¿Cómo funciona realmente el aire acondicionado Eco-Cooler?

Question

Este artículo describe un dispositivo para los países en vías de desarrollo que aparentemente enfría el aire 5 °C sin electricidad. Según su vídeo en YouTube funciona bajando la presión para arrastrar el aire ambiente. ¿El aire ambiente no estaría a la misma temperatura?

¿La constricción comprime el aire y aumenta temporalmente la presión y, por tanto, la temperatura, que luego disipa el calor porque está más caliente que el entorno; después, tras pasar la constricción, la presión vuelve a ser casi la del entorno, pero la temperatura desciende por debajo de éste?

¿Cómo funciona realmente el aire acondicionado Eco-Cooler, si es que funciona?

Answer 1

He aquí la respuesta de un simple experimentalista:

a) Las casetas de hojalata al sol se calientan muchísimo, como sabrá cualquiera que haya dejado un coche al sol, mucho más que la temperatura exterior.

b) La gente de Bangladesh tendrá más o menos el mismo coeficiente intelectual que la gente de otros países, por lo que estas cabañas de hojalata tendrán al menos dos ventanas para que haya una corriente cruzada en un esfuerzo por bajar la temperatura interior atrayendo el aire exterior. (Estaba pensando en chimeneas, pero éstas son para países más fríos). Dejar las ventanas abiertas es lo que se hace para mantener un coche más fresco al sol.

Lo más inteligente es tener las ventanas al norte/sur, porque incluso en los días sin viento, el lado sur del exterior de la casa se calienta más que el norte, y más que el interior de la casa: se produce una convección natural entre las dos ventanas: el aire caliente que sube por el sur tira del aire más frío del interior de la casa, y el aire se sustituye por la ventana del norte, con el aire más frío de la sombra de la casa.

Si ves el video no hay sol en la ventana utilizada, por lo que debe ser la ventana del lado norte.

Esta circulación natural hace que la cabaña de hojalata alcance una temperatura más baja, pero no igual a la del aire exterior en la sombra.

El refrigerador, sustituye a la ventana norte. Lo que ocurre es que el aire que entra por la ventana sur abierta pasa por las aberturas más pequeñas y actúa como un ventilador . Es decir, en lugar de un ventilador eléctrico, y todo el mundo sabe que no baja la temperatura de la habitación, se trata de un ventilador pasivo, como se explica en otras respuestas.

La habitación en su conjunto alcanzará la misma temperatura que antes de la instalación, pero las personas que estén junto al refrigerador tendrán la misma sensación que si estuvieran sentadas frente a un ventilador o utilizando un ventilador de mano. El vídeo les muestra junto a ella. Además, la temperatura junto a la nevera será la del exterior en la sombra, que sin duda es más baja que la de una cabaña de hojalata.

En el vídeo también dicen que su funcionamiento depende del viento. En un día de viento las corrientes de convección son mucho más fuertes.

Answer 2

No puedo descartar la posibilidad de que se esté más cómodo en el interior con el "eco cooler" instalado, pero la explicación que dan es un auténtico disparate. Muestran un termómetro "antes" y "después", pero no dicen cuál era la condición "antes": ¿ventana abierta? ¿panel de vidrio? ¿persiana de madera?

CuriousOne ya ha planteado la hipótesis de que funciona bloqueando la luz solar y admitiendo aún el aire. Podría ser. No podemos saberlo por el videoclip o el artículo.

Ofrecen dos "explicaciones", que parafraseo:

(1) "Al soplar un chorro de aire húmedo a la temperatura del cuerpo sobre la piel, se siente más frío que el mismo volumen de aire a baja velocidad"; (2) "Al pasar el aire caliente, el cuello de la botella comprime y enfría el aire".

La explicación del efecto en el número 1 es que el chorro arrastrará aire seco con él, ampliando así el volumen de aire, y la alta velocidad conducirá a un mejor enfriamiento por evaporación de la piel.

La "explicación" del número 2 tiene varios problemas. En primer lugar, la terminología. En física, el término "comprimir" se refiere a reducir el volumen de una cantidad fija de materia. Si se comprime una cantidad determinada de aire, generalmente aumentará su temperatura. Aquí, parece que quieren decir que la sección transversal de la corriente de aire disminuye a lo largo de la línea del flujo.

El principio de Bernoulli le dirá que el aumento de velocidad que lo acompaña debe conducir a una caída de presión, en comparación con la presión en la parte ancha de la botella. La caída de presión puede incluso provocar una disminución de la temperatura de una fracción de centígrado. Sin embargo, cuando el aire se ralentiza al mezclarse con el aire interior, la presión volverá a aumentar y la temperatura volverá a subir (también por $\ll 1$ °C) al seguir la trayectoria del flujo de aire.

¿Cuánto es? $\ll 1$ °C? Digamos que la mayor velocidad involucrada es $v=5$ m/s (es una buena brisa). Bernoulli: la diferencia de presión es $\Delta p=\rho v^2/2=16$ Pa. Expansión adiabática del gas: $pV^\gamma=\mathrm{constant}$ con $\gamma=1.4$ una propiedad del aire. Con la ley universal de los gases ( $pV=nRT$ ) y una aproximación de primer orden, podemos derivar que la caída de temperatura en el punto de mayor velocidad es $$\Delta T \approx T\frac{\Delta p}{p} \left(1 - \frac{1}{\gamma}\right).$$ Con $p=10^5$ Pa como la presión atmosférica y $T=300$ K como temperatura absoluta, obtenemos $\Delta T\approx 0.014$ K. (E incluso entonces, el intercambio de calor entre un objeto estacionario y un gas de alta velocidad que tiene una temperatura más baja debido a su alta velocidad es un tema difícil que podría realmente a la transferencia de calor en la dirección opuesta de lo que se esperaría, en algunos casos).

Otro error es la suposición implícita de que el volumen de aire (por unidad de tiempo) que pasa a través de este dispositivo es el mismo que si sólo hubiera una ventana abierta. Si soplas con la boca abierta, tus pulmones necesitan producir menos presión que si soplas el mismo caudal de volumen con los labios fruncidos. Pero con el viento, la presión disponible es un hecho; colocar una restricción de flujo en el viento sólo puede reducir el caudal, no aumentarlo. En los cuellos de botella, la velocidad del flujo de aire puede ser ligeramente superior a la que tendría una ventana totalmente abierta, pero la tasa de volumen total de aire que pasa será mucho menor. Cuánto, eso depende de cómo salga el aire del edificio y, por supuesto, de la dirección del viento exterior.

Answer 3

Sin ninguna salida, bajo el calor de la luz solar, la temperatura dentro de la casa será alta y superior a la temperatura ambiente. La presión también será alta.

Si dejamos que el aire entre en la casa con el "eco-enfriador", la masa de aire se acumula y la presión aumenta hasta que el aire no puede fluir en ella.

Por lo tanto, para que siga funcionando, debe haber una forma de eliminar el aire del interior de la casa. Supongo que en el techo de la casa hay una "chimenea" que puede sacar el aire caliente debido a la diferencia de presión o al flujo de flotación entre la casa y el entorno.

Colocar una ventana como entrada de aire en la pared puede establecer esta circulación de aire. El aire de entrada tendrá una temperatura más baja y el flujo de aire bajará aún más el termómetro húmedo. Si podemos poner un recipiente con agua en la entrada, será más efectivo. Lo de la botella de plástico y la ecuación de Bernoulli es engañoso. Después de que el aire salga de la botella, será igual o peor que antes. De lo contrario violará la segunda ley. Más botella reduce el coeficiente de flujo.

Answer 4

La idea del eco cooler es que el aire se enfría mientras se expande. El problema es que el aire se calienta mientras se comprime. Así que en el eco cooler, como se muestra, el aire se calienta primero y luego se enfría, devolviéndonos a la temperatura inicial.

El refrigerador ecológico funcionaría si se pone intercambiador térmico entre la compresión y la expansión del aire. Así que primero se comprime y se calienta el aire, luego se enfría de nuevo a la temperatura ambiente ( fuera de casa ) y luego se expande y se enfría de nuevo ( en la casa ). Así es como funciona el aire acondicionado.

El problema es cómo mantener el aire comprimido mientras está en el intercambiador térmico. El intercambiador térmico puede visualizarse como un tubo muy largo en contacto con el aire exterior. Es imposible hacerlo sin alguna ayuda mecánica y sin consumo de energía.

En resumen: no hay almuerzo gratis. No se puede fabricar un acondicionador de aire que no requiera un cierto aporte de energía. El refrigerador ecológico es falso.

Answer 5

En primer lugar, el hecho de que la placa bloquee la luz solar que entra en la casa puede haber enfriado la propia casa (el mismo efecto que una pantalla solar). Dado que esta pregunta se refiere a cómo cambiarán la presión y la temperatura después de instalar el acondicionador de aire Eco-Cooler (el tablero de botellas únicamente), daré el siguiente análisis.

Desde el Ley Gay-Lussac que \begin{align} \frac{P_1}{T_1}=\frac{P_2}{T_2}, \end{align} la relación entre la presión y la temperatura es una constante para un volumen aproximadamente fijo. Cuando se instalan las botellas en las ventanas, la forma de las mismas aumenta la presión del aire antes de entrar en la habitación. Esto puede entenderse de la siguiente manera: suponemos que el viento entra en una casa casi cerrada que cada sección transversal en el curso del tubo de la botella está aproximadamente bajo la condición de fuerza equilibrada/equilibrio que $$F_a=S_aP_a\approx S_bP_b$$ para dos secciones transversales arbitrarias $S_a$ y $S_b$ . Como la zona del cuello de botella es la más pequeña, la presión allí puede ser la mayor antes de entrar en la casa. En este proceso, sin embargo, la temperatura no puede modificarse ya que está en contacto con el ambiente exterior constantemente.

Cuando el aire entra en la habitación, la presión disminuye inmediatamente hasta la presión atmosférica normal o incluso por debajo de la normal (dependiendo de la presión real de la habitación), ya que no hay ningún tubo con forma de cuello de botella que limite su volumen. Como resultado de la ecuación anterior, la temperatura desciende inmediatamente en el interior de la habitación.

Una nota importante con respecto a las otras respuestas y la condición válida de la ecuación (2) anterior -- He notado que otras respuestas se han centrado en la apertura de la chimenea y otras ventanas, pero aquí no es necesario asumir esa condición, y de hecho creo que las otras salidas de la casa deben mantenerse cerradas para evitar el intercambio de calor desde esas aberturas. En primer lugar En este caso, no debemos centrarnos en si hay una chimenea o salidas en el otro lado de la casa para explicar el cambio de temperatura debido a la instalación de la placa de la botella. Porque antes o después de la instalación del tablero de la botella, la otra chimenea o las ventanas están siempre allí si había alguna, no deben ser la causa del cambio de temperatura - es la instalación de las entradas de la botella generan el cambio de temperatura. En segundo lugar Como la casa es relativamente grande en comparación con las aberturas del vídeo, el flujo de aire experimentará un efecto de fricción cuando entre en la casa (todas las demás respuestas no han considerado este efecto). En otras palabras, puedes imaginar que la casa es aproximadamente un volumen cerrado que dará una resistencia al aire que entra y reducirá su velocidad de entrada. Por lo tanto, el flujo de aire que atraviesa los tubos de la botella se comprimirá en la posición del cuello de la botella y la velocidad de entrada en la casa será menor que en el caso de que entre en un espacio completamente abierto. Esto valida la condición de la ecuación (2), que es que cualquier sección transversal del flujo de aire sobre la trayectoria de la botella está aproximadamente en una condición de equilibrio de fuerzas. En tercer lugar En el caso de las casas que se muestran en el vídeo, que están hechas de madera y no son herméticas, es importante mantener cerradas otras ventanas grandes de la casa para evitar que el aire caliente entre en la casa y aumente la temperatura. El vídeo muestra que la temperatura ambiente puede ser $5^\circ$ más bajo que en el exterior. Si mantienes abiertas otras ventanas grandes, es muy fácil volver a equilibrar la temperatura de la habitación para que vuelva a ser alta. Este es el mismo requisito común cuando encendemos el aire acondicionado en verano, y hace que el punto 2 anterior sea aún más válido. Obviamente, otras respuestas pueden haber ignorado este conocimiento común - en lugar de analizar cómo ayuda el tablero de la botella, pero para argumentar acerca de que debe haber aberturas para dejar que el flujo de aire libremente entrar y salir de la casa para hacer el proceso de enfriamiento posible en todo caso.

Viabilidad y condiciones para que funcione : Vemos en el vídeo que hay un $5^\circ$ diferencia de temperatura. Podemos suponer que la temperatura exterior es de aproximadamente $30^\circ C$ o $T_1=303K$ y la temperatura interior es de aproximadamente $25^\circ C$ o $T_2=298K$ . Por lo tanto, la presión elevada en el cuello de botella con respecto a la presión normal de la casa es \begin{align} \eta=\frac{P_1}{P_2}=\frac{T_1}{T_2}\approx 1.017, \end{align} que se trata de $1.7\%$ de aumento de presión. A partir de la ecuación (2), dado que la sección transversal del cuello de botella es mucho más pequeña que el área de admisión, el aumento de presión ideal puede ser mucho más que $1.7\%$ cuando Equ. (2) es una ecuación completa. Considerando que la Equ. (2) se convierte en una ecuación completa sólo cuando el cuello de botella está completamente cerrado desde el lado de la casa, lo que no es totalmente cierto, y la casa está constantemente intercambiando calor de otros canales no ideales con el medio ambiente, podemos encontrar la $5^\circ$ La disminución de la temperatura es posible a partir de una estimación aproximada. Para que el Eco-enfriador funcione bien, es crucial tener un buen estado de aislamiento de la casa y asegurarse de que todas las demás ventanas/aberturas de la casa estén cerradas para que la presión esté bien satisfecha. Sin embargo, si no hay un flujo de aire en la casa desde las botellas, este Eco-enfriador puede no funcionar bien desde las transiciones de presión-temperatura, pero todavía puede funcionar hasta cierto punto bloqueando la luz del sol en la casa.

Una regla similar gobierna el caso de que cuando se evapora agua dentro de una habitación abierta, en la que el volumen del vapor de agua se incrementa desde el agua y la energía química del vapor de agua desde el agua líquida también se cambia para que al final el vapor de agua absorba el calor del aire. Espero que esto ayude a entender el poder de las leyes físicas.