THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH BAY HƠI VÀ TÁCH ẨM BẰNG CHẤT HÚT ẨM LiBrH2O

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH
---------------o0o---------------

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ
BẰNG PHƯƠNG PHÁP LÀM LẠNH BAY HƠI
VÀ TÁCH ẨM BẰNG CHẤT HÚT ẨM LiBr_H2O
SVTH: TRẦN CÔNG TIẾN
MSSV: 20802228
GVHD: GS.TS LÊ CHÍ HIỆP

TP. Hồ Chí Minh - 01/2013


LỜI CÁM ƠN
Lời muốn nói đầu tiên, là em xin chân thành cám ơi thầy Lê Chí Hiệp, đã cho em
cơ hội tiếp tục hoàn thành luận văn này. Thầy đã cho em những lời khuyên, những lời
góp ý bổ ích trong quá trình làm luận văn trong bài làm cũng như trong cuộc sống.
Tiếp theo em xin cám ơn các thầy cô bộ môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh, đã dạy bảo,
truyền đạt kiến thức cho em trong suốt quá trình học của khóa học. Tạo tiền đề cho em
thực hiện được luận văn này.
Cuối cùng, xin gởi lời cám ơn này đến gia định, bạn bè và những người quan tâm
đến em đã động viên về tinh thần lẫn vật chất, là động lực để em hoàn thành tốt bài luận
văn này.

Sinh Viên

Trần Công Tiến

ii


TÓM TẮT LUẬN VĂN

Điều hòa không khí là nhu cấp không thể thiếu cho cuộc sống tiện nghi ngày nay.
Nó là cho con người ta cảm thấy dễ chịu, thoải mái khi ở trong không gian được điều hòa
không khí.
Ngày nay, công nghệ điều hòa không khí ngày càng được tân tiến để đáp ứng nhu
cầu càng cao của con người chúng ta. Nhưng, hai thông số quan trọng trong điều hòa
không khí tạo nên sự dễ chịu đó là nhiệt độ và độ ẩm trong không gian điều hòa không
khí. Và để điểu khiển 2 thông số đó, ta có nhiều phương pháp để thực hiện nó. Với xu thế
hiện nay của thế giới là bảo vệ môi trường và sử dụng năng lượng hiệu quả. Luận văn đã
tiến hành thiết kế hệ thống điều hòa không khí bằng phương pháp làm lạnh bay hơi và
tách ẩm bằng chất hút ẩm lỏng (dung dịch LiBr-H2O ).
Luận văn thiết kế hệ thống gồm thiết bị làm lạnh bay hơi trực tiếp, thiết bị tách
ẩm bằng dung dịch hút ẩm lỏng, thiết bị làm lạnh bay hơi gián tiếp, thiết bị hồi nguyên
dung dịch hút ẩm và hệ thống thông gió cho không gian điều hòa không khí. từ đó đưa ra
bảng so sánh chi phí đầu tư và chi phí vận hành, tiết kiệm năng lượng của hệ thống thiết
kế với hệ thống làm lạnh bằng máy nén hơi.

iii


Mục lục:
Đề mục

Trang

TRANG BÌA ....................................................................................................................... i
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN ....................................................................................................
LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN ................................................................................................... iii
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................................. iv
DANH SÁCH BẢNG BIỂU............................................................................................ vii
MỤC LỤC ....................................................................................................................... viii
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN ............................................................................................. 1
1.1. Giới thiệu về khí hậu Việt Nam ............................................................................. 1
1.2. Giới thiệu về hệ thống làm lạnh bay hơi và tách ẩm ............................................. 1
1.2.1. Giới thiệu về hệ thống .................................................................................. 1
1.2.2. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống ................................................................ 3
1.2.3. Nhận xét khả năng ứng dụng ở Việt Nam.................................................... 4
CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................... 6
2.1. Quá trình trao đổi nhiệt và ẩm giữa nước và không khí ........................................ 6
2.1.1. Quá trình bốc hơi của nước và ngưng tụ của không khí ẩm ........................ 6
2.1.2. Hệ số tạo ẩm , hệ số tỏa nhiệt α giữa nước và không khí ẩm .................... 7
2.1.3. Quá trình truyền khối giữa nước và không khí ẩm ...................................... 9
2.2. Làm lạnh bay hơi ................................................................................................. 12
2.2.1. Tổng quát ................................................................................................... 12
2.2.2. Phân loại ..................................................................................................... 13
2.2.2.1. Làm lạnh bay hơi trực tiếp ........................................................... 13
viii


2.2.2.2. Làm lạnh bay hơi gián tiếp........................................................... 16
2.2.2.3. Làm lạnh bay hơi hỗn hợp ........................................................... 17
2.3. Chất hút ẩm .......................................................................................................... 20
2.3.1. Tổng quát ................................................................................................... 20

2.3.2. Phân loại ..................................................................................................... 20
2.3.2.1. Chất hút ẩm rắn ............................................................................ 20
2.3.2.2. Chất hút ẩm lỏng .......................................................................... 22
2.3.2.3. So sánh ưu nhược điểm 2 loại chất hút ẩm .................................. 22
2.3.3. Công thức tính toán thiết kế ....................................................................... 22
CHƯƠNG III: TÍNH TẢI .............................................................................................. 24
3.1. Giới thiệu công trình ............................................................................................ 24
3.2. Tính tải theo phương pháp Carrier ...................................................................... 25
3.2.1. Cơ sở lý thuyết tính phụ tải ........................................................................ 25
3.2.2. Thông số thiết kế và điều kiện môi trường tác động vào công trình ......... 26
3.2.3. Tính toán các thành phần phụ tải ............................................................... 28
3.2.3.1. Nhiệt do bức xạ mặt trời truyền qua kính .................................... 28
3.2.3.2. Nhiệt hiện và nhiệt ẩn truyền qua kết cấu bao che ...................... 30
3.2.3.3. Nhiệt hiện tỏa ra do đèn chiếu sáng, nhiết tổn thất qua cửa sổ .... 32
3.2.3.4. Nhiệt hiện tỏa ra do máy móc ...................................................... 33
3.2.3.5. Nhiệt hiện và nhiệt ẩn do người tỏa ra ......................................... 33
3.2.3.6. Nhiệt hiện và nhiệt ẩn do gió tươi mang vào ............................... 34
3.2.3.7. Nhiệt hiện và nhiệt ẩn do không khí rò rỉ vào............................. 34
3.2.3. Bảng tổng kết phụ tải ................................................................................. 35
3.3. Kiểm tra lại bằng phần mềm Trane 700 .............................................................. 36
ix


3.3.1. Giới thiệu phần mền Trane 700 ................................................................. 36
3.3.2. Kết quả tính toán và nhận xét..................................................................... 41
CHƯƠNG: LỰA CHỌN VÀ TÍNH TOÁN SƠ ĐỒ CHO CÔNG TRÌNH ............... 42
4.1. Lựa chọn sơ đồ hệ thống cho công trình ............................................................. 42
4.2. Tính toán, xây dựng thiết kế hệ thống ................................................................. 49
4.2.1. Thiết bị làm lạnh bay hơi trực tiếp ............................................................. 49
4.2.2. Thiết bị hút ẩm ........................................................................................... 52

4.2.3. Thiết bị làm lạnh gián tiếp ......................................................................... 55
4.3. Xây dựng mô hình toán học bằng Matlab ........................................................... 60
4.3.1. Sơ đồ khối chương trình............................................................................. 60
4.3.2. Chương trình .............................................................................................. 61
4.3.2.1. Giao diện chương trình ................................................................ 61
4.3.2.2. Giải thuật chương trình ................................................................ 66
4.3.2.3. Ngôn ngữ lập trình ....................................................................... 67
4.3.2.4. Chạy chương trình và kết quả ...................................................... 67
CHƯƠNG V: THIẾT KẾ, CHỌN LỰA THIẾT BỊ PHỤ........................................... 69
5.1. Hệ thống cấp nhiệt hồi nguyên ............................................................................ 69
5.2. Hệ thống thông gió .............................................................................................. 72
CHƯƠNG VI: TÍNH TOÁN KINH TẾ KỸ THUẬT.................................................. 96
6.1. Dự trù kinh phí đầu tư cho sơ đồ hệ thống .......................................................... 96
6.2. Chi phí vận hành cho hệ thống ............................................................................ 98
6.3. Đánh giá kinh tế ................................................................................................... 99
6.4. Hướng phát triển luận văn và kết luận................................................................. 99
Tài liệu tham khảo ............................................................................................................. 100
x


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1. So sánh hiểu quả sử dụng ở 2 thành phố .................................................... 2
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống làm lạnh bay hơi và tách ẩm ............................. 3
Hình 1.3. Môi chất thải ra môi trường ........................................................................ 4
Hình 2.1. Quá trình bốc hơi và ngưng tụ giữa nước và không khí ............................. 6
Hình 2.2. Lớp không khí mỏng bao xung quanh bề mặt các hạt nước ....................... 6
Hình 2.3. Quá trình bay hơi và ngưng tụ nước ........................................................... 7
Hình 2.4. quá trình trao đổi nhiệt và ẩm đa biến ........................................................ 7
Hình 2.5. Truyền khối giữa nước và không khí ẩm .................................................... 9

Hình 2.6. Đồ thị biểu diễn trạng thái thay đổi của quá trình truyền khối giữa nước
và không khí ẩm ................................................................................................................ 10
Hình 2.7. Đồ thị thay đổi trạng thái không khí ẩm bằng làm mát bay hơi ............... 12
Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý làm lạnh bay hơi ............................................................ 12
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý làm lạnh bay hơi trực tiếp .............................................. 13
Hình 2.10. Đồ thị trình bày sự biến đổi trạng thái .................................................... 13
Hình 2.11. Mối quan hệ giữa lưu lượng nước, áp suất và đường kính lỗ phun ........ 15
Hinh 2.12. Mối quan hệ giữa độ ẩm và áp suất lỗ phun 1 ........................................ 15
Hình 2.13. Mối quan hệ giữa độ ẩm và áp suất lỗ phun 2 ....................................... 16
Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý làm lạnh bay hơi gián tiếp ........................................... 16
Hình 2.15. Đồ thị trạng thái 2 dòng không khí ......................................................... 17
Hình 2.16. Sơ đô trạng thái thay đổi không khí làm lành bay hơi hỗn hợp 1........... 18
Hình 2.17. Sơ đồ nguyên lý làm lành bay hơi hỗn hợp 1 ........................................ 18
iv


Hình 2.18. Sơ đồ thay đổi trạng thái làm lành bay hơi hỗn hợp 2 ............................ 19
Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý làm lành bay hơi hỗn hợp 2 ........................................ 19
Hình 2.20. Khả năng hút ẩm phụ thuộc vào áp suất riêng phần ............................... 21
Hình 2.21. Cân bằng vật chất cho quá trình hấp thụ................................................. 23
Hình 3.1 Vị trí công trình.......................................................................................... 24
Hình 3.2 Mặt bằng tổng thể ...................................................................................... 25
Hình 3.3. Kích thước không gian điều hòa mỗi tầng ................................................ 27
Hình 3.3 Kết quả tầng 2 tính bằng Trace 700 ........................................................... 37
Hình 3.3 Kết quả tầng 3 tính bằng Trace 700 ........................................................... 38
Hình 3.3 Kết quả tầng 4 tính bằng Trace 700 ........................................................... 39
Hình 3.3 Kết quả tầng 5 tính bằng Trace 700 ........................................................... 40
Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống theo phương án 1 ...................................... 43
Hình 4.2. Trạng thái thay đổi của không khí qua sơ đồ ............................................ 45
Hình 4.3. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống theo phương án 2 ...................................... 46

Hình 4.4. Trạng thái thay đổi của không khí qua sơ đồ ............................................ 48
Hình 4.5. Đồ thị thay đổi trạng thái không khí qua thiết bị lạnh bay hơi trực tiếp .. 50
Hình 4.6. Bản vẽ sơ bộ thiết bị hút ẩm ..................................................................... 53
Hình 4.7. Đồ thị thay đổi trạng thái không khí qua thiết bị lạnh bay hơi gián tiếp .. 56
Hình 4.8. Sơ đồ khối chương trình matlab ............................................................... 60
Hình 5.1. Ống gió ..................................................................................................... 74
Hình 5.2. Quạt gió.................................................................................................... 75
Hình 5.3. Miệng gió gắn trần .................................................................................... 75
Hình 5.4. Miệng gió gắn tường ................................................................................. 76
Hình 5.5. Mũi phun ................................................................................................... 76
v


Hình 5.6. Miệng thổi sàn và cầu thang ..................................................................... 76
Hình 5.7. Miệng thổi khe .......................................................................................... 77
Hình 5.8. Miệng thổi xoáy ........................................................................................ 77
Hình 5.9. Van điều chỉnh lưu lượng gió (VCD) ...................................................... 78
Hình 5.10. Van chặn lửa .......................................................................................... 78
Hình 5.11. Hộp tiêu âm ............................................................................................ 78
Hình 5.12. Sơ đồ bố trí thông gió cho mỗi tầng không gian điều hòa ...................... 82
Hình 5.13. Sơ đồ ống gió giản lượt........................................................................... 83
Hình 5.14. Sơ đồ kết quả tính lưu lượng tiết diện hệ thống thông gió ..................... 86
Hình 5.15 Sơ đồ kích thước ống gió ......................................................................... 87
Hình 5.16. Bọc tiêu âm các thiết bị lắp đặt trên trần giả .......................................... 92
Hình 5.17. Chi tiết ống rẻ nhánh ............................................................................... 93
Hình 5.18. Các dạng hộp tiêu âm.............................................................................. 94
Hình 5.19: Giảm chấn động các cụm máy đặt trên tầng lầu ..................................... 95

vi

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Mối quan hệ giữa tỉ số E và H .................................................................. 14
Bảng 2.2. Mối quan hệ giữa dn và Fn theo thực nghiệm .......................................... 14
Bảng 2.3. So sánh chất hút ẩm rắn và chất hút ẩm lỏng ........................................... 22
Bảng 3.1. Thông số thiết kế và điều kiện môi trường tác động ................................ 27
Bảng 3.2. Bảng tính toán phụ tải của mỗi tầng ......................................................... 35
Bảng 4.1. Kích thước, thông số thiết bị làm lạnh bay hơi trực tiếp .......................... 52
Bảng 4.2. Kích thước, thông số thiết bị tách ẩm ...................................................... 55
Bảng 4.3. Kích thước, thông số thiết bị làm lạnh bay hơi gián tiếp ......................... 59
Bảng 5.1. Kích thước, thông số thiết bị hồi nguyên dung dịch hút ẩm .................... 73
Bảng 5.2. Kết quả tính toán cở ống 1 ....................................................................... 84
Bảng 5.3. Kết quả tính toán cở ống 2 ....................................................................... 85
Bảng 6.1. Chi phí đầu tư cho hệ thống ĐHKK bằng phương pháp LLBH và tách ẩm
bằng chất hút ẩm ................................................................................................................ 97
Bảng 6.2. Chi phí đầu tư cho hệ thống ĐHKK bằng phương pháp làm lạnh bằng
máy nén hơi ....................................................................................................................... 97
Bảng 6.3. Chi phí vận hành 2 hệ thống..................................................................... 98

vii


Chương I: Tổng quan

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
1.1. Giới thiệu khí hậu Việt Nam:
Ngày nay, nước ta là nước chịu sự ảnh hưởng lớn nhất trong việc thế giới bị biến đổi
khí hậu, do các hậu quả mà con người chúng ta đã và đang làm hiện nay. Dù khí hậu
những năm gần đây của nước ta có nhiều biến đổi nhưng đặc điểm khí hậu của Việt Nam
nước ta vẫn là vùng khí hậu nhiệt đới nên khí hậu rất nóng và ẩm. Lãnh thổ nước ta trải

dài từ 23o23’ Bắc đến 8o27’ Bắc. Có bờ biển khác dài, đồng bằng ven biển khác nhỏ, đồi
núi cao. Và đặc biệt khu vực phía Nam, nằm gần xích đạo, chỉ có 2 mùa: nắng và mưa.
Vào mùa nắng, chịu ảnh hưởng của gió mùa tây bắc, nhận lượng bức xạ mặt trời khá lớn.
Thành phố Hồ Chí Minh, ở vĩ độ 10o52’ Bắc, nằm gần xích đạo, nằm gần vùng biển. Vì
thế mà nhiệt độ và độ ẩm khác cao. Nhiệt độ trung bình của tháng lớn nhất trong năm vào
khoảng 34oC. Nhiệt độ cao nhất trong năm có thể đạt được hiện nay là 40oC. Độ ẩm trung
bình năm là 74-80%.
1.2. Giới thiệu về hệ thống làm lạnh bay hơi và tách ẩm:
1.2.1. Giới thiệu về hệ thống:
Hệ thống làm lạnh bay hơi và tách ẩm bằng chất hút ẩm, làm phương pháp xử lý
không đã được ra đời từ lâu. Cách không xa phương pháp xử lý không khí thông thường
là sử dụng máy lạnh máy nén hơi. Do trước đây, hạn chế về mặt kỹ thuật của chất hút ẩm,
đã ngăn chặn sự thành công của việc kết hợp hệ thống này. Kích thước hệ thống to, hiệu
suất hút ẩm không đáp ứng được bài toán kỹ thuật. Làm cho trong một thời gian dài, hệ
thống này bị tách riêng là hệ thống làm lạnh bay hơi sử dụng cho các vùng có khí hậu
khô, độ ẩm tương đối trong không khí khảo sát thấp, và hệ thống hút ẩm bằng chất hút
ẩm kết hợp với máy lạnh máy nén hơi, nhằm đáp ứng nhu cầu cao của không gian điều
hòa về độ ẩm.
Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, chất hút ẩm lỏng, sử dụng năng
lượng mặt trời được biết đến. Nó đã tạo nên một bước tiến mới, mở đường cho một công
cuộc cách mạng trong việc xử lý không khí. Hệ thống làm lạnh bay hơi và tách ẩm bằng
chất hút ẩm lỏng, được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu lại, và chế tạo thành
công một hệ thống gọn nhỏ. Đi đầu là trung tâm nghiên cứu tái tạo năng lượng NREL (
National Renewable Enegry Laboratory ) thuộc cơ quan quốc gia Hoa Kỳ đã chế tạo
thành công hệ thống này và được công bố trên các bài báo khoa học vào tháng 07/2012.
Sau đây là 1 đoạn trích của bài báo đánh giá khả năng hiểu quả sử dụng của hệ thống
này:

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

1


Chương I: Tổng quan
“Theo Eric Kozubal, nhà đồng sáng chế hệ thống DEVap, DEVap sẽ sử dụng ít hơn
từ 50 đến 90% năng lượng so với các máy điều hòa nhiệt độ thông thường. Các máy điều
hòa truyền thống sử dụng rất nhiều điện để thực hiên quá trình làm lạnh, trong khi đó
DEVap thay thế quy trình làm lạnh bằng quy trình hập thụ. Chất làm khô có thể được tái
sử dụng bằng cách nung nóng để làm bay hơi lượng nước hâp thụ vì vậy, hệ thống
DEVap có thể hoạt động bằng khí gas tự nhiên hoặc năng lượng mặt trời. Ngoài ra, ưu
điểm của DEVap là không sử dụng chất làm lạnh truyền thống Chlorofluorocacbon (khí
CFC) hay Hydrochlorofluorocacbon (HCFC) gây ô nhiễm môi trường. Như đã biết, cứ
mỗi nửa kg CFC hay HCFC tương đương gần 1 tấn Cacbon dioxit (CO2) và mỗi máy
điều hòa trong gia đình có khoảng 6 kg chất làm lạnh này. Chất làm lạnh thải ra tương
đương với việc đốt cháy khoảng 5000 lít xăng. Do đó, thay vì sử dụng CFC hay HCFC,
hệ thống sử dụng phương pháp làm lạnh bay hơi và chất làm khô bằng muối Lithi clorua
và Canxi clorua vô hại.” (1).
Với thành công trên, hệ thống này đang được tiếp nghiên cứu tối ưu hóa, tiếp thị thị
trường. Hiện nay, đã có rất nhiều nước sử dụng nó và cho thấy hiểu quả tiết kiệm năng
lượng rõ rệt. Ta có biểu đồ dẫn chứng cho hệ thống này ở 2 thành phố nóng nhất ở Hoa
Kỳ theo tài liệu [29] sau:

Hình 1.1. So sánh hiểu quả sử dụng ở 2 thành phố
Vậy tại sao hệ thống này lại tiết kiệm năng lượng cao đến thế, ta tìm hiểu tiếp sơ đồ
nguyên lý cấu tạo của nó như sau.

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

2

Chương I: Tổng quan
1.2.2. Sơ đồ nguyên lý, cấu tạo hệ thống:
Hệ thống là tổng hợp các thiết làm mát bay hơi và tháp hấp thụ hút ẩm, bình hồi
nguyên sử dụng năng lượng mặt trời, tận dụng nhiệt thải tại địa phương. Ta có sơ đồ đơn
giản như sau:

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Nhìn vào sơ đồ trên, ta thấy hệ thống khác với hệ thống máy lạnh máy nên hơi hiện
nay là, hệ thống chỉ sử dụng bơm, bơm nước và bơm dung dịch, quạt hút không khí. Các
thiết bị này hoạt động tiêu tốn công rất là ít so với công nén của máy nén máy lạnh máy
nén hơi. Ngoài ra, trong hệ thống có thiết bị cấp nhiệt, nó sử dụng nhiệt từ nguồn năng
lượng mặt trời, nguồn năng lượng miễn phí và lâu dài.
Vì vậy mà hệ thống này tiết kiệm năng lượng để hoạt động nó rất nhiều so với máy
lạnh máy nén hơi.
Các môi chất hoạt động trong hệ thống hoàn toàn sạch, nên về hiệu quả an toàn môi
trường là cao. Với chất công tác được thải ra ngoài chỉ là không khí ô nhiễm do không
gian điều hòa thải ra. Mà không khí này thì chỉ nhiều CO2 do con người thải ra, nên tác
hại cho môi trường là không đáng kể.

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

3


Chương I: Tổng quan

Hình 1.3. Môi chất thải ra môi trường
1.2.3. Đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống vào điều kiện khí hậu Việt Nam:
Trong những năm gần đây, trước thực trạng ô nhiễm môi trường và nguồn năng

lượng tự nhiên đang ngày càng cạn dần thì vấn đề bảo vệ môi trường và sử dụng hiệu quả
năng lượng là những vấn đề bức bách được cả thế giới quan tâm.
Việt Nam nước ta, cùng với sự phát triển kinh tế của cả nước, nhu cầu về kỹ thuật
lạnh nói chung và điều hòa không khí nói riêng là nhu cầu không thể thiếu được trong sự
nghiệp hiện đại hóa và công nghiệp hóa đất nước. Hầu hết tất cả các cao ốc văn phòng,
siêu thị, nhà hàng, nhà ga sân bay, một số xưởng sản xuất, . Đã và đang được xây dựng
đều được trang bị hệ thống điều hòa không khí nhằm tạo ra môi trường tiện nghi cho con
người. Trong đó chủ yếu là sử dụng máy lạnh có máy nén hơi cùng với các tác nhân lạnh

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

4


Chương I: Tổng quan
thuộc lọai tổng hợp hóa học. Máy lạnh có máy nén hơi đã thống trị kỹ thuật lạnh trong
suốt một thời gian dài bởi vì so với các nguyên lý làm lạnh khác thì nó tỏ ra hiệu quả hơn,
tiện lợi và gọn nhẹ hơn nhiều.
Nhưng với các thành quả của hệ thống làm lạnh bay hơi và tách ẩm hiện nay. Việc
thay thế các hệ thống cũ để sử dụng năng lượng hiệu quả, góp phần bảo vệ môi trường.
Chống lại biến đổi khí hậu. ta thấy đây là phương án rất hiểu quả.
Xét về tính kỹ thuật, nước ta có khí hậu nhiệt đới, nhiệt độ và độ ẩm cao, nên hệ
thống kết hợp làm lạnh bay hơi và tách ẩm bằng chất hút ẩm là hiệu quả nhất trong việc
xử lý không khí ở nước ta.
Vậy Luận Văn sẽ trình bày, tính toán thiết kế 1 hệ thống với phương án tối ưu phù
hợp với môi trường công trình. Nhằm đánh giá khả năng ứng dụng hệ thống Việt Nam ta
là phù hợp, hiểu quả cao, tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường.

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

5


Chương II: Cơ sở lý thuyết

CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Quá trình trao đổi nhiệt và ẩm giữa nước và không khí ẩm:
2.1.1. Quá trình bốc hơi và ngưng tụ giữa nước và không khí ẩm:
- Khảo sát một không gian gồm không khí ẩm và nước tiếp xúc trực tiếp với nhau.
Ta thấy một bộ phận nước có thể bay hơi vào không khí, hoặc ngược lại nước là tác nhân là
cho một bộ phận nước có trong không khí bị ngưng tụ lại.
Hạt nước
Không khí

Hình 2.1. Quá trình bốc hơi và ngưng tụ giữa nước và không khí
- Để khảo sát quá trình bốc hơi và ngưng tụ giữa nước và không khí ta thông qua
khác niệm: “ lớp không khí mỏng bao xung quanh bề mặt các hạt nước ”. Đặc điểm lớp
không khí mỏng này luôn ở trạng thái bão hòa và có nhiệt độ bằng nhiệt độ của các hạt nước.

Hạt nước

Lớp mỏng
không khí

Hình 2.2. Lớp không khí mỏng bao xung quanh bề mặt các hạt nước

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

6

Chương II: Cơ sở lý thuyết
- Nếu phân áp suất hơi nước pHA trong không khí ẩm đang khảo sát lớn hơn phân
áp suất hơi nước trong lớp không khí mỏng bao xung quanh bề mặt các hạt nước đang khảo
sát pBH thì hơi nước trong không khí sẽ bị ngưng tụ lại quanh hạt nước và ngược lại phân áp
suất hơi nước pHA trong không khí ẩm đang khảo sát nhỏ hơn phân áp suất hơi nước trong lớp
không khí mỏng bao xung quanh bề mặt các hạt nước đang khảo sát pBH thì nước trong lớp
không khí mỏng bao quanh các hạt nước sẽ bay hơi vào không khí ẩm đang khảo sát.

Không khí ẩm bay hơi

Không khí ẩm ngưng tụ

Hình 2.3. Quá trình bay hơi và ngưng tụ nước
- Không khí sẽ nhã nhiệt hiện nếu nhiệt độ của không khí ẩm lớn hơn nhiệt độ
nước phun vào, không khí sẽ nhận nhiệt hiện nếu nhiệt độ của không khí ẩm nhỏ hơn nhiệt
độ của nước phun vào.
2.1.2. Hệ số tạo ẩm , hệ số tỏa nhiệt α giữa nước và không khí ẩm:
2.1.2.1. Hệ số tạo ẩm  giữa nước và không khí:
Xét quá trình trao đổi ẩm giữa nước và không khí trong đồ thị sau:
d

3

2

φ = 100%
1
t

Hình 2.4. quá trình trao đổi nhiệt và ẩm đa biến

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

7


Chương II: Cơ sở lý thuyết
Ta có khái niệm hệ số tạo ẩm: là tỉ số giữa hiệu entanty trạng thái không khí ẩm
biển đổi thành với entanpy mà không khí đạt trạng thái bão hòa so với trạng thái ban đầu.
=

𝐼𝐵 −𝐼𝐴
𝐼𝐶 −𝐼𝐴

=

𝑑 𝐵 − 𝑑𝐴
𝑑 𝐶 − 𝑑𝐴

Dựa vào hệ số tạo ẩm ta có thể xác định được mức độ hiệu quả hoạt động của thiết
bị trao đổi ẩm giữa nước và không khí. Nếu  càng gần bằng 1 thì hiệu quả càng cao, làm
nhiệt độ không khí ẩm giảm đi nhiều và ẩm tăng lên cao. Ngược lại thì  càng bé thì nhiệt độ
không khí giảm ít và ẩm tăng ít.
2.1.2.2. Hệ số tỏa nhiệt giữa nước và không khí:
Quá trình trao đổi nhiệt giữa nước và không khí gồm dẫn nhiệt và tỏa nhiệt đối
lưu.
Ta có phương trình trao đổi nhiệt giữa nước và không khí như sau:
𝜆

q = .( ts – tw )

(W/m2)

q = α.( ts – tw )

(W/m2)

𝛿

hay

α=

𝜆

(W/m2.K)

𝛿

Vì màng nước ngưng hay các hạt nước có xu hướng rơi xuống theo trọng lực ta có
phương trình vi phân xác định chuyển động của các hạt nước có dạng đơn giản sau:
g.(ρf – ρh) + μ.

𝜕 2 𝜔𝑥
𝜕𝑦 2

=0

Trong phương trình này lực trọng trường tác dụng lên một đơn vị thể tích chất

lỏng ngưng là (ρf – ρh) phải cân bằng với lực nhớt tác dụng lên các bề mặt giới hạn của thể
tích màng nước. Lực quán tính luôn luôn gắn liền với gia tốc chuyển động, nhưng với những
giả thiết ở trên đã nêu, do đó trị số này rất bé và có thể bỏ qua. Ta tìm được tốc độ màng
nước với mặt cắt ngang x:
ωx =

g.(ρ𝑓 – ρℎ)
2𝜇

.y2 + C1y + C2

(m/s)

Các hằng số tích phân C1 và C2 xác định được theo điều kiện biên:
Khi y = 0, ωx = 0
y = δ,

𝜕𝜔𝑥
𝜕𝑦

=0

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

8


Chương II: Cơ sở lý thuyết
Ta tìm được: C1 = 0; C2 =
Suy ra : ωx =

g.(ρ𝑓 – ρℎ )
2𝜇

g.(ρ𝑓 – ρℎ)
𝜇

.(𝑦. 𝛿 −

𝑦2
2

.δ

)

(m/s)

Lưu lượng nước ngưng của hạt nước đi qua tiết diện cắt ngang trong 1 đơn vị thời
gian khi diện tích 1 hạt nước được tính bằng một đơn vị như sau:
𝛿

G = ρf∫𝑜 𝜔𝑥 𝑑𝑦 = ρfϖxδ =

g.(ρ𝑓 – ρℎ ) 3
δ
3𝜈

Từ các phương trình trên ta tính được chiều dày của màng nước ngưng quanh hạt nước:
3

3𝐺𝜈

δ= √
𝑔(𝜌

𝑓 − 𝜌ℎ )

Vậy hệ số tỏa nhiệt: α =

𝜆
3

3𝐺𝜈

(m)

(W/m2.K)

√𝑔(𝜌 − 𝜌 )
𝑓
ℎ

2.1.3. Quá trình truyền khối giữa nước và không khí ẩm:
2.1.3.1. Sơ đồ truyền khối:
Nước

Không khí
vào

t1
I1
d1

t2
I2
d2

Bơm

Hình 2.5. Truyền khối giữa nước và không khí ẩm
Nếu gọi lưu lượng không khí khô vào và ra khỏi hệ là Gk1 và Gk2, lượng hơi nước
phun vào Gw , lượng không khí ẩm đi vào và ra là Gh1 và Gh2
Ta có:
Phương trình cân bằng vật chất :
Gk1 = Gk2 = Gk
Gh1 + Gw = Gh2
Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

9


Chương II: Cơ sở lý thuyết
Mà

Gh1 = d1.Gk và Gh2 = d2.Gk

Suy ra: d2 = d1 +

𝐺𝑤

𝐺𝑘

hoặc

𝐺𝑤
𝐺𝑘

= d2 – d1

Phương trình cân bằng năng lượng:
Gk.(cp1.t1 + d1.ih1) + Gw.ih3 = Gk.(cp2.t2 + d2.ih2)
Ta xem nhiệt dung riêng là hằng số và xem không khí là khí lý tưởng và chia cả 2 vế
phương trình cho Gk ta có phương trình :
t1 – t2 + d1. ih1 + (d2 – d1). ih3 – d2.ih2 = 0
2.1.3.2. Các dạng truyền khối:

Độ chứa hơi

Ta có 7 loại hình truyền khối như đồ thị sau:

1
2
3

B

4
5
6
7

φ = 100%

A

Nhiệt độ

Hình 2.6. Đồ thị biểu diễn trạng thái thay đổi của quá trình truyền khối giữa nước và không
khí ẩm.
Gọi A và B là trạng thái vào và ra khỏi bộ làm mát bay hơi
tw là nhiệt độ nước vào buồng công tác.
Trường hợp 1: Đường A-1( tw > tA ) : Trong trường hợp này nhiệt độ của nước tw
lớn hơn nhiệt độ khô của không khí ẩm tA. Sau khi đi qua buồng công tác nhiệt độ và độ
chứa hơi của không khí tăng lên. Vậy là do nhiệt độ của nước lớn, mang lượng nhiệt hiện lớn
hơn nên không khí ẩm nhận nhiệt ẩn và nhiệt hiện từ nước.

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

10


Chương II: Cơ sở lý thuyết
Trường hợp2: Đường A-2 (tw = tA ): Trong trường hợp này nhiệt độ của nước tw
bằng nhiệt độ khô của không khí ẩm tA. Sau khi đi qua buồng công tác chỉ có độ chứa hơi của
không khí tăng lên. Vậy là do nhiệt độ của nước bằng nhiệt độ khô không khí ẩm, mang
lượng nhiệt hiện bằng nhau nên không khí ẩm chỉ nhận nhiệt ẩn từ nước.
Trường hợp 3: Đường A-3(tưA < twlớn hơn nhiệt độ nhiệt kết ướt tưA của không khí ẩm và nhiệt độ khô tA của không khí ẩm.
Sau khi đi qua buồng công tác nhiệt độ của không khí ẩm giảm 1 phần nhỏ và độ chứa hơi
của không khí tăng lên. Vậy là do nhiệt độ của nước nhỏ hơn nhiệt độ khô của không khí ẩm,
mang lượng nhiệt hiện nhỏ hơn nên không khí ẩm nhả nhiệt hiện và nhận nhiệt ẩn từ nước.

Trường hợp 4: Đường A-4(tw = tưA) Trong trường hợp này nhiệt độ của nước tw
bằng nhiệt độ nhiệt kế ướt tưA của không khí ẩm. Sau khi đi qua buồng công tác nhiệt độ của
không khí ẩm giảm và độ chứa hơi của không khí tăng lên. Vậy là do nhiệt độ của nước nhỏ
hơn nhiệt độ khô của không khí ẩm, mang lượng nhiệt hiện nhỏ hơn nên không khí ẩm nhả
nhiệt hiện và nhận nhiệt ẩn từ nước. Ngoài ra đây là 1 quá trình trao đổi nhiệt đoạn nhiệt vì
lượng nhiệt ẩn nhận vào bằng lượng nhiệt hiện nhả ra.
Trường hợp 5: Đường A-5(tđsA < tw < tưA) Trong trường hợp này nhiệt độ của
nước tw lớn hơn nhiệt độ đọng sương tđsA và nhỏ hơn nhiệt độ nhiệt kế ước tưA của không
khí ẩm tA. Sau khi đi qua buồng công tác nhiệt độ của không khí ẩm giảm và độ chứa hơi
của không khí ẩm tăng lên 1 phần nhỏ. Vậy là do nhiệt độ của nước nhỏ hơn nhiệt độ khô của
không khí ẩm, mang lượng nhiệt hiện nhỏ hơn nên không khí ẩm nhả nhiệt hiện và nhận
nhiệt ẩn từ nước.
Trường hợp 6: Đường A-6(tw = tđsA) Trong trường hợp này nhiệt độ của nước tw
bằng nhiệt độ đọng sương tđsA của không khí ẩm. Sau khi đi qua buồng công tác nhiệt độ của
không khí ẩm giảm xuống nhưng độ chứa hơi không giảm. Vậy là do nhiệt độ của nước nhỏ
hơn nhiệt độ khô của không khí ẩm, mang lượng nhiệt hiện nhỏ hơn nên không khí ẩm nhả
nhiệt hiện và áp suất riêng phần của không khí ẩm bằng áp suất bão hòa của nước nên không
khí ẩm không nhận nhiệt ẩn. Ta gọi đây là quá trình làm mát khô.
Trường hợp 7: Đường A-7(twnhỏ hơn nhiệt độ đọng sương tđsA của không khí ẩm. Sau khi đi qua buồng công tác nhiệt độ
và độ chứa hơi của không khí ẩm giảm xuống. Vậy là do nhiệt độ của nước nhỏ, mang lượng
nhiệt hiện nhỏ hơn, áp suất riêng phần của không khí ẩm lớn hơn áp suất bão hòa cảu nước
nên không khí ẩm nhả nhiệt ẩn và nhiệt hiện cho nước.

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

11


Chương II: Cơ sở lý thuyết

2.2. Làm lạnh bay hơi
2.2.1. Tổng quát:
Khi cho không khí ẩm tiếp xúc trực tiếp với các bề mặt ẩm ướt hoặc các hạt nước
đã được tán sương. Ta thấy một bộ phận nước trong các bề mặt ẩm ướt, các hạt nước bay hơi
vào không khí ẩm. Làm giảm nhiệt độ không khí ẩm và tăng độ ẩm trong không khí ẩm lên.
Ta gọi quá trình này là quá trình làm mát bay hơi ( hay làm lạnh bay hơi ).
d

3

2

φ = 100%
1
t

Hình 2.7. Đồ thị thay đổi trạng thái không khí ẩm bằng làm mát bay hơi
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống làm mát bay hơi:
Đường ống nước

Nước tán sương
Quạt

Không khí
vào

Không khí
ra

Bơm

Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý làm lạnh bay hơi

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

12


Chương II: Cơ sở lý thuyết
2.2.2. Phân loại:
2.2.2.1. Làm lạnh bay hơi kiểu trực tiếp:
- Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý làm lạnh bay hơi trực tiếp
+ Bộ trao đổi nhiệt và ẩm giữa nước và không khí được làm từ các loại vật liệu
có tính ẩm ướt cao, ví dụ như xốp, vải bông, bông…

Độ chứa hơi

+ Không khí đi qua bộ trao đổi nhiệt và ẩm. Do tiếp xúc trực tiếp với nước nên
dẫn nhiệt qua 1 phần cho nước, đồng thời do quá trình ngưng tụ nên nhả nhiệt cho nước và
nhận ẩm. Làm không khí sau khi đi ra giảm nhiệt độ đến gần bằng nhiệt độ của nước và ẩm
độ tăng lên gần trạng thái bão hòa.

3
φ = 100%

2

1

Nhiệt độ

t3 t2

t1

Hình 2.10. Đồ thị trình bày sự biến đổi trạng thái

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

13


Chương II: Cơ sở lý thuyết
- Công thức tính toán và đánh giá hiệu quả thiết bị:
Để đánh giá hiệu quả của thiết bị làm mát bay hơi trực tiếp, ta sử dụng hệ số tạo ẩm , tỉ
số E là tỉ số giữa lưu lượng khối lượng nước và không khí đi vào thiết bị và tỉ số H là tỉ số
entanpy giữa hiệu entanpy vào, ra của không khí và entanpy không khí vào với entanpy nước
vào thiết bị.
E = ṁw / ṁa
ṁw : Lưu lượng khối lượng của nước vào thiết bị, kg/s
ṁa : Lưu lượng khối lượng của không khí vào thiết bị, kg/s
H=

𝐼1 −𝐼2
𝐼1 −𝐼𝑊1

I1: entanpy của không khí vào thiết bị, kJ/kg kkk
I2: entanpy của không khí ra thiết bị, kJ/kg kkk
IW1: entanpy của nước vào thiết bị, kJ/kg

Ta có phương trình cân bằng năng lượng giữa nước vào không khí ẩm:
ṁa.(I1 – I2) = ṁw.c.(tw2 – tw1)
(I1 – I2) = E.c.(tw2 – tw1)
Mối quan hệ giữa E và H ứng với thiết bị có 2 dãy ống phun ngược chiều nhau với đường
kính lỗ phun từ 4,5mm đến 5,5mm theo bảng thực nghiệm sau:
Bảng 2.1.
E
H

0,8

0,85

0,9

0,95

1

1,05

1,1

1,15

1,2

1,25

1,3

1,35

1,4

1,45

1,5

1,55

1,6

0,435

0,46

0,475

0,487

0,5

0,515

0,53

0,54

0,55

0,565

0,575

0,59

0,6

0,61

0,62

0,63

0,64

- Theo kết quả thực nghiệm ta thấy hiệu quả trao đổi nhiệt và ẩm giữa nước và
không khí phụ thuộc vào đướng kính dn của các hạt nước. Gọi Fn là tổng diện tích bề mặt bên
ngoài của các hạt nước ứng với 1 kg nước được phun vào. Ta có bảng chỉ mối quan hệ giữa
dn và Fn theo thực nghiệm như sau:
Bảng 2.2.
dn, mm
Fn, m2

0,05
120

0,1
60

0,2
30

0,3
20

Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

0,4
15

0,5
12

0,8
7,5

14


Chương II: Cơ sở lý thuyết
Ta thấy đường kính hạt nước càng bé thì diện tích bề mặt tiếp xúc bên ngoài của
các hạt nước càng lớn. Nhiệt và ẩm trao đổi càng lớn.
Để thuận tiện cho quá trình tính toán, cần lưu ý thêm 1 số đồ thị được trình bày
dưới đây:
600

Lưu lượng nước đi qua lỗ phun, kg/h

500
400

300

200

100
0,5

0,6

0,7

0,8 0,9

2
3
3,5
2,5
Áp suất nước ở lỗ phun, at

1,5

1

Hình 2.11. Mối quan hệ giữa lưu lượng nước, áp suất và đường kính lỗ phun
φ2,%

95

90
85
80
75
20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

φ1,%

Hinh 2.12. Mối quan hệ giữa độ ẩm và áp suất lỗ phun 1
Luận Văn Tốt Nghiệp - GVHD: GS.TS Lê Chí Hiệp

15