NGHIÊN CỨU CẢI TiẾN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA HÃNG CAROCELL

NGHIÊN CỨU CẢI TiẾN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA HÃNG CAROCELL

Luận Văn Thạc Sĩ

NỘI DUNG

KẾT LUẬN KiẾN NGHỊ

MỞ ĐẦU

THỰC NGHIỆM TÍNH TOÁN

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

y tế…

1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu cải tiến Carocell đảm bảo các yêu cầu:

- Không phá vỡ kết cấu hình dạng của thiết bị gốc

- Thiết bị cải tiến dễ chế tạo, vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa.

- Chi phí rẻ nhất

- Tính ứng dụng và đưa vào sản xuất thực tiễn.

4

- Thiết bị chưng cất nước hãng Carocell, Úc

- Dùng năng lượng mặt trời

- Thiết bị chưng cất dạng bị động

- Chưng cất nước ở điều kiện nhiệt độ thấp

- Tận dụng nhiệt có sẵn trong thiết bị

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

- Nghiên cứu cải tiến nâng cao sản lượng nước chưng cất của thiết bị Carocell đáp ứng nhu cầu nước sạch cho các vùng biển đảo, ngập mặn…

1.5 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

- Giá thành thiết bị còn cao

- Sự quan tâm và hợp tác giữa học viên và công ty TNHH Kim Hồng.

- Nội địa hóa thiết bị với điều kiện Việt Nam

6

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

Hình 2.1: Tổng công suất lắp đặt và năng lượng sản xuất ra

hàng năm tính đến cuối năm 2012 [6]

8

Hình 2.2: Biểu đồ thể hiện công suất lắp đặt các thiết bị khai

thác nhiệt năng từ NLMT tại các quốc gia trên thế giới [6]

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

- Tại miền Bắc, mỗi năm có được từ 1800 đến 2100 giờ

nắng (BXMT: 3,93kWh/m 2/ngày)

- Tại phía Nam, số giờ nắng trong năm đạt được từ 2000

đến 2600 giờ (BXMT 5,2kWh/m 2/ngày)

10

BXMT, kWh/m 2 /ngày

Số giờ nắng/ngày

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

Hình 2.3: Chưng cất nước Hình 2.4 : Biểu đồ tỷ lệ sản lượng

từ các nguồn nước trên thế giới, 2012 nước chưng cất trên thế giới [7]

12

Hình 2.5 Biểu đồ so sánh công suất chưng cất nước 10 nước hàng đầu thế

giới [9]

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

Hình 2.6: Nguồn năng lượng phục vụ chưng cất nước trên thế giới,% [7]

14

Hình 2.7: Phân loại thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT [10]

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

Hình 2.8: Phân loại thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT [10]

16

Hình 2.9: Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại bị động & chủ động

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

- Carocell là một phát minh của nhà khoa học người Úc Peter Johnstone vào năm 2009, sau 5 năm nghiên cứu

-Peter Johnstone là chủ tịch đồng thời là CEO công ty F Cubed Australia PTY LTD nơi sản xuất Carocell duy nhất trên thế giới

Hình 2.10: Ông Peter Jonhston, ông Lê Văn Khoát tại Đồng Tháp

Hình 2.9: Ông Peter Jonhston, ông Lê Văn Khoát và tấm Carocell ở Đồng

Tháp

18

1: Tấm phủ nhựa trong suốt 5: Máng phân phối nước cấp

2: Màng thẩm thấu (màng hấp thụ bức xạ) 6: Đường ống nước thải

3: Tấm thép không gỉ 7: Đường ống nước chưng cất

4: Tấm nhựa mặt dưới

ĐẶC ĐiỂM CẤU TẠO

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 2.12: Nguyên lý làm việc thiết bị chưng cất nước Carocell

ƯU ĐiỂM

- Sử dụng năng lượng mặt trời

- Kết cấu thiết bị gọn nhẹ, dễ lắp đặt, vận chuyển.

- Hiệu suất cao.

- Sản xuất ra nước ngọt từ nhiều nguồn nước đầu vào.

- Tính thương mại cao được bán trên 20 quốc gia trên thế giới

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

- Nguồn nước cấp chưa được gia nhiệt

- Tấm màng hấp thụ dễ bị khô, hư hỏng nếu nguồn nước không được cấp kịp thời và ổn định.

- Giá thành cho một m2 diện tích rất cao: 3.5 triệu VNĐ

22

ỨNG DỤNG

Hình 2.13: Các nước sử dụng sản phẩm chưng cất nước Carocel của công ty F Cubed

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

ỨNG DỤNG TẠI ViỆT NAM

Hình 2.14: Ông Peter Jonhston, ông Lê Văn Khoát và tấm Carocell chưng cất nước từ nước

nuôi cá sấu ở Đồng Tháp

24

-Tính tới tháng 6/2014 phía công

ty Kim Hồng đã phân phối trên

là dòng Carocell

2000 (loại 2m2)

ỨNG DỤNG TẠI ViỆT NAM

Hình 2.15: Công ty Santos Việt Nam

nghiệm thu tấm Carocell tại Phú Yên

Hình 2.16: Nước uống sử dụng Carocell tại trường tiểu học Hoàng Văn Thụ huyện Đồng Xuân, tỉnh Phú Yên

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

ỨNG DỤNG TẠI ViỆT NAM

26

Hình 2.17: Bà Đặng Lan Hương - Đại

diện FCubed Việt Nam giới thiệu về tấm

Carocell tại chương trình " Nước ngọt cho

Trường Sa“

Hình 2.18: Thượng tá Lê Hồng Thủy uống thử nước từ thiết bị Carocell tại đảo Đá Tây A – Trường Sa –Khánh Hòa

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

Muốn xẩy ra quá trình ngưng hơi trên bề mặt vật rắn cần phải có hai điều kiện:

+ Rút nhiệt từ hơi ngưng (ẩn nhiệt hóa hơi r) qua bề mặt vật rắn, muốn vậy nhiệt độ bề mặt vật rắn T w phải thấp hơn nhiệt độ bão hòa của hơi ở áp suất tương ứng.

+ Trên bề mặt vật rắn phải có các tâm ngưng tụ ví dụ như hạt bụi, những bọt khí hoặc do chính độ nhô nhám của bề mặt.

3.2 NGƯNG HƠI KHÔNG THUẦN KHIẾT

Từ định luật Dalton, ta có: p 0 = p kk + p v

p kk : Áp suất riêng phần không khí khô

p v : Áp suất riêng phần của hơi nước; p 0 : Áp suất của hỗn hợp

28

3.3.1 Dẫn nhiệt qua vách phẳng

3.3.2 Truyền nhiệt đối lưu

3.3.3 Tỏa nhiệt đối lưu khi không khí chuyển động ngang trên

1

1 1





Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

3.3.4 Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trong không gian hẹp

Q= A*h*t, W

t:Chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt vật nóng và lạnh, 0 C

h: Hệ số tỏa nhiệt tương đương, W/m 2 0 C

3.3.5 Trao đổi nhiệt bức xạ

Năng lượng bức xạ phát ra tuân theo quy luật

E = C 0 *T 4

E: Khả năng bức xạ bán cầu của vật đen tuyệt đối, W/m 2

C 0 = 5.67*10 -8 W/m 2 K 4 hằng số Stefan-Bolztmann T: Nhiệt độ bề mặt vật, K

30

T p : Nhiệt độ bề mặt trong của tấm phủ , 0 C

p w : Phân áp suất hơi nước bão hòa tại bề mặt nước, N/m 2

p p : Phân áp suất hơi nước bão hòa tại bề mặt tấm phủ, N/

m 2

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

NƯỚC NLMT

3.4.2 Nhiệt lượng trao đổi bức xạ từ mặt nước đến tấm phủ

3.4.3 Nhiệt lượng bốc hơi giữa bề mặt nước và tấm phủ

32

Tổn thất do bức xạ

T a : Nhiệt độ môi trường, T p Nhiệt độ tâm phủ; 0 C

: Hệ số phát xạ bề mặt tấm phủ

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

NƯỚC NLMT

3.4.5 Sản lượng nước chưng cất được trong một giờ

L: Ẩn nhiệt hóa hơi của nước J/kg

3.4.6 Hiệu suất thiết bị

I s : Cường độ bức xạ mặt trời, W/m 2

34

XUẤT GIẢI PHÁP

CẢI TIẾN

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 4.2: Biểu đồ so sánh sản lượng nước của thiết bị chưng cất nước có bố trí bộ ngưng tụ ngoài Hình 4.1: Sản lượng nước chưng

cất với các bộ gia nhiệt khác nhau

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

Dựa trên tất cả những yếu tố ảnh hưởng đến quá trình chưng cất nước đã nêu học viên đưa ra hai giải pháp cải tiến nhằm tăng sản lượng nước chưng cất với tiêu chí đơn giản, không phá vỡ kết cấu thiết bị, dễ vận hành và chi phí thấp nhất đối với thiết bị Carocell như sau:

 Thiết kế bộ ống đồng gia nhiệt nước cấp được bố trí sát với

bề mặt tấm thép không gỉ.

 Thiết kế hệ thống đường ống nước và bình trữ nước nóng phù hợp để có thể chưng cất vào thời điểm bức xạ yếu

38

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 5.1: Sơ đồ bố trí thực nghiệm

Luận Văn Thạc Sĩ

12

123

Hình 5.2 Phân tích dòng nhiệt thiết bị Carocell

Luận Văn Thạc Sĩ

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 5.3 Biểu đồ cường độ bức xạ -

Nhiệt độ môi trường – Vận tốc gió Hình 5.4 Biểu đồ nhiệt độ tấm thép không gỉ theo cường độ bức xạ

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 5.5 Biểu đồ nhiệt độ nước-tấm

phủ-nhiệt độ hơi Hình 5.6 Biểu đồ dung ẩm và độ ẩm

Hình 5.7 Sản lượng nước lý thuyết

bộ ngưng tụ chính và bộ ngoài Hình 5.8 Sản lượng nước chưng cất lý thuyết và thực tế

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

Thông số ban đầu:

Nhiệt độ trung bình nước cấp vào: T w1 = 30 0 C

Nhiệt độ trung bình tấm thép: T S = 54 0 C

Lưu lượng nước cấp vào bộ gia nhiệt: G w = 100 ml/phút= 6kg/h

 Nhiệt độ trung bình nước sau khi gia nhiệt: T w2 = 45 0 C

→Nhiệt lượng cần thiết để gia nhiệt nước từ 30 0 C -> 45 0 C

Q w = G w *C pw *( T w2 – T w1 ) = 6*4.18*(45-30)/3600 =104.5W

→ Nhiệt lượng truyền bằng dẫn nhiệt từ tấm thép đến ống đồng

→Chiều dài ống đồng: Q w = Q 1 => L cu = 104.5/ 67.55 = 1.54m

50

Hình 5.9 Sơ đồ nguyên lý đường ống nước và ống gia nhiệt

Hình 5.10 Bố trí ống gia nhiệt thực tế

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 5.11 Sơ đồ nguyên lý đường ống nước thực tế

Hình 5.11 Thiết bị Carocell cải tiến

Luận Văn Thạc Sĩ

7h 8h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 0

10 20 30 40 50 60 70

0 200 400 600 800 1000

37 43

58

64 66

68 65 61 56 46

296 428.5

Hình 5.12 Biểu đồ cường độ bức xạ

- Nhiệt độ môi trường – Vận tốc gió Hình 5.13 Biểu đồ nhiệt độ tấm thép không gỉ theo cường độ bức xạ

7h 8h 9h 10h 11h 12h 13h 14h 15h 16h 0

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

0.29

0.5 1.22 1.81

2.79 2.95

2.33

1.59 1.14 0.59

0 0.3 0.8 1.34

1.9 2.24 1.72 1.31 0.93

0.26

Mwt(th) lít/2m2/h Mw(ex) lít/2m2/h

Hình 5.14 Nhiệt độ nước Hình 5.15 Sản lượng nước chưng

cất theo lý thuyết – thực nghiệm

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 5.16 Biểu đồ nhiệt độ

nước-tấm phủ-nhiệt độ hơi Hình 5.17 Biểu đồ dung ẩm – độ ẩm

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 5.18: Biểu đồ tổng sản lượng nước

chưng cất trong ngày

Hình 5.19: Biểu đồ hiệu suất thiết bị Carocell

Khi tiến hành thử nghiệm với bộ gia nhiệt nước ta đạt được những kết quả sau:

+ Chênh lệch nhiệt độ nước trung bình tại bộ gia nhiệt: 15 0 C

+ Chênh lệch nhiệt độ nước trong thiết bị Carocell sau khi cải tiến: 4.5 0 C

+ Sản lượng nước trung bình thu được: 10.8 kg/2m 2 /ngày

+ Sản lượng tăng: 20.65 %

+ Hiệu suất thực nghiệm: 55.7%

Với bộ gia nhiệt nước duy trì nhiệt độ nước cấp khoảng 45 0 C trong điều kiện bức xạ tốt khoảng 700W/m 2 /ngày, đảm bảo lượng hơi sinh ra ổn định trong quá trình chưng cất, dung lượng nhiệt cần thiết để cấp nhiệt cho nước là khá nhỏ.

Luận Văn Thạc Sĩ

Hình 5.20: Biểu đồ quan hệ nhiệt lượng tối thiểu để sản xuất được 1m 3 nước chưng cất - nhiệt độ nước trong thiết bị ứng với nhiệt độ môi trường 32 0 C

T 1 : Nhiệt độ nguồn nóng, K (Nhiệt độ nước)

T 2 : Nhiệt độ nguồn lạnh, K (Nhiệt độ môi trường)

KIẾN NGHỊ

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

Luận văn đã đạt được những kết quả như sau:

 Tổng hợp tương đối đầy đủ các cơ sở lý thuyết để tính toán thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời

 Góc nghiêng tối ưu: 30 0 và lưu lượng nước cấp tối ưu: 100ml/phút.

 Sản lượng nước trung bình của tấm Carocell: 8.57kg/2m 2 /ngày, hiệu suất thực nghiệm đạt: 44.59%

 Chiều dài ống gia nhiệt 4m, đường kính ống 6mm, chi phí cho thiết bị cải tiến 462.000 VNĐ.

 Sản lượng nước trung bình của tấm Carocell cải tiến: 10.8kg/2m 2 /ngày, hiệu suất thực nghiệm đạt: 55.7%

62

Học viên hướng đến những nghiên cứu tương lai như sau:

+ Cải tiến bộ gia nhiệt nước cấp được bố trí lồng vào tấm thép không gỉ để giảm chiều dài ống.

+ Nghiên cứu sử dụng vật liệu biến đổi pha để có thể chưng cất vào ban đêm.

+ Nghiên cứu chế tạo ra một thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời rẻ hơn để phục vụ nhu cầu người dân vùng khó khăn, hải đảo.

Trong quá trình nghiên cứu, luận văn được sự quan tâm sâu sắc từ phía công ty Kim Hồng là đại diện duy nhất của Việt Nam phân phối dòng sản phẩm Carocell Học viên hướng đến kết hợp với công ty triển khai ứng dụng ngay vào thực tiễn.

Luận Văn Thạc Sĩ Trần Xuân An_12824802

Học viên hướng đến những nghiên cứu tương lai như sau:

+ Cải tiến bộ gia nhiệt nước cấp được bố trí lồng vào tấm thép không gỉ để giảm chiều dài ống.

+ Nghiên cứu sử dụng vật liệu biến đổi pha để có thể chưng cất vào ban đêm.

+ Nghiên cứu chế tạo ra một thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời rẻ hơn để phục vụ nhu cầu người dân vùng khó khăn, hải đảo.

Trong quá trình nghiên cứu, luận văn được sự quan tâm sâu sắc từ phía công ty Kim Hồng là đại diện duy nhất của Việt Nam phân phối dòng sản phẩm Carocell Học viên hướng đến kết hợp với công ty triển khai ứng dụng ngay vào thực tiễn.

64