Nghiên cứu xác định một số thông số đặc tính của quá trình khử muối nước biển bằng phương pháp phun – tách ẩm

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 6.1 Những đóng góp mới của luận án Từ việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống khử muối bằng phương pháp phun – tách ẩm, luận án đã đạt được các kế

 Ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước phun và nhiệt độ nước giải nhiệt sẽ tồn

tại một tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không khí

 Ở Tmin=5oC thì nhiệt độ nước phun hợp lý cho hệ thống khử muối phun

tách ẩm cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời là từ 70oC đến 75oC

 Khi thiết kế thiết bị phun ẩm thì số Me hợp lý là từ 1,2 đến 2

 Mật độ xối tưới tối đa trên một đơn vị diện tích lớp đệm trong thiết bị phun

ẩm là 0,75kg/(m2s)

 Bộ thu tập trung không thích hợp để cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun

tách ẩm nói riêng và cung cấp nước nóng nói chung trong điều kiện Tp Hồ

Chí Minh

 Năng lượng nhiệt cung cấp để sản xuất được 1kg nước ngọt bằng thực

nghiệm là từ 1684kJ đến 1875kJ ở nhiệt độ nước phun tương ứng là 70oC

và 75oC

 Hệ số năng suất GOR của hệ thống làm việc ở Tmin=5oC là từ 1,5 đến 1,7

Kết quả này là tương đồng với các kết quả nghiên cứu của All-Halaj [16]

và Nawayseh [21]

 Năng suất tính toán trung bình của hệ thống khử muối phun tách ẩm làm

việc từ 8h đến 15h trong điều kiện thời tiết Tp Hồ Chí Minh là

4-5,9kg/(m2ngày)

6.3 Kiến nghị

Hướng mở rộng tiếp theo của luận án:

 Tiếp tục nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị

phun ẩm với các loại vật liệu đệm khác trong thực tế để lựa chọn được loại

vật liệu đệm có hiệu suất cao và phù hợp với điều kiện Việt Nam

 Cần phải tiến hành nghiên cứu tiếp tục với các loại đầu phun khác nhau

 Cần tiến hành thêm các nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ không khí đến

quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị phun ẩm

 Cần phải nghiên cứu thêm về các loại môi chất dung trong ống nhiệt trọng

trường để lựa chọn được loại môi chất thích hợp.õQ

MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu

Khan hiếm nước sạch và biến đổi khí hậu là hai vấn đề đang đe dọa đến sự sống của nhân loại Dân số thế giới ngày càng tăng nhanh cộng với tốc độ đô thị hóa

và công nghiệp hóa ở các quốc gia đã làm cho nguồn nước trở nên ô nhiễm và ngày càng cạn kiệt Theo báo cáo của tổ chức phát triển nguồn nước của Liên Hiệp Quốc năm 2016 thì có hơn 1,8 tỷ người thiếu nước uống trên toàn thế giới [1] Hầu hết tập trung ở những quốc gia có mức thu nhập thấp

Nước là nguồn gốc của sự sống, là nhân tố quyết định sự tồn tại, phát triển bền vững của nhân loại Mặt khác, nước cũng có thể gây ra tai họa cho con người

và môi trường Theo báo cáo toàn cầu của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) công

bố năm 2010 cho thấy, mỗi năm Việt Nam có hơn 20.000 người tử vong do điều kiện nước sạch và vệ sinh nghèo nàn và thấp kém Còn theo thống kê của

Bộ Y tế, hơn 80% các bệnh truyền nhiễm ở nước ta liên quan đến nguồn nước Người dân ở cả nông thôn và thành thị đang phải đối mặt với nguy cơ mắc bệnh

do môi trường nước đang ngày một ô nhiễm trầm trọng Hầu hết nước mà con người sử dụng đều là nước sạch Ở các nước phát triển, tài nguyên nước đóng vai trò vô cùng quan trọng và được đặt lên hàng đầu trong việc khai thác, sử dụng và quản lý với quy mô lớn Ngược lại, đối với những quốc gia chậm phát triển hoặc các nước đang phát triển, vai trò của nước vẫn chưa được nhận thức rõ ràng, song hành với điều đó là việc sử dụng lãng phí và ít có động thái để bảo tồn và sử dụng hiệu quả nguồn khoáng sản quý báu này

Tài nguyên nước mặt ở nước ta phân bố không đồng đều trên toàn bộ lãnh thổ

và thay đổi theo các mùa trong năm Những khu vực thường xuyên thiếu nước sạch là vùng núi cao, vùng ven biển và hải đảo Do đó việc khai thác nước ngầm tại những khu vực này không hợp lí có thể gây ra tình trạng sụt lún đất,

và nguồn nước ngầm có thể bị nhiễm mặn tại các khu vực ven biển Bên cạnh

đó việc biến đổi khí hậu cũng gây ảnh hưởng không nhỏ đến việc cung cấp

nước sạch, nước biển dâng cao làm cho vùng ven biển nhiễm mặn, hoạt động

nông nghiệp cũng bị ảnh hưởng đáng kể và hàng loạt các ảnh hưởng khác Năm

2016 đồng bằng sông Cửu Long trãi qua một đợt hạn hán kéo dài đã gây ảnh

hưởng nghiêm trọng đến đời sống và thiệt hại nặng nề về kinh tế của người dân

Để giải quyết tình trạng thiếu nước sạch tại các vùng duyên hải như hiện nay

mà không gây tác hại đối với sinh thái của khu vực này thì nước biển là nguồn

tài nguyên phong phú nhất

Khử muối nước biển để cung cấp nước sạch là một trong những phương pháp

tiên phong mà con người đã thực hiện để sản xuất nước sạch và cho đến ngày

nay phương pháp này vẫn là một trong những phương pháp chủ đạo trong việc

cung cấp nước sạch cho nhân loại

Các phương pháp khử muối truyền thống tiêu thụ một lượng lớn năng lượng

dưới dạng nhiệt năng hoặc điện năng Các nguồn năng lượng cấp vào cho các

quá trình khử muối truyền thống hầu hết có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch

Do đó những hệ thống này gián tiếp hoặc trực tiếp thải ra môi trường một lượng

lớn khí CO2 và xa hơn có thể đẩy giá thành của các nhiên liệu hóa thạch lên cao

do nhiên liệu hóa thạch chỉ có giới hạn và đang cạn kiệt dần

Trong quá khứ, khử muối nước biển để sản xuất nước sạch là phương pháp tốn

kém nhất do chi phí đầu tư ban đầu rất cao và chi phí tiêu hao cho năng lượng

cũng rất lớn [2-4] Tuy nhiên cho đến ngày nay thì cũng không có phương pháp

nào khác tối ưu hơn phương pháp này Cho nên phương pháp khử muối nước

biển để lấy nước sạch được xem là phương pháp khả thi nhất để đáp ứng nhu

cầu nước sạch ngày càng tăng của nhân loại [5] Theo dự báo của chương trình

môi trường Liên Hiệp Quốc thì đến năm 2025 khoảng 70% dân số thế giới sẽ

đối mặt với vấn đề thiếu nước, trong đó 50% dân số sống cách bờ biển 200km

Việt Nam là nước có bờ biển dọc theo chiều dài của đất nước và khoảng cách từ

bờ biển đến đường biên giới là không xa cho nên trong tương lai toàn bộ lãnh

thổ nước ta phải đối mặt với tình trạng thiếu nước Tính đến tháng 6 năm 2015

Kết quả tính toán cho thấy năng suất của hệ thống khử muối phun tách ẩm cấp nhiệt bằng bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập thay đổi tương ứng với hiệu suất bộ thu trong khoảng 4-5,4kg/(m2.ngày) Đối với bộ thu cấp nhiệt

là ống dầu thì năng suất đạt được là cao hơn, năng suất thay đổi trong khoảng từ 4,3-5,9kg/(m2.ngày)

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 6.1 Những đóng góp mới của luận án

Từ việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống khử muối bằng phương pháp phun – tách ẩm, luận án đã đạt được các kết quả mới như sau:

(i) Xây dựng được chương trình mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt giữa nước và không khí trong hệ thống dựa trên kỹ thuật Pinch

(ii) Xây dựng được phương trình thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ lưu lượng tối ưu của nước phun và không khí theo nhiệt độ nước phun và nhiệt độ nước giải nhiệt

(iii) Xác định được khoảng giá trị nhiệt độ nước phun tối ưu theo Tmin (iv) Xây dựng được chương trình mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa nước phun và không khí trong thiết bị phun ẩm

(v) Xây dựng được phương trình xác định nhiệt độ nước phun và nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm theo số Me và tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không khí

(vi) Xác định được số Me hợp lý trong thiết bị phun ẩm

(vii) Xác định được mật độ xối tưới tối đa trên 1 đơn vị bề mặt lớp đệm trong thiết bị phun ẩm

(viii) Xác định được nhiệt độ không khí vào thiết bị phun ẩm không ảnh hưởng đến số Me trong khoảng nhiệt độ từ 35oC đến 38oC

(ix) Xây dựng mối quan hệ giữa chiều cao lớp đệm và lưu lượng nước phun đến số Me bằng phương pháp thực nghiệm

(x) Phát minh bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập để cấp nhiệt cho hệ thống

6.2 Kết luận

Dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống khử muối phun tách ẩm, luận án rút ra được các kết luận sau đây:

Khi thay đổi khối lượng môi chất nạp vào trong ống nhiệt trọng trường tách

dòng độc lập thì hiệu quả làm việc của ống nhiệt cũng sẽ thay đổi theo Với các

kết quả thực nghiệm chúng tôi cũng nhận thấy rằng khối lượng nước nạp vào

mẫu thực nghiệm hợp lý là nằm trong khoảng từ 1 kg đến 1,5kg Với thể tích

của bề mặt nhận nhiệt bay hơi của mẫu thực nghiệm là 2,4 lít thì tỷ lệ nạp hợp

lý sẽ là 42%-62%

Dựa trên số liệu bức xạ mặt trời được đo song song với quá trình thực nghiệm

bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập, chúng tôi đã xác định được

hiệu suất trung bình của bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập ở tỷ lệ

nạp hợp lý là từ 45%-60%

5.4 Đánh giá năng suất của hệ thống khử muối phun tách ẩm cấp nhiệt

bằng năng lượng mặt trời trong điều kiện Việt Nam

Với cường độ bức xạ trung bình năm tại Tp.HCM đã có và hiệu suất trung bình

của bộ thu đã được xác định, kết hợp với năng lượng nhiệt cần thiết để sản xuất

1kg nước ngọt đã xác định với mô hình thực nghiệm trong chương 4 thì năng

suất nước ngọt trung bình thu được từ hệ thống khử muối phun tách ẩm theo

các tháng trong năm được xác định bằng cách quy đổi như sau:

Hình 5.1: Năng suất của phương phun tách ẩm cấp nhiệt bằng bộ thu ống nhiệt

trọng trường tách dòng độc lập

thì trên toàn thế giới có 18426 nhà máy khử muối nước biển phân bố ở 150 quốc gia với tổng công suất đạt trên 86 triệu m3/ngày đêm Theo ước tính một nhà máy có công suất 1 triệu m3/(ngày đêm) thì mỗi năm tiêu thụ một lượng nhiên liệu tương đương với 8,78 triệu tấn dầu Điều này cho thấy năng lượng tiêu thụ của các nhà máy khử muối nước biển hiện nay là rất lớn Do đó cần phải tìm ra một giải pháp thích hợp để thay thế nguồn năng lượng cung cấp cho các hệ thống khử muối hiện nay Biện pháp thay thế đó là sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt,… Đặc biệt là những khu vực vùng sâu vùng xa, hải đảo nơi mà nhiên liệu hóa thạch và điện là một hàng hóa khan hiếm và giá thành cao do việc vận chuyển và truyền tải khó khăn

Có thể nói trong các dạng năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng có ưu thế hơn các dạng năng lượng tái tạo khác trong việc cung cấp năng lượng cho các phương pháp khử muối So với các dạng năng lượng tái tạo khác thì năng lượng mặt trời có ưu điểm là một nguồn nhiệt năng có thể sử dụng trực tiếp, hiện diện khắp mọi nơi trên trái đất và những khu vực khan hiếm nước sạch là những khu vực có cường độ bức xạ mặt trời dồi dào nhất Do

đó năng lượng mặt trời là một sự lựa chọn tối ưu trong các dạng năng lượng tạo

để cung cấp nhiệt cho hệ thống khử muối

Ngoài ra, các nguồn nhiệt thải cũng rất thích hợp để cấp nhiệt cho hệ thống khử muối Hiện nay các khu vực vùng sâu, vùng xa ở nước ta thì việc tiếp cận điện lưới quốc gia còn rất khó khăn Cho nên ở những khu vực này vẫn đang sử dụng điện năng từ các máy phát điện chạy bằng dầu Diesel Nguồn nhiệt thải từ các động cơ này là rất lớn, nếu thải bỏ ra môi trường thì rất lãng phí Vì vậy, việc sử dụng nguồn nhiệt thải này để cấp nhiệt cho hệ thống khử muối nước biển là một việc làm rất có ý nghĩa

Trong số các phương pháp khử muối hiện nay thì khử muối bằng phương pháp phun – tách ẩm được đánh giá là rất thích hợp để cung cấp nước sạch cho các khu vực không tập trung dân cư và là phương pháp khử muối tốt nhất bằng

năng lượng mặt trời Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp khử muối phun

tách ẩm còn rất hạn chế Nguyên nhân của vấn đề này là phương pháp khử

muối phun tách ẩm vẫn chưa được hoàn thiện Trên thế giới hiện nay thì

phương pháp khử muối phun tách ẩm vẫn còn đang được tiếp tục nghiên cứu

Mục tiêu của các nghiên cứu là đạt được năng suất cao nhất với tiêu hao năng

lượng nhỏ nhất Để đạt được mục tiêu này thì các thông số đặc tính ảnh hưởng

đến năng suất và hiệu suất hệ thống phải được xác định Tuy nhiên, trong các

nghiên cứu trước đây về hệ thống khử muối phun tách ẩm thì vẫn chưa có

nghiên cứu nào về các thông số đặc tính của hệ thống Vì vậy tác giả chọn đề

tài “nghiên cứu xác định một số thông số đặc tính của quá trình khử muối nước

biển bằng phương pháp phun – tách ẩm” là đề tài nghiên cứu của luận án này

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác định được ảnh hưởng của các thông số

đầu vào đến các thông số đầu ra trong hệ thống khử muối phun tách ẩm Từ đó

xác định được giá trị tối ưu của các thông số đặc tính trong hệ thống khử muối

phun tách ẩm

Để đạt được mục tiêu này, luận án sẽ tập trung giải quyết các mục tiêu cụ thể

như sau:

(i) Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nước phun, nhiệt độ nước cấp và

chênh lệch nhiệt độ tối thiểu Tmin đến tỷ lệ thu hồi nhiệt Từ đó xác

định tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không khí

(ii) Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nước phun và chênh lệch nhiệt độ tối

thiểu Tmin đến tỷ lệ thu hồi nhiệt và hệ số năng suất GOR Từ đó xác

định nhiệt độ nước phun hợp lý theo Tmin

(iii) Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ không khí và nước vào thiết bị phun

ẩm đến nhiệt độ nước và không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm Từ đó xác

định số Me hợp lý trong thiết bị phun ẩm

(iv) Xác định mối liên hệ giữa chiều cao lớp đệm, nhiệt độ nước phun và tỷ

đối cao và ổn định trong suốt thời gian thực nghiệm Hiệu suất trung bình của mẫu đối chứng thay đổi trong khoảng từ 55%-65% Ưu điểm nổi bật của mẫu đối chứng là khả năng làm việc rất tốt trong điều kiện thời tiết xấu

Hình 5.2: Bản vẽ 3D bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập

Hình 5.7: Kết quả thực nghiệm ống nhiệt trọng trường ở tỷ lệ nạp là 50% và

mẫu đối chứng

Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm chúng tôi nhận thấy rằng nước là môi chất làm việc rất tốt trong ống nhiệt trọng trường loại tách dòng độc lập So với các loại môi chất khác thì nước có các ưu điểm nổi bật như sau: (i) Rẻ tiền, (2) thân thiện với môi trường, (iii) ẩn nhiệt hóa hơi cao

0 20 40 60 80

oC]

Thời gian

Vị trí 1

Vị trí 2

Vị trí a

phun Khi nhiệt độ nước phun thay đổi thì tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu

giữa nước phun và không khí sẽ thay đổi theo Do đó cần phải điều chỉnh tỷ lệ

này cho phù hợp với nhiệt độ nước phun bằng cách thay đổi lưu lượng nước

phun sao cho tỷ lệ lượng khối lượng giữa nước phun và không khí luôn đạt

giá trị tối ưu

5.3 Đánh giá khả năng cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời

Để đánh giá khả năng cấp nhiệt của bộ thu tập trung dạng máng trụ trong điều

kiện Việt Nam luận án đã tiến hành chế tạo và thử nghiệm bộ thu tập trung

dạng máng trụ tại bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh, trường đại học Bách Khoa

Tp.HCM

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng với điều kiện thời tiết ở Tp HCM thì bộ thu

tập trung dạng máng trụ chỉ làm việc được trong khoảng thời gian từ tháng 1

đến tháng 4 Trong khoảng thời gian này là mùa nắng cho nên bầu trời tương

đối tốt, cường độ trực xạ tương đối ổn định Khoảng thời gian còn lại từ tháng 5

đến tháng 12 là mùa mưa cho nên bầu trời thường xuyên âm u, rất nhiều mây,

cường độ trực xạ là rất thấp và không đều Vì vậy bộ thu tập trung dạng máng

parabol không thể làm việc được

Với mục đích nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một bộ thu có thể cấp nhiệt cho hệ

thống khử muối phun tách ẩm có hiệu suất cao, tuổi thọ cao và giá thành thấp,

phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật ở Việt Nam luận án đề xuất thử

nghiệm bộ thu ống nhiệt để cung cấp nhiệt cho hệ thống

Để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của mô hình thực nghiệm, luận án đã

tiến hành thử nghiệm với mẫu đối chứng đang được bày bán trên thị trường

Kết quả thực nghiệm cho thấy, với mẫu đối chứng thì nhiệt độ nước tại vị trí a

và vị trí b là gần như nhau Nhiệt độ nước nóng của mẫu đối chứng tăng đều

theo thời gian và có sự dao động rất ít Hiệu suất của mẫu đối chứng là tương

lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí đến số Me của thiết bị phun ẩm

(v) Đánh giá khả năng cấp nhiệt của năng lượng mặt trời cho hệ thống khử muối phun tách ẩm

3 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận án là hệ thống khử muối nước biển bằng phương pháp phun – tách ẩm loại không khí tuần hoàn kín, nước tuần hoàn hở, gia nhiệt nước với vật liệu đệm trong thiết bị phun ẩm là giấy cooling pad và

vòi phun áp lực thấp

4 Phạm vi nghiên cứu

Luận án tập trung nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong hệ thống khử muối bằng phương pháp phun – tách ẩm Từ đó xác định các thông

số đặc tính tối ưu của hệ thống

5 Phương pháp nghiên cứu

Để đạt được mục tiêu này thì phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu

Ý nghĩa về mặt khoa học:

 Xây dựng hoàn chỉnh chương trình mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt giữa nước và không khí trong hệ thống

 Định lượng được mối quan hệ giữa tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không khí với nhiệt độ nước phun và nhiệt độ nước cấp Định lượng được mối quan hệ giữa nhiệt độ nước và không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm theo số Me và tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không khí Định lượng được mối quan hệ giữa chiều cao lớp đệm, nhiệt độ

nước phun và tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí theo

số Me

 Xác định được phạm vi tối ưu của nhiệt độ nước phun theo ΔTmin, số Me

trong thiết bị phun ẩm, mật độ xối tưới tối đa trên một đơn vị bề mặt lớp

đệm trong thiết bị phun ẩm

 Đã phát minh và thử nghiệm thành công loại bộ thu ống nhiệt mới, có hiệu

suất cao để cấp nhiệt cho hệ thống

Ý nghĩa về mặt thực tiễn:

 Chương trình mô phỏng sẽ là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho kỹ sư thiết kế

trong việc khảo sát ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến các thông số

đầu ra trong hệ thống khử muối phun – tách ẩm Từ đó, người thiết kế có thể

lựa chọn được các giá trị đầu vào hợp lý cho hệ thống

 Từ các phương trình hồi quy, những kỹ sư thiết kế có thể xác định các thông

số làm việc tối ưu Từ đó có thể tính toán kích thước và kết cấu của hệ thống

khử muối một cách dễ dàng

 Bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập được chế tạo có tuổi thọ

cao và giá thành thấp có thể được ứng dụng rộng rãi để thay thế các loại bộ

thu trên thị trường hiện nay

2 Cấu trúc của luận án

Nội dung của luận án bao gồm 6 chương, trong đó:

- Chương 1 trình bày tổng quan về kỹ thuật khử muối phun tách - ẩm

- Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về hệ thống khử muối phun – tách ẩm

nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp, vận hành đơn giản và phù hợp dãy năng suất trung bình 10-100m3/ngày Năng lượng mặt trời là nguồn nhiệt rất dồi dào ở khu vực ven biển và hải đảo Ngoài ra, nhiệt thải từ các máy phát điện diesel cũng là một nguồn năng lượng có tiềm năng rất lớn để cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun – tách ẩm

5.2 Chế độ vận hành của hệ thống khử muối phun – tách ẩm cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời

Kết quả mô phỏng được thực hiện trong chương 3 cho thấy ở mỗi giá trị nhiệt

độ nước phun thì sẽ có một tỷ lệ lưu lượng nước phun tối ưu để hệ số năng suất của hệ thống khử muối phun – tách ẩm là cao nhất Cho nên để hệ thống làm việc hiệu quả thì nhiệt độ nước phun phải ổn định Tuy nhiên nguồn nhiệt cung cấp cho hệ thống là năng lượng mặt trời thì nhiệt độ nước phun sẽ không ổn định vì cường độ bức xạ mặt trời thay đổi liên tục Để hệ thống khử muối phun – tách ẩm có thể làm việc được ổn định và đạt được hiệu suất cao nhất thì luận

án đề xuất 2 phương án như sau:

 Phương án 1 – Nhiệt độ nước phun ổn định: Để duy trì được nhiệt độ nước phun thì ngoài năng lượng mặt trời thì cần phải sử dụng thêm các nguồn năng lượng bổ sung Phương án này sẽ giúp hệ thống hoạt động ổn định đồng thời rút ngắn thời gian khởi động và tăng thời gian hoạt động Năng lượng bổ sung cho hệ thống có thể là các nguồn nhiệt thải từ động cơ máy phát điện diesel, hoặc các nguồn nhiệt rẻ tiền như: biogas, nhiên liệu sinh khối,…Đặc điểm của hệ thống khử muối phun – tách ẩm là thích hợp để cung cấp nước sạch cho những khu vực không tập trung dân cư Ở những khu vực này thì các nguồn năng lượng nêu trên rất dồi dào, cho nên việc ứng dụng phương pháp phun – tách ẩm trở nên dễ dàng hơn

 Phương án 2 – Nhiệt độ nước phun không ổn định: Trong trường hợp không có các nguồn nhiệt bổ sung thì phải sử dụng bơm định lượng để điều chỉnh lưu lượng nước phun theo tỷ lệ lưu lượng tối ưu với nhiệt độ nước

Ngoài ra luận án cũng đã xây dựng được mối quan hệ giữa nhiệt độ nước phun,

tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí, chiều cao lớp đệm với

số Me Sau cùng luận án đã kiểm chứng kết quả mô phỏng lý thuyết và thực

nghiệm, kết quả cho thấy sai số tuyệt đối lớn nhất là 4,14% Năng lượng để vận

hành bơm và quạt trong hệ thống khử muối là 4,29W/(1kg nước sạch)

MẶT TRỜI VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH

Trong các phương pháp khử muối bằng năng lượng mặt trời thì phương pháp

phun – tách ẩm được đánh giá là phương pháp khử muối phù hợp nhất trong

dãy năng suất 10-100m3/ngày Năng lượng mặt trời là hoàn toàn miễn phí và

hiện diện khắp mọi nơi trên trái đất, tuy nhiên cường độ bức xạ mặt trời không

ổn định theo vị trí địa lý và thời gian Cho nên việc ứng dụng năng lượng mặt

trời để cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun – tách ẩm sẽ gặp nhiều khó khăn

vì hiệu suất của hệ thống phụ thuộc vào nhiệt độ nước phun Kết quả mô phỏng

trong chương 3 cho thấy ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước phun thì sẽ có một tỷ

lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không khí để hệ số năng suất

của hệ thống khử muối phun – tách ẩm là cao nhất Vì vậy nếu nhiệt độ nước

phun không ổn định thì sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Để việc vận

hành hệ thống khử muối phun – tách ẩm cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời

được hiệu quả, trong chương này luận án sẽ đưa ra giải pháp cấp nhiệt cho hệ

thống bằng năng lượng mặt trời Ngoài ra với mục tiêu là sáng chế ra một loại

bộ thu mới có khả năng cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun – tách ẩm trong

điều kiện Việt Nam, luận án sẽ tiến hành nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm bộ

thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập và các loại bộ thu khác để đánh

giá khả năng cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun – tách ẩm

5.1 Các nguồn năng lượng có thể cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun

– tách ẩm

Ưu điểm của hệ thống khử muối phun – tách ẩm là thích hợp với khu vực

không tập trung đông dân cư như khu vực ven biển và hải đảo, làm việc với

- Chương 3 trình bày kết quả mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và chất trong hệ thống khử muối phun – tách ẩm

- Chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm

- Chương 5 trình bày phương án vận hành và đánh giá khả năng cấp nhiệt năng lượng mặt trời

- Chương 6 trình bày các kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN

Để khử muối nước biển thì có nhiều phương pháp thực hiện, trong chương này luận án giới thiệu về các phương pháp khử muối phổ biến đang được sử dụng trên thế giới Khử muối bằng phương pháp phun tách - ẩm được đánh giá là một trong những phương pháp khử muối tốt nhất bằng năng lượng mặt trời Kết quả nghiên cứu tổng quan về hệ thống khử muối phun – tách ẩm cho thấy mục tiêu của các nghiên cứu về hệ thống khử muối phun – tách ẩm đều tập trung vào giải quyết các vấn đề sau đây: chi phí sản xuất nước, trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị tách ẩm và hiệu suất của hệ thống Ngoài ra còn có các nghiên cứu về cải tiến kết cấu hệ thống khử muối phun – tách ẩm Các kết quả đạt được cũng chỉ dừng lại ở các nghiên cứu lý thuyết cơ bản, việc tối ưu hóa các thông số đặc tính cũng như vấn đề truyền và truyền chất trong hệ thống vẫn chưa được nghiên cứu chuyên sâu và thực nghiệm chi tiết Các nghiên cứu cũng chưa thấy đưa ra được các quy luật, các quan hệ của các thông số đặc tính đến năng suất của hệ thống Bên cạnh các vấn đề đã được nghiên cứu, luận án cũng nhận thấy rằng trong hệ thống khử muối phun – tách ẩm vẫn còn rất nhiều vấn

đề cần phải nghiên cứu để nâng cao hiệu suất hệ thống Từ đó, luận án đã đề ra các mục tiêu cần phải tiếp tục nghiên cứu

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sau khi nghiên cứu tổng quan về phương pháp khử muối phun – tách ẩm, luận

án đã xác định được đối tượng nghiên cứu là chu trình không khí tuần hoàn kín,

nước tuần hoàn hở, gia nhiệt nước CAOW-WH Mục tiêu chính của luận án là

xác định một số thông số đặc tính của quá trình khử muối phun tách ẩm Để đạt

được mục tiêu này thì phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa

nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Do đó việc làm đầu tiên mà luận án phải

giải quyết là nghiên cứu lý thuyết về hệ thống khử muối phun – tách ẩm Vấn

đề chính của hệ thống khử muối phun tách ẩm là truyền nhiệt và truyền chất

Hệ số năng suất của hệ thống phụ thuộc vào khả năng thu hồi nhiệt và hiệu quả

quá trình trao đổi nhiệt và chất Cho nên trong chương này luận án sẽ tiến hành

phân tích lý thuyết về truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống khử muối phun

– tách ẩm Từ đó xây dựng các bài toán về truyền nhiệt và truyền chất giữa

nước phun và không khí theo phương pháp Merkel và phương pháp Poppe

2.1 Thu hồi nhiệt trong hệ thống khử muối phun – tách ẩm

Năng suất và hệ số năng suất của hệ thống khử muối phun – tách ẩm phụ thuộc

vào khả năng thu hồi nhiệt của hệ thống Trong hệ thống khử muối phun – tách

ẩm không khí tuần hoàn kín, nước tuần hoàn hở thì có 3 nguồn nhiệt cần thu

hồi là: (i) nhiệt thải ra từ không khí nóng bão hòa có nhiệt độ cao trong thiết bị

tách ẩm, (ii) nhiệt thải ra do nước ngưng nhả ra ở thiết bị tách ẩm và (iii) nhiệt

lượng do nước phun thải ra ở thiết bị phun ẩm

2.1.1.1 Tỷ số lưu lượng khối lượng nước phun và không khí tuần hoàn

Trong các thông số ảnh hưởng đến tỷ lệ thu hồi nhiệt trong hệ thống khử muối

bằng phương pháp phun – tách ẩm loại nước tuần hoàn hở, không khí tuần hoàn

kín thì có thể nói rằng tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí

tuần hoàn = ̇ ⁄ ̇ là thông số ảnh hưởng nhiều nhất Hệ số ảnh hưởng

đến nhiệt độ nước thải sau khi phun ở thiết bị phun ẩm, đồng thời cũng ảnh

hưởng đến nhiệt độ nước giải nhiệt và không khí ra khỏi thiết bị tách ẩm

2.1.1.2 Nhiệt độ nước phun

Thông số thứ hai ảnh hưởng đến khả năng thu hồi nhiệt thải trong hệ thống khử

muối phun – tách ẩm là nhiệt độ nước phun Tốc độ bay hơi của nước vào trong

Dựa vào kết quả thực nghiệm và lý thuyết được trình bày trên hình 4.22 cho thấy rằng nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm và nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị tách ẩm thực nghiệm thấp hơn so với lý thuyết Kết quả lý thuyết và thực tế có sự chênh lệch không đáng kể

Kết quả đánh giá sai số thực nghiệm và lý thuyết đã thực hiện cho thấy rằng kết quả thực nghiệm có sự sai lệch không đáng kể so với lý thuyết Sai số tương đối lớn nhất là 2,63% và sai số tuyệt đối lớn nhất là 4,14% Điều này cho thấy các kết quả mà luận án đã thực hiện bằng lý thuyết trước đây là đáng tin cậy

Bảng 4.7: Kết quả đánh giá sai số Thông

số

Sai số tương đối trung bình (%)

Sai số tuyệt đối lớn nhất (%)

Sai số tuyệt đối nhỏ nhất (%)

4.4 Kết luận

Từ việc nghiên cứu thực nghiệm hệ thống khử muối phun – tách ẩm, luận án đã xác định được mật độ xối tưới tối đa trên một đơn vị diện tích lớp đệm là 0,75kg/(m2.s) Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy không khí vào thiết bị phun

ẩm sẽ không ảnh hưởng đến giá trị số Me trong khoảng nhiệt độ 35-38oC

Hình 4.22: So sánh nhiệt độ đo đạc thực

nghiệm và lý thuyết

ẩm sẽ không ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong thiết bị

phun ẩm trong khoảng nhiệt độ 35oC-38oC

Kết quả trên hình 4.9 cho thấy với cùng giá trị khi nhiệt độ nước phun khác

nhau thì số Me cũng khác nhau Nhiệt độ nước phun càng tăng thì số Me càng

thấp và ngược lại Sự biến đổi của số Me theo nhiệt độ nước phun không tuyến

tính mà là một đường cong phi tuyến Sự thay đổi giá trị số Me theo nhiệt độ

nước phun giảm nhanh trong khoảng nhiệt độ từ 65-75oC Khi nhiệt độ nước

phun cao hơn 75oC thì độ dốc của số Me theo nhiệt độ sẽ thấp hơn Với cùng

một nhiệt độ nước phun thì số Me nghịch biến với Khi giá trị tăng lên thì

số Me giảm xuống, sự thay đổi này cũng không tuyến tính Độ dốc của số Me

giảm khi tăng

Kết quả thực nghiệm trên hình 4.10 và 4.15 cho thấy với cùng một chiều cao

lớp đệm thì khi tăng lên thì số Me giảm Sự thay đổi của số Me và cũng

không tuyến tính mà là một đường cong có dạng hàm mũ

Với các kết quả đạt được, luận án đã tìm ra được quan hệ giữa số Me với nhiệt

độ nước phun, ṁ và L như sau:

= (0,0012 − 0,2174 + 11,933) , ( , , , ) (4.6)

Phương trình (4.6) áp dụng cho dãy nhiệt độ nước phun từ 65oC đến 80oC và ṁ

trong khoảng từ 2,5 đến 4

Hình 4.10: Ảnh hưởng của m đến số

Me ở nhiệt độ nước phun 80oC

Hình 4.15: Ảnh hưởng của chiều cao lớp đệm đến số Me ở nhiệt độ nước

phun 80oC

không khí phụ thuộc vào nhiệt độ nước phun

2.1.1.3 Nhiệt độ nước giải nhiệt

Nhiệt độ nước giải nhiệt càng thấp thì nhiệt lượng nước giải nhiệt thu hồi được

từ không khí tuần hoàn trong thiết bị tách ẩm càng cao và ngược lại

2.1.2.1 Mục tiêu của phân tích Pinch

Phân tích Pinch được sử dụng để xác định chi phí năng lượng, chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống trao đổi nhiệt và xác định điểm Pinch

2.1.2.2 Các bước phân tích Pinch

 Xác định các dòng nhiệt nóng, dòng nhiệt lạnh và dòng phụ trợ trong quy trình

 Thu thập dữ liệu nhiệt cho các dòng trong quy trình và dòng phụ trợ

 Lựa chọn giá trị Tmin ban đầu

 Xây dựng các đường cong tổ hợp và đường cong tổ hợp tổng

 Xác định năng lượng bổ sung tối thiểu, năng lượng thu hồi và năng lượng thải bỏ

 Xác định các dòng nhiệt nóng, dòng nhiệt lạnh và dòng phụ trợ trong quy trình

Tại thiết bị phun ẩm, nước nóng được phun ra từ các vòi phun lên lớp đệm nhả nhiệt cho không khí chuyển động theo hướng ngược lại Một phần nước bị bay hơi vào trong không khí làm cho độ chứa hơi của không khí tăng lên Không khí đi vào thiết bị phun ẩm là không khí ẩm bão hòa đi ra từ thiết bị tách ẩm Không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm cũng là không khí ẩm bão hòa Nước nóng sau khi đi qua lớp đệm nhả nhiệt cho không khí thì nhiệt độ sẽ giảm xuống và

sẽ thải bỏ

Không khí ẩm bão hòa ra khỏi thiết bị phun ẩm có nhiệt độ cao đi vào thiết bị tách ẩm sẽ nhả nhiệt cho nước giải nhiệt và hơi nước trong không khí sẽ bị tách

ra Trong thiết bị tách

ẩm nước giải nhiệt và

không khí bão hòa đi

ngược chiều nhau Đầu

vào của nước giải nhiệt

là đầu ra của không khí

và ngược lại Nhiệt độ

không khí đầu ra sẽ cao

hơn nhiệt độ nước giải

nhiệt đi vào và nhiệt độ

đầu ra của nước giải

nhiệt thấp hơn nhiệt độ

đầu vào của không khí Quá trình không khí đi trong thiết bị tách ẩm là ngược

lại với quá trình không khí đi trong thiết bị phun ẩm Nhiệt lượng không khí

nhả ra cho nước giải nhiệt trong thiết bị tách ẩm bao gồm nhiệt hiện và nhiệt ẩn

2.2 Cân bằng nhiệt và chất hệ thống

Sau khi xác định được các thông số đầu ra trong hệ thống khử muối phun – tách

ẩm CAOW-WH bằng công nghệ Pinch thì bước tiếp theo là xác định các kích

thước của thiết bị phun ẩm và tách ẩm để đạt được giá trị Tmin như mong

muốn Đây là một vấn đề rất khó khăn vì quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi

chất giữa nước và không khí diễn ra rất phức tạp Để có thể giải quyết vấn đề

này thì phải giải được bài toán về truyền nhiệt và truyền chất trong hệ thống

Để đơn giản hóa cho bài toán trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị phun

ẩm thì luận án đưa ra các giả thiết sau:

 Bỏ qua tổn thất nhiệt giữa các vách bao che thiết bị phun ẩm với môi

trường

 Xem hệ số truyền chất trong thiết bị phun ẩm là một hằng số không đổi

theo chiều cao lớp đệm

 Số Lewis chỉ phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt và truyền chất

Hình 2.8: Phân tích Pinch tại m = 3, nhiệt độ nước phun t3= 80oC và nhiệt độ nước cấp t1=30oC

và trao đổi chất tốt hơn mà do nước phun bị cuốn theo không khí Nếu giảm lưu lượng nước phun thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ tăng lên

và nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm giảm xuống Tuy nhiên nếu lưu lượng nước phun quá thấp thì không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ không đạt đến nhiệt độ bão hòa ứng với nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm Dựa trên kết quả thực nghiệm chúng tôi nhận thấy rằng khi lưu lượng nước phun thấp hơn 0,3kg/m2s thì không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ không bão hòa và khi lưu lượng nước phun cao hơn 0,75kg/m2s thì không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ cuốn theo nước Vì vậy chúng tôi kết luận lưu lượng nước phun hợp lý trên một đơn vị diện tích lớp đệm là 0,3kg/m s < ṁ < 0,75kg/m s

trao đổi chất

Kết quả thực nghiệm trên hình 4.8 cho thấy khi nhiệt độ không khí đầu vào thiết bị phun ẩm tăng thì nhiệt độ không khí và nước ra khỏi thiết bị phun ẩm cũng sẽ tăng theo Sự thay đổi nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm là tuyến tính theo nhiệt

độ không khí vào Sự thay đổi của nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm là rất ít theo nhiệt độ không khí vào Kết quả tính toán cho thấy số Me không thay đổi theo nhiệt độ không khí vào Từ kết quả này chúng tôi kết luận rằng trong hệ thống khử muối phun tách ẩm không khí tuần hoàn kín nước tuần hoàn hở thì nhiệt độ không khí đầu vào thiết bị phun

Hình 4.8: Ảnh hưởng của t5 đến t4 và t6

Hình 4.9: Ảnh hưởng của t3 đến số Me