Chương 1 TỔNG QUAN
1.3. CÔNG NGHỆ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT
1.3.3. Các phương pháp chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời
Tuỳ theo phương pháp và công nghệ, các hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời được chia ra thành các loại sau:
1.3.3.1. Chưng cất bể đơn giản
Loại này thường được làm ở những nơi lõm nông trên mặt đất (nơi lõm nông làm mầu đen để tăng sự hấp thụ mặt trời) với một nắp trong suốt đậy lên trên chỗ lõm. Sử dụng hiệu ứng nhà kính, nước muối (hoặc nước ô nhiễm) nhận nhiệt do bức xạ mặt trời, bốc hơi và ngưng tụ ở mặt phía trong của nắp trong suốt, ta sẽ thu được lượng nước ngưng này.
Thiết bị chưng cất bể đơn có rất nhiều cách thiết kế, chi phí rẻ và được sử dụng nhiều nhất. Để tăng hiệu suất chưng cất, nắp kính phải đặt nghiêng một góc đủ lớn cho phép nước dễ chảy về phía tấm thu nhiệt, nhưng không được dốc quá làm phản xạ các tia bức xạ mặt trời. Nếu có thể, thiết bị chưng cất phải làm kín không khí, kín nước ở bể và dùng một lớp mỏng vật liệu cách nhiệt để ngăn cản sự tiếp xúc giữa mặt đất và nước. Năng suất nước ngọt sản xuất ra hàng ngày sẽ tăng lên đáng kể nếu như nước được gia nhiệt trước. Các bể chưng cất nước mặt trời có đơn
giá khoảng 15-20 USD/m2 và tuổi thọ khoảng 20 năm nếu như ta thiết kế hợp lý, thi
công, vận hành và bảo quản tốt. Một bể chưng cất điển hình có hiệu suất bằng 30%,
tương ứng với mức chưng cất hàng ngày từ 2 đến 5 lít/m2 tuỳ thuộc vào mức độ bức
23
Hình 1.5.Sơ đồ chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời dạng bể
1.3.3.2. Các hệ thống chưng cất tiến bộ
Hệ thống chưng cất tiến bộ bao gồm các bể chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời qua nhiều tầng (hình 1.6) nên hiệu suất sẽ lớn hơn loại trên. Theo phương pháp này nước biển sẽ từ bể cấp được đưa vào các khay và nhận nhiệt do bức xạ qua tấm kính và bay hơi, các khay được bố trí thấp dần và nước biển sẽ chảy từ khay cao nhất xuống các khay phía dước. Tuy nhiên, các hệ thống chưng cất kiểu
kép lại phức tạp, đắt hơn loại chưng cất đơn giản, song nếu tính về chi phí - hiệu
quả thì nó có năng suất cao hơn trên một mét vuông diện tích tấm thu bức xạ mặt trời
Hinh 1.6. Chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời kiểu nhiều tầng
B¬m n¦í c mÆn
Thï ng chøa n¦í c mÆn
§¦êng èng n¦í c mÆn
N¬i ch¦ng cÊt b»ng n¨ ng l¦î ng mÆt t rêi
TuyÕn ng¦ng t ô BÓ t hu n¦í c ng¦ng t ô TuyÕn x¶ n¦í c B¬m n¦í c sö dông Thï ng ch÷a n¦í c sö dông bÓ cÊp n¦í c biÓn
c¸ c khay ®ang bèc h¬i
n¾p kÝnh èng gom n¦í c ch¦ng cÊt t hï ng t Ých n¦í c ch¦ng cÊt n¦í c t h¶i lí p c¸ ch nhiÖt
24
Một hệ thống chưng cất nhiều lớp (Hình 1.7) đã được thử nghiệm ở Trung tâm Nghiên cứu Năng lượng của Viện công nghệ ấn Độ.
Hình 1.7.Chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời kiểu nhiều lớp
Hệ thống chưng cất nhiều lớp này có kết cấu gồm hai khung nhôm giữ một tấm kính để che một số lớp xen nhau giữa vải gai và các tấm chất dẻo. Các lớp chồng nhau của vải gai được nhuộm đen để hấp thụ tốt bức xạ và được phân giải ra bởi các tấm chất dẻo màu đen, các đầu phía trên vải nhúng vào trong bể nước mặn. Hiện tượng mao dẫn của vải sợi gai sẽ hút nước mặn lên, sau đó nó chảy xuống theo chiều dài của vải được phơi ra ánh nắng mặt trời. Các đầu phơi ra nắng luôn cung
cấp một mặt ẩm từ đó nước sẽ bốc hơi. Nước ngưng được giữ lại trong bể chứa ở
phía chân tấm kính hấp thụ, mức nước được giữ cố định nhờ vào cửa tháo nước ngọt ra; bên dưới bể chứa nước ngọt có cửa tháo nước mặn. Ưu điểm của thiết bị
chưng cất nước mặt trời loại này là có trọng lượng nhẹ, dễ mang vác được. Năng
suất cao hơn loại chưng cất kiểu bể và chi phí đầu tư chỉ bằng một nửa chi phí đầu tư của loại chưng cất kiểu bể có cùng một diện tích. Ngoài ra bộ hấp thụ có thể điều
chỉnh được góctới bất kỳ nhằm nhận được nguồn bức xạ mặt trời tối đa ở từng thời
điểm và muối hình thành trên vải nhuộm đen có thể dễ dàng tẩy rửa
1.3.3.3. Các hệ thống chưng cất có kết hợp
Các loại này thường là loại chưng cất ghép, dùng tổng hợp cả năng lượng mặt trời và nhiên liệu để cấp cho quá trình chưng cất. Các hệ thống này đứng về mặt tính toán chi phí - lợi nhuận thì có thể cạnh tranh được với hệ thống chưng cất quy
cùa vµo bÓ n¦í c mÆn
khung nh«m kÝnh
§ay D©y ®ay
TÊm chÊt dÎ o §ay
Cùa n¦í c ngät ra Cùa t h¸ o n¦í c Lí p xèp
25
mô lớn chỉ dùng nhiên liệu để tạo năng lượng chưng cất. Tiếp tục phát triển các loại chưng cất này, chúng cần được nghiên cứu sâu hơn để có thể sản xuất hệ thống có khả năng khắc phục thiếu sót của hệ thống chưng cất dung tích nhỏ bằng mặt trời và các hệ thống truyền thống có dung tích lớn.
1.3.3.4. Các loại chưng cất khẩn cấp
Loại này được làm bằng một túi chất dẻophồng để dùng vào sinh hoạt khẩn
cấp trên các bè mảng. Phương pháp này được tiến hành bằng cách phủ những hố đào ở trong đất bằng các nắp đậy chất dẻo trong suốt và đặt một cốc đứng thành ở trong lỗ để thu nước ngưng, do ẩm tăng lên và nhiệt độ hạ thấp tới nhiệt độ đọng sương, dẫn đến nước sẽ ngưng đọng (hình 1.8).
Hình 1.8. Túi chưng cất nước "khẩn cấp
1.3.3.5. Thiết bị chưng cất kiểu bề mặt
Hình 1.9. Sơ đồ thiết bị chưng cất nước kiểu bề mặt
Vá t rong suèt §Öm ®en Buång gom n¦í c Nót ®Ëy 8 7 1 2 3 4 5 6
26
1- Bộ phận gia nhiệt 5- Nước làm mát bình ngưng
2- Buồng bay hơi 6- Bơm nước ngưng
3- Bộ ngưng tụ kiểu bề mặt 7- Đường cấp nước biển
4- Bơm chân không 8- Bơm nước muối
Tại đây để gia nhiệt và làm cho nước bay hơi, người ta lắp cụm hâm nóng dạng ống, ống xoắn ruột gà hay là một dạng nào đó.
Trên hình 1.9 biểu diễn một thiết bị bay hơi thường dùng với vòng tuần hoàn của nước biển. Thực hiện vòng tuần hoàn này chính là bơm cấp (8), còn nước biển cấp vào được dẫn qua đường ống (5), nước biển còn lại được thải qua đường (7). Để duy trì độ chân không và sự ngưng tụ của hơi thứ cấp của bầu ngưng tụ (3), ngoài bơm nước ngưng (6) người ta còn trang bị bơm không khí và hệ thống tuần hoàn (trên hình này không vẽ). Thiết bị chưng cất nước với buồng bay hơi không bề
mặt thì nước biển có thể chảy liên tục: Nước biển được cấp vào bình gia nhiệt, còn
phần nước biển thừa (có nồng độ muối cao) sau bay hơi được thải ra ngoài, không cấp trở lại bộ gia nhiệt.
Hình 1.10.Thiết bị bay hơi hai cấp với bầu bay hơi kiểu bề mặt
1- Bộ phận gia nhiệt 5- Nước làm mát bình ngưng
6 5 9 4 3 7 8 2 1 7
27
2- Buồng bay hơi cấp 1 6- Bơm nước ngưng
3- Buồng bay hơi cấp 2 7- Đường cấp nước biển
4- Bộ ngưng tụ kiểu bề mặt 8- Bơm nước muối
9- Bơm chân không
Theo số cấp áp lực của hơi thứ cấp, các thiết bị chưng cất nước còn được chia ra loại một cấp, hai cấp và nhiều cấp. Trên hình 1.10 biểu diễn thiết bị bay hơi hai cấp kiểu bề mặt: Hơi thứ cấp của cấp bay hơi thứ nhất (2) được dùng làm chất gia nhiệt cho hơi thứ hai (3), trong buồng này áp suất thấp hơn trong buồng hơi thứ nhất. Trong thiết bị bay hơi hai cấp với bay hơi kiểu bề mặt, nước chưa bay hơi trong cấp thứ nhất được đưa vào buồng bay hơi trong cấp thứ hai. Trong buồng bay hơi được duy trì áp suất thấp hơn, bởi vậy lượng nước còn lại được bay hơi trong buồng này. Trong thiết bị bay hơi nhiều cấp kiểu không bề mặt, nước được dẫn liên tục,
phần nước chưa bay hơi của cấp thứ ba được dẫn tới buồng bay hơi của cấp tiếp theo.
Đôi khi để nhận được nước cất có chất lượng cao người ta sử dụng thiết bị bay hơi hai lần: Trong thiết bị này nước chưng cất nhận được trong cấp thứ nhất, sẽ được ngưng tụ lại và tiếp tục được bay hơi trong buồng hơi tiếp theo và hơi nhận được lại cho ngưng tụ.
Theo cách tận dụng nhiệt của hơi thứ cấp, các thiết bị chưng cất nước còn
được chia ra thiết bị hoàn nhiệt và thiết bị không hoàn nhiệt. Trong các thiết bị bay hơi không hoàn nhiệt, hơi thứ cấp được ngưng tụ trong các buồng ngưng tụ, buồng này được làm mát bằng nước biển, nhiệt của hơi thứ cấp bị mất đi. Để sử dụng nhiệt này trong các thiết bị bay hơi hồi nhiệt chất ngưng tụ được bơm từ buồng ngưng tụ chính lại được gia nhiệt. Đôi khi để hồi nhiệt của hơi thứ cấp ta dùng “máy nén nhiệt”, trong đó nhờ năng lượng của hơi công tác nóng làm một phần của hơi thứ cấp được tăng áp suất và nhiệt độ, sau đó dùng hơi này làm chất gia nhiệt.
Còn thiết bị bay hơi với buồng bay hơi kiểu không bề mặt (đôi khi còn được
gọi là thiết bị bay hơi kiểu sôi (tự bay hơi), hoặc thiết bị bay hơi kiểu đoạn nhiệt),
thì trong buồng bay hơi không bố trí cụm gia nhiệt, một trong các dạng của thiết bị này được vẽ ở hình 1.11, nước biển được cấp vào buồng bay hơi (2), nước này đã
28
được gia nhiệt trước ở buồng gia nhiệt (1) đạt đến nhiệt độ hơn nhiệt độ bão hoà 4 –
10 oC phù hợp với áp suất được duy trì trong đó. Bởi vậy, nước được cấp vào buồng
bay hơi, được gọi là “ Nước quá nhiệt ”, sau đó nhiệt độ giảm xuống (đến nhiệt độ
bão hoà) và nhờ nhiệt lượng đó, một phần nước (0,6 - 1,5 %) được bay hơi. Sự
ngưng tụ hơi được tạo ra khi hơi của nước biển (được gọi là hơi thứ cấp) được dẫn qua bình ngưng (3).
Hình 1.11. Thiết bị chưng cất với buồng bay hơi kiểu không bề mặt vòng tuần hoàn nước biển
1- Bộ hâm 4- Bơm nước ngưng
2- Buồng bay hơi 5- Đường cấp nước biển
3- Buồng ngưng 6- Bơm tuần hoàn nước muối
7- Đường xả nước muối
.