نمودار رطوبت سنجی هوا (سایکرومتریک) چیست؟

نمودار سایکرومتریک مهمترین و بنیادی ترین چارت در آموزش تهویه مطبوع است که یک رابطه گرافیکی از وضعیت هوا در هر زمان خاص ارائه می‌کند. این ویژگی‌های هوا شامل دمای حباب خشک (خطوط عمودی)، دمای تر حباب (خطوطی که به آرامی به سمت راست متمایل می‌شوند)، دمای نقطه شبنم (تلاقی خطوط افقی و منحنی) و رطوبت نسبی (منحنی‌های نمودار) می شود.

همچنین به غیر از این ویژگی ها، موارد دیگری از قبیل محتوای رطوبت هوا (مقیاس سمت راست)، محتوای انرژی (مقیاس مورب بیرونی در بالا سمت چپ)، حجم خاص (خطوط به شدت شیب دار به سمت راست به سمت پایین) را می توان با استفاده از نمودار تعیین کرد.

موارد استفاده و ویژگی های نمودار سایکرومتریک

نمودار سایکرومتریک اطلاعات بسیاری را در مورد هوا مشخص می کند. این کمک بسیار ارزشمندی در تشریح و تشخیص مشکلات محیطی از جمله اینکه چرا هوای گرم می‌تواند رطوبت بیشتری را در خود نگه دارد و برعکس، اینکه چگونه خنک شدن هوای مرطوب منجر به تراکم می‌شود، فراهم می‌کند. برای پیش بینی اینکه آیا تراکم رطوبت در یک سطح مشخص رخ می دهد یا خیر، به سه طیف از اطلاعات نیاز دارید. دمای هوا، رطوبت نسبی هوا و دمای سطح.

نمودار سایکرومتریک توضیح می دهد که با افزایش دمای سطح یا با کاهش رطوبت هوا یا استفاده از ترکیبی از هر دو می توان از تراکم سطح جلوگیری کرد. یک قانون کلی این است که افزایش 10 درجه فارنهایت در دمای هوا می تواند رطوبت نسبی را 20 درصد کاهش دهد.

نمودار سایکرومتریک همچنین به محاسبه و تجزیه و تحلیل کار و انتقال انرژی فرآیندهای مختلف تهویه مطبوع کمک می کند. در کاربردهای عملی، رایج‌ترین تحلیل سایکرومتری ساخته شده توسط پیمانکاران HVAC شامل اندازه‌گیری دمای حباب خشک و مرطوب هوای ورودی و خروجی از کویل خنک‌کننده است. اگر این دماها همراه با نرخ جریان حجمی هوا (CFM) از طریق کویل شناخته شوند، می توان ظرفیت خنک کاری یک واحد را تأیید کرد.

با استفاده از اطلاعات دمای حباب خشک و مرطوب، دو نقطه را می توان در نمودار سایکرومتری پیدا کرد و مقادیر آنتالپی مربوطه را برای آنها خواند. سپس کل ظرفیت خنک کننده BTUH را می توان با ضرب 4.5 “ضرفیت ویژه آب” در مقدار CFM در اختلاف آنتالپی دو نقطه حالت هوا تعیین کرد [یعنی. 4.5 * CFM * Δh]. مهندسان اغلب مجبورند این محاسبه را انجام دهند تا ثابت کنند که تجهیزات ثابت و تجهیزات دوار آنها به طور رضایت بخشی کار می کند.

نمودارهای سایکرومتریک نمودارهای پیچیده‌ای هستند که می‌توانند برای ارزیابی خواص فیزیکی و ترمودینامیکی مخلوط‌های گاز و بخار در فشار ثابت استفاده شوند. آنها اغلب برای ارزیابی خواص هوای مرطوب استفاده می شوند. این می‌تواند در طراحی سیستم‌های گرمایش، تهویه و تهویه مطبوع ساختمان‌ها مفید باشد

به طور معمول، ویژگی های نشان داده شده در نمودارهای سایکرومتریک عبارتند از:

دمای حباب خشک: اندازه گیری دمای هوا که توسط دماسنج در معرض هوا ثبت می شود اما در برابر تشعشع و رطوبت محافظت می شود.

دمای حباب مرطوب: اگر حباب دماسنج را در پارچه پیچیده و با آب مقطر مرطوب کنید دمایی که نشان خواهد داد متفاوت تر از دمای محیط خواهد بود این دما به دمای تر حباب یا حباب مرطوب معروف است. میزان تبخیر از حباب مرطوب و بنابراین دمایی که ثبت می کند بسته به رطوبت هوایی که در معرض آن قرار می گیرد متفاوت است.

رطوبت نسبی: نسبت فشار بخار واقعی نسبت به فشار بخار هوای اشباع شده در همان دما که به صورت درصد بیان می شود.

حجم مخصوص: حجم یک واحد وزن هوای خشک.

دمای نقطه شبنم: بالاترین دمایی که بخار آب در آن متراکم می شود.

نسبت رطوبت: میزان رطوبت پایه خشک هوا که به عنوان وزن بخار آب در واحد وزن هوای خشک بیان می شود.

آنتالپی: محتوای انرژی هوا.

در ادامه به تعاریف هر یک از موارد فوق پرداخته خواهد شد.

وضعیت هوای مرطوب را می توان از با دو مورد از این ویژگی ها تعیین کرد و سپس تمام خواص دیگر را می توان تعیین کرد.

فشار اتمسفر با ارتفاع متفاوت است و بنابراین تعدادی نمودار سایکرومتریک برای فشارهای جوی مختلف موجود است، با این حال، نمودار سایکرومتریک اغلب برای ارتفاعات کمتر از 600 متر، قابل استفاده خواهد بود.

تعاریف هوا و پارامترهای چارت سایکرومتریک

سه تعریف اساسی برای توصیف هوا در شرایط مختلف استفاده می شود:

1. هوای اتمسفر – هوایی که ما تنفس می کنیم و برای تهویه استفاده می کنیم حاوی نیتروژن، اکسیژن، دی اکسید کربن، بخار آب، گازهای دیگر و آلاینده های متفرقه مانند گرد و غبار، گرده و دود است.

2. هوای خشک – زمانی که همه آلاینده ها و بخار آب از هوای اتمسفر حذف شده باشند. از نظر حجمی، هوای خشک حدود 78 درصد نیتروژن، 21 درصد اکسیژن و 1 درصد گازهای دیگر دارد. هوای خشک به عنوان مرجع در سایکرومتریک استفاده می شود.

3. هوای مرطوب – مخلوطی از هوای خشک و بخار آب است. برای اهداف عملی، هوای مرطوب و هوای اتمسفر را می توان در محدوده شرایطی که معمولاً با آن مواجه می شود برابر در نظر گرفت.

هوای اطراف ما مخلوطی از هوای خشک و رطوبت است و حاوی مقدار مشخصی گرما است. ما عادت داریم در بحث از شرایط آب و هوایی در مورد دمای هوا، رطوبت نسبی و نقطه شبنم بشنویم. تمام این ویژگی ها و موارد دیگر در نمودار سایکرومتریک موجود است. با یک نگاه به چارت متوجه خواهید شد که مرز منحنی بالای نمودار دارای یک مقیاس دما است، اما می تواند سه نوع دما را نشان دهد: حباب مرطوب، حباب خشک و نقطه شبنم. این مرز منحنی بالایی همچنین رطوبت نسبی 100 درصد یا هوای اشباع را نشان می دهد.

دمای حباب خشک

دما: دمای حباب خشک Dry Bulb Dry Bulb Temperature (DBT) دمایی است که با یک دماسنج استاندارد که آب روی سطح آن وجود ندارد اندازه گیری می کنیم. به آن “حباب خشک” می گویند زیرا نوک حسگر دماسنج خشک است. دمای حباب خشک در محور افقی یا محور x نمودار سایکرومتری قرار دارد و خطوط دمای ثابت با خطوط نمودار عمودی نشان داده می شوند. از آنجایی که این دما معمولاً مورد استفاده قرار می گیرد، فرض کنید که دماها دمای حباب خشک هستند، مگر اینکه طور دیگری تعیین شده باشد.

دمایی است که معمولاً از دماسنج اندازه گیری می شود در واقع وقتی مردم به دمای هوا اشاره می کنند، معمولاً به دمای حباب خشک آن اشاره می کنند. معمولاً چندین مقیاس دما برای اندازه گیری دما استفاده می شود. در سیستم واحدهای اینچ پوند (I-P)، در جو استاندارد، مقیاس فارنهایت دارای نقطه انجماد آب 32 درجه فارنهایت و نقطه جوش 212 درجه فارنهایت است. در سیستم بین المللی (SI) واحدها، مقیاس سلسیوس دارای نقطه انجماد آب 0 درجه سانتیگراد و نقطه جوش 100 درجه سانتیگراد است. در مقیاس کلوین، 0ºK برابر با  273- درجه سانتیگراد است. دمای حباب خشک روی محور X قرار دارد، نمودار سایکرومتریک و خطوط دمای ثابت با خطوط عمودی نشان داده می‌شوند.

رطوبت نسبی

اندازه گیری مقدار آبی است که هوا در دمای معینی می تواند نگه دارد. این نسبت به مقدار آبی است که هوا، در همان دما، می تواند در رطوبت 100 درصد یا اشباع نگه دارد. دمای هوا (حباب خشک) مهم است زیرا هوای گرمتر می تواند رطوبت بیشتری نسبت به هوای سرد در خود نگه دارد. هوا با رطوبت نسبی 60 درصد حاوی 60 درصد آبی است که احتمالاً می تواند در خود نگه دارد (در آن دما). می تواند 40 درصد آب بیشتری جذب کند تا به حالت اشباع برسد. خطوط رطوبت نسبی ثابت با خطوط منحنی که از پایین سمت چپ کشیده شده و تا سمت راست بالای نمودار به سمت بالا حرکت می کنند نشان داده می شوند. خط 100 درصد رطوبت نسبی یا اشباع، مرز بالا و سمت چپ نمودار است.

نسبت رطوبت

وزن آب موجود هوای مرطوب در هوا به ازای واحد هوای خشک است. این اغلب به صورت پوند رطوبت در هر پوند هوای خشک بیان می شود. از آنجایی که نسبت رطوبت هوای مرطوب مانند رطوبت نسبی به دما وابسته نیست، استفاده از آن در محاسبات آسان تر است. نسبت رطوبت در محور عمودی y با خطوط نسبت رطوبت ثابت به صورت افقی در سراسر نمودار یافت می شود.

دمای نقطه شبنم

دمایی را نشان می دهد که در آن بخار آب از هوای مرطوب شروع به معیان می کند. با توجه به هوا در دمای خاصی از حباب خشک و رطوبت نسبی، اگر اجازه داده شود دما کاهش یابد، هوا دیگر نمی تواند رطوبت زیادی را در خود نگه دارد. هنگامی که هوا سرد می شود، رطوبت نسبی افزایش می یابد تا زمانی که به اشباع رسیده و متراکم شدن اتفاق می افتد. تراکم در سطوحی که در دمای نقطه شبنم یا کمتر از آن هستند رخ می دهد. دمای نقطه شبنم با حرکت از یک نقطه حالت به صورت افقی به چپ در امتداد خطوط نسبت رطوبت ثابت تا رسیدن به مرز درجه حرارت اشباع بالا، منحنی، تعیین می شود.

آنتالپی

محتوای انرژی گرمایی هوای مرطوب است. این بر حسب Btu به ازای هر پوند هوای خشک بیان می شود و انرژی گرمایی ناشی از دما و رطوبت موجود در هوا را نشان می دهد. آنتالپی در کاربردهای گرمایش و سرمایش هوا مفید است. مقیاس آنتالپی بالاتر از حد اشباع، مرز بالایی نمودار قرار دارد. خطوط آنتالپی ثابت به صورت مورب از چپ به راست در طول نمودار به سمت پایین حرکت می کنند. خطوط آنتالپی ثابت و حباب مرطوب ثابت در این نمودار یکسان هستند، اما مقادیر از مقیاس های جداگانه خوانده می شوند. نمودارهای سایکرومتریک دقیق تر از خطوط کمی متفاوت برای دمای حباب مرطوب و آنتالپی استفاده می کنند.

دمای حباب مرطوب

زمانی تعیین می شود که هوا از کنار نوک سنسور خیس شده عبور کند. این نشان دهنده دمایی است که در آن آب تبخیر می شود و هوا را به حالت اشباع می رساند. ذات این تعریف این است که هیچ گرمایی توسط هوا از بین نمی رود یا به دست نمی آید. این با دمای نقطه شبنم متفاوت است، جایی که کاهش دما یا از دست دادن گرما، ظرفیت نگهداری رطوبت هوا را کاهش می دهد و باعث متراکم شدن آب می شود. تعیین دمای حباب مرطوب در این نمودار سایکرومتریک از خطوط آنتالپی ثابت پیروی می کند، اما مقادیر از مرز بالای دمای اشباع، منحنی خوانده می شوند.

حجم مخصوص

فضای اشغال شده توسط هوا را نشان می دهد. معکوس چگالی است و به صورت حجم در واحد وزن بیان می شود (دانسیته وزن در واحد حجم است). هوای گرم چگالی کمتری نسبت به هوای سرد دارد که باعث بالا آمدن هوای گرم می شود. این پدیده به شناوری حرارتی معروف است. با استدلال مشابه، هوای گرمتر حجم مخصوص بیشتری دارد و از این رو سبکتر از هوای سرد است. در نمودار سایکرومتریک، خطوط با حجم مخصوص ثابت، خطوط تقریباً عمودی هستند که مقادیر مقیاس در زیر مقیاس دمای حباب خشک و بالاتر از مقیاس دمای اشباع مرز بالایی نوشته شده است.

نحوه خواندن و کار کردن با نمودار سایکرومتریک

برای یک تازه‌کار، نمودار سایکرومتریک هزارتوی گیج‌کننده از خطوط و منحنی‌ها به نظر می‌رسد، اما وقتی چند مورد اساسی در مورد نمودار سایکرومتریک فهمیده شود، درک آن واقعاً چندان دشوار نیست. اگر اجزاء را جز به جز تشریح کنیم، سودمندی نمودار بیشتر مشخص می شود.

نمودارهای سایکرومتریک در محدوده‌های مختلف فشار و دما در دسترس هستند. مثلا برای اکثر کاربردهای گلخانه ای یا نگهداری دام محدوده فشار اتمسفر استاندارد (14.7 psi) و دمای 30 درجه تا 120 درجه فارنهایت کافی است. ویژگی های سایکرومتریکنیز به صورت جداول داده، معادلات و خط کش های اسلاید در دسترس هستند.

نمودار سایکرومتریک اطلاعات زیادی را در یک نمودار گردآوری می کند.. مرزهای نمودار سایکرومتری عبارتند از یک مقیاس دمای حباب خشک در محور افقی، یک مقیاس نسبت رطوبت (محتوای رطوبت) در محور عمودی، و یک مرز منحنی بالایی که نشان دهنده هوای اشباع یا ظرفیت نگهداری رطوبت 100 درصد است. نمودار سایر خواص مهم هوای مرطوب را نشان می دهد: دمای حباب مرطوب. آنتالپی؛ نقطه شبنم یا دمای اشباع؛ رطوبت نسبی؛ و حجم خاص. هوای مرطوب را می توان با یافتن محل تلاقی هر دو از این ویژگی ها توصیف کرد.. با یافتن نقطه حالت تمام خصوصیات دیگر را می توان خواند.

درک شکل و استفاده از نمودار سایکرومتریک به شما در تشخیص مشکلات دما و رطوبت هوا کمک می کند. توجه داشته باشید که هوای سردتر (که در امتداد قسمت پایین و سمت چپ نمودار قرار دارد) به اندازه هوای گرم (که در امتداد سمت راست نمودار قرار دارد) رطوبت را در خود نگه نمی دارد (همانطور که در نسبت رطوبت محور y مشاهده می شود). یک قانون کلی برای داخل گلخانه های معمولی یا ساختمان ها در شرایط زمستانی این است که افزایش 10 درجه فارنهایت در دمای هوا می تواند رطوبت نسبی را 20 درصد کاهش دهد. استفاده از نمودار سایکرومتریکنشان می دهد که این تقریباً درست است. به عنوان مثال، برای کاهش رطوبت نسبی در گلخانه زمستانی در یک دوره زمانی بحرانی، می‌توانیم هوا را گرم کنیم.

در یک چارت سایکرومتریک دمای حباب خشک ۷۸ درجه فارنهایت و دمای حباب مرطوب ۶۵ درجه فارنهایت را بیابید دو ویژگی مفید هوا برای تجزیه و تحلیل محیطی در ساختمان های کشاورزی، رطوبت نسبی و دمای نقطه شبنم است. رطوبت نسبی نشان‌دهنده میزان رطوبت هوا در مقایسه با شرایط رطوبتی مطلوب است و دمای نقطه شبنم نشان می‌دهد که در صورت کاهش دمای (حباب خشک) چه زمانی مشکلات تراکم رخ می‌دهد.

محل تلاقی دو ویژگی شناخته شده، دمای حباب خشک و حباب مرطوب را در نمودار سایکرومتریک نشان خواهد داد. دمای حباب خشک در امتداد محور افقی پایینی قرار دارد. خط 78 درجه فارنهایت را پیدا کنید که به صورت عمودی در نمودار می گذرد. دمای حباب مرطوب در امتداد خطوط نقطه‌دار مورب قرار دارد که منجر به خوانش مقیاس در مرز منحنی بالایی که “دمای اشباع” مشخص شده است. تقاطع خط عمودی حباب خشک 78 درجه فارنهایت و خط مورب حباب مرطوب 65 درجه فارنهایت اکنون یک نقطه حالت برای هوای اندازه گیری شده ایجاد کرده است. اکنون رطوبت نسبی را 50 درصد بخوانید (خط انحنای از چپ به راست در نمودار) و دمای نقطه شبنم را 58 درجه فارنهایت (خط افقی را دنبال کنید، به سمت چپ حرکت کنید، به سمت مرز منحنی بالایی دمای اشباع). این مثال در شکل نشان داده شده است تا بتوانید کار خود را بررسی کنید.

از این اطلاعات چه نتیجه ای می توانیم بگیریم؟ رطوبت نسبی 50 درصد برای اکثر کاربردهای دام و گلخانه قابل قبول است. اگر اجازه می دادیم دمای هوا (حباب خشک) به 58 درجه فارنهایت (نقطه شبنم) یا کمتر کاهش یابد، هوا 100 درصد از رطوبت اشباع شده و تراکم اتفاق می افتد. نسبت رطوبت، همانطور که در مقیاس عمودی، محور y مشاهده می شود، یک شاخص قابل اعتماد برای سطح رطوبت هوا است، زیرا پوند رطوبت موجود در یک پوند هوای خشک را منعکس می کند و با خوانش دمای حباب خشک مانند نسبی نوسان نمی کند. رطوبت نسبت رطوبت هوا در این مثال حدود 0.0104 پوند رطوبت / پوند هوای خشک است (از نقطه حالت به مقیاس نسبت رطوبت به سمت راست حرکت کنید).

تهویه زمستانی

اغلب هوا قبل از ورود به محیط های گلخانه ای یا ساختمان ها گرم می شود. مثالی را در نظر بگیرید که در آن هوای بیرون در دمای 40 درجه فارنهایت (حباب خشک) و رطوبت نسبی 80 درصد قبل از پخش شدن در سراسر ساختمان تا دمای 65 درجه فارنهایت (حباب خشک) گرم می شود.

نقطه حالت هوای خنک ورودی را در قسمت پایین سمت چپ نمودار سایکرومتریک پیدا کنید (نقطه A در شکل). توجه داشته باشید که سایر خواص هوای 40 درجه فارنهایت شامل دمای حباب مرطوب 38 درجه فارنهایت، دمای نقطه شبنم حدود 34 درجه فارنهایت و نسبت رطوبت 0.0042 پوند رطوبت / پوند هوای خشک است. گرمایش هوا شامل افزایش دمای حباب خشک بدون افزودن یا کاهش محتوای آب هوا است. فرآیند گرمایش به صورت افقی به سمت راست در امتداد یک خط نسبت رطوبت ثابت حرکت می کند. برای این فرآیند گرمایش بین نقاط A و B شکل را ببینید. گرم کردن هوا تا دمای 65 درجه فارنهایت (حباب خشک) منجر به کاهش رطوبت نسبی تا حدود 32 درصد شده است. هوای گرم ورودی به ساختمان به اندازه کافی خشک است که در جذب رطوبت محیط گیاهی یا جانوری مفید باشد. (بررسی کنید که هوای گرم شده در نقطه B همچنان نقطه شبنم 34 درجه فارنهایت و نسبت رطوبت 0.0042 پوند رطوبت/ پوند هوای خشک دارد.) هوای گرم شده را با رطوبت نسبی کمتری می توان با هوای مرطوب و گرم از قبل مخلوط کرد. همانطور که هوای تازه در محیط حرکت می کند، رطوبت و گرمای بیشتری را جذب می کند. ممکن است شرایط هوای تخلیه شده را در دمای 75 درجه فارنهایت (حباب خشک) و 70 درصد رطوبت نسبی اندازه گیری کنیم که با نقطه C در شکل  نشان داده شده است. توجه داشته باشید که در این هوای تخلیه شده، نسبت رطوبت به 0.013 پوند رطوبت / پوند هوای خشک سه برابر شده است. این بدان معناست که در هوای خروجی گرم و مرطوب، آب بسیار بیشتری نسبت به هوای ورودی با رطوبت نسبی سرد و بالا تهویه می شود. حذف رطوبت از محیط گیاهی یا حیوانی یکی از وظایف اصلی سیستم تهویه زمستانی است.

سرمایش تبخیری

سرمایش تبخیری از گرمای موجود در هوا برای تبخیر آب استفاده می کند. دمای هوا (حباب خشک) کاهش می یابد در حالی که محتوای آب (رطوبت) تا نقطه اشباع افزایش می یابد. تبخیر اغلب در هوای گرم برای خنک کردن هوای تهویه استفاده می شود. این فرآیند در امتداد خط آنتالپی ثابت یا دمای ثابت حباب مرطوب به سمت بالا حرکت می کند

منابع:

https://www.designingbuildings.co.uk/wiki/Psychrometric_charts

https://extension.psu.edu/psychrometric-chart-use

https://www.cedengineering.com/userfiles/Air%20Conditioning%20Psychrometrics%20R1.pdf