СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ХЛАДАГЕНТА ДЛЯ УСТРОЙСТВА КОСВЕННО-ИСПАРИТЕЛЬНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
COOLING AGENT DISTRIBUTION SYSTEM FOR INDIRECT EVAPORATIVE COOLING DEVICE

Область техники, к которой относится изобретение
Данное изобретение относится к системе распределения хладагента, применяемой в устройствах косвенно-испарительного охлаждения с сухими и мокрыми каналами.
Уровень техники
Испарительное охлаждение давно известно в технике и заключается в том, что охлаждение воздуха происходит за счет естественного испарения хладагента - воды. Косвенно-испарительным охлаждением воздуха называют процесс, при котором приточный воздух не имеет непосредственного контакта с хладагентом, а охлаждение его происходит через теплообменную поверхность. Также в уровне техники известно прямое испарительное охлаждение, при котором непосредственно приточный воздух контактирует с хладагентом. В уровне техники известно множество устройств (теплообменников) косвенно-испарительного охлаждения, см., например, патент РФ № 2320947 и патент РФ № 2221969.
Из уровня техники известно устройство косвенно - испарительного охлаждения (патент РФ № 2320947), содержащее фитильную систему водораздачи. Вода из поддона циркуляционным насосом подается в питающие фитили, которые представляют из себя трубки, несущие фитильный материал, покрывающий часть наружной поверхности трубки. Наружный фитильный материал находится в контакте с фитильным материалом на влажных сторонах теплообменника. Таким образом, вода сперва смачивает наружный фитильный материал трубки и далее подается в фитильный материал ʺмокрыхʺ каналов.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание системы распределения хладагента для устройств косвенно-испарительного охлаждения обеспечивающей надежное и экономичное охлаждение воздуха, поступающего в помещение.
Указанная задача решается за счет использования системы распределения хладагента устройства косвенно-испарительного охлаждения с сухими и мокрыми каналами, содержащей верхний уровень прохождения хладагента, средний уровень прохождения хладагента, нижний уровень прохождения хладагента, первую промежуточную емкость со входом и двумя выходами, вторую промежуточную емкость с двумя входами и двумя выходами, каналы для вытеснения воздуха и емкость с датчиками, причем верхний уровень прохождения хладагента, имеет по меньшей мере одну ванночку для смачивания стенок мокрых каналов, содержащую область смачивания, вход и выход, входной канал, соединенный по текучей среде со входом ванночки, выходной канал, соединенный по текучей среде с выходом ванночки, причем входной канал соединен с выходным каналом через вход и выход для соединения входного и выходного каналов первой промежуточной емкости, средний уровень прохождения хладагента, имеет по меньшей мере одну ванночку для смачивания стенок мокрых каналов, содержащую область смачивания, вход и выход, входной канал, соединенный по текучей среде со входом ванночки, выходной канал, соединенный по текучей среде с выходом ванночки, причем входной канал на одном своем конце соединен с входным каналом верхнего уровня через вход и выход для соединения входного канала верхнего уровня и входного канала среднего уровня первой промежуточной емкости, а на другом своем конце с соответствующим каналом для вытеснения воздуха, а выходной канал на одном своем конце соединен по текучей среде с каналом для вытеснения воздуха, а на другом своем конце по текучей среде с каналом для вытеснения воздуха через вход для вытеснения воздуха и выход для вытеснения воздуха второй промежуточной емкости, нижний уровень прохождения хладагента, имеет по меньшей мере одну ванночку для смачивания стенок мокрых каналов, содержащую область смачивания, вход и выход, входной канал, соединенный по текучей среде со входом ванночки, выходной канал, соединенный по текучей среде с выходом ванночки, причем входной канал на одном своем конце соединен с выходным каналом верхнего уровня через вход для соединения выходного канала верхнего уровня и входного канала нижнего уровня второй промежуточной емкости, а на другом своем конце с емкостью с датчиками, а выходной канал на обоих своих концах соединен по текучей среде с соответствующим каналом для вытеснения воздуха.
Предпочтительно система дополнительно содержит патрубок для соединения входного канала с входом первой промежуточной емкости, патрубок для соединения выхода первой промежуточной емкости с входным каналом среднего уровня.
Предпочтительно система дополнительно содержит патрубок для соединения выходного канала верхнего уровня с входом второй промежуточной емкости, патрубок для соединения выхода второй промежуточной емкости с входным каналом нижнего уровня.
2
2
5
3
8
2
6
4
10
Предпочтительно в качестве хладагента используется: вода (HO), этиловый спирт (CHOH), изопропиловый спирт (CHO), диметиловый эфир (CHO), диэтиловый эфир (СНО), смеси на основе этих веществ.
Заявляемая трехуровневая система распределения хладагента значительно отличается от известной из RU2320947, в частности, тем, что имеет промежуточные емкости с запасом хладагента для предотвращения от пересыхания мокрых каналов. В заявленной трехуровневой системе распределения хладагента имеются ванночки в мокрых каналах, хладагент из которых равномерно распределяется по пористой поверхности мокрых каналов. Явным отличием фитильной водораздачи, которая используется в RU2320947, является использование двух патрубков подачи воды (хладагента) в мокрые каналы теплообменника (устройства косвенно-испарительного охлаждения), тогда как заявляемая трехуровневая система распределения хладагента имеет один патрубок подачи хладагента. Такое решение значительно упрощает сборку устройства и увеличивает технологичность.
Фитильная система водораздачи не гарантирует увлажнение всей поверхности теплообмена, что отрицательно влияет на эффективность устройства косвенно-испарительного охлаждения.
В других теплообменниках (устройствах косвенно-испарительного охлаждения), в которых охлаждение воздуха происходит за счет испарения воды, смачивание мокрой стороны пластины осуществляется за счет образование водяной пленки на поверхности данной стороны пластины (то есть вода не впитывается вглубь пор, а просто размазывается по без пористой поверхности пластины. Основными недостатками данных теплообменников является:
- на поверхности мокрой стороны пластин образуется накипь и соляные разводы;
- необходим большой расход циркулирующей воды;
- высокое энергопотребление водяного насоса устройства косвенно-испарительного охлаждения из-за требуемого большого расхода и напора;
Использование заявляемой системы распределения хладагента для устройства косвенно-испарительного охлаждения позволяет устранить вышеуказанные недостатки.
Наличие промежуточных емкостей с хладагентом в многоуровневой системе распределения хладагента обеспечивает постоянное смачивание поверхности пластин, образующих мокрые каналы, что особенно важно для косвенно-испарительного теплообмена и продлевает работу аппарата в случае выхода из строя циркуляционного насоса. Завоздушивание каналов подачи хладагента оказывает отрицательное влияние на эффективность теплообмена. Промежуточная емкость на верхнем уровне теплообменника устраняет этот факт вследствие наличия необходимого статического напора хладагента, в результате которого пузырьки воздуха удаляются с верхнего уровня распределения хладагента. Таким образом обеспечивается удаление воздушных пробок из каналов для хладагента. Использование датчиков и расположения промежуточных емкостей на разных уровнях обеспечивает пониженное энергопотребление насоса, уменьшает общее энергопотребление установки и увеличивает холодильный коэффициент установки. Разбрызгивание хладагента приводит к повышенному расходу хладагента в теплообменнике, что повышает энергопотребление насоса. Отсутствие воздухоотводчиков на верхнем уровне теплообменника устраняет этот факт. Другими словами, если расположить воздухоотводчик на верхнем уровне системы, то избыточное давление, создаваемое насосом будет выталкивать воду («разбрызгивание»). При расположении воздухоотводчиков на среднем и нижнем уровнях, это приводит к понижению давления в жидкостной магистрали в следствие: А) наличия гидравлических потерь в каналах теплообменника Б) необходимости преодоления столба жидкости в воздухоотводчиках. Полное и равномерное смачивание поверхностей пластин мокрых каналов устройства косвенно-испарительного охлаждения хладагентом, является важным условием эффективной работы косвенно - испарительного устройства охлаждения. Это обеспечивается наличием ванночек, расположенных по высоте устройства косвенно-испарительного охлаждения в мокром канале,длина которых соответствует длине пути прохождения воздуха вдоль канала. Равномерное смачивание пластин хладагентом способствует увеличению холодопроизводительности. Для трехуровневого распределения хладагента необходим один патрубок подачи хладагента, что значительно упрощает сборочные работы и унифицирует конструкцию теплообменника.
За счет использования пластин с порами и смачивание хладагентом через ванночки достигается равномерное смачивание пластин хладагентом (что способствует увеличению холодопроизводительности), снижается требуемый расход и гидравлическое сопротивление по хладагенту, что уменьшает энергопотребление насоса. Конструкция ванночек и пластин позволяет не боятся вибраций, что дает возможность ставить устройство косвенно-испарительного охлаждения с заявляемой системой распределения хладагента на транспорте. Трехуровневая система распределения хладагента за счет сообщающихся между собой ванночек и регулирование подачи хладагента за счет датчиков низкого и высокого уровня хладагента внутри устройства косвенно-испарительного охлаждения позволяет оптимально смачивать пластины (не давать им пересыхать или наоборот истекать хладагентом, т.е. выделять на поверхности неламинированной стороны пластины капли хладагента, которые не впитались в поры и попадают в дренажный поддон или уносятся технологическим потоком воздуха), что так же снижает расход хладагента и уменьшает энергопотребление насоса.
Описание чертежей
Фиг.1 - общий вид системы распределения хладагента для устройства косвенно-испарительного охлаждения.
Фиг.2 -общий вид слева устройства косвенно-испарительного охлаждения, в котором используется система, показанная на фиг.1, с местным разрезом.
Фиг.3 - общий вид справа устройства косвенно-испарительного охлаждения, в котором используется система, показанная на фиг.1.
Осуществление изобретения
.
Как показано на фиг.1 система распределения хладагента для устройства косвенно-испарительного охлаждения с сухими и мокрыми каналами можно разделить на три уровня по высоте -верхний уровень 24 прохождения хладагента, средний уровень 25 прохождения хладагента и нижний уровень 26 прохождения хладагента. Соответственно система содержит верхний уровень 24 прохождения хладагента, средний уровень 25 прохождения хладагента, нижний уровень 26 прохождения хладагента, первую закрытую промежуточную емкость 4 со входом 27 и двумя выходами 28, 29, вторую промежуточную емкость 5 с двумя входами 30, 31 и двумя выходами 32, 33, каналы 13, 18 для вытеснения воздуха и емкость 2 с датчиками, причем верхний уровень 24 прохождения хладагента, имеет по меньшей мере одну ванночку 23 для смачивания стенок мокрых каналов, содержащую область смачивания, вход 34 и выход 35, входной канал 8, соединенный по текучей среде со входом 34 ванночки, выходной канал 9, соединенный по текучей среде с выходом 35 ванночки 23, причем входной канал 8 соединен с выходным каналом 9 через вход 27 и выход 29 для соединения входного и выходного каналов первой промежуточной емкости 4. Средний уровень 25 прохождения хладагента, имеет по меньшей мере одну ванночку 36 для смачивания стенок мокрых каналов, содержащую область смачивания, вход 37 и выход 38, входной канал 10, соединенный по текучей среде со входом 37 ванночки, выходной канал 11, соединенный по текучей среде с выходом 38 ванночки, причем входной канал 10 на одном своем конце соединен с входным каналом 8 верхнего уровня 24 через вход 27 и выход 28 для соединения входного канала 8 верхнего уровня 24 и входного канала 10 среднего уровня 25 первой промежуточной емкости 4 и, а на другом своем конце с соответствующим каналом 13 для вытеснения воздуха, а выходной канал 11 на одном своем конце соединен по текучей среде с каналом 20 для вытеснения воздуха, а на другом своем конце соединен по текучей среде с каналом 18 для вытеснения воздуха через вход 30 и выход 32 второй промежуточной емкости 5Нижний уровень 26 прохождения хладагента, имеет по меньшей мере одну ванночку 39 для смачивания стенок мокрых каналов, содержащую область смачивания, вход 40 и выход 41, входной канал 12, соединенный по текучей среде со входом 40 ванночки, выходной канал 14, соединенный по текучей среде с выходом 41 ванночки, причем входной канал 12 на одном своем конце соединен с выходным каналом 9 верхнего уровня через вход 31 и выход 33 для соединения выходного канала 9 верхнего уровня 24 и входного канала 12 нижнего уровня 26 второй промежуточной емкости 5, а на другом своем конце с емкостью 2 с датчиками, а выходной канал 14 на обоих своих концах соединен по текучей среде с соответствующими каналами 21, 22 для вытеснения воздуха. Система дополнительно содержит патрубок (канал) 16 для соединения входного канала 8 с входом 27 первой промежуточной емкости 4, патрубок (канал) 17 для соединения выхода 28 первой промежуточной емкости 4 с входным каналом 10 среднего уровня 25. Система дополнительно содержит патрубок (канал) 15 для соединения выходного канала 9 верхнего уровня 24 с входом 31 второй промежуточной емкости 5, патрубок (канал) 19 для соединения выхода 33 второй промежуточной емкости 5 с входным каналом 12 нижнего уровня 26.
Хладагент протекает внутри устройства косвенно-испарительного охлаждения с верхнего до нижнего уровня, по пути наполняя ванночки (емкости для хладагента) 23, 36 и 39, расположенные между пластинами в мокрых каналах устройства косвенно-испарительного охлаждения. Для удаления воздушных пробок внутри теплообменника предусмотрены воздухоотводящие патрубки (каналы) 13, 18, 20, 21, 22 (см. фиг. 1). Регулирование подачи хладагента в устройство косвенно-испарительного охлаждения осуществляется с помощью датчиков верхнего и нижнего уровня хладагента, которые расположены в особой емкости (см. поз.2 на фиг.1): если уровень хладагента в данной емкости 2 упал ниже допустимого уровня, то приходит сигнал от датчика нижнего уровня хладагента, после этого хладагент начинает подаваться в устройство косвенно-испарительного охлаждения с помощью насоса до тех пор, пока хладагент в емкости 2 не поднимется до верхнего допустимого уровня и сработает датчик верхнего уровня хладагента. Промежуточные емкости 4 и 5 обеспечивают необходимый уровень хладагента в среднем уровне 25, при отсутствии подачи хладагента в устройство косвенно-испарительного охлаждения. Все ванночки 23, 36 и 39 имеют одинаковую конструкцию. На каждом уровне имеются свои ванночки 23, 36 и 39 для пропитки хладагентом неламинированных поверхностей пластин, образующих мокрые каналы теплообменника. Ванночки 23, 36 и 39 выполнены в виде горизонтально вытянутой полой прямоугольной призмы, открытой с боковых сторон, которыми она прижимается к неламинированным боковым сторонам пластин, т.е. боковые стороны пластин образуют боковые стороны ванночек. Через боковые стороны ванночек хладагент попадает на боковые стороны пластин и смачивает их. Входы и выходы ванночек выполнены в виде отверстий, через которые проходят каналы системы.
Хладагент подается через сквозные отверстия (входы 34, 37, 40) в ванночки 23, 36, 39, далее хладагент, наполнявший ванночки, равномерно за счет капиллярного эффекта через поры начинает смачивать всю поверхность боковой мокрой стороны пластины 48 и воздух, проходящий вдоль вышесказанной стороны пластины 48 начинает испарять влагу с поверхности этой стороны. За счет испарения хладагента на мокрой стороне пластин 48 происходит охлаждение боковой сухой стороны пластины 48 устройства косвенно-испарительного охлаждения и воздух, проходящий вдоль поверхности сухой стороны пластины, начинает охлаждаться. Сухая сторона пластины 48 покрыта тонким слоем ламината, которая за счет закрытия пор не позволяет перетекать хладагенту с мокрой стороны пластины и увлажнять воздух, проходящий вдоль сухой стороны пластины. Из сухих и мокрых сторон пластин, расположенных друг на против друга образуются соответственно сухие 47 и мокрые 51 каналы устройства косвенно-испарительного охлаждения. Воздух идущий по мокрым каналам 51 увлажняется и нагревается, а воздух идущий через сухие каналы 47 охлаждается без изменения влагосодержания.
Как видно на фигуре 1 хладагент из выходов 38 ванночек 36 и выходов 41 ванночек 39 протекает по каналам 11 и 14 в двух направлениях, а именно к боковой стенке 6 и боковой стенке 7, а из выходов 35 ванночек 23 хладагент протекает по каналу 9 только в одном направлении к боковой стороне 7. Это объясняется тем, что на верхнем уровне 24 нет каналов для удаления воздуха, а на среднем и нижнем уровне такие каналы выполнены, а именно каналы 13, 18, 20, 21, 22. В хладагенте могут быть воздушные пузыри, а также воздух может попадать в каналы при подаче хладагента. Это воздух необходимо удалять из системы, поэтому заявляемая система обеспечена каналами 13, 18, 20, 21, 22 для удаления воздуха.
2
2
5
3
8
2
6
4
10
Система работает следующим образом: хладагент, который может быть водой (HO) или этиловым спиртом (CHOH) или изопропиловым спиртом (CHO) или диметиловым эфиром (CHO) или диэтиловым эфиром (СНО) или смесью на основе этих веществ, подается с помощью насоса от источника подачи (например системы водоснабжения) на вход 1 для хладагента, например, входной патрубок, расположенный на стенке 7 системы распределения хладагента, затем по каналу 8 хладагент в горизонтальном направлении проходит во входы 34 и попадает в ванночки 23, которые являются полыми, и в патрубок 16. Хладагент заполняет полые ванночки 23 для пропитки хладагентом неламинированной поверхности пластин (на фиг. 1 не показаны), образующих мокрые каналы 51 устройства косвенно-испарительного охлаждения (на фиг. 1 не показаны). При этом хладагент проходит через ванночки 23 и вытекает из выходов 35 в канал 9 верхнего уровня. Как только хладагент доходит по каналу 8 до противоположной боковой стенки 6 системы распределения хладагента, он через боковой патрубок 16 проходит в первую закрытую промежуточную емкость 4 через вход 27. Затем хладагент из емкости 4 через выход 28 и через патрубок 17, расположенный на боковой стенке 6, проходит во входной канал 10 среднего уровня 25 и, двигаясь горизонтально, попадает через входы 37 в ванночки 36, расположенные в мокрых каналах устройства косвенно-испарительного охлаждения (не показано на фиг.1) и заполняет их. Также, как только хладагент заполняет весь средний уровень 25 и достигает боковой стенки 7 устройства косвенно-испарительного охлаждения, хладагент через канал 10 попадает в патрубок 13 и заполняет его, причем через выход 42 патрубка 13 удаляется воздух в окружающую среду, который был выдавлен потоком хладагента с верхнего уровня 24 в средний уровень 25 системы. Хладагент из выхода 29 промежуточной емкости 4 и выходов 35 ванночек 23 проходит в канал 9 верхнего уровня 24 и затем поступает в переливной патрубок 15 и перетекает через вход 31 в промежуточную емкость 5, расположенную на среднем уровне 25 системы. Из данной промежуточной емкости 5 через выход 32 и патрубок 18 аналогичным способом, как через патрубок 13, удаляется воздух через выход 43, попавший с поступающим хладагентом. Хладагент через выход 33 второй промежуточной емкости 5 проходит в патрубок 19 и из него перетекает во входной канал 12 нижнего уровня 26 системы. По каналу 12 хладагент движется в горизонтальном направлении заполняя через входы 40 ванночки 39 нижнего уровня 26, расположенные в мокрых каналах 51 устройства косвенно-испарительного охлаждения (не показан на фиг. 1), при этом хладагент, передвигаясь внутри ванночек 39, перетекает в выходной канал 14 нижнего уровня 26 системы через выходы 41. Кроме того, хладагент проходит по каналу 12 в емкость 2 с датчиками уровня хладагента, в которой установлены датчики верхнего и нижнего уровня хладагента в этой емкости 2. При срабатывании датчика нижнего уровня хладагента осуществляется подача хладагента в систему распределения хладагента через вход 1, а при срабатывании датчика верхнего уровня хладагента прекращается подача хладагента в систему распределения хладагента, обеспечивая равномерное (без воздушных пробок), пропитывание хладагентом стенок пластин мокрых каналов устройства косвенного охлаждения. Хладагент из выходов 38 ванночек 36 среднего уровня 25 попадает в выходной канал 11, по которому хладагент проходит через вход 30 во вторую промежуточную емкость 5 и по каналу 11 хладагент попадает в патрубок 20 и заполняет его, через выход 44 патрубка 20 так же удаляется воздух в окружающую среду, который попал в средний уровень 25 системы. Проходя через ванночки 39 хладагент через выходы 41 попадает в выходной канал 14 нижнего уровня 26, по которому хладагент проходит в патрубки 21 и 22, расположенные на обеих боковых стенках 6 и 7 устройства косвенно-испарительного охлаждения и через которые осуществляется окончательное удаление воздуха, который не удалился с среднего уровня устройства косвенно-испарительного охлаждения. Воздух удаляется в окружающую среду через выходы 45 и 46 соответствующих патрубков 21, 22.
Каналы 8, 9, 10, 11, 12, 14 образованы сквозными проходами в пластинах 48 и уплотнительными прокладками сухих каналов, а также внутренней поверхностью ванночек в мокрых каналах, а все остальные каналы выполнены в виде трубок.
Фиг.2 и 3 показывают общий вид слева и справа устройства косвенно-испарительного охлаждения, в котором используется заявленная система распределения хладагента. Воздух поступает в сухие каналы 47, которые образованы противоположными сторонами пластин 48, причем эти стороны пластин не смачиваются хладагентом из ванночек и являются ламинированными. Воздух проходит по сухим каналам 47 и частично выходит из горизонтально вытянутого прямоугольного отверстия 49 для выпуска охлажденного воздуха потребителю на верхней части передней стенки 50 устройства косвенно-испарительного охлаждения. Другая часть воздуха, прошедшего по сухим каналам 47, ударяется об переднею стенку 50 и поворачивает в мокрые каналы 51. Система распределения хладагента распределяет хладагент по каналам, расположенным в устройстве косвенно-испарительного охлаждения, в том числе, и в ванночки 23, 36 и 39, через боковые стороны которых вода попадает на противоположные стороны пластин 48, которые не являются ламинированными, и смачивает их. Эти противоположные смоченные стороны пластин 48 образуют мокрые каналы 51. Воздух проходя через мокрые каналы 51 испаряет хладагент со стенок пластин, тем самым охлаждая эти пластины 48, и в том числе их ламинированные боковые стороны, образующие сухие каналы, что позволяет охлаждать воздух в сухих каналах. Увлаженный и нагретый воздух из мокрых каналов 51 выходит через отверстия 52 наружу.
Промежуточные емкости 4, 5 среднего и верхнего уровня 25, 24 имеют внутри себя минимальный запас хладагента для обеспечения наличия хладагента в верхнем и среднем уровне 24, 25 устройства косвенно-испарительного охлаждения для предотвращения их пересыхания. Промежуточная емкость 4 на верхнем уровне 24 устройства косвенно-испарительного охлаждения обеспечивает необходимый статический напор хладагента для удаления пузырьков воздуха с верхнего в нижестоящие уровни устройства косвенно-испарительного охлаждения. Устройство косвенно-испарительного охлаждения может работать с минимальным давлением хладагента на входе в теплообменник, что совместно с регулированием подачи с помощью датчиков высокого и низкого уровня хладагента обеспечивает минимально необходимое энергопотребление насоса. Отсутствие воздухоотводчиков на верхнем уровне теплообменника обеспечивает невозможность разбрызгивания хладагента из устройства косвенно-испарительного охлаждения под действием избыточного давления, тем самым достигается минимально необходимый расход хладагента за счет отсутствия непроизводительных потерь. Удаление воздуха с верхнего уровня осуществляется через воздухоотводчики среднего и нижнего уровней теплообменника. Заявленная система обеспечивает эффективное наполнение хладагентом всех ванночек в мокрых каналах, образованных неламинированной стороной пластин, и равномерное смачивание теплообменника и оптимальное поддержание пластин во влажно-наполненном состоянии, что минимизирует расход хладагента и повышает эффективность теплообмена и увеличивает холодопроизводительность. Устройства косвенно-испарительного охлаждения, имеющие любую площадь поверхности и различные геометрические размеры могут работать только с одним входным патрубком 1 для хладагента, что упрощает конструкцию данного устройства.