سایکرومتریک (بخش دوم)

۵ ماه قبل ۳۱۶ ۰

اصول سامانه‌های تهویه مطبوع

شکل 1 یک دستگاه تهویه مطبوع را نشان میدهد. اصول کار این سیستم بدین صورت است که هوای مطبوع شده‌ی فضا را با مقداری هوای تازه خارج مخلوط کرده و پس از انجام فرآیندهای مطبوع سازی مجدد آن را به فضای مورد نظر باز می‌گرداند.

تهویه مطبوع

 

سیستم‌های تهویه مطبوع برا‌ی تأمین اهداف متنوعی طراحی می‌شوند. در سیستم‌های صنعتی و تجاری، نسبت اختلاط هوای خارج به هوای برگشت به میزان 15 تا 25% است. در حالی که سیستم‌هایی وجود دارند که از هوای خارج 100% خروجی را بدون اختلاط با هوای داخل فراهم می‌کنند. در ادامه به بررسی اجزای دستگاه تهویه مطبوع می‌پردازیم:

1.دمپر هوای تازه: این دمپر زمانی که سیستم خاموش باشد ورودی هوای خارج را می‌بندد. دمپر می‌تواند یک برگشت فنری و یا یک موتور جهت باز کردن خود داشته باشد. زمانی که برق قطع می‌شود، دمپر به طور اتوماتیک بسته می‌شود. یک توری فلزی در بالادست فیلتر آن قرار دارد تا از ورود پرندگان و حیوانات کوچک و غیره جلوگیری شود. 

2.محفظه اختلاط: محفظه‌ای است که در آن هوای برگشت فضا با هوای تازه خارج مخلوط می‌شود.

3.فیلتر: این قسمت هوا را با جداسازی ذرات خارجی موجود در آن تمیز میکند.فیلتر در جایی قرار می‌گیرد که هوای برگشت و هوای تازه مخلوط می‌گردند و باتوجه به اینکه قبل از کویل‌ها قرار می‌گیرد، و آنها را تمیز نگه دارد. به ویژه این جای‌گیری فیلیتر برای کویل سرمایی بسیار مهم است؛ زیرا کویل در زمان خنک کردن همیشه توسط آب کندانس مرطوب است. 

4.کویل گرمایی: این جزء، دمای هوا را تا دمای مورد نیاز افزایش می‌دهد. 

5.کویل سرمایی: در این قسمت، فرآیندهای سرمایش و رطوبت‌گیری انجام می‌گیرد. عملکرد ان توسط یک ترموستات نصب شده در داخل فضا کنترل می‌شود و معمولاً ترموستات و کنترلر برای کنترل عدم عملکرد هم زمان دو کویل به کار می‌رود، این روش اتلاف انرژی را کاهش می‌دهد.

6.رطوبت زن: این جزء از دستگاه، رطوبت را اضافه می‌کند و خود توسط یک رطوبت سنج که در داخل فضا قرار گرفته است، کنترل می‌شود. به علاوه، یک رطوبت سنج نیز بعد از فن نصب می‌شود که اگر رطوبت داخل کانال زیاد شود، عمل رطوبت زنی را متوقف کند. 

7.فن: برای مکش و جریان هوا درسیستم استفاده می‌شود.

فرآیند‌های پایه در تهویه مطبوع

تمامی تجهیزات فوق‌الذکر برای انجام شش فرآیند تهویه مطبوع استفاده می‌شوند که در شکل 2 نشان داده شده است. در ادامه به بررسی هریک از فرآیندها می‌پردازیم.

فرآیندهای پایه بر روی سایکرومتریک

 

سرمایش

اين تحول به سه روش زیر انجام می‌شود:

1.انبساط مستقیم (DX): که در آن از گرمای نهان مبرد برای ایجاد سرمایش استفاده می‌شود.(شکل 3- الف)

2.کویل‌های سرمایش آبی: که در آن با اختلاف درجه حرارت بین آب و هوا، تامین سرمایش انجام می‌گردد. زمانی اتفاق می‌افتد كه هوا از روي سطح سرد شده يا كويل سرمايي خشك عبور داده شود. در اين صورت نسبت رطوبت (W) و نقطه شبنم(DPT) ثابت مانده، رطوبت نسبي (RH) افزايش و دماي مرطوب (WBT) كاهش مي‌يابد. شکل 3 فرآیند (از 2 به 1) سرد کردن محسوس را نشان می‌دهد.

3.پاشش مستقیم آب در جریان هوا: که در این روش با پاشش آب سرد می‌توان با استفاده از گرمای نهان تبخیر آب، تامین سرمایش را انجام داد. (شکل 5- الف و ب) در روش‌های اول و دوم با عبور هوای مرطوب از روی کویل، سرمایش ایجاد می‌شود. طبق شکل 5-ب، یک کویل از لوله مارپیچ بلند ساخته می‌شود که یک مایع یا گاز سرد در داخل آن جریان می‌یابد. این مایع همان آب با دمای 4.5 تا 7.5 درجه سانتی‌گراد یا یک مبرد است. لوله کویل را برای انتقال حرارت بیشتر پره‌دار می‌سازند. شکل 5 سطح کویل را نشان می‌دهد که در راستای جریان هوا قرار دارد. 

فرآیند سرمایش و رطوبت گیری

 

براساس شکل و طرح کویل برای کاهش دمای لازم و عمل رطوبت گیری، این کویل می‌تواند 2 تا 8 ردیف لوله داشته باشد و هر چقدر تعداد ردیف‌ها بیشتر باشد، کویل توانایی بیشتری برای رطوبت‌گیری دارد. در این فرآیند ابتدا کویل، هوای عبوری از روی خود را خنک کرده، سپس به این علت که دمای سیال داخل کویل کمتر از دمای اشباع هوا است، رطوبت هوا روی کویل کندانس شده و تخلیه می‌شود. این فرآیند آنتالپی مخلوط هوا را کاهش و آنتالپی آب داخل کویل را افزایش می‌دهد. برای استفاده مجدد از آب یا مبرد در کویل سرمایی باید گرمای افزوده شده به آب سرد یا مبرد گرفته شود. مقدار رطوبت گرفته شده به عوامل زیر بستگی دارد: 

1.دمای سیال داخل کویل

2.طول کویل

3.مسطح بودن یا زیگزاگ بودن پره‌های کویل

4.سرعت هوای عمود بر سطح کویل

نمونه‌ای از این فرآیند در شکل 4 نشان داده شده است. هوای گرم و مرطوب 25 درجه سانتی‌گراد با رطوبت نسبی 60% وارد ساختمان می‌شود و از کویل سرمایی عبور می‌کند. در این فرآیند هوا تا دمای 13 درجه سانتی‌گراد خنک می‌شود. وقتی رطوبت هوا روی کویل کندانس می‌شود انرژی گرمای نهان هوا آزاد می‌گردد که این گرما توسط مبرد جذب می‌شود. آنتالپی مورد نیاز برای رطوبت‌گیری در شکل 4 ، تقریبا یک سوم آنتالپی مورد نیاز برای خنک کردن هوا است.

فرِاند سرمایش و رطوبت گیری با کویل سرمایش

 

در روش سوم، تحول سرمایش زمانی صورت مي‌گيرد كه هوا از روي دستگاه ایرواشر عبور كند و آب مجدداً به نازل‌ها برگشت داده شود بدون اينكه حرارتي از داخل به خارج يا بالعكس انتقال يابد، نمونه اين تحول، در كولر آبي است. بطوريكه اگر راندمان كولر آبي صد درصد باشد در آن تحول آدياباتيك اشباع صورت مي‌گيرد.

سرمایش به وسیله پاشش آب

 

مطابق شكل5-ب، هواي غيراشباع در موقعیت شماره 1وارد دستگاه رطوبت‌زن آدياباتيك می‌شود و با ذرات آبی که توسط دوش آب پاشيده می‌شود تماس حاصل مي‌کند. در ضمن تماس، هوا، گرماي خود را به آب می‌دهد (گرماي محسوس) و آب تبخير می‌شود و وارد هوا می‌شود (گرماي نهان). بنابراين هوا سرد شده و به آن مقداري رطوبت اضافه می‌شود و در موقعیت شماره 2 خارج مي‌گردد. ترمومتر درون مخزن آب، مانند دماسنج مرطوب عمل نموده و دماي آب پاشيده شده را نشان مي‌دهد كه همان دماي مرطوب هواي ورودي است و چون ديواره‌هاي دستگاه عايق هستند لذا دماسنج هميشه دماي مرطوب را نشان مي‌دهد كه در طول آزمايش مقدار ثابتی است. اين دماي مرطوب را دماي مرطوب ترموديناميكي می‌گويند. مسير اين تحول بر روي خط دماي مرطوب ثابت است و اگر از نظر زماني، هوا بقدر كافي با آب تماس داشته باشد، هواي خروجي بحالت اشباع درمی‌آید. در اين صورت به اين تحول، تحول آدياباتيك اشباع می‌گويند. در صورتيكه هواي خروجي هنوز به حالت اشباع نرسيده باشد تحول آدياباتيك است.

مطابق شکل 6-الف، از نقطه 1، ذرات ریز آب در هوا تبخیر می‌شود و دما تا 9 درجه سانتی‌گراد کاهش می‌یابد (نقطه 2) و رطوبت نسبی تا 95% افزایش می‌یابد. برای رسیدن به دمای 20 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 50% باید هوای مرطوب (نقطه 2) را گرم کرده و آن را به دمای 20 درجه سانتی‌گراد برسانیم (نقطه 3)، این فرآیند به kj/kg 11 انرژی نیاز دارد. به طور خلاصه، هم می‌توانیم با افزودن گرما به آب رطوبت را افزایش دهیم هم می‌توان ابتدا رطوبت را افزایش داد و سپس هوای مرطوب را گرم کرد. ما از هر دو روش به نتایج یکسانی دست می‌یابیم. در اقلیم‌های گرم و خشک سیستم‌های سرمایش تبخیری برای پیش خنک کردن هوا به طور موثری عمل می‌کنند. برای مثال، هوای خارج با دمای 35 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 15% از طریق عبور از یک خنک کننده تبخیری تا دمای26 درجه سانتی‌گراد خنک می‌شود. در این حالت رطوبت نسبی به 40% می‌رسد. حتی بدون استفاده از سیستم‌های سرمایش مکانیکی، این سیستم‌ها، با افزایش رطوبت، باعث کاهش قابل توجه در دمای هوا می‌شوند. 

رطوبت زن

 

گرمایش

اين تحول زمانی انجام مي‌گيرد كه هوا از روي سطح گرم يا كويل گرماي خشك عبور كند در اين صورت نسبت رطوبت (W) و نقطه شبنم (DPT) ثابت مانده، رطوبت نسبي (RH) كاهش و دماي مرطوب (WBT) افزايش مي‌يابد. شکل 7 فرآیند (از 1 به 2)  گرم کردن محسوس را نشان می‌دهد.

گرمایش توسط کویل های بخار

 

به عنوان مثال: شکل 8 هوای خارج را با دمای 5 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 80% نشان می‌دهد که تا 22 درجه سانتی‌گراد گرم شده است. این فرآیند آنتالپی هوا را از kj/kg 16 به kj/kg 33 می‌رساند. توجه داشته باشید که این فرآیند در نمودار به صورت خط افقی نشان داده می‌شود زیرا رطوبت هوا ثابت است و ما تنها هوا را گرم کرده‌ایم. در این فرآیند رطوبت نسبی از 80% به %25 کاهش می‌یابد.

فرآیند گرمایش محسوس

 

رطوبت‌زنی

اين تحول به سه روش زیر انجام می‌شود:

  1. پاشش مستقیم آب در حال گردش به درون جریان هوا
  2. پاشش آب به درون جریان هوا از طریق نازل
  3. تزریق بخار (شکل9-الف و ب)

روش اول، همانند عملکرد دستگاه ایرواشر مطابق (شکل5-الف) می‌باشد که در فرآیند سرمایش توضیح داده شده است. در روش دوم و سوم اين تحول فقط به هوا رطوبت اضافه يا از آن گرفته مي‌شود، بطوريكه دماي خشك ثابت مي‌ماند. شكل 9 تحول (از 1 به 2) رطوبت‌زنی ايزوترم را نشان می‌دهد. وقتی دمای آب افزایش یابد، آب به بخار تبدیل شده و با هوا مخلوط می‌گردد. در شکل 9، خط عمودی از نقطه 1 تا 2 این فرآیند را نشان می‌دهد، kj/kg11 انرژی گرمایی به آب افزوده می‌شود تا تبخیر شده و با هوا مخلوط شود. در رطوبت زن، بخار آبی که به هوا اضافه می‌شود گرم تر از هوا است در نتیجه لوله‌ها بخشی از گرمای خود را به هوا منتقل می‌کنند. بنابراین، هوا به دلیل افزودن بخار آب، گرم و مرطوب می‌شود. فرآیند رطوبت زنی و گرم کردن توسط نقطه چین و با شیب کم به سمت راست شکل 9  نشان داده شده است. به عنوان مثال : فرض کنید که یک روز خنک با دمای خارجی 6 درجه سانتی‌گراد و رطوبت نسبی 50% وجود دارد. ما یک فضای مطبوع شده داریم که تا 20 درجه سانتی‌گراد گرم شده است. مقدار بخار آب موجود در هوا ثابت در نظر گرفته شده و رطوبت آن تا 20% کاهش یافته است. این وضعیت کاملا خشک محسوب می‌شود. مطابق شکل 2 رطوبت را تا 50%  افزایش می‌دهیم که باعث افزایش آنتالپی به مقدار  kj/kg11 می‌شود تا هوا از حالت خشک خارج شده و احساس بهتری داشته باشیم.

رطوبت زن

 

رطوبت‌گیری

هنگامی که درجه حرارت سطح کویل سرمایش کمتر از درجه حرارت نقطه شبنم هوا باشد، به دلیل تقطیر شدن رطوبت موجود در هوا، مقدار رطوبت هوا کاهش می‌یابد. به همین ترتیب، وقتی سیالی که درجه حرارت آن، کمتر از درجه حرارت نقطه شبنم جریان هوا است، به درون هوا پاشیده شود، رطوبت هوا کاهش خواهد یافت. چنین فرآیندی در (شکل 3-الف) نشان داده شده است.

با عبور هوا از روی یک ماده جاذب رطوبت (desiccant) یا پاشش هوا در محلول آب و ماده جاذب رطوبت نیز می‌توان رطوبت هوا را گرفت. در هر دو فرآیند، مقدار حرارت که غالباً آن را حرارت نهان مرطوب شدن می‌نامند، باید به هوای رطوبت‌گیری شده افزوده شود. در این سیستم‌ها باید مقدار مواد شیمیایی کنترل شود تا اطمینان یافت که داخل فضای مورد نظر توسط مواد جاذب رطوبت آلوده نشود.(شکل 10)

رطوبت گیری

 

فرآیند اختلاط آدیاباتیک

یکی دیگر از فرآیندهایی که مهندسین تهویه مطبوع با آن سرو کار دارند فرآیند اختلاط آدیاباتیک می‌باشد. برای مثال: این فرآیند در جعبه اختلاط (Mixing Box) دستگاه هواساز اتفاق می‌افتد (در جعبه اختلاط هوای برگشتی از فضاهای تهویه شده با هوای تازه مخلوط شده و پس از مخلوط شدن به سمت کویل‌ها جریان می‌یابد). با معلوم بودن شرایط دو جریان هوایی که با هم مخلوط می‌شوند و با استفاده از روابط حاکم به راحتی می‌توان شرایط جریان هوای حاصله را تعیین نمود. فرض شود دو جریان هواي مرطوب با شرايط 1 و 2 بطور آدياباتيك (گرما به داخل جعبه اختلاط وارد و يا از آن خارج نمي‌شود) مخلوط شده و جریان هواي مرطوب با شرایط 3 ایجاد می‌گردد؛ هدف تعيين مشخصات هواي مخلوط بدست آمده در وضع 3 مي‌باشد. اختلاط دو جریان در شکل11 بصورت شماتیک آمده است.

فرآیند اختلاط آدیاباتیک

 

مشخصات جریان حاصل از اختلاط دو جریان هوا با شرایط 1 و 2 بصورت زیر محاسبه می‌شوند:

1.دمای خشک جریان نهایی: دمای خشک جریان حاصل از اختلاط دو جریان با شرایط 1و 2 با استفاده از قانون بقای انرژی بدست می‌آید:

دمای خشک جریان نهایی

که در این رابطه H آنتالپی، m دبی جرمی و T دمای خشک جریان هوا می‌باشد.

2. رطوبت مخصوص جریان نهایی: رطوبت مخصوص جریان نهایی نیز بصورت زیر بدست می‌آید:

رطوبت مخصوص جریان نهایی

که در این رابطه w رطوبت مخصوص و m دبی جرمی می‌باشد.

3.آنتالپی جریان نهایی: آنتالپی مخلوط نهایی با استفاده از قانون بقای انرژی قابل محاسبه است:

آنتالپی جریان نهایی

 

محاسبه حرارت محسوس و نهان

در صورتیکه شرایط هوا از حالتی به حالت دیگر تغییر یابد با استفاده از نمودار سایکرومتریک به راحتی می‌توان حرارت محسوس و نهان را محاسبه نمود. اگر هوايي فقط تحت تأثير گرماي محسوس قرار گيرد، در نمودار سایکرومتریک شرايط‌ آن روي خط نسبت به رطوبت ثابت تغيير مي‌كند. در این حالت تغییر آنتالپی هوا برابر با حرارت محسوس است. و اگر هوایي فقط تحت تأثير گرماي نهان قرار گيرد، در نمودار سایکرومتریک شرايط آن روي خط ايزوترم (خط دمای خشک ثابت) تغيير مي‌كند. در این حالت تغییر آنتالپی هوا برابر گرمای نهان می‌باشد.

تغییر آنتالپی

 

اگر هوایي تحت تأثير گرماي كلي قرار گيرد، و از حالت 1 به حالت 2 درآيد تغییر آنتالپی برابر گرماي كلي است، که البته قسمتی از آن محسوس و قسمتی نهان است. براي محاسبه ميزان حرارت محسوس و نهان همانند شکل 13 از نقاط 1 و 2 به ترتيب خطوط افقي و قائم رسم كرده تا مثلث قائم‌الزاويه 3-2-1 تشكيل گردد. از اين نقاط خطوط عمود بر خط آنتالپي رسم گردیده و با توجه به جهت تغيير وضعيت هوا مقادير گرماي محسوس و نهان و كلي مستقيماً قابل خواندن است.

 

گرمای نهان و محسوس

 

 

لینک های مرتبط

سایکرومتریک (بخش اول)

 

نگارش : محمد جعفر نیری، پیمان ابراهیمی ناغانی

منبع : بخشی از کتاب روشهای تولید و توزیع برودت در سیستم‌های تهویه مطبوع - مولف : پیمان ابراهیمی ناغانی، سید علیرضا ذوالفقاری، محمد جعفر نیری - انتشارات نوآور


۰ دیدگاه