Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THU HỒI ẨN NHIỆT HÓA HƠI EXPERIMENTAL STUDY THE HUMIDIFICATION-DEHUMIDIFICATIONSOLAR DESALINATION UNIT Trần Xuân An 1a, Hoàng Văn Viết 2b, NguyễnThếBảo3c Trường Cao đẳng Công Thương, Tp.HCM, Việt Nam Công ty TNHH Lê Phong Tp.HCM Viện phát triển lượng bền vững ISED a antran.edu@gmail.com; bhoangvanviethd@gmail.com; cdrthebao@yahoo.com TÓM TẮT Bài báo trình bày đặc điểm công nghệ chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời dạng thu hồi ẩn nhiệt hóa cưỡng loại tuần hoàn kín không khí hở nguồn nước (Close air-Open Water) Nhóm tiến hành thiết kế, chế tạo thực nghiệm hệ thống với kích thước bốc 0,6x0,35x0,7m, diện tích ngưng tụ 0,4m2, gia nhiệt nước dạng ống xoắn chiều dài 12m, đường kính ống 10mm, đường kính chảo parabol 1,3m, công suất bơm 250W, lưu lượng nước cấp 0,015kg/s Kết thực nghiệm cho thấy sản lượng nước thu 11,46lít/ngày ứng với cường độ xạ trung bình 654,5W/m2 điều kiện thời tiết Thành phố Hồ Chí Minh Từ khóa: bốc hơi, tách ẩm, chưng cất nước lượng mặt trời, chưng cất nước bay hơi-tách ẩm, chảo lượng mặt trời ABSTRACT The article describes the specifications ofa Humidification-Dehumidification (HD) solar desalination unit with close air-open water The team has designed, manufactured and tested the system with the Humidifier size of 0,6x0,35x0,7m, the Dehumidifier area of 0,4m2, tube spiral heater water length of 12m with tube diameter 10mm, solar parabol diameter of 1,3m, flow rate of the feed water of 0,015 kg/s The results show that the water production of the still about 11,46 L/day, with an average radiation of 654,5W/m2 in Ho Chi Minh City weather condition Keywords: humidification, dehumidification, solar desalination, humidification dehumidification desalination, solar parabolic ĐẶT VẤN DỀ Nước nguồn lượng thiết yếu thực cần thiết cho tồn cá thể sống trái đất Nguồn nước bị đe dọa phát triển công nghiệp ô nhiễm nguồn nước người gây Khan nguồn nước thực vấn đề cấp thiết người dân sinh sống vùng sâu, vùng xa hải đảo Việc tạo thiết bị chưng cất nước để biến nước phèn, nước lợ, nước mặn thành nước sử dụng nguồn lượng mặt trời (NLMT) sẵn có cho người dân thực có ý nghĩa, đặc biệt quốc gia có lãnh thổ kéo dài biển điều kiện thời tiết thuận lợi Việt Nam Hệ thống chưng cất nước thu hồi nhiệt ẩn hóa (Humidification – Dehumidification (HDH)) có nguồn gốc từ thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại bể phẳng truyền thống cấp mái (Single BasinSingle Slope) hay cấp mái (Single BasinDouble Slope), đặc điểm loại trình hóa ngưng tụ thực thiết bị ẩn nhiệt hóa trình ngưng tụ nước không thu hồi mà thải bỏ môi trường 576 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV nên sản lượng nước thu thấp Để cải tiến nâng cao sản lượng nước chưng cất, nhà nghiên cứu đưa thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại cấp mái (Double Basin Single Slope) hay cấp mái (Double Basin Double Slope) để thu hồi ẩn nhiệt hóa hơi nước nhả trình ngưng tụ Đây xem cải tiến mang tính tảng để phát triển hệ thống HDH sau Đặc điểm bật hệ thống HDH sản lượngcao linh hoạt so với thiết bị chưng cất nước truyền thống, nên thường ứng dụng cho nhu cầu sản xuất nướ cở quy mô tập trung dạngcông nghiệp Trên giới, tác giả Abd ElKader,M cộng [1] tiến hành nghiên cứu mô hình với đặc điểm kết cấu tuần hoàn nước có gia nhiệt không khí Kích thước bốc 0,8x0,7x0,6m3, diện tích ngưng tụ 0,8m2, diện tích collector gia nhiệt nước 1,5m2, diện tích collector gia nhiệt không khí 2m2, công suất bơm quạt 500W Kết chosản lượng nước trung bình tháng 11, 12 tháng 2-3,5kg/m2/ngày, tháng thu 7,2611 kg/m2/ngày, tháng lại năm thu 6-8kg/m2/ngày Tác giả E Kabeel Emad M.S El Said [2] với nghiên cứu tương tự, kích thước bốc 0,45x0,8x0,92m3, diện trao đổi nhiệt bề mặt ngưng tụ 0.14m2, diện tích collector gia nhiệt nước 7m2, collector gia nhiệt không khí 1.415m2 Kết cho thấy vào tháng sản lượng thu 64lít/ngày, tháng cho sản lượng 43lít/ngày Tác giả E Farrag cộng [3] tiến hành thực nghiệm hệ thống chưng cất với kết cấu đặc biệt so với tác giả khác sử dụng hệ hai cấp bay tách ẩm Nhóm bố trí thêm ngưng tụ bay nối tiếp với hệ thống cũ, kết đem lại hiệu đáng kể 19,4 lít/m2/ngày với thông số kỹ thuật: lưu lượng nước 18,5 lít/giờ, nhiệt độ nước vào bốc cấp 800C, chiều dài ống thủy tinh chân không 2m, đường kính đường kính 5,8cm 4,33cm, kích thước bốc 0,8x0,5x0,5m ngưng tụ 0,6x0,3x0,07m CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý trình chưng cất nước thu hồi ẩn nhiệt hóa Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất nước thiết kế 1: Chảo parabol 2: Bộ gia nhiệt nước 3: Bộ bốc 4: Bộ ngưng tụ 5: Bơm nước 6: Bình chứa 7: Không khí ẩm 8: Không khí khô 9: Quạt 10: Vòi phun 11: Ống nước cất 12:Phễu cấp nước 13: Van điều chỉnh lưu lượng 14: Van chiều 577 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Nguyên lý hoạt động: Dưới xạ mặt trời nước gia nhiệt gia nhiệt 2, nhờ áp lực bơm nước nóng phun tán sương vàobề mặt bốc 3.Do phun tán sương nhiệt độ cao nên bề mặt bốc lớn, nước thâm nhập vào không khí có dung ẩm thấp (không khí khô 8) làm cho lượng không khí gia nhiệt tăng ẩm, kết thúc trình làm ẩm Không khí sau làm ẩm có nhiệt độ, enthalpy dung ẩm tăng (không khí ẩm 7) di chuyển qua ngưng tụ nhờ cưỡng quạt Tại ngưng tụ không khí ẩm trao đổi nhiệt với nước lạnh bơm đẩy từ bình chứa tới, nước lạnh lấy ẩn nhiệt hóa không khí ẩm làm nước nóng lên vào gia nhiệt để tiếp tục gia nhiệt lên nhiệt độ cao không khí ẩm nhả nhiệt tách ẩm ngưng tụ thành nước cất dẫn theo đường ống 11 Không khí có dung ẩm cao sau ngưng tụ trở thành không khí ẩm có dung ẩm thấp quay trở lại bốc để làm ẩm, lượng nước phun tán sương mà không tham gia vào trình làm ẩm không khí gọi tắt nước chưa chưng cất rơi xuống bể chứa chờ tới vòng tuần hoàn Để đảm bảo trình chưng cất cấp thêm nước bổ sung từ phễu cấp nước 12 2.2.Cân nhiệt hệ thống chưng cất nước thu hồi nhiệt ẩn Hình 2: Cânbằng nhiệt hệ thống HDH Phương trình cân bốc (Humidifier)[4] m w + m a *d a1 = m b + m a *d a2 (1) m b *I w3 + m a *Ia2 = m w *I w2 + m a *Ia1 (2) m pw = m a *(d a2 - d a1 ) (3) m pw *h pw + m a *h da1 + m w *h w1 = m w *h w0 + m a *h da2 (4) Phương trình cân ngưngt ụ (Dehumidifier)[4] Phương trình cân gia nhiệt nước [4,5] Q in = m w *(I w2 – I w1 ) = m w *C pw *(T w2 – T w1 ) = η p * A* Is (5) Dungẩm không khí (kg/kg a ) [6] d a = 2,19*10-6*Ta3 - 1,85*10-4*Ta2 + 7,06*10-3*Ta -0,077 Enthalpy không khí (J/kg) [6] h = 0,00585*Ta3 – 0,497*Ta2 + 19,87*Ta -207,61 578 (6) (7) Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hiệu suất thiết bị theo [7] η= (M pw * Lv ) / 3600 A * I s + Ppump + Pblower (8) L v = 2,506*106- 2,369*103*T a2 + 0,2678*102*T2 a2 – 8,103*10-3*T3 a2 -2,079*10-5*T4 THỰC NGHIỆM Yêu cầu thực nghiệm - Đường kính chảo parabol 1,3m, độ sâu 22cm, bề mặt chảo dán lớp phản xạ - Góc nghiêng chảo parabol điều chỉnh theo hướng nắng - Lưu lượng nước cấp 0,015kg/s; Lưu lượng quạt 0,003 kg/s - Thời gian đo từ 7h->16h - Thiết bị đo chính: Máy đo xạ PCE – SPM (độ xác ∓10 W/m2) máy đo nhiệt độ PCE-T1200 dùng cặp nhiệt loại K (độ xác ∓0,4% + 0,50 𝐶𝐶) Hình 3: Chảo parabol gia nhiệt nước Hình 4: Bộ ngưng tụ -bộ bốc hệ thống hoàn chỉnh KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Quá trình thực nghiệm tiến hành nhiều ngày với điều kiện thời tiết khác nhau, tác giả lấy kết đo tiêu biểu ngày 17/05/2015 trời quang mây, nắng tốt Sử dụng thiết bị đo đạc trực tiếp thông số nhiệt độ xạ mặt trời, thông số đo để tính toán lý thuyết kiểm chứng với kết thực nghiệm thể qua biểu đồ bên dưới: 579 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình hình biểu thị mối tương quan xạ mặt trời, nhiệt độ nước công suất gia nhiệt Nhận thấy thời điểm xạ mặt trời cao 967W/m2 nhiệt độ nước đo đầu gia nhiệt 880C tương ứng với công suất nhiệt Q in = 0,766kW, điều cho thấy hiệu tích cực việc sử dụng chảo parabol để gia nhiệt nước cấp từ nâng cao sản lượng chưng cất Hình hình cho thấy sản lượng nước lý thuyết thực tế đo với công suất gia nhiệt dung ẩm vào bốc Sản lượng nước thu tăng theo công suất gia nhiệt dung ẩm, công suất gia nhiệt tăng tương ứng với nhiệt độ nước cấp khỏi gia nhiệt tăng dẫn đến khả tán sương bốc vào bốc tăng cao Hình hình 10 minh họa cho sản lượng nước chưng cất hiệu xuất hệ thống lý thuyết thực tế, kết cho thấy chênh lệch sản lượng lý thuyết thực tế 17,5% hiệu xuất lý thuyết thực tế 19% Điều lý giải mặt thực nghiệm khoảng thời điểm đo thông số cường độ xạ yếu thời tiết mây che phủ tác động, mặt khác công thức tính toán lý thuyết có sai số định Hình 5: Biểu đồ xạ mặt trời nhiệtđộ nước vào, gia nhiệt Hình 6: Biểu đồ xạ mặt trời công suất gia nhiệt Hình 7: Biểu đồ sản lượng nước chưng cấtthực tế công suất gia nhiệt mặt trời Hình 8: Biểu đồ sản lượng nước chưng cấtlý thuyết dung ẩm vào, bốc 580 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình 9: Biểu đồ sản lượng nước chưng Hình 10: Biểu đồ hiệu suất lý thuyết cất lý thuyết thực tế thực tế KẾT LUẬN Qua kết thực nghiệm cho thấy việc kết hợp công nghệ chưng cất nước dạng thu hồi ẩn nhiệt hóa với chảo parabol gia nhiệt nước cấp đem lại sản lượng cao khắc phục nhược điểm hệ thống chưng cất nước truyền thống Với thiết bị có kết cấu đơn giản dễ chế tạo, xem hướng nghiên cứu bước đầu làm tảng cho ứng dụng thực tiễn Việt Nam quy mô lớn để giải vấn đề khan nguồn nước vùng biển đảo, vùng ngập mặn Tuy nhiên số thiết bị hệ thống dùng điện để hoạt động, để tối ưu hóa hệ thống chưng cất sử dụng pin lượng mặt trời cấp cho động bơm, quạt nhằm khai thác triệt để nguồn lượng tái tạo có sẵn tự nhiên TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Abd ElKader, M., Aref, A., Gamal, H., Moustafa and ElHenawy,Y., A Theoretical and Experimental Study for a Humidification-Dehumidification Solar Desalination Unit, International Journal of Water Resources and Arid Environments 2014 Vol 3(2), p 108120 [2] Kabeel, A.E., Emad ElSaid, M.S., A hybrid solar desalination system of air humidification dehumidificationand water flashing evaporation, A comparison amongdifferent configurations, Tanta University, Egypt 2013 [3] Farrag Taha, E., Mahmoud Mohamed, S., Abdelmoez, Wael., experimental validation for two stageshumidification- dehumidification (hdh) waterdesalination unit, Seventeenth International Water Technology Conference, IWTC 17 2013, Istanbul, Turkey [4] PrakashNarayan,G.,Sharqawy Mostafa, H.,Lienhard John, H., Zubair Syed M., Thermodynamicanalysis of humidifi cation dehumidifi cation desalination cycles, Cambridge, USA 2009 [5] Magal B.S, Solar Power Engineering, Tata McGraw Hill Publishing Company Limited, New Delhi, 1993 [6] Soufari S.M., Zamen, M., Amidpour, M., Performance optimization of the humidification–dehumidification desalination process using mathematicalprogramming, Tehran, Iran,2008 [7] AwadMostafa, M.,El-Agouz S A., Enhancement of the Performance of Stepped Solar Still Using Humidification-Dehumidification Processes, Faculty of Engineering, Mansoura UniversityEgypt, Nature and Science 2013 581 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Chú thích: I s : Cường độ xạ mặt trời, W/m2 m w : Lưu lượng nước cấp, kg/s M pw : Lưu lượng nước chưng cất, kg/s m a : Lưu lượng không khô, kg/s m b : Lưu lượng nước chưa bốc hơi, kg/s T w0 : Nhiệt độ nước vào ngưng tụ, 0C T w1 : Nhiệt độ nước khỏi ngưng tụ, 0C T w2 : Nhiệt độ nước khỏi gia nhiệt, 0C T w3 : Nhiệt độ nước khỏi bốc hơi, 0C T a1 : Nhiệt độ không khí vào bốc hơi, 0C T a2 : Nhiệt độ không khí khỏi bốc hơi, 0C d a1 : Dung ẩm không khí vào bốc hơi, kg/kga d a2 : Dung ẩm không khí khỏi bốc hơi, kg/kga Q in : Công suất gia nhiệt, kW L v : Nhiệt ẩn hóa nước, J/kg A: Diện tích chảo Parabol, m2 P pump : Công suất bơm nước, W P blower : Công suất quạt, W ηp :Hiệu suất chảo Parabol (50%-60%) THÔNG TIN TÁC GIẢ Trần Xuân An Trường Cao Đẳng Công Thương Tp.HCM, antran.edu@gmail.com, 0909262985 Hoàng Văn Viết Công Ty TNHH Lê Phong Tp.HCM, hoangvanviethd@gmail.com, 0937911988 Nguyễn Thế Bảo Viện phát triển lượng bền vững ISED, drthebao@yahoo.com, 0906331133 582 ... sản lượng nước chưng Hình 10: Biểu đồ hiệu suất lý thuyết cất lý thuyết thực tế thực tế KẾT LUẬN Qua kết thực nghiệm cho thấy việc kết hợp công nghệ chưng cất nước dạng thu hồi ẩn nhiệt hóa với... tắt nước chưa chưng cất rơi xuống bể chứa chờ tới vòng tuần hoàn Để đảm bảo trình chưng cất cấp thêm nước bổ sung từ phễu cấp nước 12 2.2.Cân nhiệt hệ thống chưng cất nước thu hồi nhiệt ẩn Hình... LÝ THUYẾT 2.1 Nguyên lý trình chưng cất nước thu hồi ẩn nhiệt hóa Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất nước thiết kế 1: Chảo parabol 2: Bộ gia nhiệt nước 3: Bộ bốc 4: Bộ ngưng tụ 5: Bơm nước