Xác định nhiệt độ nước phun tối ưu trong hệ thống khử muối bằng phương pháp phun tách ẩm

Bài viết Xác định nhiệt độ nước phun tối ưu trong hệ thống khử muối bằng phương pháp phun tách ẩm trình bày kết quả nghiên cứu lý thuyết quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống khử muối bằng phương pháp phun tách ẩm. Bằng cách ứng dụng công nghệ Pinch để phân tích quá trình truyền nhiệt giữa nước và không khí, bài báo đã xác định được tỷ lệ thu hồi nhiệt và hệ số năng suất tối đa của hệ thống khử muối phun tách ẩm.

Võ Kiến Quốc, Lê Chí Hiệp 40 XÁC ĐỊNH NHIỆT ĐỘ NƯỚC PHUN TỐI ƯU TRONG HỆ THỐNG KHỬ MUỐI BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHUN TÁCH ẨM DETERMINING OPTIMAL TEMPERATURE FOR SPRAY WATER IN HUMIDIFICATIONDEHUMIDIFICATION DESALINATION SYSTEM Võ Kiến Quốc, Lê Chí Hiệp Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh; vkquoc@hcmut.edu.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày kết nghiên cứu lý thuyết trình trao đổi nhiệt hệ thống khử muối phương pháp phun tách ẩm Bằng cách ứng dụng cơng nghệ Pinch để phân tích q trình truyền nhiệt nước khơng khí, báo xác định tỷ lệ thu hồi nhiệt hệ số suất tối đa hệ thống khử muối phun tách ẩm Kết nghiên cứu cho thấy, ứng với chênh lệch nhiệt độ tối thiểu nước khơng khí Tmin có giá trị nhiệt độ nước phun tối ưu để tỷ lệ thu hồi nhiệt hệ số suất cao Ở Tmin=3°C, nhiệt độ nước phun tối ưu 65°C, Tmin=4°C nhiệt độ nước phun tối ưu 70°C Tmin=5°C nhiệt độ nước phun tối ưu 70-75°C Abstract - This paper presents the results of theoretical study on heat transfer in the humidification – dehumidification desalination systems Applying Pinch technology to analyze the heat transfer between water and humid air in the humidification – dehumidification desalination systems, the maximum heat recovery rate and the maximum gain output ratio have been determined The study results show that for each minimum temperature difference between water and humid air, there is an optimum spray water temperature so that the heat recovery rate and gain output ratio can be the highest At Tmin=3°C, the optimum spray water temperature is 65°C, at Tmin=4°C, the optimum spray water temperature is 70°C and at Tmin= 5°C the optimum spray water temperature is 75°C Từ khóa - phân tích Pinch; khử muối; phun tách ẩm; tối ưu hóa; nước phun Key words - Pinch analysis; desalination; humidificationdehumidification; optimize; spray water Đặt vấn đề Các phương pháp khử muối truyền thống thích hợp với dãy công suất cao, điều kiện vận hành bảo dưỡng địi hỏi cơng nhân có trình độ kỹ thuật cao Với ứng dụng có cơng suất nhỏ từ đến 100 m3/ngày chi phí sản xuất nước lớn hệ thống có cơng suất lớn bay nhiều tầng thẩm thấu ngược [1] So với phương pháp khử muối khác phương pháp khử muối phun tách ẩm có nhiều ưu điểm như: cấu tạo đơn giản, làm việc áp suất khí quyển, chi phí đầu tư vận hành thấp sử dụng nguồn nhiệt có nhiệt thấp Phương pháp đánh giá thích hợp để cung cấp nước cho khu vực không tập trung dân cư ven biển, hải đảo [2] phương pháp khử muối tốt lượng mặt trời [3] Khử muối nước biển để sản xuất nước phương pháp phun tách ẩm phương pháp nhiều nhà nghiên cứu giới đánh giá có triển vọng dãy suất trung bình 100m3/ngày [1-4] Ưu điểm bật phương pháp khử muối phương pháp phun tách ẩm so với phương pháp khử muối truyền thống lượng mặt trời khác có khả thu hồi ẩn nhiệt trình ngưng tụ để gia nhiệt cho nước cấp Nhiệt lượng thu hồi nhiều hiệu suất hệ thống cao Khả thu hồi nhiệt hệ số suất hệ thống phụ thuộc vào chênh lệch nhiệt độ tối thiểu nước không khí thiết bị phun ẩm thiết bị tách ẩm, nhiệt độ nước phun, nhiệt độ nước giải nhiệt Trong thơng số nhiệt độ nước giải nhiệt phụ thuộc vào điều kiện khách quan môi trường tác động thông số Trong báo này, ảnh hưởng nhiệt độ nước phun chênh lệch nhiệt độ tối thiểu nước phun khơng khí đến tỷ lệ thu hồi nhiệt hệ số suất khảo sát để tìm giá trị nhiệt độ nước phun tối ưu ứng với giá trị Tmin Mô tả hệ thống Hệ thống khử muối phun tách ẩm Hình bao gồm thiết bị thiết bị phun ẩm thiết bị tách ẩm, nối với đường ống phía phía thiết bị để tạo thành vịng tuần hồn kín khơng khí Khơng khí bên hệ thống tuần hoàn cưỡng quạt Thiết bị tách ẩm dàn ngưng tụ giải nhiệt nước đặt cố định bên kết cấu bao che, thiết bị phun ẩm bao gồm lớp đệm để tạo bề mặt bay đặt bên kết cấu bao che Hình Sơ đồ hệ thống khử muối phun tách ẩm Trong chu trình khơng khí tuần hồn kín trạng thái khơng khí vào thiết bị phun ẩm tách ẩm khơng khí ẩm bão hịa [1, 2, 5-7] Trong chu trình này, nước nóng phun từ đỉnh thiết bị phun ẩm lên lớp đệm Trạng thái không khí vào thiết bị phun ẩm tách ẩm trình bày Hình Khơng khí lạnh bão hịa (điểm 5) thổi từ phía thiết bị phun ẩm qua lớp đệm trao đổi nhiệt chất với nước nóng từ xuống, nhiệt độ độ chứa khơng khí tăng lên Sau khỏi thiết bị phun ẩm, khơng khí bão hịa có độ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển chứa nhiệt độ cao (điểm 6) vào thiết bị tách ẩm, nhả nhiệt cho nước làm mát ngưng tụ phận nước khơng khí tách Khơng khí khỏi thiết bị ngưng tụ khơng khí vào thiết bị phun ẩm Nước làm mát sau khỏi thiết bị ngưng tụ gia nhiệt tiếp đưa vào thiết bị phun ẩm Sau khỏi thiết bị phun ẩm, nước có nồng độ muối cao thải bỏ 41 ṁa (ia + dia ) + ṁw Cpw t w = =ṁa ia + ṁw Cpw (t w + dt w ) + dṁpw Cpw t pw (7) ṁa dia = ṁw Cpw dt w + dṁpw Cpw t pw (8) Gọi lưu lượng khối lượng khơng khí tuần hồn hệ thống ṁw lưu lượng khối lượng nước phun ṁa kg/s Ta có tỷ lệ lưu lượng khối lượng nước phun khơng ṁ khí tuần hồn ̇ w = ṁ Xem lưu lượng khối lượng nước ma phun số qua thiết bị phun ẩm, theo ASHRAE Handbook [8], ứng với ṁa = 1kg/s ta có: - Entanpi nước: iw = 4,1868 ṁw t = 4,1868 ṁ t (9) - Entanpi khơng khí ẩm bão hòa: ia = Exp(2,39329 + 0,10648 t − 0,00135 t + 0,000010058 t ) Hình Đồ thị t-d biểu diễn trình thay đổi trạng thái khơng khí thiết bị phun ẩm (10) - Tỷ lệ thu hồi nhiệt (heat recovery rate) 𝑓: tỷ số nhiệt lượng thu hồi thiết bị tách ẩm với tổng nhiệt lượng cung cấp vào cho hệ thống 𝑓= Phương pháp nghiên cứu 𝑄𝑟𝑒 𝑄 = 𝑄𝑟𝑒𝑐 𝑄𝑟𝑒𝑐 +𝑄𝑎𝑑𝑑 (11) - Hệ số suất (Gain Output Ratio - GOR): tỷ lệ ẩn nhiệt hóa nước thu tổng nhiệt lượng cấp vào cho chu trình 𝐺𝑂𝑅 = Hình Cân nhiệt chất hệ thống Hình trình bày sơ đồ cân nhiệt chất hệ thống khử muối phun tách ẩm Như trình bày phần trạng thái khơng khí tuần hồn hệ thống ln trạng thái bão hịa, cơng thức liên quan đến khơng khí ẩm trình bày sau tính cho khơng khí ẩm bão hịa * Cân nhiệt chất thiết bị phun ẩm: - Phương trình cân khối lượng: ṁw + ṁa (1 + wa ) = ṁw −dṁw + ṁa (1 + wa + dwa ) (1) → dṁw = ṁa dwa 𝑚𝑝𝑤 𝑟𝑝𝑤 𝑄 (32) Kết bàn luận Công nghệ Pinch giới thiệu Linnhoff [9] phương pháp tối ưu hóa mức lượng tiêu thụ thiết kế hệ thống trao đổi nhiệt dựa tập hợp phương pháp nhiệt động Phân tích Pinch sử dụng để xác định chi phí lượng, chi phí đầu tư ban đầu hệ thống trao đổi nhiệt dựa liệu nhiệt hệ thống Hình trình bày kết phân tích Pinch hệ thống khử muối phun tách ẩm Trong thiết bị phun ẩm, dịng nhiệt nóng nước phun, dịng nhiệt lạnh khơng khí, thiết bị tách ẩm dịng nhiệt nóng khơng khí dịng nhiệt lạnh nước giải nhiệt Khơng khí vừa đóng vai trị dịng nóng dịng lạnh (2) - Phương trình cân lượng: ṁa ia + ṁw Cpw (t w + dt w ) = ṁa (ia + dia ) + (ṁw −dṁw )Cpw t w (3) → ṁa dia − dṁw Cpw t w − ṁw Cpw dt w = (4) *Cân nhiệt chất thiết bị tách ẩm: - Phương trình cân khối lượng: ṁa (wa + dwa ) + ṁw = ṁa wa + ṁw + dṁpw ṁa dwa = dṁpw - Phương trình cân lượng: Hình Kết phân tích Pinch nhiệt độ nước phun 80°C, 𝑚̇ = (5) (6) Từ phương trình (9) (10), vẽ đường entanpi nước khơng khí theo nhiệt độ Theo ngun tắc Pinch, dịng nhiệt nóng phải nằm dịng nhiệt lạnh, cho nên, thiết bị phun ẩm phải tịnh tiến đường entanpi nước sang trái chênh lệch nhiệt Võ Kiến Quốc, Lê Chí Hiệp 42 độ tối thiểu đường với giá trị T dừng lại Từ điểm ứng với nhiệt độ nước phun biết, vẽ đường thẳng đứng cắt đường entanpi khơng khí điểm xác định nhiệt độ khơng khí khỏi thiết bị phun ẩm Tương tự thiết bị tách ẩm khơng khí dịng nhiệt nóng, tịnh tiến đường entanpi nước nằm bên đường entanpi khơng khí có chênh lệch nhiệt độ tối thiểu đường với giá trị T Từ điểm 6, vẽ đường thẳng đứng cắt đường entanpi nước giải nhiệt điểm xác định nhiệt độ nước khỏi thiết bị tách ẩm Từ điểm ứng với nhiệt độ nước giải nhiệt biết, vẽ đường thẳng đứng cắt đường entanpi khơng khí điểm xác định nhiệt độ khơng khí khỏi thiết bị tách ẩm cắt đường entanpi nước phun điểm xác định nhiệt độ nước khỏi thiết bị phun ẩm Kết Hình cho thấy vùng trùng lắp dòng nhiệt thể cho phần nhiệt lượng thu hồi, vùng không trùng lắp nằm bên thể cho phần nhiệt lượng thải nhiệt lượng cấp vào Nhiệt lượng nhả với nhiệt lượng cấp vào Visual Basic với sơ đồ khối thể Hình Các thông số đầu vào là: nhiệt độ nước phun, nhiệt độ nước giải nhiệt độ chênh nhiệt độ điểm Pinch Tmin Sử dụng vòng lặp DO để xác định điểm kẹp (Pinch point) dịng nhiệt nóng lạnh thiết bị phun ẩm tách ẩm Từ xác định tỷ lệ thu hồi nhiệt hệ số suất hệ thống 4.1 Ảnh hưởng nhiệt độ nước phun Tmin đến tỷ lệ thu hồi nhiệt Kết mơ Hình cho thấy giá trị Tmin thấp tỷ lệ thu hồi nhiệt cao ngược lại Nhiệt độ nước phun ảnh hưởng đến tỷ lệ thu hồi nhiệt Tuy nhiên, thay đổi tỷ lệ thu hồi nhiệt theo nhiệt độ nước phun Tmin không đồng dạng với mà phụ thuộc vào Tmin Ở giá trị Tmin=3°C tỷ lệ thu hồi nhiệt thay đổi khoảng nhiệt độ nước phun 60-80°C Trong khoảng nhiệt độ này, tỷ lệ thu hồi nhiệt 70% Tỷ lệ thu hồi tối đa đạt 72% nhiệt độ nước phun 65°C Tmin cao nhiệt độ nước phun hợp lý để tỷ lệ thu hồi nhiệt tối đa cao Ở giá trị Tmin=5°C, nhiệt độ nước phun khoảng 65-85°C tỷ lệ thu hồi nhiệt cao giá trị Tmin=7°C nhiệt độ nước phun hợp lý để tỷ lệ thu hồi nhiệt cao 85°C trở lên Theo Zheng [10], giá trị Tmin hợp lý thiết kế thiết bị phun ẩm tách ẩm 3-5°C Do đó, xét phương diện thu hồi nhiệt giá trị nhiệt độ tối ưu làm việc hệ thống khử muối phương pháp phun tách ẩm tối ưu nằm khoảng 60-85°C Hình Tỷ lệ thu hồi nhiệt tối đa theo nhiệt độ nước phun Hình Sơ đồ khối chương trình mơ Dựa bước phân tích Pinch, chương trình mơ thực dựa ngôn ngữ lập trình 4.2 Ảnh hưởng nhiệt độ nước phun Tmin đến hệ số suất GOR Kết mô Hình cho thấy hệ số GOR phụ thuộc vào nhiệt độ nước phun Ở nhiệt độ nước phun, Tmin thay đổi hệ số GOR thay đổi Tuy nhiên, thay đổi hệ số GOR theo nhiệt độ không giống Ở giá trị Tmin=5°C, nhiệt độ nước phun 70°C 75°C hệ số GOR cao Khi nhiệt độ nước phun lớn 75°C nhỏ 70°C hệ số GOR giảm xuống Như vậy, xét phương diện hiệu lượng nhiệt độ nước phun hợp lý Tmin=5°C 70-75°C Ở giá trị Tmin=4°C, nhiệt độ nước phun 70°C hệ số GOR cao Ở giá trị Tmin3°C hệ số GOR lớn nhiệt độ nước phun 65°C Như vậy, nhận thấy quy luật giá trị Tmin giảm nhiệt độ nước phun tối ưu giảm để hệ số GOR đạt giá trị cao Tuy nhiên, để đạt giá trị ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(118).2017 - Quyển Tmin thấp thiết bị trao đổi nhiệt phải có hiệu suất cao, điều khó thiết bị trao đổi nhiệt Như vậy, thiết bị trao đổi nhiệt có hiệu suất thấp (Tmin cao) nên chọn nhiệt độ nước phun cao để nâng cao hệ số GOR Hình Ảnh hưởng Tmin đến GOR Kết luận Kết nghiên cứu lý thuyết hệ thống khử muối phun tách ẩm cho thấy ưu điểm hệ thống thích hợp làm việc với nguồn nhiệt có nhiệt thấp Cho nên lượng mặt trời thích hợp để cấp nhiệt cho hệ thống Ngoài ra, hệ số suất hệ thống cao nhiều so với phương pháp bay ngưng tụ truyền thống lượng mặt trời Dựa lý thuyết phân tích Pinch cho hệ thống khử muối phun tách ẩm, thông số đầu nước khơng khí thiết bị phun ẩm tách ẩm xác định cách dễ dàng Từ tính tốn tỷ lệ thu hồi nhiệt hệ số suất hệ thống Kết phân tích Pinch cho thấy rằng, tỷ lệ thu hồi nhiệt hệ số suất phụ thuộc vào nhiệt độ nước phun Tmin Để xác định nhiệt độ nước phun tối ưu cần phải xét đồng thời thông số tỷ lệ thu hồi nhiệt hệ số suất Kết mơ cho thấy, Tmin cao nhiệt độ nước phun tối ưu phải cao ngược lại Để Tmin hệ thống thấp chi phí đầu tư cho hệ thống tăng lên Do đó, cần phải cân nhắc lựa chọn giá trị Tmin phù hợp với điều kiện thực tế để từ xác định nhiệt độ nước phun phù hợp cho hệ thống Ngồi ra, chương trình mơ cịn xác định tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu nước phun khơng khí theo nhiệt độ nước phun nhiệt độ nước giải nhiệt Tóm lại, với Tmin=3°C nhiệt độ nước phun tối ưu 65°C, với Tmin=4°C nhiệt độ nước phun tối ưu 70°C, Tmin=5°C nhiệt độ nước phun tối ưu 70-75°C 43 Danh mục ký hiệu 𝐶𝑝𝑤 : nhiệt dung riêng nước [kJ/(kgK)]; 𝐶𝑠𝑤 : nhiệt dung riêng nước biển [kJ/(kgK)]; f: tỷ lệ thu hồi nhiệt [%]; ṁa : lưu lượng khối lượng khơng khí [kg/s]; ṁw : lưu lượng khối lượng nước phun [kg/s]; ṁpw : lưu lượng khối lượng nước ngưng [kg/s]; ṁ: tỷ lệ lưu lượng khối lượng nước phun khơng khí; 𝑖𝑎 : entanpi khơng khí [kJ/kg]; 𝑖𝑤 : entanpi nước [kJ/kg]; Q: tổng nhiệt lượng cấp vào [kJ]; Qrec: nhiệt lượng thu hồi [kJ]; Qadd: nhiệt lượng bổ sung [kJ]; rpw: ẩn nhiệt hóa nước [kJ/kg]; 𝑡𝑎 : nhiệt độ khơng khí [°C]; 𝑡𝑝𝑤 : nhiệt độ nước ngưng [°C]; 𝑡𝑤 : nhiệt độ nước biển [°C]; ∆𝑇𝑚𝑖𝑛 : độ chênh nhiệt độ điểm Pinch [°C]; 𝑤𝑎 : độ chứa khơng khí [kghn/kgkkk] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hou, S., S Ye, and H Zhang, “Performance optimization of solar humidification–dehumidification desalination process using Pinch technology”, Desalination, 183(1–3), 2005, pp 143-149 [2] Narayan, G.P., et al., “The potential of solar-driven humidification– dehumidification desalination for small-scale decentralized water production”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(4), 2010, pp 1187-1201 [3] Al-Hallaj, S., et al., “Solar desalination with humidification– dehumidification cycle: Review of economics”, Desalination, 195(1–3), 2006, pp 169-186 [4] Nawayseh, N.K., et al., “Solar desalination based on humidification process II”, Computer simulation Energy Conversion and Management, 40(13), 1999, pp 1441-1461 [5] Nawayseh, N.K., et al., “A simulation study to improve the performance of a solar humidification-dehumidification desalination unit constructed in Jordan”, Desalination, 109(3), 1997, pp 277-284 [6] Farid, M.M., et al., “Solar desalination with a humidificationdehumidification cycle: Mathematical modeling of the unit”, Desalination, 151(2), 2003, pp 153-164 [7] Orfi, J., et al., “Experimental and theoretical study of a humidification-dehumidification water desalination system using solar energy”, Desalination, 168(0), 2004, pp 151-159 [8] ASHRAE Handbook, Fundamentals Volume, ASHRAE 1791 Tulie Circle, Atlanta, Georgia, 2001 [9] March, L., Introduction to Pinch Technology, Targeting House, Gadbrook Park, Northwich, Cheshire, CW9 7UZ, England, 1998 [10] Zheng, H., “Chapter - Humidification–Dehumidification Solar Desalination Systems”, Solar Energy Desalination Technology, Elsevier: Amsterdam, 2017, pp 447-535 (BBT nhận bài: 11/09/2017, hoàn tất thủ tục phản biện: 21/09/2017) ... từ xác định nhiệt độ nước phun phù hợp cho hệ thống Ngoài ra, chương trình mơ cịn xác định tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu nước phun không khí theo nhiệt độ nước phun nhiệt độ nước giải nhiệt. .. phương diện thu hồi nhiệt giá trị nhiệt độ tối ưu làm việc hệ thống khử muối phương pháp phun tách ẩm tối ưu nằm khoảng 60-85°C Hình Tỷ lệ thu hồi nhiệt tối đa theo nhiệt độ nước phun Hình Sơ đồ... Tmin=3°C nhiệt độ nước phun tối ưu 65°C, với Tmin=4°C nhiệt độ nước phun tối ưu 70°C, Tmin=5°C nhiệt độ nước phun tối ưu 70-75°C 43 Danh mục ký hiệu