空氣冷卻器內間隔的蒸發芯的製作方法
2023-05-31 09:04:21
專利名稱：空氣冷卻器內間隔的蒸發芯的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種蒸髮式空氣冷卻器，該冷卻器依靠從表面上蒸發水份，通過轉化為潛熱而減少顯熱，並涉及可在其中使用的熱交換器。
當前，除較冷空氣外比環境更多的溼氣通過鼓送空氣經過木屑而輸送到被佔據的空間中，這些木屑保持在間隔的帶孔面板如金屬絲網之間，木屑利用通過它的水而保持潮溼，而空氣從溼木屑的表面上蒸發去大部分水份。在另一種方案中提供一種可以潤溼的木質纖維素材料的蜂窩狀結構，其中當空氣通過該材料向外流到空氣調節的空間時，氣流變成紊流。在這兩種方式中，空氣調節的空間其溼度增大，但這對熱帶氣候是行不通的，因為那裡的溼度經常在80％至90％之間。因此，過去已經試驗和正在試驗利用熱交換器進行間接冷卻，以便能夠乾燥和冷卻進入空氣調節的空間的空氣，排放掉更多的溼氣。本發明指向兩種類型的空氣調節器，但更重要的是指向間接蒸髮式的冷卻器。
熱交換器往往體積很大，佔據大量空間，本發明的一個目的是提供改善，使熱交換器可以效率更高，蒸發比至今已知的更有效，從而減小熱交換器的體積。另一個目的是除了那些例如已在美國專利5,301,513和5,351,843(Morozov等人)中公開的以外結合更多的改進。在上述說明書中那些芯被考慮為吸收劑材料製成的板，而本發明的一個目的是提高使用芯效率而得到高蒸發率，並得到高於上面說明書中得到的傳熱率。
專利記錄包含許多間接冷卻(如Hood美國專利4,380,910)、對角線交叉流動熱交換器(Pteiffer美國專利4,781,248)的參考資料，而在上述Morozov的專利中，可以參考在將水從芯中蒸發入空氣之前預冷卻空氣和利用疊層流動。
本申請人已經確定，當空氣在溼芯上面通過時發生的蒸發大部分出現在芯的入口邊緣處，同時在較小的程度上出現於芯的出氣邊緣處，但在芯的入口邊緣和出氣邊緣之間，蒸發率很小。
其次，已經發現傳熱存在相似的狀況。
對於改進傳熱和蒸發的目的，在本發明的一個實施例中，提供了多個間隔的窄芯，空氣在其上面沿橫向流動，這些芯被夾在不滲透的間隔的板之間，間隔的板的表面構型為非平面型，從而增大空氣在芯的上面流動的面積，同時增加空氣紊流，並因此增強空氣的混合，這種增強的混合不僅有助於從芯上蒸發水，而且有助於通過形成含有芯的空氣通道的間隔板的傳熱。
在另一個實施例中，芯相對於在由間隔的波紋截面形板形成的熱交換器的端部之間的空氣流大體上沿橫向延伸，其中波紋沿對角線方向延伸並在交替的板中互相相交。因此在每個芯的兩側面上的空氣流和蒸發大於如果只在芯的一側面上的空氣流和蒸發，這在僅僅由於蒸發過程的周期性重新開始而產生的蒸發改進之外又得到了增強。
在空氣流通過導管的研究中已經確定，在相當低的雷諾數時(如蒸髮式空氣冷卻器中遇到的)氣流有一種分層的傾向，形成高速空氣的中心層，導管內表面處受低速空氣層的包圍。因此在本申請人已知的所有先有技術中，要求傳熱通過低速空氣包圍層在導管的大部分長度上發生，後者是熱的不良導體。使用上述波紋板當然對形成空氣通道的板之間空間內的混合起很大作用，但如果存在層流，蒸發率並不因此而過分消減是重要的，而在本發明的一個實施例中，芯不僅相對於空氣流通道的長度相當窄，而且它們在間隔的陣列中沿橫向安置並在相鄰的板之間延伸，因此每個芯分別與空氣流的中心相交，空氣流相對於芯的長度沿橫向越過芯。由於狹窄，很少可能發展成低速空氣的包圍層。
芯當然需要連續地供應水，在本發明的一個實施例中，芯伸出熱交換器的側邊，由從水槽的泵至芯的凸出部分上方位置的水進行潤溼。
即使芯是扁平的，並從通常的垂直配置調換到水平或傾斜配置，有時也難以使芯的表面保持在潮溼狀態。例如，如果作用是水從帶孔材料空心內核內向外流動，不管空氣是否在其上面通過，水將繼續流動，雖然比起蒸發率低時水流的速率來，當蒸發率高時水流多半處於較高的速率。重要的是芯應當具有真正的芯的虹吸作用，其中芯表面溼度在不同的蒸發載荷狀態下不會過分變化。因此芯必須能夠從其被潤溼的外端將水份輸送到易於首先乾燥的最內部位置，而在本發明的一個實施例中，每個芯是空心的，或包括其間形成界面的鄰接的層，這能加速水的流動，並形成一定程度的清洗。在某些情況下，可以在通過芯的疊層建立界面，在某些情況下，這些疊層可以通過「平管」構型實現。在另一種變化方案中，可以使用圓管構型，例如一種使其外表面延伸到兩個側翼中的管子。
熱交換器疊層的形狀可以隨不同要求而變化，例如可以是矩形的而芯從側面向外伸出，並配置成使調節空氣從入口孔通過幹通道流到出口孔中，而待增溼的空氣被配置成在熱交換器的相鄰板之間在芯上面通過而流過溼通道並向外排放。這樣一種配置的優點是它可以設計成只使用單獨一個風扇的構型。但是，如果熱交換器使用更有效的六面形狀，最好使用分開的風扇，一個用於從室外驅動待調節的空氣並通動熱交換器，另一個風扇用於幫助推動待增溼的空氣流過分開乾濕通道的相鄰板之間的溼通道，這些溼通道含有芯。
在一些配置中，每個芯可以單個地保持在一個不滲透塑料板上，但在本發明中，芯的大部分表面向空氣流暴露，而傳熱作用與芯的虹吸作用分開。因此在本發明中，比起芯附著在不滲透材料上的情況來，更需要沿著芯暢通地輸送水。
在某些常規的先有技術中，使用乾燥劑使空氣脫溼，而構型是常規的，其中乾燥劑溶液與所有待冷卻的空氣接觸，包括空氣通過溼通道被重新增溼，在溼通道中空氣暴露於它蒸發的水中。如下所述，使用六面熱交換器簡化了空氣冷卻器的構型，其中空氣流動的方向的逆向分量超過橫向流動分量。
圖1是一種使用波紋板之間間隔的溼芯的熱交換器平面圖；圖2是通過一個芯的截面圖，該芯保持在板之間，其中相鄰板的脊互相接觸；圖3是表示在脊的接觸點之間的鋸齒形空間中的芯形狀的截面圖；圖4例示如何使用水通道來建立一個潤溼每個芯兩端的水的級聯；圖5是沿圖4的5-5線截取的端部立面剖視圖，例示當芯安置在圖3和4所示的板之間時芯的截面的波形；圖6是具有兩個風扇的六面熱交換器的頂視圖；圖7是通過疊層芯的截面圖；圖8是圖6的局部端視圖，表示利用波紋板的空氣通道的圖形；圖9是圖8的端視圖；圖10是一個示意圖，表示圖6的六面形配置如何簡化一個蒸發空氣冷卻器的構型，冷卻器中只有被再潤溼的空氣是脫溼的。
必須強調，在所有附圖中，並不試圖表示精確的尺寸，附圖必須看作是示意的，以便適用於說明。
首先參照圖1至4，熱交換器10包括多個成對配置的不滲透的波紋塑料板，上板11具有沿一面波紋的通道流動的空氣而下板12沿對角線不同的方向。
圖1、2和3隻例示溼通道，每個溼通道包括多個溼芯13，溼芯13延伸為伸出板11和12邊緣的邊緣折片14，並截交在邊緣折片上方流動的水15，從那裡沿芯進入板11和12之間的空間。水從水箱泵出到噴灑機構，如先有技術空氣冷卻器中那樣。這些沒有在此處示出。
考慮圖1的平面圖將顯示，溼芯13可以或者是無規則地安置，它們可以安置在鋸齒形的通道17中(圖3和4)，或者可以安置在板11和12的脊的相交點之間，但是在所有情況中被「懸浮」在板之間，但由板11支承(圖2)。如在圖4和5中最清楚地表示的，溼通道17的上下由幹通道18包圍，這些通道位於作為大的堆疊件一部分的板11和12之間。
圖1、4和5例示一種得到從幹通道18的冷端沿逆向流向溼通道17的空氣逆流的方法。在空氣流的下遊側設置了一個穿孔網柵20，後者產生一個反壓，足以使一些空氣通過溼通道17反向流動，最後在21處抽去。在圖5中，表示能夠怎樣利用幹通道18下遊端部處的空氣偏轉器23來偏轉一小部分(很可能約25％)從熱交換器向後發射通過溼通道17的空氣。可以使用其它簡單的偏轉機構。
圖6至10例示一個六面熱交換器25(這是最佳形狀)，其中一個相當大的風扇26驅動空氣通過熱交換器25的幹通道18，與第一實施例中空氣通過幹通道的方式相同。該空氣在27處排放，通到一個空氣調節的空間。或者是以從空氣調節的空間來的空氣，或者是在27處排放的空氣中的一部分，被偏轉到一個較小的第二風扇28處，被驅動通過溼通道17，在該處空氣在芯13上面通過，如上面所述。
芯13的截面形狀可以是簡單的矩形，可以包括導管或如圖7所示的一組間隔很小的窄隙30，窄隙間隔配置成使得水沿芯產生最佳的毛細管作用。在圖7中，窄隙30之間的空間(它們非常小)由小肋條31形成。可以理解，圖7為了表示這一點繪製極大的尺寸，而在某些情況下甚至不需要肋條31。如果使用導管(例如在凸出的空心區段中)，它們需要被足夠的芯料充分包圍，使得芯料的外表面保持溼潤而不必被「淹沒」到可能滴水的程度。
在所有上述實施例中，大部分芯料表面區域沒有障礙，使得空氣在大部分表面區域上面流動，優化處於「周期性重新開始」中的蒸發。
圖8和9互為補充，圖8是沿圖6中箭頭8方向的視圖，而圖9是圖8的端視圖。
圖10示意表示一種蒸髮式空氣冷卻器35，其中吸氣管36從空氣調節的空間37返回約三一「份」體積的空氣，由通過支管38引入的「份」環境空氣予以補充。
一個大的流動風扇29用電動機40驅動，迫使近三「份」空氣通過集流管43進入熱交換器42的幹通道18。該幹通道冷卻沒有潤溼的空氣並在出口44處傳送到空氣調節的空間37。
第四「份」空氣通過導管46傳送到乾燥器47，熱幹空氣從乾燥器47通過類似於熱交換器25的熱交換器的幹通道18得到冷卻而進入第二分配導管50並進入熱交換器42的幹空氣通道51。在通道51的下遊端部，冷卻的空氣返入溼通道52，在那裡通過芯13的上面增溼而冷卻，然後通過熱交換器25的第二通道54而排入導管53。因為進入通道54的空氣已經冷卻並充滿了溼氣，所以在某些情況下在空氣冷卻器35的熱交換器25中可以不需要使用芯料，但使用芯料可以減小熱交換器25的尺寸，因為，當空氣通過通道17時，它獲得明顯的熱量並因此蒸發更多的溼氣。小流動風扇55比風扇39小得多，但在空氣流過兩個熱交換器的「推—拉」衝撞中與其配合。風扇55當然可以安置在排氣流路中的其它地方。
上述說明限於水平的板11和芯13。但如果它們是傾斜的或垂直的，本發明能夠同樣有效。如果芯垂直的，它們可以被它們的浸入水槽的上端有效地潤溼，水由於虹吸作用而通過芯被輸送。
考慮上述實施例將表明，比起本申請人已知的其它先有技術，本發明提供下列優點a.由於「懸浮的」芯產生的增強蒸發，熱交換器的尺寸得以縮小；
b.由於芯的狹窄寬度在整個熱交換器範圍內提供大量的蒸發區，因此進一步增強了蒸發；c.由於交叉通道之間空氣流的相互作用，形成通道的沿對角線設置的相鄰組件在通道內引入大量的空氣混合；d.洗滌芯邊緣折片或者疊層或管狀芯的水的作用保證在芯表面上始終存在足夠的溼度以滿足蒸發要求，而並不需要淹沒芯的表面(後者被認為是最不希望產生的)；e.熱交換器25與乾燥器47一起只要求被再潤溼的空氣脫溼，由此在熱交換器42的溼通道中可以產生非常高度的蒸發，所有這些可以不需額外的能量而獲得；f.當乾燥器再生時，從乾燥器脫出的水非常純淨，可以重新使用，從而避免在芯上積存鹽類；g.使用兩個風扇可以對溼空氣流和幹空氣流都能夠進行足夠的控制；h.在熱交換器42中潤溼的空氣已經被乾燥，從而可以在環境空氣的露點之下進行冷卻；i.廢棄的冷溼空氣提高了圖10中熱交換器42的效率；j.圖10表示兩個風扇如何可以用一個電動機驅動，這有時是希望做到的；可以注意到，對於通過熱交換器42的連續溼空氣通道52和熱交換器25的通道17的空氣流，兩個風扇處於「推—拉」的構型；k.熱交換器25和42兩者具有大的空氣移動逆流分量和小的橫流分量，交叉通道的相交角度不超過90度。
權利要求
1.一種熱交換器，包括一疊間隔的非平面型板，板之間形成多個交替的幹通道和溼通道，每個通道的端部為空氣入口和空氣出口；多個間隔的芯相對於空氣流沿橫向通過上述溼通道延伸，並部分地懸浮在上述間隔的板之間，而且潤溼機構與上述芯聯結，上述間隔的板和上述芯的構型是這樣的，使得當使用時，上述潤溼機構使上述芯的表面保持潮溼，而空氣在上述芯的大部分表面區域上流動。
2.一種如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於，上述芯超越上述通道延伸並在其端部凸出為邊緣折片，上述潤溼機構包括將水外加到上述邊緣折片上的機構。
3.一種如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於，上述間隔的板的構型包括波紋形狀，而相鄰板的波形彼此以小於90度的角度相對傾斜。
4.一種如權利要求3所述的熱交換器，其特徵在於，上述芯受上述波紋板的脊的支承並在波紋板的脊之間懸浮。
5.一種如權利要求1所述的熱交換器，其特徵在於，上述芯包括被足夠厚度的芯料包圍的導管，使得在使用中上述芯的外表面保持潮溼而並不淹沒。
6.一種蒸髮式冷卻器，包括一個如權利要求1所述的熱交換器、風扇機構、一個從上述風扇的下遊側伸出的集流管，該集流管使上述風扇機構來的空氣流通過上述通道中的至少一些通道，引導到空氣調節的空間。
7.一種如權利要求6所述的蒸髮式冷卻器，其特徵在於，上述通向空氣調節的空間的空氣流是通過上述熱交換器中的兩組幹通道之一的，上述冷卻器同時包括一個乾燥器，上述風扇機構推動另一股空氣流通過上述乾燥器，另一組上述幹通道由此冷卻該另一股空氣流，並使這樣冷卻的空氣返回通過上熱交換器的溼通道，從而使上述另一股空氣流潤溼和進一步冷卻。
8.一種蒸髮式冷卻器，包括一個如權利要求1所述的具有兩組幹通道和一組溼通道的第一熱交換器；一個第二熱交換器，上述兩個熱交換器包括一疊間隔的聚合物板，每個板具有波紋，相對於一個相鄰板的波紋傾斜小於90度，上述第一熱交換器的芯受上述波紋板的脊支承並懸掛在波紋板的脊之間，多個風扇，一個從一個上述風扇的下遊側伸出的集流管，將空氣流通過上述第一熱交換器的一組上述幹通道引導到上述空氣調節的空間中，一個乾燥器，另一上述風扇推動空氣流通過該乾燥器，通過上述第二熱交換器的一組幹通道，通過上述第一熱交換器的另一組上述幹通道，通過上述溼通道，並通過上述第二熱交換器的第二組通道而排出。
9.一種如權利要求8所述的蒸髮式冷卻器，其特徵在於，上述風扇包括一個相對大流量的風扇和一個相對小流量的風扇，一個吸入導管從上述空氣調節的空間延伸到上述大風扇，一個進入上述吸入導管的環境空氣支管被配置成在上述大風扇操作時將一些環境空氣引入返回的空氣流，一個輸出導管從上述大風扇的下遊側伸出，與上述乾燥器連通，以便推動空氣流通過其間，上述小風扇與上述第二熱交換器的第二組通道連通。
10.一種如權利要求8所述的蒸髮式冷卻器，其特徵在於，上述風扇、幹線管路和熱交換通道的尺寸和構型是這樣的，使得在使用中比起通過上述第二熱交換器而排出的空氣來，有更多的空氣被推動而流動通過上述集流管、通過上述一組幹通道而進入上述空氣調節的空間。
11.一種在蒸髮式空氣冷卻器中冷卻空氣的方法，包括潤溼由一疊間隔的波紋板的波紋承載的並懸掛在波紋之間的多個間隔的芯，並沿波紋板和沿橫向越過並圍繞上述芯推動空氣流，由此在周期性的重新開始蒸發中使空氣溼潤和冷卻。
12.一種如權種要求11所述的方法，其特徵在於，上述芯設置在交替的上述疊層的溼通道和幹通道中，上述溼通道和幹通道是一個熱交換器的通道，由間隔的具有波紋形狀的板形成，上述通過溼通道推動空氣流是沿一個方向，而另外推動一股供應空氣流是沿逆流方向通過上述幹通道，由此通過對上述溼通道的傳熱冷卻上述供應的空氣。
13.一種如權利要求12所述的方法，包括乾燥空氣和在熱交換器中冷卻乾燥的空氣，其特徵在於，上述乾燥的空氣是上述隨後受推動而通過上述溼通道的空氣。
14.一種如權利要求12所述的方法，其特徵在於，一些從上述空氣調節的空間返回的空氣被包括在上述供應的空氣流中。
15.一種如權利要求12所述的方法，包括通過一個相當大的氣流風扇推動上述供應空氣流，在上述供應空氣流中包括返回空氣和環境新鮮空氣，使上述大氣流風扇下遊的一部分供應空氣沿旁路通過而進入一個乾燥器，以形成一股熱幹空氣流，推動上述熱幹空氣流通過第二熱交換器的一組幹通道，從而冷卻上述熱幹空氣流，而後隨蒸發的周期性以重新開始的方式增溼而冷卻的上述空氣流沿上述波紋板推動。使上述空氣流作為冷卻的溼空氣返回通過上述第二熱交換器的第二組通道，使空氣通過一個相對較小的風扇，以便從上述第二熱交換器的第二組通道排出。
16.一種大體上如上文所述參照圖1、2、3、4說明和如圖1-4中所例示的熱交換器。
17.一種大體上如上文所述參照圖6、8、9說明和如圖6、8、9中所例示的熱交換器。
18.一種大體上如上文所述參照圖10說明和如圖10中所例示的空氣冷卻器。
19.一種大體上如上文所述參照圖10說明和如圖10中所例示的空氣冷卻方法。
全文摘要
為了改善空氣冷卻器中熱交換器(10，25，42)的傳熱和蒸發，設置了許多在其上面沿橫向流動空氣的間隔的窄溼芯(13)，這些芯(13)夾在不滲透的間隔的板(11，12)中，間隔的板(11，12)的表面構型為非平面，以增加芯(13)上流動空氣的面積，同時增加紊流並因而增強混合，增強的混合不僅幫助水從芯(13)上蒸發，而且幫助通過間隔的板(11，12)的傳熱，這些間隔的板形成了包含芯(13)的空氣通道。
文檔編號F24F1/00GK1134745SQ95190837
公開日1996年10月30日 申請日期1995年8月30日 優先權日1994年8月30日
發明者彼得·西德尼·賴特 申請人:威廉·愛倫信託有限公司