CÁC VẤN ĐỀ THƯỜNG XẢY RA TRONG HỆ THỐNG GIẢI NHIỆT

Mục đích sử dụng hệ thống giải nhiệt rất đa dạng: làm mát văn phòng; giải nhiệt cho thiết bị máy công nghiệp; bảo quản sản phẩm, nguyên vật liệu;….

Một hệ thống giải nhiệt thường bao gồm: cooling, condenser, chiller và hệ thống đường ống.

Trong quá trình vận hành, có 03 vấn đề thường xảy ra cho hệ thống này đó là:

• (1) Ăn mòn;
• (2) Cáu cặn;
• (3) Vi sinh vật.

Các vấn đề này gây ra các tổn hao chi phí, thời gian và ảnh hưởng đến sản xuất cho doanh nghiệp trong việc sửa chữa, khắc phục và dừng hệ thống.

Nguyên nhân của hiện tượng ăn mòn

Có nhiều nguyên nhân ảnh hưởng đến việc hình thành và phát triển quá trình ăn mòn.

Có thể kể đến các nguyên nhân chính như sau:

• Chất lượng nước sử dụng: các chỉ tiêu trong nước không nằm trong giới hạn cho phép đối với nguồn nước sử dụng cho hệ thống giải nhiệt;
• Thiết bị hệ thống: cấu trúc vật liệu, thiết kế không đảm bảo yêu cầu;
• Quá trình vận hành, bảo dưỡng: không có chương trình bảo dưỡng hợp lý;
• Ảnh hưởng của môi trường: hệ thống giải nhiệt, nhất là phần cooling, thường được bố trí ngoài trời, tiếp xúc trực tiếp với môi trường nên các vấn đề bụi, tạp chất, vi sinh vật phát triển sẽ góp phần rất lớn gây nên hiện tượng ăn mòn hệ thống.

Các dạng ăn mòn trong hệ thống giải nhiệt

(1) Sự rỗ mòn 

Là dạng ăn mòn tạo lỗ rỗ không đều.

Rỗ mòn kim loại là một trong những dạng phá hủy kim loại mạnh nhất của ăn mòn và cũng là một trong những kiểu ăn mòn khó dự báo khi làm trong phòng thí nhiệm. Rỗ mòn xảy ra khi vị trí đóng vai trò cực dương và vị trí đóng vai trò cực âm trở nên không linh động do sự khác biệt lớn các tính chất của bề mặt. Quá trình rỗ mòn được xúc tiến bởi vận tốc dòng chảy chậm gây nên sự ứ đọng và sự hiện diện của ion chloride.

 (2) Ăn mòn điện hóa (galvanic)

Ăn mòn galvanic xảy ra khi hai kim loại khác nhau cùng tiếp xúc với một dung dịch và chúng có thể tạo ra độ dẫn điện. Động lực chính của ăn mòn galvanic là sự khác nhau của điện thế của hai kim loại. Sự khác nhau làm gia tăng khoảng cách giữa các kim loại trong galvanic cũng tăng. Khi hai kim loại cùng được tiếp xúc với một dung dịch thì tốc độ ăn mòn nhanh hơn.

Cơ chế ăn mòn điện hóa được minh họa như sau:

 (3) Ăn mòn kẽ (ăn mòn thành kẽ)

Ăn mòn thành kẽ xảy ra trong vùng kẽ nứt. Dung dịch bên trong kẽ nứt cũng tương tự với dung dịch bên trong một lỗ hở mà trong đó có nồng độ các chất và acid khá cao. Bởi vì cơ chế ăn mòn trong hai quá trình gần như tương tự nên điều kiện để phát triển ăn mòn lỗ và ăn mòn kẽ hỡ là giống nhau. Với các hợp kim được bảo vệ bởi màng oxit, lớp màng này sẽ bị hòa tan khi nồng độ chloride cao và pH thấp. Tuy nhiên, lớp màng sẽ được bảo vệ vệ nếu sử dụng chất ức chế cho cực dương của kim loại.

Cách tốt nhất ngăn ngừa ăn mòn kẽ nứt là ngăn việc tạo ra các kẽ nứt. Cáu cặn cũng là nguyên nhân gây nên sự ăn mòn này. Vì vậy, cần phải ngăn ngừa việc hình thành cáu cặn trên bề mặt kim loại. Cặn có thể hình thành bởi các chất rắn lơ lững (ví dụ: silica, bùn).

(4) Ăn mòn do ảnh hưởng của vi sinh vật

Các vi sinh vật trong nước hình thành lớp màng vi sinh trên bề mặt của hệ thống. Lớp màng này bao gồm các quần thể vi sinh và các chất bài tiết của chúng ở dạng polyme. Các chủng loại vi sinh vật sống trong hệ thống giải nhiệt có thể tồn tại trong những điều kiện khác nhau, từ những loài hiếu khí đến những loại vi khuẩn kỵ khí.

Các lớp màng vi sinh có thể góp phần gây ăn mòn, theo 03 cách thức như sau:

• Sự sa lắng
• Sự tạo ra các sản phẩm có thể gây ăn mòn
• Sự khử pin ăn mòn gây ra các phản ứng hóa học

Các lớp cáu cặn có thể là nới trú ngụ của oxy, từ đó phát triển các vi khuẩn hiếu khí làm tăng tốc độ ăn mòn trên bề mặt kim loại.

Một số sản phẩm của vi sinh vật thải ra có chứa acid vô cơ và H₂S, những chất này tích lũy trong các lớp màng vi sinh từ đó có thể tấn công vào lớp kim loại.

Ăn mòn có xu hướng bị giới hạn do sự tích tụ các sản phẩm ăn mòn. Tuy nhiên, các vi khuẩn có thể hấp thụ các chất này  trong quá trình trao đổi chất.

Ngoài ra còn có các loại ăn mòn khác như sau:

• Ăn mòn liên hạt (Ăn mòn thành những hạt tinh thể phát triển dọc theo các đường biên của hạt)
• Nứt ăn mòn ứng lực
• Lọc có chọn lọc
• Ăn mòn do xói mòn

Cáu cặn hệ thống giải nhiệt

Cáu cặn tích lũy trong hệ thống giải nhiệt lâu ngày sẽ làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt và tạo ra các pin khác nhau. Chính các pin này làm tăng tốc độ ăn mòn và dẫn tới lỗi sai về thiết bị. Lớp cáu mỏng ban đầu sẽ bám chặt vào bề mặt của hệ thống hình thành lớp màng mỏng, theo thời gian nhiều tạp chất bẩn sẽ tiếp tục tích tụ ở dạng gel, phụ thuộc vào từng loại cặn và khả năng tương tác của từng thiết bị và từng vị trí.

Bề mặt kim loại là những nơi lý tưởng cho sự kết tinh (crystal nucleation) các tạp chất. Các pin ăn mòn trên bề mặt kim loại tạo ra những vùng có pH cao và đó là điều kiện thuận lợi hình thành nên các muối kết tủa trong hệ thống giải nhiệt. Việc kiểm soát cáu cặn sẽ phải được thực hiện xuyên suốt quá trình hoạt động của hệ thống làm mát. Vì vậy, trong quy trình các điểm gần bão hòa cần phải lưu ý, mặt khác sử dụng hóa chất bảo trì trong suốt quá trình hoạt động của hệ thống là điều tất yếu nhằm bảo vệ toàn bộ hệ thống ít bị ảnh hưởng bởi cáu cặn.

 Nguyên nhân gây cáu cặn

Các cáu cặn hình thành trên cơ sở các phản ứng lý hóa diễn ra khi có điều kiện như nhiệt độ, áp suất…, tuy nhiên, cũng có một số cặn hình thành ngay trong nhiệt độ thường.

Các phản ứng tạo cáu cặn trong hệ thống thường thấy:

Ca²⁺     +          CO₃^2-               à        Ca CO₃           ¯          (1)  

Mg²⁺    +          CO₃^2-               à        MgCO₃           ¯          (2)  

2Fe³⁺   +          3SO₄^2-             à        Fe₂(SO₄)₃           ¯          (3)  
Ca²⁺     +          SO₄^2-    à       CaSO₄                    ¯          (4)  

Ca²⁺    +         SiO₃^2-                à       CaSiO₃              ¯          (5)  

Các nguyên nhân gây nên cáu cặn thường gặp:

• Cặn cứng;
• Tạp chất;
• Cặn hữu cơ;
• Cặn vi sinh.

Các loại cáu cặn thường gặp trong hệ thống

Các loại cặn thường được tìm thấy trong hệ thống làm mát bao gồm:

(1) Cặn cứng: CaCO₃, CaSO₄, MgCO₃, MgSO_4, CaSiO₃: các cặn này thường khó tan trong nước

(2) Cặn mềm: các tế bào chết của vi sinh vật lâu ngày, các lớp màng của vi sinh vật, tảo, nấm.

(3) Muối kết tinh: thường xuất hiện trong điều kiện không khí khô và có nhiệt độ cao, đối với những nơi có nguồn nước bị nhiễm mặn, thành phần này có mặc trong đường ống khá cao

(4) Các loại keo trong nước: do các phản ứng lý hóa khác nhau hình thành các hạt mang điện, ở trạng thái này chúng có khả năng thu hút các phân tử khác tạo thành một chuỗi dài và hình thành cáu cặn trong hệ thống.

Sự hình thành lớp màng phát triển của vi sinh vật

Hệ thống giải nhiệt hở có sự trao đổi không khí với môi trường ngoài. Mặc khác hệ thống giải nhiệt luôn ở trong trạng thái ẩm ướt nên tạo điệu kiện thuận lợi cho các vi sinh vật phát triển như tảo, nấm, vi khuẩn. Sự phát triển của những vi sinh vật này tạo nên lớp màng bám trên bề mặt. Theo sự phát triển ngày càng nhiều, lớp màng này sẽ trở thành lớp cáu cặn và bám trong hệ thống.

So với hệ thống giải nhiệt kín (chiller), hệ thống giải nhiệt hở (cooling tower) là môi trường thuận lợi cho vi sinh vật phát triển. Với sự tồn tại của các thành phần vô cơ, hữu cơ hay những yếu tố như điều kiện nhiệt độ, pH, không khí, hàm lượng chất dinh dưỡng được tuần hoàn liên tục đã làm cho hệ  vi sinh phát triển nhanh trong hệ thống. Ánh sáng là điều kiện cần thiết để tảo phát triển.

Các loại vi sinh vật thường gặp

(1)Vi khuẩn:

Có nhiều loại vi khuẩn khác nhau sống trong  hệ thống làm mát. Nhìn chung, chúng có các dạng hình cầu, hình que, hình xoắn, hình sợi. Trong điều kiện môi trường bất lợi chẳng hạn như khô ráo và nhiệt độ cao, một vài loại trong số chúng sản sinh ra bào tử (dạng vật chất sống ở dạng tiềm tàn) để tồn tại. Trong Cooling tower không chỉ có vi khuẩn hiếu khí mà còn có cả vi khuẩn kị khí.

Đặc biệt là loại vi khuẩn Legionella. Loại vi khuẩn này gây nên bệnh viêm phổi nặng, có thể dẫn đến tử vong. Trên thế giới cũng như ở Việt Nam đã phát hiện ra nhiều trường hợp nhân viên và khách đến làm việc tại các tòa nhà bị các triệu chứng bệnh mà nguyên nhân là do vi khuẩn Legionella có trong hệ thống giải nhiệt gây ra.

Vi khuẩn legionella là loài vi khuẩn hiếu khí, không có bào tử, hình roi, thuộc vi khuẩn gram âm, phát triển trong điều  kiện nhiệt độ tối ưu là 37⁰C. Chúng thường cư trư tại các đuờng ống nước của máy lạnh

Vi khuẩn Legionella gây ra các bệnh liên quan đến đường hô hấp. Tại Mỹ, hàng năm  có khoảng 1000 ca bệnh liên quan đến vi khuẩn legionella (theo Trung tâm kiểm soát dịch bệnh – Center for Disease Control (CDC) – Mỹ). Tuy nhiên, người ta tin rằng có đến 10.000-15.000 ca mỗi năm chưa báo cáo. Nhiều người bị ảnh hưởng bởi vi khuẩn Legionella khi làm việc hoặc sống trong các tòa nhà sử sự hệ thống làm làm mát. Đặc biệt, theo đánh giá của bệnh viện đại học Y dược TP.HCM và bệnh viện Phạm Ngọc Thạch (Tp. Hồ Chí Minh), số bệnh nhân bị hen suyễn, các bệnh về đường hô hấp do ảnh hưởng bởi môi trường làm việc đang ngày càng tăng. Trung bình một tuần, bệnh viện đại học Y dược TP.HCM tiếp nhận hàng chục ca đến khám, trong đó rất nhiều ca bị viêm phổi kèm đau khớp, nhức đầu, tiêu chảy do vi khuẩn legionella pneumophila gây ra.

(2) Nấm: Có hai loại cơ bản, gồm nấm mốc (dạng sợi nhỏ), nấm men (dạng đơn bào), nấm cũng tạo ra các cặn dạng nhớt trong hệ thống giải nhiệt.

(3) Tảo: là loài sinh vật tự dưỡng bằng hình thức quang hợp. Tảo lục và tảo lam khá phổ biến trong hệ thống cooling tower. Sự tồn tại của chúng sẽ làm mất cân bằng dòng chảy và giảm hiệu quả của hệ thống giai nhiệt. Tảo cát (Diatoms) (tảo kèm theo thành tế bào chứa silica) cũng hiện diện trong hệ thống giải nhiệt.

Tất cả các loại vi sinh vật trên tồn tại trong hệ thống hệ thống giải nhiệt  tạo nên lớp màng vi sinh bao phủ.

GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC CÁC VẤN ĐỀ TRONG HỆ THỐNG GIẢI NHIỆT

Vệ sinh hệ thống giải nhiệt

Trước khi hệ thống bắt đầu hoạt động, cần xúc rửa để loại bỏ các gỉ sét, mối hàn, dầu mỡ phát sinh trong quá trình chế tạo.

Qua một thời gian hoạt động hệ thống sẽ bị cáu cặn, ăn mòn, rong rêu. Quý công ty cần tiến hành vệ sinh hệ thống định kỳ để đảm bảo hiệu suất hoạt động, không gây ảnh hướng đến hoạt động sản xuất của cơ sở. Tùy thuộc vào chế độ bảo dưỡng (xả đáy, sử dụng hóa chất bảo trì, kiểm tra,…) và môi trường đặt hệ thống mà thời gian cần vệ sinh ở mỗi công ty sẽ khác nhau.

Có 2 phương pháp để xử lý: súc rửa bằng cơ học (dùng dao cạo, bàn chải…), hoặc sử dụng hóa chất bảo trì.

Phương pháp cơ học chỉ có tác dụng là sạch tạm thời, không hiệu quả đối với các loại cáu cặn cứng và vi sinh vật (chúng sẽ phát triển lại rất nhanh). Chúng tôi khuyên Quý công ty nên sử dụng phương pháp vệ sinh bằng hóa học sau khi hệ thống hoạt động một thời gian. Phương pháp này sẽ sử dụng các hóa chất chuyên dụng để vệ sinh và cần phải có đội ngũ có kinh nghiệm, tay nghề thực hiện để đảm bảo hiệu quả và an toàn.

Bên cạnh đó, quý công ty nên duy trì chế độ xả đáy thường xuyên để loại bỏ các tạp chất trong nước ra ngoài.

Sử dụng hóa chất bảo trì

Loại hóa chất

Song song với việc kiểm soát chất lượng nước đầu vào, Quý công ty cần phải sử dụng hóa chất chuyên dụng để duy trì một số thông số đặc biệt trong hệ thống như phosphate hữu cơ, nitrit để ức chế cáu cặn, ăn mòn, vi sinh vật phát triển trong hệ thống.

Việc sử dụng hoá chất bảo trì đúng loại và đủ liều lượng kết hợp với chế độ xả đáy hợp lí sẽ giúp hạn chế đến mức thấp nhất nguy cơ ăn mòn và đóng cáu trong hệ thống và nhất là sự phát triển của vi sinh vật.

Hóa chất sử dụng cho cooling:

• Hóa chất ức chế ăn mòn và cáu cặn trong hệ thống giải nhiệt hở.
• Hóa chất diệt vi sinh trong hệ thống giải nhiệt hở.
• Hóa chất diệt rêu, tảo trong hệ thống giải nhiệt hở.

Hóa chất sử dụng cho chiller:

• Hóa chất chống cáu cặn và ăn mòn.

Liều lượng hóa chất sử dụng tùy thuộc vào chất lượng nguồn nước cấp và hiện trạng hệ thống giải nhiệt.

Hóa chất bảo trì cooling được đưa vào hệ thống giải nhiệt bằng hệ thống bơm định lượng.

Hệ thống châm hóa chất:

Hiện tại Nước Xanh cung cấp cho các Khách hàng 02 loại hệ thống châm hóa chất:

(1): Hệ thống châm hóa chất dựa vào lưu lượng nước cấp cho hệ thống giải nhiệt;

(2): Hệ thống châm hóa chất bằng timer

Các hệ thống hoạt động tự động theo chương trình cài đặt, rất thuận lợi trong quá trình vận hành hệ thống.

Kiểm soát pH nước cấp

Hiện tại nguồn nước cấp cho hệ thống giải nhiệt tại Quý công ty có pH thấp hơn giới hạn kiểm soát.

Chúng tôi đề xuất phương án sử dụng hệ thống nâng pH bằng controller.

Hệ thống nâng pH nước cấp nằm trong giới hạn kiểm soát, đảm bảo an toàn cho hệ thống giải nhiệt của Quý công ty hoạt động hiệu quả.