Racitor evaporativ

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Un ventilator de răcire evaporativ într-o stație de metrou din Chile

Un răcitor evaporativ (cunoscut și sub numele de răcitor de mlaștină sau deșert și un balsam de apă / aer condiționat ) este un dispozitiv care răcește aerul prin evaporarea apei . Răcitorul evaporativ diferă de sistemul tipic de aer condiționat , care își bazează funcționarea pe ciclul de refrigerare , exploatând în schimb entalpia mare de vaporizare a apei. Temperatura aerului uscat poate fi redusă drastic prin tranziția de fază de la apa lichidă la vapori de apă (evaporare), care poate răci aerul folosind mult mai puțină energie decât refrigerarea tradițională. În climatele extrem de uscate, răcirea prin evaporare are avantajul suplimentar al creșterii umidității aerului pentru confortul ocupanților clădirii. Spre deosebire de refrigerarea cu buclă închisă, răcirea prin evaporare necesită o sursă de apă și trebuie să consume în mod continuu apă pentru a funcționa.

Turnurile de răcire utilizează aceleași principii ca și răcitoarele de evaporare, dar sunt concepute pentru alte scopuri decât răcirea directă a aerului din interiorul unei clădiri. De exemplu, un răcitor de răcire prin evaporare poate fi proiectat pentru a răci bobinele unui sistem mare de aer condiționat sau de refrigerare pentru a spori eficiența acestora.

Istorie

Diagrama schematică a unui vechi turn eolian iranian și qanat , utilizat pentru răcirea prin evaporare a clădirilor.

O formă antică de răcire prin evaporare, turnul eolian , a fost folosită pentru prima dată în Egiptul antic și Persia în urmă cu mii de ani. Pe acoperișurile clădirilor erau așezate dispozitive de aripioare care colectau vântul, convogliavano într-un qanat și apoi conduse în aerul răcit din clădire.

Răcitorul evaporativ a făcut obiectul mai multor brevete americane în secolul al XX-lea ; multe dintre acestea, începând din 1906 [1] , au sugerat sau au presupus utilizarea unor tampoane excelsior ( lână de lemn ) ca elemente capabile să aducă un volum mare de apă în contact cu aerul în mișcare pentru a permite evaporarea acestuia. Un design tipic, așa cum se arată într-un brevet din 1945, include un rezervor de apă (al cărui nivel este de obicei controlat de o supapă de plutire), o pompă pentru a circula apa peste rulmenții excelsior și o centrifugă cu ventilator pentru a aspira aerul prin ele. și aduceți-l în interiorul casei [2] . Acest design și material sunt încă dominante în răcitoarele evaporative din sud-vestul SUA , unde sunt utilizate și pentru creșterea umidității [3] . În Statele Unite, utilizarea termenului „răcitor de mlaștină” se poate datora mirosului de alge produs de primele unități [4] .

Un răcitor de aer tradițional în Mirzapur , Uttar Pradesh , India

Dispozitivele de răcire prin evaporare montate extern (răcitoarele auto) au fost utilizate în unele automobile pentru a condiționa aerul interior, adesea ca accesorii de piață [5] , până când aerul condiționat modern cu compresie de vapori s-a răspândit.

Tehnicile de răcire prin evaporare pasivă din clădiri au fost o caracteristică a arhitecturii deșertului de secole, dar acceptarea, studiul, inovarea și aplicarea comercială în lumea occidentală sunt relativ recente. În 1974, William H. Goettl a remarcat modul în care tehnologia de refrigerare prin evaporare a funcționat în climatul arid, a emis ipoteza că o unitate combinată ar putea fi mai eficientă și a inventat „sistemul de eficiență ridicată Astro Air Piggyback”, un aparat de aer condiționat combinat de refrigerare și răcire. În 1986, cercetătorii Universității din Arizona, W. Cunningham și T. Thompson, au construit un turn de răcire evaporativă pasivă, iar datele de performanță din această instalație experimentală din Tucson , Arizona au devenit fundamentul liniilor directoare de proiectare a turnurilor evaporative de răcire dezvoltate de Baruch Givoni. [6]

Principiul fizic al funcționării

Răcitoarele de evaporare scad temperatura aerului utilizând principiul de răcire prin evaporare, spre deosebire de sistemele tipice de aer condiționat care utilizează refrigerarea prin compresie de vapori. Răcirea prin evaporare este conversia apei lichide în vapori în detrimentul energiei termice prezente în aer, cu o reducere consecventă a temperaturii aerului în sine. Energia necesară vaporizării apei este preluată din aer sub formă de căldură sensibilă , care afectează temperatura aerului, și convertită în căldură latentă , energia prezentă în componenta vaporilor de apă, în timp ce aerul rămâne la o entalpie constantă valoare. Această conversie a căldurii sensibile în căldură latentă este cunoscută sub numele de proces izentalpic deoarece are loc la o valoare de entalpie constantă. Răcirea prin evaporare determină, prin urmare, o scădere a temperaturii aerului proporțională cu căderea sensibilă de căldură și o creștere a umidității proporțională cu câștigul de căldură latent. Răcirea prin evaporare poate fi vizualizată folosind o diagramă psihrometrică prin găsirea stării inițiale a aerului și deplasarea de-a lungul unei linii de entalpie constantă până la o stare de umiditate mai mare [7] .

Un exemplu simplu de răcire prin evaporare naturală este transpirația , a cărei evaporare răcește corpul. Cantitatea de transfer de căldură depinde de rata de evaporare, totuși pentru fiecare kilogram de apă vaporizată sunt transferate 2 257 kJ de energie (adică aproximativ 540 k cal / kg, echivalent, de asemenea, cu aproximativ 890 BTU pe kilogram de apă pură, la 95 ° F ( 35 ° C )). Rata de evaporare depinde de temperatura și umiditatea aerului, motiv pentru care transpirația se acumulează mai mult în zilele umede, deoarece nu se evaporă suficient de repede.

Refrigerarea prin compresie de vapori a aparatelor de aer condiționat clasice folosește, de asemenea, răcirea prin evaporare, dar vaporii produși se află într-un sistem etanș și sunt apoi comprimați gata să se evapore din nou, în detrimentul energiei alimentate în sistem. Apa normală dintr-un răcitor evaporativ este vaporizată în mediu și nu mai este recuperată. Într-o unitate frigorifică interioară, apa evaporată este introdusă în aceleași încăperi împreună cu aerul răcit; într-un turn de evaporare apa evaporată este transportată la evacuarea fluxului de aer.

Alte tipuri de răcire cu schimbare de fază

Un proces strâns legat, răcirea prin sublimare , diferă de răcirea prin evaporare prin aceea că are loc o tranziție de fază de la solid la vapori, mai degrabă decât lichid la vapori.

Răcirea sublimării a fost observată la scară planetară pe planeta pitică Pluto și a fost numită efect anti- seră .

O altă aplicație de răcire cu schimbare de fază este cutia de băuturi „auto-răcită”. Un compartiment separat din interiorul cutiei conține un desicant și un lichid. Chiar înainte de a bea, se trage o filă astfel încât desicantul să intre în contact cu lichidul și să se dizolve. În acest fel, absoarbe o cantitate de energie termică numită căldură latentă de fuziune . Răcirea prin evaporare funcționează odată cu schimbarea de fază a lichidului din vapori și căldura latentă de vaporizare, dar auto-răcirea poate utiliza tranziția de la solid la lichid și căldura latentă de topire pentru a obține același rezultat.

Aplicații

Înainte de apariția dispozitivelor moderne de refrigerare, răcirea prin evaporare a fost folosită de milenii. Un vas poros de teracotă este capabil să răcească apa prin evaporare prin pereții săi; frescele datând din jurul anului 2 500 î.Hr. ilustrează sclavii care mișcă borcane cu apă pentru a răci camerele [8] . De asemenea, un banner poate fi plasat în interiorul unui castron cu apă, acoperit cu o cârpă umedă înmuiată în apă, pentru a păstra laptele sau untul cât mai proaspăt posibil [9] .

O fermă din California cu răcitor evaporativ pe creasta acoperișului.

Răcirea prin evaporare este o formă obișnuită de răcire a clădirilor pentru confort termic , deoarece este relativ ieftină și necesită mai puțină energie decât alte forme de răcire.

Salt Lake City Exemplu de diagramă psihrometrică

Figura arată datele meteorologice din Salt Lake City care reprezintă vremea tipică de vară (iunie-septembrie). Liniile colorate ilustrează cele mai eficiente zone ale strategiilor directe și indirecte de răcire prin evaporare pentru a extinde gama de confort vara. Acesta se explică în principal prin combinația vitezei mai mari a aerului, pe de o parte, și a umidității ridicate în interior, atunci când regiunea permite strategia directă de răcire prin evaporare, pe de altă parte. Strategiile de răcire prin evaporare care implică umidificarea aerului ar trebui puse în aplicare în condiții uscate în care creșterea conținutului de umiditate rămâne sub recomandările pentru confortul ocupanților și calitatea aerului interior. Turnurile de răcire pasive nu au controlul pe care sistemele tradiționale HVAC le oferă ocupanților. Cu toate acestea, mișcarea suplimentară a aerului oferită în camere poate îmbunătăți confortul ocupanților.

Răcirea prin evaporare este cea mai eficientă atunci când umiditatea relativă este scăzută, limitându-se răspândirea la climă uscată. De fapt, rata de umiditate a mediilor interne crește semnificativ, ceea ce locuitorii deșertului pot aprecia pe măsură ce aerul umed rehidratează pielea. Prin urmare, evaluarea datelor climatice tipice este o procedură esențială pentru determinarea eficacității proiectelor de răcire prin evaporare pentru o clădire.

Cele mai importante trei considerații climatice sunt temperatura bulbului uscat , temperatura bulbului umed și depresiunea bulbului umed în timpul unei zile tipice de vară. Este important să se stabilească dacă depresiunea bulbului umed poate asigura o răcire suficientă în timpul unei zile tipice de vară. Prin scăderea vidului cu bec umed din temperatura exterioară a becului uscat, temperatura aproximativă a aerului poate fi estimată folosind răcitorul evaporativ. Este important să se ia în considerare faptul că capacitatea temperaturii exterioare a bulbului uscat de a atinge temperatura bulbului umed depinde de eficiența saturației . O recomandare generală pentru aplicarea răcirii directe prin evaporare este să o implementați în locuri în care temperatura bulbului umed al aerului exterior nu depășește 22 ° C ( 71,6 ° F ) [6] . Cu toate acestea, în exemplul Salt Lake City, limita superioară pentru răcirea evaporativă directă pe diagrama psihrometrului este de 20 ° C ( 68 ° F ). În ciuda valorii mai mici, acest climat este potrivit pentru utilizarea acestei metode de răcire.

Răcitorul evaporativ este potrivit în special pentru climele în care aerul este fierbinte și umiditatea scăzută. În Statele Unite , statele vestice / montane sunt locuri potrivite, cu răcitoare evaporative predominante în orașe precum Denver , Salt Lake City , Albuquerque , El Paso , Tucson și Fresno . Aerul condiționat prin evaporare este, de asemenea, popular și este potrivit pentru partea sudică (temperată) a Australiei . În climatele aride și uscate, costul instalării și funcționării unui răcitor de evaporare poate fi mult mai mic decât cel al unui aparat de aer condiționat clasic, adesea în jur de 80%. Răcirea prin evaporare și aerul condiționat prin compresie de vapori sunt uneori utilizate în combinație pentru rezultate de răcire optime. Unele răcitoare evaporative pot servi și ca umidificatoare în sezonul rece. Chiar și în regiunile care sunt în cea mai mare parte aride, prezența unor perioade scurte de umiditate ridicată poate împiedica răcirea prin evaporare să fie un sistem eficient de răcire. Un exemplu este sezonul musonilor din New Mexico și sudul Arizona în iulie și august.

În locurile cu umiditate moderată există numeroase utilizări la prețuri scăzute pentru răcirea prin evaporare, pe lângă utilizarea lor pe scară largă în climatul uscat. De exemplu, instalații industriale, bucătării comerciale, spălătorii, curățătorie chimică, sere, răcire la fața locului (docuri de încărcare, depozite, fabrici, șantiere, evenimente sportive, ateliere, garaje și canise) și ferme de închidere (cocini, porci și lactate) folosiți răcirea prin evaporare. În climatele foarte umede, răcirea prin evaporare poate oferi un beneficiu mai mare al confortului termic, pe lângă creșterea ventilației și a mișcării de aer pe care o oferă.

Alte exemple

Copacii transpira cantități mari de apă prin porii frunzelor lor numite stomate , iar prin acest proces de răcire prin evaporare, pădurile interacționează cu clima la nivel local și global [10] .

Răcirea prin evaporare este frecvent utilizată în aplicații criogenice . Vaporii de deasupra unui rezervor de lichid criogen este pompat și lichidul se evaporă continuu până când presiunea vaporilor de lichid este semnificativă. Răcirea prin evaporare a heliului obișnuit formează o oală de 1 K , care se poate răci cel puțin 1,2 K. Răcirea prin evaporare a heliului-3 poate asigura temperaturi mai mici 300 mK . Aceste tehnici pot fi utilizate pentru fabricarea criocoolerelor sau ca componente ale criostatelor la temperatură scăzută, cum ar fi răcitoarele de diluție . Pe măsură ce temperatura scade, presiunea vaporilor lichidului scade și răcirea devine mai puțin eficientă. Aceasta determină o limită inferioară a temperaturii realizabile pentru un lichid dat.

Răcirea prin evaporare este, de asemenea, ultima etapă de răcire pentru a atinge temperaturile ultra-scăzute necesare pentru condensarea Bose-Einstein (BEC). Aici, așa-numita răcire prin evaporare forțată este utilizată pentru a îndepărta selectiv atomii energetici („fierbinți”) dintr-un nor de atomi până când norul rămas este răcit sub temperatura de tranziție BEC. Pentru un nor de 1 milion de atomi alcalini , această temperatură este de aproximativ 1 μK .

În timp ce sondele spațiale utilizează aproape exclusiv radiații termice, multe nave spațiale cu echipaj au misiuni scurte care permit răcirea prin evaporare cu ciclu deschis. Exemplele includ naveta spațială , modulul de comandă / serviciu Apollo (CSM), modulul lunar și sistemul primar de susținere a vieții .

Proiecte

Schema de funcționare a unui răcitor evaporator

Majoritatea modelelor profită de faptul că apa are una dintre cele mai mari valori de entalpie cunoscute de vaporizare (căldură latentă de vaporizare) decât orice altă substanță comună. Din acest motiv, răcitoarele de evaporare folosesc doar o fracțiune din energia sistemelor de climatizare prin compresie sau absorbție a vaporilor. Din păcate, cu excepția climelor foarte uscate, răcitorul cu o singură etapă (direct) poate ridica umiditatea relativă (HR) la un nivel incomod pentru ocupanți. Răcitoarele evaporative indirecte și în două trepte mențin cea mai scăzută HR.

Răcitor evaporator direct

Diagrama schematică a unui răcitor de evaporare direct

Răcitorul de evaporare direct (circuit deschis) este utilizat pentru a reduce temperatura și a crește umiditatea aerului folosind căldura latentă de evaporare, transformând apa lichidă în vapori de apă. În acest proces, energia din aer nu se schimbă. Aerul cald și uscat se transformă în aer rece și umed. Căldura aerului exterior este utilizată pentru evaporarea apei. Umiditatea relativă crește până la 70-90%, ceea ce reduce efectul de răcire al transpirației umane. Aerul umed trebuie expulzat continuu afară, altfel devine saturat și procesul de evaporare se oprește.

O unitate de refrigerare mecanică prin evaporare directă folosește un ventilator pentru a trage aer printr-o membrană umedă sau un tampon, care oferă o suprafață mare pentru ca apa să se evapore în aer. Apa este pulverizată în partea superioară a panoului, astfel încât să poată picura în membrană și să o mențină saturată cu lichid. Orice exces de apă care scapă din fundul membranei este colectat într-o tavă și reintrodus în circuit. Răcitoarele de evaporare directe cu o singură treaptă sunt de obicei de dimensiuni mici, deoarece constau doar din membrană, pompă de apă și ventilator centrifugal. Conținutul de săruri minerale prezente în mod normal în apa apeductului va determina degradarea membranei, ducând la înfundarea ei definitivă. În funcție de conținutul de minerale și de rata de evaporare a apei utilizate, sunt necesare curățări și întrețineri regulate pentru a asigura performanțe optime. În general, aerul de alimentare de la răcitorul evaporativ cu o singură treaptă va trebui să fie descărcat direct (debit simplu) din cauza umidității ridicate. Unele soluții de proiectare au fost concepute pentru a utiliza energia aerului, cum ar fi canalizarea aerului evacuat prin două geamuri de geamuri termopan, reducând astfel energia solară absorbită de geam [11] . În comparație cu energia necesară pentru a atinge volumul de răcire echivalent cu un compresor, răcitoarele evaporative cu o singură etapă consumă mai puțină energie [6] .

Răcirea prin evaporare directă pasivă poate fi utilizată oriunde vaporii de apă răciti sunt capabili să răcească un spațiu fără a fi nevoie de un ventilator. Acest lucru poate fi realizat prin utilizarea unor fântâni sau a mai multor modele arhitecturale, cum ar fi Turnul de răcire , cunoscut și sub numele de "Turnul de răcire pasiv". Această soluție permite aerului exterior să curgă peste vârful unui turn construit în interiorul sau lângă clădire. Aerul extern vine în contact cu apa situată în interiorul Turnului, printr-o membrană îmbibată sau un colector. Pe măsură ce apa se evaporă în aerul exterior, aerul devine mai rece și mai puțin capabil să se ridice și creează un flux spre fundul turnului. Aici, o priză permite direcționarea aerului mai rece către interiorul clădirii.

Similar cu răcitoarele de evaporare mecanice, turnurile pot fi o soluție atractivă cu energie scăzută pentru climă caldă și uscată, deoarece au nevoie doar de o pompă de apă pentru a colecta apa din partea de sus a turnului [12] .

Economiile de energie realizate prin utilizarea unui sistem direct de refrigerare prin evaporare depind de climă și de cantitatea de căldură atmosferică de evaporare. Pentru climele aride cu o depresiune mare cu bec umed, turnurile de răcire sunt capabile să asigure o răcire suficientă în condițiile climatice ideale apropiate de cele prevăzute în proiect. De exemplu, un magazin cu amănuntul de 371 m² ( 4.000 ft² ) din Tucson, Arizona, cu un câștig sensibil de căldură de 29,3 kJ / h ( 100 000 Btu / h ) pot fi răcite în întregime prin două turnuri de răcire pasive, oferind 11 890 m³ / h ( 7 000 cfm ) fiecare [13] .

Pentru Centrul de vizitatori al Parcului Național Zion , care folosește două turnuri de răcire pasive, intensitatea răcirii a fost de 14,5 MJ / m² ( 1,28 kBtu / ft ), ceea ce este cu 77% mai mică decât o clădire tipică din vestul Statelor Unite pe care o folosește 62,5 MJ / m² ( 5,5 kBtu / ft² ) [14] . Un studiu al rezultatelor performanței pe teren în Kuweit a arătat că necesarul de energie al unui răcitor evaporativ este cu aproximativ 75% mai mic decât cel necesar unei unități de aer condiționat convenționale [15] .

Răcitor de evaporare indirect

Diagrama schematică a unui răcitor de evaporare indirect

Răcitorul evaporativ indirect (buclă închisă) folosește răcirea prin evaporare directă în plus față de un schimbător de căldură pentru a transfera energia rece (absorbi căldura) în aerul de intrare. Aerul umed răcit din procesul de răcire prin evaporare directă nu intră niciodată în contact direct cu aerul de alimentare condiționat. Fluxul de aer umed este expulzat în exterior sau utilizat pentru răcirea altor dispozitive externe, cum ar fi celulele solare, care sunt mai eficiente atunci când sunt păstrate la rece. Un producător de răcitoare indirecte folosește așa-numitul ciclu Maisotsenko care folosește un schimbător de căldură iterativ (în mai multe etape) capabil să reducă temperatura aerului tratat sub temperatura bulbului umed care se apropie de punctul de rouă [16] . Deși nu se adaugă umiditate la aerul de intrare, umiditatea relativă (HR) crește ușor în conformitate cu formula Temperatură-HR. Cu toate acestea, aerul relativ uscat rezultat din răcirea indirectă prin evaporare permite transpirației locuitorilor să se evapore mai ușor, sporind eficacitatea relativă a acestei tehnici. Răcirea indirectă este o strategie eficientă pentru climele calde-umede care nu își pot permite conținutul crescut de umiditate al aerului tratat din cauza calității aerului interior și a problemelor de confort termic uman.

Graficele alăturate descriu procesul de răcire prin evaporare directă și indirectă cu modificări de temperatură, conținut de umiditate și umiditate relativă a aerului.

Tehnologiile pasive de răcire prin evaporare indirectă necesită un element arhitectural care acționează ca un schimbător de căldură (de exemplu, un acoperiș). Acest element poate fi stropit cu apă și răcit datorită evaporării sale pe el. Această tehnologie este utilizată rar din cauza necesității mari de apă, care introduce, de asemenea, riscul de infiltrare de lichide care poate compromite structura clădirii.

Răcitor evaporator în două etape sau indirect-direct

În prima etapă a unui răcitor cu două trepte, aerul fierbinte este pre-răcit indirect fără a adăuga umezeală (trecând în interiorul unui schimbător de căldură care este răcit prin evaporare spre exterior). În faza directă, aerul pre-răcit trece printr-un tampon îmbibat cu apă și colectează umezeala pe măsură ce se răcește. Deoarece aerul este pre-răcit în prima fază, se transferă mai puțină umiditate în faza directă, pentru a atinge temperatura dorită. Rezultatul, potrivit producătorilor, este un aer mai rece cu o umiditate relativă cuprinsă între 50% și 70%, în funcție de climă, comparativ cu un sistem tradițional care produce aproximativ 70-80% umiditate relativă în aerul condiționat [ fără sursă ] .

În unele proiecte hibride, răcirea directă sau indirectă este combinată cu compresia vaporilor sau aerul condiționat cu absorbție pentru a crește eficiența generală și / sau pentru a reduce temperatura sub limita becului umed.

Materiale

În mod tradițional, panourile de răcire prin evaporare constau din excelsior (fibră de lemn de aspen) plasată într-o plasă de izolare, dar materiale mai moderne, cum ar fi unele materiale plastice și hârtie melaminată , intră în uz obișnuit ca material. Mediile rigide moderne, de obicei de 8 "sau 12" grosime, adaugă mai multă umiditate și, astfel, răcesc aerul mai mult decât materialele tipic mai subțiri pe bază de aspen. Un alt material care este folosit uneori este cartonul ondulat . [17] [18]

Considerații de proiectare

Utilizarea apei

În climatele aride și semi-aride, deficitul de apă face din consumul de apă o problemă în proiectarea acestui sistem de răcire. S-a înregistrat consumul de apometre instalate în 2002 420 938 l ( 111 200 gal ) de apă pentru cele două turnuri de răcire pasive de la Centrul de vizitatori al Parcului Național Zion [ fără sursă ] . Cu toate acestea, astfel de îngrijorări sunt deja luate în considerare de experți care observă că producerea de electricitate necesită o cantitate mare de apă, iar răcitoarele evaporative consumă mult mai puțină energie electrică; deci cantitatea de apă utilizată este similară, dar în general mai ieftină decât răcitoarele tradiționale [19] .

Umbrire

Permiterea expunerii solare directe la panourile sistemului crește rata de evaporare. Lumina soarelui poate, totuși, să degradeze unele materiale, precum și să supraîncălzească alte elemente ale sistemului de răcire prin evaporare. Prin urmare, umbrirea este recomandată în majoritatea instalațiilor.

Sisteme mecanice

În plus față de ventilatoarele utilizate în răcirea prin evaporare mecanică, pompele sunt singurele alte echipamente mecanice necesare procesului de răcire prin evaporare atât în ​​aplicații mecanice, cât și pasive. Pompele pot fi utilizate atât pentru recircularea apei de pe panoul de colectare umidificat, cât și pentru alimentarea cu apă de înaltă presiune pentru un turn de răcire pasiv. Specificațiile pompei variază în funcție de ratele de evaporare și de suprafața panoului media. Centrul de vizitatori al Parcului Național Zion folosește o pompă de la 250 W ( 1/3 CP ) [20] .

Descarc

Conductele de evacuare și / sau ferestrele deschise trebuie utilizate întotdeauna pentru a permite aerului să iasă continuu din zona de aer condiționat. În caz contrar, presiunea crește și ventilatorul (ventilatoarele) sistemului nu sunt capabili să sufle o mulțime de aer prin media în camera care urmează să fie condiționată. Sistemul evaporativ nu poate funcționa fără a descărca alimentarea continuă cu aer din zona condiționată către exterior. Optimizând amplasarea orificiului de admisie a aerului rece, împreună cu amenajarea pasajelor casei, a ușilor aferente și a ferestrelor camerei, sistemul poate fi utilizat mai eficient pentru a direcționa aerul răcit către zonele necesare. Un aranjament bine conceput poate colecta și expulza în mod eficient aerul fierbinte din zonele dorite fără a fi nevoie de un sistem de aerisire canalizat deasupra tavanului. Fluxul continuu de aer este esențial, astfel încât ferestrele sau orificiile de evacuare nu ar trebui să restricționeze volumul și trecerea aerului introdus de mașina de răcire prin evaporare. Direcția vântului extern trebuie, de asemenea, luată în considerare, deoarece, de exemplu, un vânt puternic cald de sud va încetini sau limita aerul epuizat dintr-o fereastră orientată spre sud. Este întotdeauna mai bine să deschideți ferestrele sub vânt, în timp ce ferestrele cu vânt în sus trebuie să fie închise.

Instalatii

Un cooler evaporativ, fotografiat în Rocky Ford , Colorado , utilizat în cele mai uscate părți din vestul Statelor Unite pentru a asigura o răcire economică.

Instalații tipice

Tipicamente, i dispositivi di raffreddamento evaporativo per uso residenziale e industriale utilizzano l'evaporazione diretta e possono essere descritti come un contenitore metallico o di plastica con lati ventilati. L'aria viene mossa da un ventilatore o ventilatore centrifugo (solitamente azionato da un motore elettrico con pulegge noto come 'pulegge' nella terminologia HVAC o da una ventola assiale a comando diretto), e viene impiegata una pompa di acqua per bagnare i pannelli di raffreddamento evaporativo. Le unità di raffreddamento possono essere montate sul tetto (tiraggio verso il basso o verso il basso) o pareti esterne o finestre (tiraggio laterale o flusso orizzontale) degli edifici. Per raffreddare, la ventola aspira l'aria dell'ambiente attraverso le bocchette sui lati dell'unità e attraverso i cuscinetti umidi. Il calore nell'aria fa evaporare l'acqua dalle pastiglie umide che vengono costantemente riumidificate per continuare il processo di raffreddamento. Una volta raffreddata, l'aria umida viene immessa nell'edificio tramite una bocchetta sul tetto o sul muro.

Poiché l'aria di raffreddamento ha origine all'esterno dell'edificio, è necessario che siano presenti uno o più sfiati per consentire all'aria di spostarsi dall'interno all'esterno. L'aria dovrebbe essere lasciata passare solo una volta attraverso il sistema, o l'effetto di raffreddamento diminuirà. Ciò è dovuto al fatto che l'aria raggiunge il punto di saturazione. Spesso si raggiungono circa 15 cambi d'aria all'ora (ACH) negli spazi serviti da refrigeratori evaporativi, un tasso di cambio d'aria relativamente alto.

Torri di raffreddamento

Magnifying glass icon mgx2.svg Lo stesso argomento in dettaglio: Torre di raffreddamento .

Le torri di raffreddamento sono strutture per il raffreddamento dell'acqua o altri mezzi di trasferimento del calore alla temperatura del bulbo umido prossima a quella ambientale. Le torri di raffreddamento umide funzionano secondo il principio del raffreddamento evaporativo, ma sono ottimizzate per raffreddare l'acqua anziché l'aria. Le torri di raffreddamento si possono trovare spesso su grandi edifici o su siti industriali. Ad esempio, trasferiscono calore all'ambiente da refrigeratori, processi industriali o il ciclo di Rankine .

Grandi torri di raffreddamento iperboloidi in acciaio strutturale a servizio di una centrale elettrica a Charkiv ( Ucraina )

Sistemi di nebulizzazione

I sistemi di nebulizzazione funzionano forzando l'acqua tramite una pompa ad alta pressione e tubi a passare attraverso un ugello nebulizzatore in ottone e acciaio inossidabile che ha un orifizio di circa 5 micrometri, producendo così una nebbia sottilissima. Le gocce d'acqua che creano la nebbia sono così piccole che evaporano istantaneamente. L'evaporazione istantanea può ridurre la temperatura dell'aria circostante anche di 20 °C in pochi secondi [21] . Per i sistemi a terrazza, è ideale montare la linea di nebulizzazione da circa 8 a 10 piedi (da 2,4 a 3,0 m) dal suolo per un raffreddamento ottimale. La nebulizzazione viene utilizzata per applicazioni come aiuole, animali domestici, bestiame, canili, controllo degli insetti, controllo degli odori, zoo, cliniche veterinarie, raffreddamento dei prodotti e serre.

Sistema di nebulizzazione con pompa d'acqua sottostante

Prestazioni

Per comprendere le prestazioni di un refrigeratore evaporativo occorre una conoscenza della psicrometria . Le prestazioni del raffreddamento evaporativo sono variabili a causa delle variazioni del livello di temperatura e umidità esterne. Un dispositivo di raffreddamento residenziale dovrebbe essere in grado di ridurre la temperatura dell'aria fino ad un range di 3-4 °C della temperatura di bulbo umido.

È semplice prevedere le prestazioni migliori basandosi sui bollettini meteorologici standard. Poiché i bollettini meteorologici contengono solitamente il punto di rugiada e l'umidità relativa, ma non la temperatura del bulbo umido, per calcolare la temperatura del bulbo umido è necessario utilizzare una carta psicrometrica o un semplice programma per computer. Una volta identificate la temperatura del bulbo umido e la temperatura del bulbo secco, è possibile determinare le prestazioni di raffreddamento o la temperatura dell'aria in uscita del refrigeratore.

Per il raffreddamento per evaporazione diretto, l'efficienza di saturazione diretta, ε, misura in che quantità la temperatura dell'aria che lascia il refrigeratore evaporativo diretto si avvicina alla temperatura a bulbo umido dell'aria in ingresso. L'efficienza di saturazione diretta può essere determinata come segue [22] :

Dove:
= efficienza di saturazione del refrigeratore evaporativo diretto (%)
= temperatura di bulbo secco dell'aria in ingresso (°C)
= temperatura di bulbo secco dell'aria di uscita (°C)
= temperatura di bulbo umido dell'aria di ingresso (°C)

L'efficienza media evaporativa di solito varia tra l'80% e il 90%. I sistemi più efficienti possono abbassare la temperatura dell'aria secca al 95% della temperatura di bulbo umido, i sistemi meno efficienti raggiungono solo il 50%. [22] L'efficienza di evaporazione diminuisce molto nel tempo.

I tipici tamponi aspenici utilizzati nei refrigeratori evaporativi residenziali offrono circa l'85% di efficienza mentre CELdek di materiale evaporativo tipo Elucidate offre un'efficienza del 90% a seconda della velocità dell'aria. I media CELdek sono utilizzati più spesso in grandi installazioni commerciali e industriali.

Ad esempio, a Las Vegas , con un tipico giorno estivo di 42 °C (108 °F) di temperatura di bulbo secco e 19 °C (66 °F) di temperatura di bulbo umido e circa 8% di umidità relativa, la temperatura dell'aria in uscita di un dispositivo di raffreddamento residenziale con efficienza dell'85% sarebbe:

= 42 °C – [(42 °C – 19 °C) × 85%] = 22,45 °C o 72,41 °F

Ad ogni modo, è possibile utilizzare uno dei seguenti due metodi per stimare le prestazioni:

  • utilizzare una carta psicrometrica per calcolare la temperatura del bulbo umido, quindi aggiungere 5-7 °F come descritto sopra;
  • utilizzare una regola empirica che stima che la temperatura del bulbo umido sia approssimativamente uguale alla temperatura ambiente, meno un terzo della differenza tra la temperatura ambiente e il punto di rugiada. Come prima, aggiungere 5-7 °F come descritto sopra.

Alcuni esempi chiariscono questa relazione:

  • a 32 °C (90 °F) e 15% di umidità relativa, l'aria può essere raffreddata a circa 16 °C (61 °F). Il punto di rugiada per queste condizioni è 2 °C (36 °F);
  • a 32 °C e 50% di umidità relativa, l'aria può essere raffreddata a circa 24 °C (75 °F). Il punto di rugiada per queste condizioni è 20 °C (68 °F);
  • a 40 °C (104 °F) e 15% di umidità relativa, l'aria può essere raffreddata a circa 21 °C (70 °F). Il punto di rugiada per queste condizioni è 8 °C (46 °F). [23]

Poiché i refrigeratori evaporativi funzionano meglio in condizioni di clima asciutto, sono ampiamente utilizzati e più efficaci nelle regioni aride e desertiche, come gli Stati Uniti sud-occidentali e il Messico settentrionale .

La stessa equazione indica perché i refrigeratori evaporativi sono di uso limitato in ambienti molto umidi: ad esempio, un caldo giorno di agosto a Tokyo può essere di 30 °C (86 °F) con umidità relativa dell'85%, pressione di 1,005 hPa . Ciò fornisce un punto di rugiada di 27,2 °C (81,0 °F) e una temperatura a bulbo umido di 27,88 °C (82,18 °F). Secondo la formula di cui sopra, con un'efficienza dell'85% l'aria può essere raffreddata solo fino a 28,2 °C (82,8 °F), il che lo rende alquanto poco pratico.

Note

  1. ^ Air filter and cooler. , 18 aprile 1904. URL consultato il 4 agosto 2018 .
  2. ^ Pad for evaporative coolers , 30 agosto 1944. URL consultato il 4 agosto 2018 .
  3. ^ ( EN ) Scott Landis, The Workshop Book , Taunton Press, 1998, ISBN 978-1-56158-271-6 . URL consultato il 4 agosto 2018 .
  4. ^ ( EN ) Arthur William Gutenberg, The Economics of the Evaporative Cooler Industry in the Southwestern United States , Stanford University, 1955. URL consultato il 4 agosto 2018 .
  5. ^ Tali unità sono state montate sul finestrino lato passeggero del veicolo; il finestrino era arrotolato quasi completamente verso l'alto, lasciando solo lo spazio sufficiente per lo sfiato che portava l'aria fresca nel veicolo.
  6. ^ a b c Givoni, Baruch., Passive and low energy cooling of buildings , Van Nostrand Reinhold, 1994, ISBN 0-442-01076-1 , OCLC 30319234 . URL consultato il 4 agosto 2018 .
  7. ^ McDowall, Robert., Fundamentals of HVAC systems , Elsevier, 2006, ISBN 978-0-12-372497-7 , OCLC 162131496 . URL consultato il 4 agosto 2018 .
  8. ^ Evaporative Cooling: History of Technology , su azevap.com , 27 febbraio 2009. URL consultato il 4 agosto 2018 (archiviato dall' url originale il 27 febbraio 2009) .
  9. ^ How ordinary households kept food cool and fresh in the early 20th century , su www.1900s.org.uk . URL consultato il 4 agosto 2018 .
  10. ^ ( EN ) Gordon B. Bonan, Forests and Climate Change: Forcings, Feedbacks, and the Climate Benefits of Forests , in Science , vol. 320, n. 5882, 13 giugno 2008, pp. 1444–1449, DOI : 10.1126/science.1155121 . URL consultato il 4 agosto 2018 .
  11. ^ John F. Peck, Helen J. Kessler e Thompson L. Lewis, Monitoring, Evaluating, & Optimizing Two Stage Evaporative Cooling Techniques , in Environmental Research Laboratory, University of Arizona , 1979.
  12. ^ Kwok, Alison G., Green studio handbook: environmental strategies for schematic design , 2nd ed, Architectural Press/Elsevier, 2011, ISBN 0-08-089052-0 , OCLC 664428163 . URL consultato il 4 agosto 2018 .
  13. ^ Grondzik, Walter T., Mechanical and electrical equipment for buildings , 11th ed, Wiley, 2010, ISBN 978-0-470-19565-9 , OCLC 276274645 . URL consultato il 4 agosto 2018 .
  14. ^ US Energy Information Administration (EIA) - Total Energy Annual Data , su www.eia.doe.gov . URL consultato il 5 agosto 2018 .
  15. ^ GP Maheshwari, F. Al-Ragom e RK Suri, Energy-saving potential of an indirect evaporative cooler , in Applied Energy , vol. 69, n. 1, 2001-05, pp. 69–76, DOI : 10.1016/s0306-2619(00)00066-0 . URL consultato il 5 agosto 2018 .
  16. ^ ( EN ) Material Resource Center | Coolerado , su www.coolerado.com . URL consultato il 5 agosto 2018 .
  17. ^ ( EN ) Jonathan Margolis, Growing food in the desert: is this the solution to the world's food crisis? , su the Guardian , 24 novembre 2012. URL consultato il 5 agosto 2018 .
  18. ^ ( EN ) Sundrop System - Sundrop , in Sundrop . URL consultato il 5 agosto 2018 .
  19. ^ Evaporative Cooling Design Guidelines Manual for New Mexico Schools and Commercial Buildings ( PDF ), su emnrd.state.nm.us , dicembre 2002, pp. 25–27. URL consultato il 12 settembre 2015 .
  20. ^ P. Torcellini, S. Pless, M. Deru, N. Long e R. Judkoff, Lessons Learned from Case Studies of Six High-Performance Buildings - Technical Report NREL/TP-550-37542 ( PDF ), 2006.
  21. ^ Cool-Off | Frequently Asked Questions about Misting Systems , su cool-off.com , 18 maggio 2007. URL consultato il 5 agosto 2018 (archiviato dall' url originale il 18 maggio 2007) .
  22. ^ a b HVAC Systems and Equipment , SI, Atlanta, GA, American Society of Heating Refrigeration and Air-conditioning Engineers (ASHRAE), 2012, p. 41.1.
  23. ^ McCurdy: , su info.ag.uidaho.edu:80 , Esempi di raffreddamento estratti dalla pubblicazione della University of Idaho del 25 giugno 2000,, 14 aprile 2001. URL consultato il 5 agosto 2018 (archiviato dall' url originale il 14 aprile 2001) .

Voci correlate

Altri progetti

Collegamenti esterni

Estratto da " https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Refrigeratore_evaporativo&oldid=122443369 "