[تجهیزات انتقال حرارت] - خنک‌کاری تبخیری - evaporative cooling

[P O U R I A]

خنک‌کاری تبخیری (evaporative cooling) به معنی خنک کردن هوا و یا آب به وسیله تبخیر آب می‌باشد. سیستم سرمایش تبخیری از آنتالپی تبخیر زیاد آب استفاده می‌کند. دمای هوای خشک می‌تواند به وسیله انتقال فاز از آب مایع به بخار آب (تبخیر) به میزان بسیاری کاهش یابد و می‌تواند هوا را با استفاده از انرژی بسیار کم‌تری نسبت به تبرید کاهش دهد.


کولر آبی (evaporative coolers)، ایر واشرها (air washers) و برج خنک کن تر (wet cooling towers) از اصول خنک‌کاری تبخیری استفاده می‌کنند و برای اهداف مختلفی از جمله سرمایش مستقیم هوا در داخل یک ساختمان، افزایش راندمان به وسیله خنک کردن کویل‌های یک کولر گازی بزرگ و یا یک سیستم تبرید، سرد کردن آب خنک‌کن یک پلانت صنعتی و غیره طراحی می‌شوند.




طرح‌های خنک‌کاری تبخیری

بیش‌تر طرح‌ها از این واقعیت استفاده می‌کنند که آب یکی از بالاترین آنتالپی‌های تبخیر در بین تمام مواد را دارد. به این دلیل کولرهای آبی تنها درصدی از انرژی مصرفی سیستم‌های تهویه مطبوع تبرید تراکمی بخار و یا جذبی را مصرف می‌کنند. متاسفانه به جز در آب و هوای بسیار خشک، خنک‌کاری تک مرحله‌ای (مستقیم) می‌تواند رطوبت نسبی را تا حدی بالا ببرد که باعث ناراحتی ساکنین می‌شود. خنک‌کاری آبی غیر مستقیم و دو مرحله‌ای، رطوبت نسبی را پایین نگه می‌دارد.


خنک‌کاری تبخیری مستقیم (direct evaporative cooling) یا خنک‌کاری مدار باز (open circuit cooling): برای کاهش دمای هوا از گرمای نهان تبخیر استفاده می‌کند که باعث تغییر آب مایع به بخار آب می‌شود. در این فرآیند انرژی هوا تغییر نمی‌کند. هوای خشک و گرم به هوای خنک و مرطوب تغییر می‌کند. از حرارت هوای خارج برای تبخیر آب استفاده می‌شود. رطوبت نسبی به 70 تا 90 درصد افزایش می‌یابد. هوای مرطوب را باید به طور پیوسته خارج کرد، در غیر این صورت هوا اشباع و تبخیر متوقف می‌شود.



خنک‌کاری تبخیری غیر مستقیم (indirect evaporative cooling) یا خنک‌کاری مدار بسته (closed circuit cooling): مشابه با خنک‌کاری تبخیری مستقیم است اما از نوعی مبدل حرارتی (heat exchanger) استفاده می‌کند. هوای مرطوب سرد هرگز در تماس مستقیم هوای تهویه قرار نمی‌گیرد. جریان هوای مرطوب به خارج تخلیه می‌شود و یا برای خنک کردن سایر دستگاه‌های خارجی مانند سلول‌های خورشیدی (solar cells) که در صورت خنک نگه داشته شدن کارآمد‌تر می‌شوند، مورد استفاده قرار می‌گیرد. یکی از سازندگان کولر غیر مستقیم با استفاده از به اصطلاح سیکل مایسوتسنکو (Maisotsenko cycle) که از مبدل حرارتی تکرار شونده (چند مرحله‌ای) استفاده می‌کند که می‌تواند دما را به زیر دمای حباب مرطوب کاهش دهد. در حالی که هیچ رطوبتی به هوای ورودی اضافه نمی‌شود، رطوبت نسبی با توجه به فرمول دما-رطوبت نسبی افزایش کمی می‌یابد. با این حال، هوای نسبتا خشک ناشی از سرمایش تبخیری غیر مستقیم اجازه می‌دهد تا تعریق ساکنان آسان‌تر انجام شود و در نتیجه اثربخشی این روش افزایش می‌یابد.

 

[P O U R I A]

خنک‌کاری تبخیری دو مرحله‌ای (two-stage evaporative cooling) یا خنک‌کاری غیر مستقیم – مستقیم (indirect-direct): در مرحله اول این کولر دو مرحله‌ای، هوای گرم بدون اضافه کردن رطوبت به طور غیر مستقیم پیش‌سرد می‌شود که این کار با عبور هوا از درون یک مبدل حرارتی (heat exchanger) انجام می‌شود که در آن‌جا به وسیله تبخیر در خارج خنک می‌گردد. در مرحله مستقیم، هوای پیش سرد شده از یک پد خیس عبور می‌کند و در اثر افزایش رطوبت، خنک می‌شود. از آن‌جا که هوای ورودی مرحله اول پیش سرد می‌شود، در مرحله مستقیم برای رسیدن به دمای خنک مورد نظر رطوبت کم‌تری منتقل می‌شود،. در نتیجه با توجه به اطلاعات تولید‌کنندگان، هوا با رطوبت نسبی بین 50 تا 70 درصد، بسته به آب و هوا از سیستم خارج می‌شود که در مقایسه با سیستم‌های سنتی که رطوبت نسبی هوای آن‌ها حدود 70 تا 80 درصد است بسیار کم می‌باشد.



خنک‌کاری تبخیری ترکیبی یا خنک‌کاری تبخیری هایبرید (hybrid evaporative cooling): سرمایش مستقیم یا غیرمستقیم با یک سیستم تهویه مطبوع تراکمی بخار (vapor-compression) و یا جذبی (absorption) ترکیب شده تا راندمان کلی را افزایش دهد و/یا دما را به کم‌تر از دمای حد حباب مرطوب برساند.

 

[P O U R I A]

سیستم‌های تبخیری معمول

کولرهای آبی

معمولا کولرهای آبی مسکونی و صنعتی از تبخیر مستقیم استفاده می‌کنند. کولر آبی به صورت یک جعبه فلزی یا پلاستیکی با کناره‌های باز برای عبور هوا می‌باشد. هوا توسط یکفن سانتریفوژ (centrifugal fan) حرکت می‌کند که معمولا توسط یک موتور الکتریکی (electric motor) و تسمه می‌چرخد. از یک پمپ آب برای مرطوب کردن پوشال‌های (pads) سرمایش تبخیری استفاده می‌شود. کولرها را می‌توان بر روی بام و یا دیوارهای خارجی و یا پنجره‌ها نصب نمود. فن هوا را از طریق روزنه‌های موجود در کناره‌های دستگاه و از میان پوشال‌های مرطوب عبور می‌دهد. حرارت هوا آب را از روی پوشال‌ها تبخیر می‌کند. پوشال‌ها به طور مداوم مرطوب می‌شوند تا روند خنک‌کاری ادامه یابد. سپس هوای سرد و مرطوب از طریق یک دریچه در سقف و یا دیوار به داخل ساختمان وارد می‌شود.

از آن‌جا که هوای سرد از خارج ساختمان وارد می‌شود، باید یک یا چند دریچه برای خروج هوا وجود داشته باشد. هوا باید تنها اجازه یک بار عبور از سیستم را داشته باشد، در غیر این صورت اثر سرمایش کاهش خواهد یافت زیرا هوا به زودی به نقطه اشباع می‌رسد. اغلب در فضاهایی که توسط انواع کولر آبی سرویس می‌گیرند، هوا به میزان نسبتا بالای 15 بار در ساعت (ACH) یا بیش‌تر تغییر می‌کند.

برج‌های خنک‌کن تبخیری

برج‌های خنک‌کن سازه‌هایی هستند که برای سرد کردن آب و یا سیالات انتقال حرارت به دمای به نزدیک به دمای حباب مرطوب محیط به کار می‌روند. برج‌های خنک کن تر (wet cooling towers) یا برج‌های خنک‌کن تبخیری (evaporative cooling towers) بر اساس سرمایش تبخیری عمل می‌کنند، اما به جای هوا برای خنک‌کاری آب بهینه‌سازی شده‌اند. برج‌های خنک‌کن اغلب در ساختمان‌های بزرگ و یا در سایت‌های صنعتی یافت می‌شوند و حرارت را به عنوان مثال از چیلرها (chillers)، فرآیندهای صنعتی و یا سیکل توان رانکین (Rankine power cycle) به محیط منتقل می‌کنند.

 

[P O U R I A]

سیستم‌های مه‌زنی

سیستم‌های مه‌زنی (misting systems) به وسیله فرستادن آب در یک پمپ پر فشار و لوله و یک نازل مه برنجی یا فولادی دارای سوراخی در حدود 5 میکرومتر مه بسیار ریزی تولید می‌کنند. قطرات آبی که ایجاد مه می‌کنند آن قدر کوچک هستند که بلافاصله تبخیر فلش می‌شوند. تبخیر فلش می‌تواند دمای هوای اطراف را به صورت لحظه‌ای تا 35 درجه سانتی‌گراد کاهش دهد.

پنکه‌های مه‌زن (misting fan) شبیه به دستگاه‌های رطوبت‌زن (humidifier) هستند. فن مه ریز آب را به داخل هوا می‌دمد. اگر هوا خیلی مرطوب نباشد، آب تبخیر می‌شود و حرارت هوا را جذب می‌کند و به فن مه‌زن امکان کار به صورت کولر آبی را می‌دهد. فن مه‌زن را می‌توان در فضای خارج به ویژه در آب و هوای خشک استفاده نمود.