Испарительный охладитель (также охладитель влажным воздухом, охладитель/кондиционер испарительного типа) — устройство, охлаждающее воздух с помощью испарения воды. Испарительное охлаждение отличается от обычных систем кондиционирования воздуха, использующих парокомпрессионный цикл или цикл абсорбционного охлаждения. В его основе лежит использование большой удельной теплоты испарения воды. Температура сухого воздуха может быть существенно снижена с помощью фазового перехода жидкой воды в пар, и этот процесс требует значительно меньше энергии, чем компрессионное охлаждение. В очень сухом климате испарительное охлаждение имеет также то преимущество, что при кондиционировании воздуха увеличивает его влажность, и это создаёт больше комфорта для людей, находящихся в помещении. Однако в отличие от парокомпрессионного охлаждения, оно требует постоянного источника воды, и в процессе эксплуатации постоянно её потребляет.
Принципиальное отличие системы испарительного охлаждения от обычных систем — это работа, по умолчанию, на 100 % приточном, уличном воздухе, то есть идёт не только охлаждение, но и постоянная вентиляция обслуживаемого помещения. Для улучшения микроклимата в производственных помещениях, как правило, необходимо обеспечить высокую кратность воздухообмена с подачей в помещения свежего и чистого (очищенного) воздуха, по возможности охлаждённого. Для больших промышленных предприятий с большой кратностью воздухообмена применение классических систем охлаждения с холодильными машинами (чиллеры, компрессорно-конденсатные блоки) обуславливает экстремальные энергозатраты.
Существующий в США термин «болотный охладитель» (), возможно, появился из-за запаха водорослей, производившегося первыми моделями аппаратов. Такие типы испарительных охладителей, как воздушная мойка и градирня, сконструированы не для жилых помещений, хотя и используют те же принципы, что и испарительный охладитель. Испарительный охладитель также может быть использован для увеличения эффективности больших систем кондиционирования (в охлаждении змеевиков). Испарительное охлаждение особенно хорошо подходит для климатических зон с высокой температурой воздуха и низкой влажностью. Например, в США это такие города, как Денвер, Солт-Лейк-Сити, Альбукерке, Эль-Пасо, Тусон и Фресно, где распространены испарительные охладители и доступны большие объёмы воды.
Испарительное кондиционирование воздуха также хорошо подходит и достаточно популярно в южной (умеренной) части Австралии. В сухом, засушливом климате средства, необходимые для установки и эксплуатации испарительного охладителя, приблизительно на 80 % меньше, чем при установке классического кондиционирования воздуха. Тем не менее, испарительное и компрессионное охлаждение иногда используется совместно, для получения оптимальных результатов охлаждения воздуха. Некоторые испарительные охладители в отопительный сезон могут использоваться как увлажнители.
Кроме широкого употребления в сухом климате, существует много экономически-эффективных способов применения испарительного охлаждения в местах с умеренной влажностью. Его часто используют индустриальные предприятия, ресторанные кухни, прачечные, химчистки, теплицы, места с дополнительным охлаждением (доки, склады, заводы, строительные площадки, спортивные мероприятия, мастерские, гаражи и питомники), аграрные комплексы (птичники, свинарники, коровники). Во влажном климате испарительное охлаждение может иметь небольшое преимущество в температурном комфорте в сравнении с увеличением вентиляции. Только в тропических регионах встречается влажность выше 60 % в течение рабочего дня (с 11 до 16 часов), в период наибольшей температуры воздуха в течение суток, когда охлаждение действительно необходимо. На производственных объектах, при значительной внешней влажности (от 70 %, утром, вечером и ночью) охладители работают только на вентиляцию помещения, высокая кратность воздухообмена (подвижность воздуха) обеспечивает эффект охлаждения сама по себе.
История
На протяжении веков цивилизации находили оригинальные методы борьбы со зноем на своих территориях. Ранняя форма охлаждающей системы, «ловец ветра» (Bâd gir), была изобретена много тысяч лет назад в Персии (Иран). Это была система ветряных валов на крыше, которые улавливали ветер, пропускали его через воду и задували охлаждённый воздух во внутренние помещения. В наши дни Иран заменил ловцов ветра на испарительные охладители (Coolere Âbi) и широко их использует. В центральном Иране насчитывается около 9 000 000 испарительных охладителей, и только за первые два месяца 1385 года по Персидско-Иранскому календарю (Апрель-Май 2006) в Иране было продано 130 000 таких аппаратов.
В США испарительный охладитель в двадцатом веке был объектом многочисленных патентов. Многие из них, начиная с 1906 года, предлагали использовать древесную стружку как прокладку, переносящую большое количество воды при контакте с движущимся воздухом, и поддерживающую интенсивное испарение. Стандартная конструкция, как показано в патенте 1945 года, включает водяной резервуар (обычно оснащённый поплавковым клапаном для регулировки уровня), насос для циркуляции воды через прокладки из древесных стружек, и вентилятор для вдувания воздуха через прокладки в жилые помещения. Эта конструкция и материалы остаются основными в технологии испарительных охладителей на юго-западе США. В этом регионе они дополнительно используются для увеличения влажности.
Испарительное охлаждение было распространено в авиационных двигателях 1930-х годов, например, в двигателе для дирижабля Beardmore Tornado. Эта система была использована для уменьшения или полного исключения радиатора, который в ином случае мог бы создать существенное аэродинамическое сопротивление. В этих системах вода в двигателе поддерживалась под давлением с помощью насосов, позволявших ей нагреваться до температуры более 100 °C, поскольку фактическая точка кипения зависит от давления. Перегретая вода распылялась через сопло на открытую трубу, где мгновенно испарялась, принимая её тепло. Эти трубы могли быть расположены под поверхностью самолёта для создания нулевого сопротивления. Однако эти системы имели и серьёзные недостатки. Поскольку для охлаждения воды было необходимо большое количество труб, система охлаждения занимала много места в самолёте, даже будучи скрытой. При этом возникали вопросы сложности и надёжности. В дополнение к большим размерам, эту систему было легко вывести из строя вражеским огнём и практически невозможно бронировать. Вместо этого, английские и американские авиаконструкторы начали использовать в охлаждающих радиаторных системах этиленгликоль. Немцы стали использовать стандартные обтекаемые радиаторы. Даже наибольшие сторонники этого метода, Heinkel и Günter brothers, прекратили его использование в 1940 году.
Внешние приборы испарительного охлажденияТакие устройства были установлены на пассажирской стороне транспортного средства; окно было развёрнуто почти полностью, оставляя только необходимое место для вентиляторов, которые поддерживали прохладный воздух в автомобиле. устанавливались на некоторые автомобили для охлаждения салона. Зачастую они продавались как дополнительные аксессуары. Использование приборов испарительного охлаждения в автомобилях продолжалось до тех пор, пока не приобрело широкое распространение парокомпрессионное кондиционирование воздуха.
Новый период развития испарительного охлаждения начался с изобретением в 1976 году в СССР и последующим внедрением в мире цикла Майсоценко, М-цикла. Практически все, что написано в этой статье про испарительное кондиционирование, относится к прямому испарительному охлаждению. Более современные системы используют непрямое (косвенное) охлаждение в конструкции которого предусмотрены влажные и сухие каналы, дающие возможность охлаждения до температуры влажного термометра. Самым совершенным является регенеративное косвенное испарительное охлаждение, именно оно сейчас называется М-циклом. Реализованные на его основе кондиционеры за счет испарения воды способны охлаждать воздух до температуры точки росы, но при этом обеспечить 10тикратное снижение энергопотребления, выбросов углерода и стоимости (по сравнению с традиционным парокомпрессионным охлаждением). В 2020 году создано новое третье поколение технологий цикла Майсоценко, которое в два раза эффективнее по снижению потребления энергии и в 5 раз — по уменьшению потребления воды. На основе новой технологии М-цикла продемонстрирован эффект, когда воздух охлаждается с температуры выше 100 градусов Цельсия за счет испарения воды — вода при этом превращаться в газообразное состояние при атмосферном давлении, но не кипит.
Физические принципы Охлаждение при испарении — это физическое явление, при котором испарение жидкости в окружающий воздух охлаждает объект или контактирующую с ним жидкость. Скрытая теплота, количество теплоты, необходимое для испарения жидкости, берётся из окружающей среды. При изучении испарения воды влажный термометр сравнивается с сухим, полученное значение соответствует потенциалу охлаждения при испарении. Чем больше разница двух температур, тем больше эффект охлаждения. Если температура одинаковая, то испарения воды в окружающую атмосферу не происходит, соответственно, нет и охлаждающего эффекта.
Простым примером природного испарительного охлаждения является потоотделение, при этом тело выделяет пот для собственного охлаждения. Количество передаваемой теплоты зависит от уровня испарения, на каждый килограмм испарённой воды передаётся 2257 кДж (при температуре 35 °С). Уровень испарения зависит от влажности и температуры окружающего воздуха, поэтому в жаркие влажные дни пот накапливается на теле. Выделившийся в таких условиях пот не может испариться.
Принцип испарительного охлаждения отличается от того, на котором работают аппараты парокомпрессионного охлаждения, хотя они также требуют испарения (испарение является частью системы). В парокомпрессионном цикле после испарения хладагента внутри испарительного змеевика охлаждающий газ сжимается и охлаждается, под давлением конденсируясь в жидкое состояние. В отличие от этого цикла, в испарительном охладителе вода испаряется только один раз. Испарённая вода в охладительном приборе выводится в пространство с охлажденным воздухом. В градирне испарившаяся вода уносится потоком воздуха.
Применение Испарительное охлаждение в силу своей дешевизны и низкой энергозатратности является распространенным способом охлаждения помещений для поддержания температурного комфорта. Испарительное охлаждение требует постоянного источника воды для испарения, и в быту без полного отвода поступающего свежего, охлажденного воздуха эффективно только при низкой относительной влажности. Вместе с тем в промышленности использование 100 % уличного воздуха и обеспечение постоянной вентиляции является дополнительным достоинством данной системы.
Чтобы эффективность системы не снижалась, она должна иметь возможность отведения всего поступающего свежего воздуха, иначе испарительное охлаждение существенно поднимает уровень влажности, что может вызвать такие проблемы, как кристаллизация соли, разбухание деревянных панелей, дверей и отделки, расстройство пианино или внутреннюю ржавчину.
Применение этого типа охлаждения очень распространено в криогенике. Из резервуара с криогенной жидкостью постоянно откачивается пар, и жидкость непрерывно испаряется до тех пор, пока поддерживается существенное насыщение пара. Испарительное охлаждение с помощью обычного гелия в сосуде 1-К, может опустить температуру до, как минимум, 1,2 K. Испарительное охлаждение с помощью гелия-3 может обеспечить температуру ниже 300 mK. Эти технологии могут быть использованы для создания криоохладителей, и как компонент систем низкотемпературного криостата (таких как рефрижераторы растворения). При падении температуры падает и насыщение пара над жидкостью, после чего охлаждение становится менее эффективным. Это явление устанавливает нижнюю границу температуры достижимую для данной жидкости.