专利名称：用膜包夹的液体干燥剂进行除湿的间接蒸发冷却器的制作方法
用膜包夹的液体干燥剂进行除湿的间接蒸发冷却器合约来源美国政府对本发明拥有合同号No. DE-AC36-99G010337下的权利，所述合同双方是美国能源部和国家可再生能源实验室——中西部研究所的一个科室。
背景技术：
空调的使用遍及世界，它提供了舒适健康的室内环境，适当地通风，凉爽并具有充分的湿度控制。虽然有利于调节供应的空气，但传统的空调系统由于要使用大量的能源 (如电能)使得运行的成本很高。由于对能源持续增长的需求，空调的成本也有望增加，存在着对更有效率的空调方法和技术持续增长的需求。另外，增加的是对不使用化学品和一些材料的冷却技术的需求，所说的化学品和材料比如是释放或泄露的话可能会环境损害的许多传统的制冷剂。维护也是许多空调技术的关注焦点，因此，任何新技术，如果发现它对维护的要求很苛刻，尤其是住宅使用的，都将会被市场拒之门外。蒸发冷却器会用在一些场合解决空调需求或需要，但是由于许多局限性所致，传统的蒸发冷却器不能被广泛地使用在商业或住宅建筑中。蒸发冷却器，通常被称作沼泽冷却器(swamp cooler)，和利用制冷的传统空调或使用蒸汽压缩或吸收制冷循环的吸收设备相比，它是利用空气中的水分直接蒸发(simple evaporation)的原理提供冷却作用的。蒸发冷却的使用典型地受到气候的局限，比如美国西部地区的天气炎热，而且湿度很低。在这样干燥的气候下，传统蒸发冷却器的安装和运行成本就比制冷空调低。住宅用和工业用的蒸发冷却器典型地使用温暖干燥空气与水混合进行直接蒸发冷却，从而将水分转变成蒸汽并用蒸发潜热(latent heat)生成冷却的湿空气(例如，相对湿度为50% -70%的冷却空气)。例如，蒸发冷却器可设于具有通风侧的封闭金属或塑料箱中，所述通风侧包含风扇或鼓风机、运行所述风扇的电动机、和润湿蒸发冷却垫的水泵。为了提供冷却效果，风扇通过在机组侧上的通风口和潮湿垫抽入环境中的空气。空气中的热量将水分从垫上蒸发出来， 所述垫被持续浸润以便使冷却作业继续下去。冷却的湿空气然后经由屋顶或墙壁中的通风口供应建筑物中。尽管蒸发冷却器的运行成本是制冷空调的大约四分之一，但是它还没被广泛地应用于满足人们对更高效率和更低成本的空调技术的需求。水仓冷却器(sump coolers)的一个问题是在某些特定条件下这些蒸发冷却器不能运行提供充分冷却的空气。例如，当进气是90° F和50%相对湿度时，空气可能仅可被冷却到75° F并且这种冷却可能不足以使特定空间得到充分地冷却。这个问题在温度升高时会更严重，比如已经发现在美国西南部地区和其它许多地方温度可以超过100° F。因此，空调系统可能需要包括制冷空调来冷却从蒸发冷却器出来的空气，这会导致这种系统的购买、运行、和维护都更昂贵。另外，传统的蒸发冷却器不能对空气进行除湿，并且实际上经常是输出有80%到 90%相对湿度的空气，这仅在一些非常干燥的环境下才可接受，这是因为非常潮湿的空气会降低建筑物居住者的蒸发速率(例如降低了舒适等级)，并且可能会引起冷凝作用，导致腐蚀或其他问题的发生。在一些蒸发冷却器中作为第二或后级会提供除湿功能，比如通过将液体干燥剂渗入(wicking)空气流动通道壁或腔室壁的方式实现该功能，但是这样的系统不能被广泛应用，这是因为运行和维护成本的增加以及考虑到会将干燥剂与空调过的空气一起排放出来的问题。一般地，维护是蒸发冷却器的一个关注点，因为蒸发作业会导致矿物质沉积在冷却垫上和冷却器的其他表面上，为了维持系统效率而需要清洁或替换它们， 并且供水线路需要被保护以防在闲季(off season)例如由于系统的排水而上冻。由于这些和其他的考虑，蒸汽冷却不可能被广泛地用来为商业和住宅用途提供高能效的备选空调方式，除非能够取得显著改进降低对维护的担心同时又提高可达到的冷却效力(例如，在建筑的直接使用中即可提供充分冷却的输出空气)。前述的相关技术的示例和与之相关的局限性都是作为解释说明用途，并不是排他的。相关技术的其他局限性将会在本领域技术人员阅读到说明书和看图即可清楚。
发明内容
接下来的实施方式及其方面都是结合示例性和解释性的非限定范围的系统、工具和方法进行介绍和解释说明的。在各种不同的实施方式中，上面介绍过问题的一种或多个被减少或消除了，而其他实施方式是针对其他改进的。这可部分通过设置用于间接蒸发冷却器或热交换器的传质/传热组件实现。组件是由交错的叠堆形成，每个叠堆包括第一(或上)膜材料层或片、分隔壁、和第二(或下)膜材料层或片。每一层的所述膜或膜材料可允许蒸汽态的水分子渗透通过，而分隔壁不允许水渗透通过，但允许热传递(例如，是薄层和/或由导热的材料制成的)。在相邻叠堆对中的第一叠堆中，冷媒，比如水，在第一膜层和分隔壁之间流动，而液体干燥剂在分隔壁和第二膜层之间流动，而在相邻叠堆对中的第二或下一个叠堆中流动的顺序是反的。该顺序贯穿整个传质/传热组件中反复，形成了送气和排气交错流动通道或腔室。供应的空气(或要接受空调的空气)被引导穿过第一对叠堆之间的通道，而预冷的排出空气中的一部分(例如，小部分通过流动穿过叠堆而被冷却的供应空气)被引导穿过第二或下一对叠堆之间的腔室(例如，典型的排布形式是相对于进入的供应空气流动的逆流形式)。液体干燥剂被设为接近供应入口的空气流，而冷媒，比如水，被设为接近排出的空气流(即被引导排出的小部分供应出口的空气流)，空气仅通过可渗透通过的膜与这些流动的液体分隔开来。供应的空气入口空气流、供应出口空气流、排出空气流、液体干燥剂流、和冷媒流，比如经由一个或多个歧管组件(manifold assemblies)，被接入(plumbed)到传质/传热组件上，该组件可被设置在一个壳体中作为单个单元(例如，间接蒸发冷却器)。在典型的实施方式中，除湿和蒸发冷却可通过将要处理的空气与液体和/或气体物质(例如液体干燥剂、水、脱水空气等)用膜分隔开的方式实现。所述膜是由一种或多种可允许蒸汽态的水分子渗透通过的物质或材料形成。水分子通过所述膜的渗透作用是对一种或多种工艺空气流进行的除湿(在一些实施方案中的除湿)和蒸发冷却的驱动力(或使能)。如上面所介绍的，若干条空气流可被排布为流动穿过传质/传热组件中的腔室，以便使得次级(放出(purge))空气流(如预冷的供应空气的排出空气流)被润湿并吸收主级(作业)空气流(如之后可被引导到建筑物中作为供应出口空气流(例如，作为住宅或商用建筑物等的补入空气(make up air)的供应入口空气流))的焓。工艺空气流被显冷 (sensibly cooled)，并且在一些实施方式中，还同时被膜中所包夹(contained)的液体干燥剂流除湿，所述膜限定了送气入口空气流动通道或腔室的边壁。所述膜还在一些实施方式中用来限定排出(例如，逆流)空气流动通道或腔室，以便使得所述膜能够控制或将冷媒与排出空气流分隔开来。渗入材料/表面或其他设备可被用来包夹或控制水流(例如，直接接触的渗入表面可与膜所包夹的液体干燥剂组合使用)， 但是膜液体控制使得对叠堆或歧管结构的制造更便利，所述叠堆或歧管结构有益于此处介绍的提供冷却、除湿、和/或加湿作用的热量和质量交换器/组件的构造。在所述构造中，空气流可被排布成逆流、与预冷排出空气逆流，交叉流(cross-flow)、并流(parallel flow)、 和射流(impinging flow)以在蒸汽冷却单元中实现所需的热量和质量的同步传递。以实施例的方式，非限定地，实施方式包括间接蒸发冷却器，所述间接蒸发冷却器利用液体冷媒流和排出或放出空气流将入口供应空气流从第一温度冷却到第二、较低的温度。冷却器包括第一流动通道，所述入口供应空气流流动通过所述第一流动通道，和与所述第一流动通道相邻的第二流动通道，所述排出的空气流流动通过所述第二流动通道，其中所述排出的空气流所处的温度比供应空气的入口或第一温度低。第二流动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许水蒸汽渗透通过的，然而却可以包夹液体冷媒。通过这种方式，冷媒在膜的一边上流动(且不直接接触第二流动通道中的空气)，而在当热量从入口供应空气被传递到液体冷媒中时或响应该传递，质量以蒸汽形式 (as vapor)穿过所述膜被传递到排出空气中。在一些情况或构造中，正如将会变清晰的那样，供应的空气流(或入口供应空气)在该第一级中就被冷却或除湿。可提供第二级将空气流显冷到非常凉爽的温度，该温度可低于原始供应入口空气的结露点(dewpoint)，这是由于它一开始或在第一状态下就被进行了除湿因此才可以达到这种效果。与膜片间隔开的分隔壁被用来限定液体冷媒的流动通道，所述壁是由液体冷媒无法渗透通过的材料(如塑料)形成的，但是所述材料可以传导或允许热量从入口空气源传递到冷媒中。第二膜片可与该分隔壁的相反边间隔开，从而限定出液体干燥剂的流动通道， 并且在运行过程中，水蒸汽从入口供应空气流穿过膜传递到液体干燥剂中，这导致入口供应空气同时被冷却和除湿。所述膜有效地阻止或者甚至于完全阻挡了液体冷媒和液体干燥剂的流动，但允许水蒸汽流动，在一些实施方式中，冷媒是水，而干燥剂是卤盐溶液(例如， 弱干燥剂，比如CaCl等)。排出的空气在一些情况下是入口供应空气流被冷却到第二、较低温度之后(例如，当它离开第一流动通道时)所述流被重新指向的一部分，并且排出空气可在相对于供应空气在第一流动通道中流动的方向交叉、逆流、或它们这些的组合的方向上流动穿过第二流动通道。在另一示例性实施方式中，提供了一种为住宅或商用建筑调节作业或回流空气的方法。所述方法包括第一引导工艺空气穿过第一流动通道和第二引导液体干燥剂的流或大量液体干燥剂邻近一个或多个限定出第一流动通道的壁，所述液体干燥剂通过膜(例如， 提供了壁的膜)与工艺空气分隔开来，所述膜包夹液体干燥剂并且允许水蒸汽从工艺空气中流入和被液体干燥剂吸收，所述液体干燥剂对工艺空气除湿。所述方法进一步包括与第一和第二引导同时进行的第三引导放出空气流穿过接近第一流动通道的(例如，平行相邻的)第二流动通道。放出空气所处的温度比第一流动通道中的所有或至少大部分工艺空气的温度更低，并且在一些情况下，放出空气是小部分经过除湿后离开第一流动通道的工艺空气，其被引导以相对于工艺空气逆流的方向穿过第二流动通道。所述方法还包括第四引导液体冷媒流邻近第二流动通道壁。液体冷媒也通过膜与空气分隔开来，所述膜可允许蒸汽从冷媒中渗透通过，从而使得质量从冷媒被传递到放出空气中。所述方法提供了对工艺空气同时进行(或单级)的除湿和冷却。根据另一方面，提供了一种在间接蒸发冷却器或交换器设备中使用的传热和传质组件。所述组件包括第一叠堆，所述第一叠堆包括上膜、下膜、和上和下膜之间的分隔壁。 上和下膜可允许蒸汽形式的水渗透通过，而分隔壁大体上不允许液体和蒸汽渗透通过。还提供了第二和第三叠堆，每个都包括上膜、下膜、和位于它们之间的分隔壁。在组件中，第一叠堆和第二叠堆被间隔开(比如分开小于约0. 25到0. 5英寸)，限定出接收第一空气流 (例如，要接受调节的空气)的流动通道，而第二和第三叠堆间隔开限定出第二空气流(例如，以相对于第一流空气交叉或逆流为指向的放出或排出的空气)的流动通道。在一些构造和/或运行模式中，设备仅进行蒸发冷却并且不提供除湿。因此，所述膜仅在放出的一边使用，而壁的另一边留空给供应空气进行热交换。第一、第二、和第三叠堆可被认为是一套叠堆，并且组件包括多个所述的叠堆套， 从而限定出由叠堆或膜层和分隔壁间隔开的多条空气流动通道。隔离器或分隔器可设于流动通道中维持所述膜的间距，同时允许空气流在通道内流动。所述组件可在第一叠堆中进一步包括在上膜和分隔壁之间流动的液体冷媒和在分隔壁和下膜之间流动的液体干燥剂。在第二叠堆中，液体干燥剂在上膜和分隔壁之间流动，而液体冷媒在分隔壁和下膜之间流动。在第三叠堆中，液体干燥剂在上膜和分隔壁之间流动，而液体冷媒在分隔壁和下膜之间流动。液体冷媒可以是水，在运行过程中，水蒸汽可从冷媒穿过所述膜被传递到第二空气流。液体干燥剂可以是盐溶液(如弱干燥剂，比如CaCl等)，在组件运行或使用的过程中， 水蒸汽可从第一空气流穿过所述膜被传递到液体干燥剂，由此使得第一空气流能被同步地除湿并冷却到较低温度。除了上面介绍的示例性方面和实施方式，另外的方面和实施方式将通过参考附图和理解接下来的介绍而变得清楚。
示例性实施方式在带有标号的附图中画出。在此公开的实施方式和附图应当被认为是解释说明性质的，而非限制性的。图1画出了蒸发冷却器或热交换器的示意形式，包括示例性表示的可渗透膜叠堆或组件用来在一体化单元或单级中同时提供间接蒸发冷却与除湿；图2画出了蒸发冷却器的另一示例性表示，显示的是膜/壁/膜叠堆组合使用的组件，用以相对于膜所包夹的液体干燥剂和冷媒(例如冷却水)引导供应和排出的空气流以实现冷却和除湿的目的；图3画出了与图2中所示类似的蒸发冷却器，但它被构造成具有用于排出/冷却后空气的一体化逆流通道；图4是示例性热交换器的俯视图，画出了空气流动穿过由基于膜的组件设置的多个通道或腔室，该组件比如图1-3中所示的那些或此处所示或介绍的其他实施方式；图5画出了蒸发冷却器或逆流热量/质量交换器的示例性建模(modeling)，比如一个带有图2中所示的叠堆组件和图4中所示流动排布的冷却器或交换器；
图6是沿着如图5中所示模制的交换器长度上的空气流和表面温度曲线图；图7是沿着如图5中所示模制的交换器长度上的空气湿度比的曲线图；图8是显示了流动穿过图5模型热交换器的液体干燥剂浓度的曲线图；图9是显示了如图5中所示模制的冷却和除湿作业的空气湿度图表；图10是另一个示例性热交换器的俯视图，画出了空气流动穿过由基于膜的组件设置的多个通道或腔室，该组件比如图1-3中所示的那些或此处所示或介绍的其他实施方式；图11是示例性热交换器的俯视图，所述热交换器与图4和10中所示的那些相似， 显示了带有变更的排出空气流的变更的单元排布形式；图12是显示了图10中所示的热交换器构造的与图5所示建模方式类似建模的冷却和除湿作业的空气湿度图表；图13画出了使用间接蒸发冷却器来为建筑物提供空调空气的供热、通风和空调系统；以及图14是提供了带有图2叠堆组件的与图4实施方式相似方式制造的样机的一个测试结果的空气湿度图表。
具体实施例方式接下来提供了对带有冷却器用的除湿和传质/传热组件的示例性间接蒸发冷却器的介绍，所述冷却器提供入口空气流腔室，其带有由包夹液体干燥剂的可渗透膜片限定的边壁。组件还包括出口或排出空气流腔室(比如与入口空气流逆流)，所述腔室带有由包夹冷媒(比如水)的可渗透膜片限定的边壁。在下面介绍的实施方式中，所述膜是“可渗透的”，意思是说蒸汽形式的湿气(例如，蒸汽态的水)一般可以比如经由蒸发从入口供应空气和液体冷媒中容易地渗透通过所述膜。但是，所述膜一般包夹或阻挡液体形式的湿气流动通过，这些湿气而是会被引导在通道或腔室之内流动。在一些情况下，当压强小于约 20psi时液态的水被包夹在所述膜中，更典型的是压强小于约5psi。一些实施方式中的冷媒和液体干燥剂被维持在低于约2psi的压强下，并且可渗透膜包夹液态的湿气，比如水， 与此同时水蒸汽渗透通过所述膜。正如接下来介绍将会弄清楚的那样，使用比如用于蒸发冷却器或质量/热量传递器的组件有许多好处。入口或工艺空气流可被同步地或者在单个腔室或级段中进行冷却和除湿，而这种组合式作用减小了系统的尺寸和成本以及所需零件和仪器的数量(比如，不需要多级单元或设备来冷却而后除湿和/或进一步用制冷剂等进行冷却)。液体干燥剂除湿与间接蒸发冷却器的组合由于蒸发和吸收作用能够提供出非常高的能量传递速率。本设计方案生成的液体干燥剂系统不需要冷却液体干燥剂的分隔仪器(例如，分隔的冷却塔或冷却装置)。叠堆装置或多层传质/传热组件(或歧管式流动腔室/通道)能实现超低流动的液体干燥剂的设计方案。这部分由于所述组件加强的几何造型和它使能液体干燥剂的温度降到比习惯使用的冷却塔技术可实现的温度更低的能力而造成的。因此，在冷却器中液体干燥剂有更高的浓度梯度(例如氯化锂(LiCl)的大于20百分点和其他干燥剂的类似梯度)，这提供了以下优点(a)热性能系数(coefficient of performance) (COP)更高以重新产生干燥剂(即，从干燥剂中除去水分)在冷却器中重复使用；(b)由于利用率改善而使干燥剂的存储需求变小；以及(c)能够使用比LiCl便宜的干燥剂，比如氯化钙(CaCl)， 氯化钙无法在传统的系统中使用，因为它们的吸收性质不如LiCl那么好，但是此处介绍的冷却器实施方式所提供的运行温度更低使得这种以及其他“较弱”的干燥剂的性质变得可以接受或变得理想。将膜作为腔室边壁使用有助于制造逆流和相对于预冷排出的空气实施方式的逆流。液体干燥剂与水分子可渗透通过的膜包夹在一起消除了液体干燥剂发生的“移位”("carry over")，移位是指小滴的干燥剂穿进空气流中的现象，这是直接接触排布方式的一个担心问题。此处介绍的实施方式还可观地减少或者甚至消除了水蒸发或吸收作业过程中沉积的固体(并且液体流动速率可以维持在足够高的水平以便进一步控制有可能的沉积物)，否则污垢会导致现有技术的蒸发冷却器维护费和运行成本增加。图1画出了蒸发冷却器(或质量/热量交换器)100的示意图，所述冷却器利于提供同时或同步地对作业或入口空气流120(例如，需要在供给到建筑通风系统中以前进行冷却和空调的室外或工艺空气)进行除湿和冷却。冷却器100以简化形式示出，具有以短划线示出的壳体，没有画出入口和出口流道、接入水管(plumbing)、和/或歧管。冷却器 100还示出了带有单个质量/热量传递叠堆110，但在典型的冷却器100中可能会存在许多叠堆110，所述叠堆都是重复所示出的构造(例如，通过使液体交错穿通过由膜和壁限定的腔室)，从而提供了带有多个空气和液体流动通道或腔室的组件以便为叠堆110提供所需的介绍过的传热和传质功能。如所示地，入口空气流120被引导到部分由膜112的片或层限定而成的腔室或通道中。液体干燥剂1 在膜112另一边上的相邻腔室或通道中流动。液体干燥剂IM被膜112所包夹，所述膜可允许液态或蒸汽态的水分子渗透通过，但一般不允许液体干燥剂 124的成分通过。用于干燥剂流124的腔室也是由不允许流体流渗透通过的材料片或层 114(即，分隔壁)限定而成，以便将液体干燥剂124包夹在腔室或流动路径中。用于流120 的腔室也是由相对设置的膜(未示出)限定而成，所述膜用来包夹另一液体干燥剂流。通过这种方式，热量从入口空气流120穿过或去除并传递到液体干燥剂流124(并且干燥剂位于相对边壁/膜(未示出)的后方)。同时地，入口空气流120随着水130穿通过可渗透膜 112进入液体干燥剂124中而被去除进而得到除湿。当空气流穿过膜112时，液体(或气体)干燥剂1 可采用许多形式来起到除湿和冷却空气流120的作用。干燥剂IM—般是任意的吸湿液体，用来从空气流，如流120中去除或吸收水分和水蒸汽。优选地，选取的干燥剂1 可以是可再生干燥剂(例如，可分隔出或去除掉所吸收水分的干燥剂)比如二醇(二乙二醇、(二缩)三乙二醇、三缩四乙二醇等)，盐浓缩液或离子盐溶液，如LiCl、CaCl等，或其他干燥剂。膜112可由任意能够发挥包夹液体干燥剂1 功能，并且典型地，可包夹冷媒126(比如水等)，同时还可允许液态或蒸汽态的水分子渗透通过的材料形成。例如，可用到的聚合物膜具有细孔，所述细孔的尺寸大约为水分子的尺寸或比它略大，在一些情况下，所述细孔还适于使水分子以高迁移率通过膜112。在一个特定实施方式中，膜112是由在Wnek的美国专利号No. 6，413，298中有详细介绍的膜材料形成，上述文献全文通过引用结合于此。所述膜材料还可从许多分销商或制造商处获得，比如但不限于美国佛罗里达州敖德萨市的Dias-Analytic公司。膜112， 118和分隔壁114优选地还由抗干燥剂腐蚀作用的材料形成，从这个角度看，它们可用聚合物或塑料制成，在一些情况下壁是由抗腐蚀的金属或合金形成，而这和塑料相比具有更高的导热率。所示的实施方式100被构造成预冷的排出空气流128(相对于入口空气流120)逆流。其他实施方式可使用交叉(与流动路径成大约90度)或准逆流(例如，非直接的在方向上相反或相对，而是横向例如流动路径相对于空气流120成大于90度的角)。排出的空气流1 在由膜片或层(例如，第二膜或下膜)118和另一叠堆的上膜(未示出)限定而成的通道或腔室中流动。分隔壁114和膜118限定出冷媒流126的流动腔室或通道，所述冷媒流典型的是指水流等。热量从液体干燥剂1 通过分隔壁被传递到冷媒126中，而冷媒 126随着热量和质量(例如水分或其他湿气13 经由膜118被传递到排出流1 中而得到冷却。热量的传递并未示出，但一般是通过膜112流动到液体干燥剂124，从液体干燥剂IM 通过分隔壁114到冷媒126，再从冷媒126通过膜118到排出的空气流128中。膜112，118 相对较薄，厚度tmem典型的小于0. 25英寸，更典型的小于约0. 1英寸，比如100到130微米等。膜112，118如果不被局限住的话，可具有向外膨胀的趋势，并且在一些实施方式中，比如图3中所示的实施方式，隔离器或“流场(flow field) ”支撑物被设于入口空气流120和排出空气流128中(即，空气流腔室中)，以维持相邻膜的分隔状态(例如，带空气流动的孔或开口的塑料或金属网，并具有之字形、S或W形、或其他横截面(或侧视图)，其能提供许多与膜112，118接触的相对较小的接触点)。分隔壁114典型地也相对较薄以便于干燥剂IM和冷媒1 之间的热量传递，比如具有厚度twall小于0. 125英寸等。空气、干燥剂、 和冷媒的流动腔室一般也相对较薄，在一些应用中所使用的腔室厚度(或深度)小于1英寸，而其他应用使用的腔室小于约0. 5英寸，比如约0. 25英寸或更小。图2画出的是利用膜/分隔壁/膜式的叠堆或组件构造提供质量/热量传递交换器设备的间接蒸发冷却器210，其中除湿和冷却在单级内发生，因此该设备是一种一体化或一元化的设备。在一些实施方式中(未示出)没有干燥剂边膜或干燥剂流。因而，这些实施方式有利于提供一种间接蒸发冷却器，其中膜包夹液体冷媒但没有液体干燥剂，并且所述膜典型地不设在供应空气的一边(或这些通道中)以便用分隔壁提供出更好的热传递表面。如图2中所示，冷却器210包括由叠堆或设备212，230，240组成的传质/传热组件，并且这样的叠堆组件典型地可以被反复在冷却器210中提供多个入口和排出的空气、冷媒、 和干燥剂流动通道或腔室。如图所示，每套叠堆(或成层的组件或设备)212，230，240的组成都是相似的，包括膜、分隔壁、和膜，其中所示膜可允许分子水平的水分渗透通过，以便进行传热和传质，而所述壁是不允许(或近乎于不能)渗透通过的，仅能进行热传递不能进行质量传递。具体地，叠堆212包括上膜层214、分隔壁216、和下膜层218。可典型地提供一些隔离器或间隔器(未示出)将这些层间隔开从而限定出冷媒215和液体干燥剂217的流动通道。例如，分隔器可被构造成还设有到冷媒和可再生干燥剂供应线路的连接机构，设有引导流动过各种叠堆212，230，240的歧管，并设有到冷媒和稀释干燥剂回流线路的连接机构。叠堆230和MO同样包括上膜层232，M2、分隔壁234，M4、和下膜层238，M8。与叠堆212相似，叠堆240具有的冷媒(比如水)243被引导到上膜层242和壁244之间的腔室中，而干燥剂246在壁244和下膜层248之间流动。相对而言，叠堆230具有的液体干燥剂 233被引导在由上膜层232和壁234限定的腔室中流动，而它具有的冷媒236被引导在由壁234和下膜层238限定的腔室或通道中流动。冷却器210包括管道等(未示出)从而将供应的入口空气250引导通过叠堆212 和叠堆230之间的通道或流动路径。叠堆212，230，240的排布方式和被包夹的流体使得供应的入口空气250穿越过包夹液体干燥剂217，233的膜218，232的表面。因此，供应的出口空气2M被输出的是除湿过的空气，这是由于空气250中的湿气经由可渗透膜218，232被干燥剂217，233吸收，并且空气2M也通过与干燥剂217，233的相互作用而得到冷却。冷却器210中的冷却效果部分地是由小部分供应的出口空气2M实现的，所述小部分出口空气通过管道/歧管(未示出)被重新引导到冷却器210中并作为预冷的排出空气255在叠堆230，240之间的通道或流动路径中流动，之后作为温暖的湿空气258输出。热量从干燥剂233通过壁236穿到冷媒236中(相似的热量传递发生在叠堆212，240中)，冷媒236能够经由膜238将热量和质量(例如水分子)传递到进来的排出空气255中。如上面讨论过的，由212，230，240提供的叠堆模式或套组典型地会在冷却器210内反复，形成具有许多平行的空气、冷媒、和干燥剂流动通道的传热和传质组件。所示的冷却器210是一种逆流交换器，但其他的流动模式也可在实施此处介绍的基于干燥剂除湿和冷却中使用到。例如，很容易就建立起交叉流动模式以及准(或不完全相反的)逆流模式。这些模式可通过交错冷却器的歧管和/或管道/接入水管以及设于叠堆之间的隔离器来实现。另外，逆流通路可一体地设于叠堆组件上而不是像通常在冷却器 210中那样设于外部。例如，冷却器310具有与图2冷却器210中所示相似的叠堆排布方式，除了它包括位于入口空气250和排出空气258的流动通道端部上的逆流隔板或分流壁 360。逆流隔离器360允许大部分冷却空气作为供应出口空气邪4离开叠堆(例如，多于约 50%或更典型的60%到90%以上的空气流250)。较小一部分(例如与补入的室外空气等的体积相等)作为预冷却的排出空气355被隔离器360引导在叠堆230，240之间流动。图 3还画出了对隔离器或流场隔板370的使用，其功能是维持叠堆212，230，240中分隔膜的分隔(或者是维持在约为它们的原始厚度而不是如一些可渗透膜可能会发生的胀出或膨胀)。隔离器370可采用很多形式，比如具有波浪图案的网(例如，S或W形的侧视图或横截面视图)，其中所选出的网在实践中对气流提供的阻力要尽可能的小，而同时还要提供足够的强度。还有，期望限制与膜的接触点或区域的数量，这是因为这些接触点或区域会阻挡湿气从空气250传递出和传递到空气355中。图4画出的是一个实施方式的间接蒸发冷却器400。提供了一种支撑传质/传热组件的壳体410，比如与在图1-3中所示叠堆套组一起形成一个组件。如图所示，壳体410 包括第一端412，所述第一端带有供应入口空气流415的入口 414和用于排出空气流417的出口 416。冷却器4100进一步包括与所述第一端412相反的第二端418，所述第二端为终端使用的设备或系统提供引导供应出口空气流420的出口或通风口(例如，回流空气到建筑物的的入口或供应口)。第二端418还被构造成将冷却后(和除湿后，在一些实施方式中)的空气426的一部分4 重新指向，用于在逆流中冷却供应的入口空气流415。冷却器400的样机被制造成带有如图2中所示的叠堆组件，有32条干燥剂通道。样机用10升每分(LPM)的流体进行测试(或约0. 3LPM每干燥剂通道)。提供的冷媒是水，其水流速率约为蒸发速率的1. 25到2. 00倍。该样机的蒸发速率约为1. 33加仑/吨-小时或5升/ 吨-小时，所提供的冷却水或冷媒的流动速率约为6至10升/吨-小时。当然，这仅是示例性的而非限定性的流动速率，并且我们预计液体干燥剂和冷媒的流动速率会取决于许多的因素，并将会匹配于特定的通道设计和冷却需要及其他考量。间接蒸发冷却器，例如使用图2所示叠堆套组的冷却器400，可被模制以确定使用可渗透膜来包夹冷媒和液体干燥剂的效果。图5给出了这样建模的图表500，显示的是使用参见图2所讨论过的叠堆212，230，和240冷却入口或工艺空气以及在同级或同作业中对这部分空气除湿的情况。示出了模型500的输入，也提供了典型入口空气条件的结果，其中结果和建模在本例中用工程方程解算器(Engineering Equation Solver) (EES)来实现。框内示出的数值或周围带方框的数字都是输入值(或假定的典型运行条件)，而框外或无框的值是建模的输出或结果。图表500中所示的建模结果相信对供热、通风、和空调(HVAC) 技术领域的技术人员本身就很清楚了，不需要详细的解释来理解在间接蒸发冷却器中使用膜包夹的实施方式所达到的效果；但是，接下来的内容会提供模型500中一些结果的图形介绍。图6画出了显示在叠堆之间的通道中的空气流温度的曲线图或图表610(例如，在使用此处介绍的这种传质/传热组件的蒸发冷却器中)。曲线图610还显示了沿逆流质量 /热量交换器(例如，带有如图2中所示的叠堆排布方式的交换器400)的长度上的表面温度。具体地，曲线图610用线612表示供应空气的温度，用线614表示排出/放出空气的温度，用线616表示干燥剂一边膜表面(例如，在膜和供应空气的交界面处)的温度，用线620 表示干燥剂一边膜表面(例如，在膜和供应空气的交界面处)的结露点温度，而用线618表示水的那一边膜表面(例如，膜和排出/放出空气的交界面处)的温度。图7是显示了沿逆流热量/质量交换器长度上的空气湿度比的曲线图或图表710。 具体地，曲线图710用线712表示供应空气的容积湿度比(bulk humidity ratio)，用线714 表示排出/放出空气的容积湿度比，用线716表示贴近干燥剂一边的膜表面(例如，在膜和供应空气的交界面处)上的空气的湿度比，而用线718表示贴近水那一边的膜表面(例如， 膜和排出/放出空气的交界面处)的空气的湿度比。图8画出的曲线图810用线815表示当干燥剂与供应空气同时沿逆流质量/热量交换器的长度流下时的浓度(在该特定的建模中干燥剂是指LiCl)。如线815所示，当干燥剂流动通过膜和分隔壁之间的通道时，由于从空气中吸收了水分子而开始变弱，例如，在该特定的建模实施例中干燥剂浓度从约44%下降到约(这是由于膜的特征在于允许这些允许条件下流动的空气中的水分子(以特定输入速率或设定)渗透通过)。图9在空气湿度图表910中显示的是图5模型500的作业过程。我们可以看到用线912表示的供应空气的湿度在逐渐的流失(以水蒸汽的千克数/干燥空气的千克数或 kgv/kgda)。供应的空气912的温度在初始时略升高是由于蒸汽吸收作用的大量的热进入干燥剂中。随着供应空气912沿着交换器(或包夹液体干燥剂的相邻叠堆膜层或壁之间的流动通道或腔室)的长度继续向下，温度进而下降到比入口处更冷/更干燥的条件。在交换器的出口处，供应的空气912被分成两股流。大部分空气被供应到冷却好的空间，而小部分空气(比如体积少于50%或更典型的，少于30% )汇集到(furmeled)热量/质量交换器或冷却器的排出/放出一边(或包夹冷媒的膜壁之间的排出/逆流流动通道)中，用线916 表示。排出的空气916具有低的结露点，因此，它可以收集到大量的蒸发热量。预冷却好的排出或放出空气916从湿的一边通道收集水蒸汽(和与相关的蒸发热量)。空气916离开单元时的焓比用线912表示的供应入口或出口任一个的焓都大。图表910还用线918表示了贴近干燥剂一边(ds)的膜表面的供应空气的湿度比和温度。接下来的表格显示的是将图5对入口和出口空气流的建模做成表格形式的结果。 如表所示，可以选取并输入到模型500中的温度和湿度水平范围很宽。在结果显示在表格中的构造里，当干燥剂流停用时(例如，在一些运行模式下，不需要或没必要用干燥剂对空气除湿)等效的湿球效率会是113%，这意味着冷却器能够将供应的空气冷却到入口湿球温度以下。表格模型运行得到的入口和出口条件(° F和kg/kg)
权利要求
1.一种间接蒸发冷却器，所述间接蒸发冷却器利用液体冷媒流以及排出或放出的空气流将入口供应空气流从第一温度冷却到第二、较低的温度，所述间接蒸发冷却器包括第一流动通道，用于接收所述入口供应空气流；和与所述第一流动通道相邻的第二流动通道，用于接收所述排出的空气流，所述排出的空气流的温度比第一温度低；其中，所述第二流动通道部分地由膜片限定而成，其中所述膜片至少部分地允许水蒸汽渗透通过，并且所述液体冷媒流在所述膜与所述第二流动通道相反的一边上流动。
2.权利要求1的冷却器，其中，响应于接收从第一流动通道中入口供应空气流传递的热量，所述液体冷媒以蒸汽形式将质量通过所述膜传递到排出空气流中。
3.权利要求2的冷却器，进一步包括与膜片间隔开的分隔壁，所述分隔壁限定了用于液体冷媒流的液体冷媒流动通道，所述分隔壁包括液体冷媒无法渗透通过的材料，且所述材料能传导来自入口供应空气中的热量。
4.权利要求3的冷却器，进一步包括第二膜片，所述第二膜片与分隔壁间隔开，位于与第一膜片相反的一边上，所述第二膜片部分地限定出第一流动通道，并且第二膜片与所述分隔壁共同限定出接收液体干燥剂流的干燥剂流动通道，其中，水蒸汽从入口供应空气流通过所述第二膜片被传递到液体干燥剂流中。
5.权利要求4的冷却器，其中，所述第一和第二膜片阻止了液体冷媒和液体干燥剂流动通过所述膜的流动，由此，所述液体干燥剂和所述液体冷媒分别被包夹从而使它们不会流动进入所述第一和第二流动通道中。
6.权利要求5的冷却器，其中，所述液体干燥剂包括盐溶液，而所述液体冷媒包括水。
7.权利要求6的冷却器，其中，所述液体干燥剂是弱干燥剂。
8.权利要求1的冷却器，其中，所述的排出空气包括入口供应空气流中大约以第二、较低的温度进入所述第二流动通道中的那一部分空气。
9.权利要求1的冷却器，其中，所述入口供应空气流在所述第一流动通道中以第一方向流动，而排出空气流在所述第二流动通道中以第二方向流动，所述的第二方向相对于所述第二方向呈交叉或逆流的至少一种。
10.一种在蒸发冷却器中使用的传热和传质组件，包括第一叠堆，所述第一叠堆包括上膜、下膜、和所述上和下膜之间的分隔壁，所述上和下膜可允许蒸汽形式的水渗透通过，而分隔壁大体上不允许液体和蒸汽渗透通过；第二叠堆，所述第二叠堆包括上膜、下膜、和所述上和下膜之间的分隔壁，所述上和下膜可允许蒸汽形式的水渗透通过，而分隔壁大体上不允许液体和蒸汽渗透通过；和第三叠堆，所述第三叠堆包括上膜、下膜、和所述上和下膜之间的分隔壁，所述上和下膜可允许蒸汽形式的水渗透通过，而分隔壁大体上不允许液体和蒸汽渗透通过；其中，第一叠堆和第二叠堆被间隔开，限定出用于接收第一空气流的流动通道，并且其中，第二和第三叠堆间隔开限定出第二空气流的流动通道。
11.权利要求10的组件，其中，所述第一、第二、和第三叠堆包括一套叠堆，其中，所述组件进一步包括多套叠堆中的两个或多个，它们限定出多条平行的流动通道，用于第一空气流和第二空气流。
12.权利要求10的组件，其中，所述第一空气流和第二空气流在所述的流动通道中以交叉方向流动。
13.权利要求12的组件，其中，所述第一空气流和第二空气流在所述的流动通道中以逆流方向流动。
14.权利要求10的组件，进一步包括位于所述第一和第二叠堆之间的流动通道中的隔离器和位于所述第二和第三叠堆之间的流动通道中的隔离器，其中，这些隔离器被构造成维持叠堆所述膜的间距，并允许第一和第二空气流流动。
15.权利要求10的组件，进一步包括 在第一叠堆中，在上膜和分隔壁之间流动的液体冷媒，和在分隔壁和下膜之间流动的液体干燥剂；在第二叠堆中，在上膜和分隔壁之间流动的液体干燥剂，和在分隔壁和下膜之间流动的液体冷媒；和在第三叠堆中，在上膜和分隔壁之间流动的液体冷媒，和在分隔壁和下膜之间流动的液体干燥剂。
16.权利要求15的组件，其中，所述液体冷媒包括水，所述液体干燥剂包括盐溶液，而所述膜每个都包括允许水分子渗透通过的材料。
17.一种调节工艺空气的方法，包括第一引导所述工艺空气穿过第一流动通道；第二引导液体干燥剂流邻近第一流动通道的壁，所述液体干燥剂通过膜与第一流动通道中的所述工艺空气分隔开来，其中，所述膜包夹液体干燥剂并允许所述工艺空气中的水蒸汽流动到所述液体干燥剂中，由此所述工艺空气被除湿；与所述第一和第二引导同时进行地，第三引导放出空气流通过接近第一流动通道的第二流动通道，所述放出空气的温度比至少一部分工艺空气的温度低；和与所述第一、第二和第三引导同时进行地，第四引导液体冷媒流邻近第二流动通道的壁，所述液体冷媒通过膜与第二流动通道中的放出空气分隔开来，其中所述膜包夹液体冷媒并允许液体冷媒中的蒸汽流动到放出空气中，由此热量从液体冷媒中释放，并且工艺空气在除湿的同时得到了冷却。
18.权利要求17的方法，其中，放出空气流被引导的方向相对于工艺空气被引导通过第一流动通道的方向至少部分逆流。
19.权利要求18的方法，其中，放出空气流包括引导通过所述第一流动通道之后的一部分工艺空气。
20.权利要求17的方法，其中，所述液体冷媒是水，而所述液体干燥剂是弱干燥剂，所述弱干燥剂包括盐溶液，并且其中，所述膜包夹所述盐溶液并使所述盐溶液不会流动到所述第一流动通道中。
全文摘要
一种间接蒸发冷却器，所述间接蒸发冷却器利用液体冷媒流和排出或放出空气流将入口供应空气流从第一温度冷却到第二、较低的温度。冷却器包括入口供应空气的第一流动通道和与所述第一流动通道相邻的第二流动通道，用于排出的空气。第一和第二流动通道部分地由膜片限定而成，其中所述膜允许水蒸汽渗透通过，从而使得随着热量从入口供应空气被传递到液体冷媒中时，质量以蒸汽形式从入口供应空气穿过所述膜被传递到被包夹的液体干燥剂中进行除湿以及传递到排出空气中。分隔壁将所述液体干燥剂和冷媒分开，但允许热量从供应的空气中被传递到冷媒中，所述冷媒将水蒸汽释放给逆流或交叉流动的排出空气。
文档编号F24F5/00GK102165268SQ200880128218
公开日2011年8月24日 申请日期2008年1月25日 优先权日2008年1月25日
发明者E·J·科祖巴尔, S·J·斯莱扎克 申请人:可持续能源联盟有限责任公司