Nghiên cứu hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống thiết bị chưng cất nước biển sử dụng năng lượng mặt trời

Nghiên cứu hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống thiết bị chưng cất nước biển sử dụng năng lượng mặt trời Nghiên cứu hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống thiết bị chưng cất nước biển sử dụng năng lượng mặt trời luận văn tốt nghiệp thạc sĩ

Bộ giáo dục và đào tạo Trường đại học bách khoa hà nội

Luận văn thạc sỹ khoa học

nghiên cứu hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt

trong hệ thống thiết bị chưng cất

nước biển sử dụng năng lượng mặt trời

ngành: công nghệ nhiệt - lạnh

Nguyễn Đức Nam

Người hướng dẫn khoa học: GS.TSKH Đặng Quốc Phú

Mục lục

19TLờI CAM đoan19 T 4

19TLờI CảM ƠN19T 5

19TCáC Ký HIệU CHủ YếU19T 6

19TLời nói đầu19T 8

19TChương 1: Tổng quan về nguồn nước ngọt và các công nghệ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời 10

19T1.1 Hiện trạng về nguồn nước ngọt trên thế giới19T 10

19T1.2 Lịch sử phát triển của công nghệ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời19T 11 19T1.2.1 Năng lượng mặt trời1 9T 11

19T1.2.2 Thiết Bị thu năng lượng mặt trời19 T 13

19T1.2.2.1 Bộ thu dạng tấm phẳng (flat plate collector)19T 14

19T1.2.2.2 Bộ thu dạng hội tụ (Focusing Collectors)19T 16

19T1.2.2.3 Bộ thu dạng ống đã rút chân không19T 18

19T1.2.3 ứng dụng của năng lượng mặt trời trong thực tế19T 20

19T1.2.3.1 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (Solar water heating system) 20

19T1.2.3.2 Thiết bị sưởi ấm sử dụng năng lượng mặt trời (Solar space heating system) 21

19T1.2.3.3 Công nghệ chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời 23

19TChương 2: Các phương pháp chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời 24

19T2.1 Tổng quan về công nghệ chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời 24

19T2.2 Các phương pháp chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời 25

19T2.2.1 Chưng cất bể đơn giản 25

19T2.2.2 Các hệ thống chưng cất tiến bộ 26

19T2.2.3 Các hệ thống chưng cất có kết hợp 28

19T2.2.4 Các loại chưng cất khẩn cất 28

19T2.2.5 Thiết bị chưng cất kiểu bề mặt19T 29

19T2.3 Khả năng ứng dụng của phương pháp chưng cất nước biển bằng năng

lượng mặt trời tại việt nam1 9T 32

19TChương 3: lý thuyết về quá trình trao đổi nhiệt khi sôi và một số thiết bị bay hơi đặc trưng 34

19T3.1 Đặc điểm của quá trình bay hơi 34

19T3.1.1 Các điều kiện của quá trình bay hơi 34

19T3.1.2 Quá trình sôi trên bề mặt vật rắn 35

19T3.2 Một số loại thiết bị bay hơi đặc trưng 36

19T3.2.1 Thiết bị bay hơi kiểu ngập 37

19T3.2.2 Thiết bị bay hơi kiểu tưới 37

19T3.2.3 Ưu nhược điển của thiết bị bay hơi kiểu tưới so với thiết bị bay hơi kiểu ngập 38

19T3.3 Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kiểu tưới 38

19T3.3.1 Quá trình sôi trên bề mặt ống đứng 39

19T3.3.1.1 Cân bằng khối lượng và cân bằng xung19T 40

19T3.3.1.2 Cân bằng năng lượng 45

19T3.3.1.3 Phương pháp giải 47

19T3.3.1.4 Công thức tính toán thực tế 51

19T3.4 So sánh lý thuyết về hiệu quả của thiết bị sinh hơi kiểu tưới so với kiểu ngập 53

19T3.4.1 Thiết bị sinh hơi kiểu tưới 54

19T3.4.2 Thiết bị sinh hơi kiểu ngập 55

19TChương 4: Thực nghiệm nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị sinh hơi kiểu tưới 59

19T4.1 Xây dựng quy trình thí nghiệm 59

19T4.1.1 Mục đích và yêu cầu 59

19T4.1.1.1 Mục đích 59

19T4.1.1.2 Yêu cầu 59

19T4.2.1 Mô hình thí nghiệm 60

19T4.2.1.1 Sơ đồ thí nghiệm 60

4.2.1.2 Mô tả sơ đồ thí nghiệm 62

19T4.2.1.4 Cấu tạo của bình nước cấp 64

19T4.2.2 Hệ thống thiết bị đo lường và khống chế nhiệt độ 64

19T4.2.3 Nguyên tắc của phép đo thực nghiệm 66

19T4.2.3.1 Tổ chức thí nghiệm 66

19T4.2.3.2 Các biện pháp giảm sai số của kết quả đo 66

19T4.3 Kết quả đo 67

19T4.4 Tính toán hệ số trao đổi nhiệt 69

19T4.4.1 Cơ sở tính toán 69

19T4.4.2 Xây dựng chương trình tính toán 71

19T4.4.2.1 Giới thiệu về phần mềm EES 71

19T4.4.2.2 Chương trình tính toán các thông số đặc trưng của mô hình thí nghiệm thiết bị bay hơi trên màng nước 74

19T4.4.3 Kết quả tính toán 76

19TChương 5: tính toán thiết kế chế tạo mô hình thí nghiệm hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời 82

19T5.1 Mục đích và Yêu cầu đối với hệ thống thiết bị 82

19T5.1.1 Mục đích 82

19T5.1.2 Yêu cầu 82

19T5.2 Sơ đồ nguyên lý19T 83

19T5.3 Tính toán thiết kế bình bay hơI19T 85

19T5.3.1 Mô tả thiết bị19T 85

19T5.3.2 Tính toán thiết kế19T 86

19T5.4 Tính toán thiết kế bình ngưng tụ19 T 93

19T5.4.1 Mô tả thiết bị19T 93

19T5.4.2 Tính toán thiết kế bình ngưng tụ19T 94

19T5.5 Tính toán thiết kế bình chứa nước biển19T 98

19T5.6 Tính toán thiết kế bình nước nóng19T 99

19T5.7 Lựa chọn hệ thống thiết bị điều khiển đo lường19T 101

LờI CAM đoan

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo: GS.TSKH Đặng Quốc Phú

Để hoàn thành luận văn này, tôi đã sử dụng những tài liệu được ghi trong mục tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất kỳ tài liệu tham khảo nào khác mà không được ghi Tôi xin cam đoan không sao chép các công trình hoặc thiết kế tốt nghiệp của người khác

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo qui định

Hà Nội, ngày 20 tháng 11 năm 2006

Nguyễn Đức Nam

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến tập thể cán bộ Bộ môn Kỹ thuật nhiệt Trường

Đại học công nghiệp Hà nội đã tạo điều kiện và thời gian để tôi thực hiện bản luận văn này Tôi xin cảm ơn Kỹ sư Nguyễn Đình Lợi, Hoàng Gia Việt và sinh viên Trần Thị Thu Hằng đã giúp đỡ tôi trong việc hoàn thiện thiết bị thí nghiệm Tôi cũng xin cảm ơn những người bạn đã luôn quan tâm, động viên

và giúp đỡ tôi

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến bố mẹ và gia đình tôi, những người luôn bên tôi, luôn ủng hộ và động viên tôi cả về vật chất lẫn tinh thần Tôi xin dành tặng bản luận văn này cho bố mẹ và gia đình thay cho những lời cảm ơn của mình

Lời nói đầu

Nước ngọt là hợp chất liên quan trực tiếp và có tính quyết định đến sự sống và là nguồn sống của mọi sinh vật trên trái đất Một đặc điểm hết sức quan trọng đối với nước, đó là trên hành tinh chúng ta, nước không hề được sản xuất ra và cũng không bị tiêu hao mà chỉ chu chuyển thông qua các hoạt

động của hệ sinh thái và hoạt động sản suất của con người

Do nhu cầu sử dụng nước ngày càng cao, trong khi các nguồn nước và trữ lượng nước sạch ngày càng ít đi, đặc biệt là các vùng ven biển và hải đảo Chưng cất nước ngọt từ nước biển là đề tài nghiên cứu rất thiết thực đối với đời sống của con người, đặc biệt là phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng mặt trời khi mà các nguồn năng lượng khác

đang ngày càng cạn kiệt

Việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời đã và đang trở thành đề tài được nhiều nhà khoa học trên thế giới quan tâm và nghiên cứu Nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng vô tận, do đó vấn đề đặt ra ở đây là chúng ta sẽ ứng dụng được nguồn năng lượng vô tận này trong những lĩnh vực gì? Chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng mặt trời là một trong số những lĩnh vực sử dụng nguồn năng lượng này

Tuy nhiên, nguồn năng lượng thu được từ bức xạ mặt trời bằng các bộ thu phẳng là nguồn năng lượng có nhiệt độ có giới hạn khoảng 100P

0

PC, vì vậy để thực hiện được và tăng hiệu quả của quá trình chưng cất cần phải thực hiện quá trình chưng cất ở áp suất thấp hơn áp suất khí quyển, có nghĩa là quá trình chưng cất phải được thực hiện ở áp suất tương ứng với nhiệt độ sôi nhỏ hơn nhiệt độ của nguồn năng lượng

Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nhà máy sản xuất nước ngọt từ nước biển tại Trung Đông (Israel, Arập xê út), Địa Trung Hải (Matla), châu Mỹ,

Nam Âu, Caribe, Nhật Bản, Trung Quốc, quần đảo Channel, đảo Tenerife và Gran Canaria v.v…ứng dụng các công nghệ khác nhau

Việt Nam là nước có địa hình khá phức tạp, nhiều vùng đồi núi, biên cương, hải đảo xa xôi, nhiều nơi bị nhiễm mặn v.v… rất khan hiếm nước ngọt phục vụ cho sinh hoạt Chính vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sản xuất nước ngọt từ nước biển sử dụng nguồn năng lượng mặt trời trong điều kiện Việt Nam tại các vùng ven biển, hải đảo v.v…là một lĩnh vực đang rất

được quan tâm trong giai đoạn hiện nay

Với mục đích muốn góp một phần nhỏ bé vào việc tìm kiếm các biện pháp và công nghệ nhằm nâng cao hiệu quả của quá trình chưng cất nước ngọt

từ nước biển sử dụng nguồn năng lượng mặt trời, luận văn này tập trung nghiên cứu một cơ chế sôi hy vọng mang lại hiệu quả cao đó là cơ chế sôi trên màng nước mỏng và ứng dụng nó vào việc thiết kế chế tạo một mẫu thiết bị chưng cất nước biển băng năng lượng mặt trời

Đáng tiếc là do trình độ và thời gian còn rất hạn chế và những kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn này mới là những kết quả nghiên cứu ban

đầu, hơn nữa đề tài lại tương đối mới mẻ nên sẽ không tránh khỏi thiếu sót Rất mong được sự trao đổi, chỉ bảo của các thầy cô giáo, các đồng nghiệp và những ai quan tâm đến đề tài này

Chương 1

Tổng quan về nguồn nước ngọt và các công nghệ sử

dụng nguồn năng lượng mặt trời

Nguồn năng lượng mặt trời hiện nay đã và đang được khai thác và sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới bằng nhiều phương thức khác nhau với một mục đích cuối cùng là biến nguồn năng lượng mặt trời thành nguồn năng lượng hữu ích phục vụ nhu cầu đời sống của con người Chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời thành nước ngọt để sử dụng, không những tận dụng

được nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời mà còn đáp ứng được phần nào về nhu cầu sử dụng nước ngọt trong sinh hoạt của con người

1.1 hiện trạng về nguồn nước ngọt trên thế giới

Theo thống kê của Liên hiệp quốc, ước tính hiện có hơn 200 triệu người trên thế giới không được cung cấp nước sinh hoạt đều đặn, an toàn và đủ để

đảm bảo cho cuộc sống của họ

Hiện nay, nước biển ngày càng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước uống do việc phát triển các nguồn nước ngọt tự nhiên bị hạn chế Theo khảo sát của các tổ chức quốc tế, 97,5% nước trên trái đất là nước biển

và còn lại 2,5% là nước ngọt Phần lớn nước ngọt được dự trữ trong các sông băng, tảng băng và dưới lòng đất Nước mà con người có thể khai thác và sử dụng dễ dàng chẳng hạn như nước trong sông và hồ chỉ chiếm 0,01% tổng lượng nước ngọt hiện có

Trong khi đó, dân số toàn cầu ngày càng tăng do đó nguy cơ đối mặt với tình trạng khan hiếm nước chắc chắn sẽ xảy ra

Hiện nay đã có nhiều nhà máy biến nước biển thành nước ngọt tại Trung

Đông (Israel, Arập xê út), Địa Trung Hải (Matla), châu Mỹ, Nam Âu, Caribe, Nhật Bản, quần đảo Channel, đảo Tenerife và Gran Canaria nơi nguồn nước

Trong những thập kỷ 1960 – 1970, để khắc phục tình trạng thiếu nước người ta đã xây dựng nhiều hồ chứa hơn Tuy nhiên, giá thành nước gia tăng

đã làm cho các công ty thương mại không thể lựa chọn giải pháp này Khử muối trong nước biển là một giải pháp tương đối mới Nó bắt nguồn từ Trung

Đông vào những năm 1980 và 1990 Trong tổng số 7.500 nhà máy khử muối

đang hoạt động trên toàn thế giới, 60% nằm tại Trung Đông với tổng công suất 16 tỷ lít mỗi ngày

Nhà máy lọc nước biển lớn nhất thế giới ở Arập xê út sản xuất 128 triệu galon mỗi ngày (tương đương với 581 triệu lít) Arập xê út là nước sản xuất nước ngọt từ nước biển lớn nhất thế giới, đáp ứng 70% nhu cầu nước uống hiện nay của đất nước này Trong khi đó, 12% nước được khử muối của thế giới được sản xuất ở châu Mỹ với phần lớn nhà máy nằm ở Florida và California Mỹ có 1500 nhà máy khử muối khỏi nước ngầm và nước bề mặt với công suất 5 tỷ lít mỗi ngày

1.2 lịch sử phát triển của công nghệ sử dụng nguồn năng lượng mặt trời

có nhiệt độ vật đen hiệu quả (effective black body temperature) vào khoảng

5760 K trong khi đó nhiệt độ thực tế của các vùng bên trong của mặt trời ước tính khoảng 8.10P

6

P – 40.10P

6

P K Mật độ của các dòng khí vào khoảng 100 lần

so với nước Có thể coi mặt trời là một lò phản ứng hạt nhân rất lớn, với một loạt các phản ứng kết hợp (Fusion reaction) diễn ra liên tục và cung cấp năng

lượng dưới dạng bức xạ của mặt trời Phản ứng bức xạ quan trọng nhất là quá trình tái tạo hydrô (nghĩa là 4 prôtôn kết hợp với nhau để tạo ra một hạt nhân Hêlium), khối lượng của hạt nhân Hêlium nhỏ hơn khối lượng của bốn prôtôn, phần khối lượng mất mát trong phản ứng dược biến đổi thành năng lượng

Trái đất có dạng hình cầu đường kính khoảng 12700 km Trái đất quay xung quanh trục của nó (một vòng mất 24 giờ) và đồng thời quay xung quanh mặt trời với quỹ đạo tròn (một vòng mất 364,25 ngày) Mặt trời nằm lệch một chút so với tâm của quỹ đạo tròn Vào ngày 1/1 hàng năm, trái đất gần mặt trời nhất, trong khi vào ngày 1/7 hàng năm, trái đất xa mặt trời nhất Trục quay của trái đất nghiêng 23,5 độ so với mặt phẳng quay của trái đất xung quanh mặt trời, như được biểu diễn trên H.1-1

H.1-1: Trái đất quay xung quanh mặt trời

Năng lượng bức xạ mặt trời nhận được tại bề mặt của trái đất sẽ bị thay

đổi tuỳ thuộc vào :

a- Sự tán xạ của các phân tử không khí, hơi nước và bụi trong khí quyển

b- Sự hấp thụ của các khí ôxy, hơi nước, và cacbonic trong khí quyển

Bức xạ trái đất nhận được từ mặt trời được phân ra làm 2 loại:

- Bức xạ tia, hoặc bức xạ trực tiếp (direct radiation) là bức xạ nhận được

từ mặt trời trên bề mặt trái đất mà không bị tán xạ bởi khí quyển

- Bức xạ khuếch tán (diffuse radiation) là bức xạ nhận được từ mặt trời sau khi hướng bức xạ bị thay đổi do tán xạ trong khí quyển

Tổng của bức xạ (bức xạ trực tiếp + bức xạ khuếch tán) gọi là bức xạ mặt

trời toàn phần (Total or Global radiation)

1.2.2 thiết Bị thu năng lượng mặt trời

Thiết bị thu năng lượng mặt trời được dùng để thu năng lượng bức xạ của mặt trời và biến đổi nó thành một dạng năng lượng hữu ích khác phù hợp với nhu cầu sử dụng thực tế

Thông số đặc tính quan trọng của một thiết bị thu năng lượng mặt trời là hiệu suất thu năng lượng, nó được xác định bằng tỉ số của nhiệt hiệu quả thu nhận được trong một khoảng thời gian xác định và năng lượng bức xạ mặt trời chiếu tới bộ thu trong khoảng thời gian đó Hiệu suất của một bộ thu cho trước

và đối với một giá trị của bức xạ mặt trời chiếu tới bộ thu sẽ phụ thuộc vào môi chất lưu động trong bộ thu đó Nhiệt độ môi chất lưu động càng lớn thì nhiệt độ bề mặt tấm hấp thụ càng cao dẫn đến tổn thất nhiệt từ bề mặt hấp thụ

sẽ tăng và hiệu suất bộ thu sẽ giảm ở điều kiện ổn định, năng lượng hữu ích ở

đầu ra QR u R của bộ thu năng lượng mặt trời là chênh lệch giữa năng lượng bức xạ mặt trời hấp thụ được của bộ thu S và tổn thất nhiệt từ bề mặt hấp thụ ở nhiệt độ bề mặt bộ thu TR p,m R:

TR q R: Nhiệt độ môi trường

ηR collector R =

1.2.2.1 Bộ thu dạng tấm phẳng (flat plate collector)

Diện tích dùng để hấp thụ bức xạ mặt trời chính là diện tích mặt của thiết

bị (Intercepting solar radiation area) (H.1-3)

- Tấm phủ trong suốt: Được làm bằng thủy tinh hay bằng các vật liệu

trong suốt, nhiệm vụ cơ bản của các tấm này là tạo ra hiệu ứng nhà kính để làm giảm bớt tổn thất năng lượng bức xạ từ bề mặt làm việc của bộ thu ra ngoài môi trường, đồng thời hạn chế sự tổn thất nhiệt do hiện tượng đối lưu Tùy theo mức

nhiệt độ càng cao thì số lượng tấm phủ càng lớn, thông thường số lượng tấm phủ phổ biến là từ 1 đến 2 tấm Trong một vài trường hợp có thể không cần dùng đến tấm phủ

- Bề mặt hấp thụ bức xạ mặt trời: Là bề mặt nhận năng lượng mặt trời

để truyền lại cho môi chất làm việc Thông thường bề mặt này được sơn màu

đen để gia tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời và giảm bớt sự phát xạ ngược lại từ bề mặt hấp thụ

- Rãnh dẫn môi chất làm việc: Dùng để dẫn hướng cho môi chất làm

việc đi qua bộ thu và nhận nhiệt từ bề mặt hấp thụ và được đặt ở phía dưới của

bề mặt hấp thụ, ở một ít trường hợp rãnh dẫn môi chất làm việc có thể được

đặt ở mặt trên của bề mặt hấp thụ

- Lớp cách nhiệt: Được đặt ở mặt dưới và hai bên thành của bộ thu để

giảm tổn thất nhiệt

Hiện nay, bộ thu dạng tấm phẳng đang được sử dụng nhiều trong thực tế vì nó có một số ưu điểm sau :

- Hấp thụ cả hai dạng bức xạ mặt trời là bức xạ tia (trực tiếp) và bức xạ khuếch tán

- Không đòi hỏi phải hướng bộ thu theo hướng mặt trời (đặt cố định)

- Chi phí đầu tư thiết bị thấp (có thể dùng vật liệu địa phương), vận hành

đơn giản, chi phí bảo dưỡng thấp

- Bề mặt thuỷ tinh làm việc như một vật thể trong suốt đối với bức xạ mặt trời sóng ngắn, nhưng lại đóng vai trò như một vật mờ (Opaque Object)

đối với năng lượng phản xạ Do vậy, nó hoạt động như một “bẫy” năng lượng mặt trời Môi chất làm việc để nhận nhiệt từ bộ thu có thể là không khí lưu động giữa bề mặt đen và kính chắn hoặc là nước chảy trong các ống được gắn trên bề mặt đen (Blackened surface plate)

Trong những năm gần đây các lớp phủ đen bề mặt đã được nghiên cứu và

sử dụng với khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời rất cao và đồng thời có hệ số

phát xạ thấp đối với bức xạ sóng dài Các bề mặt này cho phép bộ thu mặt trời dạng tấm phẳng có thể vận hành ở nhiệt độ gần 100 P

0

P

C

1.2.2.2 Bộ thu dạng hội tụ (Focusing Collectors)

Trong các bộ thu hội tụ, người ta sử dụng các hệ thống gương để làm tăng cường độ bức xạ mặt trời trên bề mặt hấp thụ năng lượng Các bộ thu này do vậy có thể tạo ra nguồn năng lượng có nhiệt độ cao hơn so với bộ thu tấm phẳng Các hệ thống hội tụ chỉ hấp thụ thành phần bức xạ tia trực tiếp của mặt trời, do vậy thành phần khuếch tán được xem là một phần của tổn thất năng lượng trong hệ thống

H.1-4 mô tả một vài dạng của bộ thu hội tụ, dạng thứ nhất bao gồm mặt phẳng nhận năng lượng (Plane receiver with Plane receiver) và hai mặt phẳng

phản xạ được bố trí tại hai bên rìa của mặt phẳng nhận năng lượng, nhằm hướng các tia bức xạ bổ sung vào bề mặt nhận năng lượng (H.1-4.a) Tỷ lệ hội

tụ (tỷ số giữa độ mở Apature của bộ thu so với diện tích hấp thụ năng lượng) của loại này thường thấp, giá trị cực đại không vượt quá 4, hình H.1-4.b đưa ra sơ đồ nguyên lý của một bề mặt phản xạ hình cong có dạng Parabol Các tia bức xạ mặt trời chiếu đến bề mặt cong, những tia này được phản xạ và hội tụ tại bộ thu có bề mặt hình trụ (có bề mặt thu dạng ống) hoặc là một bề mặt tròn xoay (với bộ thu có dạng hình bán cầu) Thể hiện trên hình H.1-4.c, H.1-4.d, H.1-4.e bề mặt phản xạ gồm các tấm gương riêng rẽ gọi là Fresnel, là tổ hợp của các bề mặt phản xạ tấm phẳng đặt trên một giá đỡ chuyển động để có thể

điều chỉnh được góc nghiêng của các mặt phẳng theo vị trí của mặt trời Hầu hết các bộ thu hội tụ được trang bị cơ chế điều chỉnh và định hướng để cho các bức xạ tia từ mặt trời có thể được phản xạ đến bề mặt tiếp nhận năng lượng Nói chung, nhiệt độ làm việc của bộ thu dạng tập trung lớn hơn so với nhiệt độ làm việc của bộ thu dạng tấm phẳng Chính vì vậy khi yêu cầu nhiệt

độ làm việc vượt qua 100P

o

PC bộ thu dạng tấm phẳng được thay thế bằng bộ thu

H.1- 4: Các bộ thu năng lượng mặt trời dạng hội tụ

1.2.2.3 Bộ thu dạng ống đã rút chân không

Đây là một biến thể của bộ thu dạng tấm phẳng Giá thành của bộ thu dạng ống đã rút chân không khá đắt nhưng hiệu quả của loại này rất cao, cao hơn rất nhiều so với các bộ thu dạng tấm phẳng thông thường khác Đặc biệt

có thể sử dụng với các bộ thu dạng ống đã rút chân không ở những vùng ít nắng hoặc có nhiệt độ ngoài trời khá thấp Có thể nói, hiệu quả của bộ thu loại này hầu như không phụ thuộc vào nhiệt độ cũng như tốc độ gió ở môi trường xung quanh Trong những năm gần đây, các nhà nghiên cứu có xu hướng sử dụng loại bộ thu này để cấp nhiệt cho các loại máy lạnh hấp thụ dùng trong

điều hoà không khí H.1-5.a trình bày hình dạng bên ngoài của một bộ thu dạng ống đã rút chân không

H.1- 5.a: Hình dạng bên ngoài của bộ thu dạng ống đã rút chân không

Trên H.1-5.b trình bày sơ đồ nguyên lý của hệ thống nước nóng sử dụng

bộ thu năng lượng mặt trời dạng ống đã rút chân không, H.1- 5.c trình bày cấu

bằng thủy tinh có dạng ống nghiệm với hai lớp: lớp bên ngoài và lớp bên trong, ở giữa hai lớp này là chân không Cả hai lớp làm bằng thủy tinh Borosilicate, lớp bên ngoài hoàn toàn trong suốt, còn lớp bên trong được sơn chất hấp thụ chọn lọc ở bề mặt đường kính lớn hơn (bề mặt tiếp xúc với chân không)

H.1- 5.b: Nguyên tắc của bộ thu dạng ống đã rút chân không

H.1- 5.c: Cấu tạo ống chân không

1- Mặt thủy tinh bên trong 3- Vùng chân không

2- Bề mặt hấp thụ chọn lọc 4- Mặt thủy tinh bên ngoài

1.2.3 ứng dụng của năng lượng mặt trời trong thực tế

1.2.3.1 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời (Solar water heating system)

Ngày nay việc sử dụng điện năng để chạy các thiết bị nhiệt (đốt nóng) không kinh tế, như vậy về mặt sử dụng nó bị hạn chế, không còn được ưa chuộng, thay vào đó người ta sử dụng bộ thu năng lượng mặt trời để đun nóng nước, gọi là thiết bị đun nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời (hình H.1-6), tại đây nước sẽ được đốt nóng trước khi cấp cho các hộ tiêu thụ Trong hệ thống tuần hoàn tự nhiên, bể chứa được đặt cao hơn bộ hấp thụ, nước ở bên trong bộ thu sẽ hấp thụ năng lượng mặt trời từ tấm hấp thụ và nóng lên, nhẹ đi (do mật độ giảm) và chảy về bể chứa Nước lạnh từ bể chứa sẽ chảy vào phía dưới của bộ thu Vào ban đêm, khi bộ thu lạnh đi (vì không có năng lượng mặt trời), không có sự tuần hoàn của nước trong hệ thống, nước nóng được lưu trữ trong bể chứa (thường được cách nhiệt rất tốt) Việc bố trí thiết bị gia nhiệt bổ sung đảm bảo nhiệt độ nước cấp cho hộ tiêu thụ là đủ nóng, đặc biệt trong những ngày nhiều mây

H.1- 6: Sơ đồ nguyên lý của thiết bị đun nước mặt trời tuần hoàn tự nhiên có thiết bị đốt nóng bổ sung

được điều chỉnh bằng thiết bị điều khiển

1.2.3.2 Thiết bị sưởi ấm sử dụng năng lượng mặt trời (Solar space heating system)

Nguyên lý của một hệ thống sưởi ấm sử dụng năng lượng mặt trời được thể hiện trên hình H.1-9; các hệ thống này có 4 chế độ vận hành cơ bản :

- Chế độ A : Có năng lượng mặt trời và không cần sấy sưởi, năng lượng

thu được từ bộ thu sẽ được “tích trữ” trong buồng lưu trữ (là buồng chứa sỏi hay đá nếu môi chất làm việc là khí, là bể nước nóng nếu môi chất làm việc là nước)

- Chế độ B : Có năng lượng mặt trời và có nhu cầu sấy sưởi Năng lượng

thu nhận được từ bộ thu sẽ được sử dụng để gia nhiệt cho toà nhà, bệnh viện …

- Chế độ C : Không có năng lượng mặt trời, có nhu cầu sấy sưởi và có

nhiệt trong buồng lưu trữ Năng lượng lưu trữ trong buộng này sẽ đựơc sử dụng để sấy, sưởi cho toà nhà, bệnh viện …

- Chế độ D : Không có năng lượng mặt trời, có nhu cầu sấy sưởi, không

có năng lượng tích trữ Năng lượng từ thiết bị bổ sung sẽ được sử dụng

Hệ thống gia nhiệt không khí (hình H.1-9.a) sẽ không gặp khó khăn trong khi vận hành ở điều kiện nhiệt độ thấp vào mùa đông, không có hiện tượng bị

đốt nóng quá nước (Over heating)

Hệ thống đun nước để sấy sưởi (hình H.1-9.b) đòi hỏi để bể lưu trữ có thể tích nhỏ hơn, chi phí vận hành bơm là thấp Tuy nhiên nó có nhược điểm là nước trong hệ thống có thể bị đông đặc khi thiết bị vận hành vào mùa đông và

có thể xuất hiện hiện tượng tích áp vào mùa hè Cũng cần phải lưu ý đến vấn

đề ăn mòn kim loại khi sử dụng các hệ thống này

1.2.3.3 Công nghệ chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời

Hiện nay, chưng cất nước ngọt từ nước biển được coi là một giải pháp nhằm mục đích giải quyết vấn đề khan hiếm nước sinh hoạt tại các vùng biển

có nguồn nước bị ô nhiễm, nhiễm mặn,…

Nguồn nhiệt dùng để chưng cất nước biển có thể là năng lượng từ các sản phẩm cháy hoặc có thể là năng lượng điện hoặc có thể là năng lượng mặt trời Chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời là phương pháp dùng nguồn nhiệt thu từ bộ thu năng lượng mặt trời để gia nhiệt cho nước biển thực hiện quá trình bay hơi, hơi nước sẽ được đưa đến thiết bị ngưng tụ để ngưng lại thành nước và được đưa đến nơi tiêu thụ

Tuỳ theo phương pháp và công nghệ nước biển có thể được gia nhiệt trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua chất tải nhiệt

Công nghệ chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời được thực hiện

ở Las Salnas, bắc Chi Lê đã xây dựng một bể lớn để chưng cất vào năm 1872,

nó làm việc có hiệu quả trong vòng 40 năm ở úc và Hy Lạp các hệ thống chưng cất này đã được xây dựng vào những năm 1960 vẫn tiếp tục vận hành tốt và các nước đang phát triển như ấn Độ, Pakistan và Trung Quốc đều có trạm chưng cất làm việc rất hiệu quả

Thành phần của nước biển được xác định là có hơn 70 các chất hoà tan cơ bản nhưng trong đó có 6 chất chính chiếm tỷ lệ 99% trong thành phần là :

Độ mặn trong nước biển được đánh giá bằng tổng lượng muối hoà tan (tính theo gram) trong 1kilogram (hoặc litre) nước Thông thường độ mặn của nước biển là 35 gram/kilogram (35 ‰)

Nguồn năng lượng thu được qua các bộ thu năng lượng mặt trời thông dụng có thể được dùng để đốt nóng trực tiếp nước biển hoặc gián tiếp thông qua một chất tải nhiệt khác (thông thường là nước sạch) tuỳ theo từng phương

pháp và công nghệ Chế độ bay hơi của nước có thể là bay hơi trên màng nước hoặc bay hơi trong thể tích lớn (chế độ cấp nước biển trong hệ thống)

Đặc điểm của nguồn năng lượng thu được từ các bộ thu năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, rẻ tiền và vô tận, nếu sử dụng hợp lý sẽ mang lại lợi ích kinh tế và môi trường rất lớn Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tương

đối hoàn chỉnh nhưng trong thực tiễn các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời lại có quá trình làm việc không ổn định và không liên tục, nó thay đổi theo thời tiết và thời gian trong ngày Mặt khác, để sử dụng nguồn năng lượng mặt trời trong công nghệ chưng cất nước biển thì yêu cầu về phạm vi nhiệt độ của nguồn năng lượng phải nằm trong khoảng từ 80P

2.2 Các phương pháp chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời

Tuỳ theo phương pháp và công nghệ, các hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời được chia ra thành các loại sau:

2.2.1 Chưng cất bể đơn giản

Loại này thường được làm ở những nơi lõm nông trên mặt đất (nơi lõm nông làm mầu đen để tăng sự hấp thụ mặt trời) với một nắp trong suốt đậy lên trên chỗ lõm Sử dụng hiệu ứng nhà kính, nước muối (hoặc nước ô nhiễm) nhận nhiệt do bức xạ mặt trời, bốc hơi và ngưng tụ ở mặt phía trong của nắp trong suốt, ta sẽ thu được lượng nước ngưng này

Thiết bị chưng cất bể đơn có rất nhiều cách thiết kế, chi phí rẻ và được sử dụng nhiều nhất Để tăng hiệu suất chưng cất, nắp kính phải đặt nghiêng một góc đủ lớn cho phép nước dễ chảy về phía tấm thu nhiệt, nhưng không được dốc quá làm phản xạ các tia bức xạ mặt trời Nếu có thể, thiết bị chưng cất phải làm kín không khí, kín nước ở bể và dùng một lớp mỏng vật liệu cách nhiệt để ngăn cản sự tiếp xúc giữa mặt đất và nước Năng suất nước ngọt sản xuất ra hàng ngày sẽ tăng lên đáng kể nếu như nước được gia nhiệt trước Các

bể chưng cất nước mặt trời có đơn giá khoảng 15…20 USD/mP

2

P và tuổi thọ khoảng 20 năm nếu như ta thiết kế hợp lý, thi công, vận hành và bảo quản tốt Một bể chưng cất điển hình có hiệu suất bằng 30%, tương ứng với mức chưng cất hàng ngày từ 2 đến 5 lít/mP

Tuyến ng Ư ng tụ

Bể thu n Ư ớc ng Ư ng tụ Tuyến xả n Ư ớc

Bơm n Ư ớc sử dụng Thùng chữa n Ư ớc sử dụng

H.2-1: Sơ đồ chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời dạng bể

2.2.2 Các hệ thống chưng cất tiến bộ

Hệ thống chưng cất tiến bộ bao gồm các bể chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời qua nhiều tầng (hình H.2-2) nên hiệu suất sẽ lớn hơn loại trên Theo phương pháp này nước biển sẽ từ bể cấp được đưa vào các khay và nhận nhiệt do bức xạ qua tấm kính và bay hơi, các khay được bố trí thấp dần và nước biển sẽ chảy từ khay cao nhất xuống các khay phía dước Tuy nhiên, các

hệ thống chưng cất kiểu kép lại phức tạp, đắt hơn loại chưng cất đơn giản, song nếu tính về chi phí - hiệu quả thì nó có năng suất cao hơn trên một mét vuông diện tích tấm thu bức xạ mặt trời

H.2-2: Chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời kiểu nhiều tầng

Đay Dây đay

Tấm chất dẻo

Đay

Cựa n Ư ớc ngọt ra Cựa tháo n Ư ớc Lớp xốp

H.2-3: Chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời kiểu nhiều lớp

Hệ thống chưng cất nhiều lớp này có kết cấu gồm hai khung nhôm giữ một tấm kính để che một số lớp xen nhau giữa vải gai và các tấm chất dẻo Các lớp chồng nhau của vải gai được nhuộm đen để hấp thụ tốt bức xạ và được phân giải ra bởi các tấm chất dẻo màu đen, các đầu phía trên vải nhúng vào trong bể nước mặn Hiện tượng mao dẫn của vải sợi gai sẽ hút nước mặn lên, sau đó nó chảy xuống theo chiều dài của vải được phơi ra ánh nắng mặt trời Các đầu phơi ra nắng luôn cung cấp một mặt ẩm từ đó nước sẽ bốc hơi Nước ngưng được giữ lại trong bể chứa ở phía chân tấm kính hấp thụ, mức nước

được giữ cố định nhờ vào cửa tháo nước ngọt ra Bên dưới bể chứa nước ngọt

có cửa tháo nước mặn Ưu điểm của thiết bị chưng cất nước mặt trời loại này

là có trọng lượng nhẹ, dễ mang vác được Năng suất cao hơn loại chưng cất kiểu bể và chi phí đầu tư chỉ bằng một nửa chi phí đầu tư của loại chưng cất kiểu bể có cùng một diện tích Ngoài ra bộ hấp thụ có thể điều chỉnh được góc tới bất kỳ nhằm nhận được nguồn bức xạ mặt trời tối đa ở từng thời điểm và muối hình thành trên vải nhuộm đen có thể dễ dàng tẩy rửa đi

có thể sản xuất hệ thống có khả năng khắc phục thiếu sót của hệ thống chưng cất dung tích nhỏ bằng mặt trời và các hệ thống truyền thống có dung tích lớn

2.2.4 Các loại chưng cất khẩn cất

Loại này được làm bằng một túi chất dẻo phồng không khí để dùng vào sinh hoạt khẩn cấp trên các bè mảng Phương pháp này được tiến hành bằng cách phủ những hố đào ở trong đất bằng các nắp đậy chất dẻo trong suốt và đặt

một cốc đứng thành ở trong lỗ để thu nước ngưng, do ẩm tăng lên và nhiệt độ hạ thấp tới nhiệt độ đọng sương, dẫn đến nước sẽ ngưng đọng (hình H.2-4)

Vỏ trong suốt

Đệm đen

Buồng gom n Ư ớc

Nút đậy

H.2-4: Túi chưng cất nước "khẩn cấp"

2.2.5 Thiết bị chưng cất kiểu bề mặt

3- Bộ ngưng tụ kiểu bề mặt 7- Đường cấp nước biển

4- Bơm chân không 8- Bơm nước muối

ở đây để gia nhiệt và làm cho nước bay hơi, người ta lắp cụm hâm nóng dạng ống, ống xoắn ruột gà hay là một dạng nào đó

Trên hình H.2-5 biểu diễn một thiết bị bay hơi thường dùng với vòng tuần hoàn của nước muối (nước biển có nồng độ nước cao) Thực hiện vòng tuần hoàn này chính là bơm cấp (8), còn nước cấp được dẫn qua đường ống (5), nước muối được thải qua đường (7) Để duy trì độ chân không và sự ngưng tụ của hơi thứ cấp của bầu ngưng tụ (3), ngoài bơm nước ngưng (6) người ta còn trang bị bơm không khí và hệ thống tuần hoàn (trên hình này không vẽ) Thiết

bị chưng cất nước với buồng bay hơi không bề mặt thì nước biển có thể chảy liên tục: Nước biển được cấp vào bình gia nhiệt, còn phần nước muối thừa (có nồng độ muối cao) sau bay hơi được thải ra ngoài, không cấp trở lại bộ gia nhiệt

6

5

9

4 3

2- Buồng bay hơi cấp 1 6- Bơm nước ngưng

3- Buồng bay hơi cấp 2 7- Đường cấp nước biển

4- Bộ ngưng tụ kiểu bề mặt 8- Bơm nước muối

9- Bơm chân không

Theo số cấp áp lực của hơi thứ cấp, các thiết bị chưng cất nước còn được chia ra loại một cấp, hai cấp và nhiều cấp Trên hình H.2-6 biểu diễn thiết bị bay hơi hai cấp kiểu bề mặt : Hơi thứ cấp của cấp bay hơi thứ nhất (2) được dùng làm chất gia nhiệt cho hơi thứ hai (3), trong buồng này áp suất thấp hơn trong buồng hơi thứ nhất Trong thiết bị bay hơi hai cấp với bay hơi kiểu bề mặt, nước chưa bay hơi trong cấp thứ nhất được đưa vào buồng bay hơi trong cấp thứ hai Trong buồng bay hơi được duy trì áp suất thấp hơn, bởi vậy lượng nước còn lại được bay hơi trong buồng này Trong thiết bị bay hơi nhiều cấp kiểu không bề mặt, nước được dẫn liên tục, phần nước chưa bay hơi của cấp thứ ba

được dẫn tới buồng bay hơi của cấp tiếp theo

Đôi khi để nhận được nước cất có chất lượng cao người ta sử dụng thiết bị bay hơi hai lần: Trong thiết bị này nước chưng cất nhận được trong cấp thứ nhất, chất ngưng tụ của hơi thứ cấp được bay hơi trong buồng hơi tiếp theo và hơi nhận được lại cho ngưng tụ

Theo cách tận dụng nhiệt của hơi thứ cấp, các thiết bị chưng cất nước còn

được chia ra thiết bị hoàn nhiệt và thiết bị không hoàn nhiệt Trong các thiết bị bay hơi không hoàn nhiệt, hơi thứ cấp được ngưng tụ trong các buồng ngưng

tụ, buồng này được làm mát bằng nước biển, nhiệt của hơi thứ cấp bị mất đi

Để sử dụng nhiệt này trong các thiết bị bay hơi hồi nhiệt chất ngưng tụ được bơm từ buồng ngưng tụ chính lại được gia nhiệt Đôi khi để hồi nhiệt của hơi thứ cấp ta dùng “máy nén nhiệt”, trong đó nhờ năng lượng của hơi công tác nóng làm một phần của hơi thứ cấp được tăng áp suất và nhiệt độ, sau đó dùng hơi này làm chất gia nhiệt

Còn thiết bị bay hơi với buồng bay hơi kiểu không bề mặt (đôi khi còn

được gọi là thiết bị bay hơi kiểu sôi (tự bay hơi), hoặc thiết bị bay hơi kiểu

đoạn nhiệt), thì trong buồng bay hơi không bố trí cụm gia nhiệt, một trong các dạng của thiết bị này được vẽ ở hình H.2-7, nước biển được cấp vào buồng bay hơi (2), nước này đã được gia nhiệt trước ở buồng gia nhiệt (1) đạt đến nhiệt

độ hơn nhiệt độ bão hoà 4 – 10 P

4

3 2

6

1

5 7

H.2-7: Thiết bị chưng cất với buồng bay hơi kiểu không bề mặt

với vòng tuần hoàn nước muối

1- Bộ hâm 4- Bơm nước ngưng 2- Buồng bay hơi 5- Đường cấp nước biển

3- Buồng ngưng 6- Bơm tuần hoàn nước muối

hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng, không những đối với các nước phát triển mà cả với các nước đang phát triển trong đó có Việt nam Năng lượng mặt trời được đánh giá là nguồn năng lượng sạch về mặt môi trường, do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự

Việt nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ tương đối cao, với trị

số tổng xạ khá lớn từ 100 - 175 kcal/cmP

2

P.năm do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ có hiệu quả kinh tế rất lớn

Tại Việt nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời để lấy nước ngọt phục vụ sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước bị ô nhiễm với bộ thu năng lượng dùng gương phản xạ đạt được hiệu quả cao tại khoa Công nghệ Nhiệt - Điện Lạnh trường

Đại học Bách Khoa Đà nẵng

Chương 3

lý thuyết về quá trình trao đổi nhiệt khi sôi và một

số thiết bị bay hơi đặc trưng

Để tìm biện pháp nâng cao hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời, do thời gian có hạn và với ý tưởng là sẽ sử dụng những bộ thu năng lượng mặt trời đã có sẵn trên thị trường nên trong chương này sẽ đi sâu vào phân tích và so sánh lý thuyết hiệu quả quá trình sôi trong thiết bị bay hơi kiểu ngập và kiểu tưới với hy vọng có những kết luận làm cơ sở để lựa chọn một cơ chế sôi ứng dụng có hiệu quả trong thiết bị chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời

3.1 Đặc điểm của quá trình bay hơi

3.1.1 Các điều kiện của quá trình bay hơi

Một chất lỏng bất kỳ nào ở trong bình chứa cũng có thể đun nóng đến nhiệt độ bão hoà Nếu ta tiếp tục cấp nhiệt thì chất lỏng sẽ bắt đầu sôi, trong quá trình cấp nhiệt này nhiệt độ của chất lỏng sẽ không đổi và lượng nhiệt cung cấp thêm có tác dụng để làm bay hơi chất lỏng

Quá trình sôi trong các thiết bị trao đổi nhiệt thường được phân thành hai loại sau:

- Sôi trong thể tích của chất lỏng

- Sôi trên bề mặt vật rắn được đốt nóng

Để tạo ra quá trình sôi của chất lỏng cần phải có đủ hai điều kiện cơ bản sau:

- Chất lỏng phải được quá nhiệt: Trong trường hợp sôi trong thể tích của chất lỏng thì toàn bộ khối chất lỏng phải được quá nhiệt Sự quá nhiệt này có thể nhận được bằng cách giảm nhanh áp suất của chất lỏng để có p < pR s R (pR s R là

áp suất bão hoà ứng với nhiệt độ đã cho) hoặc cấp nhiệt cho khối chất lỏng như sục hơi nóng vào chất lỏng như thường gặp trong các thiết bị trao đổi nhiệt

kiểu hỗn hợp Còn trong các trường hợp sôi trên bề mặt vật rắn được đốt nóng thì phải có một lớp chất lỏng ở sát bề mặt vật rắn được quá nhiệt

- Phải có tâm sinh hơi: Các tâm sinh hơi có thể là các bọt khí, các hạt bụi hoặc các chỗ lồi lõm trên bề mặt vật rắn Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng nếu không có tâm sinh hơi, ví dụ đối với các chất lỏng sạch hay bề mặt vật rắn thật nhẵn bóng thì ngay cả khi chất lỏng có độ quá nhiệt rất lớn, quá trình sôi cũng chưa có thể xảy ra Nhưng nếu có xuất hiện các tâm sinh hơi thì khi chất lỏng

được quá nhiệt đến một mức độ nào đó thì quá trình sôi đã có thể xảy ra

Trong thực tế quá trình trao đổi nhiệt do sôi trên bề mặt thường được ứng dụng nhiều hơn so với quá trình sôi trong thể tích vì chúng có thể tạo ra các dòng nhiệt lớn hơn do trong quá trình sôi các bọt hơi xuất hiện làm tăng cường sự xáo trộn và tăng khả năng trao đổi nhiệt so với đối lưu tự nhiên trong pha lỏng thuần tuý Tuy nhiên, quá trình sôi trên bề mặt lại có nhược điểm cơ bản là sự thay đổi áp suất với tần số lớn tại các kênh dẫn chất lỏng do tốc độ bay hơi cao hơn

3.1.2 quá trình sôi trên bề mặt vật rắn

Quá trình cấp nhiệt khi chất lỏng sôi rất phức tạp Đặc điểm quá trình sôi

là sự tạo thành các bọt hơi Khi một lớp chất lỏng sát bề mặt vật rắn được quá nhiệt thì các bọt hơi sẽ được hình thành tại các tâm sinh hơi trên bề mặt vật rắn Sau khi các bọt hơi được sinh ra tại các tâm sinh hơi, kích thước các bọt hơi tăng lên dần dần do các bọt hơi mới sinh ra nhận nhiệt từ bề mặt đốt nóng qua lớp chất lỏng bao quanh bọt hơi, lớp chất lỏng này tiếp tục bay hơi vào trong bọt hơi, mặt khác khi nhận nhiệt, hơi trong bọt hơi tiếp tục giãn nở Khi kích thước các bọt hơi đã đủ lớn, dưới tác dụng của lực đẩy Acsimet các bọt hơi được tách ra khỏi bề mặt vật rắn và đi vào vùng lỏng sau đó chuyển động lên trên mặt thoáng Trong quá trình chuyển động lên trên, nếu vùng lỏng ở phía trên không được quá nhiệt thì các bọt hơi đi vào vùng lỏng sẽ bị ngưng tụ lại, nhỏ dần và biến mất trước khi đi tới mặt thoáng của chất lỏng, hiện tượng

sôi như vậy được gọi là sôi chưa tới nhiệt, trường hợp này có thể gặp khi công suất cấp nhiệt quá bé trong khi thể tích khối chất lỏng quá lớn hoặc khi bề mặt vật rắn bị đốt nóng cục bộ Nếu lớp chất lỏng phía trên cũng được quá nhiệt thì các bọt hơi sẽ chuyển động tới mặt thoáng và bị vỡ ra do độ chênh áp suất của hơi trong bọt hơi và áp suất trên mặt thoáng Khi các bọt hơi bị vỡ, hơi

được thoát ra và tại vị trí đó lập tức lại xuất hiện một bọt hơi mới

Qua nghiên cứu người ta thấy rằng đặc tính và cường độ của quá trình sôi phụ thuộc vào hiệu số nhiệt độ ∆t giữa bề mặt vách đốt nóng và chất lỏng sôi Nếu tăng ∆t lên (tăng q) thì số tâm sinh hơi cũng tăng lên, các bọt hơi càng nhiều

và càng tách nhanh ra khỏi bề mặt đốt nóng, chất lỏng bị xáo trộn mạnh hơn do

đó hệ số trao đổi nhiệt cũng tăng nhanh Chế độ sôi này là sôi bọt

Nếu tiếp tục tăng hiệu số nhiệt độ lên nữa, đến một lúc nào đó thì các bọt hơi vừa tạo thành trên bề mặt đốt nóng sẽ nhiều và kết dính lại với nhau tạo tành một màng hơi kín trên bề mặt đốt nóng khi đó hệ số trao đổi nhiệt giảm

đột ngột Chế độ sôi trong điều kiện này gọi là sôi màng Trị số ∆t (hoặc q) tương ứng với trạng thái chuyển từ chế độ sôi bọt sang sôi màng được gọi là trị

số tới hạn và trị số trao đổi nhiệt là lớn nhất

Giữa hai chế độ sôi thì sôi bọt có hệ số trao đổi nhiệt lớn hơn sôi màng, màng hơi phủ trên bề mặt đốt nóng có nhiệt trở lớn làm cản trở sự trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật rắn và chất lỏng Vì vậy, trong các thiết bị trao đổi nhiệt, người ta mong muốn duy trì chế độ sôi bọt

Đặc tính và cường độ trao đổi nhiệt khi chất lỏng sôi ngoài chịu ảnh hưởng của hiệu số nhiệt độ ∆t còn phụ thuộc vào các yếu tố khác như: áp suất

p, tính chất vật lý của chất lỏng, nồng độ của chất lỏng, trạng thái của bề mặt

đốt nóng và cách bố trí bề mặt đốt nóng…

3.2 Một số loại thiết bị bay hơi đặc trưng

Quá trình bay hơi trong thiết bị bay hơi thực chất là quá trình trao đổi

hơi do sự trao đổi nhiệt giữa nguồn nhiệt cấp và chất lỏng cần bay hơi, chất lỏng cần bay hơi sẽ được cấp nhiệt cho đến nhiệt độ bão hoà, sau đó tiếp tục

được cấp thêm nhiệt để chất lỏng bay hơi

3.2.1 Thiết bị bay hơi kiểu ngập

Đặc điểm của thiết bị bay hơi kiểu ngập là toàn bộ bề mặt đốt nóng bị ngập trong khối chất lỏng cần bay hơi Khi làm việc chất lỏng trong thiết bị sẽ sôi và tạo thành hỗn hợp hơi – lỏng có khối lượng riêng giảm đi và bị đẩy từ dưới lên trên mặt thoáng của chất lỏng

Thiết bị bay hơi kiểu ngập này có ưu điểm là cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa và làm sạch nhưng có các nhược điểm sau:

- Nhiệt độ bay hơi trung bình trong thiết bị thay đổi nhiều do trong quá trình bay hơi cột áp thuỷ tĩnh do chất lỏng gây ra thay đổi

- Nhiệt độ sôi ở đáy thiết bị lớn hơn nhiệt độ sôi trên bề mặt thoáng

- Do lượng chất lỏng và thời gian lưu lại trong thiết bị lớn nên quá trình khởi động của thiết bị sẽ chậm và độ trễ nhiệt sẽ lớn

- Quá trình bay hơi trong thiết bị thực hiện ở chế độ đối lưu tự nhiên

3.2.2 thiết bị bay hơi kiểu tưới

Khác với loại thiết bị bay hơi kiểu ngập, trong thiết bị bay hơi kiểu tưới chất lỏng cần bay hơi được tưới lên bề mặt đốt nóng và tạo thành một màng mỏng chất lỏng chảy trên bề mặt đốt nóng

Thiết bị bay hơi kiểu tưới có các ưu điểm sau:

- Hệ số trao đổi nhiệt lớn: tuỳ thuộc vào tính chất của chất lỏng, nó có giá trị trong khoảng từ 700 W/mP

2

PK đến 4000W/mP

2

PK;

- Nhiệt độ bay hơi trong thiết bị thay đổi ít do không có chênh lệch áp suất

do cột chất lỏng tĩnh gây ra như ở thiết bị bay hơi kiểu ngập(nhiệt độ bay hơi của chất lỏng trong thiết bị phụ thuộc vào áp suất trong thiết bị);

- Tổn thất áp suất trong thiết bị do ma sát nhỏ

Phần lớn các thiết bị bay hơi kiểu tưới thường làm việc trong chế độ bay hơi

bề mặt, có nghĩa là hơi chỉ được sinh ra trên bề mặt của màng chất lỏng và không

có bọt hơi hình thành trên bề mặt vách đốt nóng ở chế độ bay hơi này, hơi có độ quá nhiệt nhỏ nên nguy cơ bề mặt truyền nhiệt của thiết bị bị phá huỷ do nhiệt độ cao do đốt nóng cục bộ không dễ xảy ra như ở thiết bị có chế độ sôi bọt

Để thực hiện được chế độ sôi trên màng chất lỏng mà không xảy ra chế độ sôi bọt, độ quá nhiệt của vách so với nhiệt độ bão hoà của chất lỏng không được phép quá lớn và tuỳ theo tính chất của chất lỏng cần bay hơi độ quá nhiệt không

được cao quá mức cho phép (3 ữ 10) P

Như đã phân tích ở trên, khi chúng ta đảm bảo được chế độ bay hơi trên

bề mặt màng chất lỏng thì thiết bị sinh hơi kiểu tưới sẽ có hệ số truyền nhiệt lớn hơn nhiều so với thiết bị bay hơi kiểu ngập vì vậy sẽ làm tăng hiệu quả của quá trình bay hơi Mặt khác, do lượng chất lỏng và thời gian lưu lại trong thiết

bị nhỏ nên quá trình khởi động của thiết bị sẽ nhanh hơn và độ trễ nhiệt sẽ nhỏ hơn, có nghĩa là thời gian để thiết bị đạt đến chế độ chạy ổn định sẽ nhanh hơn so với thiết bị bay hơi kiểu ngập

Tuy nhiên, các thiết bị sinh hơi kiểu tưới chỉ được sử dụng trong những lĩnh vực có nguồn gia nhiệt có nhiệt độ không quá cao để đảm bảo độ chênh lệch nhiệt độ vách và nhiệt độ bão hoà của chất lỏng trong thiết bị sinh hơi không quá 10P

o

P

C[15] và quá trình bay hơi trong thiết bị là quá trình bay hơi trên màng nước

3.3 Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị bay hơi kiểu tưới

Theo lý thuyết về truyền nhiệt, tiêu chuẩn Nusselt (Nu) chứa đại lượng chưa

chuẩn khác là xác định; vì vậy nó là một hàm của tiêu chuẩn Reynolds (Re), Prandtl (Pr) và Grashof (Gr); trong trường hợp chuyển động cưỡng bức ở chế độ chảy rối, vai trò của đối lưu tự nhiên nhỏ tới mức ta có thể bỏ qua, nên tiêu chuẩn

Nu chỉ phụ thuộc vào tiêu chuẩn Re và tiêu chuẩn Pr

Quá trình bay hơi trên bề mặt màng chất lỏng có thể được khảo sát như trong quá trình ngưng màng; ở quá trình ngưng tụ, chiều dày màng chất lỏng tăng dần từ trên xuống dưới và chế độ chuyển động chuyển từ trạng thái chảy tầng sang trạng thái chảy rối theo chiều chuyển động; ở thiết bị bay hơi kiểu tưới thì ngược lại, với quá trình bay hơi tăng dần, chiều dày màng lỏng bao quanh bề mặt đốt nóng giảm dần và chế độ chuyển động của màng chuyển

động từ chảy rối sang chảy tầng ở phía dưới Một đặc điểm của thiết bị bay hơi kiểu tưới khi sử dụng để làm đậm đặc dung dịch là độ nhớt của dòng dung dịch theo chiều chuyển động sẽ tăng lên và giá trị của tiêu chuẩn Reynolds (

ν

δ

ω

Re = ) cũng sẽ giảm xuống (do δ giảm và ν tăng)

Năm 1916, sau khi tạm chấp nhận một loạt các giả thiết để đơn giản hoá

hệ phương trình vi phân toả nhiệt đối lưu, Nusselt đã tiến hành giải và đã thiết lập được công thức xác định hệ số toả nhiệt đối lưu khi ngưng màng với một màng nước chảy tầng từ trên xuống dưới trên bề mặt một ống đặt đứng hoặc nằm ngang [8] Tuy nhiên công thức này không thể ứng dụng cho quá trình ngưng tụ màng chảy rối – trường hợp có thể ứng dụng cho thiết bị bay hơi kiểu tưới, do đó chúng ta cần tiến hành khảo sát lý thuyết chế độ này