Quá trình xử lý nhiệt ẩm không khí bằng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt có ưu điểm là thiết bị gọn nhẹ, đơn giản. Tuy nhiên xử lý nhiệt ẩm bằng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt bị hạn chế bởi khả năng xử lý không khí, nó không có khả năng tăng dung ẩm không khi trong phòng. Trong nhiều trưòng hợp đòi hỏi tăng ẩm cho không khí, chẳng hạn như trong các nhà máy dệt có những giai đoạn công nghệ đòi hỏi độ ẩm khá cao, để đạt được trạng thái yêu cầu, cần tiến hành phun ẩm bổ sung, tương đối phức tạp, tốn kém và hiệu quả không cao. Trong trường hợp này, người ta thường sử dụng thiết bị xử lý không khí kiểu hỗn hợp hay còn gọi là thiết bị xử lý không khí kiểu ướt. Thiết bị xử lý không khí kiểu ướt là thiết bị trao đổi nhiệt ẩm kiểu hỗn hợp khí và nước, thường được gọi là thiết bị buồng phun. Việc phun ẩm không thực hiện trực tiếp trong phòng mà ở thiết bị xử lý không khí nên hiệu quả và năng suất lớn hơn nhiều.

Các quá trình xử lý nhiệt ẩm không khí

Một số giả thiết khi nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt ẩm của không khí

Quá trình thực xử lý nhiệt ẩm khả phức tạp, để tiện lợi cho việc phân tính và tính toán, khi nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt ẩm của không khí và nước, ngưòi ta đưa ra một số giả thiết như sau:

  • Sự tiếp xúc giữa nước và không khí là lý tưởng, thời gian tiếp xúc bằng vô cùng.
  • Không có tổn thất nhiệt và ẩm ra của hệ trong quá trinh xử lý.
  • Kích thước hạt nước đủ nhỏ để nhiệt độ đồng đều trong toàn thể tích hạt.

Với những giả thiết như vậy, nhiệt độ không khí trong lớp biên (lớp mỏng sát bề mặt giọt nước) đạt trạng thái bão hoà có nhiệt độ bằng nhiệt độ giọt nước, không khí đầu ra thiết bị đạt trạng thái bào hoà ứng với nhiệt độ nước đầu ra.

Ngưòi ta nhận thấy, sự thay đổi trạng thái của không khí phụ thuộc nhiều vào chiều chuyển động tương đối giữa nước và không khí. Dưới đây chúng ta sẽ khảo sát quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa nước và không khí trong hai tníòng hợp đã nêu trên.

Trường hợp nước và không khí chuyển động cùng chiều

Xét trường hợp trao đổi nhiệt ẩm giữa nước có nhiệt độ ban đầu là tn, không khí có trạng thái A (tA, φA) trong thiết bị trao đổi nhiệt ẩm kiểu hỗn hợp. Ở đầu ra thiết bị trao đổi nhiệt ẩm, không khí đạt bão hoà đạt φ = 100%, nước và không khí có cùng nhiệt độ tnk, trạng thái không khí là AK đạt bão hoà.

Ta nghiên cứu sự thay đổi trạng thái không khí trong quá trình trao đổi nhiệt ẩm dọc theo chiểu dài của thiết bị. Để thấy rõ quá trình này, ta chia thiết bị trao đổi nhiệt ẩm thành k đoạn.

Trao đổi nhiệt ẩm giữa không khí và nước khi chuyển động cùng chiều

Trao đổi nhiệt ẩm giữa không khí và nước khi chuyển động cùng chiều

Trong quá trình trao đổi nhiệt ẩm, nhiệt độ nước tăng từ tn đến tnk, không khí thay đổi trạng thái từ trạng thái ban đầu A(tA, φA) tới trạng thái bão hoà Ak (tnk, 100%), vì như giả thiết ở trên, quá trình trao đổi là lý tưởng và thời gian tiếp xúc là vô cùng nên trạng thái không khí khi ra buồng phun có nhiệt độ bằng nhiệt độ nước tnk và đạt trạng thái bão hoà vđi độ ẩm φ = 100%.

Quá trình trao đổi nhiệt ẩm ở vùng 1

Không khí đầu vào có trạng thái là A (tAA) và nước có nhiệt độ tn. Do quá trình trao đổi nhiệt ẩm với các giọt nước, lớp không khí tại lớp biên tiếp xúc với các giọt nước đạt trạng thái bão hoà (φ = 100%) và nhiệt độ bằng nhiệt độ nước t = tn (trạng thái B). Các phần tử không khí ỏ xa ngoài lớp biên coi như vẫn giữ nguyên trạng thái ban đầu A (tAA). Như vậy ra khỏi vùng 1, không khí có trạng thái A1 là hỗn hợp của hai khối khí có trạng thái A (tAA) và B (tn, 100%). Theo tính chất của quá trình hỗn hợp, điểm A1 sẽ nằm trên đoạn AB. Do trao đổi nhiệt với không khí nên nhiệt độ của nước đầu ra vùng 1 tăng lên và đạt giá trị tn1.

Quá trình trao đổi nhiệt ẩm ở vùng 2

Không khí đầu vào vùng 2 có trạng thái là A1 và nước có nhiệt độ tn1. Bằng cách phân tích tương tự, ta thấy trạng thái không khí đầu ra A2 của vùng 2 là hỗn hợp của hai khối khí cò trạng thái A1 và B1 (tn1, 100%). Nhu vậy điểm A2 nằm trên A1B1 và nhiệt độ nước ra vùng 2 tăng lên tn2.

Cứ phân tích tương tự như vậy ta thấy, không khí đầu ra thiết bị sẽ có trạng thái bão hoà, có nhiệt độ bằng nhiệt nước dầu ra tnk (trạng thái Ak = Bk).

Sự thay đổi trạng thái không khí khi chuyển động cùng chiều với nước

Sự thay đổi trạng thái không khí khi chuyển động cùng chiều với nước

Nổi tất cả các điểm A, A1,… Ak ta có đường cong biểu thị sự thay đổi trạng thái của không khí trong quá trình trao đổi nhiệt ẩm với nước. Các điểm B, B1,… Bn tương ứng là các trạng thái không khí trong lớp biên của các giọt nước, có nhiệt độ bằng nhiệt độ nước. Lớp biên đó lớn dần, đến cuối thiết bị xử lý nhiệt ẩm sẽ chiếm toàn bộ dòng không khí.

Như vậy quá trình thay đổi trạng thái của không khí thực tế là một đường cong. Đối với thiết bị trao đổi nhiệt ẩm kiểu song song cùng chiều, nó là đường cong lõm. Tuỳ thuộc nhiệt độ nước đầu ra mà dung ẩm của không khí có thể tăng hoặc giảm. Nếu nhiệt độ nước đầu ra lớn hơn nhiệt độ đọng sương của không khí đầu vào thì dung ẩm cúa không khí tăng, tức là có một lượng hơi ẩm khuếch tán vào không khí và ngược lại. Khi chuyển động song song cùng chiều, khả năng làm tăng dung ẩm rất lớn do nhiệt độ nước tăng dần và nhiệt độ nước đầu ra có nhiều khả năng lớn hơn nhiệt độ đọng sương.

Do độ chênh nhiệt độ giữa nước và không khí không quá lớn và người ta chỉ chú trọng đến trạng thái cuối quá trình xử lý nên thường biểu diễn quá trình thay đổi trạng thái của không khí theo đường thẳng. Mặt khác do quá trình trao đổi nhiệt ẩm không đạt lý tưỏng, thời gian tiếp xúc là hữu hạn nên độ ẩm của không khí đầu ra chỉ đạt trạng thái gần bão hoà, với độ ẩm cỡ 90 đến 95%, tức là không khí chỉ tới điểm O nào đó mà không đạt tới B.

Người ta nhận thấy quá trình thay đổi trạng thái của không khí cũng xảy ra tương tự khi nó trao đổi nhiệt ẩm với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt.

Trường hợp nước và không khí chuyển động ngược chiều

Trường hợp không khí và nước chuyển động ngược chiều, ta cũng chia thiết bị thành k đoạn.

Trao đổi nhiệt ẩm giữa không khí và nước khi chuyển động ngược chiều

Trao đổi nhiệt ẩm giữa không khí và nước khi chuyển động ngược chiều

Trạng thái không khí đầu vào các đoạn 1, 2,… k lần lượt là A, A1, A2… Ak-1. Đầu ra thiết bị xử lý, không khí có trạng thái bão hoà Ak.

Nhiệt độ nước đầu ra các đoạn 1, 2,… k lần lượt là tn, tn1, tn2… tnk-1. Nhiệt độ nước đầu vào đoạn k là tnk. Các điểm B, B1, B2… Bk tương ứng là trạng thái không khí bào hoà ứng với nhiệt độ nước tn, tn1, tn2… tnk.

Bằng cách phân tích tương tự trường hợp chuyển động cùng chiều, không khí đầu ra các đoạn 1, 2,… k lần lượt là A1, A2,… Ak. Trong đó A1 nằm trên đoạn AB, A2 nằm trên A1B1 và Anằm trên đoạn Ak-1Bk-1. Không khí thay đổi từ trạng thái ban đầu A qua các trạng thái trung gian A1, A2 và cuối cùng đạt trạng thái bão hoà Ak ứng với nhiệt độ bằng nhiệt độ nước đầu vào tnk. Nối tất cả các điểm A:A1, A2,… Ak ta đưọc đường cong biểu thị sự thay đổi trạng thái của không khí khi trao đổi nhiệt ẩm vòi nưỏc. Kết quả cho thấy, đó là đường cong lồi.

Nếu nhiệt độ nưóc đầu vào nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương của không khí thì qua quá trình trao đổi nhiệt ẩm, dung ẩm của không khí giảm. Ngược lại, nếu nhiệt độ nước xử lý cao hơn nhiệt độ đọng sương, qua trao đổi nhiệt ẩm, dung ẩm không khí tăng. Trên thực tế, nếu sử dụng nước lạnh thì thường nhiệt độ nước nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương. Ngược lại nếu sử dụng nước thường thì nhiệt độ nước lớn hơn nhiệt độ đọng sương. Như vậy, để giảm dung ẩm phải sử dụng nước lạnh, muốn tăng ẩm sử dụng nước thường.

Qua nghiên cứu quả trình xử lý nhiệt ẩm không khí trong hai trường hợp nước và không khí chuyển động cùng chiều và ngược chiều, ta nhận thấy:

  • Sự thay đổi trạng thái của không khí theo dạng đường cong;
  • Trạng thái đầu ra của không khí phụ thuộc vào nhiệt độ nước xử lý và chiều chuyển động tương đối giữa nước và không khí. Dung ẩm của không khí có thể tăng hoặc giảm.

Trên thực tế độ chênh nhiệt độ của không khí đầu vào tA và đầu ra tAk không lớn và trong các tính toán thưòng chỉ quan tâm trạng thái đầu và cuối. Vì vậy người ta coi quá trình thay đổi trạng thái theo dạng đường thẳng.

Khi lượng nước phun vô cùng lớn và thòi gian tiếp xúc τ = ∝ thì quá trình thay đổi trạng thái của không khí tuân theo quy luật đường thẳng.

Mặt khác do lượng nước phun và thời gian tiếp xúc là hữu hạn nên trạng thái cuối quá trình xử lý không khí không đạt trạng thái bào hoà Ak mà chỉ đạt trạng thái O có độ ẩm φo = 90 ÷ 95%.

Sự thay đổi trang thái không khí khi chuyển động ngược chiều với nước

Sự thay đổi trang thái không khí khi chuyển động ngược chiều với nước

Giới hạn của quá trình xử lý không khí bằng nước phun

Trạng thái không khí cuối quá trình xử lý không khí bằng nưỏc phun không bao giò đạt tới độ ẩm φ = 1, mà chỉ đạt φ = 0,9 ÷ 0,95. Mặt khác, qua quá trình phân tích trên đây ta nhận thấy các trạng thái trung gian của không khí khi trao đổi nhiệt ẩm luôn luôn nằm trong tam giác cong AMN.

Người ta chứng minh được rằng, trên đồ thị I-d không khí có trạng thái A thi mọi quá trình nằm ngoài tam giác cong AMN không thể thực hiện chỉ bằng nước phun. Tam giác cong AMN có đáy là đoạn MN trên đường cong φ = 1 và NN, AM là các tiếp tuyến từ A tới đường cong φ = 1.

Ví dụ:

  • Quá trình AB trên đường d = dA = const chỉ thực hiện bằng caloriphe (sấy nóng đẳng dung ẩm);
  • Quá trình AF thực hiện qua hai giai đoạn, tăng ẩm đoạn nhiệt bằng nước phun AP và sấy nóng đẳng dung ẩm PF;
  • Quá trình AC trong tam giác AMN có thể thực hiện bằng nước phun.

Giới hạn quá trình xử lý không khí

Trích: Giáo trình điều hòa không khí – Tác giả: PGS.TS Võ Chí Chính

Các quá trình xử lý nhiệt ẩm không khí
5 (100%) 1 vote