Zrozumienie bezpośredniego chłodzenia wyparnego
Aby zrozumieć, jak działa chłodnica wyparna, konieczne jest zrozumienie właściwości ciepła, powietrza i pary wodnej. Najpopularniejszym typem chłodnicy wyparnej jest typ bezpośredni, w którym gorące powietrze zewnętrzne jest schładzane w urządzeniu i wtłaczane do budynku, a następnie wydmuchiwane na zewnątrz. Inne typy to Pośredni i Spryskiwacz powietrza. W tym artykule skupimy się wyłącznie na bezpośrednim chłodzeniu wyparnym.
Czym jest ciepło?
Zanim omówimy proces chłodzenia, musimy nieco zrozumieć naturę ciepła, które występuje w dwóch formach: Ciepło jawne (które można poczuć lub "wyczuć") i ciepło utajone (ciepło ukryte, którego nie można wykryć za pomocą termometru).
Ciepło wykorzystywane do odparowania wody w parę wodną nazywane jest "utajonym ciepłem parowania". Na przykład, jest to ciepło z gorącego chodnika, które jest oddawane w celu odparowania wody po letniej ulewie, lub ciepło z palnika kuchenki oddawane w celu odparowania wody we wrzącym czajniku. Gdy ciekła woda zmienia swój stan w parę (pary wodnej nie widać), pochłania ciepło z otoczenia; temperatura nie zmienia się, ale ilość ciepła lub energii, którą pochłania, jest zawarta w strukturze molekularnej pary. Chłodzenie wyparne jest możliwe tylko dzięki temu naturalnemu zjawisku ciepła utajonego.
Skąd się bierze ciepło utajone?
Pochodzi ono z otaczającego powietrza i materiałów. Za każdym razem, gdy substancja zmienia swój stan ze stałego w ciekły (lód w wodę) lub z ciekłego w parowy (woda w parę lub woda w parę), pochłania ciepło z otoczenia. Oznacza to, że otaczające powietrze, obiekty stałe i ciecze stają się chłodniejsze, ponieważ oddają swoje ciepło do procesu topnienia lub parowania.
Ciepło całkowite to suma ciepła utajonego i ciepła jawnego. Jest to całkowita ilość ciepła w pomieszczeniu, składająca się z ciepła odczuwalnego i nieodczuwalnego. Ciepło całkowite jest mierzone w kilodżulach (kJ): 1000 kJ to około 1000 BTU. Całkowite odparowanie jednego litra wody pochłania około 2000 kJ energii cieplnej i odbywa się to w ramach procesu bez żadnego zewnętrznego wkładu energii. Dlatego też klimatyzatory ewaporacyjne zużywają bardzo niewielką ilość energii elektrycznej do działania. Jedyna energia, jaka jest wymagana, to ta potrzebna do napędzania wentylatora i pompy.
Proces chłodzenia wyparnego
W urządzeniach Direct Evaporative Air Cooling proces wymiany ciepła jest możliwy dzięki pompie wodnej, która dostarcza wodę do paneli chłodzących oraz napędzanemu silnikiem wentylatorowi, który przetłacza gorące powietrze zewnętrzne przez te panele. Komponenty te przyspieszają naturalny proces wymiany ciepła.
Podczas tego procesu część ciepła jawnego z powietrza (ciepło odczuwalne) jest zamieniana na ciepło utajone (ciepło nieodczuwalne), gdy woda w wyparnej chłodnicy powietrza jest zamieniana w parę wodną.
Ten proces zamiany ciepła jawnego w ciepło utajone powoduje, że gorące powietrze staje się zimniejsze, ponieważ część jego (jawnego) ciepła została zużyta, jak wyjaśniono powyżej. Temperatura powietrza spada. Zimne powietrze jest następnie pompowane do budynku i ostatecznie z niego usuwane. Nigdy nie jest ponownie wprowadzane do obiegu.
Chłodnice wyparne powietrza nieznacznie zwiększą wilgotność wewnątrz budynku. Musimy jednak pamiętać, że temperatura również spadła. Jest to połączenie temperatury 
Chłodnice wyparne są tak szeroko stosowane na całym świecie, ponieważ są w stanie stworzyć komfortowe warunki. Na przykład, 80% wilgotności i 30°C jest bardzo niekomfortowe, ale 80% wilgotności i 16°C jest całkiem wygodne. Co więcej, komfort jest również poprawiany poprzez zwiększenie prędkości powietrza w gorących warunkach, a wyparne chłodnice powietrza zapewniają wystarczający ruch powietrza, aby również zminimalizować skutki wilgoci.
Jak widać na poniższym wykresie, temperatura i wilgotność są odwrotnie proporcjonalne: w części dnia, gdy temperatury są wyższe, wilgotność względna jest niższa. Właśnie dlatego technologie chłodzenia wyparnego są skuteczne, działają lepiej, gdy temperatura jest wysoka, ponieważ niższa wilgotność względna pozostawia miejsce na parowanie.
Aby zrozumieć, jak działa chłodnica wyparna, taka jak Breezair , konieczne jest posiadanie jasnego pojęcia o psychometrii: składa się ona z interakcji między ciepłem, wilgocią i powietrzem, a konkretnie z tego, jak zmienić powietrze z jednego stanu w inny. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również jego zdolność do zatrzymywania wilgoci: wilgoć jest zatem bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na przyrost ciepła. Interakcje między trzema wyżej wymienionymi elementami można wyjaśnić na jednym wykresie, zwanym wykresem psychrometrycznym.
Wyjaśnijmy elementy samego wykresu:
- TEMPERATURA SUCHEGO ŻARÓWKA (DBT ) Odnosi się do temperatury otaczającego powietrza mierzonej za pomocą zwykłego termometru: nazywana jest "suchą", ponieważ nie ma na nią wpływu wilgoć powietrza. Temperatura termometru suchego jest wskaźnikiem zawartości ciepła w powietrzu, jeśli wszystkie inne czynniki pozostają stałe. Wraz ze wzrostem temperatury DBT wzrasta również pojemność wilgoci w przestrzeni powietrznej.
- TEMPERATURA MOKREGO TERMOMETRU (WBT): Temperatura mokrego termometru to temperatura mierzona za pomocą termometru, którego szklana bańka jest przykryta mokrą szmatką. Temperatura termometru mokrego wskazuje zawartość wilgoci w powietrzu. Niezwykle ważne jest uwzględnienie WBT w procesach chłodzenia wyparnego, ponieważ różnica między temperaturą termometru suchego i mokrego jest miarą wydajności chłodzenia. Przy 100% wilgotności względnej temperatura termometru mokrego jest równa temperaturze termometru suchego.
- WILGOTNOŚĆ: Opisuje ilość pary wodnej w powietrzu. Możemy rozważyć dwa rodzaje wilgotności:
- Wilgotność bezwzględna: masa pary wodnej obecnej w danej masie powietrza, wyrażona w gramach pary wodnej (g) na kilogram suchego powietrza (kg).
- Wilgotność względna (RH): rzeczywista ilość wilgoci w powietrzu w porównaniu do całkowitej lub maksymalnej wilgotności, jaką powietrze może utrzymać w danej temperaturze. Gdy wilgotność względna powietrza wynosi 50%, mówimy, że jest ono nasycone w 50%. W miarę jak powietrze zbliża się do 100% nasycenia, może przyjmować coraz mniej wody, aż przy 100% wilgotności względnej powietrze nie może zatrzymać więcej wody.
Wykres po prawej stronie przedstawia typowy letni dzień pokazujący temperaturę i wilgotność względną w regionie nietropikalnym.
Jeśli mamy dwa z tych elementów, za pomocą wykresu psychrometrycznego możemy łatwo znaleźć trzeci z nich: na przykład, biorąc pod uwagę pewną temperaturę termometru suchego i pewną temperaturę termometru mokrego, łatwo jest znaleźć wilgotność względną, sprawdzając przecięcie tych dwóch wartości.
W przypadku chłodzenia wyparnego poruszamy się po wykresie wzdłuż linii stałej entalpii: oznacza to, że mówimy o procesie adiabatycznym, w którym nie zachodzi wymiana ciepła.
Podczas nawilżania powietrza przez odparowanie, cząsteczki powietrza zabierają ze sobą część pary wodnej, a także ciepło utajone, które reprezentuje ilość wilgoci w powietrzu. Po pobraniu części ciepła utajonego, powietrze wchodzące do budynku po przejściu przez jednostkę jest chłodniejsze.
Przesuwając się na wykresie psychrometrycznym od punktu A wzdłuż linii stałej entalpii, dodajemy wilgoć do powietrza (oś pionowa) i proporcjonalnie uzyskujemy spadek temperatury termometru suchego (oś pozioma). W przypadku chłodzenia wyparnego możliwe maksymalne obniżenie temperatury to różnica między temperaturą suchej i mokrej żarówki (zwana depresją mokrej żarówki): oznacza to, że możemy poruszać się wzdłuż linii aż do punktu C, w którym wilgotność względna wynosi 100%. Jednak żaden sprzęt nie jest doskonały, więc w chłodnicy wystąpią pewne straty: jeśli uznamy chłodnicę za wydajną w 90%, możemy wtedy osiągnąć punkt B, uzyskując spadek temperatury o 11,5°C.