Giáo trình điều hòa không khí - Chương 1

Chương 1: Những kiến thức cơ bản về không khí ẩm

CHƯƠNG I : NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ KHÔNG KHÍ ẨM 1.1 KHƠNG KHÍ ẨM 1.1.1 Khái niệm khơng khí ẩm Khơng khí xung quanh hỗn hợp nhiều chất khí, chủ yếu N2 O2 ngồi cịn lượng nhỏ khí trơ, CO2, nước - Khơng khí khơ: Khơng khí khơng chứa nước gọi khơng khí khơ Trong thực tế khơng có khơng khí khơ hồn tồn, mà khơng khí ln ln có chứa lượng nước định Đối với khơng khí khơ tính tốn thường người ta coi khí lý tưởng Thành phần chất khí khơng khí khô phân theo tỷ lệ phần trăm sau đây: Bảng 1.1 Tỷ lệ chất khí khơng khí khơ Thành phần - Ni tơ: N2 - Ơxi : O2 - Argon - A - Carbon-Dioxide: CO2 - Chất khí khác: Nêơn, Hêli, Kripton, Xênon, Ơzơn, Radon vv Tỷ lệ phần trăm, % Theo khối lượng Theo thể tích 78,084 75,5 20,948 23,1 0,934 1,3 0,03 0,046 0,004 0,05 - Khơng khí ẩm: Khơng khí có chứa nước gọi khơng khí ẩm Trong tự nhiên có khơng khí ẩm trạng thái chia dạng sau: a) Khơng khí ẩm chưa bão hòa: Là trạng thái mà nước cịn bay thêm vào khơng khí, nghĩa khơng khí cịn tiếp tục nhận thêm nước b) Khơng khí ẩm bão hịa: Là trạng thái mà nước khơng khí đạt tối đa bay thêm vào Nếu tiếp tục cho bay nước vào khơng khí có bao bay vào khơng khí có nhiêu ẩm ngưng tụ lại c) Khơng khí ẩm q bão hịa: Là khơng khí ẩm bão hịa cịn chứa thêm lượng nước định Tuy nhiên trạng thái bão hồ trạng thái khơng ổn định có xu hướng biến đổi đến trạng thái bão hoà lượng nước dư bị tách dần khỏi không khí Ví dụ trạng thái sương mù khơng khí q bão hịa Tính chất vật lý mức độ ảnh hưởng khơng khí đến cảm giác người phụ thuộc nhiều vào lượng nước tồn khơng khí Như vậy, mơi trường khơng khí coi hổn hợp khơng khí khơ nước Chúng ta có phương trình khơng khí ẩm sau: - Phương trình cân khối lượng hổn hợp: G = Gk + Gh (1-1) G, Gk, Gh - Lần lượt khối lượng khơng khí ẩm, khơng khí khơ nước khơng khí, kg - Phương trình định luật Dantôn hổn hợp: B = Pk + Ph (1-2) B, Pk, Ph - Ap suất khơng khí, phân áp suất khơng khí khơ nước khơng khí, N/m2 - Phương trình tính tốn cho phần khơng khí khơ: Pk.V = Gk.Rk.T (1-3) V - Thể tích hổn hợp, m3; Gk - Khối lượng khơng khí khô V (m3) hổn hợp, kg; Rk - Hằng số chất khí khơng khí khơ, Rk = 287 J/kg.K T - Nhiệt độ hổn hợp, T = t + 273,15 , oK - Phương trình tính tốn cho phần ẩm khơng khí: Ph.V = Gh.Rh.T (1-4) Gh - Khối lượng ẩm V (m3) hổn hợp, kg; Rh - Hằng số chất khí nước, Rh = 462 J/kg.K 1.1.2 Các thông số vật lý khơng khí ẩm 1.1.2.1 Áp suất khơng khí Ap suất khơng khí thường gọi khí áp, ký hiệu B Nói chung giá trị B thay đổi theo không gian thời gian Đặc biệt khí áp phụ thuộc nhiều vào độ cao, mức mặt nước biển, áp suất khí khoảng at, độ cao 8000m đỉnh Everest áp suất cịn 0,32 at nhiệt độ sơi nước cịn 71oC (xem hình 1-1) Tuy nhiên kỹ thuật điều hịa khơng khí giá trị chênh lệch khơng lớn bỏ qua người ta coi B khơng đổi Trong tính tốn người ta lấy trạng thái tiêu chuẩn Bo = 760 mmHg Đồ thị I-d khơng khí ẩm thường xây dựng áp suất B = 745mmHg Bo = 760mmHg Hình 1.1 Sự thay đổi khí áp theo chiều cao so với mặt nước biển 1.1.2.2 Nhiệt độ - Nhiệt độ đại lượng biểu thị mức độ nóng lạnh Đây yếu tố ảnh hưởng lớn đến cảm giác người Trong kỹ thuật điều hịa khơng khí người ta thường sử dụng thang nhiệt độ độ C độ F Đối với trạng thái định khơng khí ngồi nhiệt độ thực kỹ thuật cịn có giá trị nhiệt độ đặc biệt cần lưu ý tính tốn có ảnh hưởng nhiều đến hệ thống thiết bị nhiệt độ điểm sương nhiệt độ nhiệt kế ướt - Nhiệt độ điểm sương: Khi làm lạnh khơng khí giữ nguyên dung ẩm d (hoặc phân áp suất ph) tới nhiệt độ ts nước khơng khí bắt đầu ngưng tụ thành nước bão hịa Nhiệt độ ts gọi nhiệt độ điểm sương (hình 1-2) Như nhiệt độ điểm sương trạng thái khơng khí nhiệt độ ứng với trạng thái bão hịa có dung ẩm dung ẩm trạng thái cho Hay nói cách khác nhiệt độ điểm sương nhiệt độ bão hòa nước ứng với phân áp suất ph cho Từ ta thấy ts d có mối quan hệ phụ thuộc Những trạng thái khơng khí có dung ẩm nhiệt độ đọng sương chúng Nhiệt độ đọng sương có ý nghĩa quan trọng xem xét khả đọng sương bề mặt xác định trạng thái khơng khí sau xử lý Khi khơng khí tiếp xúc với bề mặt, nhiệt độ bề mặt nhỏ hay nhiệt độ đọng sương ts ẩm khơng khí ngưng kết lại bề mặt đó, trường hợp ngược lại không xảy đọng sương - Nhiệt độ nhiệt kế ướt: Khi cho nước bay đoạn nhiệt vào khơng khí chưa bão hịa (I=const) Nhiệt độ khơng khí giảm dần độ ẩm tương đối tăng lên Tới trạng thái bão hoà ϕ = 100% trình bay chấm dứt Nhiệt độ ứng với trạng thái bão hoà cuối gọi nhiệt độ nhiệt độ nhiệt kế ướt ký hiệu tư Người ta gọi nhiệt độ nhiệt kế ướt xác định nhiệt kế có bầu thấm ướt nước (hình 1-2) Như nhiệt độ nhiệt kế ướt trạng thái nhiệt độ ứng với trạng thái bão hịa có entanpi I entanpi trạng thái khơng khí cho Giữa entanpi I nhiệt độ nhiệt kế ướt tư có mối quan hệ phụ thuộc Trên thực tế ta đo nhiệt độ nhiệt kế ướt trạng thái khơng khí thời nhiệt độ bề mặt thoáng nước I kJ/kg I= t ns co d=const A C tæ ts % 00 =1 ϕ B d, kg/kg dA = dB Hình 1.2 Nhiệt độ đọng sương nhiệt độ nhiệt kế ướt khơng khí 1.1.2.3 Độ ẩm Độ ẩm tuyệt đối Là khối lượng ẩm 1m3 khơng khí ẩm Giả sử V (m3) khơng khí ẩm có chứa Gh (kg) nước độ ẩm tuyệt đối ký hiệu ρh tính sau: Gh (1-5) , kg / m V Vì nước khơng khí coi khí lý tưởng nên: p (1-6) ρh = = h , kg / m v h R h T đó: ph - Phân áp suất nước khơng khí chưa bão hồ, N/m2 Rh - Hằng số nước Rh = 462 J/kg.oK T - Nhiệt độ tuyệt đối không khí ẩm, tức nhiệt độ nước, oK ρh = Độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối khơng khí ẩm, ký hiệu ϕ (%) tỉ số độ ẩm tuyệt đối ρh khơng khí với độ ẩm bão hịa ρmax nhiệt độ với trạng thái cho ρ (1-7) ϕ= h ,% ρ max hay: p (1-8) ϕ= h ,% p max Độ ẩm tương đối biểu thị mức độ chứa nước khơng khí ẩm so với khơng khí ẩm bão hịa nhiệt độ Khi ϕ = trạng thái khơng khí khơ < ϕ < 100 trạng thái khơng khí ẩm chưa bão hồ ϕ = 100 trạng thái khơng khí ẩm bão hịa - Độ ẩm ϕ đại lượng quan trọng khơng khí ẩm có ảnh hưởng nhiều đến cảm giác người khả sử dụng khơng khí để sấy vật phẩm - Độ ẩm tương đối ϕ xác định công thức, đo ẩm kế Ẩm kế thiết bị đo gồm nhiệt kế: nhiệt kế khô nhiệt kế ướt Nhiệt kế ướt có bầu bọc vải thấm nước nước thấm vải bọc xung quanh bầu nhiệt kế bốc vào khơng khí lấy nhiệt bầu nhiệt kế nên nhiệt độ bầu giảm xuống nhiệt độ nhiệt kế ướt tư ứng với trạng thái khơng khí bên ngồi Khi độ ẩm tương đối bé, cường độ bốc mạnh, độ chênh nhiệt độ nhiệt kế cao Do độ chênh nhiệt độ nhiệt kế phụ thuộc vào độ ẩm tương đối sử dụng để làm sở xác định độ ẩm tương đối ϕ Khi ϕ =100%, trình bốc ngừng nhiệt độ nhiệt kế 1.1.2.4 Khối lượng riêng thể tích riêng Khối lượng riêng khơng khí khối lượng đơn vị thể tích khơng khí Ký hiệu ρ, đơn vị kg/m3 G (1-9) ρ = , kg/m3 V Đại lượng nghịch đảo khối lượng riêng thể tích riêng Ký hiệu v , m3/kg (1-10) ρ Khối lượng riêng thể tích riêng hai thơng số phụ thuộc Trong đó: p ⎤ V ⎡p G = G h + G k = ⎢ k + h ⎥ T ⎣R k R h ⎦ Do đó: p ⎤ ⎡p ρ = ⎢ k + h ⎥ T ⎣Rk Rh ⎦ Mặt khác: v= (1-11) (1-12) 8314 8314 = = 287 J / kg.K = 2,153mmHg.m / kg.K µK 29 8314 8314 Rh = = = 462 J / kg.K = 3,465mmHg.m / kg.K µh 18 RK = Thay vào ta có: p ⎤ 1 ⎡ pk ⎢ + h ⎥ = [0,465p k + 0,289.p h ] = [0,465.B − 0,176, p h ] , (1-13) T ⎣R k R h ⎦ T T B áp suất khơng khí ẩm: B = pk + ph - Nếu không khí khơ hồn tồn: 0,465 (1-14) ρk = B T - Nếu khơng khí có ẩm: ϕ.p max p (1-15) ρ = ρ k − 0,176 h = ρ k − 0,176 T T Lưu ý công thức áp suất tính mmHg Ở điều kiện: t = 0oC p = 760mmHg: ρ = ρo = 1,293 kg/m3 Như tính khối lượng riêng khơng khí khơ nhiệt độ dựa vào công thức: ρo 1,293 (1-16) ρk = = t t 1+ 1+ 273 273 Khối lượng riêng thay đổi theo nhiệt độ khí áp Tuy nhiên phạm vi điều hồ khơng khí nhiệt độ khơng khí thay đổi phạm vi hẹp nên áp suất ρ= thay đổi khối lượng riêng khơng khí thực tế kỹ thuật không lớn nên người ta lấy không đổi điều kiện tiêu chuẩn: to = 20oC B = Bo = 760mmHg: ρ = 1,2 kg/m3 1.1.2.5 Dung ẩm (độ chứa hơi) Dung ẩm hay gọi độ chứa hơi, ký hiệu d lượng ẩm chứa kg khơng khí khơ Gh , kg/kg khơng khí khơ Gk - Gh: Khối lượng nước chứa khơng khí, kg - Gk: Khối lượng khơng khí khơ, kg Ta có quan hệ: d= (1-17) G h ρh ph R k = = G k ρk pk R h (1-18) Sau thay R = 8314/µ ta có d= d = 0,622 ph p = 0,622 h pk p − ph (1-19) 1.1.2.6 Entanpi Entanpi khơng khí ẩm entanpi khơng khí khơ nước chứa Entanpi khơng khí ẩm tính cho kg khơng khí khơ Ta có cơng thức: I = Cpk.t + d (ro + Cph.t) kJ/kg kkk (1-20) Trong đó: Cpk - Nhiệt dung riêng đẳng áp khơng khí khơ Cpk = 1,005 kJ/kg.oK Cph - Nhiệt dung riêng đẳng áp nước 0oC: Cph = 1,84 kJ/kg.oK ro - Nhiệt ẩn hóa nước 0oC: ro = 2500 kJ/kg Như vậy: I = 1,005.t + d (2500 + 1,84.t) kJ/kg kkk (1-21) 1.2 CÁC ĐỒ THỊ TRẠNG THÁI CỦA KHƠNG KHÍ ẨM 1.2.1 Đồ thị I-d Đồ thị I-d biểu thị mối quan hệ đại lượng t, ϕ, I, d pbh không khí ẩm Đồ thị giáo sư L.K.Ramzin (Nga) xây dựng năm 1918 sau giáo sư Mollier (Đức) lập năm 1923 Nhờ đồ thị ta xác định tất thơng số cịn lại khơng khí ẩm biết thơng số Đồ thị I-d thường nước Đông Âu Liên xô (cũ) sử dụng Đồ thị I-d xây dựng áp suất khí 745mmHg 760mmHg Đồ thị gồm trục I d nghiêng với góc 135o Mục đích xây dựng trục nghiêng góc 135o nhằm làm giãn khoảng cách đường cong tham số đặc biệt đường ϕ = const nhằm tra cứu thông số thuận lợi Trên đồ thị đường I = const nghiêng với trục hồnh góc 135o, đường d = const đường thẳng đứng Đối với đồ thị I-d xây dựng theo cách cho thấy đường cong tham số nằm góc 1/4 thứ toạ độ Đề Các Vì vậy, để hình vẽ gọn người ta xoay trục d lại vng góc với trục I mà giữ nguyên đường cong biểu diễn, nhiên tra cứu entanpi I khơng khí ta tra theo đường nghiêng với trục hồnh góc 135o Với cách xây dựng vậy, đường tham số đồ thị sau: a) Các đường I = const nghiêng với trục hoành góc 135o b) Các đường d = const đường thẳng đứng c) Các đường t = const đường thẳng chếch lên phía trên, gần song song với Thật vậy, ta có biểu thức: ⎛ ∂I ⎞ (1-22) = 2500 + 1,84t ⎜ ⎟ ⎝ ∂d ⎠ t = const Đường t = 100oC tương ứng với nhiệt độ bão hoà nước ứng với áp suất khí tơ đậm d) Đường ph = f(d) Ta có quan hệ: p (1-23) d = 0,622 h p − ph Quan hệ xây dựng theo đường thẳng xiên giá trị ph tra cứu trục song song với trục I năm bên phải đồ thị I-d e) Các đường ϕ=const Trong vùng t < ts(p) đường cong ϕ = const đường cong lồi lên phía trên, lên khoảng cách chúng xa Đi từ xuống độ ẩm ϕ tăng Các đường ϕ = const không qua gốc tọa độ Đường cong ϕ =100% hay cịn gọi đường bão hồ ngăn cách vùng: Vùng chưa bão hoà vùng ngưng kết hay gọi vùng sương mù Các điểm nằm vùng sương mù thường không ổn định mà có xung hướng ngưng kết bớt nước chuyển trạng thái bão hoà Trên đường t > ts(p) đường ϕ = const đường thẳng đứng Khi áp suất khí thay đổi đồ thị I-d thay đổi theo Áp suất khí thay đổi khoảng 20mmHg thay đổi khơng đáng kể Trên hình 1-2 đồ thị I-d khơng khí ẩm, xây dựng áp suất khí Bo= 760mmHg Trên đồ thị xung quanh cịn có vẽ thêm đường ε=const giúp cho tra cứu tính tốn sơ đồ điều hồ khơng khí Hình 1.3 Đồ thị I-d khơng khí ẩm 1.2.2 Đồ thị d-t Đồ thị d-t nước Anh, Mỹ, Nhật, Úc vv sử dụng nhiều Đồ thị d-t có trục d t vng góc với nhau, cịn đường đẳng entanpi I=const tạo thành gốc 135o so với trục t Các đường ϕ = const đường cong tương tự đồ thị I-d Có thể coi đồ thị d-t hình ảnh đồ thị I-d qua gương phản chiếu Đồ thị d-t đồ thị t-d xoay 90o, Carrrier xây dựng năm 1919 nên thường gọi đồ thị Carrier (hình 1-4) Trục tung độ chứa d (g/kg), bên cạnh hệ số nhiệt SHF (Sensible) Trục hoành nhiệt độ nhiệt kế khơ t (oC) Trên đồ thị có đường tham số sau đây: - Đường I=const tạo với trục hồnh góc 135o Các giá trị entanpi khơng khí cho tbên cạnh đường ϕ=100%, đơn vị kJ/kg khơng khí khơ - Đường ϕ=const đường cong lõm, lên phía (d tăng) ϕ lớn Trên đường ϕ=100% vùng sương mù - Đường thể tích riêng v = const đường thẳng nghiêng song song với nhau, đơn vị m3/kg không khí khơ - Ngồi đồ thị cịn có đường Ihc đường hiệu chỉnh entanpi (sự sai lệch entanpi khơng khí bão hồ chưa bão hồ) Hình 1.4 Đồ thị t-d khơng khí ẩm 1.3 MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CƠ BẢN TRÊN ĐỒ THỊ I-D 1.3.1 Q trình thay đổi trạng thái khơng khí Q trình thay đổi trạng thái khơng khí ẩm từ trạng thái A (tA, ϕA) đến B (tB, ϕB) biểu thị đoạn thẳng AB, mủi tên chiều trình gọi tia trình I IA A IB B α 45° C ϕ=100% D d Hình 1.5 Ý nghĩa hình học ε Đặt (IA - IB)/(dA-dB) = ∆I/∆d =εAB gọi hệ số góc tia q trình AB Ta xét ý nghĩa hình học hệ số εAB Ký hiệu góc tia AB với đường nằm ngang α Ta có = m.AD ∆I = IB - IA ∆d= dB - dA = n.BC Trong m, n tỉ lệ xích trục toạ độ m - kCal/kg kkk / 1mm n - kg/kg kkk / 1mm Từ ta có ∆I m.AD , Kcal/kg (1-24) = ∆d n.BC m m (1-25) hay ε AB = ( tgα + tg 45 o ) = ( tgα + 1) , kCal/kg n n Như trục toạ độ I-d xác định tia AB thơng qua giá trị εAB Để tiện cho việc sử dụng đồ thị biên người ta vẽ thêm đường ε = const lấy gốc O toạ độ làm khởi điểm Nhưng để không làm rối đồ thị người ta vẽ 01 đoạn ngắn nằm bên đồ thị phía trên, bên phải phía Trên đoạn thẳng người ta ghi giá trị góc tia ε Các đường ε có ý nghĩa quan trọng tính tốn sơ đồ điều hồ khơng khí sau có nhiều trình người ta biết trước trạng thái ban đầu hệ số góc tia ε q trình Như trạng thái cuối trình nằm vị trí đường song song với đoạn có ε cho qua trạng thái ban đầu Các đường ε = const có tính chất sau: - Hệ số góc tia ε phản ánh hướng trình AB, q trình ε có giá trị định - Các đường ε có trị số song song với - Tất đường ε qua góc tọa độ (I=0 d=0) ε AB = 1.3.2 Q trình hịa trộn hai dịng khơng khí Trong kỹ thuật điều hịa khơng khí người ta thường gặp q trình hịa trộn dịng khơng khí trạng thái khác Vấn đề đặt phải xác định trạng thái hoà trộn Giả sử hịa trộn lượng khơng khí trạng thái A(IA, dA) có khối lượng phần khơ LA với lượng khơng khí trạng thái B(IB, dB) có khối lượng phần khơ LB thu 10 lượng khơng khí trạng thái C(IC, dC) có khối lượng phần khơ LC Ta xác định thơng số trạng thái hồ trộn C I IA IB A IC 0% ϕ=10 C B d dB dC dA Hình 1.6 Q trình hồ trộn đồ thị I-d hay: Ta có phương trình: - Cân khối lượng LC = LA + LB (1-26) - Cân ẩm dC.LC = dA.LA + dB.LB (1-27) - Cân nhiệt IC.LC = IA.LA + IB.LB (1-28) Thế (1-25) vào (1-26) (1-27) chuyển vế ta có: (IA - IC).LA = (IC - IB).LB (dA - dC).LA = (dC - dB).LB IA − IC I − IB = C dA − dC dC − dB (1-29) Từ biểu thức ta rút ra: I A − IC d A − d C L B (1-30) = = IC − I B d C − d B L A - Phương trình (1-28) phương trình biểu thị đường thẳng AC BC, đường thẳng có hệ số góc tia (tức độ nghiêng) chung điểm C nên ba điểm A, B, C thẳng hàng Điểm C nằm đoạn AB - Theo phương trình (1-29) suy điểm C nằm AB chia đoạn AB theo tỷ lệ LB/LA cụ thể : AC I A − I C d A − d C L B (1-31) = = = CB I C − I B d C − d B L A Thông số trạng thái điểm C xác định sau: L L (1-32) IC = IA A + IB B LC LC d d (1-33) dC = dA A + dB B dC dC ♦♦♦ 11 ... phương trình: - Cân khối lượng LC = LA + LB ( 1- 2 6) - Cân ẩm dC.LC = dA.LA + dB.LB ( 1- 2 7) - Cân nhiệt IC.LC = IA.LA + IB.LB ( 1- 2 8) Thế ( 1- 2 5) vào ( 1- 2 6) ( 1- 2 7) chuyển vế ta có: (IA - IC).LA = (IC -. .. h ] , ( 1- 1 3) T ⎣R k R h ⎦ T T B áp suất khơng khí ẩm: B = pk + ph - Nếu khơng khí khơ hồn tồn: 0,465 ( 1- 1 4) ρk = B T - Nếu khơng khí có ẩm: ϕ.p max p ( 1- 1 5) ρ = ρ k − 0 ,17 6 h = ρ k − 0 ,17 6 T T... khơng khí khơ, kg Ta có quan hệ: d= ( 1- 1 7) G h ρh ph R k = = G k ρk pk R h ( 1- 1 8) Sau thay R = 8 314 /µ ta có d= d = 0,622 ph p = 0,622 h pk p − ph ( 1- 1 9) 1. 1.2.6 Entanpi Entanpi khơng khí ẩm