شیشه‌های بی‌بخار

بخارگرفتگی شیشه‌های خودرو از آن دسته مشکلاتی است که هرازگاه اتفاق می‌افتد؛ اما هنوز این مشکل جزیی، یکی از 10 مشکل عمده صنعت تهویه مطبوع جهان باقی مانده است. بخار گرفتگی شیشه‌ها هنگامی اتفاق می‌افتد که دمای شیشه تا زیر نقطه شبنم هوا کاهش یابد. این مساله ناشی از افزایش رطوبت نسبی در اتاقک خودرو یا ناشی از کاهش دمای شیشه خودرو است. شاید برایتان جالب باشد که بدانید بتازگی محققان ایرانی موفق به ابداع روشی جدید برای بخارزدایی شیشه جلو خودرو شدند.

به گفته این پژوهشگران این ابزار با کنترل و در واقع مدیریت جریان هوای خروجی از دریچه‌های سیستم تهویه مطبوع خودرو ایجاد می‌شود که دستیابی به این هدف با اضافه کردن و ایجاد یک سری اصلاحات خاص در سیستم تهویه مطبوع کنونی خودروها، امکان‌پذیر شده است. ما هم به این بهانه با مهندس زهرا بنی‌عامریان، دانشجوی دکتری مکانیک دانشگاه خواجه نصیر،‌ محقق سیستم بخارزدایی که تحت نظر دکتر محمدحسن سعیدی ارائه شده به گفتگو نشسته‌ایم.

شیشه خودرو چرا و تحت چه شرایطی بخار می‌گیرد؟

به طور کلی عوامل و دلایل تشکیل بخار روی شیشه به چند دسته تقسیم می‌شود:

مه گرفتگی پیش از استارت خودرو که حاصل از حضور بخار در اتاقک خودرو از قبل یا کاهش دمای هوای محیط است. مه گرفتگی آنی در شروع استارت موتور که ناشی از وجود چگالش بخار از عملکرد قبلی سیستم تهویه است. مه گرفتگی ناشی از افزایش رطوبت اتاقک خودرو به خاطر حضور سرنشینان یا ورود سرنشینی با لباس‌تر از بیرون، کاهش ناگهانی دمای شیشه جلوی خودرو در طول سفر مثلاً بارش ناگهانی باران در یک روز گرم، افزایش رطوبت ناشی از تنفس و تعرق سرنشینان خودرو و شرایط آب و هوایی گرم و مرطوب با نسبت رطوبت بالا.

ارائه تکنیکی مناسب برای بخارزدایی چگونه صورت می‌گیرد؟

با فرض ثابت بودن خواص حرارتی شیشه‌های خودرو، دو عامل مهم برای جلوگیری از فرآیند بخارگرفتگی باید مورد توجه قرار گیرند. عامل اول گذر مناسب و موثر جریان هوای داخل اتاقک از شیشه‌های جلو و جانبی خودرو است. این در صورتی امکان‌ دارد که اولاً هوا با دبی یا حجمی کافی از خروجی‌های سیستم بخارزدا خارج شود. (که این مساله هم با کنترل بازده مناسب فن در سیستم تهویه مطبوع خودرو و هم با کنترل افت فشار این سیستم و کانال‌های مربوط قابل دسترسی است.) ثانیاً این دبی حجمی بالای جریان در بهترین حالت ممکن مدیریت شود. به عبارت دیگر این جریان باید در کل سطح شیشه‌ها و با انتقال حرارت بالا بین جریان هوا و سطح شیشه برقرار شود. این در صورتی امکان‌پذیر است که جریان هوا در نزدیک‌ترین فاصله ممکن و با حداکثر سرعت ممکن از سطح شیشه بگذرد.

سیستم‌های بخارزدا یا برف روب کنونی در خودروها با چه نقص‌هایی روبه‌رو هستند؟

در واقع نقص اساسی سیستم‌های بخارزدای کنونی از آنجا ناشی می‌شود که جریان هوای پاشش شده از پنل‌های بخارزدا به سمت شیشه جلو، کاملا در راستای شیشه و تا انتهای آن ادامه نمی‌یابد، بلکه تا پیش از رسیدن به مرکز شیشه، منحرف شده به سمت عقب خودرو جریان می‌یابد. واضح است که روش‌های کنونی بخارزدایی در خودروها چندان مؤثر نیستند، زیرا اولین قسمت‌هایی از شیشه که پس از زمان نه‌چندان مناسب، از بخار پاک می‌شود، زیر سطح بحرانی دید راننده است. پیچیدگی توپوگرافی شیشه و هندسه نازل برفک‌زدا به ترکیب ناکافی جریان، انتقال لحظه‌ای ضعیف و در نتیجه ایجاد نواحی مرده جریان در قسمت‌های بحرانی دید منجر می‌شود.

تنظیم و کنترل سیستم گردش هوا و تهویه مطبوع در داخل خودرو برای جلوگیری از بخارگیری شیشه‌ها چگونه باید اعمال شود؟

توانایی جریان هوا برای جریان در راستای شیشه تا حدود زیادی به جزییات هندسی شیشه و دریچه‌های خروجی وابسته است تا به دبی و سرعت جریان. در مورد شیشه جلوی خودرو محل پاشش جریان باید در قسمت پایه پنجره باشد و در مکانی که از آن پس جریان براحتی در راستای شیشه به سمت بالا حرکت کند. این در حالی است که در مورد شیشه‌های کناری جهت هوا، باید به سمت مرکز شیشه باشد. شفافیت شیشه‌های خودرو و پاک بودن آنها از هر گونه آلودگی، برفک یا بخار، کاملاً ضروری است.

آنچه از سیستم بخارزدای خودرو انتظار می‌رود، این است که به محض روشن شدن خودرو، بخار و یخ‌زدگی شیشه را به طور کامل از بین ببرد. به علاوه پاکیزه شدن شیشه خودرو باید کاملاً یکنواخت صورت گیرد و کل مقطع شیشه عاری از یخ و بخار شود و در نهایت یخ و بخار در هیچ مرحله از سفر نباید دوباره ایجاد شود. موارد مذکور می‌تواند اهداف ایجاد یک سیستم بخارزدای مطلوب باشد.

بر اساس آخرین مطالعات انجام شده، چه عواملی بیشترین تاثیر را در ایجاد یک سیستم بخارزدای مطلوب دارند؟

گرم کردن محیط داخل خودرو تا حدی رطوبت نسبی را کاهش می‌دهد، اما تا هنگامی که رطوبتی داخل خودرو باشد همچنان شیشه‌ها بخارمی گیرند. تنفس و تعرق سرنشینان داخل خودرو براحتی رطوبت هوا را به حد اشباع (100 درصد) می‌رساند. برای جلوگیری از بخار گرفتگی، باید دمای شیشه به دمایی بالاتر از نقطه شبنم محیط برسد. متاسفانه هنگامی که شیشه بخواهد به چنین دمایی برسد، دمای محیط داخل ماشین بسیار بالا می‌رود.

راه حل بهتر، فعال کردن سیستم تهویه مطبوع خودرو است. در حقیقت این سیستم، رطوبت را از هوای داخل خودرو گرفته و آن را به صورت قطرات آب از زیر خودرو خارج می‌کند. اما قضیه به همین راحتی پایان نمی‌پذیرد؛ با خشک شدن هوای داخل خودرو، دمای آن کاهش یافته و مسافران احساس سرما می‌کنند. از طرفی هوای سرد داخل خودرو کم‌کم شیشه را سرد می‌کند تا جایی که قطرات آب روی شیشه ظاهر می‌شود. در این حالت باید برف پاک‌کن را روشن کرد. از آنجا که معمولا برف پاک‌کنی روی این دو شیشه جانبی تعبیه نمی‌شود، راننده و سرنشین جلو برای پاک کردن قطرات مرتبا شیشه‌های جانبی را بالا و پایین می‌کشند و به نفوذ هوای مرطوب خارج به داخل خودرو کمک می‌کنند. این موضوع باعث اعمال بار رطوبتی فراوانی به سیستم بخارزدا شده که در نهایت به عدم کارایی این سیستم ختم می شود.

بهترین حالت برای بخارزدایی طی محاسبات انجام شده چه وضعیتی است؟

مهم‌ترین پارامترهای موثر بر بخارزدایی شیشه خودرو سرعت هوا در راستای شیشه، دمای هوا، رطوبت نسبی محیط و ضخامت اولیه فیلم بخار است. سرعت هوا از دو جهت فرآیند بخارزدایی را تحت تاثیر قرار می‌دهد. با افزایش سرعت هوا ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی افزایش می‌یابد و انتقال حرارت موثرتری بین هوا و شیشه جلوی خودرو صورت خواهد گرفت. از طرف دیگر افزایش سرعت هوا و انتقال جرم رابطه مستقیمی با یکدیگر دارند و با افزایش سرعت، نرخ تبخیر آب از سطح شیشه افزایش پیدا می‌کند. البته معمولا در افزایش سرعت هوا در سیستم‌های تهویه مطبوع محدودیت‌هایی نیز وجود دارد. یکی از این محدودیت‌ها، تامین شرایط آسایش انسان‌هاست. به طور کلی هوای ساکن با دمای مطلوب بیش از جریان هوا با همان دما شرایط آسایش انسان را تامین می‌کند. محدودیت دیگر مربوط به اندازه فن‌های مربوط به سیستم‌های تهویه است. برای بالاتر بردن سرعت قدرت بیشتری از فن لازم است و قدرت بالاتر منجر به افزایش اندازه فن می‌شود در حالی‌که در خودرو فضای کوچکی به سیستم بخارزدا اختصاص داده شده است.

از دیگر پارامترهای موثر بر عملکرد سیستم بخارزدا، دمای هوا در راستای شیشه است. مسلما با افزایش دما عملکرد مطلوب‌تری از این سیستم حاصل می‌شود، اما به منظور تامین شرایط آسایش سرنشینان معمولا سعی بر حفظ دما در محدوده خاصی می‌شود.

روشی که توسط شما و همکاران محققتان ارائه شده از چه تکنیکی برای بخارزدایی بهره می‌گیرد و چه مزیت‌هایی نسبت به شیوه‌های ارائه شده کنونی دارد؟

در این پژوهش، پس از بررسی میدان جریان هوای داخل اتاقک خودرو، مساله گذرای انتقال جرم به منظور یافتن زمان لازم برای از بین رفتن بخار از روی شیشه توسط سیستم بخارزدا، محاسبه می‌شود. از میان شیوه‌های ارائه شده کنونی، برجسته‌ترین نقاط قوتشان انتخاب شده است.

مهم‌ترین عامل ناکارآمدی روش‌های کنونی بخارزدایی این است که بخش اعظمی از هوای هدایت شده به سمت شیشه جلو بدون این‌که کل سطح شیشه را دربر گیرد و در مواردی پیش از رسیدن به سطح بحرانی دید، به سمت عقب اتاقک منحرف می‌شود. روش جدیدی که در این پروژه ارائه می‌شود، بر مبنای افزایش انتقال حرارت در سطح شیشه، توسط افزایش اختلاط جریان است.

همان‌طور که واضح است، بهترین روش، روشی است که بخار روی شیشه را در منطقه بحرانی سریع‌تر از بین ببرد و در عین حال شرایط آسایش را برای سرنشینان فراهم کند. نتایج نشان می‌دهد حضور دریچه‌های خروجی در قسمت عقب خودرو، منجر به کشیده شدن هوای گرم سیستم بخارزدا به سمت عقب خودرو می‌شود. این پدیده از دو جهت مطلوب نیست. از طرفی منجر به بالا رفتن دمای اتاقک و از بین رفتن آسایش سرنشینان می‌شود و از طرف دیگر، مانع از جریان یافتن هوا در راستای شیشه شده و هوا را تا حدودی از شیشه منحرف می‌کند.

آیا سیستم ارائه شده مراحل تولید را نیز طی کرده است؟ نصب آن در خودروها چقدر هزینه در بر دارد؟

طرح ارائه شده در سازمان ثبت اختراعات به ثبت رسیده، اما هنوز وارد مرحله تولید نشده است.هزینه اجرای این طرح هم بسیار پایین است. ایجاد سرعت و دمای لحاظ شده در مدلسازی جزئی قابلیت‌های کنونی هیتر و فن سیستم تهویه است و نیاز به افزودن هیتر اضافی یا فن قوی‌تر نیست.

پونه شیرازی