Enthalpy là gì – Ứng dụng Enthalpy trong Tính Toán Hiệu Quả Hệ Thống Trao Đổi Nhiệt ERV

Enthanpy, thường được viết chính xác hơn là “enthalpy,” là một khái niệm trong nhiệt động lực học. Enthalpy (ký hiệu H) là một đại lượng dùng để mô tả năng lượng tổng cộng của một hệ thống, bao gồm năng lượng nội tại của hệ thống và công cơ học mà hệ thống có thể thực hiện với môi trường xung quanh khi thay đổi thể tích.

Công thức tính enthalpy được định nghĩa như sau: $H=U+PV$ trong đó:

• $H$ là enthalpy.
• $U$ là năng lượng nội tại của hệ thống.
• $P$ là áp suất của hệ thống.
• $V$ là thể tích của hệ thống.

Enthalpy là một đại lượng quan trọng trong nhiều quá trình nhiệt động lực học, bao gồm các quá trình hóa học, quá trình chuyển pha và các quá trình truyền nhiệt. Trong các phản ứng hóa học, sự thay đổi enthalpy ($\Delta H$) được sử dụng để xác định lượng nhiệt hấp thụ hoặc phát ra, giúp hiểu rõ hơn về năng lượng và sự cân bằng của phản ứng.

Ứng dụng của enthalpy (nhiệt enthalpy) trong việc tính toán hệ thống thu hồi năng lượng (ERV – Energy Recovery Ventilation) là rất quan trọng để đánh giá hiệu quả và hiệu suất của hệ thống. Hệ thống ERV được thiết kế để trao đổi nhiệt giữa không khí ra và không khí vào, giúp tiết kiệm năng lượng và cải thiện chất lượng không khí trong nhà.

Dưới đây là các bước cơ bản để tính toán và áp dụng enthalpy trong hệ thống ERV:

1. Xác định các thông số đầu vào:
   • Nhiệt độ và độ ẩm của không khí ngoài trời (Tout,RHoutT_{out}, RH_{out}Tout​,RHout​).
   • Nhiệt độ và độ ẩm của không khí trong nhà (Tin,RHinT_{in}, RH_{in}Tin​,RHin​).
   • Lưu lượng không khí qua hệ thống ERV.
2. Tính toán enthalpy của không khí ngoài trời và trong nhà:
   • Sử dụng bảng tra cứu enthalpy hoặc phần mềm để tính toán enthalpy dựa trên nhiệt độ và độ ẩm.
   • Công thức tính enthalpy của không khí ẩm: H=Cp⋅T+w⋅(2501+1.84⋅T)H = C_p \cdot T + w \cdot (2501 + 1.84 \cdot T)H=Cp​⋅T+w⋅(2501+1.84⋅T) Trong đó:
     • CpC_pCp​ là nhiệt dung riêng của không khí khô (khoảng 1.006 kJ/kg·K).
     • $T$ là nhiệt độ không khí (°C).
     • $w$ là tỷ lệ khối lượng hơi nước (kg hơi nước/kg không khí khô).
3. Tính sự thay đổi enthalpy:
   • ΔH=Hin−Hout\Delta H = H_{in} – H_{out}ΔH=Hin​−Hout​
   • Tính sự thay đổi enthalpy của không khí khi qua hệ thống ERV.
4. Tính toán năng lượng thu hồi:
   • Công suất năng lượng thu hồi ($Q$) có thể được tính bằng: Q=m˙⋅ΔHQ = \dot{m} \cdot \Delta HQ=m˙⋅ΔH Trong đó:
     • m˙\dot{m}m˙ là lưu lượng khối lượng không khí (kg/s).
     • $\Delta H$ là sự thay đổi enthalpy (kJ/kg).
5. Đánh giá hiệu suất của hệ thống ERV:
   • Hiệu suất nhiệt của hệ thống ERV thường được biểu diễn bằng phần trăm: Hiệu suaˆˊt=QQmax×100%\text{Hiệu suất} = \frac{Q}{Q_{\text{max}}} \times 100\%Hiệu suaˆˊt=Qmax​Q​×100% Trong đó QmaxQ_{\text{max}}Qmax​ là công suất năng lượng tối đa có thể thu hồi nếu hệ thống hoạt động hoàn hảo.

Việc tính toán enthalpy giúp kỹ sư hiểu rõ hơn về cách thức hệ thống ERV hoạt động, đảm bảo hiệu suất tối ưu và tiết kiệm năng lượng, đồng thời duy trì chất lượng không khí trong nhà ở mức tốt nhất.

Ví dụ:

Chúng ta sẽ tính toán thiết bị trao đổi nhiệt dựa trên các thông số đầu vào sau:

• Lưu lượng khí: 150 m³/giờ
• Nhiệt độ dòng khí vào: 35°C
• Độ ẩm dòng khí vào: 80%
• Nhiệt độ dòng khí hồi lưu: 25°C
• Độ ẩm dòng khí hồi lưu: 65%

Bước 1: Chuyển đổi đơn vị lưu lượng khí

Lưu lượng khí cần được chuyển đổi từ m³/giờ sang kg/s. Giả sử mật độ không khí là 1.2 kg/m³:

V˙=150 m3/giờ\dot{V} = 150 \, \text{m}^3/\text{giờ}V˙=150m3/giờ V˙=150 m3/giờ×13600 giờ/giaˆy=0.0417 m3/giaˆy\dot{V} = 150 \, \text{m}^3/\text{giờ} \times \frac{1}{3600} \, \text{giờ/giây} = 0.0417 \, \text{m}^3/\text{giây}V˙=150m3/giờ×36001​giờ/giaˆy=0.0417m3/giaˆy m˙=V˙×ρ=0.0417 m3/giaˆy×1.2 kg/m3=0.05 kg/s\dot{m} = \dot{V} \times \rho = 0.0417 \, \text{m}^3/\text{giây} \times 1.2 \, \text{kg/m}^3 = 0.05 \, \text{kg/s}m˙=V˙×ρ=0.0417m3/giaˆy×1.2kg/m3=0.05kg/s

Bước 2: Tính toán enthalpy của dòng khí vào và hồi lưu

Chúng ta sẽ sử dụng các công thức tính toán enthalpy dựa trên nhiệt độ và độ ẩm. Để đơn giản, chúng ta sẽ sử dụng giá trị tra cứu gần đúng từ các bảng dữ liệu nhiệt động lực học hoặc công cụ tính toán trực tuyến.

Enthalpy dòng khí vào (H_in):

• Nhiệt độ: 35°C
• Độ ẩm: 80%

Sử dụng công thức gần đúng: Hin≈Cp⋅Tin+win⋅(2501+1.84⋅Tin)H_{in} \approx C_p \cdot T_{in} + w_{in} \cdot (2501 + 1.84 \cdot T_{in})Hin​≈Cp​⋅Tin​+win​⋅(2501+1.84⋅Tin​)

Trong đó:

• CpC_pCp​ là nhiệt dung riêng của không khí khô, khoảng 1.006 kJ/kg·K.
• winw_{in}win​ là tỷ lệ khối lượng hơi nước trong không khí ẩm.

Giả sử winw_{in}win​ tại 35°C và 80% độ ẩm là 0.03 kg hơi nước/kg không khí khô (có thể tra cứu từ bảng hoặc công cụ trực tuyến).

Hin≈1.006⋅35+0.03⋅(2501+1.84⋅35)H_{in} \approx 1.006 \cdot 35 + 0.03 \cdot (2501 + 1.84 \cdot 35)Hin​≈1.006⋅35+0.03⋅(2501+1.84⋅35) Hin≈35.21+0.03⋅(2501+64.4)H_{in} \approx 35.21 + 0.03 \cdot (2501 + 64.4)Hin​≈35.21+0.03⋅(2501+64.4) Hin≈35.21+0.03⋅2565.4H_{in} \approx 35.21 + 0.03 \cdot 2565.4Hin​≈35.21+0.03⋅2565.4 Hin≈35.21+76.96H_{in} \approx 35.21 + 76.96Hin​≈35.21+76.96 Hin≈112.17 kJ/kgH_{in} \approx 112.17 \, \text{kJ/kg}Hin​≈112.17kJ/kg

Enthalpy dòng khí hồi lưu (H_out):

• Nhiệt độ: 25°C
• Độ ẩm: 65%

Giả sử woutw_{out}wout​ tại 25°C và 65% độ ẩm là 0.015 kg hơi nước/kg không khí khô.

Hout≈Cp⋅Tout+wout⋅(2501+1.84⋅Tout)H_{out} \approx C_p \cdot T_{out} + w_{out} \cdot (2501 + 1.84 \cdot T_{out})Hout​≈Cp​⋅Tout​+wout​⋅(2501+1.84⋅Tout​)

Hout≈1.006⋅25+0.015⋅(2501+1.84⋅25)H_{out} \approx 1.006 \cdot 25 + 0.015 \cdot (2501 + 1.84 \cdot 25)Hout​≈1.006⋅25+0.015⋅(2501+1.84⋅25) Hout≈25.15+0.015⋅(2501+46)H_{out} \approx 25.15 + 0.015 \cdot (2501 + 46)Hout​≈25.15+0.015⋅(2501+46) Hout≈25.15+0.015⋅2547H_{out} \approx 25.15 + 0.015 \cdot 2547Hout​≈25.15+0.015⋅2547 Hout≈25.15+38.21H_{out} \approx 25.15 + 38.21Hout​≈25.15+38.21 Hout≈63.36 kJ/kgH_{out} \approx 63.36 \, \text{kJ/kg}Hout​≈63.36kJ/kg

Bước 3: Tính sự thay đổi enthalpy

ΔH=Hin−Hout=112.17−63.36=48.81 kJ/kg\Delta H = H_{in} – H_{out} = 112.17 – 63.36 = 48.81 \, \text{kJ/kg}ΔH=Hin​−Hout​=112.17−63.36=48.81kJ/kg

Bước 4: Tính năng lượng thu hồi

Q=m˙⋅ΔHQ = \dot{m} \cdot \Delta HQ=m˙⋅ΔH $Q=0.05\text{kg/s}\cdot 48.81\text{kJ/kg}$ $Q=2.4405\text{kW}$

Bước 5: Đánh giá hiệu suất của hệ thống ERV

Giả sử công suất năng lượng tối đa có thể thu hồi QmaxQ_{\text{max}}Qmax​ là 3 kW:

Hiệu suaˆˊt=QQmax×100%\text{Hiệu suất} = \frac{Q}{Q_{\text{max}}} \times 100\%Hiệu suaˆˊt=Qmax​Q​×100% Hiệu suaˆˊt=2.44053×100%\text{Hiệu suất} = \frac{2.4405}{3} \times 100\%Hiệu suaˆˊt=32.4405​×100% $\text{Hiệu suaˆˊt}\approx 81.35\%$

Kết luận

Với các thông số đầu vào, hệ thống trao đổi nhiệt của bạn có thể thu hồi khoảng 2.4405 kW năng lượng với hiệu suất khoảng 81.35%. Điều này cho thấy hệ thống ERV hoạt động hiệu quả và giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể.