معرفی سیستم های سرمایش تبخیری نقطه شبنم و کاربردهای آن ها
نویسندگان :
علی سوهانی ،حسین صیادی
دانشجوی دکترا، گروه مهندسی سیستم های انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک ،دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
دانشیار، گروه مهندسی سیستم های انرژی، دانشکده مهندسی مکانیک ،دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی
چکیده :
متن حاضر به مروری کوتاه بر خنک کننده های تبخیری نقطه شبنم و کاربردهای آن ها می پردازد. در ابتدا، مزایای سیستم های
سرمایش تبخیری نسبت به سیستم های تبرید تراکمی بیان شده و پس از آن انواع مختلف سیستم های سرمایش تبخیری
معرفی میشوند. در ادامه، اساس عملکرد سیستم های سرمایش تبخیری غیرمستقیم که خنک کننده های نقطه شبنم نوعی
از آن ها هستند بیان شده و سپس درباره خنک کننده های نقطه شبنم و انواع مختلف متداول آن شامل سیستم های سرمایش
تبخیری نقطه شبنم جریان مخالف و جریان متقاطع توضیح داده میشود. در انتها نیز کاربردهایی که استفاده از سیستم های
سرمایش تبخیری نقطه شبنم در آن ها متداول است شامل استفاده به منظور انجام عملیات تهویه مطبوع در ساختمان ها و به
کارگیری برای پیش سرمایش هوای ورودی به کمپرسور در نیروگاه های تولید توان که در آن ها توربین گازی وجود دارد مورد
بررسی قرار می گیرند.
1- مقدمه
سیستم های سرمایش تبخیری به عنوان راهکاری قدیمی، اما همچنان محبوب برای خنک کردن هوا به شمار می آیند. مزایایی مانند قیمت اولیه ارزان تر، مصرف برق کمتر، میزان آلایندگی پایین تر و ضریب عملکرد بالاتر در مقایسه با رقیب اصلی، یعنی سیستم های تبرید تراکمی، خنک کننده های تبخیری را به عنوان بهترین گزینه در هر جایی که قابل به کارگیری باشند، مطرح می کنند.
چنان که از نام پیداست در سیستم های سرمایش تبخیری هوا بر اثر تبخیر شدن آب خنک می شود. بر اساس تماس یا عدم تماس آبی که تبخیر می شود و هوایی که قصد خنک کردن آن وجود دارد، خنک کننده های تبخیری به دو دسته اصلی خنک کننده های مستقیم و غیر مستقیم تقسیم می شوند. در خنک کننده های تبخیری مستقیم هوا در اثر تماس مستقیم با آب که روی یک سطح افزایش دهنده انتقال حرارت و جرم (مانند پوشال یا پد) پخش شده است (شکل 1)، در یک فرایند تقريبا انتالپی ثابت خنک می شود. این در حالی است که چنان که در ادامه به تفصیل توضیح داده خواهد شد، در خنک کننده های تبخیری غیر مستقیم، آب و هوا در تماس مستقیم با یکدیگر قرار نداشته و هوایی که قصد خنک کردن آن وجود دارد، در یک فرایند که در آن رطوبت مطلق افزایش نمی یابد خنک می شود.
2- اساس عملکرد سیستم های سرمایش تبخیری غیرمستقیم
مطابق شکل ٢ ،سه صفحه نازک در نظر بگیرید که در کنار یکدیگر قرار گرفته و تشکیل دو کانال موازی داده اند.
سطح زیرین ، صفحه میانی و سطح بالایی صفحه پایینی (سطح داخلی کانال B) با آب که بر روی آن اسپری گردیده مرطوب شده است. هوایی که قصد خنک کردن آن وجود دارد و هوای اصلی نامیده می شود، وارد کانال A که کانال هوای اصلی با کانال خشک نام دارد می گردد. هنگامی که این هوا در طول کانال پیش می رود بر اثر انتقال حرارت گرمای خود را به آب موجود در سطح کانال B داده و باعث تبخیر بخشی از آن می شود. بدین ترتیب هوا خنک می شود.
به منظور عملکرد بهتر، رطوبت تبخیر شده در کانال B باید از کانال خارج شود. به همین دلیل، علاوه بر جریان هوای اصلی در کانال A یک جریان هوا نیز در داخل کانال B وجود دارد که رطوبت تبخیر شده در کانال B را با خود از کانال خارج می کنند. این جریان، جریان هوای کاری و کانال B کانال مرطوب با کانال هوای کاری نامیده میشود.
بر اساس شرایط هوای اصلی و هوای کاری ورودی، سه احتمال برای هوای اصلی وجود دارد. احتمال اول آن است که رطوبت مطلق آن در تمام طول کانال ثابت بماند و هوا با رطوبت مطلقی برابر رطوبت مطلق ورودی خارج شود، یعنی به عبارت دیگر هیچ مقداری از رطوبت موجود در هوا چگالیده نشود. احتمال دوم آن است که از جایی به بعد در کانال رطوبت موجود در هوای کاری چگالیده شود و حالت سوم حالتی است که هوا از همان ابتدای ورود به کانال اصلی شروع به از دست دادن رطوبت کند. بنابراین نکته مهم آن است که بر خلاف آن چه در پاره ای از موارد به اشتباه تصور می گردد فرایند سرمایش تبخیری غیر مستقیم الزام فرایندی رطوبت مطلق ثابت نیست و تنها در مورد آن می توان اشاره کرد که باعث افزایش رطوبت مطلق هوای اصلی نمی شود. چنان که واضح است در یک خنک کننده غیر مستقیم شمار زیادی صفحه نازک در کنار هم قرار گرفته اند؛ به گونه ای که به جز کانال های ابتدای و انتهایی ( کانال هایی که یک وجه مشترک با مرز سیستم دارند)، هر کانال هوای مرطوب در تماس با دو کانال هوای خشک و هر کانال هوای خشک در تماس با دو کانال هوای مرطوب است.
3- معرفی خنک کننده های تبخیری نقطه شبنم
در سیستم های سرمایش تبخیری غیر مستقیم منابع مختلفی برای تأمین هوای کاری وجود دارند که از جمله آنها می توان به هوای بیرون، هوای برگشتی از اتاق در عمليات تهویه مطبوع، ترکیب آنها و غیره اشاره کرد. از آن جا که اشاره شد شرایط هوای کاری تاثیر زیادی بر روی عملکرد سیستم دارد، تلاش های فراوانی در طول سالیان اخیر برای یافتن گزینه های مناسب برای آن صورت گرفته است. طبق یافته ها، استفاده از بخشی از هوای اصلی خنک شده به عنوان هوای کاری ورودی به کانال های مرطوب باعث ارتقای چشمگیر عملکرد سیستم سرمایش تبخیری غیر مستقیم می شود. از آنجا که در این حالت، به صورت تئوری امکان دستیابی به دمای نقطه شبنم به جای دمای حباب تر وجود دارد، این نوع از خنک کننده های تبخیری غیر مستقیم، سیستم سرمایش تبخیری نقطه شبنم نامیده می شوند. بنابراین، سیستم سرمایش تبخیری نقطه شبنم، خنک کننده غیر مستقیمی است که در آن از بخشی از هوای کاری خنک شده به عنوان هوای کاری ورودی استفاده می شود. هر کدام از سیستم های سرمایش تبخیری نقطه شبنم، یک خنک کننده تبخیری غیر مستقیم است اما عکس آن صادق نیست.
چنان که در نمودار سایکرومتریک شکل ۳ نشان داده شده است. از نظر
تقسیم بندی خنک کننده های تبخیری نقطه ی شبنم از نوعی هستند که در آن هیچ گونه چگالشی در کانال هوای اصلی اتفاق نمی افتد. همچنین این سیستم ها در یک ظرفیت خنک کنندگی مشابه دارای مصرف آب به مراتب پایین تری نسبت به سیستم های تبخیری مستقیم هستند. از آن جا که بخش اعظمی از مطالعات اولیه و تجاری سازی این سیستم های توسط پژوهشگری به نام والری مایسوتسنکو در شوروی سابق و پس از آن در آمریکا انجام شده است، این دسته از خنک کننده ها به خنک کننده های مایسوتسنکو یا خنک کننده های ام سایکل” نیز معروف هستند.
4- انواع سیستم های سرمایش تبخیری نقطه شبنم
یک خنک کننده نقطه شبنم، در حقیقت یک مبدل حرارتی هوا به هواست. با این توجه، مانند تمام مبدل های حرارتی دیگر، بر اساس آرایش جریان به سه دسته جریان موازی، جریان مخالف و جریان متقاطع تقسیم می شود که استفاده از آرایش جریان موازی به علت پایین بودن بازدهی نقطه شبنم نسبت به دو نوع دیگر بسیار کمتر متداول است.
در متداول ترین نوع خنک کننده های نقطه شبنم جریان مخالف تمام جریان هوای کاری از جریان هوایی که به طور کامل خنک شده است برداشت می شود (شکل ۴ الف) و در خنک کننده های جریان متقاطع نحوه فراهم آمدن هوای کاری بدین صورت است که انتهای تعدادی از کانال های هوای خشک مسدود بوده و تعدادی سوراخ در آنها وجود دارد که باعث انتقال تدریجی هوای سرد شده موجود در آنها به کانال مرطوب می شود .(شکل ۴ب)
5- کاربردهای خنک کننده های نقطه شبنم
استفاده از سیستم های سرمایش تبخیری نقطه شبنم در کاربردهای مختلفی به ویژه تهویه مطبوع و پیش سرمایش هوای ورودی به کمپرسور در واحدهای تولید توان متداول است. طبق تحقیقات انجام شده، سیستم های سرمایش تبخیری نقطه شبنم در چهار اقلیم از مقیاس آب و هوایی کوپن – گیگر” که سیستم سرمایش تبخیری مستقیم در آن ها قابلیت رساندن هوا به شرایط آسایش حرارتی را ندارد و شهرهای احمدآباد، لندن، ویندزور و ریاض نماینده آنها هستند به عنوان بهترین سیستم برای به کارگیری در مقیاس مسکونی مطرح است.
در اقلیم های بسیار گرم و خشک مثل ریاض خنک کننده جریان مخالف برداشت کننده از هوای محصول و در اقلیم های دیگر خنک کننده جریان متقاطع نسبت به نوع دیگر برتری دارد. برای یک ساختمان مسکونی به مساحت97/1متر مربع در شهر ویندزور استفاده از ساختار بهینه برای خنک کننده نقطه شبنم دارای هزینه های چرخه عمر ۳۱۱۱٫۵ دلار، مصرف سالیانه آب 5/67 متر مکعب و میانگین سالیانه ضریب عملکرد ۱۸٫۲ است به علاوه تحقیقی که در مورد استفاده از خنک کننده جریان مخالف برداشت کننده از هوای محصول برای نیروگاه سیکل ترکیبی منتظر قائم انجام شده است نشان داده است که استفاده از ساختار بهینه برای آن، مقدار تولید توان مجموعه و پتانسیل تولید توان توسط سیکل بخار پایین دستی را 6/02% و 8/92% افزایش می دهد در حالی که دوره بازگشت سرمایه آن ۲٫۶۷ سال است .
6- جمع بندی
در متنی که از نظر گذشت، پس از توضیح درباره سیستم های سرمایش تبخیری و مزایای آنها نسبت به سیستم های تبرید تراکمی، اساس عملکرد سیستم های سرمایش تبخیری غیر مستقیم بیان گردید. سپس خنک کننده های نقطه شبنم که نوع خاصی از خنک های تبخیری غیر مستقیم هستند و انواع آنها معرفی شد و در ادامه کاربردهای خنک کننده های نقطه شبنم مورد بررسی قرار گرفت. چنان که مرور انجام شده نشان داد، این سیستم ها دارای پتانسیل به کارگیری بالایی در هر دو زمینه انجام عمليات تهویه مطبوع و نیز پیش سرمایش هوای ورودی به کمپرسور در سیستم های تولید توان هستند. با توجه به مسائلی که در مورد سوخت های فسیلی، منابع آب و آلاینده های زیست محیطی وجود دارد پیش بینی می شود این سیستم ها در آینده سهم بیشتری از بازار را به خود اختصاص دهند و در آینده بیشتر از آن ها شنیده شود.
دیدگاهتان را بنویسید