Zrozumienie bezpośredniego chłodzenia wyparnego
Aby zrozumieć jak działa chłodnica wyparna, konieczne jest zrozumienie właściwości ciepła, powietrza i pary wodnej. Najbardziej powszechnym typem chłodnicy wyparnej jest typ bezpośredni, w którym gorące powietrze zewnętrzne jest schładzane w urządzeniu i wtłaczane do budynku, a następnie ponownie wydalane na zewnątrz. Innymi typami są pośredni i Air Washer. W tym artykule skoncentrujemy się tylko na bezpośrednim chłodzeniu wyparnym.
Co to jest ciepło?
Zanim omówimy proces chłodzenia, musimy zrozumieć nieco naturę ciepła, które występuje w dwóch postaciach: Ciepło jawne (które można odczuć lub "wyczuć") i ciepło utajone (ciepło ukryte, którego nie można wykryć termometrem).
Ciepło użyte 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, które jest oddawane w celu odparowania wody w gotującym się czajniku. Gdy woda w stanie ciekłym zmienia swój stan skupienia na parę wodną (nie widać pary wodnej), pochłania ona ciepło z otoczenia; temperatura nie zmienia się, ale ilość ciepła lub energii, którą pochłania, jest zawarta w strukturze molekularnej pary. Chłodzenie ewaporacyjne jest możliwe tylko dzięki temu naturalnemu zjawisku, jakim jest ciepło utajone.
Skąd się bierze ciepło utajone?
Pochodzi ono z otaczającego powietrza i materiałów. Zawsze, gdy substancja zmienia swój stan skupienia ze stałego na ciekły (lód na wodę) lub z ciekłego na parowy (woda na parę lub woda na parę wodną), absorbuje ciepło z otoczenia. Oznacza to, że otaczające powietrze, przedmioty stałe i ciecze stają się chłodniejsze, ponieważ oddają swoje ciepło w procesie topnienia lub parowania.
Ciepło całkowite jest sumą ciepła utajonego i ciepła jawnego. Jest to całkowita ilość ciepła w pomieszczeniu, na którą składa się ciepło odczuwalne i ciepło niewyczuwalne. Ciepło całkowite mierzy się w kilodżulach (kJ): 1000kJ to w przybliżeniu 1000 BTU. Całkowite odparowanie jednego litra wody pochłania około 2000kJ energii cieplnej, a proces ten zachodzi bez udziału energii zewnętrznej. Dlatego też klimatyzatory ewaporacyjne zużywają bardzo małą ilość energii elektrycznej do pracy. Jedyne zapotrzebowanie na moc dotyczy napędu wentylatora i pompy.
Proces chłodzenia powietrzem wyparnym
W urządzeniach Direct Evaporative Air Cooling proces wymiany ciepła odbywa się za pomocą pompy wodnej, która dostarcza wodę do wkładów chłodzących oraz wentylatora napędzanego silnikiem, który przetłacza gorące powietrze zewnętrzne przez te panele. Elementy te łączą się w celu przyspieszenia naturalnego procesu wymiany ciepła.
Podczas tego procesu część ciepła jawnego z powietrza (ciepła odczuwalnego) zamieniana jest na ciepło utajone (ciepło nieodczuwalne), gdy woda w parowniku zmienia się w parę wodną.
Ten proces zamiany ciepła jawnego w utajone powoduje, że gorące powietrze staje się zimniejsze, ponieważ część jego ciepła (jawnego) została wykorzystana w sposób opisany powyżej. Temperatura powietrza spada. Zimne powietrze jest następnie wtłaczane do budynku i ostatecznie z niego usuwane. Nigdy nie jest ono ponownie wprowadzane do obiegu.
Chłodnice wyparne nieznacznie zwiększą wilgotność powietrza w budynku. Musimy jednak pamiętać, że temperatura również się obniżyła. To właśnie kombinacja temperatury 
i wilgotności, które tworzą komfort dla człowieka, a wyparne chłodnice powietrza są tak szeroko stosowane na całym świecie, ponieważ mogą stworzyć komfortowe warunki. Na przykład, 80% wilgotności i 30°C jest bardzo niekomfortowe, ale 80% wilgotności i 16°C jest całkiem komfortowe. Co więcej, komfort poprawia się również poprzez zwiększenie prędkości powietrza w gorących warunkach, a parowniki wytwarzają wystarczający ruch powietrza, aby zminimalizować wpływ wilgoci.
Jak widać na poniższym wykresie, temperatura i wilgotność są odwrotnie proporcjonalne: w części dnia, kiedy temperatura jest wyższa, wilgotność względna jest niższa. Dlatego właśnie technologie chłodzenia wyparnego są skuteczne, działają lepiej, gdy temperatura jest wysoka, ponieważ niższa wilgotność względna pozostawia miejsce na parowanie.
Aby zrozumieć jak działa Evaporative Cooler taki jak Breezair , konieczne jest posiadanie jasnego pojęcia o Psychrometrii: polega to na interakcji pomiędzy ciepłem, wilgocią i powietrzem, a w szczególności jak zmienić powietrze z jednego stanu do drugiego. Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również zdolność powietrza do zatrzymywania wilgoci: wilgoć jest zatem bardzo istotnym czynnikiem wpływającym na przyrost ciepła. Interakcję pomiędzy trzema wyżej wymienionymi elementami można przedstawić na jednym wykresie, zwanym wykresem psychometrycznym.
Wyjaśnijmy sobie elementy samego wykresu:
- TEMPERATURA SUCHEGO BULBA (DBT) Odnosi się do temperatury otaczającego powietrza mierzonej za pomocą zwykłego termometru: nazywana jest "suchą", ponieważ nie ma na nią wpływu wilgoć powietrza. Temperatura suchego termometru jest wskaźnikiem zawartości ciepła w powietrzu, jeśli wszystkie inne czynniki pozostają niezmienne. Wraz ze wzrostem temperatury DBT, wzrasta również pojemność wilgoci, którą zatrzyma przestrzeń powietrzna.
- TEMPERATURA MOKREGO TERMOMETRU(WBT): Temperatura mokrej żarówki to temperatura mierzona za pomocą termometru, którego szklana bańka jest przykryta mokrą szmatką. Temperatura mokrego termometru wskazuje zawartość wilgoci w powietrzu. Uwzględnienie WBT jest niezwykle ważne w przypadku procesów chłodzenia wyparnego, ponieważ różnica między temperaturą termometru suchego i termometru mokrego jest miarą efektywności 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 znajdująca się 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 ilości wilgoci, jaką powietrze może utrzymać w danej temperaturze. Gdy wilgotność względna powietrza wynosi 50%, mówimy, że jest ono w 50% nasycone. W miarę zbliżania się do 100-procentowego nasycenia, powietrze może przyjmować coraz mniej wody, aż do momentu, gdy przy 100-procentowej wilgotności względnej powietrze nie jest w stanie utrzymać więcej wody.
Wykres po prawej stronie przedstawia typowy letni dzień pokazujący temperaturę i wilgotność względną w regionie nietropikalnym.
Jeśli mamy dwa z tych elementów, używając wykresu psychometrycznego możemy łatwo znaleźć trzeci: na przykład, biorąc pod uwagę pewną temperaturę termometru suchego i pewną temperaturę termometru mokrego, łatwo jest znaleźć wilgotność względną, sprawdzając punkt przecięcia tych dwóch wartości.
W chłodzeniu wyparnym poruszamy się na wykresie wzdłuż linii stałej entalpii: oznacza to, że mówimy o procesie adiabatycznym, w którym nie dochodzi do wymiany ciepła.
Podczas nawilżania powietrza przez odparowanie, cząsteczki powietrza zabierają ze sobą część pary wodnej oraz ciepło utajone, które tym samym przedstawia ilość wilgoci w powietrzu. Pobierając część ciepła utajonego, powietrze wchodzące do budynku po przejściu przez urządzenie jest chłodniejsze.
Przesuwając się na wykresie psychrometrycznym od punktu A wzdłuż linii o stałej entalpii dodajemy wilgoci do powietrza (oś pionowa) i proporcjonalnie uzyskujemy spadek temperatury suchego termometru (oś pozioma). W przypadku chłodzenia wyparnego, możliwe maksymalne obniżenie temperatury to różnica pomiędzy temperaturą bańki suchej a temperaturą bańki mokrej (zwana depresją bańki mokrej): oznacza to, że moglibyśmy poruszać się wzdłuż linii aż do punktu C, gdzie Wilgotność względna wynosi 100%. Jednakże, żaden sprzęt nie jest doskonały, więc w chłodnicy będą występować pewne straty: jeśli uznamy, że chłodnica ma sprawność 90%, możemy wtedy dotrzeć do punktu B, uzyskując spadek temperatury o 11,5°C.