间接蒸发换热器及其冷却塔的制作方法

本发明涉及的是一种蒸发冷却领域的技术，具体是一种基于间接蒸发与直接蒸发降温原理的换热流程以及其在冷却塔上的运用方法。

背景技术：

目前蒸发式冷却技术主要有两种模式，分别是直接蒸发冷却和间接蒸发冷却。直接式蒸发冷却已经得到了广泛的应用，包括在新风机组、冷却塔和其他蒸发式冷却器上。从技术角度而言，直接蒸发冷却的极限出风/水温度是室外湿球温度。为了实现尽量高的湿球效率(出风/水温度接近湿球温度)，国内外科研院所对此进行了大量的研究，尤其是针对换热器热质交换的增强方面；间接蒸发制冷技术是近些年提出的一种新的蒸发冷却流程，其理论上的最低出水/风温度是室外露点温度。相比较直接蒸发冷却技术而言，由于其最低出风/水温度更低的优势，其应用前景十分广泛。影响其被广泛应用的主要原因是高效换热器设计困难、制造复杂，需要的技术水平及成本较高。

目前现有的冷却塔工作运行过程中，通常是由电机驱动风机吸入室外空气，室外空气流经多孔填料与淋水发生热质交换，使水温降低至合理范围内后，由循环水泵将冷却后的水输送至用户端。这种直接蒸发技术被广泛运用于冷却塔设计中。虽然大量的研究提出了不同的设计方法来改进设计，但是其理论的最低温度为湿球温度的极限却无法被突破。从能效的角度而言，如果能使出风/水温度接近室外露点温度，首先会提高被冷却设备的效率、其次低的出风/水温度会部分或全部取代制冷负荷，从而极大的降低设备的综合能耗。

然而，虽然目前被广泛应用的基于直接蒸发循环冷却塔能够满足基本工作需要，但由于能效偏低、耗水量大的固有缺陷，无法满足未来对冷却设备高能效的要求。

技术实现要素：

本发明针对现有的采用直接蒸发冷却传统冷却塔，其极限的出水/风温度为室外湿球温度，且耗水量较大；而新型改进结构则采用至少两个换热器，虽然出水/风温度可以低于室外湿球温度，但是由于被冷却后的低温高湿空气被直接排出，会导致首先气流中的水珠无法被有效分离而被带走、而且具有双叉流换热器结构较为臃肿、同时能量转化率较低等缺陷。提出一种间接蒸发换热器及其冷却塔，其出水温度接近室外空气露点，且具有耗水量低、模块化设计的优点。可以以更低的水消耗量获取更低的出水温度。

本发明是基于以下热力学流程实现的：

本发明涉及一种换热器，由若干层换热单元叠加构成，每层换热单元为互为镜像设置的两个换热膜片，每个换热单元中的第一换热膜片和第二换热膜片的内侧沿进风方向依次包括：位于首端的排风通道、间接蒸发湿通道和位于末端的直接蒸发通道，相邻两个换热单元的第一换热膜片和第二换热膜片的外侧沿进风方向依次对应构成：新风通道、间接蒸发干通道以及直接蒸发通道，间接蒸发干通道和直接蒸发通道之间的换热膜片连接部分构成空气静压腔。

本装置通过以下方式进行换热：室外新风经过过滤器后进入新风通道，与流经排风通道的低温、高湿空气发生叉流显热热交换。被冷却后的新风进入间接蒸发干通道，在被间接蒸发湿通道内的空气等湿冷却后，一部分通过第一换热膜片回风口和第二换热膜片回风口分别进入两侧的间接蒸发湿通道，另一部分被等湿冷却后的空气则流入空气静压腔。进入间接蒸发湿通道的空气则被喷淋加湿，同时冷却膜片另一侧的空气。进入空气静压腔的被等湿冷却后的空气在静压腔内被减速扩压后静压提高，一方面有利于空气均匀分布于各个直接蒸发通道，另一方面可以防止水逆向扩散到间接蒸发干通道。同时由于第一换热膜片直接蒸发表面和第二换热膜片直接蒸发表面均为多孔或开槽波纹膜片，所以空气压力在各个直接蒸发通道直接可以得到很好的平衡，从而确保充分的利用换热器换热面积。从空气静压腔流出的接近室外露点温度的空气进入直接蒸发通道后进一步被喷淋加湿冷却，同时喷淋水的水温也被冷却到接近室外露点温度。

本发明涉及一种冷却塔，包括：设置于顶部的排风机构以及由上而下依次设置于塔内的排风静压部分、蒸发喷淋部分、热交换部分以及水循环部分，其中：水循环部分与蒸发喷淋部分相连并提供喷淋用水，排风静压部分的输出端与排风机构相连，输入端与热交换部分相连，热交换部分的输入端接收新风。

技术效果

与现有技术相比，本发明可以得到温度更低的出水温度；此外，由于采取了热回收流程，本发明可以比现有的间接蒸发流程的水消耗量降低约30％；第三，由于采用带凹凸槽的塑料膜片叠加形成不同功能的空气和水流道，本发明结构紧凑且空间利用率高，适合大规模量产推广。

附图说明

图1为现有技术示意图；

图中a为整体图；b为局部放大示意图；

图2为本发明热力学流程；

图3为本发明冷却塔示意图；

图4为实施例1中冷却塔过程分解示意图；

图5为实施例1中制冷系统COP随冷凝温度的变化,5度蒸发温度示意图；

图6为实施例2中热回收、间接蒸发冷却、直接蒸发冷却一体式换热器剖面示意图；

图7为湿球效率、露点效率与进口速度的关系示意图；

图8为本发明冷却塔的直接蒸发段性能曲线；

图中：排风机构1、间接蒸发喷淋水段2、直接蒸发喷淋水段3、直接蒸发换热器(湿式冷却)4、循环水泵5、第一集水腔6、直接蒸发排风/水口7、间接蒸发排风/水口8、冷却水泵9、冷却水出水10、冷却水回水11、第二集水腔12、新风过滤器13、膜片式间接蒸发换热器14、新风-排风换热器15、排风静压腔16、排风通道17、间接蒸发湿通道18、间接蒸发干通道19、空气静压腔20、直接蒸发通道21、新风通道22、第一换热膜片23、第二换热膜片24、第一换热膜片第一下凹25、第二换热膜片第一上凸26、第一换热膜片回风口27、第二换热膜片回风口28、第二换热膜片直接蒸发表面29、第一换热膜片直接蒸发表面30、第二换热膜片侧进风口31、第一换热膜片侧进风口32、第一换热膜片第一折弯34、第二换热膜片第一折弯35、第一换热膜片第二下凹36、第一换热膜片第二上凸37、第一换热膜片第二折弯38、第二换热膜片第二折弯39。

具体实施方式

如图3所示，为本实施例冷却塔结构，具体包括：设置于顶部的排风机构1以及由上而下依次设置于塔内的排风静压部分、蒸发喷淋部分、热交换部分以及水循环部分，其中：水循环部分与蒸发喷淋部分相连并提供喷淋用水，排风静压部分的输出端与排风机构1相连，输入端与热交换部分相连，热交换部分的输入端接收新风。

所述的热交换部分包括：依次水平相连的新风-排风换热器15、膜片式间接蒸发换热器14以及直接蒸发换热器4，其中：新风-排风换热器15的顶部正对排风静压部分，新风-排风换热器15的底部流入被充分加湿后的低温湿空气并从其顶部流出，新风-排风换热器15的侧面流入从室外引入的经过过滤后新风冷却后从右侧流出；直接蒸发换热器4的顶部正对喷淋部分，膜片式间接蒸发换热器14位于新风-排风换热器15和直接蒸发换热器4之间，其干通道中流入的是来自新风-排风换热器15的被冷却后的新风，经湿空气等湿冷却后，部分低温的干空气被逆向吸入湿通道并被加湿至接近饱和，并与膜片另一侧干通道内的干空气发生换热后沿湿通道流动至膜片式间接蒸发换热器的湿空气/水输出端；剩余部分的干空气从膜片式间接蒸发换热器14的干通道进入直接蒸发换热器4，与来自蒸发喷淋部分的水发生热质交换后被加湿降温后与喷淋水一同经直接蒸发换热器4底部流出，再进入第一集水腔上部空间，由于重力的作用，被冷却的水直接进入第一集水腔，而空气则被与从膜片式间接式蒸发换热器14的湿通道流出的湿空气一同重新流入新风-排风换热器15的底部。

所述的蒸发喷淋部分包括：设置于膜片式间接蒸发换热器14顶部的间接蒸发喷淋水段2和设置于直接蒸发换热器4顶部的直接蒸发喷淋水段3。

所述的水循环部分包括：第一集水腔6和与之相连通的第二集水腔12，其中：第二集水腔12位于新风-排风换热器15和间接蒸发排风/水口8底部，用于收集从间接蒸发排风/水口8被气流带出的未蒸发的水，第一集水腔6位于直接蒸发排风/水口7底部，用于收集从直接蒸发换热器4流出的未蒸发的水，且第二集水腔12的体底部倾斜坡度坡向第一集水腔6，从而使得其中收集的水可以自动流入第一集水腔6，第一集水腔低于第二集水腔，冷却水泵9的吸入口位于第一集水腔6的底部。

所述的排风机构1为用于排出完成热回收的湿空气，此处的空气干球温度接近室外环境温度，而且处于高含湿量状态。

如图6所示，上述膜片式间接蒸发换热器14，由若干层换热单元叠加构成，每层换热单元为互为镜像设置的两个换热膜片，每个换热单元中的第一换热膜片23和第二换热膜片24的内侧沿进风方向依次包括：位于首端的排风通道17、间接蒸发湿通道18和位于末端的直接蒸发通道21，相邻两个换热单元的第一换热膜片23和第二换热膜片24的外侧沿进风方向依次对应构成：新风通道22、间接蒸发干通道19以及直接蒸发通道21，间接蒸发干通道19和直接蒸发通道21之间的换热膜片连接部分构成空气静压腔20。

所述的排风通道17和位于末端的直接蒸发通道21中的气流方向与新风通道22以及直接蒸发通道21中的气流流向相垂直，间接蒸发湿通道18与间接蒸发干通道19中的气流流动接近于逆流。

所述的排风通道17通过第一换热膜片23和第二换热膜片24上设置对称的第一折弯34、35和第一连接部(即第一换热膜片第一下凹25、第二换热膜片第一上凸26)并互相接触压紧得以实现。

所述的间接蒸发湿通道18通过第一换热膜片23和第二换热膜片24上设置对称的所述第一连接部和第二连接部(即第一换热膜片第二下凹36、第一换热膜片第二上凸37)并互相接触压紧以及位于第一连接部与第二连接部之间的回风口得以实现。

所述的间接蒸发干通道19通过相邻两个换热单元的第一换热膜片23和第二换热膜片24的第一连接部、第二连接部以及回风口实现。

所述的空气静压腔20通过相邻两个换热单元的第一换热膜片23和第二换热膜片24的第二连接部实现。

所述的直接蒸发通道21通过相邻两个换热单元的第一换热膜片23和第二换热膜片24的第二连接部、第二折弯38、39以及直接蒸发表面29、30实现。

所述的新风通道22通过相邻两个换热单元的第一换热膜片23和第二换热膜片24的第一折弯和第一连接部实现。

上述构成排风通道17、间接蒸发湿通道18和直接蒸发通道21及其与之对应的新风通道22、间接蒸发干通道19和直接蒸发通道21的换热膜片的两侧表面压制有波纹，从而构成增强换热腔体。

所述的波纹的截面形状包括但不限于三角形、矩形和三角函数波。

为了增强间接蒸发湿通道18内空气-水的热质交换，第一换热膜片23和第二换热膜片24在间接蒸发湿通道18内表面有亲水性植绒。

所述的换热膜片上位于间接蒸发干通道19和间接蒸发湿通道18的末端设有空气透孔或槽，用于将被冷却的空气吸入湿通道。

所述的换热膜片的直接蒸发表面上设有用于平衡两侧风压的透水孔和/或透水槽，而且水可以通过进入到换热膜片的两侧，充分利用换热膜片的换热面积。

如图2所示，为本装置与现有冷却塔的热力学流程：

现有新型改进结构冷却塔的空气在间接蒸发换热器的一侧被加湿，状态由1变为4状态。另一侧被冷却的空气从1状态变为2状态，2状态的温度理论上最低可以达到的值是4状态的干球温度。本图中2点的位置考虑到5K的换热器温差(假设，2点的干球比4点干球高5度)。然后2点被加湿，得到状态点3的空气和水(此图例中的温度是19度)。

本装置中：1’状态首先被冷却至2’状态，2’状态最低可以达到7’状态的温度。考虑到换热器5K的温差(假设)，2’状态被确定在图示位置。2’状态的空气进一步被间接蒸发冷却到点3’状态，点3’位置由间接蒸发换热器的露点效率决定(假定此处为50％)。3’空气被继续加湿冷却到4’，从而得到4’状态的冷却水。与黑线所示流程相比(点3)，出水温度低约2度，水消耗量降低约30％。

本实施例中的换热器中发生的热力学过程分为三段，按照空气流经的先后分别是热回收段，室外新风与被后高湿低温排风在热回收段内进行热交换；其次是间接蒸发段，在间接蒸发段中空气在膜片式换热器干侧内被等湿冷却，然后一部分被冷却的空气逆向进入湿通道被加湿；最后是直接蒸发段，在直接蒸发段中空气在内被绝热加湿冷却；热力学流程如图2所示：状态1’的室外新风首先进入冷却塔换热器的热回收段，被等湿冷却至状态点2’，在热回收换热器中热侧的空气进口状态是状态1’的空气被冷却至状态2’点的空气，另一侧冷侧发生的是状态7’的空气被加热后排出；状态2’的空气随后进入间接蒸发换热器干通道，被等湿冷却到状态3’的空气，同时一部分状态3’的空气被抽吸到间接蒸发换热器的湿通道完成加湿，状态首先从3’被加湿到5’，然后沿接近饱和相对湿度线被干通道侧空气加热加湿至6’；从间接蒸发换热器出来的另一部分3’状态的空气进入到直接蒸发换热器中被再次加湿至4’状态，同时得到4’状态的冷水进入集水盘；而4’状态的空气与6’状态的空气混合得到7’状态的空气进入热回收换热器中。

如图2可见，与本发明可得到4’状态的冷却水相比较室外湿球温度，两者温差约5度。

如图4所示，为本装置的具体工作流程，图中：

a处为完成热回收的湿空气被顶部排风机经顶部静压腔排出。此处的空气干球温度接近室外环境温度对应的干球温度。

b处为新风-排风换热器15，为一种膜片式叉流式换热器。一侧流动的是被充分加湿后的低温湿空气(来自于间接蒸发排风/水口8和直接蒸发排风/水口7)，从换热器底部进入、顶部流出；另一侧是从室外引入的新风，进过新风过滤后从左侧流入右侧流出。室外新风在焓湿图上经历1'-2'的等湿冷却过程，另一侧的低温空气经历从7'开始的等含湿量加热过程。该叉流式换热器的主要功能是充分回收低温空气的显热，用于冷却进入新风；其次此换热器由于低温空气需要自下而上的流经换热通道，夹带在低温空气中的水通过与壁面的碰撞和不断的改变方向，换热器客观上可以起到排风除沫器的作用。换热器可以是金属或塑料膜片式换热器。为了有效减少产品体积，换热器14和15可以通过在同一膜片上压制不同的流道来实现两者的一体化设计；

c处为室外新风经新风过滤器13后进入新风-排风换热器15；

d处为新风-排风换热器空气出口；

e处为间接式蒸发换热器14，为一种膜片式换热器。经过新风-排风换热器15冷却后的新风进入间接式蒸发换热器的干通道。被换热膜片另一侧的低温空气逆向等湿冷却。焓湿图上的过程为2'-3'。当被冷却后的空气流出间接式蒸发换热器的干通道时，部分低温空气被逆向吸入湿通道(通过图6中虚线所示第一换热膜片回风口27、第二换热膜片回风口28)，湿通道里首先被加湿到接近饱和，考虑到不同的加湿效率，在焓湿图上实际是被加湿到90％-95％或其它相对湿度线。同时接近饱和的湿空气冷却膜片另一侧的空气，而自身沿湿通道流动至湿通道出口。空气在湿通道里的过程在焓湿图上接近3'-5'-6'过程。

流出间接式蒸发换热器14干通道的被冷却的空气进入直接蒸发换热器4，与来自直接蒸发喷淋水段3的水发生热质交换后进一步被加湿，温度进一步降低，在焓湿图上的过程是3'-4'。同时喷淋水的温度也被冷却到4'后，进入第一集水腔6。

被进一步加湿冷却后的空气从直接蒸发换热器4底部经直接蒸发排风/水口7流出时的状态在焓湿图上标示为4'，与从间接式蒸发换热器14湿通道经间接蒸发排风/水口8流出的处于状态6'的湿空气混合。混合后的状态点7'取决于两者的流量。如果按照45％的6'与55％的4'(整个从新风口进入的空气流量为1)，则可以得到图中7'所示的状态点。可见7'的温度与1'的温度相比较而言，有约15度的温差。为了充分利用这部分能量，7'的空气自下而上流入新风-排风换热器的一侧，来冷却另一侧的室外新风。

间接式蒸发换热器14为一种膜片式换热器，由表面带波纹的塑料膜片构成。相邻的三个膜片之间形成一个干空气流通通道和一个湿空气湿通道，也称之为干通道和湿通道。为了增强换热，塑料膜片的表面由热压成型不同的波纹。构成湿通道的两个膜片的一侧通过植绒技术植有亲水层，湿通道的顶部有水喷头，水自上而下润湿整个亲水层。干湿通道之间的膜片在干空气出风方向的末端有孔和槽。通过这些孔和槽，一部分从干通道流出的空气被逆向吸入相邻的湿通道，在湿通道里完成被加湿和冷却干通道内空气的过程。

f处为直接蒸发换热器为一种膜片式换热器。由表面带有波纹的塑料膜片构成。其进风为来自换热器14的出风。从换热器顶部的喷淋水与被换热器14冷却后的空气发生热质交换，从而实现水温的降低。

间接式蒸发换热器14，新风-排风换热器15和直接蒸发换热器4可以通过同一组膜片实现一体式构造。实现一体式构造的好处在于换热器的膜片可以一次成型，便于组装和生产，而且由于消除了换热器之间的漏/串风，换热器的性能可以得到保证。由于上述三个换热器均为塑料膜片式构造，其特点在于可以通过在膜片上构造凹凸面的配合来实现不同的空气流通通道。

如图5所示，每当冷凝温度从20度增加到40度时，制冷系统COP降低了53％。也就是说冷凝温度每上升一度，制冷COP将下降2.65％。如果采用本发明的冷却塔，比传统冷却塔(如图2中虚线1-4所示过程)，制冷系统COP将上升13.25％；而比前述专利描述的热力学流程(如图2中虚线1-2-3所示过程)，制冷系统COP将上升5.3％。对于一个典型的特灵RTWS105水冷螺杆机组而言，COP可以从5.36增加到6.07(与传统冷却塔比较而言)。在制冷量355.3kW不变的前提下，输入电能从66.3kW降低到57.5kW，每小时节能8.8kWh，相当于节约2.64公斤煤每小时。如果将此节能效果推广到当前应用的冷却塔中，产生的经济和环境效益是相当可观的。

如图4所示，本发明的换热器中发生的热力学过程分为三段，按照空气流经的先后分别是热回收段，其中发生的是室外新风与被低温高湿空气之间的显热交换；间接蒸发段，空气在膜片式换热器干侧内被等湿冷却，然后一部分被冷却的空气逆向进入湿通道被加湿；直接蒸发段，空气在内被绝热加湿冷却。热力学流程如上图所示：状态1’的室外新风首先进入冷却塔换热器的热回收段，被等湿冷却至状态点2’，在热回收换热器中热侧的空气进口状态是状态1’的空气被冷却至状态2’点的空气，另一侧冷侧发生的是状态7’的空气被加热后排出。状态2’的空气随后进入间接蒸发换热器干通道，被等湿冷却到状态3’的空气，同时一部分状态3’的空气被抽吸到间接蒸发换热器的湿通道完成加湿，状态从3’被加湿的同时被干通道侧空气加热至6’。从间接蒸发换热器出来的另一部分3’状态的空气进入到直接蒸发换热器中被再次加湿至4’状态，同时得到4’状态的冷水进入集水盘。而4’状态的空气与6’状态的空气混合得到7’状态的空气进入热回收换热器中。

如图2所示，现有改进型冷却塔中空气在间接蒸发换热器的一侧被加湿，状态由1变为4状态。另一侧被冷却的空气从1状态变为2状态，2状态的温度最低可以达到的值是4状态的干球温度。本图中2点的位置考虑到5K的换热器温差(2点的干球比4点干球高5度)。然后2点被加湿，得到状态点3的空气和水(此图例中的温度是19度)。而本发明的流程是：1’状态首先被冷却至2’状态，2’状态最低可以达到7’状态的温度。考虑到换热器5K的温差，2’状态被确定在图示位置。2’状态的空气进一步被间接蒸发冷却到点3’状态，点3’位置由间接蒸发换热器的露点效率决定(假定此处为50％)。3’空气被继续加湿冷却到4’，从而得到4’状态的冷却水。与黑线所示流程相比(点3)，出水温度低2度。

除了从焓湿图上的流程来证明本发明热力学的流程的可行性之外，下面从实验的角度来阐明本发明为什么能够取得更低的出水温度、更小的耗水量。

从以上的空气流程描述可以看出，本发明对空气的冷却可以分为三个阶段，第一段是预冷段、第二段是间接蒸发冷却段、第三段是直接蒸发冷却段。

预冷段首先将室外空气预冷，使其对应的湿球温度降低。

间接蒸发冷却段的出口空气温度可以接近进口状态的露点温度，根据Zhiyin Duan，Investigation of a Novel Dew Point Indirect Evaporative Air Conditioning System for Buildings，(Thesis submitted to the University of Nottingham for the degree of Doctor of Philosophy，September 2011)中列出了间接蒸发冷却器的湿球效率，在不同的应用环境下，其值在0.71至0.989之间变化。而图7中给出了露点效率在0.4-0.6之间变化。

直接蒸发段实际上可以看作一个开式冷却塔，当其进风口温度接近室外空气露点温度时，与直接从环境中引入新风相比，其冷却水出水温度会低很多。图8描述了一个实际湿式冷却塔的出水温度随进风湿球温度变化的曲线，从图中可以看出，当21.1度湿球进风对应可以得到22.2度的冷水出水温度；10度的湿球进风对应可以得到12.8度的冷水出水温度。

实现方式1：当室外空气为干球35度，湿球21.5度。则对于传统湿式冷却塔而言，可以得到的冷水出水温度是22.6度；而对于本发明的冷却塔，假定间接蒸发换热器的露点效率为0.55，则可以得到干球24度，湿球18度的出风，从图8中可以查到的出水温度是18.5度。比传统湿式冷却塔温度低4.1度。

实现方式2：当室外空气为干球30度，湿球21.1度。则对于传统湿式冷却塔而言，可以得到的冷水出水温度是22.2度；而对于本发明的冷却塔，假定间接蒸发换热器的露点效率为0.55，则可以得到干球23.0，湿球19度的出风，从图8中可以查到的出水温度是20度。比传统湿式冷却塔温度低4.2度。

从以上的算例可以得出，结合实际冷却塔的效能曲线和间接蒸发换热器的性能曲线，本发明可以得到比传统湿式冷却塔更低的出水温度。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。