Nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm thiết bị tách nước ngọt từ nước biển hiệu năng cao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ VŨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ TÁCH NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN HIỆU NĂNG CAO LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT NHIỆT Hà Nội, 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ VŨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ TÁCH NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN HIỆU NĂNG CAO Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS ĐẶNG TRẦN THỌ Hà Nội, 2018 LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc chân thành đến PGS.TS Đặng Trần Thọ ln động viên, tận tình hướng dẫn suốt q trình thực luận văn Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến tập thể cán bộ, công nhân Công ty TNHH Cơ – Nhiệt – Năng lượng Bách Khoa tạo điều kiện, giúp đỡ tác giả trình cải tạo lắp đặt thiết bị thí nghiệm, góp phần vào thành cơng luận văn Tác giả luận văn Lê Vũ i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng hướng dẫn thầy giáo PGS.TS Đặng Trần Thọ Để hoàn thành luận văn này, sử dụng tài liệu ghi mục tài liệu tham khảo, ngồi khơng sử dụng tài liệu khác mà không ghi Tôi xin cam đoan không chép công trình thiết kế tốt nghiệp người khác Tác giả luận văn Lê Vũ ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i LỜI CAM ĐOAN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT .v DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii DANH MỤC BẢNG BIỂU .x MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN .2 1.1 VAI TRÒ Ý NGHĨA NƯỚC NGỌT TRONG ĐỜI SỐNG 1.1.1 Vai trò ý nghĩa 1.1.2 Hiện trạng sử dụng nước Việt Nam 1.2 CÁC CÔNG NGHỆ TẠO NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN 1.2.1 Khái quát tình hình khử muối giới 1.2.2 Các công nghệ khử muối 1.3 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.3.1 Mặt trời 1.3.2 Bản chất nguồn lượng mặt trời 10 1.3.3 NLMT vũ trụ - Hằng số mặt trời 11 1.3.4 Đặc điểm nguồn lượng mặt trời 11 1.3.4.1 Tính khơng ổn định nguồn NLMT 12 1.3.4.2 Ảnh hưởng lớp khí 16 1.3.5 Hiện trạng sử dụng lượng mặt trời Việt Nam 17 1.3.5.1 Hiện trạng sử dụng 17 1.3.5.2 Tiềm năng lượng mặt trời 19 1.4 CÔNG NGHỆ TÁCH NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 21 1.5 MỤC ĐÍCH VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 26 1.5.1 Mục đích 26 1.5.2 Nội dung nghiên cứu 29 iii CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT .30 2.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯNG CẤT NƯỚC .30 2.2 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT KHI SÔI 33 2.2.1 Đặc điểm trình bay 33 2.2.2 Q trình sơi bề mặt vật rắn 34 2.2.3 Trao đổi nhiệt sôi ngưng tụ 35 2.2.4 Những nhân tố ảnh hưởng đến tỏa nhiệt ngưng: 37 2.3.TRUYỀN NHIỆT - TRUYỀN CHẤT 49 2.3.1 Quá trình trao đổi nhiệt trao đổi chất 49 2.3.2 Sự thay đổi trạng thái khơng khí 51 2.3.3 Thiết bị chưng cất nước dạng bể phẳng bổ sung collector phẳng 57 2.2.4 Tỏa nhiệt ngưng tụ 61 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 66 3.1 GIỚI THIỆU MÔ HÌNH 66 3.1.1 Đặc điểm cấu tạo 66 3.1.2 Nguyên lý hoạt động 71 3.1.3 Các thiết bị đo đạc thực nghiệm 77 3.2 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 79 3.2.1 Trình tự đo đạc thực nghiệm 79 3.2.3 Các chế độ thực nghiệm 80 3.2.3 Kết thực nghiệm 84 3.2.4 Nghiên cứu thực nghiệm 86 TÓM TẮT VÀ KẾT LUẬN 93 TÓM TẮT .93 KẾT LUẬN 94 ĐỀ XUẤT .94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 iv DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký Thứ Hiệu nguyên Tên đại lượng I W/m2 Cường độ xạ V m/s Tốc độ gió G kg/s Lưu lượng khối lượng ρ kg/m3 Khối lượng riêng τ s Thời gian t o Nhiệt độ C ∆t K Chênh lệch nhiệt độ β 1/K Hệ số giãn nở nhiệt µ N.s/m2 Độ nhớt động lực Q W Công suất nhiệt α W/m2.K Hệ số trao đổi nhiệt k W/m2.K Hệ số truyền nhiệt λ W/m.K Hệ số dẫn nhiệt ε W/m2 Hệ số xạ CP kJ/kg.K Nhiệt dung riêng đẳng áp r kJ/kg.K Nhiệt ẩn hóa p bar Áp suất M Lít/m2/giờ Sản lượng nước η % Hiệu suất v CHỮ VIẾT TẮT MT: Mặt trời NLMT: Năng lượng mặt trời BXMT: Bức xạ mặt trời TĐN: Trao đổi nhiệt A: Area, diện tích W: Water, nước S: Steel, thép P: Plastic, nhựa Th: theory, lý thuyết Ex: Experimental, thực nghiệm Unglazed: Loại thu khơng có gương phản xạ FPC: Flat Plate Collector: Bộ thu phẳng ETC: Evacuated Tube Collector: Bộ thu ống thủy tinh chân không MSF: Multi Stage Flash; MED: Multi Effect Distillation; TVC: Thermal Vapor Compression; MD: Memberane Distillation; RO: Reverse Osmosis vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Các công nghệ khử muối Hình 1.2 Khả khử mặn công nghệ Hình 1.3 Năng lượng cần thiết cho cơng nghệ Hình 1.4 Tác động môi trường công nghệ khử mặn Hình 1.5 Giá thành khử mặn công nghệ Hình 1.6 Phát triển cơng suất khử mặn nước tồn cầu Hình 1.7 Ứng dụng công nghệ khử nước mặn giới, năm 2014 Hình 1.8 Phát triển ứng dụng công nghệ nhiệt công nghệ màng lọc nhà máy khử mặn nước giới Hình 1.9 Phát triển số lượng sáng chế liên quan đến khử mặn nước Hình 1.10 Mối liên hệ trái đất mặt trời 10 Hình 1.11 Phân bố lượng phố xạ mặt trời 10 Hình 1.12 Vị trí trái đất quỹ đạo chuyển động xung quanh mặt trời năm 12 Hình 1.14 Tương tác BXMT với khí 17 Hình 1.15 Số liệu đo đạc điểm 20 Hình 1.16 Thiết bị chưng cất dạng bị động 22 Hình 1.17 Thiết bị chưng cất dạng bị động 22 Hình 1.18 Thiết bị chưng cất dung bấc 23 Hình 1.19 Thiết bị chưng cất dạng bậc thang 23 Hình 1.20 Thiết bị chưng cất dạng chủ động 25 Hình 1.21 Chưng cất nước với thu hình cầu 25 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hóa nước biển 30 Hình 2.2 Quan hệ Qmin = f(T) to Wmin có giá trị định 32 Hình 2.3 Q trình hóa đẳng áp đồ thị T-S 36 Hình 2.4 Sự phân bố nhiệt độ nước sơi điều kiện áp suất khí 40 Hình 2.5 Các mầm hình thành tâm sôi 40 Hình 2.6 Sự phụ thuộc q α vào Δt 43 Hình 2.7 Sôi đối lưu tự nhiên 44 Hình 2.8 Sơi sủi bọt 44 vii Hình 2.9 Sơi màng 45 Hình 2.10 Sự phân bố nhiệt độ trường hợp sơi chất lỏng ống đứng 48 Hình 2.11 Sự phân bố nhiệt độ trường hợp sôi chất lỏng ống đặt nằm 48 Hình 2.13 Độ ẩm tương đối 50 Hình 2.14 Trao đổi nhiệt chất khơng khí nước dịng chuyển động ngược chiều 51 Hình 2.15 Sự thay đổi trạng thái khơng khí q trình TĐN TĐC 54 Hình 2.16 Trao đổi nhiệt chất khơng khí nước dòng chuyển động chiều 54 Hình 2.17 Sự biến thiên nhiệt độ 56 Hình 2.18 Sơ đồ biểu diễn biến thiên nhiệt độ hai chất tải nhiệt thiết bị trao đổi nhiệt kiểu hỗn hợp 57 Hình 2.19 Sơ đồ thiết bị chưng cất dạng bể phẳng 57 Hình 2.20 Cường độ xạ mặt trời nhiệt độ mơi trường 58 Hình 2.21 Sự thay đổi sản lượng nước sản xuất ngày – đêm 59 Hình 2.22 Bộ chưng cất dạng chủ động với collector mặt trời 59 Hình 2.23 Sự thay đổi sản lượng nước hai loại: có collector phụ khơng có cường độ xạ mặt trời thay đổi 60 Hình 2.24 Sự thay đổi hiệu suất hệ thống tùy theo thay đổi 60 Hình 2.25 Sự thay đổi sản lượng nước tùy theo độ sâu lớp nước Cường độ xạ mặt trời thay đổi 61 Hình 3.1 Tấm lọc nước 66 Hình 3.2 Tấm lấy sáng – ngưng tụ module 67 Hình 3.3 Gioăng cao su cố định lấy sáng 68 Hình 3.4 Ống nhơm nhận nước khay chứa 69 Hình 3.5 Bộ phân nẹp hỗ trợ 69 Hình 3.6 Bộ phận thu gom nước thừa sau chưng cất 70 Hình 3.7 Ống dẫn nước vào 70 Hình 3.8 Ống thu nước chưng cất 71 Hình 3.9 Sơ đồ ngun lý mơ hình 71 Hình 3.10 Cấu tạo lọc nước 73 Hình 3.11 Nước cấp vào lọc 74 viii + Sản lượng nước chưng cất ngưng tụ theo lý thuyết (Mw1)(th) = 0,877 lít/2m2/h * Thời gian 10h, (tv1) = 68oC (Is) = 867,4 W/m2, (ta) = 34oC, (tw) = 62oC, (ts) = 61oC, (tv2) = 56oC, (Vwd) = 2m/s Ta có : + (αcw1) = 2,431 [W/m2 ] + (αew1) = 31,58 [W/m2] + (Lv1) = 2330,5 [kJ/kg] + (Qew) = 631,6 [W] + ( Mw1)(th) = 0,976 [lít/2m2/h] * Tiếp tục thực nghiệm lấy số liệu đo theo từ 11h đến 16h thực nghiệm lấy số liệu tính toán so sánh lý thuyết thực tế ẩm độ,dung ẩm sản lượng nước chưng cất: * Thời gian 7h: Ẩm độ = 65%, dung ẩm (d) = 0,0347 kg/kg  Ta có : - Nhiệt lượng bốc bề mặt nước đáy (Qew2) = 75,41[W] - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt nước đến đáy (αcw2) = 1,661 [W/m2/K] - Hệ số tỏa nhiệt bốc từ bề mặt nước đến đáy (αew2) = 7,541 [kJ/kg] - Nhiệt ẩn hóa ngưng tụ phụ (ngồi) (rv2) = 2408,3 [kJ/kg] - Sản lượng nước chưng cất ngưng tụ phụ (Mwt) (th) = 0,113 lít/2m2/h - Tổng sản lượng nước chưng cất thiết bị lý thuyết (Mwt)(th) = 0,239 lít/2m2/h - Tổng sản lượng nước chưng cất thiết bị thực tế đo (Mwt)(ex) = lít/2m2/h * Thời gian 8h: Ẩm độ = 68%, dung ẩm (d) = 0,0429 kg/kg,  Ta có : - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt nước đến đáy (αcw2) = 1,967 W/m2K - Hệ số tỏa nhiệt bốc từ bề mặt nước đến đáy (αew2) = 10,1 kJ/kg 82 - Nhiệt ẩn hóa ngưng tụ phụ (ngồi) (rv2) = 2398,7 kJ/kg - Nhiệt lượng bốc bề mặt nước đáy (Qew2) = 161,5 W - Sản lượng nước chưng cất ngưng tụ phụ (Mwt) (th) = 0,242 lít/2m2/h - Tổng sản lượng nước chưng cất thiết bị lý thuyết (Mwt)(th) = 0,512 lít/2m2/h - Tổng sản lượng nước chưng cất thiết bị thực nghiệm đo (Mwt)(ex) = 0,3 lít/2m2/h * Thời gian 9h: Ẩm độ = 75%, dung ẩm (d) = 0,1136 kg/kg,  Ta có : - Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt nước đến đáy (αcw2) = 2,231 W/m2/độ - Hệ số tỏa nhiệt bốc từ bề mặt nước đến đáy (αew2) = 22,03 kJ/kg - Nhiệt ẩn hóa ngưng tụ phụ (ngoài) (rv2) = 2362,5 kJ/kg - Nhiệt lượng bốc bề mặt nước đáy (Qew2) = 396,6 W - Sản lượng nước chưng cất ngưng tụ phụ (Mwt) (th) = 0,604 lít/2m2/h - Tổng sản lượng nước chưng cất thiết bị lý thuyết (Mwt)(th) = 1,481 lít/2m2/h - Tổng sản lượng nước chưng cất thiết bị thực tế đo (Mwt)(ex) = 0,92 lít/2m2/h * Thời gian 10h: Ẩm độ = 80%, dung ẩm (d) = 0,181 kg/kg,  Ta có : - (αcw2) = 2,247 W/m2/độ - (αew2) = 23,16 kJ/kg - (rv2) = 2360,1 kJ/kg - (Qew2) = 416,9 W - (Mwt) (th) = 0,636 lít/2m2/h - (Mwt)(th) = 1,612 lít/2m2/h - (Mwt)(ex) = 1,15 lít/2m2/h 83 Chế độ thực nghiệm với thiết bị có bố trí gia nhiệt + Nhiệt độ nước trung bình nước cấp vào: 30oC + Lưu lượng nước cấp vào: 100ml/ 1phút Thực chế độ đo lọc nước để xác định cường độ xạ mặt trời chiếu, nhiệt lượng xạ, nhiệt lượng đối lưu từ thép đến nhựa mặt đáy, đưa giả thiết nhiệt độ cần gia nhiệt 45oC Từ xác định chiều dài ống đồng gia nhiệt Nhiệt độ trung bình nước cấp vào: tw1 = 30oC Nhiệt độ trung bình thép: ts = 54oC Nhiệt độ trung bình nước sau gia nhiệt: tw2 = 45oC Suy nhiệt lượng cần để gia nhiệt từ 30oC lên 45oC : Qw = Gw Cpw.(tw2 – tw1) = 6.4,18.(45-30)/3600 = 104,5 W Nhiệt lượng truyền dẫn nhiệt từ thép đến ống đồng: 𝑡𝑠 −𝑡𝑓 𝑄1 = 𝐹 ∗ 𝛿𝑆 𝛿 + 𝑐𝑈 𝜆𝑠 𝜆𝑐𝑈 54−37,5 = 0,1 10-3 Lcu 0,5∗10−3 25 Xác định chiều dài ống đồng: + 0,5∗10−3 113 = 67,55 Lcu W Qw = Q1 => Lcu = 104,5 / 67,55 = 1.54 m Bố trí ống đồng * Thực nghiệm lấy số liệu đo theo từ 11h đến 16h so sánh lý thuyết thực tế thiết bị có bố trí ống gia nhiệt 3.2.3 Kết thực nghiệm Mỗi chế độ thực nghiệm cụ thể tiến hành đo đạc nhiều lần, nhiệt độ môi trường lần đo khác nhau, nên kết đo giá trị trung bình lần đo Các thiết bị đo nhiệt độ, lưu lượng thiết bị nhà chế tạo thiết kế chế tạo dành riêng cho phịng thí nghiệm, nhiên có sai số thiết bị Sai số đồng hồ đo nhiệt độ, sai số đầu cặp nhiệt, sai số đồng hồ đo lưu lượng sai số chủ quan người làm thí nghiệm lọa trừ tiến hành nhiều lần với chế độ thí nghiệm Kết đo thiết bị khơng bố trí gia nhiệt 84 Bảng 3.1 thể kết đo đạc: nhiệt độ nước cấp vào (tv1), xạ mặt trời (Is), nhiệt độ môi trường (ta), nhiệt độ nước thiết bị (tw), nhiệt độ bề mặt thép không gỉ (ts), nhiệt độ nước xả (tv2), tốc độ gió (Vwd), ẩm độ dung ẩm(d) Từ tính tốn để có: + Nhiệt lượng bốc bề mặt nước phủ Qew1 + Sản lượng nước chưng cất ngưng tụ theo lý thuyết (Mw1)(th) + Tổng sản lượng nước chưng cất thiết bị thực tế đo (Mwt)(ex) Bảng 3.1 Kết thực nghiệm chế độ khơng có gia nhiệt Mwt Mwt lít/m/h lít/m/h (th) (ex) Vwd Ẩm d m/s độ 29 65 0.0347 0.239 32 32 68 0.0429 0.512 0.3 50 33 0.5 75 0.1136 1.481 0.92 56 52 47 34 80 0.181 63 58 54 48 34 82 0.2354 1.874 1.35 976.4 66 65 60 56 50 36 85 0.2474 2.069 1.55 13 940.4 63 63 58 52 49 34 1.5 84 0.2295 1.845 1.35 14 755 60 57 55 49 46 32 84 0.2165 1.587 1.1 15 565.8 55 52 51 46 42 32 78 0.0958 1.098 0.65 10 16 435 43 41 39 35 30 72 0.0432 0.408 0.2 Tg Is Tw Ts Tv1 Tp1 Tp2 Ta W/m2 o o o o o o 300 38 37 36 33 31 425 42 41 40 34 756 60 58 55 10 867.4 62 61 11 949 64 12 STT C C 45 C C C C 1.612 1.15 Thực bước đo thực nghiệm giống với thiết bị chưa bổ trí ống gia nhiệt ta có số liệu bảng 3.2 sau: Bảng 3.2 Kết thực nghiệm chế độ có bố trí gia nhiệt Tg Tw Ts Tv2 Tp1 Tp2 Ta STT W/m2 o o o o o 39 Is 296 C C o C 37 36 C 32 C C 30 Mwt lít/m/h lít/m/h (th) (ex) Vwd Ẩm m/s độ d 68 0.0344 0.288 28,5 85 Mwt 428.5 46 43 39 33 74 0.0554 0.504 0.3 728.5 61 58 55 50,5 49 76 0.1287 1.219 0.8 10 887 66 64 56 52 49.5 32 0.5 84 0.2434 1.807 1.34 11 980 72 66 57 54 50 34 86 0.3019 2.791 1.9 12 1021 72 68 58 56 53 35 90 0.393 2.952 2.24 13 920 69 65 57 53 53.5 34 87 0.2887 2.331 1.72 14 742 65 61 56.5 50 50 34 85 0.1959 1.593 1.31 15 556.5 60 56 51 47 44 33 83 0.1356 1.14 0.93 10 16 450 46 40 40 38 32 0.5 71 0.0694 0.591 0.26 50 32,5 29,5 1.5 32 Từ bảng 3.2 ta có Tổng sản lượng nước chưng cất dựa vào lý thuyết 14,05 kg/2m2/ngày, thực nghiệm đo 10,8 kg/2m2/ngày Hiệu suất lý thuyết thực nghiệm lấy kết trung bình 57,48% 55,3% 3.2.4 Nghiên cứu thực nghiệm Từ số liệu thực nghiệm ta nhận thấy nhiệt lượng cần thiết để làm gia nhiệt nước nhỏ, ưu điểm bật màng thẩm thấu làm mỏng dòng nước cấp nên thiết bị có qn tính nhiệt nhỏ lượng nước bốc nhanh hơn, với cường độ nhỏ lúc sáng sớm, thiết bị hoạt động để bắt đầu sản xuất nước Ta đánh giá qua đồ thị so sánh sau: Đánh giá nhiệt độ thép nằm màng thẩm thấu Khi so sánh nhiệt độ thép màng thẩm thấu cường độ xạ mặt trời ta có đồ thị miêu tả hình 3.21 hình 3.22 Trên đồ thị cho thấy nhiệt độ thép có bố trí gia nhiệt tăng từ thời gian lúc 10h đến 16h là: 58oC  thời điểm 12h 68 oC  thời điểm 16h 46 so với thiết bị khơng bố trí gia nhiệt từ sau 10h đến 16h 58oC đến 65 oC 12h 43oC thời điểm 16h 86 Ts (oC) 80 68 65 64 66 61 58 56 9801021 46 920 887 43 70 60 50 40 37 728.5 30 428.5 10 296 20 Is (w/m2) 742 1200 1000 800 600 556.5 400 450 200 0 7h 8h 9h 10h11h12h13h14h15h16h Hình 3.21 Tấm lọc khơng bố trí gia nhiệt(DG Cường độ, nhiệt độ thép) Hình 3.22 Tấm lọc có bố trí gia nhiệt (DG Cường độ, nhiệt độ thép) Trên đồ thị cho thấy nhiệt độ thép có bố trí gia nhiệt tăng so với thiết bị khơng bố trí gia nhiệt từ sau 10h đến 16h 3oC đến oC dù thiết bị có mức xạ mặt trời tương đương 2.2 Đánh giá nhiệt độ nước Hình 3.23 Tấm lọc khơng bố trí gia nhiệt(DG Nhiệt độ nước) Hình 3.24 Tấm lọc có bố trí gia nhiệt (DG Nhiệt độ nước) Trên đồ thị hình 2.23 hình 2.34 ta thấy với nhiệt độ nước bình thiết bị tw có gia nhiệt tăng cao lên đến 72 oC thời điểm 12h thiết bị khơng có gia nhiệt 66oC, nước trì nhiệt độ nước cấp khoảng 45oC điều kiện xạ tốt khoảng 700W/m2/ ngày 87 Đánh giá sản lượng nước Sản lượng nước trung bình thu tăng: 20,65% Tổng sản lượng nước trung bình có bố trí ống gia nhiệt 10,8 lít /2m2 ngày Với kết cấu đặc biệt có bố trí thêm gia nhiệt làm tăng sản lượng thiết bị lên khoảng 20% (sản lượng nước thu 2m2 tăng 2,2kg/ ngày) điều lý giải chỗ nước cấp trì khoảng 45oC điều kiện xạ tốt 700W/m2/ ngày, đảm bảo lượng sinh ổn định Mwt(th) lít/2m2/h Mw(ex) lít/2m2/h 2.952 2.791 2.331 1.807 1.593 1.219 1.14 2.24 0.591 0.504 1.9 0.288 1.72 1.34 1.31 0.93 0.8 0.3 7h 16h 8h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 0.26 Hình 3.25 Tấm lọc khơng bố trí gia nhiệt (ĐG Sản lượng nước) Hình 3.26 Tấm lọc có bố trí gia nhiệt (ĐG Sản lượng nước) Đánh giá dòng nhiệt thiết bị ta so sánh thông số thiết bị chưa gia nhiệt có bố trí gia nhiệt qua bảng sau: Bảng 3.3 Dịng nhiệt thiết bị khơng gia nhiệt Thơng số dòng nhiệt Cường độ xạ mặt trời chiếu tới phủ nhựa suốt Nhiệt lượng phản xạ bề mặt phủ nhựa suốt Nhiệt lượng hấp thụ phủ nhựa suốt Nhiệt lượng xạ xuyên qua bề mặt phủ nhựa suốt Nhiệt lượng phản xạ bề mặt nước Nhiệt lượng hấp thụ bề mặt nước Nhiệt lượng đối lưu từ bề mặt nước đến phủ nhựa Nhiệt lượng bốc từ mặt nước đến phủ 88 Đơn vị W/m2 TB khơng gia TB có gia nhiệt nhiệt 697 701 W 55,76 56,08 W 66,76 56,08 W 1282,48 1289,84 W W W 102,59 1179,8 40,3 103,18 1186,65 41,7 W 406,62 508,64 nhựa suốt Nhiệt lượng xạ từ mặt nước đến phủ nhựa suốt Nhiệt lượng xạ từ phủ nhựa suốt môi trường Nhiệt lượng đối lưu từ phủ nhựa suốt môi trường Nhiệt lượng đối lưu từ thép đến nhựa mặt đáy Nhiệt lượng nhả ngưng tụ nhựa mặt đáy Nhiệt lượng xạ từ thép đến nhựa mặt đáy Nhiệt lượng tổn thất từ nhựa mặt đáy môi trường Sản lượng nước chưng cất lý thuyết thực nghiệm Hiệu suất lý thuyết thực nghiệm Nhiệt lượng làm nóng nước W 131,96 115,95 W 162 204,61 W 380,3 396,72 W 54,26 37 W 300 297,23 W 137,45 105 W 409,74 498,65 kg/2m2/ngày 11,34/8,57 14.05/10,8 % W 50,69,44,59 109,29 57,48/55,3 81,13 Dựa vào bảng ta thấy tổng sản lượng nước chưng cất dựa vào lý thuyết 11,34 kg/2m2/ngày, thực nghiệm đo 8,57 kg/2m2/ngày Hiệu suất lý thuyết thực nghiệm 50,69% 44,59% Để chọn chế độ chảy tối ưu – chế độ mà lưu lượng cấp vào không lớn đảm bảo mật độ bề mặt màng chưng thấm Từ lựa chọn chế độ lưu lượng tốt để thực nghiệm với thiết bị Trên bảng 3.3 ta thấy số nhiệt lượng bốc từ mặt nước đến phủ nhựa thiết bị có bố trí gia nhiệt tăng lên đáng kể, nhiệt lượng nhả ngưng tụ nhựa mặt đáy tương đương (nước xả) Kết tính tốn sản lượng nước chưng cất lý thuyết thực tế chênh lệch phụ thuộc vào yếu tố trình thực nghiệm như: nhiệt độ mơi trường, tốc độ gió, mây che phủ Kết luận: Khi tiến hành thực nghiệm sản lượng nước chưng cất mơ hình phụ thuộc vào điều kiện xạ mặt trời, xạ cao nước gia nhiệt lên đến 66oC, trình bố dễ dàng làm tăng nhiệt lượng bốc bề mặt nước phủ Qew dẫn đến tăng sản lượng nước chưng cất, vây trình chưng 89 cất nước cần đặc biệt quan tâm đến thông số Để tăng nhiệt lượng bốc Qew phải đảm bảo chênh lệch nhiệt độ bề mặt nước thiết bị nhiệt độ bề mặt bên phủ lớn Do yếu tố quan trọng để hướng đến cải tiến nâng cao sản lượng mơ hình 5.Các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng nước chưng cất - Ảnh hưởng tỷ lệ diện tích ngưng tụ diện tích bốc - Độ nghiêng phủ Đối với việc vận hành hàng năm, tổng sản lượng nước sản xuất phụ thuộc nhiều yếu tố như: góc nghiêng phủ, hướng nghiêng, tổng lượng xạ MT, nhiệt độ môi trường xung quanh, tốc độ gió, độ khơ khơng khí,… Nếu xét góc nghiêng cần phải đảm bảo để nước ngưng chảy xuống máng khơng bị rơi chừng cần phải tạo góc nghiêng > 150C, mặt khác cần phải giảm khoảng cách trung bình phủ bề mặt nước độ nghiêng phủ cần phải < 20oC Do cần phải điều kiện cụ thể để xem xét, vùng vĩ độ cao lớn lên chút Nói chung, Bắc Bán Cầu nghiêng theo hướng bắc nam tốt Tuy nhiên lệch hướng nam khoảng 10 – 150 ảnh hưởng nhỏ Theo nghiên cứu Garg (1976), việc cách nhiệt đáy bể có ảnh hưởng tương đối lớn, đáy bể cần cách nhiệt tốt Qua đo đạc sản lượng nước sản xuất tổng lượng xạ hàng ngày, thông qua phương pháp bình thường bé xử lý số liệu thí nghiệm, Garg xây dựng cơng thức gần tính lượng nước cất ngày sau: Y = 0,00032 X -3,60 Trong đó: Y - sản lượng nước cất hàng ngày, lít/m2 ngày X - Tổng lượng xạ mặt trời ngày, kJ/m2 ngày Có thể dùng cơng thức để dự đốn ước tính khả làm việc thiết bị 90 - Ảnh hưởng tốc độ gió phủ - Ảnh hưởng nhiệt độ môi trường xung quanh - Ảnh hưởng nhiệt độ phủ với tính thiết bị - Ảnh hưởng việc tạo đối lưu cưỡng bên thiết bị - Ngồi cịn có số ảnh hưởng khác Hình 3.27 Các yếu tố ảnh hưởng sản lượng nước chưng cất 91 Hình 3.28 Sản lượng nước cưng cất với gia nhiệt khác Hình 3.29 Biểu đồ so sánh sản lượng nước thiết bị chưng cất nước có bố trí ngưng tụ ngồi 92 TĨM TẮT VÀ KẾT LUẬN TĨM TẮT Trước đây, khử muối nước biển để sản xuất nước phương pháp áp dụng chi phí đầu tư tiêu hao cho lượng lớn Tuy nhiên ngày phương pháp cho phương pháp khả thi để đáp ứng nhu cầu nước ngày tăng nhân loại Tính năm 2010, tổng cơng suất nhà máy khử muối biển giới đạt 70 triệu m3/24h Điều cho thấy lượng tiêu thụ nhà máy khử muối nước biển lớn Trong phương pháp khử muối lượng mặt trời phương pháp chưng cất nước dạng chủ động đánh giá phương pháp tối ưu, giá thành chi phí thấp Trên sở nâng cao hiệu chưng cất nước, luận văn sâu vào nghiên cứu lý thuyết mơ hình chưng cất nước, nội dung tóm tắt sau: Về lý thuyết : - Nghiên cứu tổng quan nguồn lượng mặt trời - Các công nghệ tách nước sử dụng giới Việt nam - Nghiên cứu trình khử muối, thiết bị chưng cất nước - Truyền nhiệt truyền chất Về nghiên cứu mơ hình thực nghiệm - Thực nghiệm mơ hình chưng cất nước phương pháp chủ động - Tìm giải pháp nâng cao hiệu suất mơ hình thiết bị gia nhiệt - Thực nghiên cứu mơ hình thực nghiệm với lần thực nghiệm lần tương đương thời gian ngày - Hiệu suất lý thuyết thực nghiệm + Của thiết bị gia nhiệt 50.69% 44.59% + Của thiết bị có bổ sung gia nhiệt 57.48% 55.3% - Sản lượng nước chưng cất lý thuyết thực nghiệm + Của lọc nước gia nhiệt là: 11.34 8.57 kg/2m2/ ngày + Của thiết bị có bổ sung gia nhiệt: 14.05 10.8 kg/ 2m2 / ngày - Nhiệt lượng làm nóng nước 93 + Của thiết bị khơng có gia nhiệt: 109.29 W + Của thiết bị có bổ sung gia nhiệt: 81.13 W Khi tiến hành thử nghiệm với gia nhiệt ta đạt kết sau: - Chênh lệch nhiệt độ nước trung bình gia nhiệt: 15oC - Chênh lệch nhiệt độ nước thiết bị Carocell sau cải tiến: 4.5oC - Sản lượng nước trung bình thu được: 10.8 kg/m2/ngày - Hiệu suất thực nghiệm: 55.7% KẾT LUẬN Luận văn đạt kết sau: - Tổng hợp tương đối đầy đủ sở lý thuyết để tính tốn thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời - Thực nghiệm đo đạc mơ hình tìm chiều dài ống gia nhiệt để cải thiện hiệu mơ hình - Sản lượng nước trung bình thiết bị chưng cất bố trí ống gia nhiệt cải tiến: 10.8kg/2m2/ngày, sản lượng tăng 20.65% - Các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng nước chưng cất Mặc dù tính tốn thực với cố gắng tác giả, kiến thức hạn chế nên kết nghiên cứu dừng lại nghiên cứu mô hình thí nghiệm thí nghiệm chế độ khác để tìm chế độ tối ưu tốt Đây đề tài có tính thực tiễn cao, có ý nghĩa lớn sống, việc nghiên cứu, thiết kế, xây dựng chế tạo thiết bị cần thiết ĐỀ XUẤT + Cải tiến gia nhiệt nước cấp bố trí lồng vào thép không gỉ để giảm chiều dài ống + Nghiên cứu sử dụng vật liệu biến đổi pha để chưng cất vào ban đêm + Nghiên cứu chế tạo thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời rẻ để phục vụ nhu cầu người dân vùng khó khăn, hải đảo 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phạm Lê Dần – Bùi Hải (1997), Nhiệt động kỹ thuật,Nhà xuất khoa học kỹ thuật [2] Trần Huy Dũng (1991), Lý thuyết vận hành, bảo dưỡng thiết bị chưng cất nước tàu thuỷ, Nhà xuất giao thông vận tải [3] Bùi Hải (2002), Tính tốn thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất giao thông vận tải [4] GS Lê Chí Hiệp, Nghiên cứu thực nghiệm loại thu lượng mặt trời cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phương pháp phun tách ẩm điều kiện thời tiết TPHCM, báo Năng Lượng Nhiệt 3/2015 [5].TS.Đặng Trần Thọ (2003) Nghiên cứu ảnh hưởng khí hậu nóng, ẩm tới hiệu trao đổi nhiệt- trao đổi chất tháp làm mát ứng dụng cho kỹ thuật lạnh điều hòa, Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Hà Nội [6].Trân Xuân An.[2005] Nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm để cải tiến thiết bị chưng cất nước để uông sử dụng lượng mặt trời, Luận văn thạc sĩ, Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh [7] Nguyễn Minh Hồng (2007), Nghiên cứu ảnh hưởng chế độ làm mát tới hiệu ngưng tụ phục vụ cho việc thiết kế, chế tạo thiết bị chưng cất nước biển lượng mặt trời, Đồ án tốt nghiệp đại học, Đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội [8] Phùng Hồ (1976), Kỹ thuật chân không, NXB Hà Nội [9] Nguyễn Đức Lợi – Phạm Văn Tuỳ (2002), Kỹ thuật lạnh sở, Nhà xuất giáo dục [10] Nguyễn Đình Mãi, Nghiên cứu khử mặn nước biển công nghệ màng thẩm thấu ngược, Báo cáo thực tập tốt nghiệp – Viện khoa học công nghệ [11] Nguyễn Đức Nam (2006), Nghiên cứu hiệu trình trao đổi nhiệt hệ thống thiết bị chưng cất nước biển sử dụng lượng mặt trời, Luận văn thạc sỹ khoa học, Đại học Bách Khoa Hà Nội Hà Nội 95 [12] Hồ Hữu Phùng (2008), Thiết kế, chế tạo mơ hình thực nghiệm thiết bị chưng cất nước lượng mặt trời, Đồ án tốt nghiệp đại học, Đại học Bách Khoa Hà Nội [13] Đặng Quốc Phú (chủ biên) – Trần Văn Phú – Trần Thế Sơn (1999), Truyền nhiệt, Nhà xuất giáo dục [14] T.V.ARJUNAN.(2009), PERFORMANCE ENHANCEMENT STUDY FORSIMPLE SOLAR STILL, Faculty of mechanical engineering ANNA university CHENNAI [15] Nguyễn Duy Thiện (2001), Kỹ thuật sử dụng lượng mặt trời, NXB Xây Dựng 96 ... đề tài ? ?Nghiên cứu xây dựng mơ hình thực nghiệm thiết bị tách nước từ nước biển hiệu cao? ?? tác giả chọn để nghiên cứu Đã có nhiều cơng trình nước tiến hành nghiên cứu để thu nước từ nước biển, tới... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LÊ VŨ NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ TÁCH NƯỚC NGỌT TỪ NƯỚC BIỂN HIỆU NĂNG CAO Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ... trời để biến nước biển thành nước có hiệu cao cịn tương đối Vì mục tiêu nghiên cứu đề tài nghiên cứu thực nghiệm mơ hình đạt hiệu cao Những kết nghiên cứu trình bày luận văn kết nghiên cứu ban đầu,