VẬT LÝ KIẾN TRÚC - Phần 1: Môi Trường Nhiệt Ẩm pdf

GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) PH N MÔI TRƯ NG NHI T M (Lớp 09 Vật liệu, ĐHKT) Chơng Cơ sở vật lý môi trờng nhiệt ẩm I đại lợng nhiệt ẩm Nhiệt (Nhiệt lợng ) Định nghĩa nhiệt đại nh nêu định nghĩa đơn giản, nhng chân lý định nghĩa cha rõ ràng ý tởng tản mạn nhiệt chung chung Nhiệt (H) l dạng lợng Đơn vị : joule (J) Joule đơn vị lợng hệ SI đợc dùng để đo đếm dạng lợng Một số đơn vị sau đợc dùng : Calorie : cal = 4,187J Kilowatt : 1Kwh = 3,6 MJ Đơn vị nhiƯt cđa Anh (Buitish Thermal Unit), 1BTU = 1,055KJ W đổi đợc 0,86 Kcal/h Nhiệt thuộc tính nội phân tử vật chất Các dạng lợng khác năng, hoá điện Những dạng chuyển thành nhiệt Ví dụ : Ma sát ( ) sinh nhiệt Dòng điện tụ điện sinh nhiệt Sự cháy biến hoá vật chất thành nhiệt Nhiệt thờng đóng vai trò trung gian việc tạo thành dạng lợng khác Ví dụ : Điện đợc sản xuất nhờ đốt than, nhiệt mặt trời cung cấp gốc dạng lợng hoá thạch trái đất nh than, dầu rừng nguyên thuỷ sinh dới ánh nắng mặt trời Nhiệt độ (Temperature) Nhiệt độ không giống nh nhiệt lợng, lửa nhỏ có nhiệt độ cao chậu nớc sôi, song nớc lại chứa nhiều nhiệt lợng lửa Có thể coi nhiệt độ thuộc tính vật định tỏa nhiệt thu nhiệt vật môi trờng xung quanh Nhiệt độ không tuyệt đối (F): (Do G.D Fahrenheit ngời phát minh nhiệt kế thuỷ ngân nêu vào đầu kỉ 18) 0K (Kenvil) -273,15C (Nhiệt độ bách phân Celsius) -459,69F (Fahrenheit ) 32F : Đóng băng ; 212F : sôi Công thức chuyển đổi nhiệt độ: t o C = (5 / 9) (t o F − 32) t o F = (9 / 5).t o C + 32 Khi không khí có nhiệt độ 40 o C có nhiệt độ − 40 o F GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Nh− vËy 1BTU lµ nhiệt lợng cần thiết để tăng pound nớc lên ®é F NhiƯt dung NhiƯt dung (Heat Capacity ) hay gọi tỷ nhiệt Các vật liệu khác có khối lợng giữ nhiệt lợng khác Để tăng nớc dầu lên khoảng nhiệt độ nớc cần nhiệt lợng Nh nớc có nhiệt dung hay tỉ nhiệt lớn dầu Nhiệt dung riêng (C) khối vật liệu nhiệt lợng cần thiết để tăng 1kg vật liệu lên 1C (1K) Đơn vị J/kg.K (hoặc J/kg.C) Tỉ nhiệt nớc cao nhiều chất khác Do nớc môi trờng tốt để giữ nhiệt Nhiệt độ trái đất ổn định nhờ nhiệt lợng khổng lồ đại dơng vùng nớc bao quanh đảo, thí dụ nh xứ đảo Anh Quốc điều hoà nhiệt độ để tránh trạng thái cực đoan Những thiết bị trao đổi nhiệt nh ống dẫn nhiệt, nồi dùng nớc làm môi trờng trung gian Vật liệu Nhiệt dung riêng, J/kg K Nớc Bê tông Gạch xây Băng Dầu hỏa Gỗ Nhôm Đá hoa Kính Thép §ång 4190 3300 2100 2100 1700 910 880 700 450 390 Chú thích: Các giá trị khác tùy loại vật liệu xây dựng (Nguồn: McMullan) Nhiệt hiển nhiệt ẩn Để hiểu rõ đại đa số chất biến đổi nh nào, tốt ta xem xét trình chuyển trạng thái nớc Hình1.1 cho thấy tác dụng cấp nhiệt liên tục cho khối nớc đá Phụt khí Khối lợng nớc đá = 1kG Hoá o 100 C Nớc Hoá lỏng oC Nớc đá Nhiệt ẩn 335 kJ Nhiệt hiển 420 kJ Nhiệt ẩn 2260 kJ Nhiệt cấp cho khối nớc đá Hình 1.1: Các pha chất lỏng GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Mơi trư ng nhi t m (11/2011) NhiƯt hiĨn (Sensible Heat) Khi vËt chÊt tån t¹i ë d¹ng nớc đá, nớc, khí nhiệt độ tăng cấp nhiệt Nhiệt lợng gọi nhiệt hiển ( sensible heat) thay đổi đợc hiển thị trông thấy tăng nhiệt độ nhiệt kế Nhiệt hiển nhiệt hấp thụ thải trình thay đổi nhiệt độ cđa vËt chÊt NhiƯt hiĨn H = m.c.∆θ Trong ®ã : H = L−ỵng nhiƯt hiĨn (J) m = Khèi l−ỵng vËt chÊt (kg) c = TØ nhiƯt cđa chÊt ( J/kg.K) ∆θ= θ2 – θ1 = Sù thay ®ỉi nhiệt độ (C) Ví dụ : Một lò nhiệt chứa khối gạch có kíck thớc 800 x 500 x 220 mm Khối bê tông có tỉ trọng 2400kg/m3 tØ nhiÖt 3300J/kg.K Bá qua sù mÊt nhiÖt, tÝnh nhiÖt lợng cần thiết để tăng khối bê tông từ 15C lên 35C Giải : V = 0,8.0,5.0,22 = 0,088m3 M = 2400.0,088 = 211,1kg H = 211,2.3300 (35 – 15) = 13939200J = 13,94MJ NhiÖt Èn (Latent heat ) Khi vật chất chuyển từ trạng thái sang trạng thái khác nhiệt độ không thay đổi, cung cấp nhiệt Lợng nhiệt gọi nhiệt ẩn không cảm thấy đợc, tức thay đổi không đợc hiển thị trông thấy tăng nhiệt độ nhiệt kế Nhiệt ẩn nhiệt hấp thụ thải vật chất thay đổi trạng thái mà không thay đổi nhiệt độ Cã tªn gäi cđa nhiƯt Èn : NhiƯt Èn hoá (Latent heat of vaporisation) Nhiệt ẩn hóa lỏng (Latent heat of fusion) Chất lỏng hoá mà không cần cấp nhiệt cách bay hơi(evaporation) chẳng hạn Nhiệt ẩn dùng cho trình bay đợc lấy từ môi trờng xung quanh tạo thành hiệu ứng làm lạnh quan trọng Nhiệt ẩn : H = m.l H : L−ỵng nhiƯt Èn (J) m : Khèi l−ỵng vËt chÊt l : nhiƯt Èn riêng thay đổi pha (J/kg) Nhiệt ẩn riêng ( Specific latent heat) số đo lợng nhiệt thu thải chất để thay đổi trạng thái Đơn vị J/kg Một số nhiệt ẩn riêng : nhiệt ẩn riêng nớc đá 335.000J/kg = 335 kJ/kg nhiệt ẩn riêng khí (Steam) 2.260.000J/kg = 2.260 kJ/kg Enthalpy Là tổng nhiệt lợng (nhiệt hiển + nhiệt ẩn) chøa khèi vËt chÊt so víi nhiƯt ®é 0°C Enthalpy gọi nhiệt hàm Sự gi·n në (Expantion) GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Đại đa số chất nở nhiệt co lạnh Nên co dÃn tự nhiên thể có hạn xuất cỡng Các chất khác dÃn nở khác hệ số nở nhiệt dài phép đo thay đổi tơng đối độ dài Sự dÃn nở bề mặt (diện tích) nở khối đoán nhận qua dÃn nở dài *Chất rắn : -6 Hệ số nở dài cđa thÐp lµ 12.10 / °C cã nghÜa lµ sắt tăng độ dài tơng đối 12/1.000.000 nhiệt độ tăng thêm 1C Bê tông ( Concrete) có độ dÃn nở giống thép Nhôm dÃn gấp đôi, chất dẻo gấp 10 lần Sự phá huỷ công trình dÃn nở nhà sau hoả hoạn điều đáng quan tâm đánh giá ®é bỊn *ChÊt láng : ChÊt láng d·n në m¹nh chất rắn nhiệt độ Các chất lỏng dÃn nở khác nhau: Rợu dÃn nở gấp lần so với nớc Đa số chất lỏng gặp lạnh co lại, riêng với nớc thể tích lại tăng nhiệt độ thay đổi từ 4oC xng oC Sù d·n në cđa n−íc sÏ lµ mối nguy hại cho công trình xây dựng chi tiết máy mối nối công trình không giám sát kĩ Nớc ma đóng băng dÃn nở làm liên kết kết cấu xây dựng *Khí : Khí dÃn nở gấp hàng trăm lần chất lỏng Sự dÃn nở nhận thấy đợc đựng khí container áp suất tăng lên Nếu khí dÃn nở điều kiện áp suất cố định hệ số nở thể tích 1/273 cho độ (oC) kể từ oC 7.Khí : Khí : trạng thái vật chất Theo lí thuyết nhiệt động phân tử khí chuyển ®éng ApsuÊt ( P) = Lùc( F ) DiÖntÝch( A) Đơn vị : Pascal (Pa) Pascal = Newton / metr2 (1N / m2) Các đơn vị khác : Milimet cét n−íc : milibars (mb) 1mb = 101Pa Mm thuỷ ngân (mm) 1mm = 133Pa Các định luật khí : Định luật Boyle P.V = cons tan t P1 V = P2 V (t = const) Định luËt Charle V = cons tan t × T ( P = const) Định luật áp suất P = const x T (V = const) Lt tỉng qu¸t : P V P V P V = cons tan t hc 1 = 2 (1.1) T T1 T2 Ghi : Nhiệt độ tính theo K Định luật Dalton áp suất riêng Nếu hỗn hợp khí khác có áp suất riêng có đặc điểm sau : áp suất riêng thành phần khí không phụ thuộc vào áp suất thành phần khí khác Tổng áp suất hỗn hợp = tổng áp suất thành phần khí Nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn : (dùng để so sánh khÝ kh¸c nhau) GVCC PTS Nguy n Văn Mn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Nhiệt độ tiêu chuẩn = 0C = 273K áp suất tiêu chuẩn = 101,3kPa = 766mmHg (1 atmosphere) Ví dụ : Tại nhiệt độ 20C áp suất 200Kpa khối khí tích b»ng lÝt Hái thĨ tÝch khÝ sÏ lµ nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn : P1 = 200Kpa, V1 = lit ; P2 = 101,3Kpa, V2 = ? T1 = 273 + 20 = 293 K ; T2 = 273K Sử dụng phơng trình : P1V1 /T1 = P2V2 / T2 suy ra: V2 = 200.3.273 / 293.101,3 = 5,519 lit H¬i (Vapour): H¬i thể vật chất dới dạng đặc biệt pha khí có vài thuộc tính khác với loại khí Ví dụ, bị nén lại áp suất tăng biến thành chất lỏng điểm định Hơi thể vật chất trạng thái khí, bị hoá lỏng cách nén mà không thay đổi nhiệt độ Nhiệt độ tới hạn chất nhiệt độ mà lớn nhiệt độ trạng thái không tồn Hay nói nhiệt độ kể từ trở lên chất khí hóa lỏng đơn bị nén Bảng 1.1 đa số nhiệt độ tới hạn số chất có liên quan tới sởi làm lạnh Nh khí tuabin (steam) 100 oC nhng 500 oC khí Bảng 1.1: Nhiệt độ tới hạn sè chÊt ChÊt Oxigen (O2) Kh«ng khÝ CO2 Hamonia (NH3) Nớc (H2O) Nhiệt độ tới hạn ( oC) -119 -141 31 132 374 Khí Thành phần khí khô nh sau: Nitrogen (N2) 78% Oxygen ( O2) 21% Dioxide Carbon ( CO2) khí khác 1% Khí tập hợp khí có bề mặt Trái đất Ngoài không khí khí chứa vài phần trăm nớc chứa chất ô nhiễm Khí gây áp suất mặt đất phụ thuộc vào mật độ trung bình chiều cao cột khí áp suất tác động theo hớng biến đổi theo vĩ độ điều kiện thời tiết địa phơng Trên mực nớc biển có giá trị 101,3 kPa đợc đo loại khí áp kế 8.Độ ẩm (Humidity) Độ ẩm tuyệt đối: -Đại lợng f (g/m3): số gram nớc có m3 không khí -Một cách biểu diễn khác độ ẩm dùng áp suất ẩm e, tức áp suất riêng phần nớc điều kiện khÝ qun ®· biÕt GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi tr ng nhi t m (11/2011) -Đại lợng dung ẩm (moisture content), d có đơn vị g/kgkkk tính lợng ẩm tính kg g kg không khí khô, kg/kgkkk (kkk đọc không khí khô ) Vì áp suất ẩm tỉ lệ thuận tuyến tính với độ ẩm tuyệt đối nên hai thang sÏ vÏ song song víi nhau: d = 622 e B0 e (1.5) ngợc lại d B0 (1.6) 622 + d B0 áp suất khí hay gọi gọi khí áp, ®−ỵc lÊy b»ng 101,325 kPa ®èi víi “ khÝ qun tiêu chuẩn; e- áp suất ẩm, kPa; d- dung ẩm, g/kg kkk Độ ẩm tuyệt đối bÃo hòa: Không khí chứa nớc tùy ý đợc, mà nhiệt độ cho trớc, không khí chứa đợc lợng nớc tối đa định mà thôi, ta gọi không khí trạng thái bÃo hòa ( Saturaion) Tại trạng thái đại lơng f,e d có giá trị cực đại đợc gọi Độ ẩm tuyệt đối bÃo hòa đợc ký hiệu chữ hoa F,E D Độ ẩm tơng đối: e= ϕ = f x100% = d x100% = e x100% F D E (1.4) Đo độ ẩm: Độ ẩm tơng đối tốt nên đo ẩm kế quay tay bầu khô bầu ớt ẩm kế cánh quạt ( Hình 1.2.) Đó dụng cụ gồm nhiệt kế Một nhiệt kế có bầu đợc bọc miếng gạc thấm ớt lọ nớc giống nh bấc đèn dầu hỏa Đem quay tròn ( cánh quạt quay ) để tạo bay lớn nhất, nhiệt kế nhiệt độ gọi nhiệt độ ớt (tƯ) Nhiệt kế đo nhiệt độ không khí hay gọi nhiệt độ khô (tK) Chênh lệch tK - tƯ phụ thuộc vào mức hạ thấp nhiệt kế ớt cho biết độ ẩm không khí Sự bay bấc có tác dụng làm lạnh, nhiệt kế ớt giảm Lợng bay tỉ lệ nghịch với độ ẩm Khi không khí trạng thái bÃo hòa không bay đợc, không bị lạnh đi, tK = tƯ Nếu độ ẩm thấp bay xảy mạnh, làm lạnh nhiều nhiệt độ ớt giảm II Biểu đồ trạng thái không khí ẩm (Psychrometric Chart) Không khí hỗn hợp oxygen nitrogen, song khí xung quanh ta ẩm có chứa lợng nớc Mối liên hệ nhiệt độ khô t, dung ẩm d Enthalpy (H) không khí ẩm đợc xác định công thức sau: GVCC PTS Nguy n Văn Muôn ăn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) H = 0,24.t + (597 ,3 + 0,43.t ).d (1.2) H tÝnh theo kcal/kg.kkk, hc H = 1,005.t + ( 2500 + 1,88.t ).d (1.3) H tÝnh theo kJ/kg.kkk đó: 0,24 kcal/kg.oC=1,005 kJ/kg.oC tỷ cal/kg.oC=1,005 nhiệt không khí khô; 597,3 kcal/kg =2500 kJ/kg nhiệt ẩn hóa nớc 0oC, tnhiệt độ, oC Nếu chọn d theo g/kg kkk phải đổi kg tức chia cho 1000 ) Từ phơng trình dựng đợc biểu đồ trạng thái không khí ẩm (Hình 1.3) Đờng đờng bÃo hòa cho biết dung ẩm lớn mà không khí chứa đợc nhiệt độ xác định, lợng dung ẩm đợc gọi độ ẩm tuyệt đối bÃo hòa, ký hiệu D Mỗi tung độ chia nhỏ đờng cong ia nối điểm đờng độ ẩm tơng đối tính theo %, tức tỉ số phần trăm độ ẩm bÃo hòa Ví dụ, ( dựa theo Hình vẽ đầy đủ 1.3 o biểu đồ t-d) 25 C độ ẩm tuyệt đối bÃo hòa 20g/kg Chia đôi tung độ ta đợc 10 g/kg nửa độ ẩm tuyệt đối /kg bÃo hòa hay =50% NÕu e=2 kPa, d=(622 x 2)/(101,325 - 2)= 12,5 g/kg ( xem hình 1.3 ) Độ dốc đờng tƯ biểu đồ nhiệt ẩm Hình 1.2 Nguyên lí ẩm kế trùng với nhiệt độ khô đờng bÃo hòa cánh quạt ( Asman) ẩm kế Khi tiến hành đo, giao điểm đờng DBT quay tay WBT đợc đánh dấu biểu đồ; đợc xem nh điểm trạng thái, điểm cho biết hai giá trị RH ( nội suy đờng cong RH) giá trị AH ( đọc trục tung bên phải ) Thí dụ, (Hình 1.3) đo đợc DBT=29 oC WBT=23 oC đem đánh dấu, ) hai đờng cắt đờng cong = 60%, trục tung đọc đợc AH 15 g/kg Enthalpy (H) nhiệt lợng không khí lấy oC độ ẩm Nó đợc đo kJ/kg, tức nhiệt lợng kg không khí Nó có thành phần: nhiệt hiển (HS) cần thiết để tăng nhiệt độ khô ( xấp xỉ 1,005 kJ/kg.K) nhiệt ẩn, ( HL) lợng nhiệt cần để làm cho nớc bay tạo thành dung ẩm không khí Bởi đờng Enthalpy=constant trùng với đờng WBT ( thật r không hoàn toàn trùng hẳn ), nên để tránh lẫn lộn, chúng đợc đánh dấu thang kép phía khác, nằm vùng biểu đồ đợc vẽ đoạn thẳng ( Hình ) 1.3 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn ăn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Nếu Enthalpy đoạn thẳng chéo kể từ điểm oC RH=0 tới điểm trạng thái, thành phần nằm ngang HS đứng HL Thể tích riêng v không khí trạng thái đợc biểu diễn biểu đồ tập hợp đờng dốc ( Hình ) Đại lợng đợc tính thể 1.3 tích không khí lấy kg không khí khô ( áp suất chuẩn), có thứ nguyên m3/kgd.a Đó nghịch đảo tỉ trọng, kg d.a./m3 Hình 1.3 Biểu đồ trạng thái nhiệt ẩm không khí 1.3.Các trình nhiệt ẩm: Trạng thái không khí đợc xác định điểm biểu đồ nhiệt ẩm Nếu biết thông số bất kú th«ng sè ( DBT, DWT, AH, RH, H v) hoàn toàn dựa vào biểu đồ xác định đợc thông số lại Các trình nhiệt ẩm, tức trình thay đổi trạng thái không khí, đợc biểu diễn dịch chuyển điểm trạng thái biểu đồ GVCC PTS Nguy n Văn Muôn ăn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Hình 1.9 Làm mát sởi Sự di chuyển điểm trạng thái Hình 1.10 Làm mát khử ẩm Quá trình sởi làm mát (Heating and Cooling) : Quá trình sởi đợc biểu diễn dịch chuyển điểm trạng thái theo chiều ngang sang phải Trong DBT tăng dung ẩm không thay đổi, độ ẩm tơng đối giảm xuống ( Hình 1.9 ) Quá trình làm lạnh giảm DBT, điểm trạng thái dịch chuyển theo chiều ngang bên trái Quá trình làm tăng RH, nhng AH không thay đổi Quá trình làm mát khử ẩm - làm lạnh khô( Dehumdification): Nếu trình làm lạnh tiếp tục dịch chuyển điểm trạng thái phía bên trái đạt đến đờng bÃo hòa c bắt đầu xảy trình ngng tụ Tại giao điểm đờng ngang với đờng bÃo hòa đọc đợc nhiệt ®é ®iĨm s−¬ng ( Dew Point Temperature DPT ) øng víi AH cho tr−íc Trong vÝ dơ nãi Temperaturetrªn nã khoảng 20,5 oC Tại điểm này, RH 100% Nếu không khí tiếp tục đợc làm lạnh xuống dới điểm bắt đầu xảy ngng tụ ẩm, sơng mù bắt đầu xuất Dới điểm sơng, điểm trạng thái dọc đờng bÃo hòa độ ẩm tuyệt đối giảm theo đờng thẳng đứng xảy ngng tụ uyệt Hình 1.11 Làm mát bốc Hình 1.12 Khử ẩm đoạn nhiệt Tiếp tục ví dụ trên, không khí 29 oC cã dung Èm 15,2 g/kg ( RH= 60%) cã ®iĨm sơng 20,5 oC, tiếp tục đợc làm lạnh xuống 15 oC điểm ( đà b·o hßa) AH sÏ b»ng 10,5 g/kg, nh− vËy sù chênh lệch 15,2 10,5=4,7 g/kg 15,2-10,5=4,7 lợng ẩm đợc ngng tụ dới dạng chất lỏng ( Hình 1.10 ) Làm mát bốc hơi: Phun ẩm( Evaporative Cooling: Humidification , tức Cooling: Humidification) trình bay ẩm vào khối lợng không khí theo trình đoạn nhiệt bổ sung nhiệt lợng Quá trình làm giảm DBT nhng lại tăng độ ẩm ( RH lẫn AH) Điểm trạng thái di chuyển phía t trái, dọc đờng WBT (H×nh 1.11) GVCC PTS Nguy n Văn Mn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Quá trình khử ẩm đoạn nhiệt ( Adiabatic Dehumidification) xảy không khí qua mét sè hãa chÊt hÊp thơ ( chÊt r¾n, nh− silicagel, hc chÊt láng nh− phun glycol – glycol spray), trình khử bớt số lợng ẩm ( cách hấp thụ bám dính- adsorption) Quá trình tỏa nhiệt, DBT tăng, độ ẩm ( AH lẫn RH) lại giảm (Hình 1.12) HB HA HC A =100 A C ϕC ϕB dA Dung Èm, g/kg Enthalpy, kJ/kg dC dB B tB tC tA Nhiệt độ khô, oC Hình 1.13 Quá trình trộn khí Quá trình trộn khí ( Mixing process ): NÕu cã hai dßng khÝ víi l−u lợng khối ã ã m A m B , nhiệt độ khô tA tB , Enthalpy HA HB trộn vào với thì, dựa vào hình vẽ (Hình 1.13) áp dụng quy tắc tam giác đồng dạng, dễ dàng tìm đợc biểu thức sau: • • • • m A t A + m B t B = ( m A + m B )t C • • • (1-7) • m A H B + m A H B = ( m A + mB ) HC (1-8) Do : ã tC = • m A t A + mB t B • • m A + mB • HC = (1-9) • m A H A + mB H B ã ã (1-10) m A + mB Để xác định tC HC dC dùng cách sau: biểu đồ t-d nối điểm trạng thái đờng thẳng, sau chia đoạn thẳng theo tỷ lệ nghịch với ã ã m A m B , tức điểm C nằm đờng thẳng AB chia AB thành đoạn tỉ lệ nghịch với khối lợng không khí khô trạng thái A B, tức là: ã CA m B = ã CB m A (1.11) Bài tập: Một dòng khí Èm cã l−u l−ỵng 30 m3/min ( 30 m3 phút), nhiệt độ khô DBT=15 oC nhiệt độ ớt WBT= 12 oC đợc hòa trộn với dòng khí ẩm khác có lu lợng 12 m3/min, nhiệt độ khô DBT=35 oC nhiệt độ ớt WBT= 27 oC HÃy xác định thông số nhiệt ẩm hỗn hợp khí cách áp dụng biểu đồ t-d công thức đà học 10 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Mơi trư ng nhi t m (11/2011) ChiỊu cao nh , m 100 Trung tâm th nh phố Ngoại ô B i trèng 80 60 40 20 0 20 40 60 80 100 120 Chênh lệch áp suất, Pa Hình 8-9a: Chênh lệch áp suất dới tác động gió Hình 8.10: Chênh lệch vận tốc gió gây vùng Từ định luật Becnulli P= .v 2 →v= ρ P = ∆P ≈ 1.29 ∆P 1.205 III ¸p st nhiƯt (¸p st träng lùc) (gièng nh− èng khãi) XÐt cưa sỉ A vµ B dới cách khoảng cách H ( hình 8.11) nhiệt độ nhà Ti, nhà To ( nhiệt độ tuyệt đối) 73 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Hình 8.11: Mô tả hiệu ứng ống khói Xét cột khí cao H Cột B đặt èng khãi lµ cét khÝ nãng cã chiỊu cao H, cột A cột khí lạnh To Ti H A B Hình 8.12: Tính toán áp suất nhiệt Mật ®é kh«ng khÝ ë 0oC (273oK) b»ng 1,293 kg/m3, cã nghĩa m3 không khí 273oK có khối lợng 1,293 kg Vì mật độ không khí tỷ lệ với nhiệt độ tuyệt đối nhiệt độ T khối lợng m thể tích thay đổi số 273 lần tỉ lệ với nhiệt độ tức là: m = 1,293 x , kg T Suy nh− sau: T¹i 273K cã m = 1,293 kg T¹i T cã m = ? BiÕt r»ng m tØ lƯ nghÞch víi T (khi nãng mật độ thấp) Khi t= 20oC m = 1.205kg 273 273 ? 1,293 1,293 Do ®ã: = → ? = 1,293x( )= = (®pcm) T t 1,293 T T 1+ 273 273 to = 20oC → ρ = 1,205kg / m Giả sử nhiệt độ cột A lµ To K vµ cét B lµ T1K, khối lợng cột khí A B đơn vị diện tích Cột A 273 m = (1,293 ).H kg To Cét B 74 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn m = (1,293 V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) 273 ).H T1 kg Vì áp suất lực đơn vị diện tích nên áp suất cét A sÏ b»ng ( P = mg, g= 9,81 kg/m2) 273 P = 9,81.(1,293 ).H , Pa To Vµ cét B sÏ b»ng: P = 9,81.(1,293 273 ).H , Pa T1 Ký hiệu P chênh lệch áp suất điểm A B, ta có: (với ý T1 >To cột B nóng, cột A lạnh), cột lạnh áp suất cao 273 273 P = 9,81H [(1,293 ) – (1,293 )] To T1 = 9,81.H.1,293.273( 1 1 ) = 3462 H ( ) , Pa To T1 To T1 IV Tám nguyên tắc thông gió tự nhiên Nguyên lý thông gió 1: Không khí thổi từ nơi áp suất cao tới nơi áp suất thấp Hình 8.1 Nguyên lý thông gió 2:Không khí có khối lợng ( có quán tính ) tiếp tục lúc bị cản công trình gặp luồng gió Hình 8.2 Nguyên lý thông gió 3: Tác động tổng hợp gió trờng rộng, nhờ mà dòng khí đà bị đổi hớng ( cối nhà cửa che chắn ) trở lại hớng cũ tốc ®é cị ban ®Çu 75 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi tr ng nhi t m (11/2011) Hình 8.3 Nguyên lý thông gió 4: Dòng khí chảy tầng ( laminar ) chảy trợt dòng khí liền kề víi cïng mét h−íng vµ cïng mét vËn tèc Sù đổi hớng từ từ không làm thay đổi chất chảy tầng, đổi hớng đột ngột tạo thành dòng chảy xoáy Nh thấy gặp vật cản đặt gần vuông góc với hớng gió thổi mặt lng gió xuất dòng chảy xoáy Hình 8.4 Nguyên lý thông gió 5: Đó hiệu ứng Bernoulli Khi giã thỉi qua tiÕt diƯn c¸nh m¸y bay, ¸p suất phần phía giảm so với phần dới dòng khí phải tăng tốc độ để vợt qua khoảng cách lớn Hình 8.5 76 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Nguyên lý thông gió 6: Đó hiệu ứng thắt dòng ( hiệu ứng Venturi) Hiệu ứng làm cho tốc độ dòng khí tăng lên dòng chảy tầng bị thắt lại để qua lỗ hổng ( lu lợng khí song phải vợt qua tiết diện hẹp) Nếu thắt lại đột ngột xuất dòng chảy rối, nh tăng tốc độ hiệu ứng thắt dòng giảm bớt Hình 8.6 Nguyên lý thông gió 7: Hiệu ứng ống khói Xuất không khí bên nhà nóng lên, trở nên nhẹ không khí nhà thoát nhà theo lỗ cửa mở phía Hình 8.7 Nguyên lý thông gió 8: Hiện tợng thông gió xuyên phòng ( crossventilation) xảy có cưa giã vµo vµ cưa giã 77 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Mơi trư ng nhi t m (11/2011) H×nh 8.8 V.Tính toán thông gió tự nhiên Lu lợng gió qua lỗ cửa Bằng thực nghiệm, IHVE (Institute of Heating and Ventilation Engenering ViƯn kü tht s−ëi vµ th«ng giã ) (8.4) V = 0,827 A (∆P) 0,5 V : l−u l−ỵng (m /s) A: diƯn tÝch lỗ (m2) P : chênh lệch áp suất thiết diện ngang lỗ [ Pa] Nếu gió thổi qua nhiều lỗ cửa đặt song song thì: V = 0,827.(A1) P [m3/s] Nếu lỗ cửa đặt nối tiếp th×: A1 A V = , 827 ∆P A2+ A2 ρ.v (8.5) [ m3/s] (8.6) nên hiệu áp suất hàm v2 vận tốc gió tỷ lệ với bậc 2 áp suất nên phối hợp điều nói trªn ta cã: V = const A.v hay V = E A.v (8.7) Trong đó: E- hiệu thông gió lỗ cửa có giá trị 0,5 0,6 gió thổi vuông góc với bề mặt lỗ cửa Phơng trình (8.7) diện tích lỗ vào diện tích lỗ Nếu diện tích lỗ khác phải dùng hệ số hiệu chØnh theo h×nh vÏ V× Pgiã= 78 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Mơi trư ng nhi t m (11/2011) 1,5 HƯ sè 0,5 0 Tỉ số diện tích lỗ cửa thoát gió/hút gió Hình 8.12: HƯ sè tÝnh tíi sù kh¸c cđa tØ sè diƯn tÝch tho¸t/diƯn tÝch hót NÕu h−íng giã chÕch 45o lu lợng V giảm 50% Ví dụ 1: Hớng gió vuông góc với mặt nhà cã v = m/s Tỉng diƯn tÝch giã vào m đặt mặt đón gió, tổng diện tích gió 1m2 mặt lng gió Tính lu lợng với giả thiết E = 0,6 Gi¶i: V = 0,6.A.v = 0,6.1.3 = 1,8 m3/s Ví dụ 2: Nhà xây dựng giữ thành phố cao 20 m Tổng diện tích gió vào 1m đặt mặt đón gió, diện tích gió 1m2 đặt mặt lng gió Tính lu lợng Giải: Từ hình tra đợc P = 11Pa A1 A2 Theo phơng trình V = 0,827 với A1= A2= 1m2 ∆P 2 A + A2 Ta cã: V = 0,827 11 = 1,94 m3/s Ví dụ 3: Lu lợng nhà đặt chỗ trống Giải: Tra hình cho ta ∆P = 70 Pa tõ ®ã: V = 0,827 70 = 4,89 m3/s VÝ dô 4: NÕu cửa gió 0,5 m2 lu lợng bao nhiêu? Giải: 79 GVCC PTS Nguy n Vn Muụn V = 0,827 V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) 1.0,5 + 0,5 2 70 = 3,09 m3/sec VÝ dô 5: Phòng có lỗ cửa diện tích m2, bố trí độ cao thấp, lỗ thứ có diện tích cao 20 m Xác định lợng áp suất trọng trờng gây nhiệt độ nhà 21o, nhà 5oC Giải: t1- to = 21 – = 16o Chªnh lƯch ¸p suÊt lµ ∆P = 0,043H(t1- to) = 0,043 x 20 x 16 = 13,76 Pa Từ phơng trình: 13,76 = 2,17 m3/s V = 0,827 2 T¸c dụng đồng thời gió áp suất trọng trờng Nếu có tác động đồng thời áp suất lu lợng qua lỗ không đơn tổng lu lợng Vgió= 0,827.A Pgió (8.8) Vnhiệt= 0,827.A Pnh (8.9) Trong đó: V = 0,827.A P (mà chó ý: ∆PΣ = ∆Pn + ∆Pg) NÕu ∆Pn = ∆Pg th×: VΣ= 0,827.A 2∆Pn = 0,827.A 2∆Pg hay VΣ = Vnh hc Vgiã NÕu ∆Pnh= β.∆Pgiã ( A = 0,52 VÝ dơ 7: Phßng häc cã khèi tÝch 250 m3 Muốn trì nhiệt độ phòng 260C phải thổi không khí nhà 220C vào Giả sử lớp học đặt nơi thoáng gió, hÃy tính diện tích lỗ gió vào (coi lỗ gió vào lỗ gió ra) Giải: Theo điều kiện đầu chọn bội sè th«ng giã n b»ng 5, vËn tèc giã thỉi v=9m/s nhà nơi thoáng gió t = 26 –22 =40C, V= Vp n 3600 = 250 =0,35 m3/s 3600 TÝnh theo QTG theo (8-18) th× QTG= Vp n 250 × × ∆t = =1666,667 W 3 Từ tinh V theo (8-13) V= QTG 1666,667 = = 0,35 m3/s 1200.∆t 1200.4 Hai cách tính cho kết Từ phơng trình V =0,827 A1 A2 A12 + A2 ∆p 82 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Vì P=0,612 x 92= 50pa A1 = A2 = A, nªn V =0,827 A 50 = 4,14A ®ã 0,35 m3/s = 4,14A -> A = 12 m2 Một số sơ đồ giải pháp ứng dụng thông gió tự nhiên Hình 8.4 Thiết kế chắn gió ảnh hởng đến luồng gió nhà: a RÊt tèt b XÊu, c Tèt, d XÊu, e RÊt tèt, f Tèt, g XÊu, h XÊu 83 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) 84 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) B¶ng tham sè nhiƯt Èm cđa vËt liƯu thông thờng Tên vật liệu 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 Trọng lợng đơn vị γ, kg/m3 HÖ sè dÉn nhiÖt λ Kcal/m h 0C I.Vật liệu amiăng Tấm v xi măng amiăng 1900 0,3 Tấm cách nhiệt xi măng amiăng 500 0,11 Tấm cách nhiệt xi măng amiăng 300 0,08 II Tấm bê tông Ngói ximăng lới thép 2500 1,75 Bê tông cốt thép 2400 1,33 Bê tông đá vỡ v đá dăm 2200 1,1 Bê tông gạch vỡ 1800 0,75 Bê tông nhẹ (Bê tông xỉ) 1500 0,6 Bê tông nhẹ (Bê tông xỉ) 1200 0,45 Bê tông nhẹ (Bê tông xỉ) 1000 0,35 Bê tông bọt hấp nóng 1000 0,34 Bê tông bọt hấp nóng 800 0,25 Bê tông bọt hấp nóng 600 0,18 Bê tông bọt hấp nóng 400 0,13 Bê tông bọt xilicát hấp nóng 800 0,25 Bê tông bọt xilicát hấp nóng 600 0,18 v Bê tông bọt xilicát hấp nóng 400 0,13 III VËt liƯu th¹ch cao TÊm th¹ch cao ốp mặt tờng 1000 0,2 Tấm thạch cao v miếng thạch cao 1000 0,35 nguyên chất Bê tông thạch cao xỉ lò 1000 0,32 IV Vật liệu đất nung, vật liệu đệm, mảng gạch xây v Đất sét nén chặt v gạch đất sét Gạch mộc Đất mùn dới vật kiến trúc Cát khô dùng l m vật liệu đệm Vật liệu đệm đất mùn khô đ qua s ng Đất xilicát dùng l m lớp đệm Gạch phổ thông xây với vữa nặng Xây với vữa nhẹ Gạch xilicát xây với vữa nặng Gạch nhiều lỗ ( = 1300) xây với vữa nhẹ Gạch nhiều lỗ (105 lỗ) xây với vữa nặng Độ dẫn Tỷ nhiệ nhiệt độ t c, kcal/ K,10 kg0 m2/h HÖ sè h m nhiÖt (khi Z=24h) S,Kcal/ m 2h 0C HÖ sè dÉn Èm µ.102 g/m.h mmHg 0,2 0,2 0,2 0,79 1,10 1,33 5,46 1,70 1,12 0,35 5,2 - 0,2 0,2 0,29 0,2 0,19 0,18 0,18 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 0,2 3,50 2,77 1,72 2,08 2,11 2,08 1,94 1,70 1,56 1,50 1,63 1,56 1,50 15,14 12,93 13,55 8,41 6,69 5,04 4,06 4,22 3,24 2,38 1,65 3,24 2,38 0,4 0,6 0,9 1,2 1,4 1,8 1 1,7 2,7 2,45 2,85 0,2 1,63 1,65 3,25 0,2 0,2 1,00 1,75 3,30 4,28 0,72 1,4 0,19 1,68 líp tr¸t 3,99 2000 1600 1800 1600 1400 0,8 0,6 0,5 0,45 0,2 0,25 0,2 0,2 0,2 2,00 1,50 2,78 1,56 1,61 9,15 7,93 9,71 6,47 5,74 1,3 2,3 2,2 2,5 600 1800 1700 1900 1350 0,15 0,7 0,65 0,75 0,5 0,2 0,21 0,21 0,2 0,21 1,25 1,85 1,82 1,97 1,76 2,17 8,32 7,79 8,64 6,09 1,4 1,6 1,4 1300 0,45 0,21 1,65 5,67 - 85 GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 HÖ sè h m nhiÖt (khi Z=24h) S,Kcal/ m 2h 0C 5,98 Trọng lợng đơn vị , kg/m3 HƯ sè dÉn nhiƯt λ Kcal/m h 0C G¹ch nhiỊu lỗ (60 lỗ) xây với vữa nặng Vữa nặng v vữa trát xi măng Vữa tam hợp v vữa trát tam hợp Vữa vôi V Vật liệu than, xỉ Tấm cách nhiệt than bùn Xỉ lò Xỉ lò Xỉ lò cao trạng thái hạt Gạch xỉ Vữa xỉ nhẹ Vữa xỉ nhẹ Vữa vôi trát mặt ngo i Vữa vôi trát mặt Vữa vôi trát mặt ngo i nan gỗ Vữa vôi trát mặt nan gỗ Vữa trát vôi trộn xỉ quặng Tấm ốp mặt thạch cao Tấm sợi ốp ép cứng ốp mặt VI Vật liệu cuộn Giấy bê tông Giấy tông thờng Giấy tông gợn sóng Giấy tẩm dầu thông, nhựa đờng bi tum VII sản phẩm n«ng nghiƯp TrÊu 1300 0,5 1800 1700 1600 0,8 0,75 0,7 0,2 0,2 0,2 2,22 2,21 2,19 8,68 8,17 7,66 1,2 1,3 1,6 225 1000 700 500 1400 1400 1200 1600 1600 1400 1400 1200 1000 700 0,06 0,25 0,19 0,14 0,5 0,55 0,45 0,75 0,6 0,6 0,45 0,4 0,2 0,2 0,4 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,18 0,2 0,2 0,25 0,25 0,19 0,24 0,35 0,67 1,39 1,51 1,56 1,98 2,18 2,08 2,34 1,88 1,71 1,29 1,75 0,83 0,82 1,19 3,43 2,50 1,82 5,74 6,02 5,04 7,93 7,09 7,41 6,42 4,89 3,54 3,58 2,5 2,6 2,9 1,5 1,8 1,8 1,8 1,6 1,6 1,8 0,72 1000 700 150 600 0,2 0,15 0,055 0,15 0,35 0,35 0,35 0,35 0,57 0,61 1,05 0,71 4,28 3,10 0,87 2,87 - 250 0,18 1,61 2,30 - Cây lác Rơm Tấm ép rơm Tấm ép lắc 1900 400 320 300 360 0,12 0,08 0,09 0,09 0,44 0,35 0,36 0,35 0,36 0,86 0,69 0,86 0,69 2,10 1,55 1,57 1,75 - 2500 200 500 300 0,65 0,05 0,14 0,1 0,2 0,2 0,2 0,2 1,30 1,25 1,40 1,67 9,22 0,72 1,91 1,25 6,5 0,3 0,3 550 550 0,15 0,3 0,6 0,6 0,45 0,91 3,60 5,09 0,82** 4,3 Tªn vËt liƯu 32 33 34 35 Độ Tỷ dẫn nhiệ nhiệt t c, độ kcal/ K,10 kg0 m2/h 0,21 1,83 VIII VËt liƯu thủ tinh Kính cửa sổ Sợi thuỷ tinh Thuỷ tinh v thủ tinh bät Thủ tinh h¬i v thủ tinh bọt IX Vật liệu gỗ, li-e Gỗ thông v gỗ tùng (ngang thớ) Gỗ thông v gỗ tùng (dọc thớ) 86 HƯ sè dÉn Èm µ.102 g/m.h mmHg - GVCC PTS Nguy n Văn Muôn V T LÝ KI N TRÚC–Ph n 1: Môi trư ng nhi t m (11/2011) Tªn vËt liƯu 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 Mïn c−a Mïn c−a ® cã thc chèng mơc Mïn c−a trén với nhựa thông Gỗ dán Tấm sợi gỗ ép -nt-ntTấm gỗ mềm (gỗ li-e) Tấm đợc chế tạo từ phế phẩm gỗ li-e X Các vật liệu khác Thảm dùng nh (thảm lông) Bông khoáng chất Bông khoáng chÊt TÊm Silicat bỊ mỈt in hoa v tÊm xi măng silicat in hoa -nt-nt- Trọng lợng đơn vị , kg/m3 HÖ sè dÉn nhiÖt λ Kcal/m h 0C 250 300 300 600 600 250 150 250 150 0,08 0,11 0,1 0,15 0,14 0,065 0,05 0,06 0,05 §é Tû dÉn nhiƯ nhiƯt t c, ®é kcal/ K,10 kg0 m2/h 0,6 0,53 0,55 0,67 0,45 0,74 0,6 0,42 0,6 0,39 0,60 0,43 0,60 0,56 0,50 0,48 0,45 0,74 150 200 250 600 0,05 0,06 0,065 0,20 0,45 0,18 0,18 0,55 0,74 1,67 1,44 0,61 0,94 0,75 0,88 4,16 4,50 6,50 6,00 1,40 400 250 0,14 0,10 0,55 0,55 0,64 0,73 2,84 1,90 1,40 1,40 87 HÖ sè h m nhiÖt (khi Z=24h) S,Kcal/ m 2h 0C 1,77 2,18 1,88 3,76 3,63 1,60 1,09 1,40 0,94 HƯ sè dÉn Èm µ.102 g/m.h mmHg 3,4 3,5 3,3 0,3 1,5 1,20 4,50 0,50 0,60 ... độ ẩm gỗ biến thiên theo nhiệt độ độ ẩm không khí Khi nhiệt độ ẩm môi trờng không đổi, độ ẩm vật liệu tăng lên gọi trình hút ẩm, ngợc lại trình nhả ẩm Khi nhiệt độ môi tròng không đổi, độ ẩm môi. .. thc vµo: -tØ träng vËt liƯu: tỉ trọng lớn nhỏ -? ?ộ ẩm vật liệu: độ ẩm tăng tăng -cấu trúc vật liệu: cấu trúc dọc thớ, tinh thể, hữu lớn cấu trúc ngang thớ, vô định hình, hữu Hệ số dẫn nhiệt ... khí nhiệt độ tăng cấp nhiệt Nhiệt lợng gọi nhiệt hiển ( sensible heat) thay đổi đợc hiển thị trông thấy tăng nhiệt độ nhiệt kế Nhiệt hiển nhiệt hấp thụ thải trình thay đổi nhiệt độ vật chất Nhiệt