1
MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài
Tháp giải nhiệt (TGN) được sử dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh
vực, đặc biệt là cho các hệ thống nhiệt - lạnh với nhiệm vụ giải nhiệt
cho hệ thống. Là một loại thiết bị trao đổi nhiệt (TĐN) hỗn hợp nên
quá trình truyền nhiệt trong tháp gắn liền với qúa trình truyền chất.
Hiệu qu
ả làm mát của tháp phần lớn phụ thuộc chủ yếu vào quá trình
bay hơi nước vào không khí, mà quá trình này lại phụ thuộc vào: điều
kiện khí hậu (nhiệt độ, độ ẩm không khí), yêu cầu công nghệ (nhiệt
độ, lưu lượng nước cần làm mát), đặc trưng kết cấu khối đệm (diện
tích bề mặt riêng, chiều cao khối đệm)
Nước ta ở vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm có nhiệt độ
và độ ẩm
tương đối của không khí thường cao, cao hơn nhiều so với các nước
ở vùng ôn, hàn đới, nên hiệu quả làm mát của TGN thường thấp hơn
giá trị thiết kế của các hãng sản xuất đưa ra. Do chưa có những
nghiên cứu cụ thể về ảnh hưởng của môi trường khí hậu ở Việt nam
tới hiệu quả trao đổi nhiệt - trao đổi chất (TĐN - TĐC) trong TGN,
nên việ
c tính toán chưa dựa vào những cứ liệu khoa học. Vì vậy, kết
quả tính chắc chắn không tránh khỏi sai sót, dẫn đến hậu quả: hoặc
công suất lựa chọn quá thừa gây lãng phí hoặc thiếu công suất làm
mát ảnh hưởng đến hệ thống, thậm chí gây ra sự cố phá huỷ hệ thống.
2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt - truyền chất (TN - TC) và ảnh
hưởng của đ
iều kiện khí hậu nóng ẩm, yêu cầu công nghệ, đặc trưng
kết cấu khối đệm tới hiệu quả quá trình TĐN - TĐC trong TGN. Trên

Các hệ thống công nghệ nhiệt - lạnh đều có quá trình nhận và thải
nhiệt. Hiệu quả của các qúa trình này chịu tác động rất lớn từ nguồn
nhiệt cấp, môi trường nhận nhiệt thải và phương pháp tiến hành quá
trình. TGN là giải pháp được chấp thuận rộng rãi nhất để thực hiện
3
quá trình giải nhiệt cho các hệ thống lạnh và điều hoà không khí. Đây
là một thiết bị không thể thiếu trong các hệ thống nhiệt lạnh.
1.1 Tháp giải nhiệt và các đặc tính cơ bản của tháp giải nhiệt
TGN là một thiết bị TĐN kiểu tiếp xúc, trong đó chất mang nhiệt
là nước truyền nhiệt cho chất nhận nhiệt là không khí, không qua mặt
ngăn cách mà bằng tiếp xúc trực tiếp.
1.1.3
Các đặc trưng cơ bản của TGN
* Quá trình trao đổi nhiệt hỗn hợp
Quá trình truyền nhiệt trong tháp là một quá trình hỗn hợp bao
gồm truyền nhiệt bằng đối lưu và truyền nhiệt bằng truyền chất.
* Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt
Trong TGN diện tích tiếp xúc giữa các dòng lưu chất là diện tích
bề mặt của toàn bộ các giọt nước, màng nước trên bề mặt kh
ối đệm,
thành tháp… mà thực tế không thể xác định được một cách rõ ràng,
chính xác như các loại thiết bị TĐN bề mặt thông thường. Với đặc
điểm này, ở TGN người ta thường quan tâm tới hiệu quả làm mát hơn
là hệ số trao đổi [5],[6].
* Hiệu suất của TGN
Hiệu suất của TGN là đại lượng đánh giá giới hạn làm mát của
tháp và được xác định [5]:

1,
11

Năm 1964, Klenke [102] đề xuất xây dựng đường đặc tuyến của
TGN, biểu diễn quan hệ giữa hiệu suất làm mát (η) và hệ số tưới (μ).
Năm 1973, Pope [105] từ các phương trình TN-TC chất cơ bản, đã
thiết lập hệ phương trình mô tả quá trình TĐN-TĐC trong thiết bị
TĐN hỗn hợp.
Một phương pháp khác là tính toán nhiệt độ nước ra và Enthalpy
của không khí ra đã được Dia [100] đề xu
ất vào năm 1975.
1.2.2 Lý thuyết Merkel và các nghiên cứu theo thuyết Merkel
1.2.2.1 Lý thuyết Merkel
Trên cơ sở phương trình cân bằng năng lượng:
Q
k
= Q
n
= Q (1.6)
Với thế truyền là enthalpy, phương trình truyền có dạng:
Q = β
∗
.F.[I
k
(t
n
) - I
k
(t
u
)] = β
∗
.f.V.[I

k
nn
n
n
tItI
dtC
tItI
dI
G
Vf
G
F
ββ
(1.9)
Phương trình (1.9) được gọi là phương trình Merkel.
1.2.2.2 Phát triển lý thuyết Merkel
Mehlig [104] đã phát triển phương trình của Merkel thành dạng:
5

∫∫
−−−−
==
F
t
t
nghngnhgh
p
knkgh
p
nn

Kiểm tra phương trình (1.10) so với thực nghiệm có cùng điều
kiện biên, Mehlig nhận thấy sai lệch giữa 2 kết quả giao động từ 9 ÷
15%, giá trị K
v
trung bình từ thực nghiệm thấp hơn 12%.
Lower và Chirstie [50] đã đề xuất hệ số truyền tổng hợp [kg/m
3
s]
và thiết lập được phương trình:

HA
G
V
tItI
dtC
Me
n
n
v
t
t
kngh
nn
n
n

.
)()(
.
1

Cooling Tower), vế phải là đặc tính khối đệm (Fill Characteristic).
Trên cơ sở phương trình Merkel, kết hợp với thực nghiệm, Viện
CTI (Cooling Tower Institute) [38], [40] đã xây dựng phương trình
biểu diễn mối quan hệ giữa β.F/G
n
, G
n
/G
k
và (t
n2
- t
ư1
) dạng:

m
k
n
n
G
G
C
L
VaK
G
F
⎟
⎟
⎠
⎞

(1.17)
Cùng quan điểm đó, Fisenko, Petruchik và Solodukhin [84] đã
nghiên cứu đặc tính khí động học trong TGN đối lưu tự nhiên. Từ đó,
các tác giả xác đã định được công thức tính hiệu suất của tháp:

5,0
5,0
0
00
0
00

).(
)((

).(
)(
.~ u
R
H
Rtt
t
rD
Rtt
tt
iiuni
nis
iuni
nik
k

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎪
⎪
⎨
⎧
−−+−−−+−
−
+=
−−+−−−+−
−
=
)
.].)([)].()().[1
.
()(
].)(.[
1.(.
.].)([)].()().[1
.
()(
)(

0
*
0
*

dtd
G
G
C
dt
dd
β
α
β
α
(1.28)
Cùng quan điểm trên Stefanovic [83], [93] đã thiết lập hệ phương
trình cân bằng nhiệt, cân bằng chất đối với không khí và nước ở trạng
thái ổn định trong không gian 3 chiều, Theo Stefanovic hệ số TN-TC
tổng hợp trên một đơn vị thể tích β
v
thay đổi không những theo chiều
cao mà còn theo chiều ngang khối đệm.
Một cách tương tự, Trần Quốc Khánh [107], đã thiết lập hệ
phương trình vi phân mô tả quá trình TĐN - TĐC cho thiết bị trao
đổi nhiệt hỗn hợp cùng chiều, hệ phương trình có dạng:
7
⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
+

dtd
tt
Cdd
dt
r
dtd
CdCtt
CG
G
dd
dt
.
).(
)("
.
.
)("
).).((
.
.
.
β
α
β
α
(1.35)
1.2.5 Phương pháp Dia
Trên cơ sở phân tích đồng dạng của Sumanowitsch [106], Dia
[100] đã đề xuất phương pháp tính nhiệt độ nước ra và enthalpy của
không khí ra. Tuy nhiên, các hệ số trong phương pháp này được xác

pk
, C
ph
, C
n
là
không đổi, nhiệt độ bề mặt và tâm của giọt nước bằng nhau.
2.1.2 Quá trình truyền nhiệt - truyền chất cơ bản
Xét một phân tố diện tích bề mặt tiếp xúc dF, hình 2.1. Khi t
n
>
t
k
ta có các phương trình TĐN - TĐC cơ bản gồm:

G n + d G n
in + din
dQtc
dQdl
dF
ik + dik
d + d(d)
i
k , d
G
n , in
G
k
G k


n
.r
gh
= β.ΔP.r
gh
.dF (2.4)
2.1.3 Phương trình cân bằng nhiệt
* Phương trình cân bằng năng lượng: dQ = |dQ
n
| = |dQ
k
| (2.8)
* Phương trình truyền nhiệt - ẩm tổng hợp: dQ = dQ
dl
+ dQ
tc
(2.13)
Từ phương trình (2.1), (2.3) và (2.5) nhận được:
dQ = [α.Δt +
β .ΔP.r
gh
].dF (2.14)
2.1.4 Phương trình vi phân mô tả quá trình trong TGN
Từ các phương trình cơ bản (2.1), (2.3), (2.8) và (2.14) sau khi
biến đổi, ta thu được hệ phương trình:

⎪
⎪
⎪
⎪

.
(
[
ngh
n
k
n
n
phpkngh
nph
k
n
n
k
ir
P
t
C
G
G
dt
dd
CdCir
P
t
CtC
P
t
G
G

C
P
t
pkpk
Δ
=⇒
Δ
=
Δ
Δ
.
.
.
β
α
β
α
(2.38)
Thay (2.22) vào (2.38) nhận được hệ mới sau:
- Hệ phương trình theo biến thiên nhiệt độ nước:

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
−+Δ
=

k
n
n
k
(2.40)
- Hệ phương trình theo biến thiên độ chứa hơi:

⎪
⎪
⎩
⎪
⎪
⎨
⎧
−+
Δ
=
Δ
=
]
.
.[
)(
)(
n
nghpk
n
kn
k
C

P
G
F
β
(2.42)
Phương trình xác định chiều cao khối đệm

∫
Δ
==
2
1
)(

*
d
d
k
dd
fP
G
ZH
β
(2.48)
Kết hợp (2.40) với (2.42), (2.48) thu được hệ phương trình sau:

⎪
⎪
⎪
⎪

*
dd
fP
G
dz
dd
P
G
dF
dirtC
Cd
G
G
dt
dd
dirtC
tC
G
G
dt
dt
k
k
nghpk
n
k
n
n
nghpk
n

k1
, t
k2
, d
k2
, t
n1
, t
n2
, G
n1
, G
n2
, G
k
, α, β
*

Đặc trưng về hình học: f, H, D, l
1
, l
2
, d
p

2.4.3 Dạng các phương trình thực nghiệm
Trên cơ sở lý thuyết đồng dạng đã xây dựng được các dạng phương
trình tiêu chuẩn sau:
a. Phương trình xác định hiệu quả làm mát


C
t
t
=
(2.56)
b. Phương trình xác định hệ số đặc trưng của TGN

4
3
21
) ().().().(
.
11
1
1
1
2
*
m
m
n
k
m
n
u
m
n
k
p
Hf

n
p
n
u
p
n
k
G
G
t
t
t
t
t
t
CHf =
(2.60)
d. Phương trình xác định tỷ lệ lưu lượng nước và không khí

3
21
).().().(
11
1
1
1
4
1
2
q

TĐN - TĐC trong TGN. Trước khi thực nghiệm, đã tiến hành kiểm
tra thiết bị
. Kết quả cho thấy: Thiết bị chưa đáp ứng được mục đích
của nghiên cứu. Do đó, để có thể nghiên cứu thực nghiệm trên thiết
bị T123D, thì phải cải tạo, nâng cấp thiết bị.
3.2.3 Cải tạo nâng cấp thiết bị thí nghiệm T123D
1 - Thay thế đồng hồ đo có nguyên lý làm việc tương tự nhưng độ
chính xác cao hơn (độ phân giải 0,1 K).
2 - Bổ
sung thêm vào hệ thống thiết bị điều chỉnh mềm công suất
điện cấp cho bộ phận gia nhiệt nước.
3 - Chế tạo thêm một số tháp có H và f khác nhau:
* 05 tháp tròn, d = 190 mm, H = 150 ÷ 750 mm và f = 300 m
2
/m
3
;
* 03 tháp vuông 150x150mm có H = 600mm, f = 200÷300 m
2
/m
3
.
4 - Bổ sung thêm các thiết bị như: Thiết bị tăng ẩm bay hơi tự
nhiên, tăng ẩm kiểu phun sương; tăng ẩm dạng phun hơi bão hoà và
thiết bị hoà trộn không khí.
3.2.4 Vận hành thử nghiệm và đánh giá
Sau khi cải tạo, nâng cấp, thiết bị T123D đã được chạy thử, kiểm
tra. Kết quả cho thấy:
Thiết bị đã đảm bảo yêu cầu cho nghiên cứu th
ực nghiệm. Tuy

m
2
/m
3

f 0, 25, 125, 160,
200, 250, 300
7 Chiều cao khối đệm, cm H 15, 30, 45, 60, 75
8 Hình dạng mặt cắt ngang tháp vuông, tròn
Ngoài ra, đã tiến hành thực nghiệm trên một số tháp ngoài thực tế
ở các địa phương như: Hà Nội, Nghệ An, Hà Tĩnh, Quảng Bình
Đã thực hiện được 301 chế độ thí nghiệm trong phòng thí nghiệm
và hơn 26 chế độ trên thiết bị thực tế. Kết quả thí nghiệm là giá trị
trung bình của 5 lần đo với sai số ngẫu nhiên tương đối là 0,32% trên
mô hình thực nghiệm và 1,15 % với các đo đạc ngoài th
ực tế.
3.4.3.3 Đánh giá sai số
Nếu coi lượng nước bổ sung trong các chế độ thí nghiệm là chuẩn
xác, thì sai lệch giữa tính toán từ số liệu thực nghiệm và lượng nước
bổ sung có sai lệch trung bình 2,79%. Tương tự sai lệch trung bình về
cân bằng nhiệt tương ứng là 6,62%.
14
Sai lệch về cân bằng nhiệt lớn hơn cân bằng chất, tuy nhiên, các sai
lệch này không ảnh hưởng đến kết quả khi đánh giá về công suất nhiệt
vì công suất nhiệt sẽ được tính qua lượng nhiệt của nước được giải. Chương 4
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CÁC YẾU TỐ CƠ BẢN
TỚI HIỆU QUẢ LÀM MÁT CỦA TGN

000
4
500
5
000
5
500
70 75 80 85 90
ϕ
[%]
→
Q
n
[kJ/h]
→
31
32
33
34
35
36
37
t
n2
[
0
C]
→
t
k1

Hình 4.1. Ảnh hưởng của
ϕ
tới t
n2
, Q
n
khi t
n1
= 40
o
C

900
1400
1900
2400
2900
3400
25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35
t
k1
[
0
C]
→
Q
n
[kg/h]
→
2

n

Hình 4.3. Ảnh hưởng của t
k
tới t
n2
, Q
n
khi t
n1
= 35
o
C
4.2.2 Ảnh hưởng của yêu cầu công nghệ
Nếu G
n
không đổi, khi tăng G
k
thì Q
n
tăng, t
n2
tốt hơn và η tăng.
Đây là một giải pháp để cải thiện và tăng hiệu quả làm mát của TGN
trong điều kiện môi trường có nhiệt độ cao và độ ẩm lớn.

16
4.2.3 Ảnh hưởng của kết cấu khối đệm
1000
2000

t
n2
[
0
C]

→
t
n2
Q
n
ΔP
G
bh

Hình 4.6. Ảnh hưởng của f tới t
n2
,Q
n
,
Δ
P,G
bh
khi t
k1
= 30
o
C,
ϕ
1

0
C]
→
G
bh
t
n2
Q
n
ΔP

Hình 4.8. Ảnh hưởng của H tới t
n2
, Q
n
,
Δ
P,G
bh
khi t
k1
= 25
o
C,
ϕ
1
=70%
4.3 ẢNH HƯỞNG TỚI QUÁ TRÌNH TN - TC
- ϕ tăng thì quá trình truyền chất giảm, mức giảm lớn nhất của Q
β

/m
3
, còn khi f tăng từ
250 lên 300m
2
/m
3
thì Q
β
, Q
α
, α, β thay đổi rất ít.
- H tăng, thì Q
β
, Q
α
, α, β đều tăng và tăng mạnh khi H thay đổi từ
150mm đến 600mm. Khi H > 600mm thì các đại lượng Q
β
, Q
α
, α, β
không tăng, mà có xu hướng giảm.
4.4 ẢNH HƯỞNG TỚI ĐẶC TRƯNG TN - TC
- Khi t
k1
thấp thì α/β
*
.C
p

β
/Q
α
giảm, nhưng gần như ổn định
khi f đạt giá trị 250 đến 300 m
2
/m
3

- Khi H tăng α/β
*
.C
p
tăng và tỷ lệ Q
β
/Q
α
giảm, nhưng sự thay đổi
gần như không đáng kể khi H đạt giá trị 450 đến 750 mm.
4.5 CÁC PHƯƠNG TRÌNH TIÊU CHUẨN
Trên cơ sở số liệu thực nghiệm đã xác định được các hệ số thực
nghiệm cho các phương trình tiêu chuẩn, cụ thể:
4.5.2 Phương trình xác định hiệu quả làm mát của tháp
0,0170-0,0500-
n1
k
0,2533
n1
u1
0,0284

u1
1,1469
n1
k1
p
*
.(f.H))
G
G
.()
t
t
.()
t
t
0,9416.(
.Cβ
α
−
=
(4.9)
18
Sai lệch trung bình của α/β
*
.C
p
tính theo phương trình (4.9) so với
thực nghiệm là 4,91%. Giá trị α/β
*
.C

u1
0,4468
n1
k1
)
G
G
.()
t
t
.()
t
t
.()
t
t
51,149.(H.f =
(4.10)
Sai lệch trung bình giữa kết quả tính toán theo phương trình (4.10)
và kết quả thực nghiệm là: 7,12%
4.5.5 Phương trình xác định G
n2

5,2974
n1
k
0,0148
n1
u1
0,0057-

n2
với điều kiện đơn trị là đầu vào của các chế độ thực
nghiệm có sai lệch lớn nhất là: 4,65%, nhỏ nhất là 0,02% và trung
bình là: 1,4% (sai lệch tuyệt đối là < 0,5 K).
25
28
31
34
37
40
25 28 31 34 37 40
t
n2-TN
t
n2-LT
t
n2-TN
= t
n2-LT

Hình 5.1. So sánh kết quả tính t
n2
theo lý thuyết và thực nghiệm
5.2 MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN TGN
Từ lưu đồ thuật toán và ngôn ngữ lập trình đã chọn, đã xây dựng
chương trình mô phỏng và tính toán TGN, chương trình cho phép:
* Chọn các dữ liệu đầu vào: vị trí địa lý đặt tháp (điều kiện khí hậu),
yêu cầu giải nhiệt, đặc trưng của khối đệm
* Tính toán xác định quá trình TN - TC trong tháp
* Mô phỏng quá trình TN - TC trong tháp, cụ thể mô phỏng trạng

KẾT LUẬN

Kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho phép rút ra một
số kết luận cơ bản sau:
1. Mô hình toán học xây dựng dựa trên cơ sở các quá trình TN -
TC cơ bản, có độ chính xác hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu kỹ
thuật. Sai lệch trung bình giữa kết quả tính theo lý thuyết và thực
nghiệm là ± 1,4%. (<0,5K). Đây là mô hình toán đáng tin cậy và hữu
ích trong việc nghiên cứu, tính toán TGN.
2. Nhiệt độ, độ ẩm không khí có ảnh hưởng rấ
t lớn đến hiệu quả
làm mát của TGN, trung bình với các TGN được thiết kế ở vùng ôn
đới, hàn đới khi chuyển sang làm việc ở vùng khí hậu nóng ẩm thì
công suất nhiệt chỉ đạt 40% công suất thiết kế (giảm 60%), nhiệt độ
nước sau khi làm mát tăng lên tối thiểu là 2
o
C so với giá trị t
n2
theo
thiết kế.
3. Khi tính toán, thiết kế TGN làm việc trong điều kiện khí hậu
nóng ẩm, diện tích bề mặt riêng khối đệm không cần thiết phải chọn
quá lớn, nên giới hạn ở mức 300m
2
/m
3
và chiều cao khối đệm cũng
nên giới hạn trong khoảng từ 450mm đến 750mm.
4. Trong các TGN, quá trình truyền nhiệt bằng truyền chất là chủ
yếu, trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, lượng nhiệt truyền theo cơ chế

.()
t
t
0,999.(
t
t
=

- Phương trình xác định tổ hợp đặc trưng TN - TC:

0,01750,1938
n1
k
0,7579
n1
u1
1,1469
n1
k1
p
*
.(f.H))
G
G
.()
t
t
.()
t
t

t
t
51,149.(H.f =

- Phương trình xác định lưu lượng nước sau làm mát:

5,2974
n1
k
0,0148
n1
u1
0,0057-
n1
k1
n1
n2
)
G
G
.()
t
t
.()
t
t
0,9954.(
G
G
=