Tháp làm mát tự nhiên là một loại trao đổi nhiệt làm mát nước bằng cách tiếp xúc trực tiếp với không khí. Nó được sử dụng trong các nhà máy điện, lò lọc dầu, nhà máy hóa dầu và nhà máy khí thiên nhiên để loại bỏ nhiệt dư từ hệ thống tuần hoàn nước. Tháp làm mát tự nhiên dựa trên nguyên tắc lưu thông đối lưu để cung cấp lưu thông không khí, mà không cần quạt hoặc thiết bị cơ học khác. Lưu lượng không khí được tạo ra bởi sự khác biệt về mật độ giữa không khí ấm và ẩm bên trong tháp và không khí lạnh và khô bên ngoài tháp.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của tháp làm mát tự nhiên được minh họa trong sơ đồ sau:
Các thành phần chính của tháp làm mát tự nhiên là:
Đầu vào nước nóng: Đây là nơi nước nóng từ hệ thống hoặc ngưng tụ đi vào tháp ở phía trên. Đầu vào nước nóng được kết nối với một loạt các vòi phun nước lên vật liệu làm đầy.
Vật liệu làm đầy: Đây là vật liệu xốp cung cấp diện tích bề mặt lớn cho quá trình truyền nhiệt giữa nước và không khí. Vật liệu làm đầy có thể được làm từ gỗ, nhựa, kim loại hoặc gốm. Vật liệu làm đầy có thể được sắp xếp theo nhiều cách, như thanh tản, lưới hoặc gói màng.
Bể nước lạnh: Đây là nơi nước đã được làm lạnh thu thập ở đáy tháp. Bể nước lạnh có van xả và bơm để tuần hoàn nước trở lại hệ thống hoặc ngưng tụ.
Đầu vào không khí: Đây là nơi không khí tươi đi vào tháp ở phía dưới. Đầu vào không khí có thể mở hoặc đóng, tùy thuộc vào thiết kế của tháp.
Đầu ra không khí: Đây là nơi không khí ấm và ẩm thoát ra khỏi tháp ở phía trên. Đầu ra không khí có thể có bộ khuếch tán hoặc ống khói để tăng cường luồng không khí.
Quá trình làm mát nước trong tháp làm mát tự nhiên liên quan đến hai cơ chế chính: truyền nhiệt cảm giác và truyền nhiệt tiềm năng.
Truyền nhiệt cảm giác: Đây là khi nhiệt được truyền từ nước nóng sang không khí lạnh bằng cách tiếp xúc trực tiếp. Kết quả là, nhiệt độ của cả hai chất lỏng thay đổi, nhưng không thay đổi pha. Truyền nhiệt cảm giác phụ thuộc vào các yếu tố như sự khác biệt về nhiệt độ, tốc độ dòng chảy và diện tích bề mặt tiếp xúc.
Truyền nhiệt tiềm năng: Đây là khi nhiệt được truyền từ nước nóng sang không khí lạnh bằng cách bay hơi. Kết quả là, một phần nước thay đổi pha từ lỏng sang hơi, đồng thời hấp thụ nhiệt từ môi trường xung quanh. Truyền nhiệt tiềm năng phụ thuộc vào các yếu tố như tỷ lệ độ ẩm, áp suất hơi và hệ số chuyển khối.
Sự kết hợp của truyền nhiệt cảm giác và tiềm năng làm mát nước và làm nóng không khí. Nước đã được làm mát rơi xuống bể nước lạnh, trong khi không khí đã được làm nóng dâng lên đầu ra không khí do lực đẩy nổi. Hiệu ứng lực đẩy nổi tạo ra luồng tự nhiên hút thêm không khí tươi ở đầu vào không khí, tạo thành chu kỳ làm mát liên tục.
Tháp làm mát tự nhiên có thể được phân loại thành hai loại dựa trên cấu hình của chúng:
Tháp làm mát tự nhiên đối lưu ngược: Trong các tháp này, nước chảy xuống và không khí chảy lên theo hướng ngược nhau. Điều này cho phép có sự khác biệt về nhiệt độ cao hơn và hiệu suất làm mát cao hơn. Tuy nhiên, các tháp này yêu cầu chiều cao lớn hơn và nhiều vòi phun hơn so với tháp đối lưu ngang.
Tháp làm mát tự nhiên đối lưu ngang: Trong các tháp này, nước chảy xuống và không khí chảy ngang theo hướng vuông góc. Điều này cho phép có chiều cao thấp hơn và ít vòi phun hơn so với tháp đối lưu ngược. Tuy nhiên, các tháp này có sự khác biệt về nhiệt độ thấp hơn và hiệu suất làm mát thấp hơn so với tháp đối lưu ngược.
Bảng sau đây tóm tắt một số ưu điểm và nhược điểm của mỗi loại:
Loại |
Ưu điểm |
Nhược điểm |
Đối lưu ngược |
Sự khác biệt về nhiệt độ cao hơn Hiệu suất làm mát cao hơn Phân phối nước tốt hơn Ít bị đóng băng hơn |
Chiều cao lớn Chi phí cao hơn Nhiều vòi phun hơn Dễ bị đóng cặn hơn |
| Đối lưu ngang | Chiều cao thấp Chi phí thấp ít vòi phun hơn Ít bị đóng cặn hơn | Sự khác biệt về nhiệt độ thấp hơn Hiệu suất làm mát thấp hơn Phân phối nước kém hơn Dễ bị đóng băng hơn |
Hình vẽ sau đây cho thấy sự khác biệt giữa tháp làm mát tự nhiên đối lưu ngược và đối lưu ngang:
Tháp làm mát tự nhiên thường được ưa chuộng cho các ứng dụng yêu cầu:
Năng lực làm mát lớn và ổn định trong nhiều năm
Chi phí vận hành và bảo trì thấp
Mức độ tiếng ồn và tiêu thụ điện năng thấp
Kháng gió và ăn mòn cao
Một số ví dụ về các ứng dụng sử dụng tháp làm mát tự nhiên là:
Nhà máy nhiệt điện sử dụng than, dầu, khí hoặc nhiên liệu hạt nhân để phát điện
Nhà máy lọc dầu xử lý dầu thô thành các sản phẩm như xăng, diesel, nhiên liệu máy bay, v.v.
Nhà máy hóa dầu sản xuất hóa chất từ nguyên liệu dầu mỏ hoặc khí thiên nhiên
Nhà máy khí thiên nhiên xử lý khí thiên nhiên thành khí thiên nhiên hóa lỏng (LNG), khí thiên nhiên nén (CNG) hoặc các sản phẩm khác
Một số ưu điểm của tháp làm mát tự nhiên là:
Chúng không yêu cầu quạt hoặc thiết bị cơ học khác để tạo luồng không khí, giúp tiết kiệm điện và giảm tiếng ồn
Chúng có chi phí vận hành và bảo trì thấp, vì chúng có ít bộ phận di chuyển và ít hao mòn
Chúng có tổn thất hệ thống thấp, vì chúng mất ít hơn 1% tổng lưu lượng nước do bay hơi
Chúng có năng lực làm mát lớn, vì chúng có thể xử lý lượng lớn lưu lượng nước
Chúng không có tái tuần hoàn không khí, vì chúng có ống khói cao ngăn không cho không khí ấm tái nhập vào tháp
Một số nhược điểm của tháp làm mát tự nhiên là:
Chúng yêu cầu vốn ban đầu lớn, vì chúng đắt tiền để xây dựng và lắp đặt
Chúng yêu cầu diện tích lớn, vì chúng có nền rộng và chiều cao lớn
Chúng khó được cấp phép, vì chúng có tác động thẩm mỹ tiêu cực đến khu vực địa phương
Hiệu suất của chúng phụ thuộc vào vận tốc và hướng gió, vì chúng có thể ảnh hưởng đến luồng không khí và truyền nhiệt
Chúng dễ gặp vấn đề đóng băng trong khí hậu lạnh, vì chúng có thể gây ra hiện tượng đóng băng trên vật liệu làm đầy và bể nước lạnh.
