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Refroidisseur par évaporation

Un refroidisseur par évaporation (également appelé rafraîchisseur d'air évaporatif, refroidisseur adiabatique ou bio-climatiseur) est un dispositif qui refroidit l'air par évaporation de l'eau. Le refroidissement par évaporation diffère des systèmes de climatisation classiques car il ne suit pas des cycles de réfrigération par compression de vapeur ou par absorption. Le refroidissement par évaporation exploite l'important pouvoir enthalpique de l’énergie de vaporisation. La température de l'air sec peut être abaissée de manière significative par transition de phase de l'eau avoisinante à l’état liquide à l’état gazeux, permettant ainsi de refroidir l'air avec une énergie nettement inférieure à celle de la réfrigération. En climats très secs, le refroidissement par évaporation permet en plus d'humidifier l'air climatisé, améliorant ainsi le confort des résidents dans les habitations.

Le potentiel de refroidissement par évaporation dépend de la dépression de la température humide, c'est-à-dire de la différence de température entre celles du thermomètre sec et du thermomètre mouillé. En climat aride, le refroidissement par évaporation devient une sérieuse alternative au refroidissement par compresseur. Dans les autres types de climat, le refroidissement indirect par évaporation fonctionne avec succès sans augmenter l'humidité. Les techniques de refroidissement passif par évaporation offrent les mêmes avantages que celles du refroidissement mécanique par évaporation tout en évitant des équipements et canalisations complexes.

Généralités

Fichier:Badgir et Qanat.png

Vue schématique d'un système de refroidissement perse par évaporation

Une forme ancienne de technique de refroidissement par évaporation, la tour de vent ou Bâdgir était utilisée en Égypte Ancienne et en Perse il y a quelques milliers d'années sous la forme d'un puits de vent le plus souvent placé au dessus du toit. Le flux d'air descendant ainsi capturé parcourait la surface d'une eau souterraine dans un qanat et arrivait refroidi dans les pièces de l'habitation. L'Iran moderne a conservé ce système (coolere âbi).

Vue schématique d'un refroidisseur par évaporation

Le refroidissement par évaporation a fait l'objet au vingtième siècle de nombreux brevets aux États-Unis; bon nombre d'entre eux, dès 1906, ont suggéré ou supposé l'utilisation de coussinets en laine de bois comme matériau mettant en contact un flux d'air avec un important volume d'eau en vue de créer de l'évaporation. Un modèle typique, comme dans ce brevet de 1945, comprend un réservoir d'eau (niveau généralement régulé par flotteur), une pompe pour faire circuler l'eau sur les coussinets en laine de bois et un ventilateur centrifuge pour aspirer l'air à travers les coussinets et dans l'habitation. Ce concept utilisant ce matériau dans les refroidisseurs par évaporation est largement dominant dans le Sud-Ouest américain. Ce type de refroidisseur est également utilisé comme humidificateur.

Principe physique

Les refroidisseurs par évaporation abaissent la température de l'air selon le principe du refroidissement par évaporation, contrairement aux systèmes de climatisation classiques utilisant la réfrigération par compression de vapeur ou par absorption. Le refroidissement par évaporation est la conversion de l'eau liquide en vapeur d'eau grâce à l'énergie thermique de l'air, abaissant ainsi la température de l'air. L'énergie nécessaire à l'évaporation de l'eau est prélevée de l'air sous forme de chaleur sensible affectant la température de l'air puis est convertie en chaleur latente, énergie présente dans la vapeur d'eau composante de l'air, le niveau d'enthalpie de l'air n’étant pas affecté. Cette conversion de la chaleur sensible en chaleur latente est un processus isenthalpique (qui se produit à enthalpie constante). Le refroidissement par évaporation entraîne donc une baisse de la température de l'air proportionnellement à la baisse de la chaleur dite sensible et induit l'augmentation de l'humidité proportionnellement à la chaleur dite latente. Le refroidissement par évaporation est visualisable à l'aide d'un diagramme psychrométrique en prenant la valeur initiale de la climatisation et en longeant une ligne d'enthalpie constante vers une valeur plus élevée de l'état d'humidité.

Un exemple bien connu de refroidissement naturel par évaporation est la transpiration sécrétée par le corps, refroidi par l'évaporation d'eau. La quantité de transfert de chaleur dépend du taux d'évaporation, mais pour chaque kilogramme d'eau vaporisée à 35 °C se produit un transfert d’énergie de 2 257 kJ. Le taux d'évaporation dépendant de la température et de l'humidité de l'air, la sueur s'accumule davantage les jours humides à cause du ralentissement de l’évaporation de l'eau sur le corps.

La réfrigération par compression de vapeur utilise bien le refroidissement par évaporation, à la différence que la phase vapeur se trouve comprimée dans un système fermé pour s'évaporer à nouveau, nécessitant un surplus d'énergie. Dans le cas d'un refroidisseur simple par évaporation, l'eau évaporée se perd dans l'environnement. Dans une unité de refroidissement avec espace intérieur, l'eau évaporée est en contact dans l'espace avec l'air déjà refroidi; dans le cas d'une tour d'évaporation, l'eau évaporée est évacuée a travers le flux d'air sortant.

Autres types de refroidissement à changement de phase

Un processus très proche, le refroidissement par sublimation se distingue du refroidissement par évaporation par le passage de la phase solide directement à la phase gazeuse, sans passer par la phase liquide.

Le refroidissement par sublimation a été observé à l'échelle planétaire sur le planétoïde Pluton et il a été appelé effet anti-serre.

Une autre application du refroidissement par changement de phase est faite sur la canette de boisson dite "auto-réfrigérante". Un compartiment séparé à l'intérieur de la boîte contient un dessicant et un liquide. Avant de boire, une languette est tirée de sorte que le dessicant entrant en contact avec le liquide se dissout. Ce faisant, il absorbe une quantité d'énergie thermique appelée chaleur latente de fusion. Le refroidissement par évaporation s'effectue par le changement de phase liquide en gazeux par le biais de la chaleur latente de vaporisation. À noter qu'il est possible de créer le même auto-refroidissement en passant de la phase solide à liquide toujours par le biais de la chaleur latente de fusion.

Applications

La technique de refroidissement par évaporation existait depuis des millénaires, bien avant l'avènement de la réfrigération. Un pot de terre cuite poreux refroidirait l'eau par évaporation à travers ses parois; des fresques datant d'environ 2500 avant J.-C. montrent des esclaves en train de ventiler des jarres d'eau pour refroidir les pièces. Un récipient peut aussi être posé dans un bol rempli d'eau, recouvert d'un linge humide, afin de garder relativement au frais du lait ou du beurre.

Le refroidissement par évaporation est une forme simple de refroidissement des bâtiments pour le confort thermique car il est économique et le moins énergivore des solutions de refroidissement.

Le refroidissement par évaporation est moins populaire en dehors des climats secs. En effet, cette technique est plus efficace lorsque l'humidité relative est basse, Cette méthode de refroidissement est très appréciée par les habitants du désert car elle augmente considérablement le taux d'humidité interne, réhydratant ainsi la peau sèche et les sinus. Le choix de la méthode de refroidissement d'un bâtiment par évaporation dépend donc énormément des conditions climatiques. Les trois points-clés climatiques à considérer sont la température de bulbe sec, celle de bulbe mouillé et la dépression de bulbe mouillé pendant une journée-type d’été. Il est important de déterminer si la dépression de bulbe mouillé permet un refroidissement suffisant pendant la journée-type d’été. En soustrayant à la valeur de la dépression du bulbe mouillé celle de la température extérieure du bulbe sec, on peut estimer la température approximative de l'air quittant le refroidisseur par évaporation. Il est important de tenir compte du fait que la capacité de la température extérieure de bulbe sec à atteindre la température de bulbe mouillé dépend de l'efficacité de saturation. En recommandation générale, il est préférable d'appliquer le refroidissement par évaporation dans des endroits où la température humide de l'air extérieur ne dépasse pas 22 °C.

Dans les endroits à humidité modérée, le refroidissement par évaporation peut devenir rentable. Par exemple dans les usines, les cuisines professionnelles, les blanchisseries, les locaux de nettoyage à sec, les serres, les locaux ayant besoin d'un refroidissement temporaire (quais de chargement, entrepôts, usines, chantiers de construction, événements sportifs, ateliers, garages et chenils) et l'élevage en enclos (volailles, porcs et produits laitiers). La méthode de refroidissement par évaporation peut y être souvent utilisée. Dans les climats très humides, le refroidissement par évaporation a peu d'avantages sur le plan du confort thermique, si ce n'est l'augmentation de la ventilation et du mouvement d'air induit.

Autres exemples

Les arbres transpirent de grandes quantités d'eau à travers les pores de leurs feuilles appelées stomates. Grâce à ce processus de refroidissement par évaporation, les forêts interagissent avec le climat à la fois localement et globalement.

Le refroidissement par évaporation est couramment utilisé dans les applications cryogéniques. La vapeur au-dessus d'un réservoir de liquide cryogénique est pompée et le liquide s'évapore continuellement tant que la pression de vapeur du liquide est significative. Le refroidissement par évaporation de l'hélium peut atteindre le plancher de 1,2 K. Le refroidissement par évaporation de l'hélium-3 peut arriver à des températures inférieures à 300 mK. Ces techniques peuvent être utilisées pour fabriquer des réfrigérateurs cryogéniques ou des éléments de cryostats à basse température, comme les réfrigérateurs à dilution. Lorsque la température diminue, la pression de vapeur du liquide diminue également, et le refroidissement devient moins efficace. Cela limite la plus petite température possible atteinte avec un liquide donné.

Le refroidissement par évaporation est également la dernière étape de refroidissement avant d'atteindre les températures ultra-basses requises pour la condensation de Bose-Einstein. Ici, le refroidissement par évaporation forcée est utilisé pour éliminer sélectivement les atomes à haute énergie ("chauds") d'un nuage d'atomes jusqu'à ce que le nuage restant soit refroidi en dessous de la température de transition de condensation de Bose-Einstein. Pour un nuage contenant 1 million d'atomes alcalins, cette température est d'environ 1μK.

Bien que les engins spatiaux robotisés utilisent quasi exclusivement le rayonnement thermique, de nombreux engins spatiaux habités à missions de courte durée permettent le refroidissement par évaporation à cycle ouvert. Par exemple, la navette spatiale américaine, le module de commande et de service Apollo, le module lunaire et le système portable de survie. Le module Apollo et la navette spatiale américaine avaient également des radiateurs; la navette pouvait évaporer de l'ammoniac ainsi que de l'eau. L'engin spatial Apollo était équipé d'appareils de sublimation, des dispositifs compacts et largement passifs libérant de la chaleur vers la vapeur d'eau évacuée dans l'espace.Lorsque l'eau liquide est exposée au vide, elle bout fortement, emportant au loin suffisamment de chaleur pour que le restant d'eau congèle, formant de la glace à la surface de l'appareil de sublimation, ce qui permet de réguler automatiquement le débit d'eau d'alimentation en fonction de la charge thermique. L'eau dépensée est souvent disponible en surplus dans les piles à combustible utilisées par de nombreux engins spatiaux habités pour produire de l'électricité.

Les appareils de sublimation étant a l’extérieur des vaisseaux spatiaux, il est également possible d'exploiter les cristaux de glace avoisinants volant dans l'espace à des vitesses orbitales et provenant de l'urine, de l'eau, etc.

Modèles

La plupart des conceptions tirent profit du fait que, parmi toutes les substances communes, l'eau a l'une des valeurs les plus élevées d'enthalpie de vaporisation (chaleur latente de vaporisation). c'est pour cela que les refroidisseurs par évaporation n'utilisent qu'une fraction de l'énergie des systèmes de climatisation à compression de vapeur ou à absorption. Malheureusement, hormis dans les climats très secs, le refroidisseur à un étage (direct) peut augmenter l'humidité relative à un niveau qui gêne les occupants. Les refroidisseurs par évaporation indirecte et à deux étages maintiennent l'humidité relative à un plus bas niveau.

Refroidissement par évaporation directe

Le refroidissement par évaporation directe (circuit ouvert) permet d'abaisser la température et d'augmenter l'humidité de l'air en utilisant la chaleur latente de l'évaporation, changeant l'eau liquide en vapeur d'eau. Dans ce processus, l'énergie dans l'air ne change pas. L'air chaud et sec est remplacé par de l'air frais et humide. La chaleur de l'air extérieur est utilisée pour évaporer l'eau. L'humidité relative augmente de 70 à 90 %, ce qui réduit l'effet rafraîchissant de la transpiration humaine. L'air humide doit être continuellement évacué, sinon l'air devient saturé et le processus d'évaporation s'arrête.

Un refroidisseur par évaporation directe mécanique utilise un ventilateur pour aspirer l'air à travers une membrane humide ou un tampon offrant une grande surface permettant l'évaporation de l'eau dans l'air. L'eau est pulvérisée au sommet du tampon pour qu'elle puisse s'égoutter dans la membrane et maintenir la membrane saturée en continu. L'excès d'eau qui s'écoule du fond de la membrane est recueilli dans un bac et redirigé vers le haut. Les refroidisseurs à évaporation directe à un étage sont généralement de petite taille puisqu'ils ne comprennent que la membrane, la pompe à eau et le ventilateur centrifuge. La teneur en sels de l'eau de ville causera l'entartrage de la membrane, ce qui entraînera un colmatage régulier pendant la durée de vie de la membrane. En fonction de cette teneur en minéraux et du taux d'évaporation, un nettoyage et un entretien réguliers sont nécessaires pour assurer des performances optimales. En règle générale, l'air d'alimentation du refroidisseur par évaporation à un étage doit être évacué directement (flux en un seul passage) en raison de l'humidité élevée de l'air d'alimentation. Actuellement, il existe peu de solutions exploitant l'énergie potentielle de l'air, par exemple l'air évacué dirigé entre deux lames de fenêtres à double vitrage, réduisant l'absorption de l'énergie solaire par le vitrage. Comparé à l'énergie nécessaire pour refroidir par compresseur, les refroidisseurs par évaporation à un étage consomment moins d'énergie.

Le refroidissement passif direct par évaporation se produit lorsque l'eau refroidie par évaporation abaisse la température d'un espace sans ventilateur. Ceci est réalisable en utilisant des fontaines ou des conceptions plus architecturales comme une tour de refroidissement par évaporation à tirage descendant, également appelée "tour de refroidissement passif". La conception de la tour de refroidissement passif permet à l'air extérieur de circuler à travers le sommet d'une tour construite à l'intérieur ou à côté du bâtiment. L'air extérieur entre en contact avec l'eau à l'intérieur de la tour, soit par une membrane mouillée, soit par un brumisateur. Lorsque l'eau s'évapore dans l'air extérieur, l'air devient plus frais et moins flottant et crée un flux descendant dans la tour. Au bas de la tour, une sortie permet à l'air rafraîchi de pénétrer à l'intérieur. Tout comme les refroidisseurs mécaniques à évaporation, les tours sont une solution intéressante à faible consommation d'énergie pour les climats chauds et secs, car elles n'ont besoin que d'une pompe à eau pour élever l'eau jusqu'au sommet de la tour. Les économies d'énergie découlant de l'utilisation d'une stratégie passive de refroidissement par évaporation directe dépendent du climat et de la charge thermique. Pour les climats arides avec une grande dépression de bulbe humide, les tours de refroidissement fournissent suffisamment de frais dans les conditions d'une journée-type d’été pour être net zéro. Par exemple, un magasin de 400 m² à Tucson, Arizona, avec un gain de chaleur sensible de 30 kJ/h peut être entièrement refroidi par deux tours de refroidissement passif fournissant chacune 12 000 m³/h.