module chuyển đổi nước biển thành nước ngọt sử dụng lưới kim loại và máy phun sương
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.03 MB, 31 trang )
SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI
TRƯỜNG THPT Hà Nội – Amsterdam, Cầu Giấy
**************
ĐỀ TÀI DỰ THI KHOA HỌC, KỸ THUẬT
DÀNH CHO HỌC SINH TRUNG HỌC CẤP THÀNH PHỐ
LẦN THỨ TƯ (NĂM HỌC 2014 - 2015).
Tên đề tài: MODULE CHUYỂN ĐỔI NƯỚC BIỂN THÀNH NƯỚC NGỌT SỬ
DỤNG LƯỚI KIM LOẠI VÀ MÁY PHUN SƯƠNG
Lĩnh vực: Kỹ thuật điện và cơ khí
NGƯỜI HƯỚNG DẪN
- Tiến sĩ Đinh Trần Phương
- Đơn vị công tác Hà Nội-Amsterdam
TÁC GIẢ:
Nguyễn Doãn Hoàng
Lớp: 11L Trường: Hà Nội Amsterdam
Hà Nội, tháng 12 năm 2013
TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Chuyển nước biển thành nước ngọt đóng vai trò rất quan trọng trong việc giải quyết
nhu cầu nước sạch trên thế giới. Trong bản báo cáo này, tôi xin trình bày phương pháp
chuyển nước biển thành nước sinh hoạt. Thiết bị là một module cỡ nhỏ để bay hơi nước
biển thành nước ngọt, nhiều module cỡ nhỏ có thể kết hợp tạo thành một hệ thống nhằm
tăng lượng nước thu được, phù hợp theo nhu cầu người sử dụng. Trong một hộp kín nhằm
tạo hiệu ứng nhà kính, nước biển được phun sương xuống một tấm lưới kim loại, tạo thành
một màng nước mỏng bám trên lưới. Màng nước được mặt trời cung cấp năng lượng giúp
bay hơi bề mặt. Sau đó hơi nước được dẫn sang vỏ bay hơi, có nhiệt độ khoảng 20 độ C .
Do sự chênh lệch nhiệt độ lớn nên hơi nước sẽ bị ngưng tụ thành nước. Thiết bị có nguyên
lý hoạt động khác với các phương pháp thông thường chuyển nước biển thành nước ngọt
như phương pháp sử dụng nhiệt, thẩm thấu ngược, điện phân tách ion. Thay vì tương tác
trực tiếp với nước biển, tách riêng muối và nước, phương pháp này tận dụng tối đa những
điều kiện sẵn có trên biển như độ ẩm trong không khí cao, không gian rộng, cường độ ánh
sáng mạnh và dồi dào,… Nghiên cứu lý thuyết, với độ ẩm trong không khí khoảng 80%-
82% , nhiệt độ làm nóng hơi nước khoảng 30-35 độ C thì 100 module cỡ 25x10x15, chiếm
diện tích 250cm x 110cm thu được 10 lít trong 6 giờ. Khi kết hợp các module lượng nước
thu được đủ sinh hoạt cho 5 người trong một ngày. Ưu điểm của thiết bị là tốn ít năng
lượng để vận hành, không tốn diện tích trên tàu vì hệ thống được thiết kế để thả nổi trên
mặt nước, tận dụng tối đa những điều kiện tự nhiên sẵn có, không gây hại tới môi trường,
nguyên lý hoạt động đơn giản, dễ vận hành, thiết bị quen thuộc, dễ tháo lắp bảo trì, tính
ứng dụng thực tiễn cao, phương pháp bay hơi mới. Vì vậy, thiết bị là giải pháp cho nhu
cầu nước sạch lớn của ngư dân trên tàu đánh cá cũng như ngoài hải đảo.
Từ khóa: Chuyển nước biển thành nước ngọt, bay hơi bề mặt, nhà kính, ngưng tụ, năng
lượng mặt trời
Mục lục
!"# $!%#&##'()#%*
*$+,(-.,/0
1($2
/345/67897:/3;<=6974>9.?@9AB *
"CD$E) *
/,F *
=GH"
I C$J"
FK0!"#H+&#+L#M
N0C!"# O
/P#!Q#0R'S O
T$'M,F#!Q#,N0GH"!%2O
U E V
=GE"F-W!%XVY Z
[$C!"# \
9]$^2 \
J$-,H#2 \
9L0%2 _
9L#,0
9L#,0`a2
9L#,02
9L#,02
.b)$^
L
b)c$]
N00%
[!"#!%#'#!"# O
BẢNG THÔNG SỐ
a : Lượng muối trong nước (kg)
: Enthalpy của hơi nước (kJ)
: Enthalpy của nước biển (kJ)
AH : Độ ẩm tuyệt đối (kg)
: Enthalpy của hơi nước (kJ/kg)
: Enthalpy của nước (kJ/kg)
: Enthalpy của nước biển (kJ/kg)
: Lương nước đã chưng cất được (kg)
: Áp suất hơi bão hòa (Pa)
: Áp suất hơi (Pa)
: Năng lương mặt trời (kWh/m3/ngày)
: Nhiệt độ đầu vào của nước biển (
O
C)
: Nhiệt độ đầu ra của nước biển (
O
C)
RH : Độ ẩm tương đối (%)
S : Nồng độ muối (kg/kg)
: Nồng độ muối đầu vào (kg/kg)
: Nồng độ muối đầu ra (kg/kg)
T : Nhiệt độ không khí (
O
C)
: Nhiệt độ điểm sương (
O
C)
: Lượng nước có trong không khí (kg/kg)
: Lượng nước tối đa có trong không khí (kg/kg)
I/ MỞ ĐẦU
1.Lý do lựa chọn đề tài
Theo Đại học Michigan (2006) và Alex Kirby (2000) hơn 70% bề mặt trái
đất được bao phủ bởi nước với 2,5% là nước ngọt. Tuy vậy, chỉ khoảng 1%
( tương đương với 0.007% tổng khối lượng nước) được sử dụng trực tiếp. Đồng
thời, sự gia tăng dân số và ô nhiễm môi trường khiến cho nhu cầu nước ngọt
ngày càng tăng cao.
Hiện nay, ở Việt Nam, tại các vùng ven biển, sự xâm thực của nước biển
mặn, khiến cho việc tìm ra nguồn nước ngọt khá khó khăn, nguồn nước sinh
hoạt của người dân ven biển không được đảm bảo, nhu cầu dùng nước sạch mới
chỉ đáp ứng được khoảng 60%, số người mắc bệnh do thiếu nước sạch tăng lên.
Người dân ven biển phải mua nước ngọt với giá đắt hơn từ 5-10 lần, tại Huyện
Quỳnh Lưu (Nghệ An), người dân phải mua nước ngọt về với giá 60000/m3 để
sử dụng. Mỗi chuyến đi biển mất đến nửa triệu bạc tiền nước, do đó nhiều
chuyến về lỗ nặng. Tại vùng hải đảo ngoài khơi, tình trạng thiếu nước ngọt còn
trầm trọng hơn. (1)
Đồng thời đánh bắt xa bờ hiện nay chỉ chiếm 48%, 1 phần là do không có
đủ lượng nước để đánh bắt dài ngày.
Theo TS Đào Trọng Từ (2), đến năm 2015, do biến đổi khí hậu thì nguồn
nước Việt Nam sẽ giảm đi khoảng 40 nghìn tỉ m3.
Trong khi đó, nguồn nước biển, không khí ẩm hoàn toàn có thể tận dụng
để sản xuất nước ngọt phục vụ con người, và đã được thực hiện ở nhiều nước
trên thế giới, nhưng chưa được thực hiện ở Việt Nam.
Do đó, ta cần các phương pháp nhằm sản xuất nước ngọt để đáp ứng
nhu cầu người dân và quốc phòng tại vùng biển và hải đảo.
2. Các phương pháp thu nước ngọt thông dụng trên thế giới
I) Tổng quan
Có 3 phương pháp khử muối bằng nước biển phổ biến
1) Khử muối bằng phương pháp sử dụng màng ( membrane
technology)
2) Khử muối bằng phương pháp sử dụng nhiệt (thermal technology)
3) Khử muối bằng phương pháp trao đổi ion ( ion exchange
technology)
4) Thu nước từ không khí (atmospheric water generator)
II) Chi tiết
1) Khử muối bằng phương pháp sử dụng màng:
Sử dụng màng có các lỗ rất nhỏ nhằm chỉ cho phân tử nước đi qua, đồng
thời chặn lại các phân tử muối có kích thước lớn và vi khuẩn
*
(Hình 1: Phương pháp thẩm thấu ngược)
a) Các phương pháp phổ biến: Sử dụng áp suất
Sử dụng dòng điện
Nhận xét: tiêu tốn nhiều năng lượng, quy mô công nghiệp, thu được lượng nước
gần như sạch hoàn toàn, giá thành đắt, yêu cầu kĩ thuật cao.a
Tên Cơ chế Ưu điểm Nhược điểm
RO
(reverse
osmosis)-a
Tạo một áp suất lớn
hơn áp suất thẩm
thấu của nước biển
để đẩy qua màng
bán thấm
-Hiệu suất cao
-Cản được vi
khuẩn
-Khả năng cản
muối tốt
-Vì áp suất thẩm thấu
nước biển lớn (600-
1200 psi) nên năng
lượng tiêu tốn tạo áp
suất lớn
NF
(nanofiltra
tion) –b
Tương tự RO
-Áp suất cần sử
dụng thấp hơn
RO (70-140 psi)
vì lỗ trên màng
lớn hơn
-Năng lượng tiêu tốn
vẫn lớn
ED
(electrodia
lysis) –c
Sử dụng dòng điện
để phân tách các ion
trái dấu sang 2 phía
của màng bán thấm
-Khả năng loại bỏ
hợp chất hỏa tan
cao (75-98%)
-Chỉ thích hợp xử lí
nước lợ, nếu nước có
nồng độ muối cao
hơn thì không kinh tế
2) Khử muối bằng phương pháp trao đổi ion
(Hình 2: Phương pháp thu Ion muối)
Sử dụng sự trao đổi ion giữa pha rắn và pha lỏng, cụ thể là nhựa trao đổi ion
Nhận xét: Phương pháp này được coi là không khả dụng vì giá thành quá cao,
tuy nhiên nó được sử dụng để tạo nước lọc có chất lượng cao
3) Khử muối bằng phương pháp sử dụng nhiệt
Sử dụng nhiệt để nước hóa hơi rồi ngưng tụ thành nước ngọt
Chưng cất thụ động
Thiết bị gồm một
khoang đựng nước biển có
nắp là một tấm kính hay
vật liệu trong suốt nằm
nghiêng
Dưới tác dụng nhiệt
của ánh sáng mặt trời, hơi
O
nước bay hơi, đọng vào tấm kính, ngưng tụ và chảy vảo máng thu nước, từ đó ta
thu được nước ngọt
Nhận xét: Sử dụng cho những nơi điều kiện kinh tế khó khăn, vùng sâu vùng
xa, nơi chưa có nguồn cung cấp điện ổn định, cần nhiều diện tích, cần ánh sáng
mặt trời trực tiếp, năng suất thấp
(Hình 3: Chưng cất thụ động nhờ ánh sáng mặt trời )
Làm nóng nhiều giai đoạn ( Multistage flash)
(Hình 4: Phương pháp chưng cất làm nóng nhiều giai đoạn phương ngang)
Thiết bị gồm nhiều khoang để làm bay hơi nước biển
Nước biển (B) được dẫn qua ống lượn qua khoang làm nóng. Hơi nước
nóng bốc hơi gặp nước biển trong ống có nhiệt độ thấp sẽ ngưng tụ xuống máng
hứng nước (G) đồng thời hơi nước sẽ làm nóng nước biển trong ống
Khi nước biển tới thiết bị cung cấp nhiệt (H) thì nhiệt độ nước đã xấp xỉ
nhiệt độ sôi. Ở H, nước biển trong ống được cung cấp thêm nhiệt và được dẫn
vào bể làm bay hơi
Ở bể thứ nhất, nước bay hơi, đến khi nhiệt độ của nước biển mới bơm vào
và lượng nước có sẵn cân bằng thì quá trình bay hơi dừng lại
Nước ở bể thứ nhất chảy sang bể thứ hai, nước ở bể thứ nhất vẫn hơi nóng
hơn ở bể thứ hai nên quá trình bay hơi tiếp diễn đến khi nhiệt độ đạt cân bằng…
Nhận xét: Quy mô công nghiệp, tận dụng nhiệt từ nhà máy
kế bên,thiết kế giúp giảm hao phí nhiệt-hiệu suất cao, xử lý
quy mô lớn, tốn nhiều năng lượng
Bay hơi đa hiệu ứng ( Multieffect distillation)
V
Thiết bị gồm các khoang xếp chồng lên nhau, tận
dụng sự trao đổi nhiệt để làm nóng nước
Ở khoang trên cùng, nước được đun nóng chuyển
thành thể hơi. Hơi nước được dẫn qua một ống
xuống khoang dưới
Nhận xét: Tương tự như phương pháp trên, nhưng
tốn ít năng lượng hơn
(Hình 5: Phương pháp chưng cất làm nóng nhiều
giai đoạn phương thẳng đứng)
Nén hơi nước (Vapor compression)
(Hình 6: Phương pháp nén hơi)
d
Phương pháp sử dụng máy nén hơi nước. Khi nén hơi thì áp suất và nhiệt
độ đều tăng. Nhiệt năng sinh ra để làm bốc hơi nước biển.
Nhận xét: tón nhiều năng lượng cho máy nén khí.
Thu nước từ không khí:
Làm cô đọng lượng hơi ẩm trong không khí để từ đó thu được nước
Giảm nhiệt độ của không khí ẩm xuống dưới điểm sương
Lợi dụng độ ẩm của không khí, hệ thống thu không khí vào, làm lạnh
khiến nước cô đọng và đưa lượng khí khô ngược ra ngoài.
Nhận xét: có khả năng thu nước ngọt trong điều kiện ẩm ướt nhưng không có
nguồn nước kế bên, có tính hữu dụng cao, quy mô công nghiệp, phức tạp
(Hình 7: Phương pháp làm lạnh không khí)
i. Màn sương (Fog fence):
Cấu tạo
từ một
tấm vải
canvas
lớn ở nơi
Z
có độ ẩm cao – nhiều sương, sương sẽ đọng trên màng
và chảy xuống thùng đựng ở dưới, hêtj thống có hiệu
suất không cao nhưng cực kì đơn giản, không tốn năng
lượng
(Hình 8: Phương pháp dựng màn rào (màn) sương)
ii. Giếng không khí (Air well):
Cách cấu tạo của giếng giúp không khí gặp nhiệt
độ thấp khi có gió thổi qua và cô đọng thành
nước
Hệ thống có hiệu suất không cao, tốn nhiều diện
tích nhưng không hề tốn năng lượng.
(Hình 9: Phương pháp dựng giếng không khí)
iii. Sử dụng hóa chất thu hơi ẩm:
Máy sự dụng các hóa chất khan có khả
năng hút ẩm cao, bơm liên tục khí qua
hóa chất đó để giảm lượng hơi ẩm trong
không khí. Hóa chất sau đó được xử lý
để nhả nước.
Nhận xét: Tính chính xác cao, hiệu xuất
thấp, khó sửa chữa.
(Hình 10: Phương pháp dung hóa chất thu hơi ẩm)
\
Kết luận: Các phương pháp trên là những phương pháp đang được áp dụng
rộng rãi trên toàn thế giới. Tuy vậy nhiều phương pháp thuộc quy mô công
nghiệp, giá thành quá cao hoặc quá phức tạp. không phù hợp cho ngư dân và
hải đảo. Do vậy rất cần một phương pháp thu nước ngọt cho người dân sử
dụng.
_
3.Điều kiện tự nhiên tại Việt Nam
VIệt Nam là nước nhiệt đới ẩm gió mùa, có lượng nhiệt độ, ánh sáng dồi
dào từ 4 đến 5 kWh trên mét vuông trong 1 ngày, số giờ nắng chiếu từ 1400 đến
3000 giờ 1 năm (tùy nơi), do đó có thể lợi dụng năng lượng mặt trời để làm
nguồn năng lượng sạch thay thế. Từ miền Trung đến miền Nam là nơi có lượng
ánh sáng mặt trời nhiều nhất và có thể tận dụng quanh năm( khoảng 300-500 cal
trên cm2 trên ngày). Các tỉnh ven biển miền trung, miền nam có nhiệt độ trung
bình năm cao, khoảng 30-35 độ C, năng lượng mặt trời 3.5kWh trên diện tích
1m2
BIỂU ĐỒ NHIỆT ĐỘ THÁNG 6 NĂM 2013 KHÁNH HÒA
Độ ẩm trung bình năm cao, khoảng 80%,ở vùng khu vực miền Nam(Ninh Bình)
có khi lên đến trên 80% cân bằng ẩm luôn dương.
Việt Nam có đường bờ biển dài, ngành đánh bắt thủy sản phát triển, diện
tích biển rộng, nhiệt độ mặt biển khoảng trên 25 độ C vào tháng 12 – 1 và cực
đại khoảng 30 độ vào tháng 7 – 8. (3)
BIỂU ĐỒ NHIỆT ĐỘ THEO THÁNG
TẠI MỘT SỐ KHU VỰC
Đồng thời biển Việt Nam luôn có gió, thường trên cấp 3 (>4m/s)
Điều kiện tự nhiên của Việt Nam hoàn toàn có thể được lợi dụng để tạo ra nguồn
nước sạch cho vùng biển và hải đảo
4.Mục tiêu:
Thiết kế và chế tạo một thiết bị có khả năng tạo ra nước ngay trên môi
trường là mặt biển, lợi dụng các đặc điểm môi trường biển. Thiết bị có cấu tạo
đơn giản, sử dụng nguồn điện là pin năng lượng mặt trời, có công suất đủ lớn,
sản xuất được nước ngọt ngay trên biển giúp tàu cá bám biển đánh bắt. Ngoài ra
hệ thống cũng có thể sử dụng nhằm phục vụ cho hải đảo, nhà giàn. Hệ thống
phải có giá thành phù hợp, kích cỡ nhỏ và phù hợp với điều kiện tàu thuyền,
sóng biển.
BIẾN TRÌNH NHIỆT ĐỘ NĂM CỦA
KHÔNG KHÍ (to) VÀ CỦA NƯỚC BIỂN
(tw) TẠI CÁC ĐỘ SÂU KHÁC NHAU
III/ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG, CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ CẤU TẠO
(1): Đầu phun sương (2): Lưới kim loại (3): Lõi hơi
(4): Vỏ bay hơi (5) Gương parabol
Cả hệ thống là 1 hệ các module đặt trên một phao nhỏ. Không khí biển
được Máy phun sương (1) phun lên tấm Lưới kim loại (2) nhằm tạo một lớp
nước mỏng trên tấm lưới. Màng nước mỏng được hấp thụ ánh sáng mặt trời, bay
hơi bề mặt lên sang Vỏ bay hơi. Nước cô đọng được dẫn ra ngoài để sử dụng
Các module được xếp nối tiếp thành hang, nhiều hàng thành 1 hệ module
Cơ sở lý thuyết
Hệ thống sử dụng cơ sở lý thuyết về năng lượng-sự truyền nhiệt và độ ẩm
tuyệt đối.
Để hiểu về độ ẩm, ta cần hiểu về nhiệt độ, sự bốc hơi của nước và điểm
sương
Theo Relative Humidity Relative to What? The Dew Point
Temperature a better approach của Steve Horstmeyer, Meteorologist,
Cincinnati, Ohio, USA (4)
Nhiệt độ
Nhiệt độ của 1 chất khí/nước là 1 cách đo đạc động năng trung bình của
phân tử khí/nước. Phân tử khí/nước chuyển động càng nhanh, động năng của nó
càng lớn, nhiệt độ của khối khí/nước đó càng cao.
*
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Từ đó, ta đưa đến định nghĩa
Sự bốc hơi
Khi các phân tử nước nhận đủ động năng, chúng có thể thoát khỏi lực hấp
dẫn giữ chúng với các phân tử xung quanh. Năng lượng này có được từ sự tương
tác giữa các phân tử nước với nhau hoặc với các phân tử khác như khí,… Khi
thoát ra khỏi lực hấp dẫn, phân tử nước đó mang theo một phần năng lượng của
khối nước.
Theo Water Vapor Myths: A Brief Tutorial (copyright 1998-2010) của Steven
M. Babin, MD, PhD (6)
Áp suất hơi
Là áp suất tạo bởi sự cân bằng (equilibrium) trong một hệ nhiệt động học
của nước bốc hơi lên và phần hơi nước cô đọng. Nước sẽ sôi tại điểm sôi bình
thường khi áp suất hơi đạt đến áp suất xung quanh, ví dụ như áp suất không khí.
Khi có bất cứ sự tăng nào trong nhiệt độ, áp suất hơi đủ sức vượt qua áp suất
không khí và nâng chất lỏng lên từ trong lòng của nó và tạo ra bong bóng (sôi).
Khi muối được thêm vào nước như trong nước biển, áp suất hơi của nước biển
giảm đi, do đó cần lượng nhiệt lớn hơn để nước có thể bắt đầu sôi. Do đó điểm
sôi của dung dịch cao hơn bình thường. Sự tăng của điểm sôi được gọi là
Boiling Point Elevation.
Từ áp suất hơi, ta có:
Độ ẩm tương đối không khí là gì
Độ ẩm tương đối là tỷ số của áp suất hơi
nước hiện tại của bất kỳ một hỗn hợp khí nào với
hơi nước so với áp suất hơi nước bão hòa tính
theo đơn vị là %. Định nghĩa khác của độ ẩm
tương đối là tỷ số giữa khối lượng nước trên một
thể tích hiện tại so với khối lượng nước trên cùng
thể tích đó khi hơi nước bão hòa. Khi hơi nước
bão hoà, hỗn hợp khí và hơi nước đã đạt đến điểm
sương
(1)
RH: Độ ẩm tương đối.
Pv: Áp suất hơi.
Pvs: Áp suất hơi bão hòa
(Hình 11: Biểu đồ độ ẩm tương đối, nhiệt độ và thời gian)
Điểm sương
Các điểm sương là nhiệt độ mà tại đó không khí được bão hòa đối với hơi nước
trên bề mặt chất lỏng. Khi nhiệt độ bằng với điểm sương đồng nghĩa với việc độ ẩm
tương đối là 100%. Những cách phổ biến cho độ ẩm tương đối là 100% là
1) Làm mát không khí đến điểm sương.
2) Ép nướ bốc hơi vào không khí cho đến khi không khí được bão hòa.
3) Làm không khí nguội đi đoạn nhiệt đến điểm sương.
(6)
Từ độ ẩm tương đối ta có được tỉ số giữa áp suất hơi bão hòa và áp suất hơi hiện tại,
và từ điểm sương, ta sẽ biết được liệu chắc chắn lượng nước bay hơi có thể cô đọng
hay không.
Năng lượng mặt trời
Theo Cường độ bức xạ mặt trời tại các khu vực của Việt Nam (10)
Tại khu vực Trung bộ, từ tháng 3 đến tháng 9 thời gian nắng chiếu từ 5-6 giờ 1
ngày với lượng tổng xạ trung bình trên 3489 kWh/m2/ngày.
Năng lượng mặt trời hệ nhận được được tính từ công thức:
R là bức xạ mặt trời (kWh/m2)
A là diện tích nhận nhiệt (m2)
là hiệu suất nhận nhiệt
Desalination and Water Treatment (11), (14)
Quá trình nhiệt động học lượng nhiệt để làm bốc hơi nước:
Do các tính chất của nước thay đổi rất lớn với việc thêm vào 3.5% muối
biển (NaCl,…) và việc nước bốc hơi bớt đi khiến nồng độ muối trong phần dung
dịch còn lại tăng lên khiến cho các tính cất vật lý thay đổi một cách đáng kể và
liên tục, lượng nhiệt cần cung cấp cho việc đun tăng dần do nồng độ muối tăng
lên. Ở đây, cho việc nghiên cứu, ta chỉ coi nước biển có muối NaCl.
O
Theo Desalination and Water treatment, độ tăng của điểm sôi (Boiling Point
Elevation-BPE) của nước biển là:
Điều kiện : ;
S là nồng độ muối
Nhiệt độ trong hai hằng số A, B ( ) là nhiệt độ sôi của nước tinh khiết.
Enthalpy
Enthalpy là năng lượng tổng hợp của một hệ nhiệt động học để tạo ra hệ
đó và để tạo nên thể tích cũng như áp suất của hệ. Enthalpy được tính bằng công
thức
h=u+p.v
Với u là nội năng (kJ/kg)
p là áp suất tuyệt đối (N/m2)
v là thể tích trên 1 đơn vị khối lượng (m3/kg)
Theo Giáo trình nhiệt động kĩ thuật của TS Lê Nguyên Minh:
Enthalpy của hơi nước là:
Enthalpy của nước
[ (kJ/kg); (kJ/kg); t ]
t trong công thức của enthalpy trên là nhiệt độ mà nước biển sôi, tính theo:
Enthalpy của nước biển:
Điều kiện ( ; )
V
Lượng năng lượng mặt trời chuyển hóa thành năng lượng giúp cho nước bốc
hơi, vậy nên độ thay đổi Enthalpy của nước và hơi nước chính là do năng lượng
mặt trời.
Do lượng trước và sau quá trình là không đổi:
Do enthalpy của hơi thay đổi theo nhiệt độ sôi, nên cần sử dụng tích phân:
Sự thay đổi Enthalpy của nước biển:
Với
Ta có:
d
Với lượng muối xác định, ta có thể tính được lượng nhiệt cần để làm bốc hơi
lượng nước chứa lượng muối ban đầu đến khi muối đạt nồng độ xác định .
Sự bay hơi nội tại của nước (16)
g
h
= k A (x
s
- x)
với k = 25, A là diện tích m
2
Do nước luôn bốc hơi bề mặt nên không thể bỏ qua lượng nước này, do
nó không phụ thuộc vào năng lượng được cung cấp mà phụ thuộc vào áp suất
hơi – áp suất hơi bão hòa cũng như nhiệt độ nước.
Trong hệ thống, trên tấm lứoi kim loại nước đạt khoảng 50 độ C, nhiệt độ
của không khí khoảng 40 độ, ta có áp suất hơi bão hòa vào khoảng 7402 Pa. Do
độ ẩm tại lõi hơi vào khoảng 80% nên áp suất hơi vào khoảng 5921.6 Pa.
Ta có:
x = 0.62198 P
v
/ (P
a
– P
v
)
x
s
= 0.62198 P
vs
/ (P
a
– P
vs
)
Với Pa là áp suất của môi trường bên ngoài (760mmHg) nên:
x xấp xỉ 0.05
x
s
xấp xỉ 0.04
Do đó lượng nước thu được trong 6 tiếng với diện tích lưới kim loại tổng
cộng 1m
2
vào khoảng 1.5l
Ta thấy được lượng nước thu được phụ thuộc vào nồng độ muối lúc
sau .
Từ các công thức trên ta tính được năng lượng để bay hơi 1ml nước đến
độ muối đạt 12% là 1.9kJ (lượng muối ban đầu là 3.5%, lúc sau là 12%, nhiệt
độ bắt đầu sôi lúc sau 102.2025 độ C, nhiệt độ ban đầu của nước là 28 độ C).
Theo tính toán chỉ với riêng enthalpy, lượng nước thu được trong ngày khoảng
10l với diện tích lưới kim loại 1m
2
, năng lượng mặt trời 3.5 kWh/ /ngày. Vậy
nên tổng cộng lượng nước thu được với 1m
2
lưới kim loại khoảng hơn 10 l trong
6 tiếng (10h-16h) (đã kể cả lượng ánh sáng thu được nhờ gương xấp xỉ 70%
lượng ánh sáng thu được trên cùng diện tích cắt ngang)
Z
Phun sương
Máy phun sương với 25 đầu phun tiêu tốn khoảng 50W. Máy phun sương
hoạt động mỗi 5s sau 25s nên tiêu tốn tổng cộng 50Wh-180000J. 1 lít dầu của
tàu thủy có giá 18800 VNĐ, tạo khoảng 40,946,668.16 J. Do đó việc chạy máy
phun sương không quá 200 đồng 1 ngày tính cả hiệu suất máy phát cho hệ thống
25 module, hoàn toàn hợp lý.
Thảo luận:
Với việc phun sương, lượng nước được dàn đều lên mặt lưới. Có 2 cách
để tính lượng nhiệt để nước bốc hơi. Nếu coi áp suất của hệ là không đổi, năng
lượng cần cung cấp có thể tính theo Enthalpy như trên. Tuy vậy, do phun sương,
sự bay hơi có thể tính theo đơn vị các hạt, khi các phân tử nước đạt đủ vận tốc
do được cung cấp năng lượng từ mặt trời, chúng có thể thoát ra khỏi lực hút của
các phân tử xung quanh, khác với việc đun nước. Do đó, trong thời gian tới,
người nghiên cứu sẽ tìm hiểu sâu hơn về công thức này nhằm xây dựng cơ sở và
phép đo chính xác hơn cho hệ thống.
Cấu tạo hệ thống:
Hệ thống gồm: Lưới kim loại, Máy phun sương, Khung module và Gương
parabol
\
Máy phun sương phun dưới dạng hạt nhỏ, sau khi có được công thức tính
theo dạng hạt (năng lượng), ta có thể tính chính xác kích thước hạt sương phun
cũng như lượng nước cần sử dụng, thời gian phun
Nguyên lý hoạt động:
Toàn bộ hệ thống có thể tích nhỏ, sử dụng đơn giản.
Có thể tích hợp nhiều hệ thống nhằm thu được lượng nước lớn.
Máy phun sương phun lên lưới kim loại trong lõi hơi, nước đọng dưới
dạng các hạt nhỏ trên lưới, lượng nước thừa rửa trôi muối đọng từ lần bốc hơi
trước.
Tấm lưới được làm nóng dưới ánh sáng mặt trời, trực tiếp và qua gương
parabol, làm nóng đều lượng nước, hiệu ứng nhà kính do mặt kính trên tấm lưới
và điều kiện kín của lõi hơi với vách cánh nhiệt bọc giấy bạc giúp cho nước
nhanh bay hơi.
Lượng hơi nước bay lên sau đó đi sang vỏ cô đọng làm bằng Inox, bên
ngoài có bọc một lớp vải nhúng thẳng xuống nước biển nhằm lợi dụng mao dẫn
đưa nước lên, gió biển khiến nước bốc hơi làm giảm nhiệt độ vỏ xuống còn
khoảng 20 độ C. Do đó nước cô đọng tại thành bên trong của lớp vỏ ngưng tụ và
chảy xuống.
Lượng nước muối thừa đọng trong lõi bay hơi và có thể xả ra nhờ đường
ống xả nối thẳng ra bên ngoài.
Tính mới:
Khả năng chống rung lắc do tàu thủy đi trên biển, nếu sử dụng
phương pháp đun nước trong vật chứa thì lượng nước dễ bị trào ra ngoài,
ảnh hưởng đến quá trình đun, hiệu suất. Với việc để nước bám trên lưới,
phần lớn nước sẽ được cố định nhờ lực căng bề mặt.
Việc sử dụng lưới kim loại và phun sương giúp phân đều lượng
nước nhỏ trên bề mặt lưới, phân đều lượng nhiệt nhận được. Ở đây ta
không đun một lượng nước lớn vì rung lắc của tàu.
Khi sử dụng lưới và máy phun sương, lượng muối đọng lại từ lần
bay hơi trước sẽ được rửa trôi
Máy phun sương phân đều nước lên lưới giúp nước có bề mặt tiếp
xúc với không khí tối đa nhờ việc phân đều nước và bề mặt cong của giọt
_
