CN1754071B - 蒸发冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蒸发冷却器(1)，其具有两个通过多个导热直立壁(2)彼此热耦合的介质回路。该壁(2)和其上排列的热传导散热片装备了亲水、水缓冲覆盖层，例如由波特兰水泥制成。露点冷却器中加入使覆盖层润湿的加湿装置。根据本发明，该加湿装置包括可拆卸的顶盖(7)，其形成露点冷却器外壳的一部分，并带有至少一个将水分配到覆盖层的喷洒器(16、17、18、19)或喷嘴。

Description

蒸发冷却器

技术领域

本发明涉及一种蒸发冷却器，更具体地说，涉及一种具有改进的灌注***的蒸发冷却器。本发明还涉及向蒸发冷却器供应液体的方法。

背景技术

已知在蒸发冷却器中，将液体的供给提供给多孔面板。气流经过面板，能够将该液体蒸发。与此同时，空气的温度降低，并且湿度增加。在现有技术的设备中，通常为水的液体的供应量足以维持可湿的表面完全饱和。允许过量的水滴走，或者将其回收再利用。从美国专利第6,332,332号中可获知该设备，其公开了具有一个入口和一系列出水口的水分配盘。已发现这种类型的蒸发冷却器在较大地降低气流温度方面的效率非常低。

已知的其它蒸发冷却器中，热交换器第一面上的一级气流通过液体的蒸发冷却，成为热交换器第二面上的二级气流。这种冷却器的一个重要考虑因素是用于蒸发的液体的供给。PCT公开文本WO 99/41552中公开了一种这样的设备，其包括将微分的流体喷射到二级管道***壁上的喷射方法。

然而，已经发现了向气流道中喷雾或喷射微分流体的若干缺点。从功能的观点来看，液滴在气流中的存在降低了气流蒸发更多来自热交换器本身的液体的能力。这便降低了一级气流的冷却效果，并显著降低了体系的效率。可能更为重要的是，气流中存在的水滴对于疾病的传播具有严重的风险，例如军团菌病。

根据PCT公开文本WO 99/41552中公开的另一个备选实施方式，可以用管路***向热交换器上的吸附剂或吸湿涂层直接供给流体。然而，已经发现吸湿涂层倾向于向液体施加额外的保持力，降低它蒸发的能力。另外，能够将液体平均分配到热交换器整个区域上的管路***是很复杂的，来自单个管道出口的液流也难以控制。

发明内容

根据本发明，提供了一种包括可湿热交换表面和灌注***的蒸发冷却器。灌注***包括将灌注液体散布到分布区域的喷射装置；以及从分布的液体形成大量液滴并向可湿热交换器表面供给液滴的成滴装置。已发现该喷射后形成液滴的组合，在防止热交换器中的气溶胶形成上特别有效。这样，便可能避免例如军团菌病的疾病的传播，而且热交换区域的空气不会被雾化的水所饱和。

应当注意的是本文中提到的液滴，应当理解为在冷却器内的普遍条件下非空气传播的液滴。微滴意指其尺寸使得它们能够在气流中传送而经过冷却器的液体微粒。特别地，已显示尺寸在1到5微米范围的微滴是不良的，因为这样的微滴既大到足以传播军团菌，又小到足以深吸到肺部并在其中引发军团菌病。

将喷射与成滴结合的进一步优势在于，灌注液体在分布区域的分配能够得到细致的控制.已经发现向热交换表面间歇地供给液体在蒸发冷却器中是有利的.特别地，注水时以及其后不久，冷却器的效率降低，出口温度上升.尽管有上述微滴和气溶胶形成的降低，相信这一效应归因于流过热交换器的水饱和度的增加.通过间歇喷射足量的水来灌注可湿热交换器表面，然后停止喷射，冷却器的效率和出口温度迅速恢复到它们的稳态值.

因此，本文还公开了用蒸发性的液体润湿蒸发冷却器热交换表面的方法，包括向通常封闭的分布区域供给液体，以及将液体以间歇方式基本无雾化地传送到热交换器表面。间歇传送优选发生在突然开始和停止向热交换器表面传送液体的作用期间。这样水便以脉冲函数或方波的方式传送。根据本发明的灌注***的设计促进了传送的突变控制。

有利地，液滴形成装置包括具有多个开口的盘。可以为该盘装备多个凹槽，开口则位于凹槽的最低点。已发现使用诸如塑料成型技术生产该结构是极为实用和廉价的。应该注意到尽管本文提及的是成滴装置，该装置实际上可以将液体以稳恒流的方式或与热交换器表面直接接触而传送。以下提及的成滴装置在一定程度上是要包括这些备选装置，其不导致微滴或气溶胶的形成。

分布区域优选遍及整个盘，可以基本上是封闭的容积。除了通向喷射装置的液体进口和形成液滴的出口外，容积可以是封闭的。这样便基本防止灌注液体的微滴或气溶胶从分布区域流出，并且仅仅形成比特定尺寸大的液滴。出口的大小优选形成直径大于1mm的液滴。

为了达到分布区域内均匀且可控的液体分布，喷射装置优选包括旋转喷头。通过与加压液体的供给相连，或其它适当的方式，可以使喷头旋转。

本发明的一个具体实施方式提供了一种蒸发冷却器，包括：

一级介质回路和二级介质回路，二级介质回路通过多个至少部分导热、基本垂直的壁与一级介质回路热耦合，两个回路中两种各自的介质经过壁逆向流动，至少二级介质中含有例如空气的气体，其相对湿度低于100％；

导热壁，其具有在至少一级介质中至少热传递活性区位置处，将至少热边界层、层流边界层和相对湿度边界层分解的分解装置，分解装置包括增加壁上有效导热表面积大小的导热突出部分。

壁的导热表面和分解装置，其在至少二级介质区域，至少部分被亲水覆盖层覆盖，例如，覆盖层是多孔的，和/或能够通过毛细作用吸附例如水的蒸发性液体，并能够保留该液体，然后通过蒸发将其再次释放，这样便冷却了湿润的覆盖层，由此也冷却了导热表面和分散装置；

覆盖层，其包括例如烧结层的多孔工业级陶瓷材料，例如波特兰水泥的水泥，或纤维材料，例如，诸如矿石棉的矿物棉；

基于一级介质压差的一级驱动装置，例如风扇或泵；

基于二级介质压差的二级驱动装置，例如风扇；

具有一级和二级介质进出口的外壳；

用蒸发性液体将液体从覆盖层上蒸发使二级介质湿润的灌注装置，这样便使得二级介质夹带的蒸发性液体通过导热壁从一级介质吸取热量；和

灌注装置，其包括形成部分外壳的可移动顶盖，并且带有至少一个位于壁的顶部边缘以上一定距离的喷洒器或喷嘴，其基本不形成微滴地向壁上的覆盖层和分解装置上分配水，其中至少一个喷射器经过至少一条供水线接收加压水。由于工作时一级空气在接近其露点的温度下流出，有时将这样的蒸发冷却器称为露点冷却器。

根据本发明的另一方面，通过将灌注装置作为能够覆盖剩余外壳的可移动顶盖而装备，可以将冷却器简化。将顶盖移开使得露点冷却器的内部便于进入，意味着，例如可能进行保养工作，例如内部检查、具散热片的热交换壁的更换、出于清洁目的喷洗露点冷却器内部等。

为了确保足够大量的水始终可能在二级介质流中蒸发，而不会在覆盖层上形成能够降低露点冷却器效率的干燥区，采用包括多孔工业级陶瓷材料的覆盖层是非常重要的。在这一方面将很清楚，对水流供给的适当控制是一个先决条件。该供给可以是连续或间接的。

一个构造的实施方式具有如下的特定特征，浇孔位于相邻壁的顶部边缘之间的区域，这些浇孔接收来自至少一个喷洒器的水，并将其送至各自壁上的覆盖层上及分解装置中。这样，便可能实现将至少一个喷洒器与发生蒸发的有效空间分离。通过浇孔将露点冷却器的喷洒器场所与蒸发场所实体分离，防止了喷洒器释放的水在蒸发场所的雾化，该雾化能够降低露点冷却器的效率。这是由于雾化会导致不利的结果，使蒸发和相关的冷却不是发生在壁上而是发生在相应的场所内，其破坏了待冷却的一级介质的冷却。还可以防止携带军团菌的微滴扩散。

具有所述浇孔的露点冷却器优选具有如下特定特征，即浇孔形成为具有多个浇孔的成型条带，其可以可拆卸地连接到导热壁的对面顶部边缘。

后一个实施方式可以有利地设计成如下方式，使得每一个条带与一个壁或两个相邻的壁形成一个整体单元。

后两个变式可以具有如下典型特征，即条带和，如果适宜的话，相关联的一个或多个壁，由塑料组成，并且是通过加热成型、真空成型、注塑成型或类似方法形成的。

尤其是在相对较大的热交换器的情况下，为了实现水在覆盖层上灌注的良好均匀性，露点冷却器可以有利地包括：通过加到每个喷洒器上的独立供水线，例如通过歧管，连接到至少一个供水线上的多个喷洒器。

一种变式能够非常实用和廉价地实现，该变式顶盖包括两个彼此紧密放置并且互相连接的模盘，其限定了形成供水线的通道，并且如果适宜的话，限定了形成歧管的通道。

喷洒器可以是固定型的，在这种情况下，可能发生某些视为附生的雾化。根据本发明的露点冷却器优选具有如下典型特征，即喷洒器在工作时为旋转型。

在进一步的实施方式中，露点冷却器具有如下特定特征，即外壳包括具有过量水排放装置的基座。通过测量过量水的量，例如采用水位检测器，可能有效地控制水的供给，这样便在特定的公差内建立了动力学平衡。

附图说明

仅作为例子，本发明的一个实施方式参考附图说明，其中：

图1是根据本发明的露点冷却器的透视图，其顶盖包括喷洒器，并示于露点冷却器以上一定距离；

图2是顶盖在其上放置的露点冷却器的透视图；

图3是图2所示的露点冷却器从另外一侧看的透视图；

图4是从其上形成有直立壁的露点冷却器的基座底部看的透视图；

图5是露点冷却器在图2和图3所说明的情形下的侧视图；

图6显示按比例放大的图1的横截面VI-VI；

图7是本发明的另一实施方式的露点冷却器内部的部分透视图；以及

图8是灌注***的另一备选实施方式的分解透视图。

具体实施方式

图1显示了包括两个介质回路的露点冷却器1，如下文参见图7所说明，介质，特别是空气，能够通过介质回路逆向流动。露点冷却器1包括多个导热和介质分离壁2，用于一级气流与二级气流之间的热传递，并使介质保持分离。在上下文中，其说明可以参见图7。

特别是从图7中可以看出，壁上带有弯成方波形状的铜或铝制条带，作为增加表面积的有效部件并可视为散热片。这些散热片至少部分装备了多孔覆盖层，例如包括矿石棉或波特兰水泥。这意味着该覆盖层能够通过例如毛细作用保留供给的水，并将其分配。

为了后一种功能，塑料条3位于壁2的顶边，该条得到图1所示的形状，例如通过加热成型，塑料条3包括一行下侧有水通道开口5的浇孔状凹槽4。

从图1可以清楚地看出，整个露点冷却器在其顶边以这种方式装备有规整和均匀分布的浇孔。露点冷却器1的下侧是基座6，特别参考图4和图5将更详细地解释其结构和功能。

露点冷却器可以用顶盖7来覆盖。顶盖7由两个互相紧接着放置的成型热塑性盘8和9组成(同时参考图6)，盘8和9成型并互相连接，以留下多个畅通的供水线，即一个公用的主供水线10和四个通过歧管11与主供水线10相连的单独的供水线12、13、14、15，并且在压力下通过线10分别向四个旋转喷洒器16、17、18、19供给水。依靠本身已知的快速连接***，通过接口20将水管连接到供水线10。

应当注意到顶盖7还装备有加强肋21、22、23、24。

当加压水进入线10时，通过喷洒器将水向顶盖的下侧侧向喷射出来，以将水差不多均匀地供给到凹槽4。然后使因此收集到的水以逐滴的方式经过开口5进入下面的空间，在此能够将热交换壁和散热片上的覆盖层湿润。过量的水通过基座6收集到下面，并通过中央排水管25排走。

凹槽4和开口5用来收集喷射的水，其大小允许液滴通过，但是防止了小微滴的传播。特别地，可以规划开口的大小以允许1mm以上的液滴形成。优选地，通过形成较大的液滴，防止可能携带军团菌的1到5微米范围内的微滴经过开口5。

图2显示了闭合状态下的露点冷却器1，其中顶盖7的位置使得其基本上以封闭方式与基座6相互作用。

从图4可以看出，基座6上装有两侧面板30、31.从露点冷却器的两个开口端处可以看到露点冷却器的内部，因为在作图时省略了歧管，该歧管是本身已知的，并且用于将一级介质通路和二级介质通路相互连接以形成各自的一级和二级介质进口和出口.在根据本发明的露点冷却器的情况下，通常采用如图7所示的构造，其中二级气流从待冷却的一级气流中分支出来，例如比例为30％∶100％，结果70％的一级气流作为冷却的气流放出.这是本发明本身没有涉及到的方面.该方面仅以决定露点冷却器的效率和上述歧管的性质和形状为目的时是重要的.例如，依据图7勾画的要素的露点冷却器并没有外部的二级气流供给，因为后者毕竟在经过露点冷却器的通路末端时，从一级气流内部分支出来.

图3显示了露点冷却器1从另外一侧看的透视图。

图4显示了基座6。后者与侧面板30、31一起用热塑材料整体成型。热交换壁2支撑并安置在凹槽41和沟槽42上，沟槽42向下通向中心区并收集滴下来的过量水，将其送至具有排水口25的中央排水槽43。

图5显示热交换壁2在其末端装备加强侧翼44，进气和出气可以经过图4所示的开口45通过。

图7显示了露点冷却器50，为清晰起见将其外壳省略。这一大大简化的露点冷却器的图例包括三个导热和介质分离壁51、52、53，其每一边具有各自的散热片54、55、56、57，该散热片以锯齿状条带的形式，在横过将在下文说明的流体方向延伸。散热片沿流动方向具有限定的长度，而所述的壁51、52、53在散热片区域导热，并且在以57、57′、57″表示的散热片各自的条带之间具有绝热部件58、58′。这便防止了纵向方向的传热，因此交换器50具有极好的效率。

显示的四个通路里的中间两个对应于一级回路I。外面两个同样由外壳(未显示)定界的通路限定了二级回路II。各气流和回路用与图2中相同的旁注数字表示。

图7中的露点冷却器50包括另一种备选的灌注装置，它具有带有液滴出口60的可拆装的中央供水线59，用来湿润装备了波特兰水泥覆盖层的散热片54-57。散热片上具有穿孔，因此从液滴出口60出来的水也能够湿润所有位于较低层面的散热片。任何过量的水通过未显示的装置排出。从图中可以看出，穿孔61设计为狭缝。这些狭缝不是冲轧出来的，而是通过在冲压机中形成切口，并将散热片材料从环境表面的主平面中压出而形成的，这样便形成了百叶式结构。穿孔61可以因此称为百叶片，其形状使得它们分组为沿着流动方向彼此相随的两组百叶片，分别用62和63表示。在该例子中，沿着流动方向看，最远离上游位置的一组百叶片用旁注数字63表示。百叶片以如下方式放置，它使得气流5被百叶片截取，从而转向到散热片的另外一侧，随后偏流的气流在这里被属于组62的百叶片再次截取，从而回到至少近似于其原来的路径。该结构提供了流过的介质与散热片之间极好的热传递。

供水线59可以安装为接收来自浇孔状凹槽4和水通路开口5的水。优选开动喷嘴60从而向有涂层的面，即二级介质气流II中的散热片54-57，间歇性地释放水。洒水***湿润了亲水的和水缓冲的覆盖层。只要可能的话，避免直接加湿二级气流，因为这仅具有使露点冷却器50的效率降低的效果。因此，根据本发明必定在该处避免使用喷洒器。蒸发在已用水润湿的散热片的覆盖层上发生，并且壁51、52、53的空闲壁部分，即用58和58′表示的无散热片区，也可装备亲水覆盖层。

在根据图8的另外可选的优选实施方式中，装备有滴水盘66，其包括矩阵状凹槽68的阵列。如同之前的实施方式，凹槽装备了小开口(未显示)，液滴可以通过小开口离开滴水盘66。顶盖70可以结合在滴水盘66上形成基本密封的单元。在该实施方式中，两个旋转喷洒器72由顶盖70支撑，使得其出口能够在滴水盘66上提供水的均匀分布。

根据本发明的一个方面，已经发现向热交换表面稍稍过度注水，确保了包括散热片在内的湿壁基本均匀地被灌注，并且还实际上到处都含水.这意味着蒸发的驱动压差在各处均为最适宜的.恰当地选择流速和湍流程度确保达到高的效率.如上文所提及，优选间歇性的过度注水，根据要求的性能控制水量或注水顺序.

在该说明性的实施方式中，成滴装置中凹槽底部的成滴开口已显示为圆形开口。也可以使用其它形状的开口。特别地，已经发现细长的狭缝在迅速传送基本上所有喷洒器供给的水时非常有效，一旦停止喷洒器，能保证传送的突然终止。已经发现尺寸为大约3mm×16mm的狭缝，与所述露点冷却器的结合非常有效。

尽管上述例子说明本发明的优选实施方式，应当注意到各种其它装配也视为落入由所附权利要求定义的本发明的精神和范围之内。

Claims (14)

1.一种蒸发冷却器，包括可湿热交换表面和灌注***，所述灌注***包括：

将灌注液体散布到分布区域的喷射装置；和

从分布的液体形成大量液滴并将该液滴从所述分布区域提供给可湿热交换表面的成滴装置，

其中，所述分布区域是防止雾化的灌注液体流出的基本上封闭的容积。

2.根据权利要求1所述的蒸发冷却器，其中所述成滴装置包括具有大量开口的盘。

3.根据权利要求2所述的蒸发冷却器，其中所述盘装配有大量凹槽，所述开口位于凹槽的最低点。

4.根据权利要求2或3所述的蒸发冷却器，其中所述分布区域位于盘上。

5.根据权利要求1所述的蒸发冷却器，其中所述蒸发冷却器是露点冷却器。

6.根据权利要求1所述的蒸发冷却器，其中所述喷射装置包括旋转喷头。

7.根据权利要求1所述的蒸发冷却器，其中所述灌注***进一步包括与喷射装置连接的加压液体源。

8.一种用蒸发性液体湿润蒸发冷却器热交换表面的方法，包括：

向通常封闭的分布区域供给液体；和

将液体从所述分布区域以间歇方式基本无雾化地传送到热交换器表面。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述液体是喷射到分布区域中的。

10.根据权利要求8或权利要求9所述的方法，其中所述液体从分布区域中形成的大量凹槽，从分布区域传送到热交换表面。

11.根据权利要求8所述的方法，其中间歇传送包括突然开始和停止向热交换器表面传送液体的促动期间。

12.根据权利要求11所述的方法，其中在单个促动期间内传送足量的液体，使热交换表面基本饱和。

13.根据权利要求8所述的方法，其中过量的液体在热交换表面下收集从而重新利用。

14.根据权利要求8所述的方法，其中所述蒸发冷却器是露点冷却器。

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