علم سایکرومتری چیست؟ | بخش سوم

تحلیل فرآیندهای تهویه مطبوع بر روی نمودار سایکرومتریک

برای ورود به موضوع لازم است چند تعریف مرتبط با آن را ارائه دهیم. گرمایش محسوس، سرمایش محسوس، رطوبت گیری و رطوبت زدایی.

گرمایش محسوس

 عبارت است از افزایش دمای حباب خشک هوا در اثر یک فرآیند. لذا در این فرآیند هیچگونه تغییری در محتوای رطوبت (یا همان رطوبت مطلق) به وجود نمی‌آید و به زبان ساده‌تر هیچگونه رطوبت‌زنی یا رطوبت‌گیری رخ نمی‌دهد.

سرمایش محسوس

 مطابق با تعریف گرمایش بوده و فقط هوای فرآیند دچار کاهش دما می شود.

رطوبت‌گیری

 در دمای حباب خشک ثابت، از محتوای رطوبت هوا کاسته می‌شود. روش‌هایی مانند رطوبت‌گیری به کمک مواد جاذب رطوبت و یا رطوبت‌گیری به کمک کویل سرد. لازم به توضیح است که اگر دمای سطح کویل کمتر از نقطه شبنم هوای عبوری از کویل باشد، هوایی که در نزدیکی سطح کویل است، پس از رسیدن به نقطه شبنم (رطوبت نسبی 100٪) باز هم باید کاهش دما را تجربه کند و لذا مقداری از رطوبت هوا به صورت قطرات آب در نزدیکی سطح کویل تقطیر شده و توسط خط درین کندانسیت از کویل (و فرآیند) خارج می‌شود.

رطوبت‌زنی

 افزایش محتوای رطوبت در دمای حباب خشک ثابت است که با روش‌هایی مانند اسپری آب یا اسپری بخار انجام می شود.

نمودار مورد بررسی در شکل ذیل آورده شده و در ادامه بر روی فرآیندهای آن بحث و بررسی می‌شود.

در شکل فوق محور افقی پایین دمای حباب خشک، محور عمودی سمت راست رطوبت مطلق و خطوط مورب خطوط انتالپی ثابت (و حباب مرطوب ثابت) می‌باشند. برای درک بیشتر نمودار، محورها و پارامترها را روی نمودار بررسی می‌کنیم.

محور افقی، دمای حباب خشک بوده و خطوط عمود بر آن، خطوط دمای حباب خشک ثابت هستند. بدیهی است که هر فرآیندی در راستای این خطوط روی نمودار حرکت نماید، دمای حباب خشک آن ثابت خواهد بود.

در شکل فوق، محور عمودی محتوای رطوبت هوا است و خطوط افقی در شکل، خطوط رطوبت ثابت است. وقتی درفرآیندی رطوبت زنی انجام نمی شود (مثلاً گرمایش)، فرآیند در راستای خطوط رطوبت ثابت خواهد بود. همچنین گفتنی است برای سرمایش، اگر دمای کویل در تماس با هوا بیشتر از دمای نقطه شبنم هوا باشد، رطوبت‌گیری انجام نخواهد شد و محتوای رطوبت ثابت خواهد بود.

در شکل فوق خطوط انتالپی ثابت نمایش داده شده است که موازی با خطوط دمای حباب مرطوب ثابت می‌باشد. به عنوان مثال، سرمایش به کمک روش تبخیری (کولر آبی، ایرواشر، برج خنک کن و …) تقریباً به صورت انتالپی ثابت بوده و دمای حباب مرطوب هوای ورودی و خروجی ثابت است. در شکل مشخص است که با حرکت در راستای خطوط انتالپی ثابت و افزایش رطوبت نسبی، حداکثر رطوبت نسبی 100٪ خواهد شد و در این نقطه دمای حباب خشک، دمای حباب مرطوب و دمای نقطه شبنم هوا با هم برابر می‌شود. زیرا در حالت پایدار رطوبت نسبی بالاتر از 100٪ نداریم، لذا دمای خروجی از روش تبخیری وابسته به دمای حباب مرطوب هوا می‌باشد.

در شکل فوق خطوط رطوبت نسبی ثابت نمایش داده شده است. در محتوای رطوبت ثابت، هرچه دمای حباب خشک بیشتر شود رطوبت نسبی کمتر خواهد بود و بالعکس. در مناطق کویری یا مناطقی که رطوبتی به هوا در اثر تبخیر تزریق نمی شود، تقریباً می‌توانیم محتوای رطوبت را ثابت فرض کنیم. لذا با افزایش دما در حوالی ظهر، کمترین رطوبت نسبی و در ساعات اولیه صبح با کمترین دمای حباب خشک، بیشترین رطوبت نسبی را خواهیم داشت.

در شکل ذیل فرآیندهای اصلی گرمایش، سرمایش، رطوبت گیری و رطوبت‌زنی در نمودار آورده شده است.

در شکل فوق، گرمایش و سرمایش عبارت است از تغییرات دمای حباب خشک در رطوبت ثابت (رطوبت نسبی تغییر می کند) و رطوبت زدایی و رطوبت زنی نیز باعث تغییرات محتوای رطوبت در دمای حباب خشک ثابت می باشد.

در عمل و در فرآیندهای واقعی، مخصوصاً در تهویه مطبوع، یک یا ترکیبی از دو فرآیند فوق مشاهده می‌گردد. مانند شکل ریز:

ضمناً جدول اصلاح ضریب ثابت 1.08 برحسب ارتفاع از سطح دریاهای آزاد به صورت زیر است:

تغییرات در دمای حباب خشک (گرمایش محسوس، سرمایش محسوس)

 در این حالت یک رابطه ساده شده بر حسب واحدهای انگلیسی وجود دارد که برای ارتفاع از سطح دریا برابر با صفر صادق است:

رابطه فوق برای گرمایش و سرمایش برقرار است و در ارتفاع از سطح دریا که برابر با صفر نباشد عدد ثابت 1.08 برحسب ارتفاع از سطح دریا تغییر خواهد نمود. عبارت CFM هوای در جریان در فرآیند برحسب فوت مکعب در دقیقه می‌باشد که به اختصار و برای راحتی با واحد آن نگارش شده است.

با فرض ثابت بودن میزان هوای عبوری، در اثر گرما دادن به یک جریان هوا، فقط دمای حباب خشک آن دچار تغییر خواهد شد.

برای محاسبه میزان حرارت ناشی از تغییرات رطوبت یا دما در فرآیندهای مزبور، یا محاسبه تغییر پارامترها در اثر تغییرات حرارت، روابط زیر را داریم:

لازم به توضیح است که واحد Grain به صورت ذیل تعریف می گردد.

لذا در صورت محاسبه محتوای رطوبت در واحدهای SI می توانیم با ضرب این عدد در 7000 مقدار رطوبت را برحسب gr/lb_a به دست بیاوریم.

ضمناً علت استفاده از واحدهای انگلیسی، پرکاربرد بودن این واحدها است و نگارنده به خوبی بر این موضوع آگاه است که استفاده از دستگاه آحاد SI برای تعریف پارامترهای اساسی سایکرومتری و سپس استفاده از دستگاه PI برای ارائه روابط انتقال حرارت یا امثالهم، چندان زیبنده نیست. برخی از روابط، مانند روابط فوق در دستگاه SI برای بسیاری از مهندسین نامانوس بوده و این فرم از روابط بسیار شناخته شده می‌باشد.

در پایان برای حالت هایی که ارتفاع از سطح دریا عددی غیر صفر باشد، اعداد ثابت 1.08 و 0.69 تغییر خواهد نمود. ابتدا به این می پردازیم که این اعداد از کجا به دست آمده‌اند.

برای محاسبه گرمای ناشی از تغییر دما رابطه زیر بسیار مشهور و شناخته شده است.

لذا با نگارش رابطه به فرم ذیل داریم:

که در آن V دبی حجمی برحسب فوت مکعب بر ثانیه هوای مورد نظر می باشد و چون دبی هوا بر حسب فوت مکعب بر دقیقه (CFM) مرسوم تر است. لذا داریم:

با جایگذاری مقادیر چگالی و ضریب ظرفیت ویژه حرارتی برای هوای خشک در سطح دریا داریم:

لذا تغییرات عدد 1.08 نسبت به ارتفاع را باید در تغییرات چگالی جستجو نمود. شایان ذکر است که در برخی از مراجع از عدد 0.241 برای ضریب ظرفیت ویژه حرارتی هوای خشک منظوره شده است که منجر به عدد ثابت 1.0845 خواهد شد.

همچنین برای رابطه مربوط به گرمای ناشی از تغییر رطوبت، تغییرات رطوبت منجر به تغییر در انتالپی و در نتیجه تغییر حرارت خواهد شد. لذا داریم:

تغییرات انتالپی عبارت است از اختلاف انتالپی بخار آب در دمای 75 F و انتالپی آب مایع در دمای 50 F که داریم:

لذا تغییرات عدد ثابت 0.69 نسبت به چگالی (تغییرات ارتفاع از سطح دریا) خواهد بود.

تغییرات اعداد ثابت 1.08 و 0.69 نسبت به ارتفاع از سطح دریا به صورت زیر می باشد:

ارتفاع از سطح دریا (ft)	ضریب گرمای محسوس	ضریب گرمای نهان
0	1.080	0.691
500	1.066	0.682
1000	1.037	0.663
1500	1.022	0.654
2000	1.008	0.645
2500	0.979	0.627
3000	0.965	0.617
3500	0.950	0.608
4000	0.936	0.600
4500	0.907	0.580
5000	0.893	0.571
5500	0.878	0.562
6000	0.864	0.553
6500	0.850	0.544
7000	0.835	0.534

در پایان یادآور می‌گردد، فرآیندهای واقعی در تهویه مطبوع ترکیبی از تغییرات محتوای رطوبت و تغییرات دمایی است. برای محاسبه گرمای مورد نیاز در کل فرآیند (گرماگیری یا سرمایش)، تغییرات دمایی به صورت جداگانه و تغییرات رطوبت نیز جداگانه محاسبه می‌گردد.