Evaporativ kylare

En evaporativ kylare (även fuktig luftkylare , evaporativ kylare/ luftkonditionering ) är en anordning som kyler luften genom att förånga vatten. Evaporativ kylning skiljer sig från konventionella luftkonditioneringssystem som använder en ångkompressionscykel eller en absorptionskylningscykel . Det är baserat på användningen av en stor specifik värme för avdunstning av vatten. Temperaturen på torr luft kan sänkas avsevärt genom vätske-till-ånga fasförändring, en process som kräver betydligt mindre energi än kompressionskylning . I mycket torra klimat har evaporativ kylning också fördelen att den ökar luftfuktigheten i luften när den är konditionerad, och detta skapar mer komfort för personerna i rummet. Men till skillnad från ångkompressionskylning kräver den en konstant vattenkälla, och under drift förbrukar den ständigt det.

Den grundläggande skillnaden mellan ett evaporativt kylsystem och konventionella system är att det som standard fungerar på 100 % frisk luft, det vill säga att inte bara kyla utan även konstant ventilation av det betjänade rummet sker. För att förbättra mikroklimatet i industrilokaler är det som regel nödvändigt att säkerställa en hög luftväxlingshastighet med tillförsel av frisk och ren (renad) luft till lokalerna, om möjligt kyld. För stora industriföretag med hög luftväxlingshastighet orsakar användningen av klassiska kylsystem med kylmaskiner (kylaggregat, kompressor-kondensatenheter) extrema energikostnader.

Den amerikanska termen "träskylare" kan ha kommit från lukten av alger som producerats av tidiga modeller [1] .  Typer av evaporativ kylare som lufttvätt och kyltorn är inte designade för bostadsapplikationer, även om de använder samma principer som en evaporativ kylare. En evaporativ kylare kan också användas för att öka effektiviteten hos stora luftkonditioneringssystem (kylslingor)[ specificera ] . Evaporativ kylning är särskilt väl lämpad för klimat med höga temperaturer och låg luftfuktighet. Till exempel i USA är dessa städer som Denver , Salt Lake City , Albuquerque , El Paso , Tucson och Fresno , där avdunstningskylare är vanliga och stora vattenvolymer är tillgängliga.

Evaporativ luftkonditionering är också väl lämpad och ganska populär i södra (tempererade) Australien . I torra, torra klimat är kostnaden för att installera och driva en evaporativ kylare cirka 80 % mindre än med en klassisk luftkonditioneringsinstallation. Emellertid används ibland evaporativ kylning och kompressionskylning tillsammans för att erhålla optimala luftkylningsresultat. Vissa evaporativa kylare kan användas som luftfuktare under eldningssäsongen .

Förutom att det används i stor utsträckning i torrt klimat, finns det många kostnadseffektiva tillämpningar av evaporativ kylning på platser med måttlig luftfuktighet. Det används ofta av industriföretag, restaurangkök, tvätterier , kemtvättar , växthus , platser med extra kylning (bryggor, lager, fabriker, byggarbetsplatser, sportevenemang, verkstäder, garage och plantskolor), jordbrukskomplex (fjäderfähus, svinstior, ladugårdar). I fuktigt klimat kan evaporativ kylning ha en liten fördel i termisk komfort framför ökad ventilation . Endast i tropiska områden är luftfuktigheten över 60 % under arbetsdagen (från 11.00 till 16.00), under perioden med högsta lufttemperatur under dagen, när kylning verkligen är nödvändig. Vid produktionsanläggningar, med betydande extern luftfuktighet (från 70%, på morgonen, kvällen och natten), fungerar kylare endast för ventilation av rummet, en hög luftväxlingshastighet (luftrörlighet) ger en kyleffekt i sig.

Historik

I århundraden har civilisationer hittat originella metoder för att hantera värmen i sina territorier. En tidig form av kylsystem, " vindfångaren " (Bâd gir), uppfanns för många tusen år sedan i Persien (Iran) . Det var ett system av vindschakt på taket som fångade vinden, förde den genom vattnet och blåste kall luft in i det inre. Idag har Iran ersatt vindfångare med evaporativa kylare (Coolere Âbi) och använder dem flitigt [2] . Det finns omkring 9 000 000 evaporativa kylare i centrala Iran, och under de två första månaderna av året 1385 enligt den persisk-iranska kalendern (april-maj 2006) såldes 130 000 sådana apparater i Iran [3] .

I USA har evaporativ kylare varit föremål för många patent under 1900-talet. Många av dem, med början 1906 [4] , föreslog användningen av träspån som en packning för att transportera en stor mängd vatten i kontakt med rörlig luft och stödja intensiv avdunstning. Standarddesignen, som visas i 1945 års patent, inkluderar en vattentank (vanligtvis utrustad med en flottörventil för nivåkontroll), en pump för att cirkulera vatten genom träflisdistanserna och en fläkt för att blåsa luft genom distanserna in i vardagsrummet kvartal [5] . Denna design och material förblir stöttepelaren i evaporativ kylarteknik i sydvästra USA . I denna region används de dessutom för att öka luftfuktigheten [6] .

Evaporativ kylning var vanlig i 1930 -talets flygplansmotorer , som motorn för luftskeppet Beardmore Tornado. Detta system användes för att minska eller eliminera kylaren , som annars skulle skapa betydande aerodynamisk motstånd . I dessa system trycksattes vattnet i motorn med pumpar som gjorde att den kunde värmas upp till över 100°C, eftersom den faktiska kokpunkten är tryckberoende. Överhettat vatten sprutades genom ett munstycke på ett öppet rör, där det omedelbart avdunstade och tog sin värme. Dessa rör kan placeras under flygplanets yta för att skapa noll drag. Dessa system hade emellertid också allvarliga nackdelar. Eftersom det behövdes ett stort antal rör för att kyla vattnet tog kylsystemet mycket plats i flygplanet, även när det var gömt. Samtidigt uppstod frågor om komplexitet och tillförlitlighet. Förutom att det var stort, var detta system lätt inaktiverat av fiendens eld och praktiskt taget omöjligt att bepansra. Istället började brittiska och amerikanska flygplansdesigners använda etylenglykol i sina kylsystem . Tyskarna började använda vanliga strömlinjeformade radiatorer. Till och med metodens största förespråkare, bröderna Heinkel och Günter, slutade använda den 1940.

Externa evaporativa kylanordningar [7] installerades på vissa fordon för att kyla passagerarutrymmet. Ofta såldes de som extra tillbehör. Användningen av evaporativa kylanordningar i bilar fortsatte tills ångkompressionsluftkonditionering blev utbredd.

En ny period i utvecklingen av evaporativ kylning började med uppfinningen 1976 i Sovjetunionen och den efterföljande introduktionen i världen av Maisotsenko-cykeln, M-cykeln. Praktiskt taget allt som skrivs i den här artikeln om evaporativ luftkonditionering gäller direkt evaporativ kylning. Mer moderna system använder indirekt (indirekt) kylning, som är utformad med våta och torra kanaler, vilket tillåter kylning till våt glödlampstemperatur. Den mest avancerade är regenerativ indirekt evaporativ kylning, som nu kallas M-cykeln. Luftkonditioneringsapparater baserade på det, på grund av avdunstning av vatten, kan kyla luften till daggpunktstemperaturen, men ger samtidigt en 10-faldig minskning av energiförbrukning, koldioxidutsläpp och kostnad (jämfört med traditionell ångkompression) kylning). År 2020 skapades en ny tredje generation av Maisotsenko-cykelteknologier, som är två gånger effektivare för att minska energiförbrukningen och fem gånger effektivare för att minska vattenförbrukningen. Baserat på den nya M-cykeltekniken demonstrerades effekten när luften kyls från en temperatur över 100 grader Celsius på grund av avdunstning av vatten – samtidigt som vattnet övergår i ett gasformigt tillstånd vid atmosfärstryck, men inte kokar.

Fysiska principer

Evaporativ kylning  är ett fysiskt fenomen där avdunstning av en vätska till den omgivande luften kyler ett föremål eller vätska i kontakt med den. Latent värme , den mängd värme som krävs för att förånga en vätska, tas från miljön. När man studerar avdunstning av vatten jämförs en våt glödlampa med en torr glödlampa , det resulterande värdet motsvarar avdunstningens kylpotential. Ju större skillnaden är mellan de två temperaturerna, desto större kyleffekt. Om temperaturen är densamma finns det ingen avdunstning av vatten till den omgivande atmosfären, och följaktligen finns det ingen kyleffekt.

Ett enkelt exempel på naturlig evaporativ kylning är svettning , varvid kroppen släpper ut svett för att kyla sig själv. Mängden värme som överförs beror på förångningsnivån, för varje kilogram av förångat vatten överförs 2257 kJ (vid en temperatur på 35 °C). Nivån på avdunstningen beror på luftfuktigheten och temperaturen i den omgivande luften, så svett samlas på kroppen under varma, fuktiga dagar. Den svett som frigörs under sådana förhållanden kan inte avdunsta.

Principen för evaporativ kylning skiljer sig från den för ångkompressionskylning, även om de också kräver förångning (avdunstning är en del av systemet). I en ångkompressionscykel, efter att köldmediet inuti förångarslingan har avdunstat, komprimeras och kyls köldmediegasen och kondenseras under tryck till ett flytande tillstånd. Till skillnad från denna cykel, i en avdunstningskylare, avdunstar vattnet endast en gång. Det förångade vattnet i kylanordningen släpps ut i utrymmet med kyld luft. I kyltornet förs det förångade vattnet bort av luftströmmen.

Applikation

Evaporativ kylning, på grund av dess låga kostnad och låga energiförbrukning, är ett vanligt sätt att kyla rum för att bibehålla termisk komfort. Evaporativ kylning kräver en konstant vattenkälla för avdunstning, och i ett hem utan fullständig borttagning av den inkommande friska, kylda luften är den endast effektiv vid låg relativ luftfuktighet. Men inom industrin är användningen av 100 % utomhusluft och tillhandahållandet av konstant ventilation en ytterligare fördel med detta system.

För att hålla systemet effektivt måste det kunna ta bort all inkommande frisk luft, annars höjer evaporativ kylning fuktnivåerna avsevärt, vilket kan orsaka problem som saltkristallisering, svällning av träpaneler, dörrar och klädsel, pianohaveri eller invändig rost.

Tillämpningen av denna typ av kylning är mycket vanlig inom kryogenik . Ånga pumpas kontinuerligt ut ur den kryogena vätsketanken och vätskan förångas kontinuerligt så länge som avsevärd ångmättnad upprätthålls . Evaporativ kylning med konventionell helium i ett 1-K-kärl kan sänka temperaturen till minst 1,2 K. Evaporativ kylning med helium-3 kan få temperaturer under 300 mK. Dessa teknologier kan användas för att skapa kryokylare och som en komponent i lågtemperaturkryostassystem (som utspädningskylskåp ). I takt med att temperaturen sjunker minskar även mättnaden av ångan över vätskan, varefter kylningen blir mindre effektiv. Detta fenomen sätter den nedre temperaturgräns som kan uppnås för en given vätska.

Även om robotrymdfarkoster nästan helt använder termisk strålning , har många bemannade rymdskepp i korta uppdrag använt avdunstningskylning. Exempel inkluderar rymdfärjan , Apollo-modulen , Lunar-modulen och det primära livsuppehållande systemet som används i Apollo-programmet. Apollo CSM och rymdfärjan hade också radiatorer installerade, och skyttelsystemet kunde förånga såväl ammoniak som vatten. Rymdfarkosten Apollo använde en renare, en liten passiv enhet som dumpade överskottsvärme i vattenånga och blåste ut den i rymden. När flytande vatten placeras i ett vakuum börjar det koka snabbt, transporterar bort tillräckligt med värme för att frysa resten, den resulterande isen täcker renaren och reglerar automatiskt matarvattenflödet med värmebelastningen. Den använde vatten som blev över från bränslecellerna som används på många bemannade rymdfarkoster för att generera elektricitet.

Avdunstningskylardesigner

Alla evaporativa kylare konstruktioner drar fördel av det faktum att vatten har en av de högsta kända förångningsentalpierna (specifikt förångningsvärme).

Direkt evaporativ kylning (öppen cykel) används för att minska lufttemperaturen med hjälp av det specifika förångningsvärmet, vilket ändrar vattnets flytande tillstånd till ett gasformigt tillstånd. I denna process förändras inte energin i luften. Torr, varm luft ersätts av sval, fuktig luft. Värmen från uteluften används för att förånga vattnet.

Indirekt evaporativ kylning (closed loop) är en process som liknar direkt evaporativ kylning, men med användning av en viss typ av värmeväxlare . I detta fall kommer fuktig, kyld luft inte i kontakt med den konditionerade miljön.

Tvåstegs evaporativ kylning , eller indirekt/direkt. Traditionella evaporativa kylare använder bara en bråkdel av den energi som behövs för ångkompressionskylning eller adsorptionsluftkonditioneringssystem. Tyvärr höjer de luftfuktigheten till en obekväm nivå (förutom i mycket torra klimat). Tvåstegs evaporativ kylare ökar inte luftfuktigheten så mycket som standard enstegs evaporativ kylare gör. I det första steget av en tvåstegskylare kyls den varma luften indirekt utan ökad luftfuktighet (genom att passera genom en värmeväxlare kyld genom avdunstning från utsidan). I det direkta skedet passerar förkyld luft genom den vattendränkta dynan, kyls ner ytterligare och blir fuktigare. Eftersom processen inkluderar ett första förkylningssteg kräver det direkta indunstningssteget mindre fukt för att uppnå de erforderliga temperaturerna. Som ett resultat, enligt tillverkarna, kyler processen luft med relativ fuktighet i intervallet 50-70%, beroende på klimatet. I jämförelse höjer traditionella kylsystem luftfuktigheten till 70-80 %.

Regenerativ indirekt evaporativ kylning , eller Maisotsenko-cykel, M-cykel (Maisotsenko-cykel, M-cykel). Den evaporativa kylningsprocessen uppfanns och patenterades 1976 och är ett tekniskt genombrott som gör att gaser (luft) och vätskor (vatten) kan kylas till utomhusluftens daggpunktstemperatur utan att öka fuktigheten i produktluften. Författaren är en före detta sovjetisk (för närvarande amerikansk) vetenskapsman och uppfinnare, läkare och professor Valery Stepanovich Maisotsenko. En viktig egenskap hos Maisotsenko-cykeln är ökningen av kylkapaciteten med en ökning av temperaturen på uteluften och möjligheten att minska storleken på hushållsavdunstningsluftkonditioneringsapparater till skalan för en bärbar och individuell enhet. M-cykeln är implementerad i serietillverkade luftkonditioneringsapparater av första (Climate Wizard-märket) och andra generationen (Coolerado). Sommaren 2020 skapade Maisotsenkos cykelforskarteam en industriell design - en prototyp av tredje generationens Gen3, som förbättrar Coolerados prestanda med 50 % för att minska energiförbrukningen, 2 gånger för att minska tryckfallet och 10 gånger i överkomlighet.

Standarddesign

Vanligtvis använder kylare för bostäder och industrier direkt evaporativ kylning och kan beskrivas som slutna metall- eller plasthöljen med en ventilerad sida som innehåller en fläkt , elektrisk remskivamotor eller direktdriven axialfläkt och en vattenpump för att väta evaporativa kuddar. Enheten kan monteras på taket av en byggnad (nedåtgående) eller på ytterväggar och fönster (horisontellt flöde). För kylningsändamål drar fläkten in luft genom sidoventilerna och trycker den genom de våta kuddarna. Luftens värme förångar vattnet från kuddarna, som ständigt fuktas för att fortsätta kylningsprocessen. Därefter fördelas kyld och fuktig luft i hela byggnaden genom ventilation i tak eller väggar. Eftersom kall luft blåser in från utsidan måste det finnas utblåsningsventiler i rummet för att luften ska kunna strömma ut igen. Luft får bara passera systemet en gång, annars kommer kyleffekten att minska. Detta beror på att luftens mättnadspunkt nåtts . Ofta, i rum som betjänas av evaporativa kylare, sker det cirka 15 luftbyten per timme (ACH).