چیلر جذبی

گرما، دما و فشار

گرما، دما و فشار

گرما، دما و فشار

Heat, temperature and pressure

  • گرما، دما و فشار

گرما می تواند در زندگی ما در راحتی، غذا، هوا وبسیاری از موارد کاربرد داشته باشد. سرما چه شکلی دارد؟ سرما را می توان به سادگی نبود گرما تعریف کرد. ما می گوییم بیرون گرم است و یا چای داغ است، بستنی سرد است. در صنایع HVAC/R بایستی گرما را به درستی بشناسیم و چگونگی حرکت انرژی گرمایی را از یک جسم به جسم دیگر و از یک ملکول به ملکول دیگر متوجه شویم. ما از لغت گرما و سرما در موارد نسبی استفاده می کنیم. زمانی که نیاز به کاربرد دقیق تر داشته باشیم از لغت دما استفاده می کنیم. اگر شما بخواهید برای مثال گرمای هوای آزاد بیرون را به صورت دقیق بیان کنید، خواهید گفت دما 40°C  است.

در صنایع، دانستن دقیق دما خیلی مهم است زیرا بر اساس آن ما از سیستم های تهویه نسبت به آن دما استفاده می کنیم. بنابراین مهم است که از دماسنج دقیق استفاده کنیم.

دماسنج ترموکوپلی

شکل1.1 دماسنج ترموکوپلی که در تهویه مطبوع و سیستم های تبرید به کار برده می شود.

مورد دیگر دانستن فشار است، ما از فشار اتمسفر(atmospheric pressure) زمانی که در مورد شرایط محیطی صحبت می کنیم، استفاده می کنیم. دانستن تعاریف دقیق و مفهوم آن به یک اپراتور کمک می کند تا بتواند نقایص سیستم را رفع کند. فشار سیستم های تبرید را می توان با استفاده از گیج منیفیلد مشاهده کرد.

گیج شارژ گاز

شکل 1.2 گیجی که برای مشاهده فشار سیستم های برودتی مورد استفاده قرار می گیرد.

دما

دما می تواند در ذهن ما به مقدار گرما و یا شدت گرما خود را نشان دهد و باعث شود سطح گرما و شدت آن با مقدار گرما و یا محتوای گرما اشتباه گرفته شود. زمانی که جسمی گرما دریافت می کند، ملکولهای آن شروع به جنبش می کنند و بنابراین دمای آن بالا می رود.

دمای آب موجود در ظرف

شکل 1.3 دمای آب موجود در ظرف افزایش می یابد زیرا ملکولها حرکت بیشتری می کنند.

زمانی که دمای آب به  212°Fیا 100°C می رسد، جوشش آب اتفاق می افتد. حبابهای ریزی در آب تشکیل می شود که از بخار تشکیل شده اند و چون سبک تر از آب هستند، به سطح آب می آیند.

بسیاری از مردم می دانند دمای انجماد آب 0°C ویا 32°F است و دمای جوشش آب 212°F و یا 100°C است اما این دمای مطلق نیست و در هر مکانی(ارتفاع از سطح دریا) این دما فرق می کند.

بایستی جهت فهم این مطلب حالتی که آب در 100°C به جوش و در  به جوش می آید را مشخص کنیم. این دماها در فشار استاندارد اتمسفریک رخ می دهد. شرایط استاندارد، شرایط سطح دریاست که فشار در آنجا 29.92 inch Hg (14.696 psi) است.

Refrigeration & Air Conditioning Technology

شکل 1.4 بعضی دماهای عمومی که در زندگی روزمره به آن مواجه می شویم.

حداقل دمایی که می توان بدان دست یافت -460°F است. در این دما تمام ملکولها متوقف می شوند. به این دما، دمای تئوری می گویند زیرا ملکولها هرگز به کلی از حرکت نمی ایستند. دمای توقف حرکت ملکولها را دمای صفر مطلق می نامند. دانشمندان در آزمایشگاه تا دماهای بسیار نزدیک به این دما رسیده اند.

واحد دمای فارنهایت، یک واحد انگلیسی اندازه گیری است و در سیستم امریکایی کاربرد دارد. این سیستم اندازه گیری امریکایی با I-P و یا inch-pound نیز شناخته می شود. واحد دمای سیلیسیوس در سیستم بین المللی SI و یا متریک استفاده می شودکه در بیشتر کشورها از این واحد استفاده می گردد. روابط برابری فارنهایت و سیلیسیوس در شکل 1.4 نشان داده شده است.

در این قسمت توضیح داده شده که چگونه از تبدیل دمای سانتیگراد به فارنهایت استفاده کنیم. برای تبدیل دمای اتاق 78°F به سیلیسیوس با استفاده از روابط زیر عدد25.6°c بدست می آید.

°F=(1.8*°C)+32

برای مثال دمای 20°c چند درجه فارنهایت است؟

°F=(1.8*°C)+32

°F=(1.8*°20)+32

F=68°

بنابراین 20°c =68°F

اگر درجه فارنهایت را داشته باشیم و بخواهیم آن را به درجه سانتیگراد تبدیل کنیم:

°C = (°F-32)/1.8

بر اساس گفته بالا می توان دما را با واحدهای گوناگونی بیان کرد. این مطلب در سیستم های HVAC از اهمیت بالایی برخوردار است. این واحدها اجازه مقایسه محصولات تولیدکنندگان مختلف با یکدیگر را به ما می دهد.

معرفی گرما

قوانین ترمودینامیک می توانند به ما در فهم گرما کمک کنند. اولین قانون ترمودینامیک می گوید: انرژی نمی تواند خلق و یا نابود شود و از یک شکل به شکل دیگر تبدیل می گردد. این بدان معنی است که گرمایی که ما در دنیا مشاهده می کنیم به صورت مداوم تولید نمی گردد بلکه از شکل دیگری به انرژی تبدیل می گردد مانند سوخت های فسیلی. BTU واحدی است که گرما و یا محتوای گرمایی را در سیستم انگلیسی نشان می دهد. گرمای انتقال داده شده در واحد زمان را می توان با ورود پارامتر زمان (t) به این واحد، با این واحد محاسبه کرد.(BTU/h) که h پارامتر زمان و به معنای ساعت(hour) است.

BTU به عنوان مقدار گرمای مورد نیاز برای بالا بردن 1°F دمای 1 pound(lb) آب است. برای مثال زمانی که 1lb آب از 68°F به 69°F برسد آب 1 BTU انرژی گرمایی دریافت کرده است( شکل 1.6). زمانی که اختلاف دمایی بین دو جسم وجود داشته باشد، انتقال دما رخ می دهد. در مباحثی که در ادامه آمده در مورد انواع انتقال گرما صحبت می کنیم.

واحد دمایی انگلیسی (BTU)

شکل 1.6 واحد دمایی انگلیسی (BTU)

اختلاف دمایی، نیروی حرکتی در پشت انتقال دما است. هر چقدر اختلاف دما بیشتر باشد، سرعت انتقال دما نیز بیشتر است و گرما همیشه از جسم گرمتر به جسم سردتر انتقال می یابد و حرکت ملکولها در جسم گرمتر انرژی را به ملکولهای کندتر جسم سردتر انتقال می دهند. جسم گرم، سرد می شود زیرا ملکولها کندتر می شوند و جسم سرد گرم می شود زیرا ملکولها سریعتر حرکت می کنند. بنابراین دفعه دیگری که یخ را در آب می اندازید، می دانید که یخ آب را خنک نمی کند بلکه آب یخ را گرمتر می کند!

مثالی که در ادامه خواهد آمد تفاوت مقدار گرما را مشخص می کند. یک منبع 10 پوندی را تا دمای 200°F گرم می کنیم. منبع دومی را نیز از آب با وزن 10000 پوند را تا دمای 200°F گرم می کنیم. منبع 10 پندی را تا دمای اتاق سرد می کنیم و این منبع از منبع 10000 پوندی سریعتر سرد می شود زیرا با وجود آنکه دمای هر دو منبع یکسان است اما منبع بزرگتر گرمای بیشتری را نیز در خود ذخیره دارد.

واحد دمایی انگلیسی (BTU)

شکل 1.7 منبع کوچکتر سریعتر سرد می شود زیرا حاوی مقدار کمتری از گرما است حتی با وجود آنکه منبع بزرگتر دمای کمتری دارد.

همانطوری که قبلا گفته شد سرما را می توان نبود گرما عنوان کرد و سرما مقدار مثبتی نیست. وقتی کسی می گوید هوای بیرون سرد است، بیان سرد بودن مقایسه هوای بیرون با محیط خانه است. سرما یک مقدار عددی نیست و بیشتر مردم از آن به عنوان مقداری مقایسه ای استفاده می کنند. بعضی اوقات سرما را به مقدار نبود گرما تعریف می گردد.

1.4 رسانایی conduction

انتقال گرما از طریق رسانایی را می توان با انرژِی که از یک ملکول به ملکول دیگر منتقل می شود، بیان کرد. هر چه یک ملکول سریعتر حرکت کند باعث می شود ملکول کناری سریعتر حرکت کند. برای مثال، اگر یک سر میله ای مسی را بر روی اجاق قرار دهیم، در زمان کوتاهی گرما به سر دیگر میله می رسد. گرما از یک ملکول به ملکول دیگر در طول میله حرکت می کند.(شکل 1.8) انتقال گرما با استفاده از رسانایی در بسیاری از تجهیزات استفاده می شود. برای مثال، گرما از طریق رسانایی از طریق اجاق برقی به ماهی تابه انتقال پیدا می کند. گرما با سرعت ثابتی در اجسام رسانش پیدا نمی کند. برای مثال، مس با سرعت بیشتری نسبت به آهن گرما را انتقال می دهد. شیشه سرعت بسیار پایینی در انتقال گرما دارد.شکل 1.9

سرعت های مختلف در موارد مختلف برای انتقال گرما تقریبا مشابه با هدایت الکتریکی است. در نتیجه، اجسامی که رسانش گرمایی کمتری دارند، هدایت الکتریکی کمتری نیز دارند. برای مثال، مس بهترین هدایت الکتریکی و گرمایی را دارد و شیشه یکی از ضعیف ترین هدایت های گرمایی را داراست. در اصل از شیشه برای عایق کردن اجسام در برابر انتقال الکتریسیته استفاده می شود.

انتقال گرما (در مایعات) convection

انتقال دما برای انتقال گرما از یک مکان به مکان دیگر بوسیله جریان  یک مایع واسطه استفاده می شود. معروف ترین مایع واسط که در گرمایش و تهویه مطبوع استفاده می شود، آب است. خیلی از ساختمانهای بزرگ از سیستم گرمایش مرکزی استفاده می کنند که آب را گرم می کنند و از طریق پمپ ها به ساختمان منتقل می کنند تا جهت گرم کردن فضاها از آن استفاده شود. معروفترین مایع واسط که در گرمایش مرکزی استفاده می شود، آب است.

یک گرم کن هوا مثال خوبی برای انتقال دما است. هوای اتاق از طریق کانال برگشت بوسیله یک فن به گرم کن منتقل می شود سپس از روی فین های مبدل حرارتی می گذرد که گرما را از شعله گاز به هوا انتقال می دهد. هوا مجبور است در داکت حرکت کند و در اتاق توضیع شود. شکل 1.10 نشان دهنده فرایندی است که هوای 70°F اتاق به گرم کن وارد و هوای 130°F آن را ترک می کند و فن نیروی اجباری به هوا وارد می کند(PRESSURE DIFFERENCE) تا هوا در تمام فضاها منتشر گردد. فن (BLOWER) نیروی اجباری انتقال را فراهم می سازد.

شکل1.10 هوای اتاق بوسیله فن مجبور می شود از روی مبدل حرارتی بگذرد و تا به دمای تنظیمی برسد.

مثال دیگر انتقال دما زمانی است که هوای گرم به صورت طبیعی جابجا می شود به این روش طبیعی انتقال (NATURAL CONVECTION) می گویند. زمانی که هوا گرم می شود، هوای گرم دانسیته کمتری پیدا می کند و سبکتر از هوای غیر گرم شده اطراف می گردد. این روش انتقال دما به شکلها و روشهای گوناگونی در تاسیسات تهویه مطبوع مورد استفاده قرار می گیرد. زمانی که هوای نزدیک به کف گرم می شود، شروع به منبسط شدن و بالا رفتن می کند. این هوای گرم شده با هوای سردتر اطراف گرم کن جابجا می شود.

انتقال طبیعی
شدت گرمای تشعشعی

شکل1.12 شدت گرمای تشعشعی با مضرب فاصله کاهش می یابد.

گرم کن های برقی مثالی از گرمای تابشی هستند. میله گرم کن برقی گرما را به فضای اتاق می تاباند اما اجسام جامدی که در مقابل آن می باشند را گرم می کند. هر گرم کن تابشی دیگری نیز همینطور کار می کند.

1.7 گرمای محسوس Sensible heat

زمانی که دمای ماده ای تغییر می کند، می توان با استفاده از دماسنج آن را اندازه گیری کرد( مثال تغییر دمای 1 پوند آب را از دمای 68 به 69 به یاد بیاورید). زمانی که دمای جسمی تغییر می کند و قابل اندازه گیری با دماسنج باشد، این دما را گرمای محسوس می نامیم.

1.8 گرمای نهان یا نامحسوس  Latent heat

نوعی دیگر گرما را گرمای نامحسوس یا گرمای نهان یا گرمای مخفی می نامیم. گرما به جسم داده می شود اما دما بالا نمی رود. یک مثال برای این گرما آبی است که در یک ظرف در باز به جوش آمده است و اضافه کردن هر چه بیشتر گرما سبب افزایش دما نمی شود.

اضافه کردن 3 برابری گرما

1.13 اضافه کردن 3 برابری گرما تنها باعث جوش آمدن سریعتر می شود و دما افزایش نمی یابد.

مدل دیگر از این گرما وجود دارد که دانستن آن مهم است: گرمای نهان یا نامحسوس بخار شدن( latent heat of vaporization)، گرمای نامحسوس چگالش (latent heat of condensation) و گرمای نامحسوس گداخت (latent heat of fusion). گرمای نامحسوس با Btu/lb بیان می شود و مقدار گرمایی است که به ماده داده می شود تا تبخیر گردد. برای مثال، گرمای نامحسوس بخار آب در شرایط اتمسفریک 970.3 Btu/lb است. این بدان معناست که اگر ما 1 پوند آب را در دمای 200 درجه فارنهایت(دمای جوشش آب) داشته باشیم و بخواهیم این آب تبدیل به بخار شود نیاز به 970.3 Btu انرژی گرمایی داریم تا به آب داده شود.

گرمای نامحسوس چگالش، مقدار انرژی گرمایی است که جهت تغییر بخار به مایع نیاز است. این مطلب در مقابل گرمای نامحسوس بخار شدن قرار دارد. برای مثال، گرمای نامحسوس چگالش برای بخار در فشار اتمسفریک 970.3 Btu/lb است. اگر 1 پوند بخار در دمای 212 درجه فارنهایت داشته باشیم، برای تغییر 1 پوند بخار به آب نیاز به 970 btu کاهش انرژی گرمایی بخار است.

گرمای نامحسوس گداخت مقدار انرژی گرمایی مورد نیاز جهت تغییر فاز یک ماده از حالت جامد به مایع است. گرمای نامحسوس گداخت برای آب 144Btu/lb است. اگر بخواهیم 1 پوند از یخ را از دمای 32°F تحت فشار اتمسفریک به آب تبدیل کنیم نیاز به 144Btu انرژی گرمایی است.

مثالهایی که در ادامه می آید، گرمای محسوس و نامحسوس را برای 1 پوند آب در شرایط اتمسفریک بررسی می کند. به شکل 1.14 توجه کنید که دما در حاشیه چپ کشیده شده است. مقیاس محتوای گرمایی در پایین نمودار نشان دهنده مقدار گرمای اضافه شده در طول پروسه است که توضیح داده شد. می توانیم ببینیم گرمای اضافه شده دمای نمونه را در طول پروسه گرمای نامحسوس افزایش می دهد.

پروسه زیر در درک نمودار کمک می کند:

  1. آب در نقطه 1 در حالت یخ وجود دارد. نقطه 1 صفر مطلق نیست. این نقطه 0°F است که نقطه شروع ما است. می توانیم ببینیم مقیاس محتوای گرما در این نقطه 0 است.
  2. با اضافه کردن گرما نقطه 1 به نقطه 2 می رسد که گرمای محسوس است. در طول این خط دما افزایش می یابد.
  3. زمانی که به نقطه 2 می رسد، یخ در بالاترین دمای خود یعنی در دمای 32°F قرار دارد. این بدان معنی است که اگر گرمای بیشتری اضافه گردد، یخ شروع به ذوب شدن می کند اما دمای آن افزایش نمی یابد. اضافه کردن 144Btu گرما باعث تبدیل 1 پوند یخ به 1 پوند آب می شود.
  4. زمانی که به نقطه 3 برسد، 100% نمونه تبدیل به آب شده است. اضافه کردن بیشتر گرما باعث افزایش دما می شود( این قسمت گرمای محسوس است). گرفتن گرما از نقطه 3 باعث می شود آب تبدیل به یخ گردد. این قسمت گرمای نامحسوس است زیرا هیچ گونه تغییر دمایی رخ نمی دهد.
  5. گرمای اضافه شده از نقطه 3 تا 4 گرمای محسوس است. برای این که به نقطه 4 برسیم بایستی 180Btu گرما به نقطه 3 اضافه گردد و آب از 32 درجه تا 212 درجه گرم می شود که 180 درجه افزایش دما خواهد داشت. مطابق با تعریف برای افزایش دمای 1 درجه 1 پوند به Btu1 انرژی گرمایی نیاز است. برای افزایش 180°F نیاز به 180Btu انرژی گرمایی است.
  6. در نقطه 4 تمام نمونه به صورت 100% اشباع است. با اضافه کردن گرما، آب شروع به جوشیدن می کند و شروع به تبدیل شدن به بخار می کند. اگر از آب در این شرایط گرما گرفته شود، باعث می شود به زیر نقطه جوش برود. با اضافه کردن 970 Btu به 1 پوند آب، آب شروع به جوشیدن تا نقطه 5 می کند و تبدیل به بخار می شود.

جهت کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما در تماس باشید.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *