توضیحات
آموزش ویدیویی پروژه رطوبت سنجی(سایکرومتری) فرآیند تهویه مطبوع گرمایش همراه رطوبت زنی(heating with humidification) با استفاده از کویل گرمایشی(heating coils) و رطوبت زن (humidifier) در نرم افزار EES+ فایل های پروژه
شرح پروژه:
در این پروژه آموزش ویدیویی رطوبت سنجی(سایکرومتری) فرآیند تهویه مطبوع گرمایش همراه رطوبت زنی(heating with humidification) با استفاده از کویل گرمایشی(heating coils) و رطوبت زن(humidifier) در نرم افزار EES انجام شده است. روابط مورد نیاز با کدنویسی در نرم افزار EES حل شده اند. در این پروژه علاوه بر آموزش ویدیویی در نرم افزار EES، فایل های پروژه و گزارش فارسی پروژه را نیز دریافت خواهید کرد.
مدت فیلم آموزشی: 30 دقیقه
**توجه**
**تمامی فیلم های آموزشی با کیفیت بالا و بدون رکورد صدا توسط پژوهشگران مجموعه انسیس سی اف دی ضبط و تهیه شده اند**
رطوبت سنجی یا سایکرومتری(Psychrometry):
رطوبت سنجی(سایکرومتریک) علمی است که به مطالعه خصوصیات ترمودینامیکی هوای مرطوب و رفتار آن تحت شرایط مختلف، اثرات رطوبت هوا بر روی مواد و آسایش انسان و روش های کنترل خواص حرارتی هوای مرطوب می پردازد. خواص هوای مرطوب شامل دمای حباب خشک(DBT)، دمای هوای مرطوب(WBT)، رطوبت مطلق(humidity)، رطوبت نسبی(RH) و غیره می باشد. رطوبت سنجی شاخه‌ای از علم مهندسی است که با مطالعه هوای مرطوب سروکار دارد. همچنین شامل مطالعه رفتار مخلوط هوای خشک و بخار آب تحت شرایط مختلف می باشد. این دانش به بررسی ویژگی‌های فیزیکی و ترمودینامیکی اصلی هوای مرطوب از جمله دمای حباب خشک، دمای حباب تر، رطوبت نسبی، نسبت رطوبت، آنتالپی، دمای نقطه شبنم، حجم مخصوص و …می‌پردازد.
تهویه مطبوع(Air conditioning):
تهویه مطبوع در اصطلاح به معنای فراهم نمودن شرایط مناسب هوا می باشد. تعریف تهویه مطبوع توسط کریر به این صورت است: تهویه مطبوع کنترل رطوبت هوا با افزایش یا کاهش دادن مقدار بخار آب موجود در آن، کنترل درجه حرارت هوا با گرم یا سرد کردن آن، خالص سازی هوا با فیلتر کردن آن و کنترل سرعت حرکت و جریان هوا است. در تهویه مطبوع مهمترین کار تنظیم کردن درجه حرارت و بقیه موارد به عنوان عوامل فرعی در نظر گرفته می شوند.
نسبت رطوبت یا رطوبت ویژه(humidity ratio یا specific humidity):
به نسبت جرم بخار آب موجود در هوا به جرم هوای خشک گفته می شود.
(1)
با فرض اینکه pa ، va، T، ma و Ra به ترتیب فشار، حجم، دمای حباب خشک(DBT)، و ثابت گاز برای هوای خشک باشند. و همچنین با فرض اینکه pb ، vb، T، mb و Rb به ترتیب فشار، حجم، دمای حباب خشک(DBT)، و ثابت گاز برای بخار آب باشند. معادله گاز ایده آل را می توان برای هوای خشک و بخار آب اعمال نمود.
(2)
با تقسیم دو معادله فوق بر یکدیگر داریم:
(3)
بنابراین نسبت رطوبت را می توان به صورت زیر بیان نمود:
(4)
(5)
با قراردادن ثابت های گاز برای هوا و بخار آب در رابطه(4) داریم:
(6)
در رابطه(6)، Pv و Pa به ترتیب فشارهای جزئی بخار آب و هوای خشک می باشند.
فشار کل هوای مرطوب شامل مجموع فشارهای جزئی هوای خشک و بخار آب است. بنابراین می توان نوشت:
(7)
باتوجه به رابطه(7) نسبت رطوب برحسب فشار بخار آب به صورت زیر بیان می شود:
(8)
رطوبت نسبی(RH):
رطوبت نسبی به نسبت بخار آب در حجم معینی از هوا در دما و فشار معین به حداکثر مقدار جرمی بخار آبی که در همان حجم هوا می تواند وجود داشته باشد گفته می شود. به تعبیر دیگر رطوبت نسبی نسبت جرم واقعی بخار آب در حجم مشخصی از هوای مرطوب به جرم بخار آب در همان حجم از هوای اشباع در فشار و دمای معین گفته می شود.
به هوایی که شامل بیشینه مقدار بخار آب باشد، هوای اشباع گفته می شود. رطوبت نسبی می تواند به صورت نسبت فشار جزئی بخار آب Pv در مخلوط هوا و بخار آب به فشار اشباع Ps تعریف شود. بنابراین می توان نوشت:
(9)
رطوبت نسبی را می توان برحسب چگالی یا کسرمولی هوای مرطوب نیز بیان نمود:
(10)
چگالی بخار آب را می توان به صورت رابطه زیر نوشت:
(11)
شکل رطوبت نسبی.
رطوبت مطلق:
رطوبت مطلق، جرم بخار آب موجود در 1 مترمکعب هوای خشک می باشد و معمولاً برحسب گرم بر مترمکعب هوای خشک(g/m3 هوای خشک) بیان می شود.
دمای نقطه شبنم(Dew point) :
نقطه شبنم(DPT) دمایی است که در آن هوا از بخار آب اشباع می شود. یا به تعبیر دیگر می توان گفت نقطه شبنم به دمایی گفته می شود که اگر هوای موردنظر در فشار ثابت سرد شود به هوای اشباع برسیم. اگر دما از نقطه شبنم کمتر شود رطوبت اضافی هوا به صورت قطرات شبنم از هوا جدا شده و بر روی سطوح قرار می گیرند. در شکل زیر نمودار دما آنتروپی این فرایند نشان داده شده است. همان طور که در شکل مشخص است در این فرایند فشار بخار موجود در هوا تغییری نمی کند ولی در سرمایش تبخیری با توجه به افزایش رطوبت هوا فشار بخار هوا تغییر میکند.
شکل نمودار دما-آنتروپی.
دمای اشباع آدیاباتیک:
دمای نقطه شبنم و همچنین دمای حباب تر در مهندسی بسیار کاربرد دارد. دمای اشباع آدیاباتیک را این طور تعریف می کنند اگر هوای غیراشباع در دمای مشخص T1 وارد یک محفظه عایق و بسیار طویل گردد و با تبخیر آب داخل محفظه و افزایش رطوبت هوا به دلیل این که گرمای نهان تبخیر آب از هوا گرفته می شود درنتیجه با افزایش رطوبت هوا و رسیدن آن به رطوبت اشباع دمای هوا کاهش می یابد و به این دما دمای آدیاباتیک اشباع گفته می شود.
شکل زیر نمودار دما آنتروپی و شماتیک فرآیند اشباع آدیاباتیک را نشان داده است. همانطور که در شکل نیز مشخص است با افزایش رطوبت دیگر نمی توان همانند فرآیند نقطه شبنم بر روی خط فشار ثابت حرکت کرد و به قسمت دو فازی نمودار رسید و با افزایش رطوبت و درنتیجه افزایش فشار بخار هوا سریعتر به نقطه اشباع میرسد و در نتیجه با توجه به این مطالب دمای آدیاباتیک اشباع مابین دمای هوای خشک و نقطه شبنم است.
شکل محفظه شماتیک و نمودار دما-آنتروپی برای دمای آدیابانیک اشباع.
دمای حباب خشک(Dry bulb temp یا DBT):
دمای هوایی است که توسط دماسنج اندازه گیری می شود.
دمای حباب تر(Wet Bulb temperature یا WBT):
بستن پارچه نخی یا فتیله پارچه ای مرطوب به انتهای دماسنج یا بر روی حباب دماسنج و خیس کردن آن با آب و سپس قراردادن آن در معرض جریان هوای غیراشباع باعث می شود که جریان هوا آب موجود در پارچه نخی را تبخیر کرده و دماسنج دمای پایین تری را نسبت به حالت معمول نشان دهد. به این دما در تهویه مطبوع اصطلاحاً دمای حباب تر(web bulb temp یا WBT) گفته می شود که بسیار کاربردی است. این فرآیند در شکل زیر نشان داده شده است. هرچه قدر اختلاف بـین دمای حباب خشک و دمای حباب مرطوب بیـشتر باشد، نشان دهنده خشك بودن هوای مورد آزمایش می باشد.
شکل نحوة اندازه گیری دمای حباب تر.
نمودار سایکرومتریک(رطوبت سنج):
نمودار سایکرومتریک نموداری است که نمایش دهندة ترمودینامیک هوای مرطوب می باشد و ویژگی های ترمودینامیکی هوای مرطوب از جمله نسبت رطوبت، دمای حباب خشک، رطوبت نسبی، دمای حباب تر، دمای نقطة شبنم، آنتالپی، حجم مخصوص و … را در خود جای داده است. و برای استفاده از آن لازم است علاوه بر دانستن فشار اتمسفریک در نقطه موردنظر دو پارامتر دیگر مانند دما و همچنین رطوبت نسبی را دانست تا به راحتی بقیه پارامترهای ترمودینامیکی را بدست آورد. نمودار سایکرومتریک یکی از پرکاربردترین ابزارهای جانبی برای تحلیل مسائل تهویه مطبوع است. در مسائل تهویه مطبوع سعی بر آن است که شرایط هوا را به طریقی در یک مکان تنظیم کنیم که آسایش حرارتی در آن محیط تأمین شود.
شکل نمودار سایکرومتریک.
شکل نمودار سایکرومتریک.
شکل ویژگی های ترمودینامیکی هوای مرطوب در نمودار سایکرومتریک.
بطورکلی 7 ویژگی برای هوا وجود دارد که ارتباط بین این خواص در نمودار سایکرومتریک نشان داده شده است. این پارامترها عبارتند از: نسبت رطوبت، رطوبت نسبی، دمای هوای خشک، دمای هوای تر، دمای نقطة شبنم، حجم مخصوص، آنتالپی. با در اختیار داشتن دو پارامتر ترمودینامیکی هوا و همچنین در اختیارداشتن نمودار سایکرومتریک در فشار هوای مورد نظر می توان پارامترهای ترمودینامیکی هوا از جمله آنتالپی، دمای حباب تر، دمای حباب خشک، دمای نقطه شبنم، نسبت رطوبت، رطوبت نسبی و … در اختیار داشت. این پارامترها در مبحث تهویه مطبوع و همچنین محاسبات ترمودینامیکی بسیار مهم می باشند.
فرآیندهای تهویه مطبوع یا فرآیندهای هواساز:
چهار فرآیند اصلی وجود دارد که عبارت از خنک کاری یا سرمایش(نسبت رطوبت ثابت) یا cooling، گرمایش(نسبت رطوبت ثابت) یا heating، رطوبت دهی(humidification) و رطوبت زدایی یا رطوبت گیری(dehumidification) است.
شکل فرآیندهای تهویه مطبوع.
فرآیند سرمایش و گرمایش محسوس(Sensible Cooling or Heating):
بسیاری از وسایل گرمایش ساختمان های مسکونی از بخاری، پمپ گرما یا گرمکن مقاومت الکتریکی تشکیل شده است. در این و سایل هوا با گردش در مجرایی که از آن لوله های حامل گاز داغ یا المنت های الکتریکی می گذرد گرم می شود. مقدار رطوبت هوا (نسبت رطوبت ثابت) در این فرآیند ثابت می ماند زیرا هیچ رطوبتی به هوا داده نمی شود یا از آن گرفته نمی شود. یعنی نسبت رطوبت هوا در فرآیند گرمایش یا سرمایش فاقد رطوبت زنی یا رطوبت گیری ثابت می ماند.
شکل فرآیند سرمایش محسوس.
شکل فرآیند گرمایش محسوس.
فرآیند سرمایش محسوس(Sensible cooling):
سرمایش محسوس هوای مرطوب با عبور هوای مرطوب از یک کویل خنک کننده(cooling coil) ایجاد می شود بطوریکه دمای سطحی کویل خنک کننده در زیر دمای حباب خشک(DBT) هوای ورودی و بالای دمای نقطه شبنم نگه داشته می شود. هیچ رطوبتی اضافه یا حذف نمی شود و دمای نقطه شبنم در تمام فرآیند سرمایش محسوس ثابت باقی می ماند.در طول فرآیند سرمایش محسوس، نسبت رطوبت ثابت باقی می ماند(w1=w2). دمای حباب خشک از td1 به td2 کاهش می یابد و رطوبت نسبی از φ1 به φ2 افزایش می یابد. مقدار گرمای دفع شده در طول فرآیند سرمایش محسوس از رابطه زیر بدست می آید:
(12)
شکل فرآیند سرمایش محسوس.
فرآیند گرمایش محسوس(Sensible Heating):
گرمای محسوس با عبور هوای مرطوب از یک سطح خشک داغ، به آن اضافه خواهد شد. دمای سطح داغ بالای دمای حباب خشک هوا می باشد. مقدار رطوبت در طول فرآیند گرمایش محسوس ثابت می ماند.
شکل فرآیند گرمایش محسوس.
گرمای اضافه شده به هوا از رابطه زیر بدست می آید:
(13)
یا می توان از رابطه زیر محاسبه نمود:
(14)
فرآیند سرمایش همراه رطوبت زدایی و گرمایش همراه با رطوبت زنی:
مشکلات مربوط به رطوبت نسبی کم را که از گرمایش ساده ناشی می شوند با رطوبت زنی(humidification) هوای گرم شده می توان مرتفع نمود. برای این کار هوا ابتدا در مجرای هیتر(heater) گرم و سپس از مجرای رطوبت زن(humidifier) عبور داده می شود (زمستان). همچنین درصورتیکه هوا به کویل سرد(cooling coils) برخورد کند که دمای سطح کویل از دمای شبنم هوا کمتر باشد، مقداری از رطوبت هوا گرفته می شود (تابستان). بنابراین چه در فرآیند گرمایش همراه با رطوبت زنی و چه در فرآیند سرمایش همراه رطوبت زدایی، مقدار رطوبت هوا ثابت نخواهد ماند. لذا مقداری گرمای نهان بواسطه تغییر میزان بخار تبادل می شود.
فرآیند سرمایش همراه رطوبت گیری از هوای مرطوب:
در این فرآیند هوا در طول سرمایش خنک می شود، بخار آب از هوا جدا می شود. جدایش رطوبت(چگالش) تنها زمانی روی می دهد که هوای مرطوب در دمایی زیر نقطه شبنم خود سرد شود. دمای سطح موثر کویل سرد(Cooling coil) در زیر دمای نقطه شبنم اولیه هوا نگهداشته می شود. فرآیند سرمایش در کویل سردی که رطوبت هوا را می گیرد به صورت زیر قابل نمایش است.
شکل فرآیند سرمایش همراه رطوبت گیری.
نقطه شبنم دستگاه(ADF یا Apparatus Dew Point ) در حل مسائل هواساز بسیار حائز اهمیت است. کمترین دمایی که هوا می تواند با عبور از روی کویل سرد داشته باشد همان دمای ADP خواهد بود ولی همواره دمای خروجی هوا از ADP بیشتر است.
معادلات موازنه انرژی و جرم فرآیند سرمایش و رطوبت گیری به صورت زیر بیان می شوند:
(15)
hw2 آنتالپی آب اشباع در دمای سطحی کویل سرد می باشد.
(16)
mw در مقایسه با m1 بسیار کوچک است بنابراین می توان نوشت:
(17)
با قراردادن در رابطه(15) می توان نوشت:
(18)
معادله موازنه جرمی به صورت رابطه زیر بیان می شود:
(19)
با قراردادن رابطه(19) در (18) داریم:
(20)
(21)
فرآیند سرمایش همراه رطوبت گیری شامل فرآیندهای انتقال حرارت محسوس و نهان می باشد. انتقال حرارت کل در تمامی فرآیند سرمایش همراه رطوبت گیری به صورت زیر توصیف می شود:
QT گرمای کل
Qs گرمای محسوس
QL گرمای نهان
(22)
(23)
ضریب عبور کویل(Bypass factor یا BF):
در بسیاری از سیستم های تهویه مطبوع برای گرم کردن یا سردکردن هوا آن را از روی کویل های پره دار گرم یا سرد عبور می دهند. به علت فاصله بین کویل ها و سرعت هوا بخشی از هوا بدون تماس با سطح کویل از بین کویل ها فرار می کند و بنابراین دما و رطوبت آن تغییر نمی کند. به تعبیر دیگر ضریب عبور نشان دهنده حجمی از هواست که بدون تغییر دما از بین کویل ها فرار می کند.
درصورتیکه تمام هوا عبوری از کویل برای مدت زمان طولانی در تماس با سطح سرمایشی یا گرمایشی کویل قرار بگیرد، آنوقت دمای هوای خروجی از کویل و دمای سطح کویل یکسان خواهند شد. در عمل هوا برای مدت طولانی در تماس با سطح کویل نمی ماند و همچنین بخشی از هوا با سطح کویل تماس ندارد. این بدان معنی است که بخشی از هوا از کنار کویل عبور می کند. بنابراین دمای هوای خروجی بالاتر از سطح خنک کاری(فرآیند سرمایش) یا پایینتر از سطح داغ (فرآیند گرمایش) می باشد. ضریب عبور را می توان به صورت رابطه زیر بیان نمود:
(24)
در مورد فرآیندهای رطوبت زایی یا رطوبت گیری، ضریب عبور را می توان به صورت زیر بیان نمود:
(25)
همچنین ضریب عبور را می توان برحسب دما نوشت:
(26)
ضریب تماس CF برابر حجمی از هوای عبوری است که مستقیماً با کویل در تماس است. ضریب تماس(CF) برطبق رابطه زیر نوشته می شود:
(27)
نسبت گرمای محسوس(SHR):
نسبت گرمای محسوس به صورت گرما یا سرمای محسوس تقسیم بر بار سرمایش یا گرمایش کل تعریف می شود.
نسبت گرمای محسوس(SHR).
نسبت گرمای محسوس به صورت رابطه زیر بیان می شود:
(28)
رطوبت زنی(humidification):
گاهی اوقات نیاز است که مقدار رطوبت را در هوا افزایش دهیم. یکی از شیوه های انجام این کار تزریق بخار یا آب به هوا می باشد. دمای هوای خروجی از رطوبت زن به شرایط آب تزریق شده به آن بستگی دارد. درصورتیکه بخار با دمای نسبتاً بالا تزریق شود، میزان رطوبت و دمای حباب خشک افزایش خواهند یافت. چنانچه آب به هوای عبوری تزریق شود، هوای مرطوب ممکن است رطوبت زن را با دمای کمتری از دمای هوای ورودی ترک کند.
شکل الف) بخار تزریق شده، ب) آب تزریق شده در فرآیند رطوبت زنی.
شکل فرآیند رطوبت زنی.
فرایند گرمایش همراه با رطوبت زنی (heating and humidification):
در طول فرآیند گرمایش در زمستان، رطوبت نسبی هوای گرم کاهش می یابد و یک آسایش کم حرارتی اتفاق می افتد. برای این منظور از بخار آب برای رطوبت زدن به هوا در سیستم تهویه مطبوع از طریق نازل های بخار استفاده می شود تا رطوبت نسبی را برای تامین آسایش افزایش دهد. جرم بخار اضافه شده در طول فرآیند رطوبت زنی به صورت رابطه زیر بیان می شود:
(29)
شکل فرآیند گرمایش همراه رطوبت زنی.
موازنه انرژی در فرآیند گرمایش همراه رطوبت زنی به صورت رابطه زیر بیان می شود:
(30)
بنابراین انتقال حرارت در طول فرآیند گرمایش همراه رطوبت زنی به صورت زیر نوشته می شود:
(31)
معادله موازنه جرمی بصورت زیر بیان می شود:
(32)
فرآیند اختلاط آدیاباتیک یا ترکیب دو جریان هوا (Adiabatic Mixing):
در بسیاری از فرآیندهای تهویه مطبوع به ترکیب دو جریان هوا نیاز است. ترکیب دو جریان هوای مرطوب فرآیندی رایج در تهویه مطبوع می باشد. برای اهداف طراحی معمولاً فرض می شود که فرآیند ترکیب دو هوا به صورت آدیاباتیک می باشد. در سیستم شکل زیر فرآیند تهویه مطبوع شامل دو درگاه ورودی و یک درگاه خروجی است.
شکل فرآیند ترکیب دو جریان هوای مرطوب.
معادلات حاکم بر فرآیند ترکیب دو هوا به صورت زیر بیان می شود:
(33)
معادله موازنه جرمی هوا به صورت زیر توصیف می شود:
(34)
موازنه جرمی بخار آب در هوای مرطوب بصورت رابطه زیر بیان می شود:
(35)
با قراردادن رابطه(34) در (33) داریم:
(36)
همچنین با قراردادن رابطه(34) در (35) داریم:
(37)
فرآیند اشباع آدیاباتیک(Adiabatic saturation):
اگر هوای غیراشباع در دمای مشخص T1 وارد یک محفظه عایق و بسیار طویل گردد و با تبخیر آب داخل محفظه و افزایش رطوبت هوا به دلیل این که گرمای نهان تبخیر آب از هوا گرفته می شود درنتیجه با افزایش رطوبت هوا و رسیدن آن به رطوبت اشباع دمای هوا کاهش می یابد و به این دما دمای آدیاباتیک اشباع گفته می شود. فرآیند آدیاباتیک اشباع نوعی فرآیند رطوبت زنی است که در آن هیچ گرمایی وارد یا خارج سیستم نمی شود.
شکل فرآیند آدیاباتیک اشباع در نمودار سایکرومتریک.
معادله موازنه گرما به صورت زیر بیان می شود:
(38)
در رابطه (38) ، hf آنتالپی آب تزریق شده در دمای T2 می باشد. عبارت (w2-w1)hf در مقایسه با h1 و h2 کوچک است بنابراین معادله (38) بصورت رابطه زیر خلاصه می شود:
(39)
رابطه فوق بدان معنی است که آنتالپی در طول فرآیند اشباع آدیاباتیک تقریباً ثابت می ماند همچنین دمای حباب تر ثابت است. و زمانی که h1≈h2 باشد گرمای نهان اضافه شده به هوا تقریبا معادل گرمای محسوس حذف شده از هوا می باشد. یعنی می توان نوشت:
(40)
(41)
Cp گرمای ویژه هوای مرطوب است.
(42)
hfg گرمای نهفته تبخیر در دمای آب می باشد.
سرمایش تبخیری(Evaporative cooling):
سرمایش هوا به وسیله آب را سرمایش تبخیری می نامند. چنانچه تبخیر آب در تماس مستقیم با هوا رخ دهد آن را سرمایش تبخیری مستقیم می گویند که قدیمی ترین و مرسوم ترین روش سرمایش تبخیری است. از نمونه های رایج این روش سرمایش تبخیری می توان به کولرهای آبی، برج های خنک کن و … اشاره کرد. اما چنانچه هوای خنک شونده در تماس مستقیم با فرایند تبخیر آب نباشد به آن سرمایش تبخیری غیر مستقیم گویند.
مبنای کار سیستم های سرمایش تبخیری بدین صورت است که هوای محیط در تماس مستقیم با آب قرار می گیرد، آنگاه آب گرمای هوا را می گیرد و تبخیر می شود و درنتیجه دمای هوا پایین می آید. آبی که تبخیر می شود، با هوا مخلوط می گردد و رطوبت هوا نیز افزایش می یابد. درنتیجه این سیستم ها قابلیت افزایش رطوبت و کاهش دما به طور همزمان را دارند. متداول ترین مثال سرمایش تبخیری کولر آبی است.
سرد کردن تبخیری برمبنای یک قانون عملی ساده پایه ریزی شده است. هنگامی که آب تبخیر می شود، گرمای نهان تبخیر را از خود آب و هوای محیط اطراف جذب میکند درنتیجه آب و هوا هر دو در حین عمل خنک می شوند. بخار آب حاصل از این فرآیند تبخیر آب وارد هوای عبوری از دستگاه سرمایش تبخیری می شود و درنتیجه این هوا رطوبت بیشتری نسب به هوای بیرون دارد. اما هوا ظرفیت محدودی برای گرفتن بخار و رطوبت دارد. هنگامی که هوا بیشترین رطوبت ممکن را می گیرد. اصطلاحاً گفته میشود هوا اشباع شده است. یعنی دیگر امکان جذب رطوبت بیشتری را ندارد. طبیعتا وقتی امکان جذب رطوبت بیشتر وجود نداشته باشد سیستم سرمایش تبخیری به درستی کار نخواهد کرد. برای استفاده از کولر آبی سرمایش تبخیری اقلیم و شرایط محیطی نقش بسزایی دارد. این موضوع به میزان رطوبت موجود در هوای شهر بستگی دارد. هر چه رطوبت موجود در هوا بیشتر باشد این هوا توانایی کمتری در جذب رطوبت حاصل از تبخیر در سیستم های سرمایش تبخیری مستقیم را خواهد داشت. لذا در اقلیم های مرطوب شمال ایران مانند بندرعباس، آبادان و ….. کولرهای سرمایش تبخیری مستقیم پاسخگوی نیاز تهویه مطبوع نخواهند بود و بهترین کارکرد این سیستم ها در مناطق گرم و خشک مانند یزد، تهران، کاشان و … می باشد.
فرآیند سرمایش تبخیری به طورکلی همانند فرآیند آدیاباتیک اشباع است زیرا انتقال حرارت بین جریان هوا و محیط قابل صرفنظرکردن است. درنتیجه فرآیند سرمایش تبخیری بر روی یک خط دمایی حباب تر ثابت روی نمودار سایکرومتریک حرکت می کند. از آنجاییکه خطوط دمایی حباب تر ثابت تقریباً بر روی خطوط آنتالپی ثابت وجود دارند. لذا ثابت فرض کردن آنتالپی جریان هوا قابل فرض است. یعنی در طول فرآیند سرمایش تبخیری خواهیم داشت.
(43)
شماتیک فرآیند سرمایش تبخیری در شکل زیر نشان داده شده است.
شکل شماتیک فرآیند سرمایش تبخیری.
شکل نمایش فرآیند سرمایش تبخیری بر روی نمودار سایکرومتریک.
انواع سرمایش تبخیری :
(۱) سرمایش تبخیری مستقیم
(۲) سرمایش تبخیری غیر مستقیم
(۳) سرمایش تبخیری ترکیبی
سرمایش تبخیری مستقیم:
در سرمایش تبخیری مستقیم هوا در تماس مستقیم با آب خنک می شود. این تماس ممکن است توسط سطوح مرطوب گسترده (مانند پوشال یا افشانک ها) صورت گیرد آب در هنگام تماس با هوا گرمای آن را گرفته و بخار می شود و درنتیجه هوا که گرمایش را از دست داده است خنک می شود و رطوبت آن افزایش می یابد. بنابراین سرمایش تبخیری در مناطق گرم و خشک می تواند آسایش نسبی را با هزینه های کمی تأمین کند ولی این روش در مناطق مرطوب کارایی نخواهد داشت. از سیستم های دارای سطوح مرطوب میتوان به کولر آبی و از سیستم های دارای افشانک می توان به ایرواشر اشاره نمود.
سرمایش تبخیری غیرمستقیم :
به منظور جلوگیری از ورود میکروب می باید از تماس هوا با آب جلوگیری کرد. به این روش تبخیری غیرمستقیم یا خنک کاری مدار بسته می گویند. این روش مشابه روش تبخیری مستقیم است ولی در آن از نوعی مبدل حرارتی استفاده می شود. هوای مرطوب سرد هرگز در تماس مستقیم با هوای تهویه قرار نمی گیرد. جریان هوای مرطوب به خارج تخلیه می شود هوای نسبتاً خشک ناشی از سرمایش تبخیری غیر مستقیم این امکان را فراهم می آورد که تعریق ساکنان آسان تر انجام شود. در نتیجه اثر بخشی این روش افزایش می یابد. در این روش هوایی که به طور مستقیم و در تماس با آب خنک می شود به محیط راه پیدا نمی کند بلکه با عبور از یک مبدل موجب خنک کردن جریان هوای دیگری می شود. این جریان هوای دوم به محیط راه می باید. از این روش هنگامی استفاده می شود که افزایش رطوبت هوا مطلوب نیست. فرآیند تبخیری غیرمستقیم در نمودار سایکرومتریک به صورت یک خط افقی است. از این روش می توان برای پیش سرمایش هوای ورودی به سیستم مستقیم در شرایطی استفاده کرد که رطوبت زیاد محیط امکان استفاده تنها از روش مستقیم را نمی دهد. این روش تبخیری به دو صورت مبدل دار و برج خنک کن آبی موجود است.
یک کمیت بسیار با اهمیت در طراحی سیستم های تبخیری مستقیم میزان نزدیکی به دمای حباب تر ورودی است که به آن بازدهی حباب تر می گویند که بصورت زیر بیان می شود:
(44)
در رابطه فوق TDB.1 و TDB.2 به ترتیب دمای حباب خشک نقطه ۱ و ۲ می باشند. همچنین TWB.2 دمای حباب تر نقطه ۱ است. بازدهی حباب تر کمیتی است که میتوان با بهره گیری از آن سیستمهای سرمایشی تبخیری را دسته بندی نمود. بازدهی حباب تر کمیتی است که در آن مقدار نزدیک شدن دمای هوای ثانویه یا همان محصول را به دمای حباب تر هوای ورودی ارزیابی می کند.
در حالت کلی بازدهی سرمایش تبخیری بصورت رابطه زیر بیان می شود:
(45)
از رابطه(45) واضح است که بازدهی سرمایش تبخیری زمانی به بیشینه خود می رسد(100%) که دمای خروجی T2 برابر دمای حباب تر هوای مرطوب باشد.
در یک سیستم سرمایش تبخیری چنانچه هوای ورودی با دمای حباب خشک To و رطوبت ویژه ωo، از روی سطوح تر یا ذرات آب که از درون نازل عبور می کنند با دمای T1 عبور نماید آنوقت دمای هوایی که در تماس با سطح است به دمای حباب تر هوای خارج نزدیک تر می شود و در عملکرد پایدار دستگاه مقدار آن به دمای حباب تر جریان هوای ورودی می رسد در این صورت می توان روابط زیر را بکار برد:
(46)
که در این جا Q میزان حرارت منتقل شده ، K ضریب انتقال جرم، A سطح تماس، hi آنتالپی در سطح تماس آب و هوا و ho آنتالپی هوای ورودی به دستگاه است. از آنجا که این تحول آدیاباتیک است، می توان نوشت.
(47)
با به کارگیری مشخصات هوای تر می توان نوشت:
(48)
در اینجا h آنتالپی هوای تر ha آنتالپی هوای خشک و hv آنتالپی رطوبت موجود در آن است. همچنین w رطوبت نسبی هوای تر می باشد. این سیستم های سرمایشی عمدتاً به وسیله کمیت هایی مانند دبی جریان هوا دمای هوای محصول، بازدهی حباب تر نسبت سیال عامل به جریان هوای محصول ظرفیت سرمایش بازدهی نقطه شبنم، مصرف انرژی، بازدهی انرژی و نیز میزان مصرف انرژی قابل ارزیابی هستند
زمانیکه h1=h2 باشد، گرمای نهان اضافه شده به هوا برابر گرمای محسوس حذف شده از آن می باشد. درنتیجه داریم:
(49)
(50)
Cp گرمای ویژه هوای مرطوب است.
(51)
hfg گرمای نهفته تبخیر در دمای آب می باشد.
ظرفیت سرمایش تبخیری را می توان به صورت رابطه زیر بیان نمود:
(52)
نرم افزار EES:
نرم افزار Engineering Equation Solver یا به اختصار EES یک نرم افزار جامع در زمینه حل معادلات مختلف می باشد که می تواند هزاران معادله غیرخطی جبری و دیفرانسیلی را به صورت عددی و همزمان حل کند. این نرم افزار به طور مخفف EES نامیده می شود. از قابلیت های این نرم افزار می توان به حل معادلات دیفرانسیلی و انتگرالی، بهینه سازی، آنالیز عدم قطعیت، تبدیل واحدها و تولید نمودارهای باکیفیت جهت استفاده های مختلف اشاره نمود. یکی از ویژگی های اصلی نرم افزار EES وجود پایگاه داده های دقیقی از خواص انتقالی و ترمودینامیکی برای صدها ماده مختلف می باشد که امکان استفاده به همراه قابلیت حل معادلات را دارا می باشد. به عنوان مثال جداول خواص برای مواد مختلف در نرم افزار EES موجود می باشد که می توان با داشتن دو خاصیت مستقل برای مواد، هر خاصیت مجهول مورد نظر از قبیل آنتالپی، آنتروپی و غیره را بدست آورد.
نرم افزار EES قابلیت خواندن برنامه های نوشته شده در زبان های برنامه نویسی Pascal، C، و Fortran را دارد. همچنین بسیاری از توابع ترمودینامیکی و توابع درونی ریاضی در نرم افزار EES وجود دارند که در محاسبات مهندسی در زمینه ترمودینامیک، مکانیک سیالات و انتقال حرارت مفید می باشند. با استفاده از جداول پارامتریک در نرم افزار EES که یکی از مفیدترین بخش های این نرم افزار است می توان مطالعات پارامتریک را انجام داد. با وارد نمودن مقادیر متغیرهای مستقل در این جدول، مقادیر متناظر متغیرهای وابسته محاسبه می گردند و درنتیجه می توان رابطه میان پارامترهای مختلف در این جدول را به صورت نمودار نمایش داد.
پس از شناخت مسئله مورد بررسی و تجزیه و تحلیل آن، بایستی معادلات مربوط به مسئله را استخراج نموده و این معادلات را به زبان نرم افزار EES بنویسیم و در ادامه آنالیز مسئله، متغیرها و واحدهای احتمالی مربوط به آنها را مشخص نماید. اگر مراحل مذکور با دقت لازم و به درستی انجام پذیرد با اولین اجرا در نرم افزار EES جواب صحیح برای مسئله مشخص می گردد و درصورتیکه با اولین اجرا در نرم افزار EES به دلیل وجود معادلات پیشرفته کاربر موفق به دستیابی به جواب صحیح برای مسئله نگردد بایستی از روش سعی و خطا استفاده کند و اقدام به حدس و واردکردن مقادیر برای برخی از متغیرها نماید که در چنین حالتی امکان دستیابی به جواب صحیح برای مسئله افزایش خواهد یافت. ابتدایی ترین امکاناتی که این نرم افزار ارائه می دهد حل دستگاه معادلات جبری است. از دیگر توانایی های آن می توان به حل معادلات دیفرانسیل، حل معادلات با توابع مختلط، بهینه سازی تقریب خطی و غیرخطی داده ها، برازش و رسم نمودارهای خواص مواد اشاره نمود. دو تفاوت عمده بین این نرم افزار و برنامه های دیگر حل عددی معادلات وجود دارد: نخست اینکه نرم افزار EES معادلاتی که باید به صورت همزمان در یک گروه مشخص حل شوند را به خودی خود تشخیص می دهد.
دوم اینکه بسیاری از توابع ریاضی و ترموفیزیکی را به صورت ذخیره شده در خود دارد که برای محاسبات مهندسی بسیار مفید و کارساز می باشند. برای مثال جداول بخار ارائه شده به گونه ای است که هریک از خواص ترمودینامیکی می تواند با استفاده از یک تابع داخلی که در EES وجود دارد فراخوانی شده و با استفاده از هر دو خاصیت معلوم دیگر بخار بدست می آید. همین قابلیت برای بسیاری از مبردهای ارگانیک ارائه شده است. آمونیاک، متان، دی اکسیدکربن و بسیاری از سیالات دیگر و جداول هوا نیز به صورت داخلی در این نرم افزار ذخیره شده اند. خواص بسیاری از گازها در EES ذخیره شده است. توابع ریاضی و ترمودینامیکی ذخیره شده در نرم افزار EES گسترده است اما امکان آن نیست که همه نیازهای تمامی کاربرها را کاملاً تأمین نماید. از اینرو برنامه این امکان را به کاربر می دهد که تابع موردنظر خود را با رابطه خاصی مشخص نماید و به سه روش در برنامه وارد کند.
نخست اینکه مقادیر مختلف یک متغیر می توانند در جدولی ذخیره گردند و هریک از این داده ها در حل دستگاه معادلات در هر دوره حل بکار روند. همچنین امکان میانیابی و برازش منحنی در جدول متغیرهای ورودی وجود دارد. دوم اینکه توابعی که توسط کاربر به صورت مجزا تعریف شوند مانند آنچه در زبان های برنامه نویسی پاسکال، فرترن وجود دارند می توانند در نرم افزار EES نیز استفاده شوند. همچنین این امکان در نرم افزار EES وجود دارد که مدول هایی که توسط کاربر نوشته شده اند و خودشان شامل برنامه EES دیگری می شوند توسط یک برنامه EES دیگر در دسترس قرار گیرند. توابع، پروسیجرها و مدول ها می توانند به عنوان فایل در کتابخانه EES ذخیره شوند و هنگامیکه نرم افزار EES بارگذاری می گردد آنها نیز درحافظه به صورت خودبخو بارگذاری می شوند. سوم اینکه توابع و پروسیجرها کامپایل شده که تحت یک زبان سطح بالا مانند پاسکال، C یا فرترن نوشته شده باشند می توانند به صورت دینامیک به برنامه EES متصل گردند. با استفاده از این سه روش گستردگی عملیاتی استفاده از توابع در برنامه بیش از پیش کامل می شود. همچنین میتوان حدود جواب های خروجی را طوری معین نمود که چنانچه جواب برنامه خارج از این حدود باشد، پاسخ برنامه ظاهر نشود. و می توان برای هر ماده، نمودار هریک از پارامترهای خواص مواد را در برابر دیگری رسم کرد. در عین حال این برنامه به ما امکان می دهد که یک متغیر را برحسب متغیر مستقل دیگر در نموداری رسم نماییم.
همچنین این نرم افزار برای طراحی مسائلی که در آن بررسی یک یا چند پارامتر بر روی یک پدیده موردنظر باشد مفید است. با جداول صفحه گسترده پارامتری که قابل ایجاد است این امر امکانپذیر شده است و EES مقادیر توابع وابسته را در جدول محاسبه خواهد کرد. EES همچنین قابلیت پردازش داده های تجربی را به صورتیکه بتوان رفتار یک پدیده را در سایر حالات تخمین زد به کاربر می دهد. زبان برنامه نویسی این نرم افزار آنقدر ساده می باشد که یک کاربر تازه وارد به راحتی می تواند آن را بیاموزد و به سادگی برای حل مسائل از آن استفاده کند. توانایی های این نرم افزار بسیار گسترده می باشد. بانک اطلاعاتی وسیع خواص ترمودینامیکی ذخیره شده در این نرم افزار برای حل مسائل در ترمودینامیک، مکانیک سیالات و انتقال حرارت بسیار مفید می باشد. همچنین نرم افزار EES برای حل بسیاری از مسائل کاربردی عملی نرم افزار مناسبی می باشد. در نرم افزار EES علاوه بر حل معادلات ترمودینامیکی بسیاری از معادلات جبری و رسم منحنی و مسائل مربوط به بهینه سازی را نیز دارا می باشد. این نرم افزار قادر است معادلاتی که بایستی بایکدیگر حل شوند را در حالت بهینه حل نماید. قابلیت تحلیل و تشخیص چگونگی و نوع معادلات بصورت خودکار توسط این نرم افزار صورت می گیرد. در این نرم افزار توابع مربوط به سیالات و ترمودینامیک نیز وجود دارند. امکان ریپورت کردن داده های یک مسئله به صورت جدول در این نرم افزار وجود دارد. داده ها و اطلاعات از نرم افزارهای دیگر همچون زبان های برنامه نویسی فرترن نیز وجود دارد. با استفاده از نرم افزار EES می توان یک جدول برای پارامترها درنظرگرفت و تاثیر آنها را بر روی معادلات و سایر متغیرها مشاهده نمود.
شرح فرآیند:
در این پروژه رطوبت سنجی(سایکرومتری) فرآیند تهویه مطبوع گرمایش همراه رطوبت زنی(heating with humidification) با استفاده از کویل گرمایشی(heating coils) و رطوبت زن(humidifier) در نرم افزار EES انجام شده است.
شماتیک فرآیند در شکل زیر نشان داده شده است. در این فرآیند هوا در فشار 1 اتمسفر(101.3 کیلوپاسکال) وارد سیستم تهویه مطبوع شامل گرمایش با استفاده از کویل های گرمایشی(heating coils) همراه رطوبت زن (humidifier) می شود. هوا در دمای 10 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 70 درصد و با نرخ 35 مترمکعب بر دقیقه نخست وارد کویل های گرم می شود و با دمای 20 درجه سانتیگراد و رطوبت نسبی 60 درصد بخش رطوبت زن را ترک می کند. مطلوب است تعیین الف) دما و رطوبت نسبی هوای مرطوب در خروجی بخش گرمایش. ب) نرخ انتقال حرارت در بخش گرمایش، ج) نرخ جرمی بخار آب اضافه شده به هوای مرطوب در بخش رطوبت زنی، د) حجم مخصوص هوا در بخش گرمایش و رطوبت زنی. ه) رسم نمودار سایکرومتریک فرآیند گرمایش همراه رطوبت زنی.
شکل شماتیک فرآیند تهویه مطبوع گرمایش همراه رطوبت زنی.
نمونه نتایج:
نمودار سایکرومتریک فرآیند تهویه مطبوع گرمایش همراه رطوبت زنی:
