تحلیل سایکرومتری کندانسور هوا خنک و برج خنک کننده
در هر دو تجهیز مزبور، فرآیندهایی بر روی هوا انجام می پذیرد. لذا می توانیم بر اساس اصول سایکرومتری فرآیند را تحلیل نماییم.
کندانسور هوا خنک: در کندانسور هواخنک هیچگونه آبی به هوا تزریق نمی شود و به علت دمای بالاتر از نقطه شبنم هوا نیز هیچگونه رطوبت گیری نخواهیم داشت. از طرفی قرار است کندانسور هواخنک در سمت هوا، با پس دادن حرارت ناشی از تقطیر مبرد درون لوله ها، میزانی از گرما را به هوا انتقال دهد. لذا از دید هوا یک فرآیند گرماگیر است و دمای خروجی هوا از کندانسور بیشتر از دمای ورودی خواهد بود.
با داشتن میزان انقال حرارت لازم، دمای ورودی هوا و میزان هوادهی لازم می توانیم دمای هوای خروجی را محاسبه نماییم. با فرض اینکه تجهیز در سطح دریا باشد:
از رابطه فوق به این تحلیل می رسیم که:
- هر قدر دمای ورودی به کندانسور بالاتر باشد، دمای هوای خروجی از کندانسور بیشتر خواهد شد.
- اگر میزان هوادهی فن های کندانسور کمتر از حد طراحی باشد، دمای هوای خروجی بالاتر می رود.
- هر میزان از سطح دریا فاصله بگیریم، دمای هوای خروجی از کندانسور بیشتر خواهد شد.
البته توجه داریم که در هر مرحله با فرض ثابت بودن سایر پارامترها استنتاج کرده ایم. در کندانسورهای هوایی معمولاً اعداد فوق در محدوده هایی خاص طراحی می شوند. مثلاً برای تهران در یک کندانسور هواخنک می توانیم اختلاف دما را در حدود 8 الی 12 درجه سلسیوس فرض نماییم.
فرض می کنیم یک چیلر 100 تن نامی R22 در تهران با شرایط T=40 C / 30% و ارتفاع از سطح دریا معادل 1200 m داریم. برخی از محاسبات تقریبی است:
در رابطه تقریبی فوق دمای تقطیر کندانسور 50 و دمای تبخیر اواپراتور 2.5 فرض شده و سپس برحسب کلوین جاگذاری شده است. همچنین برای کندانسور چیلر هواخنک گاز R22 و در تهران تن نامی را تقسیم بر تقریباً 1.5 نموده و به تن واقعی اواپراتور دست یافته و سپس با ضرب در ثابت 3.51685 به واحد kW تبدیل نموده ایم.
حال با فرض دمای 40 درجه سلسیوس معادل 104 F برای هوای ورودی کندانسور در تهران و ضریب 0.93 به جای 1.08 در تهران بعلت ارتفاع از سطح دریا داریم:
اعداد و برخی محاسبات فوق تقریبی بوده و جهت محاسبات دقیق تر باید از نرم افزارها و روش های دیگری استفاده شود.
شکل فرآیند در نمودار سایکرومتریک به صورت زیر است:
برج خنک کن:
فرآیند عبور هوا از درون برج خنک کن، بسیار مشابه با سرمایش کولر آبی و یا اگر دقیق تر بخواهیم بگوییم بیشتر مشابه با ایرواشر است.
در برج های خنک کن از نوع جریان مخالف یا جریان متقاطع، حتی الامکان سعی می شود تا جهت حرکت هوا و آب در خلاف هم باشند تا زمان تماس افزایش یابد. به کمک روش تبخیری و عبور هوایی با رطوبت نسبی ترجیحاً کم هوا و اسپری آب در تماس قرار گرفته و به علت اشباع نبودن هوا، مقدار بخار آب توسط هوا جذب می شود و این یعنی بخشی از آب تبخیر و جذب هوا می گردد.
بعلت زیاد بودن گرمای نهان تبخیر آب نسبت به تغییرات آنتالپی محسوس، با تبخیر درصد کمی از آب (در حدود 1.5 الی 3 درصد جریان عبوری) باقی مانده آب خنک می شود.
در این روش چون آنتالپی هوای ورودی و خروجی ثابت است (در حالت ایده آل)، لذا دمای مرطوب ورودی و خروجی نیز برابر بوده و بسته به میزان رطوبت نسبی هوا، انتظار اثر برودتی داریم. هرچه میزان رطوبت نسبی هوای ورودی کمتر باشد با این روش به دماهای پایین تری می یتوان دست یافت و بالعکس اگر رطوبت نسبی بالا باشد، موفقیت این فرآیند کم خواهد شد. دماهای طراحی براساس شرایط و نظر طراح ممکن است متغیر باشد اما با این روش معمولاً دمای آب برج خنک کن در محدود 30 درجه سلسیوس بوده و حداقل دما نیز در حدود 20 درجه تعریف می گردد. دماهای کمتر از این مقدار حتی درصورت استحصال، بعنوان مثال برای چیلر جذبی مناسب نمی باشد یا برای چیلر تراکمی استفاده شده در تهویه مطبوع نیز معمولاً چندان کاربردی ندارد.
در فرآیند تبخیر آب در برج خنک کن، هوا یک فرآیند با تغییرات دمایی و تغییرات محتوای رطوبت را طی میکند.
به یاد داشته باشیم که الزاماً خروجی هوا از برج خنک کن رطوبت نسبی 100% ندارد و بسته به پارامترهای سیال های هوا و آب و همچنین شرایط و بستر انتقال حرارت ممکن است تغییر کند.
فرض کنید در شهری به ارتفاع 1200 متر از سطح دریا و با شرایط هوای ورودی 40 درجه خشک و 24.4 درجه مرطوب و به میزان دبی هوای 16 کیلوگرم بر ثانیه هوا را داریم و دبی آب 20 کیلوگرم بر ثانیه و دماهای مطلوب سمت آب 35 و 29.4 درجه است:
در این حالت میزان انتقال حرارت و شرایط هوای خروجی را داریم:
در این حالت رطوبت نسبی هوای خروجی حدود 68 درصد است. حال اگر فقط دبی آب را به مقدار 32 کیلوگرم بر ثانیه افزایش دهیم، تبادل حرارتی افزایش یافته (و نه دو برابر) و رطوبت نسبی خروجی هوا حدود 90 درصد و نزدیک به اشباع خواهد شد.
بدیهی است که صرفاً تغییر در مقادیر و پارامترهای ساده آب و هوا مانند دبی ها و دماها تغییراتی غیرخطی دارند و با دو برابر کردن دبی آب، ظرفیت دو برابر نمی شود. در تنظیم پارامترها مسلماً موارد اقتصادی نیز باید رعایت شود و شرایط مدنظر طراح در دماها و دبی ها باید توسط پکینگ ها تامین گردد و ممکن است برج خنک کن را به طور غیرمنطقی گران و بزرگ نماید.
نکته دیگری که در خروجی نرم افزار می توان ملاحظه نمود این است که دمای حباب مرطوب هوای ورودی و خروجی یکسان نمی باشد و این به دلیل غیرآدیاباتیک بودن فرآیند در حالت واقعی است.
اگر بخواهیم در محیطی با دمای 40 C به دمای تقریبی 29 درجه برسیم، یعنی 11 درجه اختلاف دما ایجاد کنیم، به علت تدریجی بودن کاهش دما در طول تماس هوا و آب و عایق عالی نبودن بدنه و هندسه برج خنک کن، عملاً فرض آدیاباتیک بودن فرض دقیقی نیست و بدنه برج از محیط خود حرارت کسب می نماید و دمای حباب مرطوب هوای خروجی از برج خنک کن از دمای حباب مرطوب هوای ورودی مقداری بیشتر است.
حالت ایده آلی که انتظار داریم و در کتب کلاسیک سایکرومتری در مورد سرمایش تبخیری بحث می شود، شکل فوق است.
اما در اثر تبادل تدریجی هوا و آب و جذب حرارت از محیط برج خنک کن:
در حالت واقعی چنین نموداری بر روی چارت سایکرومتریک، ترسیم واقعی تر فرآیند تبخیر در برج خنک کن می باشد.
