用膜包夾的液體乾燥劑進行除溼的間接蒸發冷卻器的製作方法

2023-10-24 00:23:17 4

專利名稱：用膜包夾的液體乾燥劑進行除溼的間接蒸發冷卻器的製作方法
用膜包夾的液體乾燥劑進行除溼的間接蒸發冷卻器合約來源美國政府對本發明擁有合同號No. DE-AC36-99G010337下的權利，所述合同雙方是美國能源部和國家可再生能源實驗室——中西部研究所的一個科室。
背景技術：
空調的使用遍及世界，它提供了舒適健康的室內環境，適當地通風，涼爽並具有充分的溼度控制。雖然有利於調節供應的空氣，但傳統的空調系統由於要使用大量的能源 (如電能)使得運行的成本很高。由於對能源持續增長的需求，空調的成本也有望增加，存在著對更有效率的空調方法和技術持續增長的需求。另外，增加的是對不使用化學品和一些材料的冷卻技術的需求，所說的化學品和材料比如是釋放或洩露的話可能會環境損害的許多傳統的製冷劑。維護也是許多空調技術的關注焦點，因此，任何新技術，如果發現它對維護的要求很苛刻，尤其是住宅使用的，都將會被市場拒之門外。蒸發冷卻器會用在一些場合解決空調需求或需要，但是由於許多局限性所致，傳統的蒸發冷卻器不能被廣泛地使用在商業或住宅建築中。蒸發冷卻器，通常被稱作沼澤冷卻器(swamp cooler)，和利用製冷的傳統空調或使用蒸汽壓縮或吸收製冷循環的吸收設備相比，它是利用空氣中的水分直接蒸發(simple evaporation)的原理提供冷卻作用的。蒸發冷卻的使用典型地受到氣候的局限，比如美國西部地區的天氣炎熱，而且溼度很低。在這樣乾燥的氣候下，傳統蒸發冷卻器的安裝和運行成本就比製冷空調低。住宅用和工業用的蒸發冷卻器典型地使用溫暖乾燥空氣與水混合進行直接蒸發冷卻，從而將水分轉變成蒸汽並用蒸發潛熱(latent heat)生成冷卻的溼空氣(例如，相對溼度為50% -70%的冷卻空氣)。例如，蒸發冷卻器可設於具有通風側的封閉金屬或塑料箱中，所述通風側包含風扇或鼓風機、運行所述風扇的電動機、和潤溼蒸發冷卻墊的水泵。為了提供冷卻效果，風扇通過在機組側上的通風口和潮溼墊抽入環境中的空氣。空氣中的熱量將水分從墊上蒸發出來， 所述墊被持續浸潤以便使冷卻作業繼續下去。冷卻的溼空氣然後經由屋頂或牆壁中的通風口供應建築物中。儘管蒸發冷卻器的運行成本是製冷空調的大約四分之一，但是它還沒被廣泛地應用於滿足人們對更高效率和更低成本的空調技術的需求。水倉冷卻器(sump coolers)的一個問題是在某些特定條件下這些蒸發冷卻器不能運行提供充分冷卻的空氣。例如，當進氣是90° F和50%相對溼度時，空氣可能僅可被冷卻到75° F並且這種冷卻可能不足以使特定空間得到充分地冷卻。這個問題在溫度升高時會更嚴重，比如已經發現在美國西南部地區和其它許多地方溫度可以超過100° F。因此，空調系統可能需要包括製冷空調來冷卻從蒸發冷卻器出來的空氣，這會導致這種系統的購買、運行、和維護都更昂貴。另外，傳統的蒸發冷卻器不能對空氣進行除溼，並且實際上經常是輸出有80%到 90%相對溼度的空氣，這僅在一些非常乾燥的環境下才可接受，這是因為非常潮溼的空氣會降低建築物居住者的蒸發速率(例如降低了舒適等級)，並且可能會引起冷凝作用，導致腐蝕或其他問題的發生。在一些蒸發冷卻器中作為第二或後級會提供除溼功能，比如通過將液體乾燥劑滲入(wicking)空氣流動通道壁或腔室壁的方式實現該功能，但是這樣的系統不能被廣泛應用，這是因為運行和維護成本的增加以及考慮到會將乾燥劑與空調過的空氣一起排放出來的問題。一般地，維護是蒸發冷卻器的一個關注點，因為蒸發作業會導致礦物質沉積在冷卻墊上和冷卻器的其他表面上，為了維持系統效率而需要清潔或替換它們， 並且供水線路需要被保護以防在閒季(off season)例如由於系統的排水而上凍。由於這些和其他的考慮，蒸汽冷卻不可能被廣泛地用來為商業和住宅用途提供高能效的備選空調方式，除非能夠取得顯著改進降低對維護的擔心同時又提高可達到的冷卻效力(例如，在建築的直接使用中即可提供充分冷卻的輸出空氣)。前述的相關技術的示例和與之相關的局限性都是作為解釋說明用途，並不是排他的。相關技術的其他局限性將會在本領域技術人員閱讀到說明書和看圖即可清楚。

發明內容
接下來的實施方式及其方面都是結合示例性和解釋性的非限定範圍的系統、工具和方法進行介紹和解釋說明的。在各種不同的實施方式中，上面介紹過問題的一種或多個被減少或消除了，而其他實施方式是針對其他改進的。這可部分通過設置用於間接蒸發冷卻器或熱交換器的傳質/傳熱組件實現。組件是由交錯的疊堆形成，每個疊堆包括第一(或上)膜材料層或片、分隔壁、和第二(或下)膜材料層或片。每一層的所述膜或膜材料可允許蒸汽態的水分子滲透通過，而分隔壁不允許水滲透通過，但允許熱傳遞(例如，是薄層和/或由導熱的材料製成的)。在相鄰疊堆對中的第一疊堆中，冷媒，比如水，在第一膜層和分隔壁之間流動，而液體乾燥劑在分隔壁和第二膜層之間流動，而在相鄰疊堆對中的第二或下一個疊堆中流動的順序是反的。該順序貫穿整個傳質/傳熱組件中反覆，形成了送氣和排氣交錯流動通道或腔室。供應的空氣(或要接受空調的空氣)被引導穿過第一對疊堆之間的通道，而預冷的排出空氣中的一部分(例如，小部分通過流動穿過疊堆而被冷卻的供應空氣)被引導穿過第二或下一對疊堆之間的腔室(例如，典型的排布形式是相對於進入的供應空氣流動的逆流形式)。液體乾燥劑被設為接近供應入口的空氣流，而冷媒，比如水，被設為接近排出的空氣流(即被引導排出的小部分供應出口的空氣流)，空氣僅通過可滲透通過的膜與這些流動的液體分隔開來。供應的空氣入口空氣流、供應出口空氣流、排出空氣流、液體乾燥劑流、和冷媒流，比如經由一個或多個歧管組件(manifold assemblies)，被接入(plumbed)到傳質/傳熱組件上，該組件可被設置在一個殼體中作為單個單元(例如，間接蒸發冷卻器)。在典型的實施方式中，除溼和蒸發冷卻可通過將要處理的空氣與液體和/或氣體物質(例如液體乾燥劑、水、脫水空氣等)用膜分隔開的方式實現。所述膜是由一種或多種可允許蒸汽態的水分子滲透通過的物質或材料形成。水分子通過所述膜的滲透作用是對一種或多種工藝空氣流進行的除溼(在一些實施方案中的除溼)和蒸發冷卻的驅動力(或使能)。如上面所介紹的，若干條空氣流可被排布為流動穿過傳質/傳熱組件中的腔室，以便使得次級(放出(purge))空氣流(如預冷的供應空氣的排出空氣流)被潤溼並吸收主級(作業)空氣流(如之後可被引導到建築物中作為供應出口空氣流(例如，作為住宅或商用建築物等的補入空氣(make up air)的供應入口空氣流))的焓。工藝空氣流被顯冷 (sensibly cooled)，並且在一些實施方式中，還同時被膜中所包夾(contained)的液體乾燥劑流除溼，所述膜限定了送氣入口空氣流動通道或腔室的邊壁。所述膜還在一些實施方式中用來限定排出(例如，逆流)空氣流動通道或腔室，以便使得所述膜能夠控制或將冷媒與排出空氣流分隔開來。滲入材料/表面或其他設備可被用來包夾或控制水流(例如，直接接觸的滲入表面可與膜所包夾的液體乾燥劑組合使用)， 但是膜液體控制使得對疊堆或歧管結構的製造更便利，所述疊堆或歧管結構有益於此處介紹的提供冷卻、除溼、和/或加溼作用的熱量和質量交換器/組件的構造。在所述構造中，空氣流可被排布成逆流、與預冷排出空氣逆流，交叉流(cross-flow)、並流(parallel flow)、 和射流(impinging flow)以在蒸汽冷卻單元中實現所需的熱量和質量的同步傳遞。以實施例的方式，非限定地，實施方式包括間接蒸發冷卻器，所述間接蒸發冷卻器利用液體冷媒流和排出或放出空氣流將入口供應空氣流從第一溫度冷卻到第二、較低的溫度。冷卻器包括第一流動通道，所述入口供應空氣流流動通過所述第一流動通道，和與所述第一流動通道相鄰的第二流動通道，所述排出的空氣流流動通過所述第二流動通道，其中所述排出的空氣流所處的溫度比供應空氣的入口或第一溫度低。第二流動通道部分由膜或膜材料片形成或限定而成，其中所述膜或膜材料是允許水蒸汽滲透通過的，然而卻可以包夾液體冷媒。通過這種方式，冷媒在膜的一邊上流動(且不直接接觸第二流動通道中的空氣)，而在當熱量從入口供應空氣被傳遞到液體冷媒中時或響應該傳遞，質量以蒸汽形式 (as vapor)穿過所述膜被傳遞到排出空氣中。在一些情況或構造中，正如將會變清晰的那樣，供應的空氣流(或入口供應空氣)在該第一級中就被冷卻或除溼。可提供第二級將空氣流顯冷到非常涼爽的溫度，該溫度可低於原始供應入口空氣的結露點(dewpoint)，這是由於它一開始或在第一狀態下就被進行了除溼因此才可以達到這種效果。與膜片間隔開的分隔壁被用來限定液體冷媒的流動通道，所述壁是由液體冷媒無法滲透通過的材料(如塑料)形成的，但是所述材料可以傳導或允許熱量從入口空氣源傳遞到冷媒中。第二膜片可與該分隔壁的相反邊間隔開，從而限定出液體乾燥劑的流動通道， 並且在運行過程中，水蒸汽從入口供應空氣流穿過膜傳遞到液體乾燥劑中，這導致入口供應空氣同時被冷卻和除溼。所述膜有效地阻止或者甚至於完全阻擋了液體冷媒和液體乾燥劑的流動，但允許水蒸汽流動，在一些實施方式中，冷媒是水，而乾燥劑是滷鹽溶液(例如， 弱乾燥劑，比如CaCl等)。排出的空氣在一些情況下是入口供應空氣流被冷卻到第二、較低溫度之後(例如，當它離開第一流動通道時)所述流被重新指向的一部分，並且排出空氣可在相對於供應空氣在第一流動通道中流動的方向交叉、逆流、或它們這些的組合的方向上流動穿過第二流動通道。在另一示例性實施方式中，提供了一種為住宅或商用建築調節作業或回流空氣的方法。所述方法包括第一引導工藝空氣穿過第一流動通道和第二引導液體乾燥劑的流或大量液體乾燥劑鄰近一個或多個限定出第一流動通道的壁，所述液體乾燥劑通過膜(例如， 提供了壁的膜)與工藝空氣分隔開來，所述膜包夾液體乾燥劑並且允許水蒸汽從工藝空氣中流入和被液體乾燥劑吸收，所述液體乾燥劑對工藝空氣除溼。所述方法進一步包括與第一和第二引導同時進行的第三引導放出空氣流穿過接近第一流動通道的(例如，平行相鄰的)第二流動通道。放出空氣所處的溫度比第一流動通道中的所有或至少大部分工藝空氣的溫度更低，並且在一些情況下，放出空氣是小部分經過除溼後離開第一流動通道的工藝空氣，其被引導以相對於工藝空氣逆流的方向穿過第二流動通道。所述方法還包括第四引導液體冷媒流鄰近第二流動通道壁。液體冷媒也通過膜與空氣分隔開來，所述膜可允許蒸汽從冷媒中滲透通過，從而使得質量從冷媒被傳遞到放出空氣中。所述方法提供了對工藝空氣同時進行(或單級)的除溼和冷卻。根據另一方面，提供了一種在間接蒸發冷卻器或交換器設備中使用的傳熱和傳質組件。所述組件包括第一疊堆，所述第一疊堆包括上膜、下膜、和上和下膜之間的分隔壁。 上和下膜可允許蒸汽形式的水滲透通過，而分隔壁大體上不允許液體和蒸汽滲透通過。還提供了第二和第三疊堆，每個都包括上膜、下膜、和位於它們之間的分隔壁。在組件中，第一疊堆和第二疊堆被間隔開(比如分開小於約0. 25到0. 5英寸)，限定出接收第一空氣流 (例如，要接受調節的空氣)的流動通道，而第二和第三疊堆間隔開限定出第二空氣流(例如，以相對於第一流空氣交叉或逆流為指向的放出或排出的空氣)的流動通道。在一些構造和/或運行模式中，設備僅進行蒸發冷卻並且不提供除溼。因此，所述膜僅在放出的一邊使用，而壁的另一邊留空給供應空氣進行熱交換。第一、第二、和第三疊堆可被認為是一套疊堆，並且組件包括多個所述的疊堆套， 從而限定出由疊堆或膜層和分隔壁間隔開的多條空氣流動通道。隔離器或分隔器可設於流動通道中維持所述膜的間距，同時允許空氣流在通道內流動。所述組件可在第一疊堆中進一步包括在上膜和分隔壁之間流動的液體冷媒和在分隔壁和下膜之間流動的液體乾燥劑。在第二疊堆中，液體乾燥劑在上膜和分隔壁之間流動，而液體冷媒在分隔壁和下膜之間流動。在第三疊堆中，液體乾燥劑在上膜和分隔壁之間流動，而液體冷媒在分隔壁和下膜之間流動。液體冷媒可以是水，在運行過程中，水蒸汽可從冷媒穿過所述膜被傳遞到第二空氣流。液體乾燥劑可以是鹽溶液(如弱乾燥劑，比如CaCl等)，在組件運行或使用的過程中， 水蒸汽可從第一空氣流穿過所述膜被傳遞到液體乾燥劑，由此使得第一空氣流能被同步地除溼並冷卻到較低溫度。除了上面介紹的示例性方面和實施方式，另外的方面和實施方式將通過參考附圖和理解接下來的介紹而變得清楚。


示例性實施方式在帶有標號的附圖中畫出。在此公開的實施方式和附圖應當被認為是解釋說明性質的，而非限制性的。圖1畫出了蒸發冷卻器或熱交換器的示意形式，包括示例性表示的可滲透膜疊堆或組件用來在一體化單元或單級中同時提供間接蒸發冷卻與除溼；圖2畫出了蒸發冷卻器的另一示例性表示，顯示的是膜/壁/膜疊堆組合使用的組件，用以相對於膜所包夾的液體乾燥劑和冷媒(例如冷卻水)引導供應和排出的空氣流以實現冷卻和除溼的目的；圖3畫出了與圖2中所示類似的蒸發冷卻器，但它被構造成具有用於排出/冷卻後空氣的一體化逆流通道；圖4是示例性熱交換器的俯視圖，畫出了空氣流動穿過由基於膜的組件設置的多個通道或腔室，該組件比如圖1-3中所示的那些或此處所示或介紹的其他實施方式；圖5畫出了蒸發冷卻器或逆流熱量/質量交換器的示例性建模(modeling)，比如一個帶有圖2中所示的疊堆組件和圖4中所示流動排布的冷卻器或交換器；
圖6是沿著如圖5中所示模製的交換器長度上的空氣流和表面溫度曲線圖；圖7是沿著如圖5中所示模製的交換器長度上的空氣溼度比的曲線圖；圖8是顯示了流動穿過圖5模型熱交換器的液體乾燥劑濃度的曲線圖；圖9是顯示了如圖5中所示模製的冷卻和除溼作業的空氣溼度圖表；圖10是另一個示例性熱交換器的俯視圖，畫出了空氣流動穿過由基於膜的組件設置的多個通道或腔室，該組件比如圖1-3中所示的那些或此處所示或介紹的其他實施方式；圖11是示例性熱交換器的俯視圖，所述熱交換器與圖4和10中所示的那些相似， 顯示了帶有變更的排出空氣流的變更的單元排布形式；圖12是顯示了圖10中所示的熱交換器構造的與圖5所示建模方式類似建模的冷卻和除溼作業的空氣溼度圖表；圖13畫出了使用間接蒸發冷卻器來為建築物提供空調空氣的供熱、通風和空調系統；以及圖14是提供了帶有圖2疊堆組件的與圖4實施方式相似方式製造的樣機的一個測試結果的空氣溼度圖表。
具體實施例方式接下來提供了對帶有冷卻器用的除溼和傳質/傳熱組件的示例性間接蒸發冷卻器的介紹，所述冷卻器提供入口空氣流腔室，其帶有由包夾液體乾燥劑的可滲透膜片限定的邊壁。組件還包括出口或排出空氣流腔室(比如與入口空氣流逆流)，所述腔室帶有由包夾冷媒(比如水)的可滲透膜片限定的邊壁。在下面介紹的實施方式中，所述膜是「可滲透的」，意思是說蒸汽形式的溼氣(例如，蒸汽態的水)一般可以比如經由蒸發從入口供應空氣和液體冷媒中容易地滲透通過所述膜。但是，所述膜一般包夾或阻擋液體形式的溼氣流動通過，這些溼氣而是會被引導在通道或腔室之內流動。在一些情況下，當壓強小於約 20psi時液態的水被包夾在所述膜中，更典型的是壓強小於約5psi。一些實施方式中的冷媒和液體乾燥劑被維持在低於約2psi的壓強下，並且可滲透膜包夾液態的溼氣，比如水， 與此同時水蒸汽滲透通過所述膜。正如接下來介紹將會弄清楚的那樣，使用比如用於蒸發冷卻器或質量/熱量傳遞器的組件有許多好處。入口或工藝空氣流可被同步地或者在單個腔室或級段中進行冷卻和除溼，而這種組合式作用減小了系統的尺寸和成本以及所需零件和儀器的數量(比如，不需要多級單元或設備來冷卻而後除溼和/或進一步用製冷劑等進行冷卻)。液體乾燥劑除溼與間接蒸發冷卻器的組合由於蒸發和吸收作用能夠提供出非常高的能量傳遞速率。本設計方案生成的液體乾燥劑系統不需要冷卻液體乾燥劑的分隔儀器(例如，分隔的冷卻塔或冷卻裝置)。疊堆裝置或多層傳質/傳熱組件(或歧管式流動腔室/通道)能實現超低流動的液體乾燥劑的設計方案。這部分由於所述組件加強的幾何造型和它使能液體乾燥劑的溫度降到比習慣使用的冷卻塔技術可實現的溫度更低的能力而造成的。因此，在冷卻器中液體乾燥劑有更高的濃度梯度(例如氯化鋰(LiCl)的大於20百分點和其他乾燥劑的類似梯度)，這提供了以下優點(a)熱性能係數(coefficient of performance) (COP)更高以重新產生乾燥劑(即，從乾燥劑中除去水分)在冷卻器中重複使用；(b)由於利用率改善而使乾燥劑的存儲需求變小；以及(c)能夠使用比LiCl便宜的乾燥劑，比如氯化鈣(CaCl)， 氯化鈣無法在傳統的系統中使用，因為它們的吸收性質不如LiCl那麼好，但是此處介紹的冷卻器實施方式所提供的運行溫度更低使得這種以及其他「較弱」的乾燥劑的性質變得可以接受或變得理想。將膜作為腔室邊壁使用有助於製造逆流和相對於預冷排出的空氣實施方式的逆流。液體乾燥劑與水分子可滲透通過的膜包夾在一起消除了液體乾燥劑發生的「移位」("carry over")，移位是指小滴的乾燥劑穿進空氣流中的現象，這是直接接觸排布方式的一個擔心問題。此處介紹的實施方式還可觀地減少或者甚至消除了水蒸發或吸收作業過程中沉積的固體(並且液體流動速率可以維持在足夠高的水平以便進一步控制有可能的沉積物)，否則汙垢會導致現有技術的蒸發冷卻器維護費和運行成本增加。圖1畫出了蒸發冷卻器(或質量/熱量交換器)100的示意圖，所述冷卻器利於提供同時或同步地對作業或入口空氣流120(例如，需要在供給到建築通風系統中以前進行冷卻和空調的室外或工藝空氣)進行除溼和冷卻。冷卻器100以簡化形式示出，具有以短劃線示出的殼體，沒有畫出入口和出口流道、接入水管(plumbing)、和/或歧管。冷卻器 100還示出了帶有單個質量/熱量傳遞疊堆110，但在典型的冷卻器100中可能會存在許多疊堆110，所述疊堆都是重複所示出的構造(例如，通過使液體交錯穿通過由膜和壁限定的腔室)，從而提供了帶有多個空氣和液體流動通道或腔室的組件以便為疊堆110提供所需的介紹過的傳熱和傳質功能。如所示地，入口空氣流120被引導到部分由膜112的片或層限定而成的腔室或通道中。液體乾燥劑1 在膜112另一邊上的相鄰腔室或通道中流動。液體乾燥劑IM被膜112所包夾，所述膜可允許液態或蒸汽態的水分子滲透通過，但一般不允許液體乾燥劑 124的成分通過。用於乾燥劑流124的腔室也是由不允許流體流滲透通過的材料片或層 114(即，分隔壁)限定而成，以便將液體乾燥劑124包夾在腔室或流動路徑中。用於流120 的腔室也是由相對設置的膜(未示出)限定而成，所述膜用來包夾另一液體乾燥劑流。通過這種方式，熱量從入口空氣流120穿過或去除並傳遞到液體乾燥劑流124(並且乾燥劑位於相對邊壁/膜(未示出)的後方)。同時地，入口空氣流120隨著水130穿通過可滲透膜 112進入液體乾燥劑124中而被去除進而得到除溼。當空氣流穿過膜112時，液體(或氣體)乾燥劑1 可採用許多形式來起到除溼和冷卻空氣流120的作用。乾燥劑IM—般是任意的吸溼液體，用來從空氣流，如流120中去除或吸收水分和水蒸汽。優選地，選取的乾燥劑1 可以是可再生乾燥劑(例如，可分隔出或去除掉所吸收水分的乾燥劑)比如二醇(二乙二醇、(二縮)三乙二醇、三縮四乙二醇等)，鹽濃縮液或離子鹽溶液，如LiCl、CaCl等，或其他乾燥劑。膜112可由任意能夠發揮包夾液體乾燥劑1 功能，並且典型地，可包夾冷媒126(比如水等)，同時還可允許液態或蒸汽態的水分子滲透通過的材料形成。例如，可用到的聚合物膜具有細孔，所述細孔的尺寸大約為水分子的尺寸或比它略大，在一些情況下，所述細孔還適於使水分子以高遷移率通過膜112。在一個特定實施方式中，膜112是由在Wnek的美國專利號No. 6，413，298中有詳細介紹的膜材料形成，上述文獻全文通過引用結合於此。所述膜材料還可從許多分銷商或製造商處獲得，比如但不限於美國佛羅裡達州敖德薩市的Dias-Analytic公司。膜112， 118和分隔壁114優選地還由抗乾燥劑腐蝕作用的材料形成，從這個角度看，它們可用聚合物或塑料製成，在一些情況下壁是由抗腐蝕的金屬或合金形成，而這和塑料相比具有更高的導熱率。所示的實施方式100被構造成預冷的排出空氣流128(相對於入口空氣流120)逆流。其他實施方式可使用交叉(與流動路徑成大約90度)或準逆流(例如，非直接的在方向上相反或相對，而是橫向例如流動路徑相對於空氣流120成大於90度的角)。排出的空氣流1 在由膜片或層(例如，第二膜或下膜)118和另一疊堆的上膜(未示出)限定而成的通道或腔室中流動。分隔壁114和膜118限定出冷媒流126的流動腔室或通道，所述冷媒流典型的是指水流等。熱量從液體乾燥劑1 通過分隔壁被傳遞到冷媒126中，而冷媒 126隨著熱量和質量(例如水分或其他溼氣13 經由膜118被傳遞到排出流1 中而得到冷卻。熱量的傳遞並未示出，但一般是通過膜112流動到液體乾燥劑124，從液體乾燥劑IM 通過分隔壁114到冷媒126，再從冷媒126通過膜118到排出的空氣流128中。膜112，118 相對較薄，厚度tmem典型的小於0. 25英寸，更典型的小於約0. 1英寸，比如100到130微米等。膜112，118如果不被局限住的話，可具有向外膨脹的趨勢，並且在一些實施方式中，比如圖3中所示的實施方式，隔離器或「流場(flow field) 」支撐物被設於入口空氣流120和排出空氣流128中(即，空氣流腔室中)，以維持相鄰膜的分隔狀態(例如，帶空氣流動的孔或開口的塑料或金屬網，並具有之字形、S或W形、或其他橫截面(或側視圖)，其能提供許多與膜112，118接觸的相對較小的接觸點)。分隔壁114典型地也相對較薄以便於乾燥劑IM和冷媒1 之間的熱量傳遞，比如具有厚度twall小於0. 125英寸等。空氣、乾燥劑、 和冷媒的流動腔室一般也相對較薄，在一些應用中所使用的腔室厚度(或深度)小於1英寸，而其他應用使用的腔室小於約0. 5英寸，比如約0. 25英寸或更小。圖2畫出的是利用膜/分隔壁/膜式的疊堆或組件構造提供質量/熱量傳遞交換器設備的間接蒸發冷卻器210，其中除溼和冷卻在單級內發生，因此該設備是一種一體化或一元化的設備。在一些實施方式中(未示出)沒有乾燥劑邊膜或乾燥劑流。因而，這些實施方式有利於提供一種間接蒸發冷卻器，其中膜包夾液體冷媒但沒有液體乾燥劑，並且所述膜典型地不設在供應空氣的一邊(或這些通道中)以便用分隔壁提供出更好的熱傳遞表面。如圖2中所示，冷卻器210包括由疊堆或設備212，230，240組成的傳質/傳熱組件，並且這樣的疊堆組件典型地可以被反覆在冷卻器210中提供多個入口和排出的空氣、冷媒、 和乾燥劑流動通道或腔室。如圖所示，每套疊堆(或成層的組件或設備)212，230，240的組成都是相似的，包括膜、分隔壁、和膜，其中所示膜可允許分子水平的水分滲透通過，以便進行傳熱和傳質，而所述壁是不允許(或近乎於不能)滲透通過的，僅能進行熱傳遞不能進行質量傳遞。具體地，疊堆212包括上膜層214、分隔壁216、和下膜層218。可典型地提供一些隔離器或間隔器(未示出)將這些層間隔開從而限定出冷媒215和液體乾燥劑217的流動通道。例如，分隔器可被構造成還設有到冷媒和可再生乾燥劑供應線路的連接機構，設有引導流動過各種疊堆212，230，240的歧管，並設有到冷媒和稀釋乾燥劑回流線路的連接機構。疊堆230和MO同樣包括上膜層232，M2、分隔壁234，M4、和下膜層238，M8。與疊堆212相似，疊堆240具有的冷媒(比如水)243被引導到上膜層242和壁244之間的腔室中，而乾燥劑246在壁244和下膜層248之間流動。相對而言，疊堆230具有的液體乾燥劑 233被引導在由上膜層232和壁234限定的腔室中流動，而它具有的冷媒236被引導在由壁234和下膜層238限定的腔室或通道中流動。冷卻器210包括管道等(未示出)從而將供應的入口空氣250引導通過疊堆212 和疊堆230之間的通道或流動路徑。疊堆212，230，240的排布方式和被包夾的流體使得供應的入口空氣250穿越過包夾液體乾燥劑217，233的膜218，232的表面。因此，供應的出口空氣2M被輸出的是除溼過的空氣，這是由於空氣250中的溼氣經由可滲透膜218，232被乾燥劑217，233吸收，並且空氣2M也通過與乾燥劑217，233的相互作用而得到冷卻。冷卻器210中的冷卻效果部分地是由小部分供應的出口空氣2M實現的，所述小部分出口空氣通過管道/歧管(未示出)被重新引導到冷卻器210中並作為預冷的排出空氣255在疊堆230，240之間的通道或流動路徑中流動，之後作為溫暖的溼空氣258輸出。熱量從乾燥劑233通過壁236穿到冷媒236中(相似的熱量傳遞發生在疊堆212，240中)，冷媒236能夠經由膜238將熱量和質量(例如水分子)傳遞到進來的排出空氣255中。如上面討論過的，由212，230，240提供的疊堆模式或套組典型地會在冷卻器210內反覆，形成具有許多平行的空氣、冷媒、和乾燥劑流動通道的傳熱和傳質組件。所示的冷卻器210是一種逆流交換器，但其他的流動模式也可在實施此處介紹的基於乾燥劑除溼和冷卻中使用到。例如，很容易就建立起交叉流動模式以及準(或不完全相反的)逆流模式。這些模式可通過交錯冷卻器的歧管和/或管道/接入水管以及設於疊堆之間的隔離器來實現。另外，逆流通路可一體地設於疊堆組件上而不是像通常在冷卻器 210中那樣設於外部。例如，冷卻器310具有與圖2冷卻器210中所示相似的疊堆排布方式，除了它包括位於入口空氣250和排出空氣258的流動通道端部上的逆流隔板或分流壁 360。逆流隔離器360允許大部分冷卻空氣作為供應出口空氣邪4離開疊堆(例如，多於約 50%或更典型的60%到90%以上的空氣流250)。較小一部分(例如與補入的室外空氣等的體積相等)作為預冷卻的排出空氣355被隔離器360引導在疊堆230，240之間流動。圖 3還畫出了對隔離器或流場隔板370的使用，其功能是維持疊堆212，230，240中分隔膜的分隔(或者是維持在約為它們的原始厚度而不是如一些可滲透膜可能會發生的脹出或膨脹)。隔離器370可採用很多形式，比如具有波浪圖案的網(例如，S或W形的側視圖或橫截面視圖)，其中所選出的網在實踐中對氣流提供的阻力要儘可能的小，而同時還要提供足夠的強度。還有，期望限制與膜的接觸點或區域的數量，這是因為這些接觸點或區域會阻擋溼氣從空氣250傳遞出和傳遞到空氣355中。圖4畫出的是一個實施方式的間接蒸發冷卻器400。提供了一種支撐傳質/傳熱組件的殼體410，比如與在圖1-3中所示疊堆套組一起形成一個組件。如圖所示，殼體410 包括第一端412，所述第一端帶有供應入口空氣流415的入口 414和用於排出空氣流417的出口 416。冷卻器4100進一步包括與所述第一端412相反的第二端418，所述第二端為終端使用的設備或系統提供引導供應出口空氣流420的出口或通風口(例如，回流空氣到建築物的的入口或供應口)。第二端418還被構造成將冷卻後(和除溼後，在一些實施方式中)的空氣426的一部分4 重新指向，用於在逆流中冷卻供應的入口空氣流415。冷卻器400的樣機被製造成帶有如圖2中所示的疊堆組件，有32條乾燥劑通道。樣機用10升每分(LPM)的流體進行測試(或約0. 3LPM每乾燥劑通道)。提供的冷媒是水，其水流速率約為蒸發速率的1. 25到2. 00倍。該樣機的蒸發速率約為1. 33加侖/噸-小時或5升/ 噸-小時，所提供的冷卻水或冷媒的流動速率約為6至10升/噸-小時。當然，這僅是示例性的而非限定性的流動速率，並且我們預計液體乾燥劑和冷媒的流動速率會取決於許多的因素，並將會匹配於特定的通道設計和冷卻需要及其他考量。間接蒸發冷卻器，例如使用圖2所示疊堆套組的冷卻器400，可被模製以確定使用可滲透膜來包夾冷媒和液體乾燥劑的效果。圖5給出了這樣建模的圖表500，顯示的是使用參見圖2所討論過的疊堆212，230，和240冷卻入口或工藝空氣以及在同級或同作業中對這部分空氣除溼的情況。示出了模型500的輸入，也提供了典型入口空氣條件的結果，其中結果和建模在本例中用工程方程解算器(Engineering Equation Solver) (EES)來實現。框內示出的數值或周圍帶方框的數字都是輸入值(或假定的典型運行條件)，而框外或無框的值是建模的輸出或結果。圖表500中所示的建模結果相信對供熱、通風、和空調(HVAC) 技術領域的技術人員本身就很清楚了，不需要詳細的解釋來理解在間接蒸發冷卻器中使用膜包夾的實施方式所達到的效果；但是，接下來的內容會提供模型500中一些結果的圖形介紹。圖6畫出了顯示在疊堆之間的通道中的空氣流溫度的曲線圖或圖表610(例如，在使用此處介紹的這種傳質/傳熱組件的蒸發冷卻器中)。曲線圖610還顯示了沿逆流質量 /熱量交換器(例如，帶有如圖2中所示的疊堆排布方式的交換器400)的長度上的表面溫度。具體地，曲線圖610用線612表示供應空氣的溫度，用線614表示排出/放出空氣的溫度，用線616表示乾燥劑一邊膜表面(例如，在膜和供應空氣的交界面處)的溫度，用線620 表示乾燥劑一邊膜表面(例如，在膜和供應空氣的交界面處)的結露點溫度，而用線618表示水的那一邊膜表面(例如，膜和排出/放出空氣的交界面處)的溫度。圖7是顯示了沿逆流熱量/質量交換器長度上的空氣溼度比的曲線圖或圖表710。 具體地，曲線圖710用線712表示供應空氣的容積溼度比(bulk humidity ratio)，用線714 表示排出/放出空氣的容積溼度比，用線716表示貼近乾燥劑一邊的膜表面(例如，在膜和供應空氣的交界面處)上的空氣的溼度比，而用線718表示貼近水那一邊的膜表面(例如， 膜和排出/放出空氣的交界面處)的空氣的溼度比。圖8畫出的曲線圖810用線815表示當乾燥劑與供應空氣同時沿逆流質量/熱量交換器的長度流下時的濃度(在該特定的建模中乾燥劑是指LiCl)。如線815所示，當乾燥劑流動通過膜和分隔壁之間的通道時，由於從空氣中吸收了水分子而開始變弱，例如，在該特定的建模實施例中乾燥劑濃度從約44%下降到約(這是由於膜的特徵在於允許這些允許條件下流動的空氣中的水分子(以特定輸入速率或設定)滲透通過)。圖9在空氣溼度圖表910中顯示的是圖5模型500的作業過程。我們可以看到用線912表示的供應空氣的溼度在逐漸的流失(以水蒸汽的千克數/乾燥空氣的千克數或 kgv/kgda)。供應的空氣912的溫度在初始時略升高是由於蒸汽吸收作用的大量的熱進入乾燥劑中。隨著供應空氣912沿著交換器(或包夾液體乾燥劑的相鄰疊堆膜層或壁之間的流動通道或腔室)的長度繼續向下，溫度進而下降到比入口處更冷/更乾燥的條件。在交換器的出口處，供應的空氣912被分成兩股流。大部分空氣被供應到冷卻好的空間，而小部分空氣(比如體積少於50%或更典型的，少於30% )匯集到(furmeled)熱量/質量交換器或冷卻器的排出/放出一邊(或包夾冷媒的膜壁之間的排出/逆流流動通道)中，用線916 表示。排出的空氣916具有低的結露點，因此，它可以收集到大量的蒸發熱量。預冷卻好的排出或放出空氣916從溼的一邊通道收集水蒸汽(和與相關的蒸發熱量)。空氣916離開單元時的焓比用線912表示的供應入口或出口任一個的焓都大。圖表910還用線918表示了貼近乾燥劑一邊(ds)的膜表面的供應空氣的溼度比和溫度。接下來的表格顯示的是將圖5對入口和出口空氣流的建模做成表格形式的結果。 如表所示，可以選取並輸入到模型500中的溫度和溼度水平範圍很寬。在結果顯示在表格中的構造裡，當乾燥劑流停用時(例如，在一些運行模式下，不需要或沒必要用乾燥劑對空氣除溼)等效的溼球效率會是113%，這意味著冷卻器能夠將供應的空氣冷卻到入口溼球溫度以下。表格模型運行得到的入口和出口條件(° F和kg/kg)
權利要求
1.一種間接蒸發冷卻器，所述間接蒸發冷卻器利用液體冷媒流以及排出或放出的空氣流將入口供應空氣流從第一溫度冷卻到第二、較低的溫度，所述間接蒸發冷卻器包括第一流動通道，用於接收所述入口供應空氣流；和與所述第一流動通道相鄰的第二流動通道，用於接收所述排出的空氣流，所述排出的空氣流的溫度比第一溫度低；其中，所述第二流動通道部分地由膜片限定而成，其中所述膜片至少部分地允許水蒸汽滲透通過，並且所述液體冷媒流在所述膜與所述第二流動通道相反的一邊上流動。
2.權利要求1的冷卻器，其中，響應於接收從第一流動通道中入口供應空氣流傳遞的熱量，所述液體冷媒以蒸汽形式將質量通過所述膜傳遞到排出空氣流中。
3.權利要求2的冷卻器，進一步包括與膜片間隔開的分隔壁，所述分隔壁限定了用於液體冷媒流的液體冷媒流動通道，所述分隔壁包括液體冷媒無法滲透通過的材料，且所述材料能傳導來自入口供應空氣中的熱量。
4.權利要求3的冷卻器，進一步包括第二膜片，所述第二膜片與分隔壁間隔開，位於與第一膜片相反的一邊上，所述第二膜片部分地限定出第一流動通道，並且第二膜片與所述分隔壁共同限定出接收液體乾燥劑流的乾燥劑流動通道，其中，水蒸汽從入口供應空氣流通過所述第二膜片被傳遞到液體乾燥劑流中。
5.權利要求4的冷卻器，其中，所述第一和第二膜片阻止了液體冷媒和液體乾燥劑流動通過所述膜的流動，由此，所述液體乾燥劑和所述液體冷媒分別被包夾從而使它們不會流動進入所述第一和第二流動通道中。
6.權利要求5的冷卻器，其中，所述液體乾燥劑包括鹽溶液，而所述液體冷媒包括水。
7.權利要求6的冷卻器，其中，所述液體乾燥劑是弱乾燥劑。
8.權利要求1的冷卻器，其中，所述的排出空氣包括入口供應空氣流中大約以第二、較低的溫度進入所述第二流動通道中的那一部分空氣。
9.權利要求1的冷卻器，其中，所述入口供應空氣流在所述第一流動通道中以第一方向流動，而排出空氣流在所述第二流動通道中以第二方向流動，所述的第二方向相對於所述第二方向呈交叉或逆流的至少一種。
10.一種在蒸發冷卻器中使用的傳熱和傳質組件，包括第一疊堆，所述第一疊堆包括上膜、下膜、和所述上和下膜之間的分隔壁，所述上和下膜可允許蒸汽形式的水滲透通過，而分隔壁大體上不允許液體和蒸汽滲透通過；第二疊堆，所述第二疊堆包括上膜、下膜、和所述上和下膜之間的分隔壁，所述上和下膜可允許蒸汽形式的水滲透通過，而分隔壁大體上不允許液體和蒸汽滲透通過；和第三疊堆，所述第三疊堆包括上膜、下膜、和所述上和下膜之間的分隔壁，所述上和下膜可允許蒸汽形式的水滲透通過，而分隔壁大體上不允許液體和蒸汽滲透通過；其中，第一疊堆和第二疊堆被間隔開，限定出用於接收第一空氣流的流動通道，並且其中，第二和第三疊堆間隔開限定出第二空氣流的流動通道。
11.權利要求10的組件，其中，所述第一、第二、和第三疊堆包括一套疊堆，其中，所述組件進一步包括多套疊堆中的兩個或多個，它們限定出多條平行的流動通道，用於第一空氣流和第二空氣流。
12.權利要求10的組件，其中，所述第一空氣流和第二空氣流在所述的流動通道中以交叉方向流動。
13.權利要求12的組件，其中，所述第一空氣流和第二空氣流在所述的流動通道中以逆流方向流動。
14.權利要求10的組件，進一步包括位於所述第一和第二疊堆之間的流動通道中的隔離器和位於所述第二和第三疊堆之間的流動通道中的隔離器，其中，這些隔離器被構造成維持疊堆所述膜的間距，並允許第一和第二空氣流流動。
15.權利要求10的組件，進一步包括 在第一疊堆中，在上膜和分隔壁之間流動的液體冷媒，和在分隔壁和下膜之間流動的液體乾燥劑；在第二疊堆中，在上膜和分隔壁之間流動的液體乾燥劑，和在分隔壁和下膜之間流動的液體冷媒；和在第三疊堆中，在上膜和分隔壁之間流動的液體冷媒，和在分隔壁和下膜之間流動的液體乾燥劑。
16.權利要求15的組件，其中，所述液體冷媒包括水，所述液體乾燥劑包括鹽溶液，而所述膜每個都包括允許水分子滲透通過的材料。
17.一種調節工藝空氣的方法，包括第一引導所述工藝空氣穿過第一流動通道；第二引導液體乾燥劑流鄰近第一流動通道的壁，所述液體乾燥劑通過膜與第一流動通道中的所述工藝空氣分隔開來，其中，所述膜包夾液體乾燥劑並允許所述工藝空氣中的水蒸汽流動到所述液體乾燥劑中，由此所述工藝空氣被除溼；與所述第一和第二引導同時進行地，第三引導放出空氣流通過接近第一流動通道的第二流動通道，所述放出空氣的溫度比至少一部分工藝空氣的溫度低；和與所述第一、第二和第三引導同時進行地，第四引導液體冷媒流鄰近第二流動通道的壁，所述液體冷媒通過膜與第二流動通道中的放出空氣分隔開來，其中所述膜包夾液體冷媒並允許液體冷媒中的蒸汽流動到放出空氣中，由此熱量從液體冷媒中釋放，並且工藝空氣在除溼的同時得到了冷卻。
18.權利要求17的方法，其中，放出空氣流被引導的方向相對於工藝空氣被引導通過第一流動通道的方向至少部分逆流。
19.權利要求18的方法，其中，放出空氣流包括引導通過所述第一流動通道之後的一部分工藝空氣。
20.權利要求17的方法，其中，所述液體冷媒是水，而所述液體乾燥劑是弱乾燥劑，所述弱乾燥劑包括鹽溶液，並且其中，所述膜包夾所述鹽溶液並使所述鹽溶液不會流動到所述第一流動通道中。
全文摘要
一種間接蒸發冷卻器，所述間接蒸發冷卻器利用液體冷媒流和排出或放出空氣流將入口供應空氣流從第一溫度冷卻到第二、較低的溫度。冷卻器包括入口供應空氣的第一流動通道和與所述第一流動通道相鄰的第二流動通道，用於排出的空氣。第一和第二流動通道部分地由膜片限定而成，其中所述膜允許水蒸汽滲透通過，從而使得隨著熱量從入口供應空氣被傳遞到液體冷媒中時，質量以蒸汽形式從入口供應空氣穿過所述膜被傳遞到被包夾的液體乾燥劑中進行除溼以及傳遞到排出空氣中。分隔壁將所述液體乾燥劑和冷媒分開，但允許熱量從供應的空氣中被傳遞到冷媒中，所述冷媒將水蒸汽釋放給逆流或交叉流動的排出空氣。
文檔編號F24F5/00GK102165268SQ200880128218
公開日2011年8月24日 申請日期2008年1月25日 優先權日2008年1月25日
發明者E·J·科祖巴爾, S·J·斯萊扎克 申請人:可持續能源聯盟有限責任公司