Psychrometric Processes - HVAC

When discussing psychrometric processes, it is crucial to understand the fundamental principles that govern the behavior of air-water vapor mixtures. Psychrometrics involves the study of the thermodynamic properties of moist air, which are essential for various applications such as HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) systems, meteorology, and industrial processes.

Table of Contents

Key Concepts in Psychrometrics

1. Dry Bulb Temperature (DBT): This is the temperature of air measured by a standard thermometer. It does not account for moisture content and is a primary indicator of thermal conditions.

2. Wet Bulb Temperature (WBT): This measurement is taken using a thermometer covered with a water-soaked cloth over which air flows. It reflects the cooling effect of evaporation and is always lower than or equal to the DBT.

3. Relative Humidity (RH): This is the ratio of the current absolute humidity to the highest possible absolute humidity (which depends on the current air temperature). Expressed as a percentage, RH indicates how saturated the air is with moisture.

4. Dew Point Temperature: The temperature at which air becomes fully saturated with moisture and water begins to condense. This is critical for predicting weather phenomena and managing indoor air quality.

نمودار رطوبت سنجی

A view of psychrometric chart is shown before. It shows the relationship between dry-bulb temperature (the temperature measured by a regular thermometer), wet-bulb temperature (the temperature measured by a thermometer with a wetted bulb), relative humidity (the amount of moisture in the air compared to the maximum amount it can hold at that temperature), and dew point temperature (the temperature at which the air becomes saturated and condensation begins).

The curved lines represent constant relative humidity, while the diagonal lines represent constant wet-bulb temperature.

The following equation represents the heat transfer in a thermodynamic process involving a fluid. Here, 𝑄_𝐶 is the heat added or removed, 𝑚𝑎ma is the mass flow rate of the fluid, ℎ₁ and ℎ₂ are the specific enthalpies at the initial and final states, respectively, and 𝐶_𝑝,𝑚 is the specific heat capacity at constant pressure. The term (𝑇₂−𝑇₁) denotes the temperature change of the fluid from the initial state 𝑇₁ to the final state 𝑇₂. This equation essentially states that the heat transfer 𝑄_𝐶 is proportional to the mass flow rate and the change in enthalpy or, equivalently, the product of the mass flow rate, specific heat capacity, and temperature change. This relationship is fundamental in thermodynamics for calculating the energy required to change the temperature of a fluid in various heating or cooling processes.

$$ Q_C=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a C p m\left(T_2-T_1\right) $$

The different psychrometric processes are shown in following. The chart illustrates the relationship between temperature (t) on the x-axis and humidity ratio (ω) on the y-axis. It is divided into different regions, each representing a specific psychrometric process. The eight main processes shown in the image are:

Evaporative Cooling: This process involves cooling the air through the evaporation of water, which decreases the dry-bulb temperature and increases the humidity ratio.
خنک کننده معقول: This process cools the air without changing its moisture content, resulting in a decrease in the dry-bulb temperature.
گرمایش معقول: This process heats the air without altering its moisture content, leading to an increase in the dry-bulb temperature.
Heating + Humidity: This process involves heating the air while increasing its moisture content, resulting in an increase in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
Cooling + Dehumidification: This process cools the air while reducing its moisture content, leading to a decrease in both the dry-bulb temperature and the humidity ratio.
Dehumidification: This process removes moisture from the air without changing its dry-bulb temperature.
Humidification: This process adds moisture to the air without changing its dry-bulb temperature.
Heating + Humidification: This process involves heating the air while reducing moisture, increasing the dry-bulb temperature and reducing the humidity ratio.

فرآیندهای روان سنجی

خنک کننده معقول

در طی این فرآیند، میزان رطوبت هوا ثابت می ماند اما دمای آن با عبور از روی یک سیم پیچ خنک کننده کاهش می یابد. برای ثابت نگه داشتن رطوبت، سطح کویل خنک کننده باید خشک و دمای سطح آن بیشتر از دمای نقطه شبنم هوا باشد. اگر کویل خنک کننده 100% موثر باشد، دمای خروجی هوا برابر با دمای کویل خواهد بود. اما در عمل دمای هوای خروجی بالاتر از دمای کویل خنک کننده خواهد بود.شکل زیرفرآیند خنک سازی معقول 2-1 را در نمودار سایکرومتریک نشان می دهد. نرخ دفع گرما در طول این فرآیند به وسیله:

فرآیند خنک‌سازی معقول 2-1 در نمودار روان‌سنجی

گرمایش معقول

During Sensible Hating process, the moisture content of air remains constant and its temperature increases as it flows over a heating coil. The heat addition rate during this process is given by:

$$ Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)=m_a c_{p m}\left(T_2-T_1\right) $$

جایی کهج_PMگرمای مخصوص مرطوب است (≈1.0216کیلوگرم بر کیلوگرمهوای خشک) ومتر_آنرخ جریان جرمی هوای خشک است (کیلوگرم در ثانیه)

خنک کننده و رطوبت زدایی

هنگامی که هوای مرطوب در زیر نقطه شبنم خود با تماس با سطح سرد خنک می شود، مقداری از بخار آب موجود در هوا متراکم می شود و جریان هوا را به صورت مایع خارج می کند و در نتیجه هم نسبت دما و هم رطوبت هوا کاهش می یابد. همانطور که نشان داده شده کاهش می یابد. این فرآیندی است که هوا در یک سیستم تهویه مطبوع طی می کند. مسیر واقعی فرآیند به نوع سطح سرد، دمای سطح و شرایط جریان بستگی دارد، اما برای سادگی، خط فرآیند یک خط مستقیم در نظر گرفته می‌شود که در شکل نشان داده شده است.شکل 8.11. نرخ انتقال گرما و جرم را می توان بر حسب شرایط اولیه و نهایی با اعمال معادلات بقای جرم و بقای انرژی به صورت زیر بیان کرد:

By applying mass balance for the water: $$ m_a \cdot \omega_a=m_a \cdot \omega_2+m_w $$ By applying energy balance: $$ m_a \cdot h_a=Q_r+m_w \cdot h_w+m_a \cdot h_2 $$ From the above two equations, the load on the cooling coil, $Q_t$ is given by: $$ Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right)-m_a\left(\omega_1-\omega_2\right) h_w $$

2^دومعبارت RHS معادله فوق معمولاً در مقایسه با سایر اصطلاحات کوچک است، بنابراین می توان از آن صرف نظر کرد. از این رو،

$$ Q_r=m_a\left(h_1-h_2\right) $$

می توان مشاهده کرد که فرآیند خنک سازی و رطوبت زدایی شامل فرآیندهای انتقال حرارت نهان و محسوس است، از این رو، نرخ انتقال حرارت کل، نهان و محسوس (س_ر،س_من، وس_s) را می توان به صورت زیر نوشت:

$$ \mathrm{Q}_{\mathrm{r}}=\mathrm{Q}_1+\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} $$ where $$Q_1=m_a\left(h_1-h_w\right)=m_a \cdot h_{f g}\left(\omega_1-\omega_w\right)$$ and $$Q_s=m_a\left(h_w-h_2\right)=m_a \cdot c_{p m}\left(T_1-T_2\right)$$

ضریب حرارت محسوس (SHF)

به عنوان نسبت نرخ انتقال حرارت محسوس به کل تعریف می شود (Q_تی) ، یعنی

$$ \mathrm{SHF}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} / \mathrm{Q}_{\mathrm{t}}=\mathrm{Q}_{\mathrm{s}} /\left(\mathrm{Q}_{\mathrm{s}}+\mathrm{Q}_{\mathrm{l}}\right) $$

از معادله بالا می توان مشاهده کرد که SHF 1.0 مربوط به عدم انتقال حرارت نهان و SHF 0 مربوط به عدم انتقال حرارت محسوس است. SHF از 0.75 تا 0.80 در سیستم های تهویه مطبوع در آب و هوای خشک معمولی بسیار رایج است. مقدار کمتر SHF، مثلاً 0.6، دلالت بر بار گرمای نهان بالا دارد، مانند آنچه در آب و هوای مرطوب رخ می دهد.

دما، Ts، دمای موثر سطح سیم پیچ خنک کننده است و به عنوان دمای نقطه شبنم دستگاه (ADP) شناخته می شود. در شرایط ایده آل، زمانی که تمام هوا در تماس کامل با سطح کویل خنک کننده قرار می گیرد، دمای خروجی هوا با ADP سیم پیچ برابر خواهد بود. با این حال، در حالت واقعی، دمای خروجی هوا همیشه بیشتر از دمای نقطه شبنم دستگاه خواهد بود که دلیل آن توسعه لایه مرزی است، زیرا هوا بر روی سطح کویل خنک کننده جریان می یابد و همچنین به دلیل تغییرات دما در امتداد پره ها و غیره. ، می توانیم a را تعریف کنیمضریب بای پس (BPF)همانطور که به راحتی می توان مشاهده کرد که ضریب بای پس بالاتر، تفاوت بین دمای خروجی هوا و دمای کویل خنک کننده بزرگتر خواهد بود. وقتی BPF 1.0 باشد، تمام هوا از سیم پیچ دور می زند و هیچ خنک کننده یا رطوبت زدایی وجود نخواهد داشت.

$$ \mathrm{BPF}=\frac{T_c-T_s}{T_a-T_s} ; \mathrm{CF}(\text { Contact Factor })=1-\mathrm{BPF} $$

جایی کهتی_جدمای خروجی هوا،تی_آدمای هوای ورودی است وتی_sدمای سطح کویل خنک کننده است.

گرمایش و رطوبت

در فصل زمستان گرما و رطوبت هوای اتاق برای راحتی ضروری است. این کار معمولاً با گرم کردن معقول هوا و سپس اضافه کردن بخار آب به جریان هوا از طریق نازل های بخار انجام می شود.

تعادل جرمی بخار آب برای حجم کنترل نرخی را به دست می دهد که در آن بخار باید اضافه شود، به عنوان مثال،متر_w:

$$ m_w=m_a\left(\omega_2-\omega_1\right) $$

کجا م_آنرخ جریان جرمی هوای خشک است. از تعادل انرژی:

$$ Q_h=m_a\left(h_2-h_1\right)-m_w h_w $$

جایی کهس_ساعتگرمایی است که از طریق کویل گرمایشی تامین می شود وساعت_wآنتالپی بخار است. از آنجایی که این فرآیند شامل انتقال همزمان گرما و جرم نیز می‌شود، می‌توانیم یک ضریب حرارتی معقول را برای فرآیند به روشی شبیه به فرآیند خنک‌سازی و رطوبت‌زدایی تعریف کنیم.

خنک کننده و رطوبت

همانطور که از نام آن پیداست در طی این فرآیند دمای هوا کاهش می یابد و رطوبت آن افزایش می یابد. این را می توان با پاشیدن آب خنک در جریان هوا به دست آورد. دمای آب باید کمتر از دمای حباب خشک هوا باشد اما بالاتر از دمای نقطه شبنم آن باشد تا از تراکم جلوگیری شود.تی_DPT<تی₂<تی₁)

در طی این فرآیند، انتقال حرارت محسوس از هوا به آب و انتقال گرمای نهان از آب به هوا وجود دارد. بنابراین، کل انتقال حرارت به دمای آب بستگی دارد. اگر دمای آب پاشیده شده برابر با دمای حباب مرطوب هوا باشد، سرعت انتقال خالص صفر خواهد بود زیرا انتقال حرارت محسوس از هوا به آب برابر با انتقال گرمای نهان از آب به هوا خواهد بود. اگر دمای آب بیشتر از WBT باشد، انتقال حرارت خالص از آب به هوا وجود خواهد داشت. اگر دمای آب کمتر از WBT باشد، انتقال حرارت خالص از هوا به آب خواهد بود. در یک حالت خاص که آب اسپری به طور کامل چرخش می شود و نه گرم می شود و نه خنک می شود، سیستم کاملاً عایق می شود و آب آرایشی در WBT تامین می شود، سپس در حالت پایدار، هوا تحت یک فرآیند اشباع آدیاباتیک قرار می گیرد که در طی آن WBT آن باقی مانده استثابت. این فرآیند اشباع آدیاباتیک است. فرآیند خنک‌سازی و مرطوب‌سازی در دستگاه‌های مختلفی مانند کولرهای تبخیری، برج‌های خنک‌کننده و غیره دیده می‌شود.

گرمایش و رطوبت زدایی

این فرآیند را می توان با استفاده از یک ماده رطوبت سنجی، که بخار آب را از رطوبت جذب یا جذب می کند، به دست آورد. اگر این فرآیند از نظر حرارتی ایزوله شود، آنتالپی هوا ثابت می ماند، در نتیجه با کاهش رطوبت هوا، دمای هوا افزایش می یابد. این ماده جاذب رطوبت می تواند جامد یا مایع باشد. به طور کلی، جذب آب توسط مواد رطوبت سنجی یک واکنش گرمازا است، در نتیجه گرما در طی این فرآیند آزاد می شود که به هوا منتقل می شود و آنتالپی هوا افزایش می یابد.