Kỹ thuật nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí

làm lạnh tức là đưa nhiệt từ trong môi trường có nhiệt độ thấp hơn (tủ lạnh, kho lạnh, phòng điều hoà….) thải vào môi trường để duy trì nhiệt độ thấp trong tủ lạnh, kho lạnh, phòng điều hoà… 2. Chất môi giới và chất tải nhiệt. a. Chất môi giới: Để thực hiện quá trình biến đổi nhiệt thành công trong máy nhiệt và quá trình làm lạnh trong máy lạnh người ta luôn luôn phải sử dụng một chất trung gian gọi là chất môi giới ví dụ: Trong động cơ đốt trong chất môi giới là chất khí tạo hành do cháy nhiên liệu (khói), trong máy hơi nước chất môi giới là hơi nước. Trong máy lạnh chất môi giới là các hợp chất hữu cơ như Frêôn: R12, R22, R134a, NH3… Chất môi giới thường dùng là khí, lỏng hoặc hơi. Chất khí là các chất mà trạng thái của nó rất xa thể lỏng. Trong quá trình hoạt động của chất môi giới dạng khí nó không có sự chuyển pha có nghĩa là nó luôn luôn ở thể khí. Ví dụ: Chất môi giới trong động cơ đốt trong là chất khí, từ lúc hút vào máy đến lúc xả ra đều ở dạng khí. Hơi về bản chất cũng giống thể khí nhưng hơi tồn tại gần thể lỏng nên trong quá trình hoạt động của nó trong thiết bị có lúc nó chuyển thành thể lỏng ví dụ: Môi chất lạnh trong máy lạnh lúc vào và ra khỏi máy nén là hơi, qua giàn ngưng sẽ ngưng tụ lại thành thể lỏng sau đó qua van tiết lưu một phần hoá hơi và qua giàn bay hơi toàn bộ môi chất chuyển thành hơi. Về công dụng chất môi giới có thể chia ra hai loại: chất môi giới sinh công làm việc trong máy nhiệt. Chất môi giới sinh công có thể là dạng khí hoặc hơi. Chất môi giới sinh công làm việc ở nhiệt độ cao, hàng trăm độ đến hàng nghìn độ. Chất môi giới làm lạnh làm việc trong máy lạnh (người ta còn gọi là tác nhân lạnh). Chất môi giới làm lạnh có thể là hơi hoặc khí. Chất môi giới làm lạnh (môi chất lạnh) làm việc ở nhiệt độ thấp trong phạm vi từ hơn trăm độ (0C). Phần lớn các máy lạnh hiện nay dùng môi chất dạng hơi như Amoniac (NH3) các loại Frêôn R12, R22, R134a, R11, R13… 3. Các thông số trạng thái của chất môi giới. Trong các máy nhiệt hay máy lạnh chất môi giới luôn luôn thay đổi trạng thái, để xác định trạng thái của chất môi giới người ta dùng các đại lượng gọi là các thông số trạng thái. Ví dụ: Để xác định thông số của một chất khí chứa trong bình ta dùng các thông số là nhiệt độ khí và áp suất khí. Để xác định một trạng thái cần biệt 2 thông số độc lập ví dụ nhiệt độ và áp suất hay áp suất và thể tích riêng. a. Nhiệt độ tuyệt đối. Nhiệt độ tuyệt đối ký hiệu T đơn vị đo 0K (Kenvin). Nhiệt độ phụ thuộc vào mức độ chuyển động hỗn loạn của các phần tử cấu tạo nên vật chất (phân tử, nguyên tử, điện tử…) Nên các phần tử này không chuyển động nhiệt độ tuyệt đối bằng không T = 0. Hiện nay người ta chưa làm lạnh được đến không độ tuyệt đối. Các phần tử trong vật chất chuyển động càng mạnh thì nhiệt độ càng cao. Để đo nhiệt độ người ta dùng nhiều thang nhiệt độ khác nữa như nhiệt độ bách phân ký hiệu t đơn vị 0C. Thang nhiệt độ này lấy gốc 00C là nhiệt độ nước đá đang tan ở áp suất khí quyển và 1000C là nhiệt độ sôi của nước nguyên chất ở áp suất khí quyển. Về trị số 10C = 10K vậy ta có quan hệ: T = t + 273 0K. Ngoài ra người ta còn dùng thang nhiệt độ 0F thang nhiệt độ này lấy gốc không là 320C về trị số 10F ằ 0,670C. Để đo nhiệt độ người ta dùng dụng cụ gọi là nhiệt kế. Có nhiều loại nhiệt kế. Loại nhiệt kế đơn giản nhất là loại nhiệt kế đo nhiệt độ nhờ sự giãn nở chất lỏng theo nhiệt độ như: Nhiệt kế thuỷ ngân, nhiệt kế Rượu… Cặp nhiệt là loại nhiệt kế đo nhiệt độ dựa vào nguyên lý hiệu ứng nhiệt điện, nhiệt kế điện trở đo nhiệt độ dựa vào nguyên lý thay đổi điện trở của một số chất theo nhiệt độ. Nhiệt kế kiểu áp kế đo nhiệt độ bằng cách đo áp suất bão hoà của chất lỏng, hoả quang nhiệt kế đo nhiệt độ bằng cách đo bức xạ nhiệt của nguồn phát nhiệt như ngọn lửa, khói… Nhiệt kế thuỷ ngân là loại nhiệt kế đơn giản nhất, dễ sử dụng nhưng có nhược điểm là chỉ đo được tại chỗ không đưa tín hiệu đi xa được và phạm vi nhiệt độ cũng hạn chế < 6000C . Ngoài ra còn có nhược điểm là dễ vỡ vì làm bằng thuỷ tinh. Cặp nhiệt là loại nhiệt kế có nhiều ưu điểm như phạm vi đo rộng từ âm hàng chục độ đến 16000C. Có thể truyền tín hiệu đi xa có thể dùng kim chỉ thị hay hiệu số độ chính xác cao, nhược điểm của loại này là giá thành cao. Nhiệt kế kiểu áp kế có thể truyền tín hiệu đi xa, nhưng cồng kềnh hơn và độ chính xác không cao. Hoả quang nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ rất cao mà các loại khác không đo được như ngọn lửa, kim loại lỏng nhiệt độ có thể > 20000C. b. áp suất tuyệt đối. áp suất là thông số trạng thái chỉ có ở chất lỏng hơi hay khí. áp suất là lực tác dụng của chất lỏng hơi hay khí lên đơn vị diện tích thành bình chứa. áp suất ký hiệu p đơn vị đo cơ bản là N/m2 (còn gọi là pascan). Ngoài ra còn dùng nhiều đơn vị đo khác là: Bar: ta có 1 bar = 105/m2 = 750mmHg at (At mốt phe) 1at = 0,981 bar. mmHg: ta có 1 at = 735,6 mmHg mmH2O: ta có 1mmH2O = 9,81 N/m2 10mH2O = 1 at. Để đo áp suất sẽ sảy ra 2 trường hợp. - Nếu áp suất môi trường cần đo là p > pkt (pkt là áp suất khí trời bên ngoài). Trường hợp này ta dùng dụng cụ đo gọi là áp kế (hay manômét) trị số manômét đo được là áp suất dư pt. Muốn xác định áp suất tuyệt đối p ta phải dùng công thức. p = pt + pkt - Nếu áp suất môi trường cần đo là p < pkt. Trường hợp này ta nói môi trường đó có chân không và ta dùng chân không kế để đo. Số chỉ của chân không kế là độ chân không pCK. Muốn biết áp suất tuyệt đối ta phải dùng công thức tính: p = pkt - pck Như vậy ta thấy rằng trong thực tế không có dụng cụ đo áp suất tuyệt đối mà chỉ có 2 dụng cụ đo là áp kế (đo áp suất dư) và chân không kế (đo độ chân không) như đã trình bày ở trên. Sau khi đo ta phải dùng các công thức thích hợp để xác định áp suất tuyệt đối. ở đây áp suất khí trời là trị số không đổi thường lấy 745 mmHg hoặc 750 mmHg. c. Thể tích riêng. Thể tích riêng ký hiệu v = m3/kg. v là thể tích đo bằng m3, G là khối lượng đo bằng kg Khối lượng riêng S = [kg/m3]. Trọng lượng riêng g = [kg/m3]. P là trọng lượng của vật thể. Ba thông số v, S và g là không độc lập với nhau. d. Nội năng. Nội năng là năng lượng chứa ở bên trong vật thể. Nội năng ký hiệu U đơn vị đo KJ/kg. Nếu có G kg vật thể thì ta có. U = u. G KJ Có thể tính nội năng theo công thức sau (đối với chất khí). u = CvT ở đây Cv là nhiệt dung riêng đẳng tích. e. Thế năng của áp suất. Chất khí hơi hay lỏng luôn luôn có áp suất tác dụng lên thành bình chứa. Nếu áp suất lớn hơn áp suất bên ngoài pkt thì nó có xu thế đẩy thành bình để thoát ra. Nếu áp suất nhỏ hơn áp suất bên ngoài (pkt) thì môi trường ngoài có su thế dẩy bình để thâm nhập vào. Như vậy áp suất trong chất lỏng hay khí luôn có thế năng so với môi trường bên ngoài, thế năng này gọi là thế năng của áp suất. Ký hiệu nđ đơn vị đo KJ/kg. Người ta chứng minh được rằng: nđ = D(pv) = p2v2 - p1v1. f. Entanpi. Entanpi là tổng của nội năng và năng lượng đẩy. Entanpi ký hiệu i đo bằng đơn vị KJ/kg vậy ta có. i = v + pv (KJ/kg). Ta có thể xác định entanpi bằng công thức sau (đối với chất khí). i = CpT ở đây: Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp. 4. Nhiệt dung riêng. a. Định nghĩa nhiệt dung riêng. Nhiệt dung riêng là nhiệt lượng cần thiết để làm thay đổi nhiệt độ của một đơn vị vật thể là 10C theo một quá trình nhất định. b. Các loại nhiệt dung riêng Căn cứ đơn vị đo có 3 loại nhiệt dung riêng - Nhiệt dung riêng khối lượng: C [KJ/KgK] - Nhiệt dung riêng thể tích: C [KJ/m3ttK] - Nhiệt dung riêng mol: Cm [KJ/KmolK] Căn cứ quá trình ta có - Nhiệt dung riêng đẳng tích: Ký hiệu Cv - Nhiệt dung riêng đẳng áp: Ký hiệu Cp - Nhiệt dung riêng của quá trình bất kỳ Cn. c. Tính nhiệt theo nhiệt dung riêng Biết nhiệt dung riêng trong một quá trình ta có thể tính nhiệt theo công thức: Q = C.G.DT = C.G (T2 - T1) KJ Trong đó: C là nhiệt dung riêng của quá trình đó G là khối lượng chất môi giới tham gia vào quá trình T1, T2 là nhiệt độ đầu và cuối quá trình. Ví dụ: Nung nóng 10kg không khí trong bình kín (đẳng tích) từ nhiệt độ 200C đến nhiệt độ 1200C, cần cung cấp nhiệt lượng là: Q = Cv. G (T2 - T1). Cv là nhiệt dung riêng trong quá trình đẳng tích Cv = 4,72 KJ/KgK Q = 0,72.10.(120 - 20) = 720 KJ 5. Năng lượng, nhiệt và công a. Năng lượng Năng lượng tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau và có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác và được bảo toàn. Các dạng năng lượng như cơ năng, điện năng, hóa năng, nhiệt năng…. Chúng có thể biến đổi từ dạng này sang dạng khác ví dụ: Hóa năng của nhiên liệu có thể biến đổi thành nhiệt năng, nhiệt năng có thể biến đổi thành công (cơ năng), cơ năng có thể biến đổi thành điện năng trong máy phát điện, ngược lại trong động cơ điện, điện năng lại biến đổi thành cơ năng… Năng lượng đo bằng đơn vị KJ hay KJ/Kg. b. Nhiệt Nhiệt là đại lượng để đo sự biến đổi năng lượng trong một quá trình. Ví dụ quá trình nung nóng không khí trong một bình kín cần nhận một nhiệt lượng QvKJ, nhưng nếu ta nung nóng cùng một lượng không khí như trên trong cùng khoảng nhiệt độ trong điều kiện bình hở thông với khí trời (áp suất không đổi) thì cần nhiệt lượng Qp > Qv KJ. Như vậy nhiệt phụ thuộc vào quá trình. b. Công Cũng giống như nhiệt, công là một đại lượng dùng để đo sự biến đổi năng lượng trong một quá trình nhất định. Một quá trình sẽ đồng thời thực hiện công và trao đổi nhiệt. Ví dụ trong một xi lanh có pít tông chứa một lượng khí nhất định, nếu ta nung nóng xilanh tức là cấp cho nó nhiệt Q thì khí trong xi lanh sẽ giãn nở sinh công L đẩy pít tông từ vị trí 1 đến vị trí 2. Khi ta nén một chất khí trong xi lanh sẽ tiêu tốn một công L đồng thời khí bị nén sẽ tỏa nhiệt Q vào môi trường. Quá trình nén thực hiện bằng cách khác nhau (vừa nén vừa làm mát để nhiệt độ không đổi - đẳng nhiệt), nén trong điều kiện xi lanh bọc cách nhiẹt tuyệt đối (đoạn nhiệt) hay vừa nén vừa làm mát mà nhiệt độ khí thay đổi (đa biến), công và nhiệt sẽ khác nhau. Nén đẳng nhiệt tốn công ít nhất và nén đoạn nhiệt tốn công nhiều nhất. Đ1.2. Các quá trình nhiệt động cơ bản Trong các máy nhiệt, máy lạnh hay trong thực tế kỹ thuật ta thường gặp chất môi giới hoạt động theo những quá trình nhất định ví dụ nung nóng hay làm lạnh khí, hơi trong bình kín (đẳng tích). Nung nóng hay làm lạnh khí khi áp suát không đổi (đẳng áp), hơinước giãn nở trong tuốc bin bọc cách nhiệt (giãn nở đoạn nhiệt)…. Các quá trình trên là những quá trình nhiệt động cơ bản. 1. Các quá trình nhiệt động cơ bản của chất khí a. Quá trình đẳng tích Quá trình đẳng tích xảy ra trong điều kiện thể tích không đổi. Ví dụ: Nung nóng một chất khí trong bình kín là quá trình cấp nhiệt đẳng tích. Các bình chứa khí như O2, không khí… để ngoài trời nắng sẽ bị nung nóng khi trong bình sẽ được cấp nhiệt đẳng tích. Nếu để chúng qua đêm trời lạnh quá trình của khí là nhả nhiệt đẳng tích. Trong quá trình đẳng tích nhiệt độ và áp suất tỷ lệ với nhau tức là: T1 và p1 là nhiệt độ và áp suất lúc đầu T2 và p2 là nhiệt độ và áp suất sau khi nung nóng hoặc làm lạnh. Nhiệt cung cấp hoặc nhả ra của khí là Q = G. Cv (T2 - T1) KJ G là khối lượng khí Cv là nhiệt dung riêng đẳng tích Nếu ta nung nóng chất khí T2 > T1 thì nhiệt Q > 0, ngược lại nếu ta làm lạnh bình T2 < T1 thì Q < 0. b. Quá trình đẳng áp Quá trình đẳng áp xảy ra trong điều kiện áp suất chất khí không đổi. Ví dụ: Không khí qua giàn nóng của máy điều hòa nhiệt độ không khí tăng lên, áp suát không đổi quá trình này cấp nhiệt đẳng áp không khí nhận nhiệt. Khi không khí qua giàn lạnh của máy điều hòa thì nhiệt độ không khí giảm đi, áp suất không đổi quá trình là nhả nhiệt đẳng áp, không khí nhả nhiệt cho giàn lạnh. Trong quá trình đẳng áp nhiệt độ và thể tích tỷ lệ với nhau tức là Trong đó: v1, T1 là thể tích riêng và nhiệt độ tuyệt đối của khí lúc đầu v2, T2 là thể tích riêng và nhiệt độ tuyệt đối của khí sau khi cấp nhiệt hoặc sau khi làm lạnh. Nhiệt cung cấp hay tỏa nhiệt của khí là Q = G. Cp (T2 - T1) ở đây: G là khối lượng chất khí Cp là nhiệt dung riêng đẳng áp c. Quá trình đẳng nhiệt Quá trình đẳng nhiệt xảy ra trong điều kiện nhiệt độ không đổi. Ví dụ: vừa nén vừa làm lạnh khí trong xi lanh để cho nhiệt độ không đổi thì quá trình là nén đẳng nhiệt. Trong quá trình đẳng nhiệt thì áp suất và thể tích tỷ lệ nghịch với nhau tức là. Tỷ số thể tích là tỷ số nén Như vậy trong quá trình nén đẳng nhiệt, nhiệt độ không đổi, áp suất tăng lên còn thể tích giản đi. Ngược lại khi giãn nở đẳng nhiệt thì áp suất giảm còn thể tích tăng. Quá trình đẳng nhiệt công được xác định theo công thức sau. KJ Nếu nén đẳng nhiệt v2 p2 thì < 0 hay < 0 công nén L < ). Khi giãn nở đẳng nhiệt v2 > v1 và p1 > p2 công giãn nở L > 0. Đối với chất khí nhiệt trong quá trình là Q = L. Nếu nén Q 0 d. Quá trình đoạn nhiệt Quá trình đoạn nhiệt xảy ra trong điều kiện Q = 0 (hệ thống được cách nhiệt). Trong thực tế kỹ thuật một số quá trình ta coi gần đúng như đoạn nhiệt. Ví dụ: Qúa trình nén khí tỏn máy nén của máy lạnh, quá trình giãn nở của khí trong tuốc bin khí… Trong các máy nhiệt nói chung quá trình giãn nở sinh công ta coi là giãn nở đoạn nhiệt, còn trong các máy lạnh các quá trình nén trong máy nén ta coi là đoạn nhiệt. Trong quá trình đoạn nhiệt của chất khí áp suất thể tích và nhiệt độ có quan hệ như sau: Trong đó K gọi là chỉ số đoạn nhiệt, đối với các chất khí phân tử có 2 nguyên tử như O2, N2 không khí K = 1,4. Khí phân tử 3 nguyên tử như CO2 thì K = 1,6. Công trong quá trình đoạn nhiệt được tính như sau: Hay Trong đó R gọi là hằng số khí lý tưởng J/KgK m là phân tử lượng của chất khí. Quá trình giãn nở T1 > T2 L > 0 Quá trình nén T1 > T2 L < 0 2. Các quá trình nhiệt động cơ bản của hơi Trong thực tế nhiều máy nhiệt, máy lạnh sử dụng môi chất là hơi như: máy hơi nước, tuốc bin hơi, máy lạnh và điều hòa hiện nay đều dùng hơi làm môi chất lạnh. Trong các máy nhiệt và máy lạnh nói trên hơi thực hiện nhiều quá trình biến đổi mà ta cần nghiên cứu. a. Quá trình đẳng tích Quá trình đẳng tích xảy ra trong điều kiện thể tích không đổi. Ví dụ: Khí ga để trong bình để gần nguồn nhiệt bị nung nóng (cấp nhiệt đẳng tích). Trong quá trình đẳng tích thể tích không đổi còn áp suất tăng khi nhiệt độ tăng (cấp nhiệt) ngược lại khi nhiệt độ giảm (làm lạnh) thì áp suát giảm. Nhiệt trong quá trình đẳng tích được xác định : Q = G. DU = G. [i2 - i1 - (p2 v2 - p1 v1)] KJ Trong đó: i1, i2 entanpi đầu và cuối (tra bảng để xác định ). Khi cấp nhiệt i2 > i1 và p2 > p1 nên Q > 0, khi làm lạnh i2 < i1 và p2 < p1 thì Q < 0. b. Quá trình đẳng áp Quá tình đẳng áp xảy ra trong điều kiện áp suất không đổi. Nếu ta cung cấp nhiệt cho chất lỏng trong quá trình đẳng áp thì chất lỏng sẽ sôi, hóa hơi và nhiệt độ hơi tăng lên thành hơi quá nhiệt. Trong quá trình cấp nhiệt đẳng áp thể tích tăng lên còn nhiệt độ tăng theo 3 giai đoạn: Giai đoạn đầu nhiệt độ tăng từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ sôi, giai đoạn hóa hơi nhiệt độ không đổi và bằng nhiệt độ sôi sau khi lỏng đã hóa hơi hoàn toàn nếu tiếp tục cấp nhiệt thì nhiệt độ hơi tăng lên lớn hơn nhiệt độ sôi gọi là hơi quá nhiệt. Quá trình ngược lại từ hơi quá nhiệt nếu bị làm lạnh đẳng áp thì nhiệt độ hạ xuống đến nhiệt độ sôi tiếp theo hơi nước ngưng tụ thành lỏng sôi. Nếu làm lạnh tiếp thì thành lỏng chưa sôi. Quá trình này tỏa nhiệt. Vì vậy cần phải làm mát bằng nước hay dùng không khí. Nhiệt trong quá trình đẳng áp là. Q = G (i2 - i1). Trong đó: i1 là entapin của lỏng chưa sôi i2 là entapin của hơi quá nhiệt Quá trình cấp nhiệt i2 > i1 thì Q > 0. Quá trình tỏa nhiệt i2 < i1 thì Q < 0. c. Quá trình đẳng nhiệt Quá trình xảy ra trong điều kiện nhiệt độ không đổi. - Quá tình giãn nở đẳng nhiệt: Nếu ta có một chất lỏng để trong bình, ta nối bình với máy hút chân không. Cho máy hút làm giảm áp suất chất lỏng (nhiệt độ không đổi) đến một áp suất nào đó thì chất lỏng sôi, hóa hơi (áp suất không đổi) và giảm áp tiếp thành hơi quá nhiệt. Như vậy bằng cách giảm áp (giãn nở) đẳng nhiệt ta có thể làm cho chất lỏng sôi và hóa hơi. - Quá trình nén đẳng nhiệt: Ta có thể nén đẳng nhiệt hơi để trở thành lỏng trong điều kiện nhiệt độ của nó phải nhỏ hơn một trị số nhất định gọi là nhiệt độ tới hạn. Ví dụ: Nhiệt độ tới hạn của nước là tk = 3740C, pk = 221 bar. Nhiệt độ tới hạn của R12 là tk ằ 1000C, pk = 35 bar. Nhiệt độ tới hạn của R22 tk ằ900C pk ằ 45 bar - Công trong quá trình đẳng nhiệt là: L = Gl = Q - Di Trong đó: Q là nhiệt trao đổi trong quá trình Q = T (s2 - s1) L = G [T (s2 - s1) - (i2 - i1)], Các thông số i2, i1, s2, s1 tra bảng hay đồ thị của môi chất tương ứng. d. Quá trình đoạn nhiệt Quá trình đoạn nhiệt xảy ra trong điều kiện Q = 0 tức là không trao đổi nhiệt với môi trường bên ngoài. Trong thực tế kỹ thuật quá trình giãn nở của hơi trong tuốc bin, quá trình nén môi chất lạnh trong máy nén coi là quá trình đoạn nhiệt. Quá trình nén đoạn nhiệt làm cho áp suất tăng, nhiệt độ tăng và thể tích giảm và ngược lại quá trình giãn nở đoạn nhiệt làm cho áp suất giảm, thể tích tăng và nhiệt độ giảm. Công trong quá trình đoạn nhiệt là L = G (i1 - i2) KJ. Trong đó i1, i2 entapi của hơi ở trạng thái đầu và cuối. Quá trình giãn nở i1 > i2 thì L > 0. Quá trình nén đoạn nhiệt i1 < i2 thì L < 0. Vậy ta thấy quá trình nén đoạn nhiệt chất môi giới nhận công L 0. Đ1.3. Không khí ẩm và các quá trình nhiệt động của không khí ẩm 1. Khái niệm và phân loại không khí ẩm a. Định nghĩa: Không khí ẩm là hỗn hợp không khí khô và hơi nước Không khí ẩm có khối lượng G Kg, trong đó có Gk Kg không khí khô và Gb Kg hơi nước. Ta có G = Gb + GK Kg b. Các loại không khí ẩm Không khí ẩm chia ra 3 loại. - Không khí ẩm chưa bão hòa: là không khí ẩm mà lượng hơi nước chưa đến mức tối đa, nó còn có khả năng chứa thêm hơi nước. -Không khí ẩm bão hòa: là không khí ẩm đã chứa hơi nước tới mức tối đa, nếu cho thêm hơi nước vào hoặc làm lạnh thì hơi nước sẽ ngưng tụ lại thành nước. - Không khí ẩm quá bão hòa: là không khí ẩm đã chứa hơi nước tới mức tối đa còn có thêm cả nước ngưng tụ. 2. Các thông số đặc trưng cơ bản của không khí ẩm. a. Độ ẩm tuyệt đối Là lượng hơi nước chứa trong 1m3 không khí ẩm. Độ ẩm tuyệt đối ký hiệu Gb là lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm V là thể tích không khí ẩm b. Độ ẩm tương đối Là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm với độ ẩm tuyệt đối của không khí ẩm đó ở trạng thái bão hòa. Độ ẩm tương đói ký hiệu Độ ẩm tương đối đo bằng %. Nếu z = 0% là không khí khô, z = 100% là không khí ẩm bão hòa. Độ ẩm tương đối có thể đo được bằng dụng cụ gọi là ẩm kế. Độ ẩm tương đối đặc trưng cho mức độ bão hòa của không khí ẩm. c. Độ chứa hơi Độ chứa hơi của không khí ẩm là lượng hơi nước chứa trong 1Kg không khí khô. Độ chứa hơi ký hiệu Kg hơi/Kg K/K khô Ví dụ: Trong phòng thể tích 100m3 chứa không khí ẩm. Lượng không khí là GK = 96Kg, lượng hơi nước là 6 Kg, độ chứa hơi là Kg hơi/ Kg không khí khô hay 62,5 g/Kg không khí khô. Như vậy lượng không khí ẩm là G = Gh + GK = dGK + GK = GK (d+1) Biết độ ẩm tương đối có thể xác định độ chứa hơi theo công thức. g/kg Không khí khô. Trong đó pS là áp suất bão hòa của nước ứng với nhiệt độ không khí ẩm tra trong bảng sau: t0C 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 psbar 0,00872 0,012277 0,01704 0,02337 0,03166 0,04241 0,05622 0,07375 0,09584 0,12335 0,01574 0,1992 0,2501 d) Entanpi của không khí ẩm. Đối với không khí ẩm chưa bão hòa và bão hòa ta có entanpi là: I = Cpkt + d(r + Cpht) KJ/kg k/k khô. Trong đó: Cpk: nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí khô. Cpk ằ 1 KJ/kg K Cph: nhiệt dung riêng đẳng áp của hơi nước Cph ằ 1,89 KJ/kgK. r: nhiệt ẩm hóa hơi của nước r ằ 2500 KJ/kg. e) Nhiệt độ đọng sương của không khí ẩm. Nhiệt độ đọng sương là nhiệt độ của không khí ẩm bão hòa khi ta làm lạnh không khí ẩm trong điều kiện độ chứa hơi không đổi. Ví dụ: Phòng kín bên trong không có nguồn nước nào bay hơi vào không khí (tức là d = const) nếu làm lạnh không khí ẩm đến khi bão hòa thì nhiệt độ của không khí ẩm bão hòa lúc đó ts là nhiệt độ đọng sương. Nếu làm lạnh tiếp thì hơi nước sẽ ngưng tụ. 3. Đồ thị I - d của không khí ẩm. * Đặc điểm của đồ thị. Đồ thị I - d thành lập với 1 áp suất nhất định của không khí ẩm. Thường thành lập với áp suất khí quyển p = 745 mmHg. Đồ thị I - d thành lập với trục I KJ/kg K/K hay Kcal/ Kg K/K, trục hoành d g/kg K/K. Hai trục hợp với nhau góc 1350. Tuy vậy khi vẽ vẫn vữ 2 trục vuông góc nhưng vì góc 2 trục là 1350 nên đường I = Const sẽ hợp với trục tung góc 1350. * Các đường cong trên đồ thị I - d. a. Đặc điểm của đồ thị Đồ thị I - d thành lập với 1 áp suất nhất định củ không khí ẩm. Thường thành lập với áp suất khí quyển p = 745mmHg. Đồ thị I - d thành lập với trục I KJ/Kgk/k hay Kcal/Kg k/k, trục hoành g/Kg k/k. Hai trục hợp với nhau góc 1350. Tuy vậy khi vẽ vẫn vẽ 2 trục vuông góc nhưng vì góc 2 trục là 1350 nên đường I = const sẽ hợp với trục tung góc 1350. b. Các đường cong trên đồ thị I - d - Đường ph = f(d) - Các đường t = const là những đường thẳng ta có t1 < t2 < t3 < tsp, tsp là nhiệt độ sôi của nước ở áp suất p = 745mmHg. - Các đường j = const là các đường cong ta có j1tsp đường cong j = const thẳng đứng. - Trạng thái 2 xác định bởi t2, j2 ta tìm được d2, I2, phs2 - Đường ph = f(d). - Các đường t = Const là những đường thẳng ta có t1 < t2 < t3 < tsp, tsp là nhiệt độ sôi của nước ở áp suất p = 745mmHg. - Các đường j = const là đường cong ta có j1 tsp đường j = const thẳng đứng. Trạng thái 2 xác định bởi t2, j2 ta tìm được d2, I2, phs2. Đ1-4: Chu trình nhiệt động. 1. Khái niệm. Trong các máy nhiệt hay máy lạnh chất môi giới thực hiện nhiều quá trình biến đổi theo một vòng khép kín và lặp đi lặp lại. Ta nói chất môi giới biến đổi theo một chu trình nhiệt động. Ví dụ: trong máy hơi nước: nước ở lò hơi nhận nhiệt hóa hơi và thành hơi quá nhiệt, hơi quá nhiệt qua tuốc bin giãn nở sinh công, hơi thoát ra khỏi tuốc bin vào bình ngưng nhả nhiệt và ngưng tụ thành nước. Nước lại được bơm nước bơm trở lại lò hơi và lặp lại các quá trình trên. 2. Chu trình nhiệt động của máy nhiệt. a. Hoạt động của chu trình. Trong lò hơi người ta đốt nhiên liệu. Nhiệt tỏa ra sẽ cung cấp cho nước nhiệt Q1 để làm cho nước hóa hơi và quá nhiệt thành hơi quá nhiệt trong điều kiện đẳng áp. Hơi quá nhiệt đến tuốc bin giãn nở sinh công L1, hơi thoát ra khỏi tuốc bin vào bình ngưng, ở đây hơi nước nhả nhiệt Q2 cho nước làm mát và nó ngưng tụ đẳng áp thành nước. Nước ngưng sẽ được bơm nước đưa trở lên lò hơi. Quá trình trong bơm là nén đoạn nhiệt nhận công L2. quá trình xảy ra liên tục chất môi giới thực hiện các quá trình biến đổi liên tục và khép kín chiều chuyển động môi chất theo chiều kim đồng hồ nên chu trình này gọi là chu trình thuận chiều. Kết quả đã biến một phần nhiệt của nhiên liệu Q1 thành công L1. Đồng thời luôn luôn phải thải nhiệt Q2 vào môi trường như vậy nhiệt độ nhiên liệu đưa vào chu trình là Q1, thải ra mất Q2 phần sử dụng hữu ích để biến thành công là b. Hiệu suất nhiệt của chu trình Để đánh giá hiệu quả của chu trình ta dùng hiệu suất nhiệt. Chu trình có hiệu suất nhiệt càng cao càng tốt. 3. Chu trình nhiệt động của máy lạnh a. Khái niệm về máy lạnh. Máy lạnh là thiết bị tiêu tốn năng lượng (công) để đưa nhiệt từ nguồn lạnh (có nhiệt độ thấp) đến thải vào môi trường (nguồn nóng có nhiệt độ cao). Ví dụ tủ lạnh có nhiệm vụ đưa nhiệt từ trong tủ ra nhả vào môi trường có vậy mới duy trì nhiệt độ thấp trong tủ. Máy điều hòa nhiệt độ có nhiệm vụ đưa nhiệt từ phòng điều hòa có nhiệt độ thấp đến giàn nóng nhiệt độ cao để thải vào môi trường. b. Sơ đồ nguyên lý máy lạnh Máy lạnh gồm 4 bộ phận chủ yếu trên. Trong máy ta đã nạp đầy môi chất lạnh. Máy hoạt động như sau; Máy nén nén hơi môi chất theo quá trình đoạn nhiệt nhận công L đưa môi chất từ áp suất p1 nhiệt độ T1 lên áp suát p2 nhiệt độ T2. Hơi môi chất có áp suất cao p2, T2 được đưa vào giàn ngưng. Trong giàn ngưng hơi môi chất nhả nhiệt Q1 cho nước làm mát hay không khí bên ngoài và nó ngưng tụ đẳng áp thành lỏng có áp suất p3 = p2 và nhiệt độ T3 < T2. Môi chất lỏng có áp suất p3 nhiệt độ T3 qua van tiết lưu thực hiện quá trình tiết lưu làm áp suát giảm đến p4 nhiệt độ giảm đến T4 và một phần lỏng hóa hơi. Hỗn hợp lỏng + hơi này vào buồng lạnh, môi chất lỏng tiếp tục hóa hơi đẳng áp và nhận nhiệt Q2 trong buồng lạnh. Hơi môi chất thoát ra khỏi giàn hay hơi sẽ được hút vào máy nén và lặp lại các quá trình trên. Kết quả là: ta tiêu tốn công L ở máy nén và đưa được nhiệt Q2 trong buồng lạnh đến giàn nóng thải ra ngoài cho nước làm mát hay không khí bên ngoài. Như vậy ta duy trì được nhiệt độ trong tủ lạnh ở nhiệt độ thấp so với môi trường. Trong máy lạnh chiều chuyển động của môi chất có chiều ngược chiều kim đồng hồ (theo sơ đồ nguyên lý) nên ta gọi chu trình này là chu trình ngược chiều. Kết quả ở máy lạnh là tiêu tốn công L nhận nhiệt Q2 ở buồng lạnh, nhả nhiệt Q1 ở giàn nóng vậy ta có. c. Hệ số làm lạnh Để đánh giá hiệu quả của chu trình máy lạnh ta dùng hệ số làm lạnh. Hệ số làm lạnh luôn luôn dương, có thể lớn hơn 1 và thực tế thường lớn hơn 1. Chu trình có hệ số làm lạnh càng cao thì càng tốt. d. Hệ số cấp nhiệt Người ta có thể sử dụng máy lạnh để cấp nhiệt. Ví dụ dùng máy điều hòa để sưởi ấm trong mùa đông. Máy lạnh dùng để cấp nhiệt gọi là bơm nhiệt. Bơm nhiệt người ta sử dụng nguồn nóng Q1 và tiêu tốn công L để chạy máy nén. Để đánh giá hiệu quả ta dùng hệ số cấp nhiệt j Hệ số cấp nhiệt càng cao thì càng tốt. Hiện nay người ta chế tạo nhiều máy điều hòa 2 chiều. Về mùa hè ta dùng để điều hòa làm mát phòng. Về mùa đông ta dùng làm bơm nhiệt để sưởi ấm. Như vậy chỉ cần đổi thứ tự chuyển động môi chất để cho giàn lạnh trong nhà trở thành giàn nóng và ngược lại. Chương 2: hệ thống điều hòa không khí. Đ2.1. Những khái niệm cơ bản về điều hòa không khí 1. Định nghĩa Điều hòa không khí là một ngành khoa học kỹ thuật nghiên cứu các phương pháp, quy trình kỹ thuật và thiết bị để tạo ra và duy trì một môi trường không khí phù hợp nhất với một quá trình sản xuất, chế biến các sản phẩm hoặc phù hợp nhất với đời sống con người. Trong điều hòa không khí cần điều chỉnh và duy trì hoặc khống chế thông số sau: - Nhiệt độ - Độ ẩm - Sự lưu thông và đỏi mới không khí - Bụi và các tạp chất có hại. Nhiều trường hợp đơn giản chỉ điều tiết và duy trì một thông số là nhiệt độ thì gọi là điều hòa nhiệt độ. 2. ứng dụng điều hòa không khí trong công nghiệp. Trong công nghiệp điều hòa không khí được ứng dụng vào các mục đích sau: - Thông gió tạo điều kiện thông thoáng cho các phân xưởng sản xuất. - Điều tiết nhiệt độ, duy trì nhiệt độ thích hợp cho con người và thiết bị . - Điều tiết và duy trì độ ẩm thích hợp cho thiết bị và các sản phẩm công nghiệp. - Giảm thiểu các chất có hại cho con người và máy móc thiết bị , các sản phẩm công nghiệp các chất đó là bụi, khí độc hại trong từng ngành sản xuất có những yêu cầu riêng đối với việc điều hòa không khí ví dụ: Trong các phân xưởng sản xuất thuốc lá, bột giấy và giấy, sợi dệt… thì độ ẩm và nhiệt độ không khí là hai thông số quá trình cần duy trì ở những giá trị phù hợp. Trong bảng 1 giới thiệu về yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm trong nhà máy sợi, dệt. Trong các xí nghiệp hóa chất và in thì việc thải nhiệt và hơi độc là nhiệm vụ quan trọng hơn cả. Trong bảng 2 giới thiệu nồng độ lớn nhất cho phép của các hóa chất trong phân xưởng của CHDC Đức. Bảng 1. Ngành sản xuất Phân xưởng Nhiệt độ 0C Độ ẩm tương đối % Vải sợi bông Xưởng chải sợi 22 - 25 55 - 65 Xưởng xe sợi 22 - 25 60 - 70 Xưởng dệt 22 - 25 70 - 80 Len Điều tiết cho sợi 27 - 29 90 - 95 Xưởng chuẩn bị 27 - 29 60 Xưởng kéo sợi 27 - 29 50 - 60 Xưởng dệt 24 - 27 60 - 70 Tơ lụa Xưởng chuẩn bị 24 - 27 60 - 65 Xưởng kéo sợi 24 - 27 65 - 70 Xưởng dệt 24 - 27 60 - 70 Trong các ngành công nghiệp quang học, công nghiệp điện tử, cơ khí chính xác, phim ảnh, máy tính điện tử, các phòng thí nghiệm thì ngoài nhiệt độ và độ ẩm cần đặc biệt chú ý đến độ sạch của không khí, ví dụ trong phòng máy tính yêu cầu số lượng bụi không vượt quá 2.105 hạt/m3 có kích thước lớn hơn hoặc bằng 3 mm. Bảng 2. Tên hóa chất Nồng độ lớn nhất cho phép Giới hạn dưới gây nổ % thể tích cm3/cm3 K/K mg/cm3 K/K A xê tôn 1000 2400 2,1 Xăng 500 2350 2,4 Benzel 10 32 1,2 Toluôl 200 750 6,0 Mêtanonl 200 260 3,3 Rượu êtylic 1000 1900 2,2 Ete 400 1200 Clo 0,5 1,5 CO2 5000 9000 Ô zôn 0,1 0,2 SO2 5 13 NH3 50 35 Crôm 0,1 Chì 0,2 Thủy ngân 0,1 Sêlen 0,1 3. ứng dụng điều hòa không khí trong sinh hoạt. Trong sinh hoạt và đời sống điều hòa không khí được sử dụng trong nhà ở, nơi sinh hoạt công cộng như nhà hàng, rạp hát, nhà văn hóa, các khách sạn… yêu cầu điều hòa không khí đối với con người có thể chia ra 2 nhóm như sau: Nhóm 1: - Nhiệt độ không khí - Độ ẩm không khí - Tốc độ không khí - Nhiệt độ vách bao quanh Nhóm 2: - Độ sạch của không khí - Độ ồn - Trường tĩnh điện Nhóm 1 liên quan đến sự tỏa nhiệt của con người. Con người là cơ thể sống, nó luôn tỏa ra nhiệt để duy trì nhiệt độ cơ thể không đổi. Nhiệt toả ra phụ thuộc vào hoạt động của con người. ở trạng thái nghỉ ngơi con người tỏa nhiệt 80Kcal/h. Nhiệt tỏa ra của con người bằng 3 cách. - Đối lưu từ bề mặt da vào không khí - Bức xạ từ bề mặt da vào không khí. - Bay hơi nước trên bề mặt da. Nhiệt độ không khí có tác động lớn đến cảm giác thoải mái dễ chịu của con người. Nhiệt độ môi trường khác nhau có thể tỏa nhiệt khác nhau (hình 3). Khi nhiệt độ không khí gần bằng nhiệt độ cơ thể (khoảng 360C) thành phần đối lưu và bức xạ giảm và bằng 0 ở 360C và có giá trị âm khi nhiệt độ không khí vượt quá 360C có nghĩa là nhiệt độ truyền từ không khí vào. Lúc này nhiệt độ con người thải ra chủ yếu bằng con đường bay hơi nước trên bề mặt da (đổ mồ hôi nhiều) sự bay hơi nước phụ thuộc nhiều vào độ ẩm tương đối và tốc độ không khí. Tốc độ không khí càng lớn, độ ẩm tương đối lớn thì sự thải nhiệt khó khăn con người cảm thấy ngột ngạt. Tuy nhiên tốc độ và độ ẩm không khí cũng cần duy trì ở giới hạn hợp lý vì nếu việc thải nhiệt độ bay hơi nước nhiều thì cơ._.