Giáo trình điều hòa không khí - Chương 7

Nước ta có khí hậu nhiệt đới gió mùa, mùa hè tương đối nóng nực và có độ ẩm khá cao. Cùng với sự phát triển của đất nước đời sống nhân dân ngày một cải thiện và nâng cao, do đó nhu cầu v

Trong chương này, chúng ta tiến hành nghiên cứucác cơ sở lý thuyết về trao đổi nhiệt ẩm giữa khôngkhí và nước; các nhân tố ảnh hưởng đến quá trìnhđó; cấu tạo và nguyên lý hoạt động của các thiết bịbuồng phun thường sử dụng; tính toán thiết kếthiết bị thiết bị buồng phun.

7.1 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NHIỆT ẨM KHÔNG KHÍ

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

Quá trình thực xử lý nhiệt ẩm khá phức tạp, đểtiện lợi cho việc phân tính và tính toán, khi nghiêncứu quá trình trao đổi nhiệt ẩm của không khí vànước, người ta đưa ra một số giả thiết như sau:

- Sự tiếp xúc giữa nước và không khí là lýtưởng, thời gian tiếp xúc bằng vô cùng.

- Không có tổn thất nhiệt và ẩm ra của hệ trongquá trình xử lý

- Kích thước hạt nước đủ nhỏ để nhiệt độđồng đều trong toàn thể tích hạt

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

Người ta nhận thấy, sự thay đổi trạng thái củakhông khí phụ thuộc nhiều vào chiều chuyển độngtương đối giữa nước và không khí Dưới đây chúng tasẽ khảo sát quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa nướcvà không khí trong hai trường hợp đã nêu trên

7.1.2 Trường hợp nước và không khí chuyển động cùng chiều

Xét trường hợp trao đổi nhiệt ẩm giữa nước cónhiệt độ ban đầu là tn, không khí có trạng thái A(tA,

A) trong thiết bị trao đổi nhiệt ẩm kiểu hỗn hợp Ởđầu ra thiết bị trao đổi nhiệt ẩm, không khí đạt bãohoà đạt  =100%, nước và không khí có cùng nhiệtđộ tnk ,trạng thái không khí là AK đạt bão hoà

Ta nghiên cứu sự thay đổi trạng thái không khítrong quá trình trao đổi nhiệt ẩm dọc theo chiều dàicủa thiết bị Để thấy rõ quá trình này, ta chia thiết

bị trao đổi nhiệt ẩm thành k đoạn (hình 7.1)

Trong quá trình trao đổi nhiệt ẩm nhiệt độ nướctăng từ tn đến tnk, không khí thay đổi trạng thái từtrạng thái ban đầu A(tA, A) tới trạng thái bão hoà

Ak(tnk,100%), vì như giả thiết ở trên quá trình trao đổilà lý tưởng và thời gian tiếp xúc là vô cùng nên trạngthái không khí khi ra buồng phun có nhiệt độ bằngnhiệt độ nước tnk và đạt trạng thái bão hoà với độẩm  = 100%

Hình 7.1 Trao đổi nhiệt ẩm giữa không khí và

nước khi chuyển động cùng chiều

- Quá trình trao đổi nhiệt ẩm ở vùng 1

Không khí đầu vào có trạng thái là A(tA,A) vànước có nhiệt độ tn Do quá trình trao đổi nhiệt ẩmvới các giọt nước, lớp không khí tại lớp biên tiếp xúcvới các giọt nước đạt trạng thái bão hoà (=100%)và nhiệt độ bằng nhiệt độ nước t = tn (trạng tháiB) Các phần tử không khí ở xa ngoài lớp biên coinhư vẫn giữ nguyên trạng thái ban đầu A(tA,A) Nhưvậy ra khỏi vùng 1, không khí có trạng thái A1 là hỗnhợp của 2 khối khí có trạng thái A(tA,A) và B(tn,100%).Theo tính chất của quá trình hỗn hợp, điểm A1 sẽnằm trên đoạn AB Do trao đổi nhiệt với không khínên nhiệt độ của nước đầu ra vùng 1 tăng lên và đạtgiá trị tn1

- Quá trình trao đổi nhiệt ẩm ở vùng 2

Không khí đầu vào vùng 2 có trạng thái là A1 vànước có nhiệt độ tn1 Bằng cách phân tích tương tự,

ta thấy trạng thái không khí đầu ra A2 của vùng 2 làhỗn hợp của 2 khối khí có trạng thái A1 và

B1(tn1,100%) Như vậy điểm A2 nằm trên A1B1 và nhiệtđộ nước ra vùng 2 tăng lên tn2

Cứ phân tích tương tự như vậy ta thấy, trạngthấy không khí đầu ra thiết bị sẽ có trạng thái bãohoà, có nhiệt độ bằng nhiệt nước đầu ra tnk (trạngthái AkBk)

Nối tất cả các điểm A, A1, Ak ta có đường congbiểu thị sự thay đổi trạng thái của không khí trongquá 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 nhiệtđộ nước Lớp biên đó lớn dần, đến cuối thiết bị xửlý nhiệt ẩm sẽ chiếm toàn bộ dòng không khí.

Hình 7.2 Sự thay đổi trạng thái không khí

khi chuyển động cùng chiều với nước

Như vậy quá trình thay đổi trạng thái của khôngkhí thực tế là một đường cong Đối với thiết bịtrao đổi nhiệt ẩm kiểu song song cùng chiều, nó làđướng cong lõm Tuỳ thuộc nhiệt độ nước đầu ramà dung ẩm của không khí có thể tăng hoặc giảm.Nếu nhiệt độ nước đầu ra lớn hơn nhiệt độ đọngsương của không khí đầu vào thì dung ẩm của khôngkhí tăng, tức là có một lượng hơi ẩm khuyếch tánvào không khí và ngược lại Khi chuyển động songsong cùng chiều, khả năng làm tăng dung ẩm rất lớn

do nhiệt độ nước tăng dần và nhiệt độ nước đầu racó nhiều khả năng lớn hơn nhiệt độ đọng sương

Do độ chênh nhiệt độ giữa nước và không khíkhông quá lớn và người ta chỉ chú trọng đến trạngthái cuối quá trình xử lý nên thường biểu diễn quátrình thay đổi trạng thái của không khí theo đườngthẳng Mặt khác do quá trình trao đổi nhiệt ẩmkhông đạt lý tưởng, thời gian tiếp xúc là hữu hạnnên độ ẩm của không khí đầu ra chỉ đạt trạng thái

gần bão hoà, với độ ẩm cỡ 90 - 95%, tức là khôngkhí chỉ tới điểm O nào đó mà không đạt tới B.

Người ta nhận thấy quá trình thay đổi trạng tháicủa không khí cũng xãy ra tương tự khi nó trao đổinhiệt ẩm với thiết bị trao đổi nhiệt kiểu bề mặt

7.1.3 Trường hợp nước và không khí chuyển động ngược chiều

Trường hợp không khí và nước chuyển độngngược chiều, ta cũng chia thiết bị thành k đoạn (hình7.3)

Trạng thái không khí đầu vào các đoạn 1, 2, klần 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 lượtlà tn, tn1, tn2 tnk-1 Nhiệt độ nước đầu vào đoạn k là

tnk Các điểm B, B1, B2, Bk tương ứng là trạng tháikhông khí bão hoà ứng với nhiệt độ nước tn, tn1, tn2

Bằng cách phân tích tương tự trường hợp chuyểnđộng cùng chiều, không khí đầu ra các đoạn 1, 2, klần lượt là A1, A2, Ak Trong đó A1 nằm trên đoạn AB,

A2 nằm trên A1B1 và Ak nằm trên đoạn Ak-1Bk-1 Khôngkhí thay đổi từ trạng thái ban đầu A qua các trạngthái trung gian A1, A2 và cuối cùng đạt trạng thái bãohoà Ak ứng với nhiệt độ bằng nhiệt độ nước đầuvào tnk Nối tất cả các điểm A, A1, A2 .Ak ta đượcđường cong biểu thị sự thay đổi trạng thái củakhông khí khi trao đổi nhiệt ẩm với nước Kết quảcho thấy, đó là đường cong lồi

Nếu nhiệt độ nước đầu vào nhỏ hơn nhiệt độđọng sương của không khí thì qua quá trình trao đổinhiệt ẩm, dung ẩm của không khí giảm Ngược lại,nếu nhiệt độ nước xử lý cao hơn nhiệt độ đọngsương, qua trao đổi nhiệt ẩm, dung ẩm không khítăng Trên thực tế, nếu sử dụng nước lạnh, thìthường nhiệt độ nước nhỏ hơn nhiệt độ đọngsương Ngược lại nếu sử dụng nước thường thìnhiệt độ nước lớn hơn nhiệt độ đọng sương Nhưvậy, để giảm dung ẩm phải sử dụng nước lạnh,muốn tăng ẩm sử dụng nước thường

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

- Sự thay đổi trạng thái của không khí theo dạngđường cong;

- Trạng thái đầu ra của không khí phụ thuộc vàonhiệt độ nước xử lý và chiều chuyển động tươngđối giữa nước và không khí Dung ẩm của không khícó thể tăng hoặc giảm

Trên thực tế độ chênh nhiệt độ của không khíđầu vào tA và đầu ra tAk không lớn và trong các tínhtoán thường chỉ quan tâm trạng thái đầu và cuối Vìvậy người ta coi quá trình thay đổi trạng thái theodạng đường thẳng

Khi lượng nước phun vô cùng lớn và thời gian tiếpxúc  =  thì quá trình thay đổi trạng thái của khôngkhí tuân theo quy luật đường thẳng

Mặt khác do lượng nước phun và thời gian tiếpxúc là hữu hạn nên trạng thái cuối quá trình xử lýkhông khí không đạt trạng thái bão hoà Ak mà chỉ đạttrạng thái O có độ ẩm O = 9095%

d, [g/kg]

B

k k

1 2

Hình 7.4 Sự thay đổi trạng thái không khí

khi chuyển động ngược chiều với nước

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

Trạng thái không khí cuối quá trình xử lý không khíbằng nước phun không bao giờ đạt tới độ ẩm =1,mà chỉ đạt = 0,9 - 0,95 Mặt khác, qua quá trình phântích trên đây ta nhận thấy các trạng thái trung giancủa không khí khi trao đổi nhiệt ẩm luôn luôn nằmtrong tam giác cong AMN (hình 7.5)

Người ta chứng minh được rằng trên đồ thị I-dkhông khí có trạng thái A thì mọi quá trình nằmngoài tam giác cong AMN không thể thực hiện chỉbằng nước phun Tam giác cong AMN có đáy là đoạn

MN trên đường cong =1 và NN, AM là các tiếp tuyếntừ A tới đường cong =1

- Quá trình AC trong tam giác AMN có thể thực hiệnbằng nước phun

B

FP

M

N

Hình 7.5 Giới hạn quá trình xử lý không khí

7.2 THIẾT BỊ ĐIỀU HOÀ KIỂU ƯỚT

Thiết bị điều hoà không khí kiểu ướt sử dụngnước để xử lý không khí, gọi là thiết bị buồngphun Thiết bị buồng phun được sử dụng nhiềutrong công nghiệp, đặc biệt công nghiệp dệt

Buồng phun có nhiều dạng và cấu tạo khác nhau:

Theo cách bố trí : Người ta chia ra các loại buồng

đứng, nằm ngang, kiểu thẳng và ngoặt

Theo áp suất làm việc (tùy thuộc vào vị trí đặt

quạt): Kiểu hút, thổi, và kết hợp

Theo kết cấu: Buồng phun kiểu xây gạch hoặc

buồng phun kết cấu thép

Trong phần dưới đây chúng ta nghiên cứu hai loạibuồng phun thường được sử dụng trong côngnghiệp

7.2.1 Thiết bị buồng phun kiểu nằm ngang

Buồng phun kiểu nằm ngang có có hai dạng, dạngxây và dạng làm bằng vật liệu sắt thép Trong côngnghiệp, người ta thường sử dụng buồng phun kiểuxây vì thể tích lớn và tận dụng các kết cấu nhà

- Buồng xây được xây dựng từ gạch, bê tông, tấtcả các chi tiết bên trong làm bằng vật liệu kim loạihoặc nhựa Buồng xây được sử dụng cho các hệthống lớn trong công nghiệp như công nghiệp dệt,

nhuộm, sợi vv .Trên hình 7.6 là cấu tạo bên trongcủa một buồng phun kiểu xây

1- Cửa lấy gió tươi; 2- Cửa gió tuần hoàn; 3- Ngăn hoà trộn; 4- Quạt gió; 5- Bộ lọc; 6a- Bộ sấy trước và van gió; 6b- Bộ sấy sau và van gió; 7- Tấm chắn nước; 8- Ngăn phun; 9- Dàn phun; 10- Khay chứa nước; 11- Lưới lọc nước; 12- Ổng xả tràn; 13- Xả cặn; 14- Bơm phun; 15- Ống nước lạnh; 16- Cửa thao tác; 17-

Ống gió chính; 18- Mương cấp gió

Hình 7.6 Buồng phun xây

Để thuận lợi cho việc chế tạo, lắp đặt và sửdụng đối với các hệ thống công suất vừa người ta

sử dụng buồng phun chế tạo từ vật liệu kim loại,được lắp ghép từ các mô đun được sản xuất sẵn,các mô đun được lắp ghép với nhau bằng các mặtbích và bulông Số lượng và thứ tự các môđunđược lắp ghép một cách linh hoạt tuỳ theo yêu cầuxử lý không khí của tưnbgf hệ thống cụ thể Trênhình 7.7 là cấu tạo uồng phun loại này Buồngđược chế tạo từ khung bằng sắt thép và vỏ tôndày 1,53mm Vì bên trong buồng phun luôn bị ẩmướt và tiếp xúc thường xuyên với không khí nên khảnăng ăn mòn rất cao Vì thế buồng phun thường làmtừ vật liệu nhôm, hợp kim, inox hoặc sắt tráng kẽm.

1- Cửa lấy gió tươi có VĐC; 2- Ngăn đệm; 3- Van điều chỉnh; 4- Bộ sấy 1; 5- Ngăn hoà trộn; 6- Buồng phun; 7- Lọc khí; 8- Bộ sấy 2; 9- Gối tựa; 10- Bệ chống rung; 11- Động cơ điện; 12- Quạt ly tâm; 13- Cô chuyển tiếp; 14- Miệng thổi; 15- Ống gió tuần hoàn; 16- Van điều chỉnh tuần hoàn cấp 1,2; 17- Ống gió

tuần hoàn cấp 1

Hình 7.7 Cấu tạo buồng phun kiểu nằm

ngang

Thiết bị buồng phun nằm ngang có cấu tạo trảidài theo chiều nằm ngang Về mặt công suất, thiết

bị buồng phun nằm ngang thường có công suất lớn,đặc biệt gian xử lý không khí khá dài nhằm tăng thờigian tiếp xúc giữa không khí với nước và đủ để bốtrí nhiều dãy vòi phun nhằm tăng hiệu quả xửi lýnhiệt ẩm

Trên hình 7.8 là sơ đồ cấu tạo của một buồngphun nằm ngang

1- Cửa điều chỉnh gió vào; 2- Buồng hòa trộn; Lọc bụi; 4- Caloriphe;5- Hệ thống phun nước; 6- Buồng hòa trộn; 7- Caloriphe; 8- Ống gió ra; 9- Đường hồi gió cấp 1; 10- Đường hồi gió cấp 2; 11- Đường ống gió ra; 12- Bơm nước phun; 13- Máng hứng nước

3-Hình 7.8 Buồng phun kiểu nằm ngang

 Nguyên lý hoạt động

Không khí bên ngoài được lấy vào qua van điềuchỉnh đến buồng hòa trộn 3 để hòa trộn với khôngkhí tuần hoàn, sau đó được đưa vào buồng phun đểlàm xử lý nhiệt ẩm Nếu cần sưởi nóng thì sửdụng caloriphe Trong buồng phun có bố trí hệ thốngống dẫn nước phun và các vòi phun Nước đượcphun thành các hạt nhỏ để dễ dàng trao đổi nhiệtẩm với không khí Để tránh nước cuốn đi theo dòngkhông khí và làm ẩm ướt các thiết bị, phía trước và

phía sau buồng phun có bố trí các tấm chắn nướcdạng dích dắc Không khí sau khi xử lý xong đượcđưa vào buồng hòa trộn 10 để tiếp tục hòa trộnvới gió hồi cấp 2 Caloriphe 12 dùng để sưởi khôngkhí nhằm đảm bảo yêu cầu vệ sinh khi cần Nước đãqua xử lý lạnh được bơm 15 bơm lên các vòi phun vớiáp suất phun khá cao Một phần nước phun khuyếchtán vào không khí, phần còn lại ngưng đọng và rơixuống máng 13 và dẫn về lại để tiếp tục làmlạnh.

 Ngăn phun nước:

Trong ngăn phun nước người ta bố trí nhiều dãy vòiphun, một dãy cùng chiều và một số dãy ngượcchiều Trung bình mỗi m2 diện tích tiết diện ngangcủa buồng phun bố trí 1824 vòi phun, đường kínhvòi phun 3 ; 3,5 ; 4 ; 4,5 ; 5 và 5,5mm Vận tốc khốilượng của dòng không khí nằm trong khoảng  =2,53,0 kg/m2.s

Sức cản khí động của ngăn phun

- Loại 2 dãy mũi phun:

 p  1 , 44 (  ) 1 , 81, kG/m2

- Loại 3 dãy mũi phun:

 p  3 , 44 (  ) 1 , 2, kG/m2

 Dàn ống phun và mũi phun

Dàn ống phun nước gồm ống góp chính và cácống nhánh đối xứng 2 phía tạo thành xương cá,nhằm đảm bảo phân phối nước đều cho các mũiphun Các mũi phun được gắn trên các ống nhánh,thường bố trí so le hoặc đối xứng sao cho phân bốđều trên toàn bộ tiết diện ngang của ngăn phun

Mũi phun nước có nhiệm vụ làm xé nhỏ luồngnước phun càng bé càng tốt nhằm tăng diện tíchtiếp xúc giữa không khí và nước đồng thời hạn chếsự lắng động các giọt nước đưới tác dụng củatrọng lực, tăng thời gian tiếp xúc Mũi phun có 2 loạiloại phun thẳng và mũi phun góc Nguyên lý làm việcdựa trên tác dụng của lực ly tâm để xé nhỏ cácgiọt nước lúc ra khỏi lổ phun Do các lổ phun

thường rất nhỏ nên trong quá trình hoạt độngthường hay bị tắc do bẩn, nhất là các nguồn nướcbẩn Vì vậy nước phun cần được lọc một cáchcẩn thận trước khi được bơm đến các vòi phun Mặtkhác các đầu phun cũng có thể mở ra khỏi vòi phunđể vệ sinh khi cần.

 Tấm chắn nước

Tấm chăn nước được bố trí ở phía trước và phíasau ngăn phun Các tấm chắn nước có dạng dích dắccó tác dụng ngăn và gạt rơi các giọt nước bị cuốntheo dòng hơi, nó được lắp đặt ở 2 phía của buồngphun Về vật liệu các tấm chắn có thể chế tạo từcác tấm tôn tráng kẽm hoặc inox mỏng được gậpmột vài lần Số nếp gập càng nhiều thì hiệu quảtách ẩm tăng, nhưng trở lực lớn, thường người tachỉ gập 2-4 nếp

 Bộ sấy không khí

Trong các buồng phun thường có 2 bộ sấy: Bộ sấycấp 1 và cấp 2 Bộ sấy cấp 1 bố trí ở phía trướcbuồng phun và bộ sấy cấp 2 bố trí sau buồng phun.Bộ sấy thường sử dụng nhất là dạng bộ sấybằng nước nóng, đó là dàn ống trao đổi nhiệt cócánh với nước nóng chuyển động bên trong và khôngkhí chuyển động bên ngoài Ngoài ra trong các hệthống nhỏ người ta còn sử dụng bộ sấy bằngđiện

1,5- Vách chắn nước; 2- Trần buồng phun; 3- Ống góp

phun; 4- Vòi phun;

6- Bơm nước phun; 7- Máng hứng nước; 8,9,11- Đường

nước; 10- Van 3 ngả

Hình 7.9 Các chi tiết của buồng phun

Trên hình 7.11 là cấu tạo của vòi phun thườngđược sử dụng Nước có áp suất lớn đi theo đườngdẫn 2 vào buồng xoáy 3 theo phương tiếp tuyến.Trong buồng xoáy nước chuyển động xoáy với tốcđộ lớn và thoát ngoài qua lổ 4 Tốc độ ở lổ 4 rấtlớn, đi ra vòi phun có dạng hình côn và tốc độ giảmđộ ngột và được xé tơi thành những giọt nhỏ Mũiphun 5 được lắp vào thân vòi phun bằng ren và cóthể dễ dàng điều chỉnh để có buồng xoáy phù hợpnhất