Không Khí ẩm - Vietsciences

Phần một

Tính năng lượng cần thiết để chọn máy điều hoà không khí là công việc thường gặp của các nhà xây cất. Chọn máy lớn có công suất cao tốn tiền, máy nhỏ không cung cấp đủ độ điều hoà cần thiết. Trong công nghiệp, các hãng xưởng lớn, việc tự điều chỉnh độ ẩm cũng như nhiệt độ trong phòng vừa để bảo vệ sản phẩm (nếu sản phẩm đòi hỏi nhiệt độ và độ ẩm) hoặc điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm trong phòng làm việc cũng như xưởng sản xuất không những làm cho công nhân dễ chịu trong lúc sản xuất mà còn đưa đến kết quả là tăng năng suất (dễ chịu làm việc nhiều). Thiết kế một máy sấy dùng không khí làm dung môi cũng phải nghĩ đến nhiệt độ và độ ẩm. Tất cả những điều nêu trên đưa đến là chúng ta tiết kiệm năng lượng (điện), giảm ô nhiễm (năng lượng cần thiết để sản xuất điện) và cuối cùng tiết kiệm tiền. Không khí (KK) ở Việt Nam rất ẩm nghĩa là hơi nước (độ ẩm) trong KK cao (theo CNN ngày 22 tháng 3 năm 2004 tại TP HCM 28 oC, 73% độ ẩm, tại Hà Nội 12 oC, 100% độ ẩm). Thí dụ làm sao đưa nhiệt độ và độ ẩm này (của KK) về nhiệt độ và độ ẩm mong muốn trong xưởng làm việc để bảo quản hàng hoá?

1.Thành phần hoá học của không khí

Không khí (KK)

Trong KK ngoài một số khí như nitrogen, oxygen, v.v. còn có hơi nước và một số chất bẩn như bụi, bông và các chất ô nhiễm do sự đốt cháy.

Không khí khô

KK khô được định nghĩa là KK không có hơi nước và các chất bẩn. Thành phần hoá học của KK khô như sau

Thành phần	Ký hiệu	% thể tích
Nitrogen	N2	78,084
Oxygen	O2	20,9476
Argon	Ar	0,934
Carbondioxide	CO2	0,0314
Neon	Ne	0,001818
Helium	He	0,000524
Methane	CH4	0,0002
Sulphurdioxide	SO2	0,0001
Hydrogen	H2	0,00005
Các khí khác	-	0,000308
Tổng cộng (%)		100

Bảng 1: Thành phần hoá học của KK khô [1].

Không khí ẩm

KK ẩm được định nghĩa là sự kết hợp giữa hai thành phần KK khô và hơi nước. Nước có thể ở thể lỏng trong KK như sương mù, mưa hay thể rắn như tuyết, mưa đá. Nếu độ ẩm 100% có nghĩa là KK không thể hấp thụ thêm hơi nước nữa nghĩa là nước có dạng hơi trong KK thí dụ sương mù độ ẩm đã đạt 100% và phần hơi nước còn lại bay trong KK dưới dạng lỏng gọi là sương mù.

2.Phương trình trạng thái của không khí ẩm

Dưới áp suất và nhiệt độ trong các máy sưởi hoặc điều hoà không khí, lý thuyết của KK ẩm có thể tính như lý thuyết của khí lý tưởng với độ sai rất thấp. Thí dụ hơi nước (độ ẩm) trong KK, enthalpy và thể tích với áp suất thường (101325 Pa) và nhiệt độ từ -50 đến 50 oC độ sai vào khoảng 0,7% [2]. Độ sai có thể lớn hơn với áp suất cao.

Phương trình (PT) trạng thái cho khí lý tưởng như sau

P.V = n.R.T(1)

P: áp suất (Pa), V: thể tích (m3), n: số lượng phân tử, R: hằng số chung của chất khí (R = 8,31441 J/(mol·K)), T: nhiệt độ (K)

Tương tự, ta có PT trang thái cho KK khô và hơi nước

Pk.V = nk.R.T(2)

Pn.V = nn.R.T(3)

k: ký hiệu cho KK khô, n: ký hịêu cho hơi nước, Pk và Pn là áp suất riêng của KK khô và hơi nước

Cộng PT(2) và PT(3), ta có

Pk .V + Pn .V = nk . R .T + nn . R .T(4)

hay

{Pk + Pn} .V = {nk + nn } . R .T(5)

Theo định luật Dalton, áp suất chung sẽ bằng tổng của áp suất riêng, nghĩa là

P = Pk + Pn(6)

PT(6) trở thành

P .V = {nk + nn } . R .T(7)

Số lượng phân tử có thể viết

(8)

m: trọng lượng (kg), Mr khối lượng phân tử (kg/kmol hay g/mol)

(9)

Hằng số riêng của chất khí

(10)

Mr,n là khối lượng phân tử, n ký hiệu riêng (k: cho KK khô, n: cho hơi nước)

Khối lượng phân tử cho KK khô

Mr,k = 28,9645(11)

Khối lượng phân tử cho hơi nước

Mr,n = 18,01534(12)

Thế Mr,k ở PT(11) và Mr,n ở PT(12) vào PT(10), ta được

(13)

(14)

Thế Rk và Rn ở PT(13) và (14) vào PT(2) và PT(3) ta được

Pk . V = 287,055 . mk . T (15)

Pn . V = 461,518 . mn . T (16)

Trạng thái no

KK có thể chứa hơi nước từ không (KK khô) đến cực đại (no) tùy theo nhiệt độ và áp suất. Nếu KK đạt độ ẩm 100% có nghĩa là KK ở trạng thái no (không thể hấp thụ thêm hơi nước).

Trong một thể tích KK ẩm, áp suất của hơi nước gọi là Pn, áp suất của hơi nước trong KK ẩm ở trạng thái no gọi là Pnn. Áp suất của hơi nước ở trạng thái no sẽ bằng

Pnm = P'n(17)

Bảng 2 và 3 chỉ nhiệt độ và áp suất KK ẩm ở trạng thái no. Biết nhiệt độ tìm áp suất (Bảng 2) và biết áp suất tìm nhiệt độ (Bảng 3).

t	P'	t	P'	t	P'
[°C]	[bar]	[°C]	[bar]	[°C]	[bar]
0,01	0,006117	17	0,01938	38	0,06632
1	0,006571	18	0,02065	40	0,07384
2	0,007060	19	0,02198	42	0,08209
3	0,007581	20	0,02339	44	0,09112
4	0,008135	21	0,02488	46	0,10099
5	0,00873	22	0,02645	48	0,11176
6	0,00935	23	0,02811	50	0,12351
7	0,01002	24	0,02986	55	0,15761
8	0,01073	25	0,03170	60	0,19946
9	0,01148	26	0,03364	65	0,25041
10	0,01228	27	0,03568	70	0,31201
11	0,01313	28	0,03783	75	0,38595
12	0,01403	29	0,04009	80	0,47415
13	0,01498	30	0,04247	85	0,57867
14	0,01599	32	0,04759	90	0,70182
15	0,01706	34	0,05325	95	0,84609
16	0,01819	36	0,05947	100	101,418

Bảng 2: Nhiệt độ và áp suất KK ẩm ở trạng thái no. Biết nhiệt độ t tìm P’.

P'	t	P'	t	P'	t
[bar]	[°C]	[bar]	[°C]	[bar]	[°C]
0,006113	0,00	0,090	43,76	0,400	75,86
0,010	6,97	0,095	44,81	0,420	77,03
0,015	13,02	0,100	45,81	0,440	78,17
0,020	17,50	0,120	49,42	0,460	79,25
0,025	21,08	0,140	52,55	0,480	80,30
0,030	24,08	0,160	55,31	0,500	81,32
0,035	26,67	0,180	57,80	0,550	83,71
0,040	28,96	0,200	60,06	0,600	85,93
0,045	31,01	0,220	62,13	0,650	87,99
0,050	32,88	0,240	64,05	0,700	89,93
0,055	34,58	0,260	65,84	0,750	91,76
0,060	36,16	0,280	67,52	0,800	93,49
0,065	37,63	0,300	69,10	0,850	95,13
0,070	39,00	0,320	70,59	0,900	96,69
0,075	40,29	0,340	72,00	0,950	98,18
0,080	41,51	0,360	73,35	1,000	99,61
0,085	42,66	0,380	74,63

Bảng 3: Nhiệt độ và áp suất KK ẩm ở trạng thái no. Biết áp suất P’ tìm t.

3.Tính độ ẩm trong của không khí ẩm

Gọi mn là trọng lượng hơi nước và mk là trọng lượng KK khô ta có công thức

(18)

x gọi là “độ ẩm” (kg hơi nước/kg KK khô).

Biến đổi PT(15) và PT(16), ta có

(19)

(20)

Thế PT(19) và (20) vào PT(18), ta được

(21)

Theo Dalton, ta có

Pk = P - Pn (22)

Thế PT(22) vào PT(21) cho

(23)

Đặc biệt ở “trạng thái no”, độ ẩm sẽ trở thành

(24)

hay Pnn = Pn’ (ta thường gặp ký hiệu P’)

(25)

Thí dụ 1:

Ở trạng thái no với nhiệt độ 20 oC, áp suất là Pn’ = 0,02339 bar = 2,339 kPa (đọc ở Bảng 2 phía trên).

kg hơi nước/(kg KK khô) (26)

độ ẩm x cũng có thể đọc từ biểu đồ Mollier (Mollier diagram) (xem Hình A1).

Nếu áp suất của KK là 50 kPa và nhiệt độ 20 oC, trọng lượng hơi nước trong không khí sẽ là

kg hơi nước/(kg KK khô) (27)

như vậy trọng lượng hơi nước trong KK tăng nếu áp suất giảm.

Áp suất riêng của hơi nước có thể tính từ PT(23)

(28)

4.Biểu đồ Mollier (Mollier diagram)

Biểu đồ Mollier (Hình A1) của Âu Châu xuất phát từ biểu đồ Anglo-American Psychrometric của Mỹ. Hai biểu đồ hoàn toàn giống nhau về nội dung nhưng khác nhau về hình dáng. Biểu đồ Mollier còn gọi là biểu đồ Ix (Ix-diagram) đó là biểu đồ biểu thị sự liên hệ giữa năng lượng và độ ẩm trong KK ẩm. Năng lượng trong KK ẩm không dễ đo trực tiếp, do đó biểu đồ biểu diễn giữa sự liên hệ nhiệt độ và độ ẩm. Nhiệt độ và độ ẩm của KK dễ dàng đo được.

Năng lượng trong KK gọi là enthalpy, đơn vị là Joule (J), ký hiệu là I. Trong KK ẩm, enthalpy gồm có enthalpy của KK khô (ký hiệu ik) và enthalpy của hơi nước (ký hiệu in).

Trong 1 kg KK khô chứa x kg hơi nước, enthalpy của KK ẩm là

I = 1 . ik + x . in(29)

hay

I = ik + x . in(30)

I: enthalpy của KK ẩm (đơn vị kJ/kg KK khô)

Enthalpy riêng của KK khô và hơi nước được tính như sau

ik = Cpk . t (31)

in = Cpk . t(32)

Cpk và Cpn là nhiệt dung (đơn vị J/(kg·K), K: nhiêt độ Kelvin) của KK khô và hơi nước trong quá trình đẳng áp; r0 er nhiệt năng của ở 0 oC. Ở 0 oC, enthalpy cho KK bằng 0 và hơi nước ở dạng lỏng.

Enthalpy KK ẩm (PT(30)) trở thành

I = Cpk . t + x . (r0 + Cpn . t ) (33)

trong đó

Cpk = 1,006 kJ/(kg·K)

Cpn = 1,854 kJ/(kg·K)

R0 = 2500 kJ/kg

PT(33) trở thành

I = 1,006 . t + x . (2.500 + 1,854 . t)

(34)

hay

I = 2.500 . x + 1,854 . t . x + 1,006 . t

(35)

I có thể đọc trong biểu đồ Ix (Hình A1)

Thí dụ 2:

Cho KK ẩm ở nhiệt độ ở Hà Nội t = 12 oC, độ ẩm 100%, muốn đưa về t = 25 oC và độ ẩm 30 %. Đọc biểu đồ Ix, ta có

T (oC)	độ ẩm (%)	I (kJ/kg)
12	100	34
25	30	40

KK ẩm t = 12 oC và độ ẩm 100 % chứa I = 34 kJ/kg và t = 25 oC và độ ẩm 30 % chứa I = 40 kJ/kg.

Cho thêm hơi nước vào KK hay rút hơi nước ra sẽ trình bày chi tiết hơn vào dịp khác. Những vấn đề này liên quan tới điều hòa KK.

Tài liệu tham khảo

[1] ASHRAE (1985). ASHRAE Handbook – Fundamental, New York.

[2] Hansen,H.E., Kjerulf-Jensen,P., Stampe,O.B., Red., (1987), Danvak Grundbog, Varme- og Klimateknik, 1. udgave, ISBN 87-982652-1-0, Danvak ApS, København.

Hình A1: Biểu đồ Mollier (Mollier diagram) còn gọi là biểu đồ Ix (Ix-diagram).

Hình A2: Biểu đồ Psychrometric (Psychrometric chart).