膜片式露点间接蒸发冷却换热器的制作方法

本发明涉及的是一种换热器领域的技术，具体是一种膜片式露点间接蒸发冷却换热器。

背景技术：

露点间接蒸发冷却系统通过水与空气之间的热湿交换来获取冷量，可以提供接近于露点的空气，具有结构简单、运动部件少、能效比高的优点，然而露点间接蒸发换热器的换热效率以及相对于直接蒸发换热器而言较高的制造成本是阻碍该系统广泛运用的重要影响因素。

目前露点间接蒸发换热器多为板翅式结构，包括：纵向干空气通道和横向湿空气通道；通过在纵向干空气通道的中间设置小气孔，使得流经此处的空气可以穿过气孔流入横向湿空气通道中，并与湿空气通道中原有空气一起被绝热加湿，在自身温度降低后再对纵向干空气通道中的空气进行等湿冷却，直至接近露点温度。在此过程中，由于空气流动的不稳定性，容易使得水通过小气孔从湿通道进入干通道从而污染送风，从而丧失了间接蒸发换热器相对于直接蒸发换热器而言送风不加湿的这一优势；平板加翅的结构虽然增加了换热面积，但是就换热强度而言，平面上附着的层流底层会恶化传热。

而根据换热器空气流动及换热组织方式的差异，露点间接蒸发换热器主要有逆流和叉流两种，其中：逆流换热虽然具有较小的换热温差，但是同等条件下面临着较大的流动压降；而叉流换热内部通道狭窄、结构复杂，大量气流流经小气孔，增加了流动阻力，降低了冷却效果，使得一次空气不能完全冷却、换热效率下降。

另一方面，现有技术中干湿换热流道截面相同，但是间接蒸发换热器有其本身的特点：干换热通道层里的流量要远大于湿换热通道的流量。这一特征导致气流在干换热通道层高速流动、产生了很大的压降，而湿通道里则风速不足、水膜蒸发换热强度不够，最后降低了整体换热效率。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的外置分流孔阻力过大、温度场的不均匀、换热器结构复杂以及换热效率难以满足要求等诸多缺陷和不足，提出了一种膜片式露点间接蒸发冷却换热器，通过改进干湿换热通道截面结构及设置非对称的干湿换热通道，能够实现逆流和叉流的混合，在保证较小换热温差的同时，降低流动压降，提高换热效率。

本发明是通过以下技术方案实现的，

本发明涉及一种膜片式露点间接蒸发冷却换热器，该换热器中设有交替叠加的第一换热 膜片和第二换热膜片，其中：第一换热膜片的亲水面与第二换热膜片的亲水面相对设置形成湿换热通道层，第一换热膜片的疏水面与第二换热膜片的疏水面相对设置形成干换热通道层；第一折叠腔面和第二折叠腔面在湿换热通道层半开口端接合形成进、排水腔，在干换热通道层闭合。

所述的第二换热膜片包括：中部波纹换热区域和设置于波纹换热区域两侧的第一折叠腔面、第二折叠腔面；所述的第一换热膜片的中部波纹换热区域、第一折叠腔面、第二折叠腔面与第二换热膜片结构相同且与第二换热膜片为中心对称设置。

所述的第二换热膜片和第一换热膜片均为一侧亲水面，另一侧疏水面。

所述的波纹换热区域的截面由正弦或余弦函数及其高阶谐波构成，其中：第二换热膜片波纹换热区域的中性面与其上下两侧第一换热膜片波纹换热区域的中性面距离相等。

所述的波纹换热区域截面其相邻周期的三角函数振幅相同。

所述的第二换热膜片前端设有进风腔面、后端设有出风腔面；第一换热膜片和第二换热膜片的进风腔面上下配合形成进风静压腔，出风腔面上下配合形成出风静压腔；所述的进风静压腔和出风静压腔分别设有若干个第一风口、若干个第二风口。

可选地，所述的第二换热膜片前端设有进风折叠面、后端设有出风平面；第一换热膜片和第二换热膜片的进风折叠面上下配合在干换热通道层形成一次风进风口、在湿换热通道层闭合，第一换热膜片和第二换热膜片的出风平面上下配合在干、湿换热通道层分别形成一次风出风口和二次风进风口。

所述的进水腔和排水腔均设有二次风出风口。

技术效果

与现有技术相比，具有如下技术效果：

1)本发明中基于三角函数设计的换热通道截面能够最大化单位体积下的换热面积，其次换热板片的流道中逆流和叉流的比例可以由干、湿通道的截面比和干、湿通道之间的交角进行控制。而且由于截面的连续曲面特性产生的涡流能有效的减小流动边界层的厚度，从而增强换热。实现换热与压力降之间的平衡和可控性；

2)本发明中非对称的干、湿换热通道层能够提高一次风和二次风的换热效率，而与干、湿换热通道层集成的带导流叶片的进、出口静压腔能够实现空气在流道之间的均匀分布；

3)本发明通过不同的送回风组合，该换热器可以实现制冷季节的间接蒸发制冷和采暖季节的热回收；

4)本发明中换热膜片采用可塑性塑料通过热成型一体制造，便于模块化换热器的生产，能够快速形成干湿换热通道，具有自动化程度高、精度好、生产成本低的特点。

附图说明

图1为实施例1中第一换热膜片与第二换热膜片交替叠加装配示意图；

图2为实施例1中波纹换热区域截面示意图；

图3为实施例1中波纹换热区域参数图；

图4为实施例1中第二换热膜片结构图；

图中：(a)为三维结构示意图，(b)为局部放大结构示意图；

图5为实施例1中换热膜片的波纹换热区域截面图；

图中：(a)为剖面图，(b)为剖面示意图；

图6为实施例1的制冷模式示意图；

图中：(a)为三维结构中示意图，(b)为平面示意简图；

图7为实施例1的热回收模式示意图；

图中：(a)为三维结构中示意图，(b)为平面示意简图；

图8为实施例1的另一种热回收模式平面示意简图；

图9为实施例1的换热器结构示意图；

图10为实施例2中第三换热膜片结构图；

图11为实施例2的制冷模式示意图；

图中：排水腔面1、进风侧第二突起面2、进风侧第一凹面3、进风导流突起面4、出风导流凹面5、进风侧第一突起面6、进水侧凹面7、进水口突起面8、进水腔面9、进水侧突起面10、出风侧第一凹面11、排水侧凹面12、出风侧突起面13、进风导流凹面14、出风导流突起面15、出风侧第二凹面16、排水侧突起面17、排水口突起面18、进风侧静压腔面19、出风侧静压腔面20、第一风口21、第二风口23、凹槽26、上凸起面30、下腔面31、集水腔33、第三风口36、第四风口37、第五风口38、第一换热膜片101、第二换热膜片102、波纹换热区域103、第一折叠腔面104、第二折叠腔面105、进风腔面106、出风腔面107、进风折叠面110、出风平面111、亲水面侧凹槽26a、疏水面侧凹槽26b。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1、图6和图7所示，本实施例设有交替叠加的第一换热膜片101和第二换热膜片102；所述的第二换热膜片102一侧为亲水面，另一侧为疏水面，包括：中部波纹换热区域103和设置于波纹换热区域103两侧的第一折叠腔面104、第二折叠腔面105；所述的第一换热膜 片101与第二换热膜片102结构相同且为中心对称设置，即第一换热膜片101由第二换热膜片102旋转180°、第一换热膜片101上的第一折叠腔面104和第二折叠腔面105分别对应第二换热膜片102上的第二折叠腔面105和第一折叠腔面104；第一换热膜片101的亲水面与第二换热膜片102的亲水面相对设置形成湿换热通道层，第一换热膜片101的疏水面与第二换热膜片102的疏水面相对设置形成干换热通道层；第一折叠腔面104和第二折叠腔面105在湿换热通道层半开口端接合形成进、排水腔，在干换热通道层闭合；

所述的第二换热膜片102的前端设有进风腔面106，后端设有出风腔面107；第一换热膜片101和第二换热膜片102的进风腔面106上下配合形成进风静压腔、出风腔面107上下配合形成出风静压腔；所述的进风静压腔和出风静压腔分别设有若干个第一风口21和若干个第二风口23；

如图9所示，根据需要的换热量决定每个换热器模块中换热膜片的数量，在堆叠后用两平板分别贴合于堆叠膜片的两侧，四角上用四个l型塑料支架加以固定，从而形成一个完整的换热器。

所述的波纹换热区域103的截面由正弦或余弦函数及其高阶谐波构成，其中：第二换热膜片波纹换热区域103的中性面与其上下两侧第一换热膜片波纹换热区域103的中性面距离相等。

如图2和图5所示，所述的波纹换热区域103的截面形状满足波长函数：

其中：an是指振幅，n是指阶数，ω是指角速，t是指弧度，θn是指初相位，i是指总阶数。

所述的波纹换热区域103截面其相邻周期的三角函数振幅相同；波长函数y在y轴上方正半周期(‐λa，0)的参数为:波长2λa，振幅h/2，波长函数y在y轴下方负半周期(0，λb)的参数为:波长2λb，振幅h/2；函数波在(‐0.5λa，0)和(λb，λb+0.5λa)两个区间内的弦与处于[0，λb]区间内的弦构成了一次风通道截面，在图2中用点划线斜线所示；而函数波在(0.5λb，λb)与(λb+λa，1.5λb+λa)两个区间内的弦与处于[λb，λb+λa]区间内的弦构成二次风通道截面，在依次相连的两段弦的衔接处采用圆角平滑过渡，从而构成换热膜片的中间面，由中间面起分别往两侧取0.5t构成波纹换热区域103的两侧曲面，其中：h为波纹换热流道中性面上下侧两顶点之间的高度差，t为波纹换热膜片厚度。

优选地，所述的λa的变化范围为2mm‐30mm，λb的变化范围为2mm‐30mm，h的变化范围为1mm‐20mm，t的变化范围为0.1mm‐2mm，当λb＝λa时换热通道为对称截面，否则为不对称截面。

如图2所示，所述的波纹换热区域103的几何尺寸如下：长度为l，宽度为w，厚度为 t，波纹轴线与水平面的波纹倾斜角为β，l2为波纹换热区域103上一顶点沿波纹倾斜角延伸并到达另一顶点所在直线后在长度方向投影得到的线段长度，为w·tanβ，l1的长度为l‐w·tanβ，l的范围200mm～3000mm，w的范围200mm～3000mm，β的范围0°～90°。

如图4所示，以第二换热膜片102的亲水面为例、基于波纹换热区域103中性面进行结构分解，包括：排水腔面1、进风侧第二突起面2、进风侧第一凹面3、进风导流突起面4、出风导流凹面5、进风侧第一突起面6、进水侧凹面7、进水口突起面8、进水腔面9、进水侧突起面10、出风侧第一凹面11、波纹换热区域103、排水侧凹面12、出风侧突起面13、进风导流凹面14、出风导流突起面15、出风侧第二凹面16、排水侧突起面17、排水口突起面18、进风侧静压腔面19、出风侧静压腔面20和凹槽26，其中：

进风侧第二突起面2、进风侧第一突起面6、进水口突起面8、进水侧突起面10、出风侧突起面13、排水侧突起面17和排水口突起面18共面，在中性面的同侧，距离中性面0.5(h+t)，且与波纹换热区域103凸面顶点构成的面相切；进风侧第一凹面3、进水侧凹面7、进水腔面9、出风侧第一凹面11、出风侧第二凹面16、排水侧凹面12和排水腔面1共面，在中性面的另一侧，距离中性面0.5(h‐t)，且与波纹换热区域103凹面顶点构成的面相切；

进风侧静压腔面19、出风侧静压腔面20位于中性面同侧，距离中性面0.5t，两者长度与波纹换热区域103的长度l相等，宽度根据换热器压力降的要求各自变化；

进风侧第二突起面2与进风侧第一突起面6、进水侧突起面10与排水侧突起面17、出风侧第一凹面11与出风侧第二凹面16、进水侧凹面7和排水侧凹面12互为镜向，进风侧第二突起面2、进风侧第一突起面6、出风侧突起面13、进水侧突起面10和排水侧突起面17分别与进风侧第一凹面3、出风侧第一凹面11、出风侧第二凹面16、进风侧静压腔面19、出风侧静压腔面20、进水腔面9和排水腔面1用于围成进出风通道、进风静压腔、出风静压腔、进排水通道；进风侧第二突起面2为l型，与排水腔面1、排水侧凹面12、进风侧第一凹面3和进风侧静压腔面19在中性面上的投影相交。

所述的进风导流突起面4的高度为0～0.5(h+t)，出风导流凹面5的高度为0～0.5(h+t)，构成进风侧导流叶片；出风导流突起面15的高度为0～0.5(h‐t)，进风导流凹面14的高度为0～0.5(h‐t)，构成出风侧导流叶片。

所述的进风侧第一凹面3和出风侧突起面13为矩形或多边形，进水侧突起面10和排水侧突起面17为矩形或多边形，进水口突起面8和排水口突起面18为矩形或三角形，出风侧第一凹面11和出风侧第二凹面16为矩形或多边形，其余面根据上述各面的形状而定。

所述的凹槽26位于波纹换热区域上且在亲水面侧26a凹陷，在疏水面侧26b凸起，凹陷和凸出的高度和宽度均小于0.5h，数量根据换热器性能要求确定；凹槽26可以在换热通道 里产生扰流，而且能够使水可以自上而下的通过波纹换热区域103表面，从而提高了整个换热膜片的润湿均匀程度，特别是在β为0的纯逆流状态下。

优选地，所述的第一换热膜片101和第二换热膜片102均采用以下任意一种材质或其组合：聚苯乙烯、abs、聚碳酸酯、ldpe、hdpe、均聚聚丙烯、低密度聚苯乙烯泡沫、pet、pe、pp、pvc、pet或尼龙，通过热成型方式一次成型得到；所述的第一换热膜片101和第二换热膜片102亲水面采用表面亲水植绒或表面改性得到。

根据计算流体力学的分析，流体在两个换热膜片之间形成的交叉流道中有两种流动模式，基于最大的流体流量总是发生在阻力最小的流道中这一流体特性，进入的空气一部分是沿着换热流道的流动如图3中点划线直线所示，另外一部分是在波纹之间的绕流，如图3中点划线曲线所示。两者之间的流量比例取决于两种流动模式阻力比，从而决定了空气的换热强度和通过压力降，两种流动模式的阻力比在很大程度上取决于l1和l2的比例。

如图6和图7所示，在干换热通道层中，第一风口21作为一次风进风口，第二风口23作为一次风出风口，进风静压腔作为一次风进风静压腔，出风静压腔作为一次风出风静压腔；在湿换热通道层中，第一风口21作为二次风进风口，第二风口23作为二次风出风口，进风静压腔作为二次风进风静压腔，出风静压腔作为二次风出风静压腔。

如图6所示，本发明在制冷工况下，一次风为室外新风、室内回风或者两者的混合，进入一次风进风口后经过一次风进风静压腔和导流叶片进入干换热通道层；一次风在干换热通道层内被冷却后流入一次风出风静压腔，在导流叶片的帮助下汇流经一次风出风口流出；流出干换热通道层的被冷却的一次风，其中一部分经二次风进风口进入二次风进风静压腔，在二次风进风静压腔内导流叶片的帮助下被均匀送入湿换热通道层，另一部分则被送入室内或者用于冷却热负荷；与湿换热通道层连通的水喷头开始喷水，从而使得二次风在湿换热通道层内被加湿；在二次风被加湿的同时，通过换热膜片与一次风发生换热。一次风和二次风的流道方向随波纹通道角度的不同在逆流和叉流之间变化；二次风完成加湿后进入二次风出风静压腔，在导流叶片的帮助下经二次风出风口流出。自上而下的喷淋水与二次风换热后进入底部集水腔33与新加入的补水一起被水泵输送到换热器上部完成喷淋。

通过三个传感器分别测得一次风进出口压差和二次风进出口压差，通过调节一次风和二次风风机的转速来得到预想的一次风和二次风进出口压降，从而得到需要的一、二次风的流量；通过比对环境温、湿度和室内设定温、湿度，进一步调节一、二次风的流量和供水的水量来实现一次风出风温度的流量和温度调节。

如图7所示，本发明在热回收工况下，一次风为室外新风或冷空气，二次风为室内回风或者需要热回收的热流体；一次风通过一次风进风口进入一次风进风静压腔，在导流叶片的帮 助下均匀流入干换热通道层；一次风被加热后进入一次风出风静压腔，在导流叶片的帮助下汇入一次风出风口；同时需要热回收的热流体由二次风进风口进入二次风进风静压腔，在导流叶片的帮助下均匀的流入湿换热通道层，并与一次风发生换热被冷却；被冷却后的二次风进入二次风出风静压腔，在导流叶片的帮助下汇入二次风出风口，从而完成热回收过程。

如图8所示，本实施例还可采用另一种热回收模式，此模式中在干换热通道层，第一风口21作为一次风出风口，第二风口23作为一次风进风口；在湿换热通道层，第一风口21作为二次风出风口，第二风口23作为二次风进风口：二次风为室外新风或冷空气，一次风为室内回风或者需要热回收的热流体；二次风从二次风进风口进入湿换热通道层，被另一侧干换热通道层中的一次风加热，被加热的二次风由二次风出风口流出；同时，一次风通过一次风进风口进入干换热通道层，被另一侧湿换热通道层中的二次风冷却，被冷却的一次风由一次风出风口流出，完成热回收过程。

如下表1，换热器的湿球效率是衡量换热器性能最重要的技术指标，而湿球效率与流道截面的形状密切相关，按照流道截面形状，现有技术中换热器的流道包括三角形截面逆流流道和矩形截面叉流流道，其中三角形截面逆流流道相对于矩形截面叉流流道具有更高的湿球效率，而本发明中正弦波截面叉流流道较三角形截面逆流流道湿球效率能够提高56.9％。

表1换热流道各中形状截面换热性能比较

上表中的截面形状具体为：

[1].changhongzhan，zhiyinduan，xudongzhao，etc.comparativestudyoftheperformanceofthem‐cyclecounter‐flowandcross‐flowheatexchangersforindirectevaporativecooling‐pavingthepathtowardsustainablecoolingofbuildings.energy，2011，36(12):6790‐6805；

[2].x.c.guoandt.s.zhao，aparametricstudyofanindirectevaporativeaircooler，《internationalcommunicationsinheat&masstransfer》，1998，25(25):217‐226；

[3].测试结果基于尺寸规格为500mm×800mm×600mm的换热器；

[4].第4号测试采用与第3号测试相同体积的换热器，改变的是将第3号测试中的等截面流道的干通道截面积增大10％，同时湿通道截面减小10％，保证与第3号实验中相同的一、二次风流量，可以得到更高的湿球效率和露点效率，从而得到更低的出风温度。

实施例2

如图11所示，本实施例中构成换热器的第一换热膜片101与第二换热膜片102为无静压腔和进出口导流结构的设计，可用于单一制冷工况换热器，体积小、耗材少。

如图10和图11所示，本实施例包括交替叠加的第一换热膜片101和第二换热膜片102，其中：第一换热膜片101的亲水面与第二换热膜片102的亲水面相对设置形成湿换热通道层，第一换热膜片101的疏水面与第二换热膜片102的疏水面相对设置形成干换热通道层；第一折叠腔面104和第二折叠腔面105在湿换热通道层半开口端接合形成进、排水腔，在干换热通道层闭合。

所述的第二换热膜片102前端设有进风折叠面110、后端设有出风平面111；第一换热膜片101和第二换热膜片102的进风折叠面110上下配合在干换热通道层形成第三风口36、在湿换热通道层闭合，第一换热膜片101和第二换热膜片102的出风平面111上下配合在干、湿换热通道层均形成第四风口37。

所述的进水腔和排水腔靠近湿换热通道层底部均设有第五风口38。

所述的出风平面111的长度及波纹换热区域103的长度l相同；出风平面111设置于波纹换热区域103上下顶点之间，优选地，出风平面111与中性面间距为0.5t。

如图10所示，以第二换热膜片102的亲水面为例、基于波纹换热区域103中性面对第一折叠腔面104和第二折叠腔面105进行结构分解，第一折叠腔面104和第二折叠腔面105两者对称，包括：上凸起面30和下腔面31，其中：上凸起面30与波纹换热区域顶部103相切，下腔面31与波纹换热区域底部距离为t。

如图11所示，本实施例在制冷工况下，第三风口36作为一次风进风口，第五风口38作为二次风出风口，第四风口37在干换热通道层作为一次风出风口、在湿换热通道层作为二次风进风口：室外新风从一次风进风口进入干换热通道层，经过波纹换热区域103被冷却后流出一次风出风口，部分冷却后的空气被供应到室内，带走室内热负荷；另一部分空气流入二次风进风口进入湿换热通道层，并在波纹换热区域103被喷淋水加湿，与干换热通道层中的一次风进行换热，冷却一次风；加湿后的二次风由二次风出风口流出。自上而下的喷淋水与二次风 换热后进入底部集水腔33，与新加入的补水一起被水泵输送到换热器上部完成喷淋。