نمودار سایکرومتریک| آموزش جامع به زبان ساده

این مجموعه از مقالات به بررسی نمودار سایکرومتریک به صورت مفصل می پردازد. این مجموعه مقالات ترجمه ای از کتابچه ای با همین نام از شرکت Trane است. 

سایکرومتریک چیست؟ 

        وقتی که یک سیستم تهویه مطبوع را طراحی می کنیم، دمای هوا و مقدار رطوبت آن و همچنین دیگر مشخصات هوا باید شناخته و طراحی شوند. هرگاه این مشخصات شناخته شدند، تهویه مطبوع می تواند تعریف شود. این آنالیز مشخصات هوا می تواند با استفاده از نمودار سایکرومتریک انجام شود. نمودار سایکرومتریک به صورت گرافیکی برخی مشخصات فیزیکی هوا را نشان می دهد. شناخت و دانستن ارتباط بین این مشخصات به آنالیز و طراحی تهویه مطبوع کمک می کند. 

مشخصات هوا

        در نگاه اول نمودار سایکرومتریک شبکه ای از خطوط دیده می شود. اما اگر به درستی استفاده شود، اطلاعات ارزشمندی را درباره ی مشخصات هوا خواهد داشت. 

چارت یا نمودار سایکرومتریک 5 مشخصه ی فیزیکی هوا را ارایه می دهد. 

1. دمای حباب خشک:

دمای حباب خشک چیست؟ دمای حباب خشک از طریق یک دماسنج که حسگر آن در محیط عادی و بدون خیس کردن و رطوبت زدن به حسگر قرار گرفته است خوانده می شود. یک دماسنج جیوه ای نصب شده روی دیوار، دمای حباب خشک را نشان می دهد. 

2. دمای حباب تر:

دمای حباب تر چیست؟دمای حباب تر از طریق یک دماسنج که حسگر آن توسط یک پارچه یا فتیله خیس شده است خوانده می شود. اختلاف دمای بین دما حباب تر و دمای حباب خشک به دلیل سرمایش تبخیری به وجود آمده در اثر رطوبت است. تبخیر دما را کاهش داده و بنابراین دماسنج دمای کمتری را نشان خواهد داد. 

اختلاف دمای حباب تر و خشک، همچنین خشکی هوا را نیز نشان می دهد. هر چه هوا خشک تر باشد، این اختلاف بیشتر است. 

3. نقطه شبنم:

نقطه شبنم چیست؟ مشخصه سوم هوا نقطه شبنم است.نقطه شبنم دمایی است که رطوبت هوا در این دما بر روی اجسام تقطیر می شود. (قطرات شبنم روی گیاهان )

هوای اشباع چیست؟ وقتی که دمای تر و دمای خشک و نقطه شبنم هوا مشابه هم باشند، هوا اشباع است. هوای اشباع هیچ رطوبت اضافی را نمی تواند در خود جای دهد. وقتی هوا در شرایط اشباع است، رطوبت اضافی به شکل رطوبت در بین هوا دیده می شود. هوای مه آلود یکی از این شرایط است. 

4. رطوبت نسبی 

رطوبت نسبی چیست؟ به مقایسه بین مقدار رطوبت کنونی هوا و مقدار رطوبتی که هوا در یک دمای خشک یکسان می تواند در خود نگه دارد را رطوبت نسبی می گویند. 

رطوبت نسبی با درصد نشان داده می شود. برای مثال اگر رطوبت نسبی هوایی 50 درصد باشد، این هوا شامل نصف مقدار رطوبتی است که هوا در این دما می تواند در خود نگه دارد. 

5. نسبت رطوبت 

نسبت رطوبت چیست؟ نسبت رطوبت در حقیقت وزن آب موجود در هواست. به عبارت دیگر نسبت رطوبت می تواند به عنوان میزان گِرَم آب در هر گرم هوای خشک اندازه گرفته شود. نسبت رطوبت با گرین رطوبت در هر پوند هوای خشک نیز تعریف می شود. در هر پوند 7000 گرین آب وجود دارد. 

برای مثال بیایید یک شرایط تابستانی در دمای خشک 95 درجه فارنهایت و 78 درجه فارنهایت دمای حباب تر را در نظر بگیریم.

        فقط یک نقطه روی نمودار سایکرومتریک هوا را با دماهایی که در این مثال داریم نشان می دهد. این نقطه جایی است که خط عمودی دمای خشک 95 درجه فارنهایت به خط افقی دمای حباب تر 72 درجه فارنهایت برخورد می کند. بعد از به دست آمدن نقطه برخورد، دیگر مشخصه های نمودار سایکرومتریک به دست می آید. در این مثال، نسبت رطوبت تقریبا 118 گرین رطوبت در هر پوند هوای خشک است. دمای نقطه شبنم نیز، تقریبا 72 درجه فارنهایت است. 

توجه کنید که نقطه برخورد بین دو منحنی رطوبت نسبی قرار دارد:

40 درصد و 50 درصد. رطوبت نسبی در این نقطه حدودا 47 درصد است. رطوبت نسبی دقیق بین دو منحنی را می توان به روش درون یابی پیدا کرد. 

ساخت یک جدول سایکرومتریک ساده

        برای درک بهتر نمودار سایکرومتریک و چرایی اینکه خطوط مختلف مشخصات هوا این گونه هم را قطع می کنند، می توانیم یک جدول ساده مثل جدول زیر بسازیم.         میزان رطوبتی که دما حمل می کند بستگی به دمای حباب خشک هوا دارد. این جدول حداکثر میزان بخار آبی که یک پوند هوای خشک می تواند نگه دارد را در دمای های حباب خشک مختلف نشان می دهد.  برای مثال در دمای 25 درجه فارنهایت، یک پوند هوای خشک می تواند 19.14 گرین آب را جذب و در خود نگهداری کند. 

هوا در دمای 30 درجه فارنهایت، می تواند 24.19 گرین آب را جذب کند. در دمای 35 درجه فارنهایت نیز قادر به جذب 29.94 گرین آب است. هر کدام از این شرایط نقطه اشباع نامیده می شود. 

رسم نقاط اشباع         این نقاط اشباع می توانند در یک نمودار با دمای حباب خشک در محور افق و نسبت رطوبت در محور عمود رسم شوند. 

در این حالت وقتی که چند نقطه اشباع رسم شد منحنی رطوبت نسبی روی نمودار سایکرومتریک شکل خواهد گرفت.         در حقیقت این نمودار منحنی رطوبت نسبی صد درصد را نشان می دهد. همانطور که پیش تر نیز اشاره شد، به نمودار رطوبت نسبی 100 درصد، نمودار اشباع نیز می گویند.

         تصور کنید که حجم رطوبت هوا، یک شرایط اولیه نشان داده شده در نقطه D را در جدول دارد. هوا دارای دمای حباب خشک 90 درجه فارنهایت و نقطه شبنم 90 درجه فارنهایت است. یک دما سنج با حباب تر، دمای حباب تر را 70 درجه فارنهایت نشان می دهد. از جدول می توان دریافت که رطوبت نسبی هوا حدودا 37 درصد است. 

بدون تغییر در مقدار رطوبت این حجم هوا، یک تغییر اساسی را در کاهش دما مشاهده می کنیم. 

نقطه C: همانطور که دمای حباب خشک از 90 درجه به 75 درجه فارنهایت کاهش پیدا می کند، دمای حباب تر از 70 درجه فارنهایت به 65.2 درجه فارنهایت کاهش می یابد. در این حالت نقطه شبنم در 60 درجه فرنهایت باقی می ماند. رطوبت نسبی نیر از 37 درصد به 60 درصد افزایش پیدا می کند. 

نقطهB: وقتی که دمای حباب خشک به 62 درجه فارنهایت می رسد، دمای حباب تر حدود 60.8 فارنهایت است. نقطه شبنم در این حالت در 60 درجه فارنهایت ثابت مانده و رطوبت نسبی 92 درصد است. 

نقطهA: در نهایت وقتی که دمای حباب خشک به 60 فارنهایت می رسد، هوا در این نقطه به این دلیل که هیچ تبخیر دیگری صورت نمی گیرد، توانایی کاهش بیشتر دمای حباب تر نخواهد داشت. هوا در این زمان اشباع شده و حاوی تمامی مقدار رطوبتی است که می تواند در این دما در خود نگه دارد. رطوبت نسبی 100 درصد در این زمان خواهیم داشت. 

در هر نقطه روی نمودار رطوبت نسبی 100درصد، هر سه دمای حباب خشک، نقطه شبنم و دمای حباب تر یکسان خواهند بود. 

        به علاوه دمای نقطه شبنم مشروط بر اینکه میزان رطوبت هوا ثابت بماند، با تغییر دمای حباب خشک تغییر نمی‌کند، صرفاً گرم کردن هوا، میزان رطوبت آن را تغییر نمی‌دهد. بنابراین، با گرم شدن هوا، وضعیت آن به صورت افقی در امتداد یک خط نسبت رطوبت ثابت حرکت می‌کند. در این مثال، گرم کردن هوای اشباع با دمای ۶۰ درجه فارنهایت، وضعیت هوا را در امتداد یک خط نسبت رطوبت افقی حرکت می‌دهد که مربوط به ۷۷.۵۶ گرین رطوبت ثابت در هر پوند هوای خشک است. خطوط افقی را می‌توان از هر نقطه اشباع به سمت راست نمودار رسم کرد. می‌توان برای هر مقدار نسبت رطوبت، یک خط افقی ترسیم کرد.

        می‌توان منحنی‌های اضافی را به نمودار اضافه کرد تا شرایط رطوبت نسبی کمتر از ۱۰۰٪ را نشان دهند. منحنی‌های نشان داده شده در فواصل ۱۰٪ هستند و شرایط رطوبت را از هوای کاملاً اشباع تا هوای کاملاً خشک نشان می‌دهند. وقتی هوا کاملاً خشک است، رطوبت نسبی آن نمی‌تواند با دما تغییر کند. بنابراین، شرایط ۰٪ توسط محور افقی نمودار نشان داده شده است.

این نمودار اساسی و پایه اکنون سه وضعیت هوا را نشان می‌دهد:

• دمای حباب خشک (خطوط عمودی)،
• نسبت رطوبت (خطوط افقی)
• و رطوبت نسبی (خطوط منحنی مورب).

       برای تکمیل این نمودار پایه، خطوط دمای مرطوب باید اضافه شوند.

بار دیگر، در شرایط اشباع، دمای مرطوب، خشک و نقطه شبنم برابر هستند. بنابراین، خطوط دمای مرطوب از منحنی اشباع شروع می‌شوند.

        برای مشاهده اینکه هنگام گرم شدن هوا، چه اتفاقی برای دمای مرطوب می‌افتد، با هوای اشباع در دمای خشک ۵۰ درجه فارنهایت شروع کنید. در این شرایط، هوا دارای رطوبتی تقریباً ۵۴ گرین در هر پوند است، همانطور که در شکل A نشان داده شده است. اگر دمای این هوا بدون تغییر رطوبت آن به دمای خشک ۷۵ درجه فارنهایت افزایش یابد، وضعیت هوا در امتداد خط نسبت رطوبت ثابت (۵۴ گرین در هر پوند) به سمت B حرکت خواهد کرد. دمای مرطوب این هوای گرم شده تقریباً ۶۰.۱ درجه فارنهایت است.

       خطی که از B به نقطه‌ای روی منحنی اشباع که نشان دهنده دمای اشباع ۶۰.۱ درجه فارنهایت (B') است، کشیده می‌شود، جهت خطوط دمای مرطوب را نشان می‌دهد. با انجام چندین بار اندازه‌گیری دمای مرطوب در شرایط مختلف، می‌توان خطوط دمای مرطوب را به نمودار اضافه کرد.

نمودار سایکرومتریک اکنون این پنج ویژگی هوا را تعریف می‌کند:

• دمای خشک (خطوط عمودی)،
• نسبت رطوبت و دمای نقطه شبنم (خطوط افقی)،
• رطوبت نسبی (خطوط منحنی)
• و دمای مرطوب (خطوط مورب).

        یک ویژگی دیگر هوا وجود دارد که در نمودار سایکرومتریک نمایش داده می‌شود حجم ویژه است. حجم ویژه به عنوان حجم  یک پوند هوای خشک در دما و فشار مشخص تعریف می‌شود. با گرم شدن یک پوند هوا، هوای گرم شده فضای بیشتری را اشغال می‌کند و در نتیجه حجم ویژه افزایش می‌یابد.
تأثیر تغییرات گرمای محسوس و رطوبت

        هنگامی که میزان گرمای محسوس یا میزان رطوبت هوا تغییر می‌کند، نقطه‌ای در نمودار سایکرومتریک که نشان دهنده شرایط اولیه هوا است به موقعیتی منتقل می‌شود که نشان دهنده شرایط جدید دما و یا رطوبت است.

به عنوان مثال، اگر گرمای محسوس هوا افزایش یابد، نقطه وضعیت هوا به صورت افقی به سمت راست حرکت می‌کند.
        برعکس، اگر گرمای محسوس از هوا گرفته شود، نقطه وضعیت هوا به صورت افقی به سمت چپ حرکت می‌کند. تا زمانی که رطوبت هوا بدون تغییر باقی بماند، نسبت رطوبت ثابت می‌ماند. بنابراین، این حرکت روی خطوط افقی نسبت رطوبت پیش می رود.
       از سمت دیگر، اگر رطوبت بدون تغییر دمای حباب خشک به هوا اضافه شود، وضعیت هوا در امتداد خط دمای حباب خشک به سمت بالا حرکت می‌کند.

       در نهایت، اگر رطوبت از هوا حذف شود بدون اینکه دمای حباب خشک آن تغییر کند، وضعیت هوا در امتداد خط دمای حباب خشک به سمت پایین حرکت می‌کند.
       تمام این تغییرات را در یک نمودار کنار هم قرار دهید تا جهت حرکت وضعیت هوا را با تغییر دمای حباب خشک یا میزان رطوبت نشان دهید.
       با این حال، در عمل، هم دمای حباب خشک و هم رطوبت هوا عموماً همزمان تغییر می‌کنند. وقتی این اتفاق می‌افتد، شرایط هوای حاصل از نقطه A با زاویه‌ای تغییر می‌کند. زاویه و جهت دقیق آن به نسبت گرمای محسوس و نهان اضافه یا حذف شده بستگی دارد. گرمای محسوس باعث تغییر در دمای حباب خشک هوا بدون تغییر در رطوبت می‌شود. گرمای نهان باعث تغییر در رطوبت هوا بدون تغییر در دمای حباب خشک می‌شود.

       برای تأمین آسایش تابستانی، هوا خنک و رطوبت‌زدایی می‌شود و شرایط هوا به سمت پایین و چپ حرکت می‌کند که منجر به دمای حباب خشک پایین‌تر و رطوبت کمتر می‌شود.

بخش دوم: ترکیب هوا 

       قبل از اینکه بتوان یک مسئله تهویه مطبوع را روی نمودار سایکرومتریک تجزیه و تحلیل کرد، باید شرایط هوایی که قرار است خنک یا گرم شود، مشخص باشد.
       هوای ورودی به کویل خنک‌کننده می‌تواند ۱۰۰٪ هوای بازگشتی (A) یا صد درصد هوای تازه (B) و یا ترکیبی از این دو (C) باشد.
       اگر هوای بیرون B با هوای برگشتی A مخلوط شود، شرایط مخلوط حاصل در جایی روی خط مستقیمی که دو نقطه را به هم متصل می‌کند، قرار می‌گیرد.

اگر مخلوط نصف نصف باشد، این شرایط در نقطه میانی خط بین A و B قرار می‌گیرد. اگر بیش از نیمی از مخلوط، هوای بازچرخشی A باشد، شرایط مخلوط به A نزدیک‌تر خواهد بود تا به B.

        در این مثال، ۱۰۰۰ فوت مکعب در دقیقه هوای بیرون (OA) با ۳۰۰۰ فوت مکعب در دقیقه هوای برگشتی (RA) مخلوط می‌شود تا جریان هوای ورودی به ۴۰۰۰ فوت مکعب در دقیقه برسد. ابتدا، درصد هوای بیرون در مخلوط تعیین می‌شود. این کار با تقسیم مقدار هوای بیرون بر مقدار کل هوا انجام می‌شود.

     مقدار هوای بیرون در این مثال ۲۵٪ از مخلوط را تشکیل می‌دهد، در حالی که هوای برگشتی ۷۵٪ باقی‌مانده را تشکیل می‌دهد.

مرحله بعدی تعیین دمای حباب خشک مخلوط هوا است.

35

        این کار با ضرب کردن دمای خشک هر شرایط هوا در درصد آن و جمع کردن نتایج انجام می‌شود.

برای مثال، اگر دمای خشک هوای بیرون ۹۵ درجه فارنهایت باشد و ۲۵٪ از مخلوط هوا را تشکیل دهد، ۲۳.۷۵ درجه فارنهایت (یا ۰.۲۵ × ۹۵) به دمای خشک مخلوط هوا کمک می‌کند.

        به طور مشابه، اگر دمای خشک هوای برگشتی ۸۰ درجه فارنهایت باشد، ۶۰ درجه فارنهایت (یا ۰.۷۵ × ۸۰) به دمای خشک مخلوط هوا کمک می‌کند.

        مجموع ۲۳.۷۵ درجه فارنهایت و ۶۰ درجه فارنهایت برابر با ۸۳.۷۵ درجه فارنهایت است که دمای خشک حاصل از این مخلوط هوا است.

        با بازگشت به نمودار سایکرومتریک، نقطه C، که در آن دمای حباب خشک ۸۳.۷۵ درجه فارنهایت روی خط A تا B قرار می‌گیرد، شرایط مخلوط هوا را نشان می‌دهد: ۸۳.۷۵ درجه فارنهایت در نقطه پایه و تقریباً ۷۰ درجه فارنهایت در نقطه پایه. از آنجا که مقدار هوای برگشتی درصد بیشتری (۷۵٪) از مخلوط را تشکیل می‌دهد، شرایط هوای مخلوط (C) به شرایط طراحی داخلی (A) بسیار نزدیک‌تر از شرایط طراحی خارجی (B) است.

__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

قسمت سوم:

        این قسمت به درک اصطلاح نسبت گرمای محسوس و نحوه نمایش آن در نمودار سایکرومتریک اختصاص داده شده است. نسبت افزایش گرمای محسوس به افزایش کل گرما یکی از مهمترین عوامل مؤثر بر الزامات سیستم تهویه مطبوع است.

       اگر فقط گرمای محسوس از هوا حذف شود، خطی که این تغییر را نشان می‌دهد از حالت اولیه به صورت افقی به سمت چپ حرکت می‌کند. این امر منجر به دمای حباب خشک پایین‌تری می‌شود، در حالی که میزان رطوبت (نسبت رطوبت) ثابت می‌ماند

        برعکس، اگر فقط گرمای نهان حذف شود، خط به صورت عمودی به سمت پایین در امتداد یک خط دمای خشک ثابت حرکت می‌کند. این منجر به کاهش رطوبت یا نسبت رطوبت می‌شود.
        اگر هر دو گرمای محسوس و نهان از هوا حذف شوند، شرایط هوای حاصل در سمت چپ و پایین‌تر از شرایط اولیه خواهد بود. نسبت گرمای محسوس و نهان حذف شده، جهت دقیق شرایط هوای حاصل را تعیین می‌کند.
        هوای تهویه مطبوع را به عنوان یک اسفنج تصور کنید. با ورود به اتاق، گرما و رطوبت را جذب می‌کند. میزان گرما و رطوبت جذب شده به دما و رطوبت هوای ورودی بستگی دارد. این "اسفنج"، یعنی هوای ورودی، باید به اندازه کافی خنک باشد تا گرمای محسوس اضافی اتاق را جذب کند و به اندازه کافی خشک باشد تا گرمای نهان اضافی اتاق (یعنی رطوبت) را جذب کند. بنابراین، گرمای محسوس و نهان اضافی در اتاق، دمای حباب خشک و حباب مرطوب مورد نیاز هوای ورودی را تعیین می‌کند.
        وقتی مقدار مورد نیاز گرمای محسوس و نهان به درستی از اتاق خارج نشود، شرایط مطلوب اتاق حفظ نمی‌شود. به عنوان مثال، اگر گرمای محسوس بیش از حد و گرمای نهان کافی حذف نشود، اتاق سرد و مرطوب به نظر می‌رسد. در نمودار سایکرومتریک، شرایط اتاق به سمت بالا و چپ حرکت می‌کند. از سوی دیگر، اگر گرمای نهان بیش از حد اما گرمای محسوس کافی حذف نشود، اتاق گرم و خشک به نظر می‌رسد. در نمودار سایکرومتریک، شرایط اتاق به سمت پایین و راست حرکت می‌کند. بنابراین، شرایط هوای ورودی باید به طور دقیق کنترل شود تا اطمینان حاصل شود که هر دو گرمای محسوس و نهان به نسبت‌های مناسب حذف می‌شوند. چندین ترکیب از دمای حباب خشک و حباب مرطوب وجود دارد که شرایط مطلوب اتاق را ایجاد می‌کند. هر یک از این ترکیب‌ها به مقدار متفاوتی از هوا نیاز دارند.