Устройство охлаждения в точке росы
Устройство предназначено для охлаждения воздушного потока и создания комфортных условий в различных помещениях. Устройство содержит, по меньшей мере, один охлаждающий канал с входным отверстием для воздушного потока, который надлежит охладить, и выходным отверстием для охлажденного воздушного потока, по меньшей мере, один испарительный канал, отделенный от охлаждающего канала проводящей стенкой и имеющий входное отверстие, которое соединено с выходным отверстием охлаждающего канала, и выходное отверстие, средство увлажнения стороны проводящей стенки, обращенной к испарительному каналу, и средство для осушения воздушного потока в охлаждающем канале. Средство осушения может содержать полимер с низкой критической температурой растворения, которым может быть покрыта сторона проводящей стенки, обращенная к охлаждающему каналу, или из которого может быть выполнена указанная сторона проводящей стенки. Устройство охлаждения может дополнительно содержать средство восстановления средства осушения. Технический результат - повышение охлаждающей способности устройства. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится к устройству охлаждения потока воздуха, содержащему, по меньшей мере, один охлаждающий канал с входным отверстием для воздушного потока, который надлежит охладить, и выходным отверстием для охлажденного воздушного потока, по меньшей мере, один испарительный канал, отделенный от охлаждающего канала проводящей стенкой и имеющий входное отверстие, которое соединено с выходным отверстием охлаждающего канала, и выходное отверстие, и средство увлажнения стороны проводящей стенки, обращенной к испарительному каналу. Такое устройство, с помощью которого воздушный поток можно охлаждать опосредованно, путем испарения, и которое также известно как «устройство охлаждения в точке росы», известно из патента США №4,002,040.
Известное устройство охлаждения выполнено в форме противоточного теплообменника, имеющего некое количество групп взаимно параллельных охлаждающих каналов и некое количество групп испарительных каналов, которые также взаимно параллельны и перпендикулярны охлаждающим каналам. В таком устройстве группа охлаждающих каналов в каждом случае граничит с обеих сторон с двумя группами испарительных каналов, и наоборот, и, таким образом, создается своего рода многослойная структура теплообменника.
Стенки, которые формируют перегородку между охлаждающими и испарительными каналами, таким образом, служат для передачи тепла (или холода) между этими каналами, выполнены из материала, который обладает очень хорошей теплопроводностью, такого как, например, алюминий. Стенки испарительных каналов, включая также и стенки, которые формируют перегородку между испарительными каналами и охлаждающими каналами, имеют сплошное покрытие материалом, который способен удерживать влагу. Над испарительными каналами установлены средства увлажнения в виде периодически приводимых в действие распылителей, которые распыляют некоторое количество воды на стенки, содержащие материал, удерживающий влагу.
В известном устройстве охлаждения, предназначенном для охлаждения, например, окружающего воздуха, воздух нагнетают вентилятором и пропускают через охлаждающие каналы. Из охлаждающих каналов охлажденный воздух поступает, например, в вентилируемое пространство. Однако при выходе из охлаждающих каналов некоторую часть объема воздуха, например одну треть объемного расхода, отделяют от общего потока и пропускают через испарительные каналы. Там охлажденный воздух проходит вдоль влажных стенок, посредством чего влага испаряется и уносится воздушным потоком. Испарение влаги приводит к снижению температуры стенок. Благодаря хорошей теплопроводности проводящих стенок это приводит также к снижению температуры в охлаждающих каналах, где воздух, таким образом, охлаждается.
По сравнению, например, с установкой для кондиционирования воздуха такое известное устройство охлаждения на основе опосредованного испарения обладает преимуществом, заключающимся в том, что для охлаждения воздуха требуется лишь незначительное количество энергии. Более того, такое устройство охлаждения содержит незначительное количество движущихся частей, благодаря чему его производство и установка являются простыми и малозатратными. В качестве дополнения, такое устройство не требует каких-либо хладоагентов.
По сравнению с устройствами охлаждения с непосредственным испарением опосредованно функционирующее устройство охлаждения обладает преимуществом, которое заключается в том, что для охлаждения воздуха не требуется повышение его влажности. Подача сухого охлажденного воздуха создает в охлаждаемом таким образом пространстве комфортный климат. Более того, посредством такого опосредованно функционирующего устройства охлаждения воздух может быть охлажден до более низкой температуры, чем при использовании устройства охлаждения с непосредственным испарением. В то время как устройство охлаждения с непосредственным испарением не способно охладить воздух ниже так называемой температуры «по влажному термометру», опосредованно функционирующее устройство охлаждения с испарением способно охлаждать воздух до так называемой «точки росы», благодаря чему известное устройство охлаждения также называют устройством охлаждения в точке росы.
Задача настоящего изобретения состоит в улучшении устройства охлаждения вышеописанного типа таким образом, чтобы указанное устройство обеспечивало возможность еще более сильного охлаждения подаваемого потока воздуха, благодаря чему в помещении создавался бы еще более комфортный климат. Согласно настоящему изобретению указанная задача в таком устройстве охлаждения решается путем применения средства осушения воздушного потока в охлаждающем канале. При извлечении влаги из воздуха, который надлежит охладить, такой воздух способен впитать больше влаги в испарительном канале, благодаря чему стенка отдает большее количество тепла, участвующего в испарении, и температура стенки снижается еще сильнее.
Средство осушения в предпочтительном варианте осуществления изобретения содержит полимер с низкой критической температурой растворения (полимер с НКТР). Такой полимер является водорастворимым вплоть до критической температуры и, таким образом, удерживает влагу. Стабильность полимера в растворенном состоянии в данном случае обеспечивается надлежащим образом выбранным средством перекрестного связывания.
Простой вариант осуществления устройства охлаждения согласно настоящему изобретению получают путем, по меньшей мере, частичного покрытия стороны разделительной стенки, обращенной к охлаждающему каналу, полимером с НКТР, или производства указанной стороны разделительной стенки из такого полимера. Таким образом, обращенная к потоку сторона каждого охлаждающего канала может быть, например, покрыта полоской из полимера с НКТР. Разумеется, также возможно предусмотреть полное покрытие всех стенок каждого охлаждающего канала таким материалом.
Полимер с НКТР может быть с достижением преимущества выбран из группы, содержащей полиоксазолин, поли(диметиламиноэтилметакрилат) (p(DMAEMA) и поли(N-изопропилакриламид) (pNiPAAm). Все эти полимеры способны извлекать из воздуха и удерживать относительно большое количество влаги.
Устройство охлаждения согласно настоящему изобретению в предпочтительном варианте осуществления дополнительно содержит средство восстановления и средство осушения. Эффективность таких средств осушения в конечном итоге будет снижаться вследствие того, что они извлекают больше влаги из поступающего воздуха и таким образом насыщаются. Путем последующего приведения в действие средства восстановления влага может быть извлечена из средства осушения, и таким образом восстанавливается исходный уровень эффективности.
В простом с точки зрения структуры и принципа работы варианте осуществления устройства охлаждения средство восстановления выполнено с возможностью периодического нагревания полимера с НКТР до температуры выше критической температуры растворения. Поскольку такой полимер характеризуется низкой критической температурой растворения, обычно порядка 60-70°С, можно ограничиться применением простых нагревательных элементов.
Для того чтобы восстановление не приводило к увлажнению потока воздуха, который надлежит охладить, средство восстановления в предпочтительном варианте осуществления изобретения выполнено с возможностью сбора и удаления из охлаждающего канала влаги, которую полимер с НКТР выделил при восстановлении.
Особенно эффективное устройство для охлаждения получают, если средства восстановления выполнены с возможностью направления собранной влаги в средство увлажнения. При этом для увлажнения испарительных каналов требуется подача лишь незначительного количества воды.
Далее изобретение будет подробно раскрыто на основании двух вариантов осуществления со ссылкой на приложенные чертежи, где:
Фиг.1 представляет собой схематичное изображение прохождения воздушного потока через устройство охлаждения согласно настоящему изобретению, работающее по принципу противотока,
Фиг.2 представляет собой подробный вид в перспективе части охлаждающих каналов и испарительных каналов устройства охлаждения по Фиг.1,
Фиг.3 представляет собой вид сверху в разрезе альтернативного варианта осуществления устройства охлаждения, и
Фиг.4 представляет собой поперечное сечение по линии IV-IV по Фиг.3.
Устройство 1 (Фиг.1) охлаждения воздушного потока содержит некое количество групп взаимно параллельных охлаждающих каналов 2, разделенных разделительными стенками 7 (Фиг.2), с входным отверстием для воздушного потока A1, который надлежит охладить, и выходным отверстием для охлажденного воздушного потока А2. Входные отверстия, например, сообщаются с внешней средой S, в то время как выходные отверстия выходят в охлаждаемое пространство R. Воздушный поток, проходящий через устройство 1 охлаждения, нагнетается вентилятором 5.
Устройство 1 охлаждения дополнительно содержит некое количество групп испарительных каналов 3, отделенных от охлаждающих каналов 2 проводящими стенками 4. Испарительные каналы 3 взаимно разделены разделительными стенками 8. Входные отверстия испарительных каналов 3 соединены с выходными отверстиями охлаждающих каналов 2, в то время как выходные отверстия охлаждающих каналов 3 выходят во внешнюю среду S.
Благодаря соединению между охлаждающими каналами 2 и испарительными каналами 3 неполный воздушный поток А3 отделяется от охлажденного воздушного потока A2, после чего его проводят через испарительные каналы 3. После прохождения через испарительные каналы полученный влажный воздушный поток A2 выпускают во внешнюю среду S. Соотношение между объемами основного потока А4, который в конечном итоге направляют в охлаждаемое пространство R, и отделенного неполного потока А3 определяется, помимо прочих факторов, размерами охлаждающих каналов и испарительных каналов и может составлять, например, 2:1.
Устройство 1 охлаждения дополнительно содержит средство 6 увлажнения испарительных каналов 3 и, в частности, проводящих стенок 4. Такие средства 6 увлажнения в данном случае содержат распылительную трубку 9 с некоторым количеством отверстий 10 и питающий трубопровод 11, по которому воду подают из сборной емкости 12 под испарительными каналами 3 в распылительную трубку 9 путем использования насоса (не показан). Для того чтобы средство 6 увлажнения не работало постоянно, стенки 4, 8 испарительных каналов 3 покрыты материалом 13, который удерживает влагу, представляющим собой, например, впитывающую ткань или металлокерамическое покрытие.
До сих пор устройство 1 охлаждения имеет в основном обычную структуру. С целью повышения эффективности устройства охлаждения и таким образом более сильного охлаждения входящего воздушного потока A1 в соответствии с настоящим изобретением предлагается осушение такого входящего воздушного потока A1. Таким образом повышается способность отделенного воздушного потока А3 поглощать влагу, вследствие чего в испарительных каналах 3 может испаряться большее количество влаги и таким образом из проводящих стенок 4 может быть извлечено большее количество тепла, участвующего в испарении. Таким образом, проводящие стенки 4 охлаждаются сильнее, чем в обычных устройствах охлаждения, благодаря чему повышается охлаждающая способность устройства.
В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения средства 14 осушения воздушного потока A1, который надлежит охладить, имеют форму полимерного материала с низкой критической температурой растворения (полимер с НКТР), который нанесен в виде покровного слоя 15 на стенки 4, 7 охлаждающих каналов 2. В качестве полимера с НКТР в данном случае возможно предусмотреть такой материал, как полиоксазолин, поли(диметиламиноэтилметакрилат) (p(DMAEMA) и поли(N-изопропилакриламид) (pNiPAAm). Хотя все стенки 4, 7 охлаждающих каналов 2 сплошь покрыты полимером с НКТР, возможно также предусмотреть покрытие лишь части стенок, например вертикальных проводящих стенок 4. Также возможно предусмотреть нанесение полимера с НКТР лишь на часть длины охлаждающих каналов 2, например на их стороны, обращенные к входящему потоку, или даже на обращенную к входящему потоку часть устройства 1 охлаждения, расположенную на входе соответствующих охлаждающих каналов 2.
Слой 15 полимера с НКТР на стенках 4, 7 впитывает влагу из проходящего воздуха и таким образом переходит в состояние раствора. Растворенный слой 15 полимера сохраняет стабильность благодаря наличию надлежащим образом подобранных средств перекрестного связывания. Как уже было сказано, способность воздушного потока А3 к поглощению влаги в испарительных каналах 3 - и соответственно способность к охлаждению - повышается благодаря осушению воздуха. В качестве дополнения, это приводит к повышению уровня комфорта, поскольку охлажденный поток воздуха А2, поступающий в пространство R, является более сухим.
Поскольку слой 15 полимера с НКТР поглощает больше влаги и таким образом этот слой дополнительно становится более насыщенным, происходит снижение эффективности средства 14 осушения. Вследствие этого, в проиллюстрированном варианте осуществления устройство 1 охлаждения также содержит средство 16 восстановления полимерного слоя 15. Такие средства восстановления 16 выполнены с возможностью периодического нагревания полимера с НКТР до температуры выше его критической температуры растворения. Поскольку такая критическая температура относительно низка и составляет, например, порядка 60-70°С, создаются относительно простые условия и имеется возможность ограничиться нагревательными элементами 17 с низким уровнем потребления энергии. Конструкция и принцип действия таких нагревательных элементов описаны и проиллюстрированы в неопубликованной на момент подачи настоящей заявки патентной заявке Нидерландов №1030149 данного заявителя.
Когда полимер 15 с НКТР нагревают до температуры выше его критической температуры растворения, он выделяется из раствора, и таким образом вновь высвобождается влага L. Эта влага L протекает вдоль стенок 4, 7. Для того чтобы избежать нежелательного увлажнения входящего воздушного потока A1 в результате протекания влаги, средства 16 восстановления дополнительно выполнены с возможностью сбора и удаления из охлаждающих каналов 2 указанной влаги L, выделенной при восстановлении. Для этих целей охлаждающие каналы 2 могут быть, например, в некоторой степени наклонены вниз, чтобы влага L стекала в нижнюю часть охлаждающих каналов 2. В проиллюстрированном варианте осуществления изобретения в указанном месте расположена сборная емкость 18. Она, в свою очередь, соединена со сборной емкостью 12 средства 6 увлажнения. Таким образом, уровень потребления воды устройством 1 охлаждения снижен благодаря направлению влаги L, извлеченной из входящего воздуха, в средство увлажнения.
Вместо того чтобы пересекаться, охлаждающие каналы 2 и испарительные каналы 3 могут также проходить параллельно друг другу, но в противоположных направлениях (Фиг.3 и 4). В таком случае устройство представляет собой устройство охлаждения, основанное на принципе противотока. Такой вариант компоновки имеет преимущество, заключающееся в обеспечении возможности более длительного и таким образом более интенсивного теплообменного контакта между воздушным потоком A1, который надлежит охладить, и испарительным потоком А3.
При том что изобретение проиллюстрировано выше на основании нескольких вариантов осуществления, должно быть очевидно, что в него могут быть внесены многочисленные изменения. Поэтому объем настоящего изобретения определяется исключительно нижеприведенной формулой изобретения.
1. Устройство охлаждения воздушного потока, содержащее:
по меньшей мере, один охлаждающий канал с входным отверстием для воздушного потока, который надлежит охладить, и выходным отверстием для охлажденного воздушного потока,
- по меньшей мере, один испарительный канал, отделенный от охлаждающего канала проводящей стенкой и имеющий входное отверстие, которое соединено с выходным отверстием охлаждающего канала, и выходное отверстие, и
- средство увлажнения стороны проводящей стенки, обращенной к испарительному каналу,
- средство осушения воздушного потока в охлаждающем канале,
отличающееся тем, что средство осушения воздуха содержит полимер с низкой критической температурой растворения (полимер с НКТР).
2. Устройство охлаждения по п.1, отличающееся тем, что сторона проводящей стенки, обращенная к охлаждающему каналу, по меньшей мере, частично покрыта полимером с НКТР или выполнена из указанного полимера.
3. Устройство охлаждения по п.1, отличающееся тем, что полимер с НКТР выбран из группы, содержащей полиоксазолин, поли(диметиламиноэтилметакрилат) (p(DMAEMA) и поли(N-изопропилакриламид) (pNiPAAm).
4. Устройство охлаждения по п.1, характеризующееся средством восстановления средства осушения.
5. Устройство охлаждения по п.4, отличающееся тем, что средство восстановления выполнено с возможностью периодического нагревания полимера с НКТР выше критической температуры растворения.
6. Устройство охлаждения по п.4, отличающееся тем, что средство восстановления выполнено с возможностью сбора и удаления из охлаждающего канала влаги, выделенной полимером с НКТР во время восстановления.
7. Устройство охлаждения по п.6, отличающееся тем, что средство восстановления выполнено с возможностью направления собранной влаги в средство увлажнения.
