專利名稱:冷卻物質(zhì)的方法
本發(fā)明是關(guān)于各種不同物質(zhì)的冷卻技術(shù)，包括氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)物質(zhì)的冷卻方法。
本技術(shù)可以成功地應(yīng)用于冷藏機和保溫機、空調(diào)、分散材料(如種子)的冷卻。這種技術(shù)也可以用在化學(xué)工業(yè)和冶金工業(yè)中。
目前主要利用冷藏機冷卻物質(zhì)，它需要消耗大量能源，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，又不可靠。
在某些情況下，為了冷卻水和空氣用比較簡便的冷卻方法-蒸發(fā)制冷卻。在此方法中，利用大氣的自然不均衡性-溫度的干濕差異(干濕計所示的溫差)作為制冷能源。
蒸發(fā)制冷(空氣或水)的實質(zhì)是讓未被水氣飽和的空氣與水相接觸。這時一部分的水蒸發(fā)到此空氣中，吸收汽化過程的潛熱，這就使空氣或水(與制冷目的有關(guān))至少冷卻至該氣體濕溫計所示的溫度。然而，蒸發(fā)制冷有一些實質(zhì)性的缺點。首先，是冷卻限度小(氣體濕溫計所示的溫度)除此以外，例如，在蒸發(fā)降溫時，氣體變濕潤，而它的熱含量沒有改變。也就是說，在此過程中，冷卻目的并未達到-因為只是明顯的熱轉(zhuǎn)化成為分散的熱。對于空調(diào)系統(tǒng)，這種濕潤了的冷卻了的氣體實質(zhì)上沒有足夠的效益，它的冷卻能力不大，因為在蒸發(fā)冷卻過程中，空氣的熱含量沒有改變。在空氣中水氣含量低的，在不太大的氣候區(qū)域內(nèi)，可以利用這種空氣，這種空氣的濕度在蒸發(fā)冷卻過程中，不會引起空氣濕度產(chǎn)生實質(zhì)性的變化，而這種變化會降低空調(diào)系統(tǒng)的冷卻性能。
蒸發(fā)冷卻方法的根本性缺點是，在實施中冷卻其它物質(zhì)時，必須使其浸濕。
已知一種間接蒸發(fā)冷卻法，當(dāng)物質(zhì)(如氣體)與熱交換面接觸時，就會冷卻下來。該交換面的另一側(cè)被水浸濕，并臨接外界空氣。由于蒸發(fā)冷卻，此空氣被浸濕，并冷卻到濕球式溫度計所示的溫度。同時熱交換面也冷卻，并且水汽從它上面蒸發(fā)到該空氣中，這就首先導(dǎo)致與熱交換面另一側(cè)接觸的物質(zhì)冷卻下來。
間接蒸發(fā)冷卻法也利用大氣的自然不均衡性-溫度的干濕差，可以冷卻物質(zhì)，而不使其浸濕。
但是，它的缺點是，溫度冷卻極限高(濕球式溫度計的溫度)，實際上，由于熱交換面的熱阻，比冷卻溫度還要高。
還有一種再生間接蒸發(fā)冷卻物質(zhì)(例如空氣)法(SU，A，979796)，可以冷卻到外界空氣的露點溫度。此方法包括在熱交換面上冷卻外界氣流，并把它分成兩部分，一部分與全部外界氣流方向相反引向熱交換面的被予先浸濕的反面，第二部分供給用戶。
但是，已知的再生間接蒸發(fā)冷卻法不夠有效，因為所需要冷卻的外界空氣的溫度高，需要相當(dāng)大的熱交換面才能通過熱交換將其冷卻到露點溫度。此外，在使用已知的再生間接冷卻法時，不可避免地在室內(nèi)與外界空氣混合，而外界空氣可能夾有雜質(zhì)，如灰塵、水氣、化學(xué)或輻射物質(zhì)等。
因此，已知的再生間接蒸發(fā)冷卻物質(zhì)(如空氣)的方法，不能保證有效地冷卻到外界空氣的露點溫度和消除外界空氣對室內(nèi)空氣的污染。
此外，上述方法不能將物質(zhì)(除空氣外)直接冷卻到露點溫度。
本發(fā)明的目的是消除已知冷卻法的上述缺點。
本發(fā)明的基礎(chǔ)是創(chuàng)造一種物質(zhì)冷卻法，它通過與予冷的外界空氣進行熱交換，將物質(zhì)冷卻到外界空氣的露點溫度。
這樣解決所提出的任務(wù)在物質(zhì)冷卻法中，為了予先冷卻外界空氣，引它沿?zé)峤粨Q面(它的反面是浸濕的)流過，然后該氣流被分成兩部分，使其中一部分通過熱交換面的浸濕面后，進入大氣。而另一部分被引去與冷卻物質(zhì)進行熱交換。根據(jù)本發(fā)明，第二部分氣流與被冷卻物質(zhì)的熱交換是通過附加的熱交換面來實現(xiàn)。被冷卻的物質(zhì)送往該附加熱交換面的一側(cè)，而外界氣流的第二部分沿?zé)峤粨Q面的另一浸濕面流動。
在冷卻氣態(tài)物質(zhì)的情況下，其沿?zé)峤粨Q面流動的方向與外界氣流第二部分的流動方向相反。
在被冷卻物質(zhì)的熱容量和外界空氣相等的情況下，選取被冷卻物質(zhì)的流量大于外界氣流第二部分的流量是合理的。
在有些情況下，在第二部分氣流進入與冷卻物質(zhì)熱交換之前，引出一定數(shù)量的空氣，直接送往冷卻后的物質(zhì)也是合理的。
這種實現(xiàn)冷卻的方法，能有效地冷卻沿?zé)峤粨Q面輸運的物質(zhì)，同時排除外界空氣中的雜質(zhì)。
本發(fā)明的實質(zhì)如下被冷卻到外界空氣露點溫度的第二部分氣流不直接送往用戶，而與附加熱交換面的被浸濕的一側(cè)接觸，而被冷卻的物質(zhì)引向該熱交換面的另一側(cè)。這樣，從被冷卻物質(zhì)攝收的熱，通過熱置換面輸向空氣流，由此它被加溫。由于與熱交換面的濕潤側(cè)面接觸，空氣就更濕潤。這樣，就在這種情況下，空氣同時被加溫和浸濕。因為空氣與熱交換面的潮濕側(cè)面接觸先已被冷卻，所以水分從熱置換面蒸發(fā)至空氣中，這導(dǎo)致熱交換面降溫。也就是說，熱交換面溫度比外界空氣參加這個過程時要更低。最終結(jié)果是物質(zhì)通過熱交換面冷卻到更低的溫度(比外界空氣濕球式溫度計所示的溫度更低)。以往的情況是，把沒有經(jīng)過予冷的外界空氣作為第二部分氣流。物質(zhì)冷卻的極限溫度是外界空氣的露點溫度，而要達到此目的，必須使一部分氣流被冷卻的物質(zhì)相對流動。因為每個熱交換氣流截面上的溫度將是不固定的，只有在這些氣流進行對流運動時，才能保證物質(zhì)出口處的溫度最大限度地接近于最低溫度-即外界空氣的露點溫度。
應(yīng)當(dāng)指出，當(dāng)?shù)诙糠謿饬鹘竦较鄬穸?00%時，并加溫到被冷卻物質(zhì)的溫度時，它能吸收的單位熱量大于必須耗散的熱量。為了將物質(zhì)冷卻到露點溫度(在空氣和被冷卻的物質(zhì)的熱容量相等的情況下)。這可以冷卻比引來與物質(zhì)進行熱交換的第二部分空氣量更多的物質(zhì)。
在一些情況下，在第二部分氣流與被冷卻物質(zhì)進行熱交換前引出一些空氣直接送往被冷卻后的物質(zhì)是合適的。這樣，例如在冷卻空氣時，可以保證空氣的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，在保持室內(nèi)必要的溫度時還需要具有一定數(shù)量的新鮮外界空氣。
從下面的實例和圖具體說明可以清楚地了解本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點，圖上畫出了實現(xiàn)冷卻任何物態(tài)物質(zhì)的方法的一般原理。
看圖，外界氣流引向沿?zé)峤粨Q面2，在那里它被冷卻到露點溫度，而不改變自身的水汽含量。然后，外界空氣流分成兩部分3和4，外界氣流3與全部外界氣流的方向相反地引向熱交換面2的預(yù)先浸濕過的反側(cè)面。外界氣流的第二部分4引向附加的熱交換面5的浸濕側(cè)面。
外界氣流1把自身的熱量經(jīng)過隔開的熱交換面2讓給外界氣流3，它首先被加溫到接近進入的濕潤空氣的溫度，此外，由于水氣從熱交換面的浸濕側(cè)面蒸發(fā)到引出的外界氣流3中，該氣流被濕潤到近乎100%的相對濕度，在這種狀態(tài)下，它排出到大氣中。
被冷卻的物質(zhì)6引向沿照熱交換面5，與預(yù)冷的外界氣流第二部分4的方向相反，它沿著熱交換面5的浸濕側(cè)面流動。
這里預(yù)冷的外界氣流的第二部分4通過熱交換面5從物質(zhì)6吸取熱量，在此情況下，此氣流被加溫，而由于其中水汽的積累，氣流被浸濕到相對濕度接近100%，并在這種狀態(tài)下不和被冷卻的物質(zhì)直接接觸就排出到大氣中。而被冷卻的物質(zhì)6流經(jīng)熱交換面后，首先冷卻到外界空氣的露點溫度，并在此情況下供給用戶。
例如，如把空氣當(dāng)作被冷卻的物質(zhì)，那末本發(fā)明的方法，通過空氣在室內(nèi)循環(huán)冷卻是可能的。但是，在冷卻的室內(nèi)，空氣溫度總是低于外界空氣的溫度，在本冷卻方法中，在空氣循環(huán)狀態(tài)下，室內(nèi)溫度變化量開始低于按已知方法達到的數(shù)值，那時必須把涌入的外界空氣溫度降低到室內(nèi)空氣的溫度，這首先就使上述的冷卻方法中減少熱交換面。
應(yīng)指出，本發(fā)明的冷卻物質(zhì)(如室內(nèi)的空氣)法，具有一系列優(yōu)點。它能有效地調(diào)節(jié)室內(nèi)的溫度，這完全可以辦得到的。只要改變被冷卻物質(zhì)的流量(如空氣流)。此外，按照本發(fā)明的冷卻物質(zhì)的方法，要有一個空氣冷卻器的結(jié)構(gòu)，它應(yīng)有較大的熱交換面和較大的功率的鼓風(fēng)機，把它要放在室外。在冷卻室內(nèi)，安裝一個較小的熱交換面和風(fēng)扇，它的用途僅僅用來循環(huán)室內(nèi)的空氣流。
例如，為了冷卻空氣，此冷卻物質(zhì)的方法不僅可以在空氣循環(huán)過程，還可以在外界新鮮空氣涌入室內(nèi)的過程，將室內(nèi)的空氣冷卻到露點溫度。這樣，在室內(nèi)可以實現(xiàn)空氣的混合冷卻(進氣-循環(huán))。為此，必須在第二部分氣流4與被冷卻物質(zhì)6進行熱交換前，從中引出一些氣量7，直接將它送往冷卻后的物質(zhì)6。
下面給出實現(xiàn)上述冷卻物質(zhì)方法的具體例子。
例1被冷卻的物質(zhì)是空氣。
將干球式溫度計的溫度為30.5℃(濕球式溫度計的溫度為15.8℃)，流量為220米3/小時的外界空氣引向熱交換面的干側(cè)面進行熱交換，在那里空氣被冷卻到干球式溫度計的溫度為12.1℃(濕球式溫度計的溫度為8.2℃)，而空氣的水汽含量沒有變化。然后，此氣流分成兩路3和4，流量為110米3/小時的氣流3被倒轉(zhuǎn)流往熱交換面的潮濕側(cè)面2，這部分氣流被加濕并加溫到干球式溫度計的溫度為21.6℃(濕球式溫度計溫度為19.9℃)，就在這種狀態(tài)下，排出到外界空氣中。第二部分流量為110米3/小時的氣流4沿著附加的熱交換面5的潮濕側(cè)面流過。在室內(nèi)循環(huán)的流量為220米3/小時的氣流6被引向該熱交換面的干側(cè)面，流動方向與氣流5的方向相反。在冷卻前氣流6的溫度為20℃，冷卻后為10.8℃。
輸運外界空氣和循環(huán)室內(nèi)空氣所需的總電量為94瓦特。
這樣，在室內(nèi)冷卻空氣的流量為220米3/小時，溫度為10.8℃。在同樣環(huán)境條件下，用已有的冷卻方法來冷卻這么大流量的外界空氣需耗電124瓦特。進入室內(nèi)的冷卻溫度為12.1℃。
由此可見，與已知的冷卻方法相比，使用本發(fā)明的冷卻方法時，空氣冷卻的溫度更低，耗電也少。
首先這是因為在循環(huán)狀態(tài)下，所要求的被冷卻空氣的誤差(△t＝20°-10.8°＝9.2℃)總是小于外界氣流的溫差(30.5°-12.1°＝18.4℃)。夏天外界的氣溫始終高于室內(nèi)的氣溫。還有，在氣流量大的情況下，空氣動力損失將高些，作為輔助氣流，要將它轉(zhuǎn)向180°。
例2對于球式溫度計41℃(濕球式溫度計為19.2℃)的外界空氣，把本發(fā)明的冷卻方法和現(xiàn)有技術(shù)的冷卻方法進行比較。
在室內(nèi)循環(huán)冷卻的空氣流量和進入室內(nèi)的流量與例1相同，仍為220米3/小時。
使用本發(fā)明的冷卻方法在室內(nèi)循環(huán)的狀態(tài)下，被冷卻的空氣的溫度等于干球式溫度計的13.9℃(濕球式溫度計的10.2℃)耗電量為78瓦特。
使用已有技術(shù)的冷卻方法，進入室內(nèi)的被冷卻的空氣的溫度為16.5℃，耗電量為114瓦特。
這樣，從上面的舉例中可以看出，用本發(fā)明的冷卻物質(zhì)(例如空氣)的方法與現(xiàn)有的已知技術(shù)的冷卻物質(zhì)的方法相比，本發(fā)明的冷卻物質(zhì)方法是冷卻效率高、冷卻的空氣溫度低和耗電量少。除此之外，本發(fā)明的冷卻物質(zhì)方法能夠排除外界空氣對室內(nèi)空氣的污染，而使用現(xiàn)有技術(shù)的冷卻物質(zhì)的方法是不可能的。
如上所述，本發(fā)明的冷卻物質(zhì)(如空氣)的方法，不僅能在循環(huán)狀態(tài)下，而且在混合狀態(tài)(外界空氣支流和循環(huán)空氣的混合)下，冷卻室內(nèi)的空氣。這從下述舉例3中可以看出。
例3干球式溫度計30.5℃(濕球式溫度計15.8℃)，流量220米3/小時的外界空氣被引向熱交換面2的干側(cè)面進行熱交換。在那里，空氣被冷卻到干球式溫度計12.1℃(濕球式溫度計8.2℃)，而它的水汽含量不變。然后，此氣流分成兩部分3和4。流量為110米3/小時的氣流3引向熱交換面的潮濕面，流動方向與氣流1方向相反。這部分氣流被濕潤并加溫到干球式溫度計21.6℃(濕球式溫度計19.9℃)，并且在這種狀態(tài)下，被排出到外界空氣中。從降溫到溫度為12.1℃的氣流4中，分出流量為40米3/小時的部分空氣7，并直接引入冷卻后的空氣6，氣體4的剩余部分流量為110米3/小時，沿附加熱交換面的潮濕面5流動。在室內(nèi)循環(huán)的氣流6，流量為180米3/小時沿著附加的熱交換面的干側(cè)面流動，方向與氣流5的方向相反。冷卻前氣流6的溫度為20℃，冷卻后為11.3℃。
輸運外界空氣和在室內(nèi)循環(huán)作用的空氣，所需要的總耗電量為105瓦特。
這樣，在室內(nèi)進入新鮮的予冷的外界空氣，流量為40米3/小時，溫度為12.1℃。此外，在室內(nèi)流量為180米3/小時的循環(huán)氣流被冷卻到11.3℃。在同樣外界環(huán)境條件下，為了在室內(nèi)冷卻這么多流量的空氣(220米3/小時)按照本發(fā)明的方法，進行純循環(huán)冷卻時，只需要耗電94瓦特。室內(nèi)冷卻空氣的溫度為10.8℃。
這樣，以循環(huán)一分支混合方式冷卻室中的空氣，耗電量增加一些，冷卻濕度增加不多。但是，在這種情況下，由于引入外界的新鮮空氣，能改善室內(nèi)空氣的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
應(yīng)該指出，與現(xiàn)有技術(shù)不同的，是本發(fā)明的冷卻物質(zhì)的方法不僅能將空氣(氣體)冷卻到露點溫度，而且能冷卻沿?zé)峤粨Q面的干側(cè)面流動的任何液體和固體。
自然，被冷卻物質(zhì)的量與進行熱交換的第二部分空氣量相比，將取決于被冷卻物質(zhì)的熱容量和密度。
例4我們分析一下，應(yīng)用本發(fā)明的方法來冷卻水的過程。外界空氣的流量和參數(shù)與例1相同。對于干球式溫度計30.5℃(濕球式溫度計15.8℃)，流量為220米3/小時的外界氣流引向熱交換面的干側(cè)面進行熱交換。在那里，空氣冷卻到干球式溫度計12.1℃(濕球式溫度計8.2℃)，它的水汽含量不變，然后，此氣流分成兩部分3和4。流量為110米3/小時的氣流3引向熱交換面的潮濕面，流動方向與氣流1方向相反。這部分氣流被濕潤并加溫到干球式溫度計21.6℃(濕球式溫度計19.9℃)，在這種狀態(tài)下，排出到外界大氣中。流量為110米3/小時的另一部分氣流4沿附加的熱交換面的潮濕面5流動。與此氣流方向相反，流量為55米3/小時的水，在此附加的熱交換面5的干側(cè)面流動。冷卻前水溫為20℃，冷卻后為10.8℃。
這樣，在此冷卻階段，被冷卻的水的流量比空氣流量小4倍。這是因為水的熱容量比空氣大4倍。可以舉出類似的冷卻固體(如種子)的例子。
應(yīng)該指出，被冷卻物質(zhì)的流量與它的熱容量成反比。也就是說，被冷卻物質(zhì)的熱容量比空氣大多少倍，被冷卻物質(zhì)的流量就比送往熱系統(tǒng)的第二部分外界空氣的流量小多少倍。
從上述例子可以看出，與現(xiàn)有的已知技術(shù)冷卻方法相比，要將物質(zhì)冷卻到外界空氣的露點溫度，本發(fā)明的冷卻物質(zhì)的方法有下列優(yōu)點1.不僅可以冷卻氣態(tài)物質(zhì)，而且可以冷卻液態(tài)與固體。
2.提高冷卻效率，既可以縮小熱交換面或降低被冷卻物質(zhì)的溫度。
3.能實現(xiàn)無污染的降溫過程。
4.能在混合冷卻狀態(tài)下，冷卻室內(nèi)的空氣，這樣就可以高能效地保持室內(nèi)必要的溫度狀態(tài)，同時維持其中空氣的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。
5.應(yīng)用本發(fā)明的物質(zhì)冷卻法，能改善裝置的人類工程學(xué)指標(biāo)。
6.應(yīng)用本發(fā)明的物質(zhì)冷卻法，能有效地調(diào)節(jié)物質(zhì)冷卻的過程和它的流量。
給出的冷卻法，既可以應(yīng)用在固定的，也可以應(yīng)用在可移動的空調(diào)系統(tǒng)中。此外，此方法可以用在保溫機和冷蒸機，排出工作物質(zhì)的冷凝熱。
為了冷卻分散材料，如種子，用本發(fā)明的冷卻方法是合適的。
本發(fā)明的方法應(yīng)用于各種化學(xué)工業(yè)，在該領(lǐng)域內(nèi)可以冷卻各種不同的材料。
因此，本發(fā)明的冷卻法，可以應(yīng)用在需要將物質(zhì)冷卻到+15℃的一切科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域：
。
權(quán)利要求
1.在此物質(zhì)冷卻法中為了預(yù)冷外界空氣流將它沿?zé)峤粨Q面(它的反面是潮濕的)流動，然后將氣流分成兩部分，其中一部份流過熱交換面的潮濕面后進入大氣，另一部份被引去和被冷卻的物質(zhì)進行熱交換，其特征是通過附加熱交換面，實現(xiàn)外界空氣的第二部份和被冷卻物質(zhì)的熱交換。被冷卻的物質(zhì)送往該交換面的一側(cè)而外界空氣流的第二部份沿另一潮濕側(cè)面流動。
2.按照權(quán)利要求
1所述的物質(zhì)冷卻法，其特征是冷卻氣態(tài)物質(zhì)時，它沿附加熱交換面的流動方向與外界空氣流第二部份的流動方向相反。
3.按照權(quán)利要求
1所述的物質(zhì)冷卻方法，其特征是，當(dāng)被冷卻的物質(zhì)的熱容量與外界空氣相等時，選取被冷卻的物質(zhì)的流量大于外界氣流的第二部份。
4.按照權(quán)利要求
1所述的物質(zhì)冷卻方法，其特征是被引去作熱交換的第二部份外界氣流直接引向被冷卻后的物質(zhì)。
專利摘要
這種冷卻任何物態(tài)物質(zhì)的技術(shù)在于，通過附加熱交換面實現(xiàn)外界空氣的一部分支流與被冷卻的物質(zhì)進行熱交換，將被冷卻物質(zhì)送往該交換面的一側(cè)，而將另一側(cè)面浸濕，并讓外界空氣的那部分氣流沿該側(cè)面流動。
文檔編號F24F1/00GK87102171SQ87102171
公開日1987年10月21日 申請日期1987年2月17日
發(fā)明者瓦勒里·斯蒂帕諾維奇·馬索特森科 申請人:敖德薩建筑工程學(xué)院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan