Nhiệt động lực học - Chương 9

Chương IX
Friday, December 18, 2009
KHÔNG KHÍ ẨM


Không khí ẩm là loại không khí được xem
xét dưới góc độ có ảnh hưởng của hơi nước.
Tuy lượng hơi nước chứa trong không khí rất
nhỏ nhưng là nhân tố quyết đònh đến năng
lượng (nhiệt lượng) trao đổi của không khí ẩm.
§ 9.1. Khái Niệm Chung
Có những hiện tượng chứng tỏ rằng trong không khí có chứa hơi
nước mà ta dễ dàng quan sát được.
Ví dụ:
x Hiện tượng nước ngưng tụ ngoài thành ly nước đá, sương đọng
trên lá cây vào buổi sáng sớm, …
x Phơi khô quần áo, …
x Nước ngưng tụ ở dàn lạnh máy điều hòa không khí
Những hiện tượng trên cho ta thấy, có trường hợp hơi nước đi vào
không khí, có hiện tượng hơi nước tách ra khỏi không khí. Điều này
chứng tỏ không khí có khả năng trao đổi ẩm.
Tổng quát: Không khí ẩm gồm những thành phần: oxygen, nitrogen,
carbondioxide, argon, … và hơi nước
Trong các quá trình nhiệt động được khảo sát, thông
thường chỉ có thành phần hơi nước là bò biến đổi, vì vậy
người ta xem không khí ẩm chỉ gồm hai nhóm đối tượng:
hơi nước và nhóm khí còn lại gọi là không khí khô.

Nguyễn Toàn Phong 1 of 37 Chương IX _ Không Khí m
Minh họa hai thành phần của không khí ẩm
nướcHơikhôkhíKhôngẩmkhíKhông 

°
¿
°
¾
½
°
¯
°
®
­
...,Argon,Hydrogen
ideCarbondiox,Oxygen,Nitrogen


Lưu ý: Hơi nước trong không khí ẩm có phân áp suất rất nhỏ,
khoảng

và khuếch tán đều trong thể tích
chứa không khí ẩm.
mmHg2015 y
Ở trạng thái thông thường, hơi nước trong không khí ẩm là
trạng thái hơi quá nhiệt.
Do phân áp suất của hơi nước nhỏ, nên co
ù thể sử dụng
phương trình trạng thái của khí lý tưởng cho trường hợp
không khí ẩm (áp dụng cho không khí khô và cả hơi nước).
A. Không khí khô với các thành phần
Thành phần Hàm lượng thể tích, %
Phân tử lượng,

kmolkg
Nitrogen 78,03 28,02
Oxygen 20,99 32
Carbondioxide 0,03 44
Hydrogen 0,01 2,02
Argon 0,94 39,91

Nguyễn Toàn Phong 2 of 37 Chương IX _ Không Khí m
Phân tử lượng:

kmolkg97,28
0094,091,390001,002,2
0003,0442099,0327803,002,28
.r
iik

uu
uuu
P P
¦
(9-1)
B. Hơi nước
Phân tử lượng:

kmolkg02,1816101,12
h
uu P
(9-2)
Mối quan hệ của nhiệt độ, thể tích và khối lượng trong khối không
khí ẩm như sau:

hk
hk
hk
GGG
VVV
ttt



(9-3)
Theo đònh luật Dalton:

hk
ppp 
(9-4)
Trong đó
p
h
phân áp suất của hơi nước trong không khí ẩm
p
k
phân áp suất của không khí khô trong không khí ẩm
p áp suất của không khí ẩm

Nguyễn Toàn Phong 3 of 37 Chương IX _ Không Khí m
§ 9.2. Phân Loại Không Khí Ẩm
Việc phân loại không khí ẩm có hai quan điểm:
°
¯

°
®
­
hòabãoquákkẩm
hòabãokkẩm
hòabãochưakkẩm

°
¯
®
hòabãokkẩm
°
­
hòabãochưakkẩm
9.2.1 Không khí ẩm chưa bão hòa
Không khí ẩm chưa bão hòa là không khí ẩm mà lượng hơi nước
trong đó chưa đạt tới trò số lớn nhất.
điều kiện tự nhiên không khí ẩm chưa bão hòa còn khả năng tiếp
nhận thêm hơi nước.
Lưu ý: Hơi nước trong không khí ẩm chưa bão hòa ở trạng thái
hơi quá nhiệt.
9.2.2 Không khí ẩm bão hòa
Không khí ẩm bão hòa là không khí ẩm mà lượng hơi nước trong đó
đạt tới giá trò cực đại.
điều kiện tự nhiên ta không thể thêm vào không khí ẩm bão hòa
bất kỳ một lượng hơi nước nào.
Lưu ý: Hơi nước trong không khí ẩm bão hòa ở trạng thái
hơi bão hòa khô.
Nếu cố tình thêm hơi nước vào (ở điều kiện đẳng nhiệt) thì
sẽ có một lượng nước tương ứng khác tách ra (ngưng tụ)

Nguyễn Toàn Phong 4 of 37 Chương IX _ Không Khí m
9.2.3 Không khí ẩm quá bão hòa
Hơi nước trong không khí ẩm quá bão hòa ở trạng thái hơi bão hòa
ẩm. Trong không khí ẩm quá bão hòa chứa các bụi nước hoặc giọt nước
đã ngưng kết lơ lửng.
Đây là trạng thái không bền vững, phần hơi nước đãõ ngưng tụ sẽø
tách ra khỏi không khí ẩm.
Lưu ý: Không khí ẩm chỉ có khả năng chứa nước ở trạng thái hơi,
nếu có lỏng thì phần lỏng này sẽ tách ra và rơi xuống phía
dưới (do khối lượng riêng lớn hơn).
Do trạng thái quá bão hòa không ổn đònh, phần nước lỏng bò
tách ra, không khí ẩm quay trở lại trạng thái bão hòa ở cùng
điều kiện nhiệt độ (trong trường hợp hòa trộn không khí thì
nó sẽ xảy ra theo cơ chế khác sẽ được đề cập sau).
9.2.4 Đồ thò trạng thái của hơi nước trong không khí ẩm
K
v
p
Trạng thái của hơi nước
trong kkẩm chưa bão hòa
Trạng thái của
hơi nước trong
kkẩm quá bão hòa
Trạng thái của hơi nước
trong kkẩm bão hòa
Nhiệt độ của kkẩm

Lưu ý:
Đồ thò này chỉ biểu diễn cho riêng thành phần hơi nước.

Nguyễn Toàn Phong 5 of 37 Chương IX _ Không Khí m
§ 9.3. Hai Quá Trình Đặc Biệt Đưa Không Khí Ẩm
Chưa Bão Hòa Thành Không Khí Ẩm Bão Hòa
Có nhiều cách để đưa không khí ẩm chưa bão hòa về trạng thái bão
hòa, trong phần này xét hai quá trình đặc biệt sau:
x Làm lạnh đẳng áp
x Tăng ẩm đẳng nhiệt
Đồ thò p-v bên dưới đây mô tả quá trình biến đổi trạng thái chỉ riêng
cho thành phần hơi nước trong không khí ẩm.

p
Trạng thái của hơi nước
trong kkẩm bão hòa
Trạng thái của hơi nước
trong kkẩm chưa bão hòa
v
Nhiệt độ của kkẩm
K
A
B
C
P
hmax

P
h

Nhiệt độ đọng sương t
đs

khi làm lạnh đẳng áp

9.3.1 Quá trình làm lạnh đẳng áp – Nhiệt độ đọng sương
Khối không khí ẩm được hạ dần nhiệt độ.
Trạng thái hơi nước sẽ dòch chuyển về điểm C trên đường đẳng áp
AC. Khi đạt đến điểm C, hơi nước ở trạng thái hơi bão hòa khô và
không khí ẩm tương ứng đạt đến trạng thái bão hòa.
Khi nhiệt độ hạ thấp hơn nhiệt độ của trạng thái C thì xảy ra hiện
tượng ngưng tụ hơi nước từ không khí ẩm, có nước ngưng tụ tách ra khỏi
không khí ẩm và khối lượng hơi còn lại trong không khí ẩm giảm dần,
phân áp suất hơi tương ứng giảm theo.
Nguyễn Toàn Phong 6 of 37 Chương IX _ Không Khí m
Nhiệt độ điểm C là giới hạn để bắt đầu hiện tượng tách ẩm (hơi
nước ngưng tụ lại thành những giọt sương) nên gọi là nhiệt độ đọng
sương t
đs
(của vô số trạng thái không khí ẩm có trạng thái hơi nước từ
)
CA
o
Đồ thò T-s thể hiện sự thay đổi trạng thái của hơi nước trong quá
trình làm lạnh đẳng áp

Nhiệt độ đọng sương t
đs
- T
dp
(dew-point temperature)
Phân áp suất hơi p
h

xác đònh từ bảng bão hòa của hơi nước theo
nhiệt độ động sương t
đs
của khối không khí ẩm.
Nhiệt độ đọng sương t
đs
là nhiệt độ của không khí ẩm bão hòa có
cùng phân áp suất hơi với không khí ẩm đang khảo sát.
Nguyễn Toàn Phong 7 of 37 Chương IX _ Không Khí m
9.3.2 Quá trình tăng ẩm đẳng nhiệt – Phân áp suất
cực đại – Khối lượng hơi cực đại
điều kiện tự nhiên khi xảy ra quá trình bay hơi nước vào không
khí ẩm sẽ làm nhiệt độ khối không khí giảm xuống (tham khảo phần
quá trình bay hơi đoạn nhiệt)
Trong trường hợp này khi thêm hơi nước vào không khí ẩm người ta
cố tình duy trì nhiệt độ của không khí ẩm không thay đổi.
Quá trình này diễn ra ở điều kiện nhiệt độ không đổi: trạng thái hơi
nước sẽ dòch chuyển dần về B trên đường đẳng nhiệt AB
Khi đạt đến điểm B, hơi nước ở trạng thái hơi bão hòa khô và không
khí ẩm tương ứng đạt đến trạng thái bão hòa. Phân áp suất hơi tương
ứng là p
h max
hoặc p
bh
và lượng hơi nước tương ứng đạt giá trò cực đại.
Phân áp suất hơi cực đại p
h max
xác đònh từ bảng bão hòa của hơi
nước theo nhiệt độ của khối không khí ẩm.
Nguyễn Toàn Phong 8 of 37 Chương IX _ Không Khí m

§ 9.4. Các Thông Số Đặc Trưng Của Không Khí Ẩm
Bản chất của không khí ẩm là có thể thay đổi thành phần hơi nước,
tuy nhiên thành phần không khí khô thì giữ không thay đổi (trừ khi cố
tình thay đổi hay trong quá trình hóa lỏng khí).
Vì lý do này, các đại lượng tính toán của không khí ẩm đều đặt trên
cơ sở một đơn vò khối lượng không khí khô.
9.4.1 Độ chứa hơi d[

kgkkhơikg
]
Độ chứa hơi: Là khối lượng hơi nước có trong không khí ẩm ứng với
1kg không khí khô.

k
h
G
G
d
,

kgkkhơikg
(9-5)
Sử dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng cho thành phần
hơi nước và thành phần không khí khô


°
¯
°
®

­


T.R.GVp
T.R.GVp
kkk
hhh
h
k
k
h
k
h
R
R
p
p
G
G
d 
(a)
Với

°
¯
°
®
­

|

P
P

hk
k
h
h
k
ppp
kgkk hơikg622,0
97,28
02,18
R
R
(b)
Thế b vào a

h
h
pp
p
622,0d




kgkkhơikg
(9-6)
h
p

phân áp suất của hơi nước trong không khí ẩm, bar
p p suất của không khí ẩm, bar
Lưu ý: Nếu bài toán không cho giá trò áp suất của không khí ẩm thì
mặc nhiên xem nó có giá trò của áp suất môi trường: .
bar1~p
Từ 9-6
d622,0
pd
p
h



(9-7)
Nguyễn Toàn Phong 9 of 37 Chương IX _ Không Khí m
9.4.2 Độ ẩm tương đối
M
[%]
Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa lượng hơi nước hiện có trong không khí
ẩm đang khảo sát so với lượng hơi nước cực đại chứa
trong không khí này khi làm cho nó bão hòa ở điều
kiện nhiệt độ không đổi (quá trình AB).

maxh
h
G
G
M
, % (9-8)
Sử dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng cho hơi nước ở

trạng thái hiện tại và trạng thái tăng ẩm cực đại ở điều kiện đẳng nhiệt

¯
®
­


T.R.GV.p
T.R.GV.p
hmaxhmaxh
hhh


maxh
h
maxh
h
p
p
G
G
M
% (9-9)
Nhận xét:
Độ ẩm tương đối M thể hiện mức độ bão hòa của không
khí ẩm.
p suất bão hòa p
bh
hay p
h max

trong công thức 9-6 được
xác đònh từ bảng hơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ của
không khí ẩm hoặc có thể sử dụng công thức gần đúng
sau:

 
T
31,3142
T10.804,24Tlog2,859051,28plog
4
u

(9-10)
p áp suất bão hòa, bar
T nhiệt độ bão hòa, K
Từ phương trình 9-7 và 9-9


maxh
maxh
maxh
pp
p622,0
d
pd622,0
pd
M
M




M
(9-11)

Nguyễn Toàn Phong 10 of 37 Chương IX _ Không Khí m
9.4.3 Enthalpy của không khí ẩm I [
kgkkkJ
]
Enthalpy là thông số trạng thái mang bản chất năng lượng nên có
tính cộng được.

hhkk
hkkka
iGiG
III


(9-12)
Thành phần hơi nước trong không khí ẩm có thể thay đổi, tuy nhiên
thành phần không khí khô thì giữ không đổi, vì lý do này nên khối lượng
của thành phần không khí khô được sử dụng làm cơ sở tính toán sự thay
đổi enthalpy của không khí ẩm, chia hai vế phương trình 9-12 cho thành
phần khối lượng không khí khô

h
k
h
k
k
kka

i
G
G
i
G
I
I 

hay
hk
idiI 

kgkkkJ
(9-13)
Trong đó
I Enthalpy của không khí ẩm ứng với 1kg không khí khô
i
k
Enthalpy của 1kg không khí khô,
kgkkkJ

i
h
Enthalpy của 1kg hơi nước,
hơi)(kgkJ

Lưu ý
: Giá trò cụ thể của enthalpy tại một trạng thái nào đó thường
không có ý nghóa đặc biệt. Vì vậy có thể tùy ý chọn một gốc
giá trò.

Thông thường người ta chọn gốc ở áp suất
1bar
, nhiệt độ
0
o
C
.
Đối với thành phần hơi nước thì gốc là trạng thái lỏng.
Nhiệt dung đẳng áp lấy giá trò trung bình trong khoảng -10
o
C
đến 50
o
C
Nếu quy ước chọn gốc enhalpy như trên thì

°
¯
°
®
­
 
 
kkph0h
kkpkk
t84,177,2500tcri
t006,1tci
(9-14)
t
k

Nhiệt độ khối không khí ẩm hay nhiệt độ nhiệt kế khô
Nguyễn Toàn Phong 11 of 37 Chương IX _ Không Khí m
Thế 9-14 vào 9-13


>@

kk
t84,177,2500kgkk hơikgdt006,1I 
,
kgkkkJ
(9-15)
Có thể sử dụng biểu thức đơn giản sau:


>@

kk
t.22500kgkk hơikgdtI 
,
kgkkkJ
(9-16)
Lưu ý
: Trong cùng một bài toán chỉ nên sử dụng một công thức để
tính enthalpy tại các trạng thái.
9.4.4 Nhiệt độ
Đối với không khí ẩm thì có ba loại nhiệt độ
1. Nhiệt độ nhiệt kế khô t
k

Là nhiệt độ của khối không khí ẩm.
2. Nhiệt độ nhiệt kế ướt t
ư

Là nhiệt độ của khối không khí khi làm cho nó bão hòa ở điều kiện
bay hơi đoạn nhiệt.
Bản chất quá trình bay hơi đoạn nhiệt được bàn luận kỹ trong phần
tương ứng.
3. Nhiệt độ đọng sương t
đs

Là nhiệt độ của
không khí ẩm bão hòa có cùng phân áp suất hơi
với không khí ẩm đang khảo sát.

Nguyễn Toàn Phong 12 of 37 Chương IX _ Không Khí m
§ 9.5. Quá Trình Bay Hơi Đoạn Nhiệt
Nhiệt Độ Bầu Nhiệt Kế Ướt
Độ ẩm tương đối và độ chứa hơi thường được sử dụng trong kỹ thuật
và khoa học về môi trường, thông qua xác đònh nhiệt độ đọng sương của
không khí ẩm có thể xác đònh được hai thông số trên. Tuy nhiên thực tế
thì điều này khó thực hiện với dụng cụ đo đơn giãn, trên thực tế người ta
thường sử dụng quá trình bay hơi đoạn nhiệt để xác đònh.
Không khí ẩm có thể đạt đến trạng thái bão hòa theo quá trình bay
đoạn nhiệt như mô hình thể hiện dưới đây

Không khí ẩm chưa bão hòa ở trạng thái
c
có độ chứa hơi d
1

chưa
biết được dẫn qua thiết bò chứa nước như trên. Đặc điểm của không khí
ẩm chưa bào hòa là sẽ tiếp nhận thêm hơi nước cho đến khi đạt trạng
thái bão hòa thì dừng lại, nếu cường độ bay hơi nước đủ lớn thì không
khí ẩm ra ở trạng thái
d
đạt trạng thái bão hòa.
Sử dụng các phương trình cân bằng khối lượng và cân bằng năng
lượng qua hệ thống
Nguyễn Toàn Phong 13 of 37 Chương IX _ Không Khí m
Cân bằng khối lượng

GGG
21

(9-17)

21
dGmdG  
"

m
h
là lượng nước đã bay hơi, phương trình thứ hai được viết lại


12
ddGm 
"
(9-18)

Cân bằng năng lượng

¸
¸
¹
·
¨
¨
©
§



0W
0Q
,EE
ravào



2121
21
IGiddGIG
IGimIG
 
 
"
""

hay


2121
IiddI 
"
(9-19)
Thế phương trình xác đònh enthalpy của không khí ẩm vào 9-19

 

 
2h22pk121h11pk
idtciddidtc  
"

Biến đổi phương trình trên

 
"
"
ii
iidttc
d
1h
2h212pk
1



(9-20)
Trong đó


K.kgkJ006,1~c
pk

11h
t84,177,2500i 
,
hơi)(kgkJ

22h
t84,177,2500i 
,
hơi)(kgkJ

2
t18,4~i 
"
,
hơi)(kgkJ

Khi
d
đạt trạng thái không khí ẩm bão hòa thì d
2
được xác đònh
theo phương trình 9-11

2maxh
2maxh
2

pp
p622,0
d



(9-21)
Nguyễn Toàn Phong 14 of 37 Chương IX _ Không Khí m