[发明专利]具有吸湿性工作流体的散热系统

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年7月29日提交的美国实用新型申请号13/953,332的优先权的权益， 其公开整体上通过引用并入本文中。

关于联邦政府资助的研究或开发的声明

本发明是在政府支持下根据美国能源部（DOE）授予的标题为“关于化石能源相关资源 的研究与开发的EERC–DOE联合项目（EERC–DOEJointProgramonResearchand DevelopmentforFossilEnergy-RelatedResources）”的合作协议号（DE-FC26- 08NT43291）下所做出的。政府享有本发明中的一些权利。

技术领域

本发明涉及将降级的热能耗散到环境空气中。

背景技术

热能耗散在工业上是一项普遍任务，其主要依赖于大量的冷却水来满足需求。普 通排热过程包括热电厂里的蒸汽冷凝、空调和制冷装备中的制冷剂冷凝以及化学制造期间 的工艺冷却。在发电厂和制冷系统的情况下，需要在尽可能的低温下并且使水份损失最少 来将热能耗散到操作环境以获得最优的资源利用。

在当地环境具有合适、容易获得、低温的水源（例如，河流、海洋或湖泊）的情况下， 能够直接提取冷却水。但是，由于对水源的竞争和认识到水源的各种用途对环境的影响日 益增加，所以预计在未来这些冷却条件中很少是可用的。在缺乏合适、容易获得的冷却剂源 的情况下，在所有地域可用的唯一的另外的常见冷源是环境空气。当前使用显热传递和潜 热传递两者来将热量排到空气。在显冷中，直接将空气用作冷却剂来冷却过程热交换器的 一侧。对于潜冷，将液态水用作中间传热流体。热能主要以蒸发的水蒸汽的形式传递到环境 空气，并且具有空气的最小温升。

这些技术通常用在工业上，但每种技术具有明显的缺点。在显冷情况下，与液体相 比，空气是较差的冷却剂，并且空气冷却过程所产生的效率会是欠佳的。空气冷却热交换器 中的空气侧传热系数总是远低于液体冷却热交换器或冷凝工艺中的情况，并且因此需要大 的热交换表面积以达成优良的性能。除更大的表面积需求之外，空气冷却热交换器接近用 于冷却的空气的环境干球温度的冷却限制，其可在一天期间改变30°到40°F并且可在一天 中最热的数小时期间妨碍冷却能力。空气冷却系统设计通常是工艺效率和热交换器成本之 间的折衷办法。选择最低初始成本选项会对系统的使用寿命具有负面的能量消耗影响。

在潜热耗散中，冷却效率高得多，并且排热温度在整天期间更为一致，因为湿式冷 却塔将接近用于冷却的空气的环境露点温度，而非用于冷却的空气的振荡干球温度。与这 种冷却方法相关联的关键性缺点或问题是冷却中所使用的相关联的水消耗，这在许多地方 是有限的资源。获得用于湿式冷却系统操作的足够用水权耽搁了工厂许可，限制了厂址选 择，并且给新发展的对手造成了非常明显的弱点。

现有技术美国专利3,666,246公开了一种散热系统，其使用在蒸汽冷凝器（热负 荷）和与环境气流接触的直接接触热质交换器之间循环的水性干燥剂溶液。在此系统中，迫 使液体溶液接近主导的环境干球温度和湿蒸汽压力。为防止吸湿性干燥剂过度干燥和从溶 液析出，将循环的吸湿性干燥剂流的一部分回收到空气接触器，而不从热负荷吸收热量。这 样引起空气接触器中的平均温度更低并且帮助扩大系统的操作范围。

使未受热的吸湿性干燥剂溶液再循环对于接近20°C和接近50%的相对湿度的环境 条件而言是有效的，如由美国专利3,666,246中描述的示例所说明的，但在更干燥、湿度更 小的环境中，必须增加未受热的再循环吸湿性干燥剂流的量以防止吸湿性干燥剂溶液结 晶。当环境空气的水分含量减小时，所需的再循环流增加以成为总流量的越来越大的比例， 使得冷凝器没有发生显著冷却，由此降低散热系统的冷却能力，在极端情况下甚至接近零 或者没有明显的冷却。最终，一旦吸湿性干燥剂在主导的环境条件下不再是稳定的液体，则 即使再大量的再循环流也无法防止未受热的吸湿性干燥剂溶液结晶。

将瞬时环境条件用作吸湿性干燥剂溶液的方法条件将美国专利3,666,246中的散 热系统的操作限于接近30%或更大的相对湿度（使用优选的MgCl₂吸湿性干燥剂溶液）。否 则，吸湿性干燥剂可完全干透并从溶液析出。这种限制将排除在经历显著更干燥的天气模 式、湿度更小的空气并且可以说需要改进干式冷却技术的世界地区中操作和使用美国专利 3,666246中所描述的散热系统。