Испарительный охладитель

Египетская кулла, созданная сквозняками для прохладных интерьеров. Пористая керамика и грубая ткань увеличивают площадь испарения.

Испарительный охладитель (также испарительный кондиционер , болото охладитель , болото коробка , пустыня холоднее и мокрый холодный воздух ) представляет собой устройство , которое охлаждает воздух через испарение воды. Испарительное охлаждение отличается от других систем кондиционирования воздуха , в которых используются циклы парокомпрессионного или абсорбционного охлаждения. Испарительное охлаждение использует тот факт, что вода будет поглощать относительно большое количество тепла, чтобы испариться (то есть, она имеет большую энтальпию испарения ). Температуру сухого воздуха можно значительно снизить за счетфазовый переход жидкой воды в водяной пар (испарение). Это может охладить воздух, потребляя гораздо меньше энергии, чем охлаждение. В чрезвычайно сухом климате охлаждение воздуха испарением имеет дополнительное преимущество, заключающееся в кондиционировании воздуха с повышенным содержанием влаги для комфорта жителей здания.

Охлаждения потенциала для испарительного охлаждения зависит от депрессии по влажному термометру, разница между температурой по сухому термометру и по влажному термометру температурой (см относительной влажности ). В засушливом климате испарительное охлаждение может снизить потребление энергии и общее оборудование для кондиционирования в качестве альтернативы компрессорному охлаждению. В климате, который не считается засушливым, косвенное испарительное охлаждение может использовать преимущества процесса испарительного охлаждения без повышения влажности. Стратегии пассивного испарительного охлаждения могут предложить те же преимущества, что и механические системы испарительного охлаждения, без сложного оборудования и воздуховодов.

Обзор [ править ]

Более ранняя форма испарительного охлаждения, улавливатель ветра , впервые был использован в Древнем Египте и Персии тысячи лет назад в виде ветряных валов на крыше. Они поймали ветер, пропустили его над подземными водами в канате и выпустили охлажденный воздух в здание. Современные иранцы широко применяют испарительные охладители с механическим приводом ( coolere âbi ). ^[1]

Испарительный охладитель был предметом многочисленных патентов США в 20 веке; многие из них, начиная с 1906 года ^[2], предлагали или предполагали использование подушечек из эксельсиора (древесной шерсти) в качестве элементов, которые приводят большой объем воды в контакт с движущимся воздухом, что позволяет испарению. Типичная конструкция, как показано в патенте 1945 года, включает резервуар для воды (обычно с уровнем, контролируемым поплавковым клапаном ), насос для циркуляции воды по подушкам эксельсиор и центробежный вентилятор для втягивания воздуха через подушки в дом. ^[3] Эта конструкция и этот материал остаются доминирующими в испарительных охладителях на юго-западе Америки , где они также используются для повышения влажности. ^[4]В Соединенных Штатах использование термина « охладитель для болот» может быть связано с запахом водорослей, производимых ранними установками. ^[5]

Установленные снаружи устройства испарительного охлаждения ( автомобильные охладители ) использовались в некоторых автомобилях для охлаждения внутреннего воздуха - часто в качестве дополнительных принадлежностей ^{[6] - до тех} пор, пока современные парокомпрессионные кондиционеры не стали широко доступны.

Методы пассивного испарительного охлаждения в зданиях были характерной чертой архитектуры пустынь на протяжении веков, но западное признание, исследования, инновации и коммерческое применение появились относительно недавно. В 1974 году Уильям Х. Геттль заметил, как технология испарительного охлаждения работает в засушливом климате, предположил, что комбинированный блок может быть более эффективным, и изобрел «высокоэффективную систему Astro Air Piggyback System», комбинированную систему охлаждения и испарительного охлаждения. В 1986 году исследователи из Университета Аризоны У. Каннингем и Т. Томпсон построили пассивную испарительную градирню, и данные о производительности этой экспериментальной установки в Тусоне, штат Аризона, легли в основу руководящих принципов проектирования испарительной градирни, разработанных Барухом Гивони. ^[7]

Физические принципы [ править ]

Испарительные охладители понижают температуру воздуха, используя принцип испарительного охлаждения, в отличие от типичных систем кондиционирования воздуха, в которых используется парокомпрессионное охлаждение или абсорбционное охлаждение . Испарительное охлаждение - это преобразование жидкой воды в пар с использованием тепловой энергии воздуха, что приводит к более низкой температуре воздуха. Энергия, необходимая для испарения воды, берется из воздуха в виде явного тепла , которое влияет на температуру воздуха, и преобразуется в скрытое тепло , энергию, присутствующую в водяном парообразном компоненте воздуха, в то время как воздух остается на уровне постоянное значение энтальпии . Это преобразование явного тепла в скрытое тепло известно какизэнтальпийный процесс, потому что он происходит при постоянном значении энтальпии. Таким образом, испарительное охлаждение вызывает падение температуры воздуха, пропорциональное явному падению тепла, и повышение влажности, пропорциональное притоку скрытого тепла. Охлаждение за счет испарения можно визуализировать с помощью психрометрической диаграммы, определив начальное состояние воздуха и двигаясь вдоль линии постоянной энтальпии к состоянию с более высокой влажностью. ^[8]

Простой пример природного испарительного охлаждения является потоотделение или пота, выделяемое телом, испарение , который охлаждает тело. Количество теплопередачи зависит от скорости испарения, однако на каждый килограмм испаренной воды передается 2257 кДж энергии (около 890 БТЕ на фунт чистой воды при 95 ° F (35 ° C)). Скорость испарения зависит от температуры и влажности воздуха, поэтому во влажные дни пот накапливается больше, поскольку он не испаряется достаточно быстро.

В парокомпрессионном охлаждении используется испарительное охлаждение, но испарившийся пар находится внутри герметичной системы, а затем сжимается, чтобы снова испариться, используя для этого энергию. Вода в простом испарительном охладителе испаряется в окружающую среду, а не восстанавливается. В блоке охлаждения внутреннего пространства испарившаяся вода вводится в пространство вместе с уже охлажденным воздухом; в испарительной башне испаренная вода уносится с выходом воздушного потока.

Другие типы охлаждения с фазовым переходом [ править ]

Тесно связанный процесс, сублимационное охлаждение , отличается от испарительного охлаждения тем, что происходит фазовый переход от твердого тела к пару , а не от жидкости к пару.

Наблюдалось, что сублимационное охлаждение действует в планетарном масштабе на планетоиде Плутон , где его назвали анти-парниковым эффектом .

Еще одно применение фазового перехода для охлаждения - это «самоохлаждающаяся» банка для напитков. В отдельном отсеке внутри банки находятся влагопоглотитель и жидкость. Непосредственно перед питьем вытягивают язычок, чтобы осушитель контактировал с жидкостью и растворялся. При этом он поглощает количество тепловой энергии, называемой скрытой теплотой плавления . Испарительное охлаждение работает с фазовым переходом жидкости в пар и скрытой теплотой парообразования , но самоохлаждение может использовать переход от твердого тела к жидкости и скрытую теплоту плавления для достижения того же результата.

Приложения [ править ]

До появления современных холодильных установок испарительного охлаждения использовалась на протяжении тысячелетий, например , в подземных водоводов , бадгир и mashrabiyas . Пористый глиняный сосуд охлаждает воду за счет испарения через его стенки; на фресках примерно 2500 г. до н.э. изображены рабы, обмахивающие кувшины с водой для охлаждения комнат. В качестве альтернативы, миску, наполненную молоком или маслом, можно поместить в другую миску, наполненную водой, и все это накрыть влажной тканью, лежащей в воде, чтобы молоко или масло оставались как можно более свежими (см. Зир , ботихо и кулгарди безопасны ) . ^[9]

Испарительное охлаждение является распространенной формой охлаждения зданий для обеспечения теплового комфорта, поскольку оно относительно дешево и требует меньше энергии, чем другие формы охлаждения.

Рисунок, показывающий данные о погоде в Солт-Лейк-Сити, представляет типичный летний климат (с июня по сентябрь). Цветные линии иллюстрируют потенциал стратегий прямого и косвенного испарительного охлаждения для расширения диапазона комфорта в летнее время. Это в основном объясняется комбинацией более высокой скорости воздуха, с одной стороны, и повышенной влажности в помещении, когда регион позволяет использовать стратегию прямого испарительного охлаждения, с другой стороны. Стратегии испарительного охлаждения, которые включают увлажнение воздуха, следует применять в сухих условиях, когда повышение содержания влаги остается ниже рекомендаций по комфорту людей и качеству воздуха в помещении. Пассивное охлаждениебашням не хватает контроля, который традиционные системы HVAC предлагают жильцам. Однако дополнительное движение воздуха в помещении может улучшить комфорт пассажиров.

Испарительное охлаждение наиболее эффективно при низкой относительной влажности, что ограничивает его популярность в условиях сухого климата. Испарительное охлаждение значительно повышает уровень внутренней влажности, что могут оценить жители пустыни, поскольку влажный воздух повторно увлажняет сухую кожу и носовые пазухи. Следовательно, оценка типичных климатических данных является важной процедурой для определения потенциала стратегий испарительного охлаждения для здания. Три наиболее важные соображений климатических температуры по сухому термометру , температура по влажному термометру , и депрессия влажного термометрав течение типичного летнего дня. Важно определить, может ли депрессия по влажному термометру обеспечить достаточное охлаждение в летний день. Вычитая депрессию по влажному термометру из внешней температуры по сухому термометру, можно оценить приблизительную температуру воздуха на выходе из испарительного охладителя. Важно учитывать, что способность внешней температуры по сухому термометру достигать температуры по влажному термометру зависит от эффективности насыщения. Общая рекомендация по применению прямого испарительного охлаждения - применять его в местах, где температура наружного воздуха по влажному термометру не превышает 22 ° C (72 ° F). ^[7]Однако в примере Солт-Лейк-Сити верхний предел для прямого испарительного охлаждения на психрометрической диаграмме составляет 20 ° C (68 ° F). Несмотря на более низкую температуру, испарительное охлаждение подходит для климата, аналогичного Солт-Лейк-Сити.

Испарительное охлаждение особенно хорошо подходит для климата с жарким воздухом и низкой влажностью . В Соединенных Штатах хорошо подходят западные и горные штаты, где испарительные охладители преобладают в таких городах, как Альбукерке , Денвер , Эль-Пасо , Фресно , Солт-Лейк-Сити и Тусон . Испарительное кондиционирование также популярно и хорошо подходит для южной (умеренной) части Австралии.. В сухом и засушливом климате стоимость установки и эксплуатации испарительного охладителя может быть намного ниже, чем у холодильного кондиционирования воздуха, часто на 80% или около того. Тем не менее, испарительное охлаждение и парокомпрессионное кондиционирование воздуха иногда используются в сочетании для достижения оптимальных результатов охлаждения. Некоторые испарительные охладители могут также служить увлажнителями в отопительный сезон. В регионах, которые в основном засушливы, короткие периоды высокой влажности могут помешать испарительному охлаждению быть эффективной стратегией охлаждения. Примером этого события является сезон дождей в Нью-Мексико, а также в центральной и южной Аризоне в июле и августе.

В местах с умеренной влажностью есть много рентабельных применений испарительного охлаждения, помимо их широкого применения в сухом климате. Например, промышленные предприятия, коммерческие кухни, прачечные , химчистки , теплицы , точечное охлаждение (погрузочные доки, склады, фабрики, строительные площадки, спортивные мероприятия, мастерские, гаражи и питомники) и замкнутые хозяйства (птицефермы, свиноводство и молочные фермы). ) часто используют испарительное охлаждение. В очень влажном климате испарительное охлаждение может иметь небольшое преимущество в плане теплового комфорта, помимо увеличения вентиляции и движения воздуха, которое оно обеспечивает.

Другие примеры [ править ]

Деревья выделяют большое количество воды через поры в своих листьях, называемые устьицами , и благодаря этому процессу испарительного охлаждения леса взаимодействуют с климатом в локальном и глобальном масштабах. ^[10] Простые устройства испарительного охлаждения, такие как камеры испарительного охлаждения (ECC) и охладители в глиняных горшках, или холодильники типа горшок в горшке., это простые и недорогие способы сохранить овощи свежими без использования электричества. Несколько жарких и засушливых регионов мира потенциально могут выиграть от испарительного охлаждения, включая Северную Африку, регион Сахеля в Африке, Африканский Рог, юг Африки, Ближний Восток, засушливые регионы Южной Азии и Австралию. Преимущества камер испарительного охлаждения для многих сельских общин в этих регионах включают снижение потерь после сбора урожая, меньшее время, затрачиваемое на поездки на рынок, экономию денежных средств и повышение доступности овощей для потребления. ^{[11] [12]}

Испарительное охлаждение обычно используется в криогенных приложениях. Пар над резервуаром с криогенной жидкостью откачивается, и жидкость непрерывно испаряется, пока давление пара жидкости является значительным. При охлаждении обычным гелием испарением образуется емкость с температурой 1 К , которая может охладиться как минимум до 1,2 К. Охлаждение испарением гелия-3 может обеспечить температуру ниже 300 мК. Эти методы могут использоваться для изготовления криохладителей или в качестве компонентов низкотемпературных криостатов, таких как холодильники для разбавления.. С понижением температуры давление пара жидкости также падает, и охлаждение становится менее эффективным. Это устанавливает нижний предел температуры, достижимой с данной жидкостью.

Испарительное охлаждение также является последним этапом охлаждения для достижения сверхнизких температур, необходимых для конденсации Бозе – Эйнштейна (БЭК). Здесь так называемое принудительное испарительное охлаждение используется для выборочного удаления высокоэнергетических («горячих») атомов из облака атомов до тех пор, пока оставшееся облако не охладится ниже температуры перехода БЭК. Для облака из 1 миллиона щелочных атомов эта температура составляет около 1 мкК.

Хотя космические аппараты- роботы используют почти исключительно тепловое излучение , у многих пилотируемых космических аппаратов есть короткие миссии, которые допускают испарительное охлаждение открытого цикла. Примеры включают космический шаттл , командно-служебный модуль (CSM) Apollo , лунный модуль и портативную систему жизнеобеспечения . У Apollo CSM и Space Shuttle также были радиаторы, и Shuttle мог испарять не только воду , но и аммиак . В космическом корабле «Аполлон» использовались сублиматоры , компактные и в основном пассивные устройства, которые сбрасывают отработанное тепло в виде водяного пара (пара), который выбрасывается в космос. ^{[ необходима цитата ]}Когда жидкая вода подвергается воздействию вакуума, она бурно кипит, унося достаточно тепла, чтобы заморозить остаток в виде льда, который покрывает сублиматор и автоматически регулирует поток питательной воды в зависимости от тепловой нагрузки. Излишек израсходованной воды часто можно получить из топливных элементов, используемых многими пилотируемыми космическими кораблями для производства электроэнергии.

Дизайн [ править ]

В большинстве конструкций используется тот факт, что вода имеет одно из самых высоких значений энтальпии испарения (скрытая теплота испарения) среди всех обычных веществ. По этой причине испарительные охладители используют только часть энергии парокомпрессионных или абсорбционных систем кондиционирования воздуха. К сожалению, за исключением очень сухого климата, одноступенчатый (прямой) охладитель может повысить относительную влажность (RH) до уровня, который создает дискомфорт для пассажиров. Непрямые и двухступенчатые испарительные охладители поддерживают более низкую относительную влажность.

Прямое испарительное охлаждение [ править ]

Прямое испарительное охлаждение (открытый контур) используется для понижения температуры и увеличения влажности воздуха за счет использования скрытой теплоты испарения, превращая жидкую воду в водяной пар. При этом энергия воздуха не меняется. Теплый сухой воздух заменяется прохладным влажным воздухом. Тепло наружного воздуха используется для испарения воды. Относительная влажность увеличивается до 70–90%, что снижает охлаждающий эффект человеческого потоотделения. Влажный воздух необходимо постоянно выпускать наружу, иначе он станет насыщенным и испарение прекратится.

механическийВ охладителе с прямым испарением используется вентилятор для втягивания воздуха через смоченную мембрану или подушку, которая обеспечивает большую площадь поверхности для испарения воды в воздух. Вода распыляется в верхней части прокладки, чтобы она могла стекать в мембрану и постоянно поддерживать ее насыщение. Любая лишняя вода, которая капает со дна мембраны, собирается в поддоне и рециркулируется наверх. Одноступенчатые охладители прямого испарения обычно имеют небольшие размеры, поскольку они состоят только из мембраны, водяного насоса и центробежного вентилятора. Минеральное содержание воды в городском водопроводе вызовет образование накипи на мембране, что приведет к засорению в течение всего срока службы мембраны. В зависимости от содержания минералов и скорости испарения для обеспечения оптимальной производительности требуется регулярная очистка и техническое обслуживание. В целом,приточный воздух из одноступенчатого испарительного охладителя необходимо будет отводить напрямую (однопроходный поток) из-за высокой влажности приточного воздуха. Было разработано несколько дизайнерских решений для использования энергии воздуха, например, направление вытяжного воздуха через два листа двойного остекления, что снижает поглощение солнечной энергии через остекление.^[13] По сравнению с энергией, необходимой для достижения эквивалентной охлаждающей нагрузки компрессора, одноступенчатые испарительные охладители потребляют меньше энергии. ^[7]

Пассивныйпрямое испарительное охлаждение может происходить везде, где охлаждаемая испарением вода может охлаждать помещение без помощи вентилятора. Это может быть достигнуто за счет использования фонтанов или других архитектурных решений, таких как испарительная градирня с нисходящим потоком, также называемая «пассивной градирней». Конструкция пассивной градирни позволяет наружному воздуху проходить через верхнюю часть градирни, которая построена внутри или рядом со зданием. Наружный воздух контактирует с водой внутри градирни либо через смачиваемую мембрану, либо через мистер. По мере того как вода испаряется в окружающем воздухе, воздух становится более холодным и менее плавучим и создает нисходящий поток в градирне. Внизу башни имеется выпускной патрубок, позволяющий более прохладному воздуху проникать внутрь. Подобно механическим испарительным охладителям,Башни могут быть привлекательным решением с низким энергопотреблением для жаркого и сухого климата, поскольку им требуется только водяной насос, чтобы подавать воду на вершину башни.^[14] Экономия энергии от использования стратегии пассивного охлаждения прямым испарением зависит от климата и тепловой нагрузки. Для засушливого климата с большой депрессией по влажному термометру градирни могут обеспечить достаточное охлаждение в летних расчетных условиях, чтобы достичь нулевого значения. Например,магазин розничной торговлиплощадью 371 м ² (4000 футов ² ) в Тусоне, штат Аризона, с явным тепловыделением 29,3 кДж / ч (100 000 БТЕ / ч) может быть полностью охлажден двумя пассивными градирнями производительностью 11890 м ³ / ч ( 7000 куб. Футов в минуту) каждая. ^[15]

Для центра посетителей национального парка Зайон, в котором используются две пассивные градирни, энергоемкость охлаждения составила 14,5 МДж / м ² (1,28 кБТЕ / фут;), что на 77% меньше, чем в типичном здании на западе США, где используется 62,5 МДж / м ² (5,5 кБТЕ / фут ² ). ^[16] Исследование результатов работы в полевых условиях в Кувейте показало, что требования к мощности для испарительного охладителя примерно на 75% меньше, чем требования к мощности для обычного кондиционера в блочной конструкции. ^[17]

Непрямое испарительное охлаждение [ править ]

Непрямое испарительное охлаждение (замкнутый контур) - это процесс охлаждения, в котором используется прямое испарительное охлаждение в дополнение к некоторому теплообменнику для передачи холодной энергии приточному воздуху. Охлажденный влажный воздух из процесса прямого испарительного охлаждения никогда не контактирует напрямую с кондиционированным приточным воздухом. Поток влажного воздуха выпускается наружу или используется для охлаждения других внешних устройств, таких как солнечные элементы, которые более эффективны, если хранить их в прохладном месте. Это сделано для того, чтобы избежать чрезмерной влажности в закрытых помещениях, что не подходит для жилых систем.

Цикл Майсоценко [ править ]

Один производитель охладителей непрямого действия использует цикл Майсоценко (M-Cycle), названный в честь изобретателя и профессора доктора Валерия Майсоценко, использует итерационный (многоступенчатый) теплообменник, сделанный из тонкой перерабатываемой мембраны, которая может снизить температуру воздуха продукта ниже температура по влажному термометру и может приближаться к точке росы . ^[18]

Система имеет очень высокий КПД, но, как и другие системы испарительного охлаждения, ограничена уровнем влажности окружающей среды, что ограничивает ее применение в жилых помещениях. Его можно использовать в качестве дополнительного охлаждения в периоды сильной жары, не создавая значительной дополнительной нагрузки на электрическую инфраструктуру. Если в каком-либо месте имеется избыточное водоснабжение или избыточная мощность опреснения, это можно использовать для снижения чрезмерного спроса на электроэнергию за счет использования воды в доступных установках M-Cycle. Из-за высокой стоимости обычных блоков кондиционирования воздуха и крайних ограничений многих электрических систем, блоки M-Cycle могут быть единственными подходящими системами охлаждения, подходящими для бедных районов в периоды чрезвычайно высоких температур и высокого спроса на электроэнергию. В развитых районах,они могут служить в качестве дополнительных резервных систем в случае электрической перегрузки и могут использоваться для повышения эффективности существующих традиционных систем.

M-Cycle не ограничивается системами охлаждения и может применяться в различных технологиях от двигателей Стирлинга до генераторов атмосферной воды . Для систем охлаждения он может использоваться как в конфигурациях с поперечным, так и в противотоке. Было обнаружено, что противоток обеспечивает более низкие температуры, более подходящие для домашнего охлаждения, но было обнаружено, что поперечный поток имеет более высокий коэффициент полезного действия (COP) и поэтому лучше подходит для крупных промышленных установок.

В отличие от традиционных методов охлаждения, КПД небольших систем остается высоким, поскольку они не требуют подъемных насосов или другого оборудования, необходимого для градирен. Система охлаждения 1,5 тонны / 4,4 кВт требует всего 200 Вт для работы вентилятора, что дает COP 26,4 и рейтинг EER 90. Это не учитывает энергию, необходимую для очистки или подачи воды, и строго соответствует мощность, необходимая для работы устройства после подачи воды. Хотя опреснение воды также связано с расходами, скрытая теплота испарения воды почти в 100 раз превышает энергию, необходимую для очистки самой воды. Кроме того, максимальная эффективность устройства составляет 55%, поэтому его фактический КПД намного ниже этого расчетного значения. Однако, несмотря на эти потери,эффективный COP по-прежнему значительно выше, чем в обычной системе охлаждения, даже если воду необходимо предварительно очистить путем опреснения. В районах, где вода недоступна ни в каком виде, ее можно использовать сосушитель для регенерации воды с использованием доступных источников тепла, таких как солнечная тепловая энергия . ^{[19] [20]}

Теоретические конструкции [ править ]

В новой, но еще не появившейся на рынке конструкции «холодного SNAP» от Гарвардского института Висса керамика, напечатанная на 3D-принтере, проводит тепло, но наполовину покрыта гидрофобным материалом, который служит барьером для влаги. ^[21] Хотя во входящий воздух не добавляется влага, относительная влажность (RH) немного повышается в соответствии с формулой температуры-RH. Тем не менее, относительно сухой воздух, образующийся в результате непрямого испарительного охлаждения, позволяет испарению пота жителей легче испаряться, повышая относительную эффективность этого метода. Непрямое охлаждение - эффективная стратегия для жаркого и влажного климата, который не может позволить себе увеличить содержание влаги в приточном воздухе из-за качества воздуха в помещении и соображений теплового комфорта человека.

Стратегии пассивного непрямого испарительного охлаждения встречаются редко, потому что эта стратегия включает архитектурный элемент, который действует как теплообменник (например, крыша). Этот элемент можно распылять водой и охлаждать за счет испарения воды на этом элементе. Эти стратегии редки из-за большого использования воды, что также создает риск проникновения воды и компрометации конструкции здания.

Гибридные конструкции [ править ]

Двухступенчатое испарительное охлаждение или косвенно-прямое [ править ]

На первой ступени двухступенчатого охладителя теплый воздух предварительно охлаждается косвенно, без добавления влажности (проходя внутрь теплообменника, который охлаждается за счет испарения снаружи). В прямом режиме предварительно охлажденный воздух проходит через пропитанную водой подушку и собирает влагу по мере охлаждения. Поскольку подаваемый воздух предварительно охлаждается на первой ступени, на прямой ступени передается меньше влаги для достижения желаемых температур охлаждения. Результатом, по словам производителей, является более прохладный воздух с относительной влажностью от 50 до 70%, в зависимости от климата, по сравнению с традиционной системой, которая обеспечивает около 70–80% относительной влажности кондиционированного воздуха.

Испарительный + традиционный резервный [ править ]

В другой гибридной конструкции прямое или косвенное охлаждение было объединено с парокомпрессионным или абсорбционным кондиционированием воздуха для повышения общей эффективности и / или для снижения температуры ниже предела по влажному термометру.

Материалы [ править ]

Традиционно подушечки испарительного охладителя состоят из эксельсиора ( древесного волокна осины ) внутри защитной сетки, но в качестве охлаждающих подушек находят применение более современные материалы, такие как некоторые пластмассы и меламиновая бумага. Современные жесткие среды, обычно толщиной 8 или 12 дюймов, добавляют больше влаги и, таким образом, охлаждают воздух больше, чем обычно более тонкие среды из осины. ^[22] Другой материал, который иногда используется, - это гофрированный картон. ^{[23] [24]}

Соображения по дизайну [ править ]

Использование воды [ править ]

В засушливом и полузасушливом климате из-за нехватки воды потребление воды становится проблемой при проектировании системы охлаждения. Из установленных водомеров 420938 л (111 200 галлонов) воды было израсходовано в течение 2002 года для двух пассивных градирен в центре посетителей национального парка Зайон. ^[25] Тем не менее, такие проблемы решаются экспертами, которые отмечают, что для выработки электроэнергии обычно требуется большое количество воды, а испарительные охладители потребляют гораздо меньше электроэнергии и, следовательно, сопоставимую воду в целом, и в целом стоят меньше по сравнению с охладителями. ^[26]

Затенение [ править ]

Прямое солнечное воздействие на прокладки со средой увеличивает скорость испарения. Однако солнечный свет может ухудшить качество некоторых сред, помимо нагрева других элементов конструкции испарительного охлаждения. Поэтому в большинстве приложений рекомендуется затенение.

Механические системы [ править ]

Помимо вентиляторов, используемых в механическом испарительном охлаждении, насосы - единственное другое механическое оборудование, необходимое для процесса испарительного охлаждения как в механических, так и в пассивных приложениях. Насосы могут использоваться либо для рециркуляции воды на подушку с влажной средой, либо для подачи воды под очень высоким давлением в распылительную систему для пассивной градирни. Технические характеристики насоса зависят от скорости испарения и площади рабочей площадки. Центр посетителей национального парка Зайон использует насос мощностью 250 Вт (1/3 л.с.). ^[27]

Выхлоп [ править ]

Вытяжные каналы и / или открытые окна должны использоваться постоянно, чтобы воздух постоянно выходил из кондиционируемой зоны. В противном случае создается давление, и вентилятор или нагнетатель в системе не сможет протолкнуть много воздуха через среду в зону с кондиционированием воздуха. Система испарения не может работать без непрерывной подачи воздуха из кондиционируемой зоны наружу. Оптимизируя расположение приточного патрубка для охлаждающего воздуха, а также расположение проходов в доме, соответствующих дверей и окон помещений, систему можно наиболее эффективно использовать для направления охлажденного воздуха в требуемые области. Хорошо продуманная планировка может эффективно отводить и отводить горячий воздух из желаемых областей без необходимости в надпотолочной системе вентиляции. Постоянный воздушный поток важен,таким образом, выпускные окна или вентиляционные отверстия не должны ограничивать объем и проход воздуха, вводимого испарительной охлаждающей машиной. Также необходимо учитывать направление внешнего ветра, так как, например, сильный горячий южный ветер замедлит или ограничит выпуск воздуха из окна, выходящего на юг. Всегда лучше, чтобы окна с подветренной стороны были открыты, а окна с подветренной стороны были закрыты.

Различные типы установок [ править ]

Типовые установки [ править ]

Обычно в бытовых и промышленных испарительных охладителях используется прямое испарение, и их можно описать как закрытую металлическую или пластиковую коробку с вентилируемыми стенками. Воздух перемещается центробежным вентилятором или нагнетателем (обычно приводимым в действие электродвигателем со шкивами, известными как «шкивы» в HVAC.терминология, или осевой вентилятор с прямым приводом), а водяной насос используется для смачивания подушек испарительного охлаждения. Холодильные агрегаты могут быть установлены на крыше (с нисходящим потоком или с нисходящим потоком) или на внешних стенах или окнах (с боковым или горизонтальным потоком) зданий. Для охлаждения вентилятор втягивает окружающий воздух через вентиляционные отверстия по бокам устройства и через влажные подушки. Тепло в воздухе испаряет воду с прокладок, которые постоянно увлажняются, чтобы продолжить процесс охлаждения. Затем охлажденный влажный воздух поступает в здание через вентиляционное отверстие в крыше или стене.

Поскольку охлаждающий воздух выходит за пределы здания, необходимо наличие одного или нескольких больших вентиляционных отверстий, позволяющих воздуху перемещаться изнутри наружу. Воздух должен проходить через систему только один раз, иначе охлаждающий эффект уменьшится. Это происходит из-за того, что воздух достигает точки насыщения . Часто около 15 воздухообменов в час (ACH) происходят в помещениях, обслуживаемых испарительными охладителями, что является относительно высокой скоростью воздухообмена.

Испарительные (мокрые) градирни [ править ]

Градирни представляют собой конструкции для охлаждения воды или других теплоносителей до температуры, близкой к температуре по влажному термометру. Влажные градирни работают по принципу испарительного охлаждения, но оптимизированы для охлаждения воды, а не воздуха. Градирни часто можно встретить на больших зданиях или на промышленных объектах. Они передают тепло в окружающую среду от чиллеров, промышленных процессов или , например , от энергетического цикла Ренкина .

Системы туманообразования [ править ]

Системы туманообразования работают за счет нагнетания воды через насос высокого давления и трубки через распылительную насадку из латуни и нержавеющей стали с отверстием около 5 микрометров , создавая таким образом мелкодисперсный туман. Капли воды, образующие туман, настолько малы, что мгновенно испаряются. Мгновенное испарение может снизить температуру окружающего воздуха на целых 20 ° C (35 ° F) всего за секунды. ^[28] Для систем внутреннего дворика идеально установить линию тумана на высоте примерно 8–10 футов (2,4–3,0 м) над землей для оптимального охлаждения. Распыление используется для таких применений, как клумбы, домашние животные, животноводство, питомники, борьба с насекомыми, контроль запаха, зоопарки, ветеринарные клиники, охлаждение продуктов и теплицы.

Поклонники тумана [ править ]

Вентилятор тумана похож на увлажнитель . Вентилятор выпускает в воздух мелкий водяной туман. Если воздух не слишком влажный, вода испаряется, поглощая тепло из воздуха, позволяя распылительному вентилятору также работать как охладитель воздуха. Вентилятор тумана можно использовать на открытом воздухе, особенно в засушливом климате. Его также можно использовать в помещении.

Небольшие портативные вентиляторы запотевания с батарейным питанием, состоящие из электрического вентилятора и ручного водяного насоса, продаются как новинка. Их эффективность при повседневном использовании неясна. ^{[ необходима цитата ]}

Производительность [ править ]

Понимание характеристик испарительного охлаждения требует понимания психрометрии . Эффективность испарительного охлаждения варьируется в зависимости от изменений внешней температуры и уровня влажности. Охладитель для жилых помещений должен иметь возможность понижать температуру воздуха в пределах 3–4 ° C (5–7 ° F) от температуры влажного термометра.

Прогнозировать производительность кулера на основе стандартной информации о погоде несложно. Поскольку в сводках погоды обычно указывается точка росы и относительная влажность , но не температура по влажному термометру, для вычисления температуры по влажному термометру необходимо использовать психрометрическую диаграмму или простую компьютерную программу. После определения температуры по влажному термометру и температуры по сухому термометру можно определить охлаждающую способность или температуру воздуха на выходе из охладителя.

Для прямого испарительного охлаждения эффективность прямого насыщения,, измеряет, насколько температура воздуха, выходящего из прямого испарительного охладителя, близка к температуре входящего воздуха по смоченному термометру. Эффективность прямого насыщения можно определить следующим образом: ^[29]${\ displaystyle \ epsilon}$

${\ displaystyle \ epsilon = {\ frac {T_ {e, db} -T_ {l, db}} {T_ {e, db} -T_ {e, wb}}}}$

Где:

${\ displaystyle \ epsilon}$ = эффективность насыщения при прямом испарительном охлаждении (%)

${\ displaystyle T_ {e, db}}$ = температура поступающего воздуха по сухому термометру (° C)

${\ displaystyle T_ {l, db}}$ = температура выходящего воздуха по сухому термометру (° C)

${\displaystyle T_{e,wb}}$ = температура входящего воздуха по влажному термометру (° C)

Эффективность испарительной среды обычно составляет от 80% до 90%. Наиболее эффективные системы могут снизить температуру сухого воздуха до 95% от температуры по влажному термометру, наименее эффективные системы достигают только 50%. ^[29] Эффективность испарения со временем падает очень незначительно.

Типичные осиновые подушки, используемые в бытовых испарительных охладителях, обеспечивают эффективность около 85%, в то время как испарительные среды типа CELdek ^[ требуются ^{дополнительные пояснения ]} обеспечивают эффективность> 90% в зависимости от скорости воздуха. Носители CELdek чаще используются в крупных коммерческих и промышленных установках.

Например, в Лас-Вегасе с типичным летним расчетным днем ​​42 ° C (108 ° F) по сухому термометру и 19 ° C (66 ° F) по влажному термометру или около 8% относительной влажности, температура воздуха на выходе бытовой охладитель с КПД 85% будет:

${\displaystyle T_{l,db}}$ = 42 ° C - [(42 ° C - 19 ° C) × 85%] = 22,45 ° C или 72,41 ° F

Однако для оценки производительности можно использовать любой из двух методов:

• Используйте психрометрическую диаграмму, чтобы рассчитать температуру по влажному термометру, а затем добавьте 5–7 ° F, как описано выше.
• Воспользуйтесь эмпирическим правилом, согласно которому температура по влажному термометру приблизительно равна температуре окружающей среды за вычетом одной трети разницы между температурой окружающей среды и точкой росы . Как и раньше, добавьте 5–7 ° F, как описано выше.

Некоторые примеры поясняют эту взаимосвязь:

• При 32 ° C (90 ° F) и относительной влажности 15% воздух можно охлаждать почти до 16 ° C (61 ° F). Точка росы для этих условий составляет 2 ° C (36 ° F).
• При 32 ° C и относительной влажности 50% воздух можно охладить примерно до 24 ° C (75 ° F). Точка росы для этих условий составляет 20 ° C (68 ° F).
• При 40 ° C (104 ° F) и относительной влажности 15% воздух можно охладить почти до 21 ° C (70 ° F). Точка росы для этих условий составляет 8 ° C (46 ° F).

( Интересные примеры взяты из публикации Университета Айдахо от 25 июня 2000 г., " Homewise " ).

Поскольку испарительные охладители лучше всего работают в сухих условиях, они широко используются и наиболее эффективны в засушливых и пустынных регионах, таких как юго-запад США , северная Мексика и Раджастан .

Это же уравнение показывает, почему испарительные охладители имеют ограниченное применение в очень влажных средах: например, жаркий августовский день в Токио может иметь температуру 30 ° C (86 ° F) при относительной влажности 85% и давлении 1005 гПа. Это дает точку росы 27,2 ° C (81,0 ° F) и температуру по влажному термометру 27,88 ° C (82,18 ° F). Согласно приведенной выше формуле, при КПД 85% воздух можно охлаждать только до 28,2 ° C (82,8 ° F), что делает это практически непрактичным.

Сравнение с другими типами кондиционирования воздуха [ править ]

Этот раздел, возможно, содержит оригинальные исследования . Пожалуйста, улучшите его , проверив сделанные утверждения и добавив встроенные цитаты . Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. ( Август 2009 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Сравнение испарительного охлаждения с кондиционированием воздуха на основе охлаждения :

Преимущества [ править ]

Менее затратный в установке и эксплуатации

• Ориентировочная стоимость профессиональной установки составляет примерно половину или меньше стоимости центрального кондиционирования воздуха. ^[30]
• Ориентировочная стоимость эксплуатации составляет 1/8 стоимости кондиционирования воздуха . ^[31]
• Нет скачков мощности при включении из-за отсутствия компрессора
• Потребляемая мощность ограничивается вентилятором и водяным насосом, которые имеют относительно низкое потребление тока при запуске.
• Рабочая жидкость - вода. Не используются специальные хладагенты, такие как аммиак или CFC , которые могут быть токсичными, дорогостоящими в замене, способствовать истощению озонового слоя и / или подпадать под действие строгих лицензионных и экологических норм.

Легкость установки и обслуживания

• Оборудование может быть установлено механически настроенными пользователями по значительно более низкой цене, чем холодильное оборудование, которое требует специальных навыков и профессиональной установки.
• Единственными двумя механическими частями в большинстве основных испарительных охладителей являются двигатель вентилятора и водяной насос, которые могут быть отремонтированы или заменены с небольшими затратами и часто механически подкованным пользователем, что устраняет необходимость дорогостоящих обращений в службу поддержки подрядчиков по ОВК.

Вентиляционный воздух

• Частый и высокий объемный расход воздуха, проходящего через здание, значительно снижает «возраст воздуха» в здании.
• Испарительное охлаждение увеличивает влажность . В сухом климате это может улучшить комфорт и уменьшить проблемы со статическим электричеством .
• Сама подушка при правильном уходе действует как довольно эффективный воздушный фильтр; он способен удалять из воздуха различные загрязнители, включая городской озон, вызванный загрязнением ^{[ необходима цитата ]} , независимо от очень засушливой погоды. Системы охлаждения на основе охлаждения теряют эту способность, когда в воздухе недостаточно влажности, чтобы поддерживать испаритель влажным, при этом образуя частую струйку конденсата, которая вымывает растворенные примеси, удаленные из воздуха.

Недостатки [ править ]

Представление

• Большинство испарительных охладителей не могут снизить температуру воздуха так, как это могут сделать системы кондиционирования воздуха с охлаждением.
• Условия высокой точки росы (влажности) снижают охлаждающую способность испарительного охладителя.
• Без осушения . Традиционные кондиционеры удаляют влагу из воздуха, за исключением очень сухих мест, где рециркуляция может привести к повышению влажности. Испарительное охлаждение добавляет влагу, а во влажном климате сухость может улучшить тепловой комфорт при более высоких температурах.

Комфорт

• Воздух, подаваемый испарительным охладителем , обычно имеет относительную влажность 80–90% и может вызывать внутреннюю влажность до 65%; очень влажный воздух снижает скорость испарения влаги с кожи, носа, легких и глаз.
• Высокая влажность воздуха ускоряет коррозию , особенно в присутствии пыли. Это может значительно сократить срок службы электроники и другого оборудования.
• Высокая влажность воздуха может вызвать конденсацию воды. Это может быть проблемой в некоторых ситуациях (например, электрическое оборудование, компьютеры, бумага, книги, старое дерево).
• Запахи и другие внешние загрязнения могут попадать в здание, если не будет обеспечена достаточная фильтрация.

Водопользование

• Для испарительных охладителей требуется постоянная подача воды.
• Вода с высоким содержанием минералов (жесткая вода) оставляет минеральные отложения на подушках и внутри охладителя. В зависимости от типа и концентрации минералов могут возникнуть возможные угрозы безопасности во время замены и удаления отходов подушек. Системы слива и пополнения (продувочный насос) могут уменьшить, но не устранить эту проблему. Установка встроенного фильтра для воды (типа холодильника питьевой воды / льдогенератора) значительно уменьшит минеральные отложения.

Периодичность техобслуживания

• Любые механические компоненты, которые могут ржаветь или разъедать, требуют регулярной очистки или замены из-за высокой влажности и потенциально тяжелых минеральных отложений в районах с жесткой водой.
• Испарительную среду необходимо регулярно заменять для поддержания охлаждающей способности. Подушечки из древесной ваты недороги, но их нужно менять каждые несколько месяцев. Жесткие среды с более высоким КПД намного дороже, но прослужат несколько лет пропорционально жесткости воды; в районах с очень жесткой водой жесткие среды могут прослужить только два года, прежде чем накопление минеральных отложений приведет к недопустимому снижению производительности.
• В регионах с холодными зимами испарительные охладители необходимо осушить и подготовить к зиме, чтобы защитить водопровод и охладитель от повреждений, вызванных замерзанием, а затем разогреть их до наступления сезона охлаждения.

Опасности для здоровья

• Испарительный охладитель - обычное место для разведения комаров. Многие органы власти считают, что ненадлежащий уход за кулером представляет угрозу для здоровья населения. ^[32]
• Плесень и бактерии могут распространяться во внутреннем воздухе из неправильно обслуживаемых или неисправных систем, вызывая синдром больного здания и неблагоприятные последствия для людей, страдающих астмой и аллергией.
• Древесная вата подушек для сухих охладителей может загореться даже от небольших искр.

См. Также [ править ]

• Архитектурное Проектирование
• Botijo (испарительный испарительный охладитель воды)
• Строительная техника
• Автомобильный кулер
• Сейф Coolgardie
• Градирни
• Осушитель
• Увлажнитель
• HVAC
• Холодильник горшок в горшке
• Яхчал
• Легионелла
• Болезнь легионеров

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Holladay, апрель (2001). «Болотный охладитель охлаждает воздух испарением» . Еженедельная научная колонка вопросов и ответов WonderQuest . USAToday .com . Проверено 14 июля 2006 .