Evaporative cooling/hr

Hlađenje isparavanjem je proces kojim se temperatura tvari smanjuje zbog učinka hlađenja isparavanjem vode. Pretvorba osjetne topline u latentnu uzrokuje smanjenje temperature okoline jer voda isparava čime se osigurava korisno hlađenje. Ovaj učinak hlađenja korišten je u različitim razmjerima od hlađenja malih prostora do velikih industrijskih primjena.

Hlađenje isparavanjem razlikuje se od uobičajenih tehnologija klimatizacije i hlađenja po tome što može pružiti učinkovito hlađenje bez potrebe za vanjskim izvorom energije. Učinkovito hlađenje može se postići jednostavnim navlaživanjem površine i dopuštanjem da voda ispari. Ljudi mogu najviše osjetiti ovaj učinak jer se tijelo hladi isparavanjem znoja s kože tijekom fizičkog napora. Ovaj jednostavan oblik hlađenja isparavanjem osnova je za mehaniziranije i složenije sustave hlađenja isparavanjem.

Povijest

Koncept korištenja vode za hlađenje zraka postoji već tisućljećima. Iako su izumljeni složeni procesi i strojevi za hlađenje isparavanjem, osnovni se koncept nije promijenio. Egipatske freske koje prikazuju velike, porozne posude s vodom koje se puštaju radi prisiljavanja na isparavanje i kasnije hlađenje pokazuju prevalenciju hlađenja isparavanjem od davnih vremena. ^[1]

Inženjerska teorija

U hlađenju isparavanjem, okolni zrak se koristi kao hladnjak gdje se osjetna toplina izmjenjuje za latentnu toplinu vode. ^[2]

Latentna i osjetljiva toplina

Temeljni proces hlađenja isparavanjem je prijenos topline i mase zbog isparavanja vode. Ovaj se proces temelji na pretvaranju osjetne topline u latentnu toplinu. Osjetna toplina je toplina povezana s promjenom temperature. Iako promjene osjetne topline utječu na temperaturu, one ne mijenjaju fizičko stanje vode. Suprotno tome, latentni prijenos topline samo mijenja fizičko stanje tvari isparavanjem ili kondenzacijom. ^[1]

Kako voda isparava, ona se iz tekućeg stanja pretvara u paru. Ova promjena faze zahtijeva apsorpciju latentne topline iz okolnog zraka i preostale tekuće vode. ^[3] Zbog toga se temperatura zraka smanjuje, a relativna vlažnost zraka povećava. Maksimalno hlađenje koje se može postići je smanjenje temperature zraka na temperaturu vlažnog termometra (WBT) u kojoj će točki zrak biti potpuno zasićen. ^[2]

Uvjeti koji utječu na hlađenje

Učinak hlađenja evaporativnog hladnjaka ovisi o brzini isparavanja i uvjetima unutar hladnjaka. Ekološki, temperatura i vlažnost imaju najveći utjecaj na isparavanje. Temperatura mora biti dovoljno visoka da omogući isparavanje, a relativna vlažnost mora biti dovoljno niska da omogući više vodene pare da uđe u zrak. Kvaliteta vode također ima važnu ulogu u isparavanju i održavanju sustava. ^[4] Evaporativni hladnjaci mogu osigurati samo hlađenje do 10C pod optimalnim uvjetima. Niže temperature zahtijevaju drugačije tehnologije hlađenja. ^[5]

Isparavanje naspram vrenja

Isparavanje se razlikuje od vrenja i može se postići na temperaturi nižoj od temperature vrenja vode jer se događa na granici tekućina-para. Isparavanje se događa kada je tlak vodene pare niži od tlaka zasićenja vode. Nasuprot tome, ključanje se događa kada tekućina dođe u dodir s površinom na temperaturi koja je jednaka ili iznad temperature zasićenja. Ova interakcija kruto-tekuće uzrokuje stvaranje mjehurića pare koji se uzdižu do slobodnog služenja vodi. ^[3]

Operacija

Osnovni rad evaporativnog hladnjaka je dopustiti strujanje zraka preko mokre površine, uzrokujući tako isparavanje i hlađenje. Da bi bili učinkoviti, evaporativni hladnjaci moraju biti smješteni u područjima s odgovarajućim protokom zraka.

Dizajn evaporativnog hladnjaka

Izravno protiv neizravnog

Tehnologije hlađenja isparavanjem spadaju u jednu od dvije glavne kategorije: izravne ili neizravne. Izravno hlađenje isparavanjem događa se kada zrak ima izravan kontakt s vodom. Indirektni evaporativni hladnjaci koriste izmjenjivač topline, stoga zrak nikada ne dolazi u izravan kontakt s vodom za hlađenje. ^[6] Za zemlje u razvoju izravni evaporativni hladnjaci imaju najveću primjenjivost zbog manje kompliciranog dizajna i konstrukcije od neizravnih hladnjaka.

Vrste evaporativnih hladnjaka

Dizajn hladnjaka za isparavanje razlikuje se ovisno o upijajućem mediju, konstrukciji skladišne ​​komore, metodi isparavanja. Mnogo različitih dizajna hladnjaka za isparavanje postoji u oblicima bez napajanja i s vanjskim napajanjem. Hladnjaci za isparavanje koji ne trebaju vanjsko napajanje dizajnirani su da omoguće prirodni protok zraka kako bi se osigurala konvekcija potrebna za odgovarajuće hlađenje. Različiti dizajni unutar ove skupine omogućuju prijenos topline na nešto drugačije načine. Dok se svi hladnjaci oslanjaju na pretvaranje osjetljive topline u latentnu toplinu, mehanizam za ovu konverziju može biti drugačiji.

Neki dizajni hladnjaka za isparavanje izrađeni su korištenjem poroznih materijala kako bi se omogućilo curenje vode iz unutarnjeg spremnika na vanjsku površinu gdje dolazi do isparavanja. Za ove dizajne, isparavanje je potpomognuto izvlačenjem topline iz unutarnje rashladne komore. Kako toplije molekule vode isparavaju i napuštaju vanjsku površinu, površina se hladi, a toplinski gradijent uzrokuje difuziju topline iz unutarnje komore prema površini. ^[7] Kao rezultat toga, temperatura unutar unutarnje komore opada što uzrokuje učinak hlađenja svega što je pohranjeno u hladnjaku.

Druga vrsta rada hladnjaka s isparavanjem oslanja se na protok zraka kroz navlaženu podlogu kako bi se osiguralo hlađenje. U ovom dizajnu, upijajući jastučić čini dio stijenke rashladne komore, a zrak, bilo prirodnim protokom zraka ili prisilnim protokom ventilatora, prolazi kroz navlaženi jastučić. Voda isparava iz jastučića u zrak i uzrokuje pad temperature zraka. Ovaj zrak zatim struji kroz rashladnu komoru kako bi osigurao hlađenje.

Bez napajanja

Jedan od najpoznatijih evaporativnih hladnjaka je "pot-in-pot" hladnjak zbog svoje jednostavnosti i učinkovitosti. Dizajn hladnjaka za isparavanje pot-in-pot jednostavan je pasivni hladnjak koji je dizajnirao Mohammed Bah Abba koji je dobio Rolexovu nagradu za svoju inovaciju. ^[8] Hladnjak se sastoji od dva koncentrična glinena lonca, jedan u drugom s međuslojem pijeska između njih. Pijesak djeluje kao vlažni medij koji zadržava vodu potrebnu za hlađenje. Mokra krpa se stavlja preko vrha lonaca kako bi se olakšalo hlađenje. Također nazvan "Zeer lonac" zbog naziva lonaca koji se koriste u nekim dijelovima Afrike, sustav lonac u loncu testiran je za očuvanje hrane od strane organizacije Practical Action i pokazalo se da značajno produljuje vijek trajanja proizvoda, u u nekim slučajevima do pet puta dulje nego za određeno povrće. ^[9] Posuda za hlađenje ima približni kapacitet od 12 kg povrća i proizvodi se za 2 USD. ^[10] Iako je vrlo učinkovit, hladnjak u posudi ograničen je u skladišnom volumenu veličinom korištenih posuda.

Pored dizajna lonac u loncu postoje i mnogi drugi dizajni pasivnih hladnjaka. Razvio ga je Indijski odbor za hranu i prehranu, hladnjak Janata sličan je hladnjaku lonac u loncu po tome što koristi keramičke posude. Janata koristi lonac za pohranjivanje koji se stavlja u veliku zdjelu s vodom s krpom koja se stavlja preko lonca i umočuje u zdjelu kako bi upila vodu koja se zatim isparava kako bi se osiguralo hlađenje. Hladnjak drvenog ugljena sastoji se od drvenog okvira koji drži dva sloja žičane mreže s razmakom između njih koji obuhvaća komade drvenog ugljena koji djeluju kao upijač. Hladnjak Almirah izrađen je od drvenog okvira s tkaninom koja okružuje okvir kako bi se stvorila komora za pohranu. Tkanina se umoči u pladanj s vodom da upije vodu kako bi se osigurala površina za hlađenje za isparavanje. ^[9]

Statički rashladni sustavi bez napajanja, koji se često nazivaju evaporativne rashladne komore (ili ECC), pružaju veću komoru za povećano skladištenje. Ovi sustavi općenito su projektirani s komorom s dvostrukom stijenkom od opeke. Razmak između zidova varira s više dizajna koristeći razmak između 3-5 inča. Praznina je ispunjena pijeskom kao kod hladnjaka lonac u loncu. Pijesak se ili održava vlažnim ručnim vlaženjem ili upotrebom crijeva za kapanje spojenog na spremnik vode. U rashladnoj komori se skladišti hrana, obično razdvojena u različite ladice. ^{[9] [11]}

Eksterno napajanje

Hladnjaci za isparavanje mogu se dizajnirati korištenjem ventilatora s vanjskim pogonom za osiguravanje protoka zraka i pumpe za kontinuirano vlaženje. Ovi sustavi su konstruirani drugačije od sustava bez napajanja tako što koriste rashladni jastuk umjesto upijajućeg medija i ne oslanjaju se na vodu koja teče kroz poroznu strukturu za isparavanje. Umjesto toga, ventilator tjera zrak kroz navlaženu upijajuću podlogu iz koje isparava voda i tako hladi zrak. Ohlađeni zrak zatim putuje kroz rashladnu komoru kako bi se smanjila temperatura skladištenja.

U ovim sustavima upijajuća podloga igra glavnu ulogu u procesu hlađenja. Mnogi čimbenici utječu na performanse jastučića, uključujući materijal jastučića, debljinu jastučića i veličinu perforacija. ^[12] Trenutačni komercijalni jastučići često su izrađeni od celuloze, plastike ili stakloplastike koji mogu biti skupi i nisu izrađeni od lokalno dostupnih materijala. ^{[13] [14]} Provedeno je istraživanje korištenja lokalnih materijala za izradu učinkovitih rashladnih jastučića za rashladne sustave isparavanjem. Jedan od kriterija za ocjenu rashladnog jastuka je učinkovitost hlađenja izračunata prema:

ηcooljang=ΔTTd−Tw {\displaystyle \eta _{hlađenje}={\frac {\Delta T}{T_{d}-T_{w}}}\ }^[15]

gdjeΔT{\displaystyle \Delta T}je promjena stvarne temperature,Td{\displaystyle T_{d}}iTw{\displaystyle T_{w}}su temperature suhog i mokrog termometra. Eksperimenti s vlaknima palash i kokosa pokazuju usporedivu učinkovitost s jastučićima od aspen i khus s poboljšanom učinkovitošću u nekim situacijama. ^[16] Luffa vlakna su utvrđena kao prikladan materijal za jastučiće za isparavanje na temelju performansi i sporije razgradnje od drugih materijala. ^[15] Vulkanski tuf i pum uspoređeni su s komercijalnim jastučićima od celuloze, pri čemu je utvrđeno da su jastučići od vulkanskog tufa prikladna alternativa komercijalnom jastučiću pri određenoj brzini zraka. ^[13] Jastučići slame i rezanog drva također su ispitivani za korištenje u staklenicima, pri čemu rezano drvo daje najbolju izvedbu. ^[17]

Ostale vrste

Druge alternativne metode hlađenja isparavanjem uključuju sustave za maglu ili zamagljivanje, koji raspršuju kapljice vode malog promjera u zrak radi isparavanja, i krovne sustave za isparavanje koji uključuju tanki sloj vode na vrhu zgrade što rezultira isparavanjem i hlađenjem ^[18]

Širenje

Hlađenje isparavanjem nije moderan koncept i budući da je to bio poznat način hlađenja od davnina, prirodno je prihvaćen na mnogo različitih načina. Iako to nije vlasnički koncept, danas još uvijek nije toliko raširen koliko bi mogao biti za pružanje korisnog hlađenja.

Različite organizacije promiču hlađenje isparavanjem za skladištenje proizvoda, a Practical Action, nekadašnja Intermediate Technology Development Group, aktivni je promotor. Practical Action je objavio više tehničkih sažetaka i studija slučaja koji ocrtavaju detalje hlađenja isparavanjem i njegovu korisnost. Sudjelovali su u terenskom testiranju hladnjaka pot-in-pot u Sudanu kako bi demonstrirali njihovu izvedbu i potaknuli interes za njihovu upotrebu.. ^[9]

Mohammed Bah Abba također je aktivan u promicanju svoje inovacije pot-in-pot. On je osobno isporučio tisuće hladnjaka o svom trošku selima u Nigeriji kako bi povećao njihovu vidljivost. Također je osmislio obrazovnu kampanju usmjerenu na neobrazovanu populaciju kako bi prikazao potencijalne prednosti korištenja hladnjaka lonac u loncu za produljenje vijeka trajanja hrane. ^[8]

Kao i svaki razvojni projekt, obrazovanje je važna komponenta širenja tehnologija hlađenja isparavanjem i osiguravanja njihove pravilne upotrebe. U jednom projektu u Gambiji, hladnjak lonac u loncu uspješno je korišten za skladištenje povrća, ali nije radio na vrhunskoj učinkovitosti jer su seljani držali hladnjak u zatvorenim prostorima. Budući da to ograničava protok zraka, a time i isparavanje, učinak hlađenja je bio ograničen. ^[19] Drugi projekt u Indiji rezultirao je time da su korisnici koristili neodgovarajuće količine vode u hladnjaku tipa "pot-in-pot", što je najprije rezultiralo premalim hlađenjem koje je prekomjerno nadoknađeno dodavanjem previše vode što je uzrokovalo skupljanje vode u komori za pohranu. ^[20]

Korištenje i izvedba

Skladištenje proizvoda

Skladištenje povrća i svježih proizvoda pokazalo se kao dobra primjena za hlađenje isparavanjem. Visoka temperatura je važan čimbenik u očuvanju proizvoda protiv kojeg se može boriti hlađenjem isparavanjem. ^[21] Kako bi se produžio vijek skladištenja, svježi proizvodi moraju biti pohranjeni u uvjetima visoke vlažnosti kako bi se smanjio gubitak vode što se također može postići hlađenjem isparavanjem. ^[22]

Jedna studija o sustavu za hlađenje isparavanjem u Etiopiji koristila je hladnjak za isparavanje kako bi se uspješno produžio vijek trajanja manga. Hladnjak za skladištenje uspio je smanjiti temperaturu okoline tijekom dana s raspona od 23-43C na 14,3-19,2C uz povećanje relativne vlažnosti sa 16-79% na 70-82,4%. Prosječne razlike u temperaturi i relativnoj vlažnosti bile su 10,7C odnosno 36,7%. To je uzrokovalo udvostručenje roka skladištenja manga s 14 na 28 dana s povećanjem broja prodanih manga za 55%. ^[23] Drugo istraživanje u Etiopiji pokazalo je da je isparivački hladnjak s više podloga rezultirao padom temperature od 5C i povećanjem relativne vlažnosti od 18% u usporedbi s hladnjakom s jednom podlogom. ^[24]

Provedeno je više studija o skladištenju povrća u Nigeriji. Jedno istraživanje koristilo je hladnjak s kokosovim vlaknima kao upijač u hladnjaku u obliku ormarića. Tijekom testa bez opterećenja, hladnjak je uspio postići hlađenje od 0,1C-8,3C. Kada je relativna vlažnost bila 80%, utvrđeno je da nije došlo do hlađenja. Korištenjem hladnjaka, bundeve su pohranjene 60 sati umjesto 12 sati bez hlađenja, a rajčice su trajale 93 sata u usporedbi s 32 sata. ^[25] Druga studija u Nigeriji konstruirala je evaporativni hladnjak od gline s jednim rashladnim jastukom i reflektirajućom površinom na krovu. Hladnjak je smanjio temperaturu okoline s 32-40C na 24-29C tijekom cijelog dana. Utvrđeno je da ovaj hladnjak ima rashladni kapacitet od 870-1207 W i može čuvati rajčice 19 dana. ^[26] Slične studije su pokazale produljenja trajanja skladištenja od 14 dana u odnosu na ambijentalne uvjete skladištenja. ^[27]

Proučavanje hladnjaka pot-in-pot također je imalo uspješne rezultate hlađenja. U najtoplijem dijelu dana temperatura je bila 15C niža od temperature okoline. Hladnjak je također imao manje oscilacije temperature tijekom dana u odnosu na temperaturu okoline. U ovoj studiji, mrkve su čuvane 40 dana, a paprike 25 dana u usporedbi s 18 dana bez hlađenja. ^[7]

Utjecaj

Financijski učinak hlađenja isparavanjem u očuvanju proizvoda može biti značajan. Na primjer, u Indiji gdje gubici nakon žetve mogu doseći 30% godišnje, upotreba hladnjaka za isparavanje može smanjiti gubitak hrane što rezultira povećanjem prihoda za poljoprivrednike i smanjuje količinu novca potrošenu na hranu jer se ona može dulje čuvati. ^[28] Određene ekonomske procjene procijenile su razdoblje povrata od 1,2 godine za sustav hlađenja isparavanjem, ovisno o veličini i količini prodanih proizvoda. ^[29]

Druge namjene u poljoprivredi

Hlađenje isparavanjem koristi se iu druge poljoprivredne svrhe osim za skladištenje hrane. U Tajlandu je napravljen sustav hlađenja isparavanjem kako bi se smanjila temperatura u uzgoju dudova svilca. Vjeruje se da je toplinski stres uzrok niske proizvodnje svilene bube, stoga hlađenje može biti važan dodatak okolišu svilene bube. Upotrebom ventilatora za tjeranje zraka kroz navlaženu podlogu, primijećen je pad temperature od 6-13C uz povećanje relativne vlažnosti od 30-40%. ^[30]

Poboljšanja

Potencijalna poboljšanja za uređaje za hlađenje isparavanjem uključuju poboljšanja korištenih materijala, uglavnom u upijajućim jastučićima i keramičkim posudama. Potrebno je provesti pokuse kako bi se identificirali više lokalno dostupnih materijala koji se mogu uspješno koristiti kao apsorbenti.

Reference

Podaci stranice

Autori	Brennan Tymrak
Licenca	CC-BY-SA-3.0
Jezik	engleski (en)
Prijevodi	kineski
Povezano	1 podstranica , 8 stranica poveznica ovdje
Utjecaj	2719 pregleda stranica ( više )
Stvoreno	18. prosinca 2012. Brennan Tymrak
Izmijenjeno	9. lipnja 2023. od StandardWikitext bota
Citiraj kao	Brennan Tymrak (2012.–2023.). "Hlađenje isparavanjem" . Appropedia . Preuzeto 13. kolovoza 2024 .
API upiti	osnovni , semantički , html , datoteke , više