Raffrescamento ad evaporazione diretta

Capire il raffrescamento evaporativo diretto

Per capire come funziona un raffrescatore evaporativo, è necessario capire di più sulle proprietà del calore, dell'aria e del vapore acqueo. Il tipo più comune di raffreddamento evaporativo è il tipo diretto, in cui l'aria calda esterna viene raffreddata all'interno della macchina e forzata nell'edificio e scaricata di nuovo all'esterno. Altri tipi sono quello Indiretto e gli Air Washers. In questo articolo, ci concentreremo solo sul Raffrescamento o raffreddamento Evaporativo Diretto.

Cos'è il calore?

Prima di poter discutere il processo di raffreddamento dobbiamo capire un po' la natura del calore che esiste in due forme: Calore sensibile (che si può sentire o "percepire") e calore latente (calore nascosto che non può essere rilevato con un termometro).

Il calore utilizzato per far evaporare l'acqua in vapore acqueo si chiama "calore latente di evaporazione". Per esempio, è il calore del pavimento caldo che viene ceduto per far evaporare l'acqua dopo un temporale estivo, o il calore del bruciatore della stufa ceduto per far evaporare l'acqua in un bollitore bollente. Quando l'acqua liquida cambia il suo stato in vapore, (non si può vedere il vapore acqueo) assorbe calore dall'ambiente circostante; la temperatura non cambia ma la quantità di calore o di energia che assorbe è contenuta nella struttura molecolare del vapore. Il raffrescamento evaporativo è possibile solo grazie a questo fenomeno naturale del calore latente.

Da dove viene il calore latente?

Viene dall'aria e dai materiali circostanti. Ogni volta che una sostanza cambia il suo stato da solido a liquido (ghiaccio ad acqua) e da liquido a vapore (acqua a vapore o acqua a vapore), assorbe calore dall'ambiente circostante. Ciò significa che l'aria circostante e gli oggetti solidi e i liquidi diventano più freddi quando cedono il loro calore al processo di fusione o evaporazione.

Il calore totale è la somma del calore latente e del calore sensibile. È la quantità totale di calore in una stanza, fatta di calore che si può sentire e di calore che non si può sentire. Il calore totale si misura in kilojoule (kJ): 1000kJ sono circa 1000 BTU. L'evaporazione completa di un litro d'acqua assorbe circa 2000kJ di energia termica e ciò avviene all'interno del processo senza alcun input di energia esterna. Ecco perché i condizionatori d'aria evaporativi usano una quantità molto piccola di energia elettrica per funzionare. L'unica energia richiesta è quella per azionare il ventilatore e la pompa.

Il processo Raffrescamento Evaporativo dell'aria

Nei raffrescatori evaporativi il processo di scambio di calore è attivato per mezzo di una pompa che fornisce acqua ai pannelli di raffreddamento e un ventilatore azionato da un motore che forza l'aria calda esterna attraverso quei pannelli. Questi componenti si combinano per accelerare il processo naturale di scambio di calore.

Durante il processo, parte del calore sensibile dell'aria (il calore che si sente) viene trasformato in calore latente (il calore che non si sente) quando l'acqua nel refrigeratore d'aria evaporativo si trasforma in vapore acqueo.

Questo processo di trasformazione del calore sensibile in calore latente fa sì che l'aria calda diventi più fredda poiché una parte del suo calore (sensibile) è stato utilizzato come spiegato sopra. Quindi la temperatura dell'aria scende. L'aria fredda viene poi pompata nell'edificio e alla fine viene espulsa dall'edificio. Non viene mai rimessa in circolo.

I raffrescatori evaporativi aumenteranno leggermente l'umidità all'interno dell'edificio. Tuttavia, dobbiamo ricordare che anche la temperatura è scesa. È la combinazione di temperatura e umidità che crea il comfort umano, e i raffrescatori evaporativi sono utilizzati così ampiamente in tutto il mondo perché possono creare condizioni confortevoli. Per esempio, l'80% di umidità e 30°C è molto scomodo, ma l'80% di umidità e 16°C è abbastanza confortevole. Inoltre, il comfort è migliorato anche aumentando la velocità dell'aria e i Raffrescatori evaporativi creano un movimento d'aria sufficiente per minimizzare anche gli effetti dell'umidità.

Come si può vedere dal grafico sottostante, la temperatura e l'umidità sono inversamente proporzionali: durante la parte del giorno in cui le temperature sono più alte, l'umidità relativa è più bassa. Ecco perché le tecnologie raffrescamento evaporativo sono efficaci: funzionano meglio quando la temperatura è elevata, perché un'umidità relativa più bassa lascia spazio all'evaporazione.

Per capire come funziona un raffrescatore evaporativo come Breezair , è necessario avere una chiara idea della psicrometria: questa consiste nelle interazioni tra calore, umidità e aria, e in particolare come cambiare l'aria da una condizione all'altra. All'aumentare della temperatura, aumenta anche la sua capacità di trattenere l'umidità: l'umidità è quindi un fattore molto influente per il guadagno di calore. L'interazione tra i tre elementi sopra citati può essere spiegata in un unico diagramma, chiamato diagramma psicrometrico.

Chiariamo gli elementi del grafico stesso:

1. TEMPERATURA DI BULBO SECCO (DBT) Si riferisce alla temperatura dell'aria ambiente misurata con un normale termometro: è chiamata "secca" perché non è influenzata dall'umidità dell'aria. La temperatura del bulbo secco è un indicatore del contenuto di calore dell'aria se tutti gli altri fattori rimangono costanti. All'aumentare della temperatura di bulbo secco, aumenta anche la capacità di umidità che lo spazio aereo trattiene.
2. TEMPERATURA DI BULBO UMIDO (WBT): La temperatura di bulbo umido è la temperatura misurata utilizzando un termometro il cui bulbo di vetro è coperto da un panno bagnato. La temperatura di bulbo umido indica il contenuto di umidità dell'aria. È estremamente importante considerare la WBT per i processi di raffreddamento a evaporazione perché la differenza tra la temperatura di bulbo secco e quella di bulbo umido è una misura dell'efficienza di raffreddamento. Al 100% di umidità relativa, la temperatura del bulbo umido è uguale alla temperatura del bulbo secco.
3. UMIDITÀ: Descrive la quantità di vapore acqueo nell'aria. Possiamo considerare due tipi di umidità:
   1. Umidità assoluta: la massa di vapore acqueo presente in una data massa d'aria, espressa in grammi di vapore acqueo (g) per chilogrammo di aria secca (kg).
   2. Umidità relativa (RH): la quantità effettiva di umidità nell'aria rispetto all'umidità totale o massima che l'aria può contenere a una data temperatura. Quando l'aria ha il 50% di Umidità Relativa, diciamo che è satura al 50%. Man mano che l'aria si avvicina al 100 per cento di saturazione, può assorbire sempre meno acqua finché, al 100 per cento di Umidità Relativa, l'aria non può trattenere più acqua.

Il grafico sopra rappresenta una tipica giornata estiva che mostra la temperatura e l'umidità relativa nella regione non tropicale.

Se abbiamo due di questi elementi, usando il Diagramma Psicrometrico possiamo facilmente trovare il terzo: per esempio, data una certa Temperatura a bulbo secco e una certa Temperatura a bulbo umido, è facile trovare l'Umidità Relativa, controllando l'intersezione di questi due valori.

In raffrescamento evaporativo, ci muoviamo nel grafico lungo linee di entalpia costante: ciò significa che stiamo parlando di un processo adiabatico, in cui non avviene alcun trasferimento di calore.

Quando si umidifica l'aria con l'evaporazione, le molecole d'aria prendono con sé una parte di vapore acqueo, così come il calore latente, che quindi rappresenta la quantità di umidità nell'aria. Prendendo una parte del calore latente, l'aria che entra nell'edificio dopo essere passata attraverso l'unità è quindi più fredda.

Spostandoci nel diagramma psicrometrico dal punto A lungo una linea di entalpia costante, aggiungiamo umidità all'aria (asse verticale) e otteniamo proporzionalmente una diminuzione della temperatura di bulbo secco (asse orizzontale). Con raffrescamento evaporativo, la possibile riduzione massima della temperatura è il differenziale tra la temperatura di bulbo secco e quella di bulbo umido (chiamata depressione di bulbo umido): ciò significa che potremmo muoverci lungo la linea fino al punto C, dove l'umidità relativa è del 100%. Tuttavia, nessuna apparecchiatura è perfetta, quindi ci saranno alcune perdite nel raffreddatore: se consideriamo un raffreddatore efficiente al 90%, potremo quindi raggiungere il punto B, ottenendo così una riduzione di temperatura di 11,5°C.