換熱面保護方法以及濕空氣冷卻方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種換熱面保護方法以及濕空氣冷卻方法，詳細而言，涉及如下一種換熱面保護方法，其能夠通過防止與周圍的溫度差較大的換熱面上發(fā)生物質(zhì)移動(Masstransfer)，來提供一種無需維護的換熱面，還涉及如下一種濕空氣冷卻方法，其能夠在利用換熱面來冷卻濕空氣或從溫度邊界層內(nèi)的冰點以下的濕空氣吸熱的情況下，使換熱面能夠進彳丁尚效且穩(wěn)定的冷卻。
【背景技術】
[0002]利用換熱面在流體和濕空氣之間進行換熱時，在流體與濕空氣之間，在與空氣接觸的換熱面，在換熱面溫度比空氣溫度低的情況下(以下稱為冷卻面)，會頻繁發(fā)生結(jié)露、結(jié)霜或結(jié)冰現(xiàn)象。
[0003]下面參照圖3對結(jié)霜現(xiàn)象或凝結(jié)現(xiàn)象的發(fā)生條件進行說明。
在空氣溫度在(TC以上的情況下，周圍環(huán)境中的水蒸氣狀態(tài)為水飽和周圍環(huán)境(也包括在此之上的狀態(tài))時發(fā)生的現(xiàn)象中，水蒸氣凝結(jié)于周圍環(huán)境中的凝結(jié)核，使得產(chǎn)生水珠，之后水珠落下堆積于冷卻面上，水蒸氣凝結(jié)于該水珠，使得水珠的生長、合流反復發(fā)生，形成較大的水珠，當附著力無法與重力對抗時，水珠從冷卻面流下(落下)。
另外，在空氣溫度在0°C以下且在-40°c以上的情況下，周圍環(huán)境中的水蒸氣狀態(tài)為水飽和周圍環(huán)境(也包括在此之上的狀態(tài))時發(fā)生的現(xiàn)象中，水蒸氣凝結(jié)于周圍環(huán)境中的凝結(jié)核，使得產(chǎn)生過冷卻水珠，之后水珠落下堆積于冷卻面上，過冷卻水珠生長、合流后發(fā)生凍結(jié)，水蒸氣凝華于該凍結(jié)冰粒子而發(fā)生結(jié)霜生長現(xiàn)象。
另外，同樣在空氣溫度在0°C以下且在-40°C以上的情況下，周圍環(huán)境中的水蒸氣狀態(tài)為冰飽和以上、水飽和以下的周圍環(huán)境時發(fā)生的現(xiàn)象中，水蒸氣凝華于周圍環(huán)境中的凝華核，使得產(chǎn)生冰晶，之后該冰晶落下堆積于冷卻面上，水蒸氣凝華于該冰晶而發(fā)生結(jié)霜生長現(xiàn)象。
[0004]此外，在此對凝結(jié)及凝華的現(xiàn)象進行一些說明。在對濕空氣進行冷卻后，空氣中的水蒸氣變?yōu)轱柡蜖顟B(tài)(稱為“水飽和”)，不能有更多的水蒸氣以氣態(tài)存在，開始發(fā)生凝結(jié)。此時的空氣溫度稱為露點溫度。另外，氣溫在(TC以下的情況下，水蒸氣的飽和狀態(tài)包括冰飽和和水飽和這兩種現(xiàn)象。這是由于，與水狀態(tài)的飽和水蒸氣量相比，冰狀態(tài)的飽和水蒸氣量較小，因此若在o°c以下的濕空氣中逐漸進行冷卻的話，會先開始冰飽和狀態(tài)，飽和水蒸氣量以上的水蒸氣通過凝華而作為冰結(jié)晶(稱為冰晶)出現(xiàn)于空氣中的冰核上。在此，將此時的空氣溫度定義為冰點溫度。此外，若在低溫下進一步進行冷卻，則達到水飽和狀態(tài)，與o°c以上的情況相同，開始發(fā)生凝結(jié)，不過，到空氣溫度在-40°c為止的范圍內(nèi)，凝結(jié)液珠不會馬上凍結(jié)，而是成為過冷卻水珠。與(TC以上的情況相同，此時的空氣溫度也稱為露點溫度。然后，隨著時間的經(jīng)過，過冷卻水珠以一定的概率發(fā)生凍結(jié)。由于冰的蒸氣壓低于周圍的蒸氣壓，因此水蒸氣會積極地凝華于成為冰后的凍結(jié)粒子的冰面，霜結(jié)晶P4開始快速地生長。
[0005]另外，在空氣溫度在-40°C以下的情況下，周圍環(huán)境中的水蒸氣狀態(tài)為水飽和周圍環(huán)境(也包括在此以上的狀態(tài))時發(fā)生的現(xiàn)象中，水蒸氣凝華于周圍環(huán)境中的凝華核，即，成為凍結(jié)粒子，之后落下堆積于冷卻面上，落下堆積的凍結(jié)粒子堆積形成粉末狀的霜。此外，此時冷卻面的溫度在-40°C以下，但是，當周圍環(huán)境空氣溫度在-40 °C以上的較暖狀態(tài)時，當堆積的粉末狀的霜變厚、暴露在該周圍環(huán)境中的霜層的表面溫度在-40°C以上時，有時水蒸氣凝華于該霜層，發(fā)生結(jié)霜生長現(xiàn)象。
另外，同樣在空氣溫度在_40°C以下的情況下，周圍環(huán)境中的水蒸氣狀態(tài)為冰飽和以上、水飽和以下的周圍環(huán)境時發(fā)生的現(xiàn)象中，水蒸氣凝華于周圍環(huán)境中的凝華核，從而產(chǎn)生冰晶，之后該冰晶落下堆積于冷卻面上，水蒸氣凝華于堆積的冰晶而發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象。
[0006]此外，上述說明中記載了冷卻面附近的溫度邊界層內(nèi)的周圍環(huán)境中存在凝結(jié)核及凝華核，不過，由于冷卻面上也存在凝結(jié)核及凝華核，因此在該冷卻面也直接發(fā)生水蒸氣凝結(jié)于凝結(jié)核及凝華于凝華核等現(xiàn)象。如此，即使空氣中不發(fā)生過飽和現(xiàn)象，只要冷卻面相當于該周圍環(huán)境，也會在冷卻面發(fā)生凝結(jié)、凝華現(xiàn)象。
[0007]結(jié)露是發(fā)霉等衛(wèi)生狀況降低、或者腐蝕或漏電、換熱面污垢等的原因，而結(jié)霜或結(jié)冰的情況下，如果發(fā)生融化的話，也會引起與結(jié)露同樣的問題，霜層或冰層在換熱過程中成為阻熱層，根據(jù)其物理上的厚度還會阻礙通風，在結(jié)露過程中形成于換熱面的液膜也會導致形成阻熱層，這些均是換熱量降低的重要原因。因此，現(xiàn)有技術中，有對換熱面進行除霜或除濕的各種技術。
[0008]關于這一點，專利文獻I中公開了一種利用多孔材料的濕度調(diào)節(jié)劑或防結(jié)露劑。 詳細而言，該濕度調(diào)節(jié)劑或防結(jié)露劑中，粒子自身并不使用多孔性材料，由納米量級的微粒子以不影響該微粒子間的空隙的方式充填、積聚形成的結(jié)構(gòu)體構(gòu)成，在微粒子之間使用具有納米尺寸的孔的多孔材料，其具有在細孔半徑Inm?1nm的范圍內(nèi)具有毛織物狀細孔分布的多孔結(jié)構(gòu)，基于開耳芬的毛細凝結(jié)理論，在相對濕度75%?93%的區(qū)域水蒸氣吸附量增加。更具體而言，吸附等溫線開始于約80%附近，在相對濕度75%?93%的區(qū)域的吸濕量約為12mass %，從脫附等溫線來看，在相對濕度約70 %時，在相對濕度75 %?93 %的區(qū)域吸附的水蒸氣被釋放，防結(jié)露能力恢復。
[0009]采用這種濕度調(diào)整劑或防結(jié)露劑，吸附作為結(jié)露原因的濕空氣中的水蒸氣，并且通過脫附來恢復防凝露能力，從而能夠反復使用。由于細孔半徑為Inm?10nm，因此能夠捕捉濕空氣中的水蒸氣，但是，在濕空氣的溫度在冰點下的狀態(tài)下，濕空氣中產(chǎn)生過冷卻凝結(jié)液珠時，過冷卻凝結(jié)液珠的直徑至少為Ιμπι，因此無法通過捕捉過冷卻凝結(jié)液滴來調(diào)節(jié)濕度或防止結(jié)露。
從這一點來看，在需要應對冰點下的濕空氣的冷凍裝置的濕空氣冷卻器等的情況下，期望有一種換熱面保護方法，通過防止與周圍溫度差較大的換熱面上的物質(zhì)移動來實現(xiàn)能夠提供一種無需維護的換熱面。
[0010]另外，尤其是，濕空氣冷卻器等將濕空氣冷卻至冰點下的情況下或LNG氣化器等從濕空氣吸熱的情況下等濕空氣變?yōu)楸c下時，作為換熱面的冷卻面上不發(fā)生結(jié)露而是發(fā)生結(jié)霜或結(jié)冰，由于霜層的導熱率較低，因而其成為阻熱層，并且生長的霜阻礙作為冷卻對象的濕空氣的通風，總而言之，會導致?lián)Q熱效率降低。
關于這一點，專利文獻2中公開了一種換熱器，其通過機械式地除霜，既能夠利用凝固熱，又能夠長時間地連續(xù)運行。更詳細而言，該換熱器為能夠從濕空氣吸收熱量的換熱器，表面具有微細的凸部和凹部，凹部的上表面具有最小寬度為ΙΟΟμπι以上500μπι以下的平面部，凹部的最小寬度為ΙΟΟμπι以上ΙΟΟΟμπι以下。通過在換熱器的表面設置凸部和凹部，能夠使霜結(jié)晶Ρ4在凸部的上表面的平面部上沿垂直方向生長，由于霜結(jié)晶Ρ4在凸部上方生長、凹部上方為間隙，因而整體上形成楔齒狀的霜結(jié)晶Ρ4。這種形狀在結(jié)構(gòu)上較弱，因此例如能夠用刷子及刮刀等除去工具容易地撣落，由此，能夠提供一種既能夠利用凝固熱、又能夠長時間地連續(xù)運行的換熱器。
[0011]再者，專利文獻3中公開了一種用于抑制霜生長的防結(jié)霜部件。詳細而言，該防結(jié)霜部件的表面上以規(guī)定的模式形成有疏水性較高的疏水部和親水性比疏水部高的親水部，由于疏水部的疏水性相對較高，因而不容易附著霜，而親水部容易附著霜。因此，在疏水部霜不會生長得較大，而在親水部霜會生長得較大，因而當親水部的霜在生長到較大之后，無法與氣流對抗時就會發(fā)生崩塌，然后再次重復生長、崩塌的過程。如此，通過在防結(jié)霜部件的表面以規(guī)定的模式形成疏水部和親水部，來促進霜的生長、崩塌的重復，從而抑制霜的生長。
然而，如專利文獻2和專利文獻3所示那樣，通過對換熱面進行表面加工或表面處理來達成防止結(jié)霜的目的時，會隨著時間經(jīng)過而發(fā)生結(jié)霜，難以長時間持續(xù)地維持防止結(jié)霜的效果，另外，根據(jù)冷卻介質(zhì)或濕空氣的溫度條件、濕度條件或濕空氣的流動狀態(tài)的波動，結(jié)霜狀況會發(fā)生變化，對于這種條件的波動，專利文獻2和專利文獻3難以應對。
再者，從防止?jié)窨諝獾慕Y(jié)霜這一目的本身來講，能夠?qū)崿F(xiàn)通過防止在冷卻面的結(jié)霜來促進顯熱交換，但是，排除了隨著水蒸氣的相變發(fā)生的潛熱交換(凝固熱)，作為總體的換熱方法，不一定得到了改善。
[0012]關于這一點，專利文獻4中公開了一種用于降低冷卻器的結(jié)霜的裝置。詳細而言，該裝置配置在冷卻用換熱器的附近，冷卻用換熱器在導熱管上接合有多個平板狀的葉片。該裝置具有噴射機構(gòu)和驅(qū)動機構(gòu)，其中，噴射機構(gòu)具有與葉片的平面方向呈直角或平行的多個噴嘴，驅(qū)動機構(gòu)用于驅(qū)動噴射機構(gòu)作往復運動。噴射機構(gòu)與葉片的平面方向平行或呈直角地移動，噴射濕空氣。通過使多個噴嘴排成一列，與葉片的平面方向平行或呈直角地移動，該噴嘴列沿著冷卻器的葉片表面排出濕空氣，從而，向冷卻用換熱器的整個葉片區(qū)域噴射濕空氣，使流體的抗力作用于葉片表面上附著的霜，從而能夠除去變成霜之前的過冷卻狀態(tài)的水珠及已結(jié)冰的霜。因此，無需使冷卻裝置停止運行，以較少的濕空氣排出量實現(xiàn)降低結(jié)霜，結(jié)果使得能夠維持較高的運行效率，從而能夠降低防止結(jié)霜及除霜的運行成本。
[0013]然而，由于上述的用于降低冷卻器的結(jié)霜的裝置通過對葉片表面所結(jié)的霜噴射濕空氣來強制地除去霜，因而，其原本的目的并非防止結(jié)霜，也不能對葉片表面所結(jié)的霜進行利用，而且，由于是在冷卻用換熱器的附近另行設置用于降低結(jié)霜的裝置，因而需要進行保養(yǎng)，以使噴嘴開口不被阻塞。
[0014]關于這一點，專利文獻5及專利文獻6中公開了一種除冰霜或除冰雪網(wǎng)，在汽車的前擋風玻璃上結(jié)霜或結(jié)冰時，或者積雪時，利用該網(wǎng)，能夠除去前擋風玻璃上的冰雪。
詳細而言，該除冰霜或除冰雪網(wǎng)由配置為平面格子狀線材構(gòu)成，直接鋪設于汽車的前擋風玻璃，所述平面格子具有規(guī)定的線材寬度和規(guī)定的網(wǎng)孔寬度。
采用該除冰霜或除冰雪網(wǎng)，形成在網(wǎng)孔開口部內(nèi)的冰、霜或積存于網(wǎng)孔開口部的雪與網(wǎng)成為一體，通過拉拽該網(wǎng)，或剝下該網(wǎng)，通過網(wǎng)孔開口部形成在前擋風玻璃上的冰、霜或積存的雪與網(wǎng)一起被除去。
因此，為了使要除去的冰、霜或雪與網(wǎng)形成一體，根據(jù)所形成的冰、霜或雪的厚度來確定線材的寬度，根據(jù)線材對冰、霜或雪的附著力來確定網(wǎng)孔的寬度。
[0015]具體而言，若冰、霜或雪的厚度為3mm，則將線材的寬度設定為2mm以上6mm以下，網(wǎng)孔的寬度設定為1mm以上50mm以下(專利文獻5)，若冰、霜或雪的厚度為2mm以下，則將線材的寬度設定為0.5mm以上不足2mm，將網(wǎng)孔的寬度設定為Imm以上1mm以下(專利文獻6)。
無論哪種情況，象有頂棚的停車場內(nèi)的汽車的前擋風玻璃上不發(fā)生結(jié)霜現(xiàn)象那樣，除冰霜或冰雪網(wǎng)均只是通過簡易形成的網(wǎng)使汽車的前擋風玻璃上冰霜或冰雪在網(wǎng)上形成一體，通過拉拽整個網(wǎng)或剝下整個網(wǎng)，來除去冰霜或冰雪。
[0016]如上所述，現(xiàn)有技術中，無法長期地保護換熱面，也不能夠隨時間的經(jīng)過一直維持冷卻面的換熱。
如上所述，現(xiàn)有技術中沒有公開使上述的凝結(jié)、結(jié)霜等現(xiàn)象作用于冷卻面之外的想法，也沒有關于此的啟示。
專利文獻I:日本發(fā)明專利授權公報特許第4599592號專利文