Chiller là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống chiller

Chiller đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong các ngành công nghiệp làm lạnh hiện nay. Hệ thống chiller được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp: y tế, dược phẩm, thực phẩm, điện tử,… Tuy nhiên định nghĩa Chiller là gì còn khá là mới mẻ với nhiều người. Vậy bài viết này sẽ giúp bạn làm rõ: Hệ thống Chiller là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao? 

1. Hệ thống Chiller là gì?

Chiller là gì? – Chill hay chiller theo Tiếng Anh là lạnh, làm lạnh, có thể làm lạnh nước hoặc dung môi khác với mục đích giảm nhiệt độ đến điểm lạnh cần thiết cho sản xuất, lưu trữ hoặc cho  các nhu cầu sinh hoạt, nhu cầu khác. Hệ thống chiller được ứng dụng phổ biến nhất và bắt buộc phải có trong các tòa nhà, trung tâm thương mại và trong 1 số ngành như đông lạnh thuỷ hải sản.

Hệ thống chiller trung tâm thì được hiểu là hệ thống lớn, cung cấp nhiệt lạnh cho nhiều nơi khác nhau nhằm tiết kiệm chi phí chi phí đầu tư và vận hành, tuy nhiên trong thực tế 1 toàn nhà hay nhà máy thì ngoài hệ chiller trung tâm còn có cả chiller cục bộ, độc lập có năng suất nhỏ hơn rất nhiều, ví dụ máy lạnh điều hoà không khí (aircon) là điển hình.

Hệ thống điều hòa trung tâm làm giảm nhiệt độ nước qua bình ngưng bốc hơi từ  thường 12 đến 7 độ C.

Cool, cooling, cooling tower theo Tiếng Anh là mát, làm mát, tháp làm mát. Ở đây chiller được giải nhiệt bằng nước quan tháp làm mát, có nhiệt độ thường chênh nhau 5 độ C ( 27-30  đến 32 – 35 độ ), hoặc có khi cao hơn.

Khi nói đến hệ chiller là nói đến phần làm lạnh nhiều hơn và các bộ phận có liên quan như dàn bay hơi, bơm chiller, các AHU, FCU…

2. Hệ thống điều hòa trung tâm Chiller gồm những thành phần cơ bản nào?

Hệ thống điều hòa trung tâm hay còn gọi là hệ thống điều hòa không khí trung tâm là toàn bộ hệ thống đầu tư rất tốn kém, cùng với phần xây dựng thì đây là 2 phần chính của tòa nhà.

Việc thiết kế, tính toán hệ thống điều hòa không khí phải được thực hiện từ các nhà thiết kế chuyên môn trên các phần mềm chuyên dụng. Để có được 1 hệ thống điều hòa không khí vận hành tốt, tối ưu từ khâu thiết kế, thi công, vận hành, bảo trì là điều rất phức tạp.

Hệ thống điều hòa trung tâm được chia ra các phần 5 chính như sau, mỗi phần có tính năng riêng nhưng rất liên quan mật thiết với nhau về năng lượng nên hoạt động đồng bộ là rất cần thiết.

Hệ thống điều hòa trung tâm Chiller gồm 5 nhóm cơ bản như sau:

2.1. Máy chiller nước trung tâm

Trước hết chúng ta cần ôn lại khái niệm thay đổi năng lượng qua chỉ số Enthalpy theo công thức sau:

H = E + PV

• H = Enthalpy
• E = Internal Energy là năng lượng tiềm ẩn vốn có
• P = Pressure: Áp lực
• V = Volume: Thể tích

Và được hiểu cơ bản rằng Enthalpy liên quan mật thiết với nhiệt độ theo tỉ lệ thuận nào đó, Enthalpy tăng là nhiệt độ sẽ tăng.

Chiller gồm 4 thiết bị chính của chu trình nhiệt căn bản là

• Máy nén ga: Hút và nén môi chất từ trạng thái hơi (Gas) sang trạng thái lỏng theo áp suất tăng dần nhưng thể tích không đổi, làm cho tăng nhiệt tăng và được đưa vào dàn ngưng.
• Dàn ngưng tụ hay dàn nóng (Condenser): Nhiệt độ này sẽ được giảm đi bằng cách trao đổi nhiệt gián tiếp tại dàn ngưng (condenser) bằng nước (hệ thống giải nhiệt cooling tower) hoặc bằng không khí (air-chiller), sau đó tiếp đi đến van tiết lưu.
• Van tiết lưu: Để điều chỉnh cho Gas dạng lỏng áp suất cao đi qua và thành áp suất thấp bay hơi thu nhiệt có nhiệt độ thấp (2 – 3 độ C) và được đưa vào dàn lạnh (Evaporator).
• Dàn bay hơi hay dàn lạnh (Evaporator): Tại đây được thực hiện trao đổi nhiệt gián tiếp, nhiệt lạnh sẽ làm lạnh nước của hệ chiller hoặc môi chất của hệ thống khác.

2.2. Hệ thống tuần hoàn nước lạnh (chilled water)

Bao gồm bơm nước lạnh và đường ống chính, ống nhánh cùng các van đóng mở trên đường ống, các bình giãn nở, van xả khí…

Hệ thống này không có gì đặc biệt, chủ yếu là thiết kế vận tốc dòng chảy không quá thấp  hoặc quá cao, áp không quá thấp hoặc không quá cao. Bơm thì hầu hết hoạt động theo biến tần và có thể tự động chuyển đổi các bơm hoạt động theo cài đặt.

2.3. Thiết bị trao đổi nhiệt tại các điểm sử dụng

▶ Với không khí: AHU, FCU, PAU

▶ Với chất lỏng: Bộ trao đổi nhiệt ( Heating Exchanger )

Chúng ta cùng tìm hiểu 1 số thiết bị cơ bản:

2.3.1. FCU là gì ?

FCU (Fan-Coil Unit) là thiết bị xử lý không khí; gồm Quạt – Fan, Dàn ống trao đổi nhiệt – Coil. Công suất chỉ khoảng từ 2kW – 20kW. Có thể có thêm bộ gia nhiệt heater (hay còn gọi là bộ sấy điện) cho những nơi nhiệt độ thấp vào mùa đông  nhưng không tại Việt Nam.

2.3.2. AHU là gì ?

AHU (Air-Handling Unit) cũng tương tự như FCU nhưng năng suất lớn hơn rất nhiều. Cấu tạo thêm nhiều phần khác để tăng chất lượng không khí lên như hộp hòa trộn, bộ lọc không khí, bộ gia nhiệt sơ cấp, dàn ống dẫn, bộ gia nhiệt thứ cấp, quạt ly tâm, có thể tích hợp cả đèn UV tiệt trùng.

2.3.3. PAU là gì ?

PAU (Primary-Air Unit) là thiết bị xử lý không khí tươi sơ bộ để đưa vào cho AHU, FCU đáp ứng những nơi yêu cầu chuẩn không khí cao hơn như bệnh viện, các phòng sạch…

2.4. Các thiết bị điều khiển lượng gió: các van chỉnh gió, họng gió

• VAV: Variable air volume để kiểm soát lượng không khí. 

• DAMPER: 

2.5. Hệ thống giải nhiệt cho dàn ngưng

Dàn ngưng bị nóng lên là do trao đổi nhiệt gián tiếp của môi chất bị nén trong chu kỳ 4 bước của môi chất. Đối với chiller trung tâm thì do năng suất lớn nên cần dùng water chiller – nghĩa là dùng nước để giải nhiệt dàn nóng gọi là làm mát bằng tháp làm mát hay cooling tower.

3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Chiller

Trong phần này chỉ đề cập đến đường đi của nước chiller còn gọi là nước lạnh.

Nước được tuần hoàn liên tục trong hệ thống, bắt đầu qua chiller để trao đổi gián tiếp với dàn bay hơi để nước có nhiệt độ khoảng 7 độ C, sau đó được bơm cung cấp đến các dàn trao đổi nhiệt gián tiếp với không khí tại các AHU và FCU (để làm giải nhiệt độ không khí trong phòng làm việc hay không gian sản xuất, kho chứa hàng…). Sau khi trao đổi nhiệt thì nhiệt độ nước sẽ tăng lên khoảng 12 độ C, được tiếp tục tuần hoàn về chiller để giảm nhiệt độ đến 7 độ C.

Do có các đầu dò về nhiệt độ và lượng khí cung cấp cũng được tự động theo mức đóng mở của VAV, Damper, các bơm nước chiller cũng hoạt động theo biến tần nên sẽ tiết kiệm được năng lượng, tuy nhiên khi chiller chạy ở tải thấp thì sẽ không tối ưu được.

Nhiệt độ vào / ra dàn lạnh và  dàn ngưng chiller 54 / 44 độ F =  12.2 / 6.6 độ C và 85 / 95 độ F = 29.4 / 35 độ C

4. Chiller bao gồm những loại nào?

Có thể chia thành các loại, tuỳ theo từng mục đích muốn hướng tới.

– Theo mục đích xử lý nước để bảo vệ hệ thống chiller thì chia thành 2 hệ thống KÍN và HỞ vì việc tiếp xúc với không khí thì chương trình xử lý nước và bảo vệ bằng hoá chất cũng khác nhau

– Theo cách giải nhiệt dàn nóng thì chia ra thành 2 nhóm: Chiller giải nhiệt bằng nước (water chiller) và chiller giải nhiệt bằng gió (air chiller). Nguyên lý làm việc thì giống nhau nhưng khác nhau dùng nước hay gió mà thôi, tuy nhiên để chọn lựa chiller nước hay chiller gió phải dựa vào rất nhiều ưu nhược cũng như tính toán chi phí đầu tư vận hành trước khi quyết định. 

– Theo chất tải nhiệt để làm lạnh thì chia ra chiller nước và VRV (VRF) môi chất lạnh

5. Hệ thống chiller giải nhiệt nước

Ưu điểm:

– Phù hợp cho năng suất trung bình – lớn ( 500 – 4,000 RT )

– Hiệu quả cao 

Nhược điểm:

– Chi phí đầu tư  và vận hành lớn

– Xử lý nước và hoá chất cho dàn ngưng hay hệ thống tháp giải nhiệt

– Vận hành bảo trì phức tạp

6. Hệ thống chiller giải nhiệt bằng không khí

Như đã nói ở trên, chiller gió là dùng gió để giải nhiệt cho dàn nóng, xét về hiệu quả thì khả năng truyền nhiệt kém hơn nhiều so với chiller nước (hiệu quả 1.3 – 1.6 lần so chiller gió), tuy nhiên có 1 số đặc điểm riêng cùng xem xét. 

Ưu điểm:

– Phù hợp cho năng suất nhỏ – vừa.

– Mở rộng năng suất thì chỉ cần lắp thêm.

– Áp dụng nhiều không có nước hoặc chất lượng nước quá tệ không đảm bảo.

– Không cần phải xử lý nước cho dàn ngưng do tải nhiệt bằng không khí.

Nhược điểm:

– Chỉ áp dụng cho công trình nhỏ – vừa.

– Toả nhiệt nóng nếu không khí lưu thông không đủ.

– Dù không xử nước nhưng không khí bẩn sẽ làm dàn coil bẩn rất nhanh và cần phải vệ sinh định kỳ.

– Vận hành bảo trì đơn giản.

7. Cách tăng hiệu quả hoạt động của hệ thống làm lạnh Chiller

Nhiệt độ Approach là gì?

Để đánh giá hiệu quả truyền nhiệt của chiller nước thì chỉ số quan trọng là nhiệt độ Approach hay approach temperature. Theo mô tả sơ đồ Nhiệt độ Approach được hiểu là mức chênh lệch nhiệt độ tại Condenser hay tại dàn nóng của nhiệt độ nước giải nhiệt (cooling water) ngay sau khi ra khỏi dàn ngưng – nhiệt độ của môi chất ngay sau khi ra khỏi dàn ngưng (hoặc nói cách khác ngay sau khi trao đổi nhiệt gián tiếp)

Nhiệt độ Approach = T1 – T2 = ΔT

ΔT càng nhỏ thì hiệu quả trao đổi nhiệt càng cao, thường nên duy trì từ < 2.5 – 3.0 độ C.

8. Bảo trì bảo dưỡng định kỳ

Mỗi hãng chiller có danh mục kiểm tra ngăn ngừa sự cố và bảo trì, thay thế định kỳ theo hằng ngày, tuần, tháng và năm rất rõ ràng từng hạng mục.

Các thông số của hệ thống chiller và điều hoà không khí được giám sát qua màn hình cục bộ từng máy, SCADA hoặc BMS và có thể tải lịch sử vận hành để theo dõi.

Sau đây là 1 số điểm cần theo kiểm tra  cơ điện theo lịch và ghi chú:

(1) Lưu ý chất làm lạnh và mức dầu

(2) Kiểm tra hệ thống điều khiển quạt

(3) Kiểm tra chênh lệch nhiệt độ nước thiết bị bay hơi

(4) Đo vôn / ampe động cơ quạt bình ngưng, nếu có

(5) Kiểm tra lưu lượng nước qua thiết bị bay hơi

(6) Đo áp suất dàn ngưng và dàn bay hơi

(7) Kiểm tra hoạt động của các điều khiển

(8) Rò rỉ-Đo và kiểm tra chất làm lạnh, nước, dầu, v.v.

(9) Kiểm tra cài đặt kiểm soát an toàn

(10) Kiểm tra cài đặt điều khiển hoạt động

(11) Kiểm tra hoạt động của động cơ máy nén

(12) Kiểm tra hiệu suất động cơ máy nén

(13) Kiểm tra vôn / ampe động cơ máy nén

(14) Đảm bảo tất cả các ống nắp không bị rò rỉ

(15) Kiểm tra dàn ngưng / dàn bay hơi kiểm soát không khí và nước

(16) Kiểm tra chỉ báo độ ẩm

(17) Kiểm tra áp suất thấp / cao và áp suất dầu

(18) Kiểm tra chuyển động quay của quạt và cụm lắp ráp, v.v.

(19) Kiểm tra kiểm soát nhiệt độ nước lạnh

(20) Kiểm tra đai, puly – độ căng và căn chỉnh

(21) Kiểm tra bộ điều khiển tốc độ quạt

(22) Lắng nghe và tìm kiếm những tiếng động / rung động bất thường

(23) Kiểm tra tính toàn vẹn cấu trúc của đơn vị

(24) So sánh trọng tải đang được sản xuất và điện được tiêu thụ

9. Xử lý cáu cặn chiller bằng hóa chất

Đặc biệt xử lý nước cho chiller là rất khó trong thời gian đầu, đặc biệt hệ thống mới bằng thép đen, sau khi đã ổn định thì việc quản lý theo dõi trở nên đơn giản

Nếu không xử lý tốt thì rất nhiều sự cố xảy ra cho hệ thống như:

• Tắc nghẽn trong các AHU, FCU dẫn đến rất khó vệ sinh, giảm khả năng truyền nhiệt, thậm chí nước không thể đi qua được
• Ăn mòn thì rất khó khắc phục, sản phẩm của ăn mòn thành lớp cặn bám càng gây ra ăn mòn cục bộ
• Vi sinh gây ra mùi và ăn mòn kỵ khí
• Cặn bám gây ra mất khả năng truyền nhiệt
• …  

Để tránh mọi sự cố nói trên, và kéo dài tuổi thọ tăng hiệu quả cho hệ thống chiller, hệ thống cooling tower thì cần thực hiện như sau:

• Xử lý ban đầu cho hệ thống mới
• Kiểm tra nguồn nước để xem có cần xử lý trước khi cấp vào hệ thống chiller và hệ thống giải nhiệt hay không, và có giải pháp xử lý  phù hợp
• Sử dụng hoá chất bảo trì gồm 1- Chống ăn mòn, 2- Chống cặn, 3- Chống vi sinh, tảo
• Gắn các thiết bị theo dõi cơ bản như TDS, pH
• Gắn các thiết bị lọc cho nước giải nhiệt và chiller
• Luôn đánh giá chất lượng nước và hiệu chỉnh cho phù hợp
• Theo dõi nhiệt độ Approach
• Vệ sinh dàn ngưng, tháp giải nhiệt định kỳ

10. Giải pháp xử lý cáu cặn chiller hiệu quả tại Công ty Hợp Nhất

Công ty Hợp Nhất là nhà thầu chuyên nghiệp trong xử lý nước và hoá chất cho hệ thống giải chiller và cooling tower. Chúng tôi có đầy đủ công nghệ, chuyên môn, nhân sự, thiết bị và lòng nhiệt tình nhằm mang lại mọi an toàn, hiệu quả và tiết kiệm cho Quý khách hàng về phần xử lý nước, hoá chất để đảm bảo hệ thống luôn vận hành tốt nhất với chi phí thấp nhất.

Hãy liên lạc chúng tôi để có mọi thông tin cần thiết!

======

Các bài viết có liên quan:

>> Xử lý cáu cặn chiller

>> Hóa chất tháp giải nhiệt

>> Xử lý cáu cặn tháp giải nhiệt