stringtranslate.com

Испарительный охладитель

Египетская кулла, установленная на сквозняках для охлаждения помещений. Пористая керамика и грубая ткань увеличивают площадь испарения.

Испарительный охладитель (также известный как испарительный кондиционер , болотный охладитель , болотный ящик , пустынный охладитель и охладитель влажного воздуха ) — это устройство, которое охлаждает воздух за счет испарения воды. Испарительное охлаждение отличается от других систем кондиционирования воздуха , в которых используются циклы сжатия пара или абсорбционного охлаждения. Испарительное охлаждение использует тот факт, что вода поглощает относительно большое количество тепла для испарения (то есть она имеет большую энтальпию испарения ). Температуру сухого воздуха можно существенно понизить за счет фазового перехода жидкой воды в водяной пар (испарение). Это может охладить воздух, используя гораздо меньше энергии, чем охлаждение. В чрезвычайно засушливом климате испарительное охлаждение воздуха имеет дополнительное преимущество, заключающееся в кондиционировании воздуха большей влажностью для комфорта жителей здания.

Потенциал охлаждения при испарительном охлаждении зависит от депрессии по влажному термометру, разницы между температурой по сухому термометру и температурой по влажному термометру (см. относительную влажность ). В засушливом климате испарительное охлаждение может снизить потребление энергии и общее количество оборудования для кондиционирования в качестве альтернативы компрессорному охлаждению. В климате, который не считается засушливым, косвенное испарительное охлаждение все же может использовать преимущества процесса испарительного охлаждения без повышения влажности. Стратегии пассивного испарительного охлаждения могут предложить те же преимущества, что и механические системы испарительного охлаждения, но без сложного оборудования и воздуховодов.

История

Более ранняя форма испарительного охлаждения, ветроуловитель , впервые была использована в Древнем Египте и Персии тысячи лет назад в виде ветровых шахт на крыше. Они ловили ветер, пропускали его через подземные воды в канале и выпускали охлажденный воздух в здание. Современные иранцы широко используют испарительные охладители с электроприводом ( кулере аби ). [1]

Испарительный охладитель был предметом многочисленных патентов США в 20 веке; многие из них, начиная с 1906 года, [2] предлагали или предполагали использование подушечек из эксельсиора (древесной шерсти) в качестве элементов, обеспечивающих контакт большого объема воды с движущимся воздухом, чтобы обеспечить испарение. Типичная конструкция, как показано в патенте 1945 года, включает резервуар для воды (обычно уровень которого контролируется поплавковым клапаном ), насос для циркуляции воды по подушечкам Excelsior и центробежный вентилятор для всасывания воздуха через подушечки в дом. [3] Эта конструкция и этот материал остаются доминирующими в испарительных охладителях на юго-западе Америки , где они также используются для повышения влажности. [4] В Соединенных Штатах использование термина « болотный охладитель» может быть связано с запахом водорослей, исходящим от первых агрегатов. [5]

Внешние устройства испарительного охлаждения (автомобильные охладители) использовались в некоторых автомобилях для охлаждения внутреннего воздуха — часто в качестве аксессуаров для вторичного рынка [6] — до тех пор, пока современные системы кондиционирования воздуха с компрессией пара не стали широко доступны.

Методы пассивного испарительного охлаждения в зданиях были характерной чертой пустынной архитектуры 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 комбинированная установка может быть более эффективной, и изобрел «Высокоэффективную систему Astro Air Piggyback», комбинированный кондиционер с охлаждением и испарительным охлаждением. 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 рекомендаций по проектированию испарительных градирен, разработанных Барухом Гивони. [7]

Физические принципы

Традиционный воздухоохладитель в Мирзапуре , Уттар-Прадеш , Индия.

Испарительные охладители снижают 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 снижению температуры воздуха. Энергия, необходимая для испарения воды, берется из воздуха в виде явного тепла , которое влияет на температуру воздуха, и преобразуется в скрытое тепло , энергию, присутствующую в компоненте водяного пара воздуха, в то время как воздух остается при постоянное значение энтальпии . Это преобразование явного тепла в скрытое тепло известно как изоэнтальпический процесс , поскольку оно происходит при постоянном значении энтальпии. Таким образом, испарительное охлаждение вызывает падение температуры воздуха, пропорциональное падению явного тепла, и увеличение влажности, пропорциональное притоку скрытого тепла. Испарительное охлаждение можно визуализировать с помощью психрометрической диаграммы , определив начальное состояние воздуха и двигаясь по линии постоянной энтальпии к состоянию более высокой влажности. [8]

Простым примером естественного испарительного охлаждения является пот , выделяемый телом, испарение которого охлаждает тело. Количество теплопередачи зависит от скорости испарения, однако на каждый килограмм испаряемой воды передается 2257 кДж энергии (около 890 БТЕ на фунт чистой воды при температуре 95 ° F (35 ° C)). Скорость испарения зависит от температуры и влажности воздуха, поэтому во влажные дни пот скапливается больше, так как испаряется недостаточно быстро.

В холодильном оборудовании с компрессией пара используется испарительное охлаждение, но испаренный пар находится внутри герметичной системы, а затем сжимается, чтобы снова испариться, используя для этого энергию. Вода простого испарительного охладителя испаряется в окружающую среду, а не восстанавливается. В блоке охлаждения внутреннего помещения испаренная вода вводится в помещение вместе с уже охлажденным воздухом; В испарительной башне испаренная вода уносится вытяжным потоком воздуха.

Другие типы охлаждения с фазовым переходом

Близко связанный процесс, сублимационное охлаждение , отличается от испарительного охлаждения тем, что происходит фазовый переход от твердого тела к пару , а не от жидкости к пару.

Было замечено, что сублимационное охлаждение действует в планетарном масштабе на планетоиде Плутон , где оно было названо антипарниковым эффектом .

Еще одно применение фазового перехода к охлаждению - это «самоохлаждающиеся» банки для напитков. Отдельный отсек внутри банки содержит влагопоглотитель и жидкость. Непосредственно перед употреблением вкладку выдергивают так, чтобы влагопоглотитель вступил в контакт с жидкостью и растворился. При этом он поглощает некоторое количество тепловой энергии, называемое скрытой теплотой плавления . Испарительное охлаждение работает с фазовым переходом жидкости в пар и скрытой теплотой испарения , но самоохлаждение может использовать переход от твердого тела к жидкости и скрытую теплоту плавления для достижения того же результата.

Приложения

До появления современного охлаждения испарительное охлаждение использовалось на протяжении тысячелетий, например, в канатах , ветроуловителях и машрабиях . Пористый глиняный сосуд охлаждал бы воду за счет испарения через ее стенки; фрески примерно 2500 г. до н.э. изображают рабов, раздувающих кувшины с водой, чтобы охладить помещения . В качестве альтернативы, миску, наполненную молоком или маслом, можно поставить в другую миску, наполненную водой, и все это накрыть влажной тканью, лежащей в воде, чтобы молоко или масло оставались как можно более свежими (см. zeer , botijo ​​и Coolgardie ) . . [9]

Древняя персидская пассивная конструкция, использующая преимущества испарительного охлаждения.
Дом на ранчо в Калифорнии с испарительным охладителем на коньке крыши справа

Испарительное охлаждение является распространенной формой охлаждения зданий для обеспечения теплового комфорта , поскольку оно относительно дешево 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 иллюстрируют потенциал стратегий прямого и непрямого испарительного охлаждения для расширения диапазона комфорта в летнее время. В основном это объясняется сочетанием более высокой скорости воздуха, с одной стороны, и повышенной влажности в помещении, когда в регионе разрешена стратегия прямого испарительного охлаждения, с другой стороны. Стратегии испарительного охлаждения, включающие увлажнение воздуха, следует реализовывать в сухих условиях, когда увеличение содержания влаги остается ниже рекомендаций по комфорту пассажиров и качеству воздуха в помещении. Пассивным градирням 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 сухом климате. Испарительное охлаждение значительно повышает уровень внутренней влажности, что могут оценить жители пустыни, поскольку влажный воздух увлажняет сухую кожу и носовые пазухи. Таким образом, оценка типичных климатических данных является важной процедурой для определения потенциала стратегий испарительного охлаждения здания. Тремя наиболее важными климатическими факторами являются температура по сухому термометру , температура по влажному термометру и депрессия по влажному термометру 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 наружной 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 влажному термометру не превышает 22 °C (72 °F). [7] Однако в примере с 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 климата с жарким воздухом и низкой влажностью . В Соединенных Штатах западные и горные штаты являются хорошими местами: испарительные охладители преобладают в таких городах, как Альбукерке , Денвер , Эль-Пасо , Фресно , Солт-Лейк-Сити и Тусон . Испарительное кондиционирование воздуха также популярно и хорошо подходит для южной (умеренной) части Австралии . В сухом засушливом климате стоимость установки и эксплуатации испарительного охладителя может быть намного ниже, чем стоимость холодильного кондиционера, часто примерно на 80%. Однако иногда для достижения оптимальных результатов охлаждения иногда используются комбинации испарительного охлаждения и парокомпрессионного кондиционирования. Некоторые испарительные охладители могут также служить увлажнителями 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, центральной и южной Аризоне в июле и августе.

В местах с умеренной влажностью существует множество экономически эффективных способов применения испарительного охлаждения в дополнение к его широкому использованию в сухом климате. Например, промышленные предприятия, коммерческие кухни, прачечные , химчистки , теплицы , точечное охлаждение (погрузочные доки, склады, фабрики, строительные площадки, спортивные мероприятия, мастерские, гаражи и конуры) и закрытое животноводство (птицеводческие фермы, свиноводческие и молочные фермы). ) часто используют испарительное охлаждение. В условиях очень влажного климата испарительное охлаждение может принести мало пользы в плане теплового комфорта , за исключением увеличения вентиляции и движения воздуха, которые оно обеспечивает.

Другие примеры

Деревья выделяют большое количество воды через поры в листьях, называемые устьицами , и посредством этого процесса испарительного охлаждения леса взаимодействуют с климатом на местном и глобальном уровнях. [10] Простые устройства испарительного охлаждения, такие как камеры испарительного охлаждения (ECC) и охладители в глиняных горшках или холодильники «горшок в горшке» , представляют собой простые и недорогие способы сохранить овощи свежими без использования электричества. Несколько жарких и засушливых регионов мира потенциально могут получить выгоду от испарительного охлаждения, включая Северную Африку, Сахельский регион Африки, Африканский Рог, юг Африки, Ближний Восток, засушливые регионы Южной Азии и Австралию. Преимущества камер испарительного охлаждения для многих сельских общин в этих регионах включают снижение послеуборочных потерь, сокращение времени, затрачиваемого на поездку на рынок, экономию денежных средств и повышение доступности овощей для потребления. [11] [12]

Испарительное охлаждение обычно используется в криогенных приложениях. Пар над резервуаром с криогенной жидкостью откачивается, и жидкость непрерывно испаряется, пока давление пара жидкости является значительным. Испарительное охлаждение обычного гелия образует сосуд с температурой 1 К , который может охладиться как минимум до 1,2 К. Испарительное охлаждение гелия-3 может обеспечить температуру ниже 300 мК. Эти методы можно использовать для изготовления криорефрижераторов или в качестве компонентов низкотемпературных криостатов , таких как холодильники для разбавления . При понижении температуры давление паров 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 бозе-эйнштейновской конденсации (БЭК). Здесь используется так называемое принудительное испарительное охлаждение для избирательного удаления высокоэнергетических («горячих») атомов из облака атомов до тех пор, пока оставшееся облако не охладится ниже температуры перехода БЭК. Для облака из 1 миллиона атомов щелочных металлов эта температура составляет около 1 мкК.

Хотя космические корабли -роботы используют почти исключительно тепловое излучение , многие космические корабли с экипажем выполняют короткие миссии, которые позволяют использовать испарительное охлаждение с открытым циклом. Примеры включают «Спейс шаттл» , командно-служебный модуль «Аполлон» (CSM), лунный модуль и портативную систему жизнеобеспечения . У «Аполлона» и космического корабля «Шаттл» также были радиаторы, а «Шаттл» мог испарять аммиак и воду. На космическом корабле «Аполлон» использовались сублиматоры — компактные и в основном пассивные устройства, которые сбрасывают отходящее 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 до льда, который покрывает сублиматор и автоматически регулирует поток питательной воды в зависимости от тепловой нагрузки. Израсходованную воду часто можно получить в избытке из топливных элементов , используемых многими космическими кораблями с экипажем для производства электроэнергии.

Дизайны

Иллюстрация испарительного охладителя

В большинстве конструкций используется тот факт, что вода имеет одно из самых высоких известных значений энтальпии испарения (скрытой теплоты испарения) среди всех обычных веществ. По этой причине испарительные охладители используют лишь часть энергии парокомпрессионных или абсорбционных систем кондиционирования воздуха. За исключением очень засушливого климата, одноступенчатый (прямой) охладитель может повысить относительную влажность (ОВ) до уровня, доставляющего дискомфорт пассажирам. Косвенные 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, превращающей жидкую воду в водяной пар. При этом энергия воздуха не меняется. Теплый сухой воздух сменяется прохладным влажным воздухом. Тепло наружного воздуха используется для испарения воды. Относительная влажность увеличивается до 70–90%, что снижает охлаждающий эффект человеческого пота. Влажный воздух необходимо постоянно выпускать наружу, иначе воздух станет насыщенным и испарение прекратится.

Механический охладитель с прямым испарением использует вентилятор для втягивания воздуха через смоченную мембрану или подушку, которая обеспечивает большую площадь поверхности для испарения воды в воздух. Вода распыляется в верхней части подушечки, поэтому она может капать в мембрану и постоянно поддерживать ее насыщенность. Любая лишняя вода, капающая из нижней части мембраны, собирается в поддоне и рециркулируется наверх. Одноступенчатые охладители прямого испарения обычно имеют небольшие размеры, поскольку состоят только из мембраны, водяного насоса и центробежного вентилятора. Минеральный состав муниципальной воды приведет к образованию накипи на мембране, что приведет к ее 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 (однопроходной поток), как и при прямом испарительном охлаждении. Было разработано несколько конструктивных решений для использования энергии воздуха, например, направление отработанного воздуха через две панели окон с двойным остеклением, тем самым уменьшая поглощение солнечной энергии через остекление. [13] По сравнению с энергией, необходимой для достижения эквивалентной охлаждающей нагрузки с помощью компрессора, одноступенчатые испарительные охладители потребляют меньше энергии. [7]

Пассивное прямое испарительное охлаждение может происходить везде, где охлажденная за счет испарения вода может охлаждать помещение без помощи вентилятора. Этого можно достичь 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 поступать через верхнюю часть башни, построенной внутри здания или рядом с ним. Наружный воздух контактирует с водой внутри башни либо через смачиваемую мембрану, либо через распылитель. По мере того как вода испаряется из наружного воздуха, воздух становится прохладнее и менее плавучим, что создает нисходящий поток в башне. В нижней части башни имеется выпускное отверстие, позволяющее более прохладному воздуху проникать внутрь. Подобно механическим испарительным охладителям, башни могут быть привлекательным низкоэнергетическим решением для жаркого и сухого климата, поскольку им требуется только водяной насос для подъема воды на вершину башни. [14] Экономия энергии за счет использования пассивной стратегии прямого испарительного охлаждения зависит от климата и тепловой нагрузки. В засушливом климате с большой депрессией по влажному термометру градирни могут обеспечить достаточное охлаждение в летних расчетных условиях до нулевого уровня. Например, розничный магазин площадью 371 м 2 (4000 футов 2 ) в Тусоне, штат Аризона, с ощутимым приростом тепла 29,3 кДж/ч (100 000 БТЕ/ч) может полностью охлаждаться двумя пассивными градирнями, обеспечивающими 11890 м 3 /ч ( 7000 куб. футов в минуту) каждый. [15]

Для центра посетителей национального парка Зайон, в котором используются две пассивные градирни, интенсивность охлаждающей энергии составила 14,5 МДж/м 2 (1,28 кБТЕ/фут 2 ;), что на 77% меньше, чем в типичном здании на западе США, которое использует 62,5 МДж/м 2 (5,5 кБТЕ/фут 2 ). [16] Исследование результатов эксплуатации в Кувейте показало, что требования к мощности для испарительного охладителя примерно на 75% меньше, чем требования к мощности для обычного кондиционера. [17]

Косвенное испарительное охлаждение

Процесс непрямого испарительного охлаждения

Косвенное испарительное охлаждение (замкнутый контур) — это процесс охлаждения, в котором в дополнение к теплообменнику используется прямое испарительное охлаждение для передачи энергии холода приточному воздуху. Охлажденный влажный воздух в процессе 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 их хранить в прохладном месте. Это делается для того, чтобы избежать избыточной влажности в закрытых помещениях, что неуместно для жилых систем.

Цикл Майсоценко

Производитель охладителей косвенного действия использует цикл Майсоценко (М-Цикл), названный в честь изобретателя и профессора, доктора Валерия Майсоценко, применяет итерационный (многоступенчатый) теплообменник из тонкой перерабатываемой мембраны, который позволяет снизить температуру продуктового воздуха ниже температура по влажному термометру и может приближаться к точке росы . [18] Испытания Министерства энергетики США показали, что гибридный M-цикл в сочетании со стандартной компрессионной холодильной системой значительно повысил эффективность на 150–400 %, но был способен сделать это только в засушливой западной половине США, и не рекомендовал использовать его в гораздо более влажной восточной половине США. Оценка показала, что потребление воды в системе в размере 2–3 галлонов на тонну охлаждения (12 000 БТЕ) по эффективности примерно равно потреблению воды на новых высокоэффективных электростанциях. Это означает, что более высокая эффективность может быть использована для снижения нагрузки на сеть без необходимости использования дополнительной воды и может фактически снизить потребление воды, если источник энергии не имеет высокоэффективной системы охлаждения. [19]

Система на основе M-Cycle, созданная Coolerado, в настоящее время используется для охлаждения центра обработки данных Национального центра данных по снегу и льду НАСА (NSIDC). Объект охлаждается воздухом до температуры ниже 70 градусов по Фаренгейту, а выше этой температуры используется система Coolerado. Это возможно, поскольку кондиционер системы использует свежий наружный воздух, что позволяет ему автоматически использовать прохладный наружный воздух, когда позволяют условия. Это позволяет избежать запуска системы охлаждения в случае необходимости. Он питается от солнечных батарей, которые также служат в качестве вторичного источника питания в случае потери основного питания. [20]

Система имеет очень высокую эффективность, но, как и другие системы испарительного охлаждения, ее эффективность 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 при этом значительной дополнительной нагрузки на электрическую инфраструктуру. Если на объекте имеются избыточные запасы воды или избыточные мощности для опреснения воды, это можно использовать для снижения чрезмерного спроса на электроэнергию за счет использования воды в доступных установках M-цикла. Из-за высокой стоимости обычных кондиционеров и крайних ограничений многих электроэнергетических систем установки M-Cycle могут быть единственными подходящими системами охлаждения, подходящими для бедных районов во времена чрезвычайно высоких температур и высокого спроса на электроэнергию. В развитых регионах они могут служить дополнительными резервными системами на случай электрической перегрузки, а также использоваться для повышения эффективности существующих традиционных систем.

М-цикл не ограничивается системами охлаждения и может применяться к различным технологиям, от двигателей Стирлинга до генераторов атмосферной воды . Для охлаждения его можно использовать как в конфигурациях с перекрестным, так и противотоком. Было обнаружено, что противоток обеспечивает более низкие температуры, более подходящие для домашнего охлаждения, но было обнаружено, что поперечный поток имеет более высокий коэффициент полезного действия (COP) и, следовательно, лучше подходит для крупных промышленных установок.

В отличие от традиционных технологий охлаждения, КПД небольших систем остается высоким, поскольку они не требуют подъемных насосов или другого оборудования, необходимого для градирен. Система охлаждения мощностью 1,5 тонны/4,4 кВт требует всего 200 Вт для работы вентилятора, что дает коэффициент COP 26,4 и рейтинг EER 90. Это не учитывает энергию, необходимую для очистки или подачи воды, и является строго мощность, необходимая для работы устройства после подачи воды. Хотя опреснение воды также требует затрат, скрытая теплота испарения воды почти в 100 раз превышает энергию, необходимую для очистки самой воды. Кроме того, устройство имеет максимальный КПД 55%, поэтому его фактический КПД намного ниже расчетного значения. Однако, несмотря на эти потери, эффективный КПД все равно значительно выше, чем у обычной системы охлаждения, даже если воду сначала необходимо очистить путем опреснения. В районах, где вода недоступна в любой форме, ее можно использовать с осушителем для восстановления воды с использованием доступных источников тепла, таких как солнечная тепловая энергия . [21] [22]

Теоретические конструкции

В новой, но еще не коммерциализированной конструкции «холодной SNAP» Гарвардского института Висса керамика, напечатанная на 3D-принтере, проводит тепло, но наполовину покрыта гидрофобным материалом, который служит барьером для влаги. [23] Хотя в поступающий воздух не добавляется влага, относительная влажность (RH) немного повышается в соответствии с формулой «Температура-RH». Тем не менее, относительно сухой воздух, образующийся в результате непрямого испарительного охлаждения, позволяет поту жителей легче испаряться, что повышает относительную эффективность этого метода. Косвенное охлаждение — это эффективная стратегия для жаркого и влажного климата, где невозможно увеличить содержание влаги в приточном воздухе из-за качества воздуха в помещении и проблем с тепловым комфортом человека.

Стратегии пассивного непрямого испарительного охлаждения встречаются редко, поскольку эта стратегия включает в себя архитектурный элемент, выполняющий роль теплообменника (например, крышу). Этот элемент можно опрыскивать водой и охлаждать за счет испарения воды на этом элементе. Эти стратегии встречаются редко из-за интенсивного использования воды, что также создает риск проникновения воды и нарушения конструкции здания.

Гибридные конструкции

Двухступенчатое испарительное охлаждение или непрямо-прямое

На первой ступени двухступенчатого охладителя теплый воздух предварительно охлаждается косвенно, без добавления влаги (проходя внутри теплообменника, который охлаждается за счет испарения снаружи). На прямой стадии предварительно охлажденный воздух проходит через пропитанную водой подушку и по мере охлаждения набирает влагу. Поскольку подаваемый воздух предварительно охлаждается на первой стадии, на прямой стадии передается меньше влаги для достижения желаемой температуры охлаждения. В результате, по словам производителей, получается более прохладный воздух с относительной влажностью от 50 до 70%, в зависимости от климата, по сравнению с традиционной системой, которая обеспечивает относительную влажность кондиционируемого воздуха около 70–80%.

Испарительный + традиционный резервный

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

Испарительный + пассивный дневной радиационный + теплоизоляция

Испарительное охлаждение можно комбинировать с пассивным дневным радиационным охлаждением и теплоизоляцией для повышения эффективности охлаждения при нулевом потреблении энергии, хотя и с периодической «подзарядкой» воды в зависимости от климатической зоны установки. Система, разработанная Лу и др. «Состоит из солнечного отражателя, богатого водой и излучающего ИК-излучение испарительного слоя, а также паропроницаемого, ИК-прозрачного и отражающего солнечную энергию изоляционного слоя», при этом верхний слой обеспечивает «отвод тепла посредством испарения и излучения, в то время как сопротивление нагреву окружающей среды». Система продемонстрировала на 300% более высокую мощность охлаждения окружающей среды, чем автономное пассивное дневное радиационное охлаждение, и могла продлить срок хранения продуктов питания на 40% в прохладном влажном климате и на 200% в сухом климате без охлаждения . [24]

Мембранное осушение и испарительное охлаждение

Обычное испарительное охлаждение работает только с сухим воздухом, например, когда соотношение влажности ниже ~0,02 кг воды /кг воздуха . [25] Они также требуют значительных затрат воды. Чтобы устранить эти ограничения, испарительное охлаждение по точке росы можно объединить с мембранным осушением, используя мембраны, которые пропускают водяной пар, но блокируют воздух. [25] Воздух, проходящий через эти мембраны, можно концентрировать с помощью компрессора, поэтому его можно конденсировать при более высоких температурах. В первой конфигурации с таким подходом вода для осушения повторно использовалась для обеспечения дальнейшего испарительного охлаждения. Такой подход может полностью обеспечить собственную воду для испарительного охлаждения, превосходит базовую систему осушающих колес при любых условиях и превосходит сжатие пара в сухих условиях. Это также может обеспечить охлаждение при более высокой влажности без использования хладагентов, многие из которых имеют значительный потенциал выбросов парниковых газов. [25]

Материалы

Традиционно испарительные охлаждающие панели состоят из эксельсиора ( волокна осины ) внутри защитной сетки, но в качестве охлаждающей среды начинают использоваться более современные материалы, такие как некоторые виды пластика и меламиновая бумага. Современные жесткие материалы, обычно толщиной 8 или 12 дюймов, добавляют больше влаги и, таким образом, охлаждают воздух лучше, чем обычно гораздо более тонкие материалы из осины. [26] Другой материал, который иногда используется, — это гофрированный картон. [27] [28]

Рекомендации по проектированию

Использование воды

В засушливом и полузасушливом климате из-за нехватки воды потребление воды становится проблемой при проектировании систем охлаждения. Из установленных счетчиков воды в 2002 году израсходовано 420 938 л (111 200 галлонов) воды для двух пассивных градирен в центре для посетителей национального парка Зайон. [29] Однако на подобные опасения обращают внимание эксперты, которые отмечают, что для производства электроэнергии обычно требуется большое количество воды, а испарительные охладители потребляют гораздо меньше электроэнергии и, следовательно, в целом сопоставимы с водой, а в целом стоят меньше по сравнению с чиллерами . [30]

Затенение

Прямое воздействие солнечных лучей на любую поверхность, которая может передавать дополнительное тепло любой части воздушного потока через устройство, приведет к повышению температуры воздуха. Если тепло передается воздуху до того, как он пройдет через подушки, или если солнечный свет нагревает сами подушки, испарение увеличится, но дополнительная энергия, необходимая для достижения этого, будет исходить не от энергии, содержащейся в окружающем воздухе, а будет поступать от солнца, и это приведет не только к более высоким температурам, но и к более высокой влажности, так же, как и любое повышение температуры приточного воздуха и нагрев воды перед ее распределением по подушке любыми способами. Кроме того, солнечный свет может привести к разрушению некоторых носителей и других компонентов охладителя. Таким образом, затенение желательно при любых обстоятельствах, хотя вертикального расположения прокладок и изоляции между внешней и внутренней горизонтальными (обращенными вверх) поверхностями для минимизации теплопередачи будет достаточно.

Механические системы

Помимо вентиляторов, используемых при механическом испарительном охлаждении, насосы являются единственным другим элементом механического оборудования, необходимым для процесса испарительного охлаждения как в механических, так и в пассивных приложениях. Насосы можно использовать либо для рециркуляции воды в подушку влажной среды, либо для подачи воды под очень высоким давлением в систему распыления пассивной градирни. Технические характеристики насоса будут различаться в зависимости от скорости испарения и площади носителя. В центре посетителей национального парка Зайон используется насос мощностью 250 Вт (1/3 л.с.). [31]

Выхлоп

Необходимо всегда использовать вытяжные каналы и/или открытые окна, чтобы воздух мог постоянно выходить из кондиционируемого помещения. В противном случае возникает давление, и вентилятор или нагнетатель в системе не сможет протолкнуть большой объем воздуха через среду в кондиционируемое помещение. Испарительная система не может функционировать без исчерпания непрерывной подачи воздуха из кондиционируемой зоны наружу. Оптимизируя расположение приточного устройства для охлажденного воздуха, а также расположение проходов дома, соответствующих дверей и окон помещений, можно наиболее эффективно использовать систему для направления охлажденного воздуха в необходимые зоны. Хорошо спроектированная планировка может эффективно удалять и вытеснять горячий воздух из нужных зон без необходимости установки воздуховодной системы вентиляции над потолком. Непрерывный поток воздуха имеет важное значение, поэтому вытяжные окна или вентиляционные отверстия не должны ограничивать объем и проход воздуха, подаваемого машиной испарительного охлаждения. Также необходимо учитывать направление внешнего ветра, так как, например, сильный горячий южный ветер замедлит или ограничит поступление отработанного воздуха из окна, выходящего на юг. Всегда лучше, чтобы окна с наветренной стороны были открыты, а окна с наветренной стороны закрыты.

Различные типы установок

Типовые установки

Обычно в бытовых и промышленных испарительных охладителях используется прямое испарение, и их можно описать как закрытый металлический или пластиковый ящик с вентилируемыми стенками. Воздух перемещается центробежным вентилятором или нагнетателем (обычно приводится в движение электродвигателем со шкивами, известными как «шкивы» в терминологии HVAC , или осевым вентилятором с прямым приводом), а для смачивания подушек испарительного охлаждения используется водяной насос. Холодильные агрегаты можно устанавливать на крыше (с нисходящей тягой или нисходящим потоком) или на наружных стенах или окнах (с боковой тягой или горизонтальным потоком) зданий. Для охлаждения вентилятор всасывает окружающий воздух через вентиляционные отверстия по бокам устройства и через влажные подушки. Нагревание воздуха приводит к испарению воды с подушечек, которые постоянно увлажняются для продолжения процесса охлаждения. Затем охлажденный влажный воздух подается в здание через вентиляционное отверстие в крыше или стене.

Поскольку охлаждающий воздух поступает снаружи здания, необходимо наличие одного или нескольких больших вентиляционных отверстий, позволяющих воздуху перемещаться изнутри наружу. Воздух должен проходить через систему только один раз, иначе охлаждающий эффект уменьшится. Это связано с тем, что воздух достигает точки насыщения . Часто в помещениях, обслуживаемых испарительными охладителями, происходит около 15 воздухообменов в час (ACH), что является относительно высокой скоростью воздухообмена.

Испарительные (мокрые) градирни

Большие гиперболоидные градирни из конструкционной стали для электростанции в Харькове (Украина)

Градирни — это сооружения для охлаждения воды или других теплоносителей до температуры, близкой к температуре по влажному термометру окружающей среды. Мокрые градирни работают по принципу испарительного охлаждения, но оптимизированы для охлаждения воды, а не воздуха. Градирни часто можно встретить в больших зданиях или на промышленных объектах. Например, они передают тепло в окружающую среду от чиллеров, промышленных процессов или энергетического цикла Ренкина .

Системы туманообразования

Система распыления тумана с водяным насосом внизу

Системы туманообразования работают, нагнетая воду через насос высокого давления и трубку через сопло распыления из латуни и нержавеющей стали с отверстием около 5 микрометров , тем самым создавая микротонкий туман. Капли воды, создающие туман, настолько малы, что мгновенно испаряются. Мгновенное испарение может снизить температуру окружающего воздуха на целых 35 °F (20 °C) всего за несколько секунд. [32] Для систем внутреннего дворика идеальным вариантом является установка туманопровода на высоте примерно 8–10 футов (2,4–3,0 м) над землей для оптимального охлаждения. Распыление используется для таких применений, как клумбы, домашние животные, домашний скот, питомники, борьба с насекомыми, борьба с запахами, зоопарки, ветеринарные клиники, охлаждение продуктов и теплицы.

Вентиляторы запотевания

Вентилятор тумана похож на увлажнитель воздуха . Вентилятор выдувает в воздух мелкий водяной туман. Если воздух не слишком влажный, вода испаряется, поглощая тепло из воздуха, позволяя вентилятору тумана также работать как охладитель воздуха. Вентилятор тумана можно использовать на открытом воздухе, особенно в сухом климате. Его также можно использовать внутри помещения.

Небольшие портативные вентиляторы для распыления тумана с батарейным питанием, состоящие из электрического вентилятора и ручного водяного насоса, продаются как новинка. Их эффективность в повседневном использовании неясна. [ нужна цитата ]

Производительность

Понимание эффективности испарительного охлаждения требует понимания психрометрии . Эффективность испарительного охлаждения варьируется в зависимости от изменений внешней температуры и уровня влажности. Бытовой охладитель должен быть способен снижать температуру воздуха в пределах 3–4 °C (5–7 °F) от температуры по влажному термометру.

Легко предсказать более низкую производительность на основе стандартной информации о погоде. Поскольку сводки погоды обычно содержат точку росы и относительную влажность , но не температуру по влажному термометру, для расчета температуры по влажному термометру необходимо использовать психрометрическую диаграмму или простую компьютерную программу. После определения температуры по влажному термометру и температуры по сухому термометру можно определить эффективность охлаждения или температуру выходящего воздуха из охладителя.

Для прямого испарительного охлаждения эффективность прямого насыщения измеряет, в какой степени температура воздуха, выходящего из прямого испарительного охладителя, близка к температуре входящего воздуха по влажному термометру. Эффективность прямого насыщения можно определить следующим образом: [33]

Где:
= эффективность насыщения при прямом испарительном охлаждении (%)
= температура входящего 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 достигают только 50%. [33] Эффективность испарения со временем падает очень незначительно.

Типичные осиновые подушки, используемые в бытовых испарительных охладителях, обеспечивают эффективность около 85%, в то время как испарительный материал типа CELdek [ требуется дальнейшее объяснение ] обеспечивает эффективность >90% в зависимости от скорости воздуха. CELdek media чаще используется в крупных коммерческих и промышленных установках.

Например, в Лас-Вегасе , при типичном летнем расчетном дне 42 °C (108 °F) по сухому термометру и 19 °C (66 °F) по влажному термометру или относительной влажности около 8%, температура выходящего воздуха из Бытовой охладитель с эффективностью 85% будет:

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

Однако для оценки производительности можно использовать любой из двух методов:

Некоторые примеры поясняют эту связь:

( Примеры охлаждения взяты из публикации Университета Айдахо «Homewise» от 25 июня 2000 г. ).

Поскольку испарительные охладители лучше всего работают в засушливых условиях, они широко используются и наиболее эффективны в засушливых и пустынных регионах, таких как юго-запад США , север Мексики и Раджастхан .

То же уравнение показывает, почему испарительные охладители имеют ограниченное применение в условиях высокой влажности: например, жаркий августовский день в Токио может иметь температуру 30 °C (86 °F) при относительной влажности 85% и давлении 1005 гПа. Это дает точку росы 27,2 °C (81,0 °F) и температуру по влажному термометру 27,88 °C (82,18 °F). Согласно приведенной выше формуле, при эффективности 85% воздух можно охладить только до 28,2 °C (82,8 °F), что делает это совершенно непрактичным.

Сравнение с другими типами кондиционеров.

Вентилятор тумана

Сравнение испарительного охлаждения с кондиционированием воздуха на основе охлаждения :

Преимущества

Менее дорогая установка и эксплуатация

Простота установки и обслуживания

Вентиляционный воздух

Недостатки

Производительность

Комфорт

Использование воды

Частота технического обслуживания

Опасности для здоровья

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хейрабади, Масуд (1991). Иранские города: становление и развитие. Остин, Техас: Издательство Техасского университета. п. 36. ISBN 978-0-292-72468-6.
  2. ^ Зеллвегер, Джон (1906). «Воздушный фильтр и охладитель». Патент США 838602 .
  3. ^ Эссик, Брайант (1945). «Площадка для испарительных охладителей». Патент США 2391558 .
  4. ^ Лэндис, Скотт (1998). Книга Мастерской . Тонтон Пресс. п. 120. ИСБН 978-1-56158-271-6. Испарительный охладитель «беличья клетка» на юго-западе популярен.
  5. ^ Гутенберг, Артур Уильям (1955). Экономика индустрии испарительных охладителей на юго-западе США. Высшая школа бизнеса Стэнфордского университета. п. 167.
  6. ^ Такие блоки устанавливались на окне автомобиля со стороны пассажира; окно было поднято почти полностью, оставив достаточно места только для вентиляционного отверстия, по которому прохладный воздух поступал в машину.
  7. ^ abc Гивони, Барух (1994). Пассивное и низкоэнергетическое охлаждение зданий . Ван Ностранд Рейнхольд.
  8. ^ Макдауэлл, Р. (2006). Основы систем HVAC , Elsevier, Сан-Диего, стр. 16.
  9. ^ Крайер, Пэт. «Хранение продуктов в семье рабочего класса в Лондоне, 1900-е годы». 1900s.org.uk . Проверено 22 ноября 2013 г.
  10. Бонан, Гордон Б. (13 июня 2008 г.). «Леса и изменение климата: воздействия, обратная связь и климатические преимущества лесов». Наука . 320 (5882): 1444–9. Бибкод : 2008Sci...320.1444B. дои : 10.1126/science.1155121. PMID  18556546. S2CID  45466312.
  11. ^ Верплоген, Эрик; Ринкер, Питер; Огнакосан, Куком Эдох. «Руководство по передовому опыту испарительного охлаждения» (PDF) .
  12. ^ Верплоген, Эрик; Саного, Усман; Чагомока, Такемор. «Технологии испарительного охлаждения для улучшения хранения овощей в Мали – оценка» (PDF) .
  13. ^ Пек, Джон Ф.; Кесслер, Хелен Дж.; Льюис, Томпсон Л. (1979). «Мониторинг, оценка и оптимизация двухступенчатых методов испарительного охлаждения». Лаборатория экологических исследований, Университет Аризоны .
  14. ^ Квок, Элисон Г.; Грондзик, Уолтер Т. (2007). Справочник зеленой студии: экологические стратегии для схематического дизайна . Архитектурная пресса. ISBN 978-0-08-089052-4.
  15. ^ Грондзик, Уолтер Т.; Квок, Элисон Г.; Штейн, Бенджамин; Рейнольдс, Джон С. (2010). Механическое и электрическое оборудование . Джон Уайли и сыновья.
  16. ^ Управление энергетической информации. «Ежегодный энергетический обзор 2004 г.». ОВОС . Министерство энергетики США . Проверено 12 декабря 2014 г.
  17. ^ Махешвари, врач общей практики; Аль-Рагом, Ф.; Сури, РК (2001). «Энергосберегающий потенциал испарительного охладителя непрямого действия». Прикладная энергетика . 69 (1): 69–76. Бибкод : 2001ApEn...69...69M. дои : 10.1016/S0306-2619(00)00066-0.
  18. ^ см. вкладку «Независимые испытания», «Оценка термодинамических характеристик нового цикла воздушного охлаждения» и другие документы http://www.coolerado.com/products/material-resource-center/.
  19. ^ Кулер Coolerado помогает экономить энергию и деньги на охлаждение: новая технология охлаждения нацелена на снижение пиковой нагрузки; Робишо, Р; 2007 г.; https://www.osti.gov/biblio/908968-coolerado-cooler-helps-save-cooling-energy-dollars-new-cooling-technology-targets-peak-load-reduction
  20. ^ "Центр обработки данных о снеге и льду в Кулерадо" . Знание дата-центра . 12 августа 2011 г.
  21. ^ Счетчик цикла Майсоценко и поперечноточный тепломассообменник: вычислительное исследование. Международная конференция по энергосбережению и эффективности (ICECE), 2017 г. Расих Тарик; Надим Ахмед Шейх: 2017, стр. 44–49.
  22. ^ Цикл Майсоценко: обзор технологий и потенциал энергосбережения в системах охлаждения. Журнал технологий энергетики и контроля выбросов. 6 марта 2015 г. Том 2015: 3 стр. 15–22. Эммануэль Рогдакис, Димитриос Ник Тертипис. Факультет машиностроения, Афинский национальный технический университет, Афины, Греция
  23. ^ «cold-SNAP: Экологичный кондиционер» . Институт Висса . 27 сентября 2019 г.
  24. ^ Лу, Чжэнмао; Лерой, Арни; Чжан, Ленань; Патель, Джатин Дж.; Ван, Эвелин Н.; Гроссман, Джеффри К. (сентябрь 2022 г.). «Значительно улучшенное пассивное охлаждение под окружающей средой за счет испарения, излучения и изоляции». Отчеты о клетках Физические науки . 3 (10): 101068. Бибкод : 2022CRPS....301068L. дои : 10.1016/j.xcrp.2022.101068 . hdl : 1721.1/146578 . S2CID  252411940.
  25. ^ abc Мумтаз, Майша; Паминтуан, Брайан С.; Фикс, Эндрю Дж.; Браун, Джеймс Э.; Варсингер, Дэвид М. (2023). «Гибридное мембранное осушение и испарительное охлаждение точки росы для устойчивого кондиционирования воздуха». Преобразование энергии и управление . Эльзевир Б.В. 294 : 117547. doi : 10.1016/j.enconman.2023.117547. ISSN  0196-8904. S2CID  261440235.
  26. ^ (PDF) http://www.pge.com/includes/docs/pdfs/myhome/saveenergymoney/savingstips/evap/eedectechsheet.pdf. {{cite web}}: Отсутствует или пусто |title=( помощь )
  27. Марголис, Джонатан (24 ноября 2012 г.). «Болотный холодильник из гофрированного картона от Sundrop Farm». Theguardian.com . Проверено 25 сентября 2018 г.
  28. ^ "Система Sundrop Farm" . Sundropfarms.com. 20 июня 2014 г. Проверено 25 сентября 2018 г.
  29. ^ Торчеллини, П; Длинный, Н; Плесс, С; Юдкофф, Р. (февраль 2005 г.). Оценка низкоэнергетической конструкции и энергетических характеристик Центра посетителей национального парка Зайон – Технический отчет NREL/TP-550-34607 (PDF) . п. 88 . Проверено 9 июня 2020 г.
  30. ^ «Руководство по проектированию испарительного охлаждения для школ и коммерческих зданий Нью-Мексико» (PDF) . Декабрь 2002 г., стр. 25–27 . Проверено 12 сентября 2015 г.
  31. ^ Торчеллини, П.; Плесс, С.; Деру, М.; Лонг, Н.; Юдкофф, Р. (2006). Уроки, извлеченные из тематических исследований шести высокопроизводительных зданий – Технический отчет NREL/TP-550-37542 (PDF) .
  32. ^ [1] Архивировано 18 мая 2007 г., в Wayback Machine.
  33. ^ ab Системы и оборудование HVAC (изд. SI). Атланта, Джорджия: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE). 2012. с. 41.1.
  34. ^ Криггер, Джон; Дорси, Крис (2004). Жилая энергия: экономия средств и комфорт для существующих зданий (4-е изд.). Управление ресурсами Сатурна. п. 207. ИСБН 978-1-880120-12-5.[ постоянная мертвая ссылка ]
  35. ^ «Испарительный охладитель / Испарительный охладитель» . Waterlinecooling.com. Архивировано из оригинала 2 декабря 2013 г. Проверено 22 ноября 2013 г.
  36. ^ «Новейшие технологии, стильный внешний вид и компактная конструкция» . bonafideresearch.com . Проверено 4 августа 2021 г.
  37. ^ «Краткое описание охладителя NID» (PDF) . Правительство Индии – Национальный центр по контролю заболеваний. Архивировано из оригинала (PDF) 10 октября 2017 года . Проверено 22 ноября 2013 г.

Внешние ссылки