Răcitor prin evaporare

Un răcitor prin evaporare (de asemenea , răcitor cu aer umed , răcitor prin evaporare / aer condiționat ) este un dispozitiv care răcește aerul prin evaporarea apei. Răcirea prin evaporare este diferită de sistemele convenționale de aer condiționat care utilizează un ciclu de compresie a vaporilor sau un ciclu de refrigerare cu absorbție . Se bazează pe utilizarea unei călduri specifice mari de evaporare a apei. Temperatura aerului uscat poate fi scăzută substanțial prin schimbarea fazei de la apă lichidă la vapori, un proces care necesită mult mai puțină energie decât refrigerarea prin compresie . În climatele foarte uscate, răcirea evaporativă are și avantajul de a crește umiditatea aerului atunci când este condiționat, iar acest lucru creează mai mult confort oamenilor din cameră. Cu toate acestea, spre deosebire de refrigerarea cu compresie de vapori, necesită o sursă constantă de apă, iar în timpul funcționării o consumă constant.

Diferența fundamentală dintre un sistem de răcire prin evaporare și sistemele convenționale este că, implicit, funcționează cu aer proaspăt 100%, adică nu are loc doar răcirea, ci și ventilația constantă a încăperii deservite. Pentru a îmbunătăți microclimatul în spațiile industriale, de regulă, este necesar să se asigure un schimb de aer ridicat cu furnizarea de aer proaspăt și curat (purificat) în spații, dacă este posibil răcit. Pentru întreprinderile industriale mari cu o rată mare de schimb de aer, utilizarea sistemelor clasice de răcire cu mașini frigorifice (răcitoare, agregate compresor-condens) provoacă costuri extreme de energie.

Termenul american „swamp cooler” poate să provină din mirosul de alge produs de modelele timpurii [1] .  Tipurile de răcitoare evaporative, cum ar fi mașina de spălat cu aer și turnul de răcire, nu sunt proiectate pentru aplicații rezidențiale, deși folosesc aceleași principii ca și un răcitor prin evaporare. Un răcitor prin evaporare poate fi, de asemenea, utilizat pentru a crește eficiența sistemelor mari de aer condiționat (bobine de răcire)[ specificați ] . Răcirea prin evaporare este deosebit de potrivită pentru climatele cu temperaturi ridicate și umiditate scăzută. De exemplu, în SUA, acestea sunt orașe precum Denver , Salt Lake City , Albuquerque , El Paso , Tucson și Fresno , unde răcitoarele cu evaporare sunt comune și sunt disponibile cantități mari de apă.

Aerul condiționat prin evaporare este, de asemenea, potrivit și destul de popular în sudul (temperat) Australiei . În climatele uscate, aride , costul instalării și funcționării unui răcitor prin evaporare este cu aproximativ 80% mai mic decât în ​​cazul unei instalații clasice de aer condiționat. Cu toate acestea, răcirea prin evaporare și prin compresie sunt uneori folosite împreună pentru a obține rezultate optime de răcire cu aer. Unele răcitoare prin evaporare pot fi folosite ca umidificatoare în timpul sezonului de încălzire .

Pe lângă faptul că este utilizat pe scară largă în climatele uscate, există multe aplicații rentabile ale răcirii evaporative în locuri cu umiditate moderată. Este adesea folosit de întreprinderile industriale, bucătăriile de restaurante, spălătorii , curățătorii chimice , sere , locurile cu răcire suplimentară (docuri, depozite, fabrici, șantiere, evenimente sportive, ateliere, garaje și creșe), complexe agricole (case de păsări, porci, etc.). grajduri). În climatele umede, răcirea prin evaporare poate avea un ușor avantaj în confortul termic față de ventilația crescută . Numai in regiunile tropicale umiditatea este peste 60% in timpul zilei de lucru (de la 11 a.m. la 4 p.m.), in perioada cu cea mai mare temperatura a aerului din timpul zilei, cand racirea este cu adevarat necesara. La unitățile de producție, cu umiditate externă semnificativă (de la 70%, dimineața, seara și noaptea), răcitoarele funcționează doar pentru ventilarea încăperii, o rată ridicată de schimb de aer (mobilitatea aerului) asigură un efect de răcire în sine.

Istorie

Timp de secole, civilizațiile au găsit metode originale de a face față căldurii în teritoriile lor. O formă timpurie de sistem de răcire, „ captorul de vânt ” (Bâd gir), a fost inventată cu multe mii de ani în urmă în Persia (Iran) . Era un sistem de puțuri de vânt de pe acoperiș care prindea vântul, îl trecea prin apă și suflau aer rece în interior. Astăzi, Iranul a înlocuit captatoarele de vânt cu răcitoare evaporative (Coolere Âbi) și le folosește pe scară largă [2] . Există aproximativ 9.000.000 de răcitoare cu evaporare în centrul Iranului, iar în primele două luni ale anului 1385 conform calendarului persano-iranian (aprilie-mai 2006), 130.000 de astfel de dispozitive au fost vândute în Iran [3] .

În SUA, răcitorul cu evaporare a făcut obiectul a numeroase brevete în secolul al XX-lea. Multe dintre acestea, începând din 1906 [4] , au propus utilizarea așchiilor de lemn ca garnitură pentru a transporta o cantitate mare de apă în contact cu aerul în mișcare și pentru a susține evaporarea intensivă. Designul standard, așa cum se arată în brevetul din 1945, include un rezervor de apă (prevăzut de obicei cu o supapă plutitoare pentru controlul nivelului), o pompă pentru a circula apa prin distanțierele de așchii de lemn și un ventilator pentru a sufla aer prin distanțiere în living. sferturi [5] . Acest design și materiale rămân pilonul principal al tehnologiei de răcire prin evaporare din sud-vestul SUA . În această regiune, sunt folosite suplimentar pentru a crește umiditatea [6] .

Răcirea prin evaporare a fost comună în motoarele de avioane din anii 1930 , cum ar fi motorul dirijabilului Beardmore Tornado. Acest sistem a fost folosit pentru a reduce sau elimina radiatorul , care altfel ar crea o rezistență aerodinamică semnificativă . În aceste sisteme, apa din motor a fost presurizată cu pompe care i-au permis să se încălzească până la peste 100°C, deoarece punctul de fierbere real este dependent de presiune. Apa supraîncălzită a fost pulverizată printr-o duză pe o țeavă deschisă, unde s-a evaporat instantaneu, luându-și căldura. Aceste tuburi ar putea fi situate sub suprafața aeronavei pentru a crea rezistență zero. Cu toate acestea, aceste sisteme au avut și dezavantaje serioase. Deoarece era nevoie de un număr mare de țevi pentru răcirea apei, sistemul de răcire a ocupat mult spațiu în avion, chiar și atunci când era ascuns. În același timp, au apărut întrebări de complexitate și fiabilitate. Pe lângă faptul că era mare, acest sistem a fost ușor dezactivat de focul inamic și practic imposibil de blindat. În schimb, designerii de avioane britanici și americani au început să folosească etilenglicol în sistemele lor de radiatoare de răcire . Germanii au început să folosească radiatoare standard raționalizate. Chiar și cei mai mari susținători ai metodei, frații Heinkel și Günter, au încetat să o mai folosească în 1940.

Pe unele vehicule au fost instalate dispozitive exterioare de răcire prin evaporare [7] pentru a răci habitaclu. Adesea au fost vândute ca accesorii suplimentare. Utilizarea dispozitivelor de răcire prin evaporare în automobile a continuat până când aerul condiționat cu compresie de vapori a devenit larg răspândit.

O nouă perioadă în dezvoltarea răcirii evaporative a început cu invenția în 1976 în URSS și introducerea ulterioară în lume a ciclului Maisotsenko, ciclul M. Practic, tot ce este scris în acest articol despre aer condiționat prin evaporare se aplică răcirii prin evaporare directă. Sistemele mai moderne folosesc răcirea indirectă (indirectă), care este proiectată cu canale umede și uscate, permițând răcirea la temperatura bulbului umed. Cea mai avansată este răcirea evaporativă indirectă regenerativă, care se numește acum ciclu M. Aparatele de aer condiționat bazate pe acesta, datorită evaporării apei, sunt capabile să răcească aerul până la temperatura punctului de rouă, dar în același timp oferă o reducere de 10 ori a consumului de energie, a emisiilor de carbon și a costurilor (comparativ cu compresia tradițională a vaporilor). refrigerare). În 2020, a fost creată o nouă generație a treia de tehnologii ciclului Maisotsenko, care este de două ori mai eficientă în reducerea consumului de energie și de 5 ori mai eficientă în reducerea consumului de apă. Pe baza noii tehnologii M-cycle, efectul a fost demonstrat atunci când aerul este răcit de la o temperatură de peste 100 de grade Celsius din cauza evaporării apei – în timp ce apa se transformă în stare gazoasă la presiunea atmosferică, dar nu fierbe.

Principii fizice

Răcirea prin evaporare  este un fenomen fizic în care evaporarea unui lichid în aerul înconjurător răcește un obiect sau lichid în contact cu acesta. Căldura latentă , cantitatea de căldură necesară pentru a evapora un lichid, este preluată din mediu. Când se studiază evaporarea apei, un bulb umed este comparat cu un bulb uscat , valoarea rezultată corespunde potențialului de răcire al evaporării. Cu cât diferența dintre cele două temperaturi este mai mare, cu atât efectul de răcire este mai mare. Dacă temperatura este aceeași, atunci nu există evaporare a apei în atmosfera înconjurătoare și, în consecință, nu există efect de răcire.

Un exemplu simplu de răcire prin evaporare naturală este transpirația , prin care organismul eliberează transpirație pentru a se răci. Cantitatea de căldură transferată depinde de nivelul de evaporare, pentru fiecare kilogram de apă evaporată se transferă 2257 kJ (la o temperatură de 35 °C). Nivelul de evaporare depinde de umiditatea și temperatura aerului din jur, astfel încât transpirația se acumulează pe corp în zilele calde și umede. Transpirația eliberată în astfel de condiții nu se poate evapora.

Principiul răcirii prin evaporare este diferit de cel al răcirii cu compresie de vapori, deși necesită și evaporare (evaporarea face parte din sistem). Într-un ciclu de compresie a vaporilor, după ce agentul frigorific din interiorul serpentinei evaporatorului s-a evaporat, gazul frigorific este comprimat și răcit, condensându-se sub presiune în stare lichidă. Spre deosebire de acest ciclu, într-un răcitor cu evaporare, apa este evaporată o singură dată. Apa evaporată din dispozitivul de răcire este evacuată în spațiu cu aer răcit. În turnul de răcire, apa evaporată este transportată de fluxul de aer.

Aplicație

Răcirea prin evaporare, datorită costului redus și consumului redus de energie, este o modalitate obișnuită de răcire a încăperilor pentru a menține confortul termic. Răcirea prin evaporare necesită o sursă constantă de apă pentru evaporare, iar într-o casă fără eliminarea completă a aerului proaspăt și răcit care intră, este eficientă numai la umiditate relativă scăzută. Cu toate acestea, în industrie, utilizarea aerului exterior 100% și asigurarea unei ventilații constante este un avantaj suplimentar al acestui sistem.

Pentru a menține sistemul eficient, acesta trebuie să poată elimina tot aerul proaspăt care intră, altfel răcirea prin evaporare crește substanțial nivelul de umiditate, ceea ce poate cauza probleme precum cristalizarea sării, umflarea panourilor din lemn, ușilor și ornamentelor, defectarea pianului sau rugina internă.

Aplicarea acestui tip de răcire este foarte comună în criogenie . Vaporii sunt pompați continuu din rezervorul de lichid criogenic și lichidul este vaporizat continuu atâta timp cât se menține o saturație substanțială a vaporilor . Răcirea evaporativă cu heliu convențional într-un vas de 1 K poate aduce temperaturile până la cel puțin 1,2 K. Răcirea evaporativă cu heliu-3 poate aduce temperaturi sub 300 mK. Aceste tehnologii pot fi utilizate pentru a crea criocooler și ca o componentă a sistemelor de criostază la temperatură joasă (cum ar fi frigiderele cu diluție ). Pe măsură ce temperatura scade, la fel scade și saturația vaporilor peste lichid, după care răcirea devine mai puțin eficientă. Acest fenomen stabilește limita inferioară de temperatură care poate fi atinsă pentru un anumit lichid.

Deși navele spațiale robotizate folosesc aproape în întregime radiația termică , în misiuni scurte, multe nave spațiale cu echipaj au aplicat răcirea evaporativă. Exemplele includ Naveta Spațială , Modulul Apollo , Modulul Lunar și sistemul principal de susținere a vieții utilizat în programul Apollo. Apollo CSM și naveta spațială aveau și radiatoare instalate, iar sistemul de navetă putea vaporiza amoniacul, precum și apa. Nava spațială Apollo a folosit un purificator, un mic dispozitiv pasiv care a aruncat căldura în exces în vapori de apă și a aruncat-o în spațiu. Când apa lichidă este plasată în vid, aceasta începe să fiarbă rapid, ducând suficientă căldură pentru a îngheța restul, gheața rezultată acoperă purificatorul și reglează automat debitul de apă de alimentare cu sarcina termică. A folosit apa rămasă de la celulele de combustibil folosite pe multe nave spațiale cu echipaj pentru a genera electricitate.

Design de răcitoare cu evaporare

Toate modelele de răcitoare cu evaporare profită de faptul că apa are una dintre cele mai mari entalpii de vaporizare cunoscute (căldura specifică de vaporizare).

Răcirea prin evaporare directă (ciclu deschis) este utilizată pentru a reduce temperatura aerului folosind căldura specifică de evaporare, schimbând starea lichidă a apei în stare gazoasă. În acest proces, energia din aer nu se schimbă. Aerul uscat și cald este înlocuit cu aer rece și umed. Căldura din aerul exterior este folosită pentru a evapora apa.

Răcirea evaporativă indirectă (buclă închisă) este un proces similar cu răcirea evaporativă directă, dar care utilizează un anumit tip de schimbător de căldură . În acest caz, aerul umed, răcit nu intră în contact cu mediul condiționat.

Răcire prin evaporare în două etape sau indirectă/directă. Răcitoarele prin evaporare tradiționale utilizează doar o fracțiune din energia necesară sistemelor de refrigerare cu compresie de vapori sau sisteme de aer condiționat cu adsorbție. Din păcate, ele ridică umiditatea la un nivel inconfortabil (cu excepția zonelor cu climă foarte uscată). Răcitoarele cu evaporare cu două trepte nu cresc nivelul de umiditate la fel de mult ca răcitoarele cu evaporare standard cu o singură treaptă. În prima treaptă a unui răcitor cu două trepte, aerul cald este răcit indirect fără creșterea umidității (prin trecerea printr-un schimbător de căldură răcit prin evaporare din exterior). În stadiul direct, aerul pre-răcit trece prin tamponul îmbibat cu apă, se răcește în continuare și devine mai umed. Deoarece procesul include o primă etapă de pre-răcire, etapa de evaporare directă necesită mai puțină umiditate pentru a atinge temperaturile necesare. Drept urmare, conform producătorilor, procesul răcește aerul cu umiditate relativă în intervalul 50-70%, în funcție de climă. În comparație, sistemele tradiționale de răcire ridică umiditatea aerului la 70-80%.

Răcire evaporativă indirectă regenerativă sau ciclu Maisotsenko, ciclu M (ciclul Maisotsenko, ciclu M). Inventat și brevetat în 1976, procesul de răcire evaporativă este o descoperire tehnologică care permite răcirii gazelor (aerului) și lichidelor (apă) la temperatura punctului de rouă a aerului exterior fără a crește umiditatea aerului produs. Autorul este un fost om de știință și inventator sovietic (în prezent american), doctor și profesor Valery Stepanovici Maisotsenko. O caracteristică importantă a ciclului Maisotsenko este creșterea capacității de răcire cu creșterea temperaturii aerului exterior și posibilitatea de a reduce dimensiunea aparatelor de aer condiționat prin evaporare de uz casnic la scara unui dispozitiv portabil și individual. Ciclul M este implementat în aparatele de aer condiționat produse în serie de prima (marca Climate Wizard) și a doua generație (Coolerado). În vara anului 2020, echipa de cercetare a ciclului Maisotsenko a creat un design industrial - un prototip de a treia generație Gen3, care îmbunătățește performanța Coolerado cu 50% în reducerea consumului de energie, de 2 ori în reducerea căderii de presiune și de 10 ori în accesibilitatea.

Design standard

În mod obișnuit, răcitoarele rezidențiale și industriale utilizează răcirea prin evaporare directă și pot fi descrise ca carcase închise din metal sau plastic, cu o parte ventilată care conține un ventilator , un motor electric cu scripete sau un ventilator axial cu antrenare directă și o pompă de apă pentru umezirea plăcuțelor de evaporare. Unitatea poate fi montată pe acoperișul unei clădiri (curgere în jos) sau pe pereții exteriori și ferestre (curgere orizontală). În scopul răcirii, ventilatorul atrage aer prin orificiile laterale de ventilație și îl împinge prin plăcuțele umede. Căldura aerului evaporă apa din tampoane, care sunt umezite în mod constant pentru a continua procesul de răcire. Ulterior, aerul racit si umed este distribuit in intreaga cladire prin ventilatie in acoperis sau pereti. Deoarece aerul rece este suflat din exterior, trebuie să existe orificii de evacuare în cameră pentru a lăsa aerul să curgă înapoi. Aerul trebuie să treacă prin sistem o singură dată, altfel efectul de răcire va fi redus. Acest lucru se datorează atingerii punctului de saturație al aerului . Adesea, în încăperile deservite de răcitoare cu evaporare, există aproximativ 15 schimbări de aer pe oră (ACH).