Nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước ngọt từ nước biển TT

MỞ ĐẦU i Lý chọn đề tài Nước sử dụng tàu thuyền biển nói chung tàu khai thác thủy hải sản nói riêng giữ vai trị quan trọng, coi nhân tố định thời gian tính hiệu chuyến biển Trung bình, thời gian chuyến biển tàu có cơng suất lớn 350 mã lực kéo dài khoảng tháng tàu có 10 đến 12 người, để phục vụ ăn uống sinh hoạt tối thiểu tàu phải mang theo lượng nước từ 10 m3 [1] Chính điều chiếm không gian hữu ích tàu mà làm tăng tải trọng tàu suốt chuyến đi, gây ảnh hưởng nhiều đến hiệu khai thác tàu tăng tiêu hao nhiên liệu, chí làm rút ngắn hành trình chuyến biển Do việc trang bị hệ thống tạo nước từ nước biển tàu khai thác thủy hải sản để cung cấp đủ nước cho chuyến biển cần thiết Trong khi, phần lớn động diesel máy trang bị tàu khai thác thủy hải sản thuộc loại đại có hiệu suất cao, đạt 40%, lượng nhiệt khí thải động diesel máy sau qua tuabin máy nén cịn lớn, khoảng 3035% thải lãng phí mơi trường Chính vậy, nghiên cứu đưa hệ thống mà tận dụng theo cách kết hợp linh hoạt lượng nhiệt nước làm mát với nhiệt khí thải động để tăng hiệu chưng cất nước từ nước biển, đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước tàu khai thác thủy hải sản đóng cần thiết có tính thời Việc thực đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu nước cho hoạt động tàu mà làm giảm tải trọng tiêu hao nhiên liệu tàu, tận dụng hiệu lượng khí thải nước làm mát bị thải mơi trường, tăng hiệu khai thác hải sản chuyến biển Từ sở trên, NCS chọn đề tài “Nghiên cứu khả tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước từ nước biển” để giải phần khó khăn nguồn nước tàu đánh bắt xa bờ Việt Nam ii Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận án - Đưa quy trình giải pháp phối hợp tận dụng nguồn nhiệt nước làm mát nhiệt khí thải động đốt để chưng cất nước từ nước biển - Áp dụng quy trình để tính tốn, thiết kế mơ hình hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu thủy để chưng cất nước từ nước biển iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động để chưng cất nước từ nước biển bao gồm:  Thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát động đốt  Thiết bị thu hồi nhiệt khí thải động đốt  Bộ thiết bị chưng cất nước từ nước biển Đối tượng áp dụng: Hệ thống chưng cất nước từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel D243 Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn phịng thí nghiệm với hệ thống chưng cất nước từ nước biển lắp động D243 để đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật động đánh giá khả chưng cất nước từ nước biển hệ thống iv Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp kết hợp nghiên cứu lý thuyết, tính tốn mơ nghiên cứu thực nghiệm, đó:  Nghiên cứu lý thuyết để làm sở tính toán thiết kế chế tạo hệ thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát khí thải động hệ thống chưng cất nước từ nước biển  Nghiên cứu mô gồm: + +  Nghiên cứu mơ chu trình nhiệt động động phần mềm AVL Boost để xác định phân bố lượng nhiệt cho nước làm mát khí thải động Nghiên cứu mơ q trình trao đổi nhiệt xảy bên thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát khí thải động phần mềm Ansys Fluent để đưa kết cấu hợp lý thiết bị thu hồi nhiệt Thực nghiệm phịng thí nghiệm Xác định thông số đầu vào đánh giá độ tin cậy mơ hình tính + Đánh giá khả tận dụng nguồn lượng nhiệt nước làm mát nhiệt khí thải động để chưng cất nước từ nước biển đồng thời đánh giá tính kinh tế kỹ thuật động lắp hệ thống chưng cất v Ý nghĩa khoa học thực tiễn  Ý nghĩa khoa học: Luận án đưa quy trình hồn chỉnh từ tính tốn thiết kế tới chế tạo thực nghiệm đánh giá hiệu hệ thống tận dụng lượng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu thủy để chưng cất nước từ nước biển +  Ý nghĩa thực tiễn: - Kết luận án áp dụng vào sản xuất thiết bị chưng cất nước từ nước biển sử dụng lượng nhiệt khí thải nước làm mát động diesel lắp cho tàu khai thác thủy hải sản xa bờ Việt Nam - Góp phần đại hóa tàu khai thác thủy hải sản xa bờ Việt Nam vi Điểm Luận án Đã xây dựng quy trình tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất nước từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu thủy Đã áp dụng thành cơng quy trình để tính tốn thiết kế 01 mơ hình hệ thống chưng cất nước từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu thủy theo phương pháp chưng cất HDH vii Bố cục Luận án Luận án thực với phần sau: Mở đầu Chương Tổng quan Chương Cơ sở lý thuyết Chương Nghiên cứu, tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất Chương Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận chung hướng phát triển CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan hiệu suất có ích động nguồn lượng nhiệt nước làm mát nhiệt khí thải Động đốt (ĐCĐT) đóng vai trị quan trong, nguồn động lực lĩnh vực giao thơng vận tải, nông – lâm – ngư nghiệp Tuy nhiên phần lượng hữu ích truyền tới máy cơng tác chiếm khoảng 21÷33% động xăng, 25÷40% động diesel, phần cịn lại khoảng 60÷79% lượng mát mơi trường, chủ yếu nhiệt truyền cho hệ thống làm mát khoảng 25÷30%, nhiệt cho khí thải mang chiếm khoảng 30÷35% [1÷7] 1.2 Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải để nâng cao hiệu suất lượng động 1.2.1.Tăng áp khí nạp cho động tuabin – máy nén 1.2.2 Sử dụng chu trình Rankine hữu (ORC) 1.2.3 Nhiệt điện (Thermoelectric Generation - TEG) 1.2.4 Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi 1.2.5 Nâng cao hiệu suất nhiệt động từ nhiệt nước làm mát 1.3 Nhu cầu sử dụng nước phương pháp chưng cất nước từ nước biển 1.3.1 Thực trạng nhu cầu sử dụng nước tàu biển 1.3.2 Tính chất hóa lý nước biển Nước biển có độ mặn khơng đồng tồn giới phần lớn có độ mặn nằm khoảng từ 3,1% tới 3,8% Nước biển bay áp suất không lớn 12÷24 kPa (0,123÷0,246 at) Khi nhiệt độ bão hịa 50÷60oC Tỷ trọng nước biển nằm khoảng 1020 ÷ 1.030 kg/m³ Điểm đóng băng nước biển giảm xuống độ mặn tăng lên khoảng -2°C nồng độ 3,5% [23] 1.3.3 Các giải pháp công nghệ tạo nước từ nước biển Hình 1.10 thể cơng nghệ khử muối sử dụng giới [24] Hình 1.10 Các cơng nghệ khử muối giới [24] 1.3.3.1 Khử muối theo phương pháp nhiệt  Phương pháp chưng cất đa tầng (Multi Stage Flash Distillation – MSF)  Phương pháp chưng cất liên hoàn (Multiple Effect Distillation – MED)  Khử mặn nhiệt độ thấp (Low Temperature Thermal Desalination - LTTD)  Chưng cất kiểu nén (Vapour Compression – VC)  Chưng cất kiểu hóa ẩm - ngưng tụ (Humidification – Dehumidification - HDH) Tương tự MSF MED, HDH làm bay nước theo phương pháp nhiệt Nhưng HDH khác với MSF MED chỗ nước bay không xử lý dạng tinh khiết, mà sử dụng để làm ẩm dịng khí (thường khơng khí) Hình 1.15 thể sơ đồ nguyên lý hai loại hệ thống HDH Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống chưng cất kiểu HDH [34] 1.3.3.2 Khử muối nước theo phương pháp màng  Phương pháp thẩm thấu ngược (RO)  Điện phân (Electrodialysis - ED) 1.4 Các nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu biển 1.4.1 Các nghiên cứu giới 1.4.1.1 Tận dụng nhiệt thải động tàu biển để sinh cơng có ích 1.4.1.2 Tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải để chưng cất nước từ nước biển Hãng Sasakura thương mại hóa sản phẩm tận dụng nhiệt nước làm mát để chưng cất nước từ nước biển thể hình 1.21 Hình 1.19 Thiết bị tạo nước hãng Sasakura [51] K.S.Maheswari cộng [51] nghiên hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động diesel để chưng cất nước từ nước biển thể Hình 1.22 Hình 1.21 Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt thải động diesel để chưng cất nước từ nước biển [51] Hình 1.22 Sơ đồ chưng cất nước tận dụng nhiệt thừa ĐCĐT tàu chở khách [51] Kandil Hussein nghiên cứu xây dựng sơ đồ hệ thống chưng cất nước từ nước biển tận dụng lượng nhiệt khí thải nước làm mát tàu chở khách (Hình 1.22) [51] 1.4.2 Các nghiên cứu nước Nghiên cứu tác giả Lê Viết Lượng cộng thiết kế chế tạo nồi tận dụng nhiệt khí thải động diesel tàu thủy kiểu moduyn lắp tàu thủy [53, 54] Tác giả Nguyễn Cơng Đồn có nghiên cứu tận dụng nhiệt khí xả động diesel tàu thủy để chuyển hóa thành điện [55] Nghiên cứu tác giả Diệp Trung Hiếu, Nguyễn Văn Tun [56] tính tốn thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để sấy mực Kết chạy thực nghiệm cho thấy tận dụng nhiệt lượng khí thải 10,72 kW Nhóm tác giả Hồng Anh Tuấn, Lương Cơng Nhớ, Lê Anh Tuấn [53] nghiên cứu giải pháp tận dụng nhiệt khí xả để hâm nhiên liệu diesel sinh học dùng động thủy 1.5 Hướng tiếp cận nội dung nghiên cứu luận án Qua nghiên cứu tổng quan, NCS nhận thấy để giải nhu cầu nước thời nâng cao hiệu suất sử dụng lượng nhiệt động tàu biển có cơng suất vừa nhỏ cần có giải pháp tận dụng đồng thời nhiệt nước làm mát khí thải động để chưng cất nước từ nước biển Do tính linh hoạt chi phí sản xuất thấp, dễ dàng vận hành nên NCS chọn phương pháp chưng cất kiểu HDH cho hệ thống chưng cất nước từ nước biển Nội dung nghiên cứu luận án: - Nghiên cứu tổng quan hiệu suất nhiệt động đốt giải pháp tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động - Nghiên cứu tổng quan phương pháp chưng cất nước từ nước biển - Nghiên cứu đưa giải pháp công nghệ phối hợp tận dụng lượng nhiệt nước làm mát nhiệt khí thải động đốt để chưng cất nước từ nước biển sử dụng phương pháp chưng cất kiểu HDH - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát, thiết bị tận dụng nhiệt khí thải thiết bị hóa ẩm ngưng tụ cho hệ thống chưng cất nước từ nước biển - Nghiên cứu mô động để xác định nhiệt lượng nước làm mát khí thải động đốt - Nghiên cứu mô thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để chưng cất nước từ nước biển phần mềm chuyên dụng - Thực nghiệm với hệ thống chưng cất nước từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải lắp động thử nghiệm phịng thí nghiệm để đánh giá hiệu suất tận dụng nhiệt hiệu hệ thống chưng cất 1.6 Kết luận chương Qua cơng trình nghiên cứu hiệu suất nhiệt động đốt cho thấy, nhiệt lượng động mát cho nước làm mát khí thải lớn (khoảng 50%), với nguồn lượng lớn tận dụng chúng để sinh cơng có ích Để tăng hiệu suất sử dụng nhiệt động có nhiều giải pháp như: Tăng áp khí nạp cho động tuabin – máy nén; sử dụng chu trình ORC; nhiệt điện; gia nhiệt cho nồi hơi; chưng cất nước từ nước biển Trên tàu biển cỡ lớn có hệ thống chưng cất nước từ nước biển tận dụng lượng nhiệt nước làm mát động chính, nhiên hạn chế với tàu đánh bắt cá xa bờ có cơng suất nhỏ trung bình Phương pháp chưng cất HDH có nhiều ưu điểm như: dễ chế tạo, linh hoạt cơng suất, chi phí sản xuất, khai thác thấp hoạt động với vùng nước biển đầu vào có chất lượng nước khác Do luận án NCS áp dụng phương pháp HDH vào hệ thống chưng cất nước từ nước biển CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ thống Hình 2.2 Trình tự tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất nước từ nước biển 2.2 Cơ sở tính tốn xác định nhiệt lượng nước làm mát khí thải ĐCĐT phần mềm AVL-Boost Q trình cháy ĐCĐT tính tốn theo định luật nhiệt động học thứ nhất:  Phương trình nhiệt động thứ d (mc u ) dQ dmBB dV dQF   pc    w  hBB (2.1) d d d d d Các mơ hình sử dụng AVL – Boost  Mơ hình truyền nhiệt Woschni 1978: Nhiệt lượng mát cho hệ thống làm mát xác định sau: Qwi  Aiw (Tc  Twi ) (2.3)   w  130 p 0,8 D 0,2T 0,53 C1cm  C2VhT1    p  pkc   p1V1  0,8 Mô hình cháy AVL MCC: dQ  CComb f1  M F , Q  f (kV ) d Mơ hình Zapf  h   p  C4  C5Tu  C6Tu2  Tu0,44 m0,5 d vi1,5 1  0, 797 v  d vi   Nhiệt truyền cho khí thải xác định theo công thức: (2.4) (2.5) (2.7) dQexh dmout  C p (Texh  T0 ) d d (2.8) 2.3 Cơ sở tính tốn thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát khí thải ĐCĐT 2.3.1 Két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR Két thu hồi nhiệt nước làm mát thiết kế theo kiểu ống lồng: phía bên ngồi ống trụ trơn có đường kính D 1/D2, cịn bên chùm ống trụ trơn có đường kính d1/d2 theo kiểu đa giác đường tròn đồng tâm Quá trình trao đổi nhiệt chùm ống két làm mát tính tương tự q trình trao đổi nhiệt ống trụ trơn lớp (Hình 2.10) Hình 2.10 Truyền nhiệt qua vách trụ lớp Mật độ dòng nhiệt truyền qua vách trụ lớp tính sau: q 1 d1 ln d2 d1 t f1 tf (2.13) d2 2.3.2 Két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Hình 2.14 Mặt cắt ngang Hình 2.15 Vách có cánh EHR Trong két thu hồi nhiệt khí thải xảy q trình truyền nhiệt khí thải nước biển, để tăng khả trình trao đổi nhiệt 10 khí thải nước biển EHR có kết cấu dạng cánh thể Hình 2.14 Hình 2.15 Đối với EHR, phương trình truyền qua ống có cánh xác định sau: Q t f  t f     1 F1  F1  F2 (2.42) Q  kF1ttb 2.4 Cơ sở tính tốn thiết kế hóa ẩm - ngưng tụ (HDH) 2.4.1 Q trình trao đổi nhiệt bình hóa ẩm Hình 2.19 Q trình khơng khí tiếp xúc với nước biển [60] Q trình truyền nhiệt nước biển khơng khí bình hóa ẩm thực cách: - Cách thứ truyền nhiệt đối lưu có độ chênh lệch nhiệt độ Δt nhiệt nước biển tnb nhiệt độ khơng khí tk; - Cách thứ hai truyền nhiệt chất, nghĩa nước biển bay vào khơng khí Lượng nước bay vào khơng khí ( Gbh) bình hóa ẩm tính sau: Gbh = Gkk.(d” – d’) (kg/s) (2.73) 2.4.2 Quá trình trình trao đổi nhiệt bình ngưng tụ Trong bình ngưng, khơng khí trao đổi nhiệt với nước biển có nhiệt độ thấp chảy bên ống, nước khơng khí ngưng tụ Hình 2.27 biểu diễn q trình làm lạnh khơng khí: d2 > d1; t2 > t1; 2 = 1 11 Hình 2.27 Đồ thị I-d trình làm lạnh khơng khí ẩm [38] 2.5 Cơ sở tính tốn thiết bị phụ hệ thống 2.6 Cơ sở lý thuyết tính q trình trao đổi nhiệt phần mềm Ansys Fluent 2.6.1 Định luật bảo toàn khối lượng Hình 2.27 Khối lượng vào phần tử chất lỏng [73] Phương trình bảo toàn khối lượng xác định sau:     u     v     w     0 (2.89) t x y z Đối với chất lỏng không nén ( = const), phương trình trở thành: u v w div(u )  hay   0 (2.91) x y z 2.6.2 Định luật bảo toàn động lượng Phương trình bảo tồn động lượng phần tử theo phương xyz khơng gian có dạng sau: du    p   xx   yx  zx      S Mx (2.92) dt x y z     xy  zy dv   p   yy     SMy dt y x z 12 (2.93) dw    p   zz   xz  yz     S Mz dt z x y 2.6.3 Định luật bảo toàn lượng Phương trình bảo tồn lượng cho dịng chất lỏng là:   (u  yx )  (u  zx )  (v xy )  (v  yy )        y z x y E     div( pu )    (v  zy )  (w )  (w yz )  (w )  t xz zz      x y z   z (2.94) (2.95)  div  k grad T   S E 2.6.4 Mơ hình mơ  Mơ hình k-ε   (  k )  div(  kU )  div  t grad (k )     2t Sij Sij t   t  (2.96)   (  ) 2   div(  U )  div  t grad ( )   C2   C1 2t Sij Sij t k k  t   Mô hình truyền nhiệt Phương trình truyền nhiệt Ansys Fluent sau: qh = hc.(Tf – Ts) (W/m2) (2.97) 2.7 Kết luận chương Trong chương này, NCS đưa sở tính tốn lý thuyết lượng nhiệt ĐCĐT truyền cho nước làm mát khí thải dựa phương trình trao đổi nhiệt nhiệt động học mơi chất với mơi trường ngồi sở lượng nhiệt đầu vào có từ phần mềm AVL Boost Từ sở truyền nhiệt, tác giả xây dựng cơng thức xác định kích thước sơ thiết bị trao đổi nhiệt dựa thông số đầu vào nhiệt động đốt truyền cho nước làm mát khí thải động Ngồi ra, kích thước hóa ẩm tụ nước xác định dựa trình trao đổi nhiệt trao đổi chất bình hóa ẩm – ngưng tụ Các thông số sơ thiết bị tận dụng nhiệt sở để tính tốn đưa thơng số kích thước hợp lý dựa phần mềm Ansys - Fluent 13 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT Từ sở lý thuyết tính tốn q trình trao đổi nhiệt, NCS tiến hành mô động D243 nhằm xác định lượng nhiệt động truyền cho nước làm mát khí thải thơng qua phần mềm AVLBoost tính tốn thiết kế thiết bị hệ thống chưng cất nước từ nước biển tận dụng nhiệt thải động D243 3.1 Xây dựng sơ đồ hệ thống chưng cất nước từ nước biển Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất nước từ nước biển tận dụng nhiệt khí thải nước làm mát động 3.2 Xây dựng mơ hình động D243 phần mềm AVLBoost 3.3 Tính tốn, thiết kế thiết bị hệ thống 3.3.1 Tính tốn, thiết kế mơ két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR Hình 3.14 Kết cấu két thu hồi nhiệt nước làm mát Sau tính tốn, CHR có thơng số sau: Vỏ ống có kích 14 thước D1/D2 = 162,7/168,3 mm; số ống trao đổi nhiệt 46 ống có chiều dài L = 550 mm có phương án thể Hình 3.14 Kết mơ CHR với phương án thể Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.18 Nhiệt lượng thu hồi từ nước làm mát động Hình 3.19 Lưu lượng nước biển qua két thu hồi nhiệt CHR 3.3.2 Tính tốn, thiết kế mơ két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Sau tính tốn, EHR có kích thước sau: D1/D2 = 162,7/168,3mm; d1/d2 = 136,5/141,3 mm chiều dài L1 = 580 (mm) với phương án bố trí cánh thể Hình 3.20) Hình 3.22 Các phương án bố trí cánh trao đổi nhiệt EHR 15 Nhiệt lượng thu hồi từ khí thải QRe-EHR (kJ/s); độ giảm nhiệt độ khí thải (Δtkt) lưu lượng nước biển qua két Gnb (l/ph) trường hợp EHR thể Hình 3.26 Hình 3.27 Kết cho thấy EHR bố trí theo kiểu cánh dài cánh ngắn (EHR 3) đạt kết tốt Hình 3.26 Nhiệt lượng thu hồi độ giảm nhiệt độ khí thải EHR động làm việc tốc độ 2200 v/ph Hình 3.27 Lưu lượng nước biển qua EHR ĐCĐT làm việc tốc độ 2200 v/ph 3.3.3 Tính tốn thiết kế bình hóa ẩm – ngưng tụ, HDH Bảng 3.15 Kích thước hóa ẩm - ngưng tụ Bình hóa ẩm  Kích thước: 710 x 1228 mm  Tấm Cooling Pad: 598 x 612 mm  Kích thước: 607 x 567x 997 mm Bình ngưng tụ  Dàn ngưng tụ: - Tổng số ống 580 ống: 29 x 20 ống/1 hàng - Loại ống 12,7/14,7 mm; chiều dài ống 547 mm 16 Dựa kết mô CHR EHR phần mềm Ansys Fluent, NCS xác định lưu lượng nước biển qua CHR EHR, từ tính tốn kích thước hóa ẩm – ngưng tụ động chạy 100% tải tốc độ 2200 v/ph kích thước hóa ẩm ngưng tụ thể Bảng 3.16 3.5 Kết luận chương Từ kết chương 3, NCS đưa số kết luận sau:  Đã xây dựng thành cơng mơ hình mơ động D243 phần mềm AVL-Boost có đủ độ tin cậy dùng để tính tốn xác định lượng tỷ lệ nhiệt lượng sinh cơng có ích, truyền cho nước làm mát, khí thải mang tổn hao khác chế độ làm việc động Kết mô cho thấy q lm(%) tăng dần tốc độ giảm đạt giá trị lớn khoảng 30%; qth(%) có xu hướng giảm giảm tốc độ, chiếm khoảng 32,5%  Từ kết tính tốn mơ nhiệt lượng động truyền cho nước làm mát khí thải, NCS tính tốn thiết kế xây dựng mơ hình mơ thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát (CHR), thiết bị tận dụng nhiệt khí thải (EHR) phần mềm Ansys fluent Kết mô cho thấy: việc xếp ống trao đổi nhiệt ảnh hưởng trình trao đổi nhiệt hiệu suất thu hồi nhiệt nước làm mát kết cấu bố trí cánh có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải động Trên sở NCS tính chọn phương án kết cấu thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát (CHR) thiết bị thu hồi nhiệt khí thải (EHR) để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm  Đã tính tốn thiết kế thiết bị hóa ẩm – ngưng tụ cho động D243 động làm việc chế độ tải 100% tốc độ 2200 v/ph tính lượng nước chưng cất hệ thống Kết cho thấy lưu lượng nước chưng cất tỷ lệ thuận với tải tốc độ động tỷ lệ nghịch với Gnb/Gkk 17 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1 Mục tiêu phạm vi thực nghiệm 4.2 Sơ đồ trang thiết bị thực nghiệm Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 4.3 Quy trình thực nghiệm 4.4 Kết thực nghiệm 4.4.1 Ảnh hưởng hệ thống chưng cất đến đặc tính làm việc động Kết cho thấy công suất động có hệ thống chưng cất giảm so với chưa lắp đặt hệ thống chưng cất, nhiên mức độ giảm không nhiều, mức độ giảm lớn 4,3% chế độ 10% tải 2200 v/ph Hình 4.12 Ne ge có khơng có hệ thống chưng cất 4.4.2 Khả thu hồi nhiệt két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR Kết mô (Si) thực nghiệm (Ex) CHR động 18 làm việc tốc độ 2200 v/ph thể Hình 4.14 Hình 4.14 Nhiệt lượng thu hồi nước làm mát lưu lượng nước biển qua CHR động chạy tốc độ 2200 v/ph Kết thực nghiệm (Ex) CHR động làm việc tốc độ 1800 v/ph 2200 v/ph thể Hình 4.15 Hình 4.16 Hình 4.15 Nhiệt lượng thu hồi Hình 4.16 Lưu lượng nước biển CHR qua CHR 4.4.3 Khả thu hồi nhiệt két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Kết mô (Si) thực nghiệm (Ex) EHR động làm việc tốc độ 2200 v/ph thể Hình 4.18 Hình 4.19 Hình 4.18 Lưu lượng nước biển Hình 4.19 Nhiệt lượng khả qua EHR, độ giảm nhiệt độ khí thải thu hồi khí thải Kết thực nghiệm (Ex) EHR động làm việc tốc độ 1800 v/ph 2000 v/ph thể Hình 4.21 Hình 4.22 19 Hình 4.21 Lưu lượng nước biển qua Hình 4.22 Nhiệt lượng khả EHR, độ giảm nhiệt độ khí thải thu hồi khí thải 4.4.4 Lưu lượng nước chưng cất động chạy tốc độ 1800 ÷ 2200 v/ph 4.4.4.1 Lưu lượng nước chưng cất sử dụng két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR Hình 4.23 Lưu lượng nước chưng cất với CHR (Gnb/Gkk = 2,0) Trên Hình 4.23 thể kết lưu lượng nước chưng cất với CHR tỷ lệ Gnb/Gkk 2,0 Kết cho thấy lượng nước chưng cất tỷ lệ thuận với tải tốc độ động cơ, tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk Lưu lượng nước chưng cất lớn 9,92 l/h Gnb/Gkk = 2,0 với động làm việc chế độ 40% tải tốc độ 2200 v/ph 4.4.4.2 Lưu lượng nước chưng cất sử dụng két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Trên Hình 4.24 thể kết lưu lượng nước chưng cất với EHR tỷ lệ Gnb/Gkk 2,0 Kết cho thấy lượng nước chưng cất tỷ lệ thuận với tải tốc độ động cơ, tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk Lưu lượng nước chưng cất lớn 3,44 l/h Gnb/Gkk = 2,0 với động làm việc chế độ 40% tải tốc độ 2200 v/ph 20 Hình 4.24 Lưu lượng nước chưng cất với EHR (Gnb/Gkk = 2,0) 4.4.4.3 Lưu lượng nước chưng cất sử dụng đồng thời CHR EHR Hình 4.25 thể lưu lượng nước chưng cất HDH sử dụng đồng thời CHR EHR với Gnb/Gkk = 2,0 Kết cho thấy lưu lượng nước chưng cất tỷ lệ thuận với tải tốc độ động tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk Lưu lượng nước chưng cất lớn 14,0 l/ph động làm việc chế độ 40% tải tốc độ 2200 v/ph Hình 4.25 Lưu lượng nước chưng cất sử dụng đồng thời CHR EHR (Gnb/Gkk = 2,0) Hình 4.261 Lưu lượng nước chưng cất lý thuyết thực nghiệm động chạy tốc độ 2200 v/ph với tỷ lệ Gnb/Gkk = 2,0 Hình 4.26 thể kết so sánh lưu lượng nước chưng cất lý thuyết thực nghiệm động làm việc tốc độ 21 2200 v/ph với tải thay đổi Kết cho thấy lưu lượng nước tỷ lệ thuận với tải (cả lý thuyết thực nghiệm) có xu hướng tương đồng Ngồi ra, kết cho thấy sai số tính tốn lý thuyết thực nghiệm trung bình tồn tải khoảng 16,78% Sai lệch q trình khuếch tán nước vào dịng khơng khí Cooling Pad bình hóa ẩm, ảnh hưởng nhiệt độ, độ ẩm độ chứa khơng khí khả ngưng tụ nước bình ngưng tụ (cách bố trị ống ngưng tụ, tốc độ lưu động dịng khơng khí ) ngồi cịn tổn thất nhiệt cụm chi tiết hệ thống Chất lượng nước chưng cất Độ mặn nước chưng cất kiểm tra nhanh khúc xạ kế, trình thực nghiệm kết nước chưng cất có độ mặn ln nhỏ 0,55 ‰ tương đương hàm lượng clorua 300mg/l, giới hạn độ mặn tiêu chất lượng nước sinh hoạt theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 02: 2009/BYT [80] Ngoài ra, sản phẩm nước chưng cất được xét nghiệm độ mặn Viện Hàn Lâm Khoa Học Công Nghệ Việt Nam, cho kết hàm lượng clorua 276,86 mg/l tương đương độ mặn 0,5 ‰ [81] 4.5 Kết luận chương Trên sở nội dung thực nghiệm hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động để cchưng cất nước từ nước biển đưa số kết luận sau: - Nhiệt lượng thu hồi từ nước làm mát lưu lượng nước biển chảy qua két thu hồi nhiệt nước làm mát CHR tỷ lệ thuận với tải tốc độ động cơ, QRe-CHR đạt = 25,14 (kJ), Gnb = 9,13 (l/ph) động làm việc tốc độ 2200 v/ph 40% tải Đồng thời kết cho thấy sai số tính tốn lý thuyết thực nghiệm giảm tăng tải sai lệch trung bình tồn tải khoảng 6,02% - Nhiệt lượng thu hồi từ khí xả, độ giảm nhiệt độ khí thải Δtkx lưu lượng nước biển qua két thu hồi nhiệt khí thải EHR tỷ lệ thuận với tải tốc độ động cơ, QRe-EHR đạt = 8,91 (kJ/s), Δtkx = 112,2 (0C) Gnb = 4,4 (l/ph) động làm việc tốc độ 2200 v/ph 40% tải Kết chạy thực nghiệm cho thấy sai số trung bình tính tốn lý thuyết thực nghiệm khoảng 7,41% - Lưu lượng nước chưng cất tỷ lệ thuận với tải tốc 22 độ động tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk Cụ thể sử dụng CHR Gnước = 9,92 l/ph, sử dụng EHR Gnước = 3,44 l/ph sử dụng đồng thời CHR EHR Gnước = 14,05 l/ph với động làm việc chế độ 40% tải 2200 v/ph Ngoài so sánh lưu lượng nước chưng cất tính tốn lý thuyết thực nghiệm sai số trung bình khoảng 16,78% - Sau lắp hệ thống chưng cất với động cơng suất động giảm khơng nhiều chế độ tải, mức giảm lớn 4,3% chế độ 10% tải Còn suất tiêu hao nhiên liệu tăng không đáng kể chế độ tải, mức tăng lớn 5,1% chế độ 10% tải KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận chung Luận án hoàn thành mục tiêu nghiên cứu đưa sở khoa học, phương pháp tính tốn thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu thủy để chưng cất nước từ nước biển sử dụng phương pháp chưng cất nước kiểu hóa ẩm – ngưng tụ (HDH) Luận án đạt kết cụ thể sau: - Đưa quy trình hồn chỉnh từ tính tốn thiết kế tới chế tạo thực nghiệm đánh giá hiểu hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu thủy để chưng cất nước từ nước biển - Đã xây dựng thành công mơ hình động D243 phần mềm AVL-Boost để tính tốn phân bố lượng nhiệt cho nước làm mát khí thải chế độ làm việc động cơ, kết sở để tính tốn thiết kế thiết bị hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động để chưng cất nước từ nước biển - Đã tính tốn thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải động D243 hóa ẩm - ngưng tụ hệ thống chưng cất nước từ nước biển theo phương pháp HDH - Đã tính tốn mơ tối ưu kết cấu thiết bị thu hồi nhiệt hệ thống phần mềm Ansys Fluent, kết mô đánh giá ảnh hưởng chế độ làm việc động đến khả thu hồi nhiệt thiết bị - Đã gia công chế tạo, lắp đặt kết nối hệ thống tận dụng nhiệt 23 nước làm mát khí thải để chưng cất nước từ nước biển với động D243 để thực nghiệm băng thử - Thực nghiệm đánh giá tính kinh tế, kỹ thuật hệ thống động lắp hệ thống chưng cất Kết thực nghiệm cho thấy lưu lượng nước chưng cất tỷ lệ thuận với tải tốc độ động cơ, nhiên tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk (lưu lượng nước biển/lưu lượng khơng khí), lưu lượng nước đạt giá trị 14,05 l/h chế độ 40% tải 2200 v/ph Gnb/Gkk = 2,0 tương ứng với công suất động 21,3 kW Các kết cho thấy sai lệch không nhiều thực nghiệm với tính tốn lý thuyết, có xu hướng tương đồng, điều khẳng định tính đắn quy trình tính tốn lý thuyết - Luận án việc tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động để chưng cất nước từ nước biển giải pháp hiệu giải nhu cầu nước mà giảm chi phí lượng, góp phần tăng hiệu chuyến biển tàu khai thác thủy hải sản xa bờ - Kết luận án sở tham khảo hữu ích cho nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu thủy để chưng cất nước từ nước biển Hướng phát triển Phạm vi nghiên cứu luận án giới hạn phịng thí nghiệm, nhằm đưa nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn, cần thiết phải bổ sung nghiên cứu sau: - Thiết kế, chế tạo tự động điều khiển chế độ làm việc hệ thống như: + Tự động thay đổi tốc độ bơm nước đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng nước biển – vào thiết bị hệ thống, đóng mở van đường thải động Tự động chỉnh tốc độ quạt để thay đổi lưu lượng khơng khí tuần hoàn hệ thống - Chạy thực nghiệm đánh giá độ bền hệ thống chạy thực nghiệm hệ thống tàu khai thác thủy hải sản xa bờ hành trình thực tế + 24 ... nước làm mát khí thải động diesel tàu biển 1.4.1 Các nghiên cứu giới 1.4.1.1 Tận dụng nhiệt thải động tàu biển để sinh cơng có ích 1.4.1.2 Tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải để chưng cất nước từ. .. diesel tàu thủy để chưng cất nước từ nước biển iii Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu luận án hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động để chưng cất nước từ nước biển bao... tận dụng nguồn nhiệt nước làm mát nhiệt khí thải động đốt để chưng cất nước từ nước biển - Áp dụng quy trình để tính tốn, thiết kế mơ hình hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel