انواع تهویه تبخیری (مکانیزم سرمایش تبخیری + فرایند سیستم تبخیری)

این مقاله، فصل پنجم تاسیسات مکانیکی است. شما قرار است در این پست در مورد مکانیزم سرمایش تبخیری، محاسبات تهویه تبخیری و انواع سیستم های تبخیری و انواع هواساز تبخیری بخوانید. همراه ما بیایید تا همه چیز به طور تخصصی اما با زبانی ساده با سیستم تهویه تبخیری آشنا شوید.

 سرمایش تبخیری چیست؟

در فصل قبل در مورد سرمایش تبریدی، توضیحاتی داده شده است. این پست نیز به انواع سیستم های تبخیری اختصاص دارد. اول از همه به سراغ تعریف درست از سیستم سرمایش تبخیری میرویم. خب بیینید دوستان، سیستم تبخیری ( به انگلیسی Evaporative system) یک سیستم خنک‌کننده است که برای خنک کردن هوا با استفاده از اصل تبخیر آب استفاده می‌شود. در انواع سیستم های تبخیری، آب از طریق یک پمپ به یک پد خنک‌کننده منتقل می‌شود و سپس  هوای گرم و خشک از طریق پد خنک‌کننده عبور می‌کند و با تبخیر آب، خنک شده و رطوبت بیشتری به خود می‌گیرد. سپس هوای خنک‌شده و مرطوب به محیط منتقل میشود و فضا سرد میشود.

انواع سیستم تبخیری شامل سیستم  تبخیری مستقیم و تبخیری غیرمستقیم تقسیم می‌شود. در سیستم تبخیری مستقیم، هوای خارجی مستقیماً با آب در تماس است و به عنوان یک پمپ خنک‌کننده عمل می‌کند. اما مکانیزم سیستم تبخیری غیرمستقیم به این صورت است که هوای خارجی با استفاده از یک هیت اکسچنجر با آب در تماس قرار نمی‌گیرد، ولی دمای هوای خارجی با تبخیر آب درون هیت اکسچنجر کاهش می‌یابد. در ادامه در مورد سیستم تبخیری مستقیم و غیرمستقیم بیشتر توضیح داده شده است.

مزایای سیستم تبخیری چیست؟

• کاهش هزینه‌های انرژی به دلیل عدم استفاده از کمپرسور و مصرف برق پایین‌تر در سیستم های تبخیری
• افزایش رطوبت هوا و ایجاد هوای تازه به واسطه استفاده از سیستم های خنک کننده تبخیری، که سبب افزایش راحتی و کاهش خشکی و عوارض آن برای سلامتی می‌شود.
•  کاهش دمای هوا در فضاهای بزرگ مانند کارخانه‌ها، ورزشگاه‌ها و سالن‌های بزرگ با کمک خنک کننده تبخیری
• کاهش تولید دی‌اکسید کربن و سایر گازهای گلخانه‌ای به دلیل عدم استفاده از کمپرسور و سیستم‌های مشابه.

تنها عیب سیستم های خنک کننده تبخیری این است کهدر مناطق با رطوبت نسبی بالا، موجب افزایش رطوبت هوا می‌شود و در نتیجه احساس گرمای بیشتری به وجود می‌آید. همچنین، کیفیت هوا در محیط‌هایی که از سیستم تبخیری استفاده می‌کنند، باید مورد توجه قرار گیرد، زیرا ممکن است باعث تشکیل قارچ و باکتری در فضا شود.

فرایند سرمایش تبخیری مستقیم

در سرمایش‌ تبخیری‌ مستقیم‌، هوا در تماس مستقیم‌ با سطح‌ مرطوب یا اسپری‌ آب قرار گرفته‌، سرد و مرطوب می‌شود. هوای‌ سرد و مرطوب وارد فضای‌ تهویه‌ شده و گرمای‌ نهان و محسوس را از فضا جذب می‌نماید. در نهایت‌ هوا از محیط‌ خارج می‌گردد. در شرایط‌ ایده آل وقتی‌ کولر آبی‌ کاملاً عایق‌ بوده و سطح‌ تماس بین‌ هوا و سطح‌ مرطوب نامحدود باشد، فرآیند سرمایش‌ و رطوبت‌زنی‌ در راستای‌ خطوط دمای‌ مرطوب ثابت‌ امتداد می‌یابد و دمای‌ خروجی‌ از کولر آبی‌ برابر دمای‌ مرطوب هوای‌ ورودی‌ خواهد بود. به‌ عبارت دیگر فرآیند به‌ اشباع آدیاباتیک‌ تبدیل‌ می‌شود.

تصویر سیستم‌ سرمایش‌ تبخیری‌ مستقیم‌

سرمایش‌ تبخیری‌ مستقیم‌ بر روی‌ نمودار سایکرومتریک‌

در عمل‌ به‌ دلیل‌ نفوذ حرارت از محیط‌ اطراف و محدود بودن سطح‌ تماس، دمای‌ خروجی‌ از کولر آبی‌ از دمای‌ مرطوب هوای‌ ورودی‌ بالاتر است‌. میزان نزدیک‌ شدن درجه‌ حرارت هوای‌ خروجی‌ از یک‌ کولر تبخیری‌ مستقیم‌ به‌ درجه‌ حرارت حباب تر هوای‌ ورودی‌، یا حد اشباع شدن کامل‌ هوای‌ خروجی‌ را بر حسب‌ راندمان اشباع مستقیم‌^١ بیان می‌کنند. بسته‌ به‌ مولفه‌های‌ طراحی‌ سیستم‌ سرمایش‌ تبخیری‌، راندمان اشباع مستقیم‌ بین‌ ٥٠ تا ٩٠ درصد متغیر است‌. این‌ ضریب‌ به‌ صورت زیر تعریف‌ می‌شود:

دبی‌ هوای‌ مورد نیاز برای‌ یک‌ فضا از رابطه‌ زیر بدست‌ می‌آید. در این‌ رابطه‌ TH نرخ انتقال حرارت کلی‌ (محسوس + نهان)، hi و hs به‌ ترتیب‌ انتالپی‌ مخصوص هوای‌ خارج شده و وارد شده به‌ فضا می‌باشند.

برای‌ میزان سرمایش‌ مشخص‌ در مقایسه‌ به‌ سیستم‌های‌ تهویه‌ بر پایه‌ مبرد، در سیستم‌های‌ سرمایش‌ تبخیری‌ دبی‌ هوای‌ بسیار بزرگتری‌ مورد نیاز است‌. از رابطه‌ فوق برمی‌آید که‌ برای‌ یک‌ دمای‌ خشک‌ هوای‌ بیرون مشخص‌، با افزایش‌ محتوای‌ رطوبت‌ هوای‌ بیرون، دبی‌ هوای‌ مورد نیاز افزایش‌ می‌یابد. از یک‌ محتوای‌ رطوبت‌ خاص، به‌ دلیل‌ اینکه‌ خط‌ سرمایش‌ و رطوبت‌زنی‌ بالاتر از شرایط‌ فضای‌ تهویه‌ قرار می‌گیرد سرمایش‌ تبخیری‌ قادر به‌ تامین‌ آسایش‌ نیست‌. بنابراین‌ سرمایش‌ تبخیری‌ برای‌ مناطق‌ دارای‌ آب و هوای‌ خشک‌ مناسب‌ است‌، در حالی‌ که‌ سیستم‌های‌ تهویه‌ بر پایه‌ مبرد در هر شرایط‌ آب و هوایی‌ قابل‌ استفاده هستند.

سرمایش‌ تبخیری غیرمستقیم‌

در سیستم‌های‌ سرمایش‌ تبخیری‌ غیرمستقیم‌، دو جریان هوای‌ اولیه‌ و ثانویه‌ استفاده می‌شوند. جریان هوای‌ اولیه‌ در تماس با سطح‌ مرطوب، سرد و رطوبت‌زنی‌ می‌شود. جریان هوای‌ ثانویه‌ که‌ به‌ عنوان هوای‌ ارسالی‌ به‌ فضای‌ تهویه‌ استفاده می‌شود گرمای‌ محسوس را با هوای‌ اولیه‌ مبادله‌ نموده و سرد می‌شود. بنابراین‌ در سیستم‌ سرمایش‌ تبخیری‌ غیرمستقیم‌ محتوای‌ رطوبت‌ هوای‌ ارسالی‌ به‌ فضا ثابت‌ است‌ و دما کاهش‌ می‌یابد.

میزان کاهش‌ دما در سیستم‌ سرمایش‌ تبخیری‌ مستقیم‌ نسبت‌ به‌ سیستم‌ غیرمستقیم‌ بیشتر است‌. همچنین‌ سیستم‌ سرمایش‌ مستقیم‌ از نظر ساختاری‌ سادهتر و ارزانتر است‌. با این‌ حال، از آنجا که‌ میزان رطوبت‌ هوای‌ در فرآیند تبخیر غیرمستقیم‌ ثابت‌ باقی‌ می‌ماند، در مناطق‌ با نسبت‌ رطوبت‌ بالاتر، راحتی‌ بیشتری‌ فراهم‌ کند. مزیت‌ این‌ سیستم‌ نسبت‌ به‌ سرمایش‌ تبخیری‌ مستقیم‌، به‌ دلیل‌ عدم تماس هوا با آب سیستم‌، جلوگیری‌ از آلوده شدن مدار سرمایش‌ اصلی‌ است‌.

سیستم‌ سرمایش‌ تبخیری‌ غیرمستقیم‌

سرمایش‌ تبخیری‌ غیرمستقیم‌ بر روی‌ نمودار سایکرومتریک‌

سرمایش‌ تبخیری دو مرحله‌ای

در سیستم‌های‌ سرمایش‌ دو مرحله‌ای‌، در مرحله‌ اول جریان هوای‌ اولیه‌، در تماس مستقیم‌ با سطوح مرطوب سرد شده و مرطوب می‌شود و در یک‌ مبدل حرارتی‌ جریان هوای‌ ثانویه‌ را خنک‌ می‌کند (سرمایش‌ محسوس). در مرحله‌ دوم، جریان هوای‌ ثانویه‌ در قالب‌ یک‌ فرآیند سرمایش‌ تبخیری‌ مستقیم‌ بیشتر سرد می‌شود. در یک‌ حالت‌ ایده‌آل، دمای‌ خروجی‌ نهایی‌ از دمای‌ حباب مرطوب هوای‌ ورودی‌ به‌ سیستم‌ چندین‌ درجه‌ کمتر است‌.

سیستم‌ سرمایش‌ تبخیری‌ دو مرحله‌ای‌

سرمایش‌ تبخیری‌ دو مرحله‌ای‌ بر روی‌ نمودار سایکرومتریک‌

مزایا و معایب‌ سیستم‌هاي سرمایش‌ تبخیري

در مقایسه‌ با سیستم‌های‌ سرمایش‌ بر پایه‌ مبرد، سرمایش‌ تبخیری‌ دارای‌ مزایا و معایب‌ زیر است‌:

مزایاي سیستم‌های سرمایش‌ تبخیری:

 معایب‌ سیستم‌های سرمایش‌ تبخیری:

ایرواشر چیست؟

در ایرواشر، میانگین‌ دمای‌ قطرات آب در تماس با هوا، تعیین‌ کننده جهت‌ انتقال حرارت و جرم است‌. بر اساس قانون دوم ترمودینامیک‌ جهت‌ انتقال حرارت بین‌ هوا و آب در راستای‌ کاهش‌ اختلاف دما و جهت‌ انتقال جرم در راستای‌ کاهش‌ اختلاف فشار بخار خواهد بود.

فرایندهای‌ مختلف‌ ایرواشر بر روی‌ نمودار سایکرومتریک‌

• فرایند اول ایرواشر: سرمایش‌ و رطوبت‌گیری‌ (tw < tDPT)

با توجه‌ به‌ اینکه‌ انتالپی‌ هوا در خروجی‌ کمتر از ورودی‌ است‌، انتقال انرژی‌ از هوا به‌ آب انجام می‌شود. در این‌ فرآیند انتقال حرارت محسوس و نهان هر دو از سمت‌ هوا به‌ آب صورت می‌گیرد. به‌ منظور تداوم این‌ فرآیند آب باید خنک‌ شود.

• فرایند دوم ایرواشر: اشباع آدیاباتیک‌ (tw = tWBT)

در این‌ فرآیند انتقال حرارت محسوس از هوا به‌ آب دقیقاً با انتقال حرارت نهان از آب به‌ هوا برابر است‌. از این‌ رو سرمایش‌ یا گرمایش‌ آب مورد نیاز نیست‌. این‌ فرآیند در کولرهای‌ تبخیری‌ کاملاً عایق‌ شده انجام می‌گیرد.

• فرایند سوم ایرواشر: سرمایش‌ و رطوبت‌زنی‌ (tDPT < tw < tWBT)

در این‌ فرآیند انتقال حرارت محسوس از هوا به‌ آب و انتقال حرارت نهان از آب به‌ هوا صورت می‌گیرد، ولی‌ انتقال حرارت کلی‌ از هوا به‌ آب است‌. بنابراین‌ آب باید خنک‌ شود.

• فرایند چهارم ایرواشر: سرمایش‌ و رطوبت‌زنی‌ (tWBT < tw < tDBT)

در این‌ فرآیند انتقال حرارت محسوس از هوا به‌ آب و انتقال حرارت نهان از آب به‌ هوا صورت می‌گیرد، ولی‌ انتقال حرارت کلی‌ از آب به‌ هوا است‌. بنابراین‌ آب باید گرم شود. این‌ فرآیند در برجهای‌ خنک‌کننده اتفاق می‌افتد. جریان هوا گرما را از آب داغ خروجی‌ از کندانسور جذب نموده و آب خنک‌ شدهمجدداً به‌ سمت‌ کندانسور فرستاده می‌شود.

• فرایند پنجم ایرواشر:  گرمایش‌ و رطوبت‌زنی‌ (tw > tDBT)

در این‌ فرآیند انتقال حرارت محسوس و نهان هر دو از سمت‌ آب به‌ هوا است‌. بنابراین‌ آب باید گرم شود. بنابراین‌ ایرواشر به‌ عنوان یک‌ سیستم‌ تهویه‌ در تمام طول سال قابل‌ استفاده است‌. با وجود اینکه‌ ایرواشر دستگاهی‌ بسیار مفید و ساده است‌، اما به‌ دلیل‌ مشکلات ناشی‌ از رشد باکتری‌ها و قارچها بر روی‌ سطح‌ مرطوب، معمولاً برای‌ کاربری‌های‌ آسایشی‌ مورد استفاده قرار نمی‌گیرند. با این‌ حال استفاده از ایرواشر در کاربری‌های‌ صنعتی‌ امکانپذیر است‌.

چه محیط‌هایی برای استفاده از سیستم تبخیری مناسب هستند؟

سیستم تبخیری در محیط‌هایی که هوایش خشک  و رطوبتش کمتر از ۷۵درصد است، بسیار مناسب بوده و عملکرد خیلی خوبی خواهد داشت.  انواع سیستم های تهویه تبخیری، برای استفاده در مناطقی با اقلیم خشک و گرم مناسب است. به عنوان مثال، سیستم تبخیری معمولاً در مناطق خاورمیانه، آفریقا، استرالیا و غرب آمریکا به خوبی عمل می‌کند.

در مناطق با رطوبت نسبی بالا، مانند مناطق ساحلی، مثل شمال و جنوب کشور، سیستم تبخیری عملکرد خوبی ندارد چرا که رطوبت هواب بالا است  و در نتیجه باعث ایجاد آلودگی هوا و احساس گرمای بیشتری شود. در این موارد، سیستم‌های خنک‌کننده دیگری مانند کولرهای گازی و الکتریکی مناسب‌تر هستند.

همچنین، سیستم تبخیری برای استفاده در فضاهای بزرگی مانند کارخانه‌ها، ورزشگاه‌ها، سالن‌های بزرگ و غیره کارآیی بیشتری دارد، زیرا در این فضاها تعداد بالایی از افراد وجود دارد و به دلیل ابعاد بزرگ فضا، استفاده از سیستم‌های خنک‌کننده دیگر مانند کولرهای نصب شده در دیوار، کارایی خود را از دست می‌دهد. در کل، برای انتخاب مناسب‌ترین سیستم خنک کننده باید به نوع فضا، اقلیم منطقه، تعداد افراد و محدودیت‌های نصب و استفاده در هر فضا توجه کرد.