مقايسه سيستمهاي خنک کننده تراکمي و تبخيري

همانطور که اشاره شد سيستمهاي خنک کننده تراکمي يکي از کاربردي ترين لوازم تهويه مطبوع مي باشند که داراي مزيتهاي زير مي باشند:

1. قابل استفاده بودن در شرايط مختلف آب و هوايي از قبيل گرم و مرطوب و يا نيمه مرطوب؛
2. توانايي خنک کنندگي بالا در محدوده هاي مختلف دمايي؛
3. توانايي کنترل دماي محيط توسط آنها؛
4. توانايي ساخت آنها در اندازه ها و ظرفيتهاي حرارتي مختلف؛

در عين حال علي رغم اين مزيتها، معايب زير را نيز مي توان براي آنها بر شمرد:

1. مصرف بالاي انرژي که باعث مي گردد در فصول گرم % 70 از برق مصرفي يک ساختمان را به خود اختصاص دهند.
2. استفاده از کلرو فلورو کربنها (CFCs) يا هالوژن کلرو فلورو کربنها (HCFCs) و يا آمونياک به عنوان مبرد، که هر يک مضراتي براي محيط زيست و سلامت انسان دارند. CFCها و HCFCها از جمله مواد مضر براي محيط زيست و به خصوص براي لايه ازن مي باشند که اثر مخربي بر آن دارند. لازم به ذکر است که لايه ازن محافظ زمين در برابر تشعشعات ماوراء بنفش خورشيد مي باشد. آمونياک نيز بر روي سلامتي انسان تاثير مستقيم داشته و مقدار کمي از آن مي تواند باعث تخريب سيستم بينايي گردد.
3. قيمت بالا و هزينه هاي تعميرات و نگهداري زياد اين سيستمها؛

در مقابل سيستمهاي خنک کننده تبخيري نسبت به سيستمهاي خنک کننده تراکمي داراي مزاياي زير مي باشند:

1. مصرف پايين انرژي نسبت به سيستمهاي خنک کننده تراکمي (حدوداً يک چهارم)، که خود باعث کاهش مصرف انرژي و کاهش مصرف سوختهاي فسيلي خواهد شد.
2. استفاده از آب به عنوان مبرد که به دليل سالم بودن و در دسترس بودن آن يکي از مزيتهاي اساسي سيستمهاي خنک کننده تبخيري مي باشد.
3. تکنولوژي ساخت ساده سيستمهاي خنک کننده تبخيري و عدم نياز به پيچيدگي هاي طراحي و ساخت و در نتيجه هزينه هاي بالاي آن.
4. قيمت مناسب و هزينه هاي نگهداري پايين نسبت به سيستمهاي خنک کننده تراکمي.

مشکل عمده اي که سيستمهاي خنک کننده تبخيري را محدود مي سازد اين است که نمي توان آنها را در مناطق گرم و مرطوب بکار برد. با اين وجود و با توجه به موارد ذکر شده سيستمهاي خنک کننده تبخيري مي توانند جايگزين مناسبي براي سيستمهاي خنک کننده تراکمي باشند، اما بايستي بتوان سيستمهاي تبخيري جديدي ارائه نمود تا بتوانند محدوديتهاي سيستمهاي موجود را پوشش دهند.

1-2. انواع سيستمهاي خنک کننده تبخيري [1]

سيستمها و تجهيزات سرمايش تبخيري از دسته سيستمهاي سرمايشي مي باشند که به دليل قيمت پايين، هزينه ناچيز نگهداري و کاربرد مناسب در مناطق بياباني با آب و هواي گرم و خشک کاربرد وسيعي دارند. اين سيستمها به دو گروه اصلي سرمايش تبخيري مستقيم ⁽¹⁾ و سرمايش تبخيري غير مستقيم ⁽²⁾ تقسيم مي شوند.

در تجهيزات تبخيري مستقيم هوا در اثر تماس مستقيم با آب خنک مي شود. اين تماس ممکن است توسط سطوح گسترده مرطوب ⁽³⁾ يا گروهي از افشانک ها تامين گردد.

در سيستمهاي غير مستقيم، هوا به دو بخش اوليه و ثانويه تقسيم شده و وارد يک مبدل حرارتي ميگردد. هواي ثانويه به روش تبخيري خنک شده، سپس با تماس غير مستقيم با هواي اوليه آن را خنک مي کند.

سيستمهاي ترکيبي ⁽⁴⁾ که شامل هر دو گروه فوق هستند نيز وجود دارند که به تازگي تحقيقات گسترده اي در مورد آنها شروع شده است. در ادامه به معرفي کلي تري از هر يک از اين سيستمها خواهيم پرداخت.

1-2-1. سيستمهاي خنک کننده تبخيري مستقيم

در سرمايش هوا به روش تبخيري مستقيم، آب در داخل جريان هوا تبخير مي شود. شکل زيرتغييرات ترموديناميکي هوا و آب در هنگام تماس مستقيم را نشان مي دهد.درجه حرارت تعادل آبي که به طور مداوم گردش مي کند، برابر با درجه حرارت حباب تر ورودي خواهد بود. در اثر انتقال جرم و حرارت بين هوا و آب، همزمان با ثابت ماندن درجه حرارت حباب تر، درجه حرارت حباب خشک هوا کاهش و رطوبت نسبي آن افزايش مي يابد.

ميزان نزديک شدن ⁽¹⁾ درجه حرارت هواي خروجي از يک کولر تبخيري مستقيم به درجه حرارت حباب تر هواي تر ورودي، يا حد اشباع شدن کامل هواي خروجي را بر حسب بازده اشباع مستقيم‌⁽²⁾ بيان مي کنند. اين ضريب به صورت زير تعريف مي شود :

مراحل فهم سيکل:

1-يادآوري مفهوم خنک کننده تبخيري

2-يادآوري فرايند تبخيري غير مستقيم

3- يادگيري سيکل ميسو تسنکو

الف) سرد کنندگي تبخيري مستقيم:

کولرهاي تبخيري دماي هوا رابا استفاد ه از حرارت نهان حاصل از تبديل آب به بخارکاهش مي دهند. دراين فرايند، انرژي هوا تغيير نمي يابد. هواي گرم وخشک به هواي سرد ومرطوب تبديل مي شود. حرارت هوا براي تبخيرآب استفاده مي گردد. هيچ حرارتي اضافه يا حذ ف نمي شود، در نتيجه يک فرايند آدياباتيک رخ مي دهد. آنتالپي (يا در اصل انرژي) هوا تغيير نمي يابد. سيستمهاي تبخيري مستقيم عموما راندماني بين 70 تا90 درصد دارند، البته اين راندمان بستگي به دماي مرطوب هواي ورودي دارد.

شکل6-1:شماتيک سيستم خنک کنندگي تبخيري مستقيم [4]

شکل 6-2:نمودار سا يکرومتريک خنک کنندگي تبخيري مستقيم [4]

ب) سردکنندگي تبخيري غير مستقيم:

سالهاي زيادي سيستمهاي خنک کننده تبخيري غير مستقيم با موفقيت کمي مورد استفاده قرارمي گرفتند و اين امر به دليل ميزان انتقال حرارت کم آنها بود. واحد هاي توليدي و تجاري قادر به طراحي و ساخت سيستمي با سرمايش لازم وهزينه هاي پايين نبودند. ازديدگاه ترموديناميکي يک کولر تبخيري غير مستقيم هواي اوليه يا هواي توليدي را ازيک سمت صفحه وهواي ثانويه يا سيال عامل را از طرف ديگر صفحه عبور مي دهد. سمت مرطوب حرارت از سمت خشک از طريق تبخير آب و حرارت نهان آن جذب مي کند. دماي هوا در طول طرف خشک صفحه کاهش مي يابد. در حالت ايده ال دماي هواي خشک خروجي از انتها ي صفحه برابر دماي مرطوب هواي ورودي خواهد بود.

شکل6-3: نمايي از نحوه کارکرد خنک کنندگي تبخيري غير مستقيم [4]

شکل6-4: نمودار سا يکرومتريک خنک کنندگي تبخيري غير مستقيم ‍[4]

از ديدگاه تئوري، دماي سيال عامل در طرف مرطوب صفحه از دماي هواي مرطوب ورودي تا دماي خشک جريان هواي اوليه افزايش يافته و به حالت اشباع خواهد رسيد. البته اين اتفاق زماني رخ خواهد دادکه طول صفحات بي نهايت باشد و دبي جريان سيال عامل و هواي توليدي مساوي باشد. اين يک حالت ايده الي است که براي دستيابي به آن، مبدلهاي کولر هاي تبخيري غير مستقيم به صورت مبدلهاي جريان عمودي ساخته مي شوند. راندمان اين مدل از کولر ها به طور تقريبي 54 درصد گزارش شده است.

شکل6-5: اين شکل نمايي از يک نوع کولر تبخيري غير مستقيم با مبدل جريان عمودي مي باشد 0محدوديتهاي فيزيکي حاصل از ساختار آن باعث مي گردد که حدود 10درصد از سيال عامل و10درصداز مساحت صفحه، 70درصد از خنک کنندگي را انجام دهند. [4]

ج) مبدل حرارتي کليد M-cycle:

از لحاظ تئوري دماي حباب مرطوب پايين ترين دماي قابل دستيابي بوسيله سيستمهاي خنک کننده تبخيري و برجهاي خنک کن مي باشد. در حاليکه بوسيله M-cycle مي توان به دمايي پايين تر از دماي حباب مرطوب و نزديک به نقطه شبنم دست يافت. درM-cycle هردو جريان هواي سيال عامل و هواي توليدي بوسيله بخشي از سيال عامل که براي جذب رطوبت جدا شده، خنک مي گردند. علت اين امرآن است که جريان سيال عامل در ابتداي ورود به مبدل، خنک شده وتوانايي خارج کردن حرارت بيشتري از هواي توليدي را خواهد داشت.

شكل 6-6: شماتيك مبدل حرارتي M-cycle[4]

اين مبدل، يک مبدل انتقال حرارت و جرم مي باشدکه از يک کانال مرطوب ويک کانال خشک تشکيل شده است. همچنين از نظر ساختاري اين مبدل با مبدلهاي کولرهاي تبخيري غير مستقيم(IEC )متفاوت مي باشد.

جريان سيال عامل ابتدا در يک کانال خشک، خنک شده سپس به بخشهاي مختلف تقسيم مي گردد و وارد کانال مرطوب مي شود. کانال مرطوب اين جريان سيال را بطور پله اي خنک و اشباع مي کند. اين فرايند در يک فضاي کوچک با دفعات زياد تکرار شده و نهايتا سبب دستيابي به حداقل دما مي شود.

هواي توليد شده از سمت ديگر کانال که خشک است عبور مي کند. حرارت از هواي توليدي و از طريق صفحات مبدل حرارتي به سيال عامل وآب موجود در کانال مرطوب انتقال يافته، سپس از طريق تبخير آب در سيال عامل از مبدل خارج مي گردد. با وجود چنين شرايطي دماي هواي توليدي به دمايي پايين تر از دماي حباب مرطوب خواهد رسيد و بدون افزايش رطوبت از مبدل خارج مي گردد.