具有吸湿性工作流体的散热系统的制作方法
【专利说明】具有吸湿性工作流体的散热系统
[0001]相关申请的交叉引用
本申请要求2013年7月29日提交的美国实用新型申请号13/953,332的优先权的权益，其公开整体上通过引用并入本文中。
[0002]关于联邦政府资助的研究或开发的声明
本发明是在政府支持下根据美国能源部(DOE)授予的标题为“关于化石能源相关资源的研究与开发的EERC-DOE联合项目(EERC-DOE Joint Program on Research andDevelopment for Fossil Energy-Related Resources)，，的合作协议号(DE-FC26-08NT43291)下所做出的。政府享有本发明中的一些权利。
技术领域
[0003]本发明涉及将降级的热能耗散到环境空气中。
【背景技术】
[0004]热能耗散在工业上是一项普遍任务，其主要依赖于大量的冷却水来满足需求。普通排热过程包括热电厂里的蒸汽冷凝、空调和制冷装备中的制冷剂冷凝以及化学制造期间的工艺冷却。在发电厂和制冷系统的情况下，需要在尽可能的低温下并且使水份损失最少来将热能耗散到操作环境以获得最优的资源利用。
[0005]在当地环境具有合适、容易获得、低温的水源(例如，河流、海洋或湖泊)的情况下，能够直接提取冷却水。但是，由于对水源的竞争和认识到水源的各种用途对环境的影响日益增加，所以预计在未来这些冷却条件中很少是可用的。在缺乏合适、容易获得的冷却剂源的情况下，在所有地域可用的唯一的另外的常见冷源是环境空气。当前使用显热传递和潜热传递两者来将热量排到空气。在显冷中，直接将空气用作冷却剂来冷却过程热交换器的一侧。对于潜冷，将液态水用作中间传热流体。热能主要以蒸发的水蒸汽的形式传递到环境空气，并且具有空气的最小温升。
[0006]这些技术通常用在工业上，但每种技术具有明显的缺点。在显冷情况下，与液体相比，空气是较差的冷却剂，并且空气冷却过程所产生的效率会是欠佳的。空气冷却热交换器中的空气侧传热系数总是远低于液体冷却热交换器或冷凝工艺中的情况，并且因此需要大的热交换表面积以达成优良的性能。除更大的表面积需求之外，空气冷却热交换器接近用于冷却的空气的环境干球温度的冷却限制，其可在一天期间改变30°到40° F并且可在一天中最热的数小时期间妨碍冷却能力。空气冷却系统设计通常是工艺效率和热交换器成本之间的折衷办法。选择最低初始成本选项会对系统的使用寿命具有负面的能量消耗影响。
[0007]在潜热耗散中，冷却效率高得多，并且排热温度在整天期间更为一致，因为湿式冷却塔将接近用于冷却的空气的环境露点温度，而非用于冷却的空气的振荡干球温度。与这种冷却方法相关联的关键性缺点或问题是冷却中所使用的相关联的水消耗，这在许多地方是有限的资源。获得用于湿式冷却系统操作的足够用水权耽搁了工厂许可，限制了厂址选择，并且给新发展的对手造成了非常明显的弱点。
[0008]现有技术美国专利3，666，246公开了一种散热系统，其使用在蒸汽冷凝器(热负荷)和与环境气流接触的直接接触热质交换器之间循环的水性干燥剂溶液。在此系统中，迫使液体溶液接近主导的环境干球温度和湿蒸汽压力。为防止吸湿性干燥剂过度干燥和从溶液析出，将循环的吸湿性干燥剂流的一部分回收到空气接触器，而不从热负荷吸收热量。这样引起空气接触器中的平均温度更低并且帮助扩大系统的操作范围。
[0009]使未受热的吸湿性干燥剂溶液再循环对于接近20°C和接近50%的相对湿度的环境条件而言是有效的，如由美国专利3，666，246中描述的示例所说明的，但在更干燥、湿度更小的环境中，必须增加未受热的再循环吸湿性干燥剂流的量以防止吸湿性干燥剂溶液结晶。当环境空气的水分含量减小时，所需的再循环流增加以成为总流量的越来越大的比例，使得冷凝器没有发生显著冷却，由此降低散热系统的冷却能力，在极端情况下甚至接近零或者没有明显的冷却。最终，一旦吸湿性干燥剂在主导的环境条件下不再是稳定的液体，则即使再大量的再循环流也无法防止未受热的吸湿性干燥剂溶液结晶。
[0010]将瞬时环境条件用作吸湿性干燥剂溶液的方法条件将美国专利3，666，246中的散热系统的操作限于接近30%或更大的相对湿度(使用优选的MgCl2吸湿性干燥剂溶液)。否贝ij，吸湿性干燥剂可完全干透并从溶液析出。这种限制将排除在经历显著更干燥的天气模式、湿度更小的空气并且可以说需要改进干式冷却技术的世界地区中操作和使用美国专利3,666246中所描述的散热系统。
[0011]另外，虽然美国专利3，666，246中所描述的散热系统公开了可替代地操作所述系统以吸收大气中的水分并随后使其蒸发，但所公开的散热系统设计规避了散热系统的这种操作模式的大部分。使用美国专利3，666，246中所描述的散热系统，假设在更冷的夜间数个小时期间大气中的水分已被吸收到吸湿性干燥剂溶液中，当环境温度在清晨开始变暖时，则将开始从吸湿性干燥剂蒸发掉水，因为其不具有用于抑制在清晨过渡周期期间减少过度的水分蒸发的机制，并且当环境温度和冷却需求通常更高时其没有办法在白天循环期间(例如，下午)留住过多的水分以供稍后更有益的使用。相反地，当散热系统中的吸湿性干燥剂溶液的蒸汽压力超出环境空气的压力时，则散热系统中的吸收在吸湿性干燥剂中的水将开始蒸发，而不管其是有成效地使热能从热负荷耗散，还是浪费地从环境气流吸收能量。
[0012]已提出对这些基本冷却系统的改进。已投入显著的精力至在一天中的最热时候期间使用蒸发式冷却来增加空气冷却冷凝器的混合式冷却概念中。与完整潜冷相比，这些系统能够使用更少的水，但系统性能的任何提高是直接与基于水的增加的量有关，因此这些系统并未解决水消耗的根本问题。尽管存在满足工业工艺的冷却需求是一项基本的工程任务的事实，但仍需要显著的改进，主要是消除水消耗，且同时以合理的成本来维持高效冷却。
[0013]总之，需要相对于当前方法被改进的散热技术。由于需要巨大的热交换表面积并且由于在最热的环境温度期间不利于其传热性能，所以使用空气进行的显冷是昂贵的。潜冷或蒸发式冷却具有优选的冷却性能，但其消耗大量的水，而水在一些地域是有限的资源。
【发明内容】
[0014]本发明涉及散热系统设备和操作方法，其将吸湿性工作流体用于广泛多种环境中以使吸收在吸湿性工作流体中的水被释放，以最小化散热系统设备中的水消耗，从而在几乎没有水可供用于冷却系统中的环境中实现有效冷却。
【附图说明】
[0015]图1是根据本发明的一个实施例的散热系统的示意图。
[0016]图2A是描绘用于计算本发明的一个实施例的动态响应的输入温度条件的图表。
[0017]图2B是描绘响应于图2A的循环性输入温度分布曲线所计算的本发明的热传递分量的图表。
[0018]图3是描绘本发明的可替代实施例的错流空气接触器的示意图。
[0019]图4是图3的空气接触器中所示的其中管集箱的截面细节图。
[0020]图5A是描绘本发明的可替代实施例的降膜过程热交换器的示意图。
[0021]图5B是如从所指示的剖面线观察的图5A中的过程热交换器的剖视图。
[0022]图6是本发明的可替代实施例的示意图，其合并有降膜过程热交换器以预先调节空气接触器入口空气。
[0023]图7是本发明的可替代实施例的示意图，其合并有空气接触器以预先调节降膜过程热交换器。
[0024]图8是本发明的可替代实施例的示意图，其合并有预备机构以增加工作流体的水分含量。
[0025]图9是本发明的可替代实施例的示意图，其合并有分级的多个错流空气接触器。
[0026]图10说明图9中所说明的本发明的可替代实施例的操作。
[0027]图11是本发明的可替代实施例的示意图，其包括渗透膜水分提取单元。
[0028]图12是本发明的可替代实施例的示意图，其包括真空蒸发器。
【具体实施方式】
[0029]本文中所描述的散热系统是对基于干燥剂(吸湿性)的流体冷却系统中的技术状态的改进，其通过合并有用于调节在散热系统中发生的显热传递(例如唯一作用在于改变温度所交换的热量)对潜热传递(例如没有温度改变所交换的热量)的量的机构，使得基于干燥剂的吸湿性流体保持稳定(溶液中的吸湿性干燥剂)以防止干燥剂从基于干燥剂的吸湿性流体中结晶。以简单的形式，散热系统包括:至少一个吸湿性干燥剂-空气直接接触热交换器，其用于进行显热传递和潜热传递结合的热交换;至少一个显热交换器，其用于随所使用的热交换流体的温度的改变进行热交换；以及至少一种干燥剂(吸湿性)流体，其用作散热系统中的热交换流体以与大气交换水从而维持干燥剂(吸湿性)流体的含水量。在本文中所描述的散热系统中，热能在更冷的环境周期期间以更高(但仍可允许)的温度耗散掉，以便在峰值环境温度期间维持冷却能力。在一些实施例中，防止干燥剂结晶包括充分防止干燥剂全部结晶。在一些实施例中，防止干燥剂结晶能够包括充分防止干燥剂结晶但允许发生少于特定少量的结晶，例如，其中，不超过存在于溶液中的约0.000，000，001重量百分比或更少的干燥剂结晶，或例如不超过存在于溶液中的约0.000,000,01,0.000,000,1,0.000，001、0.000，01、0.000，1、0.001、0.01、0.1、1、1、1.5、2、3、4、5重量百分比或不超过约10重量百分比的干燥剂结晶。
[0030]本文中所描述的散热系统包括与热负荷相互作用的直接接触式空气-流体潜热交换器和显热交换器的逆流、分级序列。来自直接接触式空气-流体潜热交换器的一级的反馈被传递到直接接触式空气-流体潜热交换器的另一级，该反馈是以气流中的蒸汽压力增大及服务于热负荷的吸湿性干燥剂工作流体的温度降低的形式。在组合的情况下，与热负荷相互作用的直接接触式空气-流体潜热交换器和显热交换器的此类逆流、分级序列减少了热负荷中被传递到直接接触式空气-流体潜热交换器的初始、更冷级(其含有在更冷时期期间被吸收的许多水分)的比例，并防止了来自直接接触式空气-流体潜热交换器的最终、更热级的过度蒸发。
[0031]本文中所描述的散热系统各自使至少一种(或多种不同类型)的吸湿性工作流体循环，以将热量从需要冷却的工艺直接传递到环境空气。吸湿性流体在其与预期的当地环境条件处于热和蒸汽压力平衡的条件下呈液相，使得基于干燥剂的吸湿性流体保持稳定，以防止干燥剂从基于干燥剂的吸湿性流体中结晶。吸湿性流体包括吸湿性物质和水的溶液。在一个实施例中，与水相比，吸湿性物质自身应具有极低的蒸汽压力，以便防止流体的吸湿性组分在循环操作期间的显著损失。吸湿性组分能够是选自已知用来吸引湿蒸汽并与水形成具有降低的水蒸汽压力的液体溶液的化合物的纯物质或物质的混合物。吸湿性组分包括当前用于干燥操作或除湿操作的所有材料，包括吸湿性无机盐，例如，LiCl、LiBr、CaCl2、ZnCl2;吸湿性有机化合物，例如乙二醇、丙二醇、三甘醇;或无机酸，例如出304等。
[0032]从合适的显热交换器的过程中移除热能，该显热交换器在其一侧上具有过程流体流且在其另一侧上具有吸湿性工作流体冷却剂流。此显热交换器能够采取任何已知的热交换装置的形式，包括壳管式热交换器、板框式热交换器或降膜式热交换器。被冷却的过程流体包括单相流体、液体或气体，或能够是经历相变(例如，蒸汽冷凝成液体)的流体。因此，由吸湿性过程流体所呈现的热负荷能够是明显的(例如，具有温度变化)或潜在的(其