Hệ thống tháp giải nhiệt của Chiller

Hệ thống tháp giải nhiệt (cooling tower system) là một phần thiết yếu của chiller làm mát bằng nước (water-cooled chiller), có chức năng loại bỏ nhiệt thải từ quá trình làm lạnh ra môi trường bên ngoài [1]. Chiller hấp thụ nhiệt từ một không gian hoặc quy trình công nghiệp, và hệ thống tháp giải nhiệt sau đó thải nhiệt đó vào khí quyển [1, 2].

Cấu tạo chính:

Một hệ thống tháp giải nhiệt điển hình bao gồm các thành phần sau [3, 4]:

Tháp giải nhiệt (Cooling Tower): Đây là thiết bị chính nơi quá trình trao đổi nhiệt diễn ra. Nước nóng từ chiller được bơm lên đỉnh tháp và phun xuống qua các tấm đệm (fill media).
Tấm đệm (Fill Media): Các tấm này làm tăng diện tích bề mặt tiếp xúc giữa nước và không khí, tối đa hóa hiệu quả làm mát bằng cách làm chậm dòng chảy của nước và cho phép nước phân tán thành các giọt nhỏ hơn [3].
Quạt (Fan): Tạo ra luồng không khí đi qua tháp, giúp bay hơi một phần nước và làm mát phần còn lại [3].
Bể chứa (Cold Water Basin): Thu gom nước đã được làm mát ở đáy tháp trước khi nước được bơm trở lại chiller [3].
Hệ thống phân phối nước (Water Distribution System): Bao gồm các ống và vòi phun để đảm bảo nước nóng được phân bổ đều khắp tấm đệm [3].
Tấm chắn giọt nước (Drift Eliminators): Giúp giữ lại các giọt nước nhỏ có thể bị cuốn theo luồng không khí ra khỏi tháp, giảm thiểu lượng nước thất thoát [3].

2. Nguyên lý hoạt động:

2.1 Tháp giải nhiệt tròn

Khi khởi động tháp giải nhiệt, nước sẽ được phun từ trên xuống tấm tản nhiệt theo dạng tia qua hệ thống đầu phun và ống chia nước của thiết bị.

Trong lúc đó, nguyên lý tháp giải nhiệt sẽ sử dụng không khí mát từ bên ngoài đưa vào tháp ở cửa vào nằm dưới đáy tháp. Không khí sẽ di chuyển ngược lên, đi qua tấm tản nhiệt, tiếp xúc với nước và cuốn theo hơi nước nóng đưa ra môi trường bên ngoài.

Nước mát còn lại trong tháp giảm từ 5 – 12°C (tùy dòng tháp) so với nhiệt độ ban đầu sẽ được đưa tới các nhà máy, xí nghiệp hoặc tòa nhà lớn để giải nhiệt cho máy móc, khu văn phòng. Sau đó, nước nóng từ các nhà máy lại được đưa đến tháp hạ nhiệt và lặp lại quy trình làm mát như trên.

2.2 Tháp giải nhiệt vuông

Dòng tháp giải nhiệt cooling tower này có thiết kế luồng khí đưa xuống bồn nước theo phương thẳng đứng, cùng chiều với lưu lượng nước chảy thẳng xuống bởi tác động của trọng lực. Khi đó, nước sẽ được dàn đều trên bề mặt màng giải nhiệt qua hệ thống phân phối nước dạng máng hoặc đầu phun. Cùng thời điểm đó, không khí luân chuyển sẽ cuốn theo hơi nước nóng ra môi trường bên ngoài, giúp làm giảm nhiệt độ của nước trong hệ thống tuần hoàn. Cuối cùng, tương tự như tháp giải nhiệt nước dạng tròn, nước mát sẽ được đưa tới nhà xưởng để giải nhiệt cho hệ thống máy móc, trang thiết bị tại đây.

3. Tính toán thiết kế tháp giải nhiệt

3.1 Tính công suất của tháp

Cần xác định các thông số

Nhiệt độ nước trước khi vào hệ thống
Nhiệt độ nước sau khi ra hệ thống
Lưu lượng nước vào, ra hệ thống

Công thức nhiệt học

Q = C*M*(T2-T1)

Trong đó:

+C: Nhiệt dung riêng của nước 4200 (J/kg*K)

+M: Khối lượng của nước (tính thông qua lưu lượng)

+ T2-T1: Nhiệt độ sau trừ đi nhiệt độ lúc đầu

– Ta sẽ có công suất tỏa nhiệt của hệ thống.

– Cùng với yếu tố nhiệt độ môi trường, mặt bằng và tính quan trọng của hệ thống ta sẽ quyết định được công suất suất làm mát của tháp giải nhiệt, cũng như số lượng tháp giải nhiệt

=> Ta chọn được mã tháp giải nhiệt cần thiết cho hệ thống (chú ý chuyển đổi đơn vị trong quá trình tính toán)

3.2 Lựa chọn bơm cho tháp

Cần xác định

Lưu lương của bơm
Áp suất của bơm

Quan hệ giữa lưu lượng và áp suất trên cùng một bơm là một hàm nghịch biến (áp suất cao thì lưu lượng thấp và ngược lại)
Lưu lượng của bơm được xác định qua tháp
Áp Suất của bơm được xác định qua vị trí giữa bơm và tháp. Kích thước của đường ống và đường đi của đường ống.

Có đủ các thông số trên ta sẽ chọn đc mã bơm cần thiết.

3.3 Thể tích của bể trung gian

– Bể trung gian của hệ thống luôn phải lơn hơn một thể tích Vmin (Vtg ≥Vmin) . Để đảm bảo tính liên tục của hệ thống bơm cũng như khả năng tuần hoàn của hệ thống.

– Thể tích của bể Vmin được xác định qua 2 yếu tố, thể tích đường ống và công suất làm lạnh của hệ thống:

– Vmin = 6.5 * Q + Vdo ( lít)

Trong đó:

Q: Công suất làm mát của hệ thống tính theo Kw

Vdo: Thể tích của đường ống

Tầm quan trọng

Hệ thống tháp giải nhiệt là một mắt xích quan trọng, đảm bảo chiller hoạt động hiệu quả bằng cách duy trì nhiệt độ dàn ngưng trong phạm vi thiết kế. Nếu không có hệ thống này, nhiệt độ dàn ngưng sẽ tăng cao, làm giảm hiệu suất làm lạnh và có thể gây hư hỏng chiller [2].

Để duy trì hiệu suất, hệ thống cần được bảo dưỡng thường xuyên, bao gồm kiểm soát chất lượng nước để ngăn ngừa cáu cặn, ăn mòn và sự phát triển của vi sinh vật [4]