Nghiên cứu cải tiến thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời của hãng Carocell

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN XUÂN AN NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA HÃNG CAROCELL Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ NHIỆT Mã số : 605280 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS NGUYỄN THẾ BẢO Cán chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Văn Tuyên Cán chấm nhận xét 2: TS Hà Anh Tùng Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 15 tháng 07 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: Chủ tịch:GS.TS Lê Chí Hiệp Thư ký:PGS.TS Hoàng An Quốc Ủy viên – Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Tuyên Ủy viên – Phản biện 2: TS Hà Anh Tùng Ủy viên: TS Nguyễn Thế Bảo Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau luận văn sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN XUÂN AN MSHV: 12824802 Ngày, tháng, năm sinh: 10/03/1985 Nơi sinh: ĐỒNG NAI Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT Mã số : 605280 I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA HÃNG CAROCELL II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu sở lý thuyết liên quan đến tính tốn, thiết kế thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời từ cơng trình nghiên cứu nước - Xây dựng sở lý thuyết thực nghiệm thiết bị vào thời điểm thời tiết khác với thơng số : góc nghiêng, lưu lượng nước cấp, hướng mặt trời từ xác định điều kiện vận hành tối ưu thiết bị, sở phân tích yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng nước chưng cất đề xuất giải pháp cải tiến -Thiết kế chế tạo dàn ống trao đổi nhiệt gia nhiệt nước cấp trước đưa vào chưng cất, bình trữ nước nóng tiến hành thực nghiệm sau: + Thực nghiệm thiết bị chưng cất Carocell truyền thống thiết bị Carocell cải tiến có sử dụng gia nhiệt nước cấp + So sánh kết thực nghiệm đánh giá hiệu làm việc thiết bị sau cải tiến - Rút kết luận kiến nghị III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20 – 01 - 2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20 – 06 - 2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : TS NGUYỄN THẾ BẢO Tp HCM, ngày tháng năm 2014 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TS NGUYỄN THẾ BẢO GS.TS LÊ CHÍ HIỆP TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ LỜI CẢM ƠN Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:  Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THẾ BẢO, phát thiết bị chưng cất nước Carocell định hướng cho học viên tiếp cận, triển khai thực công việc nghiên cứu Thầy cung cấp số báo khoa học có giá trị, quan tâm, chia sẻ, sửa chữa, đóng góp ý kiến kịp thời giúp đỡ học viên hoàn thành nội dung nghiên cứu luận văn  Các Thầy môn Công nghệ nhiệt lạnh trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm suốt thời gian học viên học cao học  Các bạn bè đồng nghiệp chia sẻ, giúp đỡ học viên suốt thời gian thực luận văn  Gia đình, bố mẹ, vợ tạo điều kiện thuận lợi thời gian, vật chất, chia sẻ, động viên học viên suốt thời gian qua  Công ty TNHH Kim Hồng cung cấp sản phẩm Carocell để học viên có hội tiếp cận nghiên cứu thực nghiệm  Ơng LÊ VĂN KHỐT giám đốc cơng ty Kim Hồng, người chia sẻ kinh nghiệm cung cấp thơng tin bổ ích để học viên thực nghiên cứu thực nghiệm HọcViên TRẦN XUÂN AN TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Luận văn nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm để cải tiến thiết bị chưng cất nước để uống sử dụng lượng mặt trời hãng Carocell bao gồm nội dung sau:  Tổng hợp nghiên cứu ngồi nước có liên quan đến chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời  Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng chưng cất nước đề xuất giải pháp cải tiến nâng cao sản lượng thiết bị Carocell  Sử dụng cơng thức phù hợp để tính tốn thơng số liên quan đến chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời  Chế tạo trao đổi nhiệt gia nhiệt nước cấp  Nghiên cứu thực nghiệm thiết bị chưng cất nước Carocell cải tiến so sánh kết sau cải tiến ABSTRACT The thesis “Theoretical & Experimental Study to improve the Carocell solar desalination for drinking” consists of the following main items:  Synthesizing the research results from the related references  Analysis of factors affecting the production of distilled water and propose solutions for improving the output device Carocell  Use the appropriate formula to calculate parameters related to water distillation using solar energy  Production of heat exchangers heating water  Experimental study Carocell water distillation equipment improvements and compare the results after improvements LỜI CAM ĐOAN Học viên xin cam đoan nội dung kiến thức trình bày luận văn học viên tìm hiểu nghiên cứu Học viên có sử dụng số nguồn tài liệu khác tác giả ngồi nước có trích dẫn rõ nguồn gốc Học viên TRẦN XUÂN AN DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 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 Cd: condensing ab: absorption 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: Membrane Distillation; RO: Reverse Osmosis ED: Electrodialysis; PV: Photo Voltaics CÁC KÝ HIỆU, Ý NGHĨA VÀ ĐƠN VỊ 2.1 Các ký hiệu liên quan đến tính tốn cường độ xạ mặt trời Ký hiệu G Tên Cường độ xạ MT đến bềmặtnằmngangđặtbêntrongbầukhíquyển Đơnvị W/m2 Gb Cường độ tia trực xạ đến bề mặt nằm ngang đặt bên bầu khí W/m2 Go Cường độ xạ MT đến bề mặt nằm ngang đặt bên bầu khí W/m2 Gon Cường độ xạ MT đến bề mặt vng góc tia trực xạ đặt bên ngồi bầu W/m2 khí GSC Hằng số MT W/m2 GT Cường độ tia khuếch tán đến bề mặt nằm ngang đặt bên bầu khí W/m2 GT Cường độ xạ MT đến bề mặt nằm nghiêng đặt bên bầu khí W/m2 n Thứ tự ngày khảo sát năm Rb Tỷ số cường độ tia trực xạ đến mặt phẳng nằm nghiêng so với mặt phẳng nằm ngang α Góc cao độ MT độ β Góc nghiêng bề mặt khảo sát độ γ Góc phương vị mặt phẳng độ γS Góc phương vịc MT độ δ Góc lệch MT độ θ Góc tới tia trực xạ độ θz Góc thiên đỉnh MT độ τb Hệ số xuyên qua bầu khí tia trực xạ τd Hệ số xuyên qua bầu khí tia khuếch tán ϕ Vĩ độ vị trí khảo sát độ ω Góc MT độ 2.2 Các ký hiệu liên quan đến tính tốn thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời Kýhiệu Tên Đơnvị Qcw Nhiệt lượng trao đổi đối lưu từ mặt nước đến phủ W Qrw Nhiệt lượng trao đổi xạ bề mặt nước phủ W Qew Nhiệt lượng bốc bề mặt nước phủ W Qrp1 Nhiệt lượng xạ từ phủ nhựa suốt môi trường W Qcp1 Nhiệt lượng đối lưu từ phủ nhựa suốt môi trường W QcS Nhiệt lượng đối lưu từ thép đến nhựa mặt đáy W Qcd Nhiệt lượng nhả ngưng tụ nhựa mặt đáy W QrS Nhiệt lượng xạ từ thép đến nhựa mặt đáy W Qcp2 Nhiệt lượng đối lưu từ nhựa mặt đáy môi trường W Qrp2 Nhiệt lượng xạ từ nhựa mặt đáy mơi trường W Qw Nhiệt lượng làm nóng nước W  th Hiệu suất thiết bị (lý thuyết) %  ex Hiệu suất thiết bị (thực nghiệm) % IS Cường độ xạ mặt trời chiếu tới phủ nhựa suốt W/m2 Qρ Nhiệt lượng phản xạ bề mặt phủ nhựa suốt W Qα Nhiệt lượng hấp thụ phủ nhựa suốt W Qτ Nhiệt lượng xuyên qua bề mặt phủ nhựa suốt W Q ρw Nhiệt lượng phản xạ bề mặt nước W Qαab Nhiệt lượng hấp thụ bề mặt hấp thụ W 𝛼 𝜏 Hệ số hấp thụ 𝜌 Hệ số xuyên qua Hệ số phản xạ ε hc Hệ số phát xạ he Hệ số tỏa nhiệt bốc p Phân áp suất nước bão hòa nhiệt độ bề mặt T Nhiệt độ Hệ số tỏa nhiệt đối lưu W/m2độ W/m2độ N/m2 C Wmin Công cực tiểu (điện năng) để sản xuất 1m3 nước kWh/m3 Qmin Nhiệt lượng cực tiểu để sản xuất 1m3 nước kWh/m3 khí đối lưu bên lớp nước mỏng chảy tràn ngưng tụ, chảy xuống máng phía Nghiên cứu chế tạo mơ hình hệ thống chƣng cất nƣớc kết hợp sản xuất nƣớc nóng dùng lƣợng mặt trời Nghiên cứu khoa học- Đại học Sư phạm kỹ thuật Tp HCM Thực hiện: Ths Nguyễn Lê Hồng Sơn Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý thiết bị chƣng cất nƣớc kết hợp sản xuất nƣớc nóng dùng NLMT Sản lượng: 0.356 kg/h/1m2 Nghiên cứu thiết bị chƣng cất nƣớc lƣợng loại cấp dùng màng mỏng bốc ngƣng tụ Kudish cộng sự; năm 2002 Chiều cao bốc hơi: He = 0.85m Chiều cao ngưng tụ: Hc = 0.9m, dạng ống trịn đường kính 3mm, số ống 90 Chiều rộng ngưng tụ bốc nhau: We,c = 0.3m Lưới màng ngưng tụ: Vuông: 5x5mm, độ dày 1mm Khoảng cách bốc ngưng tụ: 2cm Collector mặt trời diện tích: 2m2 131 Hình 1.6: Sơ đồ nguyên lý chƣng cất nƣớc màng mỏng bốc Lưu lượng nước vào hệ thống khoảng 40-50kg/m2ngày Kết thực nghiệm: 11kg/m2ngày Nghiên cứu thực nghiệm thiết bị chƣng cất nƣớc lƣợng mặt trời kết hợp thu collector phẳng Assistant Profesor Hitesh N Panchal, Mechenical Enginerring Department LC Institute of Technology, Meshana Gujarat, Feb 2011 Sản lượng: 9.6-10.4 lít/m2/ngày Hình 1.7: Sơ đồ ngun lý làm việc thiết bị chƣng cất 132 Nghiên cứu thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng lƣợng mặt trời loại chủ động kết hợp thu phẳng  Tác giả: Rai Tiwari 1983  Collector phẳng 3m2 ,450  Kính dày 3mm, 100  Bộ trao đổi nhiệt ống đồng đkính : 1.27cm, dài 8m  Lưu lượng nước ngọt: 0.05kg/s  Sản lượng: 0.7kg/h Hình 1.8: Sơ đồ nguyên lý thiết bị Thiết bị chƣng cất nƣớc dùng lƣợng mặt trời thu hồi nhiệt ẩn hóa Nghiên cứu thực nghiệm nhà nghiên cứu Trung Quốc cho thấy: Hệ thống sử dụng collector ống chân khơng Diện tích: 3m2 Nhiệt độ nước biển vào ngưng tụ: 250C Nhiệt độ nước biển vào bốc hơi: 850C Lưu lượng nước biển: 45 lít/giờ 133 Sản lượng: 10-20 lít/m2/ngày Hình 1.9: Sơ đồ nguyên lý chƣng cất kiểu thu hồi nhiệt ẩn hóa 10 Nghiên cứu thiết bị chƣng cất nƣớc dùng collector chân không bơm hút chân không Fluid Piston Engine Prof Khamid Mahkamov and Basim Belgasim School of Computing, Engineering and Information Sciences, Northumbria University, Newcastle upon Tyne, NE1 8ST, UK* SL: lít/m2 /ngày Hình 1.10 : Sơ đồ nguyên lý thực nghiệm 134 Đặc điểm cấu tạo thiết bị hệ thống Hình 1.11: Đặc điểm cấu tạo thiết bị chƣng cất nƣớc 135 II ỨNG DỤNG CAROCELL TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM Hình 2.1: Ứng dụng Carocell Úc Hình 2.2: Ứng dụng Carocell Ấn Độ 136 Hình 2.3: Ứng dụng Carocell Bangladesh Hình 2.5: Ứng dụng Carocell Việt Nam Ông Peter Jonhston, Chủ tịch Fcubed Pty -Nhà sản xuất lượng mặt trời Carocell ông Lê Văn Khốt, Giám đốc Cơng ty TNHH Kim Hồng thực nghiệm sản xuất nước uống tinh khiết từ nguồn nước ni cá sấu nhà ơng Sáu Hồng, xã Trường Xn, huyện Tháp Mười, tỉnh Đồng Tháp Hình 2.6: Ơng Peter Jonhston, ơng Lê Văn Khốt Carocell Đồng Tháp Đồn Cơng ty Santos Việt Nam nghiệm thu cơng trình xử lý nước Cơng nghệ Carocell Trung tâm Văn hóa Thanh thiếu nhi tỉnh Phú Yên, thành phố Tuy Hịa 137 Hình 2.7 : Cơng ty Santos Việt Nam nghiệm thu Carocell Phú Yên Hình 2.8: Cơng trình nước uống sử dụng Carocell trường tiểu học Hoàng Văn Thụ huyện Đồng Xuân, tỉnh Phú Yên 138 Hình 2.10: Bà Đặng Lan Hương - Đại diện FCubed Việt Nam giới thiệu lọc nước Carocell chương trình "Nước cho Trường Sa" Báo Đất Việt tổ chức Hình 2.11 Thượng tá Lê Hồng Thủy uống thử nước từ thiết bị Carocell đảo Đá Tây A – Trường Sa –Khánh Hòa 139 III THIẾT BỊ ĐO VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐO THỰC NGHIỆM 1: Máy đo xạ Hình 3.1: Máy đo xạ PCE-SPM1 Thông số kỹ thuật: - Khoảng đo: từ đến 2000 W/m2 - Độ phân giải: W/m2 - Độ xác: ±10 W/m2 ±5 % cho giá trị đo cao - Độ rộng phổ: 400 đến 1100 nm - Bộ nhớ 32.000 số đọc - Cổng giao tiếp: RS-232 (Có chuyển đổi sang cổng USB) - Màn hình LCD - Điều kiện hoạt động thích hợp: Từ đến +50 °C, Độ ẩm < 80 % RH - Nguồn: pin AAA - Thời gian hoạt động (pin): 100 h liên tục - Kích thước: 111 x 64 x 34 mm - Trọng lượng: 165 g Phƣơng pháp đo: Trong trình thực nghiệm học viên sử dụng phương pháp đo xạ trực tiếp để lấy số liệu cường độ xạ theo cho việc tính tốn, tiến hành đo cần lưu ý: - Đặt máy thẳng đứng vị trí thiết bị chưng cất Carocell - Nhấn nút “Timer” để khởi động máy bắt đầu đo xạ - Nhấn nút “ Hold” để lưu lại giá trị đo 140 Hình 3.2: Đo xạ trực tiếp 2:Nhiệt kế cặp nhiệt Hình 3.3: Cặp nhiệt Autonics T4WM Thông số đặc điểm: * Loại hiển thị * Độ xác đo cao: FUS + 0.5% * Đo điểm nhiệt độ * Tác động tay tự động hiển thị nhiệt độ điểm * Tự động chuyển chức hiển thị điểm nhiệt độ * Chọn đơn vị đo độ 0C /0F * Dải nhiệt độ: 00C – 12000C * Điện áp: 220V-50Hz * Đầu dò cảm biến: Loại Thermocouples K(CA) Pt100 141 Phƣơng pháp đo: Sử dụng cặp nhiệt để đo trực tiếp điểm đo: Nhiệt độ nước thiết bị Carocell, nhiệt độ bên phủ plastic dưới, nhiệt độ bên trong, nhiệt độ hợp kim nhơm Hình: 3.4: Dầu dò cặp nhiệt đo nhiệt độ nước bên Carocell 1: Dầu dị; 2: Tấm màng hấp thụ Hình: 3.5: Dầu dò cặp nhiệt đo nhiệt độ nước bên Carocell 1: Dầu dò; 2: Tấm màng hấp thụ; 3: Tấm phủ plastic 142 Hình: 3.6: Dầu dị cặp nhiệt đo nhiệt độ bên phủ nhựa suốt (Lưu ý: Phần đầu dò bọc cách nhiệt để tiếp xúc với bề mặt phủ nhựa suốt) Hình:3.7: Dầu dị cặp nhiệt đo nhiệt độ ngưng tụ Hình: 3.8: Dầu dị cặp nhiệt đo nhiệt độ bề mặt thép khơng rỉ 1: Đầu dị; 2: Tấm thép không gỉ; 3: bọc cách nhiệt 3.Hộp nhiệt kế đo nhiệt độ mơi trƣờng Hình 3.9: Nhiệt kế đo nhiệt độ mơi trường 143 Được lắp cố định phía Carocell để che xạ mặt trời trực tiếp 4: Ẩm kế Hình: 3.10: Ẩm kế Anymatre đo độ ẩm khơng khí bên Carocell 5: Tốc kế Hình: 3.10: Máy đo tốc độ gió PCE-AM81 Thơng số kỹ thuật Khoảng đo: 0.4 ~ 30.0 m/s Độ phân giải: 0.1 m/s Độ xác: ±3% F.S (20 m/s) Nguồn: pin 9V Kích thước máy: 156 x 60 x 33 mm Phƣơng pháp đo: Đặt cố định vị trí thiết bị Carocell đo trực tiếp tốc độ gió theo thực nghiệm 144 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG Họ tên: TRẦN XUÂN AN Ngày, tháng, năm sinh: 10/03/ 1985 Nơi sinh: ĐỒNG NAI Địa liên lạc: Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh – Khoa: Điện – Điện Tử Trường Cao Đẳng Cơng Thương TP HCM Q TRÌNH ĐÀO TẠO: Từ năm 2004 đến năm 2009: Sinh viên Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP HCM, chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt Điện Lạnh Từ năm 2012 đến năm 2014: Học viên Cao học trường Đại Học Học Bách Khoa – ĐHQG TP HCM, chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt Lạnh Q TRÌNH CƠNG TÁC: Từ năm 2012 đến nay: Công tác Bộ Môn Công Nghệ Nhiệt Lạnh – Khoa: Điện – Điện Tử - Trường Cao Đẳng Công Thương TP HCM ... TÀI: NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA HÃNG CAROCELL II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu sở lý thuyết liên quan đến tính tốn, thiết kế thiết bị chưng cất. .. công suất chưng cất nước 10 nước hàng đầu giới Hình 2.15: Phân loại thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời Hình 2.16: Phân loại thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời kiểu bị động... trạng chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời giới tính đến năm 2006 Hình 2.18 : Hiện trạng chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời giới tính đến năm 2011 Hình 2.19: Chưng cất nước lượng mặt trời