Phần hai

1.    Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối được định nghĩa giữa tỉ lệ của tỉ lệ phân tử hơi nước ở một nhiệt độ nhất định và tỉ lệ hơi nước ở trạng thái no cùng một nhiệt độ, có nghĩa là

                                                (1)

y_n là tỉ lệ hơi nước ở một nhiệt độ nhất định và y_nn là tỉ lệ hơi nước ở trạng thái no (không thể hấp thụ thêm hơi nước). y_n được định nghĩa như sau

                                           (2)

n_n là số lượng phân tử của hơi nước (tính bằng mol) và n_k là số lượng phân tử của không khí (KK) khô.

Số lượng phân tử n_n và n_k viết theo phương trình (PT) trạng thái như sau

                                          (3)

                                          (4)

Thế PT(3) và (4) vào PT (2), sau đó đơn giản, ta được

                                (5)

Đặc biệt ở “trạng thái no”, PT(5) trở thành

                                                 (6)

P_nn = P_n’ (ta thường gặp ký hiệu P’)

Thế y_nn ở PT (6) vào PT (1), ta được

                                                   (7)

j là độ ẩm tương đối mà ta thường gặp nghe trond đài khí tượng. Thí dụ nhiệt độ của KK là 28 ^oC và độ ẩm tương đối là 73% (ở TP HCM ngày 22/3-2004) có nghĩa là j = 0,73

Bảng 1: Độ ẩm tương đối

Nhìn vào I-X diagram ta thấy, vị trí 1 chiếu xuống ta được vị trí 1’, đọc ta được khoảng 17,5 gram nước cho 1 kg KK khô, tương tự cho vi trí 2 và 2’, đọc ta được 24,0 gram nước cho 1 kg KK khô. Như vậy nếu ta thổi 1,0175 kg (1 kg KK khô + 0,0175 kg hơi nước) để sấy ta chỉ có KK ẩm chỉ có thể hấp thụ tối đa là 6,5 gram hơi nước từ vật được sấy.

2.    Tỉ trọng của KK ẩm

Thông thường chúng ta thường tra cứu tỉ trọng của KK bằng cách lật trong bảng ở các sách giảo khoa thường, nhưng thực tế tỉ trọng của KK ẩm không giống như tỉ trọng trong các sách giáo khoa thường gặp

                           (8)

thay P_k = P - P_n vào PT (8), đơn giản, ta được

                       (9)

Tỉ trọng của KK ẩm được tính như sau

                     (10)

Cho KK khô, P_n = 0, PT(10) trở thành

                                           (11)

3.    Khối lượng riêng của KK khô trong 1 m³ KK ẩm

Tỉ trọng ở PT(10) cho KK ẩm có nghĩa là bao nhiêu kg KK khô và hơi nước trong 1 m³ KK ẩm (KK ngoài trời) trong một điều kiện đã cho.

Khối lượng riêng của KK khô trong 1 m³ KK ẩm cũng rất quan trọng trong sự tính toán trong điều hoà không khí vì KK ẩm khi qua hệ thống điều hoà KK chứa độ ẩm khác nhau. Khối lượng riêng của KK khô được định nghĩa như sau

                                                              (12)

m là khối lượng riêng của KK khô (kg KK khô/m³ KK ẩm), m_k là trọng lượng hơi nước (kg) và V là thể tích của KK ẩm (m³). PT(12) có thể viết (thế m_k ở PT(8) vào PT(12))

                                                  (13)

Thế P_k = P - P_n vào PT(13), ta được

                                            (14)

Thí dụ

Cho:

Trong ống thông hơi của hệ thống máy điều hoà KK với diện tích ngang là 0,3 m², vận tốc KK trung bình đo được là  v = 3 m/s. Nhiệt độ KK là t = 25 ^oC, độ ẩm x = 0,007 kg/(kg KK khô), tổng áp suất là P = 75 kPa. Tính vận tốc của khối lượng KK khô (kg KK khôcho một giây) đi ngang qua ống thông hơi

Giải:

Ứng dụng PT(28) ở phần một, ta có

PT(14) cho

Vận tốc khối lượng của KK khô trong ống thông hơi sẽ là

                                 (15)

4.    Enthalpy

Enthalpy riêng (J/kg) cho một chất khí lý tưởng được tính như sau

                                                    (16)

c_p là nhiệt dung trong quá trình đẳng áp. c_p thay đổi theo nhiệt độ nhưng trong khoảng nhiệt độ của sự điều hoà không khí (-20 đến 50 ^oC) có thể tính c_p như là một hằng số độ sai nhỏ). c_pk và c_pn là nhiệt dung của KK khô và hơi nước trong quá trình đẳng áp có giá trị như sau.

c_pk   =  1,006  kJ/(kg·K)

c_pn   =  1,854  kJ/(kg·K)

Enthalpy riêng ở 0 oC cho KK khô và nước ở dạng lỏng được tính như sau

                                    (17)

                           (18)

Trong thực tế chúng ta không dùng ký hiệu “h” cho enthalpy của KK khô và hơi nước mà chúng ta dùng “I” để biều diễn enthalpy cho 1 kg KK khô và x kg hơi nước.

Công thức Enthalpy “I” tính như sau

                                             (19)

hay

                       (20)

PT(20) chính là PT(34) trong Phần một

5.    Enthalpy ở phần “sương mù” ở biểu đồ I-x

Nếu hơi nước trong KK ẩm (x) lớn hơn hơi nước của KK ẩm ở trạng thái no (x_n) có nghĩa là x > x_n. Phần hơi nước x = x_n sẽ lẫn trong KK và phần hơi nước còn lại (x – x_n) tùy theo nhiệt độ sẽ ở dạng lõng hoặc rắn.

Với nhiệt độ t > 0 ^oC, enthalpy riêng của nước lỏng (h_l) sẽ là

                                                       (21)

Với nhiệt độ t < 0 ^oC, enthalpy riêng của nước đá (h_d) sẽ là

                                 (22)

Enthalpy I ở vùng sương mù được tính như sau

t > 0 ^oC

                                                     (23)

t < 0 ^oC

                                       (24)

Với t = 0 ^oC, hơi nước dư (x – x_n) có thể ở hai dạng lỏng và rắn và I tính theo tỉ lệ. Thí dụ KK ở 0 ^oC, phần hơi nước dư (x – x_n) có 40 % (hay là 0,4) ở dạng lỏng và 60 % (hay là 0,6) ở dạng rắn (tuyết), ehthalpy riêng sẽ tính như sau

              (25)

6.    Ứng dụng

Chúng ta sẽ dùng lý thuyết KK ẩm này để làm gì? Qua hai bài “Không khí ẩm - Phần một và phần hai” chúng ta đã tìm hiểu cách tính độ ẩm x (kg hơi nước/kg KK khô), enthalpy riê ng của  KK ẩm (KJ/kg KK khô) và các ẩn số khác như độ ẩm tương đối (j), tỉ trọng KK ẩm (r) v.v. Bây giờ chúng ta hãy lấy vài thí dụ ứng dụng

1) Sấy:

Quá trình sấy là quá trình lấy hơi nước từ vật được sấy. Làm thế nào để kiểm soát quá trình sấy. Tiếp theo thí dụ ở trên, ta hâm KK ẩm tới 35 ^oC để sấy và vẫn giữ độ ẩm (nếu chúng ta không tìm cách loại bỏ hơi nước trong KK khí ra). Ở 35 ^oC và độ ẩm tương đối 73 % sẽ chứa khoảng 26 g hơi nước/kg KK khô (đọc Bảng 2, vị trí 3’)và tại 35 ^oC KK ẩm ở trạng thái no sẽ chứa được khoảng 37 g hơi nước/ kg KK khô (đọc Bảng 2, vị trí 4’) như vậy mỗi kg KK khô ta có thể vận chuyển tối đa 37 gram – 26 gram = 11 gram hơi nước/kg KK khô. Thí dụ trên (không đun nóng) chúng ta chỉ vận chuyển được 6,5 gram hơi nước/kg KK khô). Chúng ta sẽ thổi bao nhiêu kg KK (ẩm)/giờ? vận chuyển như thế nào? v.v. Nếu chúng ta vừ đun nóng vừa tách một phần hơi nước trong KK ẩm trước khi sấy chúng ta sẽ nâng hiệu suất lên cao.

Để hâm nóng KK ẩm từ 28 ^oC, 73 % độ ẩm lên 35 ^oC, 73 % độ ẩm sẽ cần ít nhất một năng lượng là 102,5 kJ/kg (đọc vị trí 2’’) – 72,5 (đọc vị trí 1’’) = 30 kJ/kg. Từ đây sẽ tính được nhiều ầ số khác nữa.

Bảng 2: Hâm nóng KK ẩm từ 28 đến 35 ^oC.

2) Điều hoà KK trong phòng làm việc: chúng ta sẽ điều chỉnh độ ẩm và nhiệt độ lẫn độ thổi trong phòng làm việc mà không lệ thuộc vào độ ẩm cũng như nhiệt độ bên ngoài. Mày sẽ thiết kế như thế nào để đáp ứng điều kiện này và giảm giá thành bán (đơn giản) cũng giống như tiết kiệm được năng lượng (ứng dụng hiệu suất tối đa). Chi tiết khá phức tạp, không nêu ở đây.

Tài liệu tham khảo

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