Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 SEMREGG 2018 1 CUNG CẤP NƯỚC SẠCH CHO VÙNG HẠN HÁN TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHẮC NGHIỆT BẰNG CÔNG NGHỆ TÁCH ẨM TỪ KHÔNG KHÍ Lý Cẩm Hùng *1 , Hoàng Trung N[.]
Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 CUNG CẤP NƯỚC SẠCH CHO VÙNG HẠN HÁN TRONG ĐIỀU KIỆN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU KHẮC NGHIỆT BẰNG CƠNG NGHỆ TÁCH ẨM TỪ KHƠNG KHÍ Lý Cẩm Hùng*1, Hồng Trung Ngơn2, Lê Văn Lữ1, Lê Hữu Quỳnh Anh1, Phan Đình Tuấn1 Trường Đại học Tài ngun Mơi trường Thành phố Hồ Chí Minh, 236B Lê Văn Sỹ, Phường 1, quận Tân Bình, Thành phố Hồ Chí Minh Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, 268 Lý Thường Kiệt, Quận 10, Thành phố Hồ Chí Minh * Email: lchung@hcmunre.edu.vn TÓM TẮT Việt Nam quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề biến đổi khí hậu Trong năm gần đây, hạn hán trở nên khắc nghiệt hơn, đặc biệt miền Nam Trung Bộ Ninh Thuận, Tây Nguyên,… Trong bối cảnh đó, việc cung cấp nước để phục vụ đời sống sản xuất nhu cầu tự nhiên người dân vùng hạn hán Có nhiều cơng nghệ ứng dụng để cung cấp nước uống sản xuất cho người dân, vận chuyển nước từ vùng xa, làm hóa nước biển, khai thác nước ngầm,… Các phương án nghiên cứu tính khả thi thấp, không hiệu kinh tế Việc tách ẩm từ khơng khí đề xuất giải pháp tiên tiến, khả cung cấp vơ tận điều kiện Cơng trình trình bày kết tính tốn, thiết kế hệ thống cung cấp nước uống nhờ tách ẩm từ khơng khí cho vùng Ninh Thuận với công suất thử nghiệm 200L/ngày, kèm theo hệ thống cung cấp lượng mặt trời có khả hịa lưới điện cung cấp cơng suất dư vào lưới giải pháp đáp ứng nhu cầu người dân, đặc biệt vùng sâu, vùng xa nơi có khó khăn việc tiếp cận lưới điện quốc gia Từ khóa: Nước sạch, hạn hán, cơng nghệ tách ẩm, biến đổi khí hậu MỞ ĐẦU Nước tài nguyên đặc biệt quan trọng, thành phần thiết yếu môi trường yếu tố định tồn sống, phát triển vùng, quốc gia, khu vực toàn giới Hiện nay, bối cảnh hạn hán biến đổi khí hậu, tượng xâm nhập mặn xảy nhiều quốc gia, nguy thiếu nước, đặc biệt nước hiểm họa lớn tồn vong người toàn sống Trái đất Việt Nam quốc gia chịu ảnh hưởng nặng nề biến đổi khí hậu Trong năm gần đây, hạn hán trở nên khắc nghiệt hơn, đặc biệt miền Nam Trung Bộ Ninh Thuận, Tây Nguyên,… Trong bối cảnh đó, việc cung cấp nước để phục vụ đời sống sản xuất nhu cầu tự nhiên người dân vùng hạn hán Có nhiều cơng nghệ ứng dụng để cung cấp nước uống sản xuất cho người dân, vận chuyển nước từ vùng xa, làm hóa nước biển, khai thác nước ngầm,… Các phương án nghiên cứu tính khả thi thấp, không hiệu kinh tế Việc tách ẩm từ khơng khí đề xuất giải pháp tiên tiến, khả cung cấp vơ tận điều kiện Các nghiên cứu loại thực nhiều nhóm nghiên cứu giới [2-4] Tại Mỹ, công nghệ nghiên cứu, phát triển đăng ký quyền từ sớm vào năm The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 1970 [5,6] Harrison [7] phát triển công nghệ tách ẩm phương pháp ngưng tụ, với công suất thu 9-18 L /ngày Poindexter [8] kết hợp hệ thống làm lạnh nước hệ thống làm lạnh khí thiết kế, đồng thời xử lý nước đèn UV diệt khuẩn, đạt công suất 11 L/ngày Cùng thời điểm này, công suất lớn sản xuất thử nghiệm quy mơ phịng thí nghiệm Hellstrom đạt 50-170 L/ngày [9] Để tách ẩm từ khơng khí, đặc biệt điều kiện nhiệt độ cao, độ ẩm thấp vùng hạn hán, khối khơng khí địi hỏi phải làm lạnh đến nhiệt độ điểm sương tương ứng, tạo điều kiện để ẩm tách thành giọt Tiếp đó, giọt sương phải tạo điều kiện để kết tụ lại thành giọt lớn, dẫn theo bề mặt nhám để tạo thành dòng vào nơi chứa Để loại nước tách từ khơng khí sử dụng làm nước uống, phải làm khỏi bụi, vi khuẩn, chất độc hại hịa tan phải khống hóa để có tính chất đáp ứng tiêu chuẩn nước uống Bộ Y tế Trong phạm vi nghiên cứu báo này, nhóm nghiên cứu tiến hành tính tốn, thiết kế, chế tạo vận hành hệ thống thiết bị tách ẩm từ khơng khí cơng suất 200 L/ngày sử dụng lượng mặt trời nhằm đáp ứng nhu cầu sinh hoạt người dân tỉnh Ninh Thuận ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tƣợng khu vực nghiên cứu Không khí điều kiện độ ẩm nhiệt độ khác nghiên cứu để tách nước sử dụng hệ thống làm lạnh tách ẩm nhóm nghiên cứu thiết kế chế tạo Thiết bị chế tạo có cơng suất thiết kế 200 L/ngày, đặt Trường Tiểu học Văn Lâm, thành phố Phan Rang- Tháp Chàm, tỉnh Ninh Thuận, nhằm thử nghiệm điều kiện vận hành tối ưu, giúp cho việc cải tiến hoàn thiện hệ thống, đồng thời cung cấp nước uống cho học sinh, thầy cô giáo hộ dân gần, giải pháp nhằm giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu vùng hạn hán 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu Nhóm nghiên cứu áp dụng biểu đồ Ramzin mô tả quan hệ Enthalpy - độ ẩm khơng khí ẩm cơng bố giới để nghiên cứu, tính tốn chế độ làm việc theo điều kiện thực vùng hạn hán nơi đặt thiết bị Từ đó, cơng việc xây dựng thiết kế chế độ làm việc, với quy trình vận hành thiết bị xem xét để đảm bảo đáp ứng yêu cầu cung cấp nước tiết kiệm lượng Bên cạnh đó, thành tựu quy luật hiệu suất chuyển đổi điện chiều thành điện xoay chiều, trang bị thiết bị đo công suất tiêu thụ cơng suất điện hịa lưới nghiên cứu, lắp đặt vận hành để phục vụ công tác thiết kế, chế tạo biến đổi inverter dùng việc sử dụng nguồn lượng mặt trời để cung cấp lượng vận hành hệ thống tách ẩm, hòa lưới điện, nhằm tiết kiệm điện sử dụng cho nhà trường KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính tốn điều kiện tách ẩm 3.1.1 Giản đồ Mollier khơng khí ẩm Đồ thị I-d biểu thị mối quan hệ đại lượng t, φ, I, d pbh khơng khí ẩm Đồ thị Giáo sư L K Ramzin (Nga) xây dựng năm 1918 sau Giáo sư Mollier (Đức) lập năm 1923 Nhờ đồ thị ta xác định tất thơng số cịn lại khơng khí ẩm biết thông số [11] lấy trường dự kiến lắp đặt thiết bị Các thông số sử dụng cho tính Hội nghị Khoa học Cơng nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 tốn lấy theo giá trị trung bình theo tháng, theo năm, ứng với thời điểm khác ngày đêm 3.1.2 Tính tốn điều kiện tách ẩm cho trường hợp điển hình - Nhiệt độ khơng khí ban đầu (trước vào thiết bị tách ẩm) vào mùa hè, nhiệt độ lên cao T1 = 27 oC, độ ẩm 75 % (điểm A1, Hình 1), - Từ giản đồ Mollier, ta có hàm ẩm d1 = 17 g H2O/kg kkk, - Khơng khí khỏi thiết bị tách ẩm nhiệt độ điểm sương T2 = 20 oC, khơng khí trạng thái bão hòa, từ giản đồ Mollier ta tra hàm ẩm d2 = 14,8 g H2O/ kg kkk (điểm A2), - Lượng nước ta thu 17 - 14,8 = 2,2 g H2O/ kg kkk Khối lượng riêng khơng khí khơ phụ thuộc vào nhiệt độ: ( ) gl Trong đó: t nhiệt độ (oC) P áp suất, P = 760 mmHg Ở 27 C, P = 760 mmHg, khối lượng riêng khơng khí khơ 1,18 kg/m3 o Hình Giản đồ Mollier khơng khí ẩm Khối lượng khơng khí khơ (X) tính dựa quy tắc tỷ lệ thuận Lưu lượng khơng khí cấp vào tỷ lệ khối lượng khơng khí khơ cho khối lượng riêng khơng khí khơ tương ứng với nhiệt độ điểm ta xét Vậy lưu lượng khơng khí khơ bằng: 77.041 m3 khơng khí khơ The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 Tương tự, kết tính tốn cho điều kiện tách ẩm trình bày Bảng 1, khơng khí trước vào hệ thống thiết bị tách ẩm có nhiệt độ T1 từ 20-40 oC với độ ẩm khoảng từ 50-100 %, khơng khí khỏi thiết bị tính cho trường hợp T2 từ 5-35 oC 3.2 Tính tốn lựa chọn thiết bị hệ thống tách ẩm cơng suất 200 L/ngày 3.2.1 Sơ đồ công nghệ hệ thống tách ẩm Từ kết tính tốn thơng số tính chọn, sơ đồ cơng nghệ cho hệ thống tách ẩm thí nghiệm với suất 200 L/ngày đề xuất Hình Hệ thống bao gồm dàn lạnh, dàn nóng, thiết bị lọc nước có bao gồm hệ thống pin lượng mặt trời để cung cấp lượng cho toàn hệ thống hoạt động Hình Sơ đồ cơng nghệ hệ thống tách ẩm 200 L/h 3.2.2 Tóm tắt bước tính tốn lựa chọn thiết bị hệ thống tách ẩm Dựa kết thu từ việc tính tốn điều kiện cho q trình tách ẩm, nhóm nghiên cứu tiến hành tính tốn chi tiết lựa cho thiết bị phụ trợ phục vụ mục tiêu tách ẩm từ khơng khí với u cầu tối thiểu đạt cơng suất 200 L/ngày Tóm tắt bước tính tốn lựa chọn thiết bị hệ thống tách ẩm thực sau: - Tính tốn kết cấu dàn lạnh Xác định chu trình nhiệt thực tế trình làm lạnh tách ẩm Chọn kết cấu dàn lạnh: bề mặt truyền nhiệt dàn lạnh chùm ống đồng bố trí so le, Tính tốn đường kính ngồi, đường kính ống trao đổi nhiệt, bước cách, bề dày cánh, bước ống, tỉ số nhiệt ẩm, Tính tốn diện tích cánh 01 cánh, khoảng cách cánh tản nhiệt, tổng diện tích cánh tản nhiệt, Xác định hệ số tỏa nhiệt, hệ số dẫn nhiệt không khí, Tính tốn xác định số cụm ống, chiều dài cánh, chiều cao cánh Tính tốn kiểm tra lại lưu lượng khơng khí qua dàn lạnh, thể tích khơng khí diện tích bề mặt truyền nhiệt Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 - Tính tốn kết cấu dàn nóng Chọn dàn nóng loại ống đồng - cánh nhôm đối lưu cưỡng bức, Xác định cơng suất giải nhiệt, đường kính ngồi, đường kính trong, đường kính cánh, bước cách, bề dày cánh, bước ống, Tính nhiệt độ trung bình khơng khí qua dàn ngưng, Tra cứu thông số vật lý khơng khí điều kiện làm việc, từ tính tốn xác định lưu lượng khơng khí cần thiết để giải nhiệt bình ngưng, Tính tốn diện tích cánh, diện tích khoảng cánh, tổng diện tích bề mặt ống, tổng chiều dài ống, đường kính đường kính ngồi thiết bị - Tính tốn hệ thống cấp điện lượng mặt trời Tính tốn cơng suất tiêu thụ hệ thống bao gồm, dàn lạnh, dàn nóng hệ thống lọc nước RO Tính tốn tổng số W/h tồn tải, số W/h pin mặt trời, Tính tốn xác định tổng số Wp pin mặt trời, số lượng pin mặt trời cần dùng 3.2.3 Kết tính tốn chi tiết hệ thống thiết bị tách ẩm công suất 200 L/ngày Kết phần tính tốn dàn lạnh, dàn nóng hệ thống cấp điện lượng mặt trời liệt kê Bảng Bảng Kết tính tốn thơng số hệ thống Kích thước Đơn vị Diện tích bề mặt truyền nhiệt 1,30 m2 Lượng khơng khí qua dàn lạnh 1,05 kg/s Thể tích khơng khí qua dàn lạnh 0,90 m3/s Diện tích cho khơng khí qua 0,26 m2 Chiều dài ống cụm ống 1,50 m Số cụm ống Cụm Số ống 32 ống Thể tích khơng khí giải nhiệt 3,75 m3/s Tổng diện tích bề mặt thiết bị 4,01 m2 145,13 m 105 ống Tổng số W/h toàn tải sử dụng 39,52 Wh Tổng số Wp pin mặt trời 4,11 Wp 1580 x 808 x 35 mm 60 Tấm Thông số Dàn lạnh Dàn nóng Tổng chiều dài ống Số ống Hệ thống cấp điện lượng mặt trời Kích thước pin Số lượng pin mặt trời cần dùng The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018 3.3 Thiết kế chi tiết, chế tạo, lắp đặt, vận hành thử nghiệm hệ thống tách ẩm công suất 200 L/ngày 3.3.1 Chi tiết thiết kế cụm thiết bị tách ẩm Hình Bảng vẽ chi tiết cụm thiết bị tách ẩm 3.3.2 Chi tiết thiết bị tách ẩm chế tạo Hình Mơ hình hệ thống thiết bị tách ẩm suất 200 L/ngày Mơ hình thiết bị chuyển quy mô từ hệ thống pilot 10 L/ngày [13] (xem Hình 4, Hình 5) Do thiết bị cơng suất lớn, nguồn điện thiết kế pha, cho cơng suất thiết kế kW Ngồi ra, để tiết kiệm việc sử dụng ắc quy chi phí cao có khả tạo rác thải tứ cấp, gây nhiễm môi trường sau hết hạn sử dụng, hệ thống cải tiến cách bố trí chuyển đổi inverter, có khả biến đổi trực tiếp điện chiều 80 V thành điện xoay chiều 220 V nối lưới, sau Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ - SEMREGG 2018 chuyển đổi thành dòng pha chạy máy Bằng thiết kế này, hệ thống điện mặt trời vừa cung cấp lượng cho máy tách ẩm, vừa có khả phát cơng suất dư lên lưới điện, giúp người sử dụng tiết kiệm lượng góp phần cung cấp lượng tái tạo vào nguồn điện quốc gia Hình Mơ hình hệ thống lượng mặt trời cơng suất kW phục vụ thiết bị tách ẩm suất 200 L/ngày 3.3.3 Kết vận hành thử nghiệm hệ thống tách ẩm công suất 200 L/ngày Hệ thống tách ẩm công suất 200 L/ngày vận hành thử nghiệm với nhiệt độ khơng khí đầu vào 29,5 oC độ ẩm khơng khí 54,5 % Các thơng số cần đo đạt khảo sát lượng nước thu điện tiêu thụ theo thời gian Lưu lượng tức thời, mL/phút 600 500 400 300 200 100 0 20 40 60 80 100 Thời gian vận hành, phút 120 140 160 Hình Lưu lượng nước thu theo thời gian hệ thống tách ẩm 200 L/ngày Hình biểu diễn lưu lượng nước thu theo thời gian Cứ phút, nhóm nghiên cứu lại thực việc lấy mẫu đo lượng nước thu Sau tính lưu lượng nước thu theo thời gian, kết cho thấy khoảng thời gian đầu khởi động, thiết bị phải cần thời gian khoảng 16 phút bắt đầu thu nước Đến phút thứ 30, lưu lượng nước thu đạt 500 ml/phút Trong khoảng thời gian khảo sát 150 phút, lưu lượng nước thu dao động khoảng từ 450 đến 600 ml/phút, tương đương với khoảng 216 đến 288 L/ngày Như vậy, hệ thống hoạt động đạt suất trung bình khoảng 250 L/ngày (tính cho thời gian vận hành h/ngày vào thời gian có nắng), đảm bảo hồn toàn yêu cầu ban đầu thiết kế hệ thống 200 L/ngày ... cung cấp lượng cho tồn hệ thống hoạt động Hình Sơ đồ công nghệ hệ thống tách ẩm 200 L/h 3.2.2 Tóm tắt bước tính tốn lựa chọn thiết bị hệ thống tách ẩm Dựa kết thu từ việc tính tốn điều kiện cho. .. nghiệm điều kiện vận hành tối ưu, giúp cho việc cải tiến hoàn thiện hệ thống, đồng thời cung cấp nước uống cho học sinh, thầy cô giáo hộ dân gần, giải pháp nhằm giảm thiểu tác động biến đổi khí hậu. .. để cung cấp lượng vận hành hệ thống tách ẩm, hòa lưới điện, nhằm tiết kiệm điện sử dụng cho nhà trường KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Tính tốn điều kiện tách ẩm 3.1.1 Giản đồ Mollier khơng khí ẩm Đồ