تهویه مطبوع - کولر گازی - سیستم های سرمایشی گرمایشی

تهویه مطبوع

تهویه ی مطبوع که به اختصار AC نیز نامیده می شود، فرایندی است که طی آن هوای گرم را از یک محیط بسته خارج کرده و بدین ترتیب باعث سرمایش و همچنین کاهش رطوبت هوا می گردد. تهویه ی مطبوع در محیط های مختلفی از جمله ساختمان های خانگی و تجاری مورد استفاده قرار می گیرد و به منظور دستیابی به محیطی تازه تر و راحت تر برای زندگی انسانها و حیوانات به کار می رود. اگرچه ، سیستم های تهویه ی هوا مانند کولر گازی، برای مصارف دیگری نیز استفاده می شوند: مثلا برای سرمایش و کاهش رطوبت اتاق هایی که در آن وسایل الکترونیکی زیادی مانند سرورهای کامپیوتری و تقویت کننده های توان وجود دارند و حتی گاهی اوقات برای نمایش و فروشگاه آثار هنری به کار می رود.

 

سیستم تهویه مطبوع

سیستم های تهویه ی مطبوع معمولا از یک فن برای توزیع هوای مطبوع درون یک ساختمان یا ماشین استفاده می کنند و باعث بهبود کیفیت هوا می شود. سیستم های تهویه مطبوع که بِیس آنها یخچال های الکتریکی هستند، از ساختارهای کوچک قابل حمل، که عمل سرمایش اتاق های کوچک را انجام می دهند، گرفته تا واحدهای عظیم که بر روی سقف برج های اداری نصب شده و سرمایش کل یک ساختمان را انجام می دهند. عمل سرمایش، معمولا طی یک چرخه ی تبرید به دست می‌آید، اما گاهی اوقات نیز از عمل تبخیر استفاده می شود. برخی سیستم های تهویه مطبوع، می توانند بر اساس مواد خشکاننده (مواد شیمیایی که باعث ازبین رفتن رطوبت هوا می شوند) و همچنین لوله های زیرزمینی که هوای گرم را به منظور خنک کردن به زیر زمین توزیع می کنند، ساخته شوند.

به معنای وسیع کلمه، تهویه مطبوع به هر شکل از تکنولوژی گفته می شود که موجب تغییر و بهبود هوا می شود، مانند گرمایش، سرمایش، مرطوب کردن و رطوبت زدایی، پاکسازی، یا به جریان انداختن هوا.

 

سیستم تهویه مطبوع در داخل اتاق

تاریخچه

سیستم خنک سازی تبخیری

 از زمان های ماقبل تاریخ، همواره از یخ و برف به عنوان خنک کننده استفاده می شده است. در اواخر قرن ۱۷ نیز کسب وکار برداشت یخ و برف در فصول زمستانی و استفاده و ذخیره ی آن برای فصول گرم و تابستانی ، رونق گرفت. سپس این عمل توسط ماشین آلات مکانیکی جایگزین شد. مفهوم اساسی تهویه مطبوع به روزگار مصر باستان بر میگردد، یعنی زمانی که نی ها را از پنجره هایشان آویزان میکردند و با استفاده از آب چکنده بر روی آنها، آنها را مرطوب می کردند. این فرایند باعث مرطوب شدن هوا می شد که در آن آب و هوای خشک و بیابانی مصر، تاثیر بسزایی در رطوبت هوا داشت. در ایران دوره ی قرون وسطی، از تکنیک های دیگری مانند استفاده از مخازن و برج های بادی ، برای سرمایش ساختمان ها و عمارت ها در طول فصل گرما بهره می برده اند.

در قرن دوم میلادی،‌ اختراع فن دوار توسط یک فرد چینی به نام دینگ خوان ، عمل تهویه مطبوع را انجام میداد، که این وسیله از هفت چرخ که قطر هرکدام ده متر بود، ساخته می شد و از زندانیان برای به حرکت در آوردن آن استفاده می کردند.

در قرن ۱۷ نیز کورنلیس دربل، با افزودن نمک به آب توانست سیستمی طراحی کند که مانند نقطه عطفی برای رفتن به زمستان در فصل تابستان محسوب می شد.

توسعه خنک کننده های مکانیکی

تهویه مطبوع مدرن در طول قرن ۱۹ میلادی، با پیشرفت هایی که در علم شیمی صورت گرفت، پا به عرصه نهاد و اولین سیستم تهویه مطبوع الکتریکی که در مقیاس بزرگ ساخته شد و مورد استفاده قرار گرفت، در سال ۱۹۰۲ توسط مخترع امریکایی ویلیس کریر اختراع شد. ظهور سیستم های تهویه مطبوع مسکونی، در دهه ی ۱۹۲۰، باعث مهاجرت های عظیمی به منطقه ی سان بِلت در ایالات متحده شد. در سال ۱۷۵۸، بنیامین فرانکلین و جان هدلی که یک پروفسور شیمیدان در دانشگاه کمبریج بود، رهبری آزمایشی را برعهده گرفت و میخواستند از اصول تبخیر مواد به منظور سرمایش سریع یک جسم استفاده کنند. آنها این نکته را دریافتند که تبخیر مایعات بسیار فرار مانند الکل و اتر، می تواند به  کاهش دمای یک جسم بسیار کمک کند. آنها آزمایش خود را با یک لامپ حاوی جیوه (دماسنج) به عنوان جسم مورد نظر، انجام دادند و درجه حرارت آن را تا ۱۴- درجه سانتی گراد پایین آوردند، در حالیکه دمای محیط ۱۸+ درجه بود. فرانکلین ادعا کرد که به محض آنکه از نقطه انجماد آب گذشتند (دمای صفر درجه سانتی گراد)، لایه ی نازکی از یخ سطح شیشه ی دماسنج را پوشاند که ضخامت آن در دمای ۱۴- درجه، حدود ۶ میلیمتر بود. فرانکلین از این آزمایش چنین نتیجه گرفت که: امکان مرگ یک نفر از یخ زدگی در یک روز گرم تابستانی، ‌محتمل است!

در سال ۱۸۲۰ دانشمند و مخترع انگلیسی، مایکل فارادی دریافت که فشرده سازی و میعان آمونیاک، زمانیکه به آن اجازه ی تبخیر هم بدهیم، می تواند باعث خنک شدن هوا شود.

 در سال ۱۸۴۲ فیزیکدان فلوریدایی، جان گوری از تکنولوژی کمپرسورها برای تشکیل یخ استفاده کرده و آن را برای خنک سازی هوا در بیمارستانش در فلوریدا به کار برد. او امیدوار بود که در نهایت بتواند از ماشین یخ ساز خود برای تنظیم درجه حرارت ساختمان ها استفاده کند. او حتی ایده ی تهویه مطبوع مرکزی، که می تواند سردسازی شهرها را انجام دهد را نیز در سر خود می پروراند. با این حال که نمونه ی اولیه ای که ساخت دچار درز و نشتی و نامنظمی هایی بود، اما توانست حق ثبت اختراع را در سال ۱۸۵۱ برای دستگاه یخ سازش دریافت کند. اگرچه روندی که او پیشنهاد کرد، تولید مصنوعی یخ را بهبود بخشید، اما با مرگ پشتیبان مالی اش، تمام امیدهای وی برای موفقیت از بین رفت و او نتوانست سرمایه ای برای تحقق بخشیدن به رویاهایش دست و پا کند. دکتر گوری در سال ۱۸۵۵ در فقر مرد و رویای رایج و همه گیر شدن تهویه مطبوع، تا ۵۰ سال بعد به تاخیر افتاد.

اولین ماشین یخ ساز جیمز هریسون در سال ۱۸۵۱ در استرالیا شروع به کار کرد. پس از آن اولین ماشین یخ ساز تجاری او در سال ۱۸۵۳ ارائه شد و گواهی ثبت اختراع را در سال ۱۸۵۵، به خاطر سیستم تبرید که بر اساس فشرده سازی بخار کار میکرد، دریافت کرد. این دستگاه جدید،‌ از یک کمپرسور جهت عبور گاز تبریدی به درون یک مخزن استفاده می کرد که در آنجا سرد شده و عمل میعان صورت می گرفت. سپس این گاز میعان شده درون هسته های تبریدی به گردش در می آمد و دوباره تبدیل به بخار می شد و باعث خنک سازی محیطش می شد. این دستگاه روزانه ۳۰۰۰ کیلوگرم یخ تولید می کرد.

اگرچه هریسون با تاسیس شرکت یخ در سیدنی در سال ۱۸۶۹ به موفقیت های تجاری دست یافت، اما بعد از آن با شرکت های آمریکایی که گوشت یخ زده به انگلستان صادر می کردند، به رقابت پرداخت. او نوشت: گوشت تازه ی منجمد و بسته بندی شده همانطور که برای مسافرت ها کاربرد دارد، بنابراین فرایند منجمد کردن گوشت می تواند برای هر مدت زمانی که احتیاج داشته باشیم به کار رود. او در سال ۱۸۷۳ کشتی قایقرانی نورفولک را بطور آزمایشی برای حمل گوشت گاو به انگلستان آماده و راه اندازی کرد. انتخاب یک اتاق سرد به جای آنکه یک سیستم تبرید برای قایقش نصب کند، باعث شد که به دردسر بیفتد و خیلی زودتر از آن که پیش بینی کرده بود، ذخایر یخ مصرف شدند.

خنک کننده های الکترومکانیکی

Willis Carrier

در سال ۱۹۰۲، اولین سیستم تهویه مطبوع الکتریکی توسط ویلیس کریر در شهر بوفالو، نیویورک اختراع شد. ویلیس کریر پس از فارغ التحصیلی از دانشگاه کورنل، در شرکت بوفالو استخدام شد. در آنجا ، شروع به انجام آزمایش هایی برای تهویه مطبوع، به عنوان راه حلی برای مشکلات کاربردی برای شرکت سِکت-ویلهلم در بروکلین ، نیویورک بود. اولین سیستم تهویه مطبوع توسط کریر طراحی و راه اندازی شد. این دستگاه که کریر طراحی کرده بود، به منظور بهبود کنترل فرایند تولید در یک دستگاه چاپ بود، و نه تنها دما را ، بلکه رطوبت را نیز کنترل می کرد. کریر از دانش خود در مورد گرمایش اجسام از طریق بخار، استفاده کرده و این فرایند را معکوس کرد. به جای فرستادن هوا به داخل هسته های داغ، آن را به درون هسته های سرد فرستاد ( که با آب سرد پر شده بودند). اینگونه هوا سرد شده و میزان رطوبت هوای داخل اتاق قابل کنترل بود. این کنترل دما و رطوبت، باعث حفظ سازگاری میان ابعاد کاغذ و هم ترازی جوهر می شد. پس از آن، از این فناوری کریر، به منظور افزایش بهره وری در محل کار استفاده شد، در نتیجه شرکت تهویه مطبوع کریر در آمریکا، برای بالابردن سطح تقاضای این محصول تشکیل شد. با گذشت زمان، استفاده از تهویه مطبوع در خانه ها و اتومبیل ها نیز به منظور راحتی بیشتر، رایج شد. فروش این محصول در مصارف مسکونی در دهه ۱۹۵۰ بطور چشمگیری افزایش یافت. در سال ۱۹۰۶، استوارت کرامر که اهل شارلوت بود، به دنبال راهکارهایی برای افزایش رطوبت در کارخانه نساجی خود بود. کرامر از اصطلاح تهویه مطبوع،حین ادعای ثبت اختراع این وسیله که مشابه تصفیه ی آب بود، استفاده کرد و آن را آسان کننده ی فرایند ساخت منسوجات دانست. او رطوبت و تهویه را به منظور تصفیه ی هوا با یکدیگر در آمیخت و هوای آلوده در کارخانه ها را تصفیه کرد، و رطوبت هوا را تحت کنترل درآورد که این امری بسیار ضروری در نساجی گیاهان است. ویلیس کریر این اصطلاح را برای نام شرکت برگزید. کمی بعد از آن، اولین خانه ی خصوصی که تهویه مطبوع مجهز بود، در سال ۱۹۱۴ در مینیاپولیس ساخته شد که مالک آن نیز چارلز گیتس بود. دیوید پیر دوبوس (۱۸۹۸- ۱۹۹۴ ) با پی بردن به این نکته که تهویه مطبوع روزی به عنوان یکی از ویژگی های استاندارد خانه های مسکونی به شمار خواهد رفت، مخصوصا در مناطقی که اقلیم گرم دارند، شبکه ای از کانال ها و دریچه ها را برای خانه خود طراحی کرد که طرحی تغییر شکل یافته از گچبری های جذاب و جالب سبک باز گرجستانی بود. اعتقاد بر این است که این خانه اولین خانه خصوصی است که در ایالات متحده مجهز به تهویه مطبوع مرکزی است.

در سال ۱۹۴۵ روبرت شرمن که اهل ماساچوست بود، یک دستگاه تهویه مطبوع قابل حمل اختراع کرد که عمل سرمایش، گرمایش، مرطوب کردن، رطوبت زدایی و تصفیه هوا را انجام می داد.

توسعه مبرد

نخستین دستگاه های تهویه مطبوع مانند یخچال ها و فریزها، به دلیل استفاده از گازهای سمی و قابل اشتعال مانند آمونیاک، متیل کلرید و پروپان، در صورت نشت گاز باعث خطر مرگ و میر می شدند.

نمونه ای از کمپرسور تبریدی مدرن

توماس میدگلی نخستین گاز غیرسمی و غیرمشتعل کلروفلروکربن را در سال ۱۹۲۸ ساخت و در تجارت آن را با عناوینی چون CFC یا HCFC یا HFC نیز می شناسند. ترکیبی که بیشترین استفاده ی خانگی و مسکونی را دارد نوعی هیدروکلروفلوروکربنHCFC است که به نام کلرودی فلورمتان شناخته می شود. دی کلرودی فلرومتان تا سال ۱۹۹۴ رایج ترین ترکیبی که بود که در ایالات متحده برای اتومبیل ها اسفاده می شد و به خاطر اینکه به لایه اوزون آسیب می رساند آن را با ترکیب دیگری جایگزین کردند. ترکیب های R-11 و R-12 دیگر به این منظور در ایالات متحده تولید نمی شوند، بنابراین تنها منبع برای مقاصد تهویه مطبوع، گاز پاک و تصفیه شده ای است که از سیستم های تصفیه کننده به دست می آید. چندین گاز مبرد دیگر که تخریب کننده ی لایه ی اوزون هم نیستند، مانند R-410A رو به پیشرفت بوده اند که این گاز برای اولین بار توسط کریر کراپ و با نام تجاری پورون مورد استفاده قرار گرفت.

گازهای مبردی مدرن به دلیل امینت بیشتر محیط زیستی که نسبت به گازهای کلروفلوروکربن داشتند، جایگزین آنها شده اند. گازهای CFC در اوایل و نیمه های قرن بیستم مورد استفاده قرار می گرفته اند. این گازهای مدرن شامل HCFCs ( R-22 که تا قبل از ۲۰۱۱ در اکثر مصارف خانگی و مسکونی به کار می رفت) و HFCs (R-134a که در بیشتر ماشین ها استفاده می شد) می شوند که جایگزین تعداد زیادی از مصارف CFC ها شده اند. HCFC ها نیز به نوبه خود، تحت پروتکل مونتریال، با HFC هایی نظیر R-410A جایگزین شده اند که فاقد گاز کلر هستند. HFC ها همچنین مشکلاتی در تغییر اقلیم های منطقه ای ایجاد می کنند. علاوه بر این، نفوذ امنیتی و سیاسی مدیران شرکت ، در مقابل تغییرات مقاومت می کردند؛ شرکت اصرار داشت هیچ جایگزینی برای HFC ها وجود ندارد. سازمان محیط زیست گرین‌پیس در سال ۱۹۹۲ از یک آزمایشگاه اروپایی برای جایگزین اوزون و همچنین مبرد های ایمن برای محیط زیست، تقاضای بررسی و تحقیق کرد و سپس حق ثبت اختراع برای کشف ترکیبی از ایزوپنتان و ایزوبوتان را به دست آورد، اما نهایتا این تکنولوژی را برای دسترسی همگان باز گذاشت.

 اصول عملکردی

چرخه تبرید

در چرخه تبرید ، گرما از یک جای گرم به یک جای سردتر منتقل می شود. برای اینکه گرما در جهت مخالف جابجا شود، باید کار انجام شود. یخچال ، مثالی از چنین سیستمی است، که در آن گرما را از محیط داخلی خارج کرده و به محیط اطراف منتقل می کند. یک مبرد، به عنوان واسطه ای به کار می رود که گرمای محیط را جذب و حذف کرده و به این ترتیب باعث خنک شدن می شود.

شمای کلی چرخه تبرید

بخارِ در حال گردشِ مبرد، وارد کمپرسور شده و در آنجا دما و فشارش افزایش می یابد. در این مرحله بخار مبرد آن چنان داغ و پرفشار شده است که قابلیت چگالش دارد و به داخل یک چگالنده هدابت می شود. در اینجا با استفاده از جریان های هوایی که در سراسر هسته های چگالنده در حال گردش هستند، بخار مبرد سرد شده و به مایع تبدیل می شود ( میعان رخ می دهد). بنابراین مبردِ در حال گردش، گرما را از سیستم خارج کرده و این گرما از طریق هوا به بیرون خارج می شود. عمل حذف گرما را می توان با ریختن آب بر هسته های چگالنده، بسیار تسریع و تکمیل نمود؛ چرا که این عمل باعث سرد شدن هسته ها حین اصابت با شیرهای انبساط  می شود.

مایع مبرد که اکنون چگالیده، تحت فشار، و هنوز کمی داغ است اکنون به داخل شیر انبساط هدایت می شود (این شیرمعمولا یک سوراخ سوزنی مانند است که در لوله های مسی سیستم تعبیه شده است) و در این شیر دچار کاهش ناگهانی فشار می شود. این کاهش فشار، باعث تقطیر ناگهانی بخشی از مایع مبرد گردیده، و دمای آن را تا حد زیادی کاهش می دهد. سیستم های تهویه مطبوع هواپیما برای سرسازی از توربین استفاده می کنند که بازده بیشتر دارند اما پیچیده تر هستند. سپس مبرد سرد شده به درون اواپراتور (دستگاهی برای تبخیر کردن مبرد) هدایت می شود. هوای گرم درون اواپراتور توسط یک فن سرد می شود و این امر موجب می شود که بخش مایع مبرد سرد نیز تبخیر شود و بنابراین دمای محیط را کاهش دهد. در نتیجه هوای گرم سرد می شود و توسط یک اگزوز یا یک فن دمنده، به داخل اتاقک رانده می شود. برای تکمیل چرخه تبرید، بخار مبرد باز به داخل کمپرسور برگردانده می شود. برای این که این فرایند بازده خوبی داشته باشد، بخش های سردکننده و تبخیرکننده در سیستم، باید توسط دیواره ای فیزیکی از بخش های گرم کننده و چگالنده جدا شوند و هر بخش نیز، باید دارای فن مخصوص به خود باشد تا هوایی که در آن بخش جریان دارد را به گردش درآورد.

سیستم های تهویه مطبوع مدرن به منظور کشش هوا از خارج به اخل اتاق طراحی نمی شوند؛ بلکه تنها به منظور به گردش در آوردن هوای سرد در داخل سیستم به کار می روند. از آنجا که همواره در این هوای داخلی مقداری رطوبت معلق است، بخش سرد کننده ی فرایند همیشه باعث می شود که بخار گرم آب در هسته های منجمد کننده، چگالیده شوند و با عث چکه کردن بر سینی هایی شود که در پایین سیستم قرار گرفته اند . ار آنجا که این رطوبت هیچ ماده معدنی حل نشده ای در خود ندارد، بنابراین باعث رسوب مواد معدنی در هسته ها نمی شود. این اتفاق حتی زمانی که میزان رطوبت بسیار کم هست نیز رخ میدهد. اگر در باله های اواپوراتور یخ بستگی اتفاق بیفتد، بازده را پایین آورده و میزان یخ زدگی را بازهم بیشتر می کند. استفاده از فن گرداننده ی تمیز و قوی می تواند از چنین اتفاقی جلوگیری کرده، و نیز دمای سرمایش نهایی ترموستات سیستم را تا نقطه ای بالا می برد که در آن کمپرسور گاهاً خاموش می شود. یک ترمیستور خراب نیز می تواند چنین مشکلی را ایجاد کند. یخچال های بدون چرخه ی دیفراست (یخ زدایی) نیز می توانند دچار همین مشکل باشند. گرد و غبار موجود نیز می تواند باعث شود که باله ها مانع گردش هوا شوند که این نیز یک نتیجه ی نا مطلوب است.

اگر کمپرسور سیستم تهویه مطبوع را در جهت عکس به کار گیریم، اثر کلی کاملا معکوس شده و محفظه سرپوشیده به جای اینکه شرد شود، شروع به گرم شدن می کند. مهندسی ویژگی های فیزیکی و ترمودینامیکی گاز-بخار را درشاخه ای از علم به نام سایکومتریک مطالعه می کنند.

واحد پمپ حرارتی

پمپ حرارتی، سیستم تهویه مطبوعی است که در آن چرخه تبرید می تواند به صورت معکوس کار کند و باعث گرمایش و نیز سرمایش محیط داخلی شود. آنها را معمولا با عنوان تهویه مطبوع چرخه معکوس نیز می شناسیم. پمپ حرارتی بسیار پربازده تر از گرمایش مقاومت الکتریکی است. بیشتر صاحب خانه ها ترجیح می دهند سیستم پمپ حرارتی را به عنوان یکی از ویژگی های تهویه مطبوع مرکزی، در خانه های خود نصب کنند.

 

یک سیستم تهویه مطبوع که دارای واحد پمپ حرارتی است

تصویر فوق، نمونه ای از یک سیستم تهویه مطبوع را نشان می دهد که در خارج ساختمان نصب می شود و از یک سیستم پمپ حرارتی استفاده می کند.

هنگامیکه پمپ حرارتی در حالت گرمایش قرار دارد، هسته ی اواپوراتور داخلی نقش ها را تغییر می دهد و تبدیل به هسته ی چگالنده می شود و در نتیجه گرما تولید می کند. چگالنده خارجی نیز برعکس عمل کرده و تبدیل به اواپوراتور می شود و هوای سرد را تخلیه می کند.

پمپ های حرارتی منبع-هوا در آب و هوای زمستانی خفیف، یعنی جاییکه دما در بازه ی 4-13 درجه سانتی گراد متغیر است، بیشتر محبوب هستند. در سرما های بیش از این مقدار، این پمپ ها عملا بازده ندارند. دلیل آن نیز یخ بتگی در هسته های مبدل سیستم است که مانع گردش هوا درون هسته می شود. برای جبران این نقص، سیستم پمپ حرارتی بطور موقتی حالت خود را به حالت عادی تهویه مطبوع تغییرمی دهد تا هسته اواپوراتورخارجی به عنوان هسته چگالنده عمل کند و در نتیجه گرما تولید کرده و یخ زدایی کند. بنابراین سیستم های پمپ حرارتی نوعی از سیستم های گرمایش مقاومت الکتریکی هستند که تنها در این حالت خاص، به منظور جبران موقتی سرمایش هوا فعال می شوند و در غیر این صورت در زمستان ها نا کارآمد خواهند بود.

مشکل یخ بستگی هنگامیکه دمای هوای بیرون کمتر شود، شدیدتر می شود. بنابراین پمپ های حرارتی را معمولا در کنار سایر روش های مرسوم گرمایشی، نظیر استفاده از گاز و نفت ، نصب می کنند. در مورد، پمپ حرارتی در دماهای معتدل تر به نحو احسن کار خود را انجام می دهد و زمانی که دمای هوای بیرون بسیار کاهش یابد، سیستم حالت خود را به همان روش های معمول و مرسوم گرمایشی تغییر می دهد.

پمپ های حرارتی جذب نوعی ازپمپ های حرارتی منبع-هوا هستند که تفاوت آنها اینست که برای انرژی به برق احتیاج ندارند. در عوض از گاز، انرژی خورشیدی و آب گرم به عنوان منبع اصلی انرژی خود استفاده می کنند. یک پمپ جذب گاز آمونیاک را در آب حل می کند که باعث تولید گرما می شود. سپس مخلوط آب و آمونیاک را تحت فشار قرار می دهد تا به نقطه جوش برسد و این عمل گرما را از محیط می گیرد.

سیستم سرمایش تبریدی (کولر آبی)