سایکرومتریک دانشی در مورد مخلوط هوا و بخار آب میباشد.این نمودار ابزار بسیار مهمی برای طراحان سیستم های تهویه مطبوع میباشد.از این نمودار برای محاسبه بار سرمایی ،گرمایی،انتخاب تجهیزات و طراحی سیستم ها استفاده میشود.
سایکرومتریک چیست؟
ساکرومتریک دانش خواص ترمودینامیکی هوای مرطوب است.به بیان دیگر اگر هوا را در نظر بگیریم چگونه میتوان میزان گرمای گرفته شده و یا اضافه شده و میزان رطوبت گرفته شده و یا اضافه شده به آن را محاسبه کرد؟ با بررسی منابع و مقالات مرجع در زمینه تهویه مطبوع،کارشناسان فنی شرکت جهان تهویه اعتماد پنج کاربرد اصلی این نمودار را به شکل زیر تعریف کرده اند.
پنج کاربرد سایکرومتریک
- تعیین کردن دمایی که در آن تقطیر بر روی دیواره ها رخ میدهد
- تعیین تمام ویژگی های هوای مرطوب تنها با داشتن ۲ مورد از شرایط
- محاسبه کردن دبی هوای مورد نیاز فضاها و تجهیزات جهت رسیدن به بار حرارتی و برودتی موردنیاز
- محاسبه بار مورد نیاز برودتی نهان و کل که هر تجهیز باید آن را تامین کند
- تعیین دمای مورد نیاز جهت رسیدن به بار کل مورد نیاز
خصوصیات هوا و بخار
در ابتدا لازم است با خواص هوا آشنا شویم.هوای اتمسفر ،ترکیبی از گاز های مختلف میباشد.دو جز اصلی این ترکیب گاز نیتروژن و اکسیژن است که در مجموع ۹۹ درصد ترکیب هوا را تشکیل میدهند و
۱ درصد باقی مانده را سایر گاز ها تشکیل میدهند که چون در حجم مشخصی از هوا بسیار ناچیز میباشد به عنوان معیاری اثر گذار در نمودار سایکرومتریک در نظر گرفته نمیشوند. در هوای اتمسفر یک جز مهم دیگر نیز وجود دارد که به آن بخار اّب میگویند.گرچه بخار آب به مقدار زیاد در اتمسفر وجود ندارد اما با این حال یک فاکتور بسیار مهم میباشد که نقش پررنگی در نمودار سایکرومتریک دارد.
در هوای اتمسفر یک جز مهم دیگر نیز وجود دارد که به آن بخار اّب میگویند.گرچه بخار آب به مقدار زیاد در اتمسفر وجود ندارد اما با این حال یک فاکتور بسیار مهم میباشد که نقش پررنگی در نمودار سایکرومتریک دارد.
هوا و بخار آب چگونه اندازه گیری میشود؟
در نگاه کلی تهویه مطبوع فرایندی است که در جهت کنترل دما،رطوبت،پاکی و توزیع هوا انجام میشود. اولین مرحله جهت کنترل دما و رطوبت اندازه گیری آن ها میباشد.پس با اندازه گیری دما و رطوبت میتوان مقدار لازم جهت اضافه کردن و یا کم کردن انها از محیط را اندازه گیری کرد.
از انجا که هوا ترکیب میباشد و تک ماده نیست میزان رطوبت در این ترکیب میتواند تغییر کند.برای داشتن معیاری از رطوبت ، مقدار آن را در هر ترکیب به نسبت هوای خشک اندازه گیری میکنیم.از این رو واحد اندازه گیری رطوبت به صورت نسبت جرم آن به واحد هوای خشک بیان میشود.
واحد دیگری که بکار برده میشود Grains می باشد که بصورت زیر تعریف شده است:
lb/lb air * 7000 = Grains
رطوبت و منابع آن
به بخار آب موجود در هوا رطوبت گفته میشود.رطوبت منابع زیادی دارد.تبخیر از سطح دریاها،دریاچه ها و رود ها بخار آب را به هوا اضافه میکند.در داخل ساختمان، آشپزی ،حمام ،فعالیت های انسانی و…موجب افزایش رطوبت موجود در هوا میشود.
اما چگونه میتوان میزان دقیق رطوبت را اندازه گیری کرد؟فرمول هایی برا انجام اینکار در دسترس است.اما نمودار سایکرومتریک روش ساده و خوبی برای اندازه گیری رطوبت در اختیار ما میگذارد.
اما چگونه میتوان میزان دقیق رطوبت را اندازه گیری کرد؟فرمول هایی برا انجام اینکار در دسترس است.اما نمودار سایکرومتریک روش ساده و خوبی برای اندازه گیری رطوبت در اختیار ما میگذارد.
دو قانون پایه و اصلی برای هوا و رطوبت در شرایط استاندارد وجود دارد که اندازه گیری انها را ممکن میسازد.
قانون گاز ایده ال: در شرایط هوایی عادی، هوا و رطوبت از این قانون پیروی میکنند.بر مبنای این قانون ، با دانستن دو پارامتر از سه پارامتر فشار دما و حجم میتوان دیگری را محاسبه کرد.
قانون فشارهای جزیی دالتون:بر مبنای این قانون فشار کلی ترکیب، برابر با مجموع فشار اجزای ترکیب به تنهایی و در حجم یکسان میباشد
شرایط هوایی استاندارد :
شرایط هوایی استاندارد برای سایکرومتریک در سطح دریا و در دمای ۵۹ درجه فارنهایت تعریف میشود.(در بسیاری از موارد مربوط به تهویه هوا داده های هوایی تا ارتفاع ۱۰۰۰ فوت از سطح دریا معتبر بوده و نیازی به ضریب اصلاح ندارد.)
آشنایی با نمودار سایکرومتریک :
نمودار سایکرومتریک روشی کارآمد برای مشخص کردن ویژگی های هوا میباشد.از آنجا که دما و رطوبت در فشار جو قابل پیشبینی هستند میتوان این ویزگی ها را به صورت گراف رسم کرد.برای شروع نمودار ابتدا باید محور های عمودی و افقی را مشخص کنیم.
دمای هوای خشک(dry bulb temp) :
محور افقی نمودار سایکرومتریک بیان کننده دمای هوای خشک میباشد.این نقاط را میتوان به صورت عمودی امتداد داد.تمامی نقاطی که روی این خط قرار میگیرند همان دمای هوای خشک را نشان میدهند.محدوده این دما در نمودار،معمولا بین ۳۰ تا ۱۲۰ درجه فارنهایت میباشد.
نسبت رطوبت(humidity ratio) :
محور عمودی نمودار سایکرومتریک نشان دهنده مقدار بخار آب موجود بر واحد جرم هوای خشک میباشد.
حال با امتداد دادن نقاط مشخصی از روی محور های عمودی و افقی و تلاقی دادن آن ها به نقطه مشخصی در نمودار سایکرومتریک میرسیم که با کمک نمودار میتوانیم تمامی ویزگی های این نقطه را بدست اوریم.
دمای نقطه شبنم و رطوبت نسبی
وقتی که دمای هوا کم میشود چه اتفاقی می افتد؟چگونه در هنگام صبح قطرات آب بر روی سطح برگ ها تشکیل میشود؟
دمای هوا در طول شب کاهش پیدا کرده و بخار اب موجود در آن بر روی سطوح تقطیر میشود.وقتی دما کاهش پیدا میکند، هوا نمیتواند بخار آب را بیش از این در خود نگه دارد و بر روی سطوح مینشیند.این بدان معناست که میزان رطوبت موجود در هوا به دما وابسته است.
به عنوان مثال در دمای ۷۵ درجه فارنهایت و نسبت رطوبت ثابت(۶۰gr) با کاهش دما میزان رطوبت هوا کاهش پیدا نمیکند، تا زمانی که به ماکسیمم رطوبت خود برسد.در این مثال وقتی دما ۷۵ درجه است با کاهش دما رطوبت کم نمیشود تا زمانی که به دمای ۵۳ درجه برسد.این دما ،دمایی است که رطوبت به ماکسیمم مقدار خود میرسد و به آن دمای نقطه شبنم میگویند.این حداقل دمایی است که رطوبت در هوا باقی مانده و تقطیر نمیشود.(۶۰gr ثابت میماند.)
به خطوط انحنا دار که با رنگ مشکی مشخص شده اند خطوط رطوبت نسبی گفته میشود و آخرین خط منحنی در سمت چپ ، جاییست که رطوبت به ۱۰۰% خود میرسد.وقتی به این خط میرسیم با کاهش دما ،دیگر میزان رطوبت ثابت نمانده و تقطیر رخ میدهد و نسبت رطوبت کاهش می یابد.در این مثال اگر دما از ۵۳ درجه پایین تر برود و به ۴۸ درجه برسد نسبت رطوبت به عدد ۵۰gr میرسد.
نکته :برای رسیدن به دمای شبنم در هر شرایطی، نقطه آن روی نمودار را بصورت افقی و به سمت چپ امتداد داده و با خط رطوبت نسبی ۱۰۰% تلاقی میدهیم.با حرکت از نقطه تلاقی به سمت پایین دمای شبنم بدست می آید.
رطوبت نسبی نشان دهنده نسبت رطوبت موجود در هوا به ماکسیمم مقدار ممکن آن در هوا گفته میشود.خطوط سیاه رنگ نشان دهنده درصد های مختلف رطوبت نسبی میباشد.
برای نقاطی که روی این خطوط قرار ندارند, رطوبت نسبی به صورت روبرو تعیین میشود.
ابتدا مقدار نسبت رطوبت را از روی نمودار میخوانیم(۶۰gr)سپس در همان دمای ۷۵ درجه عدد نسبت رطوبت را در خط اشباع خوانده (۱۳۲gr) و با تقسیم این دو عدد بر هم رطوبت نسبی بدست می آید.
در مثالی دیگر برای اینکه بفهمیم ماکسیمم مقدار رطوبت نسبی در محیطی مانند اتاق چقدر باید باشد تا تقطیر بر روی سطح شیشه رخ ندهد ابتدا دمای اتاق و دمای پنجره را بدست می آوریم.با امتداد دادن دمای پنجره تا خط اشباع و تقاطع ان با دمای اتاق به نقطه ای در نمودار میرسیم که بر و روی یک خط رطوب نسبی قرار دارد.این خط نشان دهنده ماکسیمم مقدار مجاز رطوبت در اتاق برای جلوگیری از تشکیل قطرات آب بر روی سطح شیشه میباشد.که در شکل روبرو به صورت کامل مشخص شده است.
دمای حباب خیس (wet bulb temp)
یکی دیگر از مفاهیمی که در مورد شرایط هوا بکار رفته میشود دمای حباب خیس یا wb میباشد.برای رسیدن به این دما مطابق زیر عمل میکنیم.
فرض کنید حجمی از هوا در دمای ۷۵فارنهایت (db) و رطوبت ۶۰gr داریم.با عبور دادن این هوا از از اسپری آب مقداری از آب تبخیر میشود.به این دستگاه saturator میگویند.
با عبور هوا از اسپری آب دمای آن کاهش می یابد که علت آن جذت گرمای هوا توسط ذرات آّب است.در این مثال دمای آب از ۷۵ درجه به ۶۱.۵ درجه میرسد.در این دما رطوبت به ۸۲gr میرسد.به این دما که هوا پس از گذشتن از اسپری آب به آن میرسد دمای حباب خیس گفته میشود.در این مثال دمای ۶۱.۵ درجه فارنهایت دمای حباب خیس هوا در ۷۵ درجه دمای هوای خشک و رطوبت ۶۰gr میباشد. اندازه گیری دمای حباب خشک برای تمامی شرایط با این روند سخت است.بدین منظور از دستگاهی بنام sling psychrometer استفاده میشود که با سرعت بیشتر نتایج دقیق تری نیز به ما میدهد.
روش دیگر برا محاسبه دمای حباب خیس استفاده از نمودار سایکرومتریک است.در این نمودار خطوطی مورب وجود دارند که به آنها خطوط wb گفته میشود.این خطوط از پایین سمت راست نمودار شروع شده و تا منحنی اشباع ادامه پیدا میکند.با حرکت از شرایط مورد نظر در راستای این خطوط و امتداد تا خط اشباع به دمایی میرسیم که از محور افقی خوانده میشود.این دما همان دمای حباب خیس در شرایط اولیه ما می باشد.
حجم مخصوص
داده دیگری که نمودار سایکرومتریک به ما میدهد حجم مخصوص است.حجم مخصوص بیان کننده فوت مکعب اشغال شده به ازای هر پوند از هوا در دما و فشار معلوم می باشد.به عنوان مثال یک پوند از هوا در دمای ۷۵ درجه فارنهایت و رطوبت ۶۰gr حجمی برابر با ۱۳.۷ft ( t به توان ۳) دارد.اگر هوا تا دمای ۹۵ درجه افزایش یابد این حجم به عدد ۱۴ft ( t به توان ۳) میرسد.هوا به عنوان گاز با افزایش حجم چگالی اش کاهش می یابد.
اگر دما را تا ۵۵ درجه کاهش دهیم حجم آن به ۱۳ft ( t به توان ۳) میرسد.حجم و چگالی رابطه معکوس دارند.از همین رو است که در دمای پایین تر چگالی هوا بیشتر میشود زیرا حجم آن کاهش می یابد.
خطوط حجم مخصوص هم راستا با خطوط حباب خیس اما با شیب بیشتر میباشند که در نمودار سایکرومتریک قابل مشاهده است.
آنتالپی
مورد دیگری که میتوان از نمودار سایکرومتریک بدست آورد آنتالپی می باشد.آنتالپی کاربرد بسیار مهمی در طراحی سیستم های تهویه دارد زیرا میتوان به کمک آن میزان گرمای گرفته جذب شده یا دفع شده از فرآیند را مشخص کند.
خطوط آنتالپی موازی خطوط wb میباشند و برای خواندن آن ها با حرکت از نقطه مورد نظر در راستای این خطوط تا خارج از نمودار میتوانیم انتالپی را بدست آوریم.به عنوان مثال در دمای ۷۵ فارنهاییت و رطوبت ۶۰gr میزان انتالپی برابر با ۲۷.۵Btu/lb میباشد که در شکل روبرو قابل مشاهده است.
اگر در یک نقطه بخواهیم تمامی مواردی که تا کنون بحث شد را نشان دهیم به دیاگرام زیر میرسیم که تمامی داده ها شامل دمای حباب خشک و تر حجم مخصوص انتالپی نسبت رطوبت دمای شبنم رطوبت نسبی را به ما میدهد.
