CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu 1.1 Tổng quan về xử lý nước làm mát của tháp giải nhiệt trong hệ thống chiller giải nhiệt nước Tháp giải nhiệt là một thành phần không thể thiếu của những hệ thống lạnh giải nhiệt bằng nước. Tại đây nhiệt được tản ra không khí nhờ quá trình làm mát bay hơi. Tháp giải nhiệt tiêu thụ một lượng lớn nước do quá trình bay hơi và xả đáy, đồng thời chất lượng nước cũng ảnh hưởng rất lớn đến hiệu quả làm mát, hiệu quả trao đổi nhiệt của các thiết bị. Nước cấp bổ sung có chứa các cation kim loại sẽ được tích lũy và nồng độ tăng theo thời gian gây nên độ cứng của nước, sử dụng nước làm mát thường gây ra các vấn đề về sự hình thành cáu cặn trên đường ống, sự phát triển của vi sinh vật, sự ăn mòn, sự tiêu hao nước [1,2].
Trong các vấn đề trên, sự hình thành cáu cặn trên bề mặt thiết bị truyền nhiệt gây ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất truyền nhiệt và COP của hệ thống. Nguyên nhân chính gây nên vấn đề đóng cáu cặn trên bề mặt thiết bị truyền nhiệt là do sự hiện diện của các ion nước cứng gây nên độ cứng tổng trong nước, khi nồng độ quá cao sẽ dẫn đến sự hình thành kết tủa bám trên bền mặt tuyền nhiệt. Vì vậy, nước làm mát cần được xử lý để làm giảm độ cứng tổng để đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống. Có nhiều phương pháp khác nhau để làm mềm nước và hạn chế hình thành vảy bám như dùng hóa chất để tạo kết tủa hóa học hoặc trao đổi ion, thẩm thấu ngược, màng lọc nano, gia nhiệt, chưng cất.
Điều này bảo vệ thiết bị trao đổi nhiệt và thiết bị tháp giải nhiệt, tuy nhiên, ngay cả khi hóa chất được sử dụng thường xuyên, hệ thống vẫn cần phải xả đáy, bảo dưỡng và cấp nước sạch để duy trì các thông số chất lượng nước của hệ thống. Ngoài ra, việc sử dụng hóa chất đôi khi tạo ra vấn đề xử lý chất thải và gây ô nhiễm môi trường [2,3]. Hiện nay việc áp dụng công nghệ xử lý nước điện hóa thay cho xử lý nước hóa học truyền thống nổi bật lên những lợi ích tiềm năng sau [4]: Loại bỏ việc sử dụng hóa chất xử lý chất khoáng kết tinh, ăn mòn 1 và sự phát triển của sinh vật. Tăng hiệu quả làm mát bằng cách ngăn chặn sự đóng cáu cặn trên đường ống gây trở nhiệt, giúp cải thiện truyền nhiệt.
Tiết kiệm nước và chi phí nước bằng cách giảm lượng xả đáy cần thiết, cho phép hệ thống hoạt động tuần hoàn thời gian dài.2 Tổng quan các nghiên cứu liên quan đề tài Đề tài "Nghiên cứu ảnh hưởng của tần số xung điện áp hình chữ nhật đến hiệu quả xử lý nước điện hóa cho tháp giải nhiệt trong hệ thống water chiller" trước đó đã có những nghiên cứu liên quan như sau: Becker và cộng sự [4] đã chỉ ra việc điện hóa đưa ion hydroxyl (kềm) vào nước làm mát tuần hoàn dẫn đến việc chuyển hóa bicarbonate thành cacbonat, thúc đẩy kết tủa Canxi cacbonat. Mật độ dòng điện, lượng điện năng cung cấp trên diện tích của một tế bào điện phân là rất quan trọng khi xem xét động học cho các phản ứng điện hóa. Tối đa hóa lưu lượng liên quan cũng giúp trộn lại các cụm ion đạt được nồng độ đồng nhất trong toàn bộ nước tháp giải nhiệt và chuyển động đồng đều từ nước tháp sang bộ xử lý. Abdel-Shafy và cộng sự [5] đã xử lý nước xả đáy tháp giải nhiệt bằng phương pháp điện phân cực dương Magiê đơn giản.
Một cặp điện cực song song có diện tích bề mặt hoạt động 65 cm2 hoạt động ở chế độ đơn cực được đặt theo chiều dọc trong bể phản ứng 0,6 lít, khoảng cách điện cực là 1 cm và được ghép nối với nguồn điện (30V/5A).Với mật độ dòng điện là 142,9 A/m2, điện cực que Magiê đã loại bỏ lần lượt 51,80% và 93,70% cho độ cứng tổng và silica; với chi phí vận hành là 0,88 USD/m3 nước đã xử lý. Có thể kết luận rằng phương pháp điện phân sử dụng điện cực que Magiê có thể được áp dụng thành công để xử lý nước xả đáy để tạo điều kiện tái sử dụng. Tuy nhiên, khi sử dụng điện cực Magiê sẽ bị tan, phải hao tốn chi phí thay thế điện cực. Hafez và cộng sự [6] đã nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình điện hóa bằng cách sử dụng các điện cực Al, Fe và Zn để loại bỏ các ion cứng và silica hòa tan từ nước xả đáy tháp giải nhiệt.
Các điện cực Al, Fe,và Zn làm cực dương và thép không gỉ dạng tấm kích thước tương tự làm cực âm, các cặp điện cực được đặt song song cách 2 nhau 1 cm, với tổng diện tích bề mặt hiệu dụng là 70 cm2, được đặt trong bể 0,7 lít. Một nguồn kỹ thuật số cung cấp nguồn điện DC (25V/50A). Kết quả thu được hiệu suất loại bỏ tối đa 55,36% và 99,54% đạt được đối với các ion cứng và silica tương ứng sử dụng điện cực Al ở mật độ dòng điện là 142,9 A/m2. Dù đạt hiệu quả cao, nhưng phương pháp này cũng cần xem xét mức tiêu thụ cao của cực dương và giảm hiệu suất điện cực do màng oxit không dẫn điện.
Liao và cộng sự [7] đã nghiên cứu hiệu quả của quá trình điện phân cực dương tan bằng cách sử dụng điện cực sắt và nhôm để xử lý nước xả đáy tháp giải nhiệt mô phỏng có chứa silica hòa tan (Si (OH)4), Ca2+ và Mg2+. Các thí nghiệm với chín điện cực đặt song song, khoảng cách mỗi điện cực là 0,4 cm, thể tích nước trong bể phản ứng là 0,35 lít. Kết quả với mật độ dòng điện cao nhất 46 A/m2 thì các điện cực sắt chỉ có hiệu quả 30% trong việc loại bỏ Ca2+ và Mg2+ so với silica. Với mật độ dòng điện 90 A/m2 điện cực nhôm với các chất phụ gia khác nhau loại bỏ ion cứng 100%.
Nghiên cứu này cho thấy phương pháp có hiệu quả trong việc loại bỏ silica khỏi nước xả đáy tháp bằng cả điện cực sắt và nhôm. Tính thực tiễn chung của việc sử dụng phương pháp này để loại bỏ các ion nước cứng khỏi nước tháp giải nhiệt sẽ phụ thuộc vào chi phí xử lý chung (điện năng, vật liệu điện cực tan, bảo trì) so với chi phí của nước ngọt. Kiichi và cộng sự [8] đã thực nghiệm sử dụng phương pháp điện phân để loại bỏ ion, làm mềm nước cứng tuần hoàn trong tháp giải nhiệt ở các chất lượng nước khác nhau tại Nhật Bản. Nghiên cứu này là phương pháp điện phân sử dụng điện cực Titan, với số lượng điện cực được lắp đặt là 18 cho cực dương và cực âm xen kẽ.
Các thực nghiệm mật độ dòng điện là 3 A/m2, sự hoán đổi cực âm và cực dương thường xuyên và hiệu suất được duy trì trong một thời gian dài bằng cách sử dụng chúng xen kẽ. Kết quả ước tính cho thấy lượng kết tủa loại bỏ thành phần là khoảng 12-14 g/giờ. Hiệu suất loại bỏ ion nước cứng khoảng 10% và không có sự khác biệt đáng kể giữa các khu vực. Hơn nữa, khối lượng kết tủa trong điều kiện hoạt động hàng năm được ước tính dựa trên kết quả của ước tính này là 105 đến 123 kg/năm.
Nghiên cứu này 3 có khả năng loại bỏ lượng kết tủa lớn tương ứng có thể thu được, tuy nhiên hiệu suất trung bình vẫn còn thấp cần được cải thiện. Rungvavmanee và cộng sự [9] đã nghiên cứu hiệu quả xử lý điện phân trong việc giảm một vài chỉ số của nước làm mát từ tháp giải nhiệt của ngành dệt may. Một loạt các thí nghiệm sử dụng 5 cặp điện cực nhôm với tổng diện tích 1047 cm2, được đặt song song cách nhau 0,8 cm trong bể phản ứng 2 lít đã được tiến hành. Việc sử dụng mật độ dòng điện 25 A/m2 điện phân mang lại hiệu quả thỏa đáng trong việc giảm 82% độ kiềm, giảm 88% độ cứng Canxi, giảm 81 % độ cứng tổng và giảm 64% tổng chất rắn hòa tan, cho thấy nước được xử lý đủ tốt để được tái sử dụng trong quá trình làm mát.
Chi phí tiêu thụ năng lượng điện trong xử lý điện phân đã được chứng minh là cạnh tranh với chi phí nước ngọt. Tuy nhiên, công việc nghiên cứu để khắc phục mức tiêu thụ cao của cực dương nhôm và giảm hiệu suất điện cực do màng oxit không thấm là cần thiết trước khi xử lý điện phân có thể được coi là một phương pháp thực tế. Trong một nghiên cứu khác của Rungvavmanee và các cộng sự [10]. Một hệ thống điện hóa theo dãy đã được sử dụng: bể phản ứng điện hóa là một cốc 2 lít với bộ 5 cặp điện cực làm bằng thép không gỉ 304 với tổng diện tích 1047 cm2.
Các điện cực được nối theo chiều dọc với khoảng cách 0,8 cm giữa các điện cực. Một loạt các thí nghiệm sử dụng điện cực thép không gỉ đã được tiến hành với các mật độ dòng điện khác nhau. Việc sử dụng mật độ dòng điện 7 A/m2 mang lại hiệu quả thỏa đáng trong việc giảm độ kiềm (giảm 59%), độ cứng Canxi (giảm 21%), độ cứng rổng (giảm 24%) và tổng chất rắn hòa tan (giảm 10%). Sự tiêu hao vật liệu cực dương là khoảng 30g thép không gỉ trên 1 m3 nước làm mát.
Việc xử lý điện phân sử dụng thép không gỉ vì cả cực dương và cực âm đều có tiềm năng kinh tế và kỹ thuật để xử lý nước làm mát. ZHI và cộng sự [11] đã nghiên cứu hệ thống điện phân Al quy mô phòng thí nghiệm để loại bỏ silica khỏi nước làm mát. Bộ phản ứng có dung tích là 1,5 lít, hai điện cực nhôm đặt song song, dòng điện được cung cấp bởi một nguồn cung cấp điện DC kỹ thuật số thủ công. Các điều kiện tối ưu là khoảng cách điện cực 2,50 cm, mật 4 độ dòng điện 38,9 A/m2, trong đó hiệu suất loại bỏ silica 83,243%, tiêu thụ điện cực 0,0400 kg/m3.
Sự tương tác của các thông số cũng đã được chứng minh và thời gian phản ứng và mật độ dòng điện là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến các phản ứng. Tomberlin và cộng sự [12] đã chế tạo bộ xử lý nước luân chuyển sử dụng điện phân nước, bằng cách sử dụng dòng điện 15 Ampe. Hệ thống có một dòng chảy được trích ra từ vòng nước chính chảy vào bộ xử lý và sau đó được đưa trở lại vào tháp giải nhiệt. Dòng chảy này đòi hỏi một máy bơm tuần hoàn nhỏ.