Tháp giải nhiệt

Tháp giải nhiệt (Cooling tower) hay Tháp làm mát là một thiết bị đào thải nhiệt thải vào bầu khí quyển thông qua việc làm mát một dòng chất làm mát (thường là dòng nước) xuống mức nhiệt độ thấp hơn. Tháp giải nhiệt sử dụng nguyên lý bốc hơi nước để loại bỏ nhiệt và làm mát chất lỏng đến nhiệt độ gần bằng nhiệt độ bầu ướt của không khí, hoặc trong trường hợp của tháp giải nhiệt khô, chúng phụ thuộc hoàn toàn vào không khí để làm mát chất lỏng đến nhiệt độ gần bằng nhiệt độ bầu khô của không khí thông qua các bộ tản nhiệt. Các ứng dụng phổ biến bao gồm làm mát nguồn nước tuần hoàn sử dụng trong các nhà máy lọc dầu, nhà máy hóa chất và hóa chất dầu, nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân và hệ thống HVAC để làm mát cho các tòa nhà. Việc phân loại dựa trên phương thức dẫn không khí vào tháp: các chủng loại tháp giải nhiệt chủ đạo bao gồm tháp giải nhiệt thông gió tự nhiên và tháp giải nhiệt thông gió cưỡng bức. Tháp giải nhiệt biến thiên về mặt kích thước từ các cụm nhỏ đặt trên mái nhà đến các kết cấu hình ống loe hyperboloid khổng lồ có thể cao tới 200m và đường kính đạt 100m, hoặc các kết cấu hình hộp chữ nhật có thể cao trên 40m và dài hơn 80m. Các tháp giải nhiệt hình hyperboloid thường được liên tưởng đến các nhà máy điện hạt nhân, dẫu cho chúng cũng được dùng nhiều ở các nhà máy đốt than và ở mức độ nhất định trong các nhà máy hóa chất hay xưởng công nghiệp lớn. Tuabin hơi nước chính là thiết bị đòi hỏi phải có tháp giải nhiệt để ngưng tụ và tái tuần hoàn nguồn nước. Mặc dù các tháp lớn này rất dễ nhận biết, đại đa số các tháp giải nhiệt trong thực tế có kích thước nhỏ hơn nhiều, bao gồm nhiều cụm máy được lắp đặt trên hoặc gần các tòa nhà để thải nhiệt từ hệ thống điều hòa không khí. Công chúng cũng thường lầm tưởng rằng tháp giải nhiệt phát thải ra khói hoặc khí độc hại, trong khi trên thực tế khí thải từ các tháp này cấu thành hoàn toàn từ hơi nước và không đóng góp vào dấu chân carbon. Lịch sử Tháp giải nhiệt bắt nguồn từ thế kỷ XIX thông qua quá trình nghiên cứu phát triển các bộ ngưng tụ để vận dụng song hành cùng động cơ hơi nước. Bộ ngưng tụ sử dụng nguồn nước mát bằng nhiều phương thức để ngưng tụ lượng hơi nước thoát ra từ các xi lanh hoặc tuabin. Quá trình này giúp cắt giảm chỉ số áp suất ngược, từ đó làm giảm mức tiêu thụ hơi nước và nhiên liệu, đồng thời tăng cường công suất cơ năng và tái chế nguồn nước cấp cho lò hơi. Tuy nhiên, bộ ngưng tụ đòi hỏi phải được cung cấp một nguồn nước làm mát dồi dào, nếu thiếu đi nguồn cung này thì chúng không thể vận hành thực tế. Mặc dù việc sử dụng nước không phải là bài toán hóc búa đối với động cơ hơi nước đường thủy, nó lại là một rào cản giới hạn lớn đối với nhiều hệ thống đặt trên đất liền. Vào giai đoạn bước sang thế kỷ XX, nhiều hệ phương pháp luận bốc hơi để tái chế nước làm mát đã được đưa vào khai thác tại những vùng thiếu nguồn cung cấp nước ổn định, cũng như tại các khu vực đô thị nơi mạng lưới đường ống cấp nước của thành phố không đủ sản lượng cung ứng trong những thời điểm nhu cầu tăng cao, hoặc không đáp ứng được các yêu cầu làm mát. Tại những khu vực có lợi thế mặt bằng đất đai rộng rãi, hệ thống được xây dựng dưới hình thái những hồ giải nhiệt; ở các khu vực có mặt bằng đất đai giới hạn như trong thành phố, chúng được triển khai dưới dạng các tháp giải nhiệt. Các tháp giải nhiệt đời đầu được lắp đặt trên mái các tòa nhà hoặc xây dựng thành các kết cấu độc lập, được cung cấp không khí bằng quạt hoặc phụ thuộc vào dòng khí tự nhiên. Một cuốn sách giáo khoa kỹ thuật của Mỹ xuất bản năm 1911 đã mô tả một bản thiết kế là “một lớp vỏ bọc hình tròn hoặc hình hộp chữ nhật cấu thành từ các tấm thép nhẹ — về bản chất, đây là một ống khói được thu ngắn chiều dọc (cao từ 6 đến 12 m) và mở rộng rất nhiều về chiều ngang. Phía đỉnh tháp là một bộ máng phân phối, nơi nước từ bộ ngưng tụ bắt buộc phải được bơm lên; từ đây nước sẽ nhỏ giọt xuống qua các tấm thảm làm từ các thanh gỗ hoặc tấm lưới dây kim loại dệt, vốn được xếp đầy khoảng trống bên trong lòng tháp”. Kiến trúc tháp giải nhiệt hình hyperboloid đã được hai kỹ sư người Hà Lan là Frederik van Iterson và Gerard Kuypers đăng ký bằng sáng chế tại Hà Lan vào ngày 16 tháng 8 năm 1916. Tháp giải nhiệt hyperboloid bằng bê tông cốt thép đầu tiên trên thế giới được xây dựng bởi Mỏ quốc doanh Hà Lan (DSM) Emma vào năm 1917 tại vùng Heerlen (Tháp số II). Những công trình đầu tiên thuộc chủng loại này tại Vương quốc Anh được xây dựng vào năm 1924 tại Nhà máy điện Lister Drive ở thành phố Liverpool, nước Anh, phục vụ cho hoạt động làm mát nước tuần hoàn tại một nhà máy nhiệt điện đốt than. Theo một báo cáo của Viện Công nghệ Khí gas (GTI), chu trình bốc hơi gián tiếp chạm điểm sương Maisotsenko (Chu trình M) là một hệ phương pháp luận toán học chuẩn xác để hạ nhiệt độ chất lỏng xuống bằng điểm sương của môi trường xung quanh, mức vốn thấp hơn nhiệt độ bầu ướt của môi trường. Chu trình M khai thác nguồn năng lượng ẩm tâm lý (hoặc thế năng) sẵn có từ ẩn nhiệt của tiến trình bốc hơi nước vào không khí. Dẫu hiện nay công nghệ này mới chỉ hiển thị dưới dạng thiết bị điều hòa không khí M-Cycle HMX, thông qua công tác thiết kế kỹ thuật, chu trình này hoàn toàn có thể được ứng dụng làm thiết bị thu hồi nhiệt và độ ẩm cho các thiết bị đốt, tháp giải nhiệt, bộ ngưng tụ và các dòng quy trình thặng dư có sự can thiệp của các dòng khí ẩm. Mức độ tiêu thụ nước làm mát của các nhà máy công nghiệp và nhà máy điện trong nội địa được dự báo sẽ làm suy giảm năng lực cung ứng điện năng của đại đa số các nhà máy nhiệt điện trong giai đoạn chặng đường những năm 2040–2069. Vào năm 2021, giới khoa học đã giới thiệu một phương pháp thu hồi hơi nước. Dòng hơi nước được tích điện bằng một chùm tia ion, sau đó được bẫy bắt lại trong một mạng lưới dây kim loại mang điện tích trái dấu. Độ tinh khiết của nguồn nước thu hồi hoàn toàn vượt trội hơn các tiêu chuẩn nước uống được của Cục Bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ (EPA). Chú thích