Giáo trình điều hòa không khí - Chương 8

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

Chương 8

TUẦN HOÀN KHÔNG KHÍ TRONG PHÒNG

Trong chương này trình bày các cơ sở lý thuyết tínhtoán tốc độ chuyển động của không khí dọc theoluồng, những nhân tố ảnh hưởng đến cấu trúc vàtốc độ luồng Trên cơ sở đó tính toán thiết kế vàbố trí các miệng thổi, miệng hút sao cho tuần hoàngió trong phòng thuận lợi nhất, đáp ứng các tiêuchuẩn vệ sinh về tốc độ gió trong phòng

8.1 TÌNH HÌNH LUÂN CHUYỂN KHÔNG KHÍ TRONG

NHÀ.

Một trong những nhiệm vụ quan trọng của các hệthống điều hoà không khí là thực hiện việc tuầnhoàn không khí trong phòng để nâng cao mức độđồng đều về nhiệt độ, tăng cường trao đổi nhiệtẩm trong phòng

Mục đích của việc thông gió và điều hòa không khílà thay đổi không khí đã bị ô nhiễm do nhiệt, ẩm,chất độc hại, bụi vv ở trong phòng bằng không khísạch đã qua xử lý Quá trình đó được thực hiệnnhờ luân chuyển và trao đổi không khí Có nhiềunguyên nhân gây ra sự chuyển động của không khítrong phòng:

 Chuyển động đối lưu tự nhiên:

Động lực tạo nên chuyển động đối lưu tự nhiênlà do chênh lệch mật độ của không khí giữa các vùng

ở trong phòng Sự khác biệt của mật độ thường dochênh lệch nhiệt độ và độ ẩm, trong đó chênh lệchnhiệt độ là chủ yếu và thường gặp nhất, khi nhiệtđộ chênh lệch càng cao thì chuyển động đối lưu tựnhiên càng mạnh Các phần tử không khí nóng vàkhô, nhẹ hơn nên bốc lên cao và các phần tử khôngkhí lạnh, ẩm nặng hơn nên chìm xuống phía dưới,tạo nên sự luân chuyển Lực gây ra đối lưu tựnhiên giữa các vùng có giá trị như sau:

P = g.(2-1) = g. 1)

(8-Trong đó 1, 2 là khối lượng riêng của không khígiữa các vùng đang nghiên cứu, kg/m3;

g - là gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2

Chuyển động đối lưu tự nhiên tuy yếu, nhưngcũng rất quan trọng trong điều hoà không khí, nó gópphần làm đồng đều nhiệt độ trong phòng và tăngcường quá trình trao đổi nhiệt ẩm

 Chuyển động đối lưu cưỡng bức

Chuyển động đối lưu cưỡng bức là chuyển động

do ngoại lực tạo nên Đối với không khí là do quạt,nó đóng vai trò quyết định trong việc tuần hoàn vàtrao đổi không khí trong phòng

Khác với chuyển động đối lưu tự nhiên, chuyểnđộng đối lưu cưỡng bức có cường độ lớn, có thểđịnh hướng theo ý muốn chủ quan của con người vàcó thể thay đổi được nhờ thay đổi tốc độ quạt

Vì thế, chuyển động đối lưu cưỡng bức làchuyển động quan trọng nhất, có ảnh hưởng lớnnhất đến tuần hoàn và trao đổi không khí trongphòng

 Chuyển động khuyếch tán

Ngoài 2 chuyển động nêu trên, không khí trong phòngcòn tham gia một hình thức chuyển động nữa gọi làchuyển động khuyếch tán Chuyển động khuyếchtán là sự chuyển động của các phần tử không khíđứng yên trong phòng vào một luồng không khí đangchuyển động Tốc độ trung bình của luồng càng lớnthì sự chuyển động khuyếch tán càng mạnh

Chuyển động khuyếch tán gây ra là do sự chênhlệch cột áp thuỷ tĩnh giữa các phần tử không khíchuyển động trong luồng và không khí đứng yên trongphòng Các phần tử không khí trong phòng đứng yênnên có cột áp thuỷ tĩnh cao hơn so với các phần tửchuyển động, kết quả các phần tử không khí trongphòng sẽ bị cuốn vào luồng và trở thành một bộphận của luồng

Chuyển động khuyếch tán có ý nghĩa lớn trongviệc giảm tốc độ của dòng không khí sau khi ra khỏimiệng thổi, xáo trộn và làm đồng đều tốc độchuyển động của không khí trong phòng nói chung.Để đánh giá mức độ hoàn hảo của việûc trao đổikhông khí trong nhà người ta đưa ra hệ số đồng đềusau :

V L

V R E

tt

ttK





tR, tV - Nhiệt độ không khí ra vào phòng, oC;

tL - Nhiệt độ không khí tại vùng làm việc, oC;

Hệ số kE càng cao càng tốt

8.2 LUỒNG KHÔNG KHÍ

Luồng không khí là dòng không khí được thổi tự

do từ một miệng gió vào một không gian bất kỳ, đólà tập hợp các phần từ chuyển động tạo nên

Việc nghiên cứu luồng không khí vào ra ở cácmiệng gió nhằm mục đích tăng cường quá trình traođổi nhiệt ẩm trong phòng, tính toán và bố trí cácmiệng thổi, miệng hút nhằm cấp gió đồng đềutrong toàn bộ thể tích phòng Đó là cơ sở lý thuyếtđể tính toán, lựa chọn và bố trí các miệng cấpvà hồi gió

8.2.1 Cấu trúc của luồng không khí từ miệng thổi

8.2.1.1 Luồng không khí từ một miệng thổi tròn

Xét một luồng không khí được thổi ra từ mộtmiệng thổi tròn có đường kính do, tốc độ ở đầu ramiệng thổi là vo và được coi là phân bố đều trêntoàn tiết diện miệng thổi ở đầu ra (x=0) Bỏ qua tácđộng của các lực đẩy của không khí trong phòng lênluồng

Trong đoạn xd này càng đi ra xa phần lỏi của luồng,nơi tốc độ bằng vo càng nhỏ dần cho đến vị trí xd thìhết và profil tốc độ bắt đầu có dạng tam giác vớichiều cao vo.

Ngoài khoảng xd người ta gọi là đoạn chính củaluồng tốc độ tại tâm vmax giảm dần

Người ta nhận thấy cùng với việc giảm tốc độ,tiết diện của luồng cũng tăng lên do chuyển độngkhuyếch tán Điều này có thể giải thích như sau: theođịnh luật Becnuli các phần tử không khí trong luồngchuyển động nên có áp suất tĩnh nhỏ hơn các phầntử đứng yên bên ngoài, kết quả là không khí xungquanh tràn vào luồng và tạo thành một bộ phận

của luồng nên tiết diện luồng tăng dần Góc mở củaluồng gọi là góc mép khuyếch tán .

Như vậy, luồng không khí có thể chia ra làm 02vùng: phần lỏi (hoặc nhân luồng) ở đó tốc độchuyển động không đổi và bằng v = vo, , phần nàychỉ nằm trong đoạn đầu xd; phần biên luồng nơi tốcđộ thay đổi theo tiết diện 0

ra miệng thổi đến khoảng cách xd trên thực tế rấtngắn nó ít ảnh hưởng tới sự luân chuyển không khítrong phòng Đoạn ngoài khoảng xd gọi là phần chínhcủa luồng và nó có ảnh hưởng quyết định đến sựluân chuyển không khí trong phòng

Việc nghiên cứu phân bố tốc độ của phần chínhcủa luồng rất quan trọng trong việc tính toán tuầnhoàn không khí trong phòng cũng như xác định tốc độdòng không khí trong vùng làm việc Đó là cơ sở đểtính toán thiết kế và lắp đặt miệng thổi Theo quiđịnh về vệ sinh thì tốc độ gió trong vùng làm việcphải nhỏ hơn một giá trị nào đó tuỳ thuộc nhiệt độkhông khí trong phòng

Trên đây là hình dáng của luồng đối với miệngthổi tròn, trơn không có cánh Thực tế hình dáng củaluồng đầu ra miệng thổi phụ thuộc rất nhiều vàokết cấu miệng thổi Các miệng thổi tròn thườngcó các cánh điều chỉnh hướng gió Luồng không khíqua các miệng thổi thực tế sẽ khác nhiều

Ngoài miệng thổi tròn ra người ta còn sử dụngphổ biến các loại miệng thổi vuông, chữ nhật,miệng thổi dẹt, miệng thổi hình dạng khác nữa vớirất nhiều loại cánh hướng khác nhau Vì vậy rấtkhó xác định chính xác các thông số của luồng trongnhững trường hợp này

Người ta nhận thấy, cấu trúc luồng ra khỏi cácmiệng thổi vuông, chữ nhật trong đoạn đầu tuy cókhác miệng thổi tròn, nhưng càng ra xa, luồng sẽbiến dạng và trở thành luồng đối xứng giống luồngtừ miệng thổi tròn Vì vậy có thể áp dụng các côngthức tính toán miệng thổi tròn cho các trường hợpnày.

8.2.1.2 Luồng không khí từ một miệng thổi dẹt

Miệng thổi dẹt là miệng thổi có tiết diện chữnhật aoxbo trong đó có một cạnh lớn hơn cạnh kiakhá nhiều (ao/bo > 5)

ra khỏi miệng thổi dẹt có dạng chữ nhật giốngtiết diện miệng thổi, do phía cạnh lớn tiếp xúcnhiều với không khí trong phòng nên có nhiều phầntử xung quanh khuyếch tán vào luồng theo hướngnày vì vậy luồng nhanh chóng mở rộng theo hướngđó Ngược lại, phía cạnh nhỏ diện tích tiếp xúc vớikhông khí xung quanh bé nên số lượng phần tửkhông khí khuyếch tán vào luồng không đáng kể Vìvậy tiết diện luồng hầu như không tăng

8.2.2 Tính toán các thông số luồng từ miệng thổi tròn và dẹt

Trong điều hòa không khí tốc độ tại vùng làm việc

vL là một thông số quan trọng : Tốc độ không đượclớn quá do yêu cầu của điều kiện vệ sinh và yêu cầucông nghiệp Tốc độ bé quá thì trao đổi nhiệt ẩmkém Tốc độ trong vùng làm việc phụ thuộc vàonhiệt độ không khí thường khá bé từ 0,25 1,0 m/stuỳ thuộc vào nhiệt độ phòng (bảng 2-2)

Các thông số kích thước của luồng đã được người

ta xác định như sau:

 Chiều dài đoạn đầu x d

- Đối với luồng không khí từ miệng thổi tròn:





tg

d 145 , 1

 - Là góc mép khuyếch tán của đoạn đầu:

=14o30' với miệng thổi tròn và  =12o40' với miệngthổi dẹt;

do, bo - Đường kính của miệng thổi tròn và chiềunhỏ của miệng thổi dẹt, mm

 Phân bố tốc độ tại trục của luồng ở vùng chính

Trong trường hợp tổng quát có thể xác định tốcđộ cực đại của không khí vmax, x tại vị trí trên trụccủa luồng, cách miệng thổi một khoảng x theo côngthức sau:

- Đối với luồng không khí từ miệng thổi tròn:

x

m v

- Đối với luồng không khí từ miệng thổi dẹt :

x

m v

x tọa độ không thứ nguyên : miệng thổi tròn

Muốn luồng không khí đi xa cần chọn miệng thổicó trị số m lớn, tốc độ luồng suy giảm chậm Khicần hội cần luồng suy giảm nhanh thì chọn loạimiệng thổi có trị số m nhỏ Các loại miệng thổidẹt có trị số m lớn, miệng thổi có loa khuyếch tánthì trị số m nhỏ hơn Vì vậy trong các xí nghiệp côngnghiệp khi không gian điều hòa rộng, tốc độ chophép lớn có thể chọn miệng thổi dẹt, còn trong cácphòng làm việc, phòng ở không gian thường hẹp, trầnthấp, tốc độ cho phép nhỏ thì nên chọn miệng thổikiểu khuyếch tán hoặc có các cánh hướng

Đối với luồng không khí không đẳng nhiệt, nhiệtđộ tại tâm luồng cũng thay đổi theo và được tínhtheo công thức sau:

- Đối với luồng không khí từ miệng thổi tròn:

x

n

o x

tf - Nhiệt độ không khí trong phòng, oC;

to - Nhiệt độ không khí đầu ra miệng thổi, oC;

tx - Nhiệt độ trục luồng tại tiết diện x, oC

Trị số n của mỗi loại miệng thổi có khác nhau vàđược lấy theo kinh nghiệm hoặc được các nhà.Dưới đây là các trị số n của một vài kiểu miệngthổi của Liên xô (cũ)

- Miệng thổi tóp đầu 30o: n = 4,8;

- Miệng thổi tròn có loe khuyếch tán: n = 1,1;

- Miệng thổi hình dẹt: n = 1,8  2,0.

Cũng cần chú ý rằng trị số n cho ở trên đây khôngthể sử dụng để tính toán cho tất cả các loạimiệng thổi vì phụ thuộc rất nhiều yếu tố kỹthuật, công nghệ chế tạo, vật liệu, quy cách kỹthuật khác Trên thực tế cần tiến hành thựcnghiệm mới xác định chính xác

 Phân bố tốc độ trung bình của luồng ở vùng chính:

Ta có thể xác định tốc độ tại tâm và tốc độ trungbình tại một tiết diện x cách miệng thổi mộtkhoảng x theo các biểu thức sau:

- Đối với luồng không khí từ miệng thổi tròn:

s / m , tg d

x 2 1

29 , 3 v v

o

o x max,

x 2 1

645 , 0 v

x 2 1

88 , 1 v v

o

o x max,

x 2 1

78 , 0 v

8.2.3 Cấu trúc của dòng không khí gần miệng hút.

Tốc độ trung bình của không khí trong luồng đượcxác định theo công thức sau:

x

x x

F

V

trong đó:

Vx - Lưu lượng không khí trong luồng, m3/s;

Fx - Tiết diện luồng tại khoảng x cách miệng thổihoặc miệng hút, m

Khác với luồng không khí trước các miệng thổi,luồng không khí trước các miệng hút có 2 đặc điểmkhác cơ bản sau đây:

- Luồng không khí trước miệng thổi có góc mépkhuyếch tán nhỏ, luồng không khí trước các miệnghút chiếm toàn bộ không gian phía trước miệng hútnghĩa là lớn hơn nhiều

- Lưu lượng không khí trong luồng trước miệngthổi tăng dần do chuyển động khuyếch tán củakhông khí bên ngoài vào, còn luồng không khí trướccác miệng hút có lưu lượng không đổi

1- Các đường dòng; 2- Đường đẳng tốc

Hình 8.3 Luồng không khí trước miệng hút

Do 2 đặc điểm trên nên theo công thức (8-13) ta cóthể dễ dàng nhận thấy khi đi ra xa cách miệng hútmột khoảng cách nào đó tốc độ luồng trước miệnghút giảm một cách nhanh chóng Như vậy luồngkhông khí trước miệng hút triệt tiêu rất nhanh, hay

nói cách khác là không khí chỉ luân chuyển tại mộtkhu vực nhỏ gần miệng hút.

Tốc độ trên trục của luồng không khí trước miệnghút xác định theo công thức sau:

2 o o H x

d v k

vo - Tốc độ không khí tại đầu vào miệng hút, m/s;

do - Đường kính của miệng hút, m;

x - Khoảng cách từ miệng hút tới điểm xác định, m;

KH - Hệ số phụ thuộc dạng miệng hút và cho ởbảng (8-1)

Từ bảng giá trị kH ta nhận thấy tốc độ không khítại tâm luồng trước miệng hút giảm rất nhanh khităng khoảng cách x Ví dụ đối với miệng thổi tròn,khí bố trí nhô lên khỏi tường (góc khuyếch tán 2 >

180o ) khi x=do thì vmax,x = 0,06.vo tức là tốc độ khôngkhí tại tâm luồng chỉ còn 6% tốc độ ở ngay miệnghút, trong khi khoảng cách bằng do là rất nhỏ, trênthực tế chưa đến 0,5m

Bảng 8.1 Hệ số k H của các miệng hút ở các

vị trí lắp đặt khác nhau

Vị trí và cách

Loại miệng hút

Tròn , vuôn g

Với các kết quả trên ta có thể rút ra kết luận sau :

- Miệng hút chỉ gây xáo động không khí tại mộtvùng rất nhỏ trước nó và do đó hầu như không ảnhhưởng tới sự luân chuyển không khí ở trong phòng Vịtrí miệng hút không ảnh hưởng tới việc luân chuyểnkhông khí Do đó có thể bố trí miệng hút ở những

vị trí bất kỳ, ngay bên cạnh miệng thổi cũng khôngảnh hưởng đến luồng không khí đi ra miệng thổi

- Do luồng không khí trước các miệng hút rất nhỏnên để hút thải gió trong phòng được đều cần bốtrí các miệng hút rải khắp không gian phòng, đồngthời tạo ra sự xáo trộn mạnh không khí trong phòngnhờ quạt hoặc luồng gió cấp

8.2.4 Luồng không khí đối lưu tự nhiên

Khi nghiên cứu luồng không khí đối lưu tự nhiênngười ta nhận thấy cấu trúc của luồng tương tựnhư luồng không khí trước các miệng thổi

Hình 8.4 Luồng không khí đối lưu tự nhiên

Xét trường hợp một tấm tròn tỏa nhiệt đặt trênmặt sàn , không khí trên bề mặt sẽ được đốt nóngvà bốc lên

- Tốc độ trung bình tại tiết diện cách bề mặt một khoảng x

s / m , x

Q 058 , 0 v

3 / 1

Q 046 , 0 v

3 / 1

td x

F - Diện tích bề mặt đốt nóng, m2;

Q - Công suất nhiệt bề mặt, kCal/h

8.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC NHÂN TỐ ĐẾN KẾT CẤU LUỒNG KHÔNG KHÍ.

Luồng không khí thực tế trong phòng chịu ảnhhưởng của nhiều nhân tố như nhiệt độ luồng, trần,vách phòng và ảnh hưởng qua lại giữa các luồngkhông khí trong phòng nên cấu tạo luồng và tốc độkhông khí trong phòng có nhiều thay đổi

8.3.1 Luồng không khí không đẳng nhiệt

Các công thức xác định độ dài xd và các tốc độ ởtrên chỉ xét trong điều kiện dòng không khí đẳngnhiệt, tức là có nhiệt độ bằng nhau và bằng nhiệtđộ không khí trong phòng Trong thực tế nhiệt độcủa dòng không khí thổi vào bao giờ cũng khác nhiệtđộ không khí trong phòng Về mùa Hè khi điều hoàkhông khí thì nhiệt độ dòng bé hơn và về mùa Đôngkhi sưởi thì nhiệt độ không khí trong luồng cao hơn Trên hình 8.5 minh họa hình dáng luồng không khícó nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ phòng, sau khi thổi vàophòng Luồng bị chìm xuống, tâm luồng bị uốn congvề phía dưới Profil tốc độ và nhiệt độ luồng códạng tương tự luồng đẳng nhiệt Quan hệ giữa cáctoạ độ tâm luồng được xác định theo công thứcthực nghiệm Kostel [1]:

3

o o

x

Ar K tg A

x A

o

T

T.v

A.g

x

Trục nằm ngang

Profil tốc độProfil nhiệt độ

Hình 8.5 Cấu trúc luồng không đẳng nhiệt

Quan hệ giữa tốc độ và các nhiệt độ có thể xácđịnh theo công thức sau:

O

x max,

o f

x max, f

v

v 8 , 0 t

t

t t

vmax,x, vo - Tốc độ không khí tại tâm trục ở vị tríkhảo sát và tại tiết diện co thắt

8.3.2 Ảnh hưởng của trần và vách

Khi luồng không khí được thổi ra miệng thổi dọctheo trần hoặc vách thì hình dạng có nhiều thay đổi

do tác động của trần và vách

Giai đoạn đầu khi dòng mới thoát ra khỏi miệngthổi, dòng không khí phát triển bình thường và mởrộng về 2 phía giống như trong không gian vô hạn.Sau khi đi một khoảng cách nào đó, luồng chạmtrần Lúc này phía trên của luồng không có chuyểnđộng khuyếch tán nên tốc độ luồng hầu như khôngđổi và duy trì ở tốc độ cao, trong khi phía dưới luồngkhông khí vẫn khuyếch tán vào luồng và làm giảmtốc độ không khí trong luồng Kết quả phân bố tốcđộ trong luồng thay đổi, tốc độ không khí phía trênluồng cao hơn phía dưới Theo định luật Becnuli ápsuất tĩnh phía dưới của luồng lớn hơn phía trên và

Luồng không khí lúc này chuyển động la la sát trầnvà đi xa hơn bình thường Do đó nó đi được mộtquảng khá xa, trong trường hợp này tốc độ luồng ởphía cuối sát tường đối diện khá lớn, nếu nhưtường đối diện gần Tuy nhiên, khi thiết kế hệthống cấp gió người ta chỉ quan tâm đến tốc độ củakhông khí trong vùng làm việc (vùng từ sàn đến độcao 1800mm) và vùng cách xa tường 300mm, vùng đó

gọi là vùng ưu tiên Trong trường hợp này khoảng

cách phun lớn nhất có thể chấp nhận là L+H

Vì vậy luồng đi được xa hơn và xâm phạm ít vàovùng làm việc, nhờ vậy có thể chọn tốc độ thổicao