Verdunstungskühler

Die meisten Designs nutzen die Tatsache, dass Wasser eine der höchsten bekannten Enthalpie der Verdampfung (latente Verdampfungswärme) Werte einer gemeinsamen Substanz hat. Aus diesem Grund verwenden Verdampfungskühler nur einen Bruchteil der Energie von Dampfkompressions-oder Absorptionsklimaanlagen. Leider kann der einstufige (direkte) Kühler, außer in sehr trockenen Klimazonen, die relative Luftfeuchtigkeit (RH) auf ein Niveau erhöhen, das die Insassen unangenehm macht., Indirekte und zweistufige Verdampfungskühler halten den RH niedriger.

Direkte Verdunstungskühlungedit

Direkte Verdunstungskühlung (offener Kreislauf) wird verwendet, um die Temperatur zu senken und die Luftfeuchtigkeit zu erhöhen, indem latente Verdampfungswärme verwendet wird, wobei flüssiges Wasser in Wasserdampf umgewandelt wird. In diesem Prozess ändert sich die Energie in der Luft nicht. Warme trockene Luft wird in kühle feuchte Luft umgewandelt. Die Wärme der Außenluft wird verwendet, um Wasser zu verdampfen., Der RH erhöht sich auf 70 bis 90% , was die kühlende Wirkung von menschlichem Schweiß reduziert. Die feuchte Luft muss ständig nach außen abgegeben werden, sonst wird die Luft gesättigt und die Verdunstung stoppt.

Eine mechanische Direktverdampfungskühlereinheit verwendet einen Ventilator, um Luft durch eine benetzte Membran oder ein Pad zu ziehen, das eine große Oberfläche für die Verdampfung von Wasser in die Luft bereitstellt. Wasser wird oben auf das Pad gesprüht, damit es in die Membran tropfen und die Membran ständig gesättigt halten kann., Überschüssiges Wasser, das vom Boden der Membran tropft, wird in einer Pfanne gesammelt und nach oben zirkuliert. Einstufige Direktverdampfungskühler sind typischerweise klein, da sie nur aus Membran, Wasserpumpe und Zentrifugalventilator bestehen. Der Mineralgehalt der kommunalen Wasserversorgung führt zu Ablagerungen auf der Membran, die über die Lebensdauer der Membran zu Verstopfungen führen. Abhängig von diesem Mineralgehalt und der Verdampfungsrate ist eine regelmäßige Reinigung und Wartung erforderlich, um eine optimale Leistung zu gewährleisten., Im Allgemeinen muss die Zuluft aus dem einstufigen Verdampfungskühler aufgrund der hohen Feuchtigkeit der Zuluft direkt erschöpft werden (Durchfluss). Es wurden einige Designlösungen entwickelt, um die Energie in der Luft zu nutzen, z. B. die Abluft durch zwei doppelt verglaste Fenster zu leiten und so die durch die Verglasung absorbierte Sonnenenergie zu reduzieren. Im Vergleich zur Energie, die benötigt wird, um die äquivalente Kühllast mit einem Kompressor zu erreichen, verbrauchen einstufige Verdampfungskühler weniger Energie.,

Passive direkte Verdunstungskühlung kann überall dort stattfinden, wo das verdunstungsgekühlte Wasser einen Raum ohne die Hilfe eines Ventilators kühlen kann. Dies kann durch die Verwendung von Springbrunnen oder architektonischeren Konstruktionen wie dem Verdampfungskühlturm erreicht werden, der auch als „passiver Kühlturm“bezeichnet wird. Das Design des passiven Kühlturms lässt Außenluft durch die Oberseite eines Turms strömen, der innerhalb oder neben dem Gebäude errichtet wird. Die Außenluft kommt entweder durch eine benetzte Membran oder einen Mister mit Wasser innerhalb des Turms in Kontakt., Wenn Wasser in der Außenluft verdunstet, wird die Luft kühler und weniger lebhaft und erzeugt eine Abwärtsströmung im Turm. Am Boden des Turms lässt ein Auslass die kühlere Luft in den Innenraum. Ähnlich wie mechanische Verdampfungskühler können Türme eine attraktive Lösung für heißes und trockenes Klima sein, da sie nur eine Wasserpumpe benötigen, um Wasser an die Spitze des Turms zu bringen.Die Energieeinsparung durch die Verwendung einer passiven direkten Verdampfungskühlung hängt von der Klima-und Wärmelastung ab., Für aride Klimazonen mit einer großen Nasskolbendepression können Kühltürme während der sommerlichen Konstruktionsbedingungen genügend Kühlung bieten, um netto Null zu sein. Zum Beispiel kann ein 371 m2 großes Einzelhandelsgeschäft in Tucson, Arizona, mit einem sinnvollen Wärmegewinn von 29,3 kJ/h (100.000 Btu/h) vollständig durch zwei passive Kühltürme mit jeweils 11890 m3/h (7.000 cfm) gekühlt werden.

Für das Besucherzentrum des Zion National Park, das zwei passive Kühltürme verwendet, betrug die Kühlenergieintensität 14,5 MJ/m2 (1,28 kBTU/ft;), was 77% weniger war als ein typisches Gebäude im Westen der Vereinigten Staaten, das 62 verwendet.,5 MJ/m2 (5.5 kBtu/ft2). Eine Studie über die Ergebnisse der Feldleistung in Kuwait ergab, dass der Strombedarf für einen Verdampfungskühler ungefähr 75% unter dem Strombedarf für eine herkömmliche Klimaanlage mit verpacktem Gerät liegt.

Indirekte Verdunstungskühlung

Indirekte Verdunstungskühlung (closed circuit) ist ein Kühlprozess, der neben einigen Wärmetauschern direkte Verdunstungskühlung verwendet, um die kühle Energie an die Zuluft zu übertragen., Die gekühlte feuchte Luft aus dem direkten Verdunstungskühlprozess kommt nie in direkten Kontakt mit der konditionierten Zuluft. Der feuchte Luftstrom wird nach außen abgegeben oder zur Kühlung anderer externer Geräte wie Solarzellen verwendet, die effizienter sind, wenn sie kühl gehalten werden. Dies geschieht, um überschüssige Feuchtigkeit in geschlossenen Räumen zu vermeiden, die für Wohnanlagen nicht geeignet ist.

Maisotsenko cycleEdit

Ein Hersteller von indirekten Kühlern verwendet den Maisotsenko Cycle (M-Cycle), benannt nach dem Erfinder und Professor Dr., Valeriy Maisotsenko verwendet einen iterativen (mehrstufigen) Wärmetauscher aus einer dünnen recycelbaren Membran, der die Temperatur der Produktluft unter die Feuchtkugeltemperatur senken und sich dem Taupunkt nähern kann.

Das System hat einen sehr hohen Wirkungsgrad, ist aber wie andere Verdunstungskühlsysteme durch die Luftfeuchtigkeit eingeschränkt, was seine Verwendung für den Wohngebrauch eingeschränkt hat. Es kann als zusätzliche Kühlung in Zeiten extremer Hitze verwendet werden, ohne die elektrische Infrastruktur erheblich zu belasten., Wenn ein Standort über eine übermäßige Wasserversorgung oder eine übermäßige Entsalzungskapazität verfügt, kann er zur Reduzierung des übermäßigen elektrischen Bedarfs verwendet werden, indem Wasser in erschwinglichen M-Cycle-Einheiten verwendet wird. Aufgrund der hohen Kosten herkömmlicher Klimaanlagen und der extremen Einschränkungen vieler elektrischer Versorgungssysteme sind M-Cycle-Einheiten möglicherweise die einzigen geeigneten Kühlsysteme, die für verarmte Gebiete in Zeiten extrem hoher Temperaturen und hohen elektrischen Bedarfs geeignet sind., In entwickelten Gebieten können sie bei elektrischer Überlastung als ergänzende Sicherungssysteme dienen und zur Effizienzsteigerung bestehender konventioneller Systeme verwendet werden.

Der M-Zyklus ist nicht auf Kühlsysteme beschränkt und kann auf verschiedene Technologien von Stirlingmotoren bis hin zu atmosphärischen Wassergeneratoren angewendet werden. Für Kühlanwendungen kann es sowohl in Kreuzstrom-als auch in Gegenstromkonfigurationen verwendet werden., Counterflow wurde gefunden, um niedrigere Temperaturen zu erhalten, die besser für die Heimkühlung geeignet sind, aber Cross Flow wurde gefunden, um einen höheren Koeffizienten der Leistung (COP) zu haben, und ist daher besser für große industrielle Installationen.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kältetechniken bleibt der COP kleiner Systeme hoch, da keine Hubpumpen oder andere für Kühltürme erforderliche Ausrüstung erforderlich sind. Ein 1,5 Tonnen / 4,4 kW Kühlsystem benötigt nur 200 Watt für den Betrieb des Lüfters, was eine COP von 26,4 und eine EER-Bewertung von 90 ergibt., Dies berücksichtigt nicht die Energie, die benötigt wird, um das Wasser zu reinigen oder zu liefern, und ist streng die Energie, die benötigt wird, um das Gerät zu betreiben, sobald Wasser zugeführt wird. Obwohl die Entsalzung von Wasser auch Kosten verursacht, ist die latente Verdampfungswärme von Wasser fast 100-mal höher als die Energie, die zur Reinigung des Wassers selbst benötigt wird. Darüber hinaus hat das Gerät einen maximalen Wirkungsgrad von 55%, so dass sein tatsächlicher COP viel niedriger ist als dieser berechnete Wert., Unabhängig von diesen Verlusten ist der effektive COP jedoch immer noch deutlich höher als bei einem herkömmlichen Kühlsystem, auch wenn Wasser zuerst durch Entsalzung gereinigt werden muss. In Gebieten, in denen Wasser in keiner Form verfügbar ist, kann es mit einem Trockenmittel zur Rückgewinnung von Wasser aus verfügbaren Wärmequellen wie Solarthermie verwendet werden.

Theoretisches Designedit

Im neueren, aber noch zu kommerzialisierenden „Cold-SNAP“ – Design des Harvard Wyss Institute leitet eine 3D-gedruckte Keramik Wärme, ist jedoch halb mit einem hydrophoben Material beschichtet, das als Feuchtigkeitsbarriere dient., Während der einströmenden Luft keine Feuchtigkeit zugesetzt wird, steigt die relative Luftfeuchtigkeit (RH) entsprechend der Temperatur-RH-Formel ein wenig an. Dennoch lässt die relativ trockene Luft, die durch indirekte Verdunstungskühlung entsteht, den Schweiß der Bewohner leichter verdampfen, was die relative Wirksamkeit dieser Technik erhöht. Indirekte Kühlung ist eine effektive Strategie für heiß-feuchte Klimazonen, die es sich aufgrund der Raumluftqualität und des menschlichen thermischen Komforts nicht leisten können, den Feuchtigkeitsgehalt der Zuluft zu erhöhen.,

Passive indirekte Verdunstungskühlungsstrategien sind selten, da bei dieser Strategie ein architektonisches Element als Wärmetauscher (z. B. ein Dach) fungiert. Dieses Element kann mit Wasser besprüht und durch Verdampfen des Wassers auf dieses Element gekühlt werden. Diese Strategien sind aufgrund des hohen Wasserverbrauchs selten, was auch das Risiko eines Eindringens von Wasser und einer Beeinträchtigung der Gebäudestruktur mit sich bringt.,

Hybriddesignsedit

Zweistufige Verdunstungskühlung oder indirekt-direktEdit

In der ersten Stufe eines zweistufigen Kühlers wird warme Luft indirekt ohne Zugabe von Feuchtigkeit vorgekühlt (indem sie in einen Wärmetauscher geleitet wird, der durch Verdunstung von außen gekühlt wird). In der direkten Phase strömt die vorgekühlte Luft durch ein wassergetränktes Pad und nimmt beim Abkühlen Feuchtigkeit auf. Da die Luftzufuhr in der ersten Stufe vorgekühlt wird, wird in der direkten Stufe weniger Feuchtigkeit übertragen, um die gewünschten Kühltemperaturen zu erreichen., Das Ergebnis ist laut Hersteller kühlere Luft mit einem RH zwischen 50-70%, abhängig vom Klima, im Vergleich zu einem traditionellen System, das etwa 70-80% relative Luftfeuchtigkeit in der konditionierten Luft erzeugt.

Verdampfungs – + konventionelles backupEdit

In einem anderen Hybriddesign wurde die direkte oder indirekte Kühlung mit einer Dampfkompressions-oder Absorptionsklimaanlage kombiniert, um den Gesamteffizienz zu erhöhen und / oder die Temperatur unter die Feuchtkolbengrenze zu senken.,

Materialedit

Traditionell bestehen Verdampfungskühlerpolster aus Excelsior (Espenholzfaser) in einem Containmentnetz, aber modernere Materialien, wie einige Kunststoffe und Melaminpapier, werden als Cooler-Pad-Medien verwendet. Moderne starre Medien, üblicherweise 8″ oder 12 “ dick, fügt mehr Feuchtigkeit, und kühlt somit Luft mehr als typischerweise viel dünner Aspen Medien. Ein anderes Material, das manchmal verwendet wird, ist Wellpappe.,

Design considerationsEdit

Wasser useEdit

In trockenen und semi-ariden klimazonen, die knappheit von wasser macht wasser verbrauch ein anliegen in kühlsystem design. Von den installierten Wasserzählern wurden 2002 420938 L (111.200 gal) Wasser für die beiden passiven Kühltürme im Besucherzentrum des Zion-Nationalparks verbraucht., Solche Bedenken werden jedoch von Experten angegangen, die feststellen, dass die Stromerzeugung normalerweise eine große Menge Wasser erfordert und Verdunstungskühler im Vergleich zu Kühlern weit weniger Strom und damit vergleichbares Wasser insgesamt verbrauchen und insgesamt weniger kosten.

ShadingEdit

Ermöglicht direkte Sonneneinstrahlung auf die Medien und erhöht die Verdampfungsrate. Sonnenlicht kann jedoch einige Medien zersetzen, zusätzlich zum Aufheizen anderer Elemente der Verdampfungskühlung. Daher ist eine Schattierung in den meisten Anwendungen ratsam.,

Mechanische Systemedit

Abgesehen von Ventilatoren, die in der mechanischen Verdunstungskühlung verwendet werden, sind Pumpen die einzige andere mechanische Ausrüstung, die für den Verdunstungskühlungsprozess sowohl in mechanischen als auch in passiven Anwendungen erforderlich ist. Pumpen können verwendet werden, um entweder das Wasser zum nassen Medienkissen umzuleiten oder einem Mister-System für einen passiven Kühlturm Wasser mit sehr hohem Druck zuzuführen. Die Pumpenspezifikationen variieren je nach Verdampfungsrate und Medienkissenbereich. Das Besucherzentrum des Zion-Nationalparks verwendet eine 250-W-Pumpe (1/3 PS).,

Auspuffkanäle

Abluftkanäle und / oder offene Fenster müssen jederzeit verwendet werden, damit die Luft kontinuierlich aus dem klimatisierten Bereich entweichen kann. Andernfalls entsteht Druck und der Ventilator oder das Gebläse im System kann nicht viel Luft durch die Medien und in den klimatisierten Bereich drücken. Das Verdunstungssystem kann nicht funktionieren, ohne die kontinuierliche Zufuhr von Luft aus dem klimatisierten Bereich nach außen zu erschöpfen., Durch die Optimierung der Platzierung des Kühllufteinlasses sowie der Anordnung der Hausdurchgänge, der zugehörigen Türen und Raumfenster kann das System am effektivsten verwendet werden, um die gekühlte Luft auf die erforderlichen Bereiche zu leiten. Ein gut durchdachtes Layout kann die heiße Luft effektiv aus den gewünschten Bereichen abfangen und ausstoßen, ohne dass ein Oberdeckenluftentlüftungssystem erforderlich ist. Ein kontinuierlicher Luftstrom ist unerlässlich, daher dürfen die Abluftfenster oder Entlüftungsöffnungen das Volumen und den Durchgang der Luft, die von der Verdampfungskühlmaschine eingeführt wird, nicht einschränken., Man muss auch auf die äußere Windrichtung achten, da beispielsweise ein starker heißer Südwind die erschöpfte Luft aus einem nach Süden gerichteten Fenster verlangsamt oder einschränkt. Es ist immer am besten, die Fenster im Gegenwind zu öffnen, während die Fenster im Gegenwind geschlossen sind.