Nghiên cứu chế tạo mô hình chưng cất nước ngọt kết hợp sản xuất nước nóng

1


I. Tình hình năng lượng:
Khi cuộc khng hoảng giá dầu mỏ trên toàn thế giới chưa có
dấu hiệu bình ổn, nhiều quốc gia đã ưu tiên sử dụng nguồn năng lượng
tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Việt Nam là nước rất có tiềm
năng về năng lượng mặt trời, nhưng ứng dụng lại rất hạn chế. Bức xạ
tổng: 85 – 190 kcal/cm
2
/năm. Số giờ nắng: 1400 – 3000 giờ/năm.
Nhiệt độ trung bình: 27,5
0
C.
Theo tính toán ca các nhà khoa học, mỗi năm 1m
2
thiết bị đun
nước nóng bằng năng lượng mặt trời có thể tiết kiệm năng lượng được
từ khoảng 500-900 kWh tùy theo vùng khí hậu và hiệu suất thiết bị.
Như vậy, trung bình 1m
2
mỗi năm giảm được khoảng 150kg khí thải
CO2 so với dùng than đá, dầu hỏa hay khí đốt. Điện năng lượng mặt
trời có lợi thế cung cấp cho các hộ gia đình, khu vực dân cư nông thôn
biệt lập mà truyền tải lưới điện quốc gia rất tốn kém. Cho dù chương
trình phát triển mở rộng lưới điện được thực hiện khẩn trương thì đến
năm 2015 nước ta vẫn còn khoảng 1100 xã, làng vùng sâu, vùng xa và
miền núi với 500.000 hộ gia đình (khoảng 3 triệu dân) được ngành
điện xác định là lưới điện chưa thể kéo tới được. Cũng có khoảng
500.000 hộ khác trong các xã có điện vẫn được xem là không thể có

điện vì chi phí đầu tư cao. Rõ ràng với những tính toán ấy, việc sử
dụng năng lượng mặt trời và các nguồn năng lượng khác phục vụ nhu
cầu tiêu dùng trong nhân dân là việc làm cần được tính đến.

2
Sử dụng năng lượng mặt trời mang lại hiệu quả kinh tế, xã hội,
góp phần bảo tồn nguồn năng lượng truyền thống, bảo vệ môi trường
và thực hiện điện khí hóa nông thôn, vùng sâu, vùng xa là việc làm
cần thiết. Vì thế Nhà nước cần có các chính sách hỗ trợ tích cực cho
các cơ quan nghiên cứu, doanh nghiệp cung cấp các dịch vụ cũng như
người sử dụng các công nghệ năng lượng mặt trời.
Ta thấy rõ ràng thu nhiệt mặt trời cung cấp nước nóng là một trong
các công nghiệp có tốc độ phát triển rất cao trong thời gian gần đây.
Tốc độ đó được dự báo là sẽ còn tăng trưởng cao hơn trong những
thập kỷ tới.
II. Nhu cầu nguồn nước ngọt và nước nóng:

Hình 1: Sự phân bố nước trên trái đất
Nước là một nguồn tài nguyên thiên nhiên rất phong phú quanh ta,
từ những dòng chảy, sông hồ, nước ngầm đến đại dương mênh mông
là nơi muôn loài thuỷ sinh sinh sống, nước được sử dụng trong mọi
mặt ca đời sống con người và mọi loài động thực vật trên trái đất.
Tuy nhiên nguồn nước sạch quí giá đang bị khai thác dần cạn kiệt,
thiếu nước sạch không những ảnh hưởng đến đời sống con người mà
còn ảnh hưởng đến các loại sinh vật trên trái đất cũng như mọi hoạt
động sản xuất, sinh hoạt.

3
Còn ở Việt Nam chúng ta hiện nay thì sao? Các tỉnh miền núi như
Sơn La, Lào Cai…các hải đảo xa sôi, ngay cả các vùng có lượng nước

lớn như Long An, Bạc Liêu, Đồng Tháp thì hiện nay đang thiếu nước
nóng, nước sạch để uống, sinh hoạt trầm trọng. Còn ở các thành phố
lớn thì ô nhiễm nguồn nước sạch đang là một vấn đề đau đầu đối với
người dân và các ngành có liên quan.
Rõ ràng là nước sạch để uống và nước nóng để sinh hoạt từ NLMT
có giá thành rẻ hơn nhiều so với sử dụng các nguồn năng lượng khác.
giá năng lượng ca nước nóng mặt trời chỉ bằng 5-15% ca điện hoặc
gas. Đúng hơn, NLMT là miễn phí, giá ca nó là do thu hồi tiền đầu tư
ban đầu vào thiết bị.
Những lợi ích môi trường mà NLMT mang lại là rất lớn. nó không
hề đòi hỏi thay đổi địa chất do khai khoáng. Không hề thải ra các chất
khí hay các chất thải rắn. Không phát sinh thêm nhiệt. Về lâu dài
NLMT sẽ phải đóng vai trò chính trong cán cân năng lượng ca công
nghiệp.
III. Đối tượng nghiên cứu:
Nhằm góp phần vào việc nghiên cứu chế tạo, hình thành ý
tưởng về thiết bị chưng cất nước ngọt kết hợp sản xuất nước nóng
phục vụ cho nhu cầu hàng ngày ca người dân (nhất là những khu vực
xa xôi hẻo lánh); góp phần vào công tác giảng dạy ca một số môn
năng lượng mới, năng lượng mặt trời.
Do đó, việc hình thành ý tưởng, nghiên cứu chế tạo thiết bị
chưng cất nước ngọt và sản xuất nước nóng là nhu cầu cấp thiết. Nước
cấp vào ở đây là nước tương đối sạch, không bị ô nhiễm, có thể sử
dụng được trong sinh hoạt. Mô hình này có thể cung cấp nước ngọt và
nước nóng cho một hộ gia đình có từ 3-4 người. Đó cũng chính là đối
tượng nghiên cứu ca đề tài.

4
IV. Mục đích, giới hạn nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu chế tạo mô hình chưng cất nước ngọt kết

hợp sản xuất nước nóng” nhằm mục đích thiết kế và chế tạo mô hình
hoàn thiện để có thể ứng dụng sản xuất đại trà đồng thời có thể dung
làm mô hình thực tế trong giảng dạy.
Do thời gian, dụng cụ đo đạc cường độ bức xạ và kinh phí
nghiên cứu nên tác giả chỉ chế tạo 01 mô hình hoàn thiện hoạt động
gián đoạn để đo đạc các thông số thực nghiệm.
Bảng 1: Số giờ nắng trung bình hàng ngày tại Tp.HCM

Giên
g
Hai
Ba
Tư
Nă
m
Sáu
Bảy
Tá
m
Chí
n
Mườ
i
11
12
1994
6.9
8.1
6.9
7.4

5.8
5.3
5.0
5.8
4.1
5.1
7.0
5.9
1995
6.8
8.4
7.3
8.4
6.3
6.2
6.0
4.8
3.1
5.2
4.0
4.9
1996
4.7
6.7
8.3
7.0
5.7
5.3
3.9
5.2

3.6
3.6
4.0
3.2
1997
5.7
5.2
7.0
6.6
5.5
5.4
3.9
5.4
4.5
6.1
5.8
7.2
1998
8.0
8.1
9.7
7.6
6.1
5.4
5.9
5.8
4.5
3.8
4.1
4.2

1999
5.3
6.9
7.8
5.2
5.4
5.0
4.6
5.4
6.0
4.7
5.4
4.9
2000
6.2
6.7
6.0
6.4
5.9
5.4
5.4
4.5
6.0
3.4
5.5
4.4
2001
5.6
6.0
6.5

6.5
6.6
4.9
6.4
4.6
6.1
4.4
4.5
5.8
2002
6.7
8.0
8.4
8.0
7.7
5.4
6.0
4.6
5.3
5.8
5.8
6.5
2003
7.0
7.8
8.2
8.3
4.4
6.9
5.4

5.8
5.4
4.4
5.6
4.7
Trun
g
bình
6.3
7.2
7.6
7.1
6.0
5.5
5.3
5.2
4.9
4.7
5.2
5.2

5
V. Tính toán thiết kế thiết bị: (Cơ sở lý thuyết)

Hình 2: Sơ đồ thực nghiệm của thiết bị chưng cất nước ngọt và sản
xuất nước nóng
Mô tả hệ thống: Hình 1 mô tả sơ đồ thực ca hệ thống. Kích
thước hệ thống: 1x1x0,2m; gồm tấm hấp thụ làm bằng nhôm, được
sơn đen hoàn toàn và có tấm vải cotton ph lên phía trên, tấm kính
ph. Hệ thống này đặt nghiên một góc 30
0
để nước ngưng có thể tự
chảy xuống máng hứng. Nước cấp được cấp vào nhờ một dường ống
dẫn, có khoan các lỗ nhỏ dọc thân, đường kính lỗ khoảng 1mm.
Những ưu điểm ca hệ thống này so với hệ thống cổ điển: tấm
hấp thụ có góc nghiêng phù hợp giảm thiểu sự phản xạ và tăng diện
tích tiếp xúc với các tia bức xạ, nước cấp cung đi vào hệ thống ít hơn,
do vậy, lượng nước đạt nhiệt độ cao hơn, nhanh hơn.




6
Những thông số dùng để tính toán:
Các thông số
Ký hiệu
Giá trị
Khối lượng ca
tấm hấp thụ
M

p
(kg/m
2
)
7.9
Nhiệt dung riêng
ca tấm hấp thụ
C
p
(j/kg.K)
477
Hệ số hấp thụ ca
tấm hấp thụ


0.96
Hệ số bức xạ ca
tấm hấp thụ
p


0.08
Khối lượng ca
kính
M
g
(kg/m
2
)
2.7

Nhiệt dung riêng
ca tấm hấp thụ
C
g
(j/kg.K)
800
Hệ số truyền qua


0.88
Hệ số bức xạ ca
kính
g


0.98
Khối lượng riêng
ca nước
w

(kg/m
3
)
989
Nhiệt dung riêng
ca nước
C
w
(j/kg.K)
4184

Khối lượng ca
không khí
M
a
(kg/m
2
)
0.24
Nhiệt ẩn hóa hơi
ca nước
h
fg
(j/kg)
2400.10
3

Tính cường độ bức xạ lên mặt phẳng nằm nghiêng I
t
(j/m
2
.h)
I
t
= I.R
b

I: cường độ bức xạ lên mặt phẳng nằm ngang (j/m
2
.h).
R

b
: hệ số chuyển đổi trực xạ

7

z
b
Cos
Cos
R






cossincossincossinsincos 



sinsinsincoscoscossinsincos 


Góc đỉnh, hợp bởi tia bức xạ và mặt phẳng nằm ngang:


sinsincoscoscoscos 
z

 : góc vĩ độ (90

0
≤  ≤ 90
0
)
 : góc lệch ở các ngày bất kỳ trong năm -23,45
0
≤  ≤ 23,45
0
.
 : góc nghiêng ca Collector 0 ≤  ≤ 90
0
.
 : góc phương vị (-180
0
≤  ≤ 180
0
)
 : góc giờ
 : góc tới ca tia bức xạ lên mặt phẳng nghiêng.

z
: góc thiên đỉnh.











365
)284(360
sin45,23
n


n : số ngày hiện tính ca năm (ngày)


= (12 – t) 15
0

t : thời điểm lúc tính (giờ)
{GÓC TÍNH TOÁN:}
Góc tính toán dùng để xác đònh vò trí của mặt trời so với một
mặt bất kỳ. Đối với quan sát viên trên mặt đất thì mặt trời di
chuyển trong bầu trời theo một nửa đường tròn từ chân trời này đến
chân trời kia. Nếu gọi P là vò trí của người đứng quan sát, O là tâm
của quả đất và I
b
tia nắng (hình 1.6), ta có:

8

I
b
tia nắng
PM pháp tuyến của mặt phẳng nghiêng

PY hình chiếu của tia nắng lên mặt phẳng nằm ngang.
Hình 1.6
: Góc tới và góc tầm. Góc tới thể hiện cho mặt bất kỳ.

GÓC TỚI (cho mặt phẳng bất kỳ là góc giữa tia nắng với pháp
tuyến của mặt phẳng đó.
GÓC THIÊN ĐỈNH (
z
) là góc tới trong trường hợp mặt phẳng
nằm ngang. Trong ví dụ trên nó chính là góc giữa I
b
và một đường
thẳng vuông góc với mặt phẳng nằm ngang tại P. điều này được chỉ
rõ trong hình 1.7

9

I
b
là tia mặt trời và PX là đường thẳng đứng với mặt phẳng nằm
ngang.
PY là hình chiếu của tia nắng lên mặt phẳng nằm ngang.
Hình 1.7
: góc thiên đỉnh, góc tầm và phương vò

GÓC TẦM () là góc giữa tia nắng và hình chiếu của nó lên trên
mặt phẳng ngang.
 = 90 - 
z

GÓC PHƯƠNG VỊ (

s
) là góc trên mặt phẳng nằm ngang đo từ
hướng chính Nam đến hình chiếu của tia nắng lên mặt phẳng ngang
đó. Khái niệm này được chỉ rõ trong hình 1.7. Nó còn được gọi là
góc của mặt trời với hướng chính Nam đo theo phương ngang (cho
các đòa phương ở Bắc bán cầu) và là góc của mặt trời với hướng
chính Bắc đo theo phương ngang (cho các đòa phương ở Nam bán
cầu).
Nó còn được mô tả như là góc giữa đường kinh tuyến đòa
phương với hình chiếu của tia mặt trời lên mặt phẳng nằm ngang.
Do di chuyển của mặt trời là đối xứng qua buổi trưa, nên đònh
hướng ưu tiên của các tấm hấp thụ bức xạ mặt trời (được thiết kế để
nhận được tối đa sự bức xạ) sẽ được hướng về phía Nam (để thu
nhận trong bán cầu Bắc). Nói cách khác, góc phương vò là zero. Đối
với tất cả những góc phương vò khác, tia bức xạ tới tấm phẳng hấp
thụ bức xạ sẽ ít hơn. Tuy nhiên với những góc phương vò nhỏ hơn
30
0
(Đông, Tây hoặc Nam), tia bức xạ giảm đi 5%.

10
ĐỘ NGHIÊNG β là góc giữa bề mặt đang xét với mặt phẳng nằm
ngang (hình 1.8).

I
b
- Tia mặt trời chiếu tới
I

b,h
- Hình chiếu của tia mặt trời trên mặt phẳng ngang.
Hình 1.8 : Góc nghiêng và góc phương vò của mặt phẳng nghiêng
không chính Nam

GÓC MẶT PHƯƠNG VỊ (
) là góc đo trên mặt phẳng nằm
ngang giữa hướng Nam và hình chiếu của pháp tuyến bề mặt lên
mặt phẳng nằm ngang (hình 1.8). Nó còn được hiểu là góc giữa
đường kinh tuyến đòa phương với hình chiếu lên mặt phẳng nằm
ngang của pháp tuyến bề mặt.

- Hệ số xun qua bầu khí quyển ca các tia trực xạ:

z
k
b
eaa


cos
10



Với a
0
= 0,95[0,4237 – 0,00821(6 – A)
2
]

a
1
= 0,98[0,5055 + 0,00595(6,5 – A)
2
]
k

= 1,02[0,2711 + 0,01858(2,5 – A)
2
]

11

z
k
b
eaa


cos
10



- Hệ số xuyên qua bầu khí quyển ca các tia khuếch tán:

bd

.2939,0271,0 



30
0

=> góc bức xạ khuyếch tán mặt đất:

2
002693,05788,090


e

góc bức xạ khuyếch tán bầu trời:

2
001497,01388,068,59


e

Từ góc tới

, KL tra đồ thị
=>
nnn

01,1)( 

+ ng với góc tới phần trực xạ:



tra đồ thị =>

n
b
)(
)(


b
)(


+ ng với góc tới phần tán xạ:

d

tra đồ thị =>
n
d
)(
)(



d
)(


+ ng với góc tới phần tán xạ:

d

tra đồ thị =>

n
g
)(
)(



g
)(


Vậy:
)
2
cos1
())(()
2
cos1
()()(









gdbgddbbb
IIIRIS

Phương trình cân bằng nhiệt tại tấm hấp thụ:
)()(
,, wpwpcgpgpr
p
pp
TThTThI
dt
dT
CM 



Phương trình cân bằng năng lượng tại màng nước trên tấm hấp thụ:
evapwpcexwexinwinw
exw
ww
QQ
L
TmTmC
dt
dT
C 
,,,
,

1
)(


Khối lượng nước thu được:
Lmmm
evapinex



12
Khối lượng hơi thu được:
fg
evap
evap
h
Q
m 

Phương trình cân bằng nhiệt tại tấm kính:
agcagrcondgpr
g
gg
QQQQ
dt
dT
CM


,,,

)()(
,,, agagcagagrcondgpr
p
pp
TThTThQQ
dt
dT
CM 



L
K
Nuh
cp
.




TLg
Ra



3

































 1

5830
cos.
cos.
1708.)8,1(sin
1.
cos.
1708
144,11
3/1
6,1




Ra
RaRa
Nu

)/(.
2
CmW
L
K
Nuh
cp




)/(

1
11
)((
2
22
,
CmW
TTTT
h
cp
cpcp
cpr








)/)()(.(.
222
,
CmWTTTTh
acaccacr






L
K
Nuh
w
.


Lv.
Re 

3/15,0
Pr.Re.664,0Nu

L
K
Nuh
w
.

)/(
11
1
2
,,
CmW
hhhh
U
cprwcprcp
t







)/(
2
CmW
L
K
U
b



13
)/(
)(
2
CmW
A
UA
U
edge
e


U
L
= U

t
+ U
b
+ U
e
(W/m
2
C)



Hình 3: Sơ đồ thí nghiệm hệ thống chưng cất nước ngọt và sản xuất nước nóng





14
VI. Kết quả thực nghiệm:
Do trong quá trình làm mô hình thực nghiệm, tình hình thời tiết
không ổn định và đo đạc nên tác giả chỉ lựa chọn những ngày có nhiệt
độ trung bình ngày, cường độ bức xạ tương đối giống nhau để nghiên
cứu và đưa ra kết luận.
* Đối với lượng nước cấp 3.6 (kg/h)
- Ngày 13/10/2008 , thời gian đo từ 8h – 17h:

Thời gian (h)
Lưu lượng nước cấp 3.6
(kg/h)
m

cond
(kg/h)
t
w
(
0
C)
8-9
0.172
32.3
9-10
0.226
35.7
10-11
0.293
38.0
11-12
0.337
40.1
12-13
0.356
45.5
13-14
0.341
44.2
14-15
0.303
41.1
15-16
0.204

35.7
16-17
0.155
30.9

- Ngày 14/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h:

Thời gian (h)
Lưu lượng nước cấp 3.6
(kg/h)
m
cond
(kg/h)
t
w
(
0
C)
8-9
0.151
30.2
9-10
0.237
33.7
10-11
0.353
39.5
11-12
0.389
40.1

15
12-13
0.415
42.1
13-14
0.361
42.0
14-15
0.279
39.5
15-16
0.154
37.6
16-17
0.138
32.1

- Ngày 15/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h:

Thời gian (h)
Lưu lượng nước cấp 3.6
(kg/h)
m
cond
(kg/h)
t
w
(
0

C)
8-9
0.157
31.2
9-10
0.214
33.8
10-11
0.347
39.7
11-12
0.400
43.0
12-13
0.415
44.0
13-14
0.392
41.0
14-15
0.317
39.9
15-16
0.158
38.1
16-17
0.141
33.1

* Đối với lượng nước cấp 5.4 (kg/h)

- Ngày 20/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h:

Thời gian (h)
Lưu lượng nước cấp 5.4
(kg/h)
m
cond
(kg/h)
t
w
(
0
C)
8-9
0.125
30.3
9-10
0.174
33.9
10-11
0.235
39.0

16
11-12
0.293
40.2
12-13
0.335
43.5

13-14
0.321
42.8
14-15
0.308
38.1
15-16
0.232
35.3
16-17
0.121
31.9

- Ngày 21/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h:

Thời gian (h)
Lưu lượng nước cấp 5.4
(kg/h)
m
cond
(kg/h)
t
w
(
0
C)
8-9
0.108
29.3
9-10

0.153
31.7
10-11
0.207
36.0
11-12
0.274
39.2
12-13
0.349
40.5
13-14
0.349
40.8
14-15
0.307
35.4
15-16
0.202
30.3
16-17
0.158
29.9

- Ngày 21/10/2008, thời gian đo từ 8h – 17h:

Thời gian (h)
Lưu lượng nước cấp 5.4
(kg/h)
m

cond
(kg/h)
t
w
(
0
C)
8-9
0.115
30.3
9-10
0.137
31.9
10-11
0.191
34.0

17
11-12
0.256
36.3
12-13
0.294
40
13-14
0.295
40.3
14-15
0.263
37

15-16
0.208
30
16-17
0.115
29
VI. Kết luận – kiến nghị:
Theo kết quả thực nghiệm trên, ta có thể kết luận được rằng, hệ
thống chưng cất nước ngọt và sản xuất nước nóng trên có hiệu suất tạo
ra nước ngọt tương đương hoặc cao hơn (0.238 - 0.285 kg/h) so với hệ
thống đơn giản mà ta thường sử dụng basin type (0.205-0.247 kg/h),
đồng thời có thể tạo ra nước nóng với nhiệt độ trung bình khoảng
40.5-42.7
0
C (25-40 lít/ngày), tùy theo nhu cầu sử dụng nước ngọt hay
nước nóng ca từng hộ gia đình.
Mô hình trên nếu có thể trang bị thêm một bơm để hệ thống
hoạt động theo chế độ cưỡng bức thì hiệu suất sẽ cao hơn.
Tài liệu tham khảo:

1. TS. Hoàng Dương Hùng - Năng lượng mặt trời Lý thuyết và các ứng
dụng- NXB Khoa học và Kỹ thuật.

2. Yunus a Cengel – Heat Transfer: A practical approach – University of
Nevada.
S K L 0 0 2 1 5 4