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 , охладитель болота , охладитель болота , охладитель пустыни и охладитель влажного воздуха ) — это устройство, которое охлаждает воздух посредством испарения воды. Испарительное охлаждение отличается от других систем кондиционирования воздуха , которые используют циклы паровой компрессии или абсорбционного охлаждения. Испарительное охлаждение использует тот факт, что вода поглощает относительно большое количество тепла для испарения (то есть имеет большую энтальпию испарения ). Температура сухого воздуха может быть значительно понижена посредством фазового перехода жидкой воды в водяной пар (испарение). Это может охлаждать воздух, используя гораздо меньше энергии, чем охлаждение. В чрезвычайно сухом климате испарительное охлаждение воздуха имеет дополнительное преимущество, поскольку кондиционирует воздух с большей влажностью для комфорта жителей здания.

Потенциал охлаждения для испарительного охлаждения зависит от депрессии влажного термометра, разницы между температурой сухого термометра и температурой влажного термометра (см. относительная влажность ). В засушливом климате испарительное охлаждение может снизить потребление энергии и общее оборудование для кондиционирования в качестве альтернативы компрессорному охлаждению. В климате, который не считается засушливым, косвенное испарительное охлаждение может по-прежнему использовать преимущества процесса испарительного охлаждения без увеличения влажности. Стратегии пассивного испарительного охлаждения могут предложить те же преимущества, что и механические испарительные системы охлаждения, но без сложности 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 улавливали ветер, пропускали его над подземными водами в кяризе и выпускали охлажденный воздух в здание. Современные иранцы широко используют мощные испарительные охладители ( coolere âbi ). [1]

Испарительный охладитель был предметом многочисленных патентов США в 20 веке; многие из них, начиная с 1906 года, [2] предполагали или предполагали использование прокладок из древесной стружки в качестве элементов для приведения большого объема воды в контакт с движущимся воздухом, чтобы обеспечить испарение. Типичная конструкция, показанная в патенте 1945 года, включает в себя резервуар для воды (обычно с уровнем, контролируемым поплавковым клапаном ), насос для циркуляции воды по прокладкам из древесной стружки и центробежный вентилятор для втягивания воздуха через прокладки в дом. [3] Эта конструкция и этот материал остаются доминирующими в испарительных охладителях на американском Юго-Западе , где они также используются для повышения влажности. [4] В Соединенных Штатах использование термина « болотный охладитель» может быть связано с запахом водорослей, производимым ранними устройствами. [5]

Внешние испарительные охлаждающие устройства (автомобильные охладители) использовались в некоторых автомобилях для охлаждения воздуха в салоне (часто в качестве дополнительных аксессуаров [6]) до тех пор, пока современные парокомпрессионные системы кондиционирования воздуха не стали широко доступны.

Пассивные испарительные методы охлаждения в зданиях были характерной чертой архитектуры пустыни на протяжении столетий, но западное принятие, изучение, инновации и коммерческое применение произошли относительно недавно. В 1974 году Уильям Х. Гёттл заметил, как технология испарительного охлаждения работает в засушливом климате, предположил, что комбинированный блок может быть более эффективным, и изобрел «Высокоэффективную систему Astro Air Piggyback», комбинированное охлаждение и испарительный кондиционер. В 1986 году исследователи Университета Аризоны построили пассивную испарительную градирню, и данные о производительности этой экспериментальной установки в Тусоне, штат Аризона, стали основой руководящих принципов проектирования испарительных градирен. [7]

Физические принципы

Традиционный охладитель воздуха в Мирзапуре , Уттар-Прадеш , Индия.

Испарительные охладители понижают температуру воздуха, используя принцип испарительного охлаждения, в отличие от типичных систем кондиционирования воздуха, которые используют 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 форме 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 постоянном значении 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 пропорционально падению явного тепла и увеличение влажности пропорционально притоку скрытого тепла. Испарительное охлаждение можно визуализировать с помощью психрометрической диаграммы, определив начальное состояние воздуха и двигаясь вдоль линии постоянной энтальпии к состоянию более высокой влажности. [8]

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

Парокомпрессионное охлаждение использует испарительное охлаждение, но испаренный пар находится в герметичной системе, а затем сжимается, готовясь снова испариться, используя для этого энергию. Вода простого испарительного охладителя испаряется в окружающую среду, а не восстанавливается. В охлаждающем устройстве внутреннего пространства испаренная вода вводится в пространство вместе с уже охлажденным воздухом; в испарительной башне испаренная вода уносится в выхлопной воздушный поток.

Другие типы фазового охлаждения

Близкий по смыслу процесс — сублимационное охлаждение — отличается от испарительного охлаждения тем, что происходит фазовый переход из твердого состояния в пар , а не из жидкости в пар.

Сублимационное охлаждение наблюдалось в планетарном масштабе на планетоиде Плутон , где его назвали антипарниковым эффектом .

Другое применение фазового перехода для охлаждения — «самоохлаждающаяся» банка для напитков. Отдельный отсек внутри банки содержит осушитель и жидкость. Непосредственно перед употреблением напитка язычок оттягивается, чтобы осушитель вошел в контакт с жидкостью и растворился. При этом он поглощает количество тепловой энергии, называемое скрытой теплотой плавления . Испарительное охлаждение работает с фазовым переходом жидкости в пар и скрытой теплотой испарения , но самоохлаждающаяся банка использует переход из твердого состояния в жидкое и скрытую теплоту плавления для достижения того же результата.

Приложения

До появления современных холодильников испарительное охлаждение использовалось на протяжении тысячелетий, например, в кяризах , ветроуловителях и машрабиях . Пористый глиняный сосуд охлаждал воду путем испарения через его стенки; фрески, датируемые примерно 2500 годом до н. э., показывают рабов, обмахивающих кувшины с водой для охлаждения помещений [ требуется ссылка ] . В качестве альтернативы миска, наполненная молоком или маслом, могла быть помещена в другую миску, наполненную водой, и все это было накрыто мокрой тканью, покоящейся в воде, чтобы молоко или масло оставались максимально свежими (см. zeer , botijo ​​и Coolgardie safe ). [9]

Древнеперсидская пассивная конструкция, использующая преимущества испарительного охлаждения
Калифорнийский ранчо 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 карты Солт-Лейк-Сити

Рисунок, показывающий погодные данные Солт-Лейк-Сити, представляет типичный летний климат (с июня по сентябрь). Цветные линии иллюстрируют потенциал стратегий прямого и косвенного испарительного охлаждения для расширения диапазона комфорта в летнее время. Это в основном объясняется сочетанием более высокой скорости воздуха, с одной стороны, и повышенной влажности в помещении, когда регион допускает стратегию прямого испарительного охлаждения, с другой стороны. Стратегии испарительного охлаждения, которые включают увлажнение воздуха, должны применяться в сухих условиях, когда увеличение содержания влаги остается ниже рекомендаций по комфорту обитателей и качеству воздуха в помещении. Пассивные градирни не обладают контролем, который традиционные системы HVAC предлагают обитателям. Однако дополнительное движение воздуха, подаваемое в помещение, может улучшить комфорт обитателей.

Испарительное охлаждение наиболее эффективно, когда относительная влажность низкая, что ограничивает его популярность в сухом климате. Испарительное охлаждение значительно повышает уровень внутренней влажности, что может понравиться жителям пустынь, поскольку влажный воздух повторно увлажняет сухую кожу и пазухи. Поэтому оценка типичных климатических данных является важной процедурой для определения потенциала стратегий испарительного охлаждения для здания. Три наиболее важных климатических фактора — это температура сухого термометра , температура влажного термометра и депрессия влажного термометра в течение типичного летнего дня. Важно определить, может ли депрессия влажного термометра обеспечить достаточное охлаждение в течение летнего дня. Вычитая депрессию влажного термометра из наружной температуры сухого термометра, можно оценить приблизительную температуру воздуха, выходящего из испарительного охладителя. Важно учитывать, что способность внешней температуры сухого термометра достигать температуры влажного термометра зависит от эффективности насыщения. Общая рекомендация по применению прямого испарительного охлаждения заключается в его реализации в местах, где температура влажного термометра наружного воздуха не превышает 22 °C (72 °F). [7] Однако в примере Солт-Лейк-Сити верхний предел для прямого испарительного охлаждения на психрометрической диаграмме составляет 20 °C (68 °F). Несмотря на более низкую температуру, испарительное охлаждение подходит для климата, похожего на климат Солт-Лейк-Сити.

Испарительное охлаждение особенно хорошо подходит для климата , где воздух жаркий, а влажность низкая. В Соединенных Штатах западные и горные штаты являются хорошими местами, с испарительными охладителями, распространенными 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 у холодильного кондиционирования воздуха, часто на 80% или около того. Однако испарительное охлаждение и парокомпрессионное кондиционирование воздуха иногда используются в сочетании для получения оптимальных результатов охлаждения. Некоторые испарительные охладители могут также служить увлажнителями в отопительный сезон. В регионах, которые в основном засушливые, короткие периоды высокой влажности могут помешать испарительному охлаждению стать эффективной стратегией охлаждения. Примером такого события является сезон муссонов в Нью-Мексико, а также в центральной и южной Аризоне в июле и августе.

В местах с умеренной влажностью существует множество экономически эффективных применений испарительного охлаждения, в дополнение к их 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 питомники) и фермы с закрытым содержанием (птицеводческие ранчо, свиноводческие и молочные фермы) часто используют испарительное охлаждение. В очень влажном климате испарительное охлаждение может иметь мало преимуществ для теплового комфорта , помимо повышенной вентиляции и движения воздуха, которые оно обеспечивает.

Другие примеры

Деревья пропускают большое количество воды через поры в своих листьях, называемые устьицами , и посредством этого процесса испарительного охлаждения леса взаимодействуют с климатом в локальном и глобальном масштабах. [10] Простые испарительные охлаждающие устройства, такие как испарительные охлаждающие камеры (ECC) и глиняные охладители горшков, или холодильники «горшок в горшке» , являются простыми и недорогими способами сохранить овощи свежими без использования электричества. Несколько жарких и сухих регионов по всему миру могли бы потенциально выиграть от испарительного охлаждения, включая Северную Африку, регион Сахеля в Африке, Африканский Рог, Южную Африку, Ближний Восток, засушливые регионы Южной Азии и Австралию. Преимущества испарительных охлаждающих камер для многих сельских общин в этих регионах включают сокращение потерь после сбора урожая, сокращение времени, затрачиваемого на поездку на рынок, денежную экономию и увеличение доступности овощей для потребления. [11] [12]

Испарительное охлаждение обычно используется в криогенных приложениях. Пар над резервуаром криогенной жидкости откачивается, и жидкость непрерывно испаряется до тех пор, пока давление паров жидкости является значительным. Испарительное охлаждение обычного гелия образует 1-К горшок , который может охлаждаться по крайней мере до 1,2 К. Испарительное охлаждение гелия-3 может обеспечивать температуры ниже 300 мК. Эти методы могут использоваться для создания криокулеров или в качестве компонентов низкотемпературных криостатов, таких как рефрижераторы растворения . По мере снижения температуры давление паров жидкости также падает, и охлаждение становится менее эффективным. Это устанавливает нижний предел температуры, достижимой с данной жидкостью.

Испарительное охлаждение также является последним этапом охлаждения для достижения сверхнизких температур, необходимых для конденсации Бозе-Эйнштейна (БЭК). Здесь так называемое принудительное испарительное охлаждение используется для выборочного удаления высокоэнергетических («горячих») атомов из атомного облака до тех пор, пока оставшееся облако не охладится ниже температуры перехода БЭК. Для облака из 1 миллиона щелочных атомов эта температура составляет около 1 мкК.

Хотя роботизированные космические аппараты используют тепловое излучение почти исключительно, многие пилотируемые космические аппараты имеют короткие миссии, которые допускают испарительное охлаждение с открытым циклом. Примерами являются космический челнок , командно-служебный модуль Apollo (CSM), лунный модуль и портативная система жизнеобеспечения . CSM Apollo и космический челнок также имели радиаторы, и челнок мог испарять аммиак , а также воду. Космический аппарат Apollo использовал сублиматоры , компактные и в значительной степени пассивные устройства, которые сбрасывают отработанное тепло в водяной пар (пар), который выбрасывается в космос. [ необходима цитата ] Когда жидкая вода подвергается воздействию вакуума, она бурно кипит, унося достаточно тепла, чтобы заморозить остаток в лед, который покрывает сублиматор и автоматически регулирует поток питательной воды в зависимости от тепловой нагрузки. Расходуемая вода часто доступна в избытке из топливных элементов, используемых многими пилотируемыми космическими аппаратами для производства электроэнергии.

Дизайны

Иллюстрация испарительного охладителя

Большинство конструкций используют тот факт, что вода имеет одно из самых высоких известных значений энтальпии испарения (скрытой теплоты испарения) среди всех обычных веществ. Из-за этого испарительные охладители используют лишь часть энергии парокомпрессионных или абсорбционных систем кондиционирования воздуха. За исключением очень сухого климата, одноступенчатый (прямой) охладитель может повысить относительную влажность (RH) до уровня, который делает жильцов некомфортными. Косвенные и двухступенчатые испарительные охладители поддерживают RH ниже.

Прямое испарительное охлаждение

Прямое испарительное охлаждение

Прямое испарительное охлаждение (открытый контур) используется для понижения температуры и повышения влажности воздуха за счет использования скрытой теплоты испарения, превращая жидкую воду в водяной пар. В этом процессе энергия в воздухе не изменяется. Теплый сухой воздух превращается в холодный влажный воздух. Тепло наружного воздуха используется для испарения воды. Относительная влажность увеличивается до 70–90 %, что снижает охлаждающий эффект человеческого потоотделения. Влажный воздух должен постоянно выпускаться наружу, иначе воздух станет насыщенным и испарение прекратится.

Механический испарительный охладитель прямого действия использует вентилятор для протягивания воздуха через смоченную мембрану или подушку, которая обеспечивает большую площадь поверхности для испарения воды в воздух. Вода распыляется в верхней части подушки, чтобы она могла капать вниз в мембрану и постоянно поддерживать мембрану насыщенной. Любая избыточная вода, которая капает с нижней части мембраны, собирается в поддоне и рециркулируется наверх. Одноступенчатые испарительные охладители прямого действия обычно имеют небольшие размеры, поскольку они состоят только из мембраны, водяного насоса и центробежного вентилятора. Содержание минералов в муниципальном водоснабжении приведет к образованию накипи на мембране, что приведет к засорению в течение срока службы мембраны. В зависимости от содержания минералов и скорости испарения для обеспечения оптимальной производительности требуются регулярная очистка и техническое обслуживание. Как правило, приточный воздух из одноступенчатого испарительного охладителя необходимо будет выпускать напрямую (однопроточный поток), как и при прямом испарительном охлаждении. Было разработано несколько конструктивных решений для использования энергии из воздуха, например, направление отработанного воздуха через два листа окон с двойным остеклением, что снижает поглощение солнечной энергии через остекление. [13] По сравнению с энергией, необходимой для достижения эквивалентной нагрузки охлаждения с помощью компрессора, одноступенчатые испарительные охладители потребляют меньше энергии. [7]

Пассивное прямое испарительное охлаждение может происходить в любом месте, где испарительно охлажденная вода может охлаждать пространство без помощи вентилятора. Это может быть достигнуто с помощью фонтанов или более архитектурных конструкций, таких как испарительная нисходящая градирня, также называемая «пассивной градирней». Пассивная конструкция градирни позволяет наружному воздуху поступать через верхнюю часть башни, которая построена внутри или рядом со зданием. Наружный воздух контактирует с водой внутри башни либо через смоченную мембрану, либо через туман. По мере испарения воды в наружном воздухе воздух становится более холодным и менее плавучим и создает нисходящий поток в башне. Внизу башни выход позволяет более холодному воздуху поступать внутрь. Подобно механическим испарительным охладителям, башни могут быть привлекательным низкоэнергетическим решением для жаркого и сухого климата, поскольку для подъема воды на верхнюю часть башни требуется только водяной насос. [14] Экономия энергии при использовании стратегии пассивного прямого испарительного охлаждения зависит от климата и тепловой нагрузки. Для засушливого климата с большой депрессией влажного термометра градирни могут обеспечить достаточное охлаждение в летние расчетные условия, чтобы быть чистым нулевым. Например, розничный магазин площадью 371 м 2 (4000 футов 2 ) в Тусоне, штат Аризона, с явным приростом тепла 29,3 кДж/ч (100 000 БТЕ/ч) может быть полностью охлажден двумя пассивными градирнями, обеспечивающими 11890 м 3 /ч (7000 куб. футов/мин) каждая. [15]

Для центра для посетителей Национального парка Зайон, в котором используются две пассивные градирни, интенсивность энергии охлаждения составила 14,5 МДж/м 2 (1,28 кБТЕ/фут 2 ;), что на 77% меньше, чем у типичного здания на западе США, которое использует 62,5 МДж/м 2 (5,5 кБТЕ/фут 2 ). [16] Исследование результатов полевых испытаний в Кувейте показало, что требования к мощности для испарительного охладителя примерно на 75% меньше, чем требования к мощности для обычного кондиционера с блочным охлаждением. [17]

Непрямое испарительное охлаждение

Процесс косвенного испарительного охлаждения

Косвенное испарительное охлаждение (замкнутый контур) — это процесс охлаждения, который использует прямое испарительное охлаждение в дополнение к некоторому теплообменнику для передачи холодной энергии в приточный воздух. Охлажденный влажный воздух из процесса прямого испарительного охлаждения никогда не вступает в прямой контакт с кондиционированным приточным воздухом. Поток влажного воздуха выпускается наружу или используется для охлаждения других внешних устройств, таких как солнечные батареи, которые более эффективны, если их поддерживать в прохладном состоянии. Это делается для того, чтобы избежать избыточной влажности в закрытых помещениях, что не подходит для жилых систем.

цикл Майсоценко

Производитель косвенного охладителя использует цикл Майсоценко (M-цикл), названный в честь изобретателя и профессора доктора Валерия Майсоценко, использует итеративный (многоступенчатый) теплообменник, изготовленный из тонкой перерабатываемой мембраны, которая может снизить температуру воздуха продукта до температуры ниже температуры влажного термометра и может приближаться к точке росы . [18] Испытания, проведенные Министерством 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 сухой западной половине США и не рекомендовался для использования в гораздо более влажной восточной половине США. Оценка показала, что потребление воды системой в 2–3 галлона на тонну охлаждения (12 000 БТЕ) было примерно равно по эффективности потреблению воды новыми высокоэффективными электростанциями. Это означает, что более высокая эффективность может быть использована для снижения нагрузки на сеть без необходимости использования дополнительной воды, и может фактически сократить потребление воды, если источник питания не имеет высокоэффективной системы охлаждения. [19]

Система на основе M-Cycle, созданная Coolerado, в настоящее время используется для охлаждения Центра обработки данных Национального центра обработки данных по снегу и льду NASA (NSIDC). Объект охлаждается воздухом при температуре ниже 70 градусов по Фаренгейту и использует систему Coolerado при температуре выше этой. Это возможно, поскольку обработчик воздуха для системы использует свежий наружный воздух, что позволяет ему автоматически использовать прохладный наружный окружающий воздух, когда позволяют условия. Это позволяет избежать запуска системы охлаждения, когда это не нужно. Он питается от массива солнечных панелей, который также служит в качестве вторичного источника питания в случае отключения основного питания. [20]

Система имеет очень высокую эффективность, но, как и другие испарительные системы охлаждения, ограничена уровнем влажности окружающей среды, что ограничивает ее применение в жилых помещениях. Ее можно использовать в качестве дополнительного охлаждения во время экстремальной жары, не создавая значительной дополнительной нагрузки на электрическую инфраструктуру. Если в месте есть избыточные запасы воды или избыточные мощности опреснения, ее можно использовать для снижения чрезмерного спроса на электроэнергию, используя воду в доступных блоках M-Cycle. Из-за высокой стоимости обычных блоков кондиционирования воздуха и экстремальных ограничений многих систем электроснабжения блоки M-Cycle могут быть единственными подходящими системами охлаждения, подходящими для бедных районов во время экстремально высоких температур и высокого спроса на электроэнергию. В развитых районах они могут служить дополнительными резервными системами в случае электрической перегрузки и могут использоваться для повышения эффективности существующих обычных систем.

M-Cycle не ограничивается системами охлаждения и может применяться в различных технологиях от двигателей Стирлинга до атмосферных генераторов воды . Для охлаждения он может использоваться как в конфигурации с поперечным потоком, так и в конфигурации с 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 поэтому лучше подходит для крупных промышленных установок.

В отличие от традиционных методов охлаждения, КПД небольших систем остается высоким, так как им не требуются подъемные насосы или другое оборудование, необходимое для градирен. Системе охлаждения 1,5 тонны/4,4 кВт требуется всего 200 Вт для работы вентилятора, что дает КПД 26,4 и рейтинг EER 90. Это не учитывает энергию, необходимую для очистки или доставки воды, и строго является мощностью, необходимой для работы устройства после подачи воды. Хотя опреснение воды также представляет собой затраты, скрытая теплота испарения воды почти в 100 раз выше, чем энергия, необходимая для очистки самой воды. Кроме того, устройство имеет максимальную эффективность 55%, поэтому его фактический КПД намного ниже этого расчетного значения. Однако, независимо от этих потерь, эффективный КПД все еще значительно выше, чем у обычной системы охлаждения, даже если воду сначала необходимо очистить путем опреснения. В районах, где вода недоступна ни в какой форме, ее можно использовать с осушителем для извлечения воды с использованием доступных источников тепла, таких как солнечная тепловая энергия . [21] [22]

Теоретические разработки

В более новой, но еще не коммерциализированной конструкции «cold-SNAP» от Института Висса в Гарварде, напечатанная на 3D-принтере керамика 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 испаряться легче, что повышает относительную эффективность этой технологии. Непрямое охлаждение является эффективной стратегией для жаркого влажного климата, где нельзя позволить себе увеличивать влажность приточного воздуха из-за проблем с качеством воздуха в помещении и тепловым комфортом человека.

Стратегии пассивного непрямого испарительного охлаждения встречаются редко, поскольку эта стратегия подразумевает использование архитектурного элемента в качестве теплообменника (например, крыши). Этот элемент может быть опрыскан водой и охлажден посредством испарения воды на этом элементе. Эти стратегии встречаются редко из-за высокого использования воды, что также создает риск проникновения воды и нарушения конструкции здания.

Гибридные конструкции

Двухступенчатое испарительное охлаждение, или косвенно-прямое

На первом этапе двухступенчатого охладителя теплый воздух предварительно охлаждается косвенно, без добавления влажности (путем прохождения через теплообменник, который охлаждается испарением снаружи). На прямом этапе предварительно охлажденный воздух проходит через пропитанную водой прокладку и впитывает влажность по мере охлаждения. Поскольку подаваемый воздух предварительно охлаждается на первом этапе, на прямом этапе передается меньше влажности для достижения желаемых температур охлаждения. Результатом, по словам производителей, является более прохладный воздух с относительной влажностью от 50 до 70% в зависимости от климата по сравнению с традиционной системой, которая производит около 70–80% относительной влажности в кондиционируемом воздухе.

Испарительный + обычный резервный

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

Испарительный + пассивный дневной лучистый + теплоизоляция

Испарительное охлаждение можно комбинировать с пассивным дневным радиационным охлаждением и теплоизоляцией для повышения мощности охлаждения с нулевым потреблением энергии, хотя и с периодической «подзарядкой» воды в зависимости от климатической зоны установки. Система, разработанная Лу и др., «состоит из солнечного отражателя, насыщенного водой и излучающего ИК-излучение испарительного слоя и паропроницаемого, прозрачного для ИК-излучения и отражающего солнечный свет изоляционного слоя», причем верхний слой обеспечивает «отвод тепла как через испарение, так и через излучение, одновременно противодействуя нагреванию окружающей среды». Система продемонстрировала на 300% более высокую мощность охлаждения окружающей среды, чем автономное пассивное дневное радиационное охлаждение, и может продлить срок годности 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 отношение влажности ниже ~0,02 кг воды /кг воздуха . [25] Они также требуют значительных затрат воды. Чтобы устранить эти ограничения, испарительное охлаждение точки росы можно гибридизировать 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. Первая конфигурация с этим подходом повторно использовала воду осушения для обеспечения дальнейшего испарительного охлаждения. Такой подход может полностью обеспечить собственную воду для испарительного охлаждения, превосходит базовую систему осушительного колеса при любых условиях и превосходит компрессию пара в сухих условиях. Он также может обеспечить охлаждение при более высокой влажности без использования хладагентов, многие из которых имеют значительный потенциал парниковых газов. [25]

Материалы

Традиционно испарительные охладительные прокладки состоят из древесной стружки ( волокна осины ) внутри защитной сетки, но более современные материалы, такие как некоторые виды пластика и меламиновая бумага, входят в использование в качестве охладительных прокладок. Современные жесткие прокладки, обычно толщиной 8" или 12", добавляют больше влаги и, таким образом, охлаждают воздух лучше, чем обычно более тонкие осиновые прокладки. [26] Другой материал, который иногда используется, — гофрированный картон. [27] [28]

Соображения по дизайну

Использование воды

В засушливом и полузасушливом климате дефицит воды делает потребление воды проблемой при проектировании системы охлаждения. Согласно установленным счетчикам воды, в 2002 году было потреблено 420938 л (111 200 галлонов) воды для двух пассивных градирен в центре для посетителей Национального парка Зайон. [29] Однако такие опасения рассматриваются экспертами, которые отмечают, что для производства электроэнергии обычно требуется большое количество воды, а испарительные охладители потребляют гораздо меньше электроэнергии, и, таким образом, сопоставимы по количеству воды в целом, и стоят меньше в целом по сравнению с охладителями . [30]

Затенение

Прямое воздействие солнечных лучей на любую поверхность, которая может передавать дополнительное тепло в любую часть воздушного потока через блок, повысит температуру воздуха. Если тепло передается воздуху до прохождения через прокладки или если солнечный свет нагревает сами прокладки, испарение увеличится, но дополнительная энергия, необходимая для достижения этого, не будет исходить от энергии, содержащейся в окружающем воздухе, а будет поставляться солнцем, и это приведет не только к более высоким температурам, но и к более высокой влажности, так же как повышение температуры входящего воздуха любыми способами и нагревание воды перед распределением по прокладке любыми способами. Кроме того, солнечный свет может ухудшить некоторые среды и другие компоненты охладителя. Поэтому затенение рекомендуется при любых обстоятельствах, хотя вертикальной стороны прокладок и изоляции между внешними и внутренними горизонтальными (обращенными вверх) поверхностями для минимизации теплопередачи будет достаточно.

Механические системы

Помимо вентиляторов, используемых в механическом испарительном охлаждении, насосы являются единственным другим механическим оборудованием, необходимым для процесса испарительного охлаждения как в механических, так и в пассивных приложениях. Насосы могут использоваться либо для рециркуляции воды в подушку с мокрой средой, либо для подачи воды под очень высоким давлением в систему туманообразования для пассивной градирни. Технические характеристики насоса будут различаться в зависимости от скорости испарения и площади подушки с средой. В центре для посетителей национального парка Зайон используется насос мощностью 250 Вт (1/3 л.с.). [31]

Выхлоп

Вытяжные воздуховоды и/или открытые окна должны использоваться постоянно, чтобы воздух мог непрерывно выходить из кондиционируемой зоны. В противном случае давление возрастает, и вентилятор или воздуходувка в системе не могут проталкивать много воздуха через среду в кондиционируемую зону. Испарительная система не может функционировать без исчерпания непрерывной подачи воздуха из кондиционируемой зоны наружу. Оптимизируя размещение впускного отверстия для охлажденного воздуха, а также расположение проходов в доме, соответствующих дверей и окон в комнатах, система может использоваться наиболее эффективно для направления охлажденного воздуха в требуемые зоны. Хорошо спроектированная схема может эффективно удалять и вытеснять горячий воздух из требуемых зон без необходимости в надпотолочной вентиляционной системе. Непрерывный поток воздуха имеет важное значение, поэтому вытяжные окна или вентиляционные отверстия не должны ограничивать объем и проход воздуха, вводимого испарительной охлаждающей машиной. Также следует помнить о направлении наружного ветра, так как, например, сильный горячий южный ветер замедлит или ограничит отработанный воздух из окна, выходящего на юг. Всегда лучше держать окна, выходящие вниз по ветру, открытыми, а окна, выходящие вверх по ветру, закрытыми.

Различные типы установок

Типичные установки

Обычно бытовые и промышленные испарительные охладители используют прямое испарение и могут быть описаны как закрытый металлический или пластиковый ящик с вентилируемыми сторонами. Воздух перемещается центробежным вентилятором или нагнетателем (обычно приводимым в действие электродвигателем со шкивами, известными как «шкивы» в терминологии HVAC , или осевым вентилятором с прямым приводом), а водяной насос используется для смачивания испарительных охлаждающих пластин. Охлаждающие устройства могут быть установлены на крыше (нисходящая тяга или нисходящий поток) или на внешних стенах или окнах (боковая тяга или горизонтальный поток) зданий. Для охлаждения вентилятор втягивает окружающий воздух через вентиляционные отверстия по бокам устройства и через влажные пластины. Тепло в воздухе испаряет воду из пластин, которые постоянно повторно 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, чтобы воздух мог перемещаться изнутри наружу. Воздух должен проходить через систему только один раз, иначе охлаждающий эффект снизится. Это происходит из-за того, 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 конструкции для охлаждения воды или других теплоносителей до температуры, близкой к температуре окружающей среды по влажному термометру. Мокрые градирни работают по принципу испарительного охлаждения, но оптимизированы для охлаждения воды, а не воздуха. Градирни часто можно встретить на больших зданиях или на промышленных площадках. Они передают тепло в окружающую среду от охладителей, промышленных процессов или энергетического цикла Ренкина , например.

Системы туманообразования

Система распыления тумана с водяным насосом снизу

Системы туманообразования работают, нагнетая воду через насос высокого давления и трубку через распылительную насадку из латуни и нержавеющей стали с отверстием около 5 микрометров , тем самым создавая микротонкий туман. Капли воды, которые создают туман, настолько малы, что они мгновенно испаряются. Мгновенное испарение может снизить температуру окружающего воздуха на целых 35 °F (20 °C) всего за несколько секунд. [32] Для систем патио идеально устанавливать линию туманообразования примерно на высоте 8–10 футов (2,4–3,0 м) над землей для оптимального охлаждения. Туманообразование используется в таких областях, как клумбы, домашние животные, скот, питомники, борьба с насекомыми, борьба с запахами, зоопарки, ветеринарные клиники, охлаждение продукции и теплицы.

Вентиляторы для запотевания

Вентилятор для распыления похож на увлажнитель воздуха . Вентилятор распыляет в воздух мелкодисперсный туман воды. Если воздух не слишком влажный, вода испаряется, поглощая тепло из воздуха, что позволяет вентилятору для распыления также работать как охладитель воздуха. Вентилятор для распыления может использоваться на открытом воздухе, особенно в сухом климате. Его также можно использовать в помещении.

Небольшие портативные вентиляторы для распыления тумана на батарейках, состоящие из электрического вентилятора и ручного насоса для распыления воды, продаются как новинки. Их эффективность в повседневном использовании неясна. [ необходима 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 иметь возможность снижать температуру воздуха в пределах 3–4 °C (5–7 °F) от температуры влажного термометра.

Легко предсказать производительность охладителя на основе стандартной информации из прогноза погоды. Поскольку прогнозы погоды обычно содержат точку росы и относительную влажность , но не температуру смоченного термометра, для вычисления температуры смоченного термометра необходимо использовать психрометрическую диаграмму или простую компьютерную программу. После определения температуры смоченного термометра и температуры сухого термометра можно определить производительность охлаждения или температуру выходящего воздуха охладителя.

Для прямого испарительного охлаждения эффективность прямого насыщения, , измеряет, в какой степени температура воздуха, выходящего из прямого испарительного охладителя, близка к температуре влажного термометра входящего воздуха. 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 влажного термометра, наименее эффективные системы достигают только 50%. [33] Эффективность испарения падает очень незначительно с течением времени.

Типичные осиновые прокладки, используемые в бытовых испарительных охладителях, обеспечивают эффективность около 85%, в то время как испарительные среды типа CELdek [ необходимо дополнительное объяснение ] обеспечивают эффективность >90% в зависимости от скорости воздуха. Среда CELdek чаще используется в крупных коммерческих и промышленных установках.

Например, в Лас-Вегасе при типичной летней расчетной температуре 42 °C (108 °F) по сухому термометру и 19 °C (66 °F) по влажному термометру или относительной влажности около 8 % температура выходящего воздуха из бытового охладителя с эффективностью 85 % будет равна:

 = 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 взаимосвязь:

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

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

Это же уравнение показывает, почему испарительные охладители ограниченно применимы в условиях высокой влажности: например, жаркий августовский день в Токио может быть 30 °C (86 °F) при относительной влажности 85%, давлении 1005 гПа. Это дает точку росы 27,2 °C (81,0 °F) и температуру влажного термометра 27,88 °C (82,18 °F). Согласно приведенной выше формуле, при эффективности 85% воздух может быть охлажден только до 28,2 °C (82,8 °F), что делает это совершенно непрактичным.

Сравнение с другими типами кондиционирования воздуха

Вентилятор для запотевания

Сравнение испарительного охлаждения с кондиционированием воздуха на основе охлаждения :

Преимущества

Менее затратный в установке и эксплуатации

Простота установки и обслуживания

Вентиляция воздуха

Недостатки

Производительность

Комфорт

Использование воды

Частота технического обслуживания

Опасности для здоровья

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хейрабади, Масуд (1991). Иранские города: формирование и развитие. Остин, Техас: University of Texas Press. стр. 36. ISBN 978-0-292-72468-6.
  2. ^ Зеллвегер, Джон (1906). «Воздушный фильтр и охладитель». Патент США 838602. Архивировано из оригинала 24 января 2013 г.
  3. ^ Эссик, Брайант (1945). «Прокладка для испарительных охладителей». Патент США 2391558 .
  4. ^ Лэндис, Скотт (1998). Книга семинара . Taunton Press. стр. 120. ISBN 978-1-56158-271-6. испарительный охладитель с короткозамкнутым ротором, популярный на юго-западе.
  5. ^ Гутенберг, Артур Уильям (1955). Экономика отрасли испарительных охладителей на юго-западе США. Высшая школа бизнеса Стэнфордского университета. стр. 167.
  6. ^ Такие устройства устанавливались на пассажирском окне транспортного средства; окно поднималось почти до упора, оставляя достаточно места только для вентиляционного отверстия, через которое холодный воздух поступал в транспортное средство.
  7. ^ abc Givoni, Baruch (1994). Пассивное и низкоэнергетическое охлаждение зданий . Van Nostrand Reinhold.
  8. ^ Макдауэлл, Р. (2006). Основы систем HVAC , Elsevier, Сан-Диего, стр. 16.
  9. ^ Крайер, Пэт. «Хранение продуктов питания в рабочем лондонском домохозяйстве в 1900-х годах». 1900s.org.uk . Получено 22 ноября 2013 г.
  10. ^ Бонан, Гордон Б. (13 июня 2008 г.). «Леса и изменение климата: воздействия, обратные связи и климатические преимущества лесов». Science . 320 (5882): 1444–9. Bibcode :2008Sci...320.1444B. doi :10.1126/science.1155121. PMID  18556546. S2CID  45466312.
  11. ^ Ферплоген, Эрик; Ринкер, Питер; Огнакоссан, 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 исследований окружающей среды, Университет Аризоны .
  14. ^ Квок, Элисон Г.; Грондзик, Уолтер Т. (2007). Справочник зеленой студии: экологические стратегии для схематического проектирования . Architectural Press. ISBN 978-0-08-089052-4.
  15. ^ Грондзик, Уолтер Т.; Квок, Элисон Г.; Стайн, Бенджамин; Рейнольдс, Джон С. (2010). Механическое и электрическое оборудование . John Wiley & Sons.
  16. ^ Управление энергетической информации. "Ежегодный обзор энергетики 2004". EIA . Министерство энергетики США . Получено 12 декабря 2014 г.
  17. ^ Махешвари, ГП; Аль-Рагом, Ф.; Сури, РК (2001). «Энергосберегающий потенциал косвенного испарительного охладителя». Applied Energy . 69 (1): 69–76. Bibcode : 2001ApEn...69...69M. doi : 10.1016/S0306-2619(00)00066-0.
  18. ^ см. вкладку «Независимые испытания», «Оценка термодинамических характеристик нового цикла воздушного охлаждения» и другие статьи http://www.coolerado.com/products/material-resource-center/
  19. ^ Coolerado Cooler помогает экономить энергию охлаждения и деньги: новая технология охлаждения нацелена на снижение пиковой нагрузки; Робишо, Р.; 2007; https://www.osti.gov/biblio/908968-coolerado-cooler-helps-save-cooling-energy-dollars-new-cooling-technology-targets-peak-load-reduction
  20. ^ "Coolerado охлаждает центр обработки данных Snow & Ice". Data Center Knowledge . 12 августа 2011 г.
  21. ^ Противоточный и перекрестноточный тепломассообменник на основе цикла Майсоценко: вычислительное исследование. Международная конференция по энергосбережению и энергоэффективности 2017 г. (ICECE). Расих Тарик; Надим Ахмед Шейх: 2017, стр. 44–49
  22. ^ Цикл Майсоценко: обзор технологий и потенциал энергосбережения в системах охлаждения. Журнал «Технологии управления энергетикой и выбросами». 6 марта 2015 г. Том 2015:3 стр. 15–22. Эммануэль Д. Рогдакис, Димитриос Ник Тертипис. Факультет машиностроения, Национальный технический университет Афин, Афины, Греция
  23. ^ "cold-SNAP: Экологичное кондиционирование воздуха". Институт Висса . 27 сентября 2019 г.
  24. ^ Лу, Чжэнмао; Лерой, Арни; Чжан, Ленан; Патель, Джатин Дж.; Ван, Эвелин Н.; Гроссман, Джеффри К. (сентябрь 2022 г.). «Значительно улучшенное пассивное охлаждение ниже уровня окружающей среды благодаря испарению, излучению и изоляции». Cell Reports Physical Science . 3 (10): 101068. Bibcode :2022CRPS....301068L. doi : 10.1016/j.xcrp.2022.101068 . hdl : 1721.1/146578 . S2CID  252411940.
  25. ^ abc Mumtaz, Maisha; Pamintuan, Bryan C.; Fix, Andrew J.; Braun, James E.; Warsinger, David M. (2023). «Гибридное мембранное осушение и испарительное охлаждение с точкой росы для устойчивого кондиционирования воздуха». Energy Conversion and Management . 294. Elsevier BV: 117547. Bibcode : 2023ECM...29417547M. doi : 10.1016/j.enconman.2023.117547. ISSN  0196-8904. S2CID  261440235.
  26. ^ 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.). "Охладитель болота из гофрированного картона от Sundrop Farm". Theguardian.com . Получено 25 сентября 2018 г.
  28. ^ "Система Sundrop Farm". Sundropfarms.com. 2014-06-20 . Получено 2018-09-25 .
  29. ^ Торчеллини, П.; Лонг, Н.; Плесс, С.; Джадкофф, Р. (февраль 2005 г.). Оценка низкоэнергетического дизайна и энергоэффективности центра для посетителей национального парка Зайон – Технический отчет NREL/TP-550-34607 (PDF) . стр. 88 . Получено 9 июня 2020 г. .
  30. ^ "Руководство по проектированию испарительного охлаждения для школ и коммерческих зданий Нью-Мексико" (PDF) . Декабрь 2002 г. стр. 25–27 . Получено 12 сентября 2015 г.
  31. ^ Торчеллини, П.; Плесс, С.; Деру, М.; Лонг, Н.; Джадкофф, Р. (2006). Уроки, извлеченные из практических исследований шести высокопроизводительных зданий – Технический отчет NREL/TP-550-37542 (PDF) .
  32. ^ [1] Архивировано 18 мая 2007 г. на Wayback Machine.
  33. ^ ab Системы и оборудование HVAC (ред. SI). Атланта, Джорджия: Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха (ASHRAE). 2012. стр. 41.1.
  34. ^ Криггер, Джон; Дорси, Крис (2004). Энергия в жилых домах: экономия средств и комфорт для существующих зданий (4-е изд.). Saturn Resource Management. стр. 207. ISBN 978-1-880120-12-5.[ постоянная мертвая ссылка ]
  35. ^ "Испарительный охладитель/ Испарительный охладитель". Waterlinecooling.com. Архивировано из оригинала 2013-12-02 . Получено 2013-11-22 .
  36. ^ "Новейшие технологии, стильный внешний вид и компактная конструкция". bonafideresearch.com . Получено 04.08.2021 .
  37. ^ "Краткая заметка о кулере NID" (PDF) . Правительство Индии - Национальный центр по контролю и профилактике заболеваний. Архивировано из оригинала (PDF) 10 октября 2017 г. Получено 22 ноября 2013 г.

Внешние ссылки