(Đồ án tốt nghiệp) Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống vệ sinh tự động cho bình ngưng

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO
HỆ THỐNG VỆ SINH TỰ ĐỘNG CHO BÌNH NGƯNG

GVHD: ĐỒN MINH HÙNG
SVTH

MSSV

1. HUỲNH PHÚ HỊA

15147089

2. QCH HỒNG KHẢI

15147098

3. HUỲNH ANH KHOA

15147101

4. TỪ VẠN THIỆN

15147127

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2019

LỜI CẢM ƠN
Trên thực tế khơng có sự thành cơng nào mà không gắn liền với những sự hỗ trợ,
giúp đỡ dù ít hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp của người khác. Trong suốt thời gian
từ khi bắt đầu học tập tại trường đến nay, chúng em đã nhận được rất nhiều sự quan tâm,
giúp đỡ của quý Thầy Cơ, gia đình và bạn bè. Với lịng biết ơn sâu sắc nhất, chúng em
xin gửi đến quý Thầy Cô ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt – Trường ĐH Sư phạm Kỹ
thuật TP.HCM đã cùng với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức
quý báu cho chúng em trong suốt thời gian học tập tại trường và luôn tạo điều kiện tốt
nhất để chúng em có thể nghiên cứu và hồn thành đồ án.
Và đặc biệt, nếu khơng có những lời hướng dẫn nhiệt tình của thầy Đồn Minh
Hùng thì bài báo cáo này của chúng em rất khó có thể hồn thiện được. Một lần nữa, em
xin chân thành cảm ơn thầy. Xin được cảm ơn các bạn cùng khóa đã góp ý và hỗ trợ
trong suốt thời gian thực hiện đồ án.
Tuy nhiên do trình độ lý luận cũng như kinh nghiệm thực tiễn, điều kiện thời gian
và tài liệu tham khảo cịn hạn chế nên bài báo cáo khơng thể tránh khỏi những thiếu sót,
chúng em rất mong nhận được ý kiến đóng góp từ Thầy Cơ để bài báo cáo được hồn
thiện hơn.
Chúng em xin kính chúc thầy cơ ngành Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt thật dồi dào sức
khỏe, thành công nhiều hơn nữa trong sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiếm
thức cho thế hệ tương lai.
Một lần nữa xin chân thành cảm ơn!

i


TÓM TẮT
“Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống vệ sinh tự động cho bình ngưng” là đề tài
mà nhóm đã chọn. Để thực hiện được đề tài này nhóm đã giải quyết các một số công
việc như sau:

Đầu tiên, cần nghiên cứu các hệ thống vệ sinh tự động đã có trên thế giới. Tìm
hiểu ngun lý tạo ra các cáu cặn trong bình ngưng, tham khảo các nghiên cứu về hệ
thống vệ sinh tự động của các nhà nghiên cứu trên thế giới và hiệu quả mà họ đã đạt
được sau khi hoàn thành nghiên cứu. Tiếp đến nghiên cứu cả các cách vệ sinh thủ cơng,
bằng hóa chất, bằng máy làm sạch và cách vệ sinh tự động để thấy được những ưu điểm
nổi trội của hệ thống vệ sinh tự động trong quá trình sản xuất ngày nay.
Thứ hai, từ các nghiên cứu phía trên, tính tốn đưa ra các số liệu để chế tạo một
mơ hình hệ thống vệ sinh tự động. Sau khi có các số liệu đã tính tốn bắt đầu đưa vào
phần mềm để vẽ ra hệ thống cần chế tạo giúp bóc tách khối lượng vật tư một cách chính
xác và tiết kiệm được chi phí. Cũng nhờ vào bản vẽ giúp chúng ta hiểu rõ được hình
dáng và vị chí các bộ phận một cách cụ thể hơn. Để giúp hệ thống hoạt động một cách
tự động thì khơng thể thiếu một hệ thống điều khiển. Dựa vào nguyên lý hoạt dộng của
hệ thống vệ sinh tự động, nhóm đã thiết kế được một hệ thống điều khiển, từ bản thiết
kế chúng ta chọn vật liệu phù hợp và tiết kiệm chi phí. Nghiên cứu và chế tạo bộ vệ sinh
bi làm cho quá trình vệ sinh được đảm bảo sạch hơn, thời gian sử dụng bi tăng lên đáng
kể.
Cuối cùng, sau khi đã chế tạo thành công hệ thống vệ sinh tự động, cho hệ thống
vận hành thử và tiến hành các kiểm tra các bộ phận khi chạy thử.
Kết quả đạt được: Chế tạo thành cơng mơ hình vệ sinh tự động, hệ thống hoạt động
giống như mục tiêu đã đề ra. Khắc phục được việc hệ thống vệ sinh chạy song song
cùng hệ thống lớn mà thay vào đó hệ thống vệ sinh sẽ hoạt động sau khi máy nén dừng
hoạt động. Ta sẽ tận dụng khoảng thời gian này để tiến hành vệ sinh bình ngưng để tiết
kiệm được thời gian cũng như chi phí.

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ i
TÓM TẮT ..................................................................................................................... ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ................................................ iv
DANH MỤC CÁC HÌNH .............................................................................................v
DANH MỤC CÁC BẢNG.......................................................................................... vii
Chương 1: TỔNG QUAN .............................................................................................1
1.1. Vấn đề nghiên cứu ...............................................................................................1
1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước về các giải pháp vệ sinh bình ngưng ........1
1.2.1. Cơ chế tạo bẩn trong đường ống .................................................................1
1.2.2. Các nghiên cứu về hệ thống làm sạch ống ..................................................4
1.3.1. Các phương pháp vệ sinh thủ công .............................................................9
1.3.2. Các phương pháp vệ sinh tự động .............................................................14
Chương 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG VỆ SINH TỰ ĐỘNG.............18
2.1. Tính tốn thiết kế hệ thống vệ sinh tự động cho bình ngưng .......................18
2.1.1. Thiết kế chế tạo và chọn vật liệu cho bình ngưng....................................18
2.1.2. Thiết kế chế tạo các bộ phận chính của bộ vệ sinh bình ngưng .............22
2.1.3. Tính tốn và chọn bi ...................................................................................25
2.1.4. Tính tốn đường ống dẫn nước và chọn bơm ..........................................32
2.1.5. Tiến hành xây dựng theo mơ hình thiết kế ...............................................37
2.1.6. Tính tốn và chọn bơm...............................................................................43
2.2. Sự tác động của điều kiện vận hành đến hiệu suất làm việc của bình
ngưng .........................................................................................................................49
2.3. Thiết kế hệ thống mạch điện trên phần mềm .................................................51
2.3.1. Thiết kế mạch điện......................................................................................51
2.3.2. Chọn vật liệu cho hệ thống .........................................................................52
Chương 3: KẾT QUẢ VẬN HÀNH HỆ THỐNG THÍ NGHIỆM VÀ CÁC THẢO
LUẬN ............................................................................................................................53
3.1. Chế tạo thành cơng hệ thống vệ sinh tự động cho bình ngưng . ...................53
3.2. Kết quả vận hành thực nghiệm và phân tích kết quả đạt được ...................57
Chương 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................69
TÀI LIỆU THAM KHẢO......................................................................................... viii
PHỤ LỤC .......................................................................................................................x

iii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
1. Ký hiệu
V

: lưu lượng thể tích (m3/s)

n

: số ống vào bình ngưng

S

: diện tích mặt cắt ống (m2)

v

: vận tốc nước đi trong ống (m/s)

d

: đường kính ống nước chính (mm)

ω

: tốc độ nước chuyển động trên ống

𝛴Δp

: tổn thất áp suất (Pa)

H

: chiều cao cột áp bơm (mH2O)

2. Viết tắt
HVAC

: hệ thống điều hịa khơng khí

PVC

: loại nhựa nhiệt dẻo (Polyvinylclorua)

TDS

: Tổng chất rắn hịa tan (Total Dissolved Solids)

GHG

: khí nhà kính (Greenhouse gas)

MN

: thường đóng của contactor máy nén

RL1,2,3,4,5

: rơ le trung gian điều khiển các van điện từ

T1,2

: Timer

iv


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Màng sinh học ................................................................................................. 2
Hình 1.2. Cáu cặn bám cứng trong tháp giải nhiệt và bình ngưng .................................. 3
Hình 1.3. Hệ thống làm sạch ống Helios ở Đại học Wisconsin – Madison .................... 4
Hình 1.4. So sánh các hiệu suất của Chiller 2 ở nhiệt độ nước ngưng tụ 65oF ............... 5
Hình 1.5. So sánh hiệu suất của 2 Chiller với nhiệt độ nước vào bình ngưng 75oF ....... 6
Hình 1.6. Hệ thống làm sạch ống Helios ở Denver, Colorado ........................................ 7
Hình 1.7. So sánh hiệu suất của chiller trước và sau khi gắn Helios .............................. 7
Hình 1.8. Tiết kiệm chi phí năng lượng cho dự án được dự đốn sau 15 năm ............... 8
Hình 1.9. Chênh lệch nhiệt độ Chiller được cải thiện ..................................................... 9
Hình 1.10. Hóa chất tẩy rửa cáu cặn ............................................................................. 11
Hình 1.11. Vệ sinh bình ngưng bằng máy làm sạch...................................................... 12
Hình 1.12. RamPro Portable Chiller Tube Cleaner ....................................................... 13
Hình 1.13. RAM-5 Automatic Chiller Tube Cleaner .................................................... 13
Hình 1.14. Súng vệ sinh bình ngưng ............................................................................. 14
Hình 1.15. Hệ thống vệ sinh tự động WSA ................................................................... 15
Hình 1.16. Sơ đồ biểu diễn quá trình vệ sinh và cơng nghệ lọc .................................... 16
Hình 2.1. Kích thước ống thép khơng gỉ cho bình ngưng ............................................. 19
Hình 2.2. Kích thước ống đồng cứng cho bình ngưng .................................................. 19
Hình 2.3. Các hình chiếu về ống trao đổi nhiệt ............................................................. 20
Hình 2.4. Các hình chiếu bình ngưng ............................................................................ 21

Hình 2.5. Các mặt của bình chứa bi chính .................................................................... 22
Hình 2.6. Các hình chiếu của bình chứa bi phụ............................................................. 23
Hình 2.7. Các mặt của thiết bị vệ sinh bi....................................................................... 24
Hình 2.8. Các mặt của lưới bắt bi .................................................................................. 24
Hình 2.9. Cách đặt tên bi ............................................................................................... 26
Hình 2.10. Bảng thơng số kỹ thuật ống nhựa PVC ....................................................... 36
Hình 2.11. Các bộ phận chính trong mơ hình ............................................................... 37
Hình 2.12. Mơ hình thực tế sau khi chế tạo................................................................... 39
Hình 2.13. Hình chiếu đứng của mơ hình ..................................................................... 40

v


Hình 2.14. Hình chiếu bằng của mơ hình ...................................................................... 41
Hình 2.15. Hình chiếu bằng của mơ hình ...................................................................... 41
Hình 2.16. Hình chiếu 3 mặt của khung đỡ mơ hình thực tế ........................................ 42
Hình 2.17. Catalog bơm Panasonic ............................................................................... 48
Hình 2.18. Mạch điện điều khiển .................................................................................. 51
Hình 3.1. Bình ngưng thực tế ........................................................................................ 53
Hình 3.2. Bình chứa bi chính......................................................................................... 54
Hình 3.3. Bình chứa bi phụ ........................................................................................... 54
Hình 3.4. Lưới bắt bi ..................................................................................................... 55
Hình 3.5. Bộ vệ sinh bi .................................................................................................. 55
Hình 3.6. Mơ hình thực tế sau khi hồn thành .............................................................. 56
Hình 3.7. Đánh số và quy định đường ống trao đổi nhiệt ............................................. 57
Hình 3.8. Một bi di chuyển qua và bi quay về .............................................................. 57
Hình 3.9. Biểu đồ kết quả vận hành với 1 bi ................................................................. 58
Hình 3.10. Hai bi di chuyển qua và về .......................................................................... 59
Hình 3.11. Biểu đồ kết quả vận hành với 3 bi ............................................................... 59
Hình 3.12. Các bi qua ống và quay về ........................................................................... 60

Hình 3.13. Biểu đồ kết quả vận hành với 6 bi ............................................................... 60
Hình 3.14. Các bi di chuyển về bình chứa bi ................................................................ 61
Hình 3.15. Biểu đồ kết quả vận hành với 9 bi ............................................................... 61
Hình 3.16. Các bi di chuyển trong ống .......................................................................... 62
Hình 3.17. Biểu đồ kết quả vận hành với 12 bi ............................................................. 63
Hình 3.18. Biểu đồ so sánh thời gian với số bi vận hành khác nhau............................. 64
Hình 3.19 Biểu đồ biểu diễn thời gian trung bình ứng với số bi vận hành ................... 65
Hình 3.20. Đường ống trước khi bi đi qua (trước khi vệ sinh) ..................................... 66
Hình 3.21. Đường ống đã được làm sạch ...................................................................... 66
Hình 3.22. Các bi về bình chứa bi chính và phụ ........................................................... 67

vi


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Bảng so sánh giữa việc dùng và không dùng hệ thống Taprogge ................ 16
Bảng 2.1. Chọn vật liệu cho bình ngưng ....................................................................... 21
Bảng 2.2. Phân loại và các đặc tính của bi .................................................................... 26
Bảng 2.3. Các bi vệ sinh TAPROGGE cho tất cả các loại nước làm mát ..................... 27
Bảng 2.4. Chọn vật liệu ống dẫn nước .......................................................................... 32
Bảng 2.5. Bảng thống kê vật tư thực hiện ..................................................................... 42
Bảng 2.6. Hệ số ma sát cục bộ....................................................................................... 45
Bảng 2.7. Hệ số ma sát đoạn ống đột mở ...................................................................... 46
Bảng 2.8. Bảng thống kê thiết bị mạch điện ................................................................. 52

vii


Chương 1: TỔNG QUAN
1.1. Vấn đề nghiên cứu

Bảo trì hệ thống lạnh là một việc làm cần thiết để đảm bảo hiệu suất cũng như đảm
bảo cho hệ thống hoạt động bình thường , đặc biệt là chiller trong các nhà máy, xí nghiệp,
siêu thị, tịa nhà lớn,…Nhưng việc bảo trì cho các chiller này cần tiêu tốn khá nhiều thời
gian, nhất là phải vệ sinh từng đường ống bình ngưng đối với chiller giải nhiệt bằng
nước. Bên cạnh đó, vệ sinh từng ống tốn thời gian, sức lao động lại cịn phải dừng hoạt
động chiller gây giảm cơng sức cho hệ thống. Chính vì những ngun do trên, nhóm đã
bắt đầu đi vào nghiên cứu một hệ thống vệ sinh đáp ứng các tiêu chí: hạn chế dùng sức
người, không gian đoạn chiller, khả năng làm sạch tốt bất kể lúc nào. Từ đó, nhóm đã
tìm ra phương pháp vệ sinh tự động sử dụng bi tuần hoàn và đó cũng chính là đề tài mà
nhóm nghiên cứu.
1.2. Tình hình nghiên cứu ngồi nước về các giải pháp vệ sinh bình ngưng
1.2.1. Cơ chế tạo bẩn trong đường ống
Theo trang Eurotech[1], trong quá trình làm việc với nước, cáu cặn sinh ra và bám
trên bề mặt thiết bị bao gồm: cáu cặn cacbonat, vôi, bùn, gỉ sét, silica, các chất kết tủa
không tan khác, rác,…Cáu cặn cacbonat (cáu cặn) hình thành và kết tủa bao phủ trên bề
mặt làm việc, nhất là trong môi trường nước cứng. Trong nước có muối cacbonat hoặc
bicacbonat của cation Canxi (Ca2+), hoặc cation Magiê (Mg2+) là nguyên nhân chính
sinh ra loại cáu cặn này.
Cáu cặn sinh ra phổ biến nhất là CaCO3. Trong nước ion Canxi (Ca2+) kết hợp với
ion bicacbonat (HCO3–) tạo thành Canxi bicacbonat (Ca(HCO3) 2) :
Ca2+ + 2HCO3– → Ca(HCO3)2
Khi nước được gia nhiệt và bốc hơi, cáu cặn kết tủa thành lớp trên bề mặt làm việc
của hệ thống thiết bị, đường ống,…
Ca(HCO3)2 → CaCO3↓ + CO2↑ + H2O
Các sự kết hợp khác của các ion tạo ra nhiều lọai cáu cặn khác nhau.
1


 Sự phát triển của vi sinh
Quá trình sinh trưởng và phát triển vi sinh diễn ra ở mọi môi trưởng, đặc biệt mơi

trường điều kiện nhiệt độ nóng ẩm của dàn ngưng, tháp giải nhiệt...Vì dàn ngưng, tháp
giải nhiệt có tỷ lệ bay hơi cao và thể tích nước thấp, thì việc khuếch tán và phát triển
của vi sinh càng nhanh chóng.
Trong bài viết của David Daniels và Tony Selby, màng sinh học là một cấu hình
hoặc tập hợp của nhiều loại vi khuẩn khác nhau, được bảo vệ bởi exopolysacarit (EPS)[2]
- một chất được sản xuất bởi vi khuẩn trong màng sinh học nói trên. Màng sinh học có
cả lớp hiếu khí và kỵ khí, nơi chứa loại vi khuẩn tương ứng của chúng. Màng sinh học
có thể hình thành trên các bề mặt hệ thống như đường ống, tường bể lắng, đáy tháp giải
nhiệt và bộ trao đổi nhiệt.

Hình 1.1. Màng sinh học
Màng sinh học được hình thành khi vi khuẩn có trong nước xử lý bắt đầu bám vào
bề mặt và dấu hiệu cho các vi khuẩn khác tham gia. Tốc độ hình thành vi khuẩn và màng
sinh học tăng lên trong nước ngưng tụ ấm hơn và nước làm mát chưa xử lý. Một sự kết
hợp của màng sinh học hóa học và hoạt động của vi khuẩn trong màng sinh học có thể
hạn chế khả năng hòa tan của các hợp chất mà cuối cùng bắt đầu hình thành cáu cặn
khống sản trên bề mặt thiết bị. Sự hiện diện của màng sinh học trên một bề mặt hạn
2


chế dòng chảy ngay sát bề mặt, hạn chế trao đổi nhiệt từ bề mặt bên dưới màng sinh học
với lượng nước lớn phía trên màng sinh học.

Hình 1.2. Cáu cặn bám cứng trong tháp giải nhiệt và bình ngưng
Sự tồn tại của các chất rắn hịa tan khơng liên quan đến khả năng làm mát của
nước. Tuy nhiên các chất rắn hòa tan là rất nhiều các hợp chất sẽ kết hợp với nhau để
tạo thành các kết tủa khống khơng tan trên bề mặt truyền nhiệt, thường được gọi là
"cáu cặn". Cáu cặn bám dính vào bề mặt trở nên nhiều hơn sẽ tác động vào hệ thống
đường ống (cụ thể là ở tháp giải nhiệt và bình ngưng như hình 1.2), ảnh hưởng đến sự
truyền nhiệt và áp lực nước.

Các thông số quan trọng của nước giải nhiệt là: tổng chất rắn hòa tan (TDS), độ
dẫn điện, độ PH, độ cứng, độ kiềm và chỉ số bão hòa[2].
Tổng chất rắn hòa tan (TDS) và độ dẫn điện: độ dẫn điện là thước đo độ dẫn điện
của nước và nó tương quan với số lượng các chất rắn hịa tan trong nước. Nước cất tinh
khiết có độ dẫn rất thấp (khống chất thấp) và nước biển sẽ có độ dẫn cao (khoáng chất
cao). Sư hiện diện của các chất rắn hòa tan trong nước dễ tạo thành các kết tủa khống
khơng tan trên bề mặt truyền nhiệt, thường được gọi là cáu cặn. Cáu cặn bám dính vào
hệ thống truyền nhiệt từ từ nhiều lên, ảnh hưởng đến sự trao đổi nhiệt, áp lực nước và
hệ thống.
Độ cứng: Lượng canxi và magie hòa tan trong nước xác định độ cứng của nước.
Độ cứng tổng được chia làm hai loại. Độ cứng Cacbonnat (độ cứng tạm thời) và độ cứng
phi Cacbonat (độ cứng vĩnh viễn). Độ cứng tạm thời phổ biến hơn và là tác nhân chính
gây nên sự sự bám cáu cặn trong đường ống thiết bị.

3


pH là thước đo tính Axit, Bazơ của nước. Phạm vi đo từ 0 – 14, còn 7 là trung tính.
Kiểm sốt độ pH là rất quan trọng . Nhìn chung khi độ pH biểu thị mơi trường Axit thì
khả năng ăn mòn tăng, còn khi độ pH biểu thị mơi trường Bazơ thì khả năng đóng cặn
tăng. Giá trị pH > 7 biểu thị tính kiềm. Khi pH nhỏ hơn 8.3, hầu hết các độ kiềm trong
nước ở dạng bicarbonate, và hình thành cáu cặn thường khơng phải là vấn đề. Tuy nhiên,
khi độ pH tăng lên trên 8.3, độ kiềm chuyển đổi từ bicarbonate với cacbonat và cáu cặn
sẽ bắt đầu hình thành.
1.2.2. Các nghiên cứu về hệ thống làm sạch ống
Công nghệ Innovas đã làm việc với đội ngũ cơ sở tại Đại học Wisconsin Madison[3]
để phân tích dữ liệu vận hành chiller trong lịch sử để đánh giá và ước tính tổn thất hiệu
quả của chiller do tắc nghẽn ống. Chiến lược cho thử nghiệm là chạy hai chiller giống
hệt nhau trong cùng điều kiện và cùng thời gian làm việc, một chiller (Chiller 2) được
trang bị thêm với hệ thống vệ sinh tự động Helios (hình 1.3) và chiller cịn lại (Chiller

1) khơng có. Các chiller có chung đường nước làm mát, đường nước ngưng và được
theo dõi trong suốt thời gian thử nghiệm. Điều quan trọng đối với thử nghiệm là tận
dụng nhiều nguồn dữ liệu so sánh để xác nhận đầy đủ hiệu quả của hệ thống vệ sinh tự
động Helios.

Hình 1.3. Hệ thống làm sạch ống Helios ở Đại học Wisconsin – Madison

4


Sau khi phân tích cẩn thận dữ liệu, rõ ràng hệ thống vệ sinh tự động Helios đã
mang lại sự cải thiện hiệu quả rất đáng kể cho Chiller 2 khi so sánh trực tiếp với Chiller
1. Hình 1.4 so sánh các đường cong hiệu suất của Chiller 2 từ năm 2017 (trước khi có
vệ sinh tự động) và 2018 (sau khi có vệ sinh tự động) với nhiệt độ nước vào làm mát
40oF và nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ là 65oF và cho thấy cải thiện hiệu suất 14%.

Hình 1.4. So sánh các hiệu suất của Chiller 2 ở nhiệt độ nước ngưng tụ 65oF
Hệ thống Helios giữ cho các ống sạch sẽ và tối ưu hóa hiệu quả truyền nhiệt, tăng
cơng suất chiller và sản lượng làm mát. Hình 1.5 nêu lên hiệu suất tăng của Chiller 2 so
với Chiller 1 ở nhiệt độ nước vào thiết bị ngưng tụ ở 75oF. Ở điều kiện hoạt động giống
hệt nhau, Chiller 2 tạo ra khả năng làm mát nhiều hơn 400 tấn so với Chiller 1 ngay cả
khi tiêu thụ ít năng lượng hơn Chiller 1.

5


Hình 1.5. So sánh hiệu suất của 2 Chiller với nhiệt độ nước vào bình ngưng 75oF
Tương tự với nghiên cứu của Mike O’Malley tại một nhà máy năng lượng Xcel
Energy ở Denver, Colorado[4]. Mike đưa ra kiến thức về tác động tiêu cực của bình
ngưng tắc nghẽn ống và tìm kiếm một phương pháp để nâng cao hiệu quả làm lạnh đã

đưa anh ta đến với hệ thống vệ sinh tự động cho bình ngưng (như hình 1.6). Để áp dụng
sáng tạo cơng nghệ mới địi hỏi mức độ đánh giá cao và xem xét mức độ ảnh hưởng của
phương pháp mới. Mike giữ vai trị là người ln có ý tưởng mới lạ và tích hợp cho hệ
thống vệ sinh tự động cho chiller 2.500 tấn lạnh. Ông nhìn thấy và hiểu được tiềm năng
đã tiết kiệm được một khoản lớn năng lượng nhờ vào hệ thống.

6


Hình 1.6. Hệ thống làm sạch ống Helios ở Denver, Colorado
Nghiên cứu trường hợp ở Trung tâm y tế VCU[5], việc triển khai hệ thống làm sạch
ống Helios giúp cải thiện 8% hiệu suất làm lạnh và giảm mức tiêu thụ năng lượng hơn
2 triệu kW/giờ.

Hình 1.7. So sánh hiệu suất của chiller trước và sau khi gắn Helios
7


Dữ liệu màu cam (hình 1.7) cho thấy hiệu quả của chiller sẽ không được lắp đặt
Helios và dữ liệu màu xanh lam chứng minh hiệu quả làm lạnh thực tế với hệ thống
Helios đang hoạt động.
Với một tuổi thọ dự án dự đốn 15 năm, hình 1.8 cho thấy mức tiết kiệm chi phí
năng lượng cho vịng đời của dự án vượt quá 170.000 đô la và dự án đã giúp giảm hơn
1.600 tấn khí thải GHG.

Hình 1.8. Tiết kiệm chi phí năng lượng cho dự án được dự đốn sau 15 năm
Một nghiên cứu điển hình khác về hệ thống làm sạch ống tự động của Helios:
Trung tâm y tế Holy Heart. Pat Lamb, Trưởng nhóm Nhà máy Tiện ích Trung tâm[6], đã
nghiên cứu các ứng dụng hóa học thay thế, các phương pháp cạnh tranh để xử lý khơng
hóa chất. Sau khi nghiên cứu kỹ lưỡng, Pat đã chọn quả bi xốp là giải pháp tốt nhất để

kiểm sốt các vấn đề ơ nhiễm đáng kể trong hệ thống nước lạnh của mình. Vấn đề về
hiệu suất làm lạnh bị suy giảm do tắc nghẽn cho thấy đáng chú ý nhất là ở chênh lệch
nhiệt độ chiller tăng nhanh. Sau khi cài đặt lần đầu vào năm 2013, các hệ thống vệ sinh
ống tự động đã cung cấp giải pháp ngăn chặn và làm sạch đặc biệt tại PeaceHealth ở
RiverBend. Trên thực tế, đội ngũ bảo trì đã khơng phải làm sạch thủ cơng bình ngưng
kể từ ngày có hệ thống vệ sinh tự động. Ngồi ra, PeaceHealth sử dụng mơ hình vận
hành chiller theo giai đoạn. Kể từ khi lắp hệ thống vệ sinh tự động, các đơn vị hình thành
màng khuẩn hầu như đã bị loại bỏ do việc loại bỏ ứ đọng bên trong bó ống ngưng tụ,
đặc biệt là chênh lệch nhiệt độ chiller được cải thiện (hình 1.9).

8


Hình 1.9. Chênh lệch nhiệt độ Chiller được cải thiện
Với việc lắp thêm hệ thống vệ sinh tự động đã tiết kiệm chi phí bao gồm: năng
lượng, bảo trì và loại bỏ khối lượng công việc liên quan đến các vấn đề làm lạnh trong
chiller bệnh viện. Chi phí điện hằng năm tiết kiệm được $62000, tiết kiệm năng lượng
là 765000 kWh và giảm 582 tấn phát thải khí nhà kính GHG[6]. Các hệ thống làm sạch
ống tự động bằng bi ban đầu được các kỹ sư người Đức nghĩ ra vào những năm 1950 để
ứng dụng trong ngành sản xuất điện. Trên toàn cầu, hơn 15.000 đơn vị làm sạch ống bi
xốp đã được đưa vào phục vụ trong lĩnh vực sản xuất điện, với 50% tổng công suất phát
điện ở châu Âu và 40% công suất phát điện tại Nhật Bản được trang bị hệ thống làm
sạch ống tự động này.
1.3. Các phương pháp vệ sinh bình ngưng hiện tại
1.3.1. Các phương pháp vệ sinh thủ công
 Phương pháp dùng que và bàn chải
Có lẽ phương pháp làm sạch ống bằng que và bàn chải là phương pháp lâu đời và
dễ chịu nhất. Điều này liên quan đến việc sử dụng chiều dài của thanh, thường là kim
loại thuộc loại nào đó, bằng nylon hoặc bàn chải dây lớn hơn đường kính bên trong ống,
được gắn vào một đầu. Thông thường, các ống được xả bằng nước từ vịi, sau đó bàn

chải được đẩy bằng tay qua các ống. Các ống sau đó được rửa lại với nước.

9


 Ưu điểm
+ Giá thấp.
+ Hoạt động đơn giản.
+ Đòi hỏi ít đào tạo, hoặc chun mơn.
+ Linh hoạt thời gian thực hiện.
+ Làm sạch cục bộ và chủ động hơn.
 Nhược điểm:
+ Tiêu tốn nhiều thời gian.
+ Tốn nhân cơng lao động.
+ Bởi vì lơng bàn chải được gấp lại, chúng có xu hướng lau quét ống nhiều hơn là chải.
+ Các ống làm lạnh được làm sạch khi bắt đầu cơng việc có xu hướng khơ với các mảnh
vụn vẫn cịn trong đó, làm cho việc xả nước cuối cùng không hiệu quả.
+ Yêu cầu đủ không gian để sử dụng một thanh dài hơn một chút so với các ống làm
lạnh, để được làm sạch (nếu không, các phần của thanh phải được ghép với nhau làm
tăng thêm thời gian cần thiết để hồn thành cơng việc).
+ Khơng ai muốn thực hiện cơng việc, vì vậy nó khơng được thực hiện, hoặc nó được
thực hiện kém.
 Dùng hóa chất

10


Hình 1.10. Hóa chất tẩy rửa cáu cặn
Ít phổ biến hơn so với những năm trước đây, phương pháp làm sạch ống này sử
dụng các dung dịch axit, được lưu thơng qua các bó ống, để phá vỡ hoặc làm mềm cặn

lắng trong ống (hình 1.10).
 Ưu điểm:
+ Cáu cặn có thể được làm mềm đủ để cho phép làm sạch bàn chải như là một hoạt động
thứ cấp.
+ Nhanh chóng, dễ sử dụng, tẩy cặn hiệu quả.
+ Hầu như khơng ăn mịn thiết bị với chất siêu ức chế ăn mòn sinh học.
+ Xử lý các hệ thống phức tạp, không cần di rời, nâng chuyển.
+ Trả lại bề mặt sáng bi và trạng thái làm việc ban đầu cho thiết bị.
+ Công suất tẩy cặn cao (1,5 kg cặn / 1 gallon hóa chất).
+ Khả năng xuyên thấm tốt.
 Nhược điểm:
+ Chi phí - hóa chất có thể tốn kém và trở thành chi phí phát sinh mỗi khi ống cần làm
sạch.
+ Tốn thời gian - chiller bị gián đoạn (ngừng) trong ít nhất 24 giờ.
11


+ Hóa chất nguy hiểm khi làm việc, làm tăng rủi ro về sức khỏe và an toàn của nhân
viên vệ sinh.
+ Với tất cả các hạn chế của địa phương, tiểu bang và liên bang đối với việc xử lý chất
thải nguy hại, việc loại bỏ các hóa chất đã qua sử dụng là khó khăn, tốn kém và mang
một số vấn đề pháp lý.
+ Yêu cầu đào tạo và chun mơn quan trọng.
+ Chất lượng hóa chất vệ sinh. Sử dụng sản phẩm giá rẻ kém chất lượng vệ sinh bình
ngưng gây ăn mịn các ống đồng và có thể làm thủng bình ngưng, đặc biệt các bình
ngưng đã sử dụng thời gian dài. Chi phí để khắc phục cao gấp nhiều lần chi phí chúng
ta tính tốn giảm thiểu.
 Dùng máy làm sạch
Với máy làm ống, một người có thể thực hiện cơng việc vệ sinh đường ống một
cách đơn giản. Máy sử dụng bơm công suất lớn bắn ra dòng nước cực mạnh hoặc các

bàn chải hoặc các dụng cụ vệ sinh khác, được gắn ở đầu trục linh hoạt xoay (như các
hình 1.11, 1.12, 1.13). Trong quá trình quay trục, máy xả nước qua ống trao đổi nhiệt,
loại bỏ các cặn bị bong ra. Ngoài ra, máy được trang bị hệ thống truyền động xích được
đổi mới và hệ thống kết nối nhanh được cấp bằng sáng chế giúp thay đổi bàn chải, trở
thành một nhiệm vụ, một công việc dễ dàng. Máy đã được thiết kế đặc biệt cho mơi
trường làm việc địi hỏi khắt khe của các cơng ty vệ sinh chun nghiệp.

Hình 1.11. Vệ sinh bình ngưng bằng máy làm sạch
12


Một số máy làm sạch ống:

Hình 1.12. RamPro Portable Chiller Tube Cleaner

Hình 1.13. RAM-5 Automatic Chiller Tube Cleaner
Phương pháp làm sạch ống chiller bằng súng vệ sinh sử dụng khí nén và nước,
hoặc nước áp lực cao, để đẩy đạn làm sạch qua các ống để loại bỏ cặn. Đạn có thể từ
đạn cao su đến bàn chải cho đến các loại phế liệu nhựa hoặc kim loại các loại [7]. Hình
1.14 bên dưới là một loại súng làm sạch ống của hãng Goodway và người vận hành chỉ
cần đưa một viên đạn vào ống và bắn. Khi đạn được đẩy về phía trước, nó đẩy các cặn
lắng ra, làm cho ống được làm sạch hoàn toàn.

13


Hình 1.14. Súng vệ sinh bình ngưng
 Ưu điểm
+ Tốc độ - ống được làm sạch trong vài giây.
+ Yêu cầu đào tạo ít, hoặc chun mơn.

+ Trong điều kiện thích hợp, ống có thể được làm sạch hồn tồn bằng phương pháp
này.
 Nhược điểm
+ Phương pháp này có khả năng hạn chế về các loại cáu cặn mà nó có thể loại bỏ (hầu
hết các loại đạn chỉ phù hợp với cáu cặn nhẹ, như bùn và tảo).
+ Cả hai nắp cuối phải được gỡ bỏ để cho phép thu hồi đạn - tăng yêu cầu lao động.
+ Các đơn vị áp lực nước cao là tốn kém và u cầu bảo trì đáng kể.
+ Vấn đề an tồn - một số súng không được thông hơi để loại bỏ khả năng "bắn ngược"
(Điều này xảy ra khi một người cố bắn một viên đạn vào ống cắm. Ống bị áp lực với
khơng khí và khi rút súng ra khỏi ống, đạn sẽ bị bắn ra mắt nhân viên vệ sinh).
1.3.2. Các phương pháp vệ sinh tự động
 Hệ thống vệ sinh tự động WSA
Hệ thống vệ sinh tự động WSA là hệ thống được trang bị các bàn chải để vệ sinh
các ống trong bình ngưng[8]. Khi khởi động hệ thống vệ sinh van chuyển hướng sẽ thay
đổi dịng chảy thơng qua bộ trao đổi nhiệt đưa các bàn chải ra khỏi vị trí bình chứa đi
qua ống cho đến khi nó được bắt lại bởi lưới ở đầu đối diện, khi chu trình dịng chảy

14


bình thường được thiết lập các bàn chải trở lại vị trí bình chứa. Hệ thống vệ sinh tự động
WSA được thể hiện thực tế như hình 1.15 bên dưới.

Hình 1.15. Hệ thống vệ sinh tự động WSA
Ưu điểm đạt được của hệ thống này là:
- Giảm tiêu thụ điện kW/tấn
- Giảm thời gian và chi phí bảo trì
- Giảm chi phí xử lý nước
- Tăng cơng suất làm lạnh
- Tăng khả năng làm lạnh

- Tăng tuổi thọ ống và loại bỏ rỗ ống
- Hoàn vốn đầu tư nhanh
 Hệ thống vệ sinh tự động TAPROGGE
Hệ thống làm sạch đường ống bình ngưng của TAPROGGE[9] hoạt động hồn tồn
tự động, hiệu quả và liên tục. Công tác làm sạch được thực hiện bởi những viên bi xốp
bằng cao su, có khả năng đàn hồi và có kích thước lớn hơn so với đường kính ống. Với
sự chênh lệch kích thước này cùng với khả năng co dãn của bi, trong quá trình đi qua
đường ống, bi sẽ làm sạch cáu cặn bám bên trong đường ống. Hệ thống làm sạch đường
ống bình ngưng bằng bi xốp của TAPROGGE là một hệ thống kín, tuần hồn và liên
tục. Bi xốp được đưa vào hệ thống nước làm lạnh bình ngưng bằng đầu phun bi tại hộp

15


nước hay đường ống vào của bình ngưng, sau khi đi qua và làm sạch đường ống bình
ngưng, bi sẽ được tách khỏi hệ thống bằng bộ tách bi, đi về bộ gom bi, sau đó bơm tuần
hồn sẽ bơm những viên bi này vào lại hệ thống nước làm mát qua đầu phun bi theo một
chu trình tuần hồn và khép kín. Sơ đồ nguyên lý hệ thống vệ sinh tự động TAPROGGE
được thể hiện như hình 1.16:

Hình 1.16. Sơ đồ biểu diễn q trình vệ sinh và cơng nghệ lọc
Bảng 1.1. Bảng so sánh giữa việc dùng và không dùng hệ thống Taprogge

Thông số

Chiller dùng hệ

Chiller không dùng

thống vệ sinh tự

hệ thống vệ sinh tự Sự khác nhau

động Taprogge

động Taprogge

Tải

100%

100%

-

Cường độ trung bình (A)

196.1

233.6

37.5
16


Điện áp trung bình (V)
Nhiệt độ nước vào thiết
bị ngưng tụ (oF)
Nhiệt độ nước ra thiết bị
ngưng tụ (oF)

Chênh lệch nhiệt độ thiết
bị ngưng tụ (oF)
Áp suất ngưng tụ (psig)
Tiêu thụ năng lượng
chiller (kW)
Hiệu quả năng lượng
chiller (kW/Ton)

491.3

491.3

-

91

92

-

97

98

-

2.4

2.8

0.4

125.4

140.5

15.1

150.0

178.7

28.7

0.75

0.89

0.14

Các nghiên cứu điển hình từ khắp Hoa Kỳ chứng minh hiệu quả sử dụng năng
lượng đạt được lên tới 15% hoặc hơn trong các ứng dụng HVAC[10].
 Kết luận:
Làm sạch thủ công định kỳ Chiller yêu cầu phải tắt thiết bị và tốn nhiều nhân viên
bảo trì. Sau khi bộ trao đổi được làm sạch và trở lại làm việc, sự tắc nghẽn và cáu cặn
bắt đầu tích tụ trở lại, làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt và tăng mức tiêu thụ điện cho
đến khi chu kỳ làm sạch tiếp theo. Việc lắp thêm hệ thống vệ sinh tự động là vô cùng
hiệu quả và giải quyết được các vấn đề: cáu cặn, chi phí nhân cơng, sức khỏe người vận
hành, ảnh hưởng xấu đến môi trường và không ảnh hưởng đến quá trình làm việc của
hệ thống lạnh.

17