Un refroidisseur par évaporation, appelé aussi rafraîchisseur adiabatique, est un dispositif qui refroidit l'air par évaporation de l'eau.
Principe
Le refroidissement par évaporation diffère des systèmes typiques de climatisation, qui utilisent des cycles de réfrigération compression de vapeur ou absorption. Le refroidissement par évaporation utilise le fait que l'eau absorbe une quantité relativement importante de chaleur pour s'évaporer (c'est-à-dire qu'elle a une grande enthalpie de vaporisation). La température de l'air sec peut être considérablement abaissée par l'évaporation de l'eau. Cela peut refroidir l'air en consommant beaucoup moins d'énergie que la réfrigération. Dans les climats extrêmement secs, le refroidissement par évaporation de l'air a l'avantage supplémentaire de climatiser l'air avec plus d'humidité pour le confort des occupants du bâtiment.
Le potentiel de refroidissement pour le refroidissement par évaporation dépend de la dépression du bulbe humide, de la différence entre la température du bulbe sec et la température du bulbe humide (voir humidité relative). Sous les climats arides, le refroidissement par évaporation peut réduire la consommation d'énergie et l'équipement total de conditionnement comme alternative au refroidissement par compresseur. Dans les climats considérés comme non-arides, le refroidissement indirect par évaporation peut encore profiter du processus de refroidissement par évaporation malgré un rendement plus faible et un risque d'augmenter l'humidité lors de la phase nocturne. Les stratégies de refroidissement par évaporation passif peuvent offrir des avantages similaires aux systèmes de refroidissement par évaporation mécanique sans la complexité de l'équipement, des conduits et, surtout, le rejet d'un flux d'air chaud à l'extérieur qui peut accentuer le dôme de chaleur dans les villes par exemple. Cependant étant une énergie douce inertielle, elle n'aura jamais la puissance d'un système basé sur une unité électrique de réfrigération qui serait même capable de températures négatives ce qu'un système basé sur l'évaporation est incapable.
Histoire
Avant l'avènement de la réfrigération, le refroidissement par évaporation était utilisé depuis des millénaires. Un récipient poreux (par , en faïence) refroidirait l'eau par évaporation à travers ses parois. Des fresques d'environ montrent des esclaves ventilant des pots d'eau pour refroidir des pièces.. Un récipient pourrait également être placé dans un bol d'eau, recouvert d'un linge humide plongeant dans l'eau, pour garder le lait ou le beurre aussi frais que possible..
Une forme antérieure de refroidissement par évaporation, le capteur de vent, a été utilisée pour la première fois en Égypte antique et en Perse antique il y a des milliers d'années sous forme de puits à vent sur le toit. Le puits attrape le vent, le fait passer au-dessus de l'eau souterraine dans un 'qanat et évacue l'air refroidi dans le bâtiment. Les Iraniens modernes ont largement adopté des refroidisseurs par évaporation motorisés ()..
thumbnail|Un refroidisseur d'air traditionnel en Mirzapur, Uttar Pradesh, Inde.
Le refroidisseur par évaporation a fait l'objet de nombreux brevets américains au , dont beaucoup à partir de 1906 suggérait ou supposait l'utilisation de tampons excelsior (laine de bois) comme éléments pour amener un grand volume d'eau en contact avec l'air en mouvement pour permettre l'évaporation.. Une conception typique, comme le montre un brevet de 1945, comprend un réservoir d'eau (généralement avec un niveau contrôlé par une vanne à flotteur), une pompe pour faire circuler l'eau sur les coussinets excelsior et un ventilateur centrifuge pour aspirer l'air à travers les coussinets et dans la maison.. Cette conception et ce matériau restent dominants dans les refroidisseurs à évaporation dans le Sud-Ouest américain, où ils sont également utilisés pour augmenter l'humidité.. Aux États-Unis, l'utilisation du terme refroidisseur de marais pourrait être due à l'odeur des algues produites par les premières unités..
Des dispositifs de refroidissement par évaporation montés à l'extérieur ont été utilisés dans certaines automobiles pour refroidir l'air intérieur - souvent comme accessoires du marché des pièces de rechangeCes unités étaient montées sur la vitre côté passager du véhicule ; la vitre était roulée presque entièrement vers le haut, laissant seulement assez d'espace pour la ventilation qui transportait l'air frais dans le véhicule. - jusqu'à ce que la climatisation moderne par compression de vapeur soit largement disponible.
Les techniques de refroidissement passif par évaporation dans les bâtiments sont une caractéristique de l'architecture du désert depuis des siècles, mais l'acceptation, l'étude, l'innovation et les applications commerciales occidentales sont toutes relativement récentes. En 1974, William H. Goettl a remarqué comment la technologie de refroidissement par évaporation fonctionne dans les climats arides, et a spéculé qu'une unité combinée pourrait être plus efficace et a inventé le « », un système combiné de réfrigération et de climatisation par évaporation. En 1986, des chercheurs de l'Université de l'Arizona W. Cunningham et T. Thompson ont construit une tour de refroidissement par évaporation passive, et les données de performance de cette installation expérimentale à Tucson en Arizona sont devenues la base des directives de conception de tour de refroidissement par évaporation développées par Baruch Givoni..
Principe physique
Les refroidisseurs à évaporation abaissent la température de l'air selon le principe du refroidissement par évaporation, contrairement aux systèmes de climatisation typiques qui utilisent réfrigération à compression de vapeur ou la réfrigération par absorption. Le refroidissement par évaporation est la conversion de l'eau liquide en vapeur à l'aide de l'énergie thermique contenue dans l'air, ce qui entraîne une baisse de la température de l'air. L'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau est prélevée dans l'air sous forme de chaleur sensible, qui affecte la température de l'air, et convertie en chaleur latente, l'énergie présente dans la composante vapeur d'eau de l'air, l'air restant à une valeur constante enthalpique. Cette conversion de la chaleur sensible en chaleur latente est connue sous le nom de processus isenthalpique parce qu'elle se produit à une enthalpie constante. Le refroidissement par évaporation provoque donc une baisse de la température de l'air proportionnelle à la chute de chaleur sensible et une augmentation de l'humidité proportionnelle au gain de chaleur latente. Le refroidissement par évaporation peut être visualisé à l'aide d'un tableau psychrométrique en trouvant la climatisation initiale et en se déplaçant le long d'une ligne d'enthalpie constante vers un état d'humidité supérieureMcDowall, R. (2006). Principes de base des systèmes de CVC, Elsevier, San Diego, page 16..
Un exemple simple de refroidissement naturel par évaporation est la sueur sécrétée par le corps humain et dont l'évaporation refroidit le corps. La quantité de transfert de chaleur dépend du taux d'évaporation, mais pour chaque kilogramme d'eau vaporisée, d'énergie, à sont transférés. Le taux d'évaporation dépend de la température et de l'humidité de l'air, c'est pourquoi la sueur s'accumule davantage les jours humides, car elle ne s'évapore pas assez vite.
La réfrigération par compression de vapeur utilise le refroidissement par évaporation, mais la vapeur évaporée se trouve à l'intérieur d'un système scellé et est ensuite comprimée prête à s'évaporer à nouveau, en utilisant de l'énergie pour ce faire.
L'eau du refroidisseur évaporatoire est évaporée dans l'environnement et n'est donc pas récupérée. Dans une unité de refroidissement intérieure, l'eau évaporée est introduite dans l'espace avec l'air maintenant refroidi ; dans une tour d'évaporation, l'eau évaporée est évacuée dans le flux d'air sortant.
Autres types de refroidissement à changement de phase
Un processus étroitement lié, le « refroidissement par sublimation », diffère du refroidissement par évaporation en ce sens qu'il se produit une sublimation, plutôt qu'une évaporation.
Le refroidissement par sublimation a été observé à l'échelle planétaire sur le planétoïde Pluton, où il a été comparé à un effet anti-serre.
Une autre application d'un changement de phase au refroidissement est la canette de boisson « autoréfrigérante ». Un compartiment séparé à l'intérieur de la boîte contient un dessicant et un liquide. Juste avant de boire, une languette est tirée pour que le dessicant entre en contact avec le liquide et se dissout. Ce faisant, il absorbe une quantité d'énergie thermique appelée chaleur latente de fusion. Le refroidissement par évaporation fonctionne avec le changement de phase de liquide en vapeur et le chaleur latente de vaporisation, mais l'auto-refroidissement peut utiliser un changement de solide à liquide, et la chaleur latente de fusion, pour obtenir le même résultat.
Applications thumb|Californie ranch house avec glacière évaporatoire sur le faîte du toit.
Le refroidissement par évaporation est une forme courante de refroidissement des bâtiments afin de garantir un confort thermique puisqu'il est relativement bon marché et nécessite moins d'énergie que les autres formes de refroidissement.
thumb|Exemple de carte psychométrique de Salt Lake City.|lien=Special:FilePath/Psychometric chart example of Salt Lake City.png
La figure montrant les données météorologiques de Salt Lake City représente le climat estival typique (de juin à septembre). Les lignes colorées illustrent le potentiel des stratégies de refroidissement par évaporation directe et indirecte pour élargir la plage de confort en été. Elle s'explique principalement par la combinaison d'une vitesse d'air plus élevée d'une part et d'une humidité intérieure élevée lorsque la région permet la stratégie de refroidissement par évaporation directe d'autre part. Les stratégies de refroidissement par évaporation qui impliquent l'humidification de l'air devraient être mises en œuvre dans des conditions sèches où l'augmentation du taux d'humidité reste inférieure aux recommandations pour le confort des occupants et la qualité de l'air intérieur. Les tours de refroidissement passif n'ont pas le contrôle que les systèmes traditionnels de CVC offrent aux occupants. Cependant, le mouvement d'air supplémentaire fourni dans l'espace peut améliorer le confort des occupants.