BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN THÁI DUY NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC BẰNG NĂNG LUỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC 0 4 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ TRẦN THÁI DUY NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT THIẾT BỊ CHƢNG CẤT NƢỚC BẰNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY – 605204 Hướng dẫn khoa học: TS HOÀNG AN QUỐC Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC Họ tên: TRẦN THÁI DUY Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 09/09/1986 Nơi sinh: Đồng Nai Quê quán: Huế Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: SN 133, khu I, ấp Hiệp Tâm I, thị trấn Định Quán, huyện Định Quán, Đồng Nai Điện thoại quan: Điện thoại nhà riêng: 0906799008 Fax: Email: Tranduy.spkt@gmail.com II QÚA TRÌNH ĐÀO TẠO Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ …./… đến …./… Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: ĐẠI HỌC Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 03/2009 Nơi học (trường, thành phố): Trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật HCM Ngành học: Kỹ thuật công nghiệp Tên đồ án: Biên soạn giáo trình câu hỏi trắc nghiệm môn công nghệ nhiệt luyện Ngày nơi bảo vệ luận án: Người hướng dẫn: Trần Thế San III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2009 đến Trường THPT Tân Phú, Giảng dạy huyện Định Quán, Đồng Nai i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2013 Trần Thái Duy ii CẢM TẠ Đề hoàn thành luận văn thạc sỹ cách hoàn chỉnh, bên cạnh nỗ lực cố gắng thân có hướng dẫn nhiệt tình quý Thầy Cô, động viên ủng hộ gia đình bạn bè suốt thời gian học tập, nghiên cứu hoàn thành luận văn thạc sĩ Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến thầy TS Hoàng An Quốc, người hết lòng giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho hoàn thành luận văn Xin gửi lời tri ân đối điều thầy dành cho Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy cô môn khoa Công Nghệ Chế Tạo Máy trường đại học Sư Phạm Kỹ Thuật tận tình truyền đạt kiến thức quý báu diều kiện thuận lợi cho suốt trình học tập nghiên cứu thực xong đề tài luận văn Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người khong ngừng động viên, hỗ trợ tạo điều kiện tốt cho suốt thời gian học tập thực luận văn Cuối cùng, xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến anh chị bạn bè đồng nghiệp hỗ trợ cho nhiều suố thời gian học tập, nghiên cứu thực đề tài luận văn thạc sỹ cách hoàn chỉnh Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 10 năm 2013 Học viên Trần Thái Duy iii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Việt Namlà đất nướccó tiềm năngcao củanăng lượng mặt trời, chưng cất nước ngọtbằngcáchsửdụngnăng lượng mặt trờilàmột cáchđầyhứahẹncho phát triểnbềnvữngvì lượngđược sử dụng làmiễn phí khôngcóhạicho môi trường.Trong luận văn này,mộtthiết bịchưng cấtnước ngọtsửdụngmột thunăng lượng mặt trờikiểu paraboltập trungđãđượcnghiên cứuthực nghiệm Hệ thốngthử nghiệmbao gồmmột thunăng lượng mặt trời kiểu paraboltập trung có đường kính 1,6mvà chiều sâu 0,5m Bề mặt phản xạparabol làm Inoxcóthểphảnánhbức xạ mặt trời Tại tiêu điểmcủaparabolgắn thiết bị chưng cấtnước ngọt.Thiết bịchưng cấtnước ngọtsửdụngbộ thunăng lượng mặt trời kiểu paraboltập trungđược thiết kế thử nghiệmtheo điều kiệnđịa phương củaĐịnhQuán, tỉnhĐồng Naitrong ngàytừ13/6/2012đến30/11/2012 Thí nghiệm đoảnh hưởng củabức xạ mặt trờivà công suấtcủa thiết bị Lượng nước thu từ thiết bị nàycóthểnằm khoảngtừ6đến8L/ngàytrong điều kiệnbình thườngtừ7h00 đến16h00 iv ABSTRACT Vietnam is a country with a high potential of solar energy, distilling freshwater using solar energy is a promising way to sustainable development since the energy used is free and not harmful for the environment In This thesisthe freshwater distillation equipment using a parabolic concentrated solar collector has been experimentally studied The experimental system consists of a parabolic concentrated solar collector with 1.6 m diameter and 0.5 m depth The material of reflective surface’s parabolic collector is Inox, so that they can reflect solar radiation At the focal point of parabolic collector mount the freshwater distillation equipment Performance of the freshwater distillation equipment using a parabolic concentrated solar collector is tested under the local conditions of Định Quán, Đồng Nai province during the days from 13/6/2012 to 30/11/2012 The experiment shows that, the influence of the solar radiation on a capacity of the equipment The capacity of this equipment can range from to L/day of fresh water in normal conditions from 7h00 to 16h00 iv MỤC LỤC Trang tựa Trang Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học i Lời cam đoan ii Lời cảm ơn iii Tóm tắt nội dung luận văn iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt vi Danh sách bảng vii Danh sách hình viii Chương 1.TỔNG QUAN Chương 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 23 Chương 3.TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ 46 Chương 4.THÍ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 58 Chương 5.KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT cp Nhiệt dung riêng nước (J.kg-1.K-1) Qs Nhiệt lượng cần thiết đun sôi nước (W) Qbh Nhiệt lượng cần thiết để nước bay (W) r nhiệt ẩn hóa hơi.(J/kg) Qu Năng lượng sử dụng (W) Ql Năng lượng thất thoát (W) Ql-DL Nhiệt lượng thất thoát đối lưu (W) Ql-BX Nhiệt lượng thất thoát xạ (W) Qp Năng lượng đến tập trung parapol (W) Ar Diện tích bề mặt hấp thụ xạ (m2) k Hệ số đối lưu Tr nhiệt độ nồi (oC) Ta Nhiệt độ môi trường (oC) ξ Hệ số phát xạ toàn phần vật thực α Hằng số stefan-Boltzamn Aa Diện tích độ parapol (m2) Da Đường kính Parapol (m) vi Ib Cường độ xạ mặt trời trung bình (W/m2) Ψrim Góc phản xạ giới hạn tia tơi xạ mặt trời h Chiều cao Parapol (m) f Tiêu cự Parapol (m) F Tiêu điểm Parapol (m) vi Luận Văn Kết luận kiến nghị Kết luận Qua thời gian nghiên cứu, tính toán chế tạo thiết bị sản xuất nước cất sử dụng lượng mặt trời ta rút kết luận sau: - Thiết bị sản xuất nước cất lượng mặt trời mang lại hiệu kinh tế cao nhiều so với thiết bị sản xuất nước cất điện -Xây dựng mô hình thiết bị sản xuất nước cất nhỏ lượng mặt trời với xuất 8lít/ngày -Khảo sát thay đổi nhiệt độ bên thiết bị sản xuất nước cất lượng mặt trời nhiệt độ nước làm mát -Thiết bị đầu tư ban đầu ít, vận hành bảo trì đơn giản Từ kết thu ta thấy thiết bị sản xuất nước cất lượng mặt trời có giá thành sản xuất thấp nhiều so với thiết bị sản xuất nước cất điện mà chất lượng đảm bảo, điều chúng tỏ thiết bị đưa vào sản xuất thực tế mang lại hiệu kinh tế cao, mang lại lợi nhuận cho người sử dụng Nội dung đề tài đề cập đến vấn đề mang tính thời sự: Ứng dụng lượng mặt trời, nguồn lượng siêu sạch, dồi vào công nghệ sản xuất nước cất Khi mà nguồn lượng truyền thống dần cạn kiệt, giá nhiên liệu giới không ngừng tăng cao đề tài có tính hấp dẫn Bằng sở lý thuyết NLMT, học viên nghiên cứu, thiết kế chế tạo hệ thống sản xuất phù hợp với điều kiện Việt Nam với giá thành chấp nhận được.Mục đích đề tài đạt được, nghiên cứu thành công thiết bị sản xuất nước cất sử dụng NLMT phù hợp để sản xuất nước cất.Điều có ý nghĩa lớn nơi nguồn nước bị ô nhiễm nơi có nhu cầu nước cất 70 Luận Văn Những đóng góp đề tài: Về lý thuyết: - Đã nghiên cứu chất xạ mặt trời - Đã tính toán, thiết kế thiết bị sản xuất nước cất phù hợp với điều kiện Việt Nam Về thực nghiệm: Đã chế tạo thành công vận hành thực nghiệm hệ thống sản xuất nước cất sử dụng lượng mặt trời Kết thực nghiệm so lý thuyết tương đương nên thiết bị đáng tin cậy, sản xuất trình độ khí Việt Nam Kiến nghị Trong tình trạng xã hội ngày phát triển, nhu cầu sử dụng nước ngày tăng Việc ứng dụng công nghệ sản xuất nước cất NLMT thực mang lại hiệu kinh tế vấn đề sử dụng nguồn lượng để hay cho nguồn lượng ngày cạn kiệt tự nhiên với việc chế tạo thử nghiệm thành công thiết bị sản xuất nước cất sử dụng lượng mặt trời này, cho thầy đề tài có triển vọng lớn Tuy nhiên, để ứng dụng rộng rãi vào thực tế cần có đầu tư nghiên cứu để tiếp tục hoàn thiện, nâng cao hiệu suất mà không tăng giá thành, hoàn thiện công nghệ chế tạo để đảm bảo độ xác cao giá thành thấp Hƣớng phát triển đề tài Để thiết bị có hiệu suất cao nữa, tăng hiệu suất hấp thụ nồi chưng cất cách bao bọc phía nồi chưng cất lớp kính mỏng để tận dụng nhiệt theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Lúc này, hiệu suất thiết bị tăng nhiệt độ nồi chưng cất nâng cao giảm thất thoát nhiệt đối lưu từ nồi chưng cất môi trường Ngoài gắn thêm thiết bị điều khiển thiết bị chưng cất quay theo hướng di chuyển mặt trời cách sử dụng lượng từ pin mặt trời 71 Luận Văn Ngoài việc sử dụng NLMT, tận dụng nguồn nhiệt thải nhà máy khói thải từ lò để sản xuất nước cất TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT 72 Luận Văn Nguyễn Công Vân, Năng lượng mặt trời – trình nhiệt ứng dụng, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2005, 206 trang Hoàng Đình Tín – Hoàng Thị Phương Nam, Ứng dụng lượng mặt trời, Nhà xuất đại học quốc gia TP.HCM, 2012, 312 trang TS Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng, Nhà xuất khoa học kĩ thuật, 2004, 215 trang Hoàng Đình Tín – Truyền nhiệt tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB –Khoa học Kỹ thuật 2001 TIẾNG NƯỚC NGOÀI Yusnus A Cengel – Heat Tranfer: A practical Approach – University of Nevada Brian Norton – Solar energy thermal technology – University of Ulster Johann G Stichlmair, James R Fair – Distillation: Principles and Practices Harada Yoichi, Tamura Katsunori – Distillation apparatus and distillation method P.I Cooper – The absorption of radiation in solar stills – Solar ennergy 10 Chapman A.J – Heat transfer – Collier Macmillar, NewYork Phụ lục 73 Luận Văn Bảng phụ lục 1a: Thí nghiệm chưng cất nước với mô hình 1: Thiết bị chưng cất nước cho nước dẫn ngưng tụ bên ống đồng làm mát Thí nghiệm 1: ngày 01 tháng 06 năm 2012 7h8h 8h9h 9h10h 10h11h 11h12h 12h13h 13h14h 14h15h 15h16h Bức xạ mặt trời (W/m2) 500 Lượng nước tinh khiết (ml) 510 540 630 650 740 810 840 650 500 700 760 900 980 1010 1000 610 500 10h11h 11h12h 12h13h 13h14h 14h15h 15h16h Giờ Thí nghiệm 2:ngày 05 tháng 06 năm 2012 Giờ 7h8h 8h9h 9h10h 74 Luận Văn Bức xạ mặt trời (W/m2) 480 Lượng nước tinh khiết (ml) 500 550 600 670 740 800 820 620 480 720 730 910 990 1010 960 550 430 Thí nghiệm 3: ngảy 06 tháng 06 năm 2012 7h8h 8h9h 9h10h 10h11h 11h12h 12h13h 13h14h 14h15h 15h16h Bức xạ mặt trời (W/m2) 460 Lượng nước tinh khiết (ml) 500 510 620 650 770 780 830 700 480 700 760 890 1000 990 950 720 480 Giờ 75 Luận Văn Thí nghiệm 4: Ngày 12 tháng 06 năm 2012 7h8h 8h9h 9h10h 10h11h 11h12h 12h13h 13h- 14h- 15h14h 15h 16h Bức xạ mặt trời (W/m2) 540 Lượng nước tinh khiết (ml) 560 570 600 675 760 790 800 750 560 720 740 920 985 1000 950 630 510 Giờ Thí nghiệm 5: Ngày 14 tháng 06 năm 2012 7h8h 8h9h 9h10h 10h11h 11h12h 12h13h 13h- 14h14h 15h 15h16h Bức xạ mặt trời (W/m2) 520 Lượng nước tinh khiết (ml) 540 560 640 680 785 820 770 730 590 730 780 930 995 1020 900 620 520 Giờ 76 Luận Văn Bảng phụ lục 1b: Thí nghiệm 1: Ngày 15 tháng năm 2012 Giờ 7h8h 8h9h 9h10h 10h11h 11h12h 12h13h 13h- 14h- 15h14h 15h 16h Bức xạ mặt trời (W/m2) 510 550 600 685 740 800 820 630 520 1010 1100 1150 985 800 610 Lượng nước tinh khiết mô hình 2(ml) 590 780 980 Thí nghiệm 2: Ngày 17 tháng 06 năm 2012 Giờ 7h8h 8h9h 9h- 10h10h 11h 11h12h 12h13h 13h- 14h- 15h14h 15h 16h Bức xạ mặt trời (W/m2) 480 540 600 750 810 800 620 500 Lượng nước tinh khiết mô hình 2(ml) 550 750 990 1000 1150 1200 975 790 630 77 670 Luận Văn Thí nghiệm 3: Ngày 20 tháng 06 năm 2012 Giờ 7h8h 8h9h 9h- 10h10h 11h 11h12h 12h13h 13h- 14h- 15h14h 15h 16h Bức xạ mặt trời (W/m2) 520 540 620 740 800 820 620 500 Lượng nước tinh khiết mô hình 2(ml) 590 780 980 1010 1100 1150 985 800 610 650 Thí nghiệm 4: Ngày 27 tháng 06 năm 2012 Giờ 7h8h 8h9h 9h- 10h- 11h10h 11h 12h 12h13h 13h- 14h- 15h14h 15h 16h Bức xạ mặt trời (W/m2) 530 550 590 790 820 78 690 740 650 450 Luận Văn Lượng nước tinh khiết mô hình 2(ml) 570 800 960 980 1100 1000 985 590 450 Thí nghiệm 5: Ngày 28 tháng 06 năm 2012 Giờ 7h8h 8h9h 9h- 10h10h 11h 11h12h 12h- 13h- 14h- 15h13h 14h 15h 16h Bức xạ mặt trời (W/m2) 480 550 630 710 830 700 570 420 Lượng nước tinh khiết mô hình 2(ml) 510 750 920 1010 1000 985 810 600 480 650 Phụ lục : Hệ số phát xạ phản xạ số bề mặt thông dụng 79 Luận Văn Chất liệu bề mặt Độ phát xạ λ Nhựa đường 0.90-0.98 Màng nhôm 0.03-0.05 Gạch 0.93 Bê tông 0.85-0.95 Sợi thủy tinh/Xen-lu-lô 0.8-0.90 Thủy tinh 0.95 Sắt (đánh bóng) 0.06 Sắt (hoen rỉ) 0.85 Đá vôi 0.36-0.90 Đá cẩm thạch 0.93 Sơn: trắng mờ 0.8 Sơn: trắng bóng 0.91 Sơn: đen mờ 0.8 Sơn: đen bóng 0.91 Giấy 0.92 Thạch cao 0.91 Bạc 0.02 Thép: chưa bị rỉ, đánh bóng 0.12 Gỗ 0.9 Phụ lục 3: Kích thước chảo Tập Trung Parapol 80 Độ phản xạ ξ 2%-10% 3%-5% 7% 0.5%-15% 10%-20% 5% 94% 15% 10%-64% 7% 20% 9% 20% 9% 8% 9% 98% 88% 10% Luận Văn 61 Luận Văn 62 Luận Văn 63