Ảnh hưởng của lưu lượng nước giải nhiệt cho hệ thống điều hòa không khí trung tâm đến hiệu quả làm việc của bộ xử lý nước điện phân (Đề tài NCKH)
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.96 MB, 91 trang )
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG NƯỚC GIẢI NHIỆT CHO HỆ THỐNG ĐIỀU
HỊA KHƠNG KHÍ TRUNG TÂM ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BỘ XỬ LÝ
NƯỚC ĐIỆN PHÂN
Mã số đề tài: SV2020-03
Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Đoàn Anh Tài
TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN
ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG NƯỚC GIẢI NHIỆT CHO HỆ THỐNG ĐIỀU
HỊA KHƠNG KHÍ TRUNG TÂM ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BỘ XỬ LÝ
NƯỚC ĐIỆN PHÂN
Mã số đề tài : SV2020-03
Thuộc nhóm ngành khoa học: Nghiên cứu và ứng dụng
SV thực hiện: Nguyễn Đoàn Anh Tài
Nam, Nữ:
Nam
Dân tộc: Kinh
Lớp, khoa: 161470B - Cơ khí động lực
Năm thứ: Tư / Số năm đào tạo: 4
Ngành học: Công nghệ Kĩ Thuật Nhiệt
Người hướng dẫn: TS Lê Minh Nhựt
TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2020
Mục lục
Danh mục hình ảnh .....................................................................................................9
Danh mục bảng ..........................................................................................................12
Danh mục các chữ viết tắt .........................................................................................13
MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN ..........................................................................................16
Tổng quan về cơng nghệ điện phân ...........................................................................16
Tình hình nghiên cứu .................................................................................................17
Tính cấp thiết của đề tài............................................................................................. 18
Mục đích của đề tài ....................................................................................................19
Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................................19
Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................... 19
Chương 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT ............................................................................22
1.1 Chất lượng nước trong hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm sử dụng thiết bị
ngưng tụ giải nhiệt nước ............................................................................................ 22
1.2 Khái niệm nước cứng .......................................................................................... 25
1.3 Một số vấn đề của nước giải nhiệt cho chiller ..................................................... 29
1.4 Ảnh hưởng của cáu cặn ....................................................................................... 42
1.5 Lí thuyết về điện phân ......................................................................................... 45
1.6 Quá trình điện phân nước giải nhiệt ....................................................................48
1.7.Vật liệu điện cực ..................................................................................................51
1.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điện phân xử lý nước giải nhiệt cho
Chiller. ....................................................................................................................... 53
Chương 2: HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM ...............................................62
2.1 Mơ hình tổng quan ............................................................................................... 62
2.2 Thiết bị mơ phỏng mạch nước giải nhiệt của hệ thống Chiller giải nhiệt nước ..63
2.2 Thiết bị của bộ xử lí nước bằng công nghệ điện phân ........................................68
2.3 Phương pháp và thông số thí nghiệm ..................................................................75
7
Chương 3: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN ........................................81
3.1 Kết quả thí nghiệm định hướng chọn mật độ dịng điện .....................................81
3.2 Kết quả thí nghiệm định hướng chọn khoảng cách giữa các điện cực ................85
3.3 Kết quả thí nghiệm định hướng chọn thể tích bể phản ứng ................................ 89
3.4 Kết quả thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đến hiệu
suất của bộ điện phân ................................................................................................ 93
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................97
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................98
8
Danh mục hình ảnh
Hình 1 Nhu cầu sử dụng nước trong các tịa nhà ............................................................. 18
Hình 1.1 Vịng tuần hồn nước của tháp giải nhiệt .......................................................... 25
Hình 1.2 Ảnh hưởng của nước cứng đến lị hơi, nồi hơi trong cơng nghiệp ..................... 27
Hình 1.3 Những vấn đề mà các thiết bị trao đổi nhiệt gặp phải ....................................... 30
Hình 1.4 Ăn mịn bên trong đường ống ............................................................................. 31
Hình 1.5 Ăn mịn đường ống trong hệ thống ..................................................................... 33
Hình 1.6 Đóng cáu trong thiết bị trao đổi nhiệt ................................................................ 36
Hình 1.7 Cặn CaCO3 tron g đường ống ............................................................................ 37
Hình 1.8 Nồng độ H+ theo pH ........................................................................................... 39
Hình 1.9 Biều đồ thể hiện sự thay đổi công suất chiller theo lớp cáu cặn ........................ 41
Hình 1.10 Tác động của cáu cặn bình ngưng tới hiệu suất hoạt động của chiller ........... 43
Hình 1.11 Ảnh hưởng của bề dày cáu cặn tới hiệu suất trao đổi nhiệt ............................. 44
Hình 1.12 Mơ tả q trình điện phân ................................................................................ 46
Hình 1.13 Điện cực titan .................................................................................................... 52
Hình 1.14 Sơ đồ mạch điện bộ điện phân ......................................................................... 55
Hình 1.15 Quá trình khuếch tán đến bề mặt điện cực ....................................................... 58
Hình 2.1 Điện trở ............................................................................................................... 64
Hình 2.2 Bơm nước tuần hồn giải nhiệt cho bình ngưng ................................................ 65
Hình 2.3 Bơm nước nóng ................................................................................................... 66
Hình 2.4 Thùng nước nóng chứa điện trở để gia nhiệt cho nước ..................................... 67
Hình 2.5 Bơm chìm ............................................................................................................ 67
Hình 2.6 Bút đo PH P-2S của hãng total meter ................................................................ 68
Hình 2.7 Quá trình đo pH cho nước thí nghiệm................................................................. 69
Hình 2.8 Bút đo TDS ......................................................................................................... 70
Hình 2.9 Quá trình đo chỉ số TDS cho nước thí nghiệm. ................................................... 70
Hình 2.10 Thiết bị đo EC được sử dụng là bút Đo EC DiST4 HI98304 của hãng HannaRomania . ............................................................................................................................ 71
9
Hình 2.11 Bộ chuẩn độ cứng. ............................................................................................. 72
Hình 2.12 Quá trình chuẩn độ cứng cho nước thí nghiệm ................................................. 73
Hình 2.13 Cảm biến lưu lượng nước .................................................................................. 74
Biểu đồ 1.1 Biểu đồ thể hiện độ dẫn nhiệt của các tác nhân ............................................. 34
Biểu đồ 3.1 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến sự sụt giảm tổng độ cứng của nước theo thời gian
............................................................................................................................................ 81
Biểu đồ 3.2 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến sự sụt giảm TDS của nước theo thời gian ......... 82
Biểu đồ 3.3 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến sự dao động ph của nước theo thời gian ........... 83
Biểu đồ 3.4 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến hiệu quả xử lý nước và tiêu thụ năng lượng ...... 84
Biểu đồ 3.5 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực đến sự sụt giảm tổng độ cứng
của nước theo thời gian ...................................................................................................... 85
Biểu đồ 3.6 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực đến sự sụt giảm TDS của nước
theo thời gian ...................................................................................................................... 86
Biểu đồ 3.7 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực đến sự dao động ph của nước
theo thời gian ...................................................................................................................... 87
Biểu đồ 3.8 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực đến hiệu quả xử lý nước và tiêu
thụ năng lượng .................................................................................................................... 88
Biểu đồ 3.9 Ảnh hưởng của thể tích của bể điện phân đến sự sụt giảm tổng độ cứng của
nước theo thời gian. ............................................................................................................ 89
Biểu đồ 3.10 Ảnh hưởng của thể tích của bể điện phân đến sự sụt giảm TDS của nước theo
thời gian .............................................................................................................................. 90
Biểu đồ 3.11 Ảnh hưởng của thể tích của bể điện phân đến sự dao động pH của nước theo
thời gian .............................................................................................................................. 91
Biểu đồ 3.12 Ảnh hưởng của thể tích bể điện phân đến hiệu quả xử lý nước và tiêu thụ năng
lượng ................................................................................................................................... 92
Biểu đồ 3.13 Ảnh hưởng của lưu lượng nước qua bộ xử lý đến sự sụt giảm tổng độ cứng
của nước theo thời gian ...................................................................................................... 93
Biểu đồ 3.14 Ảnh hưởng của lưu lượng nước qua bộ xử lý đến sự sụt giảm TDS của nước
theo thời gian ...................................................................................................................... 94
10
Biểu đồ 3.15 Ảnh hưởng của lưu lượng nước qua bộ xử lý đến sự dao động pH của nước
theo thời gian ...................................................................................................................... 95
Biểu đồ 3.16 Ảnh hưởng của lưu lượng nước qua bộ xử lý đến hiệu quả xử lý nước và tiêu
thụ năng lượng .................................................................................................................... 96
11
Danh mục bảng
Bảng 1.1. Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 232-1999 về chất lượng nước cấp cho hệ thống tuần
hoàn nước lạnh và nước giải nhiệt. .................................................................................... 38
Bảng 1.2 Thể hiện sự gia tăng của tiêu thụ năng lượng theo đường thẳng tướng ứng với bề
dày của lớp cáu cặn. ........................................................................................................... 42
Bảng 1.3. Tác động của Ta đến COP ................................................................................. 45
Bảng 2.1. Thông số của điện trở ........................................................................................ 64
Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật tháp giải nhiệt ........................................................................ 64
Bảng 2.3 Thông số bơm nước nước giải nhiệt ................................................................... 65
Bảng 2.4 Thông số bơm nước nóng .................................................................................... 66
Bảng 2.5 Thơng số thùng chứa nước nóng ......................................................................... 67
Bảng 2.6 Thơng số bơm chìm ............................................................................................. 68
Bảng 2.7 Các thông số điện cực ban đầu. .......................................................................... 76
Bảng 2.8 Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 232-1999 về chất lượng nước cấp cho hệ thống tuần
hoàn nước lạnh và nước cấp giải nhiệt . ............................................................................ 77
Bảng 2.9 Thông số nước đầu vào bộ điện phân ban đầu. .................................................. 77
Bảng 2.10 Các thơng số đầu vào trong thí nghiệm đánh giá lưu lượng ............................ 79
12
Danh mục các chữ viết tắt
Ý nghĩa
Viết tắt
COP
Coefficient of Performance
CTI
Cooling Technology Institute
ĐNTT
Điện năng tiêu thụ
HVAC
Heating, Ventilating, and Air Conditioning
MĐDĐ
Mật độ dòng điện
13
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM
THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
1. Thông tin chung:
- Tên đề tài: ẢNH HƯỞNG CỦA LƯU LƯỢNG NƯỚC GIẢI NHIỆT CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA
KHƠNG KHÍ TRUNG TÂM ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BỘ XỬ LÝ NƯỚC ĐIỆN PHÂN
- Chủ nhiệm đề tài: Nguyễn Đoàn Anh Tài
Mã số SV: 16147189
- Lớp: 161470
Khoa: Cơ khí động lực
- Thành viên đề tài:
Stt
Họ và tên
MSSV
Lớp
Khoa
1
Nguyễn Đoàn Anh Tài
16147189
161470B
Cơ khí động lực
2
Trần Trọng Nghĩa
16147165
161470C
Cơ khí động lực
3
Lê Văn Nguyên
16147167
169470A
Cơ khí động lực
4
Trần Trung Hảo
16147138
169470A
Cơ khí động lực
- Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Nhựt
2. Mục tiêu đề tài: Tiến hành thí nghiệm cơng nghệ điện phân cho nước giải nhiệt chiller.
Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng xử lý của cơng nghệ điện phân.
3. Tính mới và sáng tạo: Nghiên cứu đã đưa ra đánh giá yếu tố về mặt lưu lượng, là một
trong những đánh giá quan trọng và cịn thiếu rất nhiều các cơng trình nghiên cứu về vấn
đề này. Từ đó mở ra những nghiên cứu khác sâu hơn rộng hơn, để có thể đưa công nghệ
vào thực tiễn.
4. Kết quả nghiên cứu: Đưa ra đánh giá chi tiết đến khả năng xử lý của của cơng nghệ
điện phân.
5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả
năng áp dụng của đề tài: Đề tài đã đưa ra các đánh giá về khả năng hoạt động của công
nghệ điện phân phân ở các điều kiện khác nhau. Từ đó củng cố khả năng áp dụng thành
công vào thực tiễn, thay đổi các các công nghệ xử lý nước truyền thống thiếu hiệu quả và
tốn kém về mặt kinh tế. Nó cũng mở ra con đường nghiên cứu về nhiều yếu tố khác.
14
6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ tên tạp chí nếu có)
hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):
Ngày
tháng
năm
SV chịu trách nhiệm chính
thực hiện đề tài
(kí, họ và tên)
Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài
(phần này do người hướng dẫn ghi):
Ngày
tháng
năm
Người hướng dẫn
(kí, họ và tên)
15
MỞ ĐẦU: TỔNG QUAN
Tổng quan về công nghệ điện phân
Tháp giải nhiệt là một thiết bị giải nhiệt cho nước làm mát bình ngưng trong hệ thống
Chiller giải nhiệt nước. Nhiệt được thải ra khí quyển thơng qua q trình làm mát bay hơi
và các tháp giải nhiệt thường dùng cho hệ thống chiller giải nhiệt nước trong các tòa nhà
thương mại vừa và lớn. Với sự bay hơi liên tục của nước, điều này để lại rất nhiều thành
phần khống chất, ion nước cứng. Nước cấp có lượng tạp chất khống tự nhiên (ví dụ:
silica, canxi và magiê), do đó, nước ngưng tụ cịn lại sẽ có lượng tạp chất ngày càng tăng
do lượng nước bốc hơi nhiều. Những tạp chất này cuối cùng sẽ kết tủa, đóng cáu, dẫn đến
kết tủa rắn. Kết tủa rắn này thường được gọi là cáu cặn và sẽ bám lại trên các bề mặt khác
nhau mà nó tiếp xúc. Cáu cặn này có tác động bất lợi đến truyền nhiệt bề mặt; làm giảm
hiệu quả của làm việc của Chiller, năng lượng tiêu tốn vì thế cũng tăng theo thời gian. Xử
lý nước điển hình là thêm hóa chất vào nước giải nhiệt cho những mục đích sau:
• Ức chế q trình hình thành cáu cặn.
• Ức chế các q trình ăn mịn.
• Diệt các vi sinh vật có mặt trong nước, và hạn chế khả năng phát triển của chúng.
Ngoài việc sử dụng hóa chất để xử lý nước tháp giải nhiệt, một phần nước tháp giải
nhiệt thường được thải bỏ. Điều này thường được gọi là quá trình xả bỏ nước giải nhiệt ra
khỏi vịng tuần hồn nước. Khi q trình xả bỏ diễn ra, nước cấp sẽ được bổ sung vào để
bù đắp lượng nước đã xả bỏ, điều này đã làm tăng lượng nước sử dụng cho tháp giải nhiệt.
Gần đây, công nghệ điện phân được nghiên cứu để lọc nước, xử lý nước cho tháp
giải nhiệt, xử lý nước thải cho các nhà máy dệt,.. Hứa hẹn sẽ một công nghệ trong tương
lai. Công nghệ này đã được nghiên cứu nhiều trên thế giới với các thí nghiệm khác nhau.
Chủ yếu nghiên cứu về các yếu tố anh hưởng đến hiệu suất loại bỏ ion nước cứng trong
nước của tháp giải nhiệt.
16
Các thí nghiệm này gồm các điện cực được làm bằng kim loại như nhơm, sắt, titan.
Gồm hai cực chính được cấp bởi nguồn điện một chiều. Khi quá trình điện phân xảy ra nó
có khả năng tách các ion nước cứng ra khỏi nước và thu về phía điện cực âm. Vì đây là một
cơng nghệ mới các nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất
loại bỏ nước cứng như mật độ dòng điện, khoảng cách điện cực, vật liệu điện cực,… Ở bài
báo này ta sẽ chủ yếu nghiên cứu về yếu tố lưu lượng nước được trích ra từ hệ thống giải
nhiệt [1].
Tình hình nghiên cứu
Các nghiên cứu về cơng nghệ điện phân rất đa dạng nhưng chủ yếu tập trung theo
các hướng sau như về mật độ dòng điện, khoảng cách điện cực, vật liệu điện cực, ph của
nước xử lý.
Sau đây là một vài nghiên cứu trên thế giới:
-
Hussein I. Abdel-Shafy [2] và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm với bể xử lý có
thể tích 1L với các điện cực có kích thước 8cmx8cm diện tích bề mặt xấp xỉ
65cm2 được cấp nguồn từ nguồn DC 30V – 5A. Thí nghiệm này chủ yếu đánh
giá về thời gian điện phân, ảnh hưởng của mật độ dòng điện, khoảng cách điện
cực, ph đến hiệu suất xử lý loại bỏ nước cứng.
-
Rapeepat Rungvavmanee [3] và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm để đánh giá
hiệu suất xử lý về độ cứng canxi, tổng độ cứng, tổng lượng chất rắn với các điện
cực nhơm, các mật độ dịng điện, thời gian điện phân khác nhau.
-
S.L. ZHI [4] và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm với bể điện phân có kích
thước 8cm x 20cm x 16cm thể tích bể 1.5L, điện cực có kích thước 18cm x 18cm.
Thí ngiệm khơng chỉ đánh giá mật độ dịng điện khoảng cách điện cực, thời gian
điện phân đến hiệu suất xử lý, mà còn đánh giá về năng lượng tiêu thụ.
Ứng dụng cơng nghệ điện phân để xử lí nước làm mát cho hệ thống điều hịa khơng
khí trung tâm giải nhiệt nước đã được một số doanh nghiệp, công ty triển khai và thực hiện.
Nhưng vẫn chưa có bài báo khoa học hay một đánh giá chi tiết hay tổng quan nào về công
17
nghệ này. Đó là lí do nhóm chúng em xin chọn đề tài “Ảnh hưởng của lưu lượng nước giải
nhiệt cho hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm đến hiệu quả làm việc của bộ xử lý nước
điện phân” để thực hiện.
Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay với sự phát triển của kinh tế, đời sống con người ngày càng được nâng
cao, nhất là nhu cầu làm mát. Đối với các trung tâm thương mại thì chiller là một thiết bị
làm mát phổ biến. Một vấn đề nảy sinh là lượng tiêu thụ nước cho tháp giải nhiệt của chiller
là vơ cùng lớn. Bảng phân tích tiêu thụ nước trong các tòa nhà văn phòng ở Hoa kỳ được
cung cấp trong Hình 1 và cho thấy khoảng 28% lượng nước tiêu thụ liên quan đến sưởi ấm
và làm mát.
Hình 1 Nhu cầu sử dụng nước trong các tịa nhà [1]
Lượng nước tiêu thụ này do trong thời gian hoạt động dài thì nước trong hệ thống bị
bám bẩn làm cho độ cứng của nước tăng lên vì thế cần phải xử lý hoặc thải bỏ. Mặc dù đã
có một số phương pháp xử lý nhưng hiệu quả không cao mức lãng phí nước vẫn cịn. Ngày
nay với sự phát triển của khoa học công nghệ trên thế giới đã áp dụng công nghệ điện phân
18
để xử lý nước cứng. Dù có nhiều nhiên cứu về cơng nghệ này nhưng vẫn chưa có nghiên
cứu nào đánh giá đến ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đến q trình điện phân, từ lý do
đó nên nhóm em quyết định chọn đề tài này để nâng cao hiệu quả xử lý của công nghệ và
đưa ra các đánh giá chính xác.
Mục đích của đề tài
Đề tài này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng nước đến q trình hoạt
động của bộ điện phân. Từ đó có thể đánh giá đưa ra các kết luận, để có thể lựa chọn các
thơng số để thiết kế áp dụng, nâng cao hiệu quả xử lý của thiết bị.
Phạm vi nghiên cứu
Trong thời gian thực hiện đề tài nhóm chủ yếu nghiên cứu về lý thuyết điện phân,
các yếu tố ảnh hưởng đến điện phân như mật độ dòng điện, khoảng cách điện cực, thể tích
bể điện phân, lưu lượng.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp tổng quan tài liệu: Thơng qua các bài báo khoa học, giáo trình, tài liệu
chuyên khảo về công nghệ điện phân ứng dụng trong xử lý nước.
- Phương pháp tính tốn lý thuyết: Tính toán, thiết kế hệ thống phục vụ cho việc thực
nghiệm.
- Phương pháp thực nghiệm: Xây dựng phương pháp và tiến hành thí nghiệm trên mơ hình,
phân tích, đánh giá các giá trị thực nghiệm thu được từ vận hành thực tế phục vụ cho việc
đánh giá, bàn luận, kết luận và đưa ra kiến nghị.
19
Chương 1: CƠ SỞ LÍ THUYẾT
1.1 Chất lượng nước trong hệ thống điều hịa khơng khí trung tâm sử dụng thiết bị
ngưng tụ giải nhiệt nước:
Hệ thống điều hịa khơng khí kiểu làm lạnh bằng nước (water chiller) là hệ thống
trong đó cụm máy lạnh khơng trực tiếp xử lý khơng khí mà làm lạnh nước đến khoảng 7℃.
Sau đó nước được dẫn theo đường ống có bọc cách nhiệt đến các dàn trao đổi nhiệt gọi là
các FCU và AHU để xử lý nhiệt ẩm khơng khí. Như vậy trong hệ thống này nước được sử
dụng làm chất tải lạnh [5].
Hệ thống điều hịa khơng khí làm lạnh bằng nước được phân loại làm hai loại chính:
Hệ thống water chiller giải nhiệt nước và hệ thống water chiller giải nhiệt gió.
Hệ thống water chiller giải nhiệt nước bao gồm các thiết bị chính sau:
- Cụm máy lạnh chiller
- Tháp giải nhiệt
- Bơm nước giải nhiệt
- Bơm nước lạnh tuần hồn
- Bình giãn nở và cấp nước bổ sung
- Hệ thống xử lí nước
- Các dàn lạnh FCU và AHU
Đặc điểm của các thiết bị chính:
- Cụm máy lạnh chiller là thiết bị quan trong nhất của hệ thống điều hịa làm lạnh nước.
Bao gồm các thiết bị chính như sau:
+ Máy nén có 4 loại máy nén được sử dụng phổ biến là máy nén piston, máy nén xoắn ốc,
máy nén trục vít và máy nén ly tâm.
22
+ Bình ngưng tụ có nhiệm vụ giải nhiệt cho môi chất lạnh từ hơi ở áp suất cao nhiệt độ cao
thành lỏng áp suất cao.
+ Bình bay hơi có nhiệm vụ làm lạnh nước thông thường từ 7-12 ℃.
+ Tủ điện điều khiển.
- Bơm nước gồm có hệ bơm nước lạnh và bơm nước giải nhiệt
+ Hệ bơm nước lạnh có nhiệm vụ vận chuyển nước lạnh đến các FCU, AHU để trao đổi
nhiệt làm lạnh khơng gian phịng.
+ Hệ bơm nước giải nhiệt có nhiệm vụ vận chuyển nước nhiệt độ cao đến tháp giải nhiệt để
làm mát nước và trở lại cụm máy lạnh chiller làm mát cho mơi chất lạnh.
- Bình dãn nở là bình chứa dùng để điều tiết sự dãn nở của nước trong hệ thống khi có sự
thay đổi và nhiệt độ trong quá trình hệ thống dừng hay làm việc. Bao gồm các loại chính là
bình dãn nở kiểu hở và bình dãn nở kiểu kín.
- Tháp giải nhiệt là thiết bị tận dụng sự bay hơi của nước vào khơng khí để làm mát cho
nước giải nhiệt trong bình ngưng.
- Dàn lạnh bao gồm FCU và AHU.
+ FCU là thiết bị có cấu tạo cơ bản gồm dàn ống đồng cánh nhơm và quạt gió. Nước chuyển
động trong ống, khơng khí thổi qua dàn ống đồng cánh nhôm sẽ trao đổi nhiệt hiện ẩm
thành lạnh. Nhiệt lạnh đó sẽ được thổi trực tiếp hay theo ống gió vào phịng.
+ AHU là thiết bị trao đổi nhiệt có chức năng giống FCU nhưng ở AHU lưu lượng nước và
gió trao đổi lớn hơn nhiều.
* Một số khái niệm và thuật ngữ cơ bản của tháp giải nhiệt:
- Hiệu nhiệt độ ướt (approach different) là hiệu nhiệt độ nước ra khỏi tháp và nhiệt độ ướt
của khơng khí khi vào tháp [5].
Δtư = tw1 - tư = 3 – 5 0K
(1.1)
tw1 – là nhiệt độ nước ra khỏi tháp bằng nhiệt độ nước vào bình ngưng.
tư – nhiệt độ ướt của khơng khí vào tháp.
23
- Hiệu nhiệt độ nước vào ra (range different) là hiệu nhiệt độ nước vào và ra khỏi tháp [6].
Δtw = tw2 - tw1 = 5 0K
(1.2)
tw2 – là nhiệt độ nước vào tháp bằng nhiệt độ nước ra bình ngưng.
- Nước xả (blowdown): Khi vận hành trong thời gian dài, do lượng nước bay hơi nên nồng
độ tạp chất như độ cứng, cặn bẩn… tăng lên vượt quá tiêu chuẩn cho phép. Để bảo vệ bình
ngưng khơng bị đóng cáu cặn và ăn mòn người ta phải xả bỏ một phần nước tuần hoàn để
thay thế bằng một lượng nước mới hoàn toàn.
- Nước bổ sung nước cấp (makeup water): nước bổ sung cho tháp từ nguồn nước sẵn có bù
vào lượng nước bay hơi, nước xả và các tổn thất do rị rỉ hoặc cuốn mất theo gió… Thường
lượng nước bổ sung nằm trong khoảng 2% lượng nước tuần hoàn
- Lượng nước bay hơi: là lượng nước bay hơi vào khơng khí để thải nhiệt cho nước nhờ
nhiệt ẩn hóa hơi. Nhiệt ẩn hóa hơi của nước ở áp suất thường là r = 2258 KJ/kg [6].
- Cycles of concentration (COC) là một trong những thuật ngữ phổ biến được sử dụng trong
mô tả hiệu quả sử dụng nước của hệ thống tháp giải nhiệt là COC. COC đại diện cho mối
quan hệ giữa lượng nước bổ sung và lượng xả. COC là giá trị dùng để đo tổng nồng độ các
khống chất có trong tháp giải nhiệt tương ứng với tổng nồng độ các khống chất có sẵn
trong nguồn nước bổ sung. COC càng cao, hiệu quả sử dụng nước càng lớn. tháp giải nhiệt
hoạt động với hiệu quả cao nhất với COC từ 3 đến 10, trong đó 3 thể hiện hiệu quả có thể
chấp nhận được và 10 là cho hiệu quả tốt nhất trong thang đo. Nó đã được tìm thấy rằng
phạm vi từ 5 đến 7 COC đại diện cho hiệu quả tốt nhất khi tính cả về mặt chi phí [7].
COC
M
B
(1.3)
M: lượng nước cấp bổ sung (kg/s)
B: lượng nước xả bỏ đi (kg/s)
Để xác định COC, bạn phải biết hàm lượng khoáng chất của cả nước cấp bổ sung và
nước xả. Ta phải xác định cả độ dẫn điện của nước tuần hoàn tháp giải nhiệt và độ dẫn điện
24
của nước cấp bổ sung. (Lưu ý rằng nước xả đáy sẽ có cùng độ dẫn với nước tuần hồn).
Mối quan hệ được thể hiện bằng phương trình này [7].
COC
BEC
M EC
(1.4)
MEC: độ dẫn điện của lượng nước cấp bổ sung (kg/s).
BEC: độ dẫn điện của lượng nước xả bỏ đi (kg/s).
Hình 1.1 Vịng tuần hồn nước của tháp giải nhiệt [7]
1.2 Khái niệm nước cứng
1.2.1 Nước cứng
Nước cứng có tên tiếng anh là Hard Water - là loại nước có chứa nhiều ion Ca2+ và
Mg2+. Tổng hàm lượng hai ion trên sẽ quyết định tính chất của nước. Trong thực tế, nước
có ít Ca và Mg thì độ cứng của nước sẽ thấp và ngược lại, nếu nước có nhiều Ca, Mg thì độ
cứng của nước sẽ cao. Theo tiêu chuẩn của Bộ Y Tế thì độ cứng của nước cho phép phải
nhỏ hơn 300 mg/lít. Nếu độ cứng trong nước vượt trên 100mg/ lít thì sẽ xuất hiện cáu cặn
khi nước sôi. Và đun nước sôi cũng là phương pháp giúp ta nhận biết nước cứng đơn giản
nhất hiện nay.
25
Theo Tiêu chuẩn Việt Nam về chất lượng nước - TCVN 6198:1996 (ISO 6058:1984)
[6] độ cứng của nước được xác định theo nồng độ Ca2+, Mg2+ có trong nước. Các hạn mức
cơ bản là:
Nước mềm: Độ cứng từ 0 - 60 mg/ l (miligam/ Lít).
Nước cứng vừa phải: Độ cứng từ 61 - 120 mg/ l.
Nước cứng: Độ cứng từ 121 - 180 mg/ l.
Nước rất cứng: Độ cứng > 180 mg/ l.
1.2.2 Các loại nước cứng
Nước cứng chứa nhiều cation hóa nên chúng ta có thể dựa theo nồng độ của các
cation này để phân loại nước cứng thành 3 loại chính, đó là: nước cứng tạm thời, nước cứng
vĩnh cửu và nước cứng toàn phần.
a. Nước cứng tạm thời và cách làm mềm nước cứng tạm thời
Nước cứng tạm thời là nước có chứa các ion: Ca2+, Mg2+, HCO3-. Nếu muốn làm
mềm nước cứng tạm thời, có thể sử dụng phương pháp đun sôi nước nhằm phân hủy muối
thành CO32-.
b. Nước cứng vĩnh cửu và cách làm mềm nước cứng vĩnh cửu
Nước cứng vĩnh cửu là nước có chứa các ion: Ca2+, Mg2+, HCO3-, Cl-, SO42-. Nước
cứng vĩnh cửu không thể làm mềm bằng phương pháp đung sôi như nước cứng tạm thời
mà phải dùng các chất làm mềm nước cứng vĩnh cửu (phương pháp hóa học).
c. Nước cứng toàn phần và cách làm mềm nước cứng toàn phần
Nước cứng toàn phần là nước bao gồm cả 2 đặc tính của nước cứng vĩnh cửu và
nước cứng tạm thời. Có nghĩa là nó sẽ bao gồm cả các muối Ca(HCO3)2, Mg(HCO3)2 và
MgCl2,... Để làm mềm nước cứng toàn phần, ta có thể sử dụng tương tự những cách làm
mềm nước cứng vĩnh cửu và nước cứng tạm thời ở bên trên nhé.
1.2.3 Tác hại của nước cứng trong cơng nghiệp
- Ảnh hưởng đến các thiết bị lị hơi, nồi hơi, tháp giải nhiệt
26
Hình 1.2 Ảnh hưởng của nước cứng đến lị hơi, nồi hơi trong công nghiệp [8]
Trong nồi hơi, tháp giải nhiệt, nước được sử dụng để làm môi trường truyền nhiệt.
Nếu sử dụng nước cứng, nó sẽ ăn mịn tháp giải nhiệt, tạo ra cáu cặn trong nồi hơi, đường
ống khiến nước bị tắc. Điều này làm tăng áp suất trong nồi, đường ống lên cao, có khả năng
cháy nổ. Ngồi ra, cáu cặn trong nồi hơi cịn làm giảm hiệu suất hoạt động, tiêu hao nhiều
điện năng dẫn đến tình trạng lãng phí. Đặc biệt, nước cứng cịn làm giảm tuổi thọ của các
thiết bị.
- Làm mềm nước cứng và cách xử lý nước cứng hiệu quả
Trước khi làm mềm nước cứng vĩnh cửu hay nước cứng tạm thời, chúng ta cần hiểu
rõ nguyên tắc làm mềm nước cứng. Nguyên tắc rất đơn giản đó là giảm nồng độ các cation
Ca2+ và Mg2+ trong nước cứng.
- Xử lý nước cứng bằng cách trao đổi ion
Phương pháp trao đổi ion được sử dụng chủ yếu cho nguồn nước sinh hoạt. Chúng
hoạt động bằng cách loại bỏ các ion Canxi và Magie ra khỏi nước và thay thế chúng bằng
các ion như Natri hoặc Kali bao phủ bởi các hạt nhựa trao đổi ion. Hệ thống cần được vệ
sinh khoảng một lần một tuần để thay thế các ion làm mềm nước đã được sử dụng và loại
bỏ các ion trong nước cứng đã thay thế. Ngoài ra, chất làm mềm nước cứng này cũng có
khả năng loại bỏ sắt hịa tan trong nước ra khỏi nguồn nước. Chính vì thế, phương pháp xử
27
lý nước cứng bằng hạt nhựa ion là cách làm mềm nước cứng được dùng phổ biến nhất vì
có giá thành rẻ từ chi phí đầu tư đến chi phí vận hành.
- Làm mềm nước cứng nhờ đun sôi nước (phương pháp nhiệt)
Phương pháp này chỉ thích hợp cho hộ gia đình, cịn cơng ty, xí nghiệp thì có những
phương pháp làm mềm nước cứng phù hợp hơn. Khi đun sôi, ta nên cho nước sôi khoảng
vài phút để đảm bảo các chất gây hại bị phân hủy, nhất là Mg và Ca. Sau đó, dùng phương
pháp lắng để loại bỏ cáu cặn và lấy nước sạch. Khi nước sôi, ta chỉ cần để yên vài phút là
cáu cặn trong nước lắng xuống.
- Làm mềm nước cứng bằng hóa chất
Đây là phương pháp sử dụng rất nhiều trong công nghiệp. Phương pháp này sẽ pha
các hóa chất khác nhau vào nước để kết hợp với các ion Ca2+, Mg2+ tạo thành các hợp chất
tan được trong nước. Nhằm khi sử dụng nó sẽ ít bị bám trên thành ống, nồi hơi.
Lưu ý: Phương pháp này chỉ nên sử dụng trong công nghiệp, sản xuất chứ không thể dùng
trong xử lý nước gia đình, vì hóa chất có rất nhiều tác hại đến sức khỏe của con người.
- Làm mềm nước cứng bằng máy lọc nước (thẩm thấu ngược RO)
Thẩm thấu ngược là một quá trình buộc nước phải đi qua hàng loạt các quả lọc dưới
áp lực nhằm lọc tất cả các tạp chất ra khỏi nước. Sản phẩm thu được gần như là nước cất,
với tất cả các hóa chất, chất rắng hòa tan, ion Ca2+, Mg2+ đều bị loại bỏ.
Khi làm mềm nước cứng vĩnh cửu sẽ có cáu cặn bám tại màng lọc RO. Vậy để đảm
bảo làm mềm nước cứng luôn được vận hành, ta phải vệ sinh định kỳ màng RO bằng hóa
chất súc rửa màng lọc RO.
- Làm mềm nước cứng bằng phương pháp điện phân
Xử lí làm mềm nước bằng cách sử dụng dòng điện 1 chiều đặt lên các bản cực (cực
dương, cực âm) của bộ xử lý tạo nên quá trình điện phân nước từ đó loại bỏ các ion gây
nên độ cứng như Mg2+, Ca2+… ra khỏi nước.
28
1.3 Một số vấn đề của nước giải nhiệt cho chiller
Vấn đề hình thành cáu cặn trên bề mặt trao đổi nhiệt là một vấn đề quan trọng trong
quá trình trao đổi nhiệt đối lưu bề mặt giữa nước và thiết bị trao đổi nhiệt. Các chất cáu cặn
có thể là các tinh thể từ các chất tan của muối, các hạt của vật liệu.
Việc thiết bị trao đổi nhiệt đóng cáu có thể giải quyết bằng việc thiết kế một thiết bị
riêng, bằng các phương pháp cơ học hay hóa học. Tất cả các phương pháp trên địi hỏi sự
am hiểu về cơ cấu hình thành nên cáu cặn và sự ảnh hưởng của thông số vận hành đến việc
hình thành sự tắc nghẽn dịng chảy. Tuy nhiên nó vẫn khơng dự báo được mối quan hệ giữa
hình thành cáu cặn với thành phần cấu tạo của nước cấp. Tuy nhiên nó có thể ước tính được
ảnh hưởng của vận tốc dòng chảy, nồng độ cáu cặn và nhiệt độ bề mặt trao đổi nhiệt đến
tốc độ lắng cặn và sử dụng các kiến thức để thiết kế cho thiết bị trao đổi nhiệt.
- Mô tả vấn đề
Sự hữu dụng của quá trình trao đổi nhiệt ngược chiều sẽ giảm đáng kể trong thực tế
vì nó chỉ có giá trị trong điều kiện dòng chảy sạch. Tuy nhiên, trong hầu hết các q trình
trao đổi nhiệt của dịng chất lỏng thực tế, ở đây là nước chứa một lượng lớn các chất tan,
các hạt vật liệu hoặc cung cấp điều kiện thuận lợi cho quá trình phát triển tạo các chất sinh
học. Điều này có thể dẫn đến hình thành cặn bẩn trên bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bi. Kết
quả cũng chỉ ra việc giảm khả năng hoạt động của thiết bị trao đổi nhiệt là điều thường
xuyên xảy ra, và yêu cầu cần phải làm sạch thường xuyên.
29
Phần trăm
Loại thiết bị trao đổi nhiệt
Hình 1.3 Những vấn đề mà các thiết bị trao đổi nhiệt gặp phải [9]
Khả năng hình thành cáu cặn trên bề mặt của thiết bị trao đổi nhiệt có thể được cân
nhắc xem xét thông qua việc thiết kế thiết bị bằng việc sử dụng cái gọi là trở nhiệt cáu cặn
trong việc tính tốn hệ số trao đổi nhiệt tồn phần.
1.3.1 Tốn thất do cáu cặn gây ra.
- Thiệt hại bởi cáu cặn.
Mặc dù lượng thiệt hại gây ra bởi cáu cặn là rất lớn nhưng rất ít các nghiên cứu xác
định thành công thiệt hại kinh tế gây ra bởi cáu cặn và ảnh hưởng tới các mặt thiết kế và
vận hành thiết bị. Vì vậy, những kiến thức đáng tin cậy về chi phí cho cáu cặn rất hữu ích
trong việc đánh giá hiệu quả của các phương pháp xử lí khác nhau. Tất cả các chi phí liên
quan đến cáu cặn có thể được tổng hợp theo các yếu tố sau:
Chi phí đầu tư: Bao gồm các chi phí phát sinh, chi phí cho khơng gian dự phịng, và
chi phí lắp đặt. Cịn có các chi phí đầu tư các thiết bị khử cáu cặn như là lắp đặt thiết bị làm
sạch trực tiếp, nhà máy xử lý, và không gian cho các thiệt bị lọc.
30
Chi phí nhiên liệu: Chi phí cho nhiên liêu xảy ra nếu cáu cặn hình thành dẫn đến
phải bổ sung nhiên liệu đốt trong các lò đốt hoặc lò hơi hoặc nếu có thêm năng lượng cấp
lại như điện.
Chi phí bảo trì: chi phí bảo trì chủ yếu là khoản phí tốn cho q trình vệ sinh chuyển
cáu cặn, chi phí cho các phương pháp hóa học, hoặc chi phí cho quá trình vận hành các thiết
bị làm sạch khác, khoản 15% chi phí của q trình hoạt động ở các nhà máy liên quan đến
thiết bị trao đổi nhiệt và lị hơi, 50% trong số đó có thể là các vấn đề về cáu cặn.
Chi phí do hao phí trong sản xuất: Các nhà máy có thể phải đóng cửa bởi cáu cặn
sinh ra trong thiết bị trao đổi nhiệt, những ngành sản xuất lớn việc tổn hảo hoàn tồn là có
thể. Những tổn thất này được xem là chí phí tổn thất do cáu cặn gây ra và rất khó có thể
tính tốn chính xác [9].
1.3.2 Ngun nhân hình thành cáu cặn
- Vấn đề về nước giải nhiệt và cách xử lý
Có 4 vấn đề thường hay xảy ra đối với hệ thổng giải nhiệt nước:
- Ăn mòn: Các kim loại sản xuất được sử dụng phổ biến trong các hệ thống làm mát,
chẳng hạn như thép nhẹ, việc sản xuất này là quá trình loại bỏ oxy từ các quặng tự nhiên.
Hệ thống giải nhiệt nước là một trong những mơi trường lý tưởng cho q trình quay về
trang thái ban đầu của kim loại như các quặng oxit ban đầu. Quá trình này gọi là quá trình
ăn mịn kim loại.
Hình 1.4 Ăn mịn bên trong đường ống [10]
31
