Odpařovací chladič - Evaporative cooler

Odpařovací chladič (také odpařovací klimatizační zařízení , bažiny chladiče , bažiny box , pouštní chladič a chladič vzduchu za mokra ) je zařízení, které ochlazuje vzduch prostřednictvím odpařování vody. Odpařovací chlazení se liší od jiných klimatizačních systémů, které používají cykly komprese páry nebo absorpční chladicí cykly. Odpařovací chlazení využívá skutečnosti, že voda absorbuje relativně velké množství tepla, aby se odpařila (to znamená, že má velkou entalpii odpařování ). Teplotu suchého vzduchu lze výrazně snížit fázovým přechodem kapalné vody na vodní páru (odpařování). To může ochlazovat vzduch s použitím mnohem méně energie než chlazení. V extrémně suchém podnebí má odpařovací chlazení vzduchu další výhodu v úpravě vzduchu větší vlhkostí pro pohodlí obyvatel budovy.

Potenciál chlazení pro odpařovací chlazení závisí na poklesu vlhkého teploměru, rozdílu mezi teplotou suchého teploměru a teplotou mokrého teploměru (viz relativní vlhkost ). Ve vyprahlém podnebí může odpařovací chlazení snížit spotřebu energie a celkové vybavení pro úpravu jako alternativu k chlazení na bázi kompresoru. V podnebí, které není považováno za suché, může nepřímé odpařovací chlazení stále využívat výhod procesu odpařovacího chlazení bez zvýšení vlhkosti. Strategie pasivního odpařovacího chlazení mohou nabídnout stejné výhody jako mechanické odpařovací systémy bez složitosti zařízení a potrubí.

Dějiny

Dřívější forma odpařovacího chlazení, lapač větru , byl poprvé použit ve starověkém Egyptě a Persii před tisíci lety ve formě větrných šachet na střeše. Zachytili vítr, v kanátu jej předali podzemní vodě a vypustili ochlazený vzduch do budovy. Moderní Íránci široce přijali poháněné odpařovací chladiče ( coolere âbi ).

Odpařovací chladič byl předmětem mnoha amerických patentů ve 20. století; mnoho z nich, počínaje rokem 1906, navrhovalo nebo předpokládalo použití podložek excelsior (dřevitá vlna) jako prvků pro přivádění velkého objemu vody do kontaktu s pohybujícím se vzduchem, aby došlo k odpařování. Typický design, jak je ukázáno v patentu z roku 1945, zahrnuje vodní nádrž (obvykle s hladinou řízenou plovákovým ventilem ), čerpadlo pro cirkulaci vody přes podložky excelsior a odstředivý ventilátor pro čerpání vzduchu skrz podložky a do domu. Tento design a tento materiál zůstávají dominantní v odpařovacích chladičích na americkém jihozápadě , kde se také používají ke zvýšení vlhkosti. Ve Spojených státech může být použití termínu chladič bažin způsobeno zápachem řas produkovaných ranými jednotkami.

Externě montovaná odpařovací chladicí zařízení ( chladiče automobilů ) byla v některých automobilech používána k ochlazování vzduchu v interiéru-často jako příslušenství na trhu s náhradními díly-až do doby, než se stala široce dostupná moderní klimatizace s kompresí páry.

Techniky pasivního odpařovacího chlazení v budovách jsou znakem pouštní architektury po celá staletí, ale západní přijetí, studie, inovace a komerční aplikace jsou relativně nedávné. V roce 1974 si William H. Goettl všiml, jak technologie odpařovacího chlazení funguje ve vyprahlém podnebí, spekuloval, že by kombinační jednotka mohla být účinnější, a vynalezl „High Efficiency Astro Air Piggyback System“, což je kombinace chladicí a odpařovací chladicí klimatizace. V roce 1986 vědci z University of Arizona W. Cunningham a T. Thompson postavili pasivní odpařovací chladicí věž a údaje o výkonu z tohoto experimentálního zařízení v Tucsonu v Arizoně se staly základem pokynů pro návrh odpařovací chladicí věže vyvinutých Baruchem Givonim.

Fyzikální principy

Odpařovací chladiče snižují teplotu vzduchu na principu odpařovacího chlazení, na rozdíl od typických klimatizačních systémů, které používají parní kompresní nebo absorpční chlazení . Odpařovací chlazení je přeměna kapalné vody na páru pomocí tepelné energie ve vzduchu, což má za následek nižší teplotu vzduchu. Energie potřebná k odpaření vody je odebírána ze vzduchu ve formě citelného tepla , které ovlivňuje teplotu vzduchu, a přeměňuje se na latentní teplo , energii přítomnou ve vzduchové složce vodní páry, zatímco vzduch zůstává na konstantní hodnota entalpie . Tato přeměna citelného tepla na latentní teplo je známá jako isenthalpický proces, protože probíhá při konstantní hodnotě entalpie. Odpařovací chlazení proto způsobuje pokles teploty vzduchu úměrný poklesu citelného tepla a zvýšení vlhkosti úměrně zisku latentního tepla. Odpařovací chlazení lze zobrazit pomocí psychrometrického diagramu tak, že zjistíte počáteční stav vzduchu a pohybujete se po linii konstantní entalpie směrem ke stavu vyšší vlhkosti.

Jednoduchým příkladem přirozeného odpařovacího chlazení je pot , neboli pot, vylučovaný tělem, jehož odpařováním se tělo ochlazuje. Množství přenosu tepla závisí na rychlosti odpařování, na každý kilogram odpařené vody se však přenese 2 257 kJ energie (asi 890 BTU na libru čisté vody při 35 ° C). Rychlost odpařování závisí na teplotě a vlhkosti vzduchu, proto se pot ve vlhkých dnech více hromadí, protože se neodpařuje dostatečně rychle.

Pára -kompresní chlazení využívá odpařovací chlazení, ale odpařená pára je v uzavřeném systému a poté je stlačena připravena k opětovnému odpaření za použití energie. Voda z jednoduchého odpařovacího chladiče se odpařuje do životního prostředí a není zpětně získávána. V chladicí jednotce vnitřního prostoru je odpařená voda zavedena do prostoru spolu s nyní ochlazeným vzduchem; v odpařovací věži je odpařená voda odvedena ve výfuku proudu vzduchu.

Jiné typy chlazení s fázovou změnou

Úzce související proces, sublimační chlazení , se liší od odpařovacího chlazení tím, že dochází k fázovému přechodu z pevné látky na páru , nikoli z kapaliny na páru.

Bylo pozorováno, že sublimační chlazení funguje v planetárním měřítku na planetoidním Plutu , kde se mu říká anti-skleníkový efekt .

Další aplikací fázové změny na chlazení je „samo-chladicí“ nápojová plechovka. Oddělená přihrádka uvnitř plechovky obsahuje vysoušedlo a kapalinu. Těsně před vypitím se zatáhne poutko, aby vysoušedlo přišlo do styku s kapalinou a rozpustilo se. Přitom absorbuje množství tepelné energie nazývané latentní teplo fúze . Odpařovací chlazení pracuje s fázovou změnou kapaliny na páru a latentním výparným teplem , ale samochlazení může k dosažení stejného výsledku použít změnu z pevné látky na kapalinu a latentní teplo tání.

Aplikace

Před příchodem moderní chlazení, chlazení odpařováním byl použit pro tisíciletí, například v kanátů , windcatchers a mashrabiyas . Porézní hliněná nádoba by ochlazovala vodu odpařováním skrz její stěny; fresky z doby kolem roku 2500 př. n. l. ukazují otroky, kteří si dávají sklenice vody do chladných místností. Alternativně lze misku naplněnou mlékem nebo máslem umístit do jiné misky naplněné vodou, vše zakryté mokrým hadříkem odpočívajícím ve vodě, aby bylo mléko nebo máslo co nejčerstvější (viz zeer , botijo a Coolgardie v bezpečí ) .

Odpařovací chlazení je běžnou formou chlazení budov z hlediska tepelné pohody, protože je relativně levné a vyžaduje méně energie než jiné formy chlazení.

Obrázek ukazující údaje o počasí v Salt Lake City představuje typické letní klima (červen až září). Barevné čáry ilustrují potenciál strategií přímého a nepřímého odpařovacího chlazení k rozšíření rozsahu pohodlí v letním období. Vysvětluje se to hlavně kombinací vyšší rychlosti vzduchu na jedné straně a zvýšené vnitřní vlhkosti, když region na druhé straně umožňuje strategii přímého odpařovacího chlazení. Strategie chlazení odpařováním, které zahrnují zvlhčování vzduchu, by měly být implementovány v suchém stavu, kde zvýšení obsahu vlhkosti zůstává pod doporučením pro pohodlí cestujících a kvalitu vzduchu v interiéru. Pasivní chladicí věže postrádají ovládání, které tradiční systémy HVAC nabízejí cestujícím. Dodatečný pohyb vzduchu poskytovaný do prostoru však může zlepšit pohodlí cestujících.

Odpařovací chlazení je nejúčinnější, když je relativní vlhkost na nízké straně, což omezuje jeho popularitu na suché podnebí. Odpařovací chlazení výrazně zvyšuje úroveň vnitřní vlhkosti, což obyvatelé pouště ocení, protože vlhký vzduch hydratuje suchou pokožku a dutiny. Proto je hodnocení typických klimatických údajů zásadním postupem pro stanovení potenciálu strategií chlazení odpařováním pro budovu. Tři nejdůležitější klimatické úvahy jsou teploty suchého teploměru , teplota vlhkého teploměru , a vlhkého teploměru deprese během typického letního dne. Je důležité určit, zda deprese vlhkých žárovek může zajistit dostatečné ochlazení během letního dne. Odečtením deprese vlhkého teploměru od venkovní teploty suchého teploměru lze odhadnout přibližnou teplotu vzduchu opouštějícího odpařovací chladič. Je důležité vzít v úvahu, že schopnost venkovní teploty suchého teploměru dosáhnout teploty mokrého teploměru závisí na účinnosti nasycení. Obecným doporučením pro použití přímého odpařovacího chlazení je jeho implementace v místech, kde teplota vlhkého teploměru venkovního vzduchu nepřesahuje 22 ° C (72 ° F). V příkladu Salt Lake City je však horní hranice přímého odpařovacího chlazení na psychrometrickém grafu 20 ° C (68 ° F). I přes nižší teplotu je odpařovací chlazení vhodné pro podobná podnebí jako Salt Lake City.

Odpařovací chlazení je zvláště vhodné pro klima, kde je horký vzduch a nízká vlhkost . Ve Spojených státech jsou západní a horské státy dobrou lokalitou, přičemž odpařovací chladiče převládají ve městech jako Albuquerque , Denver , El Paso , Fresno , Salt Lake City a Tucson . Odpařovací klimatizace je také populární a hodí se do jižní (mírné) části Austrálie . V suchém a suchém podnebí mohou být instalační a provozní náklady odpařovacího chladiče mnohem nižší než u chladicí klimatizace, často o 80%. K dosažení optimálních výsledků chlazení se však někdy používá kombinace odpařovacího chlazení a klimatizace s kompresí páry. Některé odpařovací chladiče mohou v topné sezóně také sloužit jako zvlhčovače . V oblastech, které jsou většinou suché, mohou krátké období vysoké vlhkosti zabránit tomu, aby odpařovací chlazení bylo efektivní strategií chlazení. Příkladem této události je monzunová sezóna v Novém Mexiku a střední a jižní Arizoně v červenci a srpnu.

V místech se střední vlhkostí existuje mnoho cenově výhodných použití pro odpařovací chlazení, kromě jejich širokého použití v suchém podnebí. Například průmyslové závody, komerční kuchyně, prádelny , čistírny , skleníky , bodové chlazení (nakládací doky, sklady, továrny, staveniště, atletické závody, dílny, garáže a chovatelské stanice) a chovné hospodářství (drůbeží farmy, vepř a mlékárna) ) často používají odpařovací chlazení. Ve vysoce vlhkém podnebí může mít odpařovací chlazení jen malý přínos pro tepelný komfort nad rámec zvýšené ventilace a pohybu vzduchu, které poskytuje.

Další příklady

Stromy transpirují velké množství vody přes póry v jejich listech nazývaných průduchy a díky tomuto procesu odpařovacího ochlazování lesy interagují s klimatem v lokálním i globálním měřítku. Jednoduchá odpařovací chladicí zařízení, jako jsou odpařovací chladicí komory (ECC) a hliněné hrnce nebo lednice v hrnci , jsou jednoduché a levné způsoby, jak uchovat zeleninu čerstvou bez použití elektřiny. Několik horkých a suchých oblastí po celém světě by potenciálně mohlo těžit z odpařovacího chlazení, včetně severní Afriky, oblasti Sahelu v Africe, Afrického rohu, jižní Afriky, Blízkého východu, suchých oblastí jižní Asie a Austrálie. Mezi výhody odpařovacích chladicích komor pro mnoho venkovských komunit v těchto regionech patří menší ztráty po sklizni, méně času stráveného cestováním na trh, peněžní úspory a zvýšená dostupnost zeleniny ke spotřebě.

V kryogenních aplikacích se běžně používá odpařovací chlazení . Pára nad zásobníkem kryogenní kapaliny je odčerpávána a kapalina se nepřetržitě odpařuje, dokud je tlak par kapaliny významný. Odpařovací chlazení běžného hélia tvoří 1-K hrnec , který se může ochladit alespoň na 1,2 K. Odpařovací chlazení helia-3 může zajistit teploty pod 300 mK. Tyto techniky lze použít k výrobě kryocoolerů nebo jako součásti kryostatů s nižší teplotou, jako jsou ředicí chladničky . Jak teplota klesá, klesá také tlak par kapaliny a chlazení se stává méně účinným. Tím se stanoví dolní mez teploty dosažitelné s danou kapalinou.

Odpařovací chlazení je také posledním chladicím krokem k dosažení extrémně nízkých teplot potřebných pro Bose – Einsteinovu kondenzaci (BEC). Zde se k selektivnímu odstraňování vysokoenergetických („horkých“) atomů z atomového oblaku používá takzvané nucené odpařovací chlazení, dokud se zbývající oblak neochladí pod teplotu přechodu BEC. Pro oblak 1 milionu atomů alkálií je tato teplota asi 1 μK.

Ačkoli robotické kosmické lodě používají tepelné záření téměř výhradně, mnoho kosmických lodí s lidskou posádkou má krátké mise, které umožňují odpařovací chlazení s otevřeným cyklem. Mezi příklady patří Space Shuttle , velitelský a servisní modul Apollo (CSM), lunární modul a přenosný systém podpory života . Apollo CSM a Space Shuttle měly také radiátory a Shuttle mohl odpařovat čpavek i vodu. Kosmická loď Apollo používala sublimátory , kompaktní a z velké části pasivní zařízení, která skládají odpadní teplo do vodní páry (páry), která je odvětrávána do vesmíru. Když je kapalná voda vystavena vakuu, prudce se vaří a odnáší dostatek tepla, aby zbytek zmrazil na led, který pokrývá sublimátor a automaticky reguluje průtok napájecí vody v závislosti na tepelné zátěži. Vyčerpaná voda je často k dispozici v přebytku z palivových článků používaných mnoha kosmickými loděmi s lidskou posádkou k výrobě elektřiny.

Návrhy

Většina návrhů využívá skutečnosti, že voda má jednu z nejvyšších známých hodnot entalpie odpařování (latentní výparné teplo) ze všech běžných látek. Z tohoto důvodu odpařovací chladiče využívají pouze zlomek energie parních kompresních nebo absorpčních klimatizačních systémů. Bohužel, s výjimkou velmi suchého podnebí, jednostupňový (přímý) chladič může zvýšit relativní vlhkost (RH) na úroveň, která obyvatelům způsobí nepohodlí. Nepřímé a dvoustupňové odpařovací chladiče udržují RH nižší.

Přímé odpařovací chlazení

Přímé odpařovací chlazení (otevřený okruh) se používá ke snížení teploty a zvýšení vlhkosti vzduchu pomocí latentního výparného tepla, měnícího kapalnou vodu na vodní páru. V tomto procesu se energie ve vzduchu nemění. Teplý suchý vzduch se změní na chladný vlhký vzduch. Teplo venkovního vzduchu se využívá k odpařování vody. RH se zvyšuje na 70 až 90%, což snižuje chladicí účinek lidského potu. Vlhký vzduch musí být neustále vypouštěn ven, jinak se vzduch nasytí a odpařování se zastaví.

Mechanické přímý jednotka chladič odpařovací používá ventilátor pro vtahování vzduchu přes vlhkém membrány, nebo obložení, který poskytuje velkou povrchovou plochu pro odpařování vody do vzduchu. Voda je stříkána na horní část podložky, aby mohla kapat dolů do membrány a neustále udržovat membránu nasycenou. Veškerá přebytečná voda, která odkapává ze spodní části membrány, se shromažďuje v pánvi a recirkuluje nahoru. Jednostupňové přímé odpařovací chladiče jsou obvykle malé velikosti, protože se skládají pouze z membrány, vodního čerpadla a odstředivého ventilátoru. Obsah minerálních látek v obecním vodovodu způsobí tvorbu usazenin na membráně, což povede k ucpání po celou dobu životnosti membrány. V závislosti na tomto obsahu minerálů a rychlosti odpařování je k zajištění optimálního výkonu nutné pravidelné čištění a údržba. Z důvodu vysoké vlhkosti přiváděného vzduchu bude obecně nutné přiváděný vzduch z jednostupňového odpařovacího chladiče odvádět přímo (průtokový průtok). Bylo navrženo několik designových řešení pro využití energie ve vzduchu, jako je směrování odpadního vzduchu dvěma vrstvami oken s dvojitým zasklením, čímž se sníží sluneční energie absorbovaná zasklením. Ve srovnání s energií potřebnou k dosažení ekvivalentního chladicího výkonu s kompresorem jednostupňové odpařovací chladiče spotřebovávají méně energie.

Pasivní přímé odpařovací chlazení může nastat kdekoli, kde odpařováním chlazená voda může ochlazovat prostor bez pomoci ventilátoru. Toho lze dosáhnout použitím fontán nebo více architektonických návrhů, jako je odpařovací chladicí věž, nazývaná také „pasivní chladicí věž“. Konstrukce pasivní chladicí věže umožňuje vnějšímu vzduchu proudit skrz vrchol věže, která je postavena uvnitř nebo vedle budovy. Vnější vzduch přichází do styku s vodou uvnitř věže buď navlhčenou membránou nebo misterem. Jak se voda ve venkovním vzduchu odpařuje, vzduch se stává chladnějším a méně vznášedelným a vytváří ve věži proudění směrem dolů. Ve spodní části věže je výstup, který umožňuje chladnější vzduch do interiéru. Podobně jako u mechanických odpařovacích chladičů mohou být věže atraktivním nízkoenergetickým řešením pro horké a suché klima, protože k čerpání vody na vrchol věže vyžadují pouze vodní čerpadlo. Úspora energie při použití strategie pasivního přímého odpařovacího chlazení závisí na klimatickém a tepelném zatížení. V suchých klimatických podmínkách s velkou depresí vlhkých žárovek mohou chladicí věže zajistit dostatečné chlazení v letních podmínkách, aby byly nulové. Například maloobchodní prodejnu 371 m ² (4 000 ft ² ) v Tucsonu v Arizoně s citelným tepelným ziskem 29,3 kJ/h (100 000 Btu/h) lze zcela ochladit dvěma pasivními chladicími věžemi poskytujícími 11890 m ³ /h ( 7 000 cfm) každý.

Pro návštěvnické centrum národního parku Zion, které využívá dvě pasivní chladicí věže, byla intenzita chladicí energie 14,5 MJ/m ² (1,28 kBtu/ft;), což bylo o 77% méně než typická budova na západě USA, která využívá 62,5 MJ/m ² (5,5 kBtu/ft ² ). Studie výsledků výkonu v terénu v Kuvajtu odhalila, že energetické požadavky na odpařovací chladič jsou přibližně o 75% nižší než energetické požadavky na konvenční balenou klimatizační jednotku.

Nepřímé odpařovací chlazení

Nepřímé odpařovací chlazení (uzavřený okruh) je chladicí proces, který k přenosu chladné energie do přiváděného vzduchu využívá kromě nějakého výměníku tepla také přímé odpařovací chlazení . Ochlazený vlhký vzduch z procesu přímého odpařovacího chlazení nikdy nepřijde do přímého kontaktu s upraveným přiváděným vzduchem. Proud vlhkého vzduchu se uvolňuje ven nebo se používá k chlazení jiných externích zařízení, jako jsou solární články, které jsou účinnější, pokud jsou udržovány v chladu. To se provádí, aby se zabránilo nadměrné vlhkosti v uzavřených prostorách, což není vhodné pro obytné systémy.

Maisotsenkův cyklus

Jeden výrobce nepřímých chladičů používá Maisotsenkův cyklus (M-cyklus), pojmenovaný podle vynálezce a profesora Dr. Valeriye Maisotsenka, který využívá iterativní (vícestupňový) výměník tepla vyrobený z tenké recyklovatelné membrány, která může snížit teplotu vzduchu produktu na úroveň nižší než teplota vlhkého teploměru a může se přiblížit k rosnému bodu . Testování amerického ministerstva energetiky zjistilo, že hybridní M-cyklus kombinovaný se standardním kompresním chladicím systémem výrazně zlepšil účinnost o 150-400%, ale byl toho schopen pouze v suché západní polovině USA, a nedoporučil používá se v mnohem vlhčí východní polovině USA. Hodnocení zjistilo, že spotřeba vody v systému 2–3 galony na tunu chlazení (12 000 BTU) byla svou účinností zhruba stejná jako spotřeba vody v nových vysoce účinných elektrárnách. To znamená, že vyšší účinnost může být využita ke snížení zátěže v rozvodné síti, aniž by byla zapotřebí další voda, a ve skutečnosti může snížit spotřebu vody, pokud zdroj energie nemá vysoce účinný chladicí systém.

Na chlazení datového centra v Národním datovém centru NASA o sněhu a ledu (NSIDC) se v současné době používá systém založený na M-Cycle, vytvořený společností Coolerado. Zařízení je chlazeno vzduchem pod 70 stupňů Fahrenheita a nad touto teplotou používá systém Coolerado. To je možné, protože vzduchový manipulátor pro systém používá čerstvý venkovní vzduch, což mu umožňuje automaticky používat chladný vnější okolní vzduch, pokud to podmínky dovolují. Tím se zabrání spuštění chladicího systému, když to není nutné. Je napájen soustavou solárních panelů, která slouží také jako sekundární energie v případě ztráty hlavního napájení.

Systém má velmi vysokou účinnost, ale stejně jako ostatní odpařovací chladicí systémy je omezen úrovní okolní vlhkosti, což omezilo jeho přijetí pro domácí použití. Může být použit jako doplňkové chlazení v době extrémních veder, aniž by významně zatěžoval elektrickou infrastrukturu. Pokud má místo přebytečné zásoby vody nebo přebytečnou kapacitu odsolování, lze jej použít ke snížení nadměrné spotřeby elektrické energie využitím vody v cenově dostupných jednotkách M-Cycle. Vzhledem k vysokým nákladům na konvenční klimatizační jednotky a extrémním omezením mnoha elektrických rozvodných systémů mohou být jednotky M-Cycle jediným vhodným chladicím systémem vhodným pro zbídačené oblasti v době extrémně vysokých teplot a vysoké spotřeby elektrické energie. V rozvinutých oblastech mohou sloužit jako doplňkové záložní systémy v případě elektrického přetížení a mohou být použity ke zvýšení účinnosti stávajících konvenčních systémů.

Cyklus M není omezen na chladicí systémy a lze jej použít na různé technologie od Stirlingových motorů po atmosférické vodní generátory . Pro chladicí aplikace může být použit v konfiguracích s křížovým i protiproudým tokem. Bylo zjištěno, že protiproud zajišťuje nižší teploty vhodnější pro domácí chlazení, ale bylo zjištěno, že příčný tok má vyšší koeficient výkonu (COP), a je proto lepší pro velká průmyslová zařízení.

Na rozdíl od tradičních chladicích technik zůstává COP malých systémů vysoká, protože nevyžadují výtahová čerpadla ani jiné vybavení potřebné pro chladicí věže. 1,5t/4,4kw chladicí systém vyžaduje pro provoz ventilátoru pouhých 200 wattů, což dává COP 26,4 a hodnocení EER 90. To nezohledňuje energii potřebnou k čištění nebo dodávce vody a je striktně energie potřebná k provozu zařízení, jakmile je dodána voda. Ačkoli odsolování vody také představuje náklady, latentní teplo odpařování vody je téměř 100krát vyšší než energie potřebná k čištění samotné vody. Kromě toho má zařízení maximální účinnost 55%, takže jeho skutečná COP je mnohem nižší než tato vypočítaná hodnota. Bez ohledu na tyto ztráty je však efektivní COP stále výrazně vyšší než u konvenčního chladicího systému, i když vodu je třeba nejprve vyčistit odsolováním. V oblastech, kde voda není k dispozici v žádné formě, může být použita s vysoušedlem k rekuperaci vody pomocí dostupných zdrojů tepla, jako je sluneční tepelná energie .

Teoretické návrhy

V novějším, ale dosud komercializovaném designu „cold-SNAP“ z Harvardova institutu Wyss, 3D vytištěná keramika vede teplo, ale je napůl potažena hydrofobním materiálem, který slouží jako bariéra proti vlhkosti. I když se do přiváděného vzduchu nepřidává žádná vlhkost, relativní vlhkost (RH) podle vzorce Teplota-RH trochu stoupá. Relativně suchý vzduch vyplývající z nepřímého odpařovacího chlazení však umožňuje snadnější odpařování potu obyvatel, což zvyšuje relativní účinnost této techniky. Nepřímé chlazení je efektivní strategií pro horké a vlhké podnebí, které si nemohou dovolit zvýšit obsah vlhkosti přiváděného vzduchu kvůli obavám o kvalitu vnitřního vzduchu a o tepelný komfort člověka.

Pasivní strategie nepřímého odpařovacího chlazení jsou vzácné, protože tato strategie zahrnuje architektonický prvek, který funguje jako výměník tepla (například střecha). Tento prvek lze postříkat vodou a ochladit odpařením vody na tomto prvku. Tyto strategie jsou vzácné kvůli vysokému využívání vody, což také přináší riziko vniknutí vody a ohrožení stavební konstrukce.

Hybridní provedení

Dvoustupňové odpařovací chlazení nebo nepřímé přímé

V první fázi dvoustupňového chladiče se teplý vzduch předchlazuje nepřímo bez přidání vlhkosti (průchodem do výměníku tepla, který je ochlazován odpařováním zvenčí). V přímém stádiu předchlazený vzduch prochází podložkou nasáklou vodou a při ochlazení nabírá vlhkost. Protože je přívod vzduchu v prvním stupni předchlazen, v přímém stupni se přenáší menší vlhkost, aby se dosáhlo požadovaných teplot chlazení. Výsledkem je podle výrobců chladnější vzduch s relativní vlhkostí mezi 50–70%, v závislosti na podnebí, ve srovnání s tradičním systémem, který produkuje přibližně 70–80% relativní vlhkosti v upraveném vzduchu.

Odpařovací + konvenční záloha

V jiném hybridním provedení bylo přímé nebo nepřímé chlazení kombinováno s parní kompresí nebo absorpční klimatizací za účelem zvýšení celkové účinnosti a/nebo snížení teploty pod limit vlhkého teploměru.

Materiály

Odpařovací chladicí podložky se tradičně skládají z excelsior ( osika dřevěných vláken ) uvnitř ochranné sítě, ale modernější materiály, jako jsou některé plasty a melaminový papír, se začínají používat jako média chladicích podložek . Moderní tuhá média, obvykle 8 "nebo 12" silná, dodávají více vlhkosti, a tím ochlazují vzduch více než obvykle mnohem tenčí osika. Dalším materiálem, který se někdy používá, je vlnitá lepenka.

Aspekty návrhu

Použití vody

Ve vyprahlém a polosuchém podnebí je nedostatek vody problémem při návrhu chladicí soustavy. Z instalovaných vodoměrů bylo v roce 2002 spotřebováno 420938 l (111 200 gal) vody pro dvě pasivní chladicí věže v návštěvnickém centru národního parku Zion. Takovými obavami se však zabývají odborníci, kteří poznamenávají, že výroba elektřiny obvykle vyžaduje velké množství vody a odpařovací chladiče spotřebovávají mnohem méně elektřiny, a tedy celkově srovnatelnou vodu, a celkově stojí méně ve srovnání s chladiči.

Stínování

Umožnění přímého slunečního záření na podložky médií zvyšuje rychlost odpařování. Sluneční světlo může některá média degradovat, kromě zahřátí dalších prvků konstrukce odpařovacího chlazení. Stínování je proto vhodné ve většině aplikací.

Mechanické systémy

Kromě ventilátorů používaných v mechanickém odpařovacím chlazení jsou čerpadla jediným dalším kusem mechanického vybavení potřebného pro proces odpařovacího chlazení v mechanických i pasivních aplikacích. Čerpadla lze použít buď k recirkulaci vody do vlhké podložky pro média, nebo k poskytování vody o velmi vysokém tlaku do mister systému pro pasivní chladicí věž. Specifikace čerpadla se budou lišit v závislosti na rychlosti odpařování a oblasti podložky médií. Návštěvnické centrum národního parku Zion využívá čerpadlo 250 W (1/3 HP).

Vyčerpat

Vždy musí být použity výfukové kanály a/nebo otevřená okna, aby vzduch mohl neustále unikat z klimatizované oblasti. V opačném případě se vyvíjí tlak a ventilátor nebo dmychadlo v systému není schopno tlačit velké množství vzduchu skrz média a do klimatizované oblasti. Odpařovací systém nemůže fungovat bez vyčerpání nepřetržitého přívodu vzduchu z klimatizované oblasti ven. Optimalizací umístění přívodu ochlazeného vzduchu spolu s uspořádáním průchodů domu, souvisejících dveří a oken místnosti lze systém nejúčinněji použít k nasměrování ochlazeného vzduchu do požadovaných oblastí. Dobře navržené uspořádání může účinně zachytit a vytlačit horký vzduch z požadovaných oblastí, aniž by bylo potřeba nadstropní odvětrávací systém. Nepřetržitý proud vzduchu je nezbytný, takže výfuková okna nebo větrací otvory nesmí omezovat objem a průchod vzduchu přiváděného odpařovacím chladicím zařízením. Je třeba mít na paměti také směr vnějšího větru, protože například silný horký jižní vítr zpomalí nebo omezí vyfukovaný vzduch z okna orientovaného na jih. Vždy je nejlepší mít otevřená okna po větru, zatímco okna proti větru jsou zavřená.

Různé typy instalací

Typické instalace

Rezidenční a průmyslové odpařovací chladiče obvykle používají přímé odpařování a lze je popsat jako uzavřený kovový nebo plastový box s odvětranými stranami. Vzduch je poháněn odstředivým ventilátorem nebo dmychadlem (obvykle poháněným elektromotorem s řemenicemi v terminologii HVAC nebo přímo poháněným axiálním ventilátorem) a k zvlhčení odpařovacích chladicích podložek se používá vodní čerpadlo. Chladicí jednotky mohou být namontovány na střechu (dolů nebo dolů) nebo na vnější stěny nebo okna (boční tah nebo horizontální tok) budov. K ochlazení ventilátor nasává okolní vzduch větracími otvory na bocích jednotky a vlhkými podložkami. Teplo ve vzduchu odpařuje vodu z podložek, které jsou neustále znovu tlumeny, aby pokračovaly v procesu chlazení. Poté je ochlazený a vlhký vzduch přiváděn do budovy větracím otvorem ve střeše nebo stěně.

Protože chladicí vzduch pochází mimo budovu, musí existovat jeden nebo více větracích otvorů, které umožní vzduchu pohybovat se zevnitř ven. Vzduchem by měl systém procházet pouze jednou, jinak se účinek chlazení sníží. To je způsobeno tím, že vzduch dosáhne bodu nasycení . V prostorách obsluhovaných odpařovacími chladiči se často vyskytuje přibližně 15 výměn vzduchu za hodinu (ACH), což je relativně vysoká výměna vzduchu.

Odpařovací (mokré) chladicí věže

Chladicí věže jsou konstrukce pro chlazení vody nebo jiného teplonosného média na teplotu okolního vlhkého teploměru. Mokré chladicí věže fungují na principu odpařovacího chlazení, ale jsou optimalizovány tak, aby chladily spíše vodu než vzduch. Chladicí věže lze často nalézt na velkých budovách nebo v průmyslových areálech. Přenášejí teplo do prostředí například z chladičů, průmyslových procesů nebo z Rankinova energetického cyklu .

Zamlžovací systémy

Zamlžovací systémy fungují tak, že vytlačují vodu přes vysokotlaké čerpadlo a hadičky přes mlhovou trysku z mosazi a nerezové oceli, která má otvor asi 5 mikrometrů , čímž vzniká jemná mlha. Kapičky vody, které vytvářejí mlhu, jsou tak malé, že se okamžitě bleskově odpaří. Bleskové odpařování může během několika sekund snížit teplotu okolního vzduchu až o 20 ° C. Pro zahradní systémy je ideální pro optimální chlazení namontovat mlhovou linku přibližně 2,4 až 3,0 m nad zemí. Misting se používá pro aplikace, jako jsou záhony, domácí zvířata, hospodářská zvířata, chovatelské stanice, kontrola hmyzu, kontrola zápachu, zoologické zahrady, veterinární kliniky, chlazení produktů a skleníky.

Zamlžení fanoušci

Mlžící ventilátor je podobný zvlhčovači . Ventilátor vhání do vzduchu jemnou mlhu vody. Pokud vzduch není příliš vlhký, voda se odpaří a absorbuje teplo ze vzduchu, což umožňuje zamlžovacímu ventilátoru fungovat také jako vzduchový chladič. Mlhový ventilátor lze použít venku, zejména v suchém klimatu. Může být také použit v interiéru.

Malé přenosné orosené ventilátory napájené bateriemi, skládající se z elektrického ventilátoru a ručně ovládaného vodního postřikovacího čerpadla, se prodávají jako novinka. Jejich účinnost při každodenním používání je nejasná.

Výkon

Pochopení výkonu odpařovacího chlazení vyžaduje porozumění psychrometrii . Výkon chlazení odpařováním je proměnlivý v důsledku změn vnější teploty a vlhkosti. Bytový chladič by měl být schopen snížit teplotu vzduchu na 3 až 4 ° C (5 až 7 ° F) od teploty vlhkého teploměru.

Ze standardních informací o počasí lze snadno předpovědět výkon chladiče. Protože zprávy o počasí obvykle obsahují rosný bod a relativní vlhkost , nikoli však teplotu vlhkého teploměru, je třeba k výpočtu teploty vlhkého teploměru použít psychrometrický diagram nebo jednoduchý počítačový program. Jakmile je identifikována teplota mokrého teploměru a teplota suchého teploměru, lze určit chladicí výkon nebo teplotu výstupního vzduchu z chladiče.

U přímého odpařovacího chlazení měří účinnost přímého nasycení, do jaké míry je teplota vzduchu opouštějícího přímý odpařovací chladič blízká teplotě vlhkého teploměru vstupujícího vzduchu. Účinnost přímého nasycení lze určit následovně: ${\ Displaystyle \ epsilon}$

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

Kde:

${\ Displaystyle \ epsilon}$ = účinnost nasycení přímým odpařovacím chlazením (%)

${\ displaystyle T_ {e, db}}$ = teplota suchého teploměru vzduchu (° C)

${\ displaystyle T_ {l, db}}$ = teplota suchého teploměru (° C)

${\ displaystyle T_ {e, wb}}$ = teplota vlhkého teploměru (° C)

Účinnost odpařovacího média se obvykle pohybuje mezi 80% až 90%. Většina efektivních systémů může snížit teplotu suchého vzduchu na 95% teploty mokrého teploměru, nejméně efektivní systémy dosahují pouze 50%. Účinnost odpařování časem velmi málo klesá.

Typické osiky používané v obytných odpařovacích chladičích nabízejí účinnost přibližně 85%, zatímco odpařovací média typu CELdek nabízejí účinnost> 90% v závislosti na rychlosti vzduchu. Média CELdek se častěji používají ve velkých komerčních a průmyslových zařízeních.

Například v Las Vegas , s typickým letním designovým dnem 42 ° C (108 ° F) suchého teploměru a 19 ° C (66 ° F) vlhkého teploměru nebo asi 8% relativní vlhkosti, teplota vzduchu na výstupu obytný chladič s 85% účinností by byl:

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

K odhadu výkonu lze však použít kteroukoli ze dvou metod:

• Pomocí psychrometrické tabulky vypočítejte teplotu vlhké baňky a poté přidejte 5–7 ° F, jak je popsáno výše.
• Použijte obecné pravidlo, které odhaduje, že teplota vlhkého teploměru je přibližně stejná jako teplota okolí, minus jedna třetina rozdílu mezi okolní teplotou a rosným bodem . Stejně jako dříve přidejte 5–7 ° F, jak je popsáno výše.

Některé příklady tento vztah objasňují:

• Při 32 ° C (90 ° F) a 15% relativní vlhkosti vzduchu lze vzduch ochladit na téměř 16 ° C (61 ° F). Rosný bod pro tyto podmínky je 2 ° C (36 ° F).
• Při 32 ° C a 50% relativní vlhkosti vzduchu lze vzduch ochladit na přibližně 24 ° C (75 ° F). Rosný bod pro tyto podmínky je 20 ° C (68 ° F).
• Při 40 ° C (104 ° F) a 15% relativní vlhkosti vzduchu lze vzduch ochladit na téměř 21 ° C (70 ° F). Rosný bod pro tyto podmínky je 8 ° C (46 ° F).

( Příklady chlazení získané z publikace University of Idaho z 25. června 2000, „ Homewise “ ).

Protože odpařovací chladiče fungují nejlépe v suchých podmínkách, jsou široce používány a nejefektivnější v suchých, pouštních oblastech, jako jsou jihozápadní USA , severní Mexiko a Rádžasthán .

Stejná rovnice ukazuje, proč mají odpařovací chladiče omezené použití ve vysoce vlhkém prostředí: například horký srpnový den v Tokiu může mít 30 ° C (86 ° F) s 85% relativní vlhkostí a tlakem 1 005 hPa. To dává rosný bod 27,2 ° C (81,0 ° F) a teplotu vlhkého teploměru 27,88 ° C (82,18 ° F). Podle výše uvedeného vzorce lze při 85% účinnosti vzduch ochladit pouze na 28,2 ° C (82,8 ° F), což je docela nepraktické.

Srovnání s jinými typy klimatizace

Porovnání odpařovacího chlazení s klimatizací na bázi chlazení :

Výhody

Méně nákladné na instalaci a provoz

• Odhadované náklady na profesionální instalaci jsou zhruba poloviční nebo nižší než u centrální chladicí klimatizace.
• Odhadované provozní náklady jsou 1/8 nákladů na chladicí klimatizaci .
• Při zapnutí nedochází k nárůstu výkonu kvůli nedostatku kompresoru
• Spotřeba energie je omezena na ventilátor a vodní čerpadlo, které mají při spuštění relativně nízký odběr proudu.
• Pracovní tekutinou je voda. Nepoužívají se žádná speciální chladiva, jako čpavek nebo freony , která by mohla být toxická, jejich výměna drahá, přispívat k poškozování ozónové vrstvy a/nebo podléhat přísným licenčním a ekologickým předpisům.
• Při výpadku proudu lze provozovat na domácím střídači . To je užitečné zejména v oblastech, kde dochází k častým výpadkům proudu .
• Nově spuštěné vzduchové chladiče lze ovládat pomocí dálkového ovladače .

Snadná instalace a údržba

• Zařízení mohou být instalována mechanicky nakloněnými uživateli za drasticky nižší náklady než chladicí zařízení, které vyžaduje specializované dovednosti a profesionální instalaci.
• Jedinými dvěma mechanickými částmi ve většině základních odpařovacích chladičů jsou motor ventilátoru a vodní čerpadlo, které lze opravit nebo vyměnit za nízké náklady a často mechanicky nakloněným uživatelem, což eliminuje nákladné servisní zásahy dodavatelů HVAC.

Větrací vzduch

• Častý a vysoký objemový průtok vzduchu procházejícího budovou dramaticky snižuje „stáří vzduchu“ v budově.
• Odpařovací chlazení zvyšuje vlhkost . V suchém podnebí to může zlepšit pohodlí a snížit problémy se statickou elektřinou .
• Samotná podložka funguje při správné údržbě jako poměrně účinný vzduchový filtr; je schopen odstranit různé znečišťující látky ze vzduchu, včetně městského ozónu způsobeného znečištěním, bez ohledu na velmi suché počasí. Chladicí systémy na bázi chladu ztrácejí tuto schopnost vždy, když není ve vzduchu dostatek vlhkosti, aby udržel výparník mokrý, a zároveň poskytuje častý pramínek kondenzace, která vyplavuje rozpuštěné nečistoty odstraněné ze vzduchu.

Nevýhody

Výkon

• Většina odpařovacích chladičů není schopna snížit teplotu vzduchu tak, jak to dokáže chladicí klimatizace.
• Podmínky vysokého rosného bodu (vlhkosti) snižují schopnost chlazení odpařovacího chladiče.
• Žádné odvlhčování . Tradiční klimatizace odvádí vlhkost ze vzduchu, s výjimkou velmi suchých míst, kde může recirkulace vést k nárůstu vlhkosti. Odpařovací chlazení dodává vlhkost a ve vlhkém podnebí může sucho zlepšit tepelný komfort při vyšších teplotách.

Pohodlí

• Vzduch dodávaný odpařovacím chladičem má obecně relativní vlhkost 80–90% a může způsobit vnitřní vlhkost až 65%; velmi vlhký vzduch snižuje rychlost odpařování vlhkosti z kůže, nosu, plic a očí.
• Vysoká vlhkost vzduchu urychluje korozi , zejména v přítomnosti prachu. To může výrazně snížit životnost elektroniky a dalšího vybavení.
• Vysoká vlhkost vzduchu může způsobit kondenzaci vody. V některých situacích to může být problém (např. Elektrická zařízení, počítače, papír, knihy, staré dřevo).
• Pokud není k dispozici dostatečné filtrování, mohou být do budovy vháněny pachy a jiné venkovní nečistoty.

Použití vody

• Odpařovací chladiče vyžadují stálý přísun vody.
• Voda s vysokým obsahem minerálů (tvrdá voda) zanechá minerální usazeniny na podložkách a vnitřku chladiče. V závislosti na druhu a koncentraci minerálů může existovat možná bezpečnostní rizika při výměně a odstraňování odpadu z polštářků. Systémy odvzdušňování a doplňování (proplachovací čerpadlo) mohou tento problém omezit, ale ne odstranit. Instalace vloženého vodního filtru (typ chladničky na pitnou vodu/výrobník ledu) výrazně sníží usazeniny minerálů.

Frekvence údržby

• Jakékoli mechanické součásti, které mohou rezivět nebo korodovat, vyžadují pravidelné čištění nebo výměnu kvůli prostředí s vysokou vlhkostí a potenciálně těžkými minerálními usazeninami v oblastech s tvrdou vodou.
• Aby se zachoval chladicí výkon, musí být odpařovací média pravidelně vyměňována. Podložky z dřevěné vlny jsou levné, ale vyžadují výměnu každých několik měsíců. Vysoce účinná tuhá média jsou mnohem dražší, ale budou trvat několik let úměrně tvrdosti vody; v oblastech s velmi tvrdou vodou mohou tuhá média vydržet pouze dva roky, než tvorba minerálního kamene nepřijatelně sníží výkon.
• V oblastech se studenými zimami musí být odpařovací chladiče vypuštěny a zazimovány, aby se vodní potrubí a chladič ochránily před poškozením mrazem, a poté před zimním obdobím odzimovat.

Zdravotní rizika

• Odpařovací chladič je běžným místem chovu komárů. Řada úřadů považuje nesprávně udržovaný chladič za hrozbu pro veřejné zdraví.
• Plísně a bakterie mohou být rozptýleny do vnitřního vzduchu z nesprávně udržovaných nebo vadných systémů, což způsobuje syndrom nemocných budov a nežádoucí účinky pro astmatiky a alergiky.
• Dřevěná vlna ze suchých chladicích podložek se může vznítit i od malých jisker.

Viz také

• Architektonické inženýrství
• Botijo (španělský odpařovací vodní chladič)
• Stavební inženýrství
• Chladič do auta
• Coolgardie v bezpečí
• Chladící věž
• Odvlhčovač
• Zvlhčovač
• VZT
• Lednice v hrnci
• Yakhchāl
• Legionella
• Legionářská nemoc

Reference

externí odkazy

• Holladay, duben (2001). „Chladič bažin ochlazuje vzduch odpařováním“ . Vědecký sloupek WonderQuest Weekly Q&A . USAToday .com . Citováno 2006-07-14 .