سایکرومتریک و تهویه مطبوع
سایکرومتریک و تهویه مطبوع
سایکرومتریک
سایکرومتریک علمی است که به مطالعه خواص و فرآیندهای ترمودینامیکی هوای مرطوب و تاثیر آن بر شرایط آسایش می پردازد. طراحی سیستم تهویه مطبوع مناسب، به ویژه سیستم های سرمایش هوایی، مستلزم آشنایی با سایکرومتریک و محاسبات مرتبط با آن است.
مشخصات هوا
هوا مخلوطی از گازهای مختلف و بخار آب است. هوای بدون بخار آب را هوای خشک و با بخار آب را هوای مرطوب میگویند.
الف- هوای خشک: هوای خشک، مخلوطی است از گازهای مختلف مانند ازت، اکسیژن، آرگون، دی اکسید کربن، هیدروژن و گازهای دیگر مانند (متان، دی اکسید گوگرد، کریپتون و ...). نسبت این گازها در نقاط مختلف مثلا در شهرها و ارتفاعات مختلف متفاوت است. هوای خشک اصطلاحا قسمت ثابت هوا محسوب شده و هوایی است که مقدار رطوبت آن صفر باشد، به عبارتی فاقد رطوبت باشد.
ب- هوای مرطوب: هوا علاوه بر گازهای ذکر شده در هوای خشک، دارای مقداری بخار آب است که تواما به نام هوای مرطوب شناخته شده است.مقدار بخار آب موجود در هوا از صفر تا حد اشباع تغییر می کند. هر اندازه فشار در یک دمای ثابت کمتر و یا دما بالاتر باشد، فاصله مولکولهای هوا بیشتر لد میزان قابلیت جذب رطوبت آن بیشتر میشود.
منظور از مشخصات هوا، خواص هوای مرطوب می باشد. برای پی بردن به وضعیت یک نمونه هوا و مشخص کردن آن، هفت مشخصه مهم آن باید تعیین شوند. از این هفت مشخصه، سه مشخصه دمای خشک، دمای مرطوب و دمای نقطه شبنم قابل اندازه گیری و بقیه که شامل رطوبت مخصوص، حجم مخصوص، آنتالپی و ... می باشند غیر قابل اندازه گیری هستند و باید با استفاده از روابط حاکم محاسبه شوند. مهم ترین مشخصات هوا عبارتند از: دمای خشک، دمای مرطوب، نقطه شبنم، رطوبت، آنتالپی، انحراف آنتالپی و حجم مخصوص.
تعاریف
1- حجم مخصوص (Specific Volume): حجم هوای واحد جرم هوای خشک (یک کیلوگرم) را حجم مخصوص هوا می نامند و با vنشان میدهند. واحد آن متر مکعب بر کیلوگرم هوای خشک (m/Kg.da)یا فوت مکعب بر پوند هوای خشک ( ft/1b.da) می باشد.
2- دمای خشک (Dry Bulb Temperature): دمای خشک هوا همان دمای حقیقی هوا می باشد یعنی درجه حرارت هوای مخلوط با بخار آب که هیچگونه رطوبت و تشعشع حرارتی اضافه روی آن تاثیر نداشته و با دماسنج قابل اندازه گیری است. دمای خشک با Tdb نشان داده میشود و معمولا بر حسب درجه سانتیگراد و درجه فارنهایت بیان می شود.
3- دمای مرطوب (Wet Bulb Temperature): اگر انتهای یک دماسنج را با یک پارچه مرطوب بپوشانیم و درمعرض هوا قرار دهیم، رطوبت موجود در پارچه در اثر تماس با هوا تبخیر می گردد و دماسنج دمایی را نشان میدهد که دمای مرطوب نامیده میشود که معمولا برحسب درجه سانتیگراد و درجه فارنهایت بیان میشود. دمای مرطوب را با Twb نشان میدهند.
- در کولرهای آبی دمای هوای عبوری بین 5 تا 8 درجه فارنهایت (3 تا 5 درجه سانتیگراد) بالاتر از دمای مرطوب محیط، کاهش می یابد. اگر دمای خشک و دمای مرطوب به هم نزدیک باشد و اختلاف دمای زیادی نداشته باشیم (کمتر از 18 درجه فارنهایت)، از کولر آبی استفاده نمی کنیم.
4- دمای نقطه شبنم (Dew Point Temperature): اگر هوای مرطوب در حالت غیر اشباع را بدون افزایش یا کاهش رطوبت آن در فشار ثابت سرد کنیم (دما را کاهش دهیم) در یک دمای معین، رطوبت موجود در هوا شروع به تشکیل قطرات ریز آب می نماید. این دما را دمای نقطه شبنم گویند و با Tadp نشان داده میشود. نقطه شبنم را میتوان با پدیده های همچون بخار گرفتگی شیشه ها در فصول سرد بهتر درک کرد. برای درک بهتر نقطه شبنم باید ذکر کرد قابلیت انحلال مواد در یکدیگر با افزایش دما، افزایش پیدا می کند بدین صورت که هرچه درجه حرارت هوا بالاتر برود، میزان رطوبتی که می تواند در خود حل کند نیز افزایش پیدا می کند. پس در هر دمایی یک میزان خاصی از رطوبت می تواند در هوا حل شود که در صورت سردتر شدن هوا از این دما، رطوبت به صورت نقطه های شبنم نمایان میشود. به دمایی که در شرایط حاضر هوا تا آن درجه حرارت باید سرد شود تا قطرات رطوبت ایجاد گردد، دمای نقطه شبنم می گویند. برای هر شرایط دمای خشک و رطوبت نسبی این دما متفاوت خواهد بود. در این حالت رطوبتی به هوا اضافه نمیشود و از آن گرفته نخواهد شد، فقط مساله سرد کردن مطرح است.
5- رطوبت مطلق: به وزن (یا جرم) بخار آب موجود در واحد حجم هوا در همان وضعیت، رطوبت مطلق می گویند که در حقیقت همان جرم مخصوص بخار آب موجود در هوا است و واحد آن معمولا کیلوگرم بر متر مکعب می باشد.
6- رطوبت مخصوص یا نسبت رطوبت (Humidity Ratio): نسبت وزن (یا جرم) بخار آب موجود در هوا به وزن ( یا جرم)هوای خشک را رطوبت مخصوص یا نسبت رطوبت می نامند و باw نشان میدهند. واحد آن کیلوگرم بر کیلوگرم هوای خشک (Kg/Kg.da)، پوند بر پوند هوای خشک ( lb/1b.da)یا گرین بر پوند هوای خشک (Grain/lb.da) میباشد و طبق رابطه زیر محاسبه می شود:
در رابطه فوق W رطوبت مخصوص، Pv فشار جزئی بخار آب موجود در هوا، Paفشار جزئی هوای خشک و P فشار هوای بارومتریک یا فشار هوای موجود میباشد. .
7- درجه اشباع: اگر رطوبت هوا را افزایش دهیم، زمانی فرا میرسد که هوا دیگر قابلیت جذب رطوبت را ندارد و قطرات آب در هوا معلق می مانند. این حالت را حالت اشباع (Saturation) می گویند. بنابراین در حالت اشباع، بخار آب، ماکزیمم فشار خود را دارد که همان فشار اشباع بخار است (Ps). در این حالت دمای هوا با دمای نقطه شبنم هر دو یکی می باشند. حال اگر دما تغییر کرده و به طور مثال زیاد شود، ماکزیمم مقدار پذیرش بخار آب نیز زیاد شده و دیرتر به حد اشباع می رسد .همین دلیل پارامتری به نام درجه اشباع یا نسبت اشباع تعريف می شود. درجه اشباع عبارت است از نسبت رطوبت مخصو هوا به رطوبت مخصوص همان هوا در صورتی که در به حد اشباع برسد ( رطوبت زنی در دمای ثابت).
8-رطوبت نسبی :رطوبت نسبی میزان رطوبت هواتقسیم بر ظرفیت جذب رطوبت توسط هوا بوده که آن را با RH نشان می دهند.رطوبت نسبی را می توان به دو صورت زیر تعریف کرد:
الف=نسبت جرم بخار آب موجود در هوا به جرم بخار آب موجود در هوای اشباع با دمای خشک یکسان.
9- آنتالپی هوا: متغیری که برای سنجش مقدار حرارت موجود در هوا نسبت به یک مبدا دلخواه استفاده میشود، آنتالپی نام دارد و با ما نشان میدهند. آنتالپی هوا مقدار حرارتی است که باید به واحد جرم هوای خشک (یک کیلوگرم) داده شود تا درجه حرارت آن از صفر درجه سانتیگراد به درجه حرارت مورد نظر برسد. آنتالپی معمولا برحسب کیلو ژول بر کیلوگرم یا بی تی یو بر پوند هوای خشک بیان میشود. آنتالپی هوای مرطوب با جمع کرئن آنتالپی یک کیلوگرم هوای خشک با آنتالپی بخار آب همراه آن به دست می آید. با افزایش ارتفاع از س طح دریا، مقدار آنتالپی و رطوبت مخصوص هوا افزایش می یابد.
10- انحراف آنتالپی: به اختلاف بین آنتالپی حالت اشباع و حالت غیر اشباع در دمای مرطوب یکسان، انحراف آنتالپی گفته می شود.
11- حرارت محسوس (Sensible Heat): حرارتی که با تبادل آن بین جسم و محیط، دمای جسم تغییر می یابد، حرارت محسوس نامیده شده و با SH نشان داده میشود. در واقع حرارت محسوس حرارتی است که بدون تغییر رطوبت مخصوص هوا، باعث تغییر درجه حرارت خشک آن میشود. حرارت محسوس در فرآیند 1 تا 2 برابر است با:
SH = 1/08 x cfm X (T2 – T1)
12- حرارت نهان (Latent Heat): حرارتی که صرف تغییر فاز جسم در دمای ثابت می شود، حرارت نهان نامیده شده و باLH نشان داده میشود. حرارت نهان باعث تغییر مقدار رطوبت هوا می ش ود. به عنوان مثال حرارتی که جهت تبخیر یا تقطیر آب صرف می شود. حرارت نهان در فرآیند 1 تا 2 برابر است با:
(LH = 0/68 x cfm X (W2 – W1
13- حرارت کل (Total Heat): به مجموع حرارت محسوس و حرارت نهان، حرارت کل گفته شده و با TH نشان داده می شود. حرارت کل مقدار انرژی است که به هوا داده شده یا از آن گرفته میشود تا درجه حرارت و رطوبت آن به مقدار معینی برسد. حرارت کل در فرآیند 1 تا 2 برابر است با:
TH = SH + LH = 4/45 x cfm x (h2 – h 1)
دمای خشک طرح یک فضای معمولی در تابستان بین 77تا 79 درجه فارنهایت بوده و مقدار کل گرمایی که به صورت محسوس و نهان از بدن فرد در حال استراحت دفع می شود، 350 بی تی یو بر ساعت یا 102/6وات می باشد.
- در صورتی که دمای س طح کویل از دمای نقطه شبنم هواکمتر باشد، گرمای محسوس، نهان و در نتیجه حرارت کل هوا کاهش می یابد. .
14- ضریب تصحيح چگالی هوا (l): در یک دمای ثابت، چگالی هوا با افزایش ارتفاع، کاهش می یابد. از این رو با افزایش ارتفاع، مقدار هوا و اکسیژن کمتری در یک حجم ثابت قرار خواهد گرفت. هرچند در بسیاری از موارد تصحیح چگالی ناشی از هوا ناچیز است، اما ارتفاع محل تاثیر به سزایی در چگالی هوا و به تبع آن میزان بار حرارتی ناشی از نفوذ و تهویه دارد. ضریب تصحیح چگالی هوا از تقسیم فشار هوای محیط بر فشار هوا درسطح دریا تعیین می شود. فشار استاندارد هوا در سطح دریا برابر 14/7 پوند بر اینچ مربع (پی اس آی) یا 92/29اینچ ستون جیوه میباشد.
شرکت فنی مهندسی فرنام انرژی