هواساز تبخیری

خنک کننده تبخیری وسیله ای موثر برای تهویه مطبوع در آب و هوای گرم و خشک است.علی رغم اثربخشی آن نفوذ قابل توجهی در بازار در برابر سیستم های فشرده سازی بخار در آب و هوای مرطوب وجود ندارد. به طور تاریخی،همانطور که در رایج ترین شکل خود ،خنک کننده تبخیری از مصرف قابل توجه آب ،رطوبت زدایی هوای تامین و خنک کردن محدود به دمای محیط رنج می برد.
توسعه اخیر چندین چرخه خنک کننده جدید این موانع فنی سنتی را درهم شکسته است.

نقطه شبنم با استفاده از مبدل حرارتی و آرایش مسیرجریان می تواند هوای مرطوب نشده را در زیر دمای حباب تر با مصرف کمتراز هواساز های تبخیری مستقیم و کولرهای فشرده سازی بخار برساند.
دمای هوا درحال نزدیک شدن به دمای نقطه شبنم دریک واحد تک مرحله ای با ظرفیت خنک کننده و مستقل از دمای هوای محیط بدست می آید.

اخیرا یک واحد نمونه برداری 5تنی به طور نسبی حدود 80درصد ذخیره انرژی را نسبت به یک سیستم فشرده سازی بخار معمولی تحویل داده است که نشان دهنده پتانسیل شبنم زدایی نقطه شبنم در طراحی انرژی صفراست.این مقاله اصول تکنولوژی نقطه شبنم زدایی را از طریق مبدل حرارتی و بافت آن در تحول فن آوری خنک کننده تبخیری توصیف می کند.

باانجام مقایسه عملکرد تحت شرایط عملیاتی متداول ،ازجریان مستقیم تا چند مرحله ای خنک کننده تبخیری مستقیم با مقایسه عملکرد  تحت شرایط عملیاتی مشترک می باشد. روش اولیه تهویه مطبوع درحال حاضر مبتنی بر سیستم فشرده سازی بخاراست که بیش از 40درصد در بازار موجوداست. درحالی که فشرده سازی بخار برای خنک سازی به قرن نوزدهم باز می گردد،ویلیس کریر کسی بود که این سیکل را برای اولین بار برای کنترل دما و رطوبت هوا در سال 1902 به کارگرفت و فرآیند بنیاذی تهویه هوا از آن زمان تاکنون تغییر نکرده است.

طول عمر و کاربرد گسترده سیستم فشرده سازی بخار گواهی اثربخشی آن است. این استفاده از سیستم فشرده سازی بخار بدون اشکالات موجودنیست. دونوع سیستم فشرده سازی بخار خانگی و تجاری داریم که هر دو آنها 1،304مقدار انرژی اولیه را مصرف می کنند که نتیجتا سیستم خانگی 1،357وسیستم تجاری 1،196دی اکسیدکربن تولید می کنند. به علاوه خنک کننده هایی که در حال حاضر برای خنک کردن فضا به کار می روند ،منبع نگرانی برای  تغییرات آب و هوایی هستند.

سیستم فشرده سازی بخار شامل هیدروکلروکربن ها هستند که دارای پتانسیل های گرمایش جهانی چندین مرتبه بالاتر از مقدار کربن دی اکسید هستند. به عنوان مثال دو مبرد رایج در تهویه مطبوع R-410aوR-134aاست که دارای 20.088و1430مشارکت جهانی آب ، که تاثیر آن نسبت به تغییرات آب و هوایی بیشتراز کربن دی اکسید است. یک جایگزین برای سیستم فشرده سازی بخار خنک کننده تبخیری است که در طول تاریخ به عنوان وسیله ای موثر برای آب و هوای گرم و خشک مورد استفاده قرار گرفته است.

کولرهای تبخیری عموما توان مصرفی و هزینه نصب را کاهش داده اند،چرا که هردو مبدل  حرارتی و مس از سیستم حذف شده اند.علاوه براین ،استفاده خنک کننده هاذ با مشارکت جهانی آب بالا نیز حذف می شوند،چراکه تغییر فاز آّب همان چیزی است که باعث خنک شدن میشود.باوجود کارآیی و سادگی نسبی آن،نفوذ قابل توجهی دربازار در برابر سیستم فشرده سازی بخار در آب و هوای مرطوب وجود ندارد. این به طور تاریخی مورد توجه ترین شکل خود یعنی خنک کننده تبخیری غیرمستقیم ناشی از مصرف آب زیاد،رطوبت زدایی هوای تامین،سرمایش محدود به دمای محیط مرطوب است.

این سیستم ها مبادله مستقیم رابرای خنک سازی معقول تسهیل می کنند،بنابراین به طور ایده آل تحت شرایط آدیاباتیک عمل می کنند.

سیستم های خنک کننده تبخیری پیچیده و غیر آدیاباتیک اشکالات کولرهای تبخیری غیرمستقیم را کاهش می دهد،دستیابی به کاهش تامین رطوبت هوا،خنک کننده افزایش یافته و بهره برداری کارآمدتراست.این درحالی که است که با هزینه افزایش مواد ،مصرف آب و نسبت بیشتری از هوای ردشده  کسری از هوای محیط است که مرطوب شده وبرای خنک کردن خنک کننده استفاده می شود ونیاز به افزایش انرژی را رد می کند.

• این سیستم های خنک کننده پیشرفته به این بهبودها در یک چیدمان جریان با ترکیب یا همه ی 3فرآیند زیر دست می یابند:
  تبخیری مستقیم –یک کانال مرطوب کننده که از طریق مبادله گرمای نهان برای گرمای محسوس خنک می شود.
• تبخیری غیرمستقیم-دو کانال،تبادل گرما از طریق یک دیوار مشترک ،درآن کانالی که حاوی مایع است(به عنوان مثال هوای تامین)به طور منطقی توسط کانال دیگر ،یک کانال حرارتی مستقیم خنک میشود.
• رطوبت زدایی –افزایش پتانسیل خنک کننده هوا در کار جریان مستقیم/غیرمستقیم با استفاده از خشک کننده ویا غشای انتخابی است.

اخیر محصولات جدید این روند را معکوس کرده و از طریق این موانع فنی و سنتی (مانند هوا در دماهای زیر حباب مرطوب محیط ) درهم شکسته شده اند.این خنک کننده که ازاین پس نقطه شبنم زدایی نامیده می شود می تواند با استفاده از مبدل حرارتی نو و آرایش مسیر جریان به دست آید و هوای مرطوب نشده زیر دمای حباب تر در حالی که آب کمتری نسبت به کولر های تبخیری دیگر مصرف می کند بدست آورد.
این مقاله به توصیف مبانی فن آوری نقطه شبنم زدایی از طریق مبدل حرارتی و بافت آن در تحول فن آوری خنک کننده تبخیری،اعم از مستقیم تا چند مرحله ای تبخیری غیرمستقیم عملکرد تحت شرایط عملیاتی مشترک می پردازد.

بررسی فن آوری خنک کننده تبخیری:

فن آوری خنک کننده مستقیم یک جایگزین ساده و ارزان تر برای سیستم فشرده سازی بخاراست.

درکولرآبی هوای گرم و خشک توسط یک سطح خیس  و گرمای نهان  تبخیر آب سرد شده  و هوا را خنک می کند همانطور که تعریف شده است و حدخنک کنندگی ،دمای حباب تر جریان هوای ورودی است.
درحالت ایده آل این فرآیند آدیاباتیک است که در آن یک مبادله انرژی مستقیم از گرمای نهان تبخیر آب به خنک کردن هوای تامین کمک می کند و از آنجا که هیچ ظرفیت خنک کننده خالص وجود ندارد درحالی که یک فرآیند ساده اغلب سرمایش و تمیز کردن هوا مناسب نیست.دیاگرام سیستم سرمایش مستقیم با مثال سایکومتریک درشکل1نشان داده شده است.

سیستم های کمی پیچیده تر که از رطوبت زدایی هوای تامین جلوگیری می کند،سیستم خنک کننده غیرمستقیم را به کار می گیرند.این بهبود در کولرهای تبخیری مستقیم با هزینه افزایش مصرف آب،کاهش کارآیی و افزایش هزینه نصب و انجام کار می شود.کولر های تبخیری غیرمستقیم با استفاده از مبدل حرارتی معقول کانال دو گانه هوای محصول را مرطوب می کند.این نیز مبادله مستقیم انرژی نهفته برای انرژی منطقی نیز هست، بااین حال مبدل حرارتی مانع از مرطوب شدن هوای محصول می شودبا استفاده از نمودار مثال درشکل 2،هوای خارج در نقاط 1و3است

به 2کانال زیر تقسیم می شود:

• این کانال مرطوب به طور موثر یک کولر تبخیری است که به طور ایده آل هوارا به دمای حباب مرطوب خود نتصل می کند(18.9)درنمودار سایکومتریک درشکل2،این خط نقطه چین از دمای مداوم حباب خیس از نقطه 3تا66روی خط اشباع است.درواقع هوا به دلیل گرمای منطقی که از کانال خشک منتقل می شود در معرض دمای بالا حباب تر قرار می گیرد.
• کانال خشک از طریق مبدل حرارتی تا 72درجه فارنهایت 22.2درجه سانتی گراد در نقطه 2خشک می شود .نمودار این حرکت به صورت افقی در رطوبت مطلق ثابت ازیک دمای خشک 30درجه سانتی گراد تا22درجه حرکت می کند.

سیستم خنک کننده تبخیری غیرمستقیم و مستقیم توسط دمای مرطوب سیال ورودی محدود می شود به این ترتیب آنها اغلب به عنوان سیستم های ترکیبی تبلیغ می شوند که یک مرحله فرعی ثانویه را برای رفع این محدودیت ظرفیت،با افزایش هزینه های عملیاتی و نصب به کار می گیرند.به طور کل سیستم های تبخیری غیرمستقیم صرفه جویی بیشتری در انرژی ،با دمای زیر حباب مرطوب دارند.
خنک کردن نقطه شبنم (حباب مرطوب)در حال حاضر عمدتا با سیستم خنک کننده غیرمستقیم-مستقیم به دست می آید که دو فرآیند تبخیر ذکرشده را باهم ترکیب می کند.

بایک چیدمان ساده،سیستم خنک کننده غیرمستقیم-مستقیم،کانال خشک را از طریق کانال مرطوب به حالت تعلیق در می آورد.این واقعیت بهره می برد هنگامی که هوا به طرز معقولی سرد می شود،فشار بخار آب اشباع شده کاهش می یابد و دمای حباب مرطوب آن کاهش می یابد و بدین ترتیب پتانسیل خنک کننده تبخیر آن را افزایش می دهد توجه داشته باشید که در نمودار سایکومتریک درشکل 2این مساله نیز رخ داده استزیرا دمای حباب تر در نقطه 2 پایین تر از نقطه 1است.

این فرآیند درشکل 3وبا بررسی نمودار سایکومتریک نشان داده شده است و مشخص است که چگونه از طریق این وضعیت حساس (نقطه 1تا2)پس از آن خنک کننده پنهان (نقطه2تا3)،یک دمای حباب خشک هوا زیر دمای مرطوب ورودی بدست می آید.محدوده خنک کننده در حال حاضر دمای نقطه شبنم است،که با خط نقطه چین افقی که از نقطه 2 به خط اشباع امتداد داردنشان داده شده است.

می توان یک کانال خشک دیگر برروی کانال مرطوب هوا (نقطه 2تا3)اضافه کرد ودومین نهان را برای مبادله انرژی منطقی انجام داد که پس از آن خنک کننده باعث  خنک شدن نقطه شبنم بدون رطوبت زدایی می شود.این فرآیند اضافه کردن کانال های خشک به رطوبت اضافی می تواند تا زمانی که هوای تامین به دمای نقطه شبنم برساند تا زمانی که هوا خنک شود تکرار کند بااین حال برای انرژی و فضا نامناسب است زیرا که هرجفت کانال های خشک و مرطوب با حرارت از هم جدا میشوند تا عایق بمانند درنتیجه مسیر جریان و افت فشار را افزایش می دهد.علاوه براین انرژی فن افزایش می یابد مانند هر کانال خشک و مرطوب که قسمت بیشتری از هوای ورودی مرطوب را تشکیل می دهد،همانطور که در نقطه 5انجام شده است از نظر تجاری سیستم های موجود اغلب از یک مرحله رطوبت زدایی استفاده می کنند هوا کار را خشک می کند و یا هوای آزاد شده و مرطوب را خشک می کند و این مرحله رطوبت زدایی از طریق استفاده از یک چرخه خشک کننده جامد انجام می شود.

درحالی که ارائه عملکردبالا افزایش هزینه سیستم را اضافی می کند و مصرف آب افزایش یافته سیستم تبخیری غیرمستقیم کاهش یافته است. حال ثابت شده است که این فن آوری خشک کننده های حرارتی یک جایگزین مناسب برای فشرده سازی بخار است . این سه نوع کلیاتی از کولرهای تبخیری مستقیم،غیرمستقیم،مستقیم غیرمستقیم اکثریت بازار را نشان می دهند هرکدام مزایا و معایب خود را دارند که در جدول زیر خلاصه شده است:

نقطه شبنم تبخیری

به جای اضافه کردن رطوبت زدایی فعال به یک کولر تبخیری غیرمستقیم از جایگزین(نقطه شبنم)استفاده می شود که در طراحی مورد بحث قرار می گیرد . یک سیستم خنک کننده ترکیبی (تبخیرشده با تراکم بخارمکمل)با نسبت انرژی منطقی متناظر با ضریب عملکرد نشان داده شده است.هنگامی که با بخش فشرده سازی بخار کار می کند اختلاف دمای حباب خشک 5درجه فارنهایت 28درجه سانتی گراد بین خروجی و هوای تامین را حفظ می کند.

درشکل 4 (تبخیری شبنم)ازیک صفحه  مرطوب و خشک در خنک کننده های تبخیری غیرمستقیم استفاده می کنند اما جریان هوای متفاوت یک چرخه ترمودینامیکی جدید را ایجاد می کند(اغلب به عنوان چرخه مرطوب کننده شناخته می شود مشابه سیستم سرمایش مستقیم-غیرمستقیم است.)
درشکل4
یک استخراج نسبی از آرایش هوا, که بخشی از کانال خشک را به عنوان محصول قابل‌استفاده یک سیستم خنک‌کننده هوا را نگه می‌دارد که کار و کانال‌های خشک محصول را از هم جدا می‌کند. هر دو چیدمان یک‌سان هستند در حالی که آرایش (b )با کانال تولید مزایای مهمی را در مقایسه با آرایش (a )دارد.

بنابراین هر گونه ماده گاز یا مایع (برای مثال, محصول زاید داغ) را می‌توان به عنوان یک جریان محصول در آرایش (b) به کار برد در حالی که آرایش (a) به همان گاز برای هر دو کانال محدود می‌شود. علاوه بر این, استفاده از کانال محصول باعث کاهش افت فشار در سیستم می‌شود.

حرکت از سیستم سرمایش مستقیم غیر مستقیم، این نقطه شبنم و کولر از طریق ادغام کانال‌های خیس و خشک متفاوت است که در آن سیال کاری در یک مبادله انرژی حساس با خودش شرکت می‌کند. دو ویژگی اصلی سیستم خنک‌کننده نقطه شبنم، که طراحی ساده و ساده آن را تسهیل می‌کند (۱) در حالت پایدار، در حالت ۲ در کانال خشک کار و (۲) اشباع به سرعت بدست می‌آید و در کانال خیس کار نگهداری می‌شود.

زمانی که دمای نمایش‌داده‌شده در نمودار سایکومتریک در نقطه ۲در شکل ۴ را نادیده می‌گیرید، موارد زیر را در نظر بگیرید:
بدترین حالت ممکن ،فرض کنید که دیوار بین کانال های خشک و مرطوب به مراتب دارای عایق بود و از خنک کردن کانال خشک جلوگیری می کند و نقاط1و2را یکسان می کند مانند کولر تبخیری مستقیم نقطه 3 اشباع شده و دمای خشک برابر با دمای مرطوب ورودی است.

بنابراین بهترین خنک کننده ارائه شده به کانال خشک ،محصول کمی گرمتر خواهد بود دمای 68درجه فارنهایت 20درجه سانتی گراد بهترین گزینه خنک سازی غیرمستقیم است.
همانطور که سیستم خنک کننده مستقیم-غیرمستقیم نشان داده بهتر است که کاهش دمای حباب مرطوب در کانال خشک قبل از انتقال به یک کانال مرطوب صورت گیرد در نتیجه پتانسیل خنک کننده تبخیری افزایش می یابد.

حال فرض کنید که گرمای محسوس بین دیواره کانال های خشک و مرطوب رد وبدل شود به طور منطقی تا بالای دمای حباب تر ورودی 68فارنهایت خنک می شود این امر قطعا امکان پذیز است زیرا کانال مرطوب به راحتی می تواند به 66درجه فارنهایت کاهش دهد همانطور که در بدترین حالت نشان داده شده است دمای خشک از نقطه 1تا2 از 68درجه فارنهایت تا60درجه فارنهایت کاهش یافته است ودر نهایت وضعیت موجود در نقطه 3 شرایط اشباع دمای خشک برابر با دمای مرطوب نقطه2 است.

توجه داشته باشید که اساس شرایط فرض شده در نقطه 2 که به طور منطقی از نقطه 1 تا 68درجه فارنهایت خنک می شود این است که خنک ترین بخش کانال مرطوب 66درجه فارنهایت است متعاقبا این فرض منجربه دماهای سردتر در نقطه 2 تا60درجه فارنهایت کاهش می یابد.

بازبینی وضعیت فرض شده در نقطه2از 68درجه فارنهایت تا60درجه فارنهایت ،این خنک کننده منطقی بیشتراز نقطه 1تا2،57درجه فارنهایت هدایت می کند.بنابراین کانال مرطوب کننده ظرفیت خنک کننده بیشتری نسبت به قبلی دارد که نیازمند یک فرض بازبینی از خنک کننده حساس از نقطه1تا2 وغیره است در ادامه این تکرارها خنک ترین قسمت کانال مرطوب نقطه شبنم سیال ورودی است.تحت شرایط ایده آل نقطه 2 به شرایط در دمای خشک ورودی می رسدتا زمانی که آن به طور مداوم خیس شود.

نظریه اولیه و عملکرد خنک سازی نقطه نقطه شبنم از طریق یک مبدل حرارتی فشرده در زمینه تحول فن آوری خنک کننده تبخیری به بحث گذاشته شده است که از جریان مستقیم تا چند مرحله ای خنک کننده تبخیری مستقیم-غیرمستقیم متمرکز و مقایسه عملکرد شده است و نشان داده است که سیستم های خنک کننده نقطه شبنم، انرژی و مصرف آب را در آب و هوای گرم و خشک کاهش داده است.این طراحی به بحث درمورد نتایج بهبود یافته از طریق کاهش دما در کانال خشک قبل از انتقال به کانال مرطوب می پردازد بنابراین دمای مرطوب شرایط اشباع را در چاه حرارتی حفظ می کند.