مقاله طراحی و ساخت کولر تبخیری دو مرحلهای جهت استفاده در مناطق گرم و خشک

بخشی از مقاله

طراحی و ساخت کولر تبخیري دو مرحلهاي جهت استفاده در مناطق گرم و خشک
چکیده
بخش عمدهاي از انرژي الکتریسیته تولیدي، در لوازم خانگی به مصرف میرسد. در فصل تابستان و به ویژه در مناطق گرمسیري بخش مهمی از مصرف انرژي الکتریکی خانوارها به سیستمهاي تبرید تراکمی(کولرهاي گازي) اختصاص مییابد. استفاده از کولرهاي آبی بجاي سیستمهاي تبرید تراکمی، یکی از روشهاي کاهش مصرف برق در مناطق خشک و نیمه خشک میباشد. در مناطق بسیار گرم و خشک از جمله مناطق گرمسیري غرب، بعضی نقاط جنوب غرب و جنوب که بیشینهي دماي هوا از 50 درجه سانتیگراد نیز فراتر میرود، کولرهاي آبی مرسوم به تنهایی شرایط آسایش (دماي 20 تا 25 درجه سانتیگراد) را فراهم نمیآورند. لذا استفاده از سیستمهاي خنک کنندهي تراکمی در مناطق ذکر شده به شدت در حال افزایش است که منجر به افزایش شدید مصرف انرژي الکتریکی میگردد. لذا نیاز به جایگزینی مناسب براي کولرهاي گازي احساس میگردد. به همین منظور در این تحقیق کولر تبخیري دو مرحلهاي مستقیم طراحی و ساخته شد، که متناسب با شرایط آب و هوایی مناطق گرم و خشک میباشد. آزمایشها در شهر مهران (از توابع استان ایلام)، در دماها و ساعات مختلف شبانه روز انجام شد، بدین منظور دما و رطوبت نسبی هواي محیط و خروجی کولر اندازه گیري شد. کمترین و بیشترین اختلاف دماي هواي ورودي و خروجی کولر دو مرحلهاي به ترتیب در دماي محیط 25 و 50 درجه و به میزان 9/5 و 24/5 درجه سانتیگراد بود. نتایج بدست آمده در مقایسه با کولر مرسوم مشابه نشان داد که در دماهاي مختلف، کولر دو مرحلهاي داراي خنک کنندگی بیشتري بوده، در مناطق گرمسیري مشابه محل آزمایش و در ماههاي گرم سال میتواند شرایط دماي آسایش را تامین نماید.

واژههاي کلیدي: کولر تبخیري، انرژي، رطوبت نسبی، دماي آسایش.

مقدمه
انرژي الکتریکی به عنوان یک ابزار ضروري براي توسعه زندگی فردي و اجتماعی همواره مطرح بوده و استفاده مناسب از آن علاوه بر کاهش سهم هزینههاي انرژي مشترکین خانگی، تجاري و عمومی، موجب حفظ منابع انرژي تجدید ناپذیر براي نسلهاي آینده میگردد. از دههي 1980 کشورهاي مختلف شروع به برنامهریزي و سیاستگذاري براي ارتقاي کارایی لوازم خانگی کردند و دستاوردهاي قابل توجهی نیز بدست آوردند.( (9 بر اساس اطلاعات مندرج در تراز نامه انرژي، بخش ساختمان (مشترکین بخش مسکونی، تجاري و عمومی) در حدود 35 درصد انرژي کل کشور و 50 درصد کل مصرف برق را به خود اختصاص داده اند و رشد مصرف آنها به طور متوسط به 8 درصد می رسد .(1) در این میان تجهیزات سرمایشی نقش عمدهاي را در مصرف انرژي الکتریکی این مشترکین خصوصا در ساعات پیک مصرف ایفا میکنند و متعادل نمودن مصرف انرژي الکتریکی و کند نمودن رشد آن براي توسعه اقتصادي کشور ضروري میباشد. استفاده از کولرهاي آبی به جاي سیستمهاي تبرید تراکمی که داراي مصرف انرژي الکتریکی بسیار بالایی هستند یکی از روشهاي کاهش مصرف برق در مناطق خشک و نیمه خشک میباشد. ولی سیستم هاي تبخیري مرسوم به علت عدم سرمایش مناسب، عدم تامین هوا مطابق شرایط آسایش، مصرف کنندگان را بسوي استفاده از سیستمهاي دیگر متمایل میکند. امروزه فراهم نمودن شرایط آسایش و تهویه مناسب محل زندگی و کار یکی از فاکتورهاي مهمی است که مد نظر مهندسان و سازندگان ابزارها و لوازم تهویهاي میباشد. شرایط آسایش براي مکانهاي مختلف بسته به نوع کارایی آنها متفاوت میباشد. به طور مثال این شرایط در یک اتاق اداري با یک اتاق خواب متفاوت خواهد بود، اما این شرایط آسایش با سه مشخصهي دماي خشک، رطوبت نسبی هوا، سرعت جریان هوا برآورد میگردد. در سالهاي اخیر تحقیقات فراوانی در مورد سیستمهاي خنک کننده تبخیري جهت بهبود کارکرد آنها صورت گرفته است، این امر نشان دهندهي اهمیت این سیستمها از نظر مصرف انرژي میباشد. جواهر زاده همکاران عملکرد کولر تبخیري غیر مستقیم را در شرایط آب و هوایی کشور مورد بررسی قرار دادند. تایج بدست آمده از مدل با نتایج تجربی مستخرج از دیگران مقایسه شده و خطایی در حدود 20% نشان داد. در نهایت توانایی استفاده از کولر تبخیري غیر مستقیم در کاهش دما و فراهم کردن شرایط آسایش براي چند شهر نمونه در ایران مطالعه شده است .(3) حاتمی و همکاران تاثیر به کارگیري سیستمهاي سرمایشی دو مرحلهاي تبخیري بر پیک بار سالیانه را مورد بررسی قرار دادند. نتایج بدست آمده نشان داد که بازده انرژي کولرهاي آبی دو مرحلهاي بین 31 تا 40 میباشد که نسبت به کولرهاي آبی متداول در کشور(داراي نسبت بازده انرژي 20 تا (30 و کولرهاي گازي (داراي نسبت بازده انرژي 2 تا 3 درصد) بالاتر بوده و شرایط هواي خروجی آن نیز مطلوبتر می باشد(.(2 ولایتی و همکاران اثر تابش نور آفتاب را بر مصرف آب کولرهاي آبی مورد بررسی قرار دادند، نتایج بدست آمده نشان داد که قرار دادن سایبان بر روي کولر، مصرف آب را تا 11 درصد کاهش داده است(.(7 نصیري مقدم و همکاران، راهکارها و منافع ارتقاي بازدهی انرژي در کولر آبی را مورد مطالعه قرار دادند. نتایج بدست آمده نشان داد که با توجه به فناوري موجود امکان عملی جهت ارتقاي بهره وري انرژي در کولر آبی وجود دارد منافع این کار به مراتب بیش از هزینههاي آن است(.(5 فرزاد در سال 1382 اثر دماي آب خنک کننده بر میزان سرمایش افزایش بازده کولرهاي آبی را مورد بررسی قرار داد. نتایج نشان داد که بر خلاف تصور کاهش دماي آب خنک کننده تاثیر محسوسی روي سرمایش بیشتر ندارد، ولی با تمهیداتی میتوان مصرف آب را کاهش داد .( 5)
مطالعات مختلف نشان داده که اغلب افراد در ناحیه دمایی در حدود 18 تا 25 درجه سلسیوس (محدوده آسایش) احساس راحتی میکنند که محدودهاي نسبتا کوچک است. در صورتی که دماي محیط کمتر از این محدوده باشد نیاز به تاسیسات گرمایشی، و در صورتی که دماي محیط بیش از این مقدار باشد به تاسیسات سرمایشی نیاز است. بسته به آب و هواي هر منطقه، تاسیسات سرمایشی مختلف و متفاوتی مورد استفاده قرار میگیرد. در حالی که در مناطق معتدل و نسبتا گرم و خشک، بیشتر از کولرهاي آبی استفاده میگردد، در مناطق گرم و مرطوب و ساحلی کولرهاي آبی عملا کارایی نخواهند داشت و بیشتر از کولرهاي گازي استفاده میشود. در مناطق بسیار گرم و خشک دماي بیشینه در تابستان حتی تا بیش 50 درجه سلسیوس بالا میرود، کولرهاي آبی موجود در این شرایط به سختی میتوانند دما را به حدود 30 درجه سلسیوس برسانند که خارج از محدوده آسایش است. لذا در این مناطق استفاده از کولرهاي گازي ضرورت پیدا میکند. این کولرها گرچه شرایط دمایی مناسبی را فراهم میآورند ولی بسیار پر مصرف و انرژي بر هستند. با توجه به موارد فوق، و توجه به اصلاح الگوي مصرف انرژي در زمینه تجهیزات خنک کننده، کولر تبخیري دو مرحلهاي ساخته شد که میتواند دماي هوا را در محدودهي آسایش تامین کند، و با توجه مصرف انرژي بسیار کم میتواند جایگزین مناسبی براي کولرهاي گازي در مناطق بسیار گرم و خشک باشد.

مواد و روشها
در یک سیستم سرمایش تبخیري، گرماي تبخیر باعث اخذ حرارت از یک شی و خنک شدن آن میگردد. ساده ترین مثال در این زمینه فرآیند تعرق بدن انسان میباشد که در آن بدن به منظور خنک کردن خود شروع به عرق کردن میکند. مقدار حرارت انتقالی به نرخ تبخیر، رطوبت نسبی هوا و دماي هوا بستگی دارد. به همین دلیل است که انسان در هواي داغ و مرطوب بیشتر عرق می کند.
کولرهاي آبی در واقع سیستم هاي سرمایشی تبخیري1 هستند و در مناطق خشک که الزامات تهویه هواي خارج بالایی دارند دارند مناسب هستند. به دلیل عدم استفاده از کمپرسور، هزینههاي انرژي سیستمهاي سرمایشی تبخیري بسیار کم و تنها مربوط به فن و پمپ است، که در مقایسه با کمپرسور در کولرهاي گازي مصرف انرژي بسیار پایینی محسوب میشود.
سیستمهاي سرمایش تبخیري در دو نوع مستقیم و با واسطه طراحی و ساخته میشوند. در سیستمهاي سرمایشی تبخیري مستقیم، آب مستقیما در مسیر جریان هوا پاشیده میشود. در سیستم سرمایشی تبخیري با واسطه براي افزایش سطح انتقال حرارت بین آب و هوا نیز از یک محیط واسطه استفاده میگردد. معمولا لایهاي از چوب رشته رشته شده ( پوشال) تحت عنوان واسطه در مقابل جریان هواي عبوري قرار میگیرد. این لایه بصورت مداوم مرطوب نگه داشته میشود، و آب موجود بر روي پوشال در تماس مستقیم با هواي ورودي قرار گرفته، تبخیر شده و گرماي نهان تبخیر خود را از هواي عبوري دریافت میکند . به این ترتیب دماي هواي خروجی از سیستم کاهش مییابد. در کولرهاي آبی موجود معمولا در سه وجه از ساختار مکعبی شکل کولر امکان تماس هواي ورودي با پوشال وجود دارد. به همین دلیل معمولا در بهترین حالت و وجود پوشال مرغوب و قرارگیري مناسب و مرطوب بودن کامل آن، در حدود 60 درصد از ظرفیت سرمایشی آب استفاده میشود(شکل .(1 دلیل این امر آن است که سطح تماس هوا با آب موجود بر روي پوشالها محدود است و فرصت کافی براي انتقال حرارت و خنک شدن کامل هوا وجود ندارد. در کولر آبی دو مرحلهاي ساخته شده این ضعف برطرف گردید . به این صورت که بر خلاف کولرهاي موجود که از یک بدنه مکعبی استفاده میشود، از دو بدنه مکعبی با اندازههاي متفاوت استفاده گردید. بدنهي کوچکتر بدنه اصلی کولر است، و الکترو موتور، پروانهي دمنده، پمپهاي آب، مدار برقی، خازن، شیر شناور، پوشالها و سایر متعلقات قرار گرفته در آن . بدنه بزرگتر محاط بر بدنه اصلی است، و داراي مخزن آب و محلهاي قرارگیري یک سري دیگر پوشال هاست. با توجه به بزرگتر بودن اندازه پوشالهاي بدنه بزرگتر و نیز پوشالهاي بدنهي داخلی با هم سطح پوشال در تماس با هوا بیش از 2/55 برابر افزایش یافت. افزایش سطح تماس هوا با آب باعث گردید که کارایی کولر بسیار افزایش یابد، به نحوي که اختلاف دماي هواي خروجی نسبت به ورودي که در کولرهاي مرسوم در حدود 7 تا 16 درجه سانتیگراد است، به حدود 10 تا 25 درجه افزایش یابد. در منطقهي مهران (محل انجام آزمایشات) که تابستانی بسیار گرم و خشک دارد، این کولر میتواند در تابستان که دماي هواي محیط تا حدود 50 درجه سلسیوس بالا میرود، دماي خروجی حدود 25 درجه سلسیوس را تامین کند. براي این کولر از دو پمپ آب مجزا با کلیدهاي جداگانه استفاده گردید، تا این قابلیت وجود داشته باشد که در صورت لزوم و یا پایین آمدن زیاد دما هر کدام از آنها یا هر دوي آنها خاموش شوند. بطور کلی برخی از مهمترین مزیتهاي دستگاه ساخته شده به شرح زیر است:
-1 امکان کاهش دما در دامنهاي وسیع در مناطق بسیار گرم و خشک. ( به عنوان نمونه کاهش دماي 47 درجه سلسیوس به محدوده آسایش و حدود 22 درجه ).
-2 مصرف انرژي بسیار کمتر در مقایسه با کولرهاي گازي.
-3 امکان استفاده به جاي کولرهاي گازي در مناطق بسیار گرم و خشک.
-4 افزایش 2/55 برابري سطوح خنک کننده تنها با حدود 17 درصد افزایش در ابعاد نهایی کولر. -5 هزینه کم ساخت در قیاس با عملکرد بدست آمده.