Chłodzenie adiabatyczne

Można by za mistrzem Bareją powtórzyć, że takie jest odwieczne prawo natury...", że zimą trzeba nasze budynki ogrzewać, a latem chłodzić. Dziś stosowane technologie sprawiają, że oba te procesy nie wymagają już znacznych nakładów, tak jak to bywało kiedyś. Doskonałym tego przykładem jest chłodzenie uzyskiwane poprzez odparowywanie wody, określane mianem chłodzenia adiabatycznego (wyparnego).Współcześnie systemy chłodzenia adiabatycznego stosowane są jako rozwiązania alternatywne lub wspomagające dla konwencjonalnych systemów sprężarkowych co oznacza, że wspierają ale i często zastępują system klimatyzacji. W procesie chłodzenia adiabatycznego nie występuje zmiana całkowitej energii układu, a jedynie konwersja ciepła jawnego na utajone. Ciepło jawne jest pobierane z powietrza (obniża się jego temperatura) i przekazywane wodzie w procesie przechodzenia w stan gazowy. Do odparowania każdego kilograma wody z powietrza pobierane jest 2257 kJ energii (690 W). Warto podkreślić, że w układach chłodzenia adiabatycznego nie pracują sprężarki, zawory czy inne energochłonne podzespoły mechaniczne. Łatwo dostrzec więc zalety tzn. niskie nakłady inwestycyjne i eksploatacyjne, wysoka skuteczność i niska emisyjność CO₂. Niewielkich nakładów energetycznych wymaga cyrkulacja chłodzonego powietrza (energia do napędu wentylatorów) oraz pompowanie, rozpylanie, atomizowanie wody. Do tego celu konieczne jest osiągnięcie jak największej powierzchni wymiany ciepła między wodą a chłodzonym powietrzem poprzez: 

• dużą powierzchnię parowania, uzyskaną np. poprzez pokrycie panelu ewaporyzacyjnego o znacznej powierzchni czynnej cienką warstwą wody - różnica ciśnienia cząstkowego między powietrzem a powierzchnią wody zapewnia jej wówczas "naturalne" odparowanie
• "zatomizowanie" wody tzn. rozbicie jej do postaci drobnych kropli (o wymiarach rzędu 10 µm) o niższym napięciu powierzchniowym niż otaczające powietrze co umożliwia jej odparowanie bez dodatkowego nakładu energii. 

Chłodzenie powietrza zachodzi podczas odparowywania zatomizowanych kropli wody w powietrzu w pomieszczeniu albo (częściej) podczas przepływu powietrza przez panele ewaporacyjne. Panele produkuje się z materiałów higroskopijnych o dużej powierzchni czynnej, głównie z celulozy, naturalnego materiału o dobrej chłonności. Kluczowa dla całego procesu jest ich struktura, geometria, i ustawienia. Co ważne woda nie wymaga uzdatniania zatem można w tym celu stosować wodę wodociągową o ciśnieniu 0.1 - 3.5 bara ale o określonej twardości co zapobiega wytrącaniu się osadu na panelach ewaporacyjnych. Nadmiar wprowadzanej wody niezaabsorbowany przez strumień powietrza opada do zbiornika, z którego jest czerpany. W klimatyzatorze ewaporacyjnym na panele od góry podaje się wodę, która spływając po ich powierzchni pokrywa je cienką warstwą. Wydatek wody zależy nie tylko od wydajności chłodniczej klimatyzatora, ale także od temperatury i wilgotności powietrza zewnętrznego. Z kolei chłodzone powietrze przepływa przez panele, a jego nadmuch wymuszany jest przez wentylator. Warte podkreślenia jest, że w procesie chłodzenia bezpośredniego w klimatyzatorach ewaporacyjnych zachodzi chłodzenie i nawilżanie powietrza ponieważ woda odparowywana jest do powietrza bezpośrednio w pomieszczeniu. I choć chłodzenie bezpośrednie jest efektywne, bo jego sprawność wynosi 85-95%, to jednak jego ograniczeniem może być ryzyko doprowadzenia do pomieszczenia powietrza o zbyt wysokiej wilgotności względnej (np. powyżej 60%). 

Chłodzenie adiabatyczne ma naturalne ograniczenie dotyczące minimalnej temperatury, którą może osiągnąć chłodzone powietrze - w przypadku chłodzenia bezpośredniego może ona odpowiadać maksymalnie temperaturze termometru mokrego, a dla chłodzenia pośredniego nie może być niższa od temperatury punktu rosy, przy której następuje wykroplenie pary wodnej z powietrza. Sprawność procesu zależy od temperatury i wilgotności powietrza wlotowego, a także od osiąganej temperatury powietrza wylotowego:

gdzie: t_ts1 - temperatura termometru suchego powietrza wlotowego ^oC 

t_tm1 - temperatura termometru mokrego powietrza wlotowego ^oC

t_tm2 - temperatura termometru mokrego powietrza wylotowego, ^oC

Obniżenie temperatury powietrza zależy w znacznym stopniu od warunków pogodowych. Optymalne parametry powietrza zewnętrznego dla chłodzenia adiabatycznego to RH < 30% i temperatura ok. 30 ^oC (RH= 50% traktowane jest jako górna granica opłacalności stosowania tego rodzaju chłodzenia).

Można też powiedzieć, proces chłodzenia adiabatycznego polega na nawilżaniu powietrza w warunkach adiabatycznych (energia nie jest ani doprowadzana ani pobierana z powietrza). Ciepło niezbędne do odparowania wody jest pobierane z powietrza i dzięki temu jego temperatura spada. Przemiana adiabatyczna przebiega w kierunku izotermy w obszarze mgły (w przybliżeniu po linii stałej entalpii). Granicą chłodzenia jest minimalna możliwa temperatura osiągana na linii nasycenia (rys. wykres Molliera - chłodzenie adiabatyczne):

Cyklem adiabatycznym można sterować w oparciu np. o temperaturę wylotową powietrza chłodzonego i wody a przez to optymalizować zużycie wody i energii. 

Systemy chłodzenia adiabatycznego stosowane są w różnych gałęziach przemysłu, począwszy od przetwórstwa drewna, przez drukarnie, przemysł mechaniczny, gumowy, tworzyw sztucznych i metalowy, fermy drobiu, szklarnie, po przemysł spożywczy a także w gospodarstwach domowych w mobilnych klimatorach ewaporyzacyjnych.