Wat is adiabatische koeling?

Hoe werkt adiabatische koeling?

Adiabatische koeling werkt doordat een ventilator lucht langs een nat oppervlak of door een fijne waternevel voert, waar een deel van het water verdampt.

Water heeft warmte nodig om te verdampen, bij 20 °C ongeveer 2.450 kJ per kilo water, en die warmte haalt het water uit de lucht: de luchttemperatuur daalt en de luchtvochtigheid stijgt. In de industrie gebruik je dit principe onder meer om de buitenlucht voor te koelen die daarna proceswater of de condensor van industriële koelers koelt.

In veel installaties verdampt het water op een bevochtigde pad, een poreus pakket waar water overheen loopt terwijl de lucht erdoorheen stroomt. Een pomp of de waterleiding houdt de pad nat, de ventilator zorgt voor de luchtstroom en een regeling schakelt de bevochtiging in wanneer dat koeling oplevert.

Wat betekent adiabatisch?

Adiabatisch betekent dat er geen warmte wordt uitgewisseld tussen een systeem en zijn omgeving. Bij adiabatische koeling komt er dus geen warmte van buitenaf bij en gaat er geen warmte naar buiten af: de energie in de lucht blijft vrijwel gelijk en verschuift alleen van voelbare warmte naar latente warmte in de waterdamp. Dit proces heet ook adiabatische verzadiging of adiabatische bevochtiging.

Waarom is de natteboltemperatuur de grens?

De natteboltemperatuur is de grens, omdat lucht door verdamping niet verder afkoelt dan het punt waarop ze verzadigd is met waterdamp. Het verschil tussen de luchttemperatuur (de drogeboltemperatuur) en de natteboltemperatuur is de maximale koeling: hoe droger de lucht, hoe groter dat verschil.

Welk deel daarvan een installatie haalt, heet het verzadigingsrendement en hangt onder meer af van de dikte van de pad en de luchtsnelheid. Een rekenvoorbeeld met een aangenomen verzadigingsrendement van 85%: lucht van 30 °C en 40% relatieve luchtvochtigheid heeft een natteboltemperatuur van ongeveer 20 °C en koelt af tot circa 21,6 °C.

Bij 30 °C en 70% relatieve luchtvochtigheid ligt de natte bol rond 25,5 °C en daalt de temperatuur maar tot circa 26,2 °C. Dit voorbeeld is indicatief en vervangt geen berekening of advies voor jouw situatie.

Welke vormen van adiabatische koeling zijn er?

Er zijn drie vormen van adiabatische koeling: directe, indirecte en tweetraps adiabatische koeling. Het verschil zit in de vraag of de gekoelde lucht zelf in contact komt met water. Dat bepaalt hoeveel vocht er in de toevoerlucht terechtkomt en hoe diep je kunt koelen.

Directe adiabatische koeling

Directe adiabatische koeling laat de lucht die je wilt koelen zelf door de bevochtigde pad of waternevel stromen. Daardoor daalt de temperatuur sterker dan bij indirecte koeling, maar stijgt ook de luchtvochtigheid van de toevoerlucht. In het rekenvoorbeeld hierboven loopt de relatieve luchtvochtigheid op tot bijna 90%.

Directe koeling past daarom bij toepassingen waar dat extra vocht geen probleem is. Denk aan het voorkoelen van lucht die langs een warmtewisselaar stroomt en daarna weer naar buiten gaat.

Indirecte adiabatische koeling

Indirecte adiabatische koeling verdampt het water in een tweede luchtstroom en draagt de koude via een warmtewisselaar over aan de lucht die je wilt koelen. De toevoerlucht komt zo niet in contact met water en wordt niet vochtiger: de absolute luchtvochtigheid blijft gelijk.

Daar staat tegenover dat de warmtewisselaar niet alle koude overdraagt. Het totale rendement is het rendement van de warmtewisselaar maal het verzadigingsrendement, dus de temperatuurdaling is doorgaans kleiner dan bij directe koeling.

Tweetraps adiabatische koeling

Tweetraps adiabatische koeling combineert een indirecte trap met een directe trap. De indirecte trap koelt de lucht eerst zonder vocht toe te voegen, waardoor ook de natteboltemperatuur van die lucht daalt.

De directe trap kan de lucht daarna dieper koelen dan directe koeling alleen, zelfs tot iets onder de natteboltemperatuur van de buitenlucht, met minder extra vocht in de toevoerlucht.

Waar zet je een adiabatische koeler in?

Je zet een adiabatische koeler in voor twee doelen: een ruimte koelen of lucht voorkoelen die daarna een warmtewisselaar koelt. Bij het koelen van een ruimte gaat de gekoelde lucht naar binnen. Bij voorkoeling gaat de lucht na de warmtewisselaar weer naar buiten en profiteert je koelwater of koelinstallatie van de lagere luchttemperatuur.

Adiabatische koeling in een productiehal

Adiabatische koeling in een productiehal blaast gekoelde buitenlucht de hal in en voert warme binnenlucht af. Je koelt en ventileert dus tegelijk met verse lucht, wat goed past bij grote hallen met veel warmte van machines en processen. Voor ruimtes met strakke eisen aan temperatuur of vocht combineer je het met mechanische koeling of luchtbehandeling.

Adiabatische drycooler voor koelwater

Een adiabatische drycooler koelt water in een gesloten circuit met buitenlucht en koelt die buitenlucht op warme dagen eerst adiabatisch voor. Vóór de gevinde warmtewisselaar loopt water over pads of wordt het verneveld; de lucht koelt daar af en neemt daarna meer warmte op van het koelwater.

Dat koelwater kan proceswater zijn of het water dat de condensorwarmte van watergekoelde koelers afvoert. De Rijksdienst voor Ondernemend Nederland (RVO) noemt adiabatische koeling als alternatieve energiemaatregel voor het koelen van procesapparatuur. Het koelwater wordt nooit kouder dan de voorgekoelde lucht en blijft daardoor altijd boven de natteboltemperatuur van de buitenlucht.

Adiabatische voorkoeling van een luchtgekoelde koeler

Adiabatische voorkoeling van een luchtgekoelde koeler verlaagt de temperatuur van de lucht die door de condensor stroomt. Bij luchtgekoelde koelers gaat de warmte uit je proces via de condensor naar de omgevingslucht. Hoe warmer die lucht, hoe hoger de condensatietemperatuur, waardoor de koeler minder koelvermogen levert en meer energie verbruikt.

Bij een condensor die buiten staat, koelen bevochtigde pads aan de luchtintrede de buitenlucht tot enkele graden boven de natteboltemperatuur, waardoor de condensor meer warmte kan afvoeren. Overleg wel vooraf met de leverancier of voorkoeling voor jouw type koeler is toegestaan.

Wat zijn de voordelen van adiabatische koeling?

De voordelen van adiabatische koeling zijn koeling zonder compressor of koudemiddel, een laag elektrisch verbruik, verse buitenlucht en meer capaciteit op warme dagen. Die voordelen gelden zowel voor het koelen van hallen als voor het voorkoelen van drycoolers en condensors. De belangrijkste voordelen op een rij:

• Geen compressor en geen koudemiddel: de koeling ontstaat door verdamping van water, dus er zit geen koudemiddel in het koelproces.
• Laag elektrisch verbruik: alleen ventilatoren, eventueel een pomp en de regeling vragen stroom.
• Verse buitenlucht: bij het koelen van een hal ventileer je tegelijk met buitenlucht in plaats van binnenlucht te recirculeren.
• Meer capaciteit op warme dagen: voorkoeling houdt een drycooler of condensor ook bij een hoge buitentemperatuur op capaciteit.
• Water alleen wanneer nodig: een adiabatische drycooler koelt droog zolang de buitenlucht koel genoeg is en bevochtigt pas als de lucht te warm wordt.

Deze voordelen zijn het grootst bij droge, warme lucht en bij processen die geen koelwater onder de natteboltemperatuur vragen. Bij vochtige lucht of lage procestemperaturen wegen de nadelen zwaarder.

Wat zijn de nadelen van adiabatische koeling?

De nadelen van adiabatische koeling zijn de beperkte koeling bij vochtig weer, de hogere luchtvochtigheid bij directe koeling, het waterverbruik en het onderhoud van het watersysteem. De meeste nadelen komen voort uit het feit dat de techniek met water en buitenlucht werkt. De belangrijkste nadelen op een rij:

• Afhankelijk van het buitenklimaat: hoe vochtiger de buitenlucht, hoe kleiner het verschil tussen droge en natte bol en hoe minder je koelt.
• Begrensde koeldiepte: directe en indirecte adiabatische koeling komen niet onder de natteboltemperatuur van de buitenlucht en ook tweetraps koeling komt daar maar beperkt onder.
• Minder nauwkeurige regeling: de temperatuur is minder nauwkeurig te regelen dan bij mechanische koeling.
• Hogere luchtvochtigheid: bij directe koeling wordt de toevoerlucht vochtiger.
• Waterverbruik: het verdampte water moet steeds worden aangevuld.
• Kalk en onderhoud: verdamping laat de mineralen uit het water achter, dus pads en sproeiers vragen onderhoud en, afhankelijk van de waterkwaliteit, waterbehandeling.

Met indirecte of tweetraps koeling en een goed onderhouden installatie beperk je een deel van deze nadelen. De afhankelijkheid van het buitenklimaat blijft wel altijd bestaan.

Hygiëne en legionella bij adiabatische koelers

Hygiëne en legionella vragen aandacht bij adiabatische koelers, omdat ze werken met water en lucht. De legionellabacterie groeit in zoet water tussen 20 en 50 °C en besmetting verloopt via het inademen van zeer kleine waterdruppels, aerosolen.

Een systeem met sproeiers vernevelt water en vormt zo aerosolen. Bij pads loopt het water over een oppervlak en verdampt het zonder actieve verneveling.

Voorkom in elk geval stilstaand water, houd pads en leidingen schoon en leg de risico's van je installatie vast in een risicoanalyse. Stem met je installateur af welke regels voor jouw uitvoering gelden.

Wanneer heb je naast adiabatische koeling een koeler nodig?

Je hebt naast adiabatische koeling een koeler nodig zodra je proces water of lucht vraagt die kouder is dan adiabatische koeling bij jouw buitenklimaat haalt, of een constante temperatuur die niet van het weer afhangt. Een koeler met compressor, ook wel chiller genoemd, haalt die temperatuur ook op een warme en vochtige zomerdag, omdat hij niet afhankelijk is van de natteboltemperatuur.

De twee kunnen ook samenwerken. De adiabatische drycooler of vrije koeling neemt de warmteafvoer over zolang de buitenlucht dat toelaat en de mechanische koeling vult de resterende koelvraag aan. Zo draait de koeler minder uren, terwijl je proces altijd de temperatuur krijgt die het nodig heeft.

Advies over adiabatisch koelen in jouw proces

Advies over adiabatisch koelen in jouw proces begint bij de temperatuur die je proces nodig heeft en het koelvermogen dat daarbij hoort. Twijfel je of adiabatische koeling volstaat of dat je een koeler nodig hebt, dan denken we bij Tool-Temp Benelux graag met je mee.

Tool-Temp Benelux levert lucht- en watergekoelde koelers tussen 5 en 216 kW koelvermogen voor watertemperaturen tussen 10 en 40 °C. Neem contact met ons op, dan kijken we samen welke oplossing bij jouw proces past.