NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM hệ THỐNG CHƯNG cất nước sử DỤNG NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI THU hồi ẩn NHIỆT hóa hơi

NGHIÊN C ỨU 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 Tr ầ

NGHIÊN C ỨU 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

Tr ần Xuân An 1a , Hoàng Văn Viết 2b , Nguy ễnThếBảo 3c

1Trường Cao đẳng Công Thương, Tp.HCM, Việt Nam

2Công ty TNHH Lê Phong Tp.HCM

3Viện phát triển năng lượng bền vững ISED

a antran.edu@gmail.com; b hoangvanviethd@gmail.com; c drthebao@yahoo.com

TÓM T ẮT

Bài báo trình bày đặc điểm công nghệ chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời

dạng thu hồi ẩn nhiệt hóa hơi cưỡng bức loại tuần hoàn kín không khí và hở nguồn nước (Close air-Open Water) Nhóm đã tiến hành thiết kế, chế tạo và thực nghiệm hệ thống với kích thước bộ bốc hơi 0,6x0,35x0,7m, diện tích bộ ngưng tụ 0,4m2, bộ 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 quả thực nghiệm cho thấy sản lượng nước thu được 11,46lít/ngày ứng với cường độ bức xạ trung bình 654,5W/m2trong điều kiện thời tiết

tại Thành phố Hồ Chí Minh

Từ khóa: bốc hơi, tách ẩm, chưng cất nước năng lượng mặt trời, chưng cất nước bay

hơi-tách ẩm, chảo năng 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

1 ĐẶT VẤN DỀ

Nước là nguồn năng lượng thiết yếu và thực sự cần thiết cho sự tồn tại của mỗi cá thể

sống trên trái đất Nguồn nước sạch đang bị đe dọa bởi sự phát triển của nền công nghiệp và

sự ô nhiễm nguồn nước là do chính con người gây ra Khan hiếm nguồn nước sạch đang thực

sự là vấn đề cấp thiết hiện nay đối với những người dân đang sinh sống tại các vùng sâu, vùng

xa và hải đảo Việc tạo ra thiết bị chưng cất nước để biến nước phèn, nước lợ, nước

mặn thành nước ngọt sử dụng nguồn năng lượng mặt trời (NLMT) sẵn có cho người dân

thực sự có ý nghĩa, đặc biệt là đối với những quốc gia có lãnh thổ kéo dài trên biển và điều

kiện thời tiết thuận lợi như Việt Nam

Hệ thống chưng cất nước thu hồi nhiệt ẩn hóa hơi (Humidification – Dehumidification (HDH)) có nguồn gốc từ thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại bể phẳng truyền thống 1

cấp 1 mái (Single BasinSingle Slope) hay 1 cấp 2 mái (Single BasinDouble Slope), đặc điểm

của loại này là quá trình hóa hơi và ngưng tụ được thực hiện trong cùng một thiết bị và ẩn nhiệt hóa hơi trong quá trình ngưng tụ hơi nước không được thu hồi mà thải bỏ ra môi trường

nên sản lượng nước thu được là khá thấp Để cải tiến cũng như nâng cao sản lượng nước chưng cất, các nhà nghiên cứu đã đưa ra thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại 2 cấp 1 mái (Double Basin Single Slope) hay 2 cấp 2 mái (Double Basin Double Slope) để thu hồi ẩn nhiệt hóa hơi của hơi nước nhả ra trong quá trình ngưng tụ Đây được xem là cải tiến mang tính nền tảng để phát triển hệ thống HDH sau này Đặc điểm nổi bật nhất của hệ thống HDH

là sản lượngcao và linh hoạt hơn so với các thiết bị chưng cất nước truyền thống, nên thường được ứng dụng cho các nhu cầu sản xuất nướ cở quy mô tập trung dạngcông nghiệp

Trên thế giới, tác giả Abd ElKader,M và các cộng sự [1] đã tiến hành nghiên cứu mô hình với đặc điểm kết cấu tuần hoàn nước và có gia nhiệt không khí Kích thước bộ bốc hơi 0,8x0,7x0,6m3, diện tích bộ ngưng tụ 0,8m2, diện tích collector gia nhiệt nước 1,5m2, diện tích collector gia nhiệt không khí 2m2, công suất bơm và quạt 500W Kết quả chosản lượng nước trung bình tháng 11, 12 và tháng 1 là 2-3,5kg/m2/ngày, còn tháng 7 và 8 thu được

7,26-11 kg/m2/ngày, những tháng còn lại trong năm thu được 6-8kg/m2/ngày Tác giả E Kabeel và Emad M.S El Said [2] với nghiên cứu tương tự, kích thước bộ bốc hơi 0,45x0,8x0,92m3, diện trao đổi nhiệt bề mặt bộ ngưng tụ 0.14m2, diện tích collector gia nhiệt nước 7m2, collector gia nhiệt không khí 1.415m2 Kết quả cho thấy vào tháng 8 sản lượng thu được 64lít/ngày, còn tháng 1 cho sản lượng 43lít/ngày Tác giả E Farrag và cộng sự [3] đã tiến hành thực nghiệm

hệ thống chưng cất với kết cấu đặc biệt so với các tác giả khác là sử dụng hệ hai cấp bay hơi

và tách ẩm Nhóm đã bố trí thêm một bộ ngưng tụ và một bộ bay hơi nối tiếp với hệ thống cũ,

kết quả đem lại hiệu quả đáng kể là 19,4 lít/m2/ngày với các thông số kỹ thuật: lưu lượng nước 18,5 lít/giờ, nhiệt độ nước vào bộ bốc hơi cấp 1 là 800C, chiều dài ống thủy tinh chân không 2m, đường kính ngoài và đường kính trong là 5,8cm và 4,33cm, kích thước bộ bốc hơi 0,8x0,5x0,5m và bộ ngưng tụ 0,6x0,3x0,07m

2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Nguyên lý quá trình chưng cất nước thu hồi ẩn nhiệt hóa hơi

Hình 1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất nước thiết kế

1: Chảo parabol 2: Bộ gia nhiệt nước 3: Bộ bốc hơi

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 1 chiều

Nguyên lý ho ạt động: Dưới bức xạ mặt trời nước được gia nhiệt tại bộ gia nhiệt 2, nhờ

áp lực của bơm nước nóng được phun tán sương vàobề mặt của bộ bốc hơi 3.Do được phun tán sương ở nhiệt độ cao nên bề mặt bốc hơi lớn, hơi nước sẽ thâm nhập vào không khí có dung ẩm thấp (không khí khô 8) làm cho lượng không khí này được gia nhiệt và tăng ẩm, kết thúc quá trình làm ẩm Không khí sau khi được làm ẩm có nhiệt độ, enthalpy và dung ẩm tăng (không khí ẩm 7) sẽ di chuyển qua bộ ngưng tụ nhờ cưỡng bức bằng quạt Tại bộ ngưng tụ không khí ẩm trao đổi nhiệt với nước lạnh được bơm đẩy từ bình chứa tới, nước lạnh lấy ẩn nhiệt hóa hơi của không khí ẩm 7 làm nước nóng lên và đi vào bộ gia nhiệt để tiếp tục gia nhiệt lên nhiệt độ cao còn không khí ẩm nhả nhiệt và tách ẩm ngưng tụ thành nước cất và được dẫn ra ngoài theo đường ống 11 Không khí có dung ẩm cao sau khi ngưng tụ trở thành không khí ẩm có dung ẩm thấp quay trở lại bộ bốc hơi để được làm ẩm, còn lượng nước phun tán sương mà không tham gia vào quá trình làm ẩm không khí gọi tắt là nước chưa chưng cất

sẽ rơi xuống bể chứa và chờ tới vòng tuần hoàn tiếp theo Để đảm bảo quá trình chưng cất có

thể cấp thêm nước bổ sung từ phễu cấp nước 12

2.2.Cân b ằng nhiệt hệ thống chưng cất nước thu hồi nhiệt ẩn

Hình 2: Cânb ằng nhiệt hệ thống HDH Phương trình cân bằng tại bộ bốc hơi (Humidifier)[4]

mb*Iw3 + ma*Ia2 = mw*Iw2 + ma*Ia1 (2)

Phương trình cân bằng tại bộ ngưngt ụ (Dehumidifier)[4]

mpw*hpw + ma*hda1 + mw*hw1 = mw*hw0 + ma*hda2 (4)

Phương trình cân bằng tại bộ gia nhiệt nước [4,5]

Qin = mw*(Iw2 – Iw1) = mw*Cpw*(Tw2 – Tw1) =η * A* Is p (5)

Dung ẩm của không khí (kg/kg a ) [6]

da = 2,19*10-6*Ta3 - 1,85*10-4*Ta2 + 7,06*10-3*Ta -0,077 (6)

h = 0,00585*Ta3– 0,497*Ta2+ 19,87*Ta -207,61

Hi ệu suất thiết bị theo giờ [7]

blower pump

s

v

P P

I A

L

+ +

=

*

3600 / )

* (Mpw

Lv = 2,506*106- 2,369*103*Ta2 + 0,2678*102*T2a2 – 8,103*10-3*T3a2 -2,079*10-5*T4

3 TH ỰC NGHIỆM

Yêu c ầu thực nghiệm

- Đường kính chảo parabol 1,3m, độ sâu 22cm, bề mặt chảo được dán lớp phản xạ

- Góc nghiêng chảo parabol được 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 bức xạ PCE – SPM 1 (độ chính xác ∓10 W/m2) máy đo nhiệt độ PCE-T1200 dùng cặp nhiệt loại K (độ chính xác ∓0,4% + 0,50𝐶𝐶)

Hình 3: Ch ảo parabol và bộ gia nhiệt nước

Hình 4: B ộ ngưng tụ -bộ bốc hơi và hệ thống hoàn chỉnh

4 K ẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Quá trình thực nghiệm được tiến hành trong nhiều ngày với điều kiện thời tiết khác nhau, trong đó tác giả lấy kết quả đo tiêu biểu ngày 17/05/2015 trời quang mây, nắng tốt Sử dụng thiết bị đo đạc trực tiếp các thông số nhiệt độ và bức xạ mặt trời, thông số đo được để tính toán

lý thuyết và kiểm chứng với kết quả thực nghiệm được thể hiện qua các biểu đồ bên dưới:

Hình 5 và hình 6 biểu thị mối tương quan giữa bức xạ mặt trời, nhiệt độ nước và công

suất bộ gia nhiệt Nhận thấy ở thời điểm bức xạ mặt trời cao nhất 967W/m2 thì nhiệt độ nước

đo được tại đầu ra của bộ gia nhiệt 880C tương ứng với công suất nhiệt Qin = 0,766kW, điều này cho thấy hiệu quả tích cực của việc sử dụng chảo parabol để gia nhiệt nước cấp từ đó nâng cao sản lượng chưng cất

Hình 7 và hình 8 cho thấy sản lượng nước lý thuyết và thực tế đo được với công suất bộ gia nhiệt và dung ẩm vào ra bộ bốc hơi Sản lượng nước thu được tăng theo công suất bộ gia nhiệt và dung ẩm, khi công suất gia nhiệt tăng tương ứng với nhiệt độ nước cấp ra khỏi bộ gia nhiệt tăng dẫn đến khả năng tán sương và bốc hơi vào bộ bốc hơi tăng cao

Hình 9 và hình 10 minh họa cho sản lượng nước chưng cất và hiệu xuất của hệ thống

giữa lý thuyết và thực tế, kết quả cho thấy chênh lệch giữa sản lượng lý thuyết và thực tế là 17,5% và hiệu xuất lý thuyết và thực tế là 19% Điều này có thể lý giải về mặt thực nghiệm ở

giữa những khoảng thời điểm đo thông số cường độ bức xạ yếu do thời tiết và mây che phủ tác động, mặt khác các công thức tính toán lý thuyết có sự sai số nhất định

Hình 5: Bi ểu đồ bức xạ mặt trời và

nhi ệtđộ nước vào, ra bộ gia nhiệt Hình 6: Bi ểu đồ bức xạ mặt trời và công su ất bộ gia nhiệt

Hình 7: Bi ểu đồ sản lượng nước chưng

c ấtthực tế và công suất bộ gia nhiệt mặt

trời

Hình 8: Bi ểu đồ sản lượng nước chưng cấtlý thuy ết và dung ẩm vào, ra bộ bốc hơi

Hình 9: Bi ểu đồ sản lượng nước chưng Hình 10: Biểu đồ hiệu suất lý thuyết cất lý thuyết và thực tế và thực tế

5 K ẾT LUẬN

Qua kết quả thực nghiệm cho thấy việc kết hợp công nghệ chưng cất nước dạng thu hồi

ẩn nhiệt hóa hơi với chảo parabol gia nhiệt nước cấp đem lại sản lượng cao do đã khắc phục được những nhược điểm của các hệ thống chưng cất nước truyền thống Với thiết bị có kết

cấu đơn giản dễ chế tạo, đây được xem là hướng nghiên cứu bước đầu làm nền tảng cho

những ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam ở quy mô lớn để giải quyết vấn đề khan hiếm nguồn nước sạch tại các vùng biển đảo, vùng ngập mặn

Tuy nhiên một số thiết bị của hệ thống vẫn còn dùng điện để hoạt động, do đó để tối ưu hóa hệ thống chưng cất có thể sử dụng pin năng lượng mặt trời cấp cho động cơ bơm, quạt

nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng tái tạo có sẵn trong tự nhiên

TÀI LI ỆU 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

108-120

[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

Chú thích:

I s : Cường độ bức xạ mặt trời, W/m 2

m w : Lưu lượng nước cấp, kg/s

M pw : Lưu lượng nước chưng cất, kg/s

m a : Lưu lượng không khi khô, kg/s

m b : Lưu lượng nước chưa bốc hơi, kg/s

T w0 : Nhi ệt độ nước vào bộ ngưng tụ, 0 C

T w1 : Nhi ệt độ nước ra khỏi bộ ngưng tụ, 0 C

T w2 : Nhi ệt độ nước ra khỏi bộ gia nhiệt, 0 C

T w3 : Nhi ệt độ nước ra khỏi bộ bốc hơi, 0 C

T a1 : Nhi ệt độ không khí vào bộ bốc hơi, 0 C

T a2 : Nhiệt độ không khí ra khỏi bộ bốc hơi, 0 C

d a1 : Dung ẩm không khí vào bộ bốc hơi, kg/kga

d a2 : Dung ẩm không khí ra khỏi bộ bốc hơi, kg/kga

Q in : Công su ất bộ gia nhiệt, kW

L v : Nhi ệt ẩn hóa hơi của nước, J/kg

A: Di ện tích chảo Parabol, m 2

P pump : Công su ất bơm nước, W

P blower : Công su ất quạt, W

p

η

:Hi ệu suất chảo Parabol (50%-60%)

THÔNG TIN TÁC GIẢ

1 Tr ần Xuân An Trường Cao Đẳng Công Thương Tp.HCM, antran.edu@gmail.com,

0909262985

2 Hoàng Văn Viết Công Ty TNHH Lê Phong Tp.HCM, hoangvanviethd@gmail.com,

0937911988

3 Nguy ễn Thế Bảo Viện phát triển năng lượng bền vững ISED, drthebao@yahoo.com,

0906331133