سرمایش تبخیری چیست؟

اساس کار سیستم های سرمایش تبخیری بدین گونه است که هوای محیط در تماس مستقیم با آب قرار می گیرد، آنگاه آب گرمای هوا را می گیرد و تبخیر می شود، و درنتیجه دمای هوا پایین می آید. آبی که تبخیر می شود، با هوا مخلوط می شود، و رطوبت هوا نیز افزایش می یابد. لذا این سیستم ها قابلیت افزایش رطوبت و کاهش دما به طور هم زمان را دارند. متداول ترین مثال سرمایش تبخیری، کولر آبی است که در بخش های آینده شرح داده خواهد شد.

فرآیند سرمایش تبخیری یک فرآیند بسیار قدیمی است که منشأ آن به هزاران سال قبل، در تمدن های باستانی ایران و مصر باز می گردد. خنک کننده های تبخیریِ نوین، براساس نمونه های اولیهای که در دهه 1900 میلادی در آمریکا ساخته شدند تولید می شوند.

سرمایش هوا به وسیله آب را سرمایش تبخیری می گویند. اگر تبخیر آب در تماس مستقیم با هوا رخ دهد آن را سرمایش تبخیری مستقیم می نامند که قدیمی ترین و رایج ترین روش سرمایش تبخیری است. از نمونه های رایج این روش سرمایش تبخیری می توان به کولر های آبی، ایرواشر ها، گروهی از برج های خنک کن، زنت و... اشاره کرد که هرکدام در ادامه شرح داده خواهند شد. اما اگر هوای خنک شونده در تماس مستقیم با فرایند تبخیر آب نباشد، به آن سرمایش تبخیری غیر مستقیم گویند.

ترمودینامیک تبخیر آب

سرد کردنِ تبخیری براساس یک قانون عملیِ ساده پایه ریزی شده است. هنگامی که آب تبخیر می شود، گرمای نهانِ تبخیر را از خودِ آب و هوای محیطِ اطراف جذب می کند. درنتیجه، آب و هوا هر دو، در حین عمل خنک می شوند. بخار آب حاصل از این فرآیند  وارد هوای عبوری از دستگاه سرمایش تبخیری می شود و در نتیجه، این هوا رطوبت بیشتری نسب به هوای بیرون دارد.

اما هوا ظرفیت محدودی برای گرفتن بخار و رطوبت دارد. هنگامی که هوا بیشترین رطوبت ممکن را می گیرد، اصطلاحاً می گوییم هوا اشباع شده است. یعنی دیگر امکان جذب رطوبت بیشتری را ندارد. طبیعتا وقتی امکان جذب رطوبت بیشتر وجود نداشته باشد، سیستم سرمایش تبخیری ما به درستی کار نخواهد کرد.

حال از کجا باید بفهمیم هوا در محلی که ما می خواهیم سیستم سرمایش تبخیری را راه اندازی کنیم تا چه اندازه توانایی گرفتن بخار را دارد و به عبارت دیگر در کدام شهر ها می توانیم از سیستم سرمایش تبخیری استفاده کنیم؟

این موضوع به میزان رطوبت موجود در هوای شهر بستگی دارد هرچه رطوبت موجود در هوا بیشتر باشد، این هوا توانایی کمتری در جذب رطوبت حاصل از تبخیر در سیستم های سرمایش تبخیری مستقیم را خواهد داشت. بنابر این در اقلیم های مرطوب، کولرهای سرمایش تبخیری مستقیم پاسخگوی نیاز تهویه مطبوع نخواهند بود و بهترین کارکرد این سیستم ها در مناطق گرم و خشک می باشد.

تجهیزات سرمایش تبخیری

• سرمایش تبخیری مستقیم
• سرمایش تبخیری غیرمستقیم
• سرمایش تبخیری ترکیبی
• سرمایش تبخیری دیسکنتی 

سرمایش تبخیری مستقیم

در سرمایش تبخیریِ مستقیم، هوا در تماس مستقیم با آب خنک می شود. این تماس ممکن است توسط سطوح مرطوب گسترده، یا افشانک ها صورت گیرد. آب در هنگام تماس با هوا، گرمای آن را گرفته و بخار می شود، و درنتیجه، هوا که گرمایش را از دست داده است، خنک می شود و رطوبت آن افزایش می یابد.

بنابراین، سرمایش تبخیری در مناطق گرم و خشک می تواند آسایش نسبی را با هزینه های کمی تأمین کند، ولی این روش در مناطق مرطوب کارآیی نخواهد داشت.از سیستم های دارای سطوح مرطوب می توان به کولر آبی و زنت و از سیستم های دارای افشانک می توان به ایرواشر اشاره نمود. شکل زیر، هر آنچه در سیستم سرمایش تبخیری مستقیم می گذرد را نشان می دهد.

روش تبخیری غیرمستقیم 

به منظور جلوگیری از ورود میکروب، می باید از تماس هوا با آب جلوگیری کرد. به این روش، تبخیری غیرمستقیم یا خنک کاری مداربسته می گویند. این روش، مشابه روش تبخیری مستقیم است، ولی در آن، از نوعی مبدل حرارتی استفاده می شود. هوای مرطوب سرد هرگز در تماس مستقیم با هوای تهویه قرار نمی گیرد.

جریان هوای مرطوب یا به خارج تخلیه می شود یا برای خنک کردن سایر دستگاه های خارجی مانند سلول های خورشیدی که در صورت خنک نگه داشته شدن کارآمدتر می شوند، موردِاستفاده قرار می گیرند. هوای نسبتاً خشک، ناشی از سرمایش تبخیریِ غیرمستقیم این امکان را فراهم می آورد که تعریق ساکنان آسان تر انجام شود. درنتیجه، اثربخشی این روش افزایش می یابد.

در این روش، هوایی که به طور مستقیم و در تماس با آب خنک می شود به محیط راه پیدا نمی کند، بلکه با عبور از یک مبدل، موجب خنک کردن جریان هوای دیگری می شود. این جریان هوای دوم به محیط راه می یابد.

از این روش هنگامی استفاده می شود که افزایش رطوبت هوا مطلوب نیست. فرآیند تبخیری غیرمستقیم، در نمودار سایکرومتریک به صورت یک خط افقی است. از این روش می توان برای پیش سرمایش هوای ورودی به سیستم مستقیم در شرایطی استفاده کرد که رطوبت زیاد محیط، امکان استفاده تنها از روش مستقیم را نمی دهد.

این روش تبخیری به دو صورت مبدل دار و برج خنک کن آبی وجود دارد. در حالت مبدل دار با عبور هوا از روی صفحاتی که از قبل، سطحشان با آب مرطوب شده و دمایشان کاهش یافته است، می توان دمای هوا را نیز کاهش داد.

روش تبخیری ترکیبی

منظور از روش تبخیری ترکیبی، ترکیب یک سیستم تبخیری با سایر روش های خنک سازی مانند چیلر تراکمی می باشد. هنگامی که در بعضی از ساعات روز، دما و رطوبت به حدی زیاد باشد که سیستم تبخیری، به تنهایی قادر به تأمین هوای مطبوع نباشد، با در نظر گرفتن یک کویل سرمایش تراکمی در سیستم، می توان در شرایط حاد، این مشکل را رفع نمود.

از آنجا که مزیت روش های تبخیری بر تراکمی، اقتصادی بودن آن از نظر مصرف برق است. با ترکیب این دو روش در شرایط لازم، می توان از سودمندی هر دو روش بهره مند شد. در شکل زیر، طرح واره روش تبخیری ترکیبی، یعنی ترکیب خنک سازی تبخیری و تراکمی، نشان داده شده است.

روش تبخیری دسیکنتی

سیستم های سرمایش تبخیری که تا اینجا بحث شد، علی رغم تمام مزیت هایشان، یک ایراد اساسی دارند. آن هم اینکه در اقلیم های مرطوب جواب نمی دهند و ضمنا امکان کنترل همزمان دما و رطوبت در آنها فراهم نیست. اما مهندسین علوم تبرید راهکار مناسبی برای این مشکل پیدا کرده اند که آن استفاده از رطوبت گیر است.

یکی از سیستم های جالب تهویه مطبوع در مناطق مرطوب، که انعطاف پذیری زیادی نیز دارد، سیستم سرمایشی و تهویه مطبوع دسیکنت است. این طرح خلاقانه، اولین بار در سال 1983 میلادی توسط یک مهندس 23 ساله، به نام Willis Carrier Prize، ارائه شد و در همان سال ASHRAE، از این طرح استقبال کرده و از وی تقدیر کرد. این طرح، زمینه جدیدی را در تهویه مطبوع باز کرد.شایان ذکر است که هوا پیش از ورود به چرخ دسیکنت، الزاماً باید از فیلتر عبور کند، زیرا عدم استفاده از فیلتر موجب بسته شدن سریع منافذ چرخ دسیکنت و هزینه زیاد برای سرویس آن خواهد شد.

مطابق شکل زیر، هوا پس از عبور از فیلتر، وارد چرخ دسیکنتنت می شود. سطح این چرخ به صورت مشبک است که دیواره های آن آغشته به یک ماده رطوبت گیر، مثل سیلیکاژل می باشند. این شیوه رطوبت زدایی بدون تبادل گرما باعث افزایش دمای هوا می شود. ازاین رو، هوا در خروجیِ چرخ دِسیکَنت بسیار گرم است. مبدل چرخی که در شکل زیر دیده می شود، به منظور کاهش دمای هوای داغ قرار داده شده است. در این مرحله، هوا با عبور از پد سرمایش تبخیریِ مستقیم، خنک تر می شود و وارد فضای تهویه مطبوع می گردد.

بخش بالایی در شکل طرحواره که در داخل دستگاه قرار دارد و با یک صفحه افقی کاملاً از بخش پایینی مجزا شده است، ابتدا با یک پد سرمایش تبخیری مستقیم، هوای خنک مورد نیاز مبدل را تأمین می کند. پس از آن، هوای خروجی از مبدل، که داغ شده است، روی چرخ دسیکنت هدایت می شود و رطوبتی که چرخ دسیکنت از هوای رفت در قسمت پایینی دستگاه گرفته بود، توسط این هوای برگشتی جذب می شود تا نیمه بالایی چرخ خشک شده و مجددا بچرخد و به قسمت پایین برسد. هوای برگشتی که از دسیکنت خارج می شود، دارای رطوبت زیادی است و به محیط خارج فرستاده می شود.