Evaporativno hlađenje

EH se zasniva na dva važna fenomena:

  • Pri standardnoj temperaturi i pritisku potrebno je 60 puta više toplote da ispari određena količina vode, nego da joj se digne temperatura za 10°C;
  • Vazduh koji nije zasićen vlagom može da absorbuje određenu količinu vodene pare, pri čemu se toplota sadržana u vazduhu oduzima isparavanjem vode. Ova fazna promena (tečnost↔para) u isto vreme izaziva hlađenje vazduha i ostatka vode.

Napomena: količina vodene pare u zasićenom vazduhu raste brže nego temperatura. Zbog toga je EH posebno zanimljivo u regijama koje imaju toplu i suvu klimu. Sa druge strane, potencijal EH se smanjuje i teži nuli kada se vazduh bliži tački zasićenja vlagom. Međutim, u vlažnim klimama EH se može koristiti na nivou kondenzatora u standardnim rashladnim sistemima ili izmenjivačima toplote u industrijskim procesima.

Direktno Evaporativno Hlađenje (DEH) je najjednostavniji proces: spoljašnji vazduh prelazi kroz zatvoren prostor u kome dolazi u dodir sa vodom bilo u formi finih dropleta ili nekog poroznog medijuma. Voda isparava u vazduh, koji zbog toga postaje hladniji i vlažniji. Zbog praktičnih ograničenja ovih sistema, RH ne stiže 100% nego nekoliko procenata manje (staze 1 i 3 na slikama 1 i 2). Proizvođači zovu ovaj proces „adijabatsko hlađenje“ jer se jedina razmena toplote dešava između vazduha i vode koji su u kontaktu. Toplota ne ulazi i ne izlazi iz sistema.

Indirektno Evaporativno Hlađenje (IEH). U ovom slučaju vazduh kojim se hladi prostor prolazi kroz izmenjivač toplote smešten u kućište. Pošto količina vodene pare u vazduhu ostaje ista, RH raste manje nego u slučaju direktnog hlađenja. Prisustvo izmenjivača toplote uzrokuje da je pad temperature nešto manji nego kod sistema DEH (staza 2 na slikama 1 i 2).

Dvostepeni sistemi. Kombinacija DEH i IEH može se uspešno koristiti (staze 2 i 3, slika 1 i 2) čime se omogućava veći pad temperature nego kada se koristi samo DEH ili samo IEH. Na primer jedan takav sistem instaliran je u suvoj zoni južne Kalifornije: T=38.3°C; RH=12%, i postigao je temperaturu ispod 13°C. Cena opreme sa instalacijom za hlađenje prostora od 1500 m² bila je niža od 10000 € (5000 € za napravu za prskanje, i toliko za izmenjivač).

U praksi nije moguće postići pun potencijal rashlade: fizička ograničenja sistema i problemi rđe zbog preterane vlage postavljaju ograničenja kako se mogu koristiti hlađeni prostori. Zbog toga će možda biti potrebni tradicionalni sistemi odvlaživanja i fine regulacije temperature i RH.

Staza 1-DEH. Vazduh koji ulazi u sistem ima 37°C i RH=20%, AH=8 g vode na 1 kg vazduha. Vazduh koji izlazi iz sistema ima 21°C, AH=14g/kg; vazduh se rashladio i ovlažio, čime se objašnjava pomeraj po stazi 1 (adijabatsko hlađenje). RH=90% može da primi još samo 10% vodene pare na 21°C.

Staza 2-IEH. Pod istim početnim uslovima, vazduh se hladi na izmenjivaču toplote koji se hladi koristeći direktno hlađenje. Vazduh nije u kontaktu sa vodom i njegova AH=8 g/kg se u procesu ne menja. Zbog ograničenja izmenjivača, temperatura na izlazu je malo viša nego u prethodnom slučaju, 24°C umesto 21°C.

Staze 2+3 (dvostepeni sistem). Vazduh koji izlazi iz odeljka u kome se dešava IH (T=24°C, AH=8g/kg)  podvrgava se DH (staza 3) gde se temperatura spušta na 17°C, a vlažnost podiže na 11 g/kg (RH=90%).

Napomena: Moguće je poslati deo ohlađenog vazduha iz izmenjivača u prvi odvlaživač kao i recirkulisati deo neisparene vode. Zbog toga, vazduh koji dolazi iz izmenjivača može da se hladi (staza 2) do temperature koja je čak i niža nego ona na slici 1, i to bez povećanja apsolutne vlage (u tom slučaju horizontalna strelica 2 na slici 1 se produžava nalevo). Deo tog vazduha koji se ne recirkuliše na odvlaživaču se usmerava ka prostoru koji se hladi. Ako ima potrebe (zbog komfora ljudi u vrlo toplim klimama, na primer), vazduh prolazi kroz drugi odvlaživač pre ulaska u kondicionirani prostor.

Ušteda energije i potrošnja vode

Potrošnja energije može prosečno biti 4 puta niža nego kod konvencionalnih rashladnih sistema iste snage, ali i 10 puta u suvoj i vrućoj klimi. Ukupan radni trošak je približno 20 puta niži nego kod standardnih kompresionih sistema.

Potrošnja vode može biti problem, posebno u suvim regionima, gde je evaporativno hlađenje najefikasnije. Isparavanje 1 m³ vode može proizvesti rashladni efekat od oko  kJ (700 kWh), tj kao da klasični erkondišn radi sa COP=3 uz energiju 230 kWh. U praksi koristi se oko 20% vode više, ne da se hladi vazduh, nego da se izbegne stvaranje naslaga minerala, kojih može da bude kao rezultat njihove koncentracije u vodi tokom isparavanja.

Kvalitet vode mora se kontrolisati i tretirati ako je potrebno, dezinfekcijom, filtracijom ili demineralizacijom:

  • Iz sanitarnih razloga: posebno u sistemima sa recirkulacijom u obzir se mora uzeti rizik legionele. Sa druge strane, u slučaju direktnog hlađenja vazduha kuća ili kancelarija, postoji rizik kretanja aerosola, pa voda ne sme sadržavati patogene;
  • Iz tehničkih razloga: što je više minerala i sastojaka rastvoreno u vodi, češće se moraju sprovoditi operacije „ispiranja“, jer takva voda može postati neupotrebljiva. Ovo će povećati potrošnju vode za isti kapacitet hlađenja.

Primene EH

Izbor sistema hlađenja (direktni, indirektni ili dvostepeni, ili čak višestepeni, sa ili bez recirkulacije vazduha ili vode) je tehnički i ekonomski izbor koji zavisi od temperature i vlažnosti spoljnog vazduha, od posebnih zahteva za temperaturom i vlagom unutar prostora koji se kondicionira i od kvaliteta vode. Samo ako kvalitet vode to dozvoljava vazduh koji je proizvod DEH može se ubacivati u prostor sa ljudima.

Kondicioniranje vazduha

Glavna primena EH je kondicioniranje prostora u toplim i suvim regionima. Ovlaživanje preterano suvog vazduha popravlja komfor do neke mere: kada je toplo, toplotna regulacija tela ljudi strogo zavisi od EH jer je znojenje evaporacija vode kroz pore, a ovaj prirodni proces je spor kada je vazduh previše vlažan. Generalno se smatra da je uslov termičkog komfora ljudi zadovoljen kada je temperatura 20-27°C, a RH=65-70%. Međutim, definicija uslova komfora temperature i vlage je i stvar individualne percepcije. Uloga odeće mora se razmotriti, kao i vlažosti, brzine vazduha (broj promena, ventilatori), spoljne temperature i klime. Zbog toga i postoji nekoliko standarda u vezi sa tim.

Pored toga, kondicioniranje vazduha ne tiče se samo ljudi nego i životinja: ekstremne vrućine mogu imati uticaj na njihovo zdravlje, razmnožavanje i rast. Kod peradi kojima nedostaje regulacija temperature preko kože (evapo-transpiracija), prevelike temperature mogu biti fatalne.

Čuvanje kvarljive robe

U toplim zemljama, EH ne može postići temperature koje se preporučuju za proizvode životinjskog porekla ili za većinu proizvoda biljnog porekla. Međutim, u nekim slučajevima EH može znatno usporiti procese propadanja tropskog voća i povrća, čime se dobija u smislu trajnosti i marketinga.

Povećanje relativne vlage smanjuje gubitke uvenuća i težine evapotranspiracijom voća i povrća, ali prevelika RH pospešuje rast neželjenih organizama, uključujući gljive, što vodi propadanju proizvoda, ili čak nastanku bio-toksina. Za čuvanje voća i povrća preporučuje se RH=85-95%. Takođe, treba razmotriti i rizike vezane za rđanje metalnih delova opreme.

Prethodno hlađenje

Kada EH ne postiže željene temperature, u nekim slučajevima, može se koristiti za pothladu, čime se smanjuje potrošnja energije konvencionalnih uređaja, smanjuje njihova veličina, pa se postiže rad sa manjim troškovima i uz nižu investiciju.

Napomena: Više temperature se obično javljaju u suvoj sezoni kontinentalne klime, dalje od većih izvora vlage (reke, jezera). To prouzrokuje jake dnevne amplitude temperature, sa vrlo niskom RH u najtoplijem delu dana. Slično se dešava u oblastima gde duvaju topli i suvi vetrovi iz pustinje, kao što je južni Mediteran. Ovo je važno, jer performanse standardne opreme opadaju kada spoljna temperatura raste. Ovo važi i za sve sisteme koji koriste EH u kombinaciji sa drugim rashladnim procesima. Potencijalna prednost EH je onda dvostruka: EH omogućava smanjenje veličine konvencionalnih uređaja pod uobičajenim uslovima; smanjuje preterano dimenzionisanje uređaja koje bi inače bilo potrebno da bi se oni izborili sa višim temperaturama.

Hlađenje kondenzatora u tradicionalnim rashladnim sistemima

Toplota se izbacuje kroz kondenzator; hlađenje kondenzatora evaporativno hlađenom vodom može popraviti performanse uređaja. Isto tako ovaj princip se široko koristi kod kondenzatora i adijabatskih kondenzatora, uključujući i vlažne klime.

Hlađenje tečnosti

Ovaj proces je sličan IEH, osim što ovde voda ili neka druga tečnost prolazi kroz izmenjivač (koji je sam hlađen DEH). Rashlađena tečnost se onda koristi za kondicioniranje vazduha ili izvlačenje toplote koja nastaje u industrijskim procesima, na primer. U poslednjem slučaju, EH može ponuditi ekonomsku i tehničku prednost čak i u relativno vlažnoj klimi.