Comprendre le refroidissement par évaporation directe
Pour comprendre le fonctionnement d'un refroidisseur par évaporation, il est nécessaire de connaître les propriétés de la chaleur, de l'air et de la vapeur d'eau. Le type le plus courant de refroidisseur par évaporation est le type direct, dans lequel l'air chaud extérieur est refroidi à l'intérieur de la machine, puis introduit dans le bâtiment et rejeté à l'extérieur. Les autres types sont le type indirect et le laveur d'air. Dans cet article, nous nous concentrerons uniquement sur le refroidissement par évaporation direct.
Qu'est-ce que la chaleur ?
Avant de parler du processus de refroidissement, nous devons comprendre un peu la nature de la chaleur qui existe sous deux formes : La chaleur sensible (que vous pouvez sentir ou "ressentir") et la chaleur latente (chaleur cachée qui ne peut pas être détectée avec un thermomètre).
La chaleur utilisée pour évaporer l'eau en vapeur d'eau est appelée "chaleur latente d'évaporation". Par exemple, c'est la chaleur du trottoir chaud qui est abandonnée pour évaporer l'eau après une pluie d'été, ou la chaleur du brûleur de la cuisinière qui est abandonnée pour évaporer l'eau dans une bouilloire bouillante. Lorsque l'eau liquide se transforme en vapeur (vous ne pouvez pas voir la vapeur d'eau), elle absorbe la chaleur de son environnement ; la température ne change pas mais la quantité de chaleur ou d'énergie qu'elle absorbe est contenue dans la structure moléculaire de la vapeur. Le refroidissement par évaporation n'est possible que grâce à ce phénomène naturel de chaleur latente.
D'où vient la chaleur latente ?
Elle provient de l'air et des matériaux environnants. Lorsqu'une substance passe de l'état solide à l'état liquide (de la glace à l'eau) et de l'état liquide à l'état de vapeur (de l'eau à la vapeur ou de l'eau à la vapeur), elle absorbe la chaleur de l'environnement. Cela signifie que l'air ambiant, les objets solides et les liquides se refroidissent à mesure qu'ils cèdent leur chaleur au processus de fusion ou d'évaporation.
La chaleur totale est la somme de la chaleur latente et de la chaleur sensible. C'est la quantité totale de chaleur dans une pièce, composée de la chaleur que vous pouvez sentir et de celle que vous ne pouvez pas sentir. La chaleur totale est mesurée en kilojoules (kJ) : 1000 kJ correspondent à environ 1000 BTU. L'évaporation complète d'un litre d'eau absorbe environ 2 000 kJ d'énergie thermique et cela se produit au cours du processus sans apport d'énergie extérieure. C'est pourquoi les climatiseurs évaporatifs utilisent une très faible quantité d'énergie électrique pour fonctionner. La seule énergie nécessaire est celle qui alimente le ventilateur et la pompe.
Le processus de refroidissement par évaporation de l'air
Dans les appareils de refroidissement d'air par évaporation directe, le processus d'échange de chaleur est activé au moyen d'une pompe à eau qui achemine l'eau vers les panneaux de refroidissement et d'un ventilateur motorisé qui pousse l'air extérieur chaud à travers ces panneaux. Ces composants se combinent pour accélérer le processus naturel d'échange de chaleur.
Au cours de ce processus, une partie de la chaleur sensible de l'air (la chaleur que vous pouvez ressentir) est transformée en chaleur latente (la chaleur que vous ne pouvez pas ressentir) lorsque l'eau contenue dans le refroidisseur d'air par évaporation se transforme en vapeur d'eau.
Ce processus de transformation de la chaleur sensible en chaleur latente fait que l'air chaud devient plus froid puisqu'une partie de sa chaleur (sensible) a été utilisée comme expliqué ci-dessus. La température de l'air diminue donc. L'air froid est alors pompé dans le bâtiment et est finalement évacué du bâtiment. Il n'est jamais remis en circulation.
Les refroidisseurs d'air par évaporation augmentent légèrement l'humidité à l'intérieur du bâtiment. Cependant, il faut se rappeler que la température a également baissé. C'est la combinaison de la température 
et l'humidité qui créent le confort humain, et les refroidisseurs d'air par évaporation sont si largement utilisés dans le monde entier parce qu'ils peuvent créer des conditions confortables. Par exemple, 80% d'humidité et 30°C est très inconfortable, mais 80% d'humidité et 16°C est tout à fait confortable. En outre, le confort est également amélioré en augmentant la vitesse de l'air dans des conditions chaudes et les rafraîchisseurs d'air par évaporation créent un mouvement d'air suffisant pour minimiser les effets de l'humidité.
Comme nous pouvons le voir sur le graphique ci-dessous, la température et l'humidité sont inversement proportionnelles : pendant la partie de la journée où les températures sont plus élevées, l'humidité relative est plus faible. C'est pourquoi les technologies de refroidissement par évaporation sont efficaces, elles fonctionnent mieux lorsque la température est élevée, car une humidité relative plus faible laisse de la place à l'évaporation.
Pour comprendre le fonctionnement d'un refroidisseur par évaporation tel que Breezair , il est nécessaire d'avoir une idée claire de la psychrométrie : il s'agit des interactions entre la chaleur, l'humidité et l'air, et plus précisément de la manière de faire passer l'air d'une condition à une autre. Lorsque la température augmente, sa capacité à retenir l'humidité augmente également : l'humidité est donc un facteur très influent pour le gain de chaleur. L'interaction entre les trois éléments mentionnés ci-dessus peut être expliquée dans un seul tableau, appelé tableau psychrométrique.
Clarifions les éléments du graphique lui-même :
- TEMPÉRATURE DU BULBE SEC (TBS) Désigne la température de l'air ambiant mesurée à l'aide d'un thermomètre normal : elle est dite "sèche" car elle n'est pas affectée par l'humidité de l'air. La température sèche est un indicateur du contenu thermique de l'air si tous les autres facteurs restent constants. Lorsque la température DBT augmente, la capacité d'humidité que l'espace aérien peut contenir augmente également.
- TEMPÉRATURE DU BULBE HUMIDE (WBT): La température du bulbe humide est la température mesurée à l'aide d'un thermomètre dont le bulbe de verre est recouvert d'un tissu humide. La température du bulbe humide indique la teneur en humidité de l'air. Il est extrêmement important de considérer la WBT pour les processus de refroidissement par évaporation car la différence entre la température du bulbe sec et celle du bulbe humide est une mesure de l'efficacité du refroidissement. À 100 % d'humidité relative, la température du bulbe humide est égale à la température du bulbe sec.
- HUMIDITÉ: Décrit la quantité de vapeur d'eau présente dans l'air. On peut considérer deux types d'humidité :
- Humidité absolue : la masse de vapeur d'eau présente dans une masse d'air donnée, exprimée en grammes de vapeur d'eau (g) par kilogramme d'air sec (kg).
- Humidité relative (HR) : la quantité réelle d'humidité dans l'air par rapport à l'humidité totale ou maximale que l'air peut contenir à une température donnée. Lorsque l'humidité relative de l'air est de 50 %, on dit qu'il est saturé à 50 %. À mesure que l'air s'approche de 100 % de saturation, il peut absorber de moins en moins d'eau jusqu'à ce qu'à 100 % d'HR, l'air ne puisse plus contenir d'eau.
Le graphique de droite représente une journée d'été typique avec la température et l'humidité relative dans une région non-tropicale.
Si nous disposons de deux de ces éléments, le tableau psychrométrique nous permet de trouver facilement le troisième : par exemple, étant donné une certaine température de bulbe sec et une certaine température de bulbe humide, il est facile de trouver l'humidité relative en vérifiant l'intersection de ces deux valeurs.
Dans le cas du refroidissement par évaporation, nous nous déplaçons dans le graphique le long de lignes d'enthalpie constante : cela signifie que nous parlons d'un processus adiabatique, dans lequel aucun transfert de chaleur ne se produit.
Lors de l'humidification de l'air par évaporation, les molécules d'air emportent avec elles une partie de la vapeur d'eau, ainsi que de la chaleur latente, qui représente donc la quantité d'humidité dans l'air. En prenant une partie de la chaleur latente, l'air entrant dans le bâtiment après avoir traversé l'unité est alors plus frais.
En nous déplaçant dans le tableau psychrométrique à partir du point A le long d'une ligne d'enthalpie constante, nous ajoutons de l'humidité à l'air (axe vertical) et obtenons proportionnellement une baisse de la température du thermomètre sec (axe horizontal). Avec le refroidissement par évaporation, la réduction maximale possible de la température est la différence entre la température du bulbe sec et celle du bulbe humide (appelée dépression du bulbe humide) : cela signifie que nous pourrions nous déplacer le long de la ligne jusqu'au point C, où l'humidité relative est de 100%. Cependant, aucun équipement n'est parfait, il y aura donc certaines pertes dans le refroidisseur : si nous considérons un refroidisseur efficace à 90%, nous pouvons alors atteindre le point B, obtenant ainsi une baisse de température de 11,5°C.