Tháp giải nhiệt là gì, hoạt động như thế nào?

Tháp giải nhiệt (Cooling Tower) là thiết bị dùng để làm mát nước hoặc khí bằng cách bay hơi. Thiết bị này thường được sử dụng trong hệ thống làm lạnh công nghiệp, các nhà máy, tòa nhà cao tầng và các hệ thống điều hòa trung tâm. Những thông tin trong bài viết này sẽ giúp bạn đọc hiểu rõ hơn tháp giải nhiệt là gì, cách chúng hoạt động cũng như ứng dụng của chúng.

Tháp giải nhiệt – Cooling tower là gì?

Khái niệm về cooling tower

Tháp giải nhiệt là thiết bị loại bỏ nhiệt sử dụng nước để truyền nhiệt thải của quá trình vào khí quyển. Tương tự như vậy, tháp giải nhiệt công nghiệp hoạt động theo nguyên tắc loại bỏ nhiệt từ nước bằng cách bốc hơi một phần nhỏ nước được tuần hoàn qua thiết bị.

Sự pha trộn giữa nước ấm và không khí mát hơn giải phóng nhiệt ẩn của hơi nước, khiến nước nguội đi. Nếu bạn nhìn xuống từ một tòa nhà cao tầng, bạn có thể thấy một kết cấu hình vuông, có quạt ở trên, trên các tòa nhà bên dưới. Đó là tháp giải nhiệt nước. 

Tháp giải nhiệt là một bộ trao đổi nhiệt chuyên dụng trong đó không khí và nước được tiếp xúc trực tiếp với nhau để giảm nhiệt độ của nước . Khi điều này xảy ra, một lượng nhỏ nước sẽ bốc hơi, làm giảm nhiệt độ của nước đang lưu thông qua tháp. Nước được đun nóng bằng quy trình công nghiệp hoặc trong bình ngưng tụ điều hòa không khí, được bơm vào tháp giải nhiệt qua đường ống. Nước phun qua các vòi phun vào các bờ vật liệu gọi là “ chất độn ”, làm chậm dòng nước chảy qua tháp giải nhiệt và để lộ diện tích bề mặt nước nhiều nhất có thể để tiếp xúc tối đa với không khí-nước. Khi nước chảy qua tháp giải nhiệt, nó tiếp xúc với không khí, được quạt chạy bằng động cơ điện kéo qua tháp.

Mục đích của tháp giải nhiệt là gì?

Tháp giải nhiệt nước được sử dụng để làm mát nước và là một bộ trao đổi nhiệt lớn, đẩy nhiệt tòa nhà ra khí quyển và đưa nước lạnh hơn trở lại máy làm lạnh. Tháp giải nhiệt nước nhận nước ấm từ máy làm lạnh.

Nước ấm này được gọi là nước ngưng tụ vì nó nhận được nhiệt trong bình ngưng tụ của máy làm lạnh. Máy làm lạnh thường ở mức thấp hơn, như trong tầng hầm. Vai trò của tháp giải nhiệt là làm mát nước, để nước có thể quay trở lại máy làm lạnh để hấp thụ thêm nhiệt.

Tại sao lại cần đến tháp giải nhiệt công nghiệp?

Tháp giải nhiệt công nghiệp là thành phần quan trọng của nhiều hệ thống làm lạnh và có thể được tìm thấy trong các ngành công nghiệp như nhà máy điện, chế biến hóa chất, nhà máy thép và nhiều công ty sản xuất cần làm mát quy trình. Ngoài ra, tháp giải nhiệt thương mại có thể được sử dụng để cung cấp khả năng làm mát thoải mái cho các tòa nhà thương mại lớn như sân bay, trường học, bệnh viện hoặc khách sạn.

Tháp giải nhiệt công nghiệp có thể lớn hơn hệ thống HVAC và được sử dụng để loại bỏ nhiệt hấp thụ trong hệ thống nước làm mát tuần hoàn được sử dụng trong các nhà máy điện, nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa dầu, nhà máy chế biến khí đốt tự nhiên, nhà máy chế biến thực phẩm và các cơ sở công nghiệp khác.

Với tốc độ gia tăng dân số trên toàn thế giới, nhu cầu và yêu cầu của thế giới đối với các sản phẩm sản xuất đã tăng lên rất nhiều. Điều này đã buộc ngành công nghiệp phải sản xuất ngày càng nhiều sản phẩm hơn, tạo ra nhiều nhiệt hơn trong quá trình sản xuất.

Các máy móc và quy trình của ngành công nghiệp tạo ra lượng nhiệt lớn phải được làm mát liên tục để các máy móc đó có thể tiếp tục hoạt động hiệu quả. Giải pháp hiệu quả nhất, hiệu quả nhất và ít tốn kém nhất để loại bỏ lượng nhiệt này là lắp đặt tháp giải nhiệt công nghiệp.

Các bộ phận và chức năng của tháp giải nhiệt

Các bộ phận tháp giải nhiệt có thể được chia nhỏ hơn nữa thành cấu trúc, cơ khí và điện. Các thành phần cấu trúc là thiết bị tĩnh như bồn, khung tháp, sàn quạt, vỏ và cửa chớp. Mặt khác, các bộ phận cơ khí là thiết bị quay: quạt, trục truyền động và bộ giảm tốc . Các bộ phận điện bao gồm động cơ và bộ điều khiển của chúng.

Tấm lọc

Đôi khi được gọi là sàn hoặc bề mặt ướt, lớp đệm làm tăng diện tích bề mặt bên trong tháp giải nhiệt để tối đa hóa thời gian tiếp xúc và tương tác giữa không khí và nước, đồng thời giảm thiểu sức cản của luồng không khí.

Hệ thống phân phối

Hệ thống phân phối thay đổi tùy theo thiết kế tháp giải nhiệt liên quan đến dòng khí-nước. Trong tháp giải nhiệt dòng chảy chéo, hệ thống phân phối dòng chảy trọng lực được sử dụng, trong đó nước được phân phối từ phía trên lớp đệm. Mặt khác, tháp giải nhiệt dòng chảy ngược sử dụng hệ thống phun nước áp suất.

Thiết bị loại bỏ trôi dạt

Bộ loại bỏ trôi ngăn không cho các giọt nước thoát ra bằng cách tạo ra những thay đổi đột ngột trên đường đi của luồng không khí. Khi luồng không khí di chuyển qua bộ loại bỏ, các giọt nước lớn va chạm với các bức tường, khiến chúng rơi trở lại tháp giải nhiệt.

Cửa chớp

Các cửa gió hút gió giúp ngăn nước bắn ra ngoài, giảm tiếng ồn và chặn các mảnh vụn. Thường thấy trong các tháp giải nhiệt dòng chảy chéo, chúng nằm phía trên bể nước lạnh, ở dưới cùng của tấm nơi chứa vật liệu độn và bao quanh tháp.

Vỏ bọc

Vỏ tháp cung cấp lớp vỏ kết cấu cho tháp giải nhiệt và truyền tải tải trọng đến khung tháp, đồng thời chứa nước bên trong tháp.

Quạt, Động cơ, Trục truyền động và Bộ giảm tốc

Quạt đẩy không khí vào hoặc ra khỏi tháp giải nhiệt, tùy thuộc vào loại bản nháp cần thiết cho ứng dụng. Động cơ là động cơ chính. Mô-men xoắn từ động cơ được truyền qua trục truyền động đến quạt hoặc đến hộp số . Các tháp giải nhiệt lớn với quạt lớn và nặng cần hộp số để tăng mô-men xoắn, giúp loại bỏ nhu cầu về động cơ nặng và do đó loại bỏ nhu cầu về cấu trúc chắc chắn hơn. Trong một số trường hợp, cụm đai và puli được sử dụng thay cho hộp số.

Quạt xếp chồng

Fan stack, còn được gọi là xi lanh quạt hoặc nắp quạt, cải thiện hiệu suất quạt bằng cách cung cấp một cửa hút gió được thiết kế tốt đảm bảo luồng không khí vào quạt thông suốt. Nó cũng hỗ trợ xả khí ở độ cao cao hơn, giúp giảm tuần hoàn và nhiễu.

Quạt Boong

Bộ phận này hỗ trợ các xi lanh quạt và hoạt động như một thành phần cấu trúc để phân bổ tải trọng trên toàn bộ khung tháp.

Van

Van rất cần thiết để điều chỉnh mức nước bên trong tháp giải nhiệt. Các loại van được sử dụng bao gồm van cô lập, van điều khiển lưu lượng và van điều chỉnh bổ sung.

• Van cô lập được sử dụng để điều chỉnh lưu lượng từ tháp nhiều tầng hoặc để cô lập một ô tháp giải nhiệt để chờ hoặc bảo trì.
• Van kiểm soát lưu lượng được sử dụng để cân bằng lưu lượng từ các bể phân phối khác nhau hoặc mực nước trên các ô của tháp giải nhiệt nhiều ô.
• Van điều chỉnh bổ sung được sử dụng để tự động thêm nước vào tháp giải nhiệt khi một lượng nước bị mất do bay hơi, trôi và xả đáy.

Có thể bạn quan tâm: Van màng diaphragm valve là gì?

Bể chứa nước

Bể thu gom, nằm ở dưới cùng của tháp giải nhiệt, được thiết kế để thu thập nước đã rơi xuống nhưng không bốc hơi hoặc mất đi do trôi dạt. Bể này cũng thường đóng vai trò là nền tảng của tháp giải nhiệt và là nơi xử lý hóa chất cho nước tuần hoàn được thêm vào.

Bể phân phối

Đây là một chảo sâu hoặc chậu nhỏ có lỗ hoặc vòi phun được đặt phía trên lớp vật liệu lấp đầy. Đây là một thành phần của hệ thống phân phối trong tháp làm mát dòng chảy chéo, nơi trọng lực giúp phân phối đều nước nóng trên vật liệu lấp đầy.

Khung kết cấu tháp

Khung tháp hỗ trợ toàn bộ tháp giải nhiệt và truyền tải toàn bộ tải trọng đến nền móng. Vật liệu thường dùng cho khung là bê tông và gỗ. Sợi thủy tinh và thép không gỉ thường được sử dụng.

Tháp giải nhiệt hoạt động như thế nào?

Thiết bị điều hòa không khí và các quy trình công nghiệp có thể tạo ra nhiệt dưới dạng hàng tấn nước nóng cần được làm mát. Đó là lúc tháp giải nhiệt công nghiệp xuất hiện. Nước quá nóng chảy qua tháp giải nhiệt, nơi nước được tuần hoàn và tiếp xúc với không khí mát, khô. Nhiệt thoát ra khỏi nước tháp giải nhiệt tuần hoàn thông qua quá trình bốc hơi.

Đây được gọi là làm mát bay hơi . Nước lạnh hơn sau đó đi vào lại thiết bị hoặc quy trình điều hòa không khí để làm mát thiết bị đó và chu trình làm mát lặp đi lặp lại. Khi bộ ngưng tụ ấm đi vào tháp giải nhiệt, nước được đưa qua một số vòi phun phun nước thành những giọt nhỏ trên lớp đệm, làm tăng diện tích bề mặt của nước và cho phép mất nhiệt tốt hơn thông qua quá trình bay hơi lớn hơn.

Mục đích của quạt trên đỉnh tháp giải nhiệt nước là đưa không khí từ dưới đáy tháp vào và di chuyển lên và ra theo hướng ngược lại với nước ngưng tụ ấm ở phía trên của thiết bị. Không khí sẽ mang nhiệt bằng cách làm bay hơi nước từ tháp giải nhiệt vào khí quyển.

Các loại tháp giải nhiệt

Hệ thống tháp giải nhiệt thường rất quan trọng đối với các quy trình công nghiệp. Những cấu trúc hình trụ cao, hở, có chức năng làm mát nước được tạo ra từ luồng khí làm mát thoải mái của hệ thống HVAC hoặc công nghiệp. Các loại tháp giải nhiệt khác nhau được xác định bằng cách phân loại luồng khí (tự nhiên hoặc cơ học) và theo hướng luồng khí (ngược hoặc chéo).

Phân loại theo cách tạo luồng khí

Tháp giải nhiệt khác nhau về cách đưa không khí vào hệ thống, có thể thông qua phương pháp lấy gió tự nhiên, cơ học hoặc kết hợp. Tháp giải nhiệt lấy gió cơ học được phân loại thành loại lấy gió cưỡng bức và loại lấy gió cảm ứng.

Hệ thống tháp giải nhiệt gió tự nhiên

thường được sử dụng cho các nhà máy điện lớn và các ngành công nghiệp có lưu lượng nước làm mát vô hạn. Tháp hoạt động bằng cách loại bỏ nhiệt thải thông qua luồng không khí nóng bốc lên sau đó được giải phóng vào khí quyển. Các tháp này cao và có hình dạng hypebol để tạo ra luồng không khí thích hợp. 

Những tháp này không đắt nhưng chỉ có thể lắp đặt ngoài trời. Ngoài ra, những tháp này có độ tin cậy thấp hơn vì chúng bị ảnh hưởng nhiều hơn bởi gió xung quanh và những thay đổi về nhiệt độ.

Hệ thống tháp giải nhiệt cơ học

Những tháp này có không khí được đẩy qua cấu trúc bằng một quạt lưu thông không khí qua tháp. Các quạt thông thường được sử dụng trong những tháp này bao gồm quạt cánh quạt và quạt ly tâm. Mặc dù tháp thông gió cơ học hiệu quả hơn tháp thông gió tự nhiên, nhưng chúng tiêu thụ nhiều điện năng hơn và do đó chi phí vận hành cao hơn. 

Tháp giải nhiệt cơ học đáng tin cậy và ổn định hơn tháp giải nhiệt tự nhiên vì luồng không khí có thể được điều chỉnh theo tải làm mát cần thiết. Tháp giải nhiệt bản nháp cơ học có thể được phân loại thêm thành tháp cưỡng bức hoặc tháp giải nhiệt cảm ứng.

Hệ thống tháp giải nhiệt cảm ứng 

thường được lắp quạt ở phía trên cùng của tháp giải nhiệt, cho phép không khí nóng thoát ra ngoài và kéo không khí đi khắp nơi. Tốc độ không khí thoát ra cao làm giảm khả năng tuần hoàn trở lại. Để tránh các giọt nước bị giữ lại trong luồng không khí thoát ra, người ta sử dụng bộ loại bỏ trôi. Tháp hút gió cảm ứng hiệu quả hơn vì chúng sử dụng ít hơn 30% đến 75% năng lượng so với thiết kế hút gió cưỡng bức. 

Hệ thống tháp giải nhiệt cưỡng bức 

Như tên gọi của nó, loại tháp giải nhiệt này sử dụng quạt hoặc máy thổi để đẩy không khí vào tháp giải nhiệt. Luồng không khí có vận tốc vào cao vì nó bị máy thổi ép. Khi luồng không khí đi qua tháp, luồng không khí chậm lại. Do đó, hiệu suất kém ổn định hơn so với tháp bản nháp cảm ứng do tuần hoàn. Tháp giải nhiệt bản nháp cưỡng bức được sử dụng trong các ứng dụng trong nhà, nơi áp suất tĩnh cao là mối quan tâm.

Hệ thống tháp giải nhiệt này tương tự như hệ thống tạo luồng khí, nhưng điểm khác biệt cơ bản là quạt di chuyển không khí được đặt ở chân tháp giải nhiệt, cho phép không khí thổi từ dưới lên. Việc sử dụng chúng bị hạn chế do những thách thức về phân phối nước, quạt công suất lớn và khả năng tuần hoàn. 

Phân loại theo dòng chảy không khí-nước

Phân loại này phân biệt tháp giải nhiệt thành loại dòng chảy ngang hoặc dòng chảy ngược, dựa trên phương pháp mà nước tương tác với dòng không khí.

Hệ thống tháp giải nhiệt dòng chéo (Crossflow) 

có thiết kế cho phép không khí chảy theo chiều ngang qua lớp đệm và cấu trúc của tháp vào khu vực plenum mở. Nước nóng chảy xuống từ các bồn phân phối. Một bồn phân phối phân phối nước nóng để rơi đều vào khối đệm theo trọng lực thông qua các vòi phun hoặc lỗ. Tác động của trọng lực loại bỏ nhu cầu về hệ thống phun áp suất. 

Việc bảo trì dễ dàng hơn đối với tháp giải nhiệt cross-flow vì hệ thống phân phối có thể được phân đoạn và bảo dưỡng riêng biệt, loại bỏ thời gian chết. Tuy nhiên, quạt và ổ đĩa động cơ cần được chống chịu thời tiết chống ẩm có thể dẫn đến đóng băng khiến hiệu quả kém hơn.

Hệ thống tháp giải nhiệt ngược dòng

có thiết kế mà không khí di chuyển lên trên và dòng ngược, với nước nóng, rơi xuống dưới để làm mát không khí. Điều này cho phép hiệu suất tối đa từ mỗi khu vực mặt bằng và giúp giảm thiểu yêu cầu về đầu bơm. 

Tháp giải nhiệt dòng chảy ngược có hệ thống phân phối phun áp suất. Nhu cầu về hệ thống áp suất này khiến tháp giải nhiệt dòng chảy ngược gặp bất lợi. Tuy nhiên, các loại dòng chảy ngược chiếm ít không gian hơn so với dòng chảy chéo cho cùng một tải làm mát. Ngoài ra, hệ thống tháp giải nhiệt ngược dòng ít có khả năng đóng băng trong điều kiện thời tiết lạnh và có thể tiết kiệm năng lượng về lâu dài. 

Ứng dụng của tháp giải nhiệt là gì?

Trong bất kỳ nhà máy công nghiệp nào, nhiệt được tạo ra bởi thiết bị được sử dụng trong nhiều quy trình khác nhau. Loại bỏ nhiệt không mong muốn này là một yêu cầu chung trong sản xuất công nghiệp. Điều tương tự cũng áp dụng cho các tòa nhà thương mại và dân dụng, nơi cần làm mát để tạo sự thoải mái, lưu trữ lạnh và bảo quản thiết bị. Nếu không loại bỏ hoặc loại bỏ nhiệt dư thừa này một cách hiệu quả, máy móc, thiết bị và hệ thống điều hòa không khí sẽ không hoạt động bình thường.

Tháp giải nhiệt là lựa chọn phổ biến để tản nhiệt do hiệu suất cao của chúng. Chúng có nhiều kích cỡ khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng, từ các đơn vị làm lạnh nhỏ để sử dụng trong dân dụng đến các công trình cao 200 mét cho các nhà máy phát điện. Dưới đây là một số ứng dụng phổ biến của tháp giải nhiệt.

Hệ thống sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí (HVAC)

HVAC được sử dụng để làm mát thoải mái cho khu dân cư và khu thương mại. Nhiệt sinh ra từ con người, thiết bị (máy tính, máy chủ, v.v.), ánh sáng, bức xạ mặt trời và không khí xung quanh ngoài trời được hệ thống làm mát hấp thụ và thải ra tháp giải nhiệt.

Làm lạnh

Ứng dụng này được sử dụng cho kho lạnh trong các ngành công nghiệp như thực phẩm và đồ uống, dược phẩm và sản xuất không khí và khí đốt. Nó hoạt động tương tự như hệ thống HVAC, trong đó một đơn vị làm lạnh hấp thụ nhiệt từ không gian kín và truyền nhiệt đó đến tháp giải nhiệt để thải ra.

Nhà máy phát điện

Các nhà máy phát điện sử dụng hơi nước làm chất lỏng làm việc. Để tạo ra điện, nước được đun nóng thành hơi nước bằng than, khí đốt tự nhiên hoặc bức xạ hạt nhân, và nhiệt này được chuyển đổi thành năng lượng cơ học. Tuy nhiên, không phải tất cả nhiệt này đều có thể chuyển đổi thành năng lượng và phải được loại bỏ để hoàn thành chu trình hơi nước. Tháp giải nhiệt đóng vai trò quan trọng trong quá trình này bằng cách loại bỏ nhiệt dư thừa.

Nhà máy công nghiệp (Dầu khí, Hóa dầu)

Điều này tương tự như một nhà máy điện. Các bộ ngưng tụ, bộ trao đổi nhiệt và áo làm mát đều hấp thụ nhiệt từ các quy trình. Nhiệt này sau đó được nước mang đi để thải ra qua tháp làm mát.

Vật liệu nào là tốt nhất cho tháp giải nhiệt?

Hệ thống làm mát bằng nước chủ yếu được làm từ ba vật liệu: Kim loại, sợi thủy tinh và nhựa. Như bạn đã biết, kim loại có thể bị rỉ và ăn mòn, và bất cứ thứ gì bên trong nó đều có thể bắt đầu rò rỉ theo thời gian.

Không có gì ngạc nhiên khi một tháp giải nhiệt bằng kim loại chỉ có tuổi thọ trung bình lên đến 15 năm và cần bảo dưỡng bằng sơn epoxy, chất trám trét, v.v. Việc bảo dưỡng đó có thể dẫn đến thời gian ngừng hoạt động của doanh nghiệp bạn. Đây là lý do tại sao kim loại hiện đang được thay thế bằng công nghệ tốt hơn. Các nhà sản xuất tháp giải nhiệt bằng sợi thủy tinh, mặc dù cung cấp giải pháp thay thế tốt hơn cho kim loại, vẫn dễ bị nứt và mòn, có thể dẫn đến chi phí bảo dưỡng cao hơn trong dài hạn.

Bảo trì tháp giải nhiệt và những lưu ý

Tháp giải nhiệt, giống như bất kỳ thiết bị nào khác, cần được kiểm tra và bảo dưỡng thường xuyên để đảm bảo chúng cung cấp khả năng làm mát cần thiết một cách hiệu quả và giúp kéo dài tuổi thọ của chúng. Sau đây là một số biện pháp bảo dưỡng và kiểm tra được khuyến nghị cho tháp giải nhiệt.

• Kiểm tra tháp giải nhiệt thường xuyên. Thực hiện theo lịch trình kiểm tra theo khuyến nghị của nhà sản xuất hoặc theo chính sách và thông lệ tốt nhất của công ty. Có thể thực hiện trong quá trình bảo dưỡng nhà máy hoặc ngừng hoạt động hoàn toàn khi nhu cầu về nước làm mát là tối thiểu hoặc không có.
• Trong quá trình kiểm tra, hãy kiểm tra những điều sau:
  • Thiết bị loại bỏ trôi để đảm bảo tình trạng chung tốt (vị trí thích hợp, sạch sẽ, v.v.);
  • Bôi trơn thích hợp các ổ trục của thiết bị quay;
  • Độ căng thích hợp của cụm dây đai và ròng rọc;
  • Hoạt động của bộ điều khiển mức;
  • Tình trạng của hệ thống phân phối và nạp liệu có bị đóng cặn, bám bẩn hoặc tắc nghẽn không;
  • Tình trạng của đường ống kim loại, kết cấu và phụ kiện bị ăn mòn;
  • Bất kỳ rò rỉ nào trên đường ống và van cô lập;
  • Bất kỳ vết nứt hoặc hư hỏng nào trên bồn, vỏ, sàn quạt và khung tháp. Xử lý tất cả các phát hiện kiểm tra theo đúng quy định.
• Nếu có thể, hãy loại bỏ tất cả các vảy, cặn bẩn và cặn lắng. Đối với các bề mặt kim loại bị ăn mòn, hãy áp dụng lớp phủ thích hợp để ngăn ngừa tình trạng hư hỏng thêm.
• Làm sạch bộ lọc và loại bỏ mọi mảnh vụn ra khỏi chậu.
• Đối với tháp giải nhiệt có bộ lọc dòng bên, hãy thực hiện rửa ngược thường xuyên.

Kết luận

Tháp giải nhiệt là thiết bị quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp và dân dụng. Hiểu biết về nguyên lý hoạt động giúp tối ưu hiệu quả hoạt động và giảm thiểu chi phí bảo trì.

Tham khảo bài viết khác: Evaporator là gì?