ไซโครเมตริก

1.คุณสมบัติไซโครเมตริกของอากาศ

        ความสำคัญของเรื่อง Psychometric เป็นการศึกษาถึงคุณสมบัติของผสมระหว่างอากาศและไอน้ำ ซึ่งจะมีความสำคัญอย่างมากต่อการปรับอากาศ เนื่องจากอากาศในบรรยากาศไม่ได้แห้งสนิท แต่จะมีไอน้ำปนอยู่

        ในเรื่องการปรับอากาศนั้นจะมีทั้งขบวนการที่เป็นการขจัดน้ำออกจากส่วนผสมของไอน้ำกับอากาศ และขบวนการเพิ่มไอน้ำ หลักการพื้นฐานในเรื่อง Psychometric นี้จะถูกประยุกต์ใช้ในหลายๆที่จะกล่าวในบทต่อๆ ไป เช่น ขดท่อทำความเย็นและลดความชื้น, หอทำความเย็น, Evaporative condensers

        ในอุปกรณ์บางอย่างจะมีทั้งกระบวนการถ่ายเทความร้อน และถ่ายเทมวลระหว่างอากาศกับผิวเปียกอยู่ในขณะเดียวกัน เช่น อุปกรณ์เพิ่มความชื้น (Humidifiers) บางชนิด อุปกรณ์ลดความชื้น คูลลิ่งคอยล์ อุปกรณ์ที่มีลักษณะของการสเปรย์น้ำ เช่น Cooling tower และ Evaporative condensers

1.1.1. อุณหภูมิจุดน้ำค้าง (Dew Point temperature)

        อุณหภูมิจุดน้ำค้างของอากาศสามารถที่จะคำนวณได้จากตารางไอน้ำ

ตารางที่ 1.1 ตารางไอน้ำ

1.1.2. ความชื้นสมบูรณ์ (Absolute Humidity)

        ความชื้น คือ ไอน้ำในอากาศโดยคิดจากอัตรามวลของไอน้ำต่อปริมาตรของอากาศ ที่สภาวะนั้น ความชื้นสมบูรณ์ของอากาศ หรืออาจเรียกว่าความหน้าแน่นไอน้ำ (Vapour density) มีหน่วยเป็นกรัมต่อลูกบาศก์เมตร (gm/cubic m) หรือ กิโลกรัมต่อลูกบาศก์เมตร

        คุณสมบัติของอากาศจะเป็นไปตามกฎของก๊าซสมบูรณ์

(1.1)

ตัวอย่างที่ 1 จงคำนวณหาความชื้นสมบูรณ์ของอากาศที่มีอุณหภูมิจุดน้ำค้างเป็น 20 °C และค่าคงที่ของก๊าซ R สำหรับไอน้ำที่ความดันต่ำเท่ากับ 345 J/kg.K

วิธีทำ

จากตารางไอน้ำ ดวามดันไอที่อุณหภูมิอิ่มตัว 20 °C เท่ากับ 0.02337 bar
สมมุติ คิดตัวอย่างอากาศ 1 ลูกบาศก์เมตร ดังนั้นมวลของไอน้ำต่อลูกบาศก์เมตร หาได้ดังนี้
m = PV / RT
m = (2337 Pa)(1m³) / (345 J/kg.K)(20 + 273.15 K)
m = 0.0231 kg/m³ตอบ

1.1.3. ความชื้นสัมพัทธ์ (Relative Humidity, RH)

        ความชื้นสัมพัทธ์ หมายถึง อัตราส่วนควาามดันของไอน้ำในอากาศทมี่มีอยู่ในอากาศชื้นกับความดันอิ่มตัวของไอน้ำที่ อุณหภูมิเดียวกัน

1.1.4. อัตราส่วนความชื้น (Humidity Ratio, W)

(1.2)

W = อัตราส่วนความชื้น มีหน่วยเป็น kg ของไอน้ำ ต่อ kg อากาศแห้ง
P_w = ความดันของไอน้ำที่อุณหภูมิน้ำค้าง มีหน่วยเป็น bar
P = ความกดดันของบรรยากาศ มีหน่วยเป็น bar

ตัวอย่างที่ 1 จงหาอัตราส่วนความชื้นของอากาศที่ 60 % ความชื้นสัมพัทธ์ที่อุณหภูมิ 30 °C
ความดันจากบารอมิเตอร์มีค่ามาตรฐานที่ 101.3 kPa

วิธีทำ

ความดันไอน้ำของอากาศที่ 30 °Cสภาวะที่ 2 มีค่า 4.241 kPa
มีความชื้นสัมพัทธ์ 60 %
ดังนั้น ความดันไอน้ำของอากาศ = 0.60 (4.241) = 2.545 kPa
W = 0.622x2.545/(0.622-2.545) = 0.0160 kg/kgตอบ

1.1.5. อุณหภูมิกระเปาะแห้ง (dry bulb temperature, DB)

        อุณหภูมิกระเปาะแห้ง หมายอุณหภูมิที่อ่านจากเทอร์โมมิเตอร์ที่กระเปาะแห้ง ในการวัดจะต้องให้กระเปาะอยู่ใน ที่อากาศ ถ่ายเทได้สะดวก เพื่อที่อ่านได้ถูกต้องและป้องกันค่าที่ผิดพลาดจากการแผ่รังสี

1.1.6. อุณหภูมิกระเปาะเปียก (wet bulb temperature,DB)

        อุณหภูมิกระเปาะเปียก หมายถึงอุณหภูมิที่อ่านจากเทอร์โมมิเตอร์ที่กระเปาะหุ้มด้วยผ้าที่ชื้น โดยมีกระแสลมที่มีความ เร็วระหว่าง 5 และ 10 เมตรต่อวินาที ที่พัดผ่านกระเปาะ

1.1.7. เอนทาลปีของอากาศ (Enthalpy of air)

        อากาศจะประกอบด้วย ความร้อนสองลักษณะ คือ ความร้อนสัมผัส และความร้อนแฝง ความร้อนของอากาศทั้งหมดของ อากาศที่สภาวะใดๆ เป็นผลรวมของ ความร้อนสัมผัสและความร้อนแฝง

1.) ความร้อนสัมผัสของอากาศ (Sensible heat of air, H_S)

    สำหรับค่าที่กำหนดให้ใดๆของอุณหภูมิกระเปาะแห้งความร้อนสัมผัสของอากาศ หาได้จากสมการดังนี้

(1.3)

H_S = ความร้อนสัมผัสของอากาศ
m = จำนวนมวลของอากาศ
Cp = ความร้อนจำเพาะของอากาศที่ความดันคงที่ = 1 kJ/kg.K
DB = อุณหภูมิที่อ่านจากเทอร์โมมิเตอร์กระเปาะแห้ง
h_S = เอนทาลปีจำเพาะของอากาศแห้ง

2.) ความร้อนแฝงของอากาศ (Latent heat of air, H_L)

    ความร้อนแฝงของอากาศ คือ ความร้อนแฝงของไอน้ำอากาศ เพราะว่าจำนวนความร้อนแฝงที่กำหนดปริมาณของอากาศจะขึ้นอยู้กับมวลของไอน้ำในอากาศ และความร้อนแฝงของการกลายเป็นไอของน้ำจะตรงกับอุณหภูมิอิ่มตัวของน้ำ

(1.4)

H_L = ความร้อนแฝงของอากาศ (kJ) ที่มีอัตราส่วนความชื้น
m = จำนวนมวลของอากาศ
W = อัตราส่วนความชื้น
h_w = เอนทาลปีจำเพาะของไอน้ำในอากาศโดยปรกติใช้ค่า hg ของไอน้ำ (h_g) สำหรับอากาศ 1 kg

3.) ความร้อนของอากาศ (Total heat of air, h_t)

    ความร้อน (เอลทาลปี) ของอากาศ คือการรวมผลของคตวามร้อนสัมผัสของอากาศ (เอลทาลปีของอากาศแห้ง) และความร้อนแฝงของอากาศ(เอลทาลปีของไอน้ำ)ดั้งนั้นสำหรับอากาศ 1 kg

(1.5)

h_t = เอลทาลปีของอากาศ(ขี้น) (kJ/kg)
h_S=เอลทาลปีของอากาศแห้ง (kJ/kg)
h_L=เอลทาลปีของไอน้ำ (kJ/kg)สำหรับอากาศ m/kg
H_t = (m)(h_t)
H_t = เอลทาลปีของอากาศจำนวน m/kg

    การถ่ายเทความร้อนทั้งหมด (Q_t) ที่อากาศได้รับหรือคายออก เมื่ออากาศได้รับความร้อนหรือความเย็นตามลำดับ อาจจะคำนวณจากสมการต่อไปนี้

(1.5)

หมายเลข 1 และ 2 ที่แสดงอยู่บอกถึงสภาวะแรก และสภาวะสุดท้ายตามลำดับเมื่อเอนทาลปีที่สภาวะ 1
มากกว่าสภาวะที่ 2 
ผลลัพธ์ที่ได้จะมีค่าเป็นลบ แสดงว่า ความร้อนถ่ายเทจากอากาศมากกว่าในทางปฏิบัติโดยปกติจะไม่นำมาคิด

2.แผนภูมิไซโครเมตริก

แผนภูมิไซโครเมตริก ( psychometric chart ) เป็นกราฟหรือแผนภูมิที่ใช้สำหรับพลอต หรือลากเส้นจากค่าอ้างอิงต่าง ๆ ซึ่งเป็นค่าที่วัดได้ หรือต้องการคำนวณหาจากคุณสมบัติของอากาศ และไอน้ำในอากาศ

ในแผนภูมิไซโครเมตริก สิ่งเหล่านี้สามารถบอกสถานะของอากาศหลายอย่าง เช่น

• ถ้าทราบอุณหภูมิกระเปาะแห้งและอุณหภูมิกระเปาะเปียก เราจะอ่านค่าความชื้นสัมพัทธ์จากแผนภูมิได้
• ถ้าทราบอุณหภูมิกระเปาะแห้งและความชื้นสัมพัทธ์ จะหาค่าอุณหภูมิกระเปาะเปียก ได้
• ถ้าทราบอุณหภูมิกระเปาะเปียกและความชื้นสัมพัทธ์ จะหาค่าอุณหภูมิกระเปาะแห้งได้
• ถ้าทราบอุณหภูมิกระเปาะแห้งและอุณหภูมิกระเปาะเปียก จะหาค่าอุณหภูมิจุดน้ำค้างได้
• ถ้าทราบอุณหภูมิกระเปาะเปียกและความชื้นสัมพัทธ์ จะอ่านจุดน้ำค้างได้จากแผนภูมิ
• ถ้าทราบอุณหภูมิกระเปาะแห้งและความชื้นสัมพัทธ์ จะหาอุณหภูมิจุดน้ำค้าง ได้
• เกรนของความชื้นในอากาศ ซึ่งหาได้จากสิ่งต่าง ๆ เหล่านี้
1. อุณหภูมิกระเปาะแห้งและความชื้นสัมพัทธ์
2. อุณหภูมิกระเปาะแห้งและจุดน้ำค้าง
3. อุณหภูมิกระเปาะเปียกและความชื้นสัมพัทธ์
4. อุณหภูมิกระเปาะเปียกและจุดน้ำค้าง
5. อุณหภูมิกระเปาะแห้งและอุณหภูมิกระเปาะเปียก จุดน้ำค้างอย่างเดียว

3.กระบวนการไซโครเมตริค (Psychometric Process)

1. กระบวนการทำให้อากาศเย็นหรือร้อน

        คือ กระบวนการดึงหรือเพิ่มความร้อนสัมผัสให้กับอากาศทำให้อุณหภูมิ กระเปราะแห้งของอากาศเปลี่ยนโดยอัตราส่วนชื้นคงที่ ฉะนั้นจึงแทนด้วยเส้นอัตราส่านความชื้นคงที่

2. กระบวนการทำให้อากาศเย็นและแห้ง (ทั้งความร้อนสัมผัส)

        คือ กระบวนการทำให้อากาศเย็นและแห้งจะทำให้ทั้งความร้อนสัมผัสและความร้อนแฝงเปลี่ยน

3. กระบวนการทำให้อากาศร้อนและชื้น (ความร้อนแฝงและความร้อนสัมผัสเปลี่ยน)

        กระบวนการนี้จะทำให้ความร้อนแฝงและความร้อนสัมผัสเพิ่มขึ้น

4. กระบวนการทำให้อากาศชื้นหรือแห้ง (ความร้อนแฝงเปลี่ยน)

        เรียกกระบวนการเพิ่มไอน้ำให้กับอากาศว่า กระบวนการทำให้อากาศชื้น และเรียกกระบวนการดึงไอน้ำออกจากอากาศว่า กระบวนการทำให้อากาศ แห้ง กระบวนการทำให้อากาศชื้นจะทำให้อัตราส่วนความชื้น และเอนทาลปีเพิ่มขึ้น โดยอุณหภูมิกระเปราะแห้งคงที่

5. กระบวนการผสมอากาศ

        กระบวนการนี้พบได้บ่อยในการผสมกันระหว่างอากาศนอกห้องและลมที่กลับมาจากห้อง

 4.ตารางไซโครเมตริก

ตารางที่ 1 ไซโครเมตริกซ์ชาร์ท Ashrae องศาเซลเซียส

ตารางที่ 2 ไซโครเมตริกซ์ชาร์ท Ashrae องศาฟาเรนไฮท์