Un refrigeratore evaporativo (anche noto come refrigeratore palude o deserto, e condizionatore/climatizzatore ad acqua) è un dispositivo che raffredda l'aria tramite il fenomeno dell'evaporazione dell'acqua. Il refrigeratore evaporativo differisce dal tipico sistema di aria condizionata, che basa il suo funzionamento sul ciclo-frigorifero, sfruttando invece la grande entalpia di vaporizzazione dell'acqua. La temperatura dell'aria secca può essere drasticamente ridotta attraverso la transizione di fase dall'acqua liquida al vapore acqueo (evaporazione), in grado di rinfrescare l'aria utilizzando molta meno energia rispetto alla refrigerazione classica. In climi estremamente secchi, il raffreddamento evaporativo ha il vantaggio aggiuntivo di aumentare l'umidità dell'aria a beneficio del comfort degli occupanti dell'edificio. A differenza della refrigerazione a ciclo chiuso, il raffreddamento per evaporazione richiede una sorgente d'acqua e deve continuamente consumare acqua per poter funzionare.
Le torri di raffreddamento utilizzano gli stessi principi dei refrigeratori evaporativi, ma sono progettate per scopi diversi dal raffreddamento diretto dell'aria all'interno di un edificio. Ad esempio, un refrigeratore evaporativo può essere progettato per raffreddare le bobine di un grande impianto di condizionamento o di refrigerazione per aumentarne l'efficienza.
Storia
Un'antica forma di raffreddamento per evaporazione, la torre del vento, venne utilizzata per la prima volta nell'antico Egitto e in Persia migliaia di anni fa. Sui tetti degli edifici erano collocati dei dispositivi ad aletta che raccoglievano il vento, lo convogliavano in un qanat e poi immettevano l'aria raffreddata nell'edificio.
Il refrigeratore evaporativo è stato oggetto di numerosi brevetti statunitensi nel XX secolo; molti di questi, a partire dal 1906, suggerivano o presumevano l'uso di pastiglie excelsior (lana di legno) come elementi in grado di portare un grande volume di acqua a contatto con l'aria in movimento per consentirne l'evaporazione. Un tipico progetto, come mostrato in un brevetto del 1945, include un serbatoio d'acqua (il cui livello è solitamente controllato da una valvola a galleggiante), una pompa per far circolare l'acqua al di sopra dei cuscinetti excelsior, e una ventola centrifuga per aspirare l'aria attraverso di essi e portala all'interno della casa. Questo progetto e questo materiale sono ancora dominanti nei refrigeratori evaporativi nel sud-ovest statunitense, dove sono utilizzati anche per aumentare l'umidità. Negli Stati Uniti, l'uso del termine "refrigeratore palude" può essere dovuto all'odore di alghe prodotto dalle prime unità.
Dispositivi di raffreddamento evaporativo montati esternamente (refrigeratori per auto) sono stati utilizzati in alcune automobili per climatizzare l'aria interna, spesso come accessori aftermarketTali unità sono state montate sul finestrino lato passeggero del veicolo; il finestrino era arrotolato quasi completamente verso l'alto, lasciando solo lo spazio sufficiente per lo sfiato che portava l'aria fresca nel veicolo., fino a quando non si è ampiamente diffusa la moderna climatizzazione a compressione di vapore.
Le tecniche passive di refrigeramento evaporativo negli edifici sono state una caratteristica dell'architettura del deserto per secoli, ma l'accettazione, lo studio, l'innovazione e l'applicazione commerciale nel mondo occidentale sono relativamente recenti. Nel 1974, William H. Goettl notò come la tecnologia di refrigeramento evaporativo funzionasse in climi aridi, ipotizzò che un'unità combinata potesse essere più efficace e inventò l'"High Efficiency Astro Air Piggyback System" un condizionatore combinato di refrigerazione a compressione e raffreddamento evaporativo. Nel 1986, i ricercatori dell'Università dell'Arizona W. Cunningham e T. Thompson costruirono una torre di raffreddamento evaporativa passiva, e i dati sulle prestazioni di questo impianto sperimentale di Tucson, in Arizona, divennero il fondamento delle linee guida di progettazione delle torri evaporative di raffreddamento sviluppate da Baruch Givoni.
Principio fisico di funzionamento I refrigeratori evaporativi abbassano la temperatura dell'aria utilizzando il principio del raffreddamento evaporativo, a differenza dei tipici sistemi di condizionamento dell'aria che utilizzano refrigerazione a compressione di vapore. Il raffreddamento per evaporazione è la conversione di acqua liquida in vapore a spese dell'energia termica presente nell'aria, con conseguente riduzione della temperatura dell'aria stessa. L'energia necessaria per vaporizzare l'acqua viene prelevata dall'aria sotto forma di calore sensibile, che influenza la temperatura dell'aria, e convertita in calore latente, l'energia presente nella componente del vapore acqueo, mentre l'aria rimane a un valore di entalpia costante. Questa conversione del calore sensibile in calore latente è nota come processo isoentalpico perché si verifica a un valore di entalpia costante. Il raffreddamento per evaporazione provoca quindi una caduta della temperatura dell'aria proporzionale alla caduta di calore sensibile e un aumento dell'umidità proporzionale al guadagno di calore latente. Il raffreddamento evaporativo può essere visualizzato utilizzando un diagramma psicrometrico trovando la condizione iniziale dell'aria e spostandosi lungo una linea di entalpia costante verso uno stato di maggiore umidità.
Un semplice esempio di raffreddamento evaporativo naturale è la sudorazione, la cui evaporazione raffredda il corpo. La quantità di trasferimento di calore dipende dalla velocità di evaporazione, tuttavia per ogni chilogrammo di acqua vaporizzata vengono trasferiti di energia (ossia circa 540 kcal/kg, equivalenti anche a circa per libbra di acqua pura, a ()). Il tasso di evaporazione dipende dalla temperatura e dall'umidità dell'aria, motivo per cui il sudore si accumula di più nei giorni umidi, in quanto non evapora abbastanza velocemente.
La refrigerazione a compressione di vapore dei condizionatori classici anche utilizza il raffreddamento per evaporazione, ma il vapore prodotto si trova all'interno di un sistema sigillato, e viene quindi compresso pronto per evaporare nuovamente, a spese di energia immessa nel sistema. La normale acqua di un refrigeratore evaporativo viene vaporizzata nell'ambiente e non più recuperata. In un'unità di refrigerazione degli ambienti interni, l'acqua evaporata viene introdotta nei medesimi ambienti insieme all'aria raffreddata; in una torre evaporativa l'acqua evaporata viene trasportata nello scarico del flusso d'aria.
Altri tipi di raffreddamento a cambiamento di fase Un processo strettamente correlato, il raffreddamento a sublimazione, differisce dal raffreddamento evaporativo in quanto avviene una transizione di fase da solido a vapore, piuttosto che da liquido a vapore.
Il raffreddamento a sublimazione è stato osservato su scala planetaria sul pianeta nano Plutone, ed è stato definito un effetto anti-serra.
Un'altra applicazione di raffreddamento a cambiamento di fase è la lattina per bevande "auto-refrigerante". Un compartimento separato all'interno della lattina contiene un essiccante e un liquido. Poco prima di bere, viene tirata una linguetta in modo che l'essiccante entri in contatto con il liquido e si dissolva. Mentre lo fa, assorbe una quantità di energia termica chiamata calore latente di fusione. Il raffreddamento evaporativo funziona con il cambio di fase del liquido nel vapore e il calore latente della vaporizzazione, ma la lattina ad auto-raffreddamento utilizza il passaggio da solido a liquido e il calore latente di fusione per ottenere lo stesso risultato.
Applicazioni Prima dell'avvento dei dispositivi di refrigerazione moderni, il raffreddamento per evaporazione è stato usato per millenni. Un recipiente poroso di terracotta è in grado di raffreddare l'acqua per evaporazione attraverso le sue pareti; affreschi risalenti al circa illustrano schiavi che smuovono giare d'acqua per rinfrescare le stanze. Poteva anche essere collocato un vessillo all'interno di una ciotola d'acqua, coperta con un panno bagnato che si immerge nell'acqua, per mantenere il latte o il burro il più fresco possibile.
Il raffreddamento evaporativo è una forma comune di raffreddamento degli edifici per ottenere il comfort termico poiché è relativamente economico e richiede meno energia rispetto ad altre forme di raffreddamento.
La figura mostra i dati meteo di Salt Lake City che rappresenta il tipico clima estivo (da giugno a settembre). Le linee colorate illustrano le zone di maggior efficacia delle strategie di raffreddamento evaporativo diretto e indiretto per ampliare la gamma di comfort nel periodo estivo. Si spiega principalmente con la combinazione di una maggiore velocità dell'aria da un lato, e di un'elevata umidità interna quando la regione consente la strategia di raffreddamento per evaporazione diretta dall'altro. Le tecnologie di raffreddamento evaporativo che comportano l'umidificazione dell'aria di un edificio dovrebbero essere implementate in condizioni asciutte dove l'aumento del contenuto di umidità e la qualità dell'aria all'interno possano restare entro i limiti di quelli raccomandati per il comfort degli occupanti. Le torri di raffreddamento passive mancano del controllo che i sistemi HVAC tradizionali offrono agli occupanti. Tuttavia, una maggiore ventilazione forzata dell'aria negli ambienti può migliorare il comfort degli occupanti.
In conclusione, il raffreddamento evaporativo è più efficace quando l'umidità relativa atmosferica è bassa, limitando la sua diffusione ai climi secchi. Infatti aumentando significativamente il tasso di umidità degli ambienti interni, gli abitanti del deserto possono maggiormente apprezzarlo in quanto l'aria umida reidrata la pelle. Pertanto, la valutazione dei dati climatici tipici è una procedura essenziale per determinare l'efficacia dei progetti di raffreddamento evaporativo per un edificio.
Le tre considerazioni climatiche più importanti sono la temperatura di bulbo secco, la temperatura di bulbo umido e la depressione di bulbo umido durante una tipica giornata estiva. È importante determinare se la depressione di bulbo umido possa fornire un raffreddamento sufficiente. Sottraendo la depressione di bulbo umido dalla temperatura esterna di bulbo secco, si può stimare la temperatura approssimativa dell'aria utilizzando il refrigeramento evaporativo. È importante considerare che la capacità della temperatura esterna di bulbo secco di raggiungere la temperatura di bulbo umido dipende dall'efficienza di saturazione. Una raccomandazione generale per l'applicazione del raffreddamento evaporativo diretto è di implementarla in luoghi in cui la temperatura di bulbo umido dell'aria esterna non superi i . Tuttavia, nell'esempio di Salt Lake City, il limite superiore per il raffreddamento per evaporazione diretto sulla carta psicrometrica è . Nonostante il valore inferiore, questo clima è idoneo all'impiego di tale metodo di raffreddamento.