Hiện tượng đọng sương trên lớp vỏ AHU

HIỆN TƯỢNG ĐỌNG SƯƠNG TRÊN LỚP VỎ AHU

Thân chào bạn đọc!

Chào mừng bạn đến với Chiller Learner - nơi chia sẻ kiến thức từ cơ bản đến chuyên sâu về lĩnh vực HVAC và hệ thống Chiller.

Hôm nay, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về chủ đề: "Hiện tượng đọng sương trên lớp vỏ AHU".

I. Tổng quan

    Về bản chất, hiện tượng đọng sương xảy ra khi lớp không khí được làm lạnh dưới nhiệt độ đọng sương của nó, lúc này nước trong khối không khí ẩm sẽ bắt đầu tách ra.

    Vì vậy trong thực tế khi chúng ta thấy lớp vỏ AHU bị đọng sương khi bề mặt đó có nhiệt độ thấp đã làm lạnh lớp không khí tiếp xúc nó xuống thấp dưới điểm đọng sương, lúc này nước tách ra từ không khí sẽ bám lên bề mặt thiết bị.

Hình 1 - Minh hoạ hiện tượng đọng sương trên vỏ AHU

    Việc đọng sương trên bề mặt thiết bị là một trong những kết quả không mong muốn trong quá trình vận hành, ngoài việc giảm tính thẩm mỹ, việc đọng sương trên bề mặt còn gây rỉ sét một số linh kiện liên quan, ảnh hưởng đến sàn/ trần nơi lắp đặt thiết bị.
Ngay sau đây hãy cùng đi sâu hơn về nội dung này cũng như cách phòng tránh trong quá trình thiết kế.

    Để kiểm tra vỏ AHU có khả năng xảy ra đọng sương hay không, ta cần quan tâm 2 thông số chính: nhiệt độ đọng sương của không khí xung quanh AHU và hệ số cầu nhiệt của cấu hình vỏ AHU.

II. Nhiệt độ đọng sương của môi trường xung quanh AHU

    Đây là nhiệt độ mà tại đó không khí đạt trạng thái bão hòa (với độ ẩm tương đối 100%) sau khi được làm lạnh mà không làm thay đổi độ chứa hơi trong không khí đó.

    Để xác định được nhiệt độ đọng sương của không khí ở điều kiện bất kỳ, ta cần biết 2 thông số sau: nhiệt độ bầu khô (Dry Bulb, là nhiệt độ được đo bằng nhiệt kế) và độ ẩm tương đối (Relative humidity). Hiện nay có khá nhiều công cụ hỗ trợ việc tra nhiệt độ đọng sương, đơn giản nhất là sử dung đồ thị Psychrometric của không khí ẩm.

    Như vậy, với mỗi điều kiện không khí (nhiệt độ-DB & độ ẩm tương đối-RH), ta sẽ tra được nhiệt độ đọng sương (DP) của không khí tương ứng.

Hình 2 - Thông số trạng thái của không khí ẩm

    Như hình 2 trên chúng ta thấy:
        - Point A: DB = 25 oC và RH = 50%  thì DP (Dew point) = 13.9 oC 
        - Point B: DB = 30 oC, RH = 55%, DP = 20 oC
        - Point C: DB = 35 oC, RH = 60%, DP = 26.1 oC

    Kết quả trên cho thấy rằng, khi không khí có nhiệt độ/ độ ẩm càng cao thì nhiệt độ đọng sương và khả năng đọng sương của không khí đó càng cao.

    Điều gì sẽ xảy ra nếu bề mặt thiết bị có nhiệt độ 23 oC và được đặt trong môi trường với 3 điều kiện trên?

    Đáp án là thiết bị sẽ bị đọng sương trên bề mặt ở trường hợp C, do lớp không khí tiếp xúc bề mặt thiết bị được làm lạnh xuống thấp hơn 26.1 oC (điểm đọng sương của không khí đó), lúc này nước tách ra sẽ bám trên thành bề mặt thiết bị.

    Vì vậy khi thiết bị làm lạnh có nhiệt độ bên trong càng thấp hoặc được đặt trong môi trường có Dewpoint càng cao sẽ càng dễ xảy ra hiện tượng đọng sương hơn.

III. Hệ số cầu nhiệt Kb (Thermal bridging factor) của cấu hình vỏ AHU

    Đây là hệ số tượng trưng cho khả năng hạn chế sự truyền nhiệt giữa môi trường bên trong và ngoài qua lớp vỏ AHU.

    Hệ số Kb được giới thiệu trong tiêu chuẩn British Standard BS EN 1886:1998, với công thức sau:

    Dựa vào công thức trên, nếu biết trước hệ số Kb của vỏ AHU, ta có thể suy ra nhiệt độ bề mặt của thiết bị tại thời điểm đó, sau đó so với nhiệt độ đọng sương của môi trường xung quanh để kiểm tra khả năng đọng sương.

    Thông thường hệ số Kb sẽ được tính toán và chọn để đảm bảo việc đọng sương không xảy ra với việc giả định trước tsmax.

    Với mỗi phân loại cấp độ cầu nhiệt TB1 ~ TB5 của vỏ AHU khác nhau sẽ đi kèm với khoảng hệ số Kb tương ứng.

IV. Ví dụ minh họa

    Giả sử AHU đang hoạt động ổn định với nhiệt độ gió bên trong khoảng 12oC, môi trường xung quanh AHU có DB = 30oC & RH = 60%, AHU được thiết kế với cấu hình vỏ TB3 (tương ứng với 0.45<Kb<0.6, chọn giá trị thấp nhất để tính toán là 0.45). Trường hợp này có khả năng xảy ra đọng sương trên bề mặt AHU không?

    Áp dụng công thức Kb ở trên: Kb = 0.45 = (12 - tsmax)/(12-30)
                                        Suy ra: Tsmax = 20.1 oC

    Do nhiệt độ bề mặt vỏ AHU (Tsmax = 20.1) thấp hơn nhiệt độ đọng sương của không khí xung quanh AHU (DPa = 21.4) nên có khả năng xảy ra đọng sương trên bề mặt.

    Để khắc phục chúng ta cần tăng nhiệt độ bề mặt vỏ AHU cao hơn ít nhất 0.5~1oC so với DPa , nghĩa là Tsmax ~ 22.4 oC.

    Lúc này hệ số cầu nhiệt Kb cần là: Kb = (12 - 22.4)/(12-30) = 0.58

    Vì vậy, khi thiết kế AHU cần chọn cấu hình vỏ AHU với hệ số cầu nhiệt Kb cao hơn 0.58, tương đương Class TB2 trở lên.

    Như vậy chúng ta vừa tìm hiểu về hiện tượng đọng sương trên lớp vỏ AHU. Nếu có bất kỳ thắc mắc hoặc ý kiến đóng góp về nội dung bài viết, anh/chị hãy để lại bình luận hoặc gửi mail về địa chỉ chillerlearner@gmail.com. Xin cảm ơn!

Thân chào và hẹn gặp lại ở chủ đề tiếp theo!

Chiller Learner.

Các kiểu thiết kế mạch nước Chiller

CÁC KIỂU THIẾT KẾ MẠCH NƯỚC CHILLER

Thân chào bạn đọc!

Chào mừng bạn đến với Chiller Learner - nơi chia sẻ kiến thức từ cơ bản đến chuyên sâu về lĩnh vực HVAC và hệ thống Chiller.

Hôm nay, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về chủ đề: "Các kiểu thiết kế mạch nước Chiller".

I. Tổng quan

    Mạch nước lạnh Chiller (chilled water loop) có vai trò chuyển tải nước được làm lạnh từ Chiller đến thiết bị trao đổi nhiệt AHU/FCU và tuần hoàn nước trở lại chiller để tiếp tục làm lạnh. Việc tuần hoàn nước được thực hiện nhờ vào các bơm nước lạnh (Chilled water pump), và đây là mạch nước kín.

Trên thực tế có nhiều kiểu thiết kế mạch nước lạnh khác nhau, vậy đó là những kiểu nào và cách lựa chọn mạch nước để thiết kế cho phù hợp với mỗi dự án sẽ được chúng tôi làm rõ trong chủ đề hôm nay.

Đầu tiên cần đến với công thức “kinh điển” đối với các kỹ sư ngành nhiệt lạnh trong việc tính toán lượng nhiệt/ công suất lạnh (Q) của thiết bị trao đổi nhiệt (dàn lạnh AHU/ FCU, ...).

Ta có công thức: Q = m.Cp.DeltaT
Hay: Q (kW) = Lưu lượng nước [l/s] * 1 [kg/L] * 4.19 [kJ/kgK] * Chênh nhiệt độ nước vào/ra dàn lạnh [oC]
Với: 4.19 là nhiệt dung riêng của nước [kJ/kgK]; 1: khối lượng riêng của nước [kg/L]
(ở điều kiện tiêu chuẩn gần nhiệt độ phòng (~ 20°C) và áp suất khí quyển).

Từ công thức trên ta thấy rằng: Khi Q thay đổi (tải nhiệt trong phòng thay đổi), có 2 cách điều chỉnh mạch nước của hệ thống Chiller để đáp ứng tải thay đổi này, đó là:
    1. Thay đổi chênh nhiệt độ nước vào/ra dàn lạnh & lưu lượng nước qua dàn lạnh không đổi (Constant flow rate).
    2. Cố định chênh nhiệt độ nước vào/ra dàn lạnh & lưu lượng nước qua dàn lạnh thay đổi (Variable flow rate).

Từ đó mạch nước Chiller sẽ có 2 kiểu thiết kế chính là: Constant flow rate và Variable flow rate. Tuy nhiên do sự khác nhau trong cách điều chỉnh lưu lượng qua Chiller và qua dàn coil trao đổi nhiệt (Airside system), nên trên thực tế mạch nước lạnh của hệ thống Chiller sẽ có các dạng thiết kế chi tiết sau:
    1. Chiller: Constant flow & Airside system: Constant flow
    2. Chiller: Constant flow & Airside system: Variable flow
    3. Chiller: Constant flow & Airside system: Variable flow (Primary – Secondary System)
    4. Chiller: Variable flow & Airside system: Variable flow (Variable Primary Flow System - VPF)

Trong phần tiếp theo hãy cùng tìm hiểu ý nghĩa và cách điều khiển của từng kiểu thiết kế trên.

II. Các kiểu thiết kế mạch nước Chiller phổ biến

    1. Loại 1: Chiller-Constant flow & Airside system-Constant flow

Hình 1 - Mạch Chiller-Constant flow & Airside system-Constant flow

    Đối với mạch nước Loại 1: Lưu lượng nước qua Chiller và qua hệ thống Airside sẽ được duy trì không đổi ở bất kỳ điều kiện tải thay đổi nào.

    - Đặc điểm:

       + Bơm nước lạnh (Chilled water pump) vận hành ở lưu lượng không đổi. Bạn cũng có thể chọn bơm biến tần trong trường hợp này, tuy nhiên mục đích chính là để cân chỉnh lưu lượng về đúng thiết kế tránh lãng phí năng lượng, chứ không nhằm mục đích thay đổi tần số trong quá trình hoạt động.

       + Van 3 ngã tại Airside (AHU/FCU): thường được lắp tại đầu ra AHU/FCU, mục đích là để by-pass 1 phần nước qua coil khi giảm tải. 

    - Nguyên lý điều khiển: 

       + Chiller được tự động điều khiển công suất để cấp nước lạnh với nhiệt độ cài đặt mong muốn.

       + Bơm nước lạnh sẽ vận hành để đảm bảo lưu lượng nước trong hệ thống không đổi.

       + Trường hợp tải lạnh cần giảm, van 3 ngã sẽ điều chỉnh độ mở van để giảm lượng nước trực tiếp qua coil lạnh và phần nước còn lại sẽ được bypass qua coil. Van 3 ngã sẽ được điều khiển dựa trên tín hiệu nhiệt độ phòng so với giá trị cài đặt.

    - Ứng dụng:

       + Các dự án có nhu cầu tải ít biến động và thường ở tải đỉnh.

       + Dự án có công suất lạnh nhỏ, cần vận hành và điều khiển đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không cao.

    - Nhược điểm:

       + Tốn năng lượng tiêu thụ của bơm khi vận hành liên tục ở lưu lượng không đổi.

    2. Loại 2: Chiller-Constant flow & Airside system-Variable flow

Hình 2 - Mạch Chiller-Constant flow & Airside system-Variable flow

    Đối với mạch nước Loại 2: Lưu lượng nước qua Chiller sẽ được duy trì không đổi và nước qua hệ thống Airside sẽ được thay đổi theo điều kiện tải thay đổi.

    - Đặc điểm: gần giống với sơ đồ loại 1, tuy nhiên khi tải thay đổi thay vì nước được bypass qua mỗi dàn lạnh thì ở sơ đồ Loại 2 nước sẽ được bypass qua đường ống chính.

       + Bơm nước lạnh (Chilled water pump) vận hành ở lưu lượng không đổi.

       + Đường ống & van bypass: nối giữa ống cấp và hồi chính để by-pass 1 phần nước trước khi đến dàn lạnh khi giảm tải.

       + Van 2 ngã: điều khiển độ mở van để tăng/ giảm lưu lượng nước qua coil theo nhu cầu tải.

    - Nguyên lý điều khiển:

       + Chiller được tự động điều khiển công suất để cấp nước lạnh với nhiệt độ cài đặt mong muốn.

       + Bơm nước lạnh sẽ vận hành để đảm bảo lưu lượng nước trong hệ thống không đổi.

       + Trường hợp tải lạnh cần giảm, van 2 ngã sẽ điều chỉnh độ mở van để giảm lượng nước qua coil lạnh (van 2 ngã sẽ được điều khiển dựa trên tín hiệu nhiệt độ phòng so với giá trị cài đặt). Phần nước còn lại không qua coil sẽ đi qua đường ống bypass thông qua việc điều chỉnh độ mở của van bypass (dựa vào tín hiệu chênh áp suất của thiết bị đầu cuối).

    - Ứng dụng:

       + Các dự án có nhu cầu tải ít biến động và thường ở tải đỉnh.

       + Dự án có công suất lạnh nhỏ, cần vận hành và điều khiển đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu không cao.

       + Thường được thiết kế khi không gian lắp đặt ống bypass tại airside hạn chế.

    - Nhược điểm:

       + Tốn năng lượng tiêu thụ của bơm khi vận hành liên tục ở lưu lượng không đổi.

    3. Loại 3: Chiller-Constant flow & Airside system-Variable flow (Primary – Secondary System)

Hình 3 - Chiller-Constant flow & Airside system-Variable flow (Primary – Secondary System)

    Đối với mạch nước Loại 3: Lưu lượng nước qua Chiller sẽ được duy trì không đổi và nước qua hệ thống Airside sẽ được thay đổi theo điều kiện tải.

    - Đặc điểm: mỗi mạch sẽ có cụm bơm riêng điều khiển lưu lượng độc lập, với mạch Chiller là cụm bơm sơ cấp (Primary pump) và mạch Airside là cụm bơm thứ bơm (Secondary pump).

       + Bơm nước lạnh qua Chiller (Primary pump): duy trì lưu lượng không đổi qua Chiller.

       + Bơm nước lạnh qua Airside (Secondary pump) điều khiển bởi biến tần: để cấp nước đến dàn lạnh và thay đổi lưu lượng cho phù hợp với nhu cầu tải.

       + Đường ống bypass: nối giữa ống cấp và hồi chính để by-pass phần nước chênh lệch giữa bơm sơ cấp và bơm thứ cấp. Lưu ý trên đoạn ống này sẽ không lắp van.

       + Van 2 ngã: điều khiển độ mở van để tăng/ giảm lưu lượng nước qua coil theo nhu cầu tải.

    - Nguyên lý điều khiển:

       + Chiller được tự động điều khiển công suất để cấp nước lạnh với nhiệt độ cài đặt mong muốn.

       + Bơm sơ cấp sẽ vận hành để đảm bảo lưu lượng nước trong hệ thống không đổi.

       + Bơm thứ cấp và van 2 ngã tại dàn lạnh sẽ điều chỉnh lưu lượng phù hợp với nhu cầu tải.

       + Lưu lượng nước chênh lệch giữa bơm sơ cấp và thứ cấp sẽ tự chảy qua đoạn ống bypass.

    - Ứng dụng:

       + Các dự án có tải biến động, muốn duy trì lưu lượng nước ổn định qua Chiller, tiết kiệm năng lượng vận hành của bơm thứ cấp khi tải thay đổi.

       + Dự án có công suất lạnh lớn, cần cấp nước đến nhiều khu vực sử dụng nước lạnh xa nhau/ riêng biệt, lúc này mỗi khu vực sẽ lắp 1 cụm bơm thứ cấp tương ứng.

    - Nhược điểm:

       + Thiết kế & điều khiển phức tạp hơn hệ thống lưu lượng không đổi, chi phí đầu tư ban đầu cao.

       + Vẫn còn tốn nhiều điện năng cho bơm sơ cấp.

    4. Loại 4: Chiller-Variable flow & Airside system-Variable flow (Variable Primary Flow System - VPF)

Hình 4 - Chiller-Variable flow & Airside system-Variable flow (Variable Primary Flow System - VPF)

    Đối với mạch nước Loại 4: Lưu lượng nước qua Chiller và qua hệ thống Airside sẽ được thay đổi theo điều kiện tải. Đây cũng là kiểu thiết kế phổ biến hiện nay.

    - Đặc điểm:

       + Bơm nước lạnh (Chilled water pump): điều khiển bởi biến tần.

       + Van 2 ngã: điều khiển độ mở van để tăng/ giảm lưu lượng nước qua coil theo nhu cầu tải.

       + Đường ống bypass: nối giữa ống cấp và hồi chính để bypass nước nhằm đảm bảo lượng nước tối thiểu qua Chiller.

    - Nguyên lý điều khiển:

       + Chiller được tự động điều khiển công suất để cấp nước lạnh với nhiệt độ cài đặt mong muốn.

       + Bơm nước lạnh sẽ thay đổi lưu lượng trong hệ thống cho phù hợp với nhu cầu tải lạnh dựa vào tín hiệu chệnh áp của thiết bị đầu cuối.

       + Đường ống và van bypass: khi tải lạnh giảm quá thấp, lưu lượng nước qua airside giảm thấp dưới lưu lượng tối thiểu yêu cầu của Chiller, lúc này bơm cần duy trì lưu lượng tối thiếu cho Chiller và van bypass sẽ mở ra 1 phần để bypass lượng nước dư so với lưu lượng airside cần).

    - Ứng dụng:

       + Các dự án có tải biến động.

       + Dự án có công suất lạnh vừa và lớn, cần tiết kiệm năng lượng vận hành của bơm khi tải thay đổi để tối ưu năng lượng của hệ thống Chiller.

    - Nhược điểm:

       + Thiết kế & điều khiển phức tạp hơn hệ thống lưu lượng không đổi, chi phí đầu tư ban đầu cao.

    Như vậy chúng ta vừa tìm hiểu về các kiểu thiết kế mạch nước Chiller được sử dụng phổ biến hiện nay. Mong rằng bài viết mạng lại giá trị cho bạn. Nếu có bất kỳ thắc mắc hoặc ý kiến đóng góp về nội dung bài viết, anh/chị hãy để lại bình luận hoặc gửi mail về địa chỉ chillerlearner@gmail.com. Xin cảm ơn!

Thân chào và hẹn gặp lại ở chủ đề tiếp theo!

Chiller Learner.