سیستمهای سرمایشی که یکی از بخشهای سیستمهای HVAC محسوب میشوند، به دلیل مزیتهای ویژهای که دارند، امروز در صنعت و تجارت بیش از انواع دیگر مورد استفاده قرار میگیرند. در این مقاله انواع سیستمهای سرمایشی را بررسی میکنیم.
مهمترین ویژگیهایی که در سیستمهای سرمایشی باید در نظر گرفته شود عبارتاند از:
- حجم زیاد هوایی که باید از ساختمان تخلیه شود
- برگرداندن هوای تهویهشده خروجی از ساختمان برای تهویه مجدد
- هزینه برق مصرفی سیستم
در بحث سیستمهای HVAC، مشتریان به دنبال دستگاهی هستند که علاوه بر تأمین آسایش موردنظر، از نظر اقتصادی هم بهصرفه باشد. هرچه دمای درخواستی و رطوبت موردنیاز کمتر باشد، اهمیت انتخاب صحیح سیستم سرمایشی هم بیشتر میشود.
سرمایش تبخیری
سرمایش تبخیری هوا در نزدیکی آبشارها، رودخانهها و سایر سطوح مرطوب رخ میدهد. پیشرفتهای اولیه این فناوری در مناطقی با آبوهوای خشک آغاز شد. گذشتگان با خنککردن آب در کوزههای سفالی — که سطح آنها نمناک میشد — از این اصل برای خنککردن هوا استفاده میکردند.
در ایران هم خانههای قدیمی مناطق کویری، عمدتاً با بادگیر و تبخیر آب خنک میشدند؛ بسیاری از خانههای قدیمی هنوز هم بر همین اساس خنک میشوند.
سیستم سرمایش تبخیری در مقایسه با سیستمهای سرمایش تراکمی (مثل چیلر) این مزایا را دارد:
- کارایی بالا و هزینه ساخت و نصب پایینتر
- مصرف انرژی کمتر
- عدم استفاده از گازهای کلروفلوروکربن و در نتیجه اثرات زیستمحیطی کمتر
- فناوری ساده و هزینه نگهداری پایین
در کنار این مزایا، محدودیتها و معایبی هم وجود دارد. مهمترین محدودیت، وابستگی شدید به شرایط اقلیمی است. در مناطق پررطوبت، ظرفیت هوا برای جذب رطوبت بیشتر پایین میآید؛ هوای مرطوب گرمای نهان کمتری جذب میکند و گرمای محسوس کمتری هم به گرمای نهان تبدیل میشود.
به بیان دیگر، وقتی رطوبت هوا بالا باشد، دمای مرطوب هوا هم افزایش مییابد و دستیابی به شرایط ایدهآل با سرمایش تبخیری محدود میشود. کنترل رطوبت هوا هم در این سیستمها ممکن نیست؛ به همین دلیل برای مکانهای پررطوبت مناسب نیستند. طبق تحقیقات شرکت Munters، بهترین کارایی سرمایش تبخیری زمانی است که دمای مرطوب محیط کمتر از ۲۵ درجه سانتیگراد باشد.
سرمایش تبخیری مستقیم
از سرمایش تبخیری مستقیم برای خنککردن آب استفاده میشود — عمدتاً در برجهای خنککننده. همچنین برای خنککردن هوا هم به کار میرود؛ نمونههای آن کولرهای آبی، ایرواشرها و سیستمهای مشابه هستند.
وقتی آب و مخلوط غیراشباع هوا-آب در تماس با هم قرار میگیرند، بین آنها انتقال جرم و گرما صورت میگیرد؛ چون دما و فشار بخار آنها متفاوت است، گرما از سیال گرمتر به سیال سردتر منتقل میشود و بخار آب از فشار بخار بیشتر به سمت فشار کمتر حرکت میکند. با گذشت زمان کافی، دما و فشار بخار برابر میشوند و انتقال گرما و جرم به تعادل میرسد.
سرمایش تبخیری هم بر همین اصل بنا شده است. وقتی آب تبخیر میشود، گرمای نهان تبخیر را از هوای اطراف خود میگیرد؛ به این ترتیب هم آب و هم هوای اطراف خنک میشوند. قطرات آب روی پدهای کولر جریان مییابند و با عبور هوا از روی این قطرات، انتقال حرارت و جرم انجام میشود. شکل ۱ این فرایند را روی نمودار سایکرومتریک نشان میدهد.
هوا وارد کولر میشود و قطرات آب روی آن پاشیده میشود؛ به این ترتیب دمای هوا کاهش و رطوبت آن تا نقطه ۲ افزایش مییابد. پایینترین دمایی که میتوان به آن رسید، حالتی است که هوا کاملاً اشباع شود — نقطه ۳ در نمودار.
چون خطوط دمای مرطوب ثابت تقریباً بر خطوط آنتالپی ثابت منطبقاند، آنتالپی هم در این فرایند تقریباً ثابت فرض میشود.
شکل ۱ – فرایند سرمایش تبخیری روی نمودار سایکرومتریک
راندمان سرمایش تبخیری هم بهصورت زیر بیان میشود:
سرمایش تبخیری غیرمستقیم
این روش بر پایه یک مبدل حرارتی هوا به هوا کار میکند. در این مبدل، دو جریان هوا بدون تماس مستقیم با یکدیگر، فقط تبادل حرارت انجام میدهند. شکل ۲ نمونهای از این مبدل را نشان میدهد.
دمای هوای ثانویه با عبور از میان صفحات مرطوب کاهش مییابد؛ در همین حین، هوای اولیه هم با عبور از صفحات خشک و تبادل حرارتی با هوای ثانویه، خنک میشود.
شکل ۲ – طرحواره سرمایش تبخیری غیرمستقیم
اهمیت سرمایش تبخیری غیرمستقیم را میتوان از دو جهت بررسی کرد:
- دستیابی به هوای سرد، بدون افزودن رطوبت به آن
- امکان ترکیب با سایر سیستمهای سرمایشی برای رسیدن به دمای پایینتر
معرفی سیستمهای دسیکنت
دسیکنتها موادی هستند که توانایی بالایی برای جذب رطوبت دارند. بسیاری از نمکها این خاصیت را دارند، اما آنچه یک ماده را دسیکنت واقعی میکند، ظرفیت بسیار بالای آن برای جذب رطوبت است.
پیش از ادامه، دو اصطلاح مهم را تعریف میکنیم: Adsorbent به دسیکنتهای جامدی گفته میشود که رطوبت را از سطح خود جذب میکنند — این فرایند را «جذب سطحی فیزیکی» مینامند. Absorbent هم به دسیکنتهای مایعی گفته میشود که طی فرایند جذب رطوبت، خودشان هم تغییر میکنند.
دسیکنتهای جامد ساختاری متخلخل شبیه اسفنج دارند؛ نمونههای رایج آنها سیلیکاژل، غربال مولکولی و زئولیتها هستند. سیلیکاژل یکی از پرکاربردترین دسیکنتهاست، چون نسبت سطح به حجم بالایی دارد.
میزان جذب رطوبت این مواد بسته به شرایط کارکرد و خواص هر ماده متفاوت است؛ بر اساس نوع دسیکنت و رطوبت موجود در هوا، این مواد میتوانند ۱۰ تا ۱۱۰۰ برابر وزن خشک خود رطوبت جذب کنند. پس از رسیدن به ظرفیت جذب، دسیکنت اشباع میشود و دیگر توانایی رطوبتگیری بیشتر ندارد؛ برای ادامه کار، باید احیا شود.
در سیستمهای تهویه مطبوع دو نوع بار حرارتی وجود دارد: بار نهان و بار محسوس. برای رسیدن به شرایط آسایش، باید هر دو بار بهطور همزمان کنترل شوند — یعنی هم رطوبت (بار نهان) و هم دما (بار محسوس).
در سیستمهای تراکمی مرسوم، ابتدا بار نهان با کاهش دما و تقطیر رطوبت هوا از بین میرود؛ سپس هوای رطوبتگیریشده باید دوباره تا رسیدن به شرایط ایدهآل گرم شود. این چرخه سرد کردن و دوباره گرمکردن، مصرف انرژی زیادی دارد. سیستمهای تراکمی همچنین از مبردهای کلروفلوروکربن استفاده میکنند که برای محیط زیست مضرند.
اگر بتوان بار نهان را به روش دیگری کاهش داد، از این مصرف انرژی اضافه جلوگیری میشود؛ سیستمهای سرمایش دسیکنت دقیقاً همین کار را انجام میدهند — کنترل مجزای بار محسوس و بار نهان، بدون نیاز به این چرخه سرد و گرم متوالی. این سیستمها میتوانند انرژی حرارتی موردنیاز خود را از انرژی خورشیدی یا زمینگرمایی هم تأمین کنند و میتوانند با سیستمهای تراکمی ترکیب شوند تا کنترل رطوبت بهتری ایجاد کنند.
اولین بار نیل پنینگتون، مخترع چرخ دسیکنت، در سال ۱۹۵۲ استفاده از کلرید کلسیم را بهعنوان ماده جاذب برای رطوبتزدایی از هوا پیشنهاد کرد؛ هدف او کاهش دمای مرطوب هوا برای دستیابی به دمای پایینتر در سرمایش تبخیری بود. از آن زمان، تحقیقات زیادی روی چرخ دسیکنت انجام شده است.
برای کاهش رطوبت هوا، سه روش عمده وجود دارد:
- سرد کردن هوا زیر نقطه شبنم: هوا تا دمایی پایینتر از نقطه شبنم سرد میشود تا رطوبت آن تقطیر شود.
- فشردهکردن هوا: هرچه فشار هوا بیشتر شود، ظرفیت آن برای نگهداشتن رطوبت کاهش مییابد.
- استفاده از مواد جاذب رطوبت (دسیکنت): روشی که مصرف انرژی بهمراتب کمتری نسبت به دو روش دیگر دارد.
دو روش اول مصرف انرژی بالایی دارند و برای تهویه مطبوع اقتصادی نیستند؛ به همین دلیل روش سوم (دسیکنت) در سیستمهای مدرن ترجیح داده میشود.
ترکیب سیستمهای سرمایش دسیکنت با سرمایش تبخیری، میتواند محدودیت اقلیمی سیستمهای تبخیری را تا حد زیادی برطرف کند. مزایای این ترکیب عبارتاند از:
- دستیابی به شرایط آسایش: سیستم دسیکنت میتواند دما و رطوبت را جداگانه کنترل کند؛ در حالی که در سیستمهای معمولی فقط دما قابل کنترل مستقیم است.
- کاهش مصرف انرژی الکتریکی
- کاهش آلودگی هوا و جلوگیری از ورود گردوغبار
- کانالهای هوای خشک: رطوبت زیاد در کانال زمینه رشد باکتری و ورود حشرات را فراهم میکند؛ سیستم دسیکنت با خشک نگهداشتن مسیر هوا از این مشکل جلوگیری میکند.
- عدم نیاز به مبرد
- بهبود کیفیت هوا از طریق کنترل دقیقتر رطوبت
- کاهش هزینه نگهداری
- قابلیت ترکیبی: این سیستمها میتوانند با سایر سیستمهای سرمایشی (از جمله چیلر آب خنک) ترکیب شوند تا نقاط ضعف یکدیگر را جبران کنند. برای آشنایی با انواع مبرد مصرفی در سیستمهای تراکمی هم میتوانید مقاله انواع مبردهای سیستمهای سرمایشی را بخوانید.
تحریریه تیم خدمات فنی مهندسی به فیکس
برداشت از مطالب سایت تنها با ذکر منبع و لینک سایت مجاز میباشد
>
