Đang tải... (xem toàn văn)
Bài viết trình bày đặc điểm công nghệ cũng như kết quả nghiên cứu của thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời dạng Single Basin kết hợp ống thủy chân không (OTTCK) và bộ ngưng tụ ngoài (BNTN).
50 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DẠNG SINGLE BASIN KẾT HỢP ỐNG THỦY TINH CHÂN KHÔNG VÀ BỘ NGƯNG TỤ NGOÀI EXPERIMENTAL STUDY OF A SINGLE BASIN SOLAR WATER STILL COUPLED WITH EVACUATED GLASS TUBES AND EXTERNAL CONDENSER Hoàng Văn Viết1, Trần Xuân An2, Nguyễn Thế Bảo3 Trường cao đẳng Kỹ thuật Lý Tự Trọng, Trường Cao đẳng Công thương Tp.HCM, Viện Phát triển Năng lượng Bền vững ISED Ngày tòa soạn nhận 20/8/2015, ngày phản biện đánh giá 30/10/2015, ngày chấp nhận đăng 25/8/2016 TĨM TẮT Trong báo này, nhóm nghiên cứu trình bày đặc điểm cơng nghệ kết nghiên cứu thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời dạng Single Basin kết hợp ống thủy chân khơng (OTTCK) ngưng tụ ngồi (BNTN) Với việc kết hợp OTTCK BNTN có diện tích 0,84 m2 vào máng chưng cất Single Basin có diện tích bốc 0,6 m2, thiết bị cho sản lượng nước chưng cất đạt kg/ngày ứng với cường độ xạ trung bình 517,54 W/m2 điều kiện thời tiết thành phố Hồ Chí Minh Từ khóa: Chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời; ngưng tụ ngồi; ống thủy tinh chân khơng; chưng cất mặt trời dạng bể phẳng; chưng cất mặt trời dạng chủ động ABSTRACT In this research paper, the authors describe the specification and study result of a single basin solar water still coupled with evacuated glass tubes and external condenser The combination of evacuated glass tubes and an area of 0,84 m2 of external condenser in Single Basin solar water still with an evaporating area of 0,6 m2, the water production of the equipment reached kg/day corresponding to the average radiation 517,54 W/m2 in the weather condition of Ho Chi Minh city Keywords: Solar still; external condenser; evacuated glass tubes; basin solar still; active solar still ĐẶT VẤN ĐỀ Sự phát triển mạnh mẽ ngành công nghiệp với việc lạm dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch thực đe dọa mơi trường sống người, đặc biệt ô nhiễm môi trường nước Khan nguồn nước để uống thực vấn đề cấp thiết nay, người dân sinh sống vùng sâu, vùng xa, miền biển hay vùng miền thiếu nước nguồn nước bị ô nhiễm Việc tạo thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT có sản lượng cao để biến nước phèn, nước lợ, nước mặn thành nước cho người dân thực có ý nghĩa, quốc gia có lãnh thổ kéo dài biển Việt Nam Thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời (NLMT) thường phân loại làm dạng bị động (passive solar still) chủ động (active solar still) Dạng bị động hoạt động nguyên lý basin liner Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh phủ lớp sơn hấp thụ nhận trực tiếp NLMT để gia nhiệt, làm bốc lớp nước nằm phía Cịn dạng chủ động, NLMT thiết bị phụ, collector phẳng hay OTTCK…hấp thụ để làm nóng nước sau nước nóng di chuyển tới máng chưng cất bơm đối lưu tự nhiên chênh lệch nhiệt độ để thực q trình chưng cất Do đó, hiệu suất sản lượng nước chưng cất dạng chủ động tốt so với dạng bị động Trên giới thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời nghiên cứu, cụ thể S N Rai G N Tiwari (1982) [2] tiến hành thực nghiệm thiết bị chưng cất nước dạng Single Basin kết hợp collector phẳng, sản lượng nước chưng cất tăng 24% so với thiết bị chưng cất sử dụng NLMT dạng bể phẳng truyền thống cấp (Single Basin) G N Tiwari N K Dhiman (1990) [3] nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng Single Basin kết hợp collector phẳng, sản lượng nước 0.7kg/h Ragh Vendre Singh cộng (2013) [4] mô cho kết hợp trực tiếp OTTCK loại hở đầu vào Single Basin, sản lượng nước chưng cất đạt 3.8kg/m 2(từ 7-16h) Hitesh N Panchal (2013) [5] tiến hành thực nghiệm thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng Double Basin kết hợp với OTTCK, sản lượng nước nước chưng cất 4kg/m (từ 917h) Để thúc đẩy trình bốc nước máng chưng cất, nhà nghiên cứu đề xuất lắp thêm BNTN nhằm tạo độ chênh lệch phân áp suất nước khơng khí ẩm phân áp suất hão hịa nước sát bề mặt nước Theo công bố Husham M.Ahmed (2012) [6], sản lượng nước chưng cất thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng Single Basin kết hợp với BNTN khơng tuần hồn tăng từ 1516,6% so với thiết bị chưng cất nước sử 51 dụng NLMT dạng Single Basin, kết hợp BNTN có tuần hồn sản lượng tăng từ 30,54-35,8% so với thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng Single Basin Tại Việt Nam dự án chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời thực triển khai vùng biển đảo, đề cập đến số dự án “ Dự án thiết bị lọc nước biển cho Trường Sa” tiến sĩ Bùi Bá Xuân trung tâm nhiệt đới Việt Nga chủ nhiệm đề tài bàn giao chưng cất nước biển NLMT cho hộ dân với kết cấu đơn giản dạng bể phẳng truyền thống (Single Basin) đạt sản lượng 2.5-3 lít/m2/ngày Dự án “Hệ thống chưng cất nước biển cho đảo Cam Ranh, Khánh Hòa” Thạc sĩ Đỗ Tuấn Anh, Viện thủy điện lượng tái tạo – Viện khoa học thủy lợi Việt Nam làm chủ nhiệm lắp đặt 50 chưng cất nước biển với kết cấu tương tự có kết hợp bơm tuần hồn cho sản lượng khoảng 3-4lít/ngày/mơ dun Tiến sĩ Đinh Vương Hùng nhóm nghiên cứu Khoa Cơ khí Cơng nghệ trường đại học Nông Lâm Huế nghiên cứu thiết bị chưng cất nước biển lượng mặt trời loại chủ động kết hợp gia nhiệt nước phẳng cho sản lượng 4lít/m2/ngày [7] Từ kết nghiên cứu tác giả Việt Nam giới vừa đề cập, nhận thấy sản lượng thiết bị tương đối thấp hạn chế mặt vật liệu chế tạo sau thời gian sử dụng nước biển, nước phèn… ăn mòn gây hư hỏng gia nhiệt nước dạng phẳng cáu cặn hình thành OTTCK Từ nhóm nghiên cứu hướng đến nghiên cứu thiết kế thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT cho sản lượng cao với việc kết hợp OTTCK BNTN có tuần hồn hơi, bên cạnh thiết kế lắp đặt thêm truyền nhiệt ngăn cách bề mặt nước chưng cất Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 52 nước gia nhiệt tuần hồn để khắc phục vấn đề đóng cáu cặn ăn mịn thiết bị NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mơ tả thiết bị chưng cất nước thiết kế 2.2 Thực nghiệm Hình Thực nghiệm song song thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng Single Basin kết hợp OTTCK có khơng sử dụng BNTN Hình Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng Single Basin kết hợp OTTCK BNTN Thiết bị kết hợp thành phần sau: - OTTCK hãng Megasun loại dài 1,8 m, đường kính ngồi dn = 58 mm, đường kính dt = 47mm - Máng chưng cất làm inox 304 dày mm, hệ số dẫn nhiệt , W / m K , có diện tích bốc s Av = Ab = 0,6m2 Máng chưng cất bọc cách nhiệt dày 0,05 m vật liệu có hệ số dẫn nhiệt i 0, 0351 W / m K - Kính phủ dày lg = 0,004 m, có hệ số dẫn nhiệt g 0, W / m K - Tấm truyền nhiệt (Basin liner) làm inox 304 dày lb = 0,4 mm, có diện tích Ab = 0,6 m2 sơn đen để hấp thu NLMT - BNTN có kích thước 1200 mm x 350 mm x 50 mm, diện tích bề mặt Agco = 0,84 m2 làm inox 304,có hệ số dẫn nhiệt kgco = 16,2 (W/moC), dày lgco = 0,4 mm, kết nối với 22 ống bán kính R = 21 mm, dài 130 mm Hình Bộ ngưng tụ ngồi lắp đặt phía sau bể chưng cất Thiết bị đặt Tp HCM có tọa độ 10o51’49’’ Bắc, 106o36’59’’ Đơng, độ cao 10 m so với mặt đất, thiết bị đặt theo hướng Đông-Bắc Tây-Nam, lệch 30 độ so với hướng Đơng-Nam (a) (b) (c) Hình Thiết bị đo nhiệt độ (a), xạ mặt trời (b) tốc độ gió (c) Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Thiết bị đo có số đánh bảng Bức xạ mặt trời, nhiệt độ điểm nút tốc độ gió đo trực tiếp máy thời điểm định Bảng Thông số thiết bị đo T T Tên thiết bị Dải hoạt động Độ xác Máy đo nhiệt độ 12 kênh PCE – -100÷1300oC Sai số 0,1% T 1200 Đầu dị nhiệt độ -50÷1000oC ±0,4%+0,5oC loại K Máy đo xạ mặt trời PCE – 0÷2000W/m2 ±10W/m2±5% SPM Máy đo tốc độ gió Smart Sensor - AR826 0÷15m/s ±0,1m/s Nước nhiệt độ môi trường cung cấp vào bồn chưng cất lúc 6h30 sáng Quy trình nạp nước vào thiết bị sau, nước tiếp đầy OTTCK, sau máng chưng cất, đặt giá đỡ để đặt truyền nhiệt cho nước cần chưng cất (ở nước ngọt) vào truyền nhiệt Do truyền nhiệt thiết kế kiểu máng nên nước cần chưng cất trường hợp nước lợ, nước phèn…sẽ không chảy xuống khối nước làm ô nhiễm khối nước bên Ở đây, tác giả dùng hoàn toàn nguồn nước thành phố để thực Hình Vị trí gắn đầu dị nhiệt độ thiết bị cách đặt máy đo xạ mặt trời Sau thời gian chưng cất, nước bị thiếu hụt Vì sau lấy kết quả, tác 53 giả cấp nước bổ sung tay lượng nước lượng nước cất lấy từ thiết bị Trước thí nghiệm, bề mặt kính phủ OTTCK làm để bụi bẩn không làm ảnh hưởng tới kết thực nghiệm KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Sau tiến hành thực nghiệm song song thiết bị chưng cất nước sử dung NLMT dạng: - Single Basin kết hợp OTTCK BNTN (Thiết bị 1) - Single Basin kết hợp OTTCK (Thiết bị 2) Ta thấy: - Nhờ lắp thêm BNTN, sản lượng nước chưng cất thiết bị đạt kg/ngày, cao 11,3 % so với sản lượng chưng cất thiết bị 5,23 kg/ngày, thể qua hình Điều giải thích, BNTN đóng vai trị nguồn lạnh, chênh lệch nhiệt độ máng chưng cất (MCC) BNTN tạo chênh lệch khối lượng riêng vùng khơng khí ẩm, tạo vịng tuần hồn tự nhiên phần nước từ MCC qua BNTN, góp phần tăng tổng sản lượng thiết bị - BNTN hỗ trợ trình giải nhiệt kính phủ, phần nước MCC qua BNTN nên nhiệt lượng mà kính phủ thiết bị nhận q trình nhả ẩn nhiệt hóa hơi nước nhỏ so với lượng nhiệt mà kính phủ nhận được, điều làm cho nhiệt độ bề mặt kính phủ thiết bị nhỏ nhiệt độ bề mặt kính phủ thiết bị 2, thể qua hình Nhiệt độ kính phủ nhỏ giúp phân áp suất nước sát bề mặt kính phủ giảm xuống, tạo độ chênh lệch phân áp suất nước khơng khí ẩm phân áp suất bão hòa nước sát bề mặt nước,do thúc đẩy q trình bốc bề mặt nước 54 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh - Mặt khác, BNTN gây tổn thất nhiệt nên song song với giảm nhiệt độ bề mặt kính phủ giảm nhiệt độ bề mặt nước, nhiệt độ bề mặt nước thiết bị nhỏ nhiệt độ bề mặt nước thiết bị 2, thể qua hình Ở góc độ phát triển, BNTN có lợi ích định tăng sản lượng nước thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT - Một điều ý nghĩa với thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng tĩnh có khả chưng cất vào ban đêm dung lượng nhiệt tích trữ khối nước lớn có nhiệt độ cao, vào ban đêm nhiệt độ mơi trường giảm làm q trình ngưng tụ nước diễn tốt Ta thấy thiết bị lượng nước chưng cất từ 17-6h30 1,49 kg chiếm 24,83% tổng sản lượng 6kg thiết bị 1,62 kg chiếm 30,97% tổng sản lượng 5,23 kg Hình Biểu đồ thể nhiệt độ điểm đặc trưng sản lượng nước BNTN máng chưng cất (MCC) thiết bị đo thực nghiệm ngày 9/4/2015 Hình Biểu đồ thể nhiệt độ nước (T_sw) kính phủ (T_go) thiết bị đo thực nghiệm ngày 9/4/2015 Hình Biểu đồ thể cường độ xạ mặt trời nhiệt độ môi trường ngày 9/4/2015 Hình 10 Biểu đồ thể sản lượng nước chưng cất thiết bị ngày 9/4/2015 Hình Biểu đồ thể cường độ xạ mặt trời vận tốc gió ngày 9/4/2015 KẾT LUẬN Dựa kết nghiên cứu thực nghiệm đạt cho thấy thiết bị chưng cất nước sử dụng lượng mặt trời mà nhóm tác giả thực có sản lượng gia tăng đáng kể so với sản phẩm loại, Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 37 (09/2016) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh kết hợp linh hoạt mặt cấu tạo cuả ngưng tụ tuần hoàn để tăng diện tích ngưng tụ ống thủy tinh chân khơng để gia nhiệt Điểm bật thiết kế thể truyền nhiệt ngăn cách bề mặt nước chưng cất nước gia nhiệt trung gian để thiết bị chưng cất nhiều loại nước khác nước phèn, nước lợ, nước biển…mà không ảnh hưởng đến độ 55 bền thiết bị, từ tăng tính linh động thiết bị mà nghiên cứu trước chưa đề cập đến Với kết cấu đơn giản dễ chế tạo hồn tồn thực nước nhóm chúng tơi muốn đem đến thiết bị sản xuất nước hiệu quả, đảm bảo chất lượng, sử dụng nguồn lượng mặt trời sẵn có để phục vụ cho người dân TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] Hồng Đình Tín – Hồng Thị Nam Hương, Ứng dụng lượng mặt trời để đun nước nóng sản xuất nước từ nước biển, NXB Đại học quốc gia Tp.hcm, 2012 S N Rai and G N.Tiwari, Single basin solar still coupled with flat plate collector, India, 1982 G N Tiwari and N K Dhiman, Performance study of high temperature distillation system, India, 1990 Ragh Vendra Singh, Shiv Kumar, M H Hasan, M Emran Khan, G N Tiwari, Performance of a solar still integrated with evacuated tube collecrtor in natural mode, India, 2013 Hitesh N Panchal, Enhancement of distillate output of double basin solar still with vacuum tubes, India, 2013 Husham M Ahmed “Seasonal Performance Evaluation Of Solar Stills Connected To Passive External Condensers” Bahrain, 2012 Tiến Sĩ Đinh Vương Hùng cộng sự, Thiết bị chưng cất nước biển dạng chủ động kết hợp thu nhiệt phẳng, Khoa Cơ khí - Cơng nghệ, Trường đại học Nông Lâm Huế, 2014 http://www.thanhnien.com.vn/the-gioi-tre/nuoc-ngot-cho-truong-sa Thạc Sĩ Đỗ Tuấn Anh cộng sự, Thiết kế chế tạo thiết bị tạo nước từ nước biển lượng mặt trời phục vụ dân sinh kinh tế vùng ven biển hải đảo, Viện thủy điện lượng tái tạo, 2011 http://vawr.org.vn/hoạt động KHCN/tóm tắt kết NCKH Tác giả chịu trách nhiệm viết Hồng Văn Viết Cơng ty TNHH Lê Phong Email: hoangvanviethd@gmail.com ... cặn ăn mòn thiết bị NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 2.1 Mô tả thiết bị chưng cất nước thiết kế 2.2 Thực nghiệm Hình Thực nghiệm song song thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng Single Basin kết hợp OTTCK... hành thực nghiệm thiết bị chưng cất nước dạng Single Basin kết hợp collector phẳng, sản lượng nước chưng cất tăng 24% so với thiết bị chưng cất sử dụng NLMT dạng bể phẳng truyền thống cấp (Single. .. 1516,6% so với thiết bị chưng cất nước sử 51 dụng NLMT dạng Single Basin, kết hợp BNTN có tuần hồn sản lượng tăng từ 30,54-35,8% so với thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng Single Basin Tại Việt