by
1. GIỚI THIỆU
Phần này sẽ giới thiệu tóm tắt những đặc điểm của tháp giải nhiệt.
1.1 Tháp giải nhiệt là gì?
Nước làm mát được sử dụng cho, ví dụ như, thiết bị điều hoà không khí, các quá trình sản xuất hoặc phát điện. Tháp giải nhiệt là một thiết bị được sử dụng để giảm nhiệt độ của dòng nước bằng cách trích nhiệt từ nước và thải ra khí quyển. Tháp giải nhiệt tận dụng sự bay hơi nhờ đó nước được bay hơi vào không khí và thải ra khí quyển. Kết quả là, phần nước còn lại được làm mát đáng kể (hình 1).
Tháp giải nhiệt có thể làm giảm nhiệt độ của nước thấp hơn so với các thiết bị chỉ sử dụng không khí để loại bỏ nhiệt, như là bộ tản nhiệt của ô tô, và do đó sử dụng tháp giải nhiệt mang lại hiệu quả cao hơn về mặt năng lượng và chi phí.
1.2 Các bộ phận của tháp giải nhiệt
Các bộ phận chính của một tháp giải nhiệt bao gồm một khung và thân tháp, khối đệm, bể nước lạnh, tấm chắn nước, bộ phận khí vào, cửa không khí vào, vòi và quạt. Những bộ phận này được miêu tả dưới đây.
Khung và thân tháp. Phần lớn các tháp có khung kết cấu giúp hỗ trợ cho phần thân bao bên ngoài (thân tháp), động cơ, quạt và các bộ phận khác. Ở các thiết kế nhỏ hơn, như các thiết bị làm bằng sợi thuỷ tinh, thân tháp có thể là khung luôn.
Khối đệm. Hầu hết các tháp đều có khối đệm (làm bằng nhựa hoặc gỗ) để hỗ trợ trao đổi nhiệt nhờ tối đa hoá tiếp xúc giữa nước và không khí. Có hai loại khối đệm:
+ Khối đệm dạng phun: nước rơi trên các thanh chắn nằm ngang và liên tiếp bắn toé thành những giọt nhở hơn, đồng thời làm ướt bề mặt khối đệm. Khối đệm dạng phun bằng nhựa giúp tăng trao đổi nhiệt tốt hơn so với khối đệm bằng gỗ.
+ Khối đệm màng: bao gồm các tấm màng nhựa mỏng đặt sát nhau, nước sẽ rơi trên đó, tạo ra một lớp màng mỏng tiếp xúc với không khí. Bề mặt này có thể phẳng, nhăn, rỗ tổ ong hoặc các loại khác. Loại màng của khối đệm này hiệu quả hơn và tạo ra mức trao đổi nhiệt tương tự với lưu lượng nhỏ hơn so với khối đệm dạng phun.
Bể chứa nước lạnh. Bể nước lạnh được đặt gần hoặc ngay tại đáy tháp, bể nhận nước mát chảy xuống qua khối đệm trong tháp. Bể thường có một bộ phận thu nước hoặc một điểm trũng để nối xả nước lạnh. Với rất nhiều thiết kê tháp, bể nước lạnh được đặt ngay dưới khối đệm. Tuy nhiên, ở các thiết kế đối lưu ngược dòng, nước ở đáy khối đệm được nối với một vành đai đóng vai trò như bể nước lạnh. Quạt hút được lắp dưới khối đệm để hút khí từ dưới lên. Với thiết kế này, tháp được lắp thêm chân, giúp dễ lắp quạt và động cơ.
Tấm chắn nước. Thiết bị này thu những giọt nước kẹt trong dòng không khí, nếu không chúng sẽ bị mất vào khí quyển.
Bộ phận khí vào. Đây là bộ phận lấy khí vào tháp. Bộ phận này có thể chiếm toàn bộ một phía của tháp (thiết kế dòng chảy ngang) hoặc đặt phía dưới một phía hoặc dưới đáy tháp (thiết kế dòng ngược).
Cửa không khí vào. Thông thường, các tháp dòng ngang có cửa lấy khí vào. Mục đích của các cửa này là cân bằng lưu lượng khí vào khối đệm và giữ lại nước trong tháp. Rất nhiều thiết kế tháp ngược dòng không cần cửa lấy khí.
Vòi phun. Vòi phun nước để làm ướt khối đệm. Phân phối nước đồng đều ở phần trên của khối đệm là cần thiết để đạt được độ ướt thích hợp của bề mặt khối đệm. Vòi có thể được cố định hoặc phun theo hình vuông hoặc tròn, hoặc vòi có thể là một bộ phận của dây chuyền quay như thường gặp ở một số tháp giảin nhiệt đối lưu ngang.
Quạt. Cả quạt hướng trục (quạt đẩy) và quạt ly tâm đều được sử dụng trong tháp. Thông thường quạt đẩy được sử dụng trong thông gió và cả quạt ly tâm và quạt đẩy đều được sử dụng để thông gió cưỡng bức trong tháp. Tùy theo kích thước, có thể sử dụng quạt đẩy cố định hay độ nghiêng cánh biến đổi. Quạt với cánh nghiêng điều chỉnh không tự động được sử dụng trong dải kW rộng vì quạt có thể được điều chỉnh để luân chuyển lưu lượng khí mong muốn ở mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất. Cánh nghiêng biến đổi tự động có thể thay đổi lưu lượng khí theo điều kiện tải thay đổi.
1.3 Vật liệu của tháp
Ban đầu, tháp giải nhiệt được làm bằng gỗ, bao gồm khung, thân tháp, cửa không khí vào, khối đệm và bể nước lạnh. Đôi khi bể nước lạnh được xây bằng bê tông. Ngày nay, các nhà sản xuất sử dụng rất nhiều vật liệu khác nhau để xây tháp giải nhiệt. Các vật liệu được lựa chọn để tăng khả năng chống ăn mòn, giảm bảo trì và tăng độ tin cậy cũng như tuổi thọ sử dụng. Thép mạ kẽm, các loại thép không rỉ, bông thuỷ tinh và bê tông là những vật liệu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng tháp giải nhiệt cùng với nhôm và nhựa được dùng để tạo ra một số bộ phận.
Khung và thân tháp. Hiện nay vẫn còn có tháp bằng gỗ, tuy nhiên hầu hết các bộ phận của tháp được làm từ những vật liệu khác, như thân bao quanh khung gỗ là làm bằng sợi thuỷ tinh, các cửa lấy khí vào làm bằng sợi thuỷ tinh, khối đệm bằng nhựa và bể nước lạnh bằng thép. Rất nhiều tháp (thân và bể) được làm bằng thép mạ kẽm hoặc, với những nơi bị ăn mòn không khí, tháp và/hoặc thân tháp được làm bằng thép không rỉ. Đôi khi, những tháp lớn hơn được làm bằng bê tông. Sợi thuỷ tinh cũng được sử dụng rộng rãi để làm thân tháp và bể nước, vì chúng giúp kép dài tuổi thọ của tháp làm mát và giúp chống lại các hoá chất có hại.
Khối đệm. Các khối đệm được làm chủ yếu từ nhựa, bao gồm PVC, polypropylene, và các hợp chất polyme khác. Khi điều kiện nước cần sử dụng khối đệm dạng phun, khối đệm bằng gỗ đã qua xử lý vẫn được sử dụng ở các tháp giải nhiệt bằng gỗ và những khối đệm bằng nhựa cũng được sử dụng rộng rãi. Vì có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn nhiều, khối đệm màng được lựa chọn cho các ứng dụng khi nước lưu thông không bị chứa các tạp chất có thể làm tắc nghẽn phần lưu thông của khối đệm.
Vòi phun. Vòi được làm chủ yếu bằng nhựa. Rất nhiều vòi được làm từ PVC, ABS, polypropylene, và nylon-thuỷ tinh Quạt. Nhôm, sợi thuỷ tinh và thép mạ kẽm nhúng nóng là những vật liệu chính của quạt.
Quạt ly tâm thường được làm thép mạ kẽm. Quạt đẩy được làm từ thép mạ kẽm, nhôm, sợi thuỷ tinh được gia cố bằng nhựa.
2. CÁC LOẠI THÁP GIẢI NHIỆT
Phần này nói về các loại tháp giải nhiệt: tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên và tháp giải nhiệt đối lưu cơ học.
2.1 Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên
Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên hay còn gọi là tháp giải nhiệt hypebol sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí môi trường xung quanh và không khí nóng hơn trong tháp. Khi không khí nóng chuyển dịch lên phía trên trong tháp (do không khí nóng tăng), không khí mát mới đi vào tháp qua bộ phận khí vào ở đáy tháp. Không cần sử dụng quạt và không có sự luân chuyển của không khí nóng có thể gây ảnh hưởng đến hiệu suất nhờ sơ đồ bố trí của tháp. Vỏ tháp chủ yếu làm bằng bê tông, cao khoảng 200 m. Những tháp giải nhiệt này thường chỉ dùng cho nhu cầu nhiệt lớn vì kết cấu bằng bê tông lớn đắt tiền.
Có hai loại tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên chính:
+ Tháp dòng ngang (Hình 2): không khí được hút dọc theo nước đang rơi và khối đệm đặt bên ngoài tháp
+ Tháp ngược dòng (Hình 3): không khí được hút qua nước đang rơi và khối đệm được đặt trong tháp, dù thiết kế phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể
2.2 Tháp giải nhiệt đối lưu cơ học
Tháp giải nhiệt đối lưu cơ học có các quạt lớn để hút khí cưỡng bức trong nước lưu thông.
Nước chảy xuống dưới trên bề mặt các khối đệm, làm tăng thời gian tiếp xúc giữa nước và không khí-giúp tối đa hoá quá trình truyền nhiệt giữa nước và không khí. Tỷ lệ giải nhiệt của tháp đối lưu cơ học phụ thuộc vào rất nhiều thông số khác nhau như đường kính quạt và tốc độ hoạt động, khối đệm trở lực của hệ thống.
Tháp đối lưu cơ học hiện nay sẵn có với dải công suất rất rộng. Tháp có thể được xây tại nhà máy hoặc cánh đồng – ví dụ như các tháp bằng bê tông chỉ được xây ở cánh đồng.
Rất nhiều tháp được xây dựng theo cách có thể hoạt động cùng nhau để đạt được công suất mong muốn. Vì vậy rất nhiều tháp giải nhiệt được nối với nhau gồm từ hai tháp riêng lẻ trở lên, gọi là “ô” Số lượng ô, v.d tháp gồm 8 ô là để chỉ loại tháp này. Các tháp nhiều ô có thể theo hàng, vuông hoặc tròn phụ thuộc vào hình dạng của ô và tuỳ theo phần lấy khí vào được đặt ở bên cạnh hay đáy của ô.
Có ba loại tháp đối lưu cơ học như tóm tắt trong bảng 1.
Bảng 1. Những đặc điểm chính hoặc các loại tháp giải nhiệt khác nhau (theo AIRAH)
Phần này sẽ giới thiệu tóm tắt những đặc điểm của tháp giải nhiệt.
1.1 Tháp giải nhiệt là gì?
Nước làm mát được sử dụng cho, ví dụ như, thiết bị điều hoà không khí, các quá trình sản xuất hoặc phát điện. Tháp giải nhiệt là một thiết bị được sử dụng để giảm nhiệt độ của dòng nước bằng cách trích nhiệt từ nước và thải ra khí quyển. Tháp giải nhiệt tận dụng sự bay hơi nhờ đó nước được bay hơi vào không khí và thải ra khí quyển. Kết quả là, phần nước còn lại được làm mát đáng kể (hình 1).
Tháp giải nhiệt có thể làm giảm nhiệt độ của nước thấp hơn so với các thiết bị chỉ sử dụng không khí để loại bỏ nhiệt, như là bộ tản nhiệt của ô tô, và do đó sử dụng tháp giải nhiệt mang lại hiệu quả cao hơn về mặt năng lượng và chi phí.
Hình 1. Giản đồ của một hệ thống nước làm mát (Pacific Northwest National Laboratory, 2001)
1.2 Các bộ phận của tháp giải nhiệt
Các bộ phận chính của một tháp giải nhiệt bao gồm một khung và thân tháp, khối đệm, bể nước lạnh, tấm chắn nước, bộ phận khí vào, cửa không khí vào, vòi và quạt. Những bộ phận này được miêu tả dưới đây.
Khung và thân tháp. Phần lớn các tháp có khung kết cấu giúp hỗ trợ cho phần thân bao bên ngoài (thân tháp), động cơ, quạt và các bộ phận khác. Ở các thiết kế nhỏ hơn, như các thiết bị làm bằng sợi thuỷ tinh, thân tháp có thể là khung luôn.
Khối đệm. Hầu hết các tháp đều có khối đệm (làm bằng nhựa hoặc gỗ) để hỗ trợ trao đổi nhiệt nhờ tối đa hoá tiếp xúc giữa nước và không khí. Có hai loại khối đệm:
+ Khối đệm dạng phun: nước rơi trên các thanh chắn nằm ngang và liên tiếp bắn toé thành những giọt nhở hơn, đồng thời làm ướt bề mặt khối đệm. Khối đệm dạng phun bằng nhựa giúp tăng trao đổi nhiệt tốt hơn so với khối đệm bằng gỗ.
+ Khối đệm màng: bao gồm các tấm màng nhựa mỏng đặt sát nhau, nước sẽ rơi trên đó, tạo ra một lớp màng mỏng tiếp xúc với không khí. Bề mặt này có thể phẳng, nhăn, rỗ tổ ong hoặc các loại khác. Loại màng của khối đệm này hiệu quả hơn và tạo ra mức trao đổi nhiệt tương tự với lưu lượng nhỏ hơn so với khối đệm dạng phun.
Bể chứa nước lạnh. Bể nước lạnh được đặt gần hoặc ngay tại đáy tháp, bể nhận nước mát chảy xuống qua khối đệm trong tháp. Bể thường có một bộ phận thu nước hoặc một điểm trũng để nối xả nước lạnh. Với rất nhiều thiết kê tháp, bể nước lạnh được đặt ngay dưới khối đệm. Tuy nhiên, ở các thiết kế đối lưu ngược dòng, nước ở đáy khối đệm được nối với một vành đai đóng vai trò như bể nước lạnh. Quạt hút được lắp dưới khối đệm để hút khí từ dưới lên. Với thiết kế này, tháp được lắp thêm chân, giúp dễ lắp quạt và động cơ.
Tấm chắn nước. Thiết bị này thu những giọt nước kẹt trong dòng không khí, nếu không chúng sẽ bị mất vào khí quyển.
Bộ phận khí vào. Đây là bộ phận lấy khí vào tháp. Bộ phận này có thể chiếm toàn bộ một phía của tháp (thiết kế dòng chảy ngang) hoặc đặt phía dưới một phía hoặc dưới đáy tháp (thiết kế dòng ngược).
Cửa không khí vào. Thông thường, các tháp dòng ngang có cửa lấy khí vào. Mục đích của các cửa này là cân bằng lưu lượng khí vào khối đệm và giữ lại nước trong tháp. Rất nhiều thiết kế tháp ngược dòng không cần cửa lấy khí.
Vòi phun. Vòi phun nước để làm ướt khối đệm. Phân phối nước đồng đều ở phần trên của khối đệm là cần thiết để đạt được độ ướt thích hợp của bề mặt khối đệm. Vòi có thể được cố định hoặc phun theo hình vuông hoặc tròn, hoặc vòi có thể là một bộ phận của dây chuyền quay như thường gặp ở một số tháp giảin nhiệt đối lưu ngang.
Quạt. Cả quạt hướng trục (quạt đẩy) và quạt ly tâm đều được sử dụng trong tháp. Thông thường quạt đẩy được sử dụng trong thông gió và cả quạt ly tâm và quạt đẩy đều được sử dụng để thông gió cưỡng bức trong tháp. Tùy theo kích thước, có thể sử dụng quạt đẩy cố định hay độ nghiêng cánh biến đổi. Quạt với cánh nghiêng điều chỉnh không tự động được sử dụng trong dải kW rộng vì quạt có thể được điều chỉnh để luân chuyển lưu lượng khí mong muốn ở mức tiêu thụ năng lượng thấp nhất. Cánh nghiêng biến đổi tự động có thể thay đổi lưu lượng khí theo điều kiện tải thay đổi.
1.3 Vật liệu của tháp
Ban đầu, tháp giải nhiệt được làm bằng gỗ, bao gồm khung, thân tháp, cửa không khí vào, khối đệm và bể nước lạnh. Đôi khi bể nước lạnh được xây bằng bê tông. Ngày nay, các nhà sản xuất sử dụng rất nhiều vật liệu khác nhau để xây tháp giải nhiệt. Các vật liệu được lựa chọn để tăng khả năng chống ăn mòn, giảm bảo trì và tăng độ tin cậy cũng như tuổi thọ sử dụng. Thép mạ kẽm, các loại thép không rỉ, bông thuỷ tinh và bê tông là những vật liệu được sử dụng rộng rãi trong xây dựng tháp giải nhiệt cùng với nhôm và nhựa được dùng để tạo ra một số bộ phận.
Khung và thân tháp. Hiện nay vẫn còn có tháp bằng gỗ, tuy nhiên hầu hết các bộ phận của tháp được làm từ những vật liệu khác, như thân bao quanh khung gỗ là làm bằng sợi thuỷ tinh, các cửa lấy khí vào làm bằng sợi thuỷ tinh, khối đệm bằng nhựa và bể nước lạnh bằng thép. Rất nhiều tháp (thân và bể) được làm bằng thép mạ kẽm hoặc, với những nơi bị ăn mòn không khí, tháp và/hoặc thân tháp được làm bằng thép không rỉ. Đôi khi, những tháp lớn hơn được làm bằng bê tông. Sợi thuỷ tinh cũng được sử dụng rộng rãi để làm thân tháp và bể nước, vì chúng giúp kép dài tuổi thọ của tháp làm mát và giúp chống lại các hoá chất có hại.
Khối đệm. Các khối đệm được làm chủ yếu từ nhựa, bao gồm PVC, polypropylene, và các hợp chất polyme khác. Khi điều kiện nước cần sử dụng khối đệm dạng phun, khối đệm bằng gỗ đã qua xử lý vẫn được sử dụng ở các tháp giải nhiệt bằng gỗ và những khối đệm bằng nhựa cũng được sử dụng rộng rãi. Vì có hiệu suất truyền nhiệt cao hơn nhiều, khối đệm màng được lựa chọn cho các ứng dụng khi nước lưu thông không bị chứa các tạp chất có thể làm tắc nghẽn phần lưu thông của khối đệm.
Vòi phun. Vòi được làm chủ yếu bằng nhựa. Rất nhiều vòi được làm từ PVC, ABS, polypropylene, và nylon-thuỷ tinh Quạt. Nhôm, sợi thuỷ tinh và thép mạ kẽm nhúng nóng là những vật liệu chính của quạt.
Quạt ly tâm thường được làm thép mạ kẽm. Quạt đẩy được làm từ thép mạ kẽm, nhôm, sợi thuỷ tinh được gia cố bằng nhựa.
2. CÁC LOẠI THÁP GIẢI NHIỆT
Phần này nói về các loại tháp giải nhiệt: tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên và tháp giải nhiệt đối lưu cơ học.
2.1 Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên
Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên hay còn gọi là tháp giải nhiệt hypebol sử dụng sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí môi trường xung quanh và không khí nóng hơn trong tháp. Khi không khí nóng chuyển dịch lên phía trên trong tháp (do không khí nóng tăng), không khí mát mới đi vào tháp qua bộ phận khí vào ở đáy tháp. Không cần sử dụng quạt và không có sự luân chuyển của không khí nóng có thể gây ảnh hưởng đến hiệu suất nhờ sơ đồ bố trí của tháp. Vỏ tháp chủ yếu làm bằng bê tông, cao khoảng 200 m. Những tháp giải nhiệt này thường chỉ dùng cho nhu cầu nhiệt lớn vì kết cấu bằng bê tông lớn đắt tiền.
Có hai loại tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên chính:
+ Tháp dòng ngang (Hình 2): không khí được hút dọc theo nước đang rơi và khối đệm đặt bên ngoài tháp
+ Tháp ngược dòng (Hình 3): không khí được hút qua nước đang rơi và khối đệm được đặt trong tháp, dù thiết kế phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể
2.2 Tháp giải nhiệt đối lưu cơ học
Tháp giải nhiệt đối lưu cơ học có các quạt lớn để hút khí cưỡng bức trong nước lưu thông.
Nước chảy xuống dưới trên bề mặt các khối đệm, làm tăng thời gian tiếp xúc giữa nước và không khí-giúp tối đa hoá quá trình truyền nhiệt giữa nước và không khí. Tỷ lệ giải nhiệt của tháp đối lưu cơ học phụ thuộc vào rất nhiều thông số khác nhau như đường kính quạt và tốc độ hoạt động, khối đệm trở lực của hệ thống.
Tháp đối lưu cơ học hiện nay sẵn có với dải công suất rất rộng. Tháp có thể được xây tại nhà máy hoặc cánh đồng – ví dụ như các tháp bằng bê tông chỉ được xây ở cánh đồng.
Rất nhiều tháp được xây dựng theo cách có thể hoạt động cùng nhau để đạt được công suất mong muốn. Vì vậy rất nhiều tháp giải nhiệt được nối với nhau gồm từ hai tháp riêng lẻ trở lên, gọi là “ô” Số lượng ô, v.d tháp gồm 8 ô là để chỉ loại tháp này. Các tháp nhiều ô có thể theo hàng, vuông hoặc tròn phụ thuộc vào hình dạng của ô và tuỳ theo phần lấy khí vào được đặt ở bên cạnh hay đáy của ô.
Có ba loại tháp đối lưu cơ học như tóm tắt trong bảng 1.
Bảng 1. Những đặc điểm chính hoặc các loại tháp giải nhiệt khác nhau (theo AIRAH)
Hình 4. Tháp giải nhiệt đối lưu cưỡng bức
Hình 5. Tháp giải nhiệt đối lưu ngược dòng
Hình 6. Tháp giải nhiệt đối lưu dòng ngang
Nguồn bài viết: Chương trình môi trường liên hợp quốc (năm 2006) UNEP -
Hướng dẫn Sử dụng năng lượng hiệu quả trong ngành công nghiệp Châu Á
0 comments: