ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LÊ HỒI NAM

TỐI ƯU HĨA VẬN HÀNH HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT
TRONG CÁC NHÀ MÁY HÓA CHẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Mã số: 8520301

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thành Duy Quang
Chữ kí
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Lưu Xuân Cường
Chữ kí
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS Nguyễn Tuấn Anh
Chữ kí
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày
14 tháng 7 năm 2022
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch hội đồng: GS.TSKH. Lưu Cẩm Lộc
2. Phản biện 1: TS. Lưu Xuân Cường
3. Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Tuấn Anh
4. Uỷ viên: TS. Nguyễn Quốc Thiết
5. Uỷ viên + Thư kí: TS. Đào Thị Kim Thoa

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

GS.TSKH Lưu Cẩm Lộc

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HOÁ HỌC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA KHOA
________________________

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc Lập - Tự Do – Hạnh phúc
___________________________

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

LÊ HOÀI NAM

Ngày, tháng, năm sinh:
Chuyên ngành:
I.

II.
III.
IV.


MSHV: 2070650
Nơi sinh: Tp. HCM

27/08/1998

KỸ THUẬT HĨA HỌC

Mã số: 8520305

TÊN ĐỀ TÀI:
Tối ưu hóa vận hành hệ thống nước làm mát trong các nhà máy hóa chất
Optimizing operation of cooling water systems in chemical plants
NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về vấn đề tối ưu hóa trong vận hành hệ thống nước làm mát trong
các nhà máy hóa chất
- Khảo sát và lựa chọn mơ hình tốn học của tháp làm mát để sử dụng trong
luận văn
- Lập trình giải thuật để giải mơ hình tốn học của tháp làm mát trong phần
mềm mơ phỏng hoặc Matlab
- Tìm hiểu sử dụng cơng cụ tính tốn thủy lực và tính tốn truyền nhiệt trong
phần mềm mô phỏng Aspen Plus / Aspen Hysys
- Thiết lập mơ hình hồn chỉnh cho hệ thống nước làm mát trong nhà máy hóa
chất
- Sử dụng mơ hình hồn chỉnh của hệ thống nước làm mát để tối ưu hóa điều
kiện vận hành với mục tiêu là giảm thiểu chi phí hoạt động, định hướng áp
dụng cho một nhà máy hóa chất ở Việt Nam
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 01/ 01 / 2022
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
10 / 06 / 2023

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:
TS. Nguyễn Thành Duy Quang
Nội dung và yêu cầu LVTN đã được thông qua Bộ môn.
Ngày tháng năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TS. Nguyễn Thành Duy Quang

TS. Phạm Hồ Mỹ Phương

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)


i
LỜI CẢM ƠN
Sau ba năm theo học cao học tại Khoa Kỹ thuật Hóa học Trường Đại học Bách
Khoa Thành phố Hồ Chí Minh, em đã lựa chọn đề tài “Ứng dụng cơng cụ mơ phỏng để
tối ưu hóa năng lượng trong hệ thống nước làm mát trong các nhà máy sản xuất” để
nghiên cứu và làm luận văn tốt nghiệp cho bản thân. Để có thể nghiên cứu và hồn thành
luận văn này, em muốn bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy Nguyễn Thành Duy
Quang, Bộ mơn Kỹ thuật Chế biến Dầu khí Khoa Kỹ thuật Hóa học, là giảng viên phụ
trách hướng dẫn và đã có những hỗ trợ quý báu, kịp thời về kiến thức và kinh nghiệm
nghiên cứu khoa học. Chính sự hỗ trợ này là nền tảng để em hoàn thiện thành cơng luận
văn tốt nghiệp
Bên cạnh đó, em muốn bày tỏ lịng cảm kích sâu sắc đến những người bạn, những

anh chị đã và đang cùng tham gia học cao học tại trường Đại học Bách Khoa Thành phố
Hồ Chí Minh cùng với tất cả các cán bộ giảng dạy Bộ mơn Kỹ thuật Chế biến Dầu khí,
Khoa Kỹ thuật Hóa học đã luôn đồng hành giúp đỡ, truyền đạt những lời khuyên chuẩn
xác, kịp thời về cả kiến thức chuyên mơn lẫn các kỹ năng mềm, giúp em có điều kiện
thuận lợi nhất để hoàn thành luận văn tốt nghiệp.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn tất cả những người thân, gia đình và bạn
bè đã ln bên cạnh em để khuyến khích và cung cấp cho em tất cả các hỗ trợ để hồn
thành cơng việc này.
Xin trân trọng cảm ơn!


ii
TÓM TẮT LUẬN VĂN
Hệ thống giải nhiệt là một hệ thống vô cùng quan trọng và đang được sử dụng
trong rất nhiều ngành công nghiệp hiện nay. Việc tối ưu điều kiện vận hành đối với hệ
thống này sẽ đóng góp rất lớn trong việc tiết giảm chi phí cho các hệ thống thiết bị giải
nhiệt và giảm thiểu chất thải ra môi trường. Trong khuôn khổ Luận văn với đề tài “Tối
Ưu Hóa Vận Hành Hệ Thống Nước Làm Mát Trong Các Nhà Máy Hóa Chất” sẽ có các
bước gồm tìm hiểu và mơ phỏng về hệ thống giải nhiệt bằng nước làm mát, lựa chọn
các phương án, mô hình tốn học phù hợp và tiến hành tối ưu hóa hệ thống này
Cụ thể nội dung Luận văn bao gồm các q trình mơ phỏng sử dụng phần mềm
Aspen Hysys. Q trình mơ phỏng có các bước như xây dựng và cài đặt thông số cho
các thiết bị trao đổi nhiệt, bơm, bộ chia, thiết đặt các dòng lưu chất, van và các hệ thống
điều khiển theo mơ hình thực tế. Sau đó tiến hành chạy hệ ở trạng thái động với các điều
kiện cần khảo sát. Tiếp theo là q trình lựa chọn và xây dựng mơ hình toán học phù
hợp cho tháp làm mát, cũng như một giải thuật nhằm tìm được điểm vận hành tối ưu
cho hệ thống thông qua sự hỗ trợ của phần mềm Matlab. Cuối cùng kết hợp sử dụng các
cơng cụ tính toán Matlab và dữ liệu từ hệ chạy động của cơng cụ mơ phỏng Hysys để
tìm ra điều kiện hoạt động tối ưu của hệ thống, cũng như tính tốn cụ thể các chi phí cần
thiết để vận hành hệ thống

Mơ hình hệ thống giải nhiệt sử dụng nước làm mát trên Hysys cho kết quả tốt, hệ
nhanh chóng đạt trạng thái ổn định, các thông số vận hành đạt u cầu đề ra. Mơ hình
tốn học của tháp cũng như giải thuật nhằm tìm điều kiện tối ưu cũng hoạt động rất tốt,
cho kết quả nhanh, có độ chính xác cao và tương đồng với các dữ liệu thực nghiệm từ
trước. Từ đó, có thể áp dụng cho các q trình tối ưu hóa các hệ thống giải nhiệt dùng
nước làm mát trong tương lai.


iii
ABSTRACT
The cooling system is a critical system and is being used in many industries today.
Optimizing operating conditions for this system will greatly contribute to reducing costs
for cooling equipment systems and minimizing waste to the environment. Within the
framework of the thesis with the topic "Optimizing Operation of Cooling Water Systems
in Chemical Plants", there will be steps including understanding and simulation of
cooling water cooling systems, selection of methods project, appropriate mathematical
model, and optimizing this system.
Specifically, the thesis includes simulation processes using Aspen Hysys software.
The simulation process has steps such as building and setting parameters for heat
exchangers, pumps, and dividers, and setting up fluid flows, valves, and control systems
according to the actual model. Then proceed to run the system in a dynamic state with
the conditions to be investigated. Next is the process of selecting and building a suitable
mathematical model for the cooling tower and an algorithm to find the optimal operating
point for the system through the support of Matlab software. Finally, combining the use
of Matlab calculation tools and data from the dynamic running system of the Hysys
simulation tool to find the optimal operating conditions of the system, as well as
precisely calculate the necessary costs to the operating system
The cooling system model using water cooling on Hysys gives possitive results,
the system quickly reaches a steady state, and the operating parameters meet the set
requirements. The mathematical model of the tower as well as the algorithm to find the

optimal conditions also work very well, giving fast results, high accuracy, and similarity
with previous experimental data. From there, it can be applied to the future optimization
processes of water-cooled cooling systems.


iv

LỜI CAM ĐOAN CỦA TÁC GIẢ LUẬN VĂN
Tôi xin cam đoan bài luận văn trên đây là kết quả nghiên cứu của tôi dưới sự
hướng dẫn của thầy TS. Nguyễn Thành Duy Quang. Các kết luận được thể hiện trong
luận văn là quá trình nghiên cứu, tìm hiểu các tài liệu khoa học có liên quan và được
thực hiện một cách chuẩn xác dưới sự cố gắng và nổ lực của bản thân.

TP. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2023
Học viên
Lê Hoài Nam


v

MỤC LỤC
TÓM TẮT LUẬN VĂN .............................................................................................ii
MỤC LỤC .................................................................................................................. v
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................viii
DANH MỤC BẢNG.................................................................................................. ix
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT .................................................................................... xi
DANH MỤC KÝ HIỆU ........................................................................................... xii
1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1
1.1. Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu.......................................................................................... 2

1.3. Ý nghĩa đề tài .................................................................................................... 4
1.4. Phạm vi nghiên cứu........................................................................................... 4
1.5. Tổng hợp các nghiên cứu trước đây về vấn đề tối ưu hóa thiết kế và vận hành hệ
thống nước làm mát ................................................................................................. 5
2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ......................................................................... 9
2.1. Hệ thống nước làm mát ..................................................................................... 9
2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống nước làm mát .......................................... 14
2.2.1 Tổng nhiệt lượng cần lấy ra từ các dịng nóng ........................................... 14
2.2.2 Lưu lượng dịng nước tuần hoàn ................................................................ 14
2.2.3 Nhiệt độ lượng nước làm mát .................................................................... 16
2.2.4 Nhiệt độ dịng khí đối lưu .......................................................................... 16
2.3. Công cụ phần mềm ......................................................................................... 17
2.4. Giải thuật di truyền (Genetic Algorithm) ......................................................... 19
3. CHƯƠNG 3: TỐI ƯU HÓA VẬN HÀNH HỆ THỐNG NƯỚC LÀM MÁT TUẦN
HOÀN TRONG NHÀ MÁY ..................................................................................... 22
3.1. Mơ tả ví dụ minh họa được sử dụng trong luận văn ......................................... 22
3.2. Các bước thực hiện ......................................................................................... 23


vi
3.3. Thiết lập mơ hình của “Cooling water network – QHEN” trong phần mềm Aspen
Hysys ..................................................................................................................... 27
3.3.1 Thuyết minh quy trình ............................................................................... 27
3.3.2 Thơng số các dịng lưu chất ....................................................................... 29
3.4. Thiết lập mơ hình cho tháp làm mát dạng ngược chiều (counter-flow) trong phần
mềm Matlab ........................................................................................................... 35
3.5. Mơ hình bài tốn tối ưu hóa chi phí hoạt động của hệ thống nước làm mát tuần
hoàn ....................................................................................................................... 40
3.5.1 Thiết lập hàm mục tiêu .............................................................................. 40
3.5.2 Thiết lập thuật toán.................................................................................... 43

4. CHƯƠNG 4. KẾT QUẢ VÀ BIỆN LUẬN ............................................................ 45
4.1. Kết quả mơ hình động ..................................................................................... 45
4.1.1 Sơ đồ quy trình.......................................................................................... 45
4.1.2 Thông số thiết bị ....................................................................................... 47
4.1.3 Thông số các dịng lưu chất ....................................................................... 47
4.1.4 Thơng số điều khiển .................................................................................. 50
4.1.5 Kết quả khảo sát mơ hình động ................................................................. 54
4.2. Kiểm nghiệm kết quả mô phỏng trên Matlab ................................................... 55
4.2.1 Kết quả sử dụng mơ hình tốn học mơ phỏng tháp làm mát ....................... 55
4.2.2 Kiểm tra hiệu quả của giải thuật di truyền Genetic Algorithm với bài toán
kiểm tra (test problem) ....................................................................................... 61
4.3. Tối ưu điều kiện hoạt động của hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt........................ 63
5. CHƯƠNG 5. KẾT LUẬN...................................................................................... 67
5.1. Tối ưu chi phí vận hành của hệ thống trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát ..... 67
5.2. Đề xuất hướng nghiên cứu và phát triển trong tương lai .................................. 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................... 69


vii
PHỤ LỤC A: CHƯƠNG TRÌNH TỐI ƯU ĐIỀU KIỆN HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ
THỐNG NƯỚC LÀM MÁT ................................................................................... 72
PHỤ LỤC B: CHI TIẾT THÀNH PHẦN CẤU TỬ CÁC DỊNG NĨNG CỦA HỆ
THỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT SỬ DỤNG NƯỚC LÀM MÁT ............................... 78


viii

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Các thành phần trong hệ thống nước làm mát trong nhà máy hóa chất bao gồm:
i) tháp làm mát, ii) hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát, iii) hệ thống

thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát ................................................................ 5
Hình 2.1 Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên và tháp giải nhiệt đối lưu cơ học................ 11
Hình 2.2 Sơ đồ đơn giản của tháp giải nhiệt đối lưu cơ học: đối lưu quạt hút (A) và đối
lưu cưỡng bức (B) [14] .............................................................................................. 11
Hình 2.3 Các thành phần của hệ thống nước làm mát tuần hồn lại điển hình ............ 12
Hình 2.4 Bố trí song song của các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước giải nhiệt ...... 13
Hình 2.5 Bố trí kết hợp song song và nối tiếp của các thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước
giải nhiệt .................................................................................................................... 13
Hình 2.6 Tương quan giữa nhiệt độ và lưu lượng nước đầu vào đến hiệu suất của tháp
làm mát [9] ................................................................................................................ 16
Hình 2.7 Biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ khơng khí và chi phí vận hành của hệ thống làm
mát [2] ....................................................................................................................... 17
Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống nước làm mát tuần hoàn được sử dụng trong luận văn (tham
khảo ví dụ của Castro và các cộng sự [8]) .................................................................. 24
Hình 3.2 Sơ đồ các bước tiến hành mơ phỏng trong phần mềm Aspen Hysys ............ 25
Hình 3.3 Sơ đồ các bước tiến hành trong phần mềm Matlab ...................................... 26
Hình 3.4 Cụm thiết bị chưng cất dầu thơ sử dụng tháp chưng cất khí quyển và tháp chưng
cất chân khơng để chưng cất phân đoạn dầu thơ ......................................................... 28
Hình 3.5 Các thiết bị được điều khiển trong hệ thống giải nhiệt sử dụng nước làm mát
.................................................................................................................................. 34
Hình 3.6. Hình minh họa một đơn vị vi thể tích trong tháp làm mát ........................... 35
Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống làm mát bằng nước.............................................................. 46
Hình 4.2 Hình minh họa hệ thống máy nén 3 cấp, giải nhiệt trung gian với nhiệt độ sau
khi giải nhiệt bằng nhiệt độ đầu vào T1 ...................................................................... 61
Hình 4.3 Giá trị tối ưu hàm chi phí bằng thuật toán di truyền ..................................... 64


ix

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Các đặc điểm cơ bản của các dịng lưu chất nóng........................................ 28
Bảng 3.2 Dữ liệu nhiệt độ đầu vào và đầu ra của các dòng lưu chất trong hệ thống trao
đổi nhiệt..................................................................................................................... 29
Bảng 3.3 Thông số các dòng nước làm mát trong hệ thống ở điều kiện tiêu chuẩn ..... 30
Bảng 3.4 Thông số đầu vào các dòng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt ....... 30
Bảng 3.5 Thơng số đầu ra các dịng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt .......... 31
Bảng 3.6 Thơng số đầu vào các dịng nóng trong hệ thống ở điều kiện tiêu chuẩn ..... 31
Bảng 3.7 Thơng số đầu ra các dịng nóng trong hệ thống ở điều kiện tiêu chuẩn ........ 32
Bảng 4.1 Các thiết bị sử dụng trong hệ thống............................................................. 47
Bảng 4.2 Thông số các dịng nước làm mát trong hệ thống ở mơ hình động............... 48
Bảng 4.3 Thơng số đầu vào các dịng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt ở mơ
hình động ................................................................................................................... 48
Bảng 4.4 Thơng số đầu ra các dòng nước trong hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt ở mơ hình
động........................................................................................................................... 49
Bảng 4.5 Thơng số đầu vào các dịng nóng trong điều kiện chuẩn ở mơ hình động ... 49
Bảng 4.6 Thơng số đầu ra các dịng nóng trong điều kiện chuẩn ở mơ hình động....... 50
Bảng 4.7 Các thiết bị điều khiển sử dụng trong hệ thống ........................................... 50
Bảng 4.8 Bảng các cặp biến điều khiển ...................................................................... 51
Bảng 4.9 Bảng số liệu nhiệt độ dòng nước ra khỏi hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt QHEN
(°C)............................................................................................................................ 54
Bảng 4.10 Số liệu thực nghiệm khi vận hành một tháp làm mát, bởi Simpson và
Sherwood [34] ........................................................................................................... 55
Bảng 4.11 So sánh giữa kết quả tính tốn từ mơ hình và kết quả thực nghiệm [29] .... 56
Bảng 4.12 Thẩm định mơ hình tháp giải nhiệt [36] .................................................... 58
Bảng 4.13 Ảnh hưởng khi giảm lưu lượng và tăng nhiệt độ đầu vào dòng nước vào tháp
làm mát ...................................................................................................................... 59
Bảng 4.14 Kết quả thực nghiệm và kết quả mô phỏng của tháp làm mát trong ví dụ ứng
dụng........................................................................................................................... 60
Bảng 4.15 Kết quả các thông số từ giải thuật di truyền trong phần mềm Matlab ........ 63



x
Bảng 4.16 Kết quả tính chi phí vận hành ở những điều kiện chi phí tiện ích khác nhau
.................................................................................................................................. 66


xi

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
HEN

Heat Exchanger Nerwork ‒ Hệ thống trao đổi nhiệt

ID

Induced draft cooling tower – Tháp giải nhiệt quạt hút

FD

Induced draft cooling tower – Tháp giải nhiệt đối lưu cưỡng bức

CV

Controlled Variable ‒ Biến được điều khiển

MV

Manipulated Variable ‒ Biến điều khiển

PID


Proportional Integral Derivative ‒ Bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ

PLC/DCS Programmable Logic Controller/ Distributed Control System ‒
Bộ điều khiển logic có thể lập trình/ Hệ thống điều khiển phân tán
CDF

Control Degrees of Freedom ‒ Bậc tự do điều khiển

GA

Genetic Algorithm ‒ Giải thuật Di truyền

VGO

Vacuum Gas Oil

VGO PA

Vacuum Gas Oil Pumparound

ATPA

Atmospheric Top Pumparound


xii

DANH MỤC KÝ HIỆU
Ký Hiệu

A
Afr
CWmakeup
Cpa
Cpv
G
Hv
h
Ha
Hfgwo
Has
K*afi
Le
L
mw
ncycles
Ws *
v
W
Wsat
Wmakeup
Wmakeup
Wevap

Pws
Ptot
Pvs
Pf
Pp
t*

t
Tinterface
Ta
Tmakeup
TiHEX
ToCT
TCop

Mơ Tả
Diện tích bề mặt tiếp xúc pha (m2)
Diện tích mặt cắt ngang của lớp đệm (m2)
Chi phí của nước bổ sung ($/hr)
Nhiệt dung riêng của khơng khí = 1.006 (kJ/kg.°C)
Nhiệt dung riêng của hơi nước = 1.86 (kJ/kg.°C)
Lưu lượng dịng khơng khí khơ (kg/s)= ma
Nhiệt hóa hơi của nước (kJ/kg)
Hệ số truyền nhiệt đối lưu (kJ/s.m2.°C)
Enthalpy của hỗn hợp khơng khí – hơi nước (kJ/kg)
Enthalpy tạo thành của hơi nước ở nhiệt độ 0 °C (kJ/kg)
Enthalpy của hỗn hợp khơng khí – hơi nước ở trạng thái bảo hịa
(kJ/kg)
Thơng số đặc trưng cho tháp làm mát (kg/s.m3)
Chuẩn số Lewis
Lưu lượng dòng nước (kg/s) = mw
Lưu lượng dòng nước (kg/s)
Tỷ lệ của nồng độ chất rắn hịa tan trong dịng nước thải ra
Độ ẩm khơng khí ở trạng thái bão hịa (kg nước/kg khơng khí khơ)
Thể tích riêng của khơng khí (m3/kg khơng khí khơ)
Độ ẩm của khơng khí ẩm (kg nước/kg khơng khí khơ)
Độ ẩm (kg nước/kg khơng khí khơ)

Lượng nước cần bổ sung (kg/s)
Lượng nước cần bổ sung (kg/s)
Lượng nước hóa hơi trong tháp làm mát (kg/s)
Độ ẩm tương đối (%)
Áp suất hơi bảo hòa của nước ở nhiệt độ Tw (Pa)
Áp suất tổng cộng của khơng khí ẩm (kPa)
Áp suất hơi bảo hịa của nước ở nhiệt độ bầu khơ t (kPa)
Cơng suất tiêu thụ của quạt (W)
Công suất tiêu thụ của bơm (W)
Nhiệt độ bầu ướt (°C)
Nhiệt độ bầu khô (°C)
Nhiệt độ ở bề mặt tiếp xúc pha (°C)
Nhiệt độ dòng khí lưu chuyển trong tháp (°C)
Nhiệt độ của dịng nước bổ sung (°C)
Nhiệt độ dòng nước khi lưu chuyển vào hệ thống trao đổi nhiệt (°C)
Nhiệt độ của dòng nước ra khỏi tháp làm mát (°C)
Tổng chi phí vận hành của hệ thống nước làm mát ($/hr)


1

1. CHƯƠNG

1: MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề
Quá trình phát triển liên tục của kinh tế - xã hội, sự tăng trưởng trong quy mô sản
xuất công nghiệp trong nước những thập kỷ gần đây đã dẫn đến sự gia tăng nhu cầu sử
dụng năng lượng từ sinh hoạt dân dụng đến sản xuất công nghiệp. Với gia gia tăng nhu
cầu trên, việc tìm kiếm các giải pháp nhằm tối ưu, tiết giảm năng lượng tiêu thụ cho các

quy trình sản xuất ngày càng có vai trị quan trọng và đóng góp vai trị đáng kể trong gia
tăng lợi nhuận doanh nghiệp. Ngoài ra, năng lượng cũng là một nguồn lực phát triển đất
nước trong mọi lĩnh vực rất quý giá và cần sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả. Điều
then chốt để kiểm soát tốt việc sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng là quản lý năng
lượng (Energy management). Quản lý năng lượng là công việc nhằm đảm bảo rằng tất
cả các quy trình được thực hiện với tiêu thụ năng lượng tối thiểu, điều này giúp giảm
chi phí và tăng lợi nhuận cho nhà máy. Quản lý năng lượng mang lại khơng chỉ những
lợi ích về kinh tế mà cịn đóng góp quan trọng cho việc bảo vệ môi trường. Việc sử dụng
các nguồn năng lượng hiệu quả làm giảm thiểu sự phát sinh chất, trong đó đặc biệt có
khí thải nhà kính.
Trong các nhà máy cơng nghiệp, cơng dụng chính của các tháp giải nhiệt là loại
bỏ nhiệt hấp thụ trong hệ thống nước làm mát tuần hồn được sử dụng trong các q
trình sản xuất, dựa trên sự bay hơi của nước điều hòa được chuyển đến thiết bị trao đổi
nhiệt và sau đó quay trở lại tháp giải nhiệt để khôi phục nhiệt độ thích hợp để tiếp tục
vịng lặp chu trình làm mát. Hiệu suất nhiệt của tháp giải nhiệt và hệ thống nước làm
mát là rất quan trọng đối với các nhà máy công nghiệp và những sai lệch nhỏ so với điều
kiện thiết kế có thể gây ra sự mất ổn định nghiêm trọng đến quá trình hoạt động và tính
kinh tế của hệ thống. Các yếu tố gây nhiễu từ bên ngoài như sự thay đổi nhu cầu nhiệt
của q trình hoặc dao động trong điều kiện khí quyển có thể được triệt tiêu theo nhiều
cách [1]. Tuy nhiên, các giải pháp như vậy hầu như không được áp dụng trong các hoạt
động cơng nghiệp do tính phức tạp khi hệ thống có nhiều bộ phận và tiện ích (Utilites)
khác nhau. Độ phức tạp của hoạt động tăng lên theo sự tương tác mạnh mẽ giữa các biến
quy trình [2]. Do sự quan trọng của hệ thống này trong ngành cơng nghiệp, đã có nhiều
cơng trình nghiên cứu đề cập đến hệ thống nước làm mát. Hơn nữa, các khía cạnh cụ thể


2
cũng đã được nghiên cứu, đó là thiết kế tháp giải nhiệt [3], điều khiển và vận hành tháp
[4-6]; mô hình hóa và mơ phỏng hiệu suất nhiệt [7]. Tuy nhiên, trong khn khổ đề tài
luận văn, chưa thấy có các nghiên cứu ứng dụng các công cụ mô phỏng vào các quá

trình tối ưu điều kiện vận hành của hệ thống này.
Mục tiêu trong khuôn khổ luận văn hiện tại là xây dựng và khảo sát phát triển một
mô hình tích hợp để giảm thiểu chi phí vận hành của hệ thống nước làm mát. Hệ thống
bao gồm một tháp giải nhiệt cũng như một mạng lưới các bộ trao đổi nhiệt. Một số yếu
tố trong hệ thống được nghiên cứu với mục tiêu xác định điều kiện hoạt động tối ưu và
giảm thiểu những xáo trộn về nhu cầu nhiệt của quá trình, bao gồm: tăng tốc độ dịng
nước tuần hồn, tăng tốc độ dịng khí và cuối cùng là loại bỏ cưỡng bức một phần tốc
độ dòng nước đi vào tháp giải nhiệt và tốc độ dòng nước bổ sung tương ứng.
Các phần mềm mô phỏng và tính tốn hiện nay mang nhiều ưu điểm từ đó có thể
hỗ trợ đắc lực trong việc thiết kế, quan sát, thử nghiệm và đưa ra các quyết định nhằm
tối ưu hóa các hệ thống cơng nghiệp. Ứng dụng các lợi thế của các cơng cụ mơ phỏng
và tính tốn này vào một nhà máy thực tế ở quy mô cơng nghiệp để phân tích, đánh giá
việc sử dụng năng lượng hiện tại hệ thống làm mát tại nhà máy đồng thời từ đó đưa ra
đưa ra các điều kiện nhằm tối ưu năng lượng sử dụng cho hệ thống này trong trường
hợp việc sử dụng năng lượng hiện tại là chưa hiệu quả.
Nghiên cứu này được hi vọng sẽ đóng góp vào lĩnh vực quản lý năng lượng và
vận hành của hệ thống trao đổi nhiệt, đồng thời khuyến khích việc sử dụng năng lượng
một cách hợp lý và hiệu quả hơn.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu này xem xét đầy đủ 3 thành phần thuộc hệ thống nước làm mát: i)
tháp làm mát, ii) hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát, iii) hệ thống
thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát.
Bởi vì trong thực tế, loại tháp được sử dụng phổ biến là loại ngược chiều (counterflow), và bố trí thiết bị là dạng song song. Việc thiết lập mơ hình tốn học cho hệ thống
bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt khi bố
trí thiết bị ở dạng song song là phức tạp, địi hỏi nhiều thời gian và cơng sức. Do đó, để
có thể thực hiện đề tài này trong thời gian dự kiến là 6 tháng, cách tiếp cận hợp lý là sử
dụng phần mềm mơ phỏng có khả năng tính tốn thủy lực cũng như là có sẵn các mô


3

hình cho các thiết bị trao đổi nhiệt thơng dụng. Phần mềm mơ phỏng Aspen Hysys có
các chức năng này và sẽ được sử dụng trong luận văn. Nhiệm vụ còn lại là thiết lập và
đề xuất phương pháp giải mơ hình tốn học cho tháp làm mát loại ngược chiều (counterflow) và kết hợp với mơ hình cho hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm
mát và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt trong Aspen Hysys / Aspen Plus để tạo thành một
mơ hình tính tốn hoàn chỉnh cho cả hệ thống nước làm mát. Ở đây, do mơ hình tháp
làm mát là phức tạp, do đó cần thực hiện việc lập trình giải mơ hình tháp làm mát trong
phần mềm Matlab, sau đó sử dụng các kết quả của mơ hình hệ thống bơm và đường ống
vận chuyển nước làm mát và hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt trong Aspen Hysys để làm
nguồn dữ liệu cho phần mềm Matlab để giải mơ hình tính tốn hồn chỉnh cho cả hệ
thống nước làm mát.
Khi việc thiết lập mơ hình tính tốn hồn chỉnh cho cả hệ thống nước làm mát đã
hoàn tất, bước tiếp theo là tối ưu hóa điều kiện vận hành với hàm mục tiêu là chi phí vận
hành của hệ thống và các thơng số tối ưu hóa là tốc độ vịng quay của quạt hút khí trong
tháp làm mát, lưu lượng dòng nước bổ sung “Makeup water”, và lưu lượng dòng nước
tuần hồn. Kết quả của bước tối ưu hóa này là điều kiện vận hành tối ưu và chi phí vận
hành tối thiểu của hệ thống.
Như đã được đề cập, để khảo sát hệ thống cần tiến hành khảo sát sự thay đổi của
hàm mục tiêu theo các biến tối ưu hóa, kết hợp dữ liệu từ Aspen Hysys và khả năng tính
tốn của Matlab:
Như vậy, nội dung nghiên cứu của luận văn này như sau:
1) Khảo sát các mô hình tốn học cho tháp làm mát loại ngược chiều từ các bài báo
nghiên cứu đã được xuất bản, lựa chọn mơ hình phù hợp để sử dụng trong luận
văn này;
2) Lập trình giải mơ hình tốn học cho tháp làm mát loại ngược chiều trực tiếp trong
phần mềm mô phỏng hoặc phần mềm tính tốn chun dụng như Matlab;
3) Kiểm chứng mơ hình tháp làm mát bằng cách so sánh số liệu tính tốn và số liệu
thực nghiệm lấy từ bài báo;
4) Tìm hiểu về tính năng tính tốn thủy lực, tính tốn truyền nhiệt trong Aspen
Hysys / Aspen Plus;



4
5) Thiết lập mô phỏng bằng Aspen Hysys cho hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt sử
dụng nước làm mát “Cooling water network – QHEN” (bao gồm hệ thống bơm và
đường ống dẫn) của một hệ thống nước làm mát lấy nguồn từ bài báo khoa học
của Castro và các cộng sự [8];
6) Thiết lập mơ hình cho hệ thống nước làm mát có sự kết nối giữa phần mềm mơ
phỏng Aspen Hysys và Matlab;
7) Sử dụng mơ hình của hệ thống nước làm mát để tối ưu hóa điều kiện hoạt động
nhằm mục tiêu giảm thiểu chi phí vận hành.
1.3. Ý nghĩa đề tài
-

Phương pháp nghiên cứu có tính tương thích và ứng dụng rộng rãi, thích hợp để
tiến hành nghiên cứu trên mọi hệ thống giải nhiệt sử dụng nước làm mát.

-

Luận văn ứng dụng các công cụ mơ phỏng, cơng cụ tốn học để phân tích, đánh
giá việc sử dụng năng lượng hiện tại hệ thống làm mát tại nhà máy. Điều này cho
phép dự đoán, đánh giá trước các khả năng cải tiến hệ thống, giảm thiểu, tăng
tính hiệu quả cho sự đầu tư cơ sở vật chất trong thực nghiệm thực tế.

-

Việc nghiên cứu thành công mở ra khả năng ứng dụng thực tế tại các nhà máy,
là tiền đề tham khảo cho các công trình nghiên cứu, tối ưu về các hệ thống giải
nhiệt sử dụng nước làm mát trong tương lai.

1.4. Phạm vi nghiên cứu

-

Nghiên cứu tiến hành mô phỏng hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt và xây dự mơ
hình tốn học cho tháp làm mát. Sau xây dựng xong sẽ tiến hành khảo sát các
điều kiện vận hành nhằm đánh giá hiệu quả hoạt động, đưa ra điều kiện tối ưu.

-

Các thông số thiết bị trong hệ thống được thu thập từ số liệu của các cơng trình
nghiên cứu và các bài báo khoa học.

-

Trong quá trình khảo sát để cải tiến, tối ưu hóa điều kiện vận hành của hệ thống
nước làm mát có sẵn nhằm mục tiêu tiết kiệm lượng nước và năng lượng tiêu thụ
trong hệ thống, việc thay đổi thiết kế của hệ thống nước làm mát có sẵn khơng
được xem xét.


5
1.5. Tổng hợp các nghiên cứu trước đây về vấn đề tối ưu hóa thiết kế và vận
hành hệ thống nước làm mát
Tháp làm mát được sử dụng phổ biến trong ngành cơng nghiệp hóa chất, trong
nhà máy phát điện, trong hệ thống làm mát, điều hòa nhiệt độ cho các tòa nhà văn phòng.
Tuy nhiên, chỉ ở trong các nhà máy hóa chất, tháp làm mát là một thành phần thuộc hệ
thống lớn là hệ thống nước làm mát; do đó cần một cách tiếp cận mang tính hệ thống,
xem xét toàn thể hệ thống nước làm mát chứ không xem xét riêng lẻ từng thành phần
khi cần tối ưu hóa hệ thống này.
Các thành phần thuộc hệ thống nước làm mát trong nhà máy hóa chất được thể
hiện ở Hình 1.1.


Hình 1.1 Các thành phần trong hệ thống nước làm mát trong nhà máy hóa chất bao
gồm: i) tháp làm mát, ii) hệ thống bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát, iii) hệ
thống thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát


6
Như vậy, khi mơ hình hóa hệ thống nước làm mát cho mục đích tối ưu hóa thiết
kế và vận hành, cần thiết lập mơ hình cho 3 thành phần: i) tháp làm mát, ii) hệ thống
bơm và đường ống vận chuyển nước làm mát (bài tốn tính tốn thủy lực), iii) hệ thống
thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng nước làm mát (bài tốn tính tốn truyền nhiệt). Vì nước
làm mát lưu chuyển tuần hoàn qua các thiết bị thuộc hệ thống, sự tương tác giữa các
thành phần này cần phải được xem xét / mơ hình hóa. Ví dụ, việc giảm lưu lượng nước
tuần hoàn sẽ dẫn đến các kết quả sau:
-

Bố trí lưu lượng nước làm mát đi trong các nhánh đến các thiết bị trao đổi nhiệt
có sự thay đổi. Một số nhánh có sử dụng van điều khiển để điều chỉnh lưu lượng
nước làm mát trong nhánh đó để ổn định nhiệt độ đầu ra của dịng nóng trong
thiết bị trao đổi nhiệt => nếu nhiệt tải (heat duty) trong thiết bị trao đổi nhiệt
không đổi thì xem như lưu lượng nước làm mát trong nhánh này khơng đổi. Khi
đó, lưu lượng nước làm mát đi trong các nhánh khơng có sử dụng van điều khiển
sẽ thay đổi => nhiệt tải (heat duty) trong thiết bị trao đổi nhiệt thay đổi và nhiệt
độ đầu ra của dịng nóng thay đổi.

-

Nhiệt độ nước ra khỏi hệ thống thiết bị trao đổi nhiệt và quay trở về tháp làm mát
thay đổi.


-

Nhiệt độ nước ra khỏi tháp làm mát thay đổi (lượng nhiệt dịng nước truyền cho
dịng khí đối lưu trong tháp làm mát cũng thay đổi).
Như vậy, do hệ thống nước làm mát có thể xem như một thơng số tuần hồn kín

(lưu lượng các dịng vào / ra khỏi hệ thống như dòng “Blowndown water”, dòng
“Makeup water”, lượng nước bay hơi “Evaporated water” là nhỏ so với lưu lượng dịng
nước tuần hồn), một sự thay đổi trong vận hành của bất kỳ thành phần nào trong 3
thành phần kể trên cũng dẫn đến sự thay đổi trong vận hành (thông số đầu ra) của hai
yếu tố cịn lại. Do vậy, việc thiết kế, tối ưu hóa bằng cách thiết lập và giải mơ hình tốn
học của hệ thống nước làm mát này là một thách thức.
Có nhiều bài báo nghiên cứu tập trung vào thiết kế tối ưu của một thành phần
riêng lẻ thuộc hệ thống nước làm mát này, cụ thể là tháp làm mát và hệ thống nước làm
mát sử dụng trong các thiết bị trao đổi nhiệt “Cooling water network – QHEN”. Chỉ có
một số ít bài báo xem xét một cách hồn chỉnh 3 thành phần thuộc hệ thống nước làm


7
mát, trong số đó, các bài báo nghiên cứu vấn đề cải tiến thiết kế, cải thiện điều kiện vận
hành của hệ thống nước làm mát có sẵn nhằm mục tiêu tiết kiệm lượng nước sử dụng
và tiết kiệm năng lượng được liệt kê dưới đây (các bài báo nghiên cứu về thiết kế mới
hệ thống nước làm mát sẽ khơng được đề cập đến vì nằm ngồi phạm vi nghiên cứu của
luận văn)
-

Castro và các cộng sự [8] nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện vận hành của hệ thống
nước làm mát có sẵn. Mục tiêu tối ưu hóa nhằm giảm thiểu chi phí vận hành. Chi
phí vận hành bao gồm chi phí điện năng tiêu thụ ở bơm trên hệ thống đường ống
vận chuyển và quạt hút hoặc thổi khí ở tháp làm mát và chi phí của dòng nước

bổ sung “Makeup water”. Nhược điểm của nghiên cứu này là các mơ hình tốn
học của ba thành phần trên hệ thống đều nằm ở dạng mơ hình đơn giản hóa / mơ
hình gần đúng.

-

Kim và Smith [9] nghiên cứu vấn đề cải tiến thiết kế hệ thống nước làm mát có
sẵn với mục tiêu là thu được thiết kế được cải tiến thỏa mãn các ràng buộc về mặt
vận hành của quy trình đồng thời có tổn thất áp suất là tối thiểu. Các loại cải tiến,
sửa đổi được xem xét trong mơ hình là đáng kể, bao gồm việc thay đổi kích thước
cánh quạt (impeller) sử dụng trong bơm. Nhược điểm của nghiên cứu này là mơ
hình bài tốn tối ưu hóa trong cơng trình nghiên cứu này là phức tạp, và không
phù hợp sử dụng nếu mục tiêu ban đầu là giữ nguyên cấu hình hệ thống nước làm
mát, chỉ xem xét thay đổi điều kiện vận hành.

-

Cortinovis và các cộng sự [2] nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện vận hành của hệ
thống nước làm mát có sẵn nhằm mục tiêu tối thiểu hóa chi phí vận hành. Các
biến được tối ưu hóa là tốc độ vịng quay của quạt hút / thổi khí trong tháp làm
mát, lưu lượng dòng nước lấy ra khỏi dòng nước tuần hoàn trước khi vào tháp
làm mát trong trường hợp tháp làm mát không thể đáp ứng đủ nhu cầu giải nhiệt
(lượng nước lấy ra này quyết định lượng nước cần bổ sung lại), và độ mở của van
trong các nhánh (độ mở của van quyết định tổn thất áp suất và lưu lượng nước
làm mát đi trong các nhánh). Nhược điểm của nghiên cứu này bao gồm: i) tháp
làm mát khơng mang tính tổng qt hay phổ biến, cụ thể là loại tháp “cross-flow”
(chế độ chảy vng góc giữa dịng nước là dịng khí trong tháp) ít được sử dụng
hơn loại tháp ngược chiều (counter-flow), ii) chỉ xem xét một loại bố trí thiết bị



8
trao đổi nhiệt là bố trí song song, iii) phương pháp tìm nghiệm là đơn giản: khảo
sát sự thay đổi của hàm mục tiêu (chi phí vận hành) theo các thơng số tối ưu hóa
từ đó tìm ra nghiệm tối ưu.
Nghiên cứu của Cortinovis và các cộng sự [2] có mục tiêu và phương pháp nghiên
cứu gần nhất với luận văn này. Tuy nhiên, do các hạn chế vừa nêu trên, nghiên cứu của
Cortinovis và các cộng sự chỉ áp dụng được khi hệ thống thiết bị trong thực tế trùng
khớp với thiết bị được mơ hình hóa trong bài báo [2] (cụ thể, loại tháp là tháp “crossflow” và bố trí thiết bị truyền nhiệt là bố trí song song). Trong thực tế, loại tháp được sử
dụng phổ biến là loại tháp ngược chiều (counter-flow), và bố trí thiết bị có thể là dạng
tổng quát (kết hợp giữa song song và nối tiếp).


9

2. CHƯƠNG

2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Hệ thống nước làm mát
Hầu hết các quy trình cơng nghiệp u cầu một bộ tản nhiệt bên ngoài để loại bỏ
nhiệt và kiểm soát nhiệt độ. Hệ thống nước làm mát là một giải pháp để giải nhiệt cho
các thiết bị và quá trình cơng nghiệp. Các hệ thống nước làm mát thường có hai dạng là
kín hay hở, và nước làm mát có thể được sử dụng một lần hoặc tuần hồn. Thiết kế và
trang thiết bị của các hệ thống nước làm mát có sự khác nhau rất lớn tùy thuộc vào ứng
dụng. Hệ thống nước làm mát thường bao gồm các bộ phận như thiết bị truyền nhiệt,
ống dẫn, bơm, các bộ phận của tháp làm mát và các loại van [10]. Khi việc sử dụng nước
từ các nguồn thiên nhiên bị hạn chế hoặc các quy định về môi trường không cho phép
thải nhiệt ra sông, hồ, kênh, rạch và biển thì phải sử dụng hệ thống làm mát bằng khơng
khí hoặc nước làm mát tuần hồn. Làm mát tuần hoàn cho đến nay là phương pháp phổ
biến nhất được sử dụng để thải nhiệt ra mơi trường [11].

Hình 1.1 minh họa các tính năng cơ bản của hệ thống nước làm mát tuần hoàn.
Nước giải nhiệt từ tháp giải nhiệt được bơm đến các bộ trao đổi nhiệt, nơi các dịng nóng
thải nhiệt thải ra ngồi. Nước làm mát lần lượt được làm nóng trong mạng lưới trao đổi
nhiệt và được đưa trở lại tháp giải nhiệt. Nước nóng quay trở lại tháp giải nhiệt chảy
xuống lớp đệm và được tiếp xúc ngược dòng hoặc theo dòng chéo với khơng khí. Lớp
đệm phải cung cấp một diện tích bề mặt lớn để truyền nhiệt và khối lượng giữa khơng
khí và nước. Khơng khí được làm ẩm và nóng lên, và bốc lên qua lớp đệm. Nước được
làm mát chủ yếu bằng cách bay hơi khi chảy xuống lớp đệm. Việc làm mát thể hiện qua
lượng nước bay hơi ra khỏi đỉnh tháp giải nhiệt. Một phần lượng nước cũng sẽ bị mất
trong q trình bị cuốn trơi (drift). Drift là những giọt nước cuốn theo khơng khí rời khỏi
đỉnh tháp và cần được giảm thiểu vì nó gây lãng phí nước và cũng có thể gây ố màu cho
các tòa nhà, v.v., những nơi nằm gần tháp giải nhiệt. Tổn thất này vào khoảng 0,1 đến
0,3% lượng lưu thơng nước. Bên cạnh đó, việc xả đáy như thể hiện trong Hình 1.1 là
cần thiết để ngăn ngừa sự tích tụ ơ nhiễm trong tuần hồn. Nước bổ sung là cần thiết để
bù đắp lượng nước mất đi do bay hơi và trơi và q trình xả đáy. Nước bổ sung chứa
các chất rắn tích tụ trong q trình tuần hoàn do bay hơi. Việc xả đáy làm sạch chúng,
cùng với chất bẩn hình thành từ của sự ăn mòn và sự phát triển của vi sinh vật. Cả sự ăn


10
mòn và sự phát triển của vi sinh vật cần được kiểm soát bằng các thêm các chất ức chế
vào hệ thống tuần hồn. Trong Hình 1.1, xả đáy được thể hiện từ bể chứa tháp giải nhiệt.
Nó được gọi là xả đáy lạnh, như trong Hình 1.1 Ngồi ra, nước có thể được lấy từ nước
tuần hồn nóng trước khi nó được đưa trở lại tháp giải nhiệt dưới dạng xả đáy nóng. Xử
lý xả đáy nóng có thể hữu ích trong việc tăng khả năng thải nhiệt từ hệ thống làm mát
nhưng có thể khơng được chấp nhận về mặt môi trường theo quan điểm dẫn đến việc
tăng nhiệt độ nước thải. Có nhiều kiểu dáng tháp giải nhiệt khác nhau. Chúng có thể
được chia thành hai lớp lớn như sau:
1. Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên. Tháp giải nhiệt đối lưu tự nhiên bao gồm một
vỏ rỗng, thường được xây dựng bằng bê tông. Phần trên rỗng của vỏ chỉ phục vụ

để tăng lượng gió lùa vào. Phần dưới được lắp các lớp đệm. Gió được tạo ra bởi
sự khác biệt về mật độ giữa không khí nóng ẩm trong tháp và khơng khí xung
quanh dày đặc hơn. Vì làm mát dựa trên sự đối lưu tự nhiên, chiều cao của tháp
thường cần đạt khoảng 100 đến 200 m để đạt được yêu cầu làm mát ưu tiên; rất
cao so với tháp giải nhiệt đối lưu cơ khí (~10–50 m). Do đó, chi phí vốn của tháp
nháp tự nhiên nhiều hơn 60% so với tháp nháp cơ học [12]. Tuy nhiên, ưu điểm
của tháp tự nhiên nằm ở việc khơng cần bảo trì thường xun cũng như không
cần điện năng tiêu thụ cho việc vận hành quạt;
2. Tháp giải nhiệt đối lưu cơ học. Tháp giải nhiệt cơ khí sử dụng quạt để di chuyển
khơng khí qua tháp giải nhiệt. Với thiết kế đối lưu cưỡng bức, quạt có nhiệm vụ
đẩy khơng khí vào đáy tháp. Tháp giải nhiệt hút gió có một quạt ở đỉnh tháp giải
nhiệt để hút khơng khí qua tháp. Chiều cao tháp đối không cần phải vượt quá độ
sâu của lớp đệm. Lợi thế chính của loại tháp này nằm ở chi phí vốn thấp và khả
năng điều chỉnh lưu lượng khơng khí tùy thuộc vào mơi trường xung quanh. Tháp
giải nhiệt đối lưu cơ học có hai loại, tháp giải nhiệt quạt hút (ID) và tháp giải
nhiệt đối lưu cưỡng bức (FD). Trong tháp giải nhiệt quạt hút, quạt được đặt ở
đỉnh tháp và khơng khí được hút vào từ đáy tháp. Trong tháp giải nhiệt đối lưu
cưỡng bức, quạt được đặt ở dưới cùng của tháp, nơi đẩy không khí vào tháp.
Trong thời gian gần đây, tháp giải nhiệt quạt hút đã được sử dụng rộng rãi hơn
như so với tháp giải nhiệt đối lưu cưỡng bức. Mặc dù FD tiêu thụ ít điện năng
hơn, tốc độ thốt khí từ đỉnh tháp rất chậm và có thể dẫn đến tái tuần hoàn lượng