Tính toán và thiết kế hệ thống sấy - PGS. TSKH. Trần Văn Phú.pdf

Tính toán và thiết kế hệ thống sấy - PGS. TSKH. Trần Văn Phú.pdf Tính toán và thiết kế hệ thống sấy - PGS. TSKH. Trần Văn Phú.pdf Tính toán và thiết kế hệ thống sấy - PGS. TSKH. Trần Văn Phú.pdf Tính toán và thiết kế hệ thống sấy - PGS. TSKH. Trần Văn Phú.pdf

IIIll

_ 3000013015

LOI NOI DAU

Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng trong rất nhiều ngành công nông nghiệp Trong nông nghiệp sấy là một trong những công đoạn quan trọng của công nghệ san thu hoạch Trong công nghiệp như công nghiệp chế biến nông - hải sản, công nghiệp chế biến gỗ, công nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng v.v kỹ thuật sấy cũng đóng một vai trò quan trọng trong dây chuyên sản xuất

Quá trình sấy không chỉ là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật liệu một cách đơn thudn mà là một quá trình công nghệ Nó đòi hỏi sau khi sấy vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chỉ phí vận hành thấp Chẳng hạn, trong chế biến gỗ, sản xuất vật liệu xây dựng, sản phẩm sau khi sấy không được nứt nẻ cong vênh Trong chế biến nông - hải sản, sân phẩm sây phải đảm bảo duy tri mau sắc, hương vị, các -

vỉ lượng Trong sấy thóc phải đảm bảo thóc sau khi sấy có tỷ lệ nứt gấy khi xay xát là thấp

nhất v.v

Để thực hiện quá trình sấy người ta sử dụng một hệ thống gôm nhiễu thiết bị như : thiết bị sấy (buông sấy, hâm sấy, tháp sấy, thùng sấy v.v ), thiết bị đốt nóng tác nhân (calorifer) hoặc thiết bị lạnh để làm khô tác nhân, quạt, bơm và một số thiết bị phụ khác như buông đốt, xyclon v.v Chúng ta gọi hệ thống các thiết bị thực hiện một quá trình sấy

cụ thể nào đó là một hệ thống sấy

Giáo trình "TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY" là một trong những

giáo trình chuyên môn của chuyên ngành “Công nghệ nhiệt - lạnh" của trường đại học Bách Khoa Hà Nội Giáo trình được giảng dạy cho sinh viên trong nhiều năm với thời lượng 8 học trình (120 tiết), trong đó có hai học trình (30 tiết) làm đồ án môn học

Giáo trình được chia làm 18 chương :

— Từ chương 1 đến chương 7 là cở sở lý thuyết mà nội dụng chủ yếu là tính toán tác nhân và tính toán nhiệt của các thiết bị sấy Trong phân này, ngoài những kiến thức

chung, tác giả giới thiệu những thuật toán cân thiết để có thể sử dụng các ngôn ngữ lập

trình như ngôn ngữ Pascal chẳng hạn và máy vi tính nhằm giải quyết vdn dé tinh toán nhiệt và xử lý tác nhân cho các hệ thống sấy

— Chương 8 đến chương 18 trình bày kết cấu và tính toán thiết kế của hầu hết các hệ

thống sấy thường gặp trong công nông nghiệp

Trong mỗi chương, ở phần lý thuyết cơ sở cũng như phần tính toán thiết kế đều có các

vi du minh họa Vì vậy, cuốn sách không chỉ phục vụ cho sinh viên chuyên ngành "Công

nghệ nhiệt-lạnh", sinh viên các chuyên ngành có liên quan như "Máy thực phẩm", "Máy

nông nghiệp" v.v mà còn có thể giúp ích cho các kỹ sư khi tính chọn hay thiết kế một hệ

thống sấy

Tác giả chân thành cảm ơn bộ môn "Công nghệ nhiệt - lạnh", trường đại học Bách

Khoa Hà Nội, Nhà xuất bản Giáo dục đã giúp đỡ để cuốn giáo trình này được ra mắt bạn

đọc Tác giả cũng xin cảm các bạn đồng nghiệp đã góp những ý kiến quý báu cho dé

cương và nội dụng của cuốn sách

Cuốn sách chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót, tác giả mong nhận được

ý kiến đóng góp của bạn đọc Các § kiến xin gửi về Nhà xuất bản Giáo dục - 81 Trần

Hưng Đạo - Hà Nội hoặc bộ môn "Công nghệ nhiệt - lạnh" trường đại học Bách Khoa

Hà Nội Tác giả cảm ơn bạn đọc và trân trọng những ý kiến đóng góp nhằm hoàn thiện

cuốn sách này

TRAN VAN PHU

“ "$9,

CHUONG 1

VAT LIEU AM

Quá trình sấy là quá trình chất lỏng hoặc hoi của nó mà chủ yếu là nước và hơi nước nhận được năng lượng để dịch chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt và nhờ tác nhân mang thải vào môi trường Như vậy, vật liệu ẩm (VLÂ) trong kỹ thuật sấy (KTS) phải là các vật có khả năng chứa nước hoặc hơi nước trong quá trình hình thành hoặc gia công bản thân các vật liệu như các loại nông sản (lúa, ngô, đậu v.v ), giấy, vải sợi, gỗ, các loại huyền phù hoặc các lớp sơn trên bề mặt các chi tiết kim

loại v.V

Ẩm có mặt trong vật liệu được đánh giá cả về hai mặt : "số lượng" và "chất lượng" Đánh giá về mặt "số lượng" người ta dùng các khái niệm về độ ẩm Đánh giá về mặt "chất lượng" thể hiện ở các dạng liên kết ẩm và năng lượng liên kết của chúng Do sự có mặt của ẩm và các dạng liên kết của

nó với các cấu trúc của vật liệu khô (VLK) mà các đặc trưng cơ-lý-nhiệt của VLÂ không những phụ thuộc vào bản chất vật lý của VLK mà còn phụ thuộc vào cả độ ẩm và các dạng năng lượng liên kết Cũng chính vì năng lượng liên kết ẩm khác nhau mà các vật liệu có cùng độ ẩm nhưng thời gian sấy rất khác nhau Vì vậy, trong chương này chúng ta sẽ giới thiệu các loại độ ẩm, năng lượng liên kết

và các đặc trưng cơ-lý-nhiệt của nó để phục vụ cho việc tính toán các thiết bị sấy (TBS) sau này

1.1 ĐỘ ẨM CỦA VẬT

1.1.1 Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối còn gọi là độ ẩm toàn phần là số phần trăm khối lượng nước (rắn, lỏng và hơi)

chứa trong một kilôgam VLÂ Nếu ký hiệu G, Gạ và G¡ tương ứng là khối lượng của VLÂ, khối lượng của nước và khối lượng của VLK thì rõ ràng ta luôn luôn có:

o, = 24.100% (1.3)

Gy

Do khối lượng của ẩm G, chứa trong vật liệu có thể lớn hơn khối lượng VLK G, nên khác với

độ ẩm tương đối, độ ẩm tuyệt đối œ¿ có thể lớn hơn 100%

Có thể thấy rằng đối với vật liệu khô tuyệt đối ta có @y = œ = 0% Từ đó suy ra, với những độ

ẩm bé thì giá trị độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối không khác nhau nhiều Chúng ta sẽ thấy rõ

nhận xét này trong ví dụ 1.1 dưới đây

1.1.3 Quan hệ giữa độ ẩm tương đối và độ ẩm tuyệt đối

Từ các quan hệ (1.1) + (1.3) chúng ta đễ dang thu được các quan hệ sau đây giữa hai loại độ

ẩm, cho phép chúng ta tính độ ẩm này khi biết độ ẩm kia và ngược lại:

Qua ví dụ cụ thể trên đây có thể thấy khi độ ẩm càng bé thì sự khác nhau giữa giá trị độ Ẩm

tuyệt đối và độ ẩm tương đối càng nhỏ

1.1.4 Độ chứa ẩm và nông độ ẩm

Trong khi nghiên cứu VLÂ người ta còn đưa ra khái niệm độ chứa ấm u Độ chứa ẩm u được

định nghĩa là giới bạn của tỷ số giữa khối lượng ẩm Eạ và khối lượng VLK 2, cla một khối hình

hộp vô cùng nhỏ của VLÂ có các kích thước (Ax, Ay, Az) khi các kích thước này dần tới không :

6

u = 58 (1.5)

&k Như vậy, khác với độ ẩm tuyệt đối có tính "trung bình", độ chứa ẩm u được xem như là một hàm liên tục của không gian (x,y,2) và thời gian + hay u = u(x,y,z,1) Do do, nếu ẩm phân bố đều trong vật thì giá trị của độ chứa ẩm u và của độ ẩm tuyệt đối œạ sẽ bằng nhau Do độ ẩm tuyệt đối tính bằng % nên khi đó giữa u và @¿, có mối quan hệ sau:

Nếu trong quá trình sấy, độ ngót về thể tích của VLS không đáng kể thì rõ ràng khối lượng

riêng dẫn xuất pạ„ gần bằng khối lượng riêng của VLK p, Khối lượng riêng hay mật độ của một số VLÂ thường gặp trong KTS cho ở phụ lục 1

1.2 ẨM TRONG VẬT LIỆU

1.2.1 Đặc trưng vật lý cơ bản của nước

Nước trong VLÂ có thể tổn tại ở ba thể: thể rắn, thể lỏng và thể hơi Ở áp suất khí quyển (760 mmHg) nước chuyển từ pha rắn sang pha lỏng và ngược lại ở 0°C với nhiệt ẩn nóng chảy bằng

332,322 kl/kg và sôi hay ngưng tụ Ở 100C với nhiệt ẩn hóa hơi 2256,3 kJ/kg —— Nude là dịch thé dinh

ướt Sức căng bề mặt ngoài ở 20°C bằng 0,0727 Pa /42,43/ Các đặc trưng vật lý trên đây cũng như

các đặc trưng khác của nước đá, nước và hơi nước đều phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất Chẳng

hạn, khối lượng riêng của nước tăng khi nhiệt độ tăng trong khoảng 0°C+4”C và sau đó lại giam dan

khi nhiệt độ tăng Ở áp suất 760 mmHg, khối lượng riêng của nước ở 0°C bằng (916 + 999) kg/m’,

& 4°C bing 1000 kg/m? va & 100°C bing 958 kg/m” Như vậy, nước ở 4°C là nước có mật độ lớn

nhất Các đặc trưng vật lý của nước ở ba thể có thể xem trong các tài liệu nhiệt động học /3,58/

.1.2.2 Đặc tính hấp phụ và mao dan

Nghiên cứu cơ chế của nước liên kết với VLS nói chung và trên một bề mặt vật rắn nói riêng có

một ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong KTS Chế độ sấy tối ưu là chế độ sấy cho phép cung cấp vừa

đủ năng lượng (không thừa cũng không thiếu) cho nước thắng các lực liên kết này để dịch chuyển

từ trong lòng VLS ra bề mặt và đi vào tác nhân để thải vào môi trường Bản chất các liên kết giữa

nước và vật liệu là hiện tượng hấp phụ (adsorption) và hiện tượng mao dẫn (capillary)

Hấp phụ giữa nước và vật liệu chia làm hai loại: hấp phụ hóa học và hấp phụ vật lý Hấp phụ

hóa học là hiện tượng Hên kết bền vững giữa các phân tử nước và các phân tử của vật hấp phụ thông

qua việc trao đổi điện tử vòng ngoài Người ta còn gọi vật liệu có hấp phụ hóa học với nước là tính

ngậm nước Vì vậy, hấp phụ hóa học rất bên vững và do đó trong quá trình sấy (quá trình chỉ cung

cấp nhiệt năng) không thể tách nước khỏi hấp phụ hóa học Khác với hấp phụ hóa học, hấp phụ vật

lý là hiện tượng liên kết giữa các phân tử của nước với các phân tử của vật hấp phụ không có sự trao

đổi ion mà chỉ do sức căng mặt ngoài, mà hệ quá của sức căng mặt ngoài là luc mao dn gay ra

Trong đó, nước và vật rắn là các hệ độc lập với nhau về mặt hóa học Nước có mặt trong VLS chủ

yếu là nước do hấp phụ vật lý và nước này có thể dễ dàng tách khỏi VLÂ trong quá trình sấy

Bây giờ chúng ta xem xét bản chất của hấp phụ vật lý và mao dẫn Giả sử có một giọt dịch thể

bám trên bề mặt vật rắn đặt trong pha khí (có thể là pha hơi của chính dịch thể hoặc không khí) như

hình 1.1 Nếu xem hệ gồm giọt dịch thể 2, pha khí 1 và bể mặt vật rắn 3 thì theo định luật thứ hai

nhiệt động học, khi hệ đạt tới trạng thái cân bằng, năng lượng của hệ sẽ đạt giá trị cực tiểu Chính

năng lượng cực tiểu này quyết định diện tích tối đa mà giọt dịch thể bám trên bề mặt vật rắn

2 (a) 0< Ø <g0° (b) 90< @ <180°

Hình 1.1 Hình dáng giọt dịch thể,

a-0<0<90° ; b-90°<0< 180°

*

Géc @ trong hinh 1.1 gọi là góc dính ướt Lực tác dụng qua lại giữa ba pha: rắn, lỏng và khí gọi

là sức căng bề mặt Nếu gọi 01.3, 67.3 Va 61.2 tuong ứng là sức căng bể mặt giữa pha khí với pha

rắn, pha lỏng với pha rắn và pha khí với pha lỏng Ở trạng thái cân bằng ta có :

ƠI-3 = Ø2-3 + Ø.2cos0 (1.11)

hay

9}-2

Dễ dàng thấy rằng chỉ có thể xẩy ra 4 trường hợp :

1)0< cos6 < 1 hay 0 <Ô< 90° Trong trường hợp này giọt dịch thể có xu hướng trải rộng trên

bề mặt vật rắn (hình 1.1 a) Dich thé dang này gọi là dịch thể dính ướt

2) -1.< cos® < 0 hay 90° < 6 < 180° Trong trường hợp này giọt dịch thể có xu hướng co lại (hình 1.1 b) Dịch thể dang này gợi là dịch thể dính ướt yếu

3) cos0 = 1 hay 6 = 0 Dịch thể dạng này gọi là dịch thể dính ướt hoàn toàn Nước là một trong các dịch thể dính ướt mạnh và trong trường hợp gần đúng có thể xem là dính ướt hoàn toàn

4) cos6 = -] hay Ô = 180° Day là loại dịch thể hoàn toàn không dính ướt Nhiều kim loại lỏng thuộc loại dịch thể này

_ Tính đính ướt là động lực tạo ra cái gọi là

áp suất mao dẫn hay chiều cao cột dich thể

(dương hoặc âm so với mặt thoáng) trong các

ống mao dẫn Giả sử có một ống mao dẫn có

bán kính rạ được nhúng một đầu vào dịch thể 7A

dính ướt (hình 1.2) Sau một thời gian nhất

định chúng ta thấy dịch thể trong ống mao dẫn h

dâng lên một độ cao h so vơí mặt thoáng của L

dịch thể với thành mao dẫn và Ø là góc dính

trường do cột chất lỏng có chiều cao h tạo ra

phải cân bằng với lực do sức căng bể mặt gây

nên trên chu vi ống mao dẫn Do đó ta có :

Hình 1.2 Chiêu cao dịch thể dính ướt trong ống mao dẫn

Dé dàng thấy rằng, bán kính cong của bề mặt dịch thể r (xem hình 1.2) bằng:

Như trên chúng ta đã biết, tùy tính chất đính ướt của dịch thể mà góc 9 thay đổi từ Ö + 180° và

cosin của nó có thể âm hoặc dương Khi đó bán kính cong r theo (1.15) cũng sẽ lấy dấu âm hoặc dương (bề mặt cột dịch thể tương ứng lõm hoặc lôi) như dấu của cosÐ Với dich thể dính ướt : do

cos® > 0 (xem hình 1.2) nên r > Ö và ngược lại, với dịch thể không dính ướt : do cosÐ < 0 nên r < 0

Như vậy, với dịch thể dính ướt chiều cao cột dịch thể trong ống mao dẫn h > 0 so với chiều cao mặt thoáng Ngược lại, với dịch thể không dính ướt, chiều cao cột dịch thể trong ống mao dẫn h < 0 so với chiều cao mặt thoáng

Nếu gọi pạ là áp suất trên mặt thoáng và p; là áp suất trên bể mặt cột dịch thể trong ống mao dẫn thì rõ ràng ở trạng thái cân bằng ta có:

Sức căng bề mặt của các dịch thể nói chung phụ thuộc vào nhiệt độ Đối với nước, sự phụ thuộc

này có thể tính theo quan hệ thực nghiệm sau /43,51/:

o = 0,0757 (1 — 0,002 t) N/m = 0,0757 (1 — 0,002 t) Pa (1.19)

10

Từ (1.19) ta tính được sức căng bể mặt của nước ở 20°C, ơ = 0,0727Pa Ở nhiệt độ 20”C mật độ

của nước p = 998,203 kg/m” /43,56/ Do đó, nếu xem gần đúng nước là dịch thể dính ướt hoàn toàn

có cosÖ = 1, nghĩa là r = rọ, thì ở 20°C, chiều cao cột nước trong ống mao dẫn theo (1.16) bằng:

Áp suất tương đối của hơi nước trong các ống mao dẫn được định nghĩa bằng tỷ số giữa áp suất trên bề mặt cột mao dẫn p, và áp suất trên bề mặt thoáng po :

Po Người ta chứng minh được mối liên hệ giữa áp suất tương đối ọ với sức căng bể mặt ơ, mật

độ hơi trên cột dich thé trong Sng mao din py, mật độ dịch thể p và áp suất trên mặt thoáng pạ có dang /44,52/:

Rõ ràng theo (1.22), khi r giảm, áp suất tương đối ọ tăng Đối với nước ở t = 20°C, sức căng bề

mặt ơ = 0,0727 N/m2, pụ = 0,0173kg/m” , p = 998,203 kg/m” Nếu xem áp suất trên mặt thoáng p„ bằng áp suất khí trời ( pọ= 0,98.10”N/m”) và r = rọ = 10 ”m, thì ở 20°C áp suất tương đối bằng:

2x0,0727x0,0173

@ = exp -— 0,98.10° x 998,203 x 1077 = 09997 © 1

Như vậy, với rọ = 10 ”m áp suất trên mặt cột mao dẫn gần bằng áp suất trên mặt thoáng Nói

cách khác, hiện tượng sôi trong các ống mao dẫn cỡ này hoàn toàn giống như trên mặt thoáng Có lẽ

vì điều này người ta chia vật liệu xốp làm hai loại : loại có đường kính các ống mao dẫn r > 10 ”m là

vĩ mao quản (macrocapillary) và loại có r < 10 ”m là vi mao quản (microcapillary) /43,5 L/

1.3 PHÂN LOẠI VLÂ VÀ ĐẶC TÍNH XỐP CỦA NÓ

1.3.1 Phân loại VUÂ

Như trên đã nói, VLÂ là những vật có khả năng hấp phụ nước Do đó VLÂ phải là những vật

có cấu trúc xốp, mao dẫn Tùy cấu trúc hang xốp và tính chất của các thành ống mao dẫn người ta

chia VLÂ làm ba nhóm chính:

1 Vật keo Đương nhiên vật keo là vật xốp nhưng đặc tính cơ bản của nó là khi hút ẩm hoặc

khử ẩm kích thước các hang xốp của vật thay đổi Thông thường, khi nhận thêm ẩm thì kích thước

các hang keo giãn ra và ngược lại, khi bị khử ẩm lại co lại Nói cách khác vật keo là vật có tính đàn

hồi Keo động vật có thể xem là vật keo điển hình

2 Vật xốp mao dẫn Ngược với vật keo, vật xốp mao dẫn là vật mà kích thước các hang xốp

của nó không thay đổi hay nói chính xác hơn thay đổi rất ít khi hút ẩm hoặc khử ẩm Than gỗ là

một trong những vật xốp mao dẫn đặc trưng :

3 Vật keo xốp mao dẫn Các vật keo xốp mao dẫn như tên gọi là vật liệu vừa có tính keo vừa

có tính mao dẫn Đại bộ phận các VLÂ thuộc loại này: gỗ, vải, giấy, các nông sản v.v

Ngoài ra, các VUÂ còn được phân theo bán kính trung bình các ống mao dẫn như trên đã dé cập

1.3.2 Đặc tính xốp của VLÂ

Đặc tính xốp của VLÂ thông thường được đánh giá qua độ xốp V' và sự thay đổi của nó theo

bán kính các mao quản Độ xốp của vật liệu V' Tà tổng tất cả các thể tích trống gồm thể tích các

hang xốp và các mao quản trong một đơn vị thể tích của vật Sự thay đổi của độ xốp và tốc độ biến

thiên của nó theo bán kính của các hang xốp và mao quản cho ở hình 1.3

Vmax dv’

dr

Il

Trén hinh 1.3a, V’ max là tổng tất cả thể tích hang xốp và mao quản có bán kính r < tax CO

thể, trong khoảng rị <r < rạ, độ xốp V' của vật không thay đổi Tính chất này thể hiện bằng đoạn H

trên hình 1.3 a Vì vậy, trong khoảng này, f;(r) = 0 và đường f;(r) đối với vật liệu có tính chất này

bị gián đoạn trong khoảng rị <r < r¿

Dễ dàng thấy rằng, tích phân đường đV/dr = f;(r) theo r ta sẽ được độ xốp V' Khi đó lượng nước cực đại mà VLÂ có thể chứa được bằng gmạ„ =V'p Trong đó p là khối lượng riêng của nước

1.4 CÁC DẠNG LIÊN KẾT VÀ NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT ẨM

Như trên kia chúng ta đã chỉ rõ, ẩm có mặt trong vật liệu dưới hai đạng lớn: liên kết hóa-lý và

liên kết cơ-lý Trong đó, ẩm liên kết hóa-lý không thể khử được bằng các quá trình sấy mà chỉ có

ẩm ở dạng liên kết cơ-lý là có thể tách khỏi vật liệu nhờ quá trình sấy Vì vậy, ở đây chúng ta không

đề cập đến năng lượng liên kết hóa-Ìý mà chỉ thảo luận các dạng năng lượng liên kết cơ-lý

1.4.1 Liên kết hấp phụ (connection adsorbentf)

Liên kết hấp phụ được xem là liên kết của một lớp cỡ phân tử trên các bể mặt các hang xốp của vật liệu Người ta xem nước hoặc hơi nước liên kết với vật liệu như một hệ liên kết cơ-lý đẳng nhiệt Giả sử pụ là phân áp suất bão hòa của hơi nước tự do ứng với nhiệt độ Tvà pụ là phân áp suất cân bằng của hơi nước trên bề mặt vật liệu có độ chứa ẩm u thì năng lượng liên kết hấp phụ (hay năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết đó của nước) có thể xem bằng công tham gia trong quá trình đẳng nhiệt để đưa hơi nước từ áp suất pụ đến áp suất pp /43,51/ Như mọi người đều biết, nếu xem hơi nước là khí lý tưởng thì công tham gia của một kilôgam hơi nước trong quá trình đẳng nhiệt từ trạng thái đầu có áp suất pụ đến trang thái cuối có áp suất pụ bằng /3/:

Pu

trong đó : R là hằng số khí của hơi nước, R = 462 J/kg.K va @ = py/pp

Trong nhiệt động học hóa học /43,51/ người ta chứng minh được rằng, khi hệ thực hiện một công phá vỡ liên kết 1 thì năng lượng tự do f của hệ giảm một lượng - Af = I Nói các khác, có thể viết :

Trong đó Ai là biến đổi entanpy của hệ va - T[O(Af)/ OT] 1a nhiệt lượng tham gia quá trình tách

ẩm đẳng nhiệt Tiến hành dao ham Af theo nhiệt độ T trong điều kiện đẳng nhiệt từ (1.25) rồi thay

vào (1.26) ta được :

ding o(dlnp, dAlinp,

-TId T[O(Af)/d]=RT =RTe oe m = RT?| —— m% oT (1.27) 1.27

Gần đúng chúng ta có thể xem trong một khoảng hẹp của nhiệt độ, nhiệt lượng cần thiết để

tách Ẩm liên kết hấp phụ q không phụ thuộc nhiệt độ Trong trường hợp đó, với hệ đẳng nhiệt ta có:

Công thức gần đúng (1.31) cho phép chúng ta tính áp suất cân bằng pụ khi biết áp suất bão hòa

py va nhiệt lượng cần thiết để tách ẩm hấp phụ q

Ví dụ 1.3 Nếu biết vật liệu có độ chứa ẩm u để trong môi trường không khí có nhiệt độ

t= 20°C ; phan 4p suất cân bằng trên bề mặt vật pạ = 0,005825 bar, hãy tính áp suất tương đối @

và năng lượng cần thiết để phá vỡ I kg nước liên kết hấp phu 1

GIẢI

Tra bảng /3,58/ hay sử dụng quan hệ giữa áp suất bão hòa pạụ với nhiệt độ /22/ ta tìm được áp

suất bão hòa pụ ứng với t = 20”C bằng:

Bay gid thay R = 462 J/kg.K, T = (20 + 273) và @ = 0,25 vào công thức (1.25), ta tìm được

năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết hấp phụ | bang:

] = — 462 X (273420)In(0,25) = 187,657 kJ/kg = 3378 kJ/kmol 14

1.4.2 Liên kết mao dẫn (connection capillary)

Liên kết mao dẫn là liên kết chủ yếu trong VLÂ Như trên chúng ta đã biết, lực liên kết ở đây

là lực mao dẫn xuất phát từ sức căng bể mặt của dịch thể dính ướt Áp suất mao dẫn pma là hiệu số giữa áp suất trên mặt thoáng pạ và áp suất trên bể mặt các mao quan p, va được biểu diễn bởi công

thức (1.18) Do đó, nếu xem quá trình khử ẩm mao dẫn là quá trình đẳng tích-đẳng nhiệt thì năng

lượng liên kết mao dẫn bằng năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết đó và bằng công kỹ thuật nhưng ngược dấu:

Do đó, kết hợp (1.18) và (1.32) ta được:

20

trong do : v, 1a thé tich riêng của hơi nước trên bề mặt thoáng

Thực ra, trong quá trình khử ẩm nói chung và khử ẩm hấp phụ mao dẫn nói riêng, thể tích riêng

vạ trên bề mặt vật liệu không thể không thay đổi Nói các khác, xem quá trình khử ẩm là quá trình đẳng tích chỉ là gần đúng

Năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết mao dẫn l biểu diễn bởi (1.33) cũng có thể thu được từ (1.25) với giả thiết quá trình khử ẩm mao dẫn là đẳng nhiệt và bỏ qua năng lượng liên kết ẩm lông

với vách các mao dẫn /43,51/ Khi đó, trong quan hệ Kenvin (1.22), chúng ta xem p,,/p #l và quan

hệ (1.22) được viết lại dưới dạng:

2ø

TPo Thay py = (RT), vao (1.34) ta được :

Kết hợp (1.24) và (1.35) ta sẽ thu được chính công thức (1.33)

Có thể thấy rằng, khi nhiệt độ tăng, sức căng bề mặt ơ giảm nhưng không nhiều, trong khi đó thể tích riêng vạ lại giầm rất nhanh Ví dụ, ở 0C, vạ = 206,186 m /kg còn ở 20°C thì vạ = 57,84 m°/kg

/3,58/ Do đó khi nhiệt độ tăng, năng lượng cần thiết để phá vỡ liên kết mao đẫn cũng giảm rất

nhanh Mặt khác, từ (1.33) chúng ta cũng thấy, khi bán kính mao dẫn tăng thì năng lượng phá vỡ liên kết này cũng giảm Nói cách khác, I theo (1.33) tỷ lệ nghịch với nhiệt độ và bán kính mao dẫn r

Ví dụ 1.4 VLÂ với mao quản có bán kính r Hãy tính năng lượng phá vỡ liên kết mao dẫn ở

nhiệt độ t = 0°C và 20°C

GIẢI

Theo công thức (1.19) với nhiệt độ t = 0°C và t = 20°C chúng ta đã tính được sức căng bề mặt

của nước tương ứng bằng 0,0757 Pa và 0,0727 Pa và thể tích riêng của hơi nước vụ tương ứng

bằng 206,186 m°/kg và 57,84 m°&kg Do đó công phá vỡ liên kết mao dẫn | theo (1.33) ở 0°C bằng:

năng lượng cần thiết để phá vỡ Hên kết mao dẫn bằng :

mao dẫn theo (1.33) và theo thực nghiệm /5 1/ ở điều kiện : t= 0°C và r= 10 ', 105, 105 và 10”,

Bảng 1.1 Năng lượng liên kết mao dẫn (lý thuyết và thực nghiệm)

1.4.3 Liên kết thẩm thấu (Connection osmotic)

Liên kết thẩm thấu điển hình là liên kết của nước trong các dung dịch Nếu gọi nạo là thành phần mol của nước trong dung dịch, no là thành phần moi của vật chất hòa tan trong dung dich thì

ta luôn có:

Noo + N10 = 1 (1.36)

Người ta cũng chứng mình được rằng, nếu pụ là phân áp suất hơi nước trên bề mặt dung dịch và

Dp là phân áp suất bão hòa của hơi nước trên bề mặt nước tự do thì đối với dung dịch lý tưởng (dung

địch khi tạo ra nó không toả nhiệt hoặc thu nhiệt và không thay đổi thể tích) ta luôn có /43,5 1/:

Vi dụ 1.5 Có một dung dịch ở nhiệt độ 20°C, néng 46 mol cha nude n,, = 0,75 Hay tinh phan

áp suất hơi nước trên bề mat dung dich p, va nang lượng cần thiết đề phá vỡ liên kết ẩm thẩm thấu

GIẢI

Có thể tính phân áp suất bão hòa của nước trên mặt thoáng theo /22/ ta được (xem ví dụ 1.3) :

Dụ = 0.0233 Pa Do đó, áp suất py bằng:

Py = 0Pp = ñooÐp = 0.75 x 0,0233 = 0,0175 Pa

Năng lượng liên kết thẩm thấu bằng:

1 =-RTin(n,,) = 462 x (273+20)In0,75 = 38,942 kJ/kg = 0,701 kJ/mol

Qua các ví dụ trên đây chúng ta có thể thấy trong 3 loại liên kết: liên kết hấp phụ, liên kết mao dẫn và liên kết thẩm thấu thì năng lượng liên kết mao dẫn là lớn nhất và bé nhất là nãng lượng liên

kết thẩm thấu Do đó, để tách ẩm trong các VLÂ có liên kết mao dẫn trong quá trình sấy cần một

năng lượng lớn nhất

1.5 CÁC ĐẶC TRƯNG NHIỆT ĐỘNG CỦA VLÂ

1.5.1 Thế dẫn ẩm

Nghiên cứu thực nghiệm quá trình dẫn nhiệt người ta thấy rằng, dòng nhiệt chỉ có thể truyền từ

một vật hay một phần của vật "nóng" hơn sang một vật khác trực tiếp tiếp xúc với nhau hay một phần của vật "lạnh" hơn Từ đó, nhiệt độ được xem là thế dẫn nhiệt Hiện tượng dẫn nhiệt chỉ xẩy ra

2-TT&TKHTS -2 22757 M 42 DA é 7

khi và chỉ khi có độ chênh nhiệt độ hay độ chênh của thế Trên cơ sở khái niệm nhiệt độ và nhiệt

lượng người ta đưa ra khái niệm nhiệt dung riêng Theo nhiệt động học /3/ có nhiều loại nhiệt dung

riêng trong đó nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp Cp được định nghĩa là nhiệt lượng cần thiết dq

để đốt nóng hoặc làm nguội một kilôgam vật chất nóng lên hoặc lạnh đi dt độ trong điều kiện đẳng

áp Do đó, nhiệt dung riêng của một vật bằng:

ta cũng thấy rằng, ẩm chỉ có thể truyền từ vật hay một phần của vật trực tiếp tiếp xúc với nhau "ẩm"

hơn sang vật hay một phần khác của vật "khô" hơn Khái niệm "ẩm", "khô" trong din 4m tương tự

như khái niệm "nóng", "lạnh" trong dẫn nhiệt Nếu nhiệt độ là đại lượng để đo độ "nóng" "lạnh" thì chúng ta có quyền chọn một đại lượng tương tự về mặt nhiệt động như nhiệt độ để đo độ "ẩm"

"khô" của vật A.V.Luikov gọi đại lượng này là thế dẫn ẩm và ta ký hiệu là 9 Trong trường hợp dẫn

ẩm đẳng nhiệt, ta có thể xem thế dẫn ẩm 9 là một hàm của độ chứa ẩm u hay Ô = Ô(u) Nếu trong

dẫn nhiệt; từ khái niệm nhiệt độ và nhiệt lượng người ta đưa ra khái niệm nhiệt dung riêng biểu diễn

bởi công thức định nghĩa (1.39) thì trong dẫn ẩm chúng ta cũng có quyên đưa ra khái niệm ẩm dung

Po

be

1.5.2 Ẩm độ

Để đo nhiệt độ theo thang bách phân, người ta chọn nước làm vật mẫu và nhiệt độ nước đá

đang tan là 0”C và nhiệt độ nước đang sôi là 100°C ở cùng áp suất 760mm Hg Khi đó nếu nhiệt

lượng đo bằng kcal thì nhiệt dung riêng của nước bằng 1 kcal/kg.K, còn khi đo bằng kJ/kg.K thì nhiệt dung riêng của nước bằng 4,18 kJ/kg.K Tương tự, để xây dựng thang đo thế dẫn ẩm

A.V Luikov để nghị lấy xuenluilôz làm vật mẫu Khi xuenluilôz khô tuyệt đối, thế dẫn ẩm bằng

02M và khi xuenluilôz có độ chứa ẩm hấp phụ cực đại uạaa ở nhiệt độ t = 25°C thi thé din 4m bing

100°M Nhu vay, 4m dung riêng của vật mẫu xuenluilôz Cm theo (1.44) bằng:

Cũng như nhiệt dung riêng, ẩm dung riêng cũng được xác định bằng thực nghiệm Bảng 1.2 liệt

kê giá trị trung bình của ẩm dung riêng của một số VLÂ /43,51/

Bang 1.2 Am dung riêng trung bình của một số VLÂ

1.6 CÁC ĐẶC TRƯNG NHIỆT VẬT LÝ CỦA VLÂ

Các đặc trưng nhiệt vật lý quan trọng nhất của vật liệu nói chưng và của VLÂ nói riêng là nhiệt

dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số dẫn nhiệt độ Các đặc trưng này chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm

Giá trị trung bình của các đặc trưng này của một số VLÂ cho trong phụ lục 1 /3, 20, 27, 44, 57/

1.6.1 Nhiệt dung riêng của VLÂ

Nhiệt dung riêng của vật liệu nói chung và của VLÂ nói riêng được xác định bằng thực nghiệm

trên cơ sở công thức định nghĩa (1.39) Có nhiều phương pháp xác định nhiệt dung riêng Tuy

nhiên, theo (1.39), để xác định nhiệt dung riêng chúng ta phải xác định được nhiệt lượng mà một kg

vật liệu nhận được (hoặc mất đi) để nhiệt độ của nó tăng lên (hoặc giảm đi) một lượng Át Như Vậy,

để xác định nhiệt dung riêng chúng ta phải đo được nhiệt lượng q và độ chênh nhiệt độ At /27/

Trong kỹ thuật, nhiệt dung riêng của VLÂ được xác định theo nguyên lý trung bình cộng giữa

nhiệt dụng riêng của vật liệu khô Cụ và nhiệt dung riêng của ẩm C

Trong các công thức trên đây : œ = G,/(G¿ + G,) là độ ẩm tương đối ; C,- nhiệt dung riêng của

ẩm Nếu ẩm là nước thì như mọi người đều biết C, = C, = 4,1816 kI/kg.K Nếu ẩm là hơi nước thì

C, = G, = 1,842 kI/kg.K ; C,- nhiệt dung riêng của vật liệu khô Các vật liệu khô trong các sản

phẩm thực phẩm có nhiệt dung riêng Cụ = 1,2 + 1,7 kI/kg.K /43,44/ Giá trị nhiệt dung riêng của

một số vật liệu thường gặp trong kỹ thuật sấy cho ở phụ lục 1

Nhiệt dung riêng của VLÂ tính theo công thức (1.48) là nhiệt dung riêng mà đơn vị vật chất là

một kg VLÂ Ngoài ra người ta còn tính nhiệt dung riêng trên cơ sở một kg vật liệu khô Thường

gọi nhiệt dung riêng này là nhiệt dung riêng dẫn xuất Cạ„ Dễ dàng thấy rằng Cg, được tính theo

nhiệt dung riêng vật liệu khô Cự, độ ẩm tuyệt đối œ„ hay độ chứa ẩm u :

20

Ox

Cg, dx =Cy + Cy k 4100 — = C, + Cyu k a ( 1.49 )

Như vậy, theo công thức (1.48) và (1.49), nhiệt dung riêng của VLÂ phụ thuộc tuyến tính với

độ ẩm Thực nghiệm đối với một số loại sản phẩm thực phẩm cũng chứng mính rằng, trong một phạm vi độ ẩm nào đó, quy luật tuyến tính là có thể chấp nhận được /31,46/ Tuy nhiên, thực nhiệm cũng chứng tỏ rằng nhiệt dung riêng nhiều VLÂ không tuân thủ quy luật này Hơn nữa, nó còn phụ

thuộc vào cả nhiệt độ Từ số liệu cho trong các tài liệu đã công bố ta có thể tính nhiệt dung riêng

của một số VLÂ theo các quan hệ thực nghiệm Ví dụ:

- Lúa mỳ và các loại hạt ngũ cốc theo quan hệ /43/:

Hệ số dẫn nhiệt của VLÂ nói chung phụ thuộc không những vào bản chất vật khô, độ ẩm của

nó mà còn phụ thuộc rất lớn vào cấu trúc các hang xốp, đường kính các mao quản v.v Hơn nữa, như chúng ta biết trong quá trình sấy, hiện tượng dẫn ẩm từ trong lòng vật liệu ra bề mặt và thải vào môi trường cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình dẫn nhiệt mà đặc trưng của nó là hệ số dẫn nhiệt /27,56/ Tuy nhiên, để tính toán trong kỹ thuật chúng ta chỉ quan tâm hệ số dẫn nhiệt tương đương khi đã tính đến tất cả các ảnh hưởng nói trên cho một VLÂ cụ thể Vì vậy, hệ số dẫn nhiệt của VLÂ cũng được xác định trên cơ sở định luật Fourier q = - Agradt Cho đến nay có rất nhiều phương pháp xác định hệ số dẫn nhiệt /44,56/ nhưng tựu trung có thể xếp tất cả các phương pháp này vào hai

nhóm: nhóm ổn định và nhóm không ổn định Trong đó, phương pháp chế độ nhiệt điều hòa /56/, `

phương pháp que thăm /31/ và phương pháp đạo hàm số /5,27/ đều thuộc nhóm thứ hai Về nguyên tắc, để xác định hệ số dẫn nhiệt, phương pháp nào cũng đều phải tìm cách xác định mật độ dòng

nhiệt q và trường nhiệt độ để tìm gradient của nó

Nếu hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khô À„ và của nước hoặc hơi nước trong các hang xốp ^À„ đã

biết thì hệ số dẫn nhiệt của VLÂ có thể tính /43/ :

1~(1—A„/Ay)WV,

À=À

trong đó : Vị và Vụ tương ứng là thể tích của vật liệu khô và của tất cả các hang xốp ; \W là hệ số hình dáng các phần tử tạo nên VLÂ:

Hệ số dẫn nhiệt cũng như các thông số nhiệt vật lý khác phụ thuộc vào nhiệt đô và độ ẩm của

gỗ có thể tham khảo trong /46/, của các sản phẩm thực phẩm trong /5, 27, 31, 43, 44, 57/

22

CHUONG 2

KHONG KHi AM

Như trong Chương 1 chúng ta đã định nghĩa : sấy là một quá trình công nghệ, trong đó ẩm

nhận được năng lượng dịch chuyển từ trong lòng ra bể mặt ngoài của vật và sau đó từ bể mặt vật

khuếch tán vào môi trường Quá trình các phân tử ẩm nhận được nhiệt lượng để dịch chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt và sau đó từ bể mặt đi vào không gian TNS bao quanh để thải vào môi trường là hai quá trình quan trọng và ảnh hưởng lẫn nhau của công nghệ sấy

Nguồn nhiệt có thể là nguồn bức xạ (trong sấy bức xa), là trường điện từ (trong sấy trường điện từ) /11/ hoặc từ một bề mặt đốt nóng (trong sấy tiếp xúc) và cuối cùng, nguồn nhiệt phổ biến hơn cả

là dịch thể nóng như không khí nóng, khói lò, hơi nước quá nhiệt, dầu mỏ, dầu thực vật v.v Trong các thiết bị sấy (TBS) bức xạ, TBS trường điện từ hoặc TBS tiếp xúc, dịch thể không đóng vai trò

cung cấp nhiệt mà chỉ đóng vai trò mang ẩm trong không gian bao quanh vật để thải vào môi

trường Ngược lại, trong các TBS đối lưu, dịch thể nóng đóng cả hai vai trò: vai trò cung cấp nhiệt

Dịch thể chỉ đóng vai trò chất thải ẩm như không khí trong các TBS tiếp xúc, trong sấy dòng điện cao tần, trong sấy bức xạ và trong sấy "lạnh" hoặc cả vai trò cung cấp nhiệt và thải ẩm như trong các TBS đối lưu gọi là TNS TNS có thể là không khí, khói lò, hơi quá nhiệt hoặc một số dịch thể lỏng như đầu mỏ hoặc dầu thực vật Dâu mỏ và hơi nước quá nhiệt thường được dùng trong các TBS gỗ Ngoài nhiệm vụ cung cấp nhiệt và thải ẩm, dâu mỏ còn có nhiệm vụ ngâm tẩm gỗ để chống mối mọt Dầu thực vật như đầu magarin chẳng hạn thường dùng trong các TBS thực phẩm chuyên dụng như trong công nghệ sản xuất mì ăn liền Ở đây, cũng như đâu mỏ, dầu thực vật không những chỉ đóng vai trò TNS mà còn là chất ngâm tẩm các hương vị chứa trong nó Do đó, trong công nghiệp thực phẩm người ta không gọi thiết bị này là TBS mà gọi là thiết bị chiên

Tuy TNS có thể có nhiều như vậy nhưng không khí là TNS phổ biến hơn cả và có mặt trong tất

cả các TBS Vì vậy, trong chương này ta sẽ giới thiệu cách xác định trạng thái của không khí ẩm

2.1 CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG ĐỀ NGHIÊN CỨU KHÔNG KHÍ ẨM

Về mặt nhiệt động, không khí bao quanh chúng ta và thường làm TNS là hỗn hợp giữa không khí khô và hơi nước Trong đó, không khí khô lại là hỗn hợp của oxy, nitơ và một số chất khí khác như CO2, SO; v.v Các khí CO›, SO; v.v có thành phần không đáng kể và có thể bỏ qua Vì vậy, chúng ta xem không khí khô chỉ là hỗn hợp của oxy và nitơ Thành phần oxy và nitơ trong không

khí khô /3,43/ tương ứng bằng 21% và 79% theo thể tích hoặc 23,3% và 76,7% theo khối lượng

2.1.1 Các quan hệ nhiệt động của không khí ẩm

Do nhiệt độ và áp suất không lớn nên trong KTS người ta xem oxy, nitơ và hơi nước là những khí lý tưởng Do đó, hỗn hợp của chúng như không khí khô và không khí ẩm là những hỗn hợp khí

lý tưởng /3/ Như vậy, khi tính toán không khí ẩm chúng ta sẽ sử dụng phương trình trạng thái cũng như các quy luật khác của khí lý tưởng và hỗn hợp khí lý tưởng

Chúng ta ký hiệu p, pạ và pạ tương ứng là áp suất của không khí ẩm, phân áp suất hơi nước và phân áp suất không khí khô Đơn vị chuẩn của áp suất và phân áp suất là N/m? V, T'tương ứng là thể tích và nhiệt độ của không khí ẩm và đồng thời cũng là thể tích và nhiệt độ của không khí khô

và hơi nước Đơn vị của thể tích V là mỔ và của nhiệt độ T là độ Kenvin hay đô K V, và VỊ tương

ứng là phân thể tích của hơi nước và của không khí khô Đương nhiên, đơn vị của phân thể tích cũng là mỶ Khái niệm về phân thể tích va phân áp suất độc giả có thể tham khảo trong các giáo

trình nhiệt động kỹ thuật hoặc nhiệt kỹ thuật /3/ G, G, và G, tương ứng là khối lượng của không khí Ẩm, khối lượng của hơi nước và khối lượng của không khí khô Đơn vị của khối lượng là kg R,

R, va Ry tương ứng là hằng số khí của không khí ẩm, hằng số khí của hơi nước và hằng số khí của không khí khô Đơn vị của hằng số khí, theo nhiệt động học, là J/kg.K hay cal/kg.K Khi đó phương

trình trạng thái có dạng:

— Quan hé giita phan 4p suất và phân thể tích:

bằng R, = 8314/18 = 461,888 J/kg.K = 462 J/kg.K

oe Quan hệ giữa các hằng số khí :

24

2.1.2 Hàng số khí và phân tử lượng của không khí khô và không khí ẩm

Như chúng ta biết, một hỗn hợp khí hoàn toàn được xác định khi chúng ta biết tỷ lệ của các chất khí thành phần Khi đó, nếu các chất khí thành phần được xem là một khí lý tưởng thì hỗn hợp của chúng cũng là một khí lý tưởng mà hằng số khí và phân tử lượng của hỗn hợp được xác định bởi các công thức (2.9) và (2.10) Khi đã xác định được hằng số khí và phân tử lượng thì mọi tính toán nhiệt động của hỗn hợp đều đựa trên các phương trình trạng thái (2.1), (2.2) hoặc (2.3) Vì vậy, để tính toán các thông số nhiệt động của không khí khô cũng như của không khí ẩm trước hết ta tính hằng số khí và phân tử lượng của chúng

1 Hàng số khí và phân tử lượng của không khí khô

Thay phân tử lượng của oxy và nitơ vào (2.9) ta được R„ = 260 J/kg.K và RN = 298 J/kg.K Khi đó nếu gọi gọ øw là thành phần khối lượng của oxy và nitơ và như trên kia đã giới thiệu tương

ứng bằng 23,3% và 76,6% thì hằng số khí của không khí khô theo (2.10) bằng:

Ry = BoRy + BNRN = 0,233 260 + 0,767 298 = 289,146 J/kg.K

Thay R,, vao (2.9) ta đễ dàng tìm được phân tử lượng của không khí khô:

tụ = 8314/R, = 8314/289,146 = 28,756

Trong tính toán kỹ thuật người ta lấy gần đúng hạ = 29 va Ry, = 287 J/kg.K

2 Hàng số khí và phân tử lượng của không khí ẩm

Không khí ẩm là hỗn hợp giữa không khí khô và hơi nước Đương nhiên, hằng số khí và phân

tử lượng của nó phụ thuộc vào thành phần hơi nước chứa trong đó Nếu hơi nước có thành phần theo khối lượng bằng g„ = 1,186% thì theo “ 7) thành phần của không khí khô bằng g, = 98,814% Khi

đó, theo (2.9) và (2.10) ta có:

R =g,R, + g,Ry = 0,01186.462 + 0,98814.287

R = 289,0755 ~ 289 J/kg.K

= 8314/289 = 28,768 = 29

Như vậy, với thành phần hơi nước đã cho rất bé về mặt nhiệt động có thể xem không khí ẩm

này và không khí khô là như nhau

2.2 CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN CỦA KHÔNG KHÍ ẨM

2.2.1 Không khí ẩm chưa bão hòa và không khí ẩm bão hòa

Theo nhiệt động học /3,58/, nhiệt độ sôi hoặc ngưng tụ hay còn gọi là nhiệt độ bão hòa của nước phụ thuộc vào áp suất Do đó, áp suất tương ứng với nhiệt độ bão hòa gọi là áp suất bão hòa

Áp suất càng lớn thì nhiệt độ bão hòa càng cao Quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất bão hòa của nước nói riêng và của các dịch thể khác nói chung thông thường cho theo bảng hoặc các quan hệ giải tích gần đúng /14/ Nước và hơi có nhiệt độ bằng nhiệt độ bão hòa tương ứng gọi là nước bão hòa và hơi bão hòa Hơi nước có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ bão hòa gọi là hơi quá nhiệt Hơi nước trong không khí ẩm là hơi nước bão hòa hay hơi nước quá nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ và phân áp suất p„ của

nó Không khí ẩm chứa hơi nước bão hòa gọi là không khí ẩm bão hòa Ngược lại, không khí Ẩm chứa hơi nước quá nhiệt được gọi là không khí ẩm chưa bão hòa Không khí ẩm chưa bão hòa nếu

cho thêm hơi nước trong điều kiện đẳng nhiệt đến một lúc nào đó do phân áp suất p„ của hơi nước

tăng lên sẽ biến thành không khí ẩm bão hòa Không khí ẩm bão hòa này nếu lại được tiếp tục cung

cấp thêm hơi nước đẳng nhiệt do phân áp suất của nó không thể tăng lên cao hơn phân áp suất bão hòa nên khi đó, về nguyên tắc, bao nhiêu hơi nước không khí nhận thêm vào sẽ có bấy nhiêu nước

ngưng tụ lại Vì vậy, chỉ có không khí ẩm chưa bão hòa mới có khả năng nhận thêm hơi nước và do

đó mới có khả năng đóng vai trò TNS

Thông thường không khí bao quanh chúng ta là không khí ẩm chưa bão hòa và như trên kia đã nói hơi nước chứa trong đó là hơi nước quá nhiệt Ở miền Bắc nước ta những ngày cuối mùa thu đầu mùa đông hay cuối mùa xuân đầu mùa hè chúng ta cảm thấy ngột ngạt khó chịu vì lượng hơi nước trong không khí lớn hơn những ngày bình thường và trên mặt nền nhà lát gạch hoặc láng xi măng xuất hiện những giọt nước nhỏ đọng lại Khi đó, không khí trong phòng gần như là không khí bão

hòa và do nhiệt độ lớp không khí sát nền nhà bằng nhiệt độ bão hòa nên nước trong không khí

ngưng tụ lại Để tránh hiện tượng này, khi thi công nền nhà người ta phải chú ý công tác cách nhiệt

2.2.2 Độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm

Độ Ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là khối lượng hơi nước chứa trong một mỸ không khí ẩm Vì

thể tích của không khí ẩm cũng là thể tích mà hơi nước chiếm chỗ nên độ ẩm tuyệt đối của không

khí ẩm cũng chính là mật độ hay khối lượng riêng của hơi nước trong không khí ẩm Do đó, chúng

ta ký hiệu độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm là p„ kg/m” Rõ ràng, với không khí ẩm bão hòa khối

lượng hơi nước chứa trong đó là cực đại Vì vậy, độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm bão hòa là độ

ẩm tuyệt đối cực đại Chúng ta ký hiệu độ ẩm này là p„„„ hay py

2.2.3 Độ ẩm tương đối của không khí ẩm

_ Độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối p, va do dm tuyệt đối cực đại Pmax- Chúng ta ký hiệu độ ẩm tương đối là ọ Như vậy œ bằng:

Độ ẩm tương đối là một thông số quan trọng của không khí ẩm Với định nghĩa trên đây có thể

thấy rằng, độ ẩm tương đối đặc trưng cho khả năng nhận thêm hơi nước hay nói cách khác là khả

năng sấy của không khí ẩm Độ ẩm tương đối càng bé thì khả năng sấy của không khí càng lớn

Cũng theo định nghĩa (2.11) có thể thấy không khí khô (pạ = 0) có độ ẩm tương đối bằng không 26

Ngược lại, không khí ẩm bão hòa (p„ = pụ) có độ ẩm tương đối bằng 1 hay 100% Như vậy, độ ẩm tương đối của không khí ẩm biến đổi trong giới hạn: 0% < @ < 100%

Sử dụng các quan hệ (2.2) và (2.4) lần lượt cho hơi nước có mật độ p„ và hơi nước bão hòa có

mật độ pụ ta dễ dàng chứng minh được:

Pb Pb trong d6 : p, va p, tuong ting 1a phan dp suat cla hoi nuéc va phan dp sudt cha hoi nuéc bao hda ứng với nhiệt độ t của không khí

2.2.4 Lượng chứa ẩm

Lượng chứa ẩm d của không khí được định nghĩa là khối lượng tính bằng kg hoặc gam của hơi

nước chứa trong một kg không khí khô Nếu gọi G, là số kg hơi nước chứa trong G¡ kg không khí

khô thì lượng chứa ẩm d bằng:

Ở đây độc giả có thể kiểm tra thấy rằng, nếu làm tròn Hy = 29, Ry = 287 J/kg.K va R, = 462

J/kg.K thì hằng số trong (2.15) phải là 0,621 chứ không thể là 0,622 hay 0,623 như nhiều tài liệu /6, 43, 46/ đã trích dẫn

Ngược lại, công thức (2.15) cũng cho phép ta xác định phân áp suất hơi nước p„ khi biết lượng

chứa ẩm d và áp suất khí trời B:

Ngược lại, từ (2.18) hoặc (2.19) có thể rút ra công thức xác định áp suất bão hòa Pp khi biết áp

suất khí trời B, lượng chứa 4m d và độ ẩm tương đối ọ:

Chúng ta biết, khi nhiệt độ t của không khí không đổi thì áp suất bão hòa py cũng không đổi

Do đó theo (2.21), lượng chứa ẩm cực đại lúc này chỉ là hàm đơn trị của áp suất khí trời B Nói cách

khác, ở những vị trí địa lý, độ cao khác nhau, áp suất khí trời B khác nhau thì khối lượng hơi nước

cực đại chứa trong một kg không khí khô có cùng nhiệt độ cũng khác nhau

2.2.5 Entanpy của không khí ẩm

Trong kỹ thuật sấy người ta tính entanpy I của không khí ẩm là entanpy của nó ứng với một kg không khí khô Do đó, đơn vị của I là J/kgkk hay calo/kgkk Theo định nghĩa, lượng chứa ẩm đ là 28

“oN

số kg hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô nên entanpy của không khí ẩm I là entanpy của | kg

không khí khô và của d kg ẩm Do đó entanpy của không khí ẩm bằng:

trong đó : iu và ¡, tương ứng là entanpy của 1 kg không khí khô và I kg hơi nước

Thay i, = Cpyt va ig =r + Coạt vào (2.23) ta được :

trong đó : Chị; Coa tương ứng là nhiệt dung riêng của không khí khô và hơi nước và r là nhiệt ẩn hóa hơi Có thể lấy /3,11/ Cox = 1,004 kJ/kg.K = 0,24 kcal/kg.K; C,, = 1,842 kJ.kg.K = 0,44 keal/kg.K var = 2500 kj/kg = 598 kcal/kg Khi d6 entanpy cia khong khi ẩm bằng :

T= 1,004.t + d(2500 + 1,842.t) kI/kgkk (2.25) hay

2500 + 1,842

Nhiệt độ t, độ ẩm tương đối ọ, lượng chứa ẩm d và entanpy I 18 b6n théng s6 trang thái cơ bản của không khí ẩm Đương nhiên, trong bổn thông số này chỉ có hai thông số là độc lập Chúng ta có thể sử đụng các quan hệ giải tích trên đây hoặc sử dụng đồ thị I-d mà cơ sở để xây dựng đồ thị này cũng là các công thức giải tích nói trên để xác định trạng thái cũng như các quá trình kỹ thuật liên quan đến không khí ẩm như quá trình đốt nóng, làm lạnh, quá trình sấy hoặc các quá trình xử lý

nhiệt ẩm trong điều hòa không khí Cuối chương chúng ta sẽ giới thiệu cấu tạo đồ thị I-d cũng như

các ứng dụng cụ thể các quan hệ giải tích nói trên

2.3 XÁC ĐỊNH ĐỘ ẨM TƯƠNG ĐỐI CỦA KHÔNG KHÍ

2.3.1 Thế sấy và nhiệt độ nhiệt kế ướt

Ta xét quá trình bay hơi của nước vào không khí trong điều kiện đoạn nhiệt Vì là đoạn nhiệt nên nhiệt lượng cần thiết để nước bay hơi lấy ngay từ không khí Do đó, lớp không khí sát ngay bể mặt bay hơi mất đi một nhiệt lượng đúng bằng nhiệt lượng bay hơi của nước Vì vậy, nhiệt độ của lớp không khí sát ngay bề mặt bốc hơi giảm đi một lượng nào đó so với nhiệt độ không khí xa bề

mặt bay hơi Nhiệt độ lớp không khí sát ngay bề mặt bay hơi gọi là nhiệt độ nhiệt kế ướt t„„ và nhiệt

độ không khí ở xa bể mặt bay hơi gọi là nhiệt độ nhiệt kế khô t Như mọi người đều biết, để đo

nhiệt độ của không khí người ta có thể dùng các nhiệt kế bình thường, chẳng hạn nhiệt kế thủy ngân

hay nhiệt kế rượu Để xác định nhiệt độ nhiệt kế ướt người ta cũng dùng những nhiệt kế bình thường nhưng bầu thủy ngân hoặc bầu rượu được bọc một lớp bông luôn luôn thấm nước nhờ mao dẫn từ một cốc nước Nước trong lớp bông bao quanh bầu nhiệt kế nhận nhiệt của không khí và bay hơi Vì không khí xung quang bầu nhiệt kế mất nhiệt lượng để cho nước bay hơi nên nhiệt độ của

lớp không khí này giảm xuống Vì lý do nói trên nên nhiệt độ này gọi là nhiệt độ nhiệt kế ướt Nhiệt

độ của không khí xa bể mặt bay hơi cũng được đo chính bằng nhiệt kế đó nhưng không có bông thấm nước bao quanh bầu của nó nên gọi là nhiệt độ nhiệt kế khô '

Rõ ràng, không khí càng khô hay độ ẩm tương đối @ của nó càng bé thì nước xung quanh bầu nhiệt kế sẽ bay hơi càng nhiều và lớp không khí sát đó càng mất nhiều nhiệt lượng và do đó nhiệt

độ nhiệt kế ướt càng bé hay độ chênh giữa nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt càng lớn

Dĩ nhiên, khi không khí khô tuyệt đối hay độ ẩm tương đối @ = 0 thì độ chênh nhiệt độ này là cực đại Ngược lại, khi không khí ẩm bão hòa hay độ ẩm tương đối của nó = 100% thì nước quanh bầu nhiệt kế không thể bay hơi và do đó giá trị nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt bằng nhau hay độ chênh nhiệt độ của hai nhiệt kế này bằng không Có thể thấy, nhiệt độ nhiệt kế ướt chỉ chính là nhiệt độ bão hòa tương ứng với phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí ẩm /24, 43/ Như vậy, độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt đặc trưng cho khả năng nhận ẩm của không khí và do đó trong KTS người ta gọi là thế sấy e Như vậy, thế sấy bằng :

2.3.2 Xác định phân áp suất bão hòa theo nhiệt độ

Theo công thức (2.12), để xác định độ ẩm tương đối ọ chúng ta cần biết phân áp suất hơi nước

Pạ và áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ t của không khí Pb-

Để xác định áp suất bão hòa của hơi nước nói chung và phân áp suất bão hòa của hơi nước trong không khí nói riêng khi biết nhiệt độ người ta thường dùng bảng thông số vật lý của nước và hơi nước bão hòa /3,58/ Tuy nhiên, như trong tài liệu /22/ đã chỉ rõ, để thực hiện mọi tính toán

không khí ẩm bằng ngôn ngữ lập trình trên máy vi tính (ngôn ngữ Pascal chẳng hạn) thì việc

xác định phân áp suất bão hòa theo nhiệt độ bằng bảng thật không tiện lợi Vì vậy giải tích hóa quan hé p, = f(() là bước khởi đầu cho phép chúng ta thực hiện mọi tính toán không khí ẩm bằng máy vi tính

Trong tài liệu /43/, Phylônenko đã đưa ra công thức thực nghiệm sau đây để tính phân áp suất

bão hòa của hơi nước trong không khí ẩm khi biết nhiệt độ dưới dạng:

công thức Antoine cho sai số tương đối lớn nhất là 2% và công thức Phylônhenko là 9% Nếu

t=0°C + 200°C sai số tương đối lớn nhất của công thức Antoine tăng dần từ 0% lên 5% Trong khi

đó, sai số tương đối lớn nhất của công thức Phylônhenko lại giảm từ 9% xuống 5%

Xử lý số liệu từ bảng chuẩn /3,58/ quan hệ pạ = f(t) trên máy vi tính chúng tôi /22/ kiến nghị

hai công thức sau đây:

và ổn định hơn các công thức của Antoine và Phylônhenko Chẳng hạn, khi t = — 25°C + 25°C sai

số là 0% và nếu t = 25°C + 200°C sai số tương đối cực đại cũng không vượt quá 1%

Ứng dụng công thức (2.30) hoặc (2.31) vào việc xác định độ ẩm tương đối của không khí khi biết nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt đã được trình bày trong /24/ Dưới đây chúng ta

sẽ trình bày các kết quả nghiên cứu này

Ngoài ra, các công thức giải tích p, = f(t) cũng rất tiện lợi trong việc xác định chiều dày kết cấu bao che của các kho lạnh để tránh hiện tượng đọng sương Độc giả nào quan tâm đến vấn đề này có

thể xem trong / 23/

2.3.3 Xác định độ ẩm tương đối của không khí

Độ ẩm tương đối của không khí @ được xác định bằng ẩm kế Hiện nay có nhiều loại ẩm kế

Tuy các ẩm kế hoạt động theo nhiều nguyên lý khác nhau nhưng cùng một cơ sở nhiệt động Sau đây chúng ta giới thiệu các cơ sở này

Các loại ẩm kế xác định độ ẩm tương đối của không khí đều dựa trên hiệu số nhiệt độ nhiệt kế khô và nhiệt độ nhiệt kế ướt (t - tụ) Giả sử qị là nhiệt lượng mà không khí cung cấp cho bầu thủy ngân của nhiệt kế ướt và q› là nhiệt lượng mà nước quanh bầu thủy ngân tiêu tốn để bay hơi Rõ

trong đó : œ W/mˆ.K là hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên ; dạ, kg/m^s là cường độ bay hơi và r là

nhiệt ẩm hóa hơi

Cường độ bay hơi qm kg/m”.s có thể tính gần đúng theo công thức Danton /43, 51/ qua hệ số

bay hoi a, (kg/m”.s.bar) và độ chênh áp suất giữa phân áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ nhiệt kế

ướt pm và phân áp suất p„ của hơi nước trong không khí ẩm:

760

Gm =2m(Pm “PI

trong đó : B là áp suất khí trời nơi ta xác định độ ẩm tương đối ọ

Dễ dàng thấy rằng nếu áp suất khí trời B được đo bằng bar thì công thức trên được viết lại

Hệ số A gọi là hệ số Ẩm kế và phụ thuộc vào hệ số trao đổi nhiệt œ và hệ số bay hơi ơm Các hệ

số này lại phụ thuộc vào tốc độ chuyển động tự nhiên của không khí Như vậy, có thể xem A = f(V)

Thực nghiệm /43/ cho thấy khi tốc độ không khí v < 0,5 m/s thi A = 66.10” và khi v > 0,5 m/s thi

Từ (2.36) có thể rút ra phân áp suất p„ của hơi nước:

Thay pạ vào (2.12) ta có công thức xác định độ ẩm tương đối của không khí @ theo áp suất bão

hòa pp và độ chênh nhiệt (t - tụ):

Pm AB

Trong (2.39) pm và pụ đều là áp suất bão hòa nhưng pạ, là áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ

nhiệt kế ướt tự còn pp là áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ nhiệt kế khô t Như vậy, kết hợp (2.30)

32

"8

hoặc (2.31) và (2.39) chúng ta có thể hoàn toàn xác định được độ ẩm tương đối của không khí khi

biết nhiệt độ nhiệt kế khô t và nhiệt độ nhiết kế ướt tụ

Ví dụ 2.1 Hãy xác định độ ẩm tương đối của không khí khi biết áp suất khí trời B= 1 bar,

tốc độ không khí nhỏ hơn 0,5 m/s và nhiệt độ nhiệt kế khô, nhiệt độ nhiệt kế ướt tương ứng bằng

t=40°C, ty = 30°C

GIẢI

Sử dụng các công thức (2.30) hoặc (2.31) ta tìm được áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ nhiệt kế

khé (t= 40°C) Pụ và nhiệt độ nhiệt kế ướt (ty = 30°C) Pm tuong ting bang :

4026, 42

= exp412,000-

Pb exo 235,5+40 } =0073, bar /

4026,42 =0,042, bar / 235,5+30

Pm = exp 12,000 -

Thay gid tri A= 66.107 ; B= 1 bar va cdc gid tri p, và pm trên đây vào (2.39) ta tìm được độ

ấm tương đối của không khí :

o = 2042 - 66.107°.1.(40- 30) = 48,5%

0,073

Doc gia có thể tự kiểm tra độ chính xác của kết quả trong ví du 2.1 theo phương pháp thông

thường trên đồ thị I-d hoặc theo các bảng chuẩn khí biết nhiệt độ nhiệt kế khô t và nhiệt độ nhiệt kế —— ướt tự

2.4 ĐỒ THỊ I - d CỦA KHÔNG KHÍ ẨM

Năm 1918, lần đầu tiên nhà khoa học Nga Ramzyn đề xuất ý tưởng dùng đồ thị 1 - d để biểu diễn trạng thái và các quá trình nhiệt động xảy ra trong không khí ẩm Độc lập với Ramzyn, năm

1923 nhà khoa học Đức Molier cũng công bố một đồ thị tương tự /38, 43, 51/ Vì vậy, có tài liệu

gọi đồ thị I- d là đồ thị Ramzyn, có tài liệu gọi là đồ thị Molier Trong giáo trình này chúng tôi gọi theo bản chất của đô thị: đồ thị I - d của không khí ẩm Có thể thấy đồ thị I - d chúng ta trích dẫn từ các tài liệu của các nhà khoa học Nga hiện nay hay Liên Xô trước kia và đồ thị I - d cho trong tai liệu Anh - Mỹ là ảnh của nhau Nói cách khác, nhìn từ phía sau của đồ thị Ramzyn trong tài liệu của Nga ta sẽ thấy đồ thị Molier và ngược lại Sau đây ta chỉ giới thiệu đồ thị I - d theo cách vẽ của

Ramzyn

2.4.1 Cấu tạo đồ thị I - d

Để các đường trên đồ thị I-d tách xa nhau tiện cho việc sử dụng, người ta lấy trục tung làm trục

entanpy I và trục hoành làm trục lượng chứa ẩm d nhưng không vuông góc với nhau mà hai trục làm với nhau một góc 135” Tuy vậy, khi vẽ người ta vẫn chỉ vẽ đồ thị trong phần góc vuông thứ nhất

Đương nhiên, do quan hệ giữa hai trục OI và Od như đã giới thiệu trên đây nên các đường d = const vẫn là những đường thẳng đứng nhưng các đường I = const không phải là các đường nằm ngang ma

là những đường làm với trục OI một góc 135” (xem hình 2.1a) Đó là đặc điểm thứ nhất của dé thị

I - d mà ta sẽ giới thiệu

„ Như phần trên đã chỉ rõ, các đại lượng của không khí ẩm đêu phụ thuộc vào áp suất khí trời B

Do đó mỗi một đồ thị I - d được vẽ với một áp suất khí trời nhất định và người ta ghi rõ trên đồ thị

Đây là đặc điểm thứ hai của đồ thị I - d Chẳng hạn, đồ thị I - d phổ biến trong các tài liệu của Nga

ngày nay và của Liên Xô trước kia được vẽ cho áp suất khí trời B = 745 mmHg Trong khi đó, đồ thị [ - d trong các tài liệu của Anh - Mỹ được vẽ với B = 760 mmHg

Chúng ta có thể sử dụng các đồ thị này cho các áp suất khí trời khác nhau nhưng khi yêu cầu cần tính chính xác chúng ta phải làm phép "quy đổi" Chúng ta sẽ thảo luận vấn đề này sau

2.4.2 Các họ đường trên đồ thị I - d

1 Họ đường t = const

Họ đường này được xây dựng trên cơ sở công thức (2.25) Để độc giả dễ theo dõi ở đây ta viết

Thay t = const vào công thức (a) ta được quan hệ I = f(đ) có đạng các đường thẳng Do đó, với

một nhiệt độ đã cho ta chỉ cần xác định entanpy tai hai điểm tương ứng với đ; và dị nào đó, Thường

d, = 0 va mét gid trị dị nào đó ta sẽ thu được đường † = const Cho nhiệt độ không khí ẩm t các giá

trị khác nhau tị, tạ, tx, chúng ta sẽ có một họ các đường t= const Chẳng hạn cho t = 0°C ta được

I =r.d = 2500.d (kJ/kg kk) Trên hình 2.1 b ứng với dị ta có Ï = 2500.d) biểu diễn bởi đường ob

Trong đó, độ lớn đoạn ab theo một tỷ lệ nào đó đúng bằng giá trị r.d¡ Tương tự, đường t = tị = const biểu diễn bằng đường thẳng ef Nếu vẽ thêm các đường ec song song với đường ob thì dễ dàng

thấy rằng :

œ= Cont va cf = Coat dy va af=I= f(d,) = Cox-t + dir + Cpa)

2 Họ đường 9 = const

Các đường ọ = const được xây dựng trên cơ sở các công thức giải tích (2.20) và (2.25) Để tiện

theo dõi ta ký hiệu lại hai công thức đó tương ứng là (b) và (c)

Bây giờ cho d = dị nào đó vào công thức (d) ta tim được áp suất bão hòa pạ¡ Ứng với Ppp ta bảng hoặc theo (2.30) hay (2.31) chúng ta tìm được nhiệt độ bão hòa tương ứng t¡ Như vậy giao điểm của đường t = t¡ và đường d = dị biểu diễn một điểm trên đường @ = @¡ Tiếp tục thay d = d;

vào (đ) ta tìm được Ph2: Ung VỚI ppạ, tra bảng hoặc theo (2.30) hay (2.31) chúng ta tìm được nhiệt

độ bão hòa tương ứng t; Giao điểm các đường t = t2 và đường d = d; ta được một điểm nữa của

đường = @¡ Tương tự như vậy, với nhiều giá trị của lượng chứa ẩm d, (n = 1,2, 3, .) ta sẽ có

tạ (n = 1,2, 3, ) Nối các giao điểm của dạ (n = 1, 2, 3, .) = const va t, m= 1, 2, 3, ) = const ta

sẽ thu được đường cong @ = @¡ Theo (2.25) các giao điểm này có entanpy I, (n= 1, 2, 3, .) bằng:

In = Coty +n r+ Coats) —, (n= 1,2, 3 )

Kết hợp (2.19) và (2.25) có thể thấy họ các đường cong @ = const cắt nhau tại gốc tọa độ

Trong các tài liệu trước đây /6, 51/ người ta cho rằng B trong (2.19) là áp suất khí trời nên với những nhiệt độ t > 99,4°C phân áp suất bão hòa của hơi nước luôn bằng B và do đó từ (2.19) người

const là những đường thẳng đứng

Lập luận này về mặt nhiệt động là không có cơ sở Krechetov I.V /46/ là người đầu tiên đặt

vấn đề nghỉ vấn tính không đúng đắn khi sử dụng đồ thị I - d của không khí ẩm ở vùng nhiệt độ lớn

hon 99,4°C

That vay, co sé dé xay dung đường © = const là hai công thức (b) và (c) Áp suất bão hòa Pb trong (b) theo nhiệt động học là một hàm liên tục và đơn trị của nhiệt độ t Hàm số này có thể cho bằng bảng hoặc quan hệ giải tích, ví dụ dạng (2.30) hoặc (2.31) chẳng hạn Như vậy, theo (b), khi

độ ẩm tương đối ọ không đổi thì lượng chứa ẩm d phải là một hàm liên tục và đơn trị của pụ Do đó

d cũng phải là một hàm liên tục và đơn trị của t Từ đó Suy ra entanpy Ï cũng là một hàm liên tục và đơn trị không những của t mà của cả @ và d nữa

Ví dụ, với không khí có nhiét d6 160°C, d= 1 kg/kg kk, néu sir dụng đồ thi I - d thông thường

ta sẽ tìm thấy = 62% Thực ra kết quả này không phải như vậy Chúng ta thử tính độ ẩm tương đối

khi xem oọ là một hàm liên tục Trước hết ta tính Dp ứng với t = 160°C Theo (2.31) ta có :

4026,420

=exp412,000-—_———“—

Po P| 235,5000 + 1600 | 6.166 bar

36

Theo (2.18) nếu áp suất khí trời B = 1 at = 0,98 bar thì phân áp suất pạ bằng:

3 Quan hệ giữa phân áp suất hơi nước pạ với lượng chứa amd

Quan hệ giữa phân áp suất hơi nước pạ với lượng chứa ẩm đ được biểu diễn bởi công thức (2.18) Để biểu diễn quan hệ này trên cùng một đồ thị I-d ta đặt trục tung ở bên phải có đơn vị là

Pascal hay mmHg Do lượng chứa ẩm d thông thường rất bé so với 0,621 kg ẩm/kg kk nên quan hệ

Pa = f(d) gần như là tuyến tính (hình 2.1 đ)

2.4.3 Biển diễn trạng thái và các quá trình nhiệt động trên đồ thị I - d

Trên đồ thi I - d ta có thể tìm thấy 4 thông số trạng thái của không khí ẩm: độ dm tương đối 9,

nhiệt độ không khí t, lượng chứa ẩm d và entanpy I Trong đó đương nhiên chỉ có hai thông số độc lập nhau còn hai thông số còn lại có thể tìm trên đồ thị hoặc quan hệ giải tích đã giới thiệu trên đây

Chẳng hạn, trạng thái của không khí có ọạ = 85% va ty = 25°C trên hình 2.2 được biểu diễn bởi giao điểm A giữa đường @ = 85% và đường t = 25°C Entanpy I, và lượng chứa ẩm dạ được xác

định bằng cách vẽ qua A các đường song song với các đường Ï = const và d = const Các đường này cắt trục tung tai I, = 68,5 (kJ/kg kk) và trục hoành tại d, = 0,017 (kg/kg kk) Các giá trị này cũng có thể tính theo các quan hệ giải tích Chúng ta sẽ thảo luận chỉ tiết và cho các ví dụ cụ thể trong phần Thuật toán và lưu đồ xác định các quá trình nhiệt động cơ bản của không khí ẩm cuối chương này

2 Quá trình đốt nóng và đốt nóng - tăng ẩm

a) Quá trình đốt nóng không tăng ẩm

Quá trình này xảy ra nhờ thiết bị trao đổi nhiệt hay còn gọi là calorifer trong hệ thống sấy Giả

sử không khí tại điểm A có nhiệt độ t„ = 25°C, độ ẩm tương đối ọ¿ = 85% được đốt nóng không

tăng ẩm đến nhiệt độ t= 90°C Đặc trưng của quá trình đốt nóng là nhiệt độ tăng nhưng lượng

chứa ẩm d không đổi Vì vậy trạng thái sau quá trình đốt nóng được xác định bởi giao điểm B của

đường tị = 90°C và đường d = d, = 0,017 kg/kg kk Vẽ qua B một đường song song với các đường I= const ta xác định được entanpy của không khí sau quá trình đốt nóng l¡ = 126,5 kJ/kg kk Tương

tự ta cũng tìm được (hoặc nội suy) một đường @¡ = const đi qua điểm B Giá trị đường đó chính là

độ ẩm tương đối của không khí ở điểm B, ọ) = 3,5%

Hình 2.2 Xác định trạng thái của không khí ẩm trén I - d

Các giá trị này của entanpy I¡ và độ ẩm tương đối @¡ cũng có thể tìm bằng các quan hệ giải

tích Như trên kia đã nói ta sẽ giới thiệu chỉ tiết phương pháp giải tích ở phần cuối chương

Như vậy, nhờ đốt nóng mà độ ẩm tương đối của không khí đã giảm từ 85% xuống còn 3,5% Nhiệt độ tăng và độ ấm giảm đã làm cho không khí không những có thể cung cấp nhiệt cho VLS

trong các TBS đối lưu mà còn làm tăng khả năng nhận thêm ẩm hay khả năng sấy

Nhiệt lượng mà không khí nhận được trong calorifer bằng:

qạp = l- lọ = 136,5 - 68,5 = 68 kJ/kg kk

a) Quá trình đốt nóng tăng dm

Quá trình đốt nóng tăng ẩm cũng thường được sử dụng trong kỹ thuật xử lý không khí bằng cách phun nước hoặc hơi nước có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không khí vào không khí Chẳng hạn,

không khí ở trạng thái A có nhiệt độ t„ và ọo cần đốt nóng tăng ẩm đến trạng thái N có nhiệt độ t„

(t, > tp) và độ Ấm @n (@n > ọạ) thì quá trình đó được biểu diễn bới đường AN, trong đó N là giao

điểm của hai đường t = tn = const va @ = @, = const Luong nhiệt và lượng ẩm cần thiết trong quá

trình AN tương ứng bằng:

38

3 Quá trình làm lạnh và làm lạnh - khử ẩm

Quá trình làm lạnh ngược với quá trình

đốt nóng Trong quá trình này nhiệt độ giảm

và độ ẩm tương đối tăng lên Trong kỹ thuật

thường gặp 2 quá trình làm lạnh: quá trình

làm lạnh có I = const và quá trình làm lạnh

có d = const

a) Quá trình làm lạnh đẳng entanpy

Quá trình làm lạnh đẳng entanpy xẩy ra

khi phun nước có cùng nhiệt độ với không

khí vào không khí Chẳng hạn không khí tại

điểm A được làm lạnh đẳng entanpy đến

nhiệt độ t; nào đó thì điểm cuối của quá trình

làm lạnh B°; là điểm cắt nhau giữa đường

1 =1, = const và đường t = tạ = const Nếu

d, kg/kg kk

Hình 2.3 Quá trình đốt nóng và đốt nóng-tăng ẩm trên I-d

muốn khử ẩm theo quá trình làm lạnh đẳng entanpy thì không khí ở điểm BỊ) phải được tiếp tục làm lạnh đến trạng thái bão hòa B;" có nhiệt độ đọng sương t;¡ Điểm B;'' chính là giao điểm của

đường I = I, = const và đường = 100% Nếu không khí tại điểm B¿" tiếp tục được làm lạnh thì quá trình khử ẩm bắt đầu và sẽ diễn ra đọc theo đường @ = 100% về phía d giảm

b) Quá trình làm lạnh đẳng ẩm

Quá trình này xây ra khi không khí

4m ở một trạng thái nào đó bị mất nhiệt do

trao đổi nhiệt với môi trường Do đó,

lượng chứa ẩm của nó không đổi Ví dụ,

không khí ở điểm A được làm lạnh theo

quá trình d = const đến nhiệt độ đọng

sương t„; thì điểm đọng sương B;” sẽ là giao

điểm của đường d = d„ = const và đường

@ = 100% Tương tự nếu không khí ở điểm

Bạ" tiếp tục được làm lạnh thì quá trình

khử ẩm sẽ bắt đầu và được thực hiện đọc

theo đường ọ = 100% về phía d giảm

Hình 2.4 Quá trình làm lạnh khử ẩm trên I - d

Như vậy, muốn khử ẩm trong không khí trước hết ta phải làm lạnh không khí đến điểm đọng sương và sau đó tiếp tục làm lạnh để lấy bớt hơi nước chứa trong không khí dưới dạng nước ngưng

4 Quá trình sấy lý thuyết

Người ta gọi quá trình sấy lý thuyết là quá trình chỉ có tổn thất do TNS mang đi mà không có

các tổn thất khác như tổn thất ra môi trường, tổn thất do vật liệu sấy mang đi, tổn thất do thiết bị

39

chuyển tải (TBCT) v.v Do đó, nhiệt lượng mà TNS cung cấp cho VLS chỉ để cung cấp cho ẩm bốc

hơi Ẩm bốc hơi lại mang trở lại TNS toàn bộ nhiệt lượng này dưới dạng nhiệt ẩn hóa hơi r và nhiệt

vật lý Crat Do đó quá trình sấy lý thuyết là quá trình đẳng entanpy Như vậy, nếu TNS trước khi vào buồng sấy ở trạng thái B có nhiệt độ t va entanpy I; thi qué trinh sấy lý thuyết sẽ được thực

hiện theo đường I = l¡ = const Để xác định trạng

thái TNS sau quá trình sấy lý thuyết CQ ta phải biết ! %

thêm một thông số nữa, thường là nhiệt TNS sau

kg/kgK.K œ

quá trình sấy tp Nhiệt độ ty được chọn sao cho đủ

bé để tiết kiệm nhiệt lượng nhưng phải đủ xa trạng — —]

thái bão hòa để tránh hiện tượng đọng sương có thể

xảy ra Vì nhiệt độ t bao giờ cũng lớn hơn nhiệt độ

TNS vào calorifer tạ nên trong quá trình sấy lý

thuyết bao giờ cũng có tổn thất nhiệt do TNS mang

thuyết là giao điểm của hai đường t = ty = const và dị de

2.4.4 Sử dụng đồ thị I - d ở các cấp áp suất khí trời khác nhau

Như chúng ta đã giới thiệu các đồ thị I - d chuẩn được vẽ với một 4p suất khí trời nhất định Trong khi đó, các thông số của không khí ẩm lại phụ thuộc vào áp suất khí trời nơi ta sử dụng

Dé dang thấy rằng van dé này chỉ liên quan đến độ Ẩm tương đối Chẳng hạn, với không khí có

độ ẩm tương đối trên đồ thị I - d chuẩn trong các sách Anh, Mỹ @p được vẽ với áp suất khí trời

B, = 760 mmHg thi không khí này trong đồ thị chuẩn của các tài liệu Liên Xô trước đây được vẽ

với Bị = 745 mmHg có độ ẩm tương đối Mp, sé 1a bao nhiêu?

Từ công thức (2.19) có thể thấy khi nhiệt độ không đổi do đó áp suất bão hòa cũng sẽ không đổi thì lượng chứa ẩm d là một hàm đơn trị của ty số B/ọ Thật vậy, chia tử số và mẫu số trong

(2.19) cho @ ta được:

7 Pb

© Như vậy, ứng với một nhiệt độ và một giá trị lượng chứa ẩm d nhất định ta chỉ có một giá trị

(B/@) duy nhất Đo đó, có thể viết: