3.1.1 Thiết bị chưng cất nước
Tận dụng thiết bị sản xuất nước cất bằng điện đã hỏng tại phòng thí nghiệm thuộc Trung tâm thí nghiệm thực hành.
Thông số kỹ thuật: - Tốc độ cất 4 l/h
- Điện áp: 380V - 7.5kw
- Kích thước bên ngoài: 300 x 250 x 510mm - Trọng lượng: 14.5kg
3.1.2 Thiết bị thu năng lượng mặt trời
Nước cất là nước tinh khiết, nguyên chất, được sản xuất bằng cách làm ngưng tụ hơi nước hơi nước bão hòa và thường được sử dụng trong y tế như pha chế thuốc tiêm, thuốc uống, biệt dược, rửa dụng cụ y tế, rửa vết thương. Như vậy để sản xuất được nước cất thì cần phải làm cho nước phải duy trì ở trạng thái sôi liên tục để tạo ra hơi nước bão hòa.
Sau khi nghiên cứu tài liệu và một số ứng dụng trong thực tế tôi nhận thấy có các phương pháp sử dụng năng lượng mặt trời làm nóng nước ở Việt Nam như sau:
- Máy nước nóng năng lượng mặt trời: Nhiệt độ nước chỉ đạt khoảng từ 60 0C cho đến 90 0C.
- Bếp đun hình hộp: Nhiệt độ nước đạt được 100 0C nhưng không giữ được nước sôi liên tục.
- Bếp đun sử dụng chảo parabol: Nhiệt độ nước đạt được 100 0C và có thể sôi liên tục.
Với những đặc điểm trên tôi nhận thấy thiết bị thu NLMT hình dạng parabol tròn xoay là phù hợp nhất với yêu cầu của đề tài.
3.1.2.1 Thí nghiệm sử dụng chảo thu hình parabol tròn xoay để làm sôi nước Phương án bố trí thí nghiệm. Phương án bố trí thí nghiệm.
- Hai chảo parabol đường kính 30 cm.
- Hai cốc inox sơn đen, một cốc sơn một lớp và một cốc sơn hai lớp. -Thiết bị đo nhiệt độ.
- Cốc đong nước có chia vạch. [2], ta tính toán như sau: - Chảo parabol đường kính D.
- Mặt phản xạ parabol có hệ số phản xạ R = 0,9.
- Cốc làm bằng Inox sơn đen có hệ số hấp thụ ε = 0,9. Trong đó: + Đường kính cốc là d =0,06 m
+ Chiều cao h = 0,1 m + Chiều dày δo = 0,001 m
+ Có khối lượng riêng ρo = 7850 kg/m3 + Nhiệt dung riêng C = 460 J/kgđộ
+Nồi chứa 100ml nước có nhiệt dung riêng Cn = 4200J/kgđộ + Khối lượng riêng ρn = 1000kg/m3
- Cường độ bức xạ trung bình W = 962 w/m2
Trong thời gian τ (giây) cốc nấu (gồm chảo parabol và nồi nấu) sẽ thu từ bức xạ mặt trời một lượng nhiệt bằng Q1
Q1 = ε.E.F.τ, [J]. Trong đó diện tích F = [F1 + RF2 ] = 0,7 D2 + 0,0006 - Diện tích hứng nắng của cốc F1 ≈ d.h, [m2]
- Diện tích hứng nắng của mặt parabol F2 =
4
2
D
π
- F1, [m2] Lượng nhiệt nhận được của cốc Q1 dùng để:
- Làm tăng nội năng của cốc Uo = mo.C.(ts - to) - Làm entanpy của nước Im = mn.Cn(ts - to)
- Làm tăng nội năng của đế cốc Uđế (đế nồi thường làm bằng khung thép nhỏ nên ta bỏ qua phần này)
Trong đó: mo = πd.h.δo.ρo + 2.δo.ρo. 4 2 d π = 0,24 [kg], mn = 4 2 d π .h.ρn = 0,1 [kg], Do cốc được cấu tạo như trên nên tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh chủ yếu là do trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên giữa bề mặt xung quanh nồi và không khí đối lưu xung quanh nên ta trong trường hợp này ta có thể tính:
Q2 = α Fxq (ts - to)τ = 15,4τ [J].
Với: - hệ số toả nhiệt đối lưu tự nhiên α chọn α = 10 W/m2độ - diện tích xung quanh Fxq = πd.h +2.
4
2
d
π
= 0,02 [m2] Vậy phương trình cân bằng nhiệt cho nồi là:
Q1 = mo.C.(ts - to) + mn.CP(ts - to) + Q2 ε.E.F.τ = (πd.h.δo.ρo + 2.δo.ρo. 4 2 d π ) C.(ts - to) + 4 2 d π .h.ρn Cn(ts - to) + α Fxq (ts - to) 855Fτ = 40840,8 + 15,4τ Chon t = 900 => F = 0,054 F =0,7 D2 + 0,0006 = 0,054 Suy ra D= 0,27 m .
Ta chọn chảo parabol với D= 0,3 m, cao 9 cm, tiêu cự 6 cm.
Vật liệu chế tạo chảo ta sử dụng dây thép 3mm uốn theo kích thước đã có, mặt phản xạ ta sử dụng tôn inox có độ bóng cao.
Bảng3.1 Kiểm tra so sánh các loại lớp phủ khác nhau
Vậy ta sẽ sử dụng bình phun sơn để sơn đen cốc chứa nước.
Tiến hành thí nghiệm.
- Sử dụng cốc đong nước lấy 100 ml nước máy, sau đó cho vào hai cốc inox và đậy nắp lại.
- Đưa hai chảo ra ngoài nắng và đặt hai cốc inox lên.
- Điều chỉnh chảo sao cho ánh sáng phản xạ tập trung nhiều nhất vào đáy cốc. - Cứ sau 5 phút tiến hành điều chỉnh chảo và đo nhiệt độ một lần.
Kết quả.
Bảng kết quả đo lần 1 lúc 11h ngày 16 tháng 4 năn 2013.
Thời gian (phút) Nhiệt độ cốc sơn một lớp (0C) Nhiệt độ cốc sơn hai lớp (0C)
0 33 33 5 50 52 10 70 71 15 78 79 20 83 82 25 88 91 30 91 94 35 96 97 40 97,5 99,3
45 98,1 100,2
50 100,3
Bảng kết quả đo lần 2 lúc 12h ngày 16 tháng 4 năn 2013:
Thời gian (phút) Nhiệt độ cốc sơn một lớp (0C) Nhiệt độ cốc sơn hai lớp (0C)
0 33 33 5 50 54 10 71 75 15 78 85 20 83 90 25 91 94 30 95 96 35 98 98 40 98,6 99,5 45 100,3 100,4 Nhận xét.
- Nhiệt độ nước ở cốc sơn hai lớp tăng nhanh hơn cốc sơn một lớp. - Khoãng thời gian đầu nhiệt độ tăng nhanh càng về sau thì tăng chậm. - Thời gian nước sôi ở lần thí nghiệm thứ hai nhanh hơn lần thứ nhất.
3.1.2.2 Kết luận
Như vậy việc sử dụng thiết bị thu năng lượng mặt trời có dạng chảo parabol để sản xuất nước cất là thích hợp nhất.
3.2 Tính toán, thiết kế thiết bị thu năng lượng mặt trời 3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bếp parabol 3.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của bếp parabol
Bếp nấu Parabol có nguyên lý cấu tạo như hình 2.1. Đế đặt nồi (1)làm bằng khung kim loại dẫn nhiệt tốt, đế đựơc gắn với hệ thống chân đỡ (nhưng cách nhiệt với hệ thống chân đở), đế đặt nồi có thể được đưa vào đưa ra và đưa lên đưa xuống khỏi tâm của bếp. Nồi chứa thức ăn (2) là nồi nấu bình thường bên ngoài được sơn màu đen (chọn loại sơn có độ hấp thụ cao) để có thể hấp thụ ánh sáng tốt, khi cần nướng (thịt, cá…) thì có thể thay nồi bằng tấm lưới Inox, dung tích của nồi tuỳ thuộc vào kích thước của bếp và tuỳ thuộc vào thời gian chúng ta cần nấu chín thức ăn. Mặt phản xạ (3) làm bằng kim loại (nhôm, thép trắng hoặc Inox) đánh bóng nhẵn để có độ phản xạ cao. Biên dạng của mặt phản xạ là mặt parabol tròn xoay được gá tựa vào khung như hình vẽ để có thể nhận ánh sáng từ mặt trời. Khung đỡ (4) làm bằng kim loại, nhựa hoặc gỗ có biên dạng là mặt parabol tròn xoay để có thể gá mặt phản xạ lên trên khung, khung được chế tạo sao cho có thể tháo lắp dễ dàng. Thanh chống điều chỉnh (5) làm bằng kim loại hoặc gỗ cứng để điều chỉnh chảo parabol xoay quanh một trục nằm ngang. Hệ thống chân đỡ (6) làm bằng kim loại, nhựa hoặc gỗ có thể dễ dàng tháo gỡ hoặc xếp gọn.
3.2.2 Tính toán thiết kế chảo parabol
[2], ta tính toán như sau: - Chảo parabol đường kính D.
- Mặt phản xạ parabol có hệ số phản xạ R = 0,9.
- Nồi nấu làm bằng Inox sơn đen có hệ số hấp thụ ε = 0,9. Trong đó: + Đường kính nồi là d =0,25 m
+ Chiều cao h = 0,3 m + Chiều dày δo= 0,001 m
+ Có khối lượng riêng ρo = 7850 kg/m3 + Nhiệt dung riêng C = 460 J/kgđộ
+Nồi chứa đầy nước có nhiệt dung riêng Cn = 4200J/kgđộ + Nhối lượng riêng ρn = 1000kg/m3
-Cường độ bức xạ trung bình W = 962 w/m2
Trong thời gian τ (giây) nồi nấu (gồm chảo parabol và nồi nấu) sẽ thu từ bức xạ mặt trời một lượng nhiệt bằng Q1
Q1 = ε.E.F.τ, [J]. Trong đó diện tích F = [F1 + RF2 ] = 0,7 D2 + 0,00225 - Diện tích hứng nắng của nồi F1≈ d.h, [m2]
- Diện tích hứng nắng của mặt parabol F2 =
4
2
D
π
- F1, [m2] Lượng nhiệt nhận được của nồi Q1 dùng để:
- Làm tăng nội năng của nồi Uo = mo.C.(ts - to) - Làm entanpy của nước Im = mn.Cn(ts - to)
- Làm tăng nội năng của đế nồi Uđế (đế nồi thường làm bằng khung thép nhỏ nên ta bỏ qua phần này)
- Tổn thất ra môi trường xung quanh Q2 Trong đó: mo = πd.h.δo.ρo + 2.δo.ρo. 4 2 d π = 2,62 [kg], mn = 4 2 d π .h.ρn = 4,9 [kg], Do nồi được cấu tạo như trên nên tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh chủ yếu là do trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên giữa bề mặt xung quanh nồi và không khí đối lưu xung quanh nên ta trong trường hợp này ta có thể tính
Q2 = α Fxq (ts - to)τ = 234τ [J]. Với; - hệ số toả nhiệt đối lưu tự nhiên α chọn α = 10 W/m2độ
- diện tích xung quanh Fxq = πd.h +2.
4
2
d
π
= 0,334 [m2] Vậy phương trình cân bằng nhiệt cho nồi là:
Q1 = mo.C.(ts - to) + mn.CP(ts - to) + Q2 ε.E.F.τ = (πd.h.δo.ρo + 2.δo.ρo. 4 2 d π ) C.(ts - to) + 4 2 d π .h.ρn Cn(ts - to) + α Fxq (ts - to) τ 865,8Fτ = 1524964 + 234τ Chon t = 1800 => F = 1,25 F = 0,7 D2 + 0,00225 = 1,25 Suy ra D = 1,34 m .
Ta chọn chảo parabol với D = 1,4 m, cao 40cm, tiêu cự 30cm.
3.3 Chế tạo thiết bị
3.3.1 Thiết bị thu năng lượng mặt trời 3.3.1.1 Vật liệu và dụng cụ 3.3.1.1 Vật liệu và dụng cụ
- Máy cắt, máy khoan, máy mài, hàn gió đá....
3.3.1.2 Tiến hành làm
- Sắt hộp 12 12 được mang đi uống thành các cung parabol và cung tròn. - Sau đó tiến hành hàn các cung parabol lên hai vòng tròn đã làm.
Hinh 3. 1: Sắt hộp sau khi mang uốn.
- Sau đó cắt tôn inox thành các cánh quạt đã được tính trước - Dùng vít bắn cố định các tấm inox lên khung đã hàn xong.
Hình 3.3 Các tấm inox được cố định trên khung
3.3.2 Khung và giá đỡ3.3.2.1 Vật liệu và dụng cụ 3.3.2.1 Vật liệu và dụng cụ
- Sắt hộp 30 , sắt V3, sắt phi 8, que hàn đồng, mũi khoan... - Máy cắt, máy khoan, hàn gió đá...
3.3.2.2 Tiến hành làm
- Cắt sắt theo các khích thước đã cho. - Tiến hành hàn kết nối lại.
- Uốn sắt thành vòng tròn có đường kính 30 cm và hàn lên thanh ngang. - Hàn có đoạn ngăn sắt hộp lến vòng tròn để làm chỗ treo ty.
Hình 3.4 Hàn nối phần chân khung đỡ và vòng tròn treo nồi lên thanh ngang.
Hình 3.6 Vòng treo nồi và các ty treo
3.3.3 Thiết bị chưng cất nước
Ta tận dụng lại máy sản xuất nước cất bằng điện đã hỏng để chế tạo thiết bị cất nước.
- Đầu tiên ta cắt bỏ phần đế nồi, sau đó cắt một tấm inox có kích thước bằng với đế nồi và hàn lại.
- Còn phần ngưng tụ ở trên ta giữ nguyên.
- Trên thân nồi ta hàn gắn các tai dùng để treo nồi thông qua các đoạn ty 8. - Sơn đen nồi và sơn hai lớp.
Hình 3.8 Nồi nấu nước sau khi làm lại đế nồi
CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT, CHẠY THỬVÀ ĐIỀU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ THUẬT
4.1 Lắp đặt và chạy thử lần một
Mang thiết bị ra ngoài trời, lắp nồi nấu lên giá treo, điều chỉnh ty sao cho đế nồi tập trung nhiều ánh sáng nhất. Sau đó kết nối ống dẫn nước làm mát và ống dẫn nước cất.
Tiến hành chạy thử lúc 9h ngày 27 tháng 06 năm 2013. - Nhiệt độ môi trường: 380C.
- Nhiệt độ nước trong nồi: 330C - Nhiệt độ nước làm mát vào: 330C - Nhiệt độ nước làm mát ra: 400C - Lượng nước trong nồi: 5 lít - Thời gian nước sôi: 1giờ 10 phút
- Lượng nước cất thu được sau 1h: 120 ml
• Nhận xét: Lượng nước cất thu được thấp.
• Nguyên nhân:
- Cường độ bức xạ yếu.
- Độ hội tụ của ánh sáng chưa cao. - Nồi nấu đặt quá thấp.
- Lượng nước trong nồi nhiều.
- Khoảng không bên trong nồi nấu lớn dẫn đến mất nhiệt ra môi trường.
• Phương án khắc phục: Hạ thấp nồi nấu và nâng cao độ của nồi lên.
4.2 Chạy thử lần hai
Sau khi nồi nấu được cắt ngắn đi ta tiến hành làm thí nghiệm lần 2. Tiến hành chạy thử lúc 9h ngày 01 tháng 07 năm 2013.
- Nhiệt độ môi trường: 390C. - Nhiệt độ nước trong nồi: 330C - Nhiệt độ nước làm mát vào: 330C - Nhiệt độ nước làm mát ra: 420C - Lượng nước trong nồi: 1 lít - Thời gian nước sôi: 20 phút
- Lượng nước cất thu được sau 1h: 450 ml
• Nhận xét: Lượng nước cất thu được cao hơn lần một nhưng vẫn còn thấp.
• Nguyên nhân:
- Cường độ bức xạ thấp
- Độ hội tụ của ánh sáng vẫn còn thấp - Sự sôi điễn ra chưa mạnh.
• Phương án khắc phục: Sử dụng thêm điên trở để hỗ trợ sự sôi.
4.3 Lắp thêm điện trở và chạy thứ lần ba4.3.1 Lắp thêm điện trở 4.3.1 Lắp thêm điện trở
- Sử dụng điện trở công suất 1,5 kW. - Tiến hành lấy dấu và khoan lỗ. - Lắp điện trở vào và thử kín.
Hình 5. 1 Nồi nấu sau khi lắp điện trở
4.3.2 Chạy thử nghiệm lần ba
Tiến hành chạy thử lúc 10h ngày 11 tháng 07 năm 2013. - Nhiệt độ môi trường: 39 0 C.
- Nhiệt độ nước trong nồi: 33 0C - Nhiệt độ nước làm mát vào: 33 0C - Nhiệt độ nước làm mát ra: 54 0C - Lượng nước trong nồi: 3 lít
- Thời gian nước sôi: 20 phút
- Lượng nước cất thu được sau 1h: 2 lít
• Nhận xét: Lượng nước cất thu được nhiều hơn hai lần thí nghiệm trước, tuy nhiên vẫn chưa đạt kết quả tốt nhất.
• Nguyên nhân:
- Độ hội tụ của ánh sang còn thấp. - Tốc độ nước làm mát thấp.
CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP ĐIỆN TRỞ
5.1 Kết quả so sánh
Bảng so sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của hai thiết bị chưng cất nước như sau: Các chỉ tiêu so sánh Thiết bị chưng cất nước sử
dụng điện trở công suất 7.5 Kw
Thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp điện trở công suất
1,5Kw. Thời gian chưng cất
(giờ)
1 1
Lượng nước cất thu được (lít)
4 2
Chất lượng nước cất PH=6.8 PH=6.05
5.2 Nhận xét và đánh giá kết quả
- Lượng nước cất của thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời có hỗ trợ thêm điện trở công suất 1,5 Kw thấp hơn thiết bị chưng cất nước bằng điện trở. Tuy nhiên lượng điện năng tiêu hao của thiết bị chưng cất nước sử dụng điện trở lại lớn hơn.
- Chất lượng nước cất của thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời có hỗ trợ thêm điện trở có chất lượng thấp hơn thiết bị sử dụng điện trở. Tuy nhiên, với yêu cầu dùng cho phòng thí nghiệm của trường thì nước cất sử dụng năng lượng mặt trời có hỗ trợ điện trở vẫn dùng được.
5.3 Kết luận và đề xuất 5.3.1 Kết luận 5.3.1 Kết luận
Chế tạo thành công thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời kết hợp điện trở công suất 2 l/h.
5.3.2 Đề xuất
- Thiết bị nên được tiếp tục đầu tư nghiên cứu để đạt chuẩn về gia công cơ khí. Đồng thời tìm kiếm được vật liệu bức xạ có độ bóng cao hơn.