مقایسه سیستمهای خنک کننده تراکمی و تبخیری
همانطور که اشاره شد سیستمهای خنک کننده تراکمی یکی از کاربردی ترین لوازم تهویه مطبوع می باشند که دارای مزیتهای زیر می باشند:
- قابل استفاده بودن در شرایط مختلف آب و هوایی از قبیل گرم و مرطوب و یا نیمه مرطوب؛
- توانایی خنک کنندگی بالا در محدوده های مختلف دمایی؛
- توانایی کنترل دمای محیط توسط آنها؛
- توانایی ساخت آنها در اندازه ها و ظرفیتهای حرارتی مختلف؛
در عین حال علی رغم این مزیتها، معایب زیر را نیز می توان برای آنها بر شمرد:
- مصرف بالای انرژی که باعث می گردد در فصول گرم % 70 از برق مصرفی یک ساختمان را به خود اختصاص دهند.
- استفاده از کلرو فلورو کربنها (CFCs) یا هالوژن کلرو فلورو کربنها (HCFCs) و یا آمونیاک به عنوان مبرد، که هر یک مضراتی برای محیط زیست و سلامت انسان دارند. CFCها و HCFCها از جمله مواد مضر برای محیط زیست و به خصوص برای لایه ازن می باشند که اثر مخربی بر آن دارند. لازم به ذکر است که لایه ازن محافظ زمین در برابر تشعشعات ماوراء بنفش خورشید می باشد. آمونیاک نیز بر روی سلامتی انسان تاثیر مستقیم داشته و مقدار کمی از آن می تواند باعث تخریب سیستم بینایی گردد.
- قیمت بالا و هزینه های تعمیرات و نگهداری زیاد این سیستمها؛
در مقابل سیستمهای خنک کننده تبخیری نسبت به سیستمهای خنک کننده تراکمی دارای مزایای زیر می باشند:
- مصرف پایین انرژی نسبت به سیستمهای خنک کننده تراکمی (حدوداً یک چهارم)، که خود باعث کاهش مصرف انرژی و کاهش مصرف سوختهای فسیلی خواهد شد.
- استفاده از آب به عنوان مبرد که به دلیل سالم بودن و در دسترس بودن آن یکی از مزیتهای اساسی سیستمهای خنک کننده تبخیری می باشد.
- تکنولوژی ساخت ساده سیستمهای خنک کننده تبخیری و عدم نیاز به پیچیدگی های طراحی و ساخت و در نتیجه هزینه های بالای آن.
- قیمت مناسب و هزینه های نگهداری پایین نسبت به سیستمهای خنک کننده تراکمی.
مشکل عمده ای که سیستمهای خنک کننده تبخیری را محدود می سازد این است که نمی توان آنها را در مناطق گرم و مرطوب بکار برد. با این وجود و با توجه به موارد ذکر شده سیستمهای خنک کننده تبخیری می توانند جایگزین مناسبی برای سیستمهای خنک کننده تراکمی باشند، اما بایستی بتوان سیستمهای تبخیری جدیدی ارائه نمود تا بتوانند محدودیتهای سیستمهای موجود را پوشش دهند.
1-2. انواع سیستمهای خنک کننده تبخیری [1]
سیستمها و تجهیزات سرمایش تبخیری از دسته سیستمهای سرمایشی می باشند که به دلیل قیمت پایین، هزینه ناچیز نگهداری و کاربرد مناسب در مناطق بیابانی با آب و هوای گرم و خشک کاربرد وسیعی دارند. این سیستمها به دو گروه اصلی سرمایش تبخیری مستقیم (1) و سرمایش تبخیری غیر مستقیم (2) تقسیم می شوند.
در تجهیزات تبخیری مستقیم هوا در اثر تماس مستقیم با آب خنک می شود. این تماس ممکن است توسط سطوح گسترده مرطوب (3) یا گروهی از افشانک ها تامین گردد.
در سیستمهای غیر مستقیم، هوا به دو بخش اولیه و ثانویه تقسیم شده و وارد یک مبدل حرارتی میگردد. هوای ثانویه به روش تبخیری خنک شده، سپس با تماس غیر مستقیم با هوای اولیه آن را خنک می کند.
سیستمهای ترکیبی (4) که شامل هر دو گروه فوق هستند نیز وجود دارند که به تازگی تحقیقات گسترده ای در مورد آنها شروع شده است. در ادامه به معرفی کلی تری از هر یک از این سیستمها خواهیم پرداخت.
1-2-1. سیستمهای خنک کننده تبخیری مستقیم
در سرمایش هوا به روش تبخیری مستقیم، آب در داخل جریان هوا تبخیر می شود. شکل زیرتغییرات ترمودینامیکی هوا و آب در هنگام تماس مستقیم را نشان می دهد.درجه حرارت تعادل آبی که به طور مداوم گردش می کند، برابر با درجه حرارت حباب تر ورودی خواهد بود. در اثر انتقال جرم و حرارت بین هوا و آب، همزمان با ثابت ماندن درجه حرارت حباب تر، درجه حرارت حباب خشک هوا کاهش و رطوبت نسبی آن افزایش می یابد.
میزان نزدیک شدن (1) درجه حرارت هوای خروجی از یک کولر تبخیری مستقیم به درجه حرارت حباب تر هوای تر ورودی، یا حد اشباع شدن کامل هوای خروجی را بر حسب بازده اشباع مستقیم(2) بیان می کنند. این ضریب به صورت زیر تعریف می شود :
مراحل فهم سیکل:
1-یادآوری مفهوم خنک کننده تبخیری
2-یادآوری فرایند تبخیری غیر مستقیم
3- یادگیری سیکل میسو تسنکو
الف) سرد کنندگی تبخیری مستقیم:
کولرهای تبخیری دمای هوا رابا استفاد ه از حرارت نهان حاصل از تبدیل آب به بخارکاهش می دهند. دراین فرایند، انرژی هوا تغییر نمی یابد. هوای گرم وخشک به هوای سرد ومرطوب تبدیل می شود. حرارت هوا برای تبخیرآب استفاده می گردد. هیچ حرارتی اضافه یا حذ ف نمی شود، در نتیجه یک فرایند آدیاباتیک رخ می دهد. آنتالپی (یا در اصل انرژی) هوا تغییر نمی یابد. سیستمهای تبخیری مستقیم عموما راندمانی بین 70 تا90 درصد دارند، البته این راندمان بستگی به دمای مرطوب هوای ورودی دارد.
شکل6-1:شماتیک سیستم خنک کنندگی تبخیری مستقیم [4]
شکل 6-2:نمودار سا یکرومتریک خنک کنندگی تبخیری مستقیم [4]
ب) سردکنندگی تبخیری غیر مستقیم:
سالهای زیادی سیستمهای خنک کننده تبخیری غیر مستقیم با موفقیت کمی مورد استفاده قرارمی گرفتند و این امر به دلیل میزان انتقال حرارت کم آنها بود. واحد های تولیدی و تجاری قادر به طراحی و ساخت سیستمی با سرمایش لازم وهزینه های پایین نبودند. ازدیدگاه ترمودینامیکی یک کولر تبخیری غیر مستقیم هوای اولیه یا هوای تولیدی را ازیک سمت صفحه وهوای ثانویه یا سیال عامل را از طرف دیگر صفحه عبور می دهد. سمت مرطوب حرارت از سمت خشک از طریق تبخیر آب و حرارت نهان آن جذب می کند. دمای هوا در طول طرف خشک صفحه کاهش می یابد. در حالت ایده ال دمای هوای خشک خروجی از انتها ی صفحه برابر دمای مرطوب هوای ورودی خواهد بود.
شکل6-3: نمایی از نحوه کارکرد خنک کنندگی تبخیری غیر مستقیم [4]
شکل6-4: نمودار سا یکرومتریک خنک کنندگی تبخیری غیر مستقیم [4]
از دیدگاه تئوری، دمای سیال عامل در طرف مرطوب صفحه از دمای هوای مرطوب ورودی تا دمای خشک جریان هوای اولیه افزایش یافته و به حالت اشباع خواهد رسید. البته این اتفاق زمانی رخ خواهد دادکه طول صفحات بی نهایت باشد و دبی جریان سیال عامل و هوای تولیدی مساوی باشد. این یک حالت ایده الی است که برای دستیابی به آن، مبدلهای کولر های تبخیری غیر مستقیم به صورت مبدلهای جریان عمودی ساخته می شوند. راندمان این مدل از کولر ها به طور تقریبی 54 درصد گزارش شده است.
شکل6-5: این شکل نمایی از یک نوع کولر تبخیری غیر مستقیم با مبدل جریان عمودی می باشد 0محدودیتهای فیزیکی حاصل از ساختار آن باعث می گردد که حدود 10درصد از سیال عامل و10درصداز مساحت صفحه، 70درصد از خنک کنندگی را انجام دهند. [4]
ج) مبدل حرارتی کلید M-cycle:
از لحاظ تئوری دمای حباب مرطوب پایین ترین دمای قابل دستیابی بوسیله سیستمهای خنک کننده تبخیری و برجهای خنک کن می باشد. در حالیکه بوسیله M-cycle می توان به دمایی پایین تر از دمای حباب مرطوب و نزدیک به نقطه شبنم دست یافت. درM-cycle هردو جریان هوای سیال عامل و هوای تولیدی بوسیله بخشی از سیال عامل که برای جذب رطوبت جدا شده، خنک می گردند. علت این امرآن است که جریان سیال عامل در ابتدای ورود به مبدل، خنک شده وتوانایی خارج کردن حرارت بیشتری از هوای تولیدی را خواهد داشت.
شکل 6-6: شماتیک مبدل حرارتی M-cycle [4]
این مبدل، یک مبدل انتقال حرارت و جرم می باشدکه از یک کانال مرطوب ویک کانال خشک تشکیل شده است. همچنین از نظر ساختاری این مبدل با مبدلهای کولرهای تبخیری غیر مستقیم(IEC )متفاوت می باشد.
جریان سیال عامل ابتدا در یک کانال خشک، خنک شده سپس به بخشهای مختلف تقسیم می گردد و وارد کانال مرطوب می شود. کانال مرطوب این جریان سیال را بطور پله ای خنک و اشباع می کند. این فرایند در یک فضای کوچک با دفعات زیاد تکرار شده و نهایتا سبب دستیابی به حداقل دما می شود.
هوای تولید شده از سمت دیگر کانال که خشک است عبور می کند. حرارت از هوای تولیدی و از طریق صفحات مبدل حرارتی به سیال عامل وآب موجود در کانال مرطوب انتقال یافته، سپس از طریق تبخیر آب در سیال عامل از مبدل خارج می گردد. با وجود چنین شرایطی دمای هوای تولیدی به دمایی پایین تر از دمای حباب مرطوب خواهد رسید و بدون افزایش رطوبت از مبدل خارج می گردد.
