Evaporative cooler

La maggior parte dei progetti sfrutta il fatto che l’acqua ha uno dei valori di entalpia di vaporizzazione (calore latente di vaporizzazione) più noti di qualsiasi sostanza comune. Per questo motivo, i refrigeratori evaporativi utilizzano solo una frazione dell’energia dei sistemi di condizionamento dell’aria a compressione o assorbimento del vapore. Sfortunatamente, tranne che in climi molto secchi, il dispositivo di raffreddamento a singolo stadio (diretto) può aumentare l’umidità relativa (RH) a un livello che rende scomodi gli occupanti., I refrigeratori evaporativi indiretti e a due stadi mantengono l’RH più basso.

evaporative Diretto coolingEdit

Diretta di raffreddamento evaporativo (circuito aperto) è usato per abbassare la temperatura e aumentare l’umidità dell’aria utilizzando il calore latente di evaporazione, cambiando l’acqua liquida al vapore acqueo. In questo processo, l’energia nell’aria non cambia. L’aria calda e secca viene cambiata in aria umida fresca. Il calore dell’aria esterna viene utilizzato per far evaporare l’acqua., Il RH aumenta a 70-90% che riduce l’effetto di raffreddamento di sudore umano. L’aria umida deve essere continuamente rilasciata all’esterno, altrimenti l’aria si satura e l’evaporazione si ferma.

Un’unità di raffreddamento evaporativo diretto meccanico utilizza un ventilatore per aspirare aria attraverso una membrana bagnata, o pad, che fornisce una grande superficie per l’evaporazione dell’acqua nell’aria. L’acqua viene spruzzata nella parte superiore del pad in modo che possa gocciolare nella membrana e mantenere continuamente la membrana satura., L’acqua in eccesso che gocciola dal fondo della membrana viene raccolta in una padella e ricircolata verso l’alto. I refrigeratori evaporativi diretti monostadio sono in genere di piccole dimensioni in quanto consistono solo della membrana, della pompa dell’acqua e del ventilatore centrifugo. Il contenuto minerale dell’approvvigionamento idrico comunale causerà il ridimensionamento della membrana, che porterà all’intasamento per tutta la durata della membrana. A seconda di questo contenuto minerale e del tasso di evaporazione, è necessaria una pulizia e una manutenzione regolari per garantire prestazioni ottimali., Generalmente, l’aria di alimentazione dal dispositivo di raffreddamento evaporativo monostadio dovrà essere esaurita direttamente (flusso singolo) a causa dell’elevata umidità dell’aria di alimentazione. Alcune soluzioni progettuali sono state concepite per utilizzare l’energia nell’aria, come dirigere l’aria di scarico attraverso due lastre di finestre con doppi vetri, riducendo così l’energia solare assorbita attraverso la vetratura. Rispetto all’energia necessaria per ottenere il carico di raffreddamento equivalente con un compressore, i refrigeratori evaporativi monostadio consumano meno energia.,

Il raffreddamento evaporativo diretto passivo può verificarsi ovunque l’acqua raffreddata evaporativamente possa raffreddare uno spazio senza l’aiuto di un ventilatore. Questo può essere ottenuto attraverso l’uso di fontane o più progetti architettonici come la torre di raffreddamento evaporativo downdraft, chiamata anche “torre di raffreddamento passiva”. Il design della torre di raffreddamento passivo consente all’aria esterna di fluire attraverso la parte superiore di una torre costruita all’interno o accanto all’edificio. L’aria esterna entra in contatto con l’acqua all’interno della torre attraverso una membrana bagnata o un mister., Quando l’acqua evapora nell’aria esterna, l’aria diventa più fredda e meno vivace e crea un flusso verso il basso nella torre. Nella parte inferiore della torre, una presa permette l’aria più fredda verso l’interno. Simile ai refrigeratori evaporativi meccanici, le torri possono essere un’attraente soluzione a bassa energia per il clima caldo e secco in quanto richiedono solo una pompa dell’acqua per sollevare l’acqua fino alla cima della torre.Il risparmio energetico derivante dall’utilizzo di una strategia passiva di raffreddamento ad evaporazione diretta dipende dal clima e dal carico termico., Per i climi aridi con una grande depressione a bulbo umido, le torri di raffreddamento possono fornire un raffreddamento sufficiente durante le condizioni di progettazione estiva per essere nette zero. Ad esempio, un negozio al dettaglio di 371 m2 (4.000 ft2) a Tucson, in Arizona, con un sensibile guadagno di calore di 29,3 kJ/h (100.000 Btu/h) può essere raffreddato interamente da due torri di raffreddamento passive che forniscono 11890 m3/h (7.000 cfm) ciascuna.

Per lo visitors National Park visitors’ center, che utilizza due torri di raffreddamento passive, l’intensità dell’energia di raffreddamento è stata di 14,5 MJ/m2 (1,28 kBtu/ft;), che era il 77% in meno rispetto a un tipico edificio negli Stati Uniti occidentali che ne utilizza 62.,5 MJ / m2 (5.5 kBtu/ft2). Uno studio dei risultati delle prestazioni sul campo in Kuwait ha rivelato che i requisiti di alimentazione per un dispositivo di raffreddamento evaporativo sono circa il 75% in meno rispetto ai requisiti di alimentazione per un condizionatore d’aria convenzionale.

evaporativo Indiretto coolingEdit

di raffreddamento evaporativo Indiretto (a circuito chiuso) è un processo di raffreddamento che utilizza il direct di raffreddamento evaporativo, oltre ad alcuni scambiatore di calore per trasferire la fresca energia per l’aria di alimentazione., L’aria umida raffreddata dal processo di raffreddamento evaporativo diretto non entra mai in contatto diretto con l’aria di alimentazione condizionata. Il flusso di aria umida viene rilasciato all’esterno o utilizzato per raffreddare altri dispositivi esterni come le celle solari che sono più efficienti se mantenuto fresco. Questo viene fatto per evitare l’umidità in eccesso negli spazi chiusi, che non è appropriato per i sistemi residenziali.

Maisotsenko cycleEdit

Un produttore di refrigeratori indiretti utilizza il ciclo Maisotsenko (M-Cycle), dal nome dell’inventore e professore Dr., Valeriy Maisotsenko, impiega uno scambiatore di calore iterativo (multi-step) costituito da una sottile membrana riciclabile che può ridurre la temperatura dell’aria del prodotto al di sotto della temperatura del bulbo umido e può avvicinarsi al punto di rugiada.

Il sistema ha un’efficienza molto elevata ma, come altri sistemi di raffreddamento evaporativo, è vincolato dai livelli di umidità ambientale, che ne ha limitato l’adozione per uso residenziale. Può essere usato come raffreddamento supplementare durante i periodi di calore estremo senza porre l’onere supplementare significativo sull’infrastruttura elettrica., Se un luogo ha forniture di acqua in eccesso o capacità di desalinizzazione in eccesso può essere utilizzato per ridurre la domanda elettrica eccessiva utilizzando acqua in unità M-Ciclo a prezzi accessibili. A causa degli elevati costi delle unità di condizionamento dell’aria convenzionali e delle limitazioni estreme di molti sistemi di utilità elettrica, le unità M-Cycle possono essere gli unici sistemi di raffreddamento appropriati adatti per aree impoverite durante periodi di temperatura estremamente elevata e di elevata domanda elettrica., Nelle aree sviluppate, possono servire come sistemi di backup supplementari in caso di sovraccarico elettrico e possono essere utilizzati per aumentare l’efficienza dei sistemi convenzionali esistenti.

Il ciclo M non si limita ai sistemi di raffreddamento e può essere applicato a varie tecnologie, dai motori Stirling ai generatori di acqua atmosferica. Per le applicazioni di raffreddamento può essere utilizzato in entrambe le configurazioni a flusso incrociato e controcorrente., Il controcorrente è risultato ottenere temperature più basse più adatte al raffreddamento domestico, ma il flusso incrociato è risultato avere un coefficiente di prestazione più elevato (COP), ed è quindi migliore per le grandi installazioni industriali.

A differenza delle tecniche di refrigerazione tradizionali, il COP di piccoli sistemi rimane elevato, in quanto non richiedono pompe di sollevamento o altre attrezzature necessarie per le torri di raffreddamento. Un sistema di raffreddamento da 1,5 ton / 4,4 kw richiede solo 200 watt per il funzionamento della ventola, dando un COP di 26,4 e un rating EER di 90., Questo non tiene conto dell’energia necessaria per purificare o erogare l’acqua, ed è strettamente la potenza necessaria per far funzionare il dispositivo una volta che l’acqua viene fornita. Sebbene la dissalazione dell’acqua presenti anche un costo, il calore latente della vaporizzazione dell’acqua è quasi 100 volte superiore all’energia necessaria per purificare l’acqua stessa. Inoltre, il dispositivo ha un’efficienza massima del 55%, quindi il suo COP effettivo è molto inferiore a questo valore calcolato., Tuttavia, indipendentemente da queste perdite, il COP efficace è ancora significativamente più alto di un sistema di raffreddamento convenzionale, anche se l’acqua deve prima essere purificata mediante desalinizzazione. Nelle aree in cui l’acqua non è disponibile in qualsiasi forma, può essere utilizzata con un essiccante per recuperare l’acqua utilizzando fonti di calore disponibili, come l’energia solare termica.

Design teoricimodifica

Nel più recente ma ancora da commercializzare “cold-SNAP” del Wyss Institute di Harvard, una ceramica stampata in 3D conduce il calore ma è rivestita per metà con un materiale idrofobo che funge da barriera all’umidità., Mentre nessuna umidità viene aggiunta all’aria in entrata, l’umidità relativa (RH) aumenta leggermente in base alla formula Temperatura-RH. Tuttavia, l’aria relativamente secca derivante dal raffreddamento evaporativo indiretto consente alla traspirazione degli abitanti di evaporare più facilmente, aumentando l’efficacia relativa di questa tecnica. Il raffreddamento indiretto è una strategia efficace per i climi caldo-umidi che non possono permettersi di aumentare il contenuto di umidità dell’aria di alimentazione a causa della qualità dell’aria interna e dei problemi di comfort termico umano.,

Le strategie di raffreddamento evaporativo indiretto passivo sono rare perché questa strategia prevede che un elemento architettonico funga da scambiatore di calore (ad esempio un tetto). Questo elemento può essere spruzzato con acqua e raffreddato attraverso l’evaporazione dell’acqua su questo elemento. Queste strategie sono rare a causa dell’elevato uso di acqua, che introduce anche il rischio di intrusione idrica e compromettendo la struttura dell’edificio.,

Progetti ibridimodifica

Raffreddamento evaporativo a due stadi, o indiretto-direttomodifica

Nel primo stadio di un dispositivo di raffreddamento a due stadi, l’aria calda viene pre-raffreddata indirettamente senza aggiungere umidità (passando all’interno di uno scambiatore di calore raffreddato per evaporazione all’esterno). Nella fase diretta, l’aria pre-raffreddata passa attraverso un pad imbevuto d’acqua e raccoglie l’umidità mentre si raffredda. Poiché l’alimentazione dell’aria viene pre-raffreddata nella prima fase, meno umidità viene trasferita nella fase diretta, per raggiungere le temperature di raffreddamento desiderate., Il risultato, secondo i produttori, è aria più fresca con un RH tra il 50-70%, a seconda del clima, rispetto ad un sistema tradizionale che produce circa il 70-80% di umidità relativa nell’aria condizionata.

Evaporative + conventional backupEdit

In un altro progetto ibrido, il raffreddamento diretto o indiretto è stato combinato con aria condizionata a compressione di vapore o assorbimento per aumentare l’efficienza complessiva e / o ridurre la temperatura al di sotto del limite di bulbo umido.,

MaterialsEdit

Tradizionalmente, i cuscinetti evaporativi sono costituiti da excelsior (fibra di legno di pioppo) all’interno di una rete di contenimento, ma materiali più moderni, come alcune materie plastiche e carta melaminica, stanno entrando in uso come supporti di raffreddamento. I moderni supporti rigidi, comunemente 8 “o 12” spessi, aggiungono più umidità e quindi raffreddano l’aria più dei media aspen tipicamente molto più sottili. Un altro materiale che viene talvolta utilizzato è il cartone ondulato.,

Considerazioni progettualimodifica

Uso dell’acquamodifica

Nei climi aridi e semiaridi, la scarsità di acqua rende il consumo di acqua una preoccupazione nella progettazione del sistema di raffreddamento. Dai contatori dell’acqua installati, 420938 L (111.200 gal) di acqua sono stati consumati durante il 2002 per le due torri di raffreddamento passivo presso il centro visitatori del Parco Nazionale di Z., Tuttavia, tali preoccupazioni sono affrontate dagli esperti che osservano che la produzione di elettricità richiede solitamente una grande quantità di acqua, e i refrigeratori evaporativi utilizzano molta meno elettricità, e quindi acqua comparabile nel complesso, e costano meno nel complesso, rispetto ai refrigeratori.

ShadingEdit

Consentire l’esposizione solare diretta ai supporti aumenta la velocità di evaporazione. La luce solare può, tuttavia, degradare alcuni media, oltre a riscaldare altri elementi del design di raffreddamento evaporativo. Pertanto, l’ombreggiatura è consigliabile nella maggior parte delle applicazioni.,

Sistemi meccanicimodifica

Oltre ai ventilatori utilizzati nel raffreddamento evaporativo meccanico, le pompe sono l’unico altro pezzo di attrezzatura meccanica necessaria per il processo di raffreddamento evaporativo sia in applicazioni meccaniche che passive. Le pompe possono essere utilizzate sia per ricircolare l’acqua al pad media bagnato o fornire acqua ad altissima pressione ad un sistema mister per una torre di raffreddamento passivo. Le specifiche della pompa variano a seconda dei tassi di evaporazione e dell’area del pad del supporto. Il centro visitatori del Parco Nazionale di Z utilizza una pompa da 250 W (1/3 HP).,

ExhaustEdit

I condotti di scarico e / o le finestre aperte devono essere utilizzati in ogni momento per consentire all’aria di fuoriuscire continuamente dall’area climatizzata. In caso contrario, la pressione si sviluppa e la ventola o il ventilatore nel sistema non è in grado di spingere molta aria attraverso i media e nell’area climatizzata. Il sistema evaporativo non può funzionare senza esaurire la fornitura continua di aria dall’area climatizzata all’esterno., Ottimizzando il posizionamento della presa d’aria raffreddata, insieme al layout dei passaggi della casa, delle porte correlate e delle finestre della stanza, il sistema può essere utilizzato in modo più efficace per dirigere l’aria raffreddata verso le aree richieste. Un layout ben progettato può efficacemente pulire ed espellere l’aria calda dalle aree desiderate senza la necessità di un sistema di sfiato canalizzato sopra il soffitto. Il flusso d’aria continuo è essenziale, quindi le finestre di scarico o le prese d’aria non devono limitare il volume e il passaggio dell’aria introdotti dalla macchina di raffreddamento evaporativo., Bisogna anche essere consapevoli della direzione del vento esterno, poiché, ad esempio, un forte vento caldo da sud rallenterà o limiterà l’aria esausta da una finestra esposta a sud. È sempre meglio avere le finestre sottovento aperte, mentre le finestre di bolina sono chiuse.