами, образующими сухие каналы 3, желоба вставляются друг в друга. Жидкость 1, где бы она не входила в пакет, будет падать вниз каскадом, собираясь в каждом желобе типа 1. Этот поток показан на фиг.22.
На фиг.20 показан более полный пакет 14 с питающей трубкой 75 для распространения жидкости в верхнем желобе. На концах, как показано и на фиг.8, имеется заграждение 12 для герметизации сухого канала 4 рабочего газа, чтобы направлять последний через перфорацию 11 в примыкающие влажные рабочие каналы 5. Продуктовые каналы 3, как и на фиг.18, отделяются от каналов 4 рабочего газа для сухой стороны пластин.
Фиг.21 подобна фиг.20 и изображает пакет 14, в котором используется желоб 72 с двумя питающими трубками 75, одной на верхнем, а другой на среднем уровне. Это позволяет заливку резервуаров 74 для быстрого приведения в действие. Это можно выполнить и иными путями, известными в технике, например, с помощью множества входных точек. Датчики 76 показывают уровень жидкости в нижнем резервуаре 61. Если уровень слишком низок, регулятор открывает питательный клапан 63, чтобы подать больше жидкости в трубки 75. Наоборот, если нижний резервуар слишком полон, поток в питающих трубках прерывается. Использование жидкости влажными каналами для испарения уменьшает поток жидкости, что сводит к минимуму количество жидкости, получаемое нижним резервуаром 61. Когда возникает такая ситуация, датчик 76 обнаруживает низкий уровень и подает сигнал для увеличения подачи жидкости. Датчики 76 могут располагаться во влажных каналах, или в пакете 14, или в желобе, что понятно всем специалистам в данной области.
Использование пластмасс, целлюлозных или иных гибких материалов недопустимо для перегородок теплопередачи в некоторых применениях, связанных с конденсацией хладагентов или пара. В этих случаях так же, как и для других, жестких, имеющих стенки конструкций, например трубок, со стенками, имеющими теплообменные поверхности, необходимо применять металл, например алюминий.
Благодаря предварительной конденсации хладагентов и иным упомянутым здесь мероприятиям в процессе испарительного охлаждения с промежуточным холодоносителем по данному изобретению становится необходимым меньшее давление сжатия газообразных хладагентов, причем достигается экономия тепла и электроэнергии.
Использование описанных здесь сердцевин более выгодно, чем башенных охладителей или подобных устройств, способных вписываться в системы, связанные с жильем.
Данное изобретение и примеры его осуществления, описанные здесь, допускают многие эквиваленты, альтернативы и дополнения без отступления от объема изобретения. Это описание не является ограничением объема, который определяется прилагаемой формулой.
1. Испарительный охладитель (14) с промежуточным холодоносителем, содержащий
a) несколько пластин (6), имеющих сухие (9) и влажные (10) стороны, причем влажные стороны сконструированы таким образом, чтобы хотя бы частично увлажняться испаряющейся жидкостью, пластины дополнительно образуют, по меньшей мере, один первый канал (4) на пластину для направления потока (2) рабочего газа через сухие стороны пластин, вторые каналы (3) для направления продуктового потока (1) текучей среды через сухие стороны пластин и третьи каналы (5) для направления потоков рабочего газа через влажные стороны пластин;
b) желоб (72), образованный в пластинах, для удержания и переноса испаряющейся жидкости на влажные стороны пластин;
c) в котором пластины располагаются параллельно друг другу с зазорами и ориентированы таким образом, чтобы их влажные стороны были обращены друг к другу и их сухие стороны были обращены друг к другу, и в котором при эксплуатации поток рабочего газа от сухих сторон пластин течет в зазор, разделяющий пластины на влажных сторонах; а также в котором при эксплуатации продуктовая текучая среда проходит через сухие стороны пластин и охлаждается на них.
2. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, в котором зазор между пластинами выбирается таким, чтобы свести к минимуму падение давления газов, текущих между пластинами.
3. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 2, в котором величина зазора между пластинами составляет от 1,5 до 3,5 мм.
4. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 3, в котором величина зазора между пластинами находится в любом из следующих диапазонов группы: от 1,50 до 1,85 мм, от 2,00 до 2,35 мм, от 2,10 до 2,90 мм, от 3,10 до 3,50 мм.
5. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, дополнительно содержащий перфорацию (11) через пластины, сконфигурированную таким образом, чтобы позволять рабочему потоку течь через перфорацию от сухой пластины к влажной пластине и продолжать течь через влажную пластину.
6. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 5, дополнительно содержащий заграждение (12), имеющее такие размеры и конфигурацию, чтобы предотвращать выход рабочего потока из испарительного охладителя до того, как этот поток пройдет через перфорацию.
7. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, в котором один или несколько каналов на сухой стороне (4) ориентированы под некоторым углом к одному или нескольким каналам (5) на влажной стороне, так что направление потока текучих сред через сухие стороны пластин, по существу, перпендикулярно к направлению потока газов через влажную сторону пластин.
8. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, дополнительно включающий в себя элемент для осушения продуктового потока и рабочего потока перед протеканием их через сухие стороны пластин.
9. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, дополнительно включающий в себя увлажнитель (25) и средство для пропускания, по крайней мере, одного из потоков - продуктового потока или рабочего потока - через увлажнитель перед протеканием этого потока через пластины.
10. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, в котором продуктовый поток рециркулирует из пространства, подлежащего охлаждению, чтобы повторно использоваться в качестве рабочего потока и/или продуктового потока.
11. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, в котором каналы образуют направляющие (8) каналов, содержащие либо несколько ребер, протяженных параллельно направлению потока текучей среды через упомянутые стороны пластин и противолежащие поверхности соседних пластин, либо складки пластин.
12. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, применяемый либо для охлаждения какого-либо пространства, либо для содействия нагреванию и увлажнению этого пространства, и дополнительно содержащий отсекатель выбора цикла, имеющий первое и второе положения, так что, когда отсекатель выбора цикла находится в первом положении, поток рабочего газа выпускается в атмосферу, а продуктовый поток направляется для охлаждения упомянутого пространства, а когда отсекатель выбора цикла находится во втором положении, продуктовый поток выпускается в атмосферу, а рабочий поток направляется для обогрева и увлажнения упомянутого пространства.
13. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, дополнительно содержащий, по меньшей мере, один вентилятор (20), расположенный таким образом, чтобы вызывать движение продуктового потока текучей среды и потока рабочего газа.
14. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, в котором в желобах выполняется перфорация (73) для жидкости, располагаемая с промежутками таким образом, чтобы позволить текучей среде протекать из зазора между одним набором влажных сторон в зазор между другим набором влажных сторон.
15. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 14, в котором перфорация для жидкости в альтернативных желобах смещена, так что текучая среда обтекает зазоры между сухими сторонами.
16. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 14, дополнительно содержащий на влажных сторонах пластин фитильный слой для распределения жидкости по влажным сторонам.
17. Испарительный охладитель с промежуточным холодоносителем по п. 1, дополнительно содержащий на влажных сторонах пластин фитильный слой для распределения жидкости по влажным сторонам.
18. Способ испарительного охлаждения до точки росы, характеризующийся тем, что
a) применяют нескольких теплопередающих пластин (6), причем пластины имеют влажные стороны (10) и сухие стороны (11) и образуют желоба (72);
b) располагают пластины параллельно таким образом, что влажные стороны пластин обращены к влажным, а сухие стороны обращены к сухим сторонам пластин;
c) помещают испаряющуюся жидкость в желоба;
d) смачивают влажные стороны теплопередающих пластин испаряющейся жидкостью;
e) пропускают рабочий поток (2) текучей среды через одну часть сухих сторон теплопередающих пластин;
f) пропускают продуктовый поток (1) текучей среды через другую часть сухих сторон теплопередающих пластин;
g) пропускают рабочий поток через влажные стороны теплопередающих пластин;
h) охлаждают теплопередающие пластины путем испарения испаряющейся жидкости в рабочем потоке на влажных сторонах теплопередающих пластин;
i) охлаждают продуктовый поток и рабочий поток посредством контакта с охлажденными теплопередающими пластинами в сухой части.
19. Способ охлаждения посредством испарительного охлаждения по п. 14, характеризующийся тем, что дополнительно
j) образуют каналы (3, 4) в сухом зазоре между соседними пластинами и направляют в них текучие среды продуктового потока и рабочего потока, удерживая при этом продуктовый поток отдельно от рабочего потока; и
k) образуют каналы (5) во влажном зазоре между соседними пластинами, причем каналы влажного зазора не должны быть параллельны каналам сухого зазора, и направляют в них рабочий поток после того, как он пройдет через перфорацию.
20. Способ по п. 19, характеризующийся тем, что каналы на сухих сторонах пластин ориентируют параллельно стороне пластины, ближайшей к перфорации.
21. Способ по п. 19, характеризующийся тем, что каналы на влажных сторонах пластин ориентируют в направлении ином, чем параллельное по отношению к направляющим на сухой стороне.
22. Способ по п. 19, характеризующийся тем, что дополнительно распределяют жидкость для влажных пластин через фитильный слой (7) на влажной стороне пластин.
23. Способ по п. 22, характеризующийся тем, что дополнительно создают слой на сухой стороне пластин, который непроницаем для испаряющейся жидкости.
24. Способ по п. 19, характеризующийся тем, что дополнительно устраивают перфорацию (11) в пластинах для направления рабочего потока через упомянутую перфорацию от сухой стороны на влажную сторону и дальнейшего его течения через влажную сторону.
25. Способ по п. 24, характеризующийся тем, что дополнительно образовывают заграждения (12), имеющие размеры и конфигурацию, способствующие предотвращению выхода рабочего потока из испарительного охладителя до истечения этого потока через перфорацию.
