Chương 1: Những Kiến Thức Cơ Bản Về Không Khí Ẩm

1. Mục Tiêu

Sau khi hoàn thành chương này, người học có thể:

  • Nắm được những kiến thức cơ bản về không khí ẩm và các thông số vật lý đặc trưng của nó.

  • Xác định và tra các thông số trạng thái của không khí ẩm trên đồ thị $I-d$ (Đồ thị enthalpy - hàm ẩm) và $d-t$ (Đồ thị hàm ẩm - nhiệt độ).

  • Phân tích và biểu diễn các quá trình nhiệt động cơ bản của không khí ẩm trên đồ thị $I-d$.

2. Nội Dung Chương

2.1. Không Khí Ẩm

2.1.1. Khái niệm về Không khí Ẩm

  • Không khí khô: Là hỗn hợp khí của $\text{Nitrogen}$ ($\text{N}_2$), $\text{Oxygen}$ ($\text{O}_2$), $\text{Argon}$ ($\text{Ar}$) và các khí hiếm khác, không chứa hơi nước.

  • Không khí ẩm: Là hỗn hợp cơ học của Không khí khô và Hơi nước (dạng hơi). Trong kỹ thuật, không khí ẩm được xem là lý tưởng với các giả định sau:

    • Hơi nước tồn tại ở dạng hơi quá nhiệt.

    • Tổng áp suất của không khí ẩm bằng tổng áp suất riêng phần của không khí khô và hơi nước (Định luật Dalton):

      $$P_{kk} = P_{kk\text{ khô}} + P_{\text{h}}$$

  • Không khí bão hòa: Là trạng thái không khí ẩm chứa lượng hơi nước tối đa có thể ở nhiệt độ đó. Hơi nước lúc này ở trạng thái bão hòa khô.

2.1.2. Các Thông số Vật lý của Không khí Ẩm

Để xác định trạng thái của không khí ẩm, cần nắm rõ các thông số sau:

  • Nhiệt độ ($t$ hoặc $t_k$) ($\text{^\circ C}$): Nhiệt độ đo bằng nhiệt kế thông thường (nhiệt độ bầu khô).

  • Hàm ẩm ($d$) ($\text{kg h}_{\text{hơi}}/\text{kg}_{\text{kk khô}}$): Tỷ lệ khối lượng hơi nước chứa trong một đơn vị khối lượng không khí khô.

    $$d = \frac{M_{\text{h}}}{M_{\text{kk\text{ khô}}}} \quad \text{hoặc} \quad d \approx 0.622 \cdot \frac{P_{\text{h}}}{P_{kk} - P_{\text{h}}}$$

  • Độ ẩm Tương đối ($\varphi$) ($\%$): Tỷ lệ áp suất riêng phần của hơi nước hiện có ($P_{\text{h}}$) so với áp suất riêng phần của hơi nước bão hòa ($P_{bh}$) ở cùng nhiệt độ $t$:

    $$\varphi = \frac{P_{\text{h}}}{P_{bh}} \cdot 100\%$$

    • Không khí khô hoàn toàn: $\varphi = 0\%$.

    • Không khí bão hòa: $\varphi = 100\%$.

  • Entanpy ($I$) ($\text{kJ/kg}_{\text{kk khô}}$): Tổng nhiệt lượng chứa trong hỗn hợp không khí ẩm (tính trên $1 \text{ kg}$ không khí khô):

    $$I = I_{\text{kk khô}} + I_{\text{hơi}} \cdot d$$

    • Entanpy là đại lượng quan trọng để tính toán nhiệt trao đổi.

  • Nhiệt độ Bão hòa ($\tau$) hay Nhiệt độ Bầu ướt ($t_{\text{ư}}$) ($\text{^\circ C}$):

    • Nhiệt độ Bầu ướt ($t_{\text{ư}}$): Nhiệt độ đo được bằng nhiệt kế có bầu được bọc vải ẩm, khi không khí thổi qua.

    • Nhiệt độ Bão hòa ($\tau$): Nhiệt độ mà tại đó, không khí ẩm đạt trạng thái bão hòa ($\varphi = 100\%$) nếu được làm mát đẳng entanpy ($I = \text{const}$).

  • Nhiệt độ đọng sương ($t_{\text{s}}$) ($\text{^\circ C}$): Nhiệt độ mà tại đó, hơi nước bắt đầu ngưng tụ thành lỏng khi không khí ẩm được làm mát đẳng áp suất ($P_{\text{h}} = \text{const}$).

2.2. Các Đồ thị Trạng thái của Không khí Ẩm

2.2.1. Đồ thị $I-d$ (Đồ thị Entanpy - Hàm ẩm)

  • Đặc điểm: Đây là đồ thị phổ biến nhất được sử dụng trong kỹ thuật điều hòa không khí (HVAC) và sấy.

    • Trục Hoành ($d$): Hàm ẩm ($\text{g/kg}$ hoặc $\text{kg/kg}$ không khí khô).

    • Trục Tung ($I$): Entanpy ($\text{kJ/kg}$ không khí khô).

  • Các đường đặc trưng:

    • Đường $t = \text{const}$ (Nhiệt độ bầu khô): Các đường xiên gần song song với trục $I$.

    • Đường $\varphi = \text{const}$ (Độ ẩm tương đối): Các đường cong từ đường bão hòa ($\varphi = 100\%$) đi xuống.

    • Đường $t_{\text{ư}} = \text{const}$ (Nhiệt độ bầu ướt) và $\tau = \text{const}$: Các đường thẳng gần song song với trục entanpy ($I$).

2.2.2. Đồ thị $d-t$ (Đồ thị Hàm ẩm - Nhiệt độ)

  • Đặc điểm: Đôi khi được sử dụng thay thế cho đồ thị $I-d$, nhưng ít phổ biến hơn trong tính toán nhiệt động học.

    • Trục Hoành ($t$): Nhiệt độ ($\text{^\circ C}$).

    • Trục Tung ($d$): Hàm ẩm ($\text{kg/kg}$ không khí khô).

  • Ứng dụng: Thường dùng để biểu diễn các quá trình sấy, nơi hàm ẩm và nhiệt độ là hai thông số quan trọng nhất.

2.3. Một số Quá trình Cơ bản trên Đồ thị $I-d$

Các quá trình cơ bản này mô tả sự thay đổi trạng thái của không khí ẩm trong các thiết bị xử lý không khí.

2.3.1. Quá trình Thay đổi Trạng thái của Không khí

  1. Làm nóng đẳng ẩm ($d = \text{const}$):

    • Không khí được gia nhiệt mà không thay đổi độ ẩm (ví dụ: đi qua bộ gia nhiệt khô).

    • Trên đồ thị $I-d$: Là đường thẳng ngang song song với trục $d$.

    • Kết quả: $t$ tăng, $I$ tăng, $\varphi$ giảm.

  2. Làm lạnh đẳng ẩm ($d = \text{const}$):

    • Không khí được làm lạnh mà không thay đổi độ ẩm (chỉ xảy ra khi nhiệt độ không khí $t > t_{\text{s}}$).

    • Trên đồ thị $I-d$: Là đường thẳng ngang song song với trục $d$.

    • Kết quả: $t$ giảm, $I$ giảm, $\varphi$ tăng.

  3. Làm lạnh và Khử ẩm (giảm $d$):

    • Không khí được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ đọng sương ($t_{\text{s}}$) (ví dụ: đi qua dàn lạnh).

    • Trên đồ thị $I-d$: Đường làm lạnh chạm đường bão hòa ($\varphi = 100\%$), sau đó đi dọc theo đường bão hòa. Hơi nước ngưng tụ và bị loại bỏ (hàm ẩm $d$ giảm).

  4. Hòa trộn ẩm (Tăng $d$):

    • Không khí hấp thụ hơi nước (ví dụ: đi qua vòi phun nước nóng).

    • Kết quả: $d$ tăng.

  5. Làm mát Đoạn nhiệt (Adiabatic Cooling) hay Phun ẩm đẳng entanpy ($I \approx \text{const}$):

    • Không khí được phun nước lạnh (ví dụ: tháp giải nhiệt, thiết bị làm mát bay hơi). Nước bay hơi lấy nhiệt của không khí.

    • Trên đồ thị $I-d$: Là đường thẳng gần song song với đường $I = \text{const}$.

    • Kết quả: $t$ giảm, $d$ tăng, $I$ không đổi (hoặc gần như không đổi).

2.3.2. Quá trình Hòa trộn hai Dòng Không khí

  • Nguyên tắc: Khi hai dòng không khí có trạng thái khác nhau (Điểm 1 và Điểm 2) được hòa trộn, trạng thái của hỗn hợp (Điểm $M$) sẽ nằm trên đoạn thẳng nối Điểm 1 và Điểm 2.

  • Vị trí Điểm $M$: Vị trí của Điểm $M$ được xác định theo quy tắc đòn bẩy, dựa trên tỷ lệ khối lượng của hai dòng không khí ($L_1$ và $L_2$):

    $$\frac{\overline{1M}}{\overline{2M}} = \frac{L_2}{L_1}$$

    • Nếu $L_1$ lớn hơn $L_2$, điểm $M$ sẽ gần điểm 1 hơn.