Direktverdampfungskühlung verstehen
Um zu verstehen, wie ein Verdunstungskühler funktioniert, muss man etwas über die Eigenschaften von Wärme, Luft und Wasserdampf wissen. Der gebräuchlichste Typ von Verdunstungskühlern ist der direkte Typ, bei dem die heiße Außenluft in der Maschine abgekühlt, in das Gebäude geleitet und wieder nach außen abgeführt wird. Andere Typen sind indirekt und Luftwäscher. In diesem Artikel werden wir uns nur auf die direkte Verdunstungskühlung konzentrieren.
Was ist Wärme?
Bevor wir den Abkühlungsprozess erörtern können, müssen wir ein wenig über die Natur der Wärme wissen, die in zwei Formen existiert: Sensible Wärme (die man fühlen oder "spüren" kann) und latente Wärme (verborgene Wärme, die nicht mit einem Thermometer gemessen werden kann).
Die Wärme, die zur Verdampfung von Wasser in Wasserdampf verwendet wird, wird als "latente Verdampfungswärme" bezeichnet. Es ist zum Beispiel die Wärme des heißen Gehwegs, die aufgewendet wird, um das Wasser nach einem Sommerregen zu verdampfen, oder die Wärme des Herdbrenners, die aufgewendet wird, um das Wasser in einem kochenden Kessel zu verdampfen. Wenn das flüssige Wasser in Dampf übergeht (Wasserdampf kann man nicht sehen), nimmt es Wärme aus der Umgebung auf; die Temperatur ändert sich nicht, aber die Menge an Wärme oder Energie, die es aufnimmt, ist in der Molekularstruktur des Dampfes enthalten. Die Verdunstungskühlung ist nur aufgrund dieses natürlichen Phänomens der latenten Wärme möglich.
Woher kommt die latente Wärme?
Sie stammt aus der Umgebungsluft und den Materialien. Wann immer ein Stoff seinen Zustand von fest zu flüssig (Eis zu Wasser) und von flüssig zu dampfförmig (Wasser zu Dampf oder Wasser zu Wasserdampf) ändert, nimmt er Wärme aus der Umgebung auf. Das bedeutet, dass die umgebende Luft sowie feste Gegenstände und Flüssigkeiten kühler werden, wenn sie ihre Wärme an den Schmelz- oder Verdampfungsprozess abgeben.
Die Gesamtwärme ist die Summe aus latenter Wärme und fühlbarer Wärme. Sie ist die gesamte Wärmemenge in einem Raum, die sich aus fühlbarer und nicht fühlbarer Wärme zusammensetzt. Die Gesamtwärme wird in Kilojoule (kJ) gemessen: 1000 kJ sind etwa 1000 BTU. Bei der vollständigen Verdampfung eines Liters Wasser werden etwa 2000 kJ an Wärmeenergie absorbiert, und zwar innerhalb des Prozesses, ohne dass von außen Energie zugeführt wird. Deshalb verbrauchen Verdunstungsklimageräte nur eine sehr geringe Menge an elektrischer Energie für ihren Betrieb. Der einzige Strom, der benötigt wird, ist der für den Antrieb des Ventilators und der Pumpe.
Der Prozess der Verdunstungskühlung
Bei Maschinen mit direkter Verdunstungskühlung wird der Wärmeaustausch durch eine Wasserpumpe, die Wasser zu den Kühlpads fördert, und einen motorgetriebenen Ventilator, der heiße Außenluft durch diese Medienplatten drückt, ermöglicht. Diese Komponenten beschleunigen zusammen den natürlichen Wärmeaustauschprozess.
Während des Prozesses wird ein Teil der fühlbaren Wärme aus der Luft (die Wärme, die Sie spüren können) in latente Wärme (die Wärme, die Sie nicht spüren können) umgewandelt, wenn das Wasser im Verdunstungskühler in Wasserdampf umgewandelt wird.
Dieser Prozess der Umwandlung von fühlbarer Wärme in latente Wärme führt dazu, dass die heiße Luft kälter wird, da ein Teil ihrer (fühlbaren) Wärme wie oben beschrieben genutzt wurde. Die Lufttemperatur sinkt also. Die kalte Luft wird dann in das Gebäude gepumpt und schließlich aus dem Gebäude abgeführt. Sie wird nie wieder umgewälzt.
Verdunstungsluftkühler erhöhen die Luftfeuchtigkeit im Gebäude leicht. Wir müssen jedoch bedenken, dass auch die Temperatur gesunken ist. Es ist die Kombination aus Temperatur 
Verdunstungsluftkühler werden weltweit so häufig eingesetzt, weil sie für angenehme Bedingungen sorgen. So ist beispielsweise eine Luftfeuchtigkeit von 80 % und eine Temperatur von 30 °C sehr unangenehm, während eine Luftfeuchtigkeit von 80 % und eine Temperatur von 16 °C recht angenehm ist. Darüber hinaus wird das Wohlbefinden auch dadurch verbessert, dass die Luftgeschwindigkeit in heißen Räumen erhöht wird, und Verdunstungskühler sorgen für eine ausreichende Luftbewegung, um auch die Auswirkungen der Feuchtigkeit zu minimieren.
Wie aus dem nachstehenden Diagramm hervorgeht, sind Temperatur und Luftfeuchtigkeit umgekehrt proportional: Während der Tageszeit, in der die Temperaturen höher sind, ist die relative Luftfeuchtigkeit niedriger. Aus diesem Grund sind Technologien zur Verdunstungskühlung so effektiv. Sie funktionieren besser, wenn die Temperatur hoch ist, weil eine niedrigere relative Luftfeuchtigkeit Raum für die Verdunstung lässt.
Um zu verstehen, wie ein Verdunstungskühler wie Breezair funktioniert, ist es notwendig, eine klare Vorstellung von der Psychrometrie zu haben: Diese besteht aus den Wechselwirkungen zwischen Wärme, Feuchtigkeit und Luft und insbesondere aus der Art und Weise, wie die Luft von einem Zustand in einen anderen übergeht. Mit steigender Temperatur nimmt auch die Fähigkeit der Luft, Feuchtigkeit zu speichern, zu: Feuchtigkeit ist daher ein sehr wichtiger Faktor für den Wärmegewinn. Die Wechselwirkung zwischen den drei oben genannten Elementen kann in einem einzigen Diagramm, dem so genannten psychrometrischen Diagramm, erklärt werden.
Lassen Sie uns die Elemente des Diagramms selbst klären:
- DRY BULB TEMPERATURE (DBT) Bezieht sich auf die mit einem normalen Thermometer gemessene Temperatur der Umgebungsluft: Sie wird "trocken" genannt, weil sie nicht durch die Feuchtigkeit der Luft beeinflusst wird. Die Trockenkugeltemperatur ist ein Indikator für den Wärmeinhalt der Luft, wenn alle anderen Faktoren konstant bleiben. Mit dem Anstieg der DBT-Temperatur steigt auch die Kapazität der Feuchtigkeit, die der Luftraum aufnehmen kann.
- FEUCHTKUGELTEMPERATUR (WBT): Die Feuchtkugeltemperatur ist die Temperatur, die mit einem Thermometer gemessen wird, dessen Glaskolben von einem feuchten Tuch bedeckt ist. Die Feuchtkugeltemperatur zeigt den Feuchtigkeitsgehalt der Luft an. Es ist äußerst wichtig, die WBT bei Verdunstungskühlprozessen zu berücksichtigen, da der Unterschied zwischen der Trockenkugel- und der Feuchtkugeltemperatur ein Maß für die Kühleffizienz ist. Bei 100 % relativer Luftfeuchtigkeit ist die Feuchtkugeltemperatur gleich der Trockenkugeltemperatur.
- FEUCHTIGKEIT: Beschreibt die Menge des Wasserdampfs in der Luft. Wir können zwei Arten von Luftfeuchtigkeit unterscheiden:
- Absolute Luftfeuchtigkeit: die Masse des in einer bestimmten Luftmasse vorhandenen Wasserdampfes, ausgedrückt in Gramm Wasserdampf (g) pro Kilogramm trockener Luft (kg).
- Relative Luftfeuchtigkeit (RH): die tatsächliche Menge an Feuchtigkeit in der Luft im Vergleich zur gesamten oder maximalen Feuchtigkeit, die die Luft bei einer bestimmten Temperatur aufnehmen kann. Wenn die Luft eine relative Feuchte von 50 Prozent hat, ist sie zu 50 Prozent gesättigt. Wenn sich die Luft der 100-prozentigen Sättigung nähert, kann sie immer weniger Wasser aufnehmen, bis sie bei 100 Prozent RH kein Wasser mehr aufnehmen kann.
Die Grafik auf der rechten Seite zeigt einen typischen Sommertag mit Temperatur und relativer Luftfeuchtigkeit in einer nicht-tropischen Region.
Wenn wir zwei dieser Elemente haben, können wir mit Hilfe des psychrometrischen Diagramms leicht das dritte finden: Bei einer bestimmten Trockenkugeltemperatur und einer bestimmten Feuchtkugeltemperatur ist es zum Beispiel einfach, die relative Luftfeuchtigkeit zu finden, indem man den Schnittpunkt dieser beiden Werte überprüft.
Bei der Verdunstungskühlung bewegen wir uns im Diagramm entlang von Linien mit konstanter Enthalpie: Das bedeutet, dass es sich um einen adiabatischen Prozess handelt, bei dem keine Wärmeübertragung stattfindet.
Wenn die Luft durch Verdunstung befeuchtet wird, nehmen die Luftmoleküle einen Teil des Wasserdampfes sowie die latente Wärme mit, die somit die Menge an Feuchtigkeit in der Luft darstellt. Durch die Aufnahme eines Teils der latenten Wärme ist die Luft, die in das Gebäude eintritt, nachdem sie das Gerät passiert hat, kühler.
Wenn wir uns im psychrometrischen Diagramm von Punkt A entlang einer Linie mit konstanter Enthalpie bewegen, fügen wir der Luft Feuchtigkeit hinzu (vertikale Achse) und erhalten proportional dazu einen Rückgang der Trockenkugeltemperatur (horizontale Achse). Bei der Verdunstungskühlung ist die mögliche maximale Temperatursenkung die Differenz zwischen der Trockenkugel- und der Feuchtkugeltemperatur (die so genannte Feuchtkugeldepression): Das bedeutet, dass wir uns entlang der Linie bis zum Punkt C bewegen können, wo die relative Luftfeuchtigkeit 100 % beträgt. Allerdings ist kein Gerät perfekt, so dass es gewisse Verluste im Kühler gibt: Wenn wir einen Kühler mit einem Wirkungsgrad von 90 % betrachten, können wir Punkt B erreichen und somit eine Temperatursenkung von 11,5 °C erzielen.