專利名稱：轉(zhuǎn)盤蒸發(fā)式冷卻器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的背景本發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及一種用于空氣調(diào)節(jié)和制冷的新型蒸發(fā)式冷卻器。
已有技術(shù)目前在空氣調(diào)節(jié)和制冷領(lǐng)域中，有三種基本類型的冷凝器氣冷式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸發(fā)冷卻式冷凝器。
最常用的冷凝器是氣冷式冷凝器，住宅和小型商用設(shè)備幾乎都無一例外地使用了這種氣冷式冷凝器。這些冷凝器通常包括一其內(nèi)具有制冷劑的銅管盤管，并且在各管子的外部上具有鋁制翅片。風(fēng)扇將空氣吹過盤管，將熱量排向大氣中。這種冷凝器是較簡單的，并且?guī)缀醪恍枰S修，但是效率卻相當(dāng)?shù)汀?br> 水冷式冷凝器是第二種常用的冷凝器。水冷式冷凝器通常都是與一些可以在大型工商業(yè)場所中找到的離心螺旋式冷卻器一起使用的。常用裝置是一殼管式熱交換器，冷卻水在各管子內(nèi)部循環(huán)，而冷凝用制冷劑則在管子外。用于這種冷凝器的水通常是由一單獨(dú)的冷卻塔來冷卻的。一冷卻塔包括一可將水噴灑在一填充材料上的噴水系統(tǒng)。一風(fēng)機(jī)可以使空氣流過所述較濕的填充物以對水進(jìn)行冷卻。這種系統(tǒng)通常能量效率較高，但冷凝溫度比一種可相比的氣冷式冷凝器低了20-30°F。另一方面，水冷式冷凝器和相連的冷卻塔通常都需要大量的維修作業(yè)，較為復(fù)雜，并且必須就地組裝，而不是以一單個(gè)包裝的形式被搬運(yùn)。
第三種冷凝器是蒸發(fā)冷卻式冷凝器。蒸發(fā)式冷凝器是將一水冷式冷凝器和一冷卻塔組合成一單個(gè)設(shè)備?，F(xiàn)有的蒸發(fā)式冷凝器通常可以在大型工商業(yè)制冷系統(tǒng)中找到，在空氣調(diào)節(jié)應(yīng)用中很少使用。


圖1示出了第三種類型的，即，蒸發(fā)式冷凝器的一種常用設(shè)置情況。泵10將水從貯槽12中抽吸出來并將它傳送至一噴頭15，該噴頭可將水噴灑在裝有冷凝用制冷劑的管子14上方。風(fēng)機(jī)16可使在C處進(jìn)入的空氣流過水的噴淋和潮濕的管子14，以藉助蒸發(fā)將熱量從其中除去。在D處離開冷凝器的空氣穿過一可除去大部分水滴的脫濕器18。雖然圖1示出的是一種吹送通過型蒸發(fā)式冷凝器，但是，在本技術(shù)領(lǐng)域中，人們還已知一種抽吸通過型蒸發(fā)式冷凝器，其中所述風(fēng)機(jī)是設(shè)置在各管子的下游，并可抽吸空氣使空氣通過各管子并噴灑。
諸如圖1所示系統(tǒng)的水泵和噴管會(huì)造成兩大維修問題。第一個(gè)問題是它們?nèi)菀滓騼鼋Y(jié)而受損。部分解決該問題的方法是將所述貯槽和泵設(shè)置在一加熱建筑物內(nèi)，但是，這樣就使得安裝更為困難。第二個(gè)問題是泵和管道非常容易被污物阻塞?？梢圆捎脼V水器來緩解該問題，但是它們太容易堵塞，因此經(jīng)常需要維修。
目前的蒸發(fā)冷凝器和冷卻塔還由于是軍團(tuán)(Legionnaire’s)病，即，一種可能致命的肺炎的病源地而存在一些值得注意的問題。如果不定期進(jìn)行水處理，冷凝器內(nèi)溫暖潮濕的狀況就會(huì)有助于軍團(tuán)病、導(dǎo)致軍團(tuán)病的細(xì)菌的滋長。雖然軍團(tuán)病在淡水池溏和其它表面水中是普遍的，但是，除非它們被吸入肺中，否則它們是不會(huì)導(dǎo)致肺炎的。傳統(tǒng)的蒸發(fā)式冷凝器和冷卻塔的真正問題是水的噴灑會(huì)產(chǎn)生人們?nèi)菀孜氲男∷戊F氣。蒸發(fā)式冷凝器已與好幾次軍團(tuán)病的爆發(fā)有牽連。
蒸發(fā)式冷凝器和冷卻塔與氣冷裝置相比具有其固有的功效優(yōu)點(diǎn)。對于氣冷裝置來說，極限空氣溫度是室外干球溫度。另方面，對于蒸發(fā)系統(tǒng)來說，所述極限溫度可以是20至40°F的濕球溫度。此外，空氣和濕表面之間的傳熱是空氣和干表面之間傳熱的好幾倍。由于水蒸汽會(huì)大大增大空氣的焓(含能量)，因此，空氣流動(dòng)要求也少于蒸發(fā)式熱交換器的空氣流動(dòng)要求。這些因素意味著與氣冷式系統(tǒng)相比，蒸發(fā)式冷凝器或冷卻塔所能給予的冷凝溫度將低得多，同時(shí)還可以減小尺寸，并降低風(fēng)機(jī)能量的要求。
盡管蒸發(fā)式熱交換器的功效較佳，但是，目前已經(jīng)有逐漸遠(yuǎn)離水冷式冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器的趨勢。二十世紀(jì)三十年代中的早期住宅用空調(diào)系統(tǒng)通常都是水冷式的，而在二十世紀(jì)五十年代，它們幾乎都無一例外地?fù)Q成了氣冷式。在二十世紀(jì)六十年代，150噸的冷卻負(fù)荷通常是由水冷式冷卻器來控制的，而現(xiàn)在通?？捎蓺饫涫窖b置來控制。這些變化是由于考慮到水冷式裝置的維修成本而作出的。
Webb和Villacres已在1984年第80卷的AIChE傳熱論文集“蒸發(fā)式熱交換器(冷卻塔、流體冷卻器和冷凝器)的性能模擬--″中對蒸發(fā)式冷凝器、冷卻塔和流體冷卻器作了理論分析和模擬。很好地確定了理論基礎(chǔ)，而且，對于各種空氣入口條件來說，它們的模擬都預(yù)言熱負(fù)荷在±3％內(nèi)。而且，目前有好幾篇論文，它們都試圖確定蒸發(fā)冷卻式冷凝器可能節(jié)能。在Guinn和Novell發(fā)表于《ASHRAE學(xué)報(bào)》1981年第87卷第2部分的文章“在空氣型冷凝裝置上的水噴淋特性”中，報(bào)告了對一個(gè)三噸的分體式空調(diào)機(jī)的空氣冷卻冷凝裝置上的一種市售的噴水裝置進(jìn)行試驗(yàn)的結(jié)果。他們發(fā)現(xiàn)按照吸入空氣的熱動(dòng)力狀態(tài)，壓縮機(jī)的輸入功率降低5％至9％，制冷容量提高4.4％至8.8％，系統(tǒng)的能效比(EER)依據(jù)入口空氣的熱動(dòng)力狀態(tài)提高12％至19％。噴水器使用每小時(shí)81.5升的水。所遇到的問題是，水從管子流出和堵塞以及管子的腐蝕。在Markoski，M.J.在1995年的第19屆國際制冷會(huì)議錄IIIa上發(fā)表的“對空氣冷卻式冷凝器的水噴淋擴(kuò)大的能量分析”中，對這種擴(kuò)大傳熱的方法進(jìn)行了簡要的能量分析。在Leidenfrost，S.，和B.Korenic發(fā)表于《傳熱工程》1982年第3卷的文章“與冷凝器溫度下降有關(guān)的蒸發(fā)式制冷和熱傳遞的擴(kuò)大”中，對用于降低冷凝器溫度的蒸發(fā)式制冷進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，他們的分析模式與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符合。一個(gè)有趣的試驗(yàn)表明，當(dāng)冷凝器的傳熱率持續(xù)保持為300W(1024Btu/h)時(shí)，冷凝溫度可以從干表面的44.6℃(112.3°F)降低至濕表面的24.4℃(75.9°F)。該數(shù)據(jù)表明，對恒定的冷凝溫度而言，當(dāng)施加水噴淋時(shí)，冷凝器的熱量可以從300W(1024Btu/h)升高至2280W(7780Btu/h)。雖然這種散熱速率的提高會(huì)由于空氣壓降的加大而被部分地抵消，但總的效果還是很好的，可能使空調(diào)器的能耗降低50％。
本發(fā)明的概述因此，本發(fā)明的一個(gè)目的在于減少或消除已有技術(shù)的蒸發(fā)式冷卻器所存在的問題，提供一種可與氣冷式裝置競爭的蒸發(fā)式冷卻器。
本發(fā)明的另一目的在于利用本發(fā)明的蒸發(fā)式冷卻器來作為一冷凝器，通過降低制冷循環(huán)作業(yè)所需要的壓縮機(jī)功率而節(jié)約能量。
為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明設(shè)置了一液體冷卻劑蓄池，所述蓄池的上表面與空氣接觸。一轉(zhuǎn)軸安裝在所述蓄池上表面的上方，并且其縱軸線大體上平行于所述蓄池上表面，并且可以藉助任一種適當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置而驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)。至少一個(gè)輪件安裝在所述轉(zhuǎn)軸上并自其上徑向延伸出來，并且部分地浸沒在所述蓄池內(nèi)。因此，當(dāng)所述軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，所述輪件旋轉(zhuǎn)其上的某處連續(xù)進(jìn)入蓄池，離開蓄池，進(jìn)入空氣，然后再重新進(jìn)入蓄池，連續(xù)不斷地以一循環(huán)周期重復(fù)作業(yè)。以此方式，當(dāng)輪件離開蓄池并進(jìn)入空氣時(shí)，可以將離開蓄池附著于輪件上的液體冷卻劑蒸發(fā)進(jìn)入空氣，從而可以對所述輪件和其上殘留的粘附著的液體冷卻劑進(jìn)行冷卻。然后當(dāng)所述輪件重新進(jìn)入蓄池內(nèi)時(shí)，所述經(jīng)冷卻的輪件和殘留的附著液體冷卻劑可以對所述蓄池進(jìn)行冷卻。
可以采用本發(fā)明，利用或不利用風(fēng)機(jī)，對諸如游泳池之類的任一種液體進(jìn)行冷卻，所述風(fēng)機(jī)可以在暴露于蓄池(諸如游泳池)上表面上方空氣中的所述輪件部分的上方建立一氣流。但是，正如將在下文中予以說明的那樣，本發(fā)明目前認(rèn)為是較佳的應(yīng)用是作為一制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)式冷凝器。
目前認(rèn)為較佳的實(shí)施例具有多個(gè)輪件，例如多個(gè)盤件，它們沿著轉(zhuǎn)軸彼此相互隔開，所述轉(zhuǎn)軸安裝在液體冷卻劑(例如水)貯箱上方，各盤件相對于冷卻劑蓄池表面近似垂直地延伸并部分地浸沒在冷卻劑蓄池內(nèi)。一氣流可由一風(fēng)機(jī)提供，并被導(dǎo)引至在冷卻劑蓄池上方延伸的各盤件的各部分上方，以對冷卻劑進(jìn)行蒸發(fā)，由此當(dāng)各盤件再次進(jìn)行冷卻劑蓄池時(shí)，對附著于各盤件上的殘留的冷卻劑部分進(jìn)行冷卻。所述氣流最好是被引導(dǎo)得平行于各轉(zhuǎn)盤的表面。諸排管子安裝在所述貯箱內(nèi)，位于冷卻劑蓄池表面下方，并且其方向是平行于各轉(zhuǎn)盤的表面，而且其中一轉(zhuǎn)盤延伸伸入相鄰排管子之間的每一空間內(nèi)。雖然對于這樣一種實(shí)施例來說主要用途是作為是冷凝器，但是，它也可以用來對冷凝用制冷劑之外的其它流體進(jìn)行冷卻。例如，可以使水或防凍溶液循環(huán)通過各管子。
正如上文中所提到的，本發(fā)明蒸發(fā)式冷卻器的目前認(rèn)為是較佳的用途是制冷系統(tǒng)。在這樣一種制冷系統(tǒng)中，至少部分處于蒸汽狀態(tài)的制冷劑藉助一壓縮機(jī)而饋送經(jīng)過所述蒸發(fā)式冷卻器，以便在其內(nèi)進(jìn)行冷凝。然后，使液化的制冷劑穿過一蒸發(fā)器，對一容納所述蒸發(fā)器的部分進(jìn)行冷卻，隨后以至少部分處于蒸汽狀態(tài)回到所述壓縮機(jī)。
與傳統(tǒng)的蒸發(fā)式冷凝器相比，本發(fā)明的蒸發(fā)式冷卻器具有下述優(yōu)點(diǎn)1)不會(huì)發(fā)生水泵或噴淋系統(tǒng)堵塞或凍結(jié)的現(xiàn)象，2)大大降低了飛濺現(xiàn)象-從事實(shí)上消除了傳播軍團(tuán)病的危險(xiǎn)，3)可減少維修，4)成本較低，以及
5)貯箱內(nèi)的水的熱質(zhì)提高了部分負(fù)荷效率。
與氣冷式冷凝器相比，本發(fā)明冷卻器的優(yōu)點(diǎn)包括1)能量效率更佳，2)降低了最大功率消耗，以及3)成本的尺寸具有競爭力。
所述輪件可以是平圓盤、實(shí)心盤或波紋盤，并且直徑/厚度比通常為30∶1-50∶1。
根據(jù)本發(fā)明人所獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以相信，冷卻劑膜是主要的傳熱介質(zhì)，當(dāng)轉(zhuǎn)輪離開液體冷卻劑，冷卻劑會(huì)附著于轉(zhuǎn)輪上，并且在重新進(jìn)入液體冷卻劑可殘留在各轉(zhuǎn)輪上。
本發(fā)明還提供了一種利用本發(fā)明新型裝置來蒸發(fā)冷卻的方法。
附圖簡要說明在附圖中圖1是一種已有技術(shù)的吹送通過型蒸發(fā)式冷凝器的示意圖；圖2是本發(fā)明蒸發(fā)式冷卻器的一較佳實(shí)施例的側(cè)視圖；圖3是沿圖2中線G-G截取的剖視前視圖；圖4是本發(fā)明另一實(shí)施例中使用的一波紋盤的示意圖；圖5是本發(fā)明小型設(shè)備的示意圖；圖6是采用圖5所示裝置進(jìn)行一系列測試獲得的散熱率(W)-圓盤角速度(RPM)的曲線圖；圖7是總散熱率(UA)(10-3Kg/s)的曲線圖；圖8是一系列測試中的水側(cè)UA(單位是W/K和BTU/h°F)-圓盤角速度的曲線圖；圖9是一系列測試中的散熱率(W)-空氣流率(單位是1/s和cfm)的曲線圖；圖10是三種不同圓盤的散熱率的柱狀圖；以及圖11是采用本發(fā)明蒸發(fā)式冷凝器的制冷系統(tǒng)的示意圖。
較佳實(shí)施例的具體描述圖2-圖3示出了本發(fā)明的一較佳實(shí)施例，其中，一貯箱20內(nèi)安裝有多排裝有制冷劑的熱交換管22。每一排熱交換管均包括一根由T形連接件連接起來位于一液體集管21和一例如來自于壓縮機(jī)的蒸汽集管23之間的管子22。每一管子22均被彎曲而形成多個(gè)垂直設(shè)置的水平延伸管22a。多個(gè)由塑料制成的熱交換盤24均勻隔開地安裝在一由電動(dòng)機(jī)28驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸26上。每一熱交換盤24均在相鄰排的熱交換管22之間延伸，并部分地浸沒在水30中，并且它們的中心位于轉(zhuǎn)軸26上，剛好位于水30的水面S上方。利用一風(fēng)機(jī)32使空氣在E處吸入貯箱20內(nèi)，并在F處排出。
因此，在貯箱20的頂部和水30的水面S之間就形成了一空氣流道。在空氣經(jīng)過貯箱20時(shí)，空氣可藉助將作為膜粘附在熱交換盤24的表面上的液態(tài)水蒸發(fā)而增大其濕度。由于蒸發(fā)吸熱，從各熱交換盤24至所述粘附膜內(nèi)的水的傳熱能對各熱交換盤24進(jìn)行冷卻，并且可能更重要的是，對殘留在所述粘附膜中的水。熱交換盤24上那些位于水30的水面上方的部分和殘留的水膜可被直接冷卻，并能通過藉助旋轉(zhuǎn)再次進(jìn)入水30內(nèi)和傳熱給那些浸沒的部分而對水30進(jìn)行冷卻。由此可以將水30保持在一足夠低的溫度，以使進(jìn)入浸沒在貯箱20所盛裝的水30中的管22的制冷劑蒸汽冷凝。
除了從水30中除散熱量之外，轉(zhuǎn)盤24還可以對水進(jìn)行攪拌。對水進(jìn)行攪拌可以促進(jìn)水和冷凝管22之間更好地進(jìn)行傳熱。
熱交換盤24最好由塑料片材或涂塑金屬片材制成。
通過實(shí)驗(yàn)對熱交換盤的幾種不同材料進(jìn)行測定后人們發(fā)現(xiàn)，熱傳遞幾乎沒有什么變化。從理論上說，一種高質(zhì)量的、高傳導(dǎo)性的材料應(yīng)該具有較好的熱傳遞性，但是，隨熱交換盤材料變化而能觀察到的影響卻是很小的。選擇熱交換盤材料的主要因素是成本。從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，波紋塑料材料(圖4)是較佳的選擇。
代替具有平滑連續(xù)表面的實(shí)心圓盤，熱交換盤可以具有徑向延伸的狹縫，以提高對水的攪拌能力。但是，一些實(shí)驗(yàn)表明，性能上的微小改進(jìn)將使得旋轉(zhuǎn)圓盤所需的動(dòng)力有顯著增大。
而且，代替波紋盤(圖4)或平圓盤(圖2-圖3)，可以使用具有一矩形格柵材料的圓形本體(諸如可以在熒光燈漫射件中看到)，并且空氣平行于圓盤的轉(zhuǎn)軸線流動(dòng)。但是，對這種旋轉(zhuǎn)格柵進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明會(huì)有大量的飛濺并且需要增大使熱交換盤旋轉(zhuǎn)所需的動(dòng)力。這些對于將一水膜保持在所述圓盤材料上也是成問題的。
代替熱交換盤逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，可以使熱交換盤相對于氣流反方向旋轉(zhuǎn)。但是，雖然熱交換盤旋轉(zhuǎn)方向不會(huì)使傳熱有太大的差異，但是，當(dāng)熱交換盤對著氣流旋轉(zhuǎn)時(shí)，空氣側(cè)壓降將非常大。因此，使熱交換盤朝著與空氣流動(dòng)方向相同的方向旋轉(zhuǎn)是較佳的。
實(shí)驗(yàn)表明旋轉(zhuǎn)熱交換盤所需的動(dòng)力會(huì)隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大而迅速增大。傳熱性能改進(jìn)僅僅稍許在大約每分鐘20轉(zhuǎn)(rpm)之上。對于各測試中所使用的直徑為兩英尺的波紋盤來說，最佳轉(zhuǎn)速大約是20至30rpm。
以下的表1示出了用于本發(fā)明的蒸發(fā)式冷凝器和傳統(tǒng)的氣冷式冷凝器的主要工作參數(shù)。
表1轉(zhuǎn)盤蒸發(fā)式冷凝器和傳統(tǒng)的氣冷式冷凝器之間的性能比較氣冷式冷凝器 新型冷凝器環(huán)境干球溫度 95 95deg.F環(huán)境濕球溫度 75 75deg.F冷凝溫度 120 90deg.F冷凝器排熱 3152029027Btu/hr冷凝器空氣速率 2500 1500CFM環(huán)境空氣焓38.6Btu/1bm出口氣焓 42.9Btu/1bm冷凝溫度時(shí)的空氣焓56.0Btu/1bm總UA/圓盤 351bm/hour/圓盤每個(gè)圓盤的排熱534所需的圓盤個(gè)數(shù)54圓盤轉(zhuǎn)速 30rpm風(fēng)機(jī)功率 200 50w每個(gè)圓盤的電動(dòng)機(jī)功率 1.5w/圓盤圓盤的電動(dòng)機(jī)功率 075w總冷凝器功率 200 125w壓縮機(jī)功率 1960 1230w壓縮機(jī)容量 2470024700Btu/hr
室內(nèi)風(fēng)機(jī)功率 330 330w凈系統(tǒng)容量 23700 23700Btu/hr總系統(tǒng)功率 2490 1685w系統(tǒng)EER9.5 14.1Btu/hr節(jié)能百分比 32％因此，本發(fā)明可以提供一種能解決現(xiàn)有蒸發(fā)式冷凝器所存在的問題的非噴淋式裝置。由于這種裝置不需噴淋并且只有很少或沒有任何飛濺現(xiàn)象，因此，它可以顯著減少或消除軍團(tuán)病的危害。泵和噴淋系統(tǒng)的摒棄還能避免已有技術(shù)系統(tǒng)的堵塞和凍結(jié)問題。
本發(fā)明的冷凝器只需要幾個(gè)簡單的控制件。設(shè)置一諸如圖1中以標(biāo)記13標(biāo)示的液位開關(guān)，以激勵(lì)一位于補(bǔ)充水管上的電磁閥，以保持所述貯箱內(nèi)具有適當(dāng)?shù)乃?。這種閥可以位于室內(nèi)，以消除可能發(fā)生的凍結(jié)問題?？梢远〞r(shí)地采用一第二閥34使所述貯箱排水，以使它干燥，從而可以減少生物污染問題。
用來制造本發(fā)明的蒸發(fā)式冷凝器的成本應(yīng)該與氣冷式設(shè)備不相上下。這種系統(tǒng)在溫暖的氣候下、估計(jì)在大約2.5年內(nèi)的能量節(jié)省額可以償還掉這種系統(tǒng)最初的額外成本。
本發(fā)明的蒸發(fā)式冷卻器可以顯著地節(jié)省能量。對于一種36,000Btu/hr系統(tǒng)來說，在美國東部的常見氣候(95F干球，75F濕球)下，可以節(jié)省1kw以上的功率。發(fā)電和輸電的價(jià)值大約是$500至$1000/kw。節(jié)省下來的費(fèi)用在抵銷掉所述系統(tǒng)的附加成本之后還有多。在美國西部使用本發(fā)明的蒸發(fā)式冷卻器所節(jié)省下來的費(fèi)用將更大，這是由于，較干燥的氣候?qū)⑹沟谜舭l(fā)式冷卻呈現(xiàn)出更大的優(yōu)點(diǎn)。
為了說明干燥氣候是如何提高性能的，現(xiàn)將與亞利桑那州的Phoenix市作比較。設(shè)計(jì)溫度是109°F，濕球溫度是71°F。在Phoenix市的沙漠性氣候下，濕球溫度將低于干球溫度近40°F，而在美國東部卻是大約20°F。與采用傳統(tǒng)的氣冷式系統(tǒng)相比，在Phoenix市可以節(jié)省將近50％的能量。
本發(fā)明的蒸發(fā)式冷凝器的一潛在優(yōu)點(diǎn)是與貯箱內(nèi)的水有關(guān)的熱質(zhì)。在壓縮機(jī)停機(jī)過程中，可以起動(dòng)風(fēng)機(jī)和圓盤來冷卻所述貯箱。對于三噸系統(tǒng)來說，貯箱內(nèi)的水的質(zhì)量約為500磅。將所述貯箱冷卻5°F可以存儲(chǔ)2500Btu的能量。這種冷卻作用可以與壓縮機(jī)工作大約4分鐘的總散熱相對應(yīng)。壓縮機(jī)的循環(huán)時(shí)間通常是只持續(xù)10分鐘，因此，這種能量的存儲(chǔ)可以顯著降低平均冷凝溫度，并由此可以提高系統(tǒng)效率。變速或雙速風(fēng)機(jī)和圓盤可以大大降低在中止循環(huán)過程中用來冷卻貯箱的輔助動(dòng)力要求，以及可以節(jié)省附加能量。
為了防止生物在所述貯箱內(nèi)生長，應(yīng)該經(jīng)常將所述貯箱排空，并使它徹底干燥。另一種可能的作法是利用補(bǔ)充水內(nèi)的生物殺傷劑來扼殺生物的生長。冷卻塔制造商Baltimore Aircoil銷售一種采用碘作為小型冷卻塔的生物殺傷劑的系統(tǒng)。碘的優(yōu)點(diǎn)在于冷凝器的整個(gè)使用壽命來說，只需要一磅或兩磅的材料，它意味著所述裝置可以裝有一使用壽命的供給量。實(shí)驗(yàn)利用圖5所示的本發(fā)明小型蒸發(fā)式冷凝器來進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)。所述的小型蒸發(fā)式冷凝器的頂部設(shè)計(jì)具有兩個(gè)圓盤44，兩圓盤的大約一半暴露在環(huán)境氣流作用之下，大約一半浸沒在設(shè)有冷凝器管道42的水池內(nèi)。當(dāng)圓盤44旋轉(zhuǎn)時(shí)，它們將水池內(nèi)的水以薄膜型式帶入氣流中。經(jīng)過濕潤圓盤44的氣流可將圓盤上的一些水膜蒸發(fā)，并使經(jīng)冷卻的水落回到水池內(nèi)。因此，圓盤11的旋轉(zhuǎn)可以起到兩個(gè)作用。第一，它導(dǎo)致了水池內(nèi)圍繞冷凝器管道42的強(qiáng)制對流，從而可以增強(qiáng)從冷凝器管道至水池的傳熱。第二，它可以將相對較溫暖的池水帶入氣流內(nèi)，由此最終可以將冷凝器熱量排放到空氣中。
平行排列的小型蒸發(fā)式冷凝器如圖5所示包括水池45、管束42、空氣通道46和攪拌圓盤44。所述裝置是藉助蒸發(fā)帶來的冷卻作用來實(shí)現(xiàn)制冷劑冷凝的。蓄水池40由厚度為6.4毫米(1/4英寸)且外部尺寸為671毫米×259毫米×71毫米(26.4英寸×10.2英寸×2.8英寸)的聚丙烯片材制成。設(shè)置三排內(nèi)徑為7.9毫米(5/16英寸)外徑為9.5毫米(3/8英寸)的銅管42，以水平地穿過貯箱的長度，并且使每一排具有三根(縱列方向)銅管。各排銅管之間的垂直間距是47毫米(1.85英寸)，而水平方向間隔為16毫米(0.63英寸)。貯箱40裝有其液位在所述管束頂部上方85毫米(3.35英寸)的水。在貯箱頂部設(shè)置有寬度為37毫米(1.46英寸)、厚度為13毫米(1/2英寸)的增強(qiáng)聚丙烯凸緣，用作空氣通道的匹配表面，并用作貯箱40的增強(qiáng)部分。在貯箱40的一側(cè)面上設(shè)置有一銅管，所述銅管的底部與一閥47相連，以便在需要時(shí)使貯箱排水。
另一聚丙烯箱體46是用來容納攪拌圓盤44，并可以將來自于鼓風(fēng)機(jī)48的氣流導(dǎo)引經(jīng)過圓盤44。其外部尺寸是1021毫米×419毫米×71毫米(40.2英寸×16.5英寸×2.8英寸)，并且其厚度也是6.4毫米(1、4英寸)。設(shè)置有一些與蓄水池上的那些凸緣相同的凸緣，以便將空氣通道固定于所述貯箱上。入口部分是完全敞口的，而出口則被限制成一127毫米×57毫米(5.0英寸×2.25英寸)的中心孔。
所述冷凝器的關(guān)鍵構(gòu)件是各攪拌圓盤44。經(jīng)測試，鋁和諸如聚丙烯和stryene之類的各種塑料可作為圓盤的材料。將圓盤44部分地浸沒在水池中，并使圓盤的表面積的30-50％，較佳的是40％被浸沒，并使圓盤44在各排管子42之間旋轉(zhuǎn)。聚丙烯軸和硬銅管可以將圓盤44和軸襯與電動(dòng)機(jī)相連(未示)。鋁制圓盤44的直徑為610毫米(24.0英寸)，厚度為1.6毫米(0.063英寸)，并具有一孔徑為7.6毫米(0.3英寸)、用來將圓盤44與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)相連的孔。位于每一對相鄰圓盤44之間的是一具有相同孔且直徑為102毫米(4.0英寸)的塑料軸套，以及一半徑為156毫米(6.1英寸)的聚丙烯墊圈，所述軸套和所述墊圈組合在一起可以保持各圓盤44之間具有16毫米(0.63英寸)的間距。采用一恒定水位裝置，以便在測試過程中保持蓄水池內(nèi)的水位恒定，以保證蓄池具有一恒定的熱容量和真正的穩(wěn)態(tài)狀況。
為了控制入口濕球溫度，在入口和出口橫截面之間采用一空氣再循環(huán)導(dǎo)管49。位于空氣導(dǎo)管出口后的風(fēng)機(jī)出口與一直徑為152毫米(6.0英寸)的軟管相連，所述軟管與空氣導(dǎo)管入口相連。為了對入口濕球加以控制，在空氣導(dǎo)管出口和鼓風(fēng)機(jī)48入口之間設(shè)置一風(fēng)門41，以對新鮮空氣量加以控制。由于是在該處將空氣加入所述系統(tǒng)，因此，可以將一第二風(fēng)門41’加設(shè)在所述導(dǎo)管的中間部分內(nèi)，以便于通風(fēng)。
可以采用熱水來模擬冷凝的制冷劑。一恒溫浴槽60可用來保持住一恒定的入口水溫，并被裝設(shè)在一具有1000瓦(3.412Btu/hr)功率的電加熱器和一溫度控制傳感器的絕緣箱內(nèi)。一功率為250w(1/3hp)離心泵61可使水循環(huán)穿過制冷劑回路。所述泵的轉(zhuǎn)速可借助一2.8kVA自耦變壓器而改變。氣流由一12v直流離心式鼓風(fēng)機(jī)48而提供，所述鼓風(fēng)機(jī)由一與1.4kVA的自耦變壓器串聯(lián)的直流電源供電，從而可以改變氣流速率。
在這種平行流動(dòng)結(jié)構(gòu)中的各圓盤44藉助一功率為125w(1/6hp)的電動(dòng)機(jī)而旋轉(zhuǎn)。所述電動(dòng)機(jī)軸藉助一萬向接頭與圓盤軸相連，所述萬向接頭可以對所述兩軸的不同軸現(xiàn)象加以校正。所述電動(dòng)機(jī)與一相容的電動(dòng)機(jī)控制器相連，所述控制器可以對轉(zhuǎn)速作0rpm至1800rpm的調(diào)節(jié)。
用來確定冷凝器性能的關(guān)鍵流率是水和空氣體積流率。可以采用一渦輪流量計(jì)來測量水流率?？諝饬髀士梢越逯鷫翰顐鞲衅鱽頊y量，所述差壓傳感器可以借助兩個(gè)測壓點(diǎn)對噴嘴兩端的壓降進(jìn)行測量。根據(jù)空氣流率，可以采用一臨界截面直徑為38毫米(1.5英寸)或76毫米(3.0英寸)的噴嘴。然后，可以利用該壓降來計(jì)算空氣體積流率。
對于所有的溫度測量來說，都采用了T型(銅一康銅)熱電偶。入口和出口處的空氣濕度可以利用兩個(gè)濕度/溫度傳感器來測量?；萜展镜腍P3497A型數(shù)據(jù)采集/控制器可用來對各種測量裝置的電壓輸出加以測量。
每一次測試收集的數(shù)據(jù)包括冷凝器水入口和出口處的溫度、進(jìn)氣口和出氣口處的溫度、進(jìn)氣口和出氣口處的相對濕度、冷凝器水的體積流率、空氣體積流率、水池溫度、冷凝器管道的中點(diǎn)溫度、圓盤溫度、圓盤角速度，以及耗水量。圓盤角速度的影響圖6示出了在各種空氣流率下、圓盤角速度對于散熱的影響。圖6示出了散熱率從0至15rpm迅速地增大，但在超過30rpm之后就變得幾乎是漸近的。圖7和圖8分別示出了圓盤角速度對于總UA值和水側(cè)UA值的影響。焓一驅(qū)動(dòng)UA示出了與散熱率相同的漸近趨向。由于對于這些實(shí)驗(yàn)來說，入口空氣和入口水之間的焓值差保持相當(dāng)恒定，因此，所述UA可以反映散熱率。水側(cè)UA示出了當(dāng)角速度增大時(shí)有顯著增大，而增長率卻隨rpm增大而減小。由于當(dāng)圓盤角速度較大時(shí)水池將變得更加紊流，因此，這種影響是為人們所期望的。而且，如圖中所示出的那樣，空氣流率對于該UA值是沒有任何影響的。空氣流率的影響圖9示出了空氣流率對于冷凝器容量的影響。當(dāng)流率增大時(shí)，散熱率也相應(yīng)增大。隨流率增大而增大的散熱能力降低了冷凝器水的出口溫度。各圓盤上的水的溫度可由進(jìn)入空氣的濕球來限制，并且當(dāng)冷凝器出口溫度降低時(shí)，有效溫度和焓值差變小。這樣就使得進(jìn)一步改進(jìn)變得愈加困難，并且可能會(huì)造成遞減斜率。圓盤材料的影響圖10示出了不同的圓盤材料對于散熱率的影響。CoroplastTM材料是一種雙壁、槽紋式聚丙烯材料。可以將厚度為2毫米(0.08英寸)和5毫米(0.2英寸)的所述Coroplast片材用作所述圓盤材料。如圖13所示，鋁制圓盤確實(shí)具有一較高的散熱率，但是，從統(tǒng)計(jì)上說，差異不是很大的。
圖10中的數(shù)據(jù)表明圓盤材料對于所述系統(tǒng)的散熱率只有很小的影響。這就暗示著水膜是主要的熱載體。兩種計(jì)算可以證明這一點(diǎn)。第一種計(jì)算是，從圓盤離開水池到重新進(jìn)入水池的圓盤溫度變化不超過0.05℃(0.1°F)，這可以藉助所述圓盤上的一熱電偶來測量。所述裝置內(nèi)的鋁制圓盤的總熱容量是2203J/K(1.16Btu/°F)。當(dāng)圓盤角速度為30rpm時(shí)，圓盤每秒轉(zhuǎn)動(dòng)0.5轉(zhuǎn)(與每轉(zhuǎn)兩個(gè)熱電偶讀數(shù)相對應(yīng))，這意味著它們可以在兩秒鐘內(nèi)獲得和失去它們的所有的熱容量。采用0.05℃(0.1°F)的最大溫度變化，其結(jié)果是55W(188Btu/h)。它大約是圓盤角速度為30rpm時(shí)的散熱率的11％，這與通過實(shí)驗(yàn)來改變圓盤材料所得到的邊緣效應(yīng)是一致的。
第二種計(jì)算是以下述假定為基礎(chǔ)的如果圓盤不攜帶熱量，則水必定攜帶熱量?？梢圆捎萌鏟robstein中由Landau和Levich所描述的流體動(dòng)力分析法來估算水膜厚度。所述分析可計(jì)算出在一正被拉出液體蓄池的垂直片材上所形成的液體薄膜的表面張力、粘力和重力。在所述裝置中，圓盤上從半徑為50.8毫米(2.0英寸)至外半徑為305毫米(12.0英寸)的部分是濕的。計(jì)算結(jié)果表明在這些地方，薄膜厚度值分別是0.0368毫米(1.45×10-3英寸)和0.121毫米(4.76×10-3英寸)。采用0.083毫米(3.27×10-3英寸)的平均薄膜厚度，暴露在空氣中的圓盤部分上的水的總體積是51.8毫米×103立方毫米(3.16立方英寸)，總熱容量約為216J/K(0.114Btu/°F)。如果我們假定水以蓄池溫度離開蓄池，并且以排出空氣的濕球溫度進(jìn)入蓄池，則溫度變化約為5℃(9°F)。這意味著水膜傳遞540W(1843Btu/h)的熱量。該值非常接近實(shí)際測量值。關(guān)鍵是注意，與圓盤相比，水膜的溫度變化相當(dāng)大。這兩個(gè)分析以及所述數(shù)據(jù)表明水膜是主要的傳熱介質(zhì)，而不是圓盤。
圖11示出了在一種傳統(tǒng)制冷系統(tǒng)中采用本發(fā)明蒸發(fā)式冷卻器的較佳使用情況。在圖11中，壓縮機(jī)58通過管路51將一制冷劑供送至本發(fā)明的蒸發(fā)式冷卻器52，所述蒸發(fā)式冷卻器在此處是用作一冷凝器，它可以對制冷劑蒸汽進(jìn)行冷凝。正離開蒸發(fā)式冷卻器(冷凝器)52的液化制冷劑通過管路53而供送至一蒸發(fā)器54，在所述蒸發(fā)器內(nèi)中，可以使至少部分制冷劑汽化，從而可以對容納蒸發(fā)器54的箱體55進(jìn)行冷卻。制冷劑蒸汽隨后可以通過管路56而回到壓縮機(jī)58。
本發(fā)明還可以有其它不背離其精神或基本特性的具體實(shí)施例。因此，應(yīng)該認(rèn)為本文中的幾個(gè)實(shí)施例僅僅是為了說明的目的，而不是限制性的，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求書來限定，而不是由以上的描述來限定，因此，落在權(quán)利要求書涵義和等效范圍內(nèi)的所有變化均應(yīng)在本發(fā)明的權(quán)利要求書保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種蒸發(fā)式冷卻器，它包括一液體冷卻劑蓄池，所述蓄池的上表面與空氣接觸；一轉(zhuǎn)軸，它具有一大體平行于所述蓄池上表面的縱軸線；用來使所述軸旋轉(zhuǎn)的裝置；以及安裝在所述轉(zhuǎn)軸上并自其上徑向延伸出來的至少一個(gè)輪件，所述輪件可以在所述軸旋轉(zhuǎn)時(shí)伸入所述蓄池內(nèi)，并可以離開所述蓄池進(jìn)入空氣空間內(nèi)，然后再離開空氣重新進(jìn)入蓄池而連續(xù)不斷地以此為一循環(huán)周期重復(fù)作業(yè)，從而可以在所述輪件進(jìn)入空氣時(shí)，將來自于所述蓄池、粘附于所述輪件的液體冷卻劑蒸發(fā)到空氣中，對所述輪件和殘留的粘附著的液體冷卻劑進(jìn)行冷卻，并且當(dāng)所述輪件重新進(jìn)入蓄池內(nèi)時(shí)，所述經(jīng)冷卻的輪件和殘留的粘附著的液體冷卻劑可以對所述蓄池進(jìn)行冷卻。
2.如權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)式冷卻器，其特征在于，它還包括一用來使一氣流吹過暴露在空氣中的所述輪件的一部分的風(fēng)機(jī)。
3.如權(quán)利要求2所述的蒸發(fā)式冷卻器，其特征在于，它還包括一貯箱，所述貯箱能容納所述液體冷卻劑蓄池，并在所述液體蓄池的上表面上方形成一封閉的空氣空間，所述氣流可藉助所述風(fēng)機(jī)而流過所述空氣空間。
4.如權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)式冷卻器，其特征在于，它還包括至少一個(gè)與所述液體冷卻劑相接觸并內(nèi)裝有待冷卻的熱交換介質(zhì)的熱交換件。
5.如權(quán)利要求3所述的蒸發(fā)式冷卻器，其特征在于，它還包括安裝在所述貯箱內(nèi)、位于液體冷卻劑蓄池上表面下方的多排管子，所述平行設(shè)置的多排管子彼此相互隔開，并且相互之間形成狹窄通道，多個(gè)輪件沿著所述轉(zhuǎn)軸彼此相互隔開，位于與所述各狹窄通道相對應(yīng)的位置處。
6.如權(quán)利要求5所述的蒸發(fā)式冷卻器，其特征在于，每一排管子均由一根管子彎曲而構(gòu)成，從而可以提供垂直設(shè)置的多個(gè)水平延伸管。
7.如權(quán)利要求5所述的蒸發(fā)式冷卻器，其特征在于，所述各輪件是圓盤。
8.如權(quán)利要求6所述的蒸發(fā)器冷卻器，其特征在于，所述圓盤是波紋盤。
9.如權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)式冷卻器，其特征在于，所述輪件的表面積的不到50％浸沒在浴槽中。
10.如權(quán)利要求1所述的蒸發(fā)器冷卻器，其特征在于，所述輪件直徑的30一50％是浸沒在浴槽中。
11.一種制冷裝置，其特征在于，它包括一蒸發(fā)式冷凝器，所述蒸發(fā)式冷凝器包括一液體冷卻劑蓄池，所述蓄池的上表面與空氣接觸；一轉(zhuǎn)軸，它具有一大體平行于所述蓄池上表面的縱軸線；安裝在所述轉(zhuǎn)軸上并自其上徑向延伸出來的至少一個(gè)輪件，所述輪件部分地浸沒在所述液體冷卻劑中，并伸入液體冷卻劑上方的空氣中，用來將粘附的液體冷卻劑從所述輪件上蒸發(fā)出去，從而當(dāng)所述輪件再次進(jìn)入液體冷卻劑內(nèi)時(shí)，使液體冷卻劑冷卻；一壓縮機(jī)，用來將至少部分處于蒸汽狀態(tài)的所述制冷劑供送至所述冷凝器；以及一安裝在一箱體內(nèi)的蒸發(fā)器，用來承接流出所述冷凝器的液化制冷劑，由此對所述箱體進(jìn)行冷卻。
12.如權(quán)利要求11所述的制冷裝置，其特征在于，所述蒸發(fā)式冷卻器還包括一風(fēng)機(jī)，所述風(fēng)機(jī)可使一氣流吹過所述液體冷卻劑蓄池的上表面。
13.如權(quán)利要求12所述的制冷裝置，其特征在于，所述蒸發(fā)式冷凝器還包括一貯箱，所述貯箱能容納所述液體冷卻劑蓄池，并在所述液體蓄池的上表面上方形成一封閉的空氣空間，所述氣流可藉助所述風(fēng)機(jī)而流過所述空氣空間。
14.如權(quán)利要求13所述的制冷裝置，其特征在于，所述蒸發(fā)式冷凝器還包括至少一個(gè)與所述液體冷卻劑相接觸并內(nèi)裝有待冷卻的熱交換介質(zhì)的熱交換件。
15.如權(quán)利要求14所述的制冷裝置，其特征在于，所述蒸發(fā)式冷凝器還包括安裝在所述貯箱內(nèi)、位于液體冷卻劑蓄池上表面下方的多排管子，所述平行設(shè)置的多排管子彼此相互隔開，并且相互之間形成狹窄通道，多個(gè)輪件沿著所述轉(zhuǎn)軸彼此相互隔開，位于與所述各狹窄通道相對應(yīng)的位置處。
16.如權(quán)利要求10所述的制冷裝置，其特征在于，每一排管子均由一根管子彎曲而構(gòu)成，從而可以提供垂直設(shè)置的多個(gè)水平延伸管。
17.如權(quán)利要求15所述的制冷裝置，其特征在于，所述各輪件是圓盤。
18.如權(quán)利要求10所述的制冷裝置，其特征在于，所述圓盤是波紋盤
19.如權(quán)利要求10所述的蒸發(fā)式冷凝器，其特征在于，所述輪件直徑的30-50％是浸沒在浴槽中。
20.一種蒸發(fā)冷卻一流體的方法，其特征在于，它包括提供一貯箱，所述貯箱可容納一液體冷卻劑蓄池，并且具有平行設(shè)置的多排管子，可以使待冷卻的流體從其中通過，并和所述貯箱內(nèi)所盛裝的液體冷卻劑呈熱交換關(guān)系，并且多個(gè)盤件部分地浸沒在所述液體冷卻劑內(nèi)，并延伸所述液體冷卻劑上方的空氣空間內(nèi)；使一氣流經(jīng)過各盤件伸入到所述空氣空間內(nèi)的部分，用來將液體冷卻劑從各盤件的表面上蒸發(fā)出去；以及使各盤件連續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，從而使各盤件的大部分表面區(qū)域是交替地浸沒在所述液體冷卻劑中和暴露于所述氣流中，由此可以將粘附于各盤件的那些與所述氣流相接觸的暴露部分上的液體冷卻劑從各盤件上蒸發(fā)出去，并且當(dāng)暴露表面部分重新進(jìn)入液體冷卻劑蓄池時(shí)，可以對所述液體冷卻劑進(jìn)行冷卻。
全文摘要
一貯箱(20)內(nèi)容納有一液體冷卻劑(30)蓄池,其中間隔開的多個(gè)轉(zhuǎn)盤(24)部分地浸沒在所述液體冷卻劑中。一氣流最好平行地位于各盤件(24)的暴露部分上方,從而當(dāng)盤件旋轉(zhuǎn)離開冷卻劑蓄池時(shí)可以使粘附于各盤件的冷卻劑部分地蒸發(fā)掉,并且當(dāng)從上方空氣空間重新進(jìn)入蓄池時(shí),各盤件和殘留的附著冷卻劑有較低的溫度,以對冷卻劑蓄池。待冷卻的流體穿過安裝在貯箱內(nèi)且位于液體冷卻劑表面(S)下方并平行于各盤件表面的各管子(22)。相鄰排的管子彼此之間形成空間,每一空間可容納至少一盤件的浸沒部分。蒸發(fā)式冷卻劑可以用在具有一壓縮機(jī)和一蒸發(fā)器的制冷裝置中。
文檔編號F28D5/00GK1275194SQ98809205
公開日2000年11月29日 申請日期1998年4月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年9月19日
發(fā)明者W·L·科普科 申請人:美國環(huán)境保護(hù)署