cho Chiller
Có ba hiệu ứng cơ bản tác động đến sự vận chuyển của ion:
•Sự đối lưu tự nhiên do chuyển động nhiệt của ion,
•Sự vận chuyển ion mang điện tích dưới tác dụng của điện trường,
•Sự khuếch tán dưới tác dụng của chênh lệch nồng độ giữa thể tích dung dịch và sát bề mặt điện cực.
Trong thực nghiệm bằng những biện pháp đơn giản có thể loại trừ ảnh hưởng của sự đối lưu tự nhiên do chuyển động nhiệt của ion ví dụ như khuấy đều hay có độ lưu động của dòng chảy để khắc phục được hiện tượng đối lưu tự nhiên.
Sự vận chuyển ion mang điện tích dưới tác dụng của điện trường sẽ chịu ảnh hưởng trực tiếp và nhiều nhất của mật độ dòng điện.
Sự khuếch tán dưới tác dụng của chênh lệch nồng độ giữa thể tích dung dịch và sát bề mặt điện cực phụ thuộc chính và nồng độ trong dung dịch và cả sự lưu động của dung dịch.
I v
AzF
= − (1.8)
Trong điện hoá thì đại lượng I
A chính là cường độ dòng điện (I) đi qua diện
tích điện cực (A), được gọi là mật độ dòng điện, ký hiệu i (A.cm-2).
Như vậy mật độ dòng điện là thước đo tốc độ phản ứng điện hoá [15].
| i | = zFv (1.9)
Trong đó:
Z là số điện tử trao đổi F là hằng số Faraday V là tốc độ phản ứng
Với sự gia tăng của mật độ dòng điện, các phản ứng điện phân diễn ra càng mạnh mẽ do đó hiệu quả loại bỏ độ cứng tăng lên. Khi mật độ dòng điện cao, kích thước và tốc độ hình thành của các kết tủa được tạo ra tăng và điều này ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý độ cứng. Bằng vào việc tăng mật độ dòng điện làm tăng lượng hydroxit được tạo xung quanh cực âm, do đó làm tăng lượng kết tủa tạo ra điều này dẫn đến tăng hiệu quả loại bỏ độ cứng.
Mật độ dòng điện còn phụ thuộc vào các yếu tố như: linh độ, độ dẫn điện riêng của dung dịch
Linh độ (vi) là khả năng linh động của ion, là khái niệm để chỉ tốc độ vận chuyển ion. Khi chưa có dòng điện đi qua thì ion chuyển động hỗn độn. Nhưng nếu đặt dung dịch điện li giữa hai điện cực (có khoảng cách l) và nối với nguồn điện một chiều (có hiệu điện thế V) thì dưới tác động của điện trường E ( V
E l
= ) các ion sẽ vận chuyển về các cực trái dấu với nó. Rõ ràng cường độ điện trường E càng tăng thì vận tốc ion càng lớn.
Độ dẫn điện của dung dịch điện li ký hiệu là L [ Ω-1] bằng nghịch đảo của điện trở R [Ω] của dung dịch điện li đó [15].
1
L R
= (1.10)
Đối với dung dịch điện li thì điện trở [15].
l R A = (1.11) Trong đó: A là tiết diện (m2)
l là chiều dài của khối dung dịch giữa hai điện cực (m) ρ là điện trở riêng (Ωm).
Người ta định nghĩa độ dẫn điện riêng χ là nghịch đảo của điện trở riêng ρ [15]. χ = 1
(1.12)
Độ dẫn điện riêng của dung dịch phụ thuộc vào tổng nồng độ ion [c] của tất cả các loại ion có trong dung dịch.
2.8.2 Ảnh hưởng của khoảng cách
Hình 2.14 Sơ đồ mạch điện bộ điện phân [16]
Điện trở của dung dịch (R) có thể được tính bằng đinh luật Ohm [16]
U R
I
= (1.13)
I: dòng điện (A)
R: điện trở của dung dich (Ω)
Điện trở của dung dịch ion phụ thuộc vào nồng độ ion, loại ion, nhiệt độ,… Trong vùng giới hạn có diện tích A và chiều dài l có dòng điện đi qua, điện trở được xác định là [16]. l R A = (1.14)
: điện trở suất của dung dịch (Ωm) L: khoảng cách giữa các bản cực (m) A: diện tích của bản điện cực (m2)
. . U I A L = (1.15)
Khoảng cách giữa các điện cực sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến dòng điện trong dung dịch [16].
2.8.3 Ảnh hưởng của lưu lượng dòng chảy
Nếu như giai đoạn chuyển điện tích có vận tốc lớn, thì giai đoạn khuyếch tán chất tham gia phản ứng đến bề mặt điện cực thường là giai đoạn quyết định vì có vận tốc nhỏ. Thật vậy, khi mật độ dòng càng lớn thì các ion tham gia phản ứng tại bề mặt điện cực sẽ bị tiêu thụ càng mạnh. Do đó vận tốc của quá trình điện cực bây giờ sẽ phụ thuộc vào tốc độ vận chuyển của ion đến bề mặt điện cực hay còn goi là tốc độ khuếch tán ion trong dung dich đến bền mặt điện cực.
Khuếch tán là quá trình tự san bằng nồng độ trong hệ, tức là quá trình chuyển chất từ vùng có nồng độ lớn đến vùng có nồng độ nhỏ. Quá trình khuếch tán là bất thuận nghịch và tiến hành cho đến khi nồng độ hoàn toàn đồng đều. Mức độ không đồng đều được đặc trưng bởi gradien nồng độ - là biến thiên nồng độ trên một đơn vị khoảng cách, nó quyết định mức độ và hướng của quá trình khuếch tán.
Vận tốc của một phản ứng điện cực do khuếch tán quyết định phụ thuộc vào biến thiên nồng độ theo khoảng cách tới bề mặt điện cực (tuân theo định luật Fick).
Từ định luật Fick về vận tốc khuếch tán ta có thể thiết lập [15]. 0 kt kt x c i v D x = zF = − = (1.16)
Như vậy tốc độ khuếch tán cũng có thể biểu diễn qua mật dộ dòng điện, được gọi là mật độ dòng khuếch tán, kí hiệu là ikt. Ta có thể viết 0 x c x =
của phương trình (1.16) dưới dạng biến thiên hữu hạn [15].
0 e kt C C i zFD − = (1.17)
Trong công thức trên
Co: nồng độ ion ban đầu trong thể tích dung dịch; khi có dòng điện đi qua thì Co
chỉ không đổi cho tới sát lớp khuếch tán (tại x=), Ce: nồng độ ion tại bề mặt điện cực (tại x=0),
: được gọi là bề dày của lớp khuếch tán - đó là lớp lỏng dung dịch bám trên mặt điện cực, đặc trưng cho ảnh hưởng của khuếch tán thuần túy, thường có bề dày từ 0,01mm (nếu có sự lưu động của dung dịch) và bằng 0.5mm (nếu dung dịch không được lưu động). Vậy độ lưu động của nước sẽ làm giảm bề dầy của lớp khuếch tán.
Z: điện tích trao đổi
D: là hệ số khuếch tán của ion, giá trị của D = 10-9m2.s-1
Vậy giá trị của mật độ dòng khuếch tán có thể được tăng lên bằng các phương pháp sau:
− Tăng nồng độ ion số lượng lớn C0
− Tăng nhiệt độ dung dịch, ảnh hưởng rất nhiều vào hệ số khuếch tán D
Chương 3: HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1 Mô hình tổng quan Hình 3.1 Mô hình t ổng quan c ủa h ệ th ống [ 18]
Các thiết bị dùng để mô phỏng mạch nước giải nhiệt cho Chiller gồm: một bình ngưng, một tháp giải nhiệt, một điện trở, một thùng chứa nước, một bơm nước giải nhiệt cho bình ngưng, một bơm nước nóng mô phỏng đường gas trong bình ngưng. Các van và thiết bị đo lường phù hợp.
Các thiết bị dùng để xử lí nước tháp giải nhiệt là một bơm chìm, một bộ nguồn DC 24V-3A, 3 bản cực Titan,1 bể điện phân, thiết bị đo lưu lượng, các van và thiết bị đo lường (thiết bị đo pH, TDS, EC, độ cứng).
Nguyên lí hoạt động: nước giải nhiệt cho bình ngưng sẽ được bơm tuần hoàn hút từ tháp giải nhiệt và đẩy vào trong bình ngưng để giải nhiệt cho gas trong bình ngưng. Một điện trở gia nhiệt cho nước chứa trong trong thùng tới một nhiệt độ là 65oC sẽ làm nhiệm vụ thay thế cho mạch Gas của chiller trong bình ngưng. Nước nóng sẽ được bơm nước nóng bơm tuần hoàn vào bình ngưng, trao đổi nhiệt với nước giải nhiệt và sau đó lại quay trở lại thùng nước nóng và tiếp tục được điện trở gia nhiệt.
Bơm chìm sẽ hút nước từ tháp giải nhiệt và đẩy vào bể phản ứng điện phân. Sau đó sẽ được hồi về lại tháp giải nhiệt. Lưu lượng nước qua bể xử lí sẽ được đo bằng thiết bị cảm biến lưu lượng và sẽ được điều chỉnh bằng van cổng để đạt được giá trị mong muốn. Các giá trị đầu vào của bộ điện phân sẽ được điều chỉnh bằng bộ nguồn DC 24V- 3A.
3.2 Thiết bị mô phỏng mạch nước giải nhiệt của hệ thống Chiller giải nhiệt nước
Công suất giải nhiệt của dàn ngưng là [19]. Qk = Q0 0
Q
COP + (3.1)
Qk = 21,3Kw = 18368 (Kcal/h) Ta chọn bình ngưng cống suất giải nhiệt 5Hp = 19500 (Kcal/h) Chọn điện trở gia nhiệt có công suất Qđt = 22 (KW)
Hình 3.2 Điện trở
Bảng 3.1. Thông số của điện trở
Ta chọn tháp giải nhiệt của hãng Alpha có model là APC 5RT, có các thông số cơ bản sau:
Bảng 3.2 Thông số kĩ thuật tháp giải nhiệt
Ta chọn ΔTnước giải nhiệt cho bình ngựng là 5oC. Lưu lượng nước giải nhiệt cho bình ngưng là:
G = . k p Q C T (3.2) STT Thông số Giá trị 1 Chất liệu Inox 301 2 Điện áp 380V 3 Công suất 25KW STT Thông số Giá trị 1 Hãng Alpha
2 Công suất 19500Kcal/hr 3 Lưu lượng 65l/phút 4 Motor quạt 380V-1/6Hp
G = . k p Q C T = 22 4,18.5 = 1.05l/s = 63 l/phút
Hình 3.3 Bơm nước tuần hoàn giải nhiệt cho bình ngưng Bảng 3.3 Thông số bơm nước nước giải nhiệt
*Tính chọn bơm nước nóng
Nước ban đầu trước khi đun (nước thủy cục) t0 = 28oC Nước ra khỏi bộ gia nhiệt chọn t1 = 65oC
Nước hồi từ bình ngưng về bộ gia nhiệt chọn t2 = 40oC G’ = .(1 0) dt p Q C t −t (3.3) G’ = ( 1 0) . dt p Q C t −t = 4,18. 65 40(22− ) = 0.21l/s = 12.6l/phút STT Thông số Giá trị 1 Hãng Panasonic 2 Công suất 240W 3 Lưu lượng 65l/phút 4 Cột áp 40m 5 Số vòng quay 2850r/phút
Hình 3.4 Bơm nước nóng Bảng 3.4 Thông số bơm nước nóng
Chọn bình gia nhiệt nước có thể tích thực là 30l
Lượng nhiệt cần để gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu t0 = 28 0C tới lúc đạt t1 = 65oC là Q’= 4,18.1000.30.(65 - 28) = 4639800 J
Thời gian cần để gia nhiệt từ nhiệt độ ban đầu t0 = 28 0C tới lúc đạt t1 = 65oC là
t = 4639800 22000 = 211s = 3.52 phút STT Thông số Giá trị 1 Hãng Nanoco 2 Công suất 85W 3 Lưu lượng 15l/phút 4 Cột áp 28m
Hình 3.5 Thùng nước nóng chứa điện trở để gia nhiệt cho nước Bảng 3.5 Thông số thùng chứa nước nóng
Chọn bơm chìm Hình 3.6 Bơm chìm Bảng 3.6 Thông số bơm chìm STT Thông số Giá trị 1 Công suất 65W 2 Lưu lượng 2500l/h 3 Cột áp 3m STT Thông số Giá trị
1 Chất liệu Nhựa HDPE
3.2 Thiết bị của bộ xử lí nước bằng công nghệ điện phân 3.2.1 Máy đo nồng độ PH: 3.2.1 Máy đo nồng độ PH:
Hình 3.7 Bút đo PH P-2S của hãng total meter
Bút đo pH/Nhiệt độ P-2S hay bút đo pH P-2S là thiết bị giúp hỗ trợ kiểm tra chất lượng nước một cách nhanh chóng và tiện lợi. Máy được ứng dụng đa dạng trong các lĩnh vực thủy sinh, thủy canh, ngành công nghiệp giấy hay công nghiệp chế biến thực phẩm…
* Thông số kỹ thuật.
▪ Phạm vi đo pH: 0.00 ~ 14.00 pH
▪ Độ phân giải: 0.1 pH
3.2.2 Thiết bị tổng chất rắn hòa tan TDS
TDS (Total Dissolved Solids) là chỉ số thể hiện tổng chất rắn hòa tan (tổng số các ion mang điện tích, bao gồm muối, khoáng chất hoặc kim loại) tồn tại trong một thể tích nước nhất định. Những chất có trong nước chủ yếu là khoáng chất, muối, chất hữu cơ, các hợp chất vô cơ như kim loại nặng - chất rắn lơ lửng không lắng hoặc không hòa tan trong nước (canxi, magiê, natri, kali và các anion cacbonat, bicarbonate, clorua, sunfat). Không bao gồm các chất hữu cơ có tự nhiên trong nước và môi trường, một số hợp chất có thể cần thiết cho cơ thể, nhưng, có thể gây hại khi dùng nhiều hơn hàm lượng được khuyến nghị. TDS được biểu thị bằng đơn vị mg/L hoặc ppm (parts per million - phần triệu).
Thiết bị sử dụng là bút đo TDS/Nhiệt độ TDS-04 của hãng total meter.
Bút đo TDS/Nhiệt độ TDS-04 là một loại máy đo TDS kỹ thuật số cầm tay tiện lợi. Máy có chức năng hỗ trợ kiểm tra và kiểm soát độ tinh khiết của nước.
Hình 3.9 Bút đo TDS * Thông số kỹ thuật ▪ Phạm vi đo TDS: 0-9990 ppm ▪ Sai số: +/- 2% ▪ Kích thước: 154 * 26 * 19mm ▪ khối lượng tịnh: 65 g
Hình 3.10 Quá trình đo chỉ số TDS cho nước thí nghiệm.
3.2.3 Thiết bị đo EC
EC là chữ viết tắt của Electrical Conductivity, hay còn gọi là độ dẫn điện. EC đo lường khả năng dẫn điện của dung dịch. Nước cất không dẫn điện được vì không có chất điện ly, nên được sử dụng làm nguyên liệu cách điện.
Trong nước có nhiều phân tử muối hòa tan, tồn tại ở dạng: ion dương, hay cation và ion âm, hay anion. Sự tồn tại của muối trong dung dịch giúp dung dịch có khả năng dẫn điện. Vì thế, dung dịch càng chưa nhiều muối thì độ dẫn điện (EC) càng cao. Có nghĩa là EC càng cao thì ion trong dung dịch càng lớn.
Hình 3.11 Thiết bị đo EC được sử dụng là bút Đo EC DiST4 HI98304 của hãng Hanna- Romania.
* Thông số kỹ thuật:
▪ Hiệu chuẩn: Bằng tay, 1 điểm
▪ Bù nhiệt: tự động từ 0 đến 50°C (32 to 122°F)
▪ Hệ số chuyển đổi TDS: 0.5
3.2.4 Bộ kiểm tra độ cứng nước
Như đã đề cập ở trên, Độ cứng của nước được định nghĩa là khả năng kết tủa của nước. Các ion trong nước tạo ra sự kết tủa nhiều nhất là canxi và magiê. Do đó, kiểm tra độ cứng của nước thường là biện pháp định lượng của các ion trong mẫu nước. Nó cũng có thể nhận biết các ion khác, chẳng hạn như sắt, kẽm và mangan, góp phần vào độ cứng tổng. Các biện pháp kiểm soát độ cứng của nước là điều cần thiết để ngăn ngừa cặn bã gây và tắc nghẽn trong đường ống nước và việc kiểm tra là rất cần thiết cho mọi thiết bị.
Thiết bị được sử dụng là bộ kiểm tra độ cứng nước Hanna HI3812 (0 - 300 mg/L) do hãng Hanna. Hình 3.12 Bộ chuẩn độ cứng. * Thông số kỹ thuật: ▪ Phương pháp: Chuẩn độ ▪ Thang đo: 0,0-30,0 mg / L; 0-300 mg / L ▪ Tăng nhỏ nhất: 0,3 mg / L; 3 mg / L
▪ Phương pháp hóa học: EDTA
▪ Số lần thử: 100
▪ Trọng lượng: 460 g
Hướng dẫn sử dụng bộ kiểm tra độ cứng: Thang đo 0 – 300 mg/L CaCO3
1.Tháo nắp cốc nhựa nhỏ. Đổ mẫu nước vào cốc đến vạch 5 mL và đậy nắp.
2.Nhỏ 5 giọt dung dịch Đệm độ cứng qua lỗ nhỏ trên nắp và lắc tròn cốc.
3.Thêm 1 giọt Chỉ thị Calmagite qua lỗ nhỏ trên nắp và lắc tròn như trên. Dung dịch sẽ chuyển màu đỏ tím
4.Dùng bơm tiêm chuẩn độ, đẩy pittong hoàn toàn vào xi lanh. Nhúng đầu hút vào dung dịch EDTA HI3812-0 và kéo pittong về vạch 0.
5.Đặt đầu ống tiêm vào lỗ nhỏ trên nắp cốc nhựa và từ từ nhỏ giọt chuẩn độ vào và lắc đều sau mỗi lần nhỏ giọt.
6.Tiếp tục thêm dung dịch chuẩn độ đến khi dung dịch chuyển sang màu tím. Sau đó lắc đều khoảng 15 giây sau mỗi lần nhỏ giọt đến khi dung dịch chuyển màu xanh.
7.Đọc số chỉ mL của dung dịch chuẩn độ trên thang bơm tiêm và nhân giá trị với 300, thu được kết quả của độ cứng theo mg/L (ppm) CaCO3.
Nếu kết quả dưới 30 mg/L, đo theo tiến trình sau:
1.Tháo nắp cốc nhựa lớn. Đổ mẫu nước vào cốc đến vạch 50 mL và đậy nắp
2.Tiếp tục như các bước trong tiến trình chuẩn độ Thang Cao.
3.Đọc số chỉ mL của dung dịch chuẩn độ trên thang bơm tiêm và nhân giá trị với 30, thu được kết quả của độ cứng theo mg/L (ppm) CaCO3.