换热面保护方法以及湿空气冷却方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种换热面保护方法以及湿空气冷却方法，详细而言，涉及如下一种换热面保护方法，其能够通过防止与周围的温度差较大的换热面上发生物质移动(Masstransfer)，来提供一种无需维护的换热面，还涉及如下一种湿空气冷却方法，其能够在利用换热面来冷却湿空气或从温度边界层内的冰点以下的湿空气吸热的情况下，使换热面能够进彳丁尚效且稳定的冷却。
【背景技术】
[0002]利用换热面在流体和湿空气之间进行换热时，在流体与湿空气之间，在与空气接触的换热面，在换热面温度比空气温度低的情况下(以下称为冷却面)，会频繁发生结露、结霜或结冰现象。
[0003]下面参照图3对结霜现象或凝结现象的发生条件进行说明。
在空气温度在(TC以上的情况下，周围环境中的水蒸气状态为水饱和周围环境(也包括在此之上的状态)时发生的现象中，水蒸气凝结于周围环境中的凝结核，使得产生水珠，之后水珠落下堆积于冷却面上，水蒸气凝结于该水珠，使得水珠的生长、合流反复发生，形成较大的水珠，当附着力无法与重力对抗时，水珠从冷却面流下(落下)。
另外，在空气温度在0°C以下且在-40°c以上的情况下，周围环境中的水蒸气状态为水饱和周围环境(也包括在此之上的状态)时发生的现象中，水蒸气凝结于周围环境中的凝结核，使得产生过冷却水珠，之后水珠落下堆积于冷却面上，过冷却水珠生长、合流后发生冻结，水蒸气凝华于该冻结冰粒子而发生结霜生长现象。
另外，同样在空气温度在0°C以下且在-40°C以上的情况下，周围环境中的水蒸气状态为冰饱和以上、水饱和以下的周围环境时发生的现象中，水蒸气凝华于周围环境中的凝华核，使得产生冰晶，之后该冰晶落下堆积于冷却面上，水蒸气凝华于该冰晶而发生结霜生长现象。
[0004]此外，在此对凝结及凝华的现象进行一些说明。在对湿空气进行冷却后，空气中的水蒸气变为饱和状态(称为“水饱和”)，不能有更多的水蒸气以气态存在，开始发生凝结。此时的空气温度称为露点温度。另外，气温在(TC以下的情况下，水蒸气的饱和状态包括冰饱和和水饱和这两种现象。这是由于，与水状态的饱和水蒸气量相比，冰状态的饱和水蒸气量较小，因此若在o°c以下的湿空气中逐渐进行冷却的话，会先开始冰饱和状态，饱和水蒸气量以上的水蒸气通过凝华而作为冰结晶(称为冰晶)出现于空气中的冰核上。在此，将此时的空气温度定义为冰点温度。此外，若在低温下进一步进行冷却，则达到水饱和状态，与o°c以上的情况相同，开始发生凝结，不过，到空气温度在-40°c为止的范围内，凝结液珠不会马上冻结，而是成为过冷却水珠。与(TC以上的情况相同，此时的空气温度也称为露点温度。然后，随着时间的经过，过冷却水珠以一定的概率发生冻结。由于冰的蒸气压低于周围的蒸气压，因此水蒸气会积极地凝华于成为冰后的冻结粒子的冰面，霜结晶P4开始快速地生长。
[0005]另外，在空气温度在-40°C以下的情况下，周围环境中的水蒸气状态为水饱和周围环境(也包括在此以上的状态)时发生的现象中，水蒸气凝华于周围环境中的凝华核，即，成为冻结粒子，之后落下堆积于冷却面上，落下堆积的冻结粒子堆积形成粉末状的霜。此外，此时冷却面的温度在-40°C以下，但是，当周围环境空气温度在-40 °C以上的较暖状态时，当堆积的粉末状的霜变厚、暴露在该周围环境中的霜层的表面温度在-40°C以上时，有时水蒸气凝华于该霜层，发生结霜生长现象。
另外，同样在空气温度在_40°C以下的情况下，周围环境中的水蒸气状态为冰饱和以上、水饱和以下的周围环境时发生的现象中，水蒸气凝华于周围环境中的凝华核，从而产生冰晶，之后该冰晶落下堆积于冷却面上，水蒸气凝华于堆积的冰晶而发生结霜现象。
[0006]此外，上述说明中记载了冷却面附近的温度边界层内的周围环境中存在凝结核及凝华核，不过，由于冷却面上也存在凝结核及凝华核，因此在该冷却面也直接发生水蒸气凝结于凝结核及凝华于凝华核等现象。如此，即使空气中不发生过饱和现象，只要冷却面相当于该周围环境，也会在冷却面发生凝结、凝华现象。
[0007]结露是发霉等卫生状况降低、或者腐蚀或漏电、换热面污垢等的原因，而结霜或结冰的情况下，如果发生融化的话，也会引起与结露同样的问题，霜层或冰层在换热过程中成为阻热层，根据其物理上的厚度还会阻碍通风，在结露过程中形成于换热面的液膜也会导致形成阻热层，这些均是换热量降低的重要原因。因此，现有技术中，有对换热面进行除霜或除湿的各种技术。
[0008]关于这一点，专利文献I中公开了一种利用多孔材料的湿度调节剂或防结露剂。 详细而言，该湿度调节剂或防结露剂中，粒子自身并不使用多孔性材料，由纳米量级的微粒子以不影响该微粒子间的空隙的方式充填、积聚形成的结构体构成，在微粒子之间使用具有纳米尺寸的孔的多孔材料，其具有在细孔半径Inm?1nm的范围内具有毛织物状细孔分布的多孔结构，基于开耳芬的毛细凝结理论，在相对湿度75%?93%的区域水蒸气吸附量增加。更具体而言，吸附等温线开始于约80%附近，在相对湿度75%?93%的区域的吸湿量约为12mass %，从脱附等温线来看，在相对湿度约70 %时，在相对湿度75 %?93 %的区域吸附的水蒸气被释放，防结露能力恢复。
[0009]采用这种湿度调整剂或防结露剂，吸附作为结露原因的湿空气中的水蒸气，并且通过脱附来恢复防凝露能力，从而能够反复使用。由于细孔半径为Inm?10nm，因此能够捕捉湿空气中的水蒸气，但是，在湿空气的温度在冰点下的状态下，湿空气中产生过冷却凝结液珠时，过冷却凝结液珠的直径至少为Ιμπι，因此无法通过捕捉过冷却凝结液滴来调节湿度或防止结露。
从这一点来看，在需要应对冰点下的湿空气的冷冻装置的湿空气冷却器等的情况下，期望有一种换热面保护方法，通过防止与周围温度差较大的换热面上的物质移动来实现能够提供一种无需维护的换热面。
[0010]另外，尤其是，湿空气冷却器等将湿空气冷却至冰点下的情况下或LNG气化器等从湿空气吸热的情况下等湿空气变为冰点下时，作为换热面的冷却面上不发生结露而是发生结霜或结冰，由于霜层的导热率较低，因而其成为阻热层，并且生长的霜阻碍作为冷却对象的湿空气的通风，总而言之，会导致换热效率降低。
关于这一点，专利文献2中公开了一种换热器，其通过机械式地除霜，既能够利用凝固热，又能够长时间地连续运行。更详细而言，该换热器为能够从湿空气吸收热量的换热器，表面具有微细的凸部和凹部，凹部的上表面具有最小宽度为ΙΟΟμπι以上500μπι以下的平面部，凹部的最小宽度为ΙΟΟμπι以上ΙΟΟΟμπι以下。通过在换热器的表面设置凸部和凹部，能够使霜结晶Ρ4在凸部的上表面的平面部上沿垂直方向生长，由于霜结晶Ρ4在凸部上方生长、凹部上方为间隙，因而整体上形成楔齿状的霜结晶Ρ4。这种形状在结构上较弱，因此例如能够用刷子及刮刀等除去工具容易地掸落，由此，能够提供一种既能够利用凝固热、又能够长时间地连续运行的换热器。
[0011]再者，专利文献3中公开了一种用于抑制霜生长的防结霜部件。详细而言，该防结霜部件的表面上以规定的模式形成有疏水性较高的疏水部和亲水性比疏水部高的亲水部，由于疏水部的疏水性相对较高，因而不容易附着霜，而亲水部容易附着霜。因此，在疏水部霜不会生长得较大，而在亲水部霜会生长得较大，因而当亲水部的霜在生长到较大之后，无法与气流对抗时就会发生崩塌，然后再次重复生长、崩塌的过程。如此，通过在防结霜部件的表面以规定的模式形成疏水部和亲水部，来促进霜的生长、崩塌的重复，从而抑制霜的生长。
然而，如专利文献2和专利文献3所示那样，通过对换热面进行表面加工或表面处理来达成防止结霜的目的时，会随着时间经过而发生结霜，难以长时间持续地维持防止结霜的效果，另外，根据冷却介质或湿空气的温度条件、湿度条件或湿空气的流动状态的波动，结霜状况会发生变化，对于这种条件的波动，专利文献2和专利文献3难以应对。
再者，从防止湿空气的结霜这一目的本身来讲，能够实现通过防止在冷却面的结霜来促进显热交换，但是，排除了随着水蒸气的相变发生的潜热交换(凝固热)，作为总体的换热方法，不一定得到了改善。
[0012]关于这一点，专利文献4中公开了一种用于降低冷却器的结霜的装置。详细而言，该装置配置在冷却用换热器的附近，冷却用换热器在导热管上接合有多个平板状的叶片。该装置具有喷射机构和驱动机构，其中，喷射机构具有与叶片的平面方向呈直角或平行的多个喷嘴，驱动机构用于驱动喷射机构作往复运动。喷射机构与叶片的平面方向平行或呈直角地移动，喷射湿空气。通过使多个喷嘴排成一列，与叶片的平面方向平行或呈直角地移动，该喷嘴列沿着冷却器的叶片表面排出湿空气，从而，向冷却用换热器的整个叶片区域喷射湿空气，使流体的抗力作用于叶片表面上附着的霜，从而能够除去变成霜之前的过冷却状态的水珠及已结冰的霜。因此，无需使冷却装置停止运行，以较少的湿空气排出量实现降低结霜，结果使得能够维持较高的运行效率，从而能够降低防止结霜及除霜的运行成本。
[0013]然而，由于上述的用于降低冷却器的结霜的装置通过对叶片表面所结的霜喷射湿空气来强制地除去霜，因而，其原本的目的并非防止结霜，也不能对叶片表面所结的霜进行利用，而且，由于是在冷却用换热器的附近另行设置用于降低结霜的装置，因而需要进行保养，以使喷嘴开口不被阻塞。
[0014]关于这一点，专利文献5及专利文献6中公开了一种除冰霜或除冰雪网，在汽车的前挡风玻璃上结霜或结冰时，或者积雪时，利用该网，能够除去前挡风玻璃上的冰雪。
详细而言，该除冰霜或除冰雪网由配置为平面格子状线材构成，直接铺设于汽车的前挡风玻璃，所述平面格子具有规定的线材宽度和规定的网孔宽度。
采用该除冰霜或除冰雪网，形成在网孔开口部内的冰、霜或积存于网孔开口部的雪与网成为一体，通过拉拽该网，或剥下该网，通过网孔开口部形成在前挡风玻璃上的冰、霜或积存的雪与网一起被除去。
因此，为了使要除去的冰、霜或雪与网形成一体，根据所形成的冰、霜或雪的厚度来确定线材的宽度，根据线材对冰、霜或雪的附着力来确定网孔的宽度。
[0015]具体而言，若冰、霜或雪的厚度为3mm，则将线材的宽度设定为2mm以上6mm以下，网孔的宽度设定为1mm以上50mm以下(专利文献5)，若冰、霜或雪的厚度为2mm以下，则将线材的宽度设定为0.5mm以上不足2mm，将网孔的宽度设定为Imm以上1mm以下(专利文献6)。
无论哪种情况，象有顶棚的停车场内的汽车的前挡风玻璃上不发生结霜现象那样，除冰霜或冰雪网均只是通过简易形成的网使汽车的前挡风玻璃上冰霜或冰雪在网上形成一体，通过拉拽整个网或剥下整个网，来除去冰霜或冰雪。
[0016]如上所述，现有技术中，无法长期地保护换热面，也不能够随时间的经过一直维持冷却面的换热。
如上所述，现有技术中没有公开使上述的凝结、结霜等现象作用于冷却面之外的想法，也没有关于此的启示。
专利文献I:日本发明专利授权公报特许第4599592号专利文