Không khí ẩm
Trịnh Minh Chính                      ngày 26 tháng 03 năm 2004     
 
 

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).