Испарительный охладитель - Evaporative cooler

Эта статья про кондиционер. Для аналогичной концепции в атомной физике см. Испарительное охлаждение (атомная физика).

An испарительный охладитель (также болотный охладитель, болотная коробка, охладитель пустыни и охладитель влажного воздуха) - это устройство, охлаждающее воздух через испарение воды. Испарительное охлаждение отличается от обычного кондиционирование воздуха системы, использующие парокомпрессия или поглощение холодильные циклы. Испарительное охлаждение использует тот факт, что вода поглощает относительно большое количество тепла, чтобы испариться (т. Е. Она имеет большой энтальпия испарения ). Температуру сухого воздуха можно значительно снизить за счет фаза перехода превращения жидкой воды в водяной пар (испарение). Это может охладить воздух, используя 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.

Потенциал охлаждения для испарительного охлаждения зависит от разрежения по влажному термометру, разницы между температура по сухому термометру и мокрый шарик температура (см. относительная влажность ). В засушливый климат испарительное охлаждение может снизить потребление энергии и всего оборудования для кондиционирования в качестве альтернативы компрессорному охлаждению. В климате, который не считается засушливым, при косвенном испарительном охлаждении можно 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

Принципиальная схема древнеиранского ветер и канат, используется для испарительного охлаждения зданий

Более ранняя форма испарительного охлаждения, ветер, впервые был использован в древний Египет и Персия тысячи лет назад в виде ветряных валов на крыше. Они поймали ветер, прошли над подземными водами в канат и выпускал охлажденный воздух в здание. Современные иранцы широко применяют энергетические испарительные охладители (Coolere âbi).[1]

Традиционный воздухоохладитель в Мирзапур, Уттар-Прадеш, Индия

Испарительный охладитель был предметом многочисленных патентов США в 20 веке; многие из них, начиная с 1906 г.,[2] предложил или предполагал использование excelsior (древесная шерсть) прокладки в качестве элементов, которые приводят большой объем воды в контакт с движущимся воздухом, что способствует испарению. Типичная конструкция, как показано в патенте 1945 г., включает резервуар для воды (обычно с уровнем, контролируемым поплавковый клапан ), насос для циркуляции воды по подушечкам эксельсиора и центробежный вентилятор втягивать воздух через подушечки в дом.[3] Эта конструкция и этот материал остаются доминирующими в испарительных охладителях в Юго-Запад Америки, где они также используются для повышения влажности.[4] В Соединенных Штатах использование термина болотный охладитель может быть из-за запаха водорослей, производимых ранними отрядами.[5]

Установленные снаружи устройства испарительного охлаждения (автомобильные холодильники ) использовались в некоторых автомобилях для охлаждения воздуха в салоне - часто в качестве дополнительных принадлежностей.[6]- пока не стали широко доступны современные парокомпрессионные кондиционеры.

Методы пассивного испарительного охлаждения в зданиях были характерной чертой архитектуры пустыни 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

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 явное тепло, который влияет на температуру воздуха, и превращается в скрытая теплота, энергия, присутствующая в водяном паровом компоненте воздуха, в то время как воздух остается на постоянном энтальпия ценность. Это преобразование явного тепла в скрытое тепло известно как изэнтальпический процесс потому что это происходит при постоянном значении энтальпии. Таким образом, испарительное охлаждение вызывает падение температуры воздуха, пропорциональное явному падению тепла, и увеличение влажности, пропорциональное притоку скрытого тепла. Охлаждение испарением можно визуализировать с помощью психрометрическая диаграмма путем нахождения начального состояния воздуха и движения по линии постоянной энтальпии к состоянию с более высокой влажностью.[8]

Простой пример естественного испарительного охлаждения: пот, или пот, выделяемый телом, испарение которого 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.

Парокомпрессионное охлаждение использует 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 выхлопом воздушного потока.

Другие типы охлаждения с фазовым переходом

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

Было замечено, что сублимационное охлаждение действует на планетоиде в планетарном масштабе. Плутон, где он был назван антипарниковый эффект.

Еще одно применение фазового перехода для охлаждения - это "самоохлаждающаяся" банка для напитков. В отдельном отсеке внутри банки находится осушитель и жидкость. Непосредственно перед питьем вытягивают язычок, чтобы влагопоглотитель контактировал с жидкостью и растворялся. При этом он поглощает количество тепловой энергии, называемой скрытая теплота плавления. Испарительное охлаждение работает с фазовым переходом жидкость в пар и скрытая теплота испарения, но при самоохлаждении может использоваться переход от твердого тела к жидкости и скрытая теплота плавления для достижения того же результата.

Приложения

До появления современного холодильного оборудования испарительное охлаждение использовалось на протяжении тысячелетий, например, в канаты, ветроуловители, и машрабии. Пористый глиняная посуда сосуд охлаждает воду за счет испарения через его стенки; фрески примерно с 2500 г. до н.э. показаны рабы, обмахивающие кувшинами с водой, чтобы охладить комнаты 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 Сейф Coolgardie ).[9]

Калифорния ранчо с испарительным охладителем на выступе крыши справа

Испарительное охлаждение - распространенная форма охлаждающих зданий для тепловой комфорт поскольку он относительно дешев и требует меньше энергии, чем другие формы охлаждения.

Пример психрометрической диаграммы Солт-Лейк-Сити

Рисунок, показывающий данные о погоде в Солт-Лейк-Сити, представляет типичный летний климат (с июня по сентябрь). Цветные линии показывают потенциал стратегий прямого и косвенного испарительного охлаждения для расширения диапазона комфорта в летнее время. Это в основном объясняется сочетанием 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 охлаждение башням 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. Охлаждение испарением 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 важных аспекта климата: температура по сухому термометру, температура по влажному термометру, и депрессия мокрого термометра в 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 смоченному 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, подобного Солт-Лейк-Сити.

Испарительное охлаждение особенно хорошо подходит для климат где воздух горячий и влажность низкий. В Соединенных Штатах хорошо подходят западные и горные штаты, а в таких городах преобладают испарительные охладители. Альбукерке, Денвер, Эль-Пасо, Фресно, Солт-Лейк-Сити, и Tucson. Испарительное кондиционирование также популярно и хорошо подходит для южной (умеренной) части страны. Австралия. 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 кондиционирование воздуха с компрессией пара иногда используются в сочетании для достижения оптимальных результатов охлаждения. Некоторые испарительные охладители могут также служить увлажнители в отопительный сезон. В регионах, которые в основном засушливы, короткие периоды высокой влажности могут помешать испарительному охлаждению стать 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 использования в сухом климате. Например, промышленные предприятия, коммерческие кухни, прачечные, химчистка, теплицы Для точечного охлаждения (погрузочные доки, склады, фабрики, строительные площадки, спортивные мероприятия, мастерские, гаражи и питомники) и замкнутого хозяйства (птицефермы, свиноводство и молочные фермы) часто используется испарительное охлаждение. В очень влажном климате испарительное охлаждение может тепловой комфорт выгода сверх увеличенного вентиляция и обеспечивает движение воздуха.

Другие примеры

Деревья выделяют большое количество воды через поры в листьях, называемые устьица 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 для глиняных горшков, или холодильники с горшком в горшке, это простые и недорогие способы сохранить овощи свежими без использования электричества. Несколько жарких и засушливых регионов по всему миру могут потенциально выиграть от испарительного охлаждения, включая Северную Африку, регион Сахеля в Африке, Африканский Рог, юг Африки, Ближний Восток, засушливые районы 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 криогенный Приложения. Пар над резервуаром с криогенной жидкостью откачивается, и жидкость непрерывно испаряется до тех пор, пока жидкость давление газа имеет значение. Испарительное охлаждение обычного гелий образует 1-к горшок, который может охладиться как минимум до 1,2 К. Охлаждение испарением гелий-3 может обеспечивать температуру ниже 300 мК. Эти методы можно использовать для криокулеры, или как компоненты более низкотемпературных криостаты такие как холодильники разбавления. С понижением температуры давление пара жидкости также падает, и охлаждение становится менее эффективным. Это устанавливает нижний предел температуры, достижимой для данной жидкости.

Испарительное охлаждение также является последним этапом охлаждения для достижения сверхнизких температур, необходимых для Конденсация Бозе – Эйнштейна (BEC). 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 роботизированный космический корабль использовать тепловое излучение почти исключительно у многих пилотируемых космических аппаратов есть короткие миссии, которые допускают испарительное охлаждение открытого цикла. Примеры включают Космический шатл, то Командно-сервисный модуль Apollo (CSM), лунный модуль и переносная система жизнеобеспечения. У Apollo CSM и Space Shuttle также были радиаторы, и Shuttle мог испаряться. аммиак а также вода. Используемый космический корабль "Аполлон" сублиматоры, компактные и в основном пассивные устройства, которые сбрасывают отработанное тепло в виде водяного пара (пара), который выбрасывается в космос.[нужна 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. Израсходованная вода часто доступна в избытке из топливные элементы используется многими пилотируемыми космическими кораблями для производства электроэнергии.

Дизайн

Иллюстрация испарительного охладителя

В большинстве конструкций используется тот факт, что вода имеет одно из самых высоких значений. энтальпия испарения (скрытая теплота испарения) значения любого обычного вещества. 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 увеличить относительная влажность (RH) до уровня, при котором пассажиры чувствуют себя неуютно. Непрямые и двухступенчатые испарительные охладители поддерживают более низкую относительную влажность.

Прямое испарительное охлаждение

Прямое испарительное охлаждение

Прямое испарительное охлаждение (открытый контур) используется для понижения температуры и повышения влажности воздуха за счет использования скрытой теплоты испарения, превращая жидкую воду в водяной пар. При этом энергия в воздухе 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.

А механический В 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. Как правило, приточный воздух из одноступенчатого испарительного охладителя необходимо отводить напрямую (однопроходный поток) из-за высокой влажности приточного воздуха. Было разработано несколько дизайнерских решений для использования энергии воздуха, например, направление отработанного воздуха через два листа окон с двойным остеклением, 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]

Пассивный прямое 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 конструкций, 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 через смачиваемую мембрану или через туман. По мере того как вода испаряется в окружающем воздухе, воздух становится более прохладным и менее плавучим и создает нисходящий поток в градирне. Внизу башни имеется выпускной патрубок, через который более прохладный воздух попадает внутрь. Подобно механическим испарительным охладителям, градирни могут быть привлекательным решением с низким энергопотреблением для жаркого и сухого климата, поскольку им требуется только водяной насос, чтобы подавать воду на верх градирни.[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, 371 м2 (4000 футов2) розничный магазин в Тусоне, штат Аризона, с явным тепловыделением 29,3 кДж / ч (100000 БТЕ / ч) может полностью охлаждаться двумя пассивными градирнями общей площадью 11890 м3/ 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 / м3.2 (1,28 кБТЕ / фут;), что на 77% меньше, чем в типичном здании на западе США, где используется 62,5 МДж / м2 (5,5 кБТЕ / фут2).[16] Изучение результатов эксплуатационных характеристик 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

Процесс непрямого испарительного охлаждения

Непрямое испарительное охлаждение (замкнутый контур) - это процесс охлаждения, в котором в дополнение к некоторым теплообменник для передачи холодной энергии приточному воздуху. Охлажденный влажный воздух из процесса прямого испарительного охлаждения никогда не вступает в прямой контакт 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

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 до ниже температура по смоченному термометру и может приближаться к точка 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 во время сильной жары, не создавая значительной дополнительной нагрузки на электрическую инфраструктуру. Если в каком-либо месте имеется избыток воды или избыточная мощность опреснения, это можно использовать для снижения чрезмерного потребления электроэнергии 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 потребления электроэнергии. В развитых регионах 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 Двигатели Стирлинга к Генераторы 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 поперечный поток имеет более высокие температуры. коэффициент производительности (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 коэффициент полезного действия 26,4 и рейтинг EER 90. Это не учитывает энергию, необходимую для очистки или подачи воды, и строго соответствует норме. мощность, необходимая для работы устройства после подачи воды. Хотя опреснение воды также сопряжено 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 КПД 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 с осушитель для восстановления воды с использованием доступных источников тепла, таких как солнечная тепловая энергия.[19][20]

Теоретические конструкции

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

Пассивный Стратегии непрямого испарительного охлаждения встречаются редко, потому что эта стратегия включает архитектурный элемент, действующий как теплообменник (например, крышу). Этот элемент можно обрызгать водой и охладить 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

Двухступенчатое испарительное охлаждение или косвенно-прямое

На первой ступени двухступенчатого охладителя теплый воздух предварительно охлаждается косвенно, без добавления влаги (проходя внутрь теплообменника, который охлаждается за счет испарения снаружи). На прямой стадии предварительно охлажденный воздух проходит через пропитанную водой подушку и собирает влагу по мере охлаждения. Поскольку подаваемый воздух предварительно охлаждается на первом этапе, на этапе прямого охлаждения 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 производит около 70–80% относительной влажности кондиционированного воздуха.[22]

Испарительный + традиционный резервный

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

Материалы

Традиционно испарительный кулер колодки состоит из excelsior (осина древесное волокно ) внутри защитной сетки, но из более современных материалов, таких как пластик и меламин бумага, начинает использоваться в качестве носителя для охлаждения. 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.[23] Другой материал, который иногда используется, - это гофрокартон.[24][25]

Соображения по дизайну

Использование воды

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.[26] 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.[27]

Затенение

Прямое солнечное воздействие на подушечки 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

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 можно использовать либо для рециркуляции воды на подушку с влажным носителем, либо для подачи воды под очень высоким давлением в систему тумана для пассивной градирни. Технические характеристики насоса зависят от скорости испарения и площади контактной площадки. В центре посетителей национального парка Зайон используется насос мощностью 250 Вт (1/3 л.с.).[28]

Выхлоп

Вытяжные каналы и / или открытые окна должны использоваться постоянно, чтобы воздух постоянно выходил из кондиционируемой зоны. В противном случае возникает давление, и вентилятор 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 поток воздуха важен, поэтому выпускные окна или вентиляционные отверстия не должны ограничивать объем и проход воздуха, вводимого испарительной охлаждающей машиной. Также следует помнить о направлении 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

Типовые установки

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 вентилятор или воздуходувка (обычно приводимая в движение 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 поступает за пределы здания, необходимо наличие одного или нескольких больших вентиляционных отверстий, позволяющих воздуху перемещаться изнутри наружу. Воздух должен пройти через систему только один раз, иначе охлаждающий эффект уменьшится. Это связано с тем, что воздух достигает насыщение точка. Часто около 15 воздухообменов в час (ACH) происходят в помещениях, обслуживаемых испарительными охладителями, с относительно высокой скоростью воздухообмена.

Испарительные (мокрые) градирни

Основная статья: Градирни
Большой гиперболоид градирни из конструкционной стали для электростанции в Харькове (Украина)

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 Энергетический цикл Ренкина, Например.

Системы туманообразования

Туман система орошения водой насос под

Системы туманообразования работают за счет нагнетания воды через насос высокого давления и трубки через распылитель тумана из латуни и нержавеющей стали с отверстием около 5 мм. микрометры, образуя 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.[29] Для систем внутреннего дворика идеально установить линию тумана на высоте примерно 8–10 футов (2,4–3,0 м) над землей для оптимального охлаждения. Запотевание используется для таких применений, как клумбы, домашние животные, животноводство, питомники, борьба с насекомыми, борьба с запахом, зоопарки, ветеринарные клиники, охлаждение продуктов и теплицы.

Вентиляторы тумана

Вентилятор тумана похож на увлажнитель. Вентилятор выпускает в воздух мелкий водяной туман. Если воздух не слишком влажный, вода испаряется, поглощая тепло из воздуха, благодаря чему вентилятор тумана также работает как охладитель воздуха. Вентилятор тумана можно использовать на открытом воздухе, особенно в сухом климате. Его также можно использовать в помещении.

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

Спектакль

Понимание характеристик испарительного охлаждения требует понимания психрометрия. Характеристики испарительного охлаждения варьируются 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 просто. Поскольку сводки погоды обычно содержат точка росы и относительная влажность, но не температуру смоченного термометра, a психрометрическая диаграмма или необходимо использовать простую компьютерную программу для вычисления температуры по влажному термометру. 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:[30]

Куда:
= эффективность насыщения при прямом испарительном охлаждении (%)
= температура поступающего воздуха по сухому термометру (° C)
= температура выходящего воздуха по сухому термометру (° C)
= 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 - только 50%.[30] Эффективность испарения со временем падает очень незначительно.

Типичные осиновые подушки, используемые в бытовых испарительных охладителях, обеспечивают эффективность около 85%, в то время как CELdek[требуется дальнейшее объяснение ] Тип испарительной среды обеспечивает эффективность> 90% в зависимости от скорости воздуха. Носители CELdek чаще используются в крупных коммерческих и промышленных установках.

Например, в Лас Вегас, при типичном летнем расчетном дне 42 ° C (108 ° F) по сухому термометру и температуре 19 ° C (66 ° F) по влажному термометру или около 8% относительной влажности, температура воздуха на выходе бытового охладителя с эффективностью 85% будет быть:

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

Однако для оценки производительности можно использовать любой из двух методов:

  • Использовать психрометрическая диаграмма для расчета температуры по влажному термометру, а затем добавьте 5–7 ° F, как описано выше.
  • Использовать практическое правило который оценивает, что температура по смоченному термометру приблизительно равна температуре окружающей среды за вычетом одной трети разницы между температурой окружающей среды и температурой точка росы. Как и прежде, 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).

(Замечательные 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, пустыня регионы, такие как юго-запад США, северный Мексика, и Раджастхан.

Это же уравнение показывает, почему испарительные охладители имеют ограниченное использование в очень влажных средах: например, жарким августовским днем ​​в Токио может достигать 30 ° C (86 ° F) при относительной влажности 85% и давлении 1005 гПа. Это дает точку росы 27,2 ° C (81,0 ° F) и температура 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 кондиционером

Туманный вентилятор

Сравнение испарительного охлаждения с охлаждение -на основании кондиционирование воздуха:

Преимущества

Менее затратный в установке и эксплуатации

  • Ориентировочная стоимость профессиональной установки составляет примерно половину или меньше стоимости центрального кондиционирования воздуха.[31]
  • Ориентировочная стоимость эксплуатации составляет 1/8 стоимости эксплуатации холодильного оборудования. кондиционирование воздуха.[32]
  • Нет скачка мощности при включении из-за отсутствия компрессор
  • Потребляемая мощность ограничивается вентилятором и водяным насосом, которые имеют относительно низкое потребление тока при запуске.
  • Рабочая жидкость - вода. Никаких специальных хладагентов, таких как аммиак или ХФУ, используются, которые могут быть токсичными, дорогостоящими для замены, способствуют истощение озонового слоя и / или подлежат строгим лицензионным и экологическим нормам.

Легкость установки и обслуживания

  • Оборудование может быть установлено механическими пользователями по значительно более низкой цене, чем холодильное оборудование, которое требует специальных навыков и профессиональной установки.
  • Единственными двумя механическими деталями 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 HVAC.

Вентиляционный воздух

  • Частый и высокий объемный расход воздуха, проходящего через здание, значительно снижает «возраст воздуха» в здании.
  • Испарительное охлаждение увеличивается влажность. В сухом климате это может улучшить комфорт и уменьшить статичное электричество проблемы.
  • Сама подушка при правильном уходе действует как довольно эффективный воздушный фильтр; он способен удалять различные загрязнители в воздухе, в том числе в городских озон вызвано загрязнением[нужна цитата ], независимо от очень сухой 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

Спектакль

  • Большинство испарительных охладителей не могут снизить температуру воздуха так, как это могут сделать системы кондиционирования воздуха.
  • Условия высокой точки росы (влажности) снижают охлаждающую способность испарительного охладителя.
  • Нет осушение. 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 может улучшиться сухость 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 в воздухе ускоряет коррозия, особенно в присутствии пыли. Это может значительно сократить срок службы электроники и другого оборудования.
  • Высокая влажность в воздухе может вызвать конденсация 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.

Использование воды

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

Частота обслуживания

  • 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. Древесная шерсть колодки недороги, но требуют замены каждые несколько месяцев. Жесткие среды с более высокой эффективностью 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 осушать и утепленный для защиты водопровода и охладителя от повреждений, вызванных замерзанием, а затем разогревайте их до начала сезона охлаждения.

Опасности для здоровья

  • Испарительный охладитель - обычное место для разведения комаров. Многие власти считают, что ненадлежащее обслуживание кулера представляет угрозу для здоровья населения.[33]
  • Плесень и бактерии могут распространяться во внутреннем воздухе из-за неправильно обслуживаемых или неисправных систем, вызывая синдром больного здания и побочные эффекты для астма и аллергикам.
  • Древесная шерсть подушек сухого охладителя может загореться даже от небольших искр.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Хейрабади, Масуд (1991). Иранские города: становление и развитие. Остин, Техас: Техасский университет Press. п.36. ISBN  978-0-292-72468-6.
  2. ^ Зеллвегер, Джон (1906). «Воздушный фильтр и охладитель». Патент США 838602.
  3. ^ Брайант Эссик (1945). «Площадка для испарительных охладителей». Патент США 2391558.
  4. ^ Скотт Лэндис (1998). Книга Мастерской. Тонтон Пресс. п.120. ISBN  978-1-56158-271-6. испарительный охладитель беличья клетка популярна на юго-западе.
  5. ^ Гутенберг, Артур Уильям (1955). Экономика индустрии испарительных охладителей на юго-западе США. Высшая школа бизнеса Стэнфордского университета. п. 167.
  6. ^ Такие агрегаты устанавливались на пассажирском стекле автомобиля; окно было закатано почти до упора, оставляя достаточно места только для вентиляционного отверстия, по которому прохладный воздух поступал в машину.
  7. ^ а б c Гивони, Барух (1994). Пассивное и низкоэнергетическое охлаждение зданий. Ван Ностранд Рейнхольд.
  8. ^ Макдауэл Р. (2006). Основы систем HVAC, Эльзевир, Сан-Диего, стр. 16.
  9. ^ Крайер, Пат. "Хранение продуктов в лондонском доме рабочего класса в 1900-х годах". 1900s.org.uk. Получено 22 ноября 2013.
  10. ^ Бонан, Гордон Б. (13 июня 2008 г.). «Леса и изменение климата: силы, обратная связь и климатические преимущества лесов». Наука. 320 (5882): 1444–9. Bibcode:2008Научный ... 320.1444Б. Дои:10.1126 / science.1155121. PMID  18556546. S2CID  45466312.
  11. ^ Verploegen, Эрик; Ринкер, Питер; Огнакосан, Куком Эдох. «Руководство по передовым методам испарительного охлаждения» (PDF).
  12. ^ Verploegen, Эрик; Саного, Усман; Чагомока, Такемор. «Технологии испарительного охлаждения для улучшенного хранения овощей в Мали - оценка» (PDF).
  13. ^ Пек, Джон Ф .; Кесслер, Хелен Дж .; Льюис, Томпсон Л. (1979). «Мониторинг, оценка и оптимизация методов двухступенчатого испарительного охлаждения». Лаборатория экологических исследований, Университет Аризоны.
  14. ^ Квок, Элисон G .; Гронджик, Вальтер Т. (2007). Справочник зеленой студии: экологические стратегии для схематического дизайна. Архитектурная пресса. ISBN  978-0-08-089052-4.
  15. ^ Grondzik, Walter T .; Квок, Элисон G .; Штейн, Бенджамин; Рейнольдс, Джон С. (2010). Механическое и электрическое оборудование. Джон Вили и сыновья.
  16. ^ Управление энергетической информации. «Годовой энергетический обзор 2004». ОВОС. Министерство энергетики США. Получено 12 декабря 2014.
  17. ^ Maheshwari, G.P .; Аль-Рагом, Ф .; Сури, Р. (2001). «Энергосберегающий потенциал косвенного испарительного охладителя». Прикладная энергия. 69 (1): 69–76. Дои:10.1016 / S0306-2619 (00) 00066-0.
  18. ^ см. вкладку «Независимое тестирование», «Оценка термодинамических характеристик нового цикла воздушного охлаждения» и другие документы. http://www.coolerado.com/products/material-resource-center/
  19. ^ Тепломассообменник с противотоком и перекрестным потоком на основе цикла Майсоценко: расчетное исследование. Международная конференция по энергосбережению и эффективности 2017 г. (ICECE). Расих Тарик; Надим Ахмед Шейх. Год публикации: 2017, Страниц: 44 - 49
  20. ^ Цикл Майсоценко: обзор технологий и потенциал энергосбережения в системах охлаждения. Журнал технологий контроля энергии и выбросов. 6 марта 2015 г. Том 2015: 3 страницы 15–22. Эммануэль Д Рогдакис, Димитриос Ник Тертипис. Факультет машиностроения, Национальный технический университет Афин, Афины, Греция
  21. ^ «Cold-SNAP: Экологичное кондиционирование воздуха». Институт Висс. 27 сентября 2019.
  22. ^ «Двухступенчатая испарительная система охлаждения (важность относительной влажности (RH) воздуха)». HelloPortable. Получено 13 июн 2019.
  23. ^ [1]
  24. ^ Джонатан Марголис. «Болотный охладитель из гофрированного картона от Sundrop Farm». Theguardian.com. Получено 2018-09-25.
  25. ^ «Система Sundrop Farm». Sundropfarms.com. 2014-06-20. Получено 2018-09-25.
  26. ^ Торчеллини, П; Длинный, N; Pless, S; Джудкофф, Р. (февраль 2005 г.). Оценка низкоэнергетической конструкции и энергетических характеристик Центра посетителей национального парка Зайон - Технический отчет NREL / TP-550-34607 (PDF). п. 88. Получено 9 июн 2020.
  27. ^ «Руководство по проектированию испарительного охлаждения для школ и коммерческих зданий Нью-Мексико» (PDF). Декабрь 2002. С. 25–27.. Получено 12 сентября 2015.
  28. ^ Torcellini, P .; Pless, S .; Deru, M .; Long, N .; Джудкофф, Р. (2006). Уроки, извлеченные из тематических исследований шести высокопроизводительных зданий - Технический отчет NREL / TP-550-37542 (PDF).
  29. ^ [2] В архиве 18 мая 2007 г. Wayback Machine
  30. ^ а б Системы и оборудование HVAC (SI ред.). Атланта, Джорджия: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE). 2012. с. 41.1.
  31. ^ Криггер, Джон; Дорси, Крис (2004). Энергетика в жилых домах: экономия средств и комфорт для существующих зданий (4-е изд.). Управление ресурсами Сатурна. п. 207. ISBN  978-1-880120-12-5.
  32. ^ «Испарительный охладитель / Испарительный охладитель». Waterlinecooling.com. Получено 2013-11-22.
  33. ^ "Краткая заметка о кулере NID" (PDF). Правительство Индии - Национальный центр по контролю заболеваний. Архивировано из оригинал (PDF) 10 октября 2017 г.. Получено 22 ноября 2013.

внешние ссылки