Tính toán và thiết kế thiết bị chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời kết hợp với máy lạnh

4 Máy chưng cất nước biển thành nước ngọt bằng năng lượng mặt trời đang hoạt động .... Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện - Nội dung nghiên cứu: + Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý ho

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt gần bốn năm học tại trường Đại học Nha Trang, em đã được sự dạy

dỗ ân cần và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong trường, đặc biệt là các thầy cô giáo trong ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh Em xin chân thành cảm ơn:

 Toàn thể giáo viên trong trường Đại học Nha Trang đã dạy dỗ, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập

 Toàn thể thầy giáo, cô giáo ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh đã cung cấp cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình thực tập

 Gia đình và bạn bè đã cổ vũ, động viên, khích lệ em trong suốt thời gian ngồi trên giảng đường đại học

 Đặc biệt em xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo: TS.Trần Đại Tiến, thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt thời gian qua để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình

Trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô để em có thêm những kiến thức bổ ích làm hành trang bước vào đời

Nha Trang, Tháng 06 năm 2017

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Văn Thạo

MỤC LỤC

Danh mục bảng 4

Danh mục hình 5

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT NƯỚC BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 9

1.1 Tổng quang về chưng cất 9

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài 10

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 10

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 12

1.3 Chọn phương án thiết kế 14

2.1 Tính toán hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời 16

2.1.1 Tính chọn tấm thu năng lượng mặt trời collector 16

2.12 Tính chọn bơm nước nóng tuần hoàn 17

2.1.3 Tính chọn bình dãn nỡ kín 20

2.2 Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt 20

2.2.1 Tính chọn ống xoắn bình sinh hơi 20

2.2.2 Tính chọn ống xoắn cho bình chứa (hồi nhiệt) 24

2.2.3 Tính toán chu trình lạnh 27

2.2.3.1 Sơ đồ và chu trình của hệ thống 27

2.2.3.2 Chọn môi chất lạnh 29

2.2.3.3 Tính chọn công suất máy nén lạnh cho hệ thống 29

2.2.3.4 Tính chọn dàn ngưng 32

2.2.3.5 Tính chọn dàn bay hơi 38

2.2.3.6 Chọn đường ống dẫn môi chất 42

CHƯƠNG III: LẮP ĐẶT, CHẠY THỬ VÀ ĐIỀU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT 43

3.1 Chuẩn bị vật tư và thiết bị lắp đặt 43

3.2 Tiến hành lắp đặt 45

CHƯƠNG IV TRANG BỊ TỰ ĐỘNG HÓA, VẬN HÀNH HỆ THỐNG 57

4.1 Trang bị tự động hóa 57

4.1.1 Hệ thống tự động hóa 57

4.1.2 Cài đặt hệ thống 57

4.2 Vận hành hệ thống 58

CHƯƠNG V: THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 60

Kết luận 62

Kiến nghị 62

Tài liệu tham khảo 68

Danh mục bảng

Bảng 2 1: Tổn thất áp suấtt trên đường ống 17

Bảng 2 2 Công suất bơm nước nóng 18

Bảng 2 3: Các thông số trạng thái trên của môi chất lạnh trên đồ thị 30

Bảng 3 1 Vật tư các thiết bị chế tạo 43

Bảng 3 2 Dụng cụ lắp đặt các thiết bị 44

Bảng 3 3: Số lượng các đoạn thanh sắt 46

Bảng 3 4: Các thiết bị điện 55

Bảng 5 1: Chạy máy thực nghiệm 60

Danh mục hình

Hình 1 1 Nhóm nghiên cứu hy vọng thiết bị này có thể giúp bà con đồng bằng sông

Cửu Long có nước ngọt sinh hoạt trong mùa khô hạn 12

Hình 1 2 Phương án thiết kế máy chưng cất nước 15

Hình 2 1 Tấm collector có công suất 2Kw 16

Hình 2 2 Bơm nước nóng 19

Hình 2 3 Bơm và sơ đồ hệ thống tuần hoàn nước nóng 19

Hình 2 4 Ống xoắn cho bình sinh hơi 24

Hình 2 5 Ống xoắn cho bình chứa 27

Hình 2 6 Sơ đồ hệ thống máy lạnh 28

Hình 2 7 Chu trình làm việc máy lạnh 29

Hình 2 8 Cụm dàn ngưng máy nén của Danfoss 32

Hình 2 9 Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí 33

Hình 2 10 Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí 38

Hình 2 11 Dàn bay hơi ống xoắn 41

Hình 3 1 Hình chế tạo khung thiết bị 45

Hình 3 2 Chi tiết cắt hàn thiết bị 46

Hình 3 3 Hoàn thành khung thiết bị 46

Hình 3.4 Lắp đặt và cố định dàn collector 47

Hình 3 5 Sơ đồ bố trí các thiết bị trên mặt bằng 48

Hình 3 6 Sơ đồ bố trí các thiết bị trên mặt chiếu cạnh 48

Hình 3 7 Sơ đồ đi đường ống nước nước 50

Hình 3 8 Hình ảnh chi tiết lắp đặt măng xông 51

Hình 3 9 Sơ đồ đi đường ống gas 52

Hình 3 10 Sơ đồ đi ống mền 54

Hình 3 11 Bố trí các thiết bị điện trong và ngoài tủ 55

Hình 4 1 Sơ đồ mạch điện 57

Hình 5 1 Mối quan hệ giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ bay hơi 60

Hình 5 2 Thiết bị chưng cất với kiến nghị mở rộng diện tích bay hơi 64

Hình 5 3 Máy chưng chất nước biển lắp đặt hoàn thiện 65

Hình 5 4 Máy chưng cất nước biển thành nước ngọt bằng năng lượng mặt trời đang hoạt động 66Hình 5 5 Thiết bị chưng cất nước biển đang chạy thử nghiệm 67

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

- Việt Nam là một trong những nước bị ảnh hưởng nặng nề về biến đổi khí hậu,

do mực nước biển tăng cao, các khu vực ven biển bị ngập mặn dần, làm cho nguồn nước ngo ̣t ngày mô ̣t khan hiếm Mặc khác Việt Nam có nhiều biển đảo, tàu đánh bắt thủ y sản xa bờ nên việc cung cấp, dự trữ nước ngọt gặp nhiều khó khăn và tốn kém như hiê ̣n nay vì phần lớn nước ngo ̣t phải mang theo từ đất liền

- Hàng năm số lượng sinh viên các ngành xuống thực tâ ̣p ta ̣i phòng thí nghiê ̣m nhiê ̣t nhiê ̣t la ̣nh và Công nghê ̣ thực phẩm khá đông: Cu ̣ thế sinh viên ngành nhiê ̣t

la ̣nh trên 70 SV đến thực tâ ̣p về sử du ̣ng năng lượng tái ta ̣o; trên dưới 300 Sinh viên ngành thực phẩm và Công nghê ̣ kỹ thuâ ̣t hóa ho ̣c thực tâ ̣p về kỹ thuâ ̣t cô đă ̣c, chưng cất, trích ly, đều liên quan đến lĩnh vực chưng cất nước Nhưng hiê ̣n nay các thiết bi ̣ chưng cất nước ta ̣i các phòng thí nghiê ̣m của Trường đều gia nhiê ̣t bằng điê ̣n trở nên năng lượng điê ̣n tiêu hao khá lớn

- Do nguồn năng lượng ngày mô ̣t khan hiếm, nên cần phải tìm nguồn năng lượng tái ta ̣o thay thế Cho đến nay trên thi ̣ trường chưa cung cấp thiết bi ̣ về chưng cất nước bằng năng lượng mă ̣t trới kết hợp với máy la ̣nh

Do đó viê ̣c nghiên cứu, chế tạo thiết bi ̣ chưng cất nước biển thành nước ngọt hoặc để cô đặc, chưng cất hay sản xuất nước cất bằng năng lượng mặt trời kết hợp với máy lạnh để sinh viên thực tập và nghiên cứu nhằm nâng cao chất lượng đào tạo, tiết kiê ̣m năng lượng mang lại hiê ̣u quả kinh tế là vấn đề cấp thiết mà thực tế đặt ra

Mục tiêu của đề tài

Thiết kế và chế tạo thiết bi ̣ tách nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mă ̣t trời kết hợp với máy la ̣nh phu ̣c vu ̣ cho đào ta ̣o

Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu chế ta ̣o thiết bi ̣ tách nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mă ̣t trời kết hợp với máy la ̣nh phu ̣c vu ̣ cho đào ta ̣o

- Phạm vi nghiên cứu:

Thiết kế và chế tạo thiết bi ̣ tách nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mă ̣t trời kết hợp với máy la ̣nh

- Khảo sát một số tài liệu chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời

- Thiết kế và chế tạo thiết bị tách nước biển thành nước ngọt

Phương pháp nghiên cứu dự kiến:

- Cách tiếp cận vấn đề, các bước được tiến hành thực hiện như sau:

Nghiên cứu tài liệu  Thiết kế kỹ thuật  Bản vẽ chi tiết  Chế tạo, lắp đặt  Chạy thử  Hiệu chuẩn Kết luận, đánh giá

Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện

- Nội dung nghiên cứu:

+ Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị chưng cất nước biển thành nước ngọt Phân tích và cho ̣n phương án thiết kế

+ Thiết kế kỹ thuật đưa ra bản vẽ thiết bị tách nước biển thành nước ngọt

+ Chế tạo lắp đặt các thiết bị tách nước biển thành nước ngọt

+ Đo và điều chỉnh các thông số kỹ thuâ ̣t của thiết bi ̣: Năng suất, nhiê ̣t đô ̣, nồng

đô ̣ muối, điện năng tiêu hao…

+ Kết luận đánh giá thiết bị, viết báo cáo tổng kết

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT NƯỚC BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 1.1 Tổng quang về chưng cất

Khái quát về chưng cất:[8]

- Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi của các cấu tử trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác nhau) Trong trường hợp đơn giản thì chưng và cô đặc hầu như không khác nhau.Tuy nhiên giữa chúng có ranh giới căn bản.Trong trường hợp chưng thì dung môi và chất tan đều bay hơi,trường hợp cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn chất tan không bay hơi Đối với trường hợp hai cấu tử ta có sản phẩm đỉnh gồm các cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu tử nhẹ) và một phần ít cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu tử nặng) và sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu

- Hỗn hợp có từ ba cấu tử trở lên được gọi là hỗn hợp nhiều cấu tử.Số lượng cấu tử trong hỗn hợp càng nhiều thì tính chất phức tạp càng tăng khi chưng cất

Do đó, người ta đã phân biệt ra hai loại:

+ Hỗn hợp nhiều cấu tử đơn giản: đó là những hỗn hợp mà các cấu tử có thể xác định được số lượng, nồng độ và chủng loại

+ Hỗn hợp nhiều cấu tử phức tạp: tính chất phức tạp của loại hỗn hợp này là do

số cấu tử nhiều và đa dạng mà không thể xác định được số lượng và nồng độ của chúng

1.11 Phân loại chưng cất

- Theo quá trình chưng cất

 Chưng cất phân đoạn: dùng để có được mọt độ tinh khiết cao của phần cất hay để chưng cất nhiều cấu tử khác nhau từ hổn hợp có thể thực hiện dưới áp suất thấp hơn để cái thiện bước tách nếu nhiệt độ sôi gần nhau

 Chưng cất lôi cuốn: dùng khi các chất lỏng cân tách hòa tan với nhau: nước

và cồn Nếu hổn hợp là những chất không tan vào nhau như nước dầu, có cáu cặn

và gạt đi

- Theo nguyên lý làm việc:

 Chưng cất đơn giản: tách hỗn hợp các cấu tử có độ bay hơi khác nhau Thường dùng để làm sạch sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất

Chưng cất bay hơi dần dần: chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác định đường cong chưng cất Enghen Chưng cất bay hơi dần dần: cho phép nhận được phần chưng cất lớn hơn so với bay hơi mọt lần

Chưng chất bay hơi nhiều lần:cho phép quá trình tách các phân đoạn theo mong muốn

 Chưng cất phức tạp

Chưng cất có hồi lưu: để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người

ta tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh Nhờ sự tiếp xúc thêm một lần giữa pha lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ

đó mà có độ phân chia cao hơn

Chưng cất có tinh luyện: dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha lỏng và pha hơi nhờ vào các đĩa hay đệm chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn nếu kết hợp với hồi lưu

Chưng cất chân khôg và chưng cất với hơi nước: độ bền nhiệt các phân tử trong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu Đối với các phân đoạn

có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân hủy chúng (giảm độ nhớt, độ bền oxy hóa…) bắng cách hạn chế nhiệt độ, nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân hủy chúng ta dùng chưng cất chân không hay chưng cất hơi nước hơi nước làm chúng sôi ở nhiệt độ thấp hơn

1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Nhiều công trình nghiên cứu sử du ̣ng năng lượng mă ̣t trời chủ yếu để sản suất nước nóng, còn để khử mă ̣n (sản xuất nước ngo ̣t) còn ha ̣n chế vì năng suất chưa cao nguyên nhân là do nhiê ̣t đô ̣ làm mát để ngưng tu ̣ hơi nước thoát ra từ nước biển còn cao nên năng suất bé, hoặc chi phí đầu tư quá lớn như:

- Giữa đợt hạn hán tồi tệ nhất lịch sử California, nhiều ý kiến cho rằng nên xây các nhà máy lọc nước dọc bờ biển, sử dụng khí đốt tự nhiên Dự án Poseidon Water trị giá một tỷ USD, đang được xây dựng tại thành phố Carlsbad, có mục tiêu trở thành nhà máy lọc nước lớn nhất Tây bán cầu.Mandell, chủ tịch công ty về năng lượng tái tạo WaterFX, cho biết ở các vùng sâu trong đất liền của bang, việc

sử dụng các hệ thống dùng năng lượng nhiệt Mặt Trời sẽ thay đổi hoàn toàn công nghiệp khử muối Nó có thể sản xuất nước với chi phí chỉ bằng một nửa Poseidon,

vì hệ thống sử dụng gương cầu parabol sẽ chuyển trực tiếp 100% bức xạ Mặt Trời thành nhiệt để chưng cất nước mặn Về nguyên lý, đây chính là phiên bản hiện đại

cho phương pháp của thủy thủ thời xưa."Chúng tôi hy vọng mọi người sẽ làm theo

và cải thiện mô hình này Chúng tôi có niềm tin rằng cách tối ưu để có một nguồn cung cấp nước ổn định ở California là sử dụng Mặt Trời cho quá trình khử mặn.", Mandell nói

- Công nghệ khử mặn bằng năng lượng Mặt Trời ở Australia đã có một bước tiến lớn ở quốc gia này Tháng 02-2015, nhà đầu tư KKR tuyên bố họ đang đầu tư

vào dự án của công ty Sundrop Farms, sử dụng năng lượng Mặt Trời tập trung để biến nước biển thành nước ngọt, phục vụ tưới tiêu nông nghiệp Hệ thống này tạo

ra nhiệt để trồng cây trong nhà kính đặc biệt, tại một khu vực ở nam Australia, nơi không thể trồng trọt được

- Nhóm các nhà nghiên cứu tại viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã hợp tác cùng với công ty kỹ thuật nông nghiệp Jain Irrigation Systems phát triển thành công hệ thống dùng năng lượng Mặt Trời để biến nước mặn thành nước ngọt Giải pháp của MIT là hệ thống sử dụng các tấm năng lượng Mặt Trời để tạo ra điện và lưu trữ vào pin Sau đó, pin sẽ vận hành hệ thống điện thẩm tách (electrodialysis)

để loại bỏ muối ra khỏi dung dịch nước biển Nói một cách đơn giản nhất, kỹ thuật này sẽ dùng dòng điện 1 chiều để “rút” các ion muối mang điện tích ra khỏi dung dịch Tiếp theo đó, nước sẽ tiếp tục đi qua ánh sáng UV để khử trùng nhằm tạo

thành sản phẩm cuối cùng là nước ngọt, chẳng những có thể dùng để tưới tiêu cho cây trồng mà còn có thể uống được

Do đó kết hợp sử du ̣ng năng lượng mă ̣t trời kết hợp với máy la ̣nh để làm la ̣nh và ngưng tu ̣ hơi nước thoát ra từ nước biển được gia nhiê ̣t từ năng lượng mă ̣t trời sẽ tăng được năng suất của thiết bi ̣, sẽ là một thiết bị đầy hứa hẹn trên thị trường nhu cầu nước ngọt hiện nay

1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

- Nhóm thầy trò ở Bến Tre vừa thành công trong việc tạo ra thiết bị lọc nước mặn thành nước ngọt bằng cách tận dụng nhiệt năng lượng mặt trời

Khung chảo parabol ở bên dưới có dạng hình nón, được làm bằng sắt và sơn chống sét Nó được gắn trên hệ thống giá đỡ có thể xoay theo hướng mặt trời Nhóm đã sử dụng inox có độ sáng bóng tốt, phản xạ ánh sáng tốt và không bị ôxy hóa để làm chảo parabol

Hình 1 1 Nhóm nghiên cứu hy vọng thiết bị này có thể giúp bà con đồng bằng

sông Cửu Long có nước ngọt sinh hoạt trong mùa khô hạn Với thiết kế như trên, người dùng sẽ đổ nước mặn vào mặt trên của bình chưng cất, sau đó mở van nước sẽ chảy qua bình bảo ôn, xuống ống chân không hấp thu nhiệt từ ánh nắng mặt trời nóng lên đối lưu với nước lạnh hơn trong bình bảo ôn (tỷ trọng nước nóng nhẹ hơn nước lạnh nên nước nóng nổi lên trên, nước lạnh chìm xuống) Lúc này nước trong bình bảo ôn nóng dần lên (cao nhất trong khoảng

75 đến 85oC), nước nóng qua phần dưới của bể chưng cất tiếp tục hấp thu nhiệt từ

chảo parabol, bốc hơi (hơi nước ngọt), ngưng tụ mặt dưới của tấm inox chảy xuống ống nhựa ra ngoài đến bình chứa nước ngọt Khó khăn lớn nhất là sử dụng nguồn năng lượng mặt trời Bởi khi trời mát nhiệt sẽ bị mất ở 2 bộ phận là bình bảo ôn và bể chưng cất, nên nhóm đã mất nhiều thời gian để khắc phục Nếu đưa vào sử dụng, chiếc máy sẽ có giá thành dưới 2 triệu đồng, đạt 6 lít/ngày đây cũng

là nhược điểm lớn nhất

- Viện Hoá học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu ứng dụng Công nghệ chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời với năng suất 120-150 lít nước sạch mỗi ngày Tuy nhiên thiết bi ̣ khá cồng kềnh và đòi hỏi mă ̣t bằng lớn

- Năm 2008, Viện Khoa học vật liệu ứng dụng thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã bàn giao và đưa vào vận hành thiết bị xử lý nước biển thành nước ngọt đáp ứng tiêu chuẩn của Bộ Y tế về nước sinh hoạt công suất 300 lít nước ngọt/h cho ngư dân Đà Nẵng Thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý thẩm thấu ngược (reverse osmosis - RO) với màng lọc của Mỹ Dưới áp lực phù hợp, nước biển sẽ được tách thành phần nước ngọt sạch và hàm lượng hoà tan thấp thẩm thấu qua màng Nước có hàm lượng chất rắn hoà tan cao sẽ được dẫn ra ngoài Tiếp đó, nước ngọt sẽ được dẫn qua hệ thống tia cực tím UV và vào bồn chứa sử dụng Toàn bộ thời gian xử lý trong vòng 2 phút Tuy vậy phương pháp này năng lượng tiêu hao khá lớn, tuổi tho ̣ của màng lo ̣c không cao (sau mô ̣t thời gian ngắn làm viê ̣c phải thay thế) nên chi phí giá thành cho 1 lít nước ngo ̣t được tách ra còn khá cao

- Năm 2005, Viện Khoa học công nghệ nhiệt lạnh (Trường Đại học Bách khoa

Hà Nội) vừa nghiên cứu thành công quy trình chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng năng lượng mặt trời bằng hình thức bay hơi cưỡng bức với năng suất thu được 12 – 13 lít/ngày Nhưng hiê ̣u quả chưa cao vì năng suất còn quá thấp và thời gian dài chưng cất nước khá dài

- Năm 2014, Nguyễn Đình Khương đã nghiên cứu dùng gương parabol để thu nhiê ̣t từ năng lược mă ̣t trời kết hợp với điên trở để tao nước cất từ nước ngo ̣t với năng suất 3,0 – 3,5 lít/h Kết quả cho thấy chi phí 1800 đ/lit nước ít hơn hẳn so với

chưng cất nước bằng điê ̣n trở hết 2400đ/lít nước Tuy nhiên viê ̣c chế ta ̣o và điều chỉnh gương parabol còn gă ̣p khó khăn

Từ các công trình nghiên cứu trên cho thấy tách được nước biển thành nước ngọt vơ ́ i hiệu quả chưa cao do thời gian tạo ra nước ngọt còn dài Nguyên nhân là

do lượng nhiê ̣t cung cấp để làm nóng nước biển chưa lớn vì chủ yếu lượng nhiệt thu được qua tấm kính phẳng, đồng thời lượng hơi nước thoát ra ngưng tụ kém vì nhiê ̣t độ môi trường làm lạnh và ngưng tụ cao Do đó sử dụng năng lượng mặt trời để gia nhiê ̣t làm bay hơi, hơi nước từ nước biển và dùng máy lạnh để làm lạnh và ngưng tụ hơi nước thoát ra từ nước biển bởi thiết bi ̣ bay hơi sẽ cải thiê ̣n được năng suất của thiết bi ̣

Hình 1 2 Phương án thiết kế máy chưng cất nước

CHƯƠNG II TÍNH THIẾT KẾ VÀ CHỌN CÁC THIẾT BI ̣ CHO HỆ

THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC

2.1 Tính toán hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời

2.1.1 Tính chọn tấm thu năng lượng mặt trời collector

- Để phù hợp với phòng thí nghiệm cũng như nhà sản xuất thì ta chọn tấm collector loại tấm phẳng có diện tích trao đổi nhiệt là 2m2 (chiều dài 2m chiều rộng 1m)

- Khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 815 W/m2, có những tháng trong mùa nắng nên có thể lên đến gần 1200 W/m2; chọn E = 1000 W/m2

- Diện tích tấm năng lượng mặt trời collector là: 2 m2

- Nhiệt độ nước nóng vào tv = 750C ra tr = 800C

- Nhiệt dung riêng của nước C = 4,186 kJ/kgK

- Nhiệt độ sinh hơi ts = 700C

- Lượng nhiệt mà collector hấp thụ được

2

QE.F 1000.2 2000 W / m

Hình 2 1 Tấm collector có công suất 2 kW

2.12 Tính chọn bơm nước nóng tuần hoàn

Năng suất lưu lượng bơm: [2]

C = 4,186 kJ/kgK – nhiệt dung riêng của nước

Công suất bơm: V Pbom

Trong đó: P bomlà cột áp tổng của bơm N/m2

V năng suất của bơm; m3/s

 hiệu suất bơm; (0,7-0,8); chọn  = 0,75

- Ta tính tổn thất áp suất trong đường ống P ong

Bảng 2 1: Tổn thất áp suất trên đường ống

Số

lượng Phụ kiện

L (M)

 = 800 Pa/m Với toàn bộ đường ống có chiều dài L = 35 m, với 18 T20 , co

90 tra bảng 6.9[2], 2 van chặn; 1 lưới lọc tra bảng 6.8[2]

- Để hạn chế việc chất mang nhiệt dãn nở do nhiệt cũng như bảo vệ thiết bị ở nhiệt độ cao khi làm việc thì ta nên thêm thiết bị bình dãn nở lắp vào sau đầu hút sau đầu hút của bơm để cho có không gian giản nở khi nhiệt độ quá cao

V thể tích toàn bộ nước chứa trong hệ thống (m3)

 Phần trăm dãn nở của nước lấy theo bảng 6.13 [2]

2.2 Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt

2.2.1 Tính chọn ống xoắn bình sinh hơi

- Khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 815 W/ m2 những ngày trong mùa cực nắng lên đến gần 1200 W/m2

- Diện tích tấm năng lượng mặt trời collector là: 2m2

- Nhiệt độ nước nóng vào 800C ra 750C

- Nhiệt độ nước biển vào bình hồi nhiệt 200C, khi máy hoạt động ổn định nhiệt độ nước biển từ bình hồi nhiệt xuống bình sinh hơi là 60oC

- Nhiệt độ sinh hơi 700C

- Lượng nhiệt mà collector hấp thụ được

500

-

32.10

Tính kiểm tra hệ số truyền nhiệt KT

- Tính nhệ số tỏa nhiệt bên trong ống xoắn

 Lưu lượng nước trong hệ thống collertor

cau can ban thepinox

- Tính hệ số tỏa nhiệt hơi nước sôi trong bình sinh hơi h

Ta dựa vào công thức sau:

+ thep inoxhệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK

Tra bảng PV-I thông số vật lý của chất rắn – Trang 271[1] ta có thepinox 16W / mK

Hình 2 4 Ống xoắn cho bình sinh hơi

2.2.2 Tính chọn ống xoắn cho bình chứa (hồi nhiệt)

- Lượng hơi sinh ra ở bình sinh hơi

4 sh

Với r là nhiệt ẩn hóa hơi ở 70oC, tra bảng 15[10] ta có r = 2333 kJ/kg

- Lượng nhiệt mà dòng hơi thải ra ở bình chứa là

- Ta có:

bc bc

lnln

10

o tb

t t

Tính n: nước bên ngoài ống xoắn trong bình chứa nước biển

 Lưu lượng nước trong bình chứa

Với    t t r t v 60 20 40o C

3 2

0, 002

mK / W16

+ thep in xo hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK

Tra bảng PV - I thông số vật lý của chất rắn – trang 271[1] ta có thepinox 16W / mK

- Sơ đồ, nguyên lí làm việc

Hình 2 6 Sơ đồ hệ thống máy lạnh Nguyên lí làm viêc

Hơi môi chất khi ra khỏi thiết bị bay hơi được máy nén hút về và nén đoạn nhiệt trong máy nén từ áp suất bay hơi p0 lên áp suất ngưng tụ pk. Hơi cao áp đi vào thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt đẳng áp cho tác nhân sấy, ngưng tụ thành lỏng sôi Sau

đó, lỏng cao đi vào van tiết lưu giảm áp suất xuống áp xuất bay hơi po rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt từ hơi của nước biển rồi hóa hơi đẳng áp, đẳng nhiệt thành hơi bão hòa ẩm và chu trình lại tuần hoàn

- Chu trình của máy lạnh

Hình 2 7 Chu trình làm việc máy lạnh Các quá trình

o 1-1’: quá trình quá nhiệt trên đường ống, Δtqn = 50C

o 1’-2: Nén đoạn nhiệt hơi môi chất từ p0 đến pk

o 2-3: Làm mát và ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bi ngưng tụ

o 3-4: Quá trình tiết lưu đẳng Entanpi

o 4-1 : Quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi

2.2.3.2 Chọn môi chất lạnh

Ta sử dụng R - 22 cho hệ thống vì

- Dùng cho hệ thống nhỏ

- Nhiệt độ bay hơi thấp, nhiệt ngưng không quá cao, làm mát bằng không khí

ở nhiệt độ ngưng tụ 400C - 450C áp suất ngưng tụ khoản 1,6 Mpa

- Được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều hòa không khí dân dụng, dễ kiếm

- Khả năng lưu động môi chất lớn hơn trong đường ống nhỏ

- Hệ số trao đổi nhiệt lớn

- Không dẫn điện, không cháy nổ, không độc hại với cơ thể sống

2.2.3.3 Tính chọn công suất máy nén lạnh cho hệ thống

Nhiệt độ ngưng tụ

Dàn ngưng có nhiệm vụ giải nhiệt cho gas trong hệ thống để chuyển trạng thái

từ gas lỏng sang gas hơi

Gọi - tw2 là nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng; tw2 = 400C

- t k là hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu

Đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, t k = 5 – 10 0C

Ta chọn t k= 5 0C Khi đó, nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là

tk = tw2 + t k = 40 + 5 = 45 0C

Nhiệt độ bay hơi

Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh có thể lấy như sau: t0 = tb - t0

tb - nhiệt độ không khí dàn bay hơi tb = 10 0C

0

t

 : Hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu Hiệu nhiệt độ tối ưu là t0 = 5 – 10 0C

Ta chọn t0 = 5 0C

Như vậy nhiệt độ sôi của môi chất lạnh là: t0 = 10 - 5 = 5 0C

Nhiệt độ quá nhiệt: tqn 5 Co

Tra bảng các tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa và bảng các tính chất nhiệt động của hơi quá nhiệt R22 –Ta có bảng các thông số nhiệt động của môi chất trên đồ thị như sau:

Bảng 2 3: Các thông số trạng thái trên của môi chất lạnh trên đồ thị

Điểm Trạng thái P (bar) T (oC) v.103 (m3/kg) I (kJ/kg)

1 Hơi bão hòa khô

1’ Hơi quá nhiệt 6 10 0,041 711

Tính toán chu trình [3]

Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống

Từ kết quả bảng tra đồ thị log P - i ta có

Ta chọn máy nén có công suất 1/2HP (367 W) của hãng Danfoss

Hình 2 8 Cụm dàn ngưng máy nén của Danfoss

Hình 2 9 Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí

 Công suất của dàn ngưng: Qk = 2192 W

 Nhiệt độ không khí vào dàn: tkk’ = t1 = 30 0C

 Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tkk” = t2 = 40 0C

 Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 45 0C

 Lưu lượng môi chất qua dàn ngưng : G = 3

12, 6.10 kg/s

 Tốc độ không khí đầu vào của dàn:  = 2,5 m/s

Tính diện tích trao đổi nhiệt

k

k

QF

 k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K

 t k - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình

 qkf – Mật độ dòng nhiệt, W/m2

 Tính độ chênh nhiệt độ trung bình

Khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tK

Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức

min max

min max

ln

t t

t t

1

2 1





 W/mK

Trong đó

 1,2 - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K

  - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK Tra bảng PV-I thông số vật lý của chất rắn – Trang 271[1] ta có: λcu = 389 W/mK

  - Chiều dày vách ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức