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 biển442

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Vũ Minh Diễn 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 N

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Vũ Minh Diễn

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

Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực

Mã số: 9520116

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Khổng Vũ Quảng

2 PGS.TS Nguyễn Thế Lương

Hà Nội – 2021

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên c u do tôi th c hi n Lu n án có s d ng ứ ự ệ ậ ử ụ

m t ph n k t qu do tôi và nhóm nghiên c u th c hiộ ầ ế ả ứ ự ện trong Đề tài c p Bấ ộ“ Nghiên

c u thi t k ứ ế ế chế ạ ệ thố t o h ng t n d ậ ụng năng lượ ng nhi ệt nướ c làm mát và nhi t khí ệ thả ủa động cơ đốt trong để chưng cất nướ i c c ng t t ọ ừ nướ c bi n s d ng trên các ể ử ụ tàu đánh bắ t xa b c a Vi t Nam”, mã số ờ ủ ệ B2017-BKA39 do PGS.TS Khổng Vũ Quảng là Ch nhiủ ệm đề tài và cơ quan chủ trì là Trường Đạ ọi h c Bách khoa Hà N i ộTôi đã được Ch nhiủ ệm đề ài đồ t ng ý cho s d ng m t ph n k t qu nghiên c u c a ử ụ ộ ầ ế ả ứ ủ

Đề tài c p B vào vi c vi t lu n án ấ ộ ệ ế ậ

Tôi xin cam đoan các số ệ li u k t qu nêu trong lu n án là trung thế ả ậ ực và chưa từng được ai công b trong các ố công trình nào khác

TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày tháng 04 năm 202 1

PGS.TS Khổng Vũ Quảng PGS.TS Nguyễn Thế Lương Vũ Minh Diễn

Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô B môn và Trung tâm nghiên c u ng ộ ứ Độ

cơ, nhiên liệu và khí th i - Trưả ờng Đạ ọi h c Bách khoa Hà N i luôn giúp và dành ộ đỡcho tôi những điều ki n h t sứệ ế c thuậ ợ ển l i đ hoàn thành lu n án này ậ

Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài B2017-BKA39 đã đồng ý cho tôi sử ụ d ng một số ế k t qu nghiên c u c a đ tài đ làm lu n án ả ứ ủ ề ể ậ

Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường i h c Công nghi p Hà N i, Ban ch Đạ ọ ệ ộ ủnhi m Trung tâm Công ngh ệ ệ Ô tô và Đào t o lái xe và các th y, cô trong Trung tâm ạ ầ

đã hậu thuẫn và động viên tôi trong su t quá trình nghiên c u h c t p ố ứ ọ ậ

Tôi xin bày t lòng biỏ ết ơn sâu sắc đến các th y ph n bi n, các th y trong hầ ả ệ ầ ội

đồng ch m luấ ận án đã đồng ý đọc duy t và góp ý kiệ ến quý báu để tôi có th hoàn ểchỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Cuối cùng, tôi xin g i lử ờ ảm ơn chân thành tới gia đình và bại c n bè, những người

đã động viên, khuy n khích tôi trong su t th i gian nghiên c u và th c hi n công ế ố ờ ứ ự ệtrình này

Nghiên cứu sinh

Vũ Minh Diễ n

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HI U viỆ DANH MỤC CÁC T ẾT TẮT ixỪVI DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ TH xỊ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiv

M Ở ĐẦU 1

i Lý do chọn đề 1tài ii Mục tiêu và n i dung nghiên c u c a luận án 2ộ ứ ủ iii Đố ợi tư ng và ph m vi nghiên c u 2ạ ứ iv Phương pháp nghiên cứu 3

v Ý nghĩa khoa học và th c ti n 3ự ễ vi Điểm mới của Lu n án 3ậ vii B c c cố ụ ủa Luận án 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 T ng quan hi u su t có ích cổ ệ ấ ủa động cơ và nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhi t khí thệ ải 5

1.2 Nghiên c u t n d ng nhiứ ậ ụ ệt nước làm mát và khí thải để nâng cao hi u suệ ất nhiệt của hệ độ ng l c 6ự 1.2.1.Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin –máy nén 6

1.2.2 S d ng chu trình Rankine hử ụ ữu cơ (ORC) 7

1.2.3 Nhiệt điện (Thermoelectric Generation - TEG) 7

1.2.4 T n d ng nhi t khí thậ ụ ệ ả ểi đ gia nhi t cho nệ ồi hơi 9

1.2.5 Nâng cao hi u suệ ất nhiệt của động cơ từ nhiệt nước làm mát 9

1.3 Nhu c u s dầ ử ụng nước ngọt và các phương pháp chưng cất nước ng t t ọ ừ nước bi n 10ể 1.3.1 Thực trạng nhu c u s dầ ử ụng nước ng t trên các tàu bi n 10ọ ể 1.3.2 Tính ch t hóa lý cấ ủa nước biển 11

1.3.3 Các gi i pháp công ngh tả ệ ạo nước ngọ ừ nước biểt t n hi n nay 12ệ 1.4 Các nghiên c u t n d ng nhiứ ậ ụ ệt nước làm mát và khí th i cả ủa động cơ diesel trên tàu biển 20

1.4.1 Các nghiên c u trên th gi i 20ứ ế ớ 1.4.2 Các nghiên cứu trong nước 23

1.5 Hướng ti p c n và n i dung nghiên c u c a lu n án 25ế ậ ộ ứ ủ ậ 1.6 Kết luận chương 1 25 CHƯƠNG 2 CƠ ỞS LÝ THUY T 27Ế

iv

2.1 Cơ sở lý thuy t tính toán thi t k h ng 27ế ế ế ệthố

2.1.1 Nghiên c u xây d ng c u hình h ứ ự ấ ệthống 27

2.1.2 Xây dựng lưu đồ các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR 28

2.2 Cơ sở tính toán xác định nhiệt lượng nước làm mát và khí th i c a ả ủ ĐCĐT trong phần m m AVL-ề Boost 30

2.2.1 Giới thiệu ph n mầ ềm AVL – Boost 30

2.2.2 Cơ sở lý thuy t mô ph ng trên ph n m m AVL ế ỏ ầ ề –Boost 31

2.3 Cơ sở tính toán thi t k các thi t b thu h i nhiế ế ế ị ồ ệt nước làm mát và khí th i ả của ĐCĐT 33

2.3.1 Két thu h i nhiồ ệt nước làm mát, CHR 33

2.3.2 Két thu h i nhi t khí th i, EHR 39ồ ệ ả 2.4 Cơ sở tính toán thi t k b hóa m - ế ế ộ ẩ ngưng tụ(HDH) 44

2.4.1 Quá trình trao đổi nhi t trong bình hóa m 45ệ ẩ 2.4.2 Quá trình trình trao đổi nhi t trong bình ngưng t 53ệ ụ 2.5 Cơ sở tính toán các thi t b ph c a h th ng 56ế ị ụ ủ ệ ố 2.5.1 T n th t áp suổ ấ ất ma sát, Δpm 56

2.5.2 T n th t áp su t cổ ấ ấ ục bộ, Δpc 57

2.5.3 T n th t áp su t gia tổ ấ ấ ốc, Δpg 57

2.5.4 T n th t áp su t trổ ấ ấ ọng trường, Δpo 57

2.6 Cơ sở lý thuyết tính quá trình trao đổi nhi t trong ph n m m Ansys Fluent 57ệ ầ ề 2.6.1 Giới thiệu ph n m m Ansys Fluent 57ầ ề 2.6.2 Cơ sở lý thuy t mô ph ng trong ph n m m Ansys Fluent 58ế ỏ ầ ề 2.7 Kết luận chương 2 61

CHƯƠNG 3 NGHIÊN C U, TÍNH TOÁN VÀ THI T K H THỨ Ế Ế Ệ ỐNG CHƯNG C T 63Ấ 3.1 Xây dựng sơ đồ ệ h thống chưng cất nước ngọt từ nước biển 63

3.2 Xây dựng mô hình động cơ D243 trên phần m m AVL-Boost 64ề 3.2.1 Giới thiệ ề động cơ D243u v 64

3.2.2 Xây dựng mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost 66

3.2.3 Đánh giá độ tin c y c a mô hình 66ậ ủ 3.2.4 Ch y mô phạ ỏng và phân tích đánh giá kết qu tả ại các đặc tính b phộ ận của động cơ 67

3.3 Tính toán, thiết kế các thiết bị trong h ng 72ệthố 3.3.1 Tính toán, thiết kế và mô ph ng két thu hỏ ồi nhiệt nước làm mát, CHR 72 3.3.2 Tính toán, thiết kế và mô ph ng két thu hỏ ồi nhiệt khí th i, EHR 78ả 3.3.3 Tính toán, thiết kế ộ b hóa ẩm – ngưn ụ ểg t ki u HDH 85

3.5 Kết luận chương 3 88

CHƯƠNG 4 NGHIÊN C U TH C NGHI M 90Ứ Ự Ệ 4.1 M c tiêu và ph m vi thụ ạ ực nghiệm 90

v

4.2 Sơ đồ và trang thi t b th c nghi m 90ế ị ự ệ4.2.1 Sơ đồ ố b trí th c nghi m 90ự ệ4.2.2 Trang thiết bị thực nghiệm 924.3 Quy trình th c nghi m 96ự ệ4.3.1 Chuẩ ị ắp đặn b , l t, hi u chệ ỉnh động cơ và hệthống trên băng thử 964.3.2 Các ch ế độchạy thực nghiệm 974.4 Kết quả thực nghiệm 984.4.1 Ảnh hưởng c a h ủ ệthống chưng cấ ến đặt đ c tính làm việc của động cơ 984.4.2 Kh ả năng thu hồi nhiệt của két thu h i nhiồ ệt nước làm mát, CHR 994.4.3 Kh ả năng thu hồi nhiệt của két thu h i nhiồ ệt khí thải, EHR 1014.4.4 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được c a h th ng 105ủ ệ ố4.5 Kết luận chương 4 108

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRI N 110Ể

KẾT LUẬN CHUNG 110HƯỚNG PHÁT TRI N 111ỂTÀI LIỆU THAM KH O 112Ả

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ỦA LUẬN ÁN C 117PHỤ Ụ L C 118PHỤ Ụ L C 1 KẾT QUẢ MÔ PH NG AVL-Ỏ BOOST 1.PL PHỤ Ụ L C 2 K T QU MÔ PH NG KÉT THU H I NHIẾ Ả Ỏ Ồ ỆT NƯỚC LÀM MÁT TRÊN ANSYS FLUENT 11.PL PHỤ Ụ L C 3 K T QU MÔ PH NG KÉT THU H I NHI T KHÍ TH I TRÊN Ế Ả Ỏ Ồ Ệ ẢANSYS FLUENT 16.PL

vi

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

4 Qlm Nhiệt lượng mà động cơ truyền cho nước làm mát J/s

6 Qthải Lượng nhi t t n th t do khí th i ệ ổ ấ ả J/s

7 Qch Lượng nhi t t n th t do khí sót ệ ổ ấ J/s

10 Gnl Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giây tại từng chế độ làm

11 Ne Công suất của động cơ tại từng chế độ làm việc kW

12 Gth Lưu khối lượng khí thải của động cơ kg/s

15 Lo Lượng không khí lý thuy t cế ần để đố t cháy h t 1 kg nhiên ế

16 Cpth Nhi t dunệ g riêng đẳng áp c a khí th iủ ả J/kg.K

19 to Nhiệt độ của môi chất mới đi vào động cơ 0C

21 Ikk' Entanpi của không khí ở đầu vào thiết bị hóa ẩm kJ/kg

22 Ikk" Entanpi của không khí ở đầu ra thiết bị hóa ẩm kJ/kg

vii

32 tw Nhiệt độ bề mặt của tường tiếp xúc với dòng môi chất đó 0C

45 lkx Kích thước xác định của ống thu hồi nhiệt khí xả m

51 k F H s truy n nhiệ ố ề ệt quy ước tính cho một đơn vị ệ di n tích b ề

m t tặ ấm đệm khi ch t lấ ỏng dính ướt toàn b b m t tộ ề ặ ấm đệ m W/m2.K

Khối lượng được thêm vào pha liên t c t pha khu ch tán th ụ ừ ế ứ

2 (ch ng hẳ ạn như do bay hơi…) và các nguồn do người dùng định nghĩa

-

viii

60 Bx L c tác dự ụng lên đơn ị v thể tích theo phương x m/s

61 Vx Các thành ph n nh t ngoài các thành phầ ớ ần trong div(μgrad u) -

62 YM Hệ số thể hiện sự biến thiên của quá trình giãn nở so với giá

ix

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

1 ĐCĐT Động cơ đốt trong

2 RO Reverse Osmosis (Phương pháp thẩm thấu ngược)

3 NF Nano Filtration (Lọc Nano)

4 CHR Cooling Heat Recovery (Két thu hồi nhiệt nước làm mát)

5 EHR Exhaust Heat Recovery (K ét thu hồi nhiệt khí thải)

6 MSF Multi Stage Flash Distillation (Phương pháp chưng cất đa tầng)

7 MED Multiple Effect Distillation (Phương pháp chưng cất kiểu liên hoàn)

8 LTTD Low Temperature Thermal Desalination (Phương pháp khử mặn ở nhiệt độ thấp)

9 VC Vapour Compression (Phương pháp chưng cất kiểu nén hơi)

10 MVC Mechanical Vapor Compression (Máy nén hơi cơ học)

11 TVC Thermal Vapor Compression (Máy nén hơi nhiệt)

12 HDH Humidification Dehumidification ẩm – ngưng tụ) – (Phương pháp chưng cất kiểu hóa

13 WHRS Waste Heat Recovery System (Hệ thống tận dụng nhiệt thừa của động cơ đốt trong)

15 ED Electrodialysis (Phương pháp điện phân)

16 ĐCD Điểm chết dưới

17 CFD Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực học chất lưu)

18 DNS Direct Numerical Simulation (Mô phỏng số trực tiếp)

19 LES Large Eddy Simulation (Mô phỏng xoáy lớn)

20 RANS/URANS Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation (Mô hình chảy rối RNS)

21 SST Shear Stress Transport Model (Mô hình dịch chuyển ứng suất)

22 RSM Reynolds Stress Model (Mô hình ứng suất Reynold)

x

DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Đồ thị phân bố nhiệt của ĐCĐT 5

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin máy nén sử dụng trên ĐCĐT- 6

Hình 1.3 Sơ đồ chu trình ORC [16] 7

Hình 1.4 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ để phát điện (TEG) [18] 8

Hình 1.5 Chất bán dẫn p n trong thiết bị TEG [18]- 8

Hình 1.6 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt nồi hơi [4] 9

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý tận dụng nhiệt từ nước làm mát phục vụ sinh hoạt [4] 10

Hình 1.8 Các tàu khai thác thủy hải sản ở Việt Nam 11

Hình 1.9 Các công nghệ khử muối trên thế giới hiện nay [24] 12

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống chưng cất nước kiểu MSF [27] 13

Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống chưng cất nước biển kiểu MED [29] 14

Hình 1.12 Hình sơ đồ chưng cất kiểu LTTD [30] 14

Hình 1.13 Sơ đồ chưng cất kiểu VC [31] 15

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chưng cất kiểu HDH [34] 16

Hình 1.15 Nguyên lý khử muối theo phương pháp thẩm thấu ngược RO [45] 18

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý hoạt động khử muối theo phương pháp điện phân, ED [46] 19

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động cơ để chạy máy phát điện trên tàu biển [49] 20

Hình 1.18 Hiệu suất nhiệt của động cơ khi không và có hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để chạy máy phát điện trên tàu biển hãng MAN [49] 20

Hình 1.19 Thiết bị tạo nước ngọt của hãng Sasakura [50] 21

Hình 1.20 Hệ thống chưng cất nước ngọt kiểu Atlas [51] 21

Hình 1.21 Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt thải động cơ diesel 22

Hình 1.22 Sơ đồ chưng cất nước ngọt tận dụng nhiệt thừa của ĐCĐT trên tàu khách [53] 23

Hình 1.23 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ gia nhiệt cho nước ngọt [59] 24

Hình 1.24 Nhiệt lượng khí thải cần để hâm nóng nhiên liệu CO100 khi động cơ làm việc theo đường đặc tính ngoài [60] 24

Hình 2.1 Sơ đồ ệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt khí thải và nước h làm mát của động cơ đốt trong 27

Hình 2.2 Trình tự tính toán thiết kế hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển 28

Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR 29

Hình 2.4 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm 33

Hình 2.5 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ 34

Hình 2.6 Kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ [63] 34

Hình 2.7 Ảnh hưởng của khoảng các cánh hưởng dòng đến quá trình chuyển động của môi chất [66] 35

Hình 2.8 Sắp xếp ống theo kiểu hình lục giác đều và kiểu đường tròn đồng tâm [65] 35

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của CHR 35

Hình 2.10 Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp 36

xi

Hình 2.11 Sự biến thiên nhiệt độ của nước làm mát và nước biển trong CHR 39

Hình 2.12 Kết cấu các loại cánh trao đổi nhiệt [60] 40

Hình 2.13 Thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có cánh [69] 40

Hình 2.14 Mặt cắt ngang của EHR 41

Hình 2.15 Vách có cánh 41

Hình 2.16 Sự biến thiên nhiệt độ của khí thải và nước biển trong EHR 44

Hình 2.17 Nguyên lý hoạt động của bộ hóa ẩm ngưng tụ- 45

Hình 2.18 Đồ thị I d biểu diễn trạng thái của không khí trong bộ HDH [60]- 45

Hình 2.19 Quá trình không khí tiếp xúc với nước biển [60] 46

Hình 2.20 Đồ thị I d quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa nước và không khí [60]- 46

Hình 2.21 Đồ thị quá trình thay đổi trạng thái của không khí [62] 47

Hình 2.22 Sơ đồ cân bằng nhiệt và chất trong bình hóa ẩm 48

Hình 2.23 Cơ chế dịch chuyển giữa nước và không khí [72] 48

Hình 2.24 Quá trình trao đổi nhiệt trong tấm đệm [60] 50

Hình 2.25 Kiểu dáng và kích thước của các loại đệm 51

Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ 53

Hình 2.27 Đồ thị I d quá trình làm lạnh không khí ẩm [60]- 54

Hình 2.28 Dàn ngưng tụ kiểu ống tấm [71]- 54

Hình 2.29 Thiết bị ngưng tụ kiểu dàn ống xoắn bố trí so le nhau 54

Hình 2.30 Sự biến thiên nhiệt độ của không khí và nước biển trong bình ngưng tụ 55

Hình 2.31 Khối lượng đi vào và ra của 1 phần tử chất lỏng [75] 59

Hình 2.32 Các lực theo phương x [75] 59

Hình 2.33 Chuyển động của một điểm trong dòng rối [75] 60

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt khí thải và nước làm mát của động cơ 63

Hình 3.2 Động cơ D243 65

Hình 3.3 Mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost 66

Hình 3.4 So sánh công suất và tiêu thụ nhiên liệu ở đường đặc tính ngoài của động cơ 67

Hình 3.5 Lượng nhiệt chuyển thành công có ích (kW) 68

Hình 3.6 Tỷ lệ lượng nhiệt chuyển thành công có ích (%) 68

Hình 3.7 Lượng nhiệt động cơ truyền qua thành vách (kW) 69

Hình 3.8 Tỷ lệ lượng nhiệt động cơ truyền qua thành vách (%) 69

Hình 3.9 Lượng nhiệt mà động cơ truyền cho khí thải (kW) 70

Hình 3.10 Tỷ lệ lượng nhiệt mà động cơ truyền cho khí thải (%) 70

Hình 3.11 Lượng nhiệt mất mát do các tổn hao khác của động cơ (kW) 71

Hình 3.12 Tỷ lệ năng lượng nhiệt mất mát do các tổn hao khác của động cơ (k%) 71

Hình 3.13 Bản vẽ thiết kế CHR 72

Hình 3.14 Các phương án bố trí ông trao đổi nhiệt trong CHR 74

Hình 3.15 Mặt cắt mô hình 3D của CHR 75

Hình 3.16 Phân bố vận tốc của nước làm mát và nước biển dọc theo chiều ngang của CHR trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100 % tải và 2200 v/ph 76

xii

Hình 3.17 Phân bố nhiệt độ của nước làm mát và nước biển dọc theo chiều ngang của

CHR trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100 % tải và 2200 v/ph 76

Hình 3.18 Nhiệt thu hồi từ nước làm mát khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 77

Hình 3.19 Lưu lượng nước biển qua CHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 78

Hình 3.20 Bản vẽ thiết kế EHR 78

Hình 3.21 Mặt cắt ngang EHR 79

Hình 3.22 Các phương án bố trí cánh trao đổi nhiệt trong EHR 80

Hình 3.23 Mô hình 3D của EHR 81

Hình 3.24 Phân bố vận tốc của khí thải và nước biển dọc theo chiều ngang của két trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100% tải và 2200 v/ph 82

Hình 3.25 Phân bố nhiệt độ của khí thải và nước biển theo chiều dọc của EHR trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100% tải và 2200 v/ph 83

Hình 3.26 Nhiệt lượng thu hồi và độ giảm nhiệt độ của khí thải trong EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 84

Hình 3.27 Lưu lượng nước biển qua EHR khi ĐCĐT làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 84

Hình 3.28 Tấm cooling pad tạo ẩm trong bình hóa ẩm 85

Hình 3.29 Hai giai đoạn không khí trong bình hóa ẩm 85

Hình 4.1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm 91

Hình 4.2 Cụm phanh điện và đồng hồ hiển thị lực phanh 92

Hình 4.3 Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 93

Hình 4.4 Cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu 93

Hình 4.5 Bộ phận nhập thông số và hiển thị kết quả đo 93

Hình 4.6 Cảm biến đo lưu lượng khí nạp ABB Sensyflow 94

Hình 4.7 Cảm biến đo lưu lượng nước YF-B10 95

Hình 4.8 Cảm biến đo nhiệt độ LM35 95

Hình 4.9 Cảm biến đo nhiệt độ khí thải PT100 96

Hình 4.10 Khúc xạ kế đo độ muối nước biển 96

Hình 4.11 Một số hình ảnh lắp đặt động cơ và hệ thống trên băng thử 97

Hình 4.12 Ne và gekhi có và không có hệ thống với động cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph 98

Hình 4.13 Nhiệt độ nước biển vào và ra khỏi CHR khi động cơ chạy tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 99

Hình 4.14 Nhiệt lượng thu hồi được của nước làm mát và lưu lượng nước biển qua CHR khi động cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 100

Hình 4.15 Nhiệt lượng thu hồi được của nước làm mát CHR khi động cơ chạy ở tốc độ 1800 v/ph và 2000 v/ph 101

Hình 4.16 Lưu lượng nước biển qua CHR khi động cơ chạy ở tốc độ 1800 v/ph, 2000 v/ph 101

Hình 4.17 Nhiệt độ khí thải vào và ra khỏi EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 102

Hình 4.18 Lưu lượng nước biển qua EHR và độ chênh lệch nhiệt độ khí thải khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 102

Hình 4.19 Nhiệt lượng và khả năng thu hồi được của khí thải khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 103

xiii

Hình 4.20 Nhiệt độ khí thải vào và ra khỏi EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 và

2000 v/ph với tải thay đổi 104Hình 4.21 Lưu lượng nước biển qua EHR và độ chênh lệch nhiệt độ khí thải khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 và 2000 v/ph với tải thay đổi 104Hình 4.22 Nhiệt lượng và khả năng thu hồi được của khí thải khi động cơ làm việc tại tốc

độ 1800 và 2000 v/ph với tải thay đổi 104Hình 4.23 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,0) 105Hình 4.24 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,0) 106

Hình 4.25 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và EHR (Gnb/Gkk = 2,0) 107Hình 4.26 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được giữa lý thuyết và thực nghiệm khi động

cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph với tỷ lệ Gnb/Gkk = 2,0 108Hình PL 4.1 Kết cấu EHR 21.PL Hình PL 4.2 Quy trình các bước gia công EHR 21.PL Hình PL 4.3 Kết cấu EHR sau khi hoàn thiện .22.PL Hình PL 4.4 Một số hình ảnh thể hiện quá trình gia công EHR 22.PL Hình PL 4.5 Một số hình ảnh thực tế quá trình gia công EHR 23.PL Hình PL 4.6 Kết cấu CHR 24.PL Hình PL 4.7 Quy trình các bước gia công CHR 25.PL Hình PL 4.8 Một số hình ảnh thực tế quá trình gia công CHR 26.PL Hình PL 4.9 Bình hóa ẩm và ngưng tụ 27.PL Hình PL 4.10 Quá trình gia công bình hóa ẩm 28.PL Hình PL 4.11 Quy trình gia công bình ngưng tụ 28.PL Hình PL 4.12 Một số hình ảnh thực tế quá trình gia công thiết bị hóa ẩm – ngưng tụ 29.PL Hình PL 4.13 Một số hình ảnh thực tế khi tiến hành thực nghiệm 30.PL Hình PL 5.1 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,5) 31.PL Hình PL 5.2 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,25) 31.PL Hình PL 5.3 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,25) 32.PL Hình PL 5.4 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,25) 32.PL Hình PL 5.5 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và EHR (Gnb/Gkk = 2,5) 33.PL Hình PL 5.5 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và EHR (Gnb/Gkk = 2,25) 33.PL Hình PL 6.1 Kết quả phân tích nước chưng cất 34.PL

xiv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1 Một số thông số kỹ thuật của động cơ D243 65

Bảng 3.2 Các phần tử của mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost 66

Bảng 3.3 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng theo đặc tính ngoài của động cơ D243 tại phòng thí nghiệm C15, Trường ĐHBK Hà Nội [80] 67

Bảng 3.4 Nhiệt lượng của ĐCĐT ở các chế độ tải và n = 2200 v/ph 72

Bảng 3.5 Thông số dòng khí thải tại tốc độ 2200 v/ph 72

Bảng 3.6 Thông số cơ bản của két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR 73

Bảng 3.7 Thông số kết cấu chung của CHR 74

Bảng 3.8 Điều kiện biên cho mô hình khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 75

Bảng 3.9 Kết quả mô phỏng CHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi từ 10 ÷ 100% 77

Bảng 3.10 Thông số cơ bản của két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 80

Bảng 3.11 Thông số kết cấu chung của EHR 81

Bảng 3.12 Điều kiện biên cho mô hình khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 82

Bảng 3.13 Nhiệt lượng, độ giảm nhiệt độ khí thải khi ĐCĐT chạy tại tốc độ 2200 v/ph 83

Bảng 3.14 Lưu lượng nước biển qua EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 84

Bảng 3.15 Thông số cơ bản của bộ hóa ẩm – ngưng tụ, HDH 86

Bảng 3.16 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được tính theo lý thuyết khi Gnb/Gkk = 2,5 87

Bảng 3.17 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được tính theo lý thuyết khi Gnb/Gkk = 2,25 88

Bảng 3.18 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được tính theo lý thuyết khi Gnb/Gkk = 2,0 88

Bảng 4.1 Mức độ giảm Ne và tăng gekhi lắp hệ thống (%) tại tốc độ động cơ 2200 v/ph 98 Bảng 4.2 Kết quả thực nghiệm và mô phỏng CHR tại tốc độ 2200 v/ph 99

Bảng 4.3 Nhiệt lượng và lưu lượng nước biển qua CHR khi động làm việc tại tốc độ 1800 v/ph và 2000 v/ph 100

Bảng 4.4 Kết quả so sánh nhiệt độ khí thải, lưu lượng nước biển qua EHR thực nghiệm và mô phỏng tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 10 ÷ 40 % 101

Bảng 4.5 Kết quả so sánh nhiệt lượng thu hồi được của khí thải từ EHR thực nghiệm và mô phỏng tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 10 ÷ 40 % 102

Bảng 4.6 Nhiệt độ khí thải và lưu lượng nước biển qua EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 v/ph và 2000 v/ph 103

Bảng 4.7 Nhiệt lượng và hiêu suất tận dụng được của EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 v/ph và 2000 v/ph 103

Bảng 4.8 Kết quả lưu lượng nước ngọt chưng cất được (l/h) khi chỉ sử dụng CHR 105

Bảng 4.9 Kết quả lưu lượng nước ngọt chưng cất được (l/h) khi chỉ sử dụng EHR 106

Bảng 4.10 Lưu lượng nước ngọt chưng cất được (l/h) khi sử dụng đồng thời CHR và EHR 106

Bảng 4.11 Kết quả so sánh giữa thực nghiệm với lý thuyết khi động cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph và Gnb/Gkk = 2,0 107

r t c n thi t Chính vì v y, ấ ầ ế ậ năm 2014 Chính phủ đã ra Nghị định 67/2014 NĐ-CP

nh m khuyằ ến khích đóng mới tàu đánh bắt xa b có công su t lờ ấ ớn để nâng cao năng

lực, tăng hiệu qu trong khai thác y h i s n trên các vùng bi n xả thủ ả ả ể a Đây chính là điều ki n thu n lệ ậ ợi cho ngành ngư nghiệp, v n t i bi n phát triậ ả ể ển đội tàu c v s ả ề ốlượng và chất lượng

Nước ng t s d ng trên tàu thuyọ ử ụ ền đi biển nói chung và các tàu khai thác th y ủ

h i s n nói riêng gi m t vai trò r t quan trả ả ữ ộ ấ ọng, nó được coi là nhân t quyố ết định

Để ả gi i quy t m t ph n vế ộ ầ ấn đề này, hiện nay đã có mộ ốt s trung tâm nghiên c u ứ

và cơ sở ả s n xuất đưa ra thị trư ng máy tờ ạo nước ng t t ọ ừ nước bi n s d ng công ể ử ụngh m thệthẩ ấu ngược (RO) Tuy nhiên, h ng này m t s h n ch nhệ thố có ộ ố ạ ế ất định như: năng lượng tiêu th cho h th ng l n; b l c phụ ệ ố ớ ộ ọ ải thường xuyên thay m i do ớtàu thường xuyên hoạt động các vùng bi n khác nhau trong khi giá thành thay m i ở ể ớ

b l c caoộ ọ … Đây chính là các yếu t ố đã làm hạn ch r t nhi u hi u qu khai thác ế ấ ề ệ ả

s d ng h ử ụ ệthống RO, cũng như hạn ch kh ế ả năng triển khai nhân r ng vi c trang b ộ ệ ị

h ng này trên các tàu khai thác th y h i s n ho c các tàu th y có công su t máy ệthố ủ ả ả ặ ủ ấchính thấp và trung bình trong giai đoạn hi n nay và th i gian t i ệ ờ ớ

Thự ế ệc t hi n nay, ph n lớầ n các tàu v n t i bi n có công su t động cơ diesel chính ậ ả ể ấ

l n có trang b h ớ ị ệ thống t n d ng nhi t cậ ụ ệ ủa nước làm mát của động cơ diesel đểchưng cất nước ng t t ọ ừ nước bi n ph c v nhu c u s dể ụ ụ đủ ầ ử ụng nước ng t trên tàu ọtrong m i chuyỗ ến đi Tuy nhiên v các tàu khai thác th y h i s n và các tàu v n tới ủ ả ả ậ ải được trang b ị động cơ diesel chính có d i công su t th p và trung bình ả ấ ấ thì nguồn năng lượng nhi t cệ ủa nước làm mát không l n nên vi c áp d ng công ngh ớ ệ ụ ệ chưng

cất nước ng t t ọ ừ nước bi n b ng nguể ằ ồn năng lượng nhi t cệ ủa nước làm mát s ẽkhông đảm b o cung cả ấp đủ ngu n ồ nước ng t cho tàu trong m i chuyọ ỗ ến đi

Trong khi đó phầ ớn các động cơ diesel chính trang bịn l trên các tàu khai thác thủ ả ảy h i s n thu c lo i hiộ ạ ện đại có hi u su t cao, có th t trên 40%, tuy nhiên ệ ấ ể đạnăng lượng nhi t c a khí th i cệ ủ ả ủa động cơ diesel có tăng áp thì sau khi qua b ộtuabin máy nén v n còn khá l n, còn kho ng 30ẫ ớ ả 35% đang thải lãng phí ra môi trường Chính vì v y, nghiên cậ ứu đưa ra mộ ệ ốt h th ng mà có th t n d ng nhi t c a ể ậ ụ ệ ủnước làm mát và nhi t c a khí th i cệ ủ ả ủa động cơ để tăng hiệu qu ả chưng cấ nướt c

2

ng t t ọ ừ nước biển, đáp ứng đủ nhu c u s dầ ử ụng nước ng t trên các tàu khai thác ọthủ ả ảy h i s n là h t s c c n thi t và có tính th i s Vi c th c hi n này không nh ng ế ứ ầ ế ờ ự ệ ự ệ ữ

đảm b o cung cả ấp đủ nhu cầu nước ng t cho các hoọ ạt động trên tàu mà còn làm

gi m t i tr ng và tiêu hao nhiên li u c a tàu, t n d ng hi u qu ả ả ọ ệ ủ ậ ụ ệ ả năng lượng khí thải

và nước làm mát b th i ra môi trư ngị ả ờ , tăng hiệu qu trong m i chuyả ỗ ến đi biển

T nhừ ững cơ sở trên, NCS chọn đề tài “Nghiên c u kh ứ ả năng tận d ng nhiụ ệt nước làm mát và khí th i c a ả ủ động cơ diesel tàu thủy c nh ỡ ỏ để chưng cất nước ngọ ừt t nư c bi n” đểớ ể có th gi i quy t m t ph n nhể ả ế ộ ầ ững khó khăn về nguồn nước

ngọt trên các tàu khai thác th y h i s n xa b củ ả ả ờ ủa Việt Nam hi n nay ệ

ii Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án

• Mục tiêu nghiên c u cứ ủa luận án:

- Đưa ra quy trình gi i pháp ph i h p t n d ng nguả ố ợ ậ ụ ồn năng lượng nhi t ệnước làm mát và nhi t khí th i cệ ả ủa động cơ đốt trong để chưng cất nước

ngọt từ nước biển

- Áp dụng quy trình trên để tính toán, thi t k m mô hình h ế ế ột ệ thống tận

d ng nhiụ ệt nước làm mát và khí th i cả ủa động cơ diesel tàu th y ủ để chưng

- Th c nghi m trong phòng thí nghiự ệ ệm để đánh giá tính năng kinh tế, k ỹthuậ ủ động cơ, đánh giá đột c a tin c y cậ ủa mô hình cũng như đánh giá

hi u qu c h ng t n d ng nhiệ ả ủa ệ thố ậ ụ ệt nước làm mát và khí thải để chưng

cất nước ngọ ừ nướt t c bi n khi lể ắp trên động cơ diesel

iii Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên c u c a lu n án là h th ng t n d ng nhiứ ủ ậ ệ ố ậ ụ ệt nước làm mát và khí thả ộng cơ đểi đ chưng cất nước ngọt từ nước biển bao gồm:

• Thiế ịt b thu h i nhiồ ệt nước làm mát động cơ đốt trong

• Thiế ịt b thu h i nhi t khí th i đồ ệ ả ộng cơ đốt trong

• B ộthiết bị chưng cất nước ngọt từ nước biển

t ừ nước biể ủa hệ thốn c ng

iv Phương pháp nghiên cứu

Luận án s dử ụng phương pháp kết h p gi a nghiên c u lý thuy t, tính toán mô ợ ữ ứ ế

ph ng và nghiên c u ỏ ứ thực nghiệ , trong đó:m

• Nghiên c u lý thuyứ ết để làm cơ sở tính toán thi t k và ch t o h ế ế ế ạ ệthiế ị thu t b

h i nhiồ ệt nước làm mát, thi t b thu h i nhi t khí th i cế ị ồ ệ ả ủa động cơ và hệ ng thốchưng cất nước ng t t ọ ừ nước bi n ể

• Nghiên cứu mô ph ng g m: ỏ ồ

- Nghiên c u mô ph ng chu trình nhiứ ỏ ệt động của động cơ trên phần mềm AVL Boost để xác định phân b lư ng nhiố ợ ệt cho nước làm mát và khí th i ảđộng cơ

- Nghiên c u mô phứ ỏng quá trình trao đổi nhiệt xảy ra bên trong các thi t b ế ịthu h i nhiồ ệt nước làm mát và khí th i cả ủa động cơ trên phần m m Ansys ềFluent để đưa ra các kế ất c u h p lý c a các thi t b thu h i nhi t ợ ủ ế ị ồ ệ

• Thực nghi m trong phòng thí nghi m ệ ệ

- Xác định các thông s ố đầu vào và đánh giá độ tin c y c a mô hình tính ậ ủ

- Đánh giá khả năng tận d ng nguụ ồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhi khí i cệt thả ủa động cơ để chưng cất nước ng t t ọ ừ nước biển đồng thời đánh giá tính năng kinh tế ỹ k thu t cậ ủa động cơ khi lắp h th ng ệ ố chưng

- K t qu c a lu n án có th áp d ng vào s n xu t thi t b ế ả ủ ậ ể ụ ả ấ ế ị chưng cất nước

ng t t ọ ừ nước bi n s dể ử ụng năng lượng nhiệt nước làm mát và khí i cthả ủa

động diesel l p cho các tàu khai thác th y h i s n xa b c a Vi t Nam cơ ắ ủ ả ả ờ ủ ệ

- Góp ph n hiầ ện đại hóa các tàu khai thác th y hủ ải sản xa b c a Vi t Nam ờ ủ ệ

vi Điểm mới của Luận án

Đã xây dựng được quy trình tính toán thi t k h th ng t n d ng nhiế ế ệ ố ậ ụ ệt nước làm mát và khí th i cả ủa động cơ diesel để chưng cất nước ngọ ừ nướt t c bi n ể

Đã áp d ng thành công quy trình tính toán thi t k 01 mô hình h ng tụ để ế ế ệthố ận

d ng nhiụ ệt nước làm mát và khí thải động cơ diesel để chưng cất nướ c ng t t ọ ừ nước

bi n ể theo phương phápHDH

4

vii Bố cục của Luận án

Luận án đư c th c hiệ ớợ ự n v i nh ng ph n chính sau: ữ ầ

M u ở đầ

Chương 1 Tổng quan

Chương Cơ sở2 lý thuy t ế

Chương 3 Nghiên c u, tứ ính toán thi t k h thvà ế ế ệ ống chưng cất Chương 4 Nghiên c u th c nghi m ứ ự ệ

Kết luận chung và hướng phát tri n ể

5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan hiệu suất có ích của động cơ và nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải

Động cơ đốt trong (ĐCĐT) ệhi n nay vẫn đóng vai trò quan trong, là nguồn động

lực chính trong các lĩnh vực giao thông v n t i, nông lâm ậ ả – – ngư nghiệp Tuy nhiên

phần năng lượng h u ích truy n t i máy công tác ch ữ ề ớ ỉchiếm khoảng 21÷33% đối với

động cơ xăng, và 25÷40% đối với động cơ diesel, phần còn l i kho ng 60÷79% ạ ảnăng lượng m t ấ mát ra môi trường, trong đó chủ ế y u nhi t truy n cho h th ng làm ệ ề ệ ốmát kho ng 25÷30%, nhi t cho khí thả ệ ải mang đi chiếm kho ng 30÷35% [1÷7 ả ], như

thể ệ hi n trên biểu đồ H 1.1 ình

Hình 1.1 Đồ thị phân bố nhiệt của ĐCĐT

Do đó, ệvi c tăng hiệu su t có ích, gi m tiêu th nhiên li u và phát thấ ả ụ ệ ải độc h i ạluôn là những m c tiêu chính c a các nhà nghiên c u phát triụ ủ ứ ển ĐCĐT Để đạt được các m c tiêu nêu trên, hàng lo t các công ngh hiụ ạ ệ ện đại và thân thiện môi trường đã

và đang được áp dụng như: cơ cấu phân ph i khí thông minh VVT-i (Variable ốValve Timing intelligence) ]; h [8 ệ thống nhiên liệu điện t EFI (Electronic Fuel ửInjection), DFI (Direct Fuel Injection), Common Rail; các phương pháp hình thành

h n h p m i: HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), PCCI ỗ ợ ớ(Premixed Charge Compression Ignition), RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) … Điển hình như tác gi inash Kumar Agarwalb và các ả Av

c ng s ộ ự[9] đã nghiên c u nâng cao hi u su t nhi t cứ ệ ấ ệ ủa động cơ diesel khi sử ụ d ng

h ệ thống Common rail, nghiên cứu được th hi n ực ệ khi ĐCĐT làm việc ở ốc độ tkhông đổi và áp su t phun th ấ ay i K t qu cho th y áp su t phun nhiên liệu và đổ ế ả ấ ấthời gian bắt đầu phun ảnh hưởng đến hi u su t nhiệ ấ ệt cũng như lượng phát th i c a ả ủđộng cơ Tác gi Ahmet Uyumaz và các c ng s ả ộ ự[10] đã nghiên cứu quá trình cháy

do nén h n hỗ ợp đồng nh t (HCCI) K t qu nghiên c u cho th y hi u su có ích ấ ế ả ứ ấ ệ ất

của động cơ tăng 4,92%, công suất đầu ra tăng 1,18% trong khi suất tiêu hao nhiên liệu gi m 24,08% Tác gi Suozhu Pan và các c ng s [11ả ả ộ ự ] đã nghiên cứu và th ửnghiệm động c cháy do nén có ki m soát ho t tính nhiên li u (RCCI) v i h n hơ ể ạ ệ ớ ỗ ợp 2-butanol và diesel, k t qu cho thế ả ấy lượng phát th i NOả x và PM giảm đồng thời

hi u su t nhiệ ấ ệt động cơ tăng khoảng 7% Tác gi Yahui Zhang và các c ng s [12] ả ộ ự

đã nghiên cứu quá trình đốt cháy v i h n hớ ỗ ợp nghèo trong động cơ xăng và đã cải thiện tăng thêm được hi u su t tệ ấ ối đa của động cơ lên 6,91% và hiệu su t trung bình ấ

6

tăng thêm được 4,98% so với đốt cháy h n h p theo cân b ng hóa h c Euijoon ỗ ợ ằ ọShim và các c ng s 3] ộ ự [1 đã nghiên cứu các công ngh hình thành h n h p cháy ệ ỗ ợ(HCCI, PCCI và DF-PCCI), k t qu cho thế ả ấy khi quá trình đốt cháy theo ki u DF-ểPCCI thì hi u su có ích cệ ất ủa động cơ lên tới 45,3%, lượng CO2 giảm 14,3% nhưng nhược điểm c a nó là tủ ạo ra lượng HC và CO cao hơn

Như vậy theo các nghiên cứu trên, có thể thấy rằng mặc dù hiệu suất của ĐCĐT ngày càng được cải thiện nhưng vẫn còn một phần lớn (hơn 50%) năng lượng nhiệt

bị mất mát chủ yếu cho làm mát và khí thải Chính vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và khí thải có thể coi là giải pháp có nhiều tiềm năng trong việc tăng hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường của ĐCĐT

cao hiệu suất nhiệt của hệ động lực

1.2.1 Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén

T nh ng ừ ữ năm 1909 Dr AlfredJ Buchi 4] [1 đã nghiên cứ ử ụu s d ng khí i thả đưa vào tuabin sinh công dẫn động máy nén để tăng áp khí nạp nhằm tăng lượng khí nạp vào xylanh trong m chu trình công tác cỗi ủa ĐCĐT, n ờ đó đốt đượh c nhi u nhiên ềliệu hơn, công suất riêng c a động cơ sẽ tăng Sơ đồ ệ ống tăng áp bằủ h th ng tuabin máy nén sử ụng trên ĐCĐT đượ d c th hi n trên Hình 1.2 ể ệ

Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin -máy nén sử dụng trên ĐCĐT

1- Van c a x ; 2- B ử ả ộ chấ p hành; 3- Bánh tuabin; 4- Tuabin tăng áp; 5 - Bánh nén; 6- C ả m

bi ến lưu lượ ng khí n p; 7- B làm mát trung gian; 8- C m bi n áp su t tuabin ạ ộ ả ế ấ

Có th ểthấy, tăng áp cho động cơ diesel là một trong nh ng gi i pháp hi u ữ ả ệ quả

nhằm tăng công suất, gi m tiêu hao nhiên liả ệu Khi động cơ được tăng áp sẽ cho phép nạp được nhi u nhiên liề ệu hơn do vậy công su t riêng cấ ủa động cơ sẽ được cải thiện đáng kể Ngoài ra, áp su t khí n p cao s làm c i thi n quá trình hình thành ấ ạ ẽ ả ệ

h n h p ỗ ợ trong động cơ và sẽ góp ph n c i thi n quá trình ầ ả ệ cháy Điều này dẫn đến

hi u suệ ất động cơ sẽ được tăng, đồng th i gi m hàm ờ ả lượng các ch t phát thấ ải độc

h i trên mạ ột đơn vị công suất Như vậy tăng áp là ệbi n pháp hi u qu nâng cao ệ ả để

s nghiên c u gố ứ ần đây như: Jianbing Gao và các công s [15ự ] đã nghiên c u ứ tăng áp khí nạp cho động cơ diesel ủ c a xe t i h ng n ng, k t qu cho th y hi u su t nhiả ạ ặ ế ả ấ ệ ấ ệt

của động cơ có thể lên tới 38% khi động cơ hoạt động 50 ÷ 100 % t i và tở ả ốc đ ừộ t

1000 ÷ 1700 v/ph

1.2.2 Sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC)

Hình 1.3 Sơ đồ chu trình ORC [1 6]

1- Thùng nướ c; 2- Bơm; 3 - Két làm mát; 4- Buồng bay hơi; Tuabin hơi; Buồ 5- 5- ng

ngưng tụ

Phương pháp này tận d ng nhi t cụ ệ ủa nước làm mát ho c khí th i CĐT nhi t ặ ả Đ ở ệ

độ ấ để th p thay đổi pha (l ng ỏ – hơi) của môi ch t và sinh ra công hấ ữu ích (thường là

k t hế ợp phát điện), như thể hi n trên Hình 1.3 Vệ ới phương pháp này, tác gi ả FU Jian-qin và các c ng s ộ ự đã nghiên cứ ậu t n d ng nhi t ụ ệ nước làm mát nhiở ệt độ thấp cho chu trình Rankine hữu cơ, kết qu cho th y có th c i thi n ả ấ ể ả ệ được hi u su t cệ ấ ủa động cơ đến 12,1% [16 ]

1.2.3 Nhiệt điện (T hermoelectric Generation - TEG)

TEG là phương pháp tận dụng năng ợlư ng nhi t khí i cệ thả ủa ĐCĐT để chuyển hóa thành điện năng, sơ đồ nguyên lý được th hi n trên Hể ệ ình 1.4

Với ưu điểm v nguề ồn năng lượng khí thải trên động cơ ớ l n và có nhiệt độ cao,

vì v y nghiên c u s d ng thi t b ậ ứ ử ụ ế ị phát điện để ậ t n d ng nhiụ ệt năng từ khí i cthả ủa ĐCĐT nhận được s quan tâm l n c a các hãng s n xuự ớ ủ ả ất ô tô hàng đầu trên th gi i ế ớnhư, hãng BMW, Huyndai và General Motors Trong đó công ty “BMW AG” đã áp

dụng phương pháp này trên mộ ốt s xe ôtô có trang b ị động cơ hỗn h p, bao gợ ồm ĐCĐT và TEG cho công suất đạt đến 600W, nh su t tiêu hao nhiên li u có th ờ đó ấ ệ ể

giảm ới t 5% V i tiớ ềm năng như vậy, công ty “General Motors” kế ợt h p với “trung tâm nano Birka” của M ỹ đã và đang nghiên cứu tăng ệhi u suất TEG dùng cho động

8

cơ ôtô Hình 1.5 th hi n k t c u ch t bán d n p-n trong thi t b TEG ] ể ệ ế ấ ấ ẫ ế ị [18

Hình 1.4 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ để phát điện (TEG) [1 8]

1- B chuy ộ ển đổi năng lượ ng; 2- TEG; 3- Thi t b ế ị trao đổ i nhi t; 4- B xúc tác ệ ộ

Hình 1.5 Chất bán dẫn p -n tr ong thiết bị TEG [18 ]

S k t h p giự ế ợ ữa ĐCĐT với TEG đã cho phé tăng tính năngp kinh t cế ủa động cơ

nh sờ ản sinh thêm điệ năng cũng nhưn có th giể ảm suất tiêu hao nhiên li uệ Do đó

v i nh ng l i th cớ ữ ợ ế ủa TEG đã có nhiều nghiên cứu như: Xiaodong Zhang và K.T Chau [19] đã nghiên cứ ế ợu k t h p TEG trên ô tô, k t qu cho th y có th c i thiế ả ấ ể ả ện công suất động cơ thêm 17,9%, Stobart R và Weerasing R [ ] đã nghiên cứ20 u TEG trên các phương tiện giao thông và k t qu cho th y có th t o ra công suế ả ấ ể ạ ất điện kho ng 1,3 kW trên m t xe ch khách, hay Anbang Liu và các c ng s [21ả ộ ở ộ ự ] đã nghiên nâng cao hi u su t c a h ệ ấ ủ ệ thống TEG b ng cách k t h p v i PCM (Phase ằ ế ợ ớChange Materials), k t qu cho thế ả ấy trong điều ki n làm vi c tệ ệ ối ưu có thể ạ t o ra năng lượng điệ ối đa là 1386,45 Jn t

9

1.2.4 Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi

Như đã ếbi t, nhiệt lượng mà khí thải ĐCĐT mang ra ngoài là r t l n Trong ấ ớnhiều ĐCĐT tổn thất này tương đương với nhi t sinh công có ích và chiệ ếm hơn 1/3

tổng lượng nhiệt lượng do nhiên li u cháy tệ ỏa ra Do trường nhiệt độ ớ l n, g p 5÷6 ấ

l n nhi t cầ ệ ủa nước làm mát, nên d t n d ng và t n d ng có hi u qu ễ ậ ụ ậ ụ ệ ả hơn so với nước làm mát Chính vì v y gi i pháp t n d ng nhi t khí thậ ả ậ ụ ệ ải để gia nhi t cho n i ệ ồhơi cũng đã đạt được nh ng thành công nhữ ất định Sơ đồ ậ t n d ng nhi t khí thụ ệ ải đểgia nhi t cho nệ ồi hơi thể hi n trên H 1.6, cho th y khí th i sau khi ra khệ ình ấ ả ỏi động

cơ 1 sẽ đi vào nồi hơi 2 đặt trên đường th i Trong nả ồi hơi 2, khí thả ừ động cơ 1 i t truyền nhiệt cho nước để nung nóng và biến thành hơi Nước nóng theo ng d n v ố ẫ ềbình góp 4 Ở đây, hơi được tách khỏi nước theo ng dố ẫn đi cung c p cho nhu cấ ầu trang b ng l c Phị độ ự ần nước còn l i trong bình góp ạ 4 được bơm 3 hút để duy trì s ựtuần hoàn trong mạch, bơm còn lại hút nướ ừ ể 5 để ổ sung nước t b b c cho m ch ạ Hơi được sinh ra áp sucó ất 5÷6 kG/cm2 chủ ếu đáp ứ y ng các nhu c u ph ầ ụ như: sưởi phòng , s y hàng ho c s y nhiên li u n ng cho các tàu v n tở ấ ặ ấ ệ ặ ậ ải biển

Hình 1.6 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt nồi hơi [4 ]

1- Động cơ; 2 Nồi hơi tận dụng; 3 Bơm nước; 4 - - - Bình góp; 5- Bể chứa nước

1.2.5 Nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ từ nhiệt nước làm mát

T n th t nhi t vổ ấ ệ ới nước làm mát là thành ph n t n th t l n th hai (sau t n thầ ổ ấ ớ ứ ổ ất khí thải) trong ĐCĐT, qlm n m trong kho ng 27 ÷ 31% [4] Giá tr c a t n th t này ằ ả ị ủ ổ ấ

ph thu c vào k c u và ch làm vi c cụ ộ ết ấ ế độ ệ ủa động cơ, mức độ tăng áp, nhiệt độlàm mát trung bình c a môi ch t và ph thu c vào hàng loủ ấ ụ ộ ạt các yế ốu t khác

Nhiệt độ trung bình của nước làm mát là 70÷850C và t trong kho ng 5÷7ả 0C nên

vi c t n d ng nhiệ ậ ụ ệt nước làm mát sinh công có ích g p nhiđể ặ ều khó khăn Tuy nhiên n u s d ng các gi i pháp hế ử ụ ả ợp lý cũng như khi động cơ làm việc ở chế độ ải tcao thì vẫn có th t n d ng hi u qu ngu n nhi t này ể ậ ụ ệ ả ồ ệ

Trong th c t s d ng các trang b ng l c diesel ự ế ử ụ ị độ ự đã cho y r ng: S mài mòn thấ ằ ự

c a nhóm piston-xylanh và su t tiêu hao nhiên li u ph ủ ấ ệ ụthuộ ất ềc r nhi u vào ch ế độnhi t cệ ủa nước làm mát Khi tăng nhiệt độ ủa nướ c c làm mát, s hao mòn và ự suất tiêu hao nhiên li u giệ ảm rườT ng h p này nhiợ ệt độ ủ c a khí thải cũng tăng chút ít,

Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý tận dụng nhiệt từ nước làm mát phục vụ sinh hoạt [4] 1- Động cơ; 2 Thùng giãn nở; 3 Két thu hồi nhiệt; 4 Bơm nước; 5 Bể cấp nước; 6 - - - - - Van

điều chỉnh; 7 Két làm mát nước -

Hình 1.7 gi i thiớ ệu phương pháp thu hồi nhi t t ệ ừ nước làm mát động cơ ằb ng két thu h i nhi t (3) ph c v cho sinh ho t trên tàu bi n ồ ệ để ụ ụ ạ ể Trong đó nếu nhiệt độ ủ c a nước làm mát ra khỏi động cơ khoảng 75÷850C thì nhiệt độ môi ch t làm mát cấ ủa két thu h i nhi (3) t n d ng ch tồ ệt ậ ụ ỉ ối đa là 65÷750C [4]

1.3 Nhu cầu sử dụng nước ngọt và các phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển

1.3 1 Thực trạng nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu biển

Nước ng t s d ng trên tàu thuyọ ử ụ ền đi biển nói chung và các tàu khai thác th y ủ

h i s n nói riêng gi m t vai trò r t quan trả ả ữ ộ ấ ọng, nó được coi là nhân t quyố ết định thời gian và tính hi u qu c a mỗệ ả ủ i chuyến đi biển

Với các ngư dân đi tàu biển khai thác th y s n xa b , thủ ả ờ ời gian ra khơi là khá dài,

nh ng lữ ần đi biển kéo dài hàng vài tháng, do đó các tàu đánh bắt xa b hay g p phờ ặ ải

nh ng vữ ấn đề khó khăn trong sử ụng nướ d c sinh ho t Trong m i chuyạ ỗ ến đi, các tàu đánh bắt cá s ch ch ẽ ỉ ở mang theo được một lượng nước ng t nh t đ nh ph c v sinh ọ ấ ị ụ ụ

hoạt cho ấ ảt t c thuy n viên có trên tàu Vi c lề ệ ấy nước ng t t t liọ ừ đấ ền và lưu trữmang theo để ử ụ s d ng dài ngày trên bi n cể ủa ngư dâ ừ bao đờn t i nay s r t t n kém ẽ ấ ố

v nhiên liề ệu để ậ v n chuyển, lượng nước ng t mang theo trên thuyọ ền thường ch ỉđáp ứng được nhu c u t i thi u v ầ ố ể ề ăn uống Nhu c u v t m gi t bầ ề ắ ặ ằng nước ng t là ọđiều quá xa v i vờ ới các ngư dân trên tàu trong điều ki n khan hiệ ếm nước ngọt như

v y Vi c chuyên ch m t s ậ ệ ở ộ ố lượng lớn nước s ẽ chiếm m t diộ ện tích cũng như

11

không gian đáng kể ốn đã chậ v t h p trên tàu Tình tr ng thiẹ ạ ếu nước ngọt thường xuyên xảy ra trên các tàu đi ểbi n, m i khi s d ng hỗ ử ụ ết lượng nước ng t mang theo, ọcác ngư dân phải ng ng hoừ ạt động đánh bắt, b ỏ ngư trường mà quay vào các đảo

g n nhầ ất để tiếp nước, nh ng l n di chuyữ ầ ển như vậy khi n cho hi u quế ệ ả, năng suất công vi c gi m sút, nhiên liệ ả ệu đi lạ ối t n kém, m t thêm nhi u kho n chi phí phát ấ ề ảsinh gây nhiề ạu h n ch b t cậế ấ p cho chuyến đi

Hình 1.8 Các tàu khai thác thủy hải sản ở Việt Nam

Theo ch tàu Nguy n Tr ng Kim (Qu ng Ngãi) [22ủ ễ ọ ả ] đối v i các tàu khai thác ớthủ ả ả ở ệy h i s n Vi t Nam thì m i chuy n bi n kéo dài t 10 - 15 ngày, tàu ch theo ỗ ế ể ừ ởkho ng 1,5 2,0 mả 3nước ngọt được ch a trong các b n (Hình 1.8), tính bình quân ứ ồ

m i ngày, mỗ ỗi ngư dân chỉ ử ụ s d ng khoảng hơn 10 lít nước cho m i hoọ ạt động ăn

u ng, t m giố ắ ặt Do đó cuộc s ng, sinh ho t hàng ngày cố ạ ủa ngư dân gặp nhi u khó ềkhăn, vì vậy c n thi t ph i có m t h th ng cung cầ ế ả ộ ệ ố ấp nước ng t trên các tàu ọ

1.3.2 Tính chất hóa lý của nước biển

Nước biển có độ mặn không đồng đều trên toàn th gi i và ph n lế ớ ầ ớn có độ ặ m n

n m trong kho ng t 3,1% t i 3,8% Khi s pha trằ ả ừ ớ ự ộn với nước ngọt đổ ra t các con ừsông hay gần các sông băng đang tan chảy thì nước bi n nhể ạt hơn một cách đáng

kể Nước bi n nh t nh t có t i v nh Ph n Lan, m t ph n c a bi n Baltic Bi n mể ạ ấ ạ ị ầ ộ ầ ủ ể ể ặn

nh t (nấ ồng độ muối cao nh t) là biấ ển Đỏ (Hồng H i), do nhiả ệt độ cao và s ự tuần hoàn b h n ch ị ạ ế đã tạo ra t l bỷ ệ ốc hơi cao của nước b mề ặt cũng như có rất ít nước

ng t t các cọ ừ ửa sông đổ vào Độ ặ m n cao nh t cấ ủa nước bi n trong các bi n cô lể ể ập (biển kín) như biển Chết cao hơn một cách đáng kể Nước biển bay hơi ở áp su t ấkhông được lớn hơn 12÷24 kPa (0,123÷0,246 at) Khi đó nhiệt độ hơi bão hòa 50÷60oC T ng cỷ trọ ủa nước bi n n m trong kho ng 1.020 t i 1.030 kg/m³ t i b ể ằ ả ớ ạ ề

mặt còn sâu trong lòng đại dương, dưới áp suất cao, nước bi n có th t t ng ể ể đạ ỷ trọriêng tới 1.050 kg/m³ hay cao hơn Như thế nước bi n nể ặng hơn nước ng t do tr ng ọ ọ

lượng b sung c a các mu i và hiổ ủ ố ện tượng điện giải Điểm đóng băng của nước bi n ể

gi m xuả ống khi độ ặn tăng lên và nó là khoả m ng -2°C nở ồng độ 3, [23 M t s 5% ] ộ ốtính ch t v t lý cấ ậ ủa nước biển được sử ụ d ng trong quá trình tính toán thiết kế:

• Nhiệt dung riêng của nước biể Cn: nb = 3915 (J/kg.K)

• Độ nh t ớ động ọ h c của nước biển: υnb = 1,03.10-6 (m2/s)

• H s ệ ố dẫn nhiệ ột đ của nước biển: anb = 1,48.10-7 (m2/s)

• H s d n nhiệ ố ẫ ệt của nước biển: λnb = 0,593 (W/m.K)

1 3 3 Các giải pháp công nghệ tạo nước ngọt từ nước biển hiện nay

Hình 1.9 Các công nghệ khử muối trên thế giới hiện nay 4] [2

T nhừ ững năm 20 của th k ế ỷ trước, nhi u nhóm nghiên c u và các công ngh ề ứ ệ đã được th c hiự ện để ạo nướ t c ng t t ọ ừ nước bi n Nguyên t c cể ắ ủa phương pháp xử lý nước bi n ể thành nước ng t là: Giọ ảm hàm lượng muối NaCl trong nướ ớc t i m c cho ứphép có th ể ăn uống, t m giắ ặt được Hình 1.9 hi n các công ngh kh thể ệ ệ ử muối chính hiện nay đang được s d ng trên th gi i [24ử ụ ế ớ ]: phương pháp nhiệt (MSF, MED, LTTD, VC, HDH), phương pháp lọc màng (RO, MD, ED, FO), phương pháp hóa h c (IX, GHD), m t s ọ ộ ố phương pháp khác (PP sinh h - Bio densalination; PP ọc MWT - Mine water treatment; PP DH - Dew harvesting)

1.3.3.1 Khử muối theo phương pháp nhiệt

Khử mu i ố theo phương pháp nhiệt là một quá trình trong đó hơi nước đượ ạc t o ra

t ừ nước bi n b ng cách s dể ằ ử ụng năng lượng nhi tệ Điều này có th ể đạt được b ng ằcách gi m áp suả ất môi trường ho c b ng cách liên t c cung cặ ằ ụ ấp năng lượng nhi t ệTrong trường hợp đầu tiên khi gi m áp su t cả ấ ủa nước bi n thì nhiể ệt độ cũng liên tiếp giảm để duy trì tr ng thái cân b ng, tùy theo nhiạ ằ ệt độ ban u, chúng ta có th đầ ể

có nhiều giai đoạn trong h ng kh ệ thố ử muố ằi b ng nhi t V m t nhiệ ề ặ ệt động, khi áp suất ch t l ng giấ ỏ ảm đột ngột dưới áp su t bão hòa c a nó, nhiấ ủ ệt lượng th a không ừthể ứ ch a trong ch t lấ ỏng dướ ại d ng nhi t s đư c truy n vào nhi t ẩệ ẽ ợ ề ệ n hóa hơi nước

B ng cách ki m soát v n t c cằ ể ậ ố ủa hơi nước, ta có th gi không cho tinh th ể ữ ểmuối hòa lẫn trong hơi nước tinh khiết, khi ngưng tụ ằng môi trường ngưng tụ b thích h p ợ

s tẽ ạo ra nước ng tọ Trong trường h p th haiợ ứ , thường được gọi là chưng cất, hơi đượ ạc t o ra b ng cách cung c p nhiằ ấ ệt đủ để cho nướ c bi n sôi và ể bay hơi Hiện này

có 5 công ngh chính kh ệ ửmuối theo phương pháp nhiệt: MSF, MED, LTTD, VC, HDH

13

a) Phương pháp chưng cất đa tầng (Multi Stage Flash Distillation – MSF)

MSF là phương pháp chưng ất theo phương pháp nhiệ c t kiểu đa tầng, MSF đóng

m t vai trò quan tr ng trong vi c cung cộ ọ ệ ấp nước ngọt ở nhi u khu v c trên th giề ự ế ới,

đặc bi t là ệ ở các nước Trung Đông, và chiếm kho ng 34% công su t kh mu i trên ả ấ ử ố

thế ới [25] Đây là mộ gi t trong những phương pháp kh ối đáng tin cậ ới hơn ửmu y v

50 năm phát triển [26] Hình 1.10 cho th y mấ ột sơ đồ nguyên lý c a h thủ ệ ống chưng

c t MSF [27] ấ

Hình 1.10 Sơ đồ hệ thống chưng cất nước kiể u MSF [27]

1- Bơm thoát nướ c; 2- Bình gia nhi t; 3- Van; 4- ệ Bơm nướ c bi n vào; ể

5- Bơm nướ c ng t; 6- ọ Bơm nướ c bi n ra ể

Trong quy trình MSF, mỗi giai đoạn k p c quy trình hoế tiế ủa ạt động áp suở ất thấp dần Nước cấp đầu tiên được làm nóng dưới áp suất cao, và được d n vào ẫ

buồng đầu tiên, nơi áp suất được gi i phóng, khiả ến nước sôi nhanh chóng dẫn đến

bốc hơi đột ngột Quá trình bay hơi vẫn di n ra trong tễ ừng giai đoạn k p, b i vì ếtiế ở

áp suất ở giai đoạn sau thấp hơn so với giai đoạn trước Hơi nước đượ ạc t o ra s ẽchuyển thành nước ng t bọ ằng cách ngưng tụ trên ống trao đổi nhi t ch y qua t ng ệ ạ ừgiai đoạn, các ống này được làm mát bằng nước bi n cể ấp đến Nói chung, ch có ỉ

m t t l nh ộ ỷ ệ ỏ nước cấp được chuyển thành hơi và các nhà máy MSF đã được xây

d ng t ự ừ cuối những năm 1950 Mộ ốt s nhà máy MSF có th có t ể ừ 15 đến 25 giai đoạn, nhưng thường có công su t không lấ ớn hơn 56,8 nghìn m3/ngày Các nhà máy chưng cất MSF có quy trình m t l n ho c tái s dộ ầ ặ ử ụng nước bi n ể

Trong m t nhà máy kh ộ ử muố ử ụng phương pháp MSF, năng lượng để ạt i s d hođộng cao hơn so với các phương pháp kh mu i khác cho cùng mử ố ột lượng nước được s n xu t (1750kWh/ngày) [28] Các h th ng MSF có hi u qu cao khi ho t ả ấ ệ ố ệ ả ạ

động nhiở ệt độ nước bi n cao (t 90-120ể ừ 0C) tuy nhiên nhiệt độ nước bi n cao nhể ất cho phép là 1200C, nhiệt độ quá cao s ẽ làm tăng kế ủ đónt t a g c n các mu i trên b ặ ố ề

mặt trao đổi nhiệt cũng như ăn mòn bề ặ m t các thi t b Ngoài ra, khi s mế ị ử ột lượng

lớn năng lượng để kh ử muối thì s ẽ làm tăng hiệ ứng nhà kính (GHG) đượ ạu c t o ra

do đốt cháy nhiên li u hóa th ch Ch t ch ng ệ ạ ấ ố đóng cặn được dùng trong h th ng có ệ ốthể gây hại cho môi trường Do đó, MSF chỉ có th ể được s dử ụng khi nơi có ẵs n nguồn năng lượng nhiở ệ ột đ cao…

14

b) Phương pháp chưng cất liên hoàn (Multiple Effect Distillation MED) –

Trong quy trình chưng cất hi u ng nhiệ ứ ều ngăn (MED), nước bi n ể được kh ửmuố ằng phương pháp bay hơi và ngưng tụ ởi b áp su t gi m dấ ả ần Phương pháp MED đang nhận được nhi u s ề ự chú ý hơn trong số các công ngh kh mu i do các ệ ử ố

ưu điểm chính của nó, như tiêu thụ năng lượng th p so v i MSF, h s truy n nhi t ấ ớ ệ ố ề ệ

t ng th cao ổ ể hơn, diện tích ít hơn so với MSF, nhiệt độ hơi nước hoạt động th p và ấ

có th s d ng các ngu n có nhiể ử ụ ồ ệt độ thấp để cung cấp năng lượng cho nó Hình 1.11 cho th y mấ ột sơ đồ nguyên lý của hệ thống chưng cất MED [29]

Hình 1.11 Sơ đồ hệ thống chưng cất nước biển kiểu MED [ 29]

1- Nướ c ra; 2- Hơi quá nhiệ t; 3- Van; 4- Bơm nướ c bi n; 5- ể Bình ngưng tụ ; 6- Nướ c

bi n vào; 7- ể Bơm thoát nướ c bi n; 8- ể Bơm thoát nướ c ng t ọ

M t nhà máy kh ộ ử muố ử ụng phương pháp MED sải s d n xu t 100 mấ 3/ngày nước

u ng cố ần 1750 kWh/ngày năng lượng để hoạt động H u h t các quy trình MED ầ ế

hoạt động nhiở ệt độthấp dưới 700C Ngoài ra, MED kết hợp với máy nén hơi sẽ có thể làm tăng làm tăng tỷ ệ ệ l hi u suất hơn 20% Ở quy mô thương mại, h u h t các ầ ế

h ệthống MED được thi t k hoế ế để ạt động ở chế độ độ ậ c l p ho c k t h p v i máy ặ ế ợ ớnén hơi nhiệt (MED/TVC)

c) Khử muối ở nhiệt độ thấp (Low Temperature Thermal Desalination - LTTD)

Hình 1.12 Hì nh sơ đồ chưng cất kiểu LTTD [30 ] 1- Nướ c bi n có nhi ể ệt độ p; 2- thấ Nướ c bi n có nhi ể ệt độ cao; 3,4,10- Bơm ; 5- Bình bay

15

hơi; 6,9 Bình ngưng tụ - ; 7,8- Van

Trong đại dương, nhiệt độ nước biển thay đổi theo độ sâu của nó Độ chênh l ch ệnhiệt độ ữ gi a b mề ặt nước biển và nước bi n ể ở dưới độ sâu nhất định được s dử ụng làm bay hơi nước nhiệt độ ấp và ngưng tụ hơi nước tao ra nướ th c tinh khiết (như thể

hi n trên Hình 1.12) ệ

Chưng cất nhiệt độ th p hiấ ện đang được coi là m t trong nhộ ững phương pháp

kh ử muối đầ ứ ẹy h a h n Công ngh LTTD s d ng gradient nhiệ ử ụ ệt độ gi a hai vùnữ g nước để làm bay hơi nướ ấm hơn ởc áp su t thấ ấp và ngưng tụ hơi nước ] [30

Các thành ph n chính c n thi t cho nhà máy LTTD g m: Buầ ầ ế ồ ồng bay hơi, bình ngưng, máy bơm và đường ống để hút nướ ấc m và lạnh, và bơm chân không để duy trì áp su t khí quy n M t trong nh ng l i th c a quy trình là nó có th ấ ể ộ ữ ợ ế ủ ể được thực

hi n ngay c vệ ả ớ ội đ chênh nhiệ ột đ p kho ng 8÷10thấ ả 0C giữa hai vùng nước

d) Chưng cất kiểu nén hơi (Vapour Compression – VC )

Chưng cất kiểu nén hơi (VC) phù hợp cho các h thệ ống chưng cấ ừt t nh n ỏ đếtrung bình [31] H ng hoệthố ạt động d a trên s gi m áp suự ự ả ất để làm bay hơi nước Nhiệt cho s ự bay hơi được cung c p bấ ởi quá trình nén hơi, bằng máy nén cơ (máy nén hơi cơ họ –c Mechanical Vapor Compression, MVC hoặc máy phun hơi (nén hơi nhiệ –t) Thermal Vapor Compression, TVC)) MVC đã được ch ng minh là có ứ

hi u qu i v i các nhà máy có công su t nhà máy nh và trung bình và c c k ệ ả đố ớ ấ ỏ ự ỳ

ph bi n trong các nhà máy kh ổ ế ửmuối lai (MED-MVC) MVC thường được áp dụng cho các phương pháp xử lý khác như một cách để tăng hi u qu ệ ả năng lượng Hình 1.13 hithể ện sơ đồ nguyên lý h ệthống chưng cất kiểu VC

Hình 1.13 Sơ đồ chưng cất kiểu VC [3 1]

1- Nướ c bi n tái s d ng; 2- ể ử ụ Nướ c bi n vào giàn phun; 3- Vòi phun; 4- ể Động cơ; 5 - Máy t ạo hơi; 6 Nướ ạ - c s ch; 7- Nướ c bi n ra; 8- ể Nướ c bi n vào; 9- Bình gia nhi t ể ệ

Các nhà máy MVC thường có công su t lên t i kho ng 3000 mấ ớ ả 3/ngày, trong khi

m t s nhà máy s d ng ki u TVC có th cho công su t 20.000 mộ ố ử ụ ể ể ấ 3/ngày Các h ệ

thống MVC thường ch có mỉ ột giai đoạn duy nh t, trong khi các h ống TVC có ấ ệ th

một số giai đoạn [32] S khác bi t này xu t phát t c t là các h ng MVC có ự ệ ấ ừthự ế ệthốcùng mức tiêu th ụ năng lượng c th ụ ể (năng lượng/đơn vị nước được s n xu t) b t k ả ấ ấ ể

Đặc điểm chung của các phương pháp chưng cất ki u MSF, MED, VC là ho t ể ạ

động áp su t th p nên c n trang b ở ấ ấ ầ ị bơm hút chân không cũng như các bình chưng

c t phấ ải được ch t o kín khít Do v y làm cho giá thành thi t b cao, chi phí vế ạ ậ ế ị ận hành b o trì l n nên phù h p vả ớ ợ ới các nhà máy chưng cất nước có quy mô công nghi p ệ

e) C hưng cất kiểu hóa ẩm ngưng tụ (H - umidification Dehumidification - H – DH )

Tương tự như MSF và MED, HDH làm bay hơi nước theo phương pháp nhiệt Nhưng HDH khác v i MSF và MED ch ớ ở ỗ nước bay hơi không được x ử lý dưới

dạng hơi tinh khiết, mà được s dử ụng để làm m mẩ ột dòng khí (thường là không khí) Quá trình làm ẩm thường được thi t k hoế ế để ạt động nhiở ệt độ p và áp suthấ ất khí quy n, nên Hể DH có th s d ng các ngu n nhi v i nhiể ử ụ ồ ệt ớ ệt độ p thấ để làm ẩm không khí HDH bao g m m t thi t b bay ồ ộ ế ị hơi nơi không khí được làm m và mẩ ột thiế ị ngưng tụ nơi thu hồi nướt b c chưng ấc t Các h th ng ệ ố HDH t nh g n g m 2 rấ ỏ ọ ồchu trình, đó là chu trình nước h /không khí kín ở và chu trình nước kín/không khí

h Hình 1.14 hi n ở thể ệ sơ đồ nguyên lý của cả hai loại hệ thố ng HDH

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chưng cất kiểu HDH [3 4]

a) Chu trình nướ c h /không khí kín, v i:1- ở ớ Nướ c bi n ra; 2- ể Nướ c bi n vào giàn phun; ể 3- Giàn bay hơi; 4 - Thi t b gia nhi t; 5- ế ị ệ Giàn ngưng tụ ; 6- Nướ c bi n vào; 7- ể Nướ c ng t ọ b) Chu trình nướ c kín/không khí h , v i: 1- ở ớ Giàn bay hơi; 2 - Thi t b gia nhi t; 3- Giàn ế ị ệ ngưng tụ ; 4- Dòng nướ c bi n; 5- Nư c ng t; 6- Không khí ra; 7- Không khí vào ể ớ ọ

HDH đã và đang được nghiên c u nhi u qu c gia và hi u su t cứ ở ề ố ệ ấ ủa nó đã được

c i thi n trong nhả ệ ững năm qua Hiệu su t c a h ấ ủ ệ thống HDH k t h p vế ợ ới năng lượng m t trặ ời được thí điểm ở Fuerteventura, quần đảo Canary, và được đo lường, phân tích chi ti t t ế ừ năm 1992 bởi ZAE Bayern, sản lượng trung bình hàng ngày là

Tác gi E.H Amer và các công s [35ả ự ] đã nghiên cứu lý thuy t và th c nghiế ự ệm

h ng kh ệthố ử muối HDH, trong nghiên c u s d ng 3 v t li u khác nhau v i h s ứ ử ụ ậ ệ ớ ệ ốtruyền nhi t và truy n khệ ề ối được xác định bằng phương pháp thực nghi m, k t qu ệ ế ảnghiên c u cho th y ứ ấ năng suất h ệ thống cao hơn khi sử ụ d ng v t liậ ệu đệm trong thiế ịt b hóa m là g và không khí tuẩ ỗ ần hoàn cưỡng bức, lưu lượng nước ng t tọ ối đa đạt được là 5,8 kg/h với lượng nước bi n phun là 168 kg/h Nghiên c u c a tác gi ể ứ ủ ảHuifang Kang và các công sự [36] đã xây dựng được mô hình toán h c trong h ọ ệ

thống HDH kh ối 3 giai đoạ ựửmu n d a trên nguyên lý cân b ng khằ ối lượng và năng lượng, k t qu sai s gi a lý thuy t và th c nghi m là kho ng ±5% Ngoài ra nghiên ế ả ố ữ ế ự ệ ả

c u cho thứ ấy lượng nước ngọt chưng cất được là 91,1 kg/h khi lượng nước biển phun là 2000 kg/h, tuy nhiên nghiên cứu cũng chưa cho thấy năng lượng c n thi t ầ ếcho c h ả ệthống cũng như chưa chỉ ra v t li u t t nhậ ệ ố ất để làm tấm đệm t o m trong ạ ẩbình hóa m -Haroun [37ẩ El ] đã nghiên cứu lý thuy t và th c nghiế ự ệm mô hình HDH (nước h - không khí kín), trong nghiên c u này tác gi dùng 3 v t li u t o m: ở ứ ả đã ậ ệ ạ ẩcao su x p, g và g m, k t qu cho th y n u s d ng tố ỗ ố ế ả ấ ế ử ụ ấm đệm là b t bi n s cho kọ ể ẽ ết

qu tả ốt hơn, và nghiên cứu cho th y v i di n tích t o m là 0,16 mấ ớ ệ ạ ẩ 2 và di n tích tệ ạo

ẩm là 0,1 m2 thì cho kho ng 4,3 mả 3/ngày, tuy nhiên mô hình này ch áp d ng quy ỉ ụ ở

mô nh và trung bình ỏ và nhưng nơi xa xôi không gần các sông suối… Tương tự , Li

Xu và các công s [38ự ] đã nghiên cứu s d ng Poly-carbonate làm v t li u t o ử ụ ậ ệ ạ ẩm trong bình hóa m, k t qu nghiên c u cho thẩ ế ả ứ ấy năng suất h ng có th t 129 ệthố ể đạlít/ngày Hassan ES Fath và Ahmad Ghazy [39] đã nghiên cứ ậu t n dụng năng lượng

m t trặ ời để kh ử muối theo phương pháp HDH, nghiên cứu đã chỉ ra rằng: năng lượng m t trặ ời, lưu lượng và nhiệt độ ủa không khí cũng như nướ c c bi n ể ảnh hưởng

đến kh ả năng chưng cấ ủt c a h th ng ệ ố

Võ Ki n Qu c và các c ng s [40ế ố ộ ự ] đã nghiên cứu tính toán thiế ế ệ thốt k h ng kh ử

mặn theo phương pháp HDH, vật liệu được s d ng làm lử ụ ớp đệm trong thi t b hóa ế ị

ẩm là gi y Cooling Pad, k t qu nghiên c u cho th y nhiấ ế ả ứ ấ ệt độ lưu ợng nướ, lư c bi n ểphun và t l ỷ ệ lưu lượng nước bi n phun/không khí ể ảnh hưởng đến năng suấ ủt c a h ệ

thống Nguy n Công Vinh và công s [41ễ ự ] đã đi xây dựng chương trình tính toán cho h ệ thống HDH trên ph n m m Visual Basic 6.0, tuy nhiên tác gi ầ ề ả cũng chưa tiến hành th c nghiự ệm để đánh giá sai số gi a lý thuy t và th c nghiữ ế ự ệm cũng như năng suất chưng cất được c a mô hình ủ …

Phương pháp HDH được th c hi n áp su t khí quy n do v y có k t cự ệ ở ấ ể ậ ế ấu đơn

gi n, linh ho t v công su t, chi phí s n xu t th p và có th hoả ạ ề ấ ả ấ ấ ể ạt động v i các vùng ớnước bi n có chể ất lượng nước khác nhau Ngoài ra vi c v n hành, bệ ậ ảo trì đơn giản nên gi m chi phí trong quá trình khai thác s d ng ả ử ụ

1.3.3.2 Khử muối theo phương pháp màng

Khử mu i tố heo phương pháp màng xuất hiện trong thương mại vào đầu nh ng ữnăm 1970, muộn hơn nhiều so v i kh mu i b ng nhiớ ử ố ằ ệt, nhưng tốc độ phát tri n r t ể ấcao, nó chi m m t ph n l n trong th ế ộ ầ ớ ị trường kh mu i c a th gi i v t ng công ử ố ủ ế ớ ề ổsuất và t ng s ổ ố đơn vị Kh mu i tử ố heo phương pháp màng có 2 loại chính: phương

a) Phương pháp thẩm thấu ngược ( ) RO

Hình 1.15 Nguyên lý khử muối theo phương pháp thẩm thấu ngược RO 5] [4

a) Th m th u; b) Cân b ng; c) Th m th ẩ ấ ằ ẩ ấu ngượ c

Một nhà máy khử muối RO về cơ bản bao gồm bốn hệ thống chính:

qua nó Vật liệu màng có thể được làm từ cellulose acetate 6 47] [4 , hoặc các polyme composite khác Khi một phần nước đi qua màng, lượng nước cấp còn lại sẽ tăng hàm lượng muối Một phần nước cấp được thải ra mà không đi qua màng Nếu không có sự thải này, nước cấp có áp suất sẽ tiếp tục tăng hàm lượng muối, gây ra siêu bão hòa muối Lượng nước cấp được thải ra dưới dạng cô đặc, dao động từ khoảng 20% đối với nước lợ đến khoảng 50% đối với nước biển Hậu xử lý bao gồm ổn định nước và chuẩn bị phân phối điều chỉnh pH và khử trùng.,

Công nghệ màng thẩm thấu ngược thường yêu cầu làm việc ở áp suất cao nên nó không được áp dụng cho các giải pháp tập trung Bởi vì tất cả các màng RO và thiết

bị dễ bị tắc nghẽn, quy trình RO thường không thể được áp dụng mà không cần tiền

xử lý Nguồn nước cung cấp phải tương thích với màng và các vật liệu được sử dụng trong thiết bị Nếu nguồn nước có chứa các hợp chất không tương thích, chúng phải được loại bỏ trong tiền xử lý hoặc phải xem xét một thiết bị hoặc màng tương thích khác

Do vậy công nghệ RO khi áp dụng trên các tàu đánh bắt thủy hải sản có vùng hoạt động rộng, có nước biển đầu vào đa dạng sẽ dễ làm tắc nghẽn màng và hệ

19

thống nên phải thường xuyên thay thế màng RO cũng như bảo dưỡng vệ sinh cho máy Ngoài ra năng lượng điện cho bơm cao áp cao làm tăng chi phí trong quá trình vận hành khai thác

b) Điện phân ( Electrodialysis - ) ED

Điện phân (Electrodialysis - ED) đã được s d ng trong nhiử ụ ều năm, bao gồm m t ộquá trình điện hóa để tách các ion qua màng tích điện t dung d ch này sang dung ừ ị

d ch kị hác dưới tác động c a chênh lủ ệch điện thế Quá trình này đã được s d ng ử ụ

rộng rãi để ả s n xuất nước u ng và x ố ử lý nướ ừ nướ ợ và nước t c l c bi n, x ể ử lý nước thải công nghi p, thu h i các v t li u h u ích t ệ ồ ậ ệ ữ ừ nước th i và s n xu t mu i [48] ả ả ấ ốHình 1.16 th hiể ện sơ đồ nguyên lý hoạt động kh ử muối theo phương pháp điện phân, ED

ED hoạt động dựa trên các nguyên tắc chung sau:

- H u h t các muầ ế ối hòa tan trong nước là các ion, tích điện dương (cation)

hoặc tích điện âm (anion)

- Vì các c c giự ống nhau đẩy nhau và không giống như các cực thu hút, các ion

di chuy n v ể ề phía các điện cực có điện tích trái d u ấ

- Các màng phù h p có th ợ ể được xây dựng để cho phép s ự chọ ọ ủn l c c a các anion hoặc cation

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý hoạt động khử muối theo phương pháp điện phân, ED [46] 1- Nướ c bi n ra; 2- C c âm; 3-Màng l c; 4- ể ự ọ Nướ c bi n vào; 5- Kênh; 6- C ể ực dương; 7 -

Nướ c ng t ọ

Trong dung dịch muối, các ion hòa tan như natri (+) và clorua ( ) di chuyển đến các điện cực đối diện đi qua các màng được chọn hoặc cho phép các cation hoặc anion đi qua (không phải cả hai) Màng thường được sắp xếp theo mô hình xen kẽ, với màng chọn lọc anion, tiếp theo là màng chọn lọc cation Trong quá trình này, hàm lượng muối của kênh nước bị pha loãng, trong khi các dung dịch đậm đặc được hình thành tại các điện cực Các dung dịch đậm đặc và pha loãng được tạo ra trong các khoảng trống giữa các màng xen kẽ và các không gian này bị ràng buộc bởi hai màng được gọi là các tế bào ED bao gồm vài trăm tế bào liên kết với nhau bằng các

-20

điện cực và được gọi là một ngăn xếp Nước cấp đi qua tất cả các tế bào đồng thời

để cung cấp một dòng nước khử muối liên tục và một dòng cô đặc (nước muối).Một trong những vấn đề cấp bách nhất là sự phát triển của các màng trao đổi ion

có độ thấm cao hơn, điện trở thấp hơn và ổn định hóa học và nhiệt tốt hơn với chi phí thấp hơn ED chỉ có khả năng loại bỏ các thành phần ion khỏi dung dịch, không giống như RO hoặc chưng cất

động cơ diesel trên tàu biển

1.4.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Đã có nhiều nghiên c u trên th gi i v t n d ng nhiứ ế ớ ề ậ ụ ệt nước làm mát, khí th i ả

của động cơ diesel tàu bi n ể để tăng hiệu su t s dấ ử ụng năng lượng nhi t cệ ủa động cơ như: chạy máy phát điện kiểu tuabin, phát điện tr c ti p (TEG), gia nhi t cho n i ự ế ệ ồhơi, hoặc chưng cất nước ng t t ọ ừ nước bi n ể

1.4.1.1 Tận dụng nhiệt thải của động cơ chính trên tàu biển để sinh công có

ích

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động cơ để

chạy máy phát điện trên tàu biển [49]

1,4- Turbo; 2- Thi t b t n d ng nhi t khí th i; 3- ế ị ậ ụ ệ ả Máy phát điệ n; 5- H p s ộ ố

Hình 1.18 Hiệu suất nhiệt của động cơ khi không và có hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để

chạy máy phát điện trên tàu biển hãng MAN [49]

21

Hãng MAN Diesel & Turbo đã đưa ra hệ th ng t n dố ậ ụng năng lượng nhi t khí ệthả ủa động cơ tàu biển để ạy máy phát điện, đây là giải c ch i pháp s dử ụng năng lượng khí thải động cơ để làm bay hơi nướ ừ đó chạc t y tua bin hơi và làm quay máy phát điện, sơ đồ như thể ệ hi n trên Hình 1.17

H ệthống này đượ ắc l p trên tàu có công suất động cơ chính 69.720 kW Kết qu ảcho th y có th tấ ể ạo ra lượng điện năng có công suất lên t i 11% công su t có ích ớ ấ

của động cơ chính (tương đương 5,7% năng lượng nhi t cệ ủa động cơ) [49]

1.4.1.2 Tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải động cơ để chưng cất

nước ngọt từ nước biển

Hình 1.19 Thiết bị tạo nước ngọt của hãng Sasakura [ 50]

1- Buồng bay hơi; 2 Nướ - c làm m át động cơ; 3 - Buồng bay hơi; 4 - Nư c bi n ra;5- Bu ng ớ ể ồ

bay hơi; 6 Bơm chân không; 7 Bơm nướ - - c bi n; 8- ể Bơm nướ c ng t ọ

Hình 1.20 Hệ thống chưng cất nước ngọt kiểu Atlas [ 51]

1- Động cơ diesel máy chính; 2 Van điề - u ti t nhi ế ệt độ ; 3- Sinh hàn nướ c ng t máy chính; ọ 4- Sinh hàn d u nh n máy chính; 5- ầ ờ Sinh hàn gió tăng áp máy chính; 6 - B ầu ngưng tụ ; 7- Bơm hút chân không; 8 Bơm cấp nướ - c bi n; 9- ể Bơm hút nướ c mu i; 10- B ố ầu bay hơi; 11 - Bơm nướ c c t; 12-Mu i k ; 13- ấ ố ế Van điệ ừ n t ; 14- Lưu ợ lư ng k ; 15- ế Bơm nướ c bi n làm mát ể

máy chính; 16- Bơm nướ c ng t làm mát máy chính ọ

22

Trên các tàu đi biển thường trang b h th ng t n dị ệ ố ậ ụng năng lượng nhiệt nước làm mát để làm bay hơi nướ ởc áp su t th p ấ ấ Sơ đồ ệ h th ng t n d ng nhiố ậ ụ ệt nước làm mát để ạo nướ t c ngọt được th hi n trên Hể ệ ình 1.19 hay Hình 1.20, trong đó nước biển được h thệ ống bơm đưa nước vào khoang ngưng tụ Sau khi nh n nhi t ậ ệtrong khoang ngưng tụ, nước biển chia làm hai đường: một đường thì được th i ra ảngoài, còn một đường thì đưa vào bộ trao đổi nhiệt để nh n nhi t t ậ ệ ừ nước làm mát sau đó hóa thành hơi nước Nước làm mát động cơ có nhiệt độ cao được đi vào bộtrao đổi nhi t t n d ng nhi t cệ ậ ụ ệ ủa nước làm mát động cơ để gia nhi t cho ệ nước bi n ể

và làm cho nước trong khoang bay hơi Hơi nướ c s ẽ được đưa vào khoang ngưng tụtruyền nhiệt cho nước biển trong giàn ngưng và ngưng tụ ạo thành nướ t c ng t V i ọ ớphương pháp này hãng Sasakura – Nh t B n hay hãng Atlas ậ ả đã đưa ra các sản ph m ẩthương mại có công suất chưng cất nước ng t t 5 ÷ 100 mọ ừ 3/ngày đượ ắc l p cho các tàu bi n có công su t l n [50, 51 Vì trong h ng này t n d ng ể ấ ớ ] ệthố ậ ụ năng lượng nhiệt nước làm mát nên nhiệt độ gia nhiệt cho nước biển trước khi vào buồng bay hơi thấp nên ta c n tầ ốn công bơm tạo áp su t chân không ấ

Hình 1.21 Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt thải động cơ diesel

để chưng cất nước ngọt từ nước biển [52]

1- ĐCĐT; 2 Nướ - c bi ển vào bình ngưng tụ ; 3- Nướ c ng t ra; 4- ọ Bình ngưng; 5 - Thùng chứa nướ c nóng; 6- Khí th i ra; 7- Nư c bi n nóng; 8- ả ớ ể Hơi nướ c; 9- V ; 10- Giàn ng; ỏ ố

11- Khí th i vào ả

K.S.Maheswari và các cộng s 2] nghiên cự [5 ứu h th ng t n d ng nhi t ệ ố ậ ụ ệ khí ải thđộng cơ diesel để chưng cất nước ng t t ọ ừ nước biển được th hi n trên Hình 1.21 ể ệ

H ng bao g m: Thi t b ệthố ồ ế ị bay hơi, bình ngưng tụ ể, b chứa nước nóng và các ng ố

d n Nhi t khí th i cẫ ệ ả ủa động cơ sẽ được đưa đến thi t b ế ị bay hơi, trong thiế ịt b bay hơi này khí thả ẽi s di chuy n bên trong ể ống được thi t k ziczac nhế ế ằm tăng quá trình trao đổi nhiệt Nước bi n cể ấp cho bình ngưng tụ nh n thêm nhi t t ậ ệ ừ hơi nước ngưng tụ và được bơm về ể b chứa nước nóng T i bạ ình ngưng tụ, hơi nước sau khi truyền nhiệt cho nước biển trong giàn ngưng sẽ ngưng tụ ạo thành nướ t c ngọ t.Kandil và Hussein cũng đã nghiên cứu xây dựng sơ đồ ệ ống chưng cất nướ h th c

ng t t ọ ừ nước bi n t n dể ậ ụng năng lượng nhi t khí thệ ải và nước làm mát trên các tàu

23

chở khách (Hình 1.22) [53] Trong h th ng này s dệ ố ử ụng phương pháp MSF đểchưng cất nước ng t t ọ ừ nước biển và được chia thành 2 ph n: ph n II t n d ng nhi t ầ ầ ậ ụ ệnước làm mát để gia nhiệt cho nước bi n c p vào, phể ấ ần I nước bi n s t n d ng m t ể ẽ ậ ụ ộ

phần năng lượng nhi t khí th i ch y u t ệ ả ủ ế ừ quá trình ngưng tụ hơi của chu trình ORC (thường trên các tàu s dử ụng năng lượng nhi t khí thệ ải để chạy máy phát điện) Ưu điểm c a h th ng này là t n d ng c 2 nguủ ệ ố ậ ụ ả ồn năng lượng th a cừ ủa ĐCĐT (nước làm mát và khí th i) t ả ừ đó làm tăng công suất kh mử ặn nước biển trên tàu cũng như

giảm mộ ợt lư ng l n thành ph n phát thớ ầ ải của tàu (CO2 và SO2)

Hình 1.22 Sơ đồ chưng cất nước ngọt tận dụng nhiệt thừa của ĐCĐT trên tàu khách [5 3] 1- Hơi nướ c gia nhi ệt cho nướ c bi n; 2- Thi t b t n d ng nhi t khí th i; 3- Khí th i; ể ế ị ậ ụ ệ ả ả 4- ĐCĐT; 5 Két nướ - c làm mát; 6- Giàn ngưng tụ ; 7- Nướ c bi n vào két làm mát; ể

8- Nướ c ng t; 9- ọ Nướ c bi n ra ể

1.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Cùng xu hướng phát tri n c a th giể ủ ế ới cũng như giải quy t nh ng nhu c u th c t ế ữ ầ ự ế

hi n nay v tái s dệ ề ử ụng năng lượng c a khí i ủ thả và nước làm mát của động cơ đốt trong Ở nước ta trong những năm gần đây đã có mộ ốt s tác gi nghiên cả ứu để ậ t n

d ng nhi t khí iụ ệ thả , nước làm mát của động cơ diesel tàu biển vào m t s ng d ngộ ố ứ ụ ,

c ụthể như:

Nghiên c u c a tác gi Lê Viứ ủ ả ết Lượng và các c ng s ộ ự đã thiế ết k và ch t o nế ạ ồi hơi tận d ng nhi t khí th i ụ ệ ả động cơ diesel tàu th y ki u moduyn l p trên tàu th y ủ ể ắ ủ[54, 55] N i hồ ồi đã đượ ắc l p th nghi m trên tàu có t i tr ng 3600 t n vử ệ ả ọ ấ ới động cơ chính có công su t 1800 mã l c K t qu c nghi m cho th y v i nấ ự ế ảthự ệ ấ ớ ồi hơi tận dụng nhi t khí th i ki u moduyn thì nhiệ ả ể ệt độ khí th i có th giả ể ảm hơn 500C so v i các nớ ồi hơi khí thải khác và có th tể ạo ra được trung bình 210 kg/h hơi nước khi động cơ làm vi c t i ch 90% công su t có ích Tuy nhiên nghiên c u ệ ạ ế độ ấ ứ chưa đánh giá tuổi thọ ủ c a nồi hơi khi khai thác lâu dài trên tàu

Tác gi Nguyả ễn Công Đoàn cũng có nghiên cứu t n d ng nhiậ ụ ệt năng khí th i ảđộng cơ diesel tàu thủy để chuy n hóa ể thành điện năng [56 tuy nhiên công trình ], này m i ch ớ ỉ đưa ra phương pháp thiế ết k và tính toán các thông s hình hố ọc và năng

lượng c a thi t bịủ ế phát nhiệt điện nói chung

Nghiên c u c a tác gi ứ ủ ảDiệp Trung Hi u, Nguyế ễn Văn Tuyên [57] đã tính toán

24

thiế ết k ế ị ậ ụthi t b t n d ng nhi t khí thệ ải để ấ s y m c Thi t b ự ế ị đượ ắc l p th c nghi m ự ệtrên tàu cá BTh 96371 TS có công suất động cơ là 120 mã lực K t qu ế ảchạy thực nghi m cho th y có th t n dệ ấ ể ậ ụng được nhiệt lượng khí i là 10,72 kW, nghiên cthả ứu cũng đánh giá độ ổn định c a tàu khi l p h th ng t n d ng nhi t Tuy nhiên nghiên ủ ắ ệ ố ậ ụ ệ

cứu cũng chưa đánh giá cụ thể ảnh hưởng c a thi t b t n d ng nhiủ ế ị ậ ụ ệt đế tính tăng n kinh t - k ế ỹthuật của động cơ

Trần Đình Cảnh và các c ng s [58ộ ự ] cũng nghiên cứu thi t k h th ng t n d ng ế ế ệ ố ậ ụnhi t khí thệ ải để ấ s y m c, tuy nhiên nghiên c u ch ự ứ ỉ đưa ra các bước tính toán, thiết

k giàn s y m ế ấ ực

Tác gi ả Lê Gia Phương [5 ] đã nghiên cứ9 u kh ả năng tận dụng nhi t khí thệ ải động

cơ phục v sinh ho t c a ụ ạ ủ ngư dân trên tàu khai thác thủy s n (Hình 1.23) Nghiên ả

c u này m i ch ứ ớ ỉ đưa ra tính toán lý thuyết các thi t b trong h ng t n d ng nhiế ị ệthố ậ ụ ệt khí thải để gia nhiệt cho nước ph c v sinh hoụ ụ ạt trên tàu mà chưa tiến hành thực nghiệm

Hình 1.23 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ gia nhiệt cho nước ngọt [59 ]

1- Động cơ đố t trong; 2- Khí thả i; 3- Van c u - Bình gia nhi t; 5- B ầ ; 4 ệ ể chứa nước nóng; 6- Đườ ng c ấp nướ c bổ sung; 7- Đườ ng h ồ i về bình gia nhi t; 8- ệ Khí thả i ra

Hình 1.24 Nhiệt lượng khí thải cần để hâm nóng nhiên liệu CO100 khi động cơ làm việc

theo đường đặc tính ngoài [60]

25

Tác gi Hoàng Anh Tu n [60ả ấ ] đã nghiên cứ ậu t n d ng nhi t khí thụ ệ ải để ấ s y nóng nhiên li u sinh hệ ọc dùng trên động cơ thủy Trong nghiên cứu này đối tượng th ửnghiệm là động cơ D243 (diesel 4 kỳ, 4 xylanh, bu ng cháy th ng nh t, dung tích ồ ố ấxylanh 4,75 lít, công suất định m c 58,8 kW) K t qu ứ ế ảchạy th c nghi m cho thự ệ ấy nhiệt lượng khí th i t n dả ậ ụng được là 5,62 kW khi động cơ làm v ệ ại c t i 100% t i và ả

tốc đ 2000 (v/ph) như thể ệộ hi n trên Hình 1.24

Có th y các nghiên cể thấ ứu trong nước ớm i ch t n dỉ ậ ụng năng lượng nhi t khí ệthải để sinh công có ích, còn ít các nghiên c u v t n d ng nhiứ ề ậ ụ ệt nước làm mát cũng như chưa có công trình nào nghiên c u k t h p t n dứ ế ợ ậ ụng năng lượng nhi t khí th i ệ ả

và nước làm mát của động cơ diesel tàu th y (Waste Heat Recovery System - ủWHRS) để chưng cất nước ngọt từ nước biển

1.5 Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án

Qua các nghiên c u t ng quan v các gi i pháp t n d ng nhiứ ổ ề ả ậ ụ ệt để nâng cao hiệu suấ ủa động cơ đốt trong cũng như các nghiên cứt c u v ề chưng cất nước ng t t ọ ừnước bi n, NCS nh n thể ậ ấy để ả gi i quy t nhu cế ầu nước ng t và nâng cao hi u su t s ọ ệ ấ ử

dụng năng lượng nhi t cệ ủa động cơ trên các tàu bi n có công suể ất vừa và nh c n có ỏ ầ

gi i pháp t n dả ậ ụng đồng th i nhiờ ệt nước làm mát và khí th i cả ủa động cơ để chưng

cất nước ngọ ừ nướt t c bi n ể

Ngoài ra, do tính linh ho t và chi phí s n xu t th p, d dàng v n hành nên NCS ạ ả ấ ấ ễ ậchọn phương pháp chưng cấ ểt ki u HDH cho h ệthống chưng cất nước ng t t ọ ừ nước

bi n ể

N i dung nghiên c u cộ ứ ủa luận án:

- Nghiên cứu tổng quan về hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong và các giải pháp

công nghệ tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ để sinh công có ích

- Nghiên cứu tổng quan các phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển

- Nghiên cứu đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp tận dụng năng lượng nhiệt

nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng phương pháp chưng cất kiểu HDH

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt nước làm

mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải và thiết bị hóa ẩm và ngưng tụ cho hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển

- Nghiên cứu mô phỏng động cơ để xác định phân bố nhiệt lượng của nước làm

mát và khí thải của động cơ đốt trong

- Nghiên cứu mô phỏng thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và thiết bị thu hồi

nhiệt khí thải trên phần mềm chuyên dụng để tối ưu hóa các kết cấu của các thiết bị

- Thực nghiệm với hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt

nước làm mát và khí thải lắp trên động cơ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm

để đánh giá khả năng tận dụng nhiệt và hiệu quả của hệ thống chưng cất cũng như đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ khi có hệ thống chưng cất

1.6 Kết luận chương 1