Mục lục I MỞ ĐẦU 2 1.Lý do lựa chọn đề tài 2 2. Các phương pháp thu nước ngọt thông dụng trên thế giới 3 3.Điều kiện tự nhiên tại Việt Nam 10 4.Mục tiêu: 11 III NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CẤU TẠO 12 Cơ sở lý thuyết 12 Nhiệt độ 12 Sự bốc hơi 13 Áp suất hơi 13 Độ ẩm tương đối không khí là gì 13 Điểm sương 14 Năng lượng mặt trời 14 Quá trình nhiệt động học lượng nhiệt để làm bốc hơi nước: 14 Enthalpy 15 Sự bay hơi nội tại của nước (16) 17 Phun sương 17 Thảo luận: 18 Cấu tạo hệ thống: 18 Tính mới: 19 IIIThí nghiệm 21 Thí nghiệm định tính: 21 Thí nghiệm 1: 21 Thí nghiệm 2: 21 IVKết luận 23 Mục đích 23 Kết quả 23 Điểm mới 24 Phương hướng trong tương lai 24
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI TRƯỜNG THPT Hà Nội – Amsterdam, Cầu Giấy ************** ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015) Tên đề tài: MODULE CHUYỂN ĐỔI NƯỚC BIỂN THÀNH NƯỚC NGỌT SỬ DỤNG LƯỚI KIM LOẠI VÀ MÁY PHUN SƯƠNG Lĩnh vực: Kỹ thuật điện khí NGƯỜI HƯỚNG DẪN TÁC GIẢ: - Tiến sĩ Đinh Trần Phương Nguyễn Dỗn Hồng - Đơn vị cơng tác Hà Nội-Amsterdam Lớp: 11L Trường: Hà Nội Amsterdam Hà Nội, tháng 12 năm 2013 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Chuyển nước biển thành nước đóng vai trị quan trọng việc giải nhu cầu nước giới Trong báo cáo này, tơi xin trình bày phương pháp chuyển nước biển thành nước sinh hoạt Thiết bị module cỡ nhỏ để bay nước biển thành nước ngọt, nhiều module cỡ nhỏ kết hợp tạo thành hệ thống nhằm tăng lượng nước thu được, phù hợp theo nhu cầu người sử dụng Trong hộp kín nhằm tạo hiệu ứng nhà kính, nước biển phun sương xuống lưới kim loại, tạo thành màng nước mỏng bám lưới Màng nước mặt trời cung cấp lượng giúp bay bề mặt Sau nước dẫn sang vỏ bay hơi, có nhiệt độ khoảng 20 độ C Do chênh lệch nhiệt độ lớn nên nước bị ngưng tụ thành nước Thiết bị có nguyên lý hoạt động khác với phương pháp thông thường chuyển nước biển thành nước phương pháp sử dụng nhiệt, thẩm thấu ngược, điện phân tách ion Thay tương tác trực tiếp với nước biển, tách riêng muối nước, phương pháp tận dụng tối đa điều kiện sẵn có biển độ ẩm khơng khí cao, khơng gian rộng, cường độ ánh sáng mạnh dồi dào,… Nghiên cứu lý thuyết, với độ ẩm khơng khí khoảng 80%82% , nhiệt độ làm nóng nước khoảng 30-35 độ C 100 module cỡ 25x10x15, chiếm diện tích 250cm x 110cm thu 10 lít Khi kết hợp module lượng nước thu đủ sinh hoạt cho người ngày Ưu điểm thiết bị tốn lượng để vận hành, khơng tốn diện tích tàu hệ thống thiết kế để thả mặt nước, tận dụng tối đa điều kiện tự nhiên sẵn có, khơng gây hại tới môi trường, nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ vận hành, thiết bị quen thuộc, dễ tháo lắp bảo trì, tính ứng dụng thực tiễn cao, phương pháp bay Vì vậy, thiết bị giải pháp cho nhu cầu nước lớn ngư dân tàu đánh cá ngồi hải đảo Từ khóa: Chuyển nước biển thành nước ngọt, bay bề mặt, nhà kính, ngưng tụ, lượng mặt trời Mục lục I/ MỞ ĐẦU 1.Lý lựa chọn đề tài 2 Các phương pháp thu nước thông dụng giới 3.Điều kiện tự nhiên Việt Nam .10 4.Mục tiêu: 11 III/ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CẤU TẠO .12 Cơ sở lý thuyết 12 Nhiệt độ 12 Sự bốc 13 Áp suất .13 Độ ẩm tương đối khơng khí 13 Điểm sương 14 Năng lượng mặt trời 14 Quá trình nhiệt động học lượng nhiệt để làm bốc nước: 14 Enthalpy 15 Sự bay nội nước (16) .17 Phun sương 17 Thảo luận: 18 Cấu tạo hệ thống: 18 Tính mới: 19 III/Thí nghiệm 21 Thí nghiệm định tính: 21 Thí nghiệm 1: 21 Thí nghiệm 2: 21 IV/Kết luận 23 Mục đích 23 Kết 23 Điểm 24 Phương hướng tương lai 24 BẢNG THÔNG SỐ a : Lượng muối nước (kg) : Enthalpy nước (kJ) : Enthalpy nước biển (kJ) AH : Độ ẩm tuyệt đối (kg) : Enthalpy nước (kJ/kg) : Enthalpy nước (kJ/kg) : Enthalpy nước biển (kJ/kg) : Lương nước chưng cất (kg) : Áp suất bão hòa (Pa) : Áp suất (Pa) : Năng lương mặt trời (kWh/m3/ngày) : Nhiệt độ đầu vào nước biển (OC) : Nhiệt độ đầu nước biển (OC) RH : Độ ẩm tương đối (%) S : Nồng độ muối (kg/kg) : Nồng độ muối đầu vào (kg/kg) : Nồng độ muối đầu (kg/kg) T : Nhiệt độ khơng khí (OC) : Nhiệt độ điểm sương (OC) : Lượng nước có khơng khí (kg/kg) : Lượng nước tối đa có khơng khí (kg/kg) I/ MỞ ĐẦU 1.Lý lựa chọn đề tài Theo Đại học Michigan (2006) Alex Kirby (2000) 70% bề mặt trái đất bao phủ nước với 2,5% nước Tuy vậy, khoảng 1% ( tương đương với 0.007% tổng khối lượng nước) sử dụng trực tiếp Đồng thời, gia tăng dân số ô nhiễm môi trường khiến cho nhu cầu nước ngày tăng cao Hiện nay, Việt Nam, vùng ven biển, xâm thực nước biển mặn, khiến cho việc tìm nguồn nước khó khăn, nguồn nước sinh hoạt người dân ven biển không đảm bảo, nhu cầu dùng nước đáp ứng khoảng 60%, số người mắc bệnh thiếu nước tăng lên Người dân ven biển phải mua nước với giá đắt từ 5-10 lần, Huyện Quỳnh Lưu (Nghệ An), người dân phải mua nước với giá 60000/m3 để sử dụng Mỗi chuyến biển đến nửa triệu bạc tiền nước, nhiều chuyến lỗ nặng Tại vùng hải đảo ngồi khơi, tình trạng thiếu nước trầm trọng (1) Đồng thời đánh bắt xa bờ chiếm 48%, phần khơng có đủ lượng nước để đánh bắt dài ngày Theo TS Đào Trọng Từ (2), đến năm 2015, biến đổi khí hậu nguồn nước Việt Nam giảm khoảng 40 nghìn tỉ m3 Trong đó, nguồn nước biển, khơng khí ẩm hồn tồn tận dụng để sản xuất nước phục vụ người, thực nhiều nước giới, chưa thực Việt Nam Do đó, ta cần phương pháp nhằm sản xuất nước để đáp ứng nhu cầu người dân quốc phòng vùng biển hải đảo 2 Các phương pháp thu nước thông dụng giới I) Tổng quan Có phương pháp khử muối nước biển phổ biến 1) Khử muối phương pháp sử dụng màng ( membrane technology) 2) Khử muối phương pháp sử dụng nhiệt (thermal technology) 3) Khử muối phương pháp trao đổi ion ( ion exchange technology) 4) Thu nước từ khơng khí (atmospheric water generator) II) Chi tiết 1) Khử muối phương pháp sử dụng màng: Sử dụng màng có lỗ nhỏ nhằm cho phân tử nước qua, đồng thời chặn lại phân tử muối có kích thước lớn vi khuẩn (Hình 1: Phương pháp thẩm thấu ngược) a) Các phương pháp phổ biến: Tên Cơ chế Tạo áp suất lớn RO áp suất thẩm (reverse thấu nước biển osmosis)-a để đẩy qua màng bán thấm NF (nanofiltra tion) –b Tương tự RO Ưu điểm -Hiệu suất cao -Cản vi khuẩn -Khả cản muối tốt -Áp suất cần sử dụng thấp RO (70-140 psi) lỗ màng lớn Sử dụng áp suất Nhược điểm -Vì áp suất thẩm thấu nước biển lớn (6001200 psi) nên lượng tiêu tốn tạo áp suất lớn -Năng lượng tiêu tốn lớn Sử dụng dịng điện -Chỉ thích hợp xử lí ED -Khả loại bỏ để phân tách ion nước lợ, nước có (electrodia hợp chất hỏa tan trái dấu sang phía nồng độ muối cao lysis) –c cao (75-98%) màng bán thấm khơng kinh tế Sử dụng dịng điện Nhận xét: tiêu tốn nhiều lượng, quy mô công nghiệp, thu lượng nước gần hoàn toàn, giá thành đắt, yêu cầu kĩ thuật cao.a 2) Khử muối phương pháp trao đổi ion (Hình 2: Phương pháp thu Ion muối) Sử dụng trao đổi ion pha rắn pha lỏng, cụ thể nhựa trao đổi ion Nhận xét: Phương pháp coi khơng khả dụng giá thành q cao, nhiên sử dụng để tạo nước lọc có chất lượng cao 3) Khử muối phương pháp sử dụng nhiệt Sử dụng nhiệt để nước hóa ngưng tụ thành nước Chưng cất thụ động Thiết bị gồm khoang đựng nước biển có nắp kính hay vật liệu suốt nằm nghiêng Dưới tác dụng nhiệt ánh sáng mặt trời, nước bay hơi, đọng vào kính, ngưng tụ chảy vảo máng thu nước, từ ta thu nước Nhận xét: Sử dụng cho nơi điều kiện kinh tế khó khăn, vùng sâu vùng xa, nơi chưa có nguồn cung cấp điện ổn định, cần nhiều diện tích, cần ánh sáng mặt trời trực tiếp, suất thấp (Hình 3: Chưng cất thụ động nhờ ánh sáng mặt trời ) Làm nóng nhiều giai đoạn ( Multistage flash) (Hình 4: Phương pháp chưng cất làm nóng nhiều giai đoạn phương ngang) Thiết bị gồm nhiều khoang để làm bay nước biển Nước biển (B) dẫn qua ống lượn qua khoang làm nóng Hơi nước nóng bốc gặp nước biển ống có nhiệt độ thấp ngưng tụ xuống máng hứng nước (G) đồng thời nước làm nóng nước biển ống Khi nước biển tới thiết bị cung cấp nhiệt (H) nhiệt độ nước xấp xỉ nhiệt độ sôi Ở H, nước biển ống cung cấp thêm nhiệt dẫn vào bể làm bay Ở bể thứ nhất, nước bay hơi, đến nhiệt độ nước biển bơm vào lượng nước có sẵn cân q trình bay dừng lại Nước bể thứ chảy sang bể thứ hai, nước bể thứ nóng bể thứ hai nên trình bay tiếp diễn đến nhiệt độ đạt cân bằng… Nhận xét: Quy mô công nghiệp, tận dụng nhiệt từ nhà máy kế bên,thiết kế giúp giảm hao phí nhiệt-hiệu suất cao, xử lý quy mô lớn, tốn nhiều lượng Bay đa hiệu ứng ( Multieffect distillation) BIẾN TRÌNH NHIỆT ĐỘ NĂM CỦA KHƠNG KHÍ (to) VÀ CỦA NƯỚC BIỂN (tw) TẠI CÁC ĐỘ SÂU KHÁC NHAU BIỂU ĐỒ NHIỆT ĐỘ THEO THÁNG TẠI MỘT SỐ KHU VỰC Đồng thời biển Việt Nam ln có gió, thường cấp (>4m/s) Điều kiện tự nhiên Việt Nam hoàn tồn lợi dụng để tạo nguồn nước cho vùng biển hải đảo 4.Mục tiêu: Thiết kế chế tạo thiết bị có khả tạo nước môi trường mặt biển, lợi dụng đặc điểm môi trường biển Thiết bị có cấu tạo đơn giản, sử dụng nguồn điện pin lượng mặt trời, có cơng suất đủ lớn, sản xuất nước biển giúp tàu cá bám biển đánh bắt Ngoài hệ thống sử dụng nhằm phục vụ cho hải đảo, nhà giàn Hệ thống phải có giá thành phù hợp, kích cỡ nhỏ phù hợp với điều kiện tàu thuyền, sóng biển 12 III/ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CẤU TẠO (5) (1) (4) (2) (3) (1): Đầu phun sương (2): Lưới kim loại (3): Lõi (4): Vỏ bay (5) Gương parabol Cả hệ thống hệ module đặt phao nhỏ Khơng khí biển Máy phun sương (1) phun lên Lưới kim loại (2) nhằm tạo lớp nước mỏng lưới Màng nước mỏng hấp thụ ánh sáng mặt trời, bay bề mặt lên sang Vỏ bay Nước cô đọng dẫn để sử dụng Các module xếp nối tiếp thành hang, nhiều hàng thành hệ module Cơ sở lý thuyết Hệ thống sử dụng sở lý thuyết lượng-sự truyền nhiệt độ ẩm tuyệt đối sương Để hiểu độ ẩm, ta cần hiểu nhiệt độ, bốc nước điểm Theo Relative Humidity Relative to What? The Dew Point Temperature a better approach Steve Horstmeyer, Meteorologist, Cincinnati, Ohio, USA (4) Nhiệt độ Nhiệt độ chất khí/nước cách đo đạc động trung bình phân tử khí/nước Phân tử khí/nước chuyển động nhanh, động lớn, nhiệt độ khối khí/nước cao 13 Từ đó, ta đưa đến định nghĩa Sự bốc Khi phân tử nước nhận đủ động năng, chúng khỏi lực hấp dẫn giữ chúng với phân tử xung quanh Năng lượng có từ tương tác phân tử nước với với phân tử khác khí,… Khi khỏi lực hấp dẫn, phân tử nước mang theo phần lượng khối nước Theo Water Vapor Myths: A Brief Tutorial (copyright 1998-2010) Steven M Babin, MD, PhD (6) Áp suất Là áp suất tạo cân (equilibrium) hệ nhiệt động học nước bốc lên phần nước cô đọng Nước sơi điểm sơi bình thường áp suất đạt đến áp suất xung quanh, ví dụ áp suất khơng khí Khi có tăng nhiệt độ, áp suất đủ sức vượt qua áp suất khơng khí nâng chất lỏng lên từ lịng tạo bong bóng (sôi) Khi muối thêm vào nước nước biển, áp suất nước biển giảm đi, cần lượng nhiệt lớn để nước bắt đầu sơi Do điểm sơi dung dịch cao bình thường Sự tăng điểm sơi gọi Boiling Point Elevation Từ áp suất hơi, ta có: Độ ẩm tương đối khơng khí Độ ẩm tương đối tỷ số áp suất nước hỗn hợp khí với nước so với áp suất nước bão hịa tính theo đơn vị % Định nghĩa khác độ ẩm tương đối tỷ số khối lượng nước thể tích so với khối lượng nước thể tích nước bão hịa Khi nước bão hồ, hỗn hợp khí nước đạt đến điểm sương (1) RH: Độ ẩm tương đối Pv: Áp suất 14 Pvs: Áp suất bão hịa (Hình 11: Biểu đồ độ ẩm tương đối, nhiệt độ thời gian) Điểm sương Các điểm sương nhiệt độ mà khơng khí bão hịa nước bề mặt chất lỏng Khi nhiệt độ với điểm sương đồng nghĩa với việc độ ẩm tương đối 100% Những cách phổ biến cho độ ẩm tương đối 100% 1) Làm mát khơng khí đến điểm sương 2) Ép nướ bốc vào khơng khí khơng khí bão hịa 3) Làm khơng khí nguội đoạn nhiệt đến điểm sương (6) Từ độ ẩm tương đối ta có tỉ số áp suất bão hòa áp suất tại, từ điểm sương, ta biết liệu chắn lượng nước bay đọng hay không Năng lượng mặt trời Theo Cường độ xạ mặt trời khu vực Việt Nam (10) Tại khu vực Trung bộ, từ tháng đến tháng thời gian nắng chiếu từ 5-6 ngày với lượng tổng xạ trung bình 3489 kWh/m2/ngày Năng lượng mặt trời hệ nhận được tính từ công thức: R xạ mặt trời (kWh/m2) A diện tích nhận nhiệt (m2) hiệu suất nhận nhiệt Desalination and Water Treatment (11), (14) Quá trình nhiệt động học lượng nhiệt để làm bốc nước: Do tính chất nước thay đổi lớn với việc thêm vào 3.5% muối biển (NaCl,…) việc nước bốc bớt khiến nồng độ muối phần dung dịch lại tăng lên khiến cho tính cất vật lý thay đổi cách đáng kể liên tục, lượng nhiệt cần cung cấp cho việc đun tăng dần nồng độ muối tăng lên Ở đây, cho việc nghiên cứu, ta coi nước biển có muối NaCl 15 Theo Desalination and Water treatment, độ tăng điểm sôi (Boiling Point Elevation-BPE) nước biển là: Điều kiện : ; S nồng độ muối Nhiệt độ hai số A, B ( ) nhiệt độ sôi nước tinh khiết Enthalpy Enthalpy lượng tổng hợp hệ nhiệt động học để tạo hệ để tạo nên thể tích áp suất hệ Enthalpy tính cơng thức h=u+p.v Với u nội (kJ/kg) p áp suất tuyệt đối (N/m2) v thể tích đơn vị khối lượng (m3/kg) Theo Giáo trình nhiệt động kĩ thuật TS Lê Nguyên Minh: Enthalpy nước là: Enthalpy nước [ (kJ/kg); (kJ/kg); t ] t công thức enthalpy nhiệt độ mà nước biển sơi, tính theo: Enthalpy nước biển: Điều kiện ( ; ) 16 ... ĐỀ TÀI Chuyển nước biển thành nước đóng vai trị quan trọng việc giải nhu cầu nước giới Trong báo cáo này, tơi xin trình bày phương pháp chuyển nước biển thành nước sinh hoạt Thiết bị module cỡ... bay nước biển thành nước ngọt, nhiều module cỡ nhỏ kết hợp tạo thành hệ thống nhằm tăng lượng nước thu được, phù hợp theo nhu cầu người sử dụng Trong hộp kín nhằm tạo hiệu ứng nhà kính, nước biển. .. Phương pháp coi không khả dụng giá thành q cao, nhiên sử dụng để tạo nước lọc có chất lượng cao 3) Khử muối phương pháp sử dụng nhiệt Sử dụng nhiệt để nước hóa ngưng tụ thành nước Chưng cất thụ động