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 đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

Vì đây là một công 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 bà

Mục lục

LỜI CẢM ƠN 7

Danh mục hình ảnh 10

Danh mục bảng 13

Danh mục các chữ viết tắt 14

Chương 1: TỔNG QUAN 15

1.1 Tổng quan về công nghệ điện phân 15

1.2 Tình hình nghiên cứu 16

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 17

1.4 Mục đích của đề tài 18

1.5 Phạm vi nghiên cứu 18

1.6 Phương pháp nghiên cứu 18

Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT 19

2.1 Chất lượng nước trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng thiết bị ngưng tụ giải nhiệt nước 19

2.2 Khái niệm nước cứng 22

2.3 Một số vấn đề của nước giải nhiệt cho chiller 25

2.4 Ảnh hưởng của cáu cặn 38

2.5 Lí thuyết về điện phân 41

2.7 Vật liệu điện cực 47

2.8 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ điện phân xử lý nước giải nhiệt cho Chiller 48

Chương 3: HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 54

3.1 Mô hình tổng quan 54

3.2 Thiết bị mô phỏng mạch nước giải nhiệt của hệ thống Chiller giải nhiệt nước 55

3.2 Thiết bị của bộ xử lí nước bằng công nghệ điện phân 59

3.3 Phương pháp và thông số thí nghiệm 66

Chương 4: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM VÀ BÀN LUẬN 72

4.2 Kết quả thí nghiệm định hướng chọn khoảng cách giữa các điện cực 76

4.3 Kết quả thí nghiệm định hướng chọn thể tích bể phản ứng 80

4.4 Kết quả thí nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đến hiệu suất của bộ điện phân 84

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88

5.1 Kết luận 88

5.2 Kiến nghị 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO 89

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1 Nhu cầu sử dụng nước trong các tòa nhà 17

Hình 2.1 Vòng tuần hoàn nước của tháp giải nhiệt 22

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nước cứng đến lò hơi, nồi hơi trong công nghiệp 23

Hình 2.3 Những vấn đề mà các thiết bị trao đổi nhiệt gặp phải 26

Hình 2.4 Ăn mòn bên trong đường ống 28

Hình 2.5 Ăn mòn đường ống trong hệ thống 30

Hình 2.6 Đóng cáu trong thiết bị trao đổi nhiệt 32

Hình 2.7 Cặn CaCO 3 trong đường ống 33

Hình 2.8 Nồng độ H + theo pH 35

Hình 2.9 Biều đồ thể hiện sự thay đổi công suất chiller theo lớp cáu cặn 37

Hình 2.10 Tác động của cáu cặn bình ngưng tới hiệu suất hoạt động của chiller 39

Hình 2.11 Ảnh hưởng của bề dày cáu cặn tới hiệu suất trao đổi nhiệt 40

Hình 2.12 Điện cực titan 48

Hình 2.13 Sơ đồ mạch điện bộ điện phân 50

Hình 2.14 Quá trình khuếch tán đến bề mặt điện cực 53

Biểu đồ 2.1 Biểu đồ thể hiện độ dẫn nhiệt của các tác nhân 31

Hình 3.1 Mô hình tổng quan hệ thống 56

Hình 3.2 Điện trở 56

Hình 3.3 Bơm nước tuần hoàn giải nhiệt cho bình ngưng 57

Hình 3.4 Bơm nước nóng 58

Hình 3.5 Thùng nước nóng chứa điện trở để gia nhiệt cho nước 59

Hình 3.6 Bơm chìm 59

Hình 3.7 Bút đo pH P-2S của hãng total meter 60

Hình 3.8 Quá trình đo pH cho nước thí nghiệm 60

Hình 3.9 Bút đo TDS 61

Hình 3.10 Quá trình đo chỉ số TDS cho nước thí nghiệm 62 Hình 3.11 Thiết bị đo EC được sử dụng là bút Đo EC DiST4 HI98304 của hãng Hanna-

Hình 3.12 Bộ chuẩn độ cứng 63

Hình 3.13 Quá trình chuẩn độ cứng cho nước thí nghiệm 64

Hình 3.14 Cảm biến lưu lượng nước 65

Hình 3.15 Hệ thống thí nghiệm 66

Biểu đồ 4.1 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến sự sụt giảm tổng độ cứng của nước theo thời gian 72

Biểu đồ 4.2 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến sự sụt giảm TDS của nước theo thời gian 73

Biểu đồ 4.3 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến sự dao động ph của nước theo thời gian 74

Biểu đồ 4.4 Ảnh hưởng của MĐDĐ đến hiệu quả xử lý nước và tiêu thụ năng lượng 75 Biểu đồ 4.5 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực đến sự sụt giảm tổng độ cứng của nước theo thời gian 76

Biểu đồ 4.6 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực đến sự sụt giảm TDS của nước theo thời gian 77

Biểu đồ 4.7 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực đến sự dao động pH của nước theo thời gian 78

Biểu đồ 4.8 Ảnh hưởng của khoảng cách giữa các điện cực đến hiệu quả xử lý nước và tiêu thụ năng lượng 79

Biểu đồ 4.9 Ảnh hưởng của thể tích của bể điện phân đến sự sụt giảm tổng độ cứng của nước theo thời gian 80

Biểu đồ 4.10 Ảnh hưởng của thể tích của bể điện phân đến sự sụt giảm TDS của nước theo thời gian 81

Biểu đồ 4.11 Ảnh hưởng của thể tích của bể điện phân đến sự dao động pH của nước theo thời gian 82

Biểu đồ 4.12 Ảnh hưởng của thể tích bể điện phân đến hiệu quả xử lý nước và tiêu thụ năng lượng 83

Biểu đồ 4.13 Ảnh hưởng của lưu lượng nước qua bộ xử lý đến sự sụt giảm tổng độ cứng của nước theo thời gian 84

Biểu đồ 4.14 Ảnh hưởng của lưu lượng nước qua bộ xử lý đến sự sụt giảm TDS của nước theo thời gian 85

Biểu đồ 4.15 Ảnh hưởng của lưu lượng nước qua bộ xử lý đến sự dao động pH của nước theo thời gian 86

Biểu đồ 4.16 Ảnh hưởng của lưu lượng nước qua bộ xử lý đến hiệu quả xử lý nước và tiêu thụ năng lượng 87

Danh mục bảng

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 232-1999 về chất lượng nước cấp cho hệ thống

tuần hoàn nước lạnh và nước giải nhiệt 34

Bảng 2.2 Thể hiện sự gia tăng của tiêu thụ năng lượng theo đường thẳng tướng ứng với bề dày của lớp cáu cặn 37

Bảng 2.3 Tác động của T a đến COP 41

Bảng 2.4 Mô tả quá trình điện phân 41

Bảng 3.1 Thông số của điện trở 56

Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật tháp giải nhiệt 56

Bảng 3.3 Thông số bơm nước nước giải nhiệt 57

Bảng 3.4 Thông số bơm nước nóng 58

Bảng 3.5 Thông số thùng chứa nước nóng 59

Bảng 3.6 Thông số bơm chìm 59

Bảng 3.7 Các thông số điện cực ban đầu 67

Bảng 3.8 Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 232-1999 về chất lượng nước cấp cho hệ thống tuần hoàn nước lạnh và nước cấp giải nhiệt 68

Bảng 3.9 Thông số nước đầu vào bộ điện phân ban đầu 68

Bảng 3.10 Các thông số đầu vào trong thí nghiệm đánh giá lưu lượng 70

Danh mục các chữ viết tắt

COP Coefficient of Performance

CTI Cooling Technology Institute

ĐNTT Điện năng tiêu thụ

HVAC Heating, Ventilating, and Air Conditioning

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 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 thông qua quá 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 khoáng chất, ion nước cứng Nước cấp có lượng tạp chất khoáng tự nhiên (ví dụ: silica, canxi và magiê), do đó, nước ngưng tụ còn 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:

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 ảnh hưởng đến hiệu suất loại bỏ ion nước cứng trong nước của tháp giải nhiệt

Các thí nghiệm này gồm các điện cực được làm bằng kim loại như nhôm, 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 công 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]

1.2 Tình hình nghiên cứu

Các nghiên cứu về công 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 8cm x 8cm 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 nhôm, các mật độ dòng 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 không chỉ đánh giá mật độ dòng 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 công nghệ điện phân để xử lí nước làm mát cho hệ thống điều hòa không 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

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” để thực hiện

1.3 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 vô 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 1.1 Nhu cầu sử dụng nước trong các tòa 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 còn Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ trên thế giới đã áp dụng công nghệ điện phân để xử lý nước cứng Dù có nhiều nghiên cứu về công nghệ này nhưng vẫn chưa có nghiên cứu nào đánh giá đến ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy đến quá 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

Trong ăn uống sinh hoạt

Du lịch Sưởi ấm và làm mát

Vệ sinh

1.4 Mục đích của đề tài

Đề tài này tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của lưu lượng nước đến quá trình hoạt động của bộ điện phân Từ đó có thể đánh giá đưa ra các kết luận, để có thể lựa chọn các thông số để thiết kế áp dụng, nâng cao hiệu quả xử lý của thiết bị

1.5 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

1.6 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng quan tài liệu: Thông 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 toán 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 mô 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

Chương 2: CƠ SỞ LÍ THUYẾT

2.1 Chất lượng nước trong hệ thống điều hòa không khí trung tâm sử dụng thiết

bị ngưng tụ giải nhiệt nước

Hệ thống điều hòa không khí kiểu làm lạnh bằng nước (water chiller) là hệ thống trong đó cụm máy lạnh không trực tiếp xử lý không 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 không khí Như vậy trong hệ thống này nước được sử dụng làm chất tải lạnh[5]

Hệ thống điều hòa không 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 hoàn

- 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 hòa 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

+ 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 không gian phòng

+ 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 môi 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 không 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 nhôm và quạt gió Nước chuyển động trong ống, không 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 phòng + 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 không 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 (0C)

tư – là nhiệt độ ướt của không khí vào tháp (0C)

- 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 (0C)

- 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 không 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

- Lượng nước bay hơi: là lượng nước bay hơi vào không 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 khoáng chất có trong tháp giải nhiệt tương ứng với tổng nồng độ các khoáng 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]

M COC

B

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 của nước cấp bổ sung (Lưu ý rằng nước xả đáy sẽ có cùng độ dẫn với nước tuần hoàn) Mối quan hệ được thể hiện bằng phương trình này [7]

EC EC

B COC

M

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 2.1 Vòng tuần hoàn nước của tháp giải nhiệt [7]

2.2 Khái niệm nước cứng

2.2.1 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

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

2.2.2 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

2.2.3 Tác hại của nước cứng trong công nghiệp

- Ảnh hưởng đến các thiết bị lò hơi, nồi hơi, tháp giải nhiệt

Hình 2.2 Ảnh hưởng của nước cứng đến lò 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 mòn 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 Ngoài ra, cáu cặn trong nồi hơi còn làm giảm hiệu suất hoạt động, tiêu hao nhiều điện năng dẫn đến tình trạng lãng phí Đặc biệt, nước cứng còn 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 hòa tan trong nước ra khỏi nguồn nước Chính vì thế, phương pháp xử 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, còn công 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

2.3 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 đòi 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 dòng chảy Tuy nhiên nó vẫn không 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 quá trình trao đổi nhiệt của dòng 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 bị 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

Hình 2.3 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 toán hệ số trao đổi nhiệt toàn phần

2.3.1 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 không gian dự phòng,

và chi phí lắp đặt Còn 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 thiết bị lọc

Chi phí nhiên liệu: Chi phí cho nhiên liệu 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 quá trình vệ sinh 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 quá trình hoạt động ở các nhà máy liên quan đến thiết bị trao đổi nhiệt và lò 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 hao hoàn toàn 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 toán chính xác [9]

2.3.2 Nguyên 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 thống 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 môi trường lý tưởng cho quá trình quay về trạng thái ban đầu của kim loại như các quặng oxit ban đầu Quá trình này gọi

là quá trình ăn mòn kim loại

Hình 2.4 Ăn mòn bên trong đường ống [10]

- Cáu cặn: các khoáng chất như canxicacbonat, canxiphotphat và magie silicat hầu như không tan trong nước và có thể tạo thành kết tủa tách ra khỏi nước khi tiếp xúc với các điều kiện thường trong nước giải nhiệt

- Đóng cáu: Các kết tủa của vật liệu lơ lửng trong thiết bị trao đổi nhiệt được gọi

là đóng cáu Nguồn cáu cặn này có thể đến từ các nguồn bên ngoài như các hạt bụi ở môi trường xung quanh của tháp giải nhiệt hoặc nguồn bên trong như là các chất sinh ra

từ quá trình ăn mòn của kim loại

- Sự nhiễm bẩn sinh học: Hệ thống giải nhiệt nước cung cấp môi trường lý tưởng cho các vi sinh vật hữu cơ phát triển, và gây ra các vấn đề về kết tủa trong thiết bị trao đổi nhiệt Sự phát triển của vi sinh vật có thể ảnh hưởng mạnh mẽ đến các quá trình ăn mòn, đóng cáu và các dạng liên quan đến các chất kết tủa, nếu nó thực sự không thể kiểm soát đúng cách

* Những vấn đề trên nếu chúng thực sự không thể khống chế, những vấn đề này có thể ảnh hưởng trực tiếp hoặc tác động gián tiếp đến hiệu quả đến toàn bộ quá trình hoặc quá trình vận hành Ví dụ như các vấn đề ăn mòn, kết tủa, và kết tủa sinh học có thể gây ra các vấn đề sau:

- Tăng chi phí vận hành

- Chi phí thay thế và sửa chữa thiết bị

- Thường xuyên phải tắt máy để làm sạch và thay thế các thành phần hệ thống

- Giảm hiệu suất trao đổi nhiệt do đó giảm hiệu quả về mặt năng lượng của quá trình làm lạnh

- Tăng chi phí nhiên liệu cho các nhà máy phát điện

- Tăng năng lượng tiêu thụ của hệ thống chiller

- Ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm

- Các vấn đề tuân thủ để bảo vệ môi trường

- Phát thải khí nhà kính tăng do sử dụng năng lượng cao

Việc lựa chọn các phương pháp và hệ thống xử lý là điều cần thiết để tối ưu hóa giá trị của hệ thống làm mát

2.3.2.1 Ăn mòn

Ăn mòn là một điện hóa bằng kim loại giống như quá trình trả kim loại trở về trạng thái ban đầu của chúng trong tự nhiên, Oxit tự nhiên Ví dụ thép mềm là một kim loại thường được sử dụng trong các hệ thống làm mát và nó rất dễ xảy ra hiện tượng ăn mòn Ăn mòn khiến cho bề dày của lớp kim loại mất đi hoặc thậm chí nó có thể xâm nhập sâu hơn vào ống gây ra sự rò rỉ cho quá trình chuyển động của dòng lưu chất làm mát và ngược lại Ăn mòn nói chung là mối quan tâm lớn đối với các loại kim loại thông thường, giá trị thấp như thép mềm

Để quá trình ăn mòn diễn ra, tế bào ăn mòn gồm một cực dương, một cực âm và

sự tồn tại của của chất điện phân Các ion kim loại bị hòa tan vào chất điện phân (nước)

ở cực dương Quá trình diễn ra sẽ tạo ra các electron Các điện tích này di chuyển qua các điểm khác cực âm Phản ứng điện hóa xảy ra, kết quả của quá trình này thường làm mất mát một lượng kim loại và hình thành một lớp cặn

Hình 2.5 Ăn mòn đường ống trong hệ thống [11]

Các tính chất ảnh hưởng đến quá trình ăn mòn

Các yếu tố quan trọng nhất là:

- Oxy và các khí hòa tan

- Chất rắn hòa tan lơ lửng

- Độ kiềm độ axit

- Vận tốc dòng chảy

- Sự phát triển của vi sinh vật

Đối với bình ngưng, pH của nước giải nhiệt cho bình ngưng nên được duy trì từ

4 - 10 Hầu hết các phương pháp xử lý nước cho tháp giải nhiệt pH được giữ trong khoảng 8.0 - 9.0 để duy trì độ kiềm của nước (khoảng 400 ppm hoặc thấp hơn) Tuy nhiên, trong tháp giải nhiệt được lắp ráp từ các bản kim loại, thì pH 7.0 - 8.0 được lựa chọn để chống lại sự ăn mòn Do đó, ở tháp giải nhiệt có chất liệu là kim loại thì dãy giá trị lí tưởng của pH là khoảng từ 7.5 - 8.5

2.3.2.2 Các vi sinh vật khác

Sự tăng trưởng không kiểm soát của vi sinh vật có thể góp phần dẫn đến các vấn

đề như gây ô nhiễm, ăn mòn, và cáu cặn Biểu đồ 1.1 phía dưới liệt kê các vi sinh vật và các tác hại do chúng gây ra

Bùn vi sinh vật là khối lượng của các vi sinh vật vi mô và chất thải của chúng Các lớp chất bùn này thường có độ dính tốt và kết hợp tạo với các chất trong nước với

số lượng lớn

Biểu đồ 2.1 Biểu đồ thể hiện độ dẫn nhiệt của các tác nhân [9]

Chất bùn từ vi sinh vật giống như các chất bẩn khác, đều làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt Trên thực tế, chất bùn sinh vật còn có tính cách nhiệt cao hơn so với các lớp cáu cặn thông thường Đặc biệt các chất này có khả năng bẫy và giữ lại các cáu cặn khác làm cho vấn đề trở nên phức tạp hơn

Có hai cách chính để vi sinh vật thâm nhập vào nước giải nhiệt của hệ thống Một

là nước cấp vào hệ thống, trong đó đã có các vi sinh vật Một cách khác là theo không gian vi sinh vật xâm nhập vào tháp giải nhiệt

Hình 2.6 Đóng cáu trong thiết bị trao đổi nhiệt [9]

Các yếu tố ảnh hưởng quan trọng nhất quá trình đóng cáu là:

phương thức đóng cáu Kiểm soát tắc nghẽn trong hệ thống làm mát liên quan ba phương thức chính:

+ Phòng ngừa - Cách tiếp cận tốt nhất là để ngăn chặn các tác nhân gây hại xâm nhập vào hệ thống làm mát Điều này có thể bao gồm thay đổi cơ học hoặc bổ sung hóa chất

để làm sạch nước cấp

+ Giảm - Thực hiện các bước để loại bỏ hoặc giảm khối lượng của chất bẩn những thứ

mà không thể tránh khỏi xâm nhập vào hệ thống Điều này có thể liên quan đến lọc và làm sạch tháp định kỳ

+ Kiểm soát liên tục - Thực hiện thường xuyên các hành động để giảm thiểu sự lắng đọng của tác nhân xấu trong hệ thống Cái này có thể bao gồm thêm chất phân tán hóa học hoặc trao đổi ngược

2.3.2.4 Cáu cặn

Lớp cáu cặn là một lớp phủ dày đặc của các chất vô cơ chủ yếu được hình thành

từ sự kết tủa của thành phần hòa tan trong nước Một số lớp cáu cặn phổ biến là:

• Canxi cacbonat

• Canxi photphat

• Magiê silicat

• Silicat

Hình 2.7 Cặn CaCO3 trong đường ống [9]

Cáu cặn là quá trình dùng để miêu tả cặn và các loại cáu cặn, kết tủa khác được tạo ra trên bề mặt trao đổi nhiệt hình thành trong quá trình hoạt động của thiết bị ngưng

tụ Nước được xem như loại dung môi phổ biến trên toàn thế giới và trong nước cấp sử dụng luôn có chứa các rắn hòa tan Mục đích của việc khống chế quá trình đóng cáu cặn trong các quá trình xử lý nước là ngăn cản lượng chất rắn hòa tan trong nước tăng lên quá cao dẫn đến việc bám đóng lại trên bề mặt của thiết bị trao đổi nhiệt

Lượng chất rắn hòa tan trong nước cấp vào phụ thuộc vào nguồn nước và địa chất của khu vực Một điều hiển nhiên là nếu có càng nhiều đá vôi trong địa chất ở khu vực thì hàm lượng canxi và magie càng nhiều khiến độ cứng nước càng tăng cao Với những vùng có lượng đá vôi ít nồng độ canxi và magie thấp hơn và nước sẽ “mềm” hơn

Kết tủa của canxicacbonat trên bề mặt của thiết bị ngưng tụ sẽ trở thành lớp cách nhiệt và giảm đáng kể hiệu suất trao đổi nhiệt Bề dày của lớp kết tủa có thể tăng tới mức độ làm giảm diện tích dòng chảy có nghĩa làm giảm lưu lượng dòng chảy bao gồm giảm tốc độ dòng chảy và gia tăng mất áp suất Với những ảnh hưởng đó thì kết tủa canxicacbonate sẽ phá hủy hiệu suất trao đổi nhiệt hệ thống bình ngưng tụ nước và hệ thống làm lạnh mà nó cung cấp

Một phần lưu lượng nước mất đi do bị bốc hơi, bị cuốn đi… khi qua tháp giải nhiệt, nồng độ chất rắn hòa tan tăng do các chất này được giữ lại sau quá trình bốc hơi nước Nước cấp sẽ được cấp vào hệ thống với một lượng đúng bằng lượng nước bốc hơi, mà trong nước cấp đã có sẵn một lượng ion hòa tan nên sau khi được cấp thêm vào tháp giải nhiệt thì sẽ càng làm cho độ cứng của nước tăng lên Đến một mức quá trình kết tủa xảy ra, các hóa chất xử lý nước được đưa vào để duy trì nồng độ chất rắn ở mức thấp

Bảng 2.1 Tiêu chuẩn Việt Nam TCXD 232-1999 về chất lượng nước cấp cho hệ thống

tuần hoàn nước lạnh và nước giải nhiệt

Nồng độ các chất rắn hòa tan có thể giảm bằng việc thêm vào lượng nước cấp có

Các thông số yêu cầu của nước Giá trị

canxicacbonate được đặc trưng bởi một vài nhân tố bao gồm nhiệt độ, p, độ cứng canxi,

và tổng lượng chất rắn hòa tan trong nước

Nhiệt độ nước cấp nước giải nhiệt cho hệ thống HVAC là 210C ở nhiệt độ môi trường thấp và tăng nhẹ 290C ở điều kiện bầu ướt và tải trọng thiết kế Hầu hết các hình thức phân tán chất rắn có đặc tính bất thường và các chất rắn hòa tan đều không có tính tan khi nhiệt độ gia tăng Do đó điều kiện tốt nhất quá trình hình thành cặn xảy ra là ở điều kiện hoạt động bình thường của hệ thống

Ph nước được hình thành từ hidro và oxi dưới dạng phân tử nước proton H+ và gốc hydroxit OH- Sự kết hợp của H+ và OH- tạo nên nước H2O

Theo tính hóa học thì pH là logarit mũ âm tỉ lệ liên quan đến nồng độ của H+

được thể hiện trong bảng Với mỗi lần tăng hoặc giảm độ pH 1 biểu hiện bằng sự tăng hoặc giảm gấp 100 lần của lượng axit và kiềm trong nước

Hình 2.8 Nồng độ H+ theo pH [9]

Với mỗi lần tăng hoặc giảm độ pH đi 1 biểu hiện bằng sự tăng hoặc giảm gấp

100 lần của lượng axit và kiềm trong nước

Độ cứng canxi là lượng canxicacbonat trong nước

Tổng chất rắn hòa tan TDS là tổng tất cả lượng chất rắn hòa tan trong nước (canxi, magiê, sắt, photphat, ) trong nước Các lớp cáu cặn là kết quả khi các ion hòa tan trong

nước vượt quá khả năng hòa tan của một khoáng chất nhất định Bốn yếu tố chính xác định nước có khả năng đóng cáu hay không

Khi bất kỳ yếu tố nào trong số này thay đổi, gia tăng thì xu hướng hình thành cáu cặn cũng thay đổi Hầu hết các muối dễ hòa tan hơn khi nhiệt độ tăng Tuy nhiên, một

số muối, chẳng hạn như canxi cacbonat, trở nên ít hòa tan khi nhiệt độ tăng Vì thế, nó thường tạo nên các kết tủa ở nhiệt độ cao hơn

Sự thay đổi độ pH hoặc độ kiềm có thể ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành cáu cặn Ví dụ như pH tăng làm canxi cacbonat giảm độ hòa tan và cuối cùng kết tủa trên

bề mặt hệ thống

- Có bốn cách thức cơ bản để kiểm soát cáu cặn:

+ Hạn chế nồng độ khoáng chất bằng cách kiểm soát tỉ lệ nồng độ chất hòa tan hoặc bằng cách loại bỏ các khoáng chất trước khi chúng đưa vào hệ thống Tỷ lệ nồng độ là

tỷ lệ chất rắn hòa tan trong quá trình xả đáy so với chất rắn hòa tan trong nước cấp vào

+ Xử lý bằng hóa chất để ngăn chặn cáu cặn

Tổng quan về quá trình trao đổi nhiệt của hệ thống bình ngưng giải nhiệt nước

Tắc nghẽn đường ống trong bình ngưng

Có một vài nhân tố dẫn đến việc gia tăng Kw điện/ton quá mức thiết kế như là có khí không ngưng trong môi chất, lưu lượng dòng nước giải nhiệt trong bình thấp, nhiệt

độ nước giải nhiệt vào cao, sự tắc nghẽn hoặc đóng cặn quá mức trong đường ống bình ngưng Tắc nghẽn và đóng cặn thường là vấn đề hay gặp và gây tổn hại nhiều nhất đến hiệu suất hoạt động của chiller

Đôi khi tắc nghẽn và đóng cặn được dự đoán trong việc tính toán về hiệu suất Viện điều hòa không khí nhiệt và môi chất lạnh đã thiết lập hiệu suất hoạt động của chiller được thiết kế với việc dự đoán được sự ảnh hưởng của việc tắc nghẽn đường ống theo hệ số 0,00025 ft2.h.0F/Btu

Được trình bày trong handbook của ASHRAE “system and equipment” theo đó

dự tính rằng yếu tố tắc nghẽn làm giảm khoảng 3% hiệu suất hoạt động của chiller, và đường hiệu suất tuyến tính của chiller sẽ giảm khoảng 3% với mỗi khi tăng thêm 0,00025

ft2.h.0F/Btu của lớp đóng cáu Chú ý hiệu suất sẽ tăng thêm 3% nếu không có hiện tượng

hư hỏng

Hình 2.9 Biều đồ thể hiện sự thay đổi công suất chiller theo lớp cáu cặn [9]

QL+ công suất chiller (kw)

W+ công máy nén (kw)

To nhiệt độ ngưng tụ (0C)

Có nhiều công bố cho rằng hiệu suất bị mất đi bởi vì đóng cáu ở những mức độ khác nhau và thường là 2,75% mất đi trên mỗi 0,00025 ft2.h.F/Btu (ít hơn 3% ở trên) của lớp cáu cặn Sự sai lệch là có thể xảy ra bởi vì có thể đóng cáu từ các loại vi sinh vật, được biết đến có trở nhiệt gấp 4 lần so với các nhân tố cáu cặn vô cơ

Bảng 2.2 Thể hiện sự gia tăng của tiêu thụ năng lượng theo đường thẳng tướng ứng

với bề dày của lớp cáu cặn [9]

Condenser Fouling Factor

Thickness (Inches)

Additional Power Required

Trong nền công nghiệp HVAC, hai nhân tố được chọn để đánh giá năng suất vận hành lạnh của chilller được mang tên là COP và nhiệt độ cận ngưng tụ Ta COP của chiller có thể xác định qua công thức [12]

Qe là công suất làm lạnh của chiller ở phía thiết bị bay hơi (kW)

P là mức tiêu thụ năng lượng của máy nén lạnh (kW)

Ta là nhiệt độ tiệm cận của máy làm lạnh ở phía ngưng tụ, 0C

Tc là nhiệt độ ngưng tụ môi chất lạnh của máy làm lạnh, 0C

T2 là nhiệt độ nước làm mát rời khỏi bình ngưng đến tháp giải nhiệt, hay đơn giản là nhiệt độ ra của nước làm mát 0C

Nhiệt độ tiệm cận có thể xác định qua công thức, nó là nhân tố trực tiếp để xác định khả năng giải nhiệt của tháp [13]

Hình 2.10 Tác động của cáu cặn bình ngưng tới hiệu suất hoạt động của chiller [12] Trong hệ thống chiller, Ta thông thường được giữ ở mức chênh 2,2oC, tốt nhất là 1,5oC nhờ vậy mà chiller có thể vận hành ở mức hiệu quả năng lượng tốt nhất Khi mức tăng nhiệt độ quá cao khoảng mức 3,5oC không những chỉ ra sự tiêu tốn năng lượng lớn,

mà còn đặt ra những nguy cơ cao

Mặt khác, thời tiết nóng và ẩm làm tăng khả năng sinh trưởng của sinh vật và làm cho nó tồi tệ hơn Do sự bay hơi liên tục, các ion canxi và magiê trong dòng nước làm mát tích tụ, và kết tủa do sự giảm đột ngột độ hòa tan của chúng khi được đun nóng trong các ống ngưng tụ, trở nên lớp cáu cặn cứng Cả hai vấn đề cáu cặn sinh học và vấn

đề chất rắn hòa tan có thể làm nâng Tc, và kéo theo Ta Dựa trên trên các báo cáo của Viện công nghệ làm mát (CTI), các bẩn sinh học có thể cách nhiệt gấp bốn lần so với cáu cặn chất rắn, như trong Hình 1.9 Một phương pháp quy mô công nghiệp và bền vững để xử lý các vấn đề mở rộng và phản ứng sinh học vẫn chưa được phát triển và là chủ đề chính của chúng ta nỗ lực nghiên cứu

Hình 2.11 Ảnh hưởng của bề dày cáu cặn tới hiệu suất trao đổi nhiệt [12]

Bảng số liệu chỉ ra các phân tích chi tiết của chiler dựa trên độ giảm của Ta tác động đến hệ số COP Ta ở 3oC được chọn làm chuẩn so sánh Sự phân tích dựa trên sự thay đổi của Ta từ 0-3oC, với độ tăng là 0,2oC Các tính toán chỉ ra rằng cứ Ta giảm 1oC

sẽ làm tăng COP khoảng 3,5% [10]

Phần trăm giảm truyền nhiệt

Hình 2.12 Mô tả quá trình điện phân [13]

- Điện cực nối với cực âm của máy phát điện (nguồn điện một chiều) gọi là cực âm

- Điện cực nối với cực dương của máy phát điện gọi là cực dương

- Tại bề mặt của cực âm luôn luôn có quá trình khử xảy ra, là quá trình trong đó chất oxi

hóa nhận điện tử để tạo thành chất khử tương ứng

- Tại bề mặt cực dương luôn luôn có quá trình oxi hóa xảy ra, là quá trình trong đó chất

khử cho điện tử để tạo thành chất oxi hoá tương ứng

- Khi có nhiều chất khử khác nhau, thường là các ion kim loại khác nhau (ion dương)

cùng về cực âm thì chất nào có tính oxi hóa mạnh nhất sẽ bị khử trước; Khi hết chất oxi

hóa mạnh nhất mà còn điện phân tiếp tục, thì chất oxi hóa yếu hơn kế tiếp mới bị khử sau

- Tương tự, khi có nhiều chất khử khác nhau, thường là các anion phi kim khác nhau,

cùng về cực dương, thì chất khử nào mạnh nhất sẽ bị oxi hóa trước; Khi hết chất khử

mạnh nhất mà còn điện phân tiếp tục thì chất khử yếu hơn kế tiếp mới bị oxi hóa sau

- Trong dãy thế điện hóa (dãy hoạt động hóa học các kim loại, dãy Beketov), người ta sắp các kim loại (trừ H2 là phi kim) theo thứ tự từ trước ra sau có độ mạnh tính khử giảm dần, còn các ion kim loại tương ứng (ion dương) từ trước ra sau có độ mạnh tính oxi hóa tang dần

- Thế điện hóa chuẩn của cặp oxi hóa khử nào càng lớn về đại số thì chất oxi hóa đó

càng mạnh và chất khử tương ứng càng yếu [13]

2.5.2 Sự điện phân dung dịch chất điện li

Khi điện phân dung dịch chất điện li thì tùy trường hợp, dung môi nước của dung dịch có thể tham gia điện phân ở cực âm hay ở cực dương Nếu nước tham gia điện phân thì:

Ở cực âm: Do ở cực âm có quá trình khử xảy ra nên nước sẽ đóng vai trò chất oxi hóa,

nó bị khử tạo khí hiđro (H2) thoát ra, đồng thời phóng thích ion OH- ra dung dịch

2H2O + 2e- → H2 + 2OH-

Ở cực dương: Do ở cực dương có quá trình oxi hóa xảy ra nên nước sẽ đóng vai trò chất khử, nó bị oxi hóa tạo khí oxi (O2) thoát ra, đồng thời phóng thích ion H+ ra dung dịch

1

a Điện cực âm (cathode)

Khi điện phân dung dịch chứa các ion kim loại đứng sau nhôm (Al) trong dãy thế điện hóa thì các ion kim loại này bị khử tạo thành kim loại bám vào điện cực âm Ion nào càng đứng sau thì có tính oxi hóa càng mạnh nên càng bị khử trước ở cực âm (Hiểu là kim loại đứng sau nhôm có tính khử yếu, do đó ion các kim loại này (ion dương) có tính oxi hóa mạnh Chúng có tính oxi hóa mạnh hơn nước nên các ion dương này bị khử trước nước

K Ca Na Mg Al |Mn Zn Cr Fe Ni Sn Pb H Cu Ag Hg Pt Au

Mn+ + ne- → M Ion kim loại Kim loai đứng sau Al Còn khi điện phân dung dịch chứa ion kim loại từ nhôm trở về trước (ion kim loại Al3+, Mg2+, ion kim loại kiềm thổ, ion kim loại kiềm) thì các ion kim loại này không

bị khử ở cực âm mà là H2O của dung dịch bị khử tạo H2 bay ra và phóng thích ion OH

-trong dung dịch (ion OH- kết hợp ion kim loại tạo hiđroxit kim loại tương ứng) Có thể hiểu là các kim loại từ Al trở về trước có tính khử mạnh rất mạnh, nên các ion kim loại này có tính oxi hóa rất yếu, yếu hơn H2O Do đó H2O bị khử trước ở cực âm Và một khi nước bị khử ở cực âm thì đây cũng là giai đoạn chót ở cực âm, vì khi hết nước thì cũng không còn dung dịch nữa, nên sự điện phân sẽ ngừng Các ion kim loại từ Al trở

về trước chỉ bị khử tạo kim loại tương ứng khi điện phân nóng chảy chất điện có chứa các ion này

H2O + 2e- → H2 + 2OH

-b Điện cực dương (anode)

Quá trình oxi hóa ở cực dương phụ thuộc vào bản chất của chất làm điện cực dương và bản chất của anion đi về phía cực dương

Nếu cực dương tan (không trơ, không bền): Cực dương được làm bằng các kim loại thông thường (trừ Pt) (như Ag, Cu, Fe, Ni, Zn, Al ) thì kim loại dùng làm cực dương oxi hóa (bị hòa tan) còn các anion đi về cực dương không bị oxi hóa Có thể hiểu một cách gần đúng là kim loại được dùng làm kim loại có tính khử mạnh hơn các chất khử khác đi về cực dương trong dung dịch, nên kim loại được dùng làm điện cực dương

bị oxi hóa trước Và một khi điện cực dương bị oxi hóa (bị ăn mòn) thì đây cũng là giai đoạn cuối ở cực dương Bởi vì khi hết điện cực dương, thì sẽ có sự cách điện và sự điện phân sẽ dừng

Nếu cực dương không tan (trơ, bền): cực dương được làm bằng bạch kim (Platin, Pt) hay than chì (Cacbon graphit)

Nếu anion đi về cực dương là các anion không chứa O như Cl-, Br-, I-, S2- thì các anion này bị oxi hóa ở cực dương

Nếu anion đi về cực dương là anion có chứa O như NO3-, SO42-, PO43-, CO32- thì các anion này không bị oxi hóa ở cực dương mà là H2O của dung dịch bị oxi hóa tạo O2 thoát ra, đồng thời phóng thích ion H+ ra dung dịch (ion H+ kết hợp với anion tạo thành axit tương ứng) Và một khi nước đã bị oxi hóa ở cực dương thì đây cũng là giai đoạn chót ở cực dương Vì khi hết nước mới đến các chất khử khác bị oxi hóa, lúc này không còn là dung dịch nữa, nên sự điện phân dừng [13]

2.6 Quá trình điện phân nước giải nhiệt

2.6.1 Kiểm soát cáu cặn theo cách truyền thống

Có hai cách xử lý nước bằng phương pháp hóa học đã được sử dụng để kiểm soát

sự hình thành canxi cacbonat trong các hệ thống nước làm mát

Cách thứ nhất, thêm axit vào để đảo ngược sự hình thành ion carbonate do sự phân hủy nhiệt của bicarbonate và sau đó loại bỏ bicarbonate bằng cách chuyển đổi nó thành axit carbonic, từ đó phân hủy thành khí carbon dioxide và nước Carbon dioxide sau đó dễ dàng thoát ra không khí

Cụ thể, axit thêm vào được sử dụng để thay đổi tính chất hóa học nước tuần hoàn,

từ đó canxi cacbonat không thể hình thành do khả năng hình thành cacbonat của cáu cặn

bị ức chế hoặc giảm đáng kể Đây là một phương pháp rất hiệu quả để kiểm soát lượng canxi cacbonat, nhưng nó sẽ làm giảm pH nước làm mát một cách đáng kể dẫn đến gia tăng khả năng ăn mòn Sử dụng các axit khoáng chất mạnh như axit sulfuric (H2SO4) cũng thể hiện vấn đề nguy hiểm trong việc kiểm tra an toàn cho hệ thống Các phản ứng liên quan là:

HCO3-1 + H+1 + H2CO3 → CO2 + H2O Phương pháp thứ hai để kiểm soát sự hình thành canxi cacbonat phụ thuộc vào việc thêm vào hai loại ức chế cáu cặn, chất chống kết tủa (chất điều tiết kết tủa) và chất phân tán Bằng cách tham gia vào quá trình tạo kết tinh của tinh thể canxi cacbonat, các chất chống kết tủa làm chậm đáng kể hoặc trì hoãn sự hình thành các tinh thể canxi cacbonat có kích thước đủ để có thể hình thành lắng cặn Làm hạn chế quá trình tạo tinh thể canxi cacbonat là làm giảm canxi thông qua xả bỏ nước Các chất phụ gia ức chế kết tủa không hiệu quả trong việc vận chuyển canxi qua hệ thống nước làm mát như axit, nhưng chúng có ưu điểm là không làm giảm độ pH hoặc góp phần đáng kể vào sự giảm

ăn mòn

Tóm lại, nước cấp có chứa canxi bicarbonate hòa tan và nhanh chóng đi vào trạng thái siêu bão hòa, siêu bền với tiềm năng theo thời gian để tạo ra lượng canxi cacbonat đáng kể Nếu các phương pháp xử lý hóa học truyền thống không được sử dụng, quá trình dẫn đến sự kết tủa bắt đầu trong toàn bộ lượng nước làm mát tuần hoàn Sự hình thành canxi cacbonat bắt đầu với các ion canxi và cacbonat kết hợp với nhau tạo thành các cụm ion có số lượng rất lớn Dưới sự siêu bão hòa, số lượng ion canxi và cacbonat của các cụm ion có xu hướng tăng chậm theo thời gian Cuối cùng, khi đạt đến điểm tạo kết tủa và các tinh thể canxi cacbonat thực sự bắt đầu hình thành trong toàn bộ thể tích nước làm mát, quá trình kết tủa canxi cacbonat trở nên đáng chú ý là độ đục của nước

2.6.2 Kiểm soát lượng cặn mới

Gần đây, một loại xử lý khác đã được chứng minh là làm giảm tỷ lệ lượng ion canxi trong hệ thống nước làm mát Việc xử lý dựa trên một quá trình điện hóa, điện phân nước, làm tăng độ pH trong vùng xung quanh của bề mặt điện cực, gây ra sự kết tủa CaCO3 ở điện cực Ta đã biết rằng canxi cacbonat kết tủa phụ thuộc vào nhiệt độ nồng độ ion, tốc độ dòng chảy của dung dịch và độ pH của nước

Quá trình điện phân hoạt động bằng cách khử nước thành khí hydro và ion hydroxit ở bề mặt điện cực âm

Điện phân nước chứa chất điện phân tạo ra hai phản ứng hóa học:

Phản ứng ở điện cực âm, khử nước

4H2O + 4e- → 2H2 + 4OH- Phản ứng ở điện cực dương, oxy hóa nước tạo thành Oxi và ion H+

OH- + HCO3- → CO3-2 + H2O Phản ứng 2: sau khi CO32- được tạo thành từ phản ứng 1 sẽ kết hợp với ion Ca2+ tạo thành CaCO3 kết tủa

Ca+2 + CO32- → CaCO3

Quá trình điện phân diễn ra tuần hoàn liên tục

Qua đó, việc tạo ra ion hydroxyl từ nước qua quá trình điện phân dẫn đến việc chuyển hóa bicarbonate thành cacbonat dễ dàng, thúc đẩy kết tủa canxi cacbonat Điện phân có thể được xem như là chất xúc tác để thúc đẩy cơ chế kết tủa, thu giữ và loại bỏ chất cần thiết, để tạo ra nước mềm sử dụng lâu dài Mặc dù có các phương pháp khác

để làm mềm nước tương tự, chẳng hạn như làm mềm bằng soda lạnh công nghiệp và truyền thống, nhưng phương pháp điện hóa không yêu cầu thêm hóa chất, kiểm soát được nồng độ pH, lọc hoặc phương tiện bổ sung tách chất rắn cơ học sẽ có lợi và không gây ô nhiễm môi trường

Điện phân cung cấp một phương tiện để hình thành kết tủa và lấy canxi nhanh chóng, đơn giản, dễ bảo trì và không yêu cầu xử lý hóa chất hay bất cứ hợp chất gì Công nghệ này đang được chứng minh là một công cụ mới có giá trị, cho phép xử lý nước làm

2.7 Vật liệu điện cực

Về mặt lý thuyết, bất kỳ vật dẫn điện nào cũng có thể làm điện cực, nhưng chỉ có một số vật liệu được sử dụng trong thực tế đã thỏa mãn các điều kiện cần thiết Mà vật liệu chế tạo điện cực được sử dụng phổ biến hiện nay là titan và hợp kim của nó

Tìm kiếm những vật liệu điện cực không độc hại, có khả năng chịu được oxy hóa

và xử lý các chất độc hại với hiệu suất cao là thách thức cho sự phát triển của ngành công nghệ xử lý nước thải hữu cơ bằng phương pháp điện hóa

Titan là nguyên tố phổ biến thứ chín trên vỏ Trái Đất, nó xuất hiện trong hầu hết

đá lửa, đá trầm tích được tìm thấy rộng rãi và khắp nơi Cũng có thể tìm thấy kim loại này trong thiên thạch, đá từ mặt trăng, tro than, cây và cả trong cơ thể con người Titan

là kim loại cứng nhất trong hầu hết các kim loại, bề mặt bóng láng có khả năng chịu được nhiệt độ rất cao Khả năng chống ăn mòn cao với axit, khí clo và các dung dịch muối thông thường Có thể được kéo dãn rất dễ dàng, dễ gia công tạo hình Có độ bền

cơ, độ bền rất cao trong nhiều môi trường, mật độ dòng lớn

Hợp kim titan được sản xuất bằng phương pháp khử thường được luyện với nhôm, vanadi, đồng, sắt, kẽm và nhiều loại kim loại khác Được dùng chủ yếu trong hàng không xe bọc thép, tàu hải quân, tàu vũ trụ, áo chống đạn

Trong mỗi công nghệ mới, vật liệu cực dương đóng một vai trò vô cùng quan trọng Một điện cực lí tưởng đảm bảo các tiêu chuẩn về: độ bền cao, độ dẫn điện tốt, khả năng phản ứng hóa học tốt, giá thành không cao, không độc hại, có sẵn trong tự nhiên…Chính vì nguyên nhân trên mà titan là một lựa chọn hoàn hảo cho công nghệ điện hóa hiện nay

Titan Gr1 là loại mềm nhất và có độ dẻo cao nhất Nó có đặc tính tạo hình ở nhiệt

độ thấp tốt và cung cấp khả năng chống ăn mòn tốt Ngoài ra Titan Gr1 có thể hàn và gia công được

Titan Gr1 dạng lưới, cực dương được phủ lớp chì đioixit (PbO2) điện cực trơ không tan trong quá trình điện phân [14]