I. Tháp giải nhiệt là gì?

Tháp giải nhiệt (cooling tower) là thiết bị được sử dụng để loại bỏ nhiệt thừa từ một hệ thống hoặc thiết bị cụ thể ra ngoài môi trường. Trong hệ thống điều hòa không khí ở các tòa nhà lớn chúng thường được sử dụng để giải nhiệt cho bình ngưng của water chiller.

II. Phân loại tháp giải nhiệt

Tháp giải nhiệt có nhiều loại, nhưng trong lĩnh vực thương mại dân dụng và công nghiệp thông thường, có ba loại phổ biến gồm:

• Tháp giải nhiệt kiểu khô (dry cooling tower)
• Tháp giải nhiệt ướt, với hai dạng là kiểu kín (closed cooling tower) và kiểu hở (open cooling tower)

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào closed cooling tower và open cooling tower, vì chúng thường được ứng dụng cho hệ thống water chiller.

1. Tháp giải nhiệt kiểu khô (Dry cooling tower)

Đây là loại tháp giải nhiệt thường dùng trong các ngành công nghiệp như hóa chất, luyện kim phù hợp với yêu cầu tiết kiệm nước.

Hình 1: Dry cooling tower

2. Tháp giải nhiệt kín (Closed cooling tower)

Hình 2a: Closed cooling tower

Tháp giải nhiệt kín thường được sử dụng trong các công trình thương mại lẫn công nghiệp.

Đối với closed cooling tower thì điều quan trọng nhất để lưu ý đó là mạch nước giải nhiệt thiết bị chiller là mạch nước kín. Nghĩa là chúng sẽ không tiếp xúc trực tiếp với không khí ngoài trời trong quá trình giải nhiệt.

Hình 2b: Sơ đồ nguyên lý tháp giải nhiệt kín – Closed Cooling Tower schematic diagram

• Nguyên lý hoạt động của tháp giải nhiệt kín: Hệ thống closed cooling tower (Hình 1) gồm 2 mạch nước. Một mạch nước chính giải nhiệt chiller, tuần hoàn đến tháp bởi bơm nước ngưng của hệ thống water chiller. Một mạch nước tại cooling tower tuần hoàn nước bởi bơm đặt tại tháp để hạ nhiệt độ cho mạch nước chính thông qua dàn trao đổi nhiệt trong tháp. Nước tại tháp sẽ được trao đổi nhiệt trực tiếp với không khí thông qua quạt gió, hạ nhiệt độ nước và tiếp tục giải nhiệt cho mạch nước chính tại dàn trao đổi nhiệt.
• Ưu điểm của tháp giải nhiệt kín là mạch nước chính kín hoàn toàn, không bị ô nhiễm bởi không khí ngoài trời hoặc mất nước do bay hơi. Do ưu điểm này mà chúng thường được sử dụng cho các úng dụng khi mà nước trong mạch nước chính cần được cách ly với không khí hoặc đã qua xử lý so với nước thông thường.
• Ứng dụng của tháp giải nhiệt kín: hệ thống giải nhiệt cho tàu biển khi mà nước biển sẽ dùng để giải nhiệt tại tháp, nguồn nước đã qua xử lý/ dung dịch glycol giải nhiệt trong công nghiệp…

3. Tháp giải nhiệt hở (Open cooling tower)

Hình 3a: Open Cooling Tower

Open Cooling Tower là loại tháp giải nhiệt phổ biến nhất hiện nay, chúng thường được sử dụng trong lĩnh vực điều hòa không khí giải nhiệt cho hệ thống chiller của các công trình thương mại, công nghiệp. Các ứng dụng điển hình bao gồm nhà cào tầng, trung tâm thương mại, bệnh viện, trung tâm hội nghị và nhà máy …

Hình 3b: Sơ đồ nguyên lý tháp giải nhiệt hở – Open Cooling Tower schematic diagram

Nguyên lý hoạt động tháp giải nhiệt hở: Open Cooling Tower (Hình 3a) sử dụng nước để trao đổi nhiệt với không khí. Tuy nhiên tại tháp giải nhiệt hở chỉ có 1 mạch nước chính được bơm từ bình ngưng chiller lên tháp sau khi giải nhiệt nước sẽ trở về làm mát cho bình ngưng chiller.

Nước tại cooling tower trao đổi nhiệt với không khí bởi quạt hút của tháp. Nước sẽ bơi 1 phần vào không khí từ đó giảm nhiệt độ và được đưa về bình ngưng chiller.

Đối với open cooling tower thường có 2 kiểu chính là counter flow và cross flow:

• Counter flow cooling tower: cooling tower với dòng nước và gió ngược chiều nhau
• Cross flow cooling tower: cooling tower với dòng nước và gió ngang/ giao chéo nhau

Hình 4a: Cấu tạo counter flow cooling tower

Hình 4b: Cấu tạo cross flow cooling tower

So sánh sơ bộ về 2 kiểu tháp counter flow và cross flow

Ngoài ra đôi khi chúng ta còn bắt gặp cooling tower kiểu quạt đẩy gió cưỡng bức gọi là Forced Draft Cooling Tower (Hình 5)

Hình 5: Cấu tạo Forced Draft Cooling Tower

Nguyên lý hoạt động của Forced Draft Cooling Tower: Tương tự tháp giải nhiệt kiểu hở, loại tháp này sử dụng quạt đẩy gió phí dưới lên. Gió trao đổi nhiệt với nước từ trên xuống. Nước được hạ nhiệt độ còn không khí nhận nhiệt và được thoát ra ngoài ở phía trên của tháp.

Forced Draft Cooling Tower thường được ứng dụng trong ngành công nghiệp đòi hỏi hiệu suất giải nhiệt cao.

III. Phân tích sơ đồ nguyên lý tháp giải nhiệt hệ thống water chiller

Hình 6: Sơ đồ nguyên lý mạch nước tháp giải nhiệt cho hệ thống water chiller

1. Nguyên lý hoạt động

Để dễ hiểu hơn, chúng ta đặt nhiệt độ điển hình vào – ra tháp là 37°C và 32°C tức là ΔT in-out của tháp là 5°C như Hình 6.

Nước mát sau khi nhận nhiệt từ môi chất lạnh trong bình ngưng để giải nhiệt và ra khỏi chiller nóng lên ở 37°C, nước nóng này được bơm giải nhiệt đẩy lên các tháp giải nhiệt thông qua các đường ống nước. Tại các cooling tower, nước sẽ được rưới từ trên xuống, trao đổi nhiệt với không khí từ ngoài vào, hạ nhiệt độ của nước ra khỏi tháp xuống 32°C. Nước mát này sẽ tiếp tục được bơm giải nhiệt hút về để giải nhiệt cho bình ngưng chiller để tiếp tục chu trình hoạt động của chúng.

2. Vai trò, chức năng chính các đường nước và van trên sơ đồ

Hình 7: Sơ đồ chi tiết các ống và van nước tại cooling tower

Xem Hình 7 tháp giải nhiệt điển hình ta thấy lần lượt có 5 đường nước cơ bản gồm:

• Đường nước giải nhiệt hồi từ chiller đến cooling tower
• Đường nước giải nhiệt cấp đến chiller
• Đường nước cân bằng giữa các cooling tower
• Đường nước cấp bổ sung gồm đường cấp nước tự động và cấp nhanh bằng tay
• Đường nước xã gồm xã tràn và xả đáy tháp

Tại tháp giải nhiệt chủ yếu gồm 2 loại van chính:

• Van đóng chặn nhằm mục đích cô lập tháp giải nhiệt để kiểm tra sửa chữa khi cần
• Van điện từ tại đường nước vào và ra khỏi tháp dùng để đóng mở khi tháp chạy hoặc dừng.

Ngoài ra còn có van cần bằng tuy nhiên đối với hệ thống hoạt động part – load thường xuyên thì van cân bằng không thật sự hữu ích và có thể loại bỏ khi các tháp đặt gần nhau trên cùng mặt phẳng.

IV. Tính chọn tháp giải nhiệt

1. Chọn nhanh tháp giải nhiệt theo điều kiện thông thường

Sử dụng công suất lạnh của chiller và tra catalogue tháp giải nhiệt để tính ra lưu lượng nước cần giải nhiệt. Thông thường sẽ là 13 lít/phút/ Ton lạnh.

Ví dụ: ta có Chiller 400 ton lạnh. Lưu lượng giải nhiệt = 400×13=5200 l/min. Sử dụng giá trị lưu lượng này để tra kích thước tháp giải nhiệt tương ứng khi mà một số catalogue chỉ thể hiện lưu lượng giải nhiệt không thể hiện công suất lạnh của các model.

Hình 8: Chọn tháp giải nhiệt theo catalogue

Lưu ý: Ở cách chọn này thì hầu hết các catalogue nhà cung cấp đều đang dựa vào điều kiện ΔT in-out tháp là 5°C và ΔT approach tại tháp là 5°C.

Một số nhà cung cấp tháp giải nhiệt thông dụng có phân phối tại Việt Nam như: tháp giải nhiệt liangchi, OCEAN, BAC, Sanjiu, Kumisai, Evapco, BKK, Rinki

2. Chọn tháp giải nhiệt theo phân tích tính toán

Để chọn tháp giải nhiệt tối ưu, chúng ta cần xem xét các tiêu chí và điều kiện sau:

• Xác định cấu hình vận hành hệ thống: Lưu ý rằng chọn số lượng tháp giải nhiệt không nhất thiết phải = số lượng chiller trong hệ thống. Căn cứ vào điều kiện hoạt động part load công trình để chọn số lượng tháp giải nhiệt phù hợp chi phí và tiết kiệm năng lượng vận hành.
• Xác định loại tháp giải nhiệt phù hợp: Như đã trình bày ở trên mỗi loại cooling tower đều có ưu nhược điểm riêng do đó việc chọn đúng loại cooling tower sẽ mang lại hiệu quả hoạt động tốt hơn cho hệ thống.
• Xác định kiểu quạt của tháp giải nhiệt: Nhiều kỹ sư thiết kế chỉ quan tâm đến bơm giải nhiệt mà ít để ý đến quạt tháp (biến tần, 1 tốc độ hoặc 2,3 tốc độ). Tuy nhiên, quạt tháp có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả năng lượng hệ thống.
• Xác định nhiệt độ nước vào – ra bình ngưng chiller: Đây cũng là nhiệt độ nước vào ra cooling tower. Cần phân tích nhiệt độ nước vào và ra theo điều kiện và công suất làm lạnh của hệ thống
• Xác định nhiệt độ bầu ướt môi trường và chênh lệch nhiệt độ approach tại tháp giải nhiệt: Những thống số này sẽ giúp cho việc lựa chọn kích thước tháp phù hợp với từng điều kiện môi trường khác nhau.
• Lựa chọn tháp giải nhiệt dựa trên thông số hiệu suất làm việc của tháp: Đảm bảo hiệu suất làm việc của tháp (l/s.kW) thỏa yêu cầu từ tiêu chuẩn năng lượng hiệu quả.
• Tính toán các thông số về lưu lượng nước, kích thước các ống, các hệ van: Xem xét các yếu tố về thời gian vận hành, mục đích dử dụng và chiến lược điều khiển hoạt động của hệ thống để tính chọn hợp lý.

3. Các thiếu sót và nhầm lẫn khi phân tích thiết kế tháp giải nhiệt của hệ thống Water Chiller

a) Chọn tháp giải nhiệt chỉ dựa theo công suất và không quan tâm điều kiện khí hậu

Đây là lỗi phổ biến nhất trong thiết kế khi chỉ dựa vào công suất lạnh chiller để chọn tháp giải nhiệt và do đó kích thước tháp giải nhiệt sẽ luôn bằng nhau nếu chúng có cùng công suất chiller, dù dự án ở bất cứ đâu.

Ví dụ: Với cùng điều kiện nhiệt độ nước vào – ra tháp là 37°C – 32°C cho dự án tại TP. Hồ Chí Minh và Hà Nội, cooling tower khi chọn tại Hà Nội phải có công suất giải nhiệt lớn hơn do sự khác nhau về điều kiện khí hậu.

b) Chọn tháp giải nhiệt thiếu sự xem xét về chênh lệch nhiệt độ approach tại tháp

Nhiệt độ approach là chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ bầu ướt của môi trường và nhiệt độ nước ra khỏi tháp giải nhiệt.

Giá trị này ảnh hưởng lớn đến kích cỡ của cooling tower và hiệu quả giải nhiệt của chiller. Thông thường nhiều kỹ sư thiết kế hay chọn theo kinh nghiệm là 5°C, nhưng thực tế thì chúng ta có thể phân tích và chọn trong khoảng 2°C đến 5°C.

c) Chọn Delta T tháp giải nhiệt luôn bằng Delta T bên mạch làm lạnh chiller

Có một số bạn kỹ sư thiết kế ít kinh nghiệm thường hay hiểu nhầm việc ΔT vào ra bình ngưng bằng với ΔT vào ra bình bay hơi. Điều này là không đúng, chúng không nhất thiết giống nhau và cũng khác nhau về mức ΔT max.

d) Sự cố tràn nước, lãng phí nước tại các tháp giải nhiệt do thiếu van điện từ

Đối với các công trình như nhà máy, khi các cụm tháp giải nhiệt hầu như chạy full tải, tình trạng này sẽ không xảy ra. Nhưng với các công trình thương mại dân dụng như cao ốc văn phòng, trung tâm thương mại, khách sạn…với tải lạnh hoạt động theo % (part-load) thường xuyên thì sự cố này sẽ rất dễ xảy ra nếu người vận hành không để ý, gây lãng phí nước lớn.

Như Hình 9 và Hình 10 ta thấy điểm khác nhau đó là:

• Hình 9 chỉ có hệ van điện từ ở đường nước vào tháp
• Hình 10 thì có van điện từ cho cả 2 đường nước vào và ra.

Thiết kế như Hình 9 là nguyên nhân chính dẫn đến tràn nước tại tháp giải nhiệt.

Hình 9: Van điện từ đường nước vào của các cooling tower

Hình 10: Van điện từ tại đường nước vào và ra của các cooling tower

Chúng ta sẽ phân tích Hình 9 theo trường hợp hoạt động như sau:

Khi hoạt động đầy tải, tất cả các cụm tháp giải nhiệt đều hoạt động và lượng nước qua các tháp là như nhau, không có hiện tượng tràn nước.

Trong trường hợp chạy part-load (chạy theo % và không đầy tải), ví dụ với chỉ có một chiller hoạt động tương ứng sẽ có một tháp giải nhiệt hoạt động trong khi 2 tháp còn lai không hoạt động. Van điện từ của tháp đang hoạt động mở, trong khi 2 tháp không hoạt động sẽ đóng ngăn nước đi vào. Tuy nhiên, phía bên đường nước ra khỏi các tháp lại bị hút đồng loạt tại cả 3 tháp về bình ngưng chiller bởi bơm giải nhiệt, do không có van điện từ đóng chặn. Sự hút nước này khiến 2 tháp không hoạt động mau chóng tuột nước dưới mức van phao tại bể nước trong tháp. Nước bổ sung sẽ được cấp vào dể bù lại sự mất nước đó, nhưng thực tế thì hệ thống không thiếu nước nên có thể gọi là hiện tượng bị mất nước giả của hệ thống. Phần lớn do lực hút nước của bơm về chiller lớn hơn tốc độ cân bằng nước tại các bể tháp giải nhiệt, nên sẽ xảy ra hiện tượng nước tràn tại tháp đang hoạt động. Sự tràn nước này sẽ thoát qua đường xã tràn của tháp nhưng nếu nghiêm trọng hơn, chúng sẽ tràn ra khỏi tháp gây lãng phí nước. Việc tràn nước ra khỏi tháp có thể dễ dàng nhận thấy, nhưng tràn qua đường xã tràn của tháp có thể khó nhận biết và gây lãng phí nước rất lớn nếu không phát hiện trong thời gian dài.

Do đó, để hệ thống được kiểm soát chặt chẽ và khắc phụ hiện tượng tràn nước khi hoạt động tải thấp, cần lưu ý bên cạnh việc cung cấp đường nước cân bằng giữa các cooling tower hợp lý mà còn nên thiết kế van điện từ ở cả hai đường cấp và hồi về nước của cooling tower để đóng mở cho các cụm cooling tower khi hoạt động như Hình 10.

e) Tính chọn đường ống cân bằng tại các tháp giải nhiệt quá nhỏ

Nước vào và ra khỏi các cooling tower mặc dù sử dụng ống góp chung nhưng kết nối riêng ống đến từng cooling tower và được khống chế qua van. Cooling tower mất nước nhiều hoặc ít là phụ thuộc vào vị trí lắp đặt và yếu tố vận hành, như cooling tower đặt tại hướng chịu nhiều nắng hoặc chịu nhiều tác động của gió sẽ mất nước nhiều hơn các cooling tower khác. Bên cạnh đó, vị trí các cooling tower gần bơm hơn hoặc đường ống ít trở lực hơn cũng sẽ có lượng nước cấp đến nhiều hơn các cooling tower còn lại vì không thể cân chỉnh lưu lượng nước đồng đều hoàn toàn trong điều kiện chạy partload.

Chính việc nước không đồng đều tại các cụm tháp nên khi hoạt động đồng thời sẽ có tháp mất hoặc hút nhiều nước và tháp ít hơn. Khi đường cân bằng quá nhỏ hoặc không có thì ở các tháp mất nước nhiều hơn nếu đủ lớn cũng sẽ xảy ra hiện tượng hụt nước giả và xã tràn nước ở các tháp đang hoạt động như đã trình bày. Đối với tổ hợp các tháp giải nhiệt kiểu kín, nước vào ít và nước mất nhiều trong khi lượng nước bổ sung chậm sẽ dẫn đến việc bơm giải nhiệt trong tháp chạy thiếu nước, dễ hư hỏng.

Do đó, đường nước cân bằng giữa các tháp giải nhiệt giữ vai trò khá quan trọng trong hệ thống. Nó giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn và không xảy ra các hiện tượng như trên, gây lãng phí nước và hiệu quả giải nhiệt hệ thống kém.

V. Chọn kích thước đường ống cân bằng giữa các cụm tháp giải nhiệt

Với kích thước đường nước cân bằng chúng ta có thể tham khảo guideline của nhà cung cấp tháp giải nhiệt, hoặc chúng ta sẽ căn cứ vào lưu lượng nước qua cụm cooling tower lớn nhất trong hệ thống để tính. Khi đó lưu lượng để tính cho đường ống cân bằng khoảng 15% lưu lượng của cooling tower lớn nhất trong hệ thống.

Ngoài ra, có thể tham khảo bảng 1 được đính kèm để chọn kích thước đường ống cân bằng giữa các cooling tower.

Hy vọng những kiến thức chia sẻ trên sẽ là nguồn thông tin hữu ích, giúp các kỹ sư HVAC hiểu biết hơn, mở rộng kiến thức và thuận lợi hơn trong việc phân tích và thiết kế tháp giải nhiệt cho hệ thống water chiller cho dự án.

Nguồn: Kỹ sư Vương Cam