专利名称：闭合回路热交换系统及减少耗水量的方法
技术领域：
本发明涉及热交换器，更具体地涉及闭合回路蒸发热交换器以及组合的直接或间接闭合回路蒸发热交换器。
废水会由干式或显热交换器排到大气环境中。在一干式或显热热交换器中，有两种流体气流和工作流体流。在一闭合系统中，工作流体流被包围以便在气流和工作流体流之间没有直接接触；工作流体流不向外界开放。此封闭结构可以是一圈管件。当气流经过包围工作流体流的结构时显热得到交换。在本领域中这些结构称为“紧凑的热交换器”。
在大多数气候条件下，蒸发热交换器比干式热交换器提供显著的工作效率的改进。一种蒸发热交换器是直接蒸发热交换器。在一直接热交换器中，只涉及一个气流和一个蒸发液体流；蒸发液体流通常是水，而且两种流体彼此直接接触。
另一种蒸发热交换器是一间接闭合回路蒸发热交换器，其中包括三种流体气流，蒸发液体流，以及一种封闭的工作液体流。此封闭的液体流首先通过间接热传导与蒸发液体进行显热交换，因为它不与蒸发液体直接接触，然后气流和蒸发液体在彼此接触时交换热量和物质。
另一种蒸发热交换器是组合式直接和间接闭合回路蒸发热交换器。在授予Carter的美国专利Nos.5,435,382(1995年)和5,816,318(1998年)中公开了组合式系统的例子。
干式和蒸发热交换器都通常用做阻热的冷却器或冷凝器。蒸发冷却器在温度到达较低的周围湿球温度时阻热，而干式冷却器限止到达较高的周围干球温度。在许多气候条件下周围湿球温度通常在周围设计干球温度下20至30°F。这样，在一蒸发冷却器中，蒸发液体流可以到达一比周围干球温度低很多的温度，提供增大冷却工作效率和降低整个工作能量需求的机会。蒸发冷凝器对增大的效率和较低的能量需求提供相似的可能性。尽管可以增大工作效率并降低整个工作的能量需求，但通常不使用蒸发冷却和蒸发冷凝，因为要考虑从蒸发液体蒸发的耗水量以及在寒冷的季节工作时的冰冻的可能性。
另外，显热交换器和蒸发热交换器通常尺寸都可以使在生热最困难时都可以进行其所需的散热任务。这种设计条件通常表示为夏季设计湿球或干球温度。尽管此散热设备能在这些设计条件下排出所需量的热量很关键，但这些升高的大气温度的时间占设备工作时间的不到1％。其余的时间设备会比需要具有更多的容量，这样导致浪费能量的蒸发液体。
本发明针对有效使用蒸发热量交换进行排热同时保存蒸发流体。
在附图，相同的标记表示相同的部件
图1是一闭合回路热交换系统的侧视图，其中以示意性方式表示出部件，而且去除热交换设备的外壳以示出交换器内部；图1a是第二间接接触热交换部的一放大立体图，示出至第二间接接触热交换部的入口流通路径和来自间接热交换部的工作流体旁路流通路径；图2a是一温度曲线示意图，示出当本发明的热交换器在第一干式模式中工作时工作流体和气流的温度变化。
图2b是一温度曲线示意图，示出当本发明的热交换器在带有绝热饱和的第二模式中工作时工作流体和气流的温度变化；图2c是一温度曲线示意图，示出当本发明的热交换器在带有调节的工作流体流的第三模式中工作时工作流体、气流和蒸发液体的温度变化；图3a是一典型的选定城市的年温度曲线，示出干球和湿球温度并示出本发明的热交换器在其每种工作模式中的工作；图3b是一图表，将传统的闭合回路蒸发冷却塔的耗水量与本发明的期望的耗水量进行比较；图4是一闭合回路热交换系统的第二实施例的侧视图，其中部件以示意性方式表示，而且去除热交换设备的外壳以示出热交换器的内部；图5是一闭合回路热交换系统的第三实施例的侧视图，其中部件以示意性方式表示，而且去除热交换设备的外壳以示出热交换器的内部；图6是一闭合回路热交换系统的第四实施例的侧视图，其中部件以示意性方式表示，而且去除热交换设备的外壳以示出热交换器的内部；图7是可用于本发明闭合回路热交换器的一干式间接接触热交换装置或紧凑热交换器的一立体图；图8是可用于本发明热交换器的第二间接热交换部中的一整体蛇形回路的一正视图；图9是可用于本发明热交换器的第二间接热交换部中的一侧视图；图10是第二间接接触热交换部的一正视图，示出相邻回路之间的紧凑关系以及入口和出口集管的布局；图11是一闭合回路热交换系统的另一实施例的侧视图，其中部件以示意性方式表示，而且去除热交换设备的外壳以示出热交换器的内部，示出本发明的原理在一冷凝器中的使用；图12是一闭合回路热交换系统的另一实施例的侧视图，其中部件以示意性方式表示，而且去除热交换设备的外壳以示出热交换器的内部，示出本发明的另一实施例；图13是使用本发明原理的一热交换器外部的示意性立体图；图14是从热交换器一相对角获取的图13的热交换器外部的另一侧的示意性立体图。
在图1中示出一热交换系统8的第一实施例。系统8包括一从工作流体中排出热量的热交换设备10。热交换系统8包括一工作流体入口12，连接成可以从一外部装置(未示出)例如加工处理设备接收工作流体。在热量从工作流体排入热交换设备10之后，工作流体通过一工作流体出口14排出。
工作流体可以包括例如一单相液体，如水，此液体在一个温度下通过入口12被容接而在一较低温度下通过出口14被排出。或者，工作流体可以包括一单相气体，此气体在一个温度下通过入口12被容接而在一较低温度下通过出口14被排出。这样，热交换系统可以包括一流体冷却系统。在图1至图4至6中示出一个流体冷却系统。热交换系统8还可以包括一冷凝系统，在此情况下工作流体可以包括一在入口12的两相或多相流体，此流体做为一单相液体或用于一多相流体的液体和气体的混合物而从出口14排出。在图11至12中示出一流体冷凝系统。应该理解这些工作流体的实例只是为了示意，而除非在权利要求中表明，本发明不限于任何特定类型或相的工作流体。
所示的热交换设备10是一闭合的回路热交换器。工作流体被包围在入口12和出口14之间，这样工作流体不会暴露在大气下，而且在设备10中在工作流体流和任何空气流或蒸发的流体之间不会有直接接触。
图1，4至6和11至12的热交换系统8示出热交换设备10范围内和热交换设备外的各种部件。应该理解除非指明，否则以下所述的系统的各种部件可以位于热交换设备中或之外。如在此和权利要求中所用的那样，“热交换系统”这种表述应被宽范围地解释，即可以包括包含在热交换设备范围中的特征的热交换设备和包括在一热交换设备中的某些部件以及设备外的某些部件的热交换系统，又可以包括使用多个热交换设备的热交换系统；参数8通常表示热交换系统。
图1实施例的热交换系统8包括一干式间接接触的热交换部16。此干式间接接触热交换部16具有一空气入口侧18，一空气出口侧20以及通常在图1中表示为22的一工作流体回路。如图7中所示，所示的流体回路22包括一入口集管24、出口集管25以及多个管件26，每个管件具有多个与管件外侧相连的叶片27。此干式间接接触热交换部16可以包括一可买得到外部有叶片的热交换传导盘管，由弗吉尼亚州Richmond的Super Rodiator Coils出售，尺寸为48×69-6R-5CW-L-R，5/8英寸×0.20英寸壁的铜管和0.008英寸的铝叶片(平型)，带有24的回路，如图7所示。应理解这种热传导盘管只是示意性的，而本发明不限于此特殊的热传导盘管。两个或更多这种可买到的盘管可以串联或并联以包括干式间接接触热交换部16。图1和图11至12示出两个并联的这种盘管。根据产品尺寸，盘管的组合可以变化。
应该理解可以使用其他的外部有叶片的结构，如带有外部螺旋缠绕的叶片的管件，或任何其他“紧凑的热交换器”的组合；用于干式间接热交换部所示的结构只是示例性。对热交换系统如图1和4所示，希望构造干式热交换盘管以优化穿过盘管的压力降。例如，干式热交换部的表面区域可以对气流优化以提供经济和有效的操作。尽管热交换器应构造成压力降不要太大，但可以使用任何可买得到的带有外部或内部叶片或两者都有的类型的盘管布置，如带有圆形或瓦楞叶片，以及任何其他类型的以干式模式工作的热交换器。希望外部叶片能增大干式热交换部16在最小的空气一侧的压力降下的工作效率。
为了补充干式间接接触的热交换部16，设置了一第二间接接触热交换部28；此第二间接接触热交换部28或者对干式或者对蒸发的热交换可以进行有选择地操作。第二间接接触热交换部28包括一空气入口侧30，一空气出口侧32，以及一工作流体回路34。所示的第二间接接触热交换部28的工作流体回路34包括一在美国专利No.5,435,382中所述和示出的单盘管组件36。如图8至10所示，盘管组件36具有一通常为矩形的形状，带有一系列蛇形的水平紧密间隔开的平行的回路38。所有的回路38都有一与顶部流体集管40相连的顶端和一与底部流体集管42相连的底端。在此第一实施例中。当热交换系统用做一流体冷却器时，底部流体集管42包括入口集管而顶部流体集管40包括出口集管。如果如图11-12所示热交换系统用做一冷凝器而不是一流体冷却器时入口和出口集管42，40可以转换。集管40，42和蛇形回路38共同包括第二间接接触的热交换部28的工作流体回路34。
如在美国专利Nos.5,435,382中公开的和在图8至10中所示，在盘管组件36中每个单独的回路38包括一整体长度连续的盘管管件，此管件承受将其形成为几行U形件A-E的一弯曲操作，并且彼此在竖直方向等间距隔开，从而为每个回路38提供一生成的蛇形。
第二间接接触的热交换部的盘管最好具有最大的干式和加潮性能以及较低的流体压降。第二间接接触的热交换部28可以包括在一钢框架中的钢管，比如用于从马里兰州巴尔的摩的巴尔的摩空气冷却管公司可以买到的系列1500闭合回路冷却塔和系列1500蒸发冷凝器。可以理解其它结构可用于第二蒸发热交换部28。例如，当在干式模式下工作时盘管的管件可以外部装有叶片，以更有效地进行热传导，或者管件可以内部装有小叶片或其它本领域公知的类似装置。
如图1所示，热交换系统8还包括一分配系统，用于将一蒸发液体有选择地分配给第二间接接触的热交换部28，以在第二蒸发热交换部中进行有选择的干式和蒸发热交换。在第一实施例中，此分配系统46包括多个设置第二间接接触的热交换部28之上的喷嘴48。喷嘴48连至设置在第二间接接触的热交换部之上的一分配管系统50，分配管系统50连至一竖直的分配管52上。竖直分配管52连在一泵54上，泵54连接成可以从位于第二间接接触热交换部之下的一池56吸收蒸发的液体。除了泵以外的装置例如一文氏管可以用于从池54中向喷嘴48移动蒸发液体。应理解所示的分配系统46只是示例性的，而且除非在权利要求中指明，本发明不限于所示的零件。
分配系统46还包括一导管47，阀49或任何其他用于将蒸气流体导入设备中的适当的装置；如图1所示，在所示的实施例中蒸发液体导入池56中。一传感器51可以放置在池56中以确定是否蒸发液体的水平位于一预定水平之下，从而触发一泵或打开阀49补充供给蒸发液体。蒸发液体可以是水。
所示第一热交换系统8包括一从干式间接接触的热交换部工作流体回路22至第二间接接触热交换部工作流体回路34的一连接路径。在此实施例中，还有一从第二间接接触热交换部28至工作流体出口14的一工作流体出口流通路径62，以及一从干式间接接触热交换部工作流体回路22至工作流体出口14的工作流体旁路流通路径64。所有的流通路径60、62、64可以包括例如由标准材例如在外部电镀的钢管、或不锈钢管制成的标准直径的管或导管。此连接路径60和旁路路径64在图1a中更详细地示出。
还设置了一流量控制机构66，来控制工作流体的流量，这样从工作流体出口14排出的工作流体可以以某种混合温度Tfo从干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28有选择地排出(见图2a-2c)。流量控制机构66可以允许工作流体只从干式间接接触热交换部16、从与干式间接接触热交换部串联的第二间接接触热交换部28、或同时从干式间接接触热交换部和第二间接接触热交换部16，28中吸出并混合。流量控制机构66可以包括一三通阀，如一调节阀。调节阀可以放置成控制工作流体的流量，以使从干式间接接触热交换部流体回路22排出的工作流体要么完全旁路、局部旁路要么进入第二间接接触热交换部28的流体回路中。调节阀可以包括一伺服阀，例如从Wisconsin州Milwaukee的Johnson控制公司可买到的一三通VF系列蝶形阀，带有同一来源的一气动或电动致动件。
可以使用其他的流量控制装置66，而且本发明不限于某种特珠形式的流量控制装置，除非在权利要求中指明。例如，根据应用场合，可以使用一手动操作的三通阀，或者可以使用各种机动和手动阀的组合，以取得有选择地使工作流体经过干式间接接触热交换部和第二间接接触热交换部16，28的效果。这样，控制工作流体流量以使离开工作流体出口的工作流体可以有选择地从干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28被吸出的机构66可以包括一手动操纵三通阀，多个机动或手动阀，一三通调节或混合阀，或任何其他适当的装置或装置的组合。此流量控制装置或多个装置66可以放在任何需要产生所需效果的位置上，例如在工作流体出口14和第二间接接触热交换部28之间。或在第二间接接触热交换部28上方，以控制进入旁路流通路径64中并连接流通路径60的流量，如图1所示。还可以用适当的阀与接收来自两个旁路流通路径64和出口流通路径62输入的一公共混合槽组合，其中一排水管与工作流体出口14相连。参照图11-12如下所述，阀还可以放置在干式间接接触热交换部和第二间接接触热交换部16和28的上方。
最好，在第二间接接触热交换部28的温操作过程中，减小通过第二间接接触热交换部28的工作流体的流量以使蒸发的热传导最小，从而使蒸发的液体的损失最小。流量控制机构16最好最大地利用干式间接接触热交换部16，以保存蒸发的液体。
热量交换系统8还可以包括一温度传感器，以确定离开工作流体出口14的工作流体的温度。如果流量控制机构66是自动的，温度传感器70可以响应于离开工作流体出口14的工作流体的温度控制流量控制机构66的操作。温度传感器70可以包括例如从Wisconsin州Milwaukee的Johnson控制公司可买到的一SET189A系列温度传感器，带有进行管件安装的必要的硬件。应理解此装置只是示例性的，除非在权利要求中指明，否则本发明不限于此装置。也可以使用其它来自任何其他主要控制制造商的类似的温度传感器。或者，流量控制机构66可以基于由一操作者在工作流体出口14获取的一温度读数用手操作，或者基于某些其他的参数手动或自动控制。例如，希望在某些场合下基于周围的气候条件控制调节阀66；一温度传感器可以定位成在进入一个热交换部之前测量周围空气温度，这将在下面参照图11-12讨论。一传感器还可以用于监测工作流体的另一个特性，而流量控制机构66响应于工作流体的压力工作。对优化的性能最好采用自动操作。
工作流体温度传感器70可以直接与流量控制机构66相连，直接与装在流量控制机构66内的一可编程逻辑单元相连，如图1中传感器70和控制机构66之间的虚线所示，直接与一工厂计算机控制系统相连，或直接与一标准的单独的计算机系统相连。做为工厂控制系统的一部分或一标准的单独计算机系统一部分的可编程逻辑单元72可以包括在系统8的一部分中，以接收来自温度传感器70的输入并基于温度读数控制各种马达、阀和泵的操作。一种适当的可编程逻辑单元的例子是从Wisconsin州Milwaukee的Johnson控制公司可买到的System350 A 350P电子比例加法集成温度控制器。希望在控制器设计、选择和实施领域内的普通技术人员可以在选择和实施一适当的可编程逻辑单元时能得出最优的结果，可以对可编程逻辑单元72提供另外的输入74，例如来自一操作者或来自另外的传感器如设置成可以确定周围空气温度或进入干式间接接触热交换部16、第二间接接触热交换部28或直接接触热交换部76的空气流温度的温度传感器。可以使用其他类型的传感器以检测工作流体的其他物理特性。例如，如下对图11-12的流体冷凝器所述，压力传感器可以用于确定工作流体的压力，而且压力读数可以输入可编程逻辑单元72。
可以包括一机动或手动阀(未示出)做为蒸发流体分配系统46的一部分。此阀可用于控制喷在第二间接接触热交换部28的盘管上的蒸发流体的容积、持续时间或流速。此阀可以连至可编程逻辑单元72，这样可以基于工作流体温度或其它参数进行阀的操作。但是，当在湿模式下操作时，蒸发流体的流量应保持在推荐给第二间接接触热交换部28的喷嘴并适用于整个管件的流量的范围中。
如图1所示，热交换系统8还可以包括一具一空气入口侧78、一空气出口侧80以及填充介质82的直接接触热交换部76。在所示的实施例中，直接接触热交换部76以及空气入口侧78定位成周围空气可以被吸入设备10中，而空气出口侧80与一高压室84相通。高压室还从第二间接接触热交换部28的出口侧32接收空气。直接接触热交换部76中的填充介质82可以是任何标准的填充介质，如塑料填充物以及木质或陶瓷填充介质，或任何本领域其它的填充介质。对交叉流动，填充介质可以类似在授予Carter等人的美国专利No.4,361,426(1982年)中公开的；对逆流，填充介质可以是类似梯形的板形，如在授予Korenic的美国专利No.5,724,828(1998年)中所述。可以使用可买到的交叉流动PVC填充物，如可从宾州Reading的BrentwoodIndustries可买到的“Accu-PACCF 1900冷却塔”填充物。在图1的第一实施例中，直接接触热交换部76定位成可以从第二间接接触热交换部28接收蒸发流体；但是，应理解一蒸发流体分配系统可以设置在直接接触热交换部76之上，这样蒸发流体可以分配给直接接触热交换部76而无需首先通过第二间接接触热交换部28。
直接接触热交换部76起一绝热饱和器和一蒸发热交换器的作用，以冷却蒸发流体，最好起一蒸发热交换器的作用最小，以保存蒸发流体。在一年中的大多数时间，当热交换器在干式模式中工作时，直接接触热交换部76暂停。
池56位于直接接触热交换部76之下。热交换系统8还包括一有选择地将蒸发流体从池56移至喷出口48的机构54。机构54可以包括一标准的泵，如下所述在选定时间受控制而工作，泵54可以连至例如一温度或压力传感器上，这样基于一温度或压力读数蒸发流体被分配至或者是第二间接接触热交换部28，或者是直接接触热交换部76，或者两者都有。温度或压力读数可以基于工作流体的温度或压力，如例如接近工作流体出口14的干式间接接触热交换部16下游的工作流体的温度或压力。这样，蒸发流体可以基于工作流体的温度或压力分配或不分配。为此可使用一控制器；此控制器可以简单地包括一泵的接通-关闭开关，此开关可以从温度或压力传感器接收输入信号，或可以使用一更先进的控制器，如使用可编程逻辑单元的控制器。控制器可以是做为系统一部分的中央可编程逻辑单元的一部分，利用来自传感器70的温度或压力读数，或者可编程控制器可以是整个工厂控制的一部分或一标准单计算机的一部分。
池56通常可以包括一排管88，这样蒸发流体可以从系统中排出，以防止在一年中的某些时候如冬季结冰。排管88可以包括一控制机构90，如由一温度传感器控制的电磁阀，这样当周围温度例如在冰点以下时打开排管88。如图1所示，阀90可以连接成由中央可编程逻辑单元72控制，或可以基于其本身的传感系统或装置由手动操作或控制。在工作流体温度降至接近冰点时还可以使用一电磁阀(未示出)以自动排干要么干式间接接触热交换部16要么第二间接接触热交换部28中的流体。
对每个第二间接接触热交换部和直接接触热交换部可以使用单独的池或泵。每个泵可以受控单独工作，这在与此同时递交的Thomas P.Carter和Branislav Korenic的美国专利申请中公开，其题目的“小轮廓热交换系统及降低水耗的方法”，在此其整个公开文本做为参考。或者，可以使用一整体的泵，带有两个单独的喷射系统以及一个阀，将蒸发流体导向第二间接接触热交换部的喷嘴或直接接触热交换部。对单独的池，第二间接接触热交换部的池可以抬高在直接接触热交换部之上或可以位于直接接触热交换部之下。
热交换系统8还可以包括一外壳94，外壳94基本包围干式间接接触热交换部16，第二间接接触热交换部28，直接接触热交换部76，通风室84以及喷嘴48，这样所有这些部件都位于热交换设备10中。如图13所示，外壳94开口95，对应于直接接触热交换部空气入口侧78。隔窗97将开口95分隔开。所示的开口95允许一空气涡流进入直接接触热交换部76的空气入口侧78，离开空气出口侧80而进入通气室84；在图1和图5至6中以96示出通过直接接触热交换部76的气流。如图1和13所示，外壳94还具有在第二间接接触热交换部28之上并与第二间接接触热交换部28的空气入口侧30相通的开口99。如图1和图5至6所示，通过第二间接接触热交换部28的气流可以与蒸发流体的流动一致，并离开第二间接接触热交换部进入通气室84中；在图1至图4至6中以98示出通过第二间接接触热交换部28的气流。应理解第二间接接触热交换部28和直接接触热交换部76的空气入口侧30、78都还可以定位成提供通过第二间接接触热交换部28的交叉流动或逆流，或允许通过直接接触热交换部76的涡流或逆流。例如，如图4所示，第二间接接触热交换部28中的气流可以与蒸发流体流动路径一致。应理解本发明使用任何在美国专利No.5,435,382和美国专利No.5,724,828中所述的装置，上述公开文本在此做为参考。
流过干式间接接触热交换部16的气流在图1，4至6和11至14中表示为110。气流110是主气流98和辅气流96的组合。设备10可以具有在离开干式间接接触热交换部的气流处在图13至14中以105表示的线网。
如图1，11-12和14所示，热交换设备外壳94还可以包括伸入干式间接接触热交换部空气入口18上方的通气室84中的辅助空气开口100。辅助开口100提供周围气流101进入通气室84中的一入口，而不需要首先通过第二间接接触热交换部28或直接接触热交换部76。可以设置缓冲器102用于可选择地关闭辅助空气开口100。缓冲器102可以连至一个或多个伺服马达或任何标准类型部件上，在图1中表示为104，而且马达104可以连至一控制机构上，此控制机构可以是中央逻辑单元72或其他控制装置，这样缓冲器102可以取决于例如干式间接接触热交换部16下游的工作流体的温度或其他参数自动打开和关闭。通常，对流体冷却器而言，当热交换系统在湿模式下工作时缓冲器102应关闭，而当热交换系统在干式模式下工作时缓冲器102应打开。缓冲器102不需要机动，而是可以手动操作。
为了移动气流96、98、101、100通过热交换设备10的部件，本发明还包括一空气移动装置108。空气移动装置108移动周围空气进入第二间接接触热交换部空气入口侧30并将周围空气移入直接接触热交换部空气入口侧78中；在图1，5-6和11-12的实施例中，周围的空气被空气移动装置108吸入热交换部中。空气移动装置108移动气流98、96通过第二间接接触热交换部28，76并离开其空气出口侧32，80进入通风室84，在此两股气流96、98混合以限定在图1中表示为110的整体混合的气流，此气流进入并通过干式间接接触热交换部16。如果热交换设备具有如图1中的辅助的空气开口。空气移动装置108还有选择地将周围空气吸入通风室84中，以混合在组合气流110中。在第一实施例中，空气移动装置108是一位于设备外壳94内的机动风扇，在通风室84下游而在干式室16上游，以通过第二间接接触热交换部28和干式间接接触热交换部76吸收气流98、96并迫使气流110通过干式间接接触热交换部16。应理解此装置以及此装置的位置只是为了示意性目的。希望使用如图所示定位或其它位置上的其他空气移动装置或系统，例如在美国专利No.5,724,828或5,435,382中所示设置的离心式或框进式鼓风机。也可以使用其它的空气移动系统。风扇或其他的空气移动装置还可以是一可变速的装置，带有一控制机构，用于改变风扇的速度。控制机构可从连接成以温度传感器70或中央逻辑单元72接收输入，温度传感器或中央逻辑单元72连接成确定工作流体的温度，从而可以响应于工作流体的温度改变风扇的速度。例如，当工作流体在一低流速下冷却至一所需的温度范围时，希望在冬季通过在低速下运转风扇而保存能量。还希望对主空气移动设备提供一辅助空气移动设备，可以在用量增大时操作。
图1的热交换设备10可以通过向一在美国专利No.5,435,382中公开并可以从马里兰州Baltimore的Baltimore空气冷却公司买到的、做为系列1500闭合回路冷却塔和系列1500蒸发冷凝器的热交换设备加入一标准的可买到的干式间接接触热交换部以及加入工作流体连接流动路径60、工作流体出口流动路径62和工作流体旁路流体流动路径64以及流动控制机构66而制成。温度传感器70和可编程逻辑单元72还可以做为改型被加入热交换设备中。或者，热交换设备可以独立制成。
做为单相流体冷却器，本发明的热交换系统可以在三种模式下工作。在模式1中，在较低的周围温度下，例如在15℃之下或约59°F，要冷却的热工作流体通过工作流体入口12供给干式间接接触热交换部16的入口集管24。从入口集管24工作流体通过工作流体回路22的管件26分配，这样工作流体在包括一个或多个干式间接接触热交换部16的盘管组件的整个回路系列范围中以基本均匀的流速流动。当工作流体经过干式间接接触热交换部16的流体回路22时，空气移动装置108将气流110移至管件26和突缘27以冷却工作流体。气流110可以包括在进入干式间接接触热交换部之前已通过第二间接接触热交换部28和通风室84的主气流98，首先通过直接接触热交换部76和通风室84的次气流96，通过辅助开口100和通风室84的辅助周围气流101，以及这些气流96、98、101的混合物。在工作流体已冷却并进入出口集管25之后，整个工作流体流进入旁路流动路径64并流至工作流体出口14，而不需要进入第二间接接触热交换部28。整个工作流体通过流动控制机构66的操作进入旁路流动路径64。
离开设备或系统的工作流体的温度可以由传感器70监测，而且如果温度比所需的高，流量控制机构66可以调节以便于某些或全部工作流体进入工作流体连接流通路径60并进入第二间接接触热交换部28的入口集管42。工作流体从第二间接部入口集管42通过第二间接接触热交换部28的盘管组件36的蛇形流体流动路径38分配。当工作流体穿过第二间接接触热交换部28的流体回路34时，空气移动装置108将主气流98移至整个盘管组件36，以冷却工作流体。在此第一工作模式中，第二间接接触热交换部28做为一干式热交换器工作而工作流体进一步由移至整个盘管组件36的气流98冷却。工作流体主要在有叶片的干式间接接触热交换部16中冷却并部分在干式第二间接接触热交换部28中冷却。干式第二间接接触热交换部在此工作模式中可以增加约6-15％的冷却。为了从非活跃的干式间接接触热交换部76中减小系统的压降并向干式间接接触热交换部16提供更多的空气，机动缓冲器102可以自动打开以将另外的周围气流101通过辅助开口100导入通气室84中。
在模式1中系统的工作效果在图2a的温度曲线中图示出。如图所示，工作流体在初始入口温度Tfi进入工作流体入口12并在一较低的最终出口温度Tfo离开工作流体出口14。如果工作流体路过第二间接接触热交换部28，最终的出口温度Tfo会等于在干式间接接触热交换部16出口的工作流体温度，这在图2a中的温度Tf*表示。如果工作流体进入第二间接接触热交换部28，工作流体温度会从温度Tf*降至温度Tfo。
主气流98在图2a至2c中表示为Tdbi的初始干式球温度进入第二间接接触热交换部28，而次气流也以相同的初始干式球温度Tdbi进入直接接触热交换部76。次气流的干式球温度在干式间接接触热交换部76保持相对恒定，如图2a中的水平实线表示。如果没有工作流体进入第二间接接触热交换部28，主气流98的温度也会保持基本恒定，而且也会在图2a中为水平线。如果工作流体流过第二间接接触热交换部28的盘管组件36，如图中由向上的斜线表示主气流98的干式球温度在其经过第二间接接触热交换部28时增大，并进入通风室84。在通风室84中，气流98与从干式间接接触热交换部76中容接的冷却器气流96混合。这样，进入干式间接接触热交换部16的气流110会被预冷却。当气流110和工作气流在干式间接接触热交换部16中交换热量时增大气流110的干式球温度。应理解如果热交换设备装有机动缓冲器102和辅助开口100，缓冲器可以在此第一工作模式打开以在较低的干式球温度下传导更大量的周围空气，从而与主气流98混合，这样气流110在更接近Tdbi的温度下进入干式间接接触热交换部16。或者，为了减小压降，辅助气流101可以代替次气流96。图2a还示出以虚线表示的在热交换系统中的部分中气流的湿球温度，以表示在此工作模式中，气流的干式球温度是驱动力。尽管被加热，气流保持在恒定的绝对空气湿度。
应理解在图2a至2c中，未沿水平轴以比例示出热交换部16、28、76的相对面积。期望在干式间接接触热交换部16中的实际可得的热交换面积比相对于为第二间接接触热交换部28示出的大很多。因此，如图所示在直接接触热交换部76中的热传导面积不等于第二间接接触热交换部28的热传导面积，而是要大。
在第二工作模式中，周围空气温度要较高，例如，超过约15℃至59℃，而且在气流进入通气室84之前或者是第二间接接触热交换部28或直接接触热交换部76之一或者是两者都绝热地饱和其各个气流98、96工作。在此模式中，蒸发流体分配系统46受到激发，这样取决于分配系统的结构通常为水的蒸发流体会喷到整个第二间接接触热交换部28。或者直接接触热交换部76，或者两者都有。
在图1的实施例中，在第二工作模式中，蒸发流体喷到第二间接接触热交换部28的盘管组件36中并向下滴到直接接触热交换部76的填充介质82上以及池56。蒸发流体从池56泵出并通过分配系统再循环。在此工作模式中，蒸发流体的温度等于周围气流的初始温球温度，以Twbi表示并保持恒定。如图2b所示，流量控制机构66得以调整以完全打开旁路流体流动路径64，这样没有工作流体流过二部28。
当没有工作流体流过第二间接接触热交换部28时，蒸发流体会通过第二间接接触热交换部28和直接接触热交换部76循环而没有来自工作流体的热负荷。相反，蒸发流体的循环会在各个第二间接接触热交换部28和直接接触热交换部76中饱和主和次气流98、96。
当气流98、96饱和时，在第二间接接触热交换部28和直接接触热交换部76中的气流温度将从初始的干式球温度Tdbi向较低的湿球温度Twbi下降。气流96、98的绝对温度在当其沿湿球温度Twbi饱和时增大。主气流98如图2b中的实线98所示可能不能100％饱和，而且其温度会在湿球温度之上。但由于在直接接触热交换部76中可能会有更多的稠介质，次气流96的温度会到达或更接近湿球温度Twbi，如图2b中较陡的线96所示。
绝热冷却的气流98、96由风扇108送入通风室84中。两股气流96、98将在通风室中混合，而且混合气流的温度会位于主和次气流98、96的温度之间，如图2b所示由“混合”表示。混合温度会更接近次气流96的温度，因为气流的体积会不相等。混合气流110从通风室84会移至干式间接接触热交换部16的叶片27和管件26上。
混合气流110的干式球温度会是干式间接接触热交换部16中的关键因素，如图2b中实线所示。混合气流110的干式球和湿球温度将在干式间接接触热交换部16中增大，如图2b所示，而绝热湿度会保持恒定。机动缓冲器102应关闭以便较热的周围干式气流101被堵住而不能通过辅助开口100进入通风室84中。
由于蒸发流体基本饱和主和次气流，所有进入干式间接接触热交换部16中的空气预冷在周围干式球温度Tdbi之下并且增强在干式间接接触热交换部16中的冷却。而且由于蒸发流体不从工作流体中携带热负荷，可以使蒸发流体的损失最小以保存蒸发流体。
如图2b所示，工作流体在干式间接接触热交换部16中从一初始入口温度Tfi冷却至温度Tf*。由于没有工作流体流过第二间接接触热交换部28、工作流体出口温度Tfo会基本等于温度Tf*。
当周围空气温度进一步增大时，或者当工作流体的出口温度超过一设定值时，热交换系统会在模式3下工作。在此第三模式中工作温度曲线如图2c所示。在此模式中，流量控制机构66工作以调节工作流体流量，这样一些或全部工作流体进入工作流体连接流动路径60中并流至并通过第二间接接触热交换部28的工作流体回路34。流量控制机构66可以手动或自动操作，这样工作流体有选择地从干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28中都被吸出并混合。当外部或周围温度相对低时，即接近模式2的温度范围时，一少量工作流体会通过连接流动路径60进入第二间接接触热交换部工作流体回路34。随后，热过程只会从模式2的绝热饱和过程中略微偏离，而且蒸发流体的温度会略高于冷却极限(进入空气的湿球温度)。本领域普通技术人员可以理解，离开第二间接接触热交换部和直接接触热交换部空气出口侧32、80的气流98、96的温度会增大一些，而蒸气液体的消耗量也会略微增大。在此温度范围，第二间接接触热交换部28帮助干式间接接触热交换部16冷却工作流体至所需温度。
当在夏天周围温度增大时，流量控制机构66会增大进入第二间接接触热交换部28的流体回路的工作流体的量。在夏天最高温度下，即在设计峰值温度，所有或基本所有的工作流体会被传过第二间接接触热交换部28的流体回路34。在峰值负荷下，第二间接接触热交换部28携带相当一部分热负荷，而且干式间接接触热交换部16起辅助热交换器的作用以满足设计热负荷。在此阶段热过程大大偏离绝热饱和过程。蒸发流体温度大大高于模式2，而离开第二间接接触热交换部28的气流98的温度大大高于模式2，但仍很低足以使干式间接接触热交换部16进行有用的冷却。在此模式中，直接接触热交换部76基本同在美国专利No.5,435和5,724,828中和从马里兰州Baltimore的Baltimore空气冷却器公司可买到的系列1500闭合回路冷却塔和系列1500蒸发冷凝器中的填充部一样工作，以冷却蒸发流体。
模式3中的工作效果如图2c中的温度曲线所示。如图所示，工作流体在干式间接接触热交换部16中从初始温度Tfi冷却至在干式间接接触热交换部出口的温度Tf*，但达不到其他工作模式中的程度。如果大多数工作流体路过第二间接接触热交换部28，在出口14工作流体的温度会到达或接近来自干式间接接触热交换部16的出口温度，如图2c中的水平线表示并标以“旁路部”。如果所有工作流体流过连接路径60并经过第二间接接触热交换部28至出口14，在出口14工作流体温度会降低图2c中所示的较低水平并标以“通过盘管”。操纵流量控制机构66以从热交换部16、28吸出混合的工作流体会导致出口温度Tfo位于其他出口温度之间，如图2c中“混合”表示，其中混合中50％的工作流体来自干式间接接触热交换部16而50％的工作流体来自第二间接接触热交换部28。应理解50-50的混合比例只是示例性；可以取决于流量控制机构66的工作改变流体的实际相对比例，而混合点相应上、下移动；例如，在设计峰值负荷，期望100％的工作流体能进入第二间接接触热交换部的盘管，而工作流体出口温度会位于较低值。
在第三工作模式，主气流98的干式球温度在第二间接接触热交换部28中从Tdbi降至Tdbo，而其湿球温度从Twbi升至Twbo。次气流96的干式球温度在干式间接接触热交换部16中从Tdbi降至Tdbo，而其湿球温度从Twbi升至Twbo。在此工作模式中，次气流96的出口干式球和湿球温度彼此之间比主气流的要更接近，因为次气流96可以比主气流98更饱和。两个气流96、98在通风室84中混合，如图中在出口温度以“混合”所示，到达出口温度和主及次气流之间的一混合温度。混合气流110则经过干式间接接触热交换部16，而气流110的湿和干式球温度增大，因为热量从工作流体中被排出。在第二间接接触热交换部28和直接接触热交换部76中气流的湿球温度是主要温度，如图2c中实线所示，而干式球温度不很显著，由虚线表示。在干式间接接触热交换部16中，干式球温度是主要温度，由实线表示，而湿球温度不很显著，由虚线表示。
在第三工作模式中，第三部28中的蒸发流体的温度会从气流的温球温度和从第二间接接触热交换部排出的工作流体的温度(图2c中所示的“通过盘管”)之间的一初始温度Twi增大。此初始温度将增大至温度Two，如图2c中的标有“再循环蒸发流体的线和箭头28所示。热蒸发流体则进入直接接触热交换部76，其中它将从温度Two冷却至Twi，如图中标有”再循环蒸发流体“的线和箭头76所示。
通过比较图3a和3b可以看出本发明的节水优点。图3a示出在一指定方位使用本发明的热交换系统和方法经过一年。为了此图示，使用了德国Stuttgart/Echterdingen AB的干式球和湿球曲线。温度沿纵坐标或Y轴标出而小时数沿横坐标或X轴标出。这样，可以看出此位置的干式球温度应在一年的春、秋和冬季的70.3％中位于15℃或59°F之下。对一年的约17.7％，干式球温度在15℃或59°F之上但湿球温度在15℃或59°F之下。由于本发明，热交换系统可以做为一干式设备在模式1中工作70.3％的时间而不使用蒸发流体。当周围干式球温度在15℃或59°F之上但湿球温度位于15℃或59°F之下时，热交换系统8可以在模式2中工作，其中蒸发流体绝热饱和损失较小。当湿球和干式球周围温度都在15℃或59°F之上时，热交换系统8和工作可以在模式3中工作。应理解在各种模式中工作的特定截止温度只是示意性的。实际在各种模式中工作的截止量直接取决于干式间接接触热交换部16下游的工作流体温度或压力需要，例如在流体出口14处。截止的工作流体温度或压力应与周围温度有关，这样每个工作模式的使用周期应遵循图3a中的百分比。每个工作模式的可操作时间的实际百分率取决于此位置的特定的每年温度曲线以及取决于设计的截止温度或压力(例如空气干式球温度设计截止量)，由此热交换系统定尺寸。尽管最好使用调节阀和工作流体温度传感器，但每个模式之间的变化可以通过上述自动控制或通过一手动过程完成。
在图3b中示意性示出一流体冷却器的可能的蒸发流体节省情况，假设在一年中热阻负荷保持恒定。在一典型的闭合回路蒸发冷却塔中蒸发流体消耗量基本与特定的周围气候条件无关并且每1000BTU被阻的热约为1.2磅水。此消耗量在图3b中由上水平虚线表示。本发明的水消耗量在图3b中由下实线表示。对此特例，使用本发明可以比在常规蒸发产品中节约约90％的水。通常，热阻负荷在一年中不为恒定，但仍能取得相当大的节水量。
从图4至6中可见，对本发明的热交换系统8进行了许多结构上的变化。例如，从图4中可见，热交换系统不需要有图1所示类型的直接接触热交换部76，而空气移动装置108可以包括一鼓风机或任何其他类型的风扇。这样，一排出逆流鼓风式间接蒸发冷却塔可以进行相对小的改动，以利用本发明的优点。如图5和6所示，两个干式间接接触热交换部或装置16可以加入一热交换设备中，而且带有双盘管组件36和双直接接触热交换部76。可以对如图5所示在直接接触热交换部76中带有逆流和蒸发流体流以及如图6所示带有交叉空气和蒸发流体流的热交换设备10进行改型，带有一个或多个干式间接接触热交换器16和适当的阀66、工作流体连接流动路径60、工作流体旁路流动路径64以及工作流体出口路径62和适当的传感器70、74，如果需要还有一可编程逻辑单元72。尽管所示的实施例示出顺流蒸发流体和气流流动(图1，5和6)以及在第二间接接触热交换部28(图4)中的蒸发流体和气流的逆流，但本发明也可以用于使用通过蒸发流体的气流98的一交叉流的热交换系统8。尽管图5和6只示出连接至调节阀66和工作流体流动路径60、64的双干式间接接触热交换部和第二间接接触热交换部中的之一，但应理解双部可以串联、并联或分别连接。而且如图5至6所示，干式间接接触热交换部16可以位于空气移动装置108之上游，而非如图1实施例所示位于下游。而且尽管图1和4至6所示的实施例是改型的闭合回路热交换设备的例子，但应理解其他的热交换设备也可以改型，而且本发明零件的其他布置可以做成为原始设备的一部分。除非在权利要求中指明，否则本发明不限于特定的零件布置，并且不限于现有的热交换器的改型。
任何热交换系统可以包括标准的结构，如去漂移装置114，以减小或避免在空气出口出现任何水滴。去漂移装置114可以包括亲密间隔开的金属、塑料或木制板或隔栅，以使气流从中通过但会收集空气中的小水滴。其它标准的装置也可以用于本发明。
在选择零件时，用于干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28的选定装置可以基于标准的工程设计原理而选择。干式间接接触热交换部16的尺寸可以完成在干式模式下的大多数热工作；在此模式中，第二间接接触热交换部28取决于其尺寸会增加到如6-15％的热容量，但主要的热交换器是干式间接接触热交换部16的有叶片的管26。但是在湿工作模式中，第二间接接触热交换部28将进行60-70％的热工作，而有叶片的盘管26将完成剩下的40-30％，每个部分的实际的热工作百分比将取决于热交换器16、28的相对尺寸。如果实际应用场合要求整个一年中热工作恒定，则会选择一大的干式间接接触热交换部16和一相对小的第二间接接触热交换部28。如果希望夏天和湿工作模式比冬天和干式模式大，则可以选择一较大的第二间接接触热交换部28。
而且尽管使用热交换系统和方法的效果对流体冷却而描述，但应理解热交换系统和方法也可以用于其它的排热操作，如蒸气冷凝。对蒸气冷凝，工作流体的流动方向可以随上述美国专利Nos.5,435,382和5,816,318中所述变化，而且参见图11和12在下面描述。
在图11和12中，相同的标记用于图1和4至6实施例中所述的相同的部件。图11示出一用做冷凝器的热交换系统8，其中并联的冷却剂流过干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28。图12示出用做冷凝器的一热交换系统8，其中串联的冷却剂流过干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28。在图11、12的实施例中，干式间接接触热交换部16可以包括两个图7所示类型的热交换设备，而且如上所述并联。同图1和5至6的实施例一样，图11和12的热交换系列都包括一直接接触热交换部76。图11、12的冷凝器的所有热交换部16、28、76都具有空气入口侧18、30、78和空气出口侧20、32、80。第二间接接触热交换部28的结构可以对图11、12实施例和对图1和4至6的实施例中的都相同，如图8至10中所示。
同以上实施例相同，图11和12的冷凝器具有外壳94和通风室84。在通风室外壳的壁具有辅助空气开口100和缓冲器102，这样一辅助气流101可以进入通风室并移至干式间接接触热交换部16的空气入口侧18而不需要首先经过第二间接接触热交换部28或直接接触热交换部76。辅助周围空气流101可以与上述其他气流混合成共同气流110。可以提供缓冲器102进行有选择地关闭辅助空气开口100。缓冲器102可以连到图11至12中以104表示的一个或多个标准型伺服马达上，而且马达104可以连到与中央逻辑单元72或其他控制装置相连的一控制机构上，这样缓冲器可以取决于例如干式间接接触热交换部16下游的工作流体的温度或压力或其他因素自动打开或关闭。通常对冷凝器而言，当热交换系统在湿模式下工作时缓冲器102应关闭而当热交换系统在干式模式中工作时缓冲器102应打开。同图1的实施例一样，缓冲器102不需要机动而是可以手动操作。
图11至12的冷凝器的外形可以与图13至14所示的相似，其中隔栅97在开口95伸入外壳内。外壳可以在干式间接接触热交换部的气流出口处具有线网105，如图13至14所示。外管也可以与图13所示有所不同。
图11和12的冷凝器在干式模式和湿模式中都能工作。最好，冷凝器在干式模式中尽可能长时间地工作，以减少使用蒸发流体并从而保存蒸发流体。干式间接接触热交换部16的尺寸应相应决定；应具有充足的容量以在一年的大部分时间中冷凝工作流体，而不需要在湿或蒸发模式中使用第二间接接触热交换部28。
图11和12的冷凝器的机动风扇108最好要么是一双速机动风扇或一可变速机动风扇。在每种情况下，在设计的周围干式球温度下，风扇108将全速工作，而冷凝器将在干式模式中工作。如果提供缓冲器102，它们将完全打开以使气流最大限度地通过干式间接接触热交换部16。在较低的干式球温度下，风扇速度减小而缓冲器关闭。在湿工作模式中，泵54受致动，这样蒸发流体向上通过管52移至分配管系统50和喷嘴48，并且分配到整个第二间接接触热交换部28。在设计湿球温度下，风扇108全速工作，而缓冲器102关闭以使气流最大限度地通过第二间接接触热交换部28和直接接触热交换部76。当湿球温度降到设计水平之下时，风扇108的速度会降低。
在图11的并联流动冷凝器中，所示的实施例使用多个供应流动路径和多个不同流动路径中的阀。一第一工作流体供应流动路径200从工作流体入口12导至干式间接接触热交换部的上入口24。在工作流体流过工作流体回路34后，工作流体流至底部出口25以及从干式间接接触热交换部16导至工作流体出口14的一第一工作流体出口流动路径202。第一工作流体出口流动路径202包括一连接导管204，一公共导管206和一公共接收器208。连接导管204从干式间接接触热交换部16导至公共接收器208。公共接收器208包括一槽体。此槽体可以由金属或其他适当材料制成。公共导管206的一端在公共接收器208中，接近一低水平，而另一端在公共接收器208之外。在连接导管204的管路中有一第一控制阀210。在连接导管204的管路中还有一单向阀212，以防止公共接收器208中的高压工作流体返回连接导管至冷凝器16，这种情况在低周围空气温度下发生。
在图11的实施例中，一第二供应流动路径214从工作流体入口12导至第二间接接触热交换部28的上流体集管40。在工作流体经过工作流体回路34后，工作流体进入底部流体集管42并流至从第二间接接触热交换部28导至工作流体出口14的一第二工作流体出口流动路径216。第二工作流体出口流动路径216包括一连接导管218，公共导管206和公共接收器208。连接导管218从第二间接接触热交换部28导至公共接收器208。在第二连接导管218的管路中有一第二阀220。在连接导管218的管路中还有一单向阀222，以防止公共接收器208中的高压工作流体返回连接导管至冷凝器28，这种情况在较低的周围空气温度下发生。
第三工作流体供应路径224从工作流体入口12导至公共接收器208。在第三工作流体供应路径224中有第三控制阀226。
三个控制阀210、220、226提供控制工作流体的机构，这样离开工作流体出口14的工作流体可以有选择地从干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28中被吸出。这些控制阀通过控制进入公共接收器208中的流体提供这种选择性如果控制阀210打开，但控制阀220关闭，公共接收器208中的工作流体将包括经过干式间接接触热交换部16的流体。如果热交换器在此模式下工作相当长一段时间，从公共接收器208通过公共导管206被吸至膨胀阀的工作流体将基本包括已通过干式间接接触热交换部16而不是第二间接接触热交换部28的工作流体。如果控制阀210和220打开，公共接收器208中的工作流体将包括已通过两个干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28的流体混合物，而通过公共导管206被吸出的工作流体将包括一混合物。如果第三控制阀226打开但其他控制阀210、220关闭，则公共接收器208中的工作流体将包括还未通过干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28的流体。
三个控制阀210、220、226可以自动被设置成打开或关闭。控制阀可以连至一控制器如图11至12中由72表示的一可编程逻辑单元，它可以是整个工厂自动化控制系统的一部分、热交换设备10的一部分或一标准单计算机的一部分。可编程控制单元72可以从如图11-12中以74表示的一温度传感器接收输入信号。合适的伺服机构可以连至控制器72和阀210、220、226，这样阀取决于周围温度打开和关闭。例如，阀226可以只在某些很小的周围温度范围如40°F之下打开，其中阀210和220在此温度关闭。当周围温度升高例如约50°F时，阀226可以关闭，阀210打开，而阀220保持关闭，这样系统只使用干式间接接触热交换部16从工作流体中排出热量。当周围温度开始升高到另一个设定点如70°F之上时，阀220开始打开以使某些工作流体流至第二间接接触热交换部28。在约80°F的设定的周围温度，阀210和220都可以完全打开，这样干式间接接触热交换部和第二间接接触热交换部16、28可以充分地完全工作。
最好控制阀210、220、226是压力阀，可以感应每个管路中工作流体的冷凝压力并取决于感应的压力以及为每个控制阀设定的一单独的设定点压力打开和关闭。这样，从干式间接接触热交换部16导出的控制阀210最好设置成一最小的可工作冷凝压力，对应于工作流体的最小的冷凝温度。只要阀210上游的工作流体压力超过此最小设定点，控制阀210保持打开而工作流体从干式间接接触热交换部16流至公共接收器208，在此模式中的工作最好进行大多数时间，而且干式间接接触热交换部16应相应地定尺寸。
第二控制阀220可以在一较高压力下设置成打开，对应于工作流体的一较高的冷凝压力和温度。如果在阀220上游的流动路径214中工作流体的压力到达或超过第二控制阀220的设定点，第二控制阀220打开。当第一和第二控制阀210、220都打开时，工作流体流过干式间接接触热交换部或第二间接接触热交换部而且两股工作流体都流入公共接收器208中。第二间接接触热交换部28可以在干式或蒸发模式下工作。热交换系统还可以装置成阀220在一个温度下打开以在一干式模式下工作，其中泵54在另一较高温度下受激以在蒸发模式下工作。
第三控制阀226设置成在小于为第一和第二控制阀210、220的设置点的一压力下打开。这样，如果工作流体压力较低，如在较低的周围温度下以及在系统启动时，第三控制阀226打开而第一和第二控制阀210、220关闭。工作流体会直接流至公共接收器208而不通过干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28，以快速压缩公共接收器208。
可买到的阀可以用于控制阀210、220、226。一种合适的可买到的阀的例子是调节阀，如Illinois州Broadview的冷冻品公司的A4A型液体排干调节器。
通过例如将蒸发流体的使用限制到周围干式球温度从图11的实施例可以取得节水效果。温度传感器74可以连接到控制器72上，当周围干式球温度超过设定点时传感器74可以打开水泵54。还可以当到达此设定的周围干式球温度时关闭缓冲器102。
可以希望当阀220关闭时致动分配系统46，以在气流96、98进入干式间接接触热交换部16之前冷却气流96、98。在此模式中，蒸发流体不会从工作流体中携带任何热负荷。
在图12的串联流量冷凝器中，做为一种工作流体的冷却剂蒸气进入工作流体入口12并流至干式间接接触热交换部16，在此热量部分被排出。工作流体则包括冷却剂蒸汽和流过连接路径60至第二间接接触热交换部28的液体的一混合物，在第二间接接触热交换部28中剩余的冷却剂蒸气冷凝为液体。在干式工作模式中，热量排出过程由通过干式间接接触热交换部16和第二间接接触热交换部28的空气的量控制。在干式模式的设计干式球截止温度，以其最大流速提供气流。
当空气温度降至设计截止点之下时，液体排出管路62中的冷凝压力下降，冷凝温度也下降。此变化由一传感器70感应到，此传感器可以是一温度或压力传感器，位于来自第二间接接触热交换部28的排出管路62中，传感器70可以向控制器72提供输入信号。当传感器72从传感器70接受到工作流体的冷凝压力或冷凝温度降低的信号，控制器72发出一信号以降低风扇108的速度。对一双速风扇，速度从高变至低；对一可变速风扇，马达速度从高速向低速逐渐变化。
当周围空气温度高于设计截止点时，液体排出管路62中的冷凝压力下降，而且其冷凝温度也下降。如果使用周围温度，则此变化可以由传感器74感应，如果使用冷凝压力，则此变化由传感器70感应，而且一适应的信号传给控制器72。控制器对此响应打开泵54。这样，蒸发流体会向上泵至喷嘴48并喷至整个第二间接接触热交换部28进行蒸发冷却，控制器72还可以通过在低于最大值的空气温度下以低速运转风扇108而且当到达夏天的峰值温度时增大风扇速度而调节气流。
可以进行设计改变。例如，空气缓冲器102可以与可变或双速风扇组合。用于调节气流的空气缓冲器102还可以用于恒速风扇。在图12的设计中可以象在图1和4-6的流体冷却器一样包括一旁路流动路径，或者在图11中包括一连接流动路径。
本发明还提供从工作流体中排出热量的方法。一方面，一工作流体经过热交换系统8而一气流经过热交换器8。热交换系统包括一干式间接接触热交换部16、一第二间接接触热交换部28，一直接接触热交换部76，以及一覆盖整个第二间接接触热交换部的蒸发液体分配系统46。蒸发液体有选择地分配或不分配至第二间接接触热交换部。分配或不分配蒸发液体取决于工作流体的物理特性如压力或温度，其中此方法可以包括测量工作流体的一物理特性的步骤，或者分配或不分配蒸发流体可以取决于周围温度，其中此方法包括测量周围空气温度的步骤。
工作流体温度或压力可以在干式间接接触热交换部16的下游的一位置上测出，如在工作流体出口14。
另一方面，本发明的方法提供了从工作流体排出热量的方法，包括以下步骤，即提供工作流体，提供一蒸发液体，以及提供一热交换系统8。热交换系统8包括蒸发液体的一分配系统46，一干式间接接触热交换部16、一第二间接接触热交换部28以及一直接接触热交换部76。此方法包括移动一气流通过第二间接接触热交换部28同时将蒸发液体分配至整个第二间接接触热交换部28以冷却气流至周围干式球温度以下的温度的步骤。冷却的气流经过干式间接接触热交换部16同时使工作流体通过干式间接接触热交换部16。
这样，由于本发明的热交换系统和方法，蒸发液体和能量都可以得到保存。另外，由于任何从热交换设备排出的气流在刚刚被排出前已经过干式间接接触热交换部，排出的气流得以加热以减小或避免形成卷流。
尽管只描述和示出本发明特定的实施例，但显然可以对此进行各种增加和变化，而且这种替换可用于本发明的各种零件。因此本发明的权利要求是为了覆盖所有这些增加、改变和替代，所有这些都落入本发明的范围中。
权利要求
1.一种从工作流体中排出热量的热交换系统，包括一工作流体入口；一工作流体出口；一干式间接接触热交换部，具有一空气入口侧，一空气出口侧，以及从工作流体入口接收工作流体的一工作流体回路；一第二间接接触热交换部，包括一空气入口侧，一空气出口侧，以及一工作流体回路；一从干式间接接触热交换部工作流体回路至第二间接接触热交换部工作流体回路的工作流体连接流通路径；一从第二间接接触热交换部至工作流体出口的工作流体出口流通路径；一控制工作流体的流动以便离开工作流体出口的工作流体可以有选择地从第二间接接触热交换部和干式间接接触热交换部被吸出的机构；以及一用于有选择地分配一蒸发液体至第二间接接触热交换部的分配系统。
2.如权利要求1所述热交换系统，进一步包括一从干式间接接触热交换部工作流体回路至工作流体出口的工作流体旁路流通路径。
3.如权利要求1所述热交换系统，进一步包括一直接接触热交换部，具有一空气入口侧，一空气出口侧和填充介质，其中直接接触热交换部定位成可以从第二间接接触热交换部接受蒸发液体，热交换系统进一步包括从直接接触热交换部接受蒸发液体的一池，而且分配系统包括多个喷口和一用于有选择地从池向喷口移动蒸发液体的机构。
4.如权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，用于控制工作流体流动的机构包括一调节阀，调节阀可以控制工作流体的流动，以便工作流体要么进入第二间接接触热交换部，完全绕过第二间接接触热交换部或部分绕过第二间接接触热交换部，热交换系统进一步包括一连接成可以确定干式间接接触热交换部工作流体回路和第二间接接触热交换部工作流体回路的下游的工作流体温度的温度传感器。
5.一种从工作流体中排出热量的热交换系统，包括一工作流体入口；一工作流体出口；一干式间接接触热交换部，具有一空气入口侧，一空气出口侧，以及从工作流体入口接收工作流体的一工作流体回路；一第二间接接触热交换部，包括一空气入口侧，一空气出口侧，以及一工作流体回路；一从干式间接接触热交换部至工作流体出口的工作流体流通路径。一从第二间接接触热交换部至工作流体出口的工作流体出口流通路径；一控制工作流体的流体以便离开工作流体出口的工作流体可以有选择地从第二间接接触热交换部和干式间接接触热交换部被吸出的机构；以及一用于有选择地分配一蒸发液体至第二间接接触热交换部的分配系统。
6.如权利要求5所述的热交换系统，其特征在于，从干式间接接触热交换部导至工作流体出口的工作流体流通路径包括一从干式间接接触热交换部流体回路至工作流体出口的旁路流通路径，此系统还包括一从干式间接接触热交换部至第二间接接触热交换部工作流体回路的连接流通路径。
7.如上述任一项权利要求所述的热交换系统，进一步包括一位于干式间接接触热交换部空气入口侧和第二间接接触热交换部以及直接接触热交换部空气出口侧之间的公共通风室，还包括一基本围绕直接接触热交换部和通风室的外壳，外壳具有一对应于直接接触热交换部空气入口侧的开口、一伸入通风室中的辅助开口以及用于有选择地关闭辅助空气开口的缓冲器。
8.一种从工作流体排出热量的方法，包括以下步骤提供一工作流体；提供一蒸发流体；提供蒸发流体的分配系统，一干式间接接触热交换部，一第二间接接触热交换部以及一直接接触热交换部，使工作流体经过第二间接接触热交换部同时使一气流移过第二间接接触热交换部；以及有选择地分配或不分配蒸发液体到第二间接接触热交换部。
9.如权利要求8所述的方法，包括测量工作流体一物理特性的步骤，而且其中有选择地分配或不分配蒸发液体至第二间接接触热交换部的步骤基于工作流体的测得的物理特性。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，测得的物理特性至少是工作流体温度和周围空气温度之一。
11.一种从工作流体排出热量的方法，包括以下步骤提供一工作流体；提供一蒸发流体；提供蒸发流体的分配系统，一干式间接接触热交换部，一第二间接接触热交换部以及一直接接触热交换部，在第三部和直接接触热交换部中至少一个处移动一气流同时分配蒸发液体至热交换部以冷却气流至周围干式球温度之下的一温度；以及移动冷却的气流经过干式间接接触热交换部同时使工作流体经过干式间接接触热交换部。
全文摘要
一种从工作流体中排出热量的热交换系统,包括:工作流体入口;工作流体出口;干式间接接触热交换部,具有空气入口,空气出口,以及接收工作流体的工作流体回路;第二间接接触热交换部,包括空气入口,空气出口,以及工作流体回路;工作流体连接流通路径;工作流体出口流通路径;控制工作流体的流动使离开工作流体出口的工作流体可以有选择地从第二间接接触热交换部和干式间接接触热交换部被吸出的机构;以及用于有选择地分配蒸发液体至第二间接接触热交换部分的分配系统。
文档编号F28D5/02GK1267817SQ0010374
公开日2000年9月27日 申请日期2000年3月7日 优先权日1999年3月8日
发明者布拉尼斯拉夫·克伦尼克, 托马斯·P·卡特 申请人:巴尔的摩汽圈公司