تبريد تبخيري

آلة تبريد هواء قديمة تستخدم تبخير الماء في العراق

An evaporative cooler, photographed in روكي فورد, used in the drier parts of the ولايات الغرب الأمريكية to provide economical cooling

آلة التبريد التبخري، (المبردة)، (Evaporative cooling) (التبريد الصحراوي، مبرد الهواء الرطب) هو آلة تبريد الهواء من خلال تبخر المياه، وتختلف طريقة التبريد التبخري عن أنظمة التكييف الميكانيكة التي تعتمد على الضغط البخاري أو دورات التبريد الامتصاصي.

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

استعراض

مخطط توضيحي of an ancient Iranian windcatcher and qanat, used for evaporative cooling of buildings

A traditional air cooler in Mirzapur, Uttar Pradesh, الهند

يعمل التبريد التبخري من خلال توظيف المحتوى الحراري (Enthalpy of vaporization) للمياه من التبخر التي تقوم بتخفيض درجة حرارة الهواءالجاف(Dry-bulb temperature) بشكل ملحوظ خلال المرحلة الانتقالية من الماء السائل إلى بخار الماء، والتي تتطلب طاقة اقل بكثير من أنظمة التبريد الميكانيكة.
وهذه الطريقة لها فوائد اضافية لتكييف الهواء مع ترطيب أكثر ليصبح ملائم لراحة سكان المكان، بعكس التبريد الميكانيكي الذي يحتاج لمصدر مائي مستمر لاستمرار عمله داخل المكان.

التبريد التبخري يعتبر طريقة مناسبة للمناطق التي يكون مناخها حار ورطب، حيث الجو حار والرطوبة منخفضة، ففي الولايات المتحدة والدول الغربية تكون الجبال هي مواقع ملائمة، وفي المناخات الجافة والقاحلة تكون تكلفة وتشغيل أنظمة التبريد التبخري اقل بكثير من اجهزة التكيف أو التبريد المكانيكة بما يساوي 80%. وفي بعض المناطق يتم استخدام أنظمة التبريد التبخري وأنظمة التكييف الاعتيادية لتحقيق نتائج التبريد الأمثل، وتستخدم بعض مبردات التبخر لزيادة كمية الرطوية في الهواء في المواسم الدافئة.

في المناطق ذات الرطوبة المعتدلة هناك مردود عالي من حيث استخدام التبريد التبخري، بالأضافة لاستخدامها على نطاق واسع في المناطق ذات المناخ الجاف على سبيل المثال المنشأت الصناعية، والمطابخ التجارية، المغاسل ومناطق التنظيف الجاف، البيوت البلاستيكية، وقد يؤدي التبريد التبخري هنا إلى تقليل الارتياح الحراري (Thermal Comfort)المتسبب بسبب زيادة التهوية وزيادة حركة الهواء التي تنتج في ذلك الفراغ.

المبادئ الفيزيائية

التبريد التبخري هو ظاهرة طبيعية تحدث عند تبخر اي سائل وعادة تحدث في الهواء المحيط، بسبب برودة المادة أو السائل المحتوي أو المتصل به، حيث ان الحرارة الكامنة (Latent Heat) هي كمية الحرارة اللازمة لتبخير السائل والتي تنتقل أحيانا من الهواء المجاور، إذ اخذنا بعين الاعتبار تبخر المياه من الهواء المحيط.

وعند قياس درجة حرارة الهواء الجاف(Dry-bulb temperature)ودرجة حرارة الهواء الرطب (Wet-bulb temperature)التي تعتبر كمقياس لقدرة الهواء على حدوث التبريد التبخري لكمية ذلك لهواء, حيث أن عند زيادة الفرق بين درجات الحرارة تلك يحدث بسبب ذلك تبريد تبخري أكبر لذلك الهواء وعندما يقل الفرق بين درجات الحرارة وتصبح تقريبا متساوية لا يحدث تبخر صافي للمياه ولا يحدث هناك تبريد تبخري للهواء.

وهناك مثال بسيط من التبريد التبخري الطبيعي هو العرق، والذي يفرز من الجسم من أجل تهدئة وضعه، حيث ان كمية نقل الحرارة تعتمد على نسبة التبخر ومعدل تبخر بدوره يعتمد على نسبة الرطوبة بالهواء ودرجة حرارته، وهذا يفسر ان عرق المرء يتراكم أكثر في الأيام الحارة وعند الرطوبة المرتفعة، والعرق يمكن ان يتبخر.

التطبيقات

California ranch house with evaporative cooler box on roof ridgeline

Psychrometric chart example of Salt Lake City

التبريد التبخري هو شكل شائع في المباني، وتبرد بالتبخير للوصول للارتياح الحراري لأنها طريقة رخيصة نسبياً وتتطلب طاقة أقل من غيرها من اشكال التبريد، بالرغم من ذلك إن طريقة التبريد التبخري تحتاج إلى مصدر مياه ليعمل كمبخر للهواء الساخن، وتعتبر هذه الطريقة في التبريد غير فعالة في حالات الرطوبة المنخفضة، وهي ملائمة للهواء الجاف وأحيانا قد تؤدي زيادة الرطوبة في الفراغ إلى تورم في الألواح الخشبية والأبواب وغيرها من مساوئ زيادة الرطوبة.

تصميم انظمة التبريد التبخري

Evaporative cooler illustration

جميع تصماميم أنظمة التبريد التبخري تأخذ بعين الاعتبار ان الماء له أعلى محتوى حراري والذي يعرف (بالحرارة الكامنة للتبخر) :

التبريد التبخري المباشر

Direct evaporative cooling

التبريد التبخري المباشر (الدائرة المفتوحة) والتي تستخدم لخفض درجة الحرارة من الهواء عن طريقة استخدام الحرارة الكامنة للتبخر، وتغيير الماء السائل إلى بخار ماء، وفي هذه العملية لا تتغير الطاقة الموجودة في الهواء ويتم هنا تغير الهواء الجاف الحارالى الهواء الرطب البارد وتستخدم هنا الحرارة الموجودة في الهواء الخارجي لتبريد المياه

التبريد التبخري غير المباشر

The process of indirect evaporative cooling

التبريد التبخري غير المباشر (الدائرة المغلقة) : وهي مماثلة للتبريد التبخري المباشر، ولكن يظهر في هذه الطريقة بعض أنواع الانتقال الحراري ,ويتم تبريد الهواء الرطب بعدم أتصال مباشر مع البيئة المكيفة المجاورة .

التبريد التبخري على مرحلتين، مباشر وغير مباشر

استخدام طريقة التبريد التقليدية بجزء ضئيل من الضغط البخاري وأنظمة امتصاص تكييف الهواء ولكن للاسف في المناطق ذات المناخ الجاف يتم زيادة الرطوبة لحد تصبح غير مناسبة لراحة مستخدمين الفراغ وأيضا لا يستطيع إنتاج رطوبة مساوية لمستويات الرطوبة التي تنتجها الطريقة المباشرة.

في المرحلة الأولى من طريقة التبريد على مرحلتين يتم تبريد الهواء الدافئ بشكل غير مباشر من دون إضافة رطوبة إلى الهواء (عن طريق تمرير الهواء داخل مبادل حراري الذي يتم تبريده عن طريق التبخر في الخارج) وفي المرحلة المباشرة يتم تمرير الهواء قليل البرودة داخل الواح مائية مسلوقة يمتص منها الهواء الرطوبة لانه يبرد.

ويكون ناتج هذه العمليات الحصول على هواء بارد برطوبة نسبية 50%-70% اعتمادا على المناخ، ومقارنة بالنظام التقليدي الذي ينتج 70%-80% هواء ورطوبة نسبية.

أنماط تركيبات المختلفة

أبراج التبريد التبخري

Large hyperboloid cooling towers made of structural steel for a power plant in Kharkov (Ukraine)

وهي هياكل أو وسائل أخرى تستخدم لتبريد المياه للوصول إلى درجة حرارة الهواء الرطب الملائم لتلك البيئة، وتقوم فكرة عمل هذه الأبراج على مبادئ التبريد التبخري ولكنه يعتبر الأفضل في تبريد المياه أكثر من تبريد الهواء ويمكن استخدامه في المباني الضخمة أو المناطق الصناعية. يتم الانتقال الحراري للبيئة بواسطة المبردات (الرشاش)، العمليات الصناعية، أو على سبيل المثال دورة طاقة رانكين.

أنظمة الترذيذ

Mist spraying system with water pump beneath

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Performance

Understanding evaporative cooling performance requires an understanding of psychrometrics. Evaporative cooling performance is variable due to changes in external temperature and humidity level. A residential cooler should be able to decrease the temperature of air by 3 to 4 °C(or in Fahrenheit scale by 5 to 7 °F).

It is simple to predict cooler performance from standard weather report information. Because weather reports usually contain the dewpoint and relative humidity, but not the wet-bulb temperature, a psychrometric chart or a simple computer program must be used to compute the wet bulb temperature. Once the wet bulb temperature and the dry bulb temperature are identified, the cooling performance or leaving air temperature of the cooler may be determined.

For direct evaporative cooling, the direct saturation efficiency, $\epsilon$ , measures in what extent the temperature of the air leaving the direct evaporative cooler is close to the wet-bulb temperature of the entering air. The direct saturation efficiency can be determined as follow

^[1]

\epsilon ={\frac {T_{e,db}-T_{l,db}}{T_{e,db}-T_{e,wb}}}

Where:

$\epsilon$ = direct evaporative cooling saturation efficiency (%)

$T_{e,db}$ = entering air dry-bulb temperature (°C)

$T_{l,db}$ = leaving air dry-bulb temperature (°C)

$T_{e,wb}$ = entering air wet-bulb temperature (°C)

Evaporative media efficiency usually runs between 80% to 90%. Most efficient systems can lower the dry air temperature to 95% of the wet-bulb temperature, the least efficient systems only achieve 50%.^[1] The evaporation efficiency drops very little over time.

Typical aspen pads used in residential evaporative coolers offer around 85% efficiency while CELdekقالب:Elucidate type of evaporative media offer efficiencies of >90% depending on air velocity. The CELdek media is more often used in large commercial and industrial installations.

As an example, in Las Vegas, Nevada, with a typical summer design day of 42 °C (108 °F) DB/19 °C (66 °F) WB or about 8% relative humidity, with 85% efficiency, the leaving air temperature of a residential cooler would be:

$T_{l,db}$ = 42° – ((42° – 19°) x 85%) = 22.45 °C (72.41 °F)

However, either of two methods can be used to estimate performance:

Use a psychrometric chart to calculate wet bulb temperature, and then add 5–7 °F as described above.
Use a rule of thumb which estimates that the wet bulb temperature is approximately equal to the ambient temperature, minus one third of the difference between the ambient temperature and the dew point. As before, add 5–7 °F as described above.

Some examples clarify this relationship:

At 32 °C (90 °F) and 15% relative humidity, air may be cooled to nearly 16 °C (61 °F). The dew point for these conditions is 2 °C (36 °F).
At 32 °C (90 °F) and 50% relative humidity, air may be cooled to about 24 °C (75 °F). The dew point for these conditions is 20 °C (68 °F).
At 40 °C (104 °F) and 15% relative humidity, air may be cooled to nearly 21 °C (70 °F). The dew point for these conditions is 8 °C (46 °F).

(Cooling examples extracted from the June 25, 2000 University of Idaho publication, "Homewise").

Because evaporative coolers perform best in dry conditions, they are widely used and most effective in arid, desert regions such as the southwestern USA and northern Mexico.

The same equation indicates why evaporative coolers are of limited use in highly humid environments: for example, a hot August day in Tokyo may be 30 °C (86 °F), 85% relative humidity, 1,005 hPa pressure. This gives dew point 27.2 °C (81.0 °F) and wet-bulb temperature 27.88 °C (82.18 °F). According to the formula above, at 85% efficiency air may be cooled only down to 28.2 °C (82.8 °F) which makes it quite impractical.

مقارنة بتكييف الهواء

A misting fan

Comparison of evaporative cooling to refrigeration-based air conditioning:

المزايا

-تكلفة التركيب قليلة

• حيث تعتبر تكلفة تركيب أنظمة التبريد التبخري اوفر بما يقارب نصف السعر من تركيب أجهزة تكييف وتبريد اعتيادية

-تكلفة تشغيل قليلة

• التكلفة التشغليلة لأنظمة التبريد التبخري تعادل 1/4 كلفة تشغيل أنظمة التكييف التقليدية

• استهلاك الطاقة في أنظمة التبريد التبخري يقتصر على المراوح ومرشات المياه فقط، لآن بخار الماء لا يتم اعادة استخدامه وبسبب عدم وجود مضخات التي تستهلك معظم كمية الطاقة في دورات التبريد المغلقة

• المبرد المستخدم هو الماء، ولا يستخدم اي مبردات خاصة مثل الامونيا وغاز ثاني اكسيد الكربون والكبريت أو اي مركبات أخرى والتي يمكن اي تكون سامة، وتكلفة تشغيلها باهظة وأحيانا تساهم في استنفاذ طبقة الاوزون والتي يجب أن تخضع لقوانين وأنظمة صارمة.

-سهولة الصيانة

الأجهزة الميكانيكة في هذه الأنظمة هي فقط المرشات والمروحة فبسبب ذلك تكون كلفة الصيانة اقل من باقي أنظمة التبريد الأخرى وغالبا لا تحتاج إلى خبير مختص وبالإضافة إلى ذلك قد يستطيع صاحب المنزل إصلاحها بنفسه.

-التهوية

• معدل التدفق المرتفع الحجم والثابت في المقدار للهواء من خلال المبنى يقلل من عمر بقاء الهواء داخل المبنى

• التبريد التبخري يزيد من معدل الرطوبة في المناخ الجاف الذي يؤدي إلى زيادة الارتياح الحراري داخل الفراغ ويقلل من مشاكل الكهرباء السكونية.

• النظام نفسه يعمل كمفلتر للهواء بشكل فعال وهو قادر على ازالة الملوثات الموجودة في الهواء بما في ذلك الاوزون الذي ينتج من التلوث بغض النظر عن جفاف الجو، والتبريد قائم على نظام مبرد يفقد القدرة حتى لو لم يكن هنلك رطوبة كافية في الهواء من اجل الحفاظ على التبخر رطب في الهواء.

العيوب

-الأداء

• ارتفاع درجة الندى (الرطوبة) تؤدي إلى التقليل من قدرة تبريد المكيف داخل النظام.

• عدم وجود أنظمة تقليل الرطوبة, حيث ان أنظمة التبريد الاعتيادية تستطيع ازالة الرطوبة من الجو، عدا المناطق الجافة حيث ان اعادة تدوير المياه هنا قد تؤدي إلى زيادة معدلات الرطوبة، والتبريد التبخري يؤدي إلى رفع مستويات الرطوبة في المناخ الجاف على عكس فكرة ان الارتياح الحراري قد يتحقق بالحصول على هواء جاف عند زيادة درجة الحرارة.

-الارتياح

• الهواء القادم من أنظمة التبريد التبخري تكون الرطوبة النسبية بها تعادل 80% - 90%، وقد يؤدي الهواء الرطب إلى التقليل من نسبة تبخر الرطوبة من الجلد، والأنف، والرئيتين والعينين.

• ارتفاع نسبة الرطوبة في الفراغ خصوصا مع وجود كميات من الغبار يؤدي إلى التقليل من عمر الاليات الإلكترونية داخل ذلك الفراغ

• ارتفاع نسبة الرطوبة في الهواء قد يسبب التكاثف على الاسطح وقد يعد التكاثف مشكلة لبعض الحالات مثل (المعدات الكهربائية، الكمبيوتر، الاوراق، الاخشاب القديمة).

-المياه

• عمليات التبريد التبخري تحتاج إلى مصادر مائية ثابية لتبريد الهواء.

• ارتفاع المياه في المحتوى المعدني يؤدي إلى زيادة الترسبات المعدنية فيها.

• خط امتداد المياه يحتاج إلى حماية ضد درجات الحرارة التجمدية في فصل الشتاء, المبرد نفسه بحاجة ان بستنفذ وكذلك يجب تنظيفها بشكل دوري واستبدال البطائن المستخدمة.

-أخرى

• الروائح أو اي ملوثات أخرى خارجية تستطيع الدخول إلى داخل المبنى ما لم يكن هنالك أنظمة لفلترة الهواء.

• المصابين بمرض الربو يجب عليهم تجنب سوء صيانة بيئة أنظمة التبريد التبخيري.

• صوف الخشب المصنوع منه أنظمة التبريد قد تكون حساسة للنيران من قبل شرارات صغيرة.

انظر أيضًا

تخزين الطاقة بالتبريد
تبريد بالامتصاص
تكييف الهواء بتخزين الثلج
Car cooler
Coolgardie safe Australian Food Cooler using Evaporative Cooling
برج تبريد
Dehumidifier
Humidifier
HVAC (Heating, ventilating and air conditioning)
Pot-in-pot refrigerator
هندسة معمارية
هندسة البناء

الهامش

^ ^أ ^ب HVAC Systems and Equipment (SI ed.). Atlanta, GA: American Society of Heating Refrigeration and Air-conditioning Engineers (ASHRAE). 2012. p. 41.1.