ĐIỀU KHIỂN bền VỮNG hệ THỐNG điều hòa KHÔNG KHÍ TRÊN cơ sở ỨNG DỤNG BIẾN tần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−−

NGÔ VĂN DUYÊN

ĐIỀU KHIỂN BỀN VỮNG HỆ THỐNG
ĐIỀU HÒA KHÔNG KHÍ TRÊN CƠ SỞ ỨNG DỤNG BIẾN TÀN

Chuyên ngành : KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. VS. TSKH. NGUYỄN VĂN MẠNH


Hà Nội – 2014

ii


LỜI CẢM ƠN
Em xin chân thành cảm ơn PGS.TSKH. Nguyễn Văn Mạnh đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này.
Em cũng xin cảm ơn các thầy, cô tận tình chỉ bảo, giúp đỡ em trong quá trình
nghiên cứu, học tập tại trường Đại học Bách khoa Hà Nội.
Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các cán bộ quản lý vận hành nhà
máy của công ty TNHH Nam Dược đã nhiệt tình giúp đỡ, tạo điều kiện tốt cho tôi
tìm hiểu và lấy số liệu thực tế tại công trình.

Em xin chân thành cảm ơn!

2


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng, Bản luận văn dưới đây là do chính tôi tính toán, thiết
kế và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh.
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục
tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác không được ghi.
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

HỌC VIÊN THỰC HIỆN

NGÔ VĂN DUYÊN

2


MỤC LỤC
Trang phụ bìa……………………………………………………………………2
Mục lục………………………………………………………………………….4
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt…………………………………………5
Danh mục các hình vẽ , đồ thị…………………………………………………...7
LỜI NÓI ĐẦU………………………………………………………………...10
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỐI TƯỢNG VI KHÍ HẬU
1.1 Vi khí hậu và điều hòa không khí………………………………………...12
1.1.1 Vi khí hậu…………………………………………………………12
1.1.2 Điều hòa không khí……………………………………………….12
1.1.3 Tính chất nhiệt động của không khí ẩm……………………….….13

1.1.4 Đồ thị trạng thái của không khí ẩm……………………………….14
1.2 Các quá trình nhiệt ẩm không khí………………………………………...15
1.2.1 Các quá trình nhiệt ẩm……………………………………………15
1.2.2 Các phương pháp và thiết bị xử lý không khí ……………………17
1.3. Giới thiệu về phòng sạch được sử dụng trong nhà máy dược……………..24
1.3.1. Áp suất phòng (Room Pressurization)……………………………..26
1.3.2. Độ sạch (Cleanliness):……………………………………………..27
1.3.3. Nhiễm chéo (Cross-Contamination):………………………………27
1.4.Kết luận…………………………………………………….………………28
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VKH VÀ CÔNG NGHỆ BIẾN
TẦN
2.1. Giới thiệu chung…………………………………………...………………30
2.2 Các hệ thống điều khiển vi khí hậu thường gặp…………………………..33
2.2.1 Điều khiển quá trình đốt nóng không khí…………………………33
2.2.2 Điều khiển quá trình đốt nóng sơ bộ không khí………………….34
2.2.3. Điều khiển quá trình phun ẩm…………………………………….36

2


2.2.4 Điều khiển quá trình làm lạnh không khí………………………….37
2.2.5. Điều khiển quá trình hút ẩm…………………………………… …39
2.2.6. Điều khiển quá trình đốt nóng, làm lạnh, tăng ẩm, hút ẩm………..41
2.3.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ máy nén…………………….42
2.3.1 Phân loại động cơ máy nén…………………………………….…42
2.3.2.Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ………………..……46
2.4. Nguyên lý và quy luật điều chỉnh tốc độ khi thay đổi tần số…… ……….46
2.5. Các bộ biến tần dùng để điều chỉnh tốc độ động cơ máy nén…… ……….47
2.6. Sơ đồ khối bộ biến tần và nguyên lý làm việc.……………………………48
2.6.1.Sơ đồ khối..........................................................................................48

2.6.2.Nguyên lý làm việc............................................................................48
2.6.3.Chức năng cơ bản của biến tần…………………………...………..50

2.6.4 Quy luật tỷ lệ - tích phân - vi phân ứng dụng trong biến tần....51
2.7. Hệ thống điều khiển trong ĐHKK nhà máy Nam Dược……………….….52
2.7.1 Khái niệm hệ thống điều khiển vi khí hậu nhiều chiều....................52
2.7.2. Mô tả chung hệ thống điều khiển…………….……………………52
2.7.3. Nguyên lý hoạt động hệ CHILLER……………………………….54
2.7.4. Nguyên lý hoạt động hệ AHU……………………………………..54
2.7.5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển………….…………………..57
2.8. Kết luận……………………………………………………………………58
CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP TỔNG HỢP HỆ THỐNG THEO QUAN
ĐIỂM BỀN VỮNG
3.1 Các chỉ tiêu chất lượng điều khiển……………………………………..…59
3.1.1 Khái niệm chất lượng quá trình điều khiển…………………….…59
3.1.2 Các chỉ tiêu chất lượng trực tiếp………………………………….59
3.1.3 Đánh giá chất lượng điều chỉnh theo chỉ tiêu tích phân………......63
3.2 Khái niệm chung về tổng hợp bền vững tối ưu………………………...…64

3


3.3 Cấu trúc bền vững cao của hệ thống điều khiển…………………….……66
3.4 Hệ thống điều chỉnh bền vững………………………………………….…68
3.4.1 Cấu trúc tựa bền vững của bộ điều chỉnh và hệ thống……………68
3.4.2 Chỉ số dao động mềm………………………………………….…69
3.4.3 Xác định tham số θ tối ưu của bộ điều chỉnh bền vững…….….…70
3.4.4 Tăng cường khả năng kháng nhiễu cho bộ điều khiển…………...71
3.5.Kết luận…………………………………………………………………….72
CHƯƠG 4: TỔNG HỢP BỘ ĐIỀU CHỈNH BỀN VỮNG VKH

4.1 Đặc điểm và ý nghĩa của bài toán điều khiển VKH………………….……76
4.2 Mô hình hóa đối tượng điều khiển VKH…………………………….……77
4.2.1 Xây dựng mô hình bằng phương pháp giải tích…………….……77
4.2.2 Xây dựng mô hình đối tượng trên cơ sở phương pháp nhận dạng số
liệu……………………………………………………………………………...78
4.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh VKH theo quan điểm bền vững …………………78
4.3.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển…………………………………..78
4.3.2. Giới thiệu phần mềm thiết kế CASCAD…………………...........79
4.3.3. Xử lý số liệu vận hành trên CASCAD…………………………...80
4.3.3.1. Hệ thống điều khiển nhiệt độ……………...……………80
4.3.3.2. Hệ thống điều khiển độ ẩm……………………………..89
4.4 Kết luận……………………………………………………………………97
KẾT LUẬN…………………………………………………………………….98
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………...99
PHỤ LỤC…………………………………………………………………..…100

4


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

hiệu, chữ

Giải thích

viết tắt
ϕ
Gh
Gbh

độ ẩm tương đối, %
lượng hơi nước có chứa trong khối không khí ẩm,
lượng hơi nước cực đại chứa được trong khối không khí ở cùng

Gk
p
pbh

trạng thái
lượng không khí khô có trong không khí ẩm đó.
áp suất khí quyển
phân áp suất hơi nước khi khối không khí đạt trạng thái bão hòa ở

ph
t
d
µ
λ
O(S)
L(S)
R(S)
H(S)
K
Ti
n
τ
P
I

cùng nhiệt độ

phân áp suất hơi nước có trong khối không khí ẩm
nhiệt độ không khí,
độ chứa hơi, kg/kg, g/kg
Tín hiệu tác động điều chỉnh
Tín hiệu nhiễu
Hàm truyền của đối tượng theo kênh điều chỉnh
Hàm truyền của đối tượng theo kênh nhiễu
Bộ điều chỉnh
Hàm truyền của hệ hở
hệ số truyền
hằng số quán tính
bậc quán tính
trễ vận tải
tỷ lệ
tích phân

Ký hiệu,
chữ viết tắt
D
PID
ψ

Giải thích
vi phân
tỷ lệ - tích phân - vi phân
hệ số tắt dần

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

STT

Tên hình vẽ, đồ thị

1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
2.1
2.2
2.3
2.4
2.5

Đồ thị I-d
Đồ thị t-d
Các quá trình xử lý nhiệt ẩm
Các loại dàn lạnh không khí
Thiết bị buồng phun
Quạt nước

Hệ thống van đảo chiều
Thanh điện trở và cách lắp trên đường ống
Hộp phun hơi ẩm bão hòa
Các thông số yêu cầu về phòng sạch
Bộ lọc HEPA
Các nguyên nhân gây nhiễm chéo
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển điều hòa không khí
Đồ thị sóng so sánh giữa hệ Inverter và Non Inverter
Mô tả mức điều chỉnh năng lương.
Điều khiển đốt nóng không khí từ tín hiệu không khí cấp
Điều khiển dàn nóng từ nhiệt độ không khí cấp có thay đổi giá trị điểm

2.6
2.7
2.8
2.9
2.10
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
2.23

2.24

đặt
Điều khiển đốt sơ bộ không khí từ tín hiệu nhiệt độ sau bộ đốt sơ bộ
Điều khiển đốt sơ bộ và cửa gió hỗn hợp
Điều khiển phun ẩm
Điều khiển van nước lạnh 3 ngả
Điều khiển 2 vị trí van tiết lưu
Điều khiển 2 vị trí dàn bay hơi hoặc dàn nước
Điều khiển tỷ lệ van nước
Điều khiển đốt nóng, làm lạnh, tăng ẩm, giảm ẩm
Động cơ roto lồng sóc.
Đặc tính khởi động của động cơ roto lồng sóc.
Đặc tính dòng khởi động.
Động cơ roto dây quấn.
Đặc tính khởi động của động cơ roto dây quấn
Cấu tạo động cơ DC
Hiệu suất của động cơ DC
Nguyên lý điều chỉnh tốc độ
Cấu trúc bộ biến tần gián tiếp a) và trực tiếp b).
Sơ đồ khối của biến tần.
Cấu trúc cơ bản của một bộ biến tần

6


2.25
2.26
2.27
3.1

3.2
3.3
3.4
3.5
3.6

3.10

Dạng sóng điện áp và dòng điện đầu ra của biến tần.
Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển
Đặc tính quá độ của hệ thống thay đổi giá trị đặt và khi có nhiễu bậc thang
Các dạng đặc tính quá độ
Dạng sai số điều chỉnh và khả năng áp dụng chỉ tiêu tích phân tuyến tính
Sai số điều chỉnh bình phương của hệ thống theo kênh đặt và kênh nhiễu
Sơ đồ hệ thống điều khiển điển hình
Sự phân bố các nghiệm của phương trình đặc tính hệ thống
Cấu trúc của bộ điều chỉnh bền vững lý tưởng
Đường biên mềm trên mặt phẳng nghiệm
Đặc tính mềm của hệ hở với hàm truyền H ( s ) = e − τs θs
Đồ thị sai số điều chỉnh bình phương của hệ thống xét theo kênh điều

3.11

khiển
Đặc tính mềm của hệ hở với bộ điều chỉnh bền vững khi thay đổi thành phần

3.7
3.8
3.9

tích phân
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9

Sơ đồ hệ thống điều khiển vi khí hậu
Đường cong đặc tính vận hành của đối tượng nhiệt độ
Đối tượng nhiệt độ O1 sau khi đã mô hình hóa
Đặc tính tần số của đối tượng nhiệt độ O1
Mô hình nhân bất định của đối tượng nhiệt độ O1
Sơ đồ hệ thống điều khiển nhiệt độ.
Đặc tính mềm của hệ hở
Đặc tính mềm của hệ hở với các trường hợp xấu nhất
Đặc tính mềm của hệ hở với các trường hợp cơ sở, xấu nhất,
ngẫu

4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.16

4.17
4.18
4.19
4.20

Mô hình vòng tròn bất định của đối tượng nhiệt độ
Đặc tính quá độ của hệ thống kín theo kênh đặt
Đặc tính quá độ của hệ thống kín theo kênh nhiễu
Đường cong đặc tính vận hành của đối tượng độ ẩm
Đối tượng độ ẩm O22 sau khi đã mô hình hóa
Đặc tính tần số của đối tượng độ ẩm O22
Mô hình nhân bất định của đối tượng độ ẩm O22
Sơ đồ hệ thống điều khiển độ ẩm.
Đặc tính mềm của hệ hở
Đặc tính mềm của hệ hở với các trường hợp cơ sở, xấu nhất, ngẫu nhiên
Đặc tính mềm của hệ hở với các trường hợp cơ sở, xấu nhất,
ngẫu nhiên

4.21
4.22

Mô hình vòng tròn bất định của đối tượng độ ẩm
Đặc tính quá độ của hệ thống kín theo kênh đặt

7


4.23
4.24

Đặc tính quá độ của hệ thống kín theo kênh nhiễu
Đặc tính quá độ của hệ thống kín theo kênh nhiễu (có bộ khử
nhiễu)

8


LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm qua, ngành điều hòa không khí đã có những bước phát triển
nhảy vọt do nhanh chóng tiếp thu được những thành quả của kỹ thuật điện tử, thông tin
cũng như các ngành khoa học khác. Các trang thiết bị và dụng cụ điều khiển tự động
ngày càng phát triển và hoàn thiện. Việc vận hành bằng tay nhanh chóng được thay thế
bằng vận hành tự động. Nhờ có tự động điều khiển mà hệ thống điều hòa không khí có
thể vận hành một cách tự động, an toàn, kinh tế và hiệu quả tối ưu. Đặc biệt trong điều
kiện của thế kỷ XXI, khi các nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng trong khi các
nguồn năng lượng cổ truyền ngày càng trở nên khan hiếm, cộng với yêu cầu gắt gao về
bảo vệ môi trường, môi sinh, dẫn tới phải tiết kiệm năng lượng giảm phát thải cho
công nghiệp.
Tự động điều khiển quá trình làm việc của hệ thống điều hòa không khí ứng
dụng biến tần có ưu điểm so với điều chỉnh ON-OFF là giữ ổn định liên tục chế độ
làm việc hợp lý. Ưu điểm này kéo theo một loạt các ưu điểm khác như: nâng cao chất
lượng điều khiển, giảm tiêu hao điện năng, tăng tuổi thọ và độ tin cậy của máy và thiết
bị, giảm chi phí vận hành.
Cùng với việc phát triển của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp của
nước ta cũng có những bước tiến lớn. Trong các ngành công nghiệp hiện đại, ngành
công nghiệp điện tử, quang học, sinh học hoặc các ngành y tế như dược phẩm, trong
phòng mổ bệnh viện và một số ngành khác có đòi hỏi phòng vi khí hậu sạch, trong đó
các điều kiện khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm, độ sạch… phải được đảm bảo một cách
khắt khe, điều khiển khống chế trong một khoảng hẹp.
Yêu cầu đặt ra là phải thực hiện tối ưu hóa quá trình điều khiển điều hòa không

khí duy trì các tham số công nghệ ở mức độ chính xác cao. Với bộ điều chỉnh chuẩn
công nghiệp, được sử dụng chủ yếu hiện nay, ta có thể thực hiện việc điều khiển này
thông qua vi xử lý. Các phương pháp tổng hợp bộ điều chỉnh hiện nay như phương
pháp tổng hợp trực tiếp, phương pháp mô hình nội IMC hay các phương pháp của
Ziergler – Nichols [1] tuy khá thông dụng và hiệu quả nhưng tồn tại nhược điểm là
khó áp dụng hoặc không áp dụng được cho các đối tượng có quán tính lớn, không thay

9


đổi được độ dự trữ ổn định như mong muốn. Do vậy không đảm bảo được chất lượng
điều khiển quá trình điều hòa không khí chắc chắn trong trường hợp bất định. Các
phương pháp này chỉ quan tâm đến tính ổn định của hệ thống mà ít quan tâm đến yếu
tố nhiễu, do đó chất lượng điều chỉnh theo kênh giá trị đặt là đáng tin cậy nhưng đáp
ứng theo kênh nhiễu kéo dài và hội tụ chậm.
Trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày các vấn đề liên quan tới hệ thống
biến tần dùng trong ĐHKK, đánh giá tổng quan về các phương pháp và phân tích tổng
hợp hệ thống đã có. Tiếp theo trên cơ sở khái niệm chỉ số dao động mềm và phương
pháp tối ưu hóa bằng thuật toán vượt khe do tác giả PGS.TSKH. Nguyễn Văn Mạnh
đề xuất. Từ cơ sở lý thuyết nêu trên và các số liệu thu thập được trên thực tế, luận văn
tiến hành tổng hợp bộ điều chỉnh bền vững cho hệ hai chiều với mục đích cùng một
lúc điều khiển, duy trì hai thông số đặc trưng cho trạng thái không khí là nhiệt độ và
độ ẩm. Đây là bài toán Nhiệt khá phổ biến, cho tói nay vẫn chưa được giải quyết triệt
để. Toàn bộ quá trình tính toán và mô phỏng được thực hiện dựa trên phần mềm
Cascasd của tác giả PGS.TSKH. Nguyễn Văn Mạnh.

10


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐỐI TƯỢNG VI KHÍ HẬU
1.1

Vi khí hậu và điều hòa không khí

1.1.1 Vi khí hậu
Vi khí hậu là một vùng khí quyển xác định trong phạm vi hẹp (một buồng nhỏ
hoặc là một vùng không gian lớn...) có những tính chất đặc trưng. Vi khí hậu được thể
hiện qua các yếu tố khí hậu như nhiệt độ, độ ẩm tương đối, áp suất không khí, vận tốc
không khí, nồng độ các hạt bụi lơ lửng..., trong đó thì hai yếu tố đặc trưng chính là
nhiệt độ và độ ẩm.
Để tạo ra và duy trì ổn định một vùng vi khí hậu theo một chương trình định
trước, không phụ thuộc vào môi trường bên ngoài thì ta cần một hệ thống máy móc
thiết bị xử lý vi khí hậu hay là hệ thống điều không xử lý vi khí hậu. Hệ thống điều
không xử lý vi khí hậu là một hệ thống phức tạp bao gồm những hệ thống chính như
sau: hệ thống làm lạnh hoặc sưởi ấm không khí (hệ thống điều hòa không khí), hệ
thống máy hút ẩm (phun ẩm), hệ thống quạt thông gió, hệ thống lọc bụi ... Các quá
trình mà hệ thống xử lý vi khí hậu thực hiện được gọi là quá trình công nghệ điều
không xử lý vi khí hậu.

1.1.2 Điều hòa không khí
Điều hòa không khí được hiểu là quá trình duy trì nhiệt độ, độ ẩm trong không
gian cần điều hòa ở một mức quy định nào đó. Bên cạnh đó, cần phải chú ý đến vấn đề
bảo đảm độ trong sạch của không khí, khống chế độ ồn và sự lưu thông hợp lý của
dòng không khí.
Một hệ thống điều hòa không khí đúng nghĩa là hệ thống có thể duy trì trạng
thái của không khí trong không gian điều hòa ở trong vùng qui định nào đó, nó không
thể bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi của điều kiện khí hậu bên ngoài hoặc sự biến đổi của
phụ tải bên trong.
Về mặt thiết bị, hệ thống điều hòa không khí là một tổ hợp bao gồm các thành

phần như sau:

11


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu
− Máy lạnh: là bộ phận cơ bản của hệ thống, đóng vai trò chủ yếu trong việc
khống chế trạng thái của không khí trong không gian cần điều hòa ở trong vùng qui
định.
− Bộ gia nhiệt: là bộ phận hỗ trợ với máy lạnh trong việc điều chỉnh các thông
số của không khí.
− Hệ thống vận chuyển chất tải lạnh: là hệ thống dùng để vận chuyển chất tải
lạnh từ nguồn sinh lạnh (dàn lạnh hoặc bình bốc hơi của máy lạnh) đến không gian cần
thực hiện kỹ thuật điều hòa không khí. Chất tải lạnh trong trường hợp này có thể là
nước hoặc không khí. Ở các hệ thống cỡ nhỏ, chất tải lạnh thường là chính bản thân
tác nhân lạnh.
− Hệ thống phun ẩm: thường được dùng cho những nơi có yêu cầu gia tăng độ
chứa hơi của không khí trong không gian cần điều hòa.
− Hệ thống phân phối không khí.
− Hệ thống giảm ồn, lọc bụi.
− Hệ thống thải không khí bên trong không gian cần điều hòa ra ngoài trời
hoặc đưa tuần hoàn trở lại vào hệ thống.
− Bộ điều chỉnh và khống chế tự động để theo dõi và duy trì tự động các thông
số chính của hệ thống.
1.1.3 Tính chất nhiệt động của không khí ẩm
1. Áp suất
2. Nhiệt độ
3. Độ ẩm tương đối
Độ ẩm tương đối là tỷ số giữa lượng hơi nước hiện có trong khối không khí
ẩm so với lượng hơi nước cực đại chứa được trong khối không khí đó ở cùng trạng

thái.
ϕ=

Gh
p
.100 = h .100, %
Gbh
pbh

4. Độ chứa hơi (Dung ẩm)
Độ chứa hơi là lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm tính trên 1kg không
khí khô.

12


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu
d=

Gh
, kg / kg
Gk

d = 622.

ph
, g / kg
p − ph

5. Entanpi

Entanpi của không khí ẩm được tính cho lượng không khí có khối lượng phần
khô là 1 kg và có độ chứa hơi là d (kg/kg)
I = t + d .(2500 + 1,84t ), kJ / kg

6. Nhiệt độ đọng sương
Nếu làm lạnh không khí trong điều kiện giữ nguyên độ chứa hơi d (hoặc phân
áp suất hơi nước ph thì tới một nhiệt độ ts nào đó, hơi nước trong không khí sẽ ngưng
tụ thành nước bão hòa. Nhiệt độ ts được gọi là nhiệt độ đọng sương. Như vậy nhiệt độ
đọng sương của không khí ẩm được là nhiệt độ của không khí ẩm bão hòa có cùng
phân áp suất hơi nước với không khí ẩm đang khảo sát.
7. Nhiệt độ nhiệt kế ướt
Nhiệt độ nhiệt kế ướt tư là nhiệt độ ứng với trạng thái không khí ẩm bão hòa ở
trị số entanpi đã cho (hay chính xác là nhiệt độ bay hơi đoạn nhiệt).
1.1.4 Đồ thị trạng thái của không khí ẩm

I=
1

I [kJ/kg kk]

1. Đồ thị I – d

co

ϕ=

nst

co ns

t

ons
t=c
1

1

t

tu

ϕ=100%

ts
p h1
d1

d [g/kg kk]

Hình 1.1. Đồ thị I-d
Khi trạng thái không khí ẩm đã được xác định, có thể xác định trạng thái đó
trên đồ thị I – d, bằng cách sử dụng đồ thị ta có thể tìm được những thông số cần thiết
có liên quan đến trạng thái nói trên. Cụ thể những thông số đó là: nhiệt độ nhiệt kế

13


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu
khô, nhiệt độ nhiệt kế ướt, nhiệt độ đọng sương, entanpi, độ ẩm tương đối, độ chứa

hơi, phân áp suất hơi nước có trong không khí ẩm

n st

1

ϕ= c
ons
t

I=co
1

§é chøa h¬i

ϕ =1

00%

2. Ẩm đồ t – d

1

NhiÖt ®é

ts

t­

d1

t1

Hình 1.2. Đồ thị t-d
1.2 Các quá trình nhiệt ẩm của không khí.
1.2.1 Các quá trình nhiệt ẩm
Xem xét trên đồ thị I – d có các quá trình xử lý không khí như sau:

Hình 1.3. Các quá trình xử lý nhiệt ẩm
Trên đồ thị I-d điểm A là trạng thái không khí ban đầu trước khi chưa xử lý.
Các điểm 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 là trạng thái cuối quá trình xử lý không khí.
− Xét quá trình A1: Đây là quá trình mà dung ẩm giảm, nhiệt độ giảm và
entanpi của không khí cũng giảm, tức: Δd= d1 - dA < 0, ΔI < 0 và Δt < 0.

14


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu
Có thể gọi quá trình này là quá trình làm lạnh, làm khô. Để xử lý không khí theo quá
trình A1 có thể sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt hoặc ở thiết bị buồng phun
có nhiệt độ bề mặt và nước phun thấp hơn nhiệt độ đọng sương t s của trạng thái A. Khi
không khí tiếp xúc với dàn lạnh hoặc các giọt nước lạnh, nó sẽ nhả nhiệt, đồng thời
các giọt hơi ẩm trong không khí ngưng kết lại trên bề mặt thiết bị trao đổi nhiệt hoặc
trên bề mặt giọt nước. Kết quả lượng ẩm trong không khí giảm.
− Quá trình A2: Quá trình A2 có dung ẩm không đổi, nhiệt độ và entanpi
giảm, Δd = dA - d2 = 0, ΔI < 0 và Δt < 0. Nó được gọi là quá trình làm lạnh đẳng dung
ẩm. Quá trình này có thể thực hiện ở dàn trao đổi nhiệt kiểu bề mặt có nhiệt độ bề mặt
lớn hơn nhiệt độ đọng sương ts nhưng nhỏ hơn nhiệt độ trạng thái A: tS < tw < tA
− Quá trình A3: Dung ẩm tăng, nhiệt độ và entanpi giảm, Δd > 0, ΔI < 0 và
Δt < 0. Quá trình A3 gọi là quá trình tăng ẩm, giảm nhiệt. Nó chỉ có thể thực hiện ở

thiết bị buồng phun, nếu thiết bị làm lạnh kiểu bề mặt thì phải tiến hành phun ẩm bổ
sung.
− Quá trình A4 : Dung ẩm tăng, entanpi không đổi và nhiệt độ giảm, Δd>0,
ΔI=0 và Δt <0. Quá trình gọi là tăng ẩm đoạn nhiệt (bay hơi đoạn nhiệt). Để xử lý
không khí theo quá trình này chỉ cần cho bay hơi nước vào không khí là được.
− Quá trình A5 : Dung ẩm tăng, entanpi tăng và nhiệt độ vẫn giảm, Δd > 0, ΔI>
0, Δt < 0. Quá trình A5 gọi là quá trình tăng ẩm, tăng nhiệt, nhiệt độ giảm. Quá trình
này cũng được xử lý bằng nước phun có nhiệt độ cao.
− Quá trình A6 : Dung ẩm tăng, entanpi tăng và nhiệt độ không đổi Δd > 0, ΔI
> 0, Δt = 0. Quá trình A6 gọi là quá trình tăng ẩm, tăng nhiệt, đẳng nhiệt.
− Quá trình A7 : Dung ẩm, entanpi và nhiệt độ đều tăng, Δd > 0, ΔI > 0, Δt > 0.
Đó là quá trình tăng ẩm, tăng nhiệt, nhiệt độ tăng.
− Quá trình A8 : Dung ẩm không đổi, nhiệt độ và entanpi tăng, Δd = 0, ΔI > 0,
Δt > 0. Đó là quá trình gia nhiệt đẳng dung ẩm. Quá trình này có thể thực hiện ở thiết
bị gia nhiệt kiểu bề mặt.
− Quá trình A9 : Dung ẩm giảm, nhiệt độ và entanpi tăng, Δd < 0, ΔI > 0, Δt >
0. Đó là quá trình tăng nhiệt giảm ẩm.

15


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu
Cần chú ý là các quá trình A1, A3, A5 và A7 chỉ vẽ tượng trưng, thực ra mỗi
quá trình như vậy có thể quét trên một miền khá rộng. Chẳng hạn quá trình A3 quét từ
tia A2 đến tia A4.
Trong đó ta cần lưu ý:
• Các quá trình từ A1 - A7 thực hiện ở thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hổn hợp (giữa
nước và không khí)
• Quá trình A1, A2 thực hiện ở thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt nhiệt độ thấp.
• Quá trình A8 thực hiện ở thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt nhiệt độ cao.

• Quá trình A9 thực hiện trong điều kiện đặc biệt khi dùng hóa chất hút ẩm kèm
thiết bị gia nhiệt.
Tất cả các quá trình trên đây đều đã được lý tưởng hoá, thực tế các quá trình xử
lý không khí thực tế có thể không biến đổi theo dạng đường thẳng mà thường thay đổi
theo những đường cong nhất định tuỳ thuộc nhiều yếu tố, chẳng hạn như chiều chuyển
động tương đối giữa không khí và tác nhân xử lý lạnh.
1.2.2 Các phương pháp và thiết bị xử lý không khí
1.2.2.1 Làm lạnh không khí.
1. Làm lạnh bằng dàn ống có cánh.
Trong kỹ thuật điều hòa không khí người ta sử dụng phổ biến các thiết bị trao
đổi nhiệt kiểu bề mặt để làm lạnh không khí.
Về cấu tạo: Phổ biến nhất là dàn trao đổi nhiệt kiểu ống đồng cánh nhôm.
Không khí chuyển động bên ngoài dàn trao đổi nhiệt. Bên trong có thể là nước lạnh
(chất tải lạnh) hoặc chính môi chất lạnh bay hơi. Không khí khi chuyển động qua dàn
một mặt được làm lạnh mặt khác một phần hơi nước có thể ngưng tụ trên bề mặt trao
đổi nhiệt và chảy xuống máng hứng nước ngưng. Vì thế trên đồ thị I-d quá trình biến
đổi trạng thái của không khí sẽ theo quá trình A1 hay là quá trình làm lạnh làm khô.
Khi nhiệt độ bề mặt lớn hơn ts thì quá trình diễn ra theo đường A2, làm lạnh đẳng dung
ẩm. Hầu hết các máy điều hoà trong đời sống sử dụng thiết bị làm lạnh kiểu bề mặt.

16


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu

Hình 1.4. Các loại dàn lạnh không khí
2. Làm lạnh bằng nước phun đã xử lý.
Người ta có thể làm lạnh không khí thông qua thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn
hợp, trong đó người ta cho phun nước lạnh đã xử lý tiếp xúc trực tiếp với không khí để
làm lạnh. Thiết bị này còn được gọi là thiết bị buồng phun. Không khí khi qua buồng

phun nhiệt độ giảm còn dung ẩm có thể tăng, không đổi hoặc giảm tùy thuộc vào nhiệt
độ của nước phun. Khi nhiệt độ nước phun nhỏ hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ
trên bề mặt các giọt nước và làm giảm dung ẩm. Như vậy có thể điều chỉnh dung ẩm
của không khí thông qua điều chỉnh nhiệt độ nước phun.
Trong thiết bị buồng phun, nước được phun thành những giọt nhỏ li ti nhờ các
vòi phun. Do các giọt nước rất nhỏ nên diện tích tiếp xúc cực kỳ lớn, tuy nhiên ở trong
buồng phun thời gian tiếp xúc giữa không khí với nước rất nhỏ, nên hiệu qủa trao đổi
nhiệt ẩm ít nhiều cũng bị hạn chế. Để tăng diện tích tiếp xúc, người ta có thể tạo màng
nước trên các bề mặt rắn. Hiệu qủa của phương pháp này cũng tương tự kiểu phun.
Thiết bị buồng phun được sử dụng nhiều trong công nghiệp dệt và nhiều ngành khác,
đòi hỏi khống chế độ ẩm theo những chương trình khắt khe.

17


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu

Hình 1.5. Thiết bị buồng phun
3. Làm lạnh bằng nước tự nhiên
Làm mát bằng nước lạnh chi phí khá cao cho việc làm lạnh nước. Trong những
trường hợp khi yêu cầu nhiệt độ không khí cần làm lạnh không thấp quá, có thể dùng
nước tự nhiên, chưa qua làm lạnh và cho bay hơi vào trong không khí để giảm nhiệt độ
của nó. Mức độ làm lạnh không khí phụ thuộc độ ẩm của nó và nhiệt độ của nước.
Hiện nay ở thị trường có bán rất nhiều loại quạt nước, các loại quạt này đều có
nguyên lý làm việc tương tự nhau là cho nước bay hơi vào không khí khi chuyển động
qua quạt. Trên hình 1.6 là một kiểu quạt nước. Nước được một bơm nhỏ bơm lên phía
trên và cho chảy qua một lớp vật liệu xốp mao dẫn. Không khí chuyển động qua lớp
mao dẫn được thấm ướt, nước sẽ bay hơi đoạn nhiệt vào không khí làm cho nhiệt độ
không khí giảm xuống theo đường đoạn nhiệt A4.
Trong công nghiệp, chẳng hạn ở các xí nghiệp dệt sử dụng các thiết bị buồng

phun với nước đã được làm lạnh rất tốn kém. Vì vậy những ngày trời ít nắng và những
lúc phụ tải không quá lớn người ta không sử dụng nước lạnh, mà sử dụng nước thường
để xử lý không khí. Quá trình xử lý trong trường hợp này cũng diễn ra theo đường A4.
Nhiệt độ không khí được xử lý theo nước thường hạ xuống thấp nhất có thể là bằng
nhiệt độ nhiệt kế ướt.

18


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu

Hình 1.6. Quạt nước
1- Lớp vật liệu xốp mao dẫn; 2- Quạt gió; 3- Bơm nước;
4,5- Mặt trước; 6 Máng hứng nước; 7- Van phao khống chế mức nước
1.2.2.2 Gia nhiệt không khí.
1. Gia nhiệt bằng dàn ống có cánh sử dụng nước nóng (calorifer)
Trong kỹ thuật điều hòa không khí người ta có thể thực hiện gia nhiệt cho
không khí bằng thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt sử dụng nước hoặc hơi nước nóng.
Thường đó là dàn ống có cánh, không khí chuyển động cưỡng bức bên ngoài ngang
qua dàn ống, nước hoặc hơi nước chuyển động bên trong.
Ở các nước về mùa đông nhiệt độ không quá lạnh, chẳng hạn như nước ta thì
việc sưởi ấm chỉ thực hiện ở các công trình đặc biệt, mà không phải bắt buộc đối với
toàn dân. Việc sưởi ấm thực hiện từ các nguồn cấp nhiệt cục bộ.
Thiết bị gia nhiệt sử dụng nước nóng hoặc hơi từ nguồn cấp nước nóng cục bộ. Ví dụ
một số khách sạn cao cấp ở nước ta có trang bị các lò hơi cấp hơi nóng cho các bộ gia
nhiệt kiểu bề mặt đặt ở các phòng để sưởi ấm về mùa đông. Ở đây bộ xử lý không khí
của hệ thống thường có 2 dàn trao đổi nhiệt : một dàn sử dụng nước nóng,
dàn kia nước lạnh và chúng làm việc không đồng thời.
2. Gia nhiệt bằng dàn ống có cánh sử dụng gas nóng
Một biện pháp khác cũng hay được sử dụng là dùng các máy lạnh 2 chiều.

Trong các máy này về mùa đông nhờ hệ thống van đảo chiều hoán đổi chức năng của
dàn nóng và dàn lạnh, nhờ vậy không khí thổi vào phòng là không khí nóng của dàn

19


Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu
nóng. Như vậy trong trường hợp này không khí cũng được gia nhiệt bằng dàn ống có
cánh sử dụng gas nóng của hệ thống máy lạnh.
Trên hình 1.7 là sơ đồ nguyên lý làm việc của máy lạnh 2 chiều. Van đảo chiều
RV có nhiệm vụ hoán đổi chức năng của các dàn trao đổi nhiệt bên ngoài và bên trong
phòng. Về mùa đông dàn trao đổi nhiệt bên trong IC là dàn nóng. Quá trình thay đổi
trạng thái của không khí theo đường A8.

Hình 1.7. Hệ thống van đảo chiều
3. Gia nhiệt bằng thanh điện trở.
Người ta có thể thực hiện việc sấy không khí bằng các điện trở thay cho các
thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt. Thường các dây điện trở được bố trí trên các dàn lạnh
của máy điều hòa. Về mùa đông máy dừng chạy lạnh, chỉ có quạt và thanh điện trở
làm việc. Không khí sau khi chuyển động qua thanh điện trở sẽ được sưởi ấm theo quá
trình gia nhiệt đẳng dung ẩm A8.
Việc sử dụng dây điện trở có ưu điểm là gọn nhẹ và chi phí đầu tư thấp. Tuy
nhiên chi phí tiền điện (chi phí vận hành) khá lớn và dễ gây cháy, chập điện do các dàn
lạnh thường được lắp đặt trên trần giả của các công trình, có nhiều vật liệu dễ cháy,
nguy hiểm.
Cấu tạo của các thanh điện trở thường gồm 3 lớp, bên trong cùng là dây kim
loại có điện trở suất lớn, dây được cách nhiệt bằng lớp vật liệu cách nhiệt dạng bột.

20

Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu
Ngoài cùng là lớp vỏ kim loại có cánh tản nhiệt lớn. Thanh điện trở thường được lắp
đặt trên các đoạn đường ống.

Hình 1.8. Thanh điện trở và cách lắp trên đường ống
1.2.2.3 Tăng ẩm cho không khí
Trong công nghiệp đặc biệt trong công nghiệp dệt, đòi hỏi độ ẩm không khí khá
cao. Những mùa hanh khô độ ẩm không khí không đảm bảo yêu cầu, cần phải tăng ẩm
cho không khí. Để làm điều đó cần cho bay hơi nước vào trong không khí. Có nhiều
biện pháp khác nhau, dưới đây là các biện pháp thường được sử dụng.
1. Tăng ẩm bằng thiết bị buồng phun
Buồng phun thường được sử dụng để tăng ẩm cho không khí trong công nghiệp
vì lưu lượng đòi hỏi lớn. Khi phun hơi nước vào trong không khí, thường người ta sử
dụng nước tự nhiên (trừ trường hợp cần kết hợp gia nhiệt). Khi phun nước, quá trình
xảy ra gần với quá trình bay hơi đoạn nhiệt, trạng thái không khí thay đổi theo đường
A4 hoặc A5.
Đặc điểm cơ bản của quá trình này là :
-

Lượng hơi ẩm bay hơi vào không khí rất ít so với lượng nước phun.

-

Sự thay đổi trạng thái của không khí phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ nước
phun.

2. Tăng ẩm bằng thiết bị phun ẩm bổ sung

21

Chương 1: Tổng quan đối tượng vi khí hậu
Tăng ẩm bổ sung là hình thức đưa hơi nước trực tiếp vào không gian bên trong
gian máy với lượng hơi nước đưa vào thường không lớn lắm. Có nhiều biện pháp tăng
ẩm bổ sung cho không khí nhưng có chung đặc điểm là:
-

Lượng hơi ẩm đưa vào không lớn lắm

-

Làm ẩm cho không khí trong một khoảng không gian hạn chế.

-

Khi phun hơi ẩm tuyệt đối không được dư thừa, toàn bộ hơi ẩm phải được
khuyếch tán vào trong không khí.

Thường người ta sử dụng các thiết bị phun ẩm sau: Hộp hơi phun hơi ẩm bão
hoà, thiết bị kiểu kim phun, đĩa quay hoặc khí nén. Trên hình 1.9 là cấu tạo của hộp
hơi phun hơi ẩm bão hoà nhờ điện trở. Thiết bị gồm hộp sinh hơi 4, bên trong có các
sợi dây điện trở 3. Khi đốt nóng hơi nước bốc ra theo ống 1 rồi khuyếch tán vào không
khí. Nước bổ sung được cấp vào ống 2 và chứa trong thùng 5 thông với thùng 4. Ống
xả 6 nhằm duy trì mức nước trong các thùng 4 và 5. Như vậy trạng thái không khí sẽ
thay đổi theo đường đẳng nhiệt A6, nghĩa là nhiệt độ không khí sẽ không thay đổi .

Hình 1.9. Hộp phun hơi ẩm bão hoà
1.2.2.4 Làm khô (giảm ẩm) cho không khí.
Trong đời sống và công nghiệp, nhiều lúc đòi hỏi giảm độ ẩm của không khí,

chẳng hạn trong một số phân xưởng chế tạo các thiết bị đặc biệt đòi hỏi độ ẩm nhỏ .
như chế tạo máy biến áp, linh kiện điện tử… Giảm ẩm cho không khí là quá trình rút
một phần hơi ẩm trong không khí nhằm giảm độ ẩm cho nó. Quá trình đó thường được

22