Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống
1
/ 31 trang
THÔNG TIN TÀI LIỆU
Thông tin cơ bản
Định dạng
Số trang
31
Dung lượng
1,76 MB
Nội dung
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 và cơ khí NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Tiến sĩ Đinh Trần Phương - Đơn vị công tác Hà Nội-Amsterdam TÁC GIẢ: Nguyễn Doãn Hoàng Lớp: 11L Trường: Hà Nội Amsterdam Hà Nội, tháng 12 năm 2013 TÓM TẮT ĐỀ TÀI Chuyển nước biển thành nước ngọt đóng vai trò rất quan trọng trong việc giải quyết nhu cầu nước sạch trên thế giới. Trong bản báo cáo này, tôi xin trình bày phương pháp chuyển nước biển thành nước sinh hoạt. Thiết bị là một module cỡ nhỏ để bay hơi nước biển thành nước ngọt, nhiều module cỡ nhỏ có thể kết hợp tạo thành một hệ thống nhằm tăng lượng nước thu được, phù hợp theo nhu cầu người sử dụng. Trong một hộp kín nhằm tạo hiệu ứng nhà kính, nước biển được phun sương xuống một tấm lưới kim loại, tạo thành một màng nước mỏng bám trên lưới. Màng nước được mặt trời cung cấp năng lượng giúp bay hơi bề mặt. Sau đó hơi nước được dẫn sang vỏ bay hơi, có nhiệt độ khoảng 20 độ C . Do sự chênh lệch nhiệt độ lớn nên hơi nước sẽ bị ngưng tụ thành nước. Thiết bị có nguyên lý hoạt động khác với các phương pháp thông thường chuyển nước biển thành nước ngọt như phương pháp sử dụng nhiệt, thẩm thấu ngược, điện phân tách ion. Thay vì tương tác trực tiếp với nước biển, tách riêng muối và nước, phương pháp này tận dụng tối đa những điều kiện sẵn có trên biển như độ ẩm trong không khí cao, không gian rộng, cường độ ánh sáng mạnh và dồi dào,… Nghiên cứu lý thuyết, với độ ẩm trong không khí khoảng 80%- 82% , nhiệt độ làm nóng hơi nước khoảng 30-35 độ C thì 100 module cỡ 25x10x15, chiếm diện tích 250cm x 110cm thu được 10 lít trong 6 giờ. Khi kết hợp các module lượng nước thu được đủ sinh hoạt cho 5 người trong một ngày. Ưu điểm của thiết bị là tốn ít năng lượng để vận hành, không tốn diện tích trên tàu vì hệ thống được thiết kế để thả nổi trên mặt nước, tận dụng tối đa những điều kiện tự nhiên sẵn có, không 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 hơi mới. Vì vậy, thiết bị là giải pháp cho nhu cầu nước sạch lớn của ngư dân trên tàu đánh cá cũng như ngoài hải đảo. Từ khóa: Chuyển nước biển thành nước ngọt, bay hơi bề mặt, nhà kính, ngưng tụ, năng lượng mặt trời Mục lục !"# $!%#&##'()#%* *$+,(-.,/0 1($2 /345/67897:/3;<=6974>9.?@9AB * "CD$E) * /,F * =GH" I C$J" FK0!"#H+&#+L#M N0C!"# O /P#!Q#0R'S O T$'M,F#!Q#,N0GH"!%2O U E V =GE"F-W!%XVY Z [$C!"# \ 9]$^2 \ J$-,H#2 \ 9L0%2 _ 9L#,0 9L#,0`a2 9L#,02 9L#,02 .b)$^ L b)c$] N00% [!"#!%#'#!"# O BẢNG THÔNG SỐ a : Lượng muối trong nước (kg) : Enthalpy của hơi nước (kJ) : Enthalpy của nước biển (kJ) AH : Độ ẩm tuyệt đối (kg) : Enthalpy của hơi nước (kJ/kg) : Enthalpy của nước (kJ/kg) : Enthalpy của nước biển (kJ/kg) : Lương nước đã chưng cất được (kg) : Áp suất hơi bão hòa (Pa) : Áp suất hơi (Pa) : Năng lương mặt trời (kWh/m3/ngày) : Nhiệt độ đầu vào của nước biển ( O C) : Nhiệt độ đầu ra của nước biển ( O C) RH : Độ ẩm tương đối (%) S : Nồng độ muối (kg/kg) : Nồng độ muối đầu vào (kg/kg) : Nồng độ muối đầu ra (kg/kg) T : Nhiệt độ không khí ( O C) : Nhiệt độ điểm sương ( O C) : Lượng nước có trong không khí (kg/kg) : Lượng nước tối đa có trong không khí (kg/kg) I/ MỞ ĐẦU 1.Lý do lựa chọn đề tài Theo Đại học Michigan (2006) và Alex Kirby (2000) hơn 70% bề mặt trái đất được bao phủ bởi nước với 2,5% là nước ngọt. Tuy vậy, chỉ khoảng 1% ( tương đương với 0.007% tổng khối lượng nước) được sử dụng trực tiếp. Đồng thời, sự gia tăng dân số và ô nhiễm môi trường khiến cho nhu cầu nước ngọt ngày càng tăng cao. Hiện nay, ở Việt Nam, tại các vùng ven biển, sự xâm thực của nước biển mặn, khiến cho việc tìm ra nguồn nước ngọt khá khó khăn, nguồn nước sinh hoạt của người dân ven biển không được đảm bảo, nhu cầu dùng nước sạch mới chỉ đáp ứng được khoảng 60%, số người mắc bệnh do thiếu nước sạch tăng lên. Người dân ven biển phải mua nước ngọt với giá đắt hơn từ 5-10 lần, tại Huyện Quỳnh Lưu (Nghệ An), người dân phải mua nước ngọt về với giá 60000/m3 để sử dụng. Mỗi chuyến đi biển mất đến nửa triệu bạc tiền nước, do đó nhiều chuyến về lỗ nặng. Tại vùng hải đảo ngoài khơi, tình trạng thiếu nước ngọt còn trầm trọng hơn. (1) Đồng thời đánh bắt xa bờ hiện nay chỉ chiếm 48%, 1 phần là do không có đủ lượng nước để đánh bắt dài ngày. Theo TS Đào Trọng Từ (2), đến năm 2015, do biến đổi khí hậu thì nguồn nước Việt Nam sẽ giảm đi khoảng 40 nghìn tỉ m3. Trong khi đó, nguồn nước biển, không khí ẩm hoàn toàn có thể tận dụng để sản xuất nước ngọt phục vụ con người, và đã được thực hiện ở nhiều nước trên thế giới, nhưng chưa được thực hiện ở Việt Nam. Do đó, ta cần các phương pháp nhằm sản xuất nước ngọt để đáp ứng nhu cầu người dân và quốc phòng tại vùng biển và hải đảo. 2. Các phương pháp thu nước ngọt thông dụng trên thế giới I) Tổng quan Có 3 phương pháp khử muối bằng nước biển phổ biến 1) Khử muối bằng phương pháp sử dụng màng ( membrane technology) 2) Khử muối bằng phương pháp sử dụng nhiệt (thermal technology) 3) Khử muối bằng phương pháp trao đổi ion ( ion exchange technology) 4) Thu nước từ không khí (atmospheric water generator) II) Chi tiết 1) Khử muối bằng phương pháp sử dụng màng: Sử dụng màng có các lỗ rất nhỏ nhằm chỉ cho phân tử nước đi qua, đồng thời chặn lại các phân tử muối có kích thước lớn và vi khuẩn * (Hình 1: Phương pháp thẩm thấu ngược) a) Các phương pháp phổ biến: Sử dụng áp suất Sử dụng dòng điện Nhận xét: tiêu tốn nhiều năng lượng, quy mô công nghiệp, thu được lượng nước gần như sạch hoàn toàn, giá thành đắt, yêu cầu kĩ thuật cao.a Tên Cơ chế Ưu điểm Nhược điểm RO (reverse osmosis)-a Tạo một áp suất lớn hơn áp suất thẩm thấu của nước biển để đẩy qua màng bán thấm -Hiệu suất cao -Cản được vi khuẩn -Khả năng cản muối tốt -Vì áp suất thẩm thấu nước biển lớn (600- 1200 psi) nên năng lượng tiêu tốn tạo áp suất lớn NF (nanofiltra tion) –b Tương tự RO -Áp suất cần sử dụng thấp hơn RO (70-140 psi) vì lỗ trên màng lớn hơn -Năng lượng tiêu tốn vẫn lớn ED (electrodia lysis) –c Sử dụng dòng điện để phân tách các ion trái dấu sang 2 phía của màng bán thấm -Khả năng loại bỏ hợp chất hỏa tan cao (75-98%) -Chỉ thích hợp xử lí nước lợ, nếu nước có nồng độ muối cao hơn thì không kinh tế 2) Khử muối bằng phương pháp trao đổi ion (Hình 2: Phương pháp thu Ion muối) Sử dụng sự trao đổi ion giữa pha rắn và pha lỏng, cụ thể là nhựa trao đổi ion Nhận xét: Phương pháp này được coi là không khả dụng vì giá thành quá cao, tuy nhiên nó được sử dụng để tạo nước lọc có chất lượng cao 3) Khử muối bằng phương pháp sử dụng nhiệt Sử dụng nhiệt để nước hóa hơi rồi ngưng tụ thành nước ngọt Chưng cất thụ động Thiết bị gồm một khoang đựng nước biển có nắp là một tấm kính hay vật liệu trong suốt nằm nghiêng Dưới tác dụng nhiệt của ánh sáng mặt trời, hơi O [...]... lưới kim loại và phun sương giúp phân đều lượng nước nhỏ trên bề mặt lưới, phân đều lượng nhiệt nhận được Ở đây ta không đun một lượng nước lớn vì rung lắc của tàu Khi sử dụng lưới và máy phun sương, lượng muối đọng lại từ lần bay hơi trước sẽ được rửa trôi Máy phun sương phân đều nước lên lưới giúp nước có bề mặt tiếp xúc với không khí tối đa nhờ việc phân đều nước và bề mặt cong của giọt 20 nước, thúc... sương phun cũng như lượng nước cần sử dụng, thời gian phun Nguyên lý hoạt động: Toàn bộ hệ thống có thể tích nhỏ, sử dụng đơn giản Có thể tích hợp nhiều hệ thống nhằm thu được lượng nước lớn Máy phun sương phun lên lưới kim loại trong lõi hơi, nước đọng dưới dạng các hạt nhỏ trên lưới, lượng nước thừa rửa trôi muối đọng từ lần bốc hơi trước Tấm lưới được làm nóng dưới ánh sáng mặt trời, trực tiếp và. .. hệ thống là 1 hệ các module đặt trên một phao nhỏ Không khí biển được Máy phun sương (1) phun lên tấm Lưới kim loại (2) nhằm tạo một lớp nước mỏng trên tấm lưới Màng nước mỏng được hấp thụ ánh sáng mặt trời, bay hơi bề mặt lên sang Vỏ bay hơi Nước cô đọng được dẫn ra ngoài để sử dụng Các module được xếp nối tiếp thành hang, nhiều hàng thành 1 hệ module Cơ sở lý thuyết Hệ thống sử dụng cơ sở lý thuyết... nước biển Nước biển (B) được dẫn qua ống lượn qua khoang làm nóng Hơi nước nóng bốc hơi gặp nước biển trong ống có nhiệt độ thấp sẽ ngưng tụ xuống máng hứng nước (G) đồng thời hơi nước sẽ làm nóng nước biển trong ống Khi nước biển tới thiết bị cung cấp nhiệt (H) thì nhiệt độ nước đã xấp xỉ nhiệt độ sôi Ở H, nước biển trong ống được cung cấp thêm nhiệt và được dẫn vào bể làm bay hơi Ở bể thứ nhất, nước. .. lượng nước thu được trong ngày khoảng 10l với diện tích lưới kim loại 1m2, năng lượng mặt trời 3.5 kWh/ /ngày Vậy nên tổng cộng lượng nước thu được với 1m2 lưới kim loại khoảng hơn 10 l trong 6 tiếng (10h-16h) (đã kể cả lượng ánh sáng thu được nhờ gương xấp xỉ 70% lượng ánh sáng thu được trên cùng diện tích cắt ngang) 18 Phun sương Máy phun sương với 25 đầu phun tiêu tốn khoảng 50W Máy phun sương hoạt... hướng module nhỏ, vẫn có khả năng thu nước khi một số module gặp trục trặc Sử dụng các vật liệu dễ mua, dễ sử dụng như giấy bạc làm Vách cách nhiệt, khung hệ thống làm từ mica tấm được ghép lại, Lưới kim loại có giá thành rẻ,… và đồng thời dễ sửa chữa, thay thế với giá rẻ, phù hợp với điều kiện ngư dân Tận dụng năng lượng mặt trời, năng lượng gió Lợi dụng sự bay hơi bề mặt của màng nước trên một tấm lưới. .. Enthalpy của hơi nước là: Enthalpy của nước [ (kJ/kg); (kJ/kg); t ] t trong công thức của enthalpy trên là nhiệt độ mà nước biển sôi, tính theo: Enthalpy của nước biển: Điều kiện ( ; ) 16 Lượng năng lượng mặt trời chuyển hóa thành năng lượng giúp cho nước bốc hơi, vậy nên độ thay đổi Enthalpy của nước và hơi nước chính là do năng lượng mặt trời Do lượng trước và sau quá trình là không đổi: Do enthalpy... tụ và chảy xuống Lượng nước muối thừa đọng trong lõi bay hơi và có thể xả ra nhờ đường ống xả nối thẳng ra bên ngoài Tính mới: Khả năng chống rung lắc do tàu thủy đi trên biển, nếu sử dụng phương pháp đun nước trong vật chứa thì lượng nước dễ bị trào ra ngoài, ảnh hưởng đến quá trình đun, hiệu suất Với việc để nước bám trên lưới, phần lớn nước sẽ được cố định nhờ lực căng bề mặt Việc sử dụng lưới kim. .. có công suất đủ lớn, sản xuất được nước ngọt ngay trên biển giúp tàu cá bám biển đánh bắt Ngoài ra hệ thống cũng có thể sử dụng nhằm phục vụ cho hải đảo, nhà giàn Hệ thống phải có giá thành phù hợp, kích cỡ nhỏ và 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 hơi (4): Vỏ bay hơi (5)... tử nước đạt đủ vận tốc do được cung cấp năng lượng từ mặt trời, chúng có thể thoát ra khỏi lực hút của các phân tử xung quanh, khác với việc đun nước Do đó, trong thời gian tới, người nghiên cứu sẽ tìm hiểu sâu hơn về công thức này nhằm xây dựng cơ sở và phép đo chính xác hơn cho hệ thống Cấu tạo hệ thống: Hệ thống gồm: Lưới kim loại, Máy phun sương, Khung module và Gương parabol 19 Máy phun sương phun . 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 và cơ khí NGƯỜI HƯỚNG DẪN - Tiến sĩ Đinh. theo nhu cầu người sử dụng. Trong một hộp kín nhằm tạo hiệu ứng nhà kính, nước biển được phun sương xuống một tấm lưới kim loại, tạo thành một màng nước mỏng bám trên lưới. Màng nước được mặt trời. thường chuyển nước biển thành nước ngọt như phương pháp sử dụng nhiệt, thẩm thấu ngược, điện phân tách ion. Thay vì tương tác trực tiếp với nước biển, tách riêng muối và nước, phương pháp này tận dụng