Modular Domestic Cascaded Evaporative Cooling System Using Air–Water Bubbling / Sistema modular doméstico de enfriamiento evaporativo en cascada mediante burbujeo aire–agua

Modular Domestic Cascaded Evaporative Cooling System Using Air–Water BubblingAbstractThis work presents a conceptual low-energy ambient cooling system based on air–water thermal exchange and multi-stage evaporative cooling. The design proposes a container-type unit (“thermal cooler”) subdivided into hydraulically connected compartments, where ambient air is forced to bubble sequentially through water volumes before being released into the indoor environment. The objective is to reduce air temperature through sensible heat transfer and latent heat absorption by evaporation, offering a low-consumption alternative or complement to conventional air-conditioning systems.1. IntroductionThe increasing frequency and intensity of heat waves highlight the need for accessible, low-energy, and environmentally sustainable cooling solutions. Conventional air-conditioning systems require high electrical power and rely on refrigerants with potential climatic impact.Evaporative cooling and air–water heat exchange are well-established physical principles historically applied in cooling towers, air washers, and evaporative coolers. However, their integration into compact, modular, domestic configurations remains limited.This work proposes a simplified domestic architecture combining air bubbling in water and cascaded cooling, aimed at maximizing air–water contact and residence time, thereby increasing thermal efficiency with minimal electrical consumption.2. System DescriptionThe system consists of a thermally insulated container (cooler-type unit) subdivided into six partially water-filled compartments hydraulically connected to maintain similar water levels.Main components:Air inlet turbine or fan.Six water compartments.Ducts/hoses conducting air from the upper region of one compartment to the bottom of the next.Final air outlet toward the conditioned space.Operation:Ambient air is driven by a turbine into the bottom of the first compartment, where it bubbles through the water.The air emerges at the top partially cooled and humidified.Through a duct, the air is routed to the bottom of the next compartment, repeating the process.This sequence is replicated across the six compartments (cascaded cooling).The final air stream, at reduced temperature and increased humidity, is released into the indoor environment.3. Physical Principles Involved3.1 Sensible heat transferWarm air transfers thermal energy to water during bubbling, enhanced by the large contact surface created by bubbles.3.2 Evaporative coolingA fraction of the water evaporates at each stage. Evaporation absorbs latent heat (~2260 kJ/kg), reducing the system’s thermal energy.3.3 Cascaded coolingMultiple stages allow progressive air temperature reduction, increasing efficiency compared to single-stage systems.3.4 Thermal mass of waterThe water volume acts as a thermal buffer, smoothing temperature peaks and stabilizing system performance.4. Expected Thermal Performance (Estimated)Temperature reduction depends on:Ambient relative humidity.Airflow rate.Effective exchange surface.Water volume.Contact time.Typical estimated values:Dry or semi-dry climates: 8–18 °C reduction.Humid climates: 3–8 °C reduction.Electrical consumption is mainly limited to the fan and a small recirculation pump, estimated between 50 and 200 W, significantly lower than conventional air-conditioning systems (1000–2500 W).5. Potential ApplicationsResidential spaces.Community areas.Urban thermal shelters.Classrooms and workshops.Air pre-cooling prior to conventional air-conditioning systems, reducing their energy load.6. Advantages of the Proposed SystemLow energy consumption.No chemical refrigerants.Modular and scalable architecture.Low implementation cost.Simple maintenance.Compatibility with renewable energy sources.7. LimitationsReduced performance in high relative humidity environments.Increased indoor humidity, which must be considered in space design.Periodic water replenishment required.8. ConclusionThe proposed system integrates established evaporative cooling and air–water heat exchange principles into a domestic cascaded architecture. Its simplicity, low energy demand, and thermal reduction potential position it as a sustainable alternative or complement to traditional cooling systems, particularly in regions experiencing increasing thermal stress.Experimental evaluation is recommended using measurements of temperature, relative humidity, airflow, and electrical consumption. Sistema modular doméstico de enfriamiento evaporativo en cascada mediante burbujeo aire–aguaResumenSe presenta un sistema conceptual de enfriamiento ambiental de bajo consumo energético basado en intercambio térmico aire–agua y enfriamiento evaporativo en múltiples etapas. El diseño propone una unidad tipo contenedor (“heladera térmica”) subdividida en compartimentos hidráulicamente conectados, donde el aire ambiente es forzado a burbujear secuencialmente a través de volúmenes de agua antes de ser liberado al ambiente interior. El objetivo es reducir la temperatura del aire mediante transferencia de calor sensible y absorción de calor latente por evaporación, ofreciendo una alternativa o complemento de bajo consumo a los sistemas tradicionales de aire acondicionado.1. IntroducciónEl aumento de la frecuencia e intensidad de olas de calor plantea la necesidad de soluciones de enfriamiento accesibles, de bajo consumo energético y ambientalmente sostenibles. Los sistemas convencionales de aire acondicionado presentan elevados requerimientos eléctricos y dependen de refrigerantes con potencial impacto climático.El enfriamiento evaporativo y el intercambio térmico aire–agua constituyen principios físicos bien establecidos, utilizados históricamente en torres de enfriamiento, “air washers” y enfriadores evaporativos. Sin embargo, su integración en configuraciones compactas, modulares y domésticas sigue siendo limitada.Este trabajo propone una arquitectura doméstica simplificada que combina burbujeo de aire en agua y enfriamiento en cascada, orientada a maximizar el contacto aire–agua y el tiempo de residencia del flujo, incrementando la eficiencia térmica con consumo eléctrico mínimo.2. Descripción del sistemaEl sistema consiste en una unidad cerrada térmicamente (tipo heladera), subdividida en seis compartimentos parcialmente llenos de agua y conectados hidráulicamente para mantener niveles similares.Componentes principales:Turbina o ventilador de entrada de aire.Seis compartimentos con agua.Conductos/mangueras que conducen el aire desde la zona superior de un compartimento hacia el fondo del siguiente.Salida final de aire hacia el ambiente a climatizar.Funcionamiento:El aire ambiente es impulsado por una turbina hacia el fondo del primer compartimento, donde burbujea a través del agua.El aire emerge en la parte superior del compartimento parcialmente enfriado y humidificado.Mediante un conducto, el aire es conducido al fondo del siguiente compartimento, repitiendo el proceso.Este ciclo se replica secuencialmente en los seis compartimentos (enfriamiento en cascada).El aire final, con menor temperatura y mayor humedad, es liberado al espacio interior.3. Principios físicos involucrados3.1 Transferencia de calor sensibleEl aire caliente transfiere energía térmica al agua durante el burbujeo, favorecido por la gran superficie de contacto creada por las burbujas.3.2 Enfriamiento evaporativoParte del agua se evapora en cada etapa. La evaporación absorbe calor latente (~2260 kJ/kg), reduciendo la energía térmica del sistema.3.3 Enfriamiento en cascadaEl uso de múltiples etapas permite una reducción progresiva de la temperatura del aire, aumentando la eficiencia frente a sistemas de una sola etapa.3.4 Masa térmica del aguaEl volumen de agua actúa como amortiguador térmico, suavizando picos de temperatura y estabilizando el rendimiento del sistema.4. Desempeño térmico esperado (estimativo)El descenso de temperatura depende de:Humedad relativa ambiente.Caudal de aire.Superficie efectiva de intercambio.Volumen de agua.Tiempo de contacto.Valores típicos estimados:Climas secos o semi-secos: reducción de 8–18 °C.Climas húmedos: reducción de 3–8 °C.El consumo eléctrico se limita principalmente a la turbina y una pequeña bomba de recirculación, estimándose entre 50 y 200 W, significativamente inferior al de sistemas de aire acondicionado convencionales (1000–2500 W).5. Aplicaciones potencialesViviendas.Espacios comunitarios.Refugios térmicos urbanos.Aulas y talleres.Pre-enfriamiento de aire previo a sistemas de aire acondicionado, reduciendo su carga energética.6. Ventajas del sistema propuestoBajo consumo energético.Ausencia de refrigerantes químicos.Arquitectura modular y escalable.Coste de implementación reducido.Mantenimiento simple.Compatibilidad con energías renovables.7. LimitacionesRendimiento reducido en ambientes con alta humedad relativa.Incremento de humedad interior, que debe considerarse en el diseño del espacio.Requiere reposición periódica de agua.8. ConclusiónEl sistema propuesto integra principios conocidos de enfriamiento evaporativo e intercambio térmico aire–agua en una arquitectura doméstica en cascada. Su simplicidad, bajo consumo y potencial de reducción térmica lo posicionan como alternativa sostenible o complemento a los sistemas tradicionales de climatización, especialmente en regiones con estrés térmico creciente.Se propone su evaluación experimental mediante mediciones de temperatura, humedad relativa, caudal de aire y consumo eléctrico.Physical Principles of the Modular Domestic Cascaded Evaporative Cooling System Using Air–Water Bubbling1. General operating principleThe proposed device operates based on the principle of direct evaporative cooling combined with sensible heat transfer between air and water, implemented sequentially through multiple stages (cascade).Ambient air is mechanically driven to the bottom of a first compartment partially filled with water, where it bubbles through the liquid. Duri