NGHIÊN cứu THỰC NGHIỆM hệ THỐNG CHƯNG cất nước sử DỤNG NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI THU hồi ẩn NHIỆT hóa hơi

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THU HỒI ẨN NHIỆT HÓA HƠI
EXPERIMENTAL STUDY THE HUMIDIFICATION-DEHUMIDIFICATIONSOLAR
DESALINATION UNIT
Trần Xuân An 1a, Hoàng Văn Viết 2b, NguyễnThếBảo3c
1
Trường Cao đẳng Công Thương, Tp.HCM, Việt Nam
2
Công ty TNHH Lê Phong Tp.HCM
3
Viện phát triển năng lượng bền vững ISED
a
; ;
TÓM TẮT
Bài báo trình bày đặc điểm công nghệ chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời
dạng thu hồi ẩn nhiệt hóa hơi cưỡng bức loại tuần hoàn kín không khí và hở nguồn nước
(Close air-Open Water). Nhóm đã tiến hành thiết kế, chế tạo và thực nghiệm hệ thống với
kích thước bộ bốc hơi 0,6x0,35x0,7m, diện tích bộ ngưng tụ 0,4m2, bộ gia nhiệt nước dạng
ống xoắn chiều dài 12m, đường kính ống 10mm, đường kính chảo parabol 1,3m, công suất
bơm 250W, lưu lượng nước cấp 0,015kg/s. Kết quả thực nghiệm cho thấy sản lượng nước thu
được 11,46lít/ngày ứng với cường độ bức xạ trung bình 654,5W/m2 trong điều kiện thời tiết
tại Thành phố Hồ Chí Minh.
Từ khóa: bốc hơi, tách ẩm, chưng cất nước năng lượng mặt trời, chưng cất nước bay
hơi-tách ẩm, chảo năng lượng mặt trời.
ABSTRACT
The article describes the specifications ofa Humidification-Dehumidification (HD) solar
desalination unit with close air-open water. The team has designed, manufactured and tested
the system with the Humidifier size of 0,6x0,35x0,7m, the Dehumidifier area of 0,4m2, tube
spiral heater water length of 12m with tube diameter 10mm, solar parabol diameter of 1,3m,

flow rate of the feed water of 0,015 kg/s. The results show that the water production of the
still about 11,46 L/day, with an average radiation of 654,5W/m2 in Ho Chi Minh City weather
condition.
Keywords: humidification, dehumidification, solar desalination, humidification dehumidification desalination, solar parabolic.
1. ĐẶT VẤN DỀ
Nước là nguồn năng lượng thiết yếu và thực sự cần thiết cho sự tồn tại của mỗi cá thể
sống trên trái đất. Nguồn nước sạch đang bị đe dọa bởi sự phát triển của nền công nghiệp và
sự ô nhiễm nguồn nước là do chính con người gây ra. Khan hiếm nguồn nước sạch đang thực
sự là vấn đề cấp thiết hiện nay đối với những người dân đang sinh sống tại các vùng sâu, vùng
xa và hải đảo. Việc tạo ra thiết bị chưng cất nước để biến nước phèn, nước lợ, nước
mặn...thành nước ngọt sử dụng nguồn năng lượng mặt trời (NLMT) sẵn có cho người dân
thực sự có ý nghĩa, đặc biệt là đối với những quốc gia có lãnh thổ kéo dài trên biển và điều
kiện thời tiết thuận lợi như Việt Nam.
Hệ thống chưng cất nước thu hồi nhiệt ẩn hóa hơi (Humidification – Dehumidification
(HDH)) có nguồn gốc từ thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại bể phẳng truyền thống 1
cấp 1 mái (Single BasinSingle Slope) hay 1 cấp 2 mái (Single BasinDouble Slope), đặc điểm
của loại này là quá trình hóa hơi và ngưng tụ được thực hiện trong cùng một thiết bị và ẩn
nhiệt hóa hơi trong quá trình ngưng tụ hơi nước không được thu hồi mà thải bỏ ra môi trường
576


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
nên sản lượng nước thu được là khá thấp. Để cải tiến cũng như nâng cao sản lượng nước
chưng cất, các nhà nghiên cứu đã đưa ra thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại 2 cấp 1
mái (Double Basin Single Slope) hay 2 cấp 2 mái (Double Basin Double Slope) để thu hồi ẩn
nhiệt hóa hơi của hơi nước nhả ra trong quá trình ngưng tụ. Đây được xem là cải tiến mang
tính nền tảng để phát triển hệ thống HDH sau này. Đặc điểm nổi bật nhất của hệ thống HDH
là sản lượngcao và linh hoạt hơn so với các thiết bị chưng cất nước truyền thống, nên thường
được ứng dụng cho các nhu cầu sản xuất nướ cở quy mô tập trung dạngcông nghiệp.
Trên thế giới, tác giả Abd ElKader,M và các cộng sự [1] đã tiến hành nghiên cứu mô

hình với đặc điểm kết cấu tuần hoàn nước và có gia nhiệt không khí. Kích thước bộ bốc hơi
0,8x0,7x0,6m3, diện tích bộ ngưng tụ 0,8m2, diện tích collector gia nhiệt nước 1,5m2, diện
tích collector gia nhiệt không khí 2m2, công suất bơm và quạt 500W. Kết quả chosản lượng
nước trung bình tháng 11, 12 và tháng 1 là 2-3,5kg/m2/ngày, còn tháng 7 và 8 thu được 7,2611 kg/m2/ngày, những tháng còn lại trong năm thu được 6-8kg/m2/ngày. Tác giả E Kabeel và
Emad M.S. El Said [2] với nghiên cứu tương tự, kích thước bộ bốc hơi 0,45x0,8x0,92m3, diện
trao đổi nhiệt bề mặt bộ ngưng tụ 0.14m2, diện tích collector gia nhiệt nước 7m2, collector gia
nhiệt không khí 1.415m2. Kết quả cho thấy vào tháng 8 sản lượng thu được 64lít/ngày, còn
tháng 1 cho sản lượng 43lít/ngày. Tác giả E. Farrag và cộng sự [3] đã tiến hành thực nghiệm
hệ thống chưng cất với kết cấu đặc biệt so với các tác giả khác là sử dụng hệ hai cấp bay hơi
và tách ẩm. Nhóm đã bố trí thêm một bộ ngưng tụ và một bộ bay hơi nối tiếp với hệ thống cũ,
kết quả đem lại hiệu quả đáng kể là 19,4 lít/m2/ngày với các thông số kỹ thuật: lưu lượng
nước 18,5 lít/giờ, nhiệt độ nước vào bộ bốc hơi cấp 1 là 800C, chiều dài ống thủy tinh chân
không 2m, đường kính ngoài và đường kính trong là 5,8cm và 4,33cm, kích thước bộ bốc hơi
0,8x0,5x0,5m và bộ ngưng tụ 0,6x0,3x0,07m.
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Nguyên lý quá trình chưng cất nước thu hồi ẩn nhiệt hóa hơi

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất nước thiết kế
1: Chảo parabol

2: Bộ gia nhiệt nước

3: Bộ bốc hơi

4: Bộ ngưng tụ

5: Bơm nước

6: Bình chứa

7: Không khí ẩm

8: Không khí khô

9: Quạt

10: Vòi phun

11: Ống nước cất

12:Phễu cấp nước

13: Van điều chỉnh lưu lượng

14: Van 1 chiều
577


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Nguyên lý hoạt động: Dưới bức xạ mặt trời nước được gia nhiệt tại bộ gia nhiệt 2, nhờ
áp lực của bơm nước nóng được phun tán sương vàobề mặt của bộ bốc hơi 3.Do được phun
tán sương ở nhiệt độ cao nên bề mặt bốc hơi lớn, hơi nước sẽ thâm nhập vào không khí có
dung ẩm thấp (không khí khô 8) làm cho lượng không khí này được gia nhiệt và tăng ẩm, kết
thúc quá trình làm ẩm. Không khí sau khi được làm ẩm có nhiệt độ, enthalpy và dung ẩm tăng
(không khí ẩm 7) sẽ di chuyển qua bộ ngưng tụ nhờ cưỡng bức bằng quạt. Tại bộ ngưng tụ
không khí ẩm trao đổi nhiệt với nước lạnh được bơm đẩy từ bình chứa tới, nước lạnh lấy ẩn
nhiệt hóa hơi của không khí ẩm 7 làm nước nóng lên và đi vào bộ gia nhiệt để tiếp tục gia
nhiệt lên nhiệt độ cao còn không khí ẩm nhả nhiệt và tách ẩm ngưng tụ thành nước cất và
được dẫn ra ngoài theo đường ống 11. Không khí có dung ẩm cao sau khi ngưng tụ trở thành
không khí ẩm có dung ẩm thấp quay trở lại bộ bốc hơi để được làm ẩm, còn lượng nước phun

tán sương mà không tham gia vào quá trình làm ẩm không khí gọi tắt là nước chưa chưng cất
sẽ rơi xuống bể chứa và chờ tới vòng tuần hoàn tiếp theo. Để đảm bảo quá trình chưng cất có
thể cấp thêm nước bổ sung từ phễu cấp nước 12.
2.2.Cân bằng nhiệt hệ thống chưng cất nước thu hồi nhiệt ẩn

Hình 2: Cânbằng nhiệt hệ thống HDH
Phương trình cân bằng tại bộ bốc hơi (Humidifier)[4]
m w + m a *d a1 = m b + m a *d a2

(1)

m b *I w3 + m a *Ia2 = m w *I w2 + m a *Ia1

(2)

m pw = m a *(d a2 - d a1 )

(3)

m pw *h pw + m a *h da1 + m w *h w1 = m w *h w0 + m a *h da2

(4)

Phương trình cân bằng tại bộ ngưngt ụ (Dehumidifier)[4]

Phương trình cân bằng tại bộ gia nhiệt nước [4,5]
Q in = m w *(I w2 – I w1 ) = m w *C pw *(T w2 – T w1 ) = η p * A* Is

(5)

Dungẩm của không khí (kg/kg a ) [6]
d a = 2,19*10-6*Ta3 - 1,85*10-4*Ta2 + 7,06*10-3*Ta -0,077
Enthalpy của không khí (J/kg) [6]

h = 0,00585*Ta3 – 0,497*Ta2 + 19,87*Ta -207,61
578

(6)
(7)


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Hiệu suất thiết bị theo giờ [7]

η=

(M pw * Lv ) / 3600
A * I s + Ppump + Pblower

(8)

L v = 2,506*106- 2,369*103*T a2 + 0,2678*102*T2 a2 – 8,103*10-3*T3 a2 -2,079*10-5*T4
3. THỰC NGHIỆM
Yêu cầu thực nghiệm
- Đường kính chảo parabol 1,3m, độ sâu 22cm, bề mặt chảo được dán lớp phản xạ.
- Góc nghiêng chảo parabol được điều chỉnh theo hướng nắng.
- Lưu lượng nước cấp 0,015kg/s; Lưu lượng quạt 0,003 kg/s
- Thời gian đo từ 7h->16h
- Thiết bị đo chính: Máy đo bức xạ PCE – SPM 1 (độ chính xác ∓10 W/m2) máy đo
nhiệt độ PCE-T1200 dùng cặp nhiệt loại K (độ chính xác ∓0,4% + 0,50 𝐶𝐶)

Hình 3: Chảo parabol và bộ gia nhiệt nước

Hình 4: Bộ ngưng tụ -bộ bốc hơi và hệ thống hoàn chỉnh
4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Quá trình thực nghiệm được tiến hành trong nhiều ngày với điều kiện thời tiết khác nhau,
trong đó tác giả lấy kết quả đo tiêu biểu ngày 17/05/2015 trời quang mây, nắng tốt. Sử dụng
thiết bị đo đạc trực tiếp các thông số nhiệt độ và bức xạ mặt trời, thông số đo được để tính toán
lý thuyết và kiểm chứng với kết quả thực nghiệm được thể hiện qua các biểu đồ bên dưới:
579


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Hình 5 và hình 6 biểu thị mối tương quan giữa bức xạ mặt trời, nhiệt độ nước và công
suất bộ gia nhiệt. Nhận thấy ở thời điểm bức xạ mặt trời cao nhất 967W/m2 thì nhiệt độ nước
đo được tại đầu ra của bộ gia nhiệt 880C tương ứng với công suất nhiệt Q in = 0,766kW, điều
này cho thấy hiệu quả tích cực của việc sử dụng chảo parabol để gia nhiệt nước cấp từ đó
nâng cao sản lượng chưng cất.
Hình 7 và hình 8 cho thấy sản lượng nước lý thuyết và thực tế đo được với công suất bộ
gia nhiệt và dung ẩm vào ra bộ bốc hơi. Sản lượng nước thu được tăng theo công suất bộ gia
nhiệt và dung ẩm, khi công suất gia nhiệt tăng tương ứng với nhiệt độ nước cấp ra khỏi bộ gia
nhiệt tăng dẫn đến khả năng tán sương và bốc hơi vào bộ bốc hơi tăng cao.
Hình 9 và hình 10 minh họa cho sản lượng nước chưng cất và hiệu xuất của hệ thống
giữa lý thuyết và thực tế, kết quả cho thấy chênh lệch giữa sản lượng lý thuyết và thực tế là
17,5% và hiệu xuất lý thuyết và thực tế là 19%. Điều này có thể lý giải về mặt thực nghiệm ở
giữa những khoảng thời điểm đo thông số cường độ bức xạ yếu do thời tiết và mây che phủ
tác động, mặt khác các công thức tính toán lý thuyết có sự sai số nhất định.

Hình 5: Biểu đồ bức xạ mặt trời và
nhiệtđộ nước vào, ra bộ gia nhiệt

Hình 6: Biểu đồ bức xạ mặt trời và công
suất bộ gia nhiệt

Hình 7: Biểu đồ sản lượng nước chưng
cấtthực tế và công suất bộ gia nhiệt mặt
trời

Hình 8: Biểu đồ sản lượng nước chưng cấtlý
thuyết và dung ẩm vào, ra bộ bốc hơi

580


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 9: Biểu đồ sản lượng nước chưng

Hình 10: Biểu đồ hiệu suất lý thuyết

cất lý thuyết và thực tế

và thực tế

5. KẾT LUẬN
Qua kết quả thực nghiệm cho thấy việc kết hợp công nghệ chưng cất nước dạng thu hồi
ẩn nhiệt hóa hơi với chảo parabol gia nhiệt nước cấp đem lại sản lượng cao do đã khắc phục
được những nhược điểm của các hệ thống chưng cất nước truyền thống. Với thiết bị có kết
cấu đơn giản dễ chế tạo, đây được xem là hướng nghiên cứu bước đầu làm nền tảng cho
những ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam ở quy mô lớn để giải quyết vấn đề khan hiếm nguồn

nước sạch tại các vùng biển đảo, vùng ngập mặn.
Tuy nhiên một số thiết bị của hệ thống vẫn còn dùng điện để hoạt động, do đó để tối ưu
hóa hệ thống chưng cất có thể sử dụng pin năng lượng mặt trời cấp cho động cơ bơm, quạt
nhằm khai thác triệt để nguồn năng lượng tái tạo có sẵn trong tự nhiên.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Abd ElKader, M., Aref, A., Gamal, H., Moustafa and ElHenawy,Y., A Theoretical and
Experimental Study for a Humidification-Dehumidification Solar Desalination Unit,
International Journal of Water Resources and Arid Environments 2014 Vol 3(2), p 108120.
[2] Kabeel, A.E., Emad ElSaid, M.S., A hybrid solar desalination system of air
humidification dehumidificationand water flashing evaporation, A comparison
amongdifferent configurations, Tanta University, Egypt 2013.
[3] Farrag Taha, E., Mahmoud Mohamed, S., Abdelmoez, Wael., experimental validation for
two stageshumidification- dehumidification (hdh) waterdesalination unit, Seventeenth
International Water Technology Conference, IWTC 17 2013, Istanbul, Turkey.
[4] PrakashNarayan,G.,Sharqawy Mostafa, H.,Lienhard John, H., Zubair Syed M.,
Thermodynamicanalysis of humidifi cation dehumidifi cation desalination cycles,
Cambridge, USA 2009.
[5] Magal B.S, Solar Power Engineering, Tata McGraw Hill Publishing Company
Limited, New Delhi, 1993.
[6] Soufari S.M., Zamen, M., Amidpour, M., Performance optimization of the
humidification–dehumidification desalination process using mathematicalprogramming,
Tehran, Iran,2008.
[7] AwadMostafa, M.,El-Agouz S. A., Enhancement of the Performance of Stepped Solar
Still Using Humidification-Dehumidification Processes, Faculty of Engineering,
Mansoura UniversityEgypt, Nature and Science 2013.
581


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Chú thích:

I s : Cường độ bức xạ mặt trời, W/m2
m w : Lưu lượng nước cấp, kg/s
M pw : Lưu lượng nước chưng cất, kg/s
m a : Lưu lượng không khi khô, kg/s
m b : Lưu lượng nước chưa bốc hơi, kg/s
T w0 : Nhiệt độ nước vào bộ ngưng tụ, 0C
T w1 : Nhiệt độ nước ra khỏi bộ ngưng tụ, 0C
T w2 : Nhiệt độ nước ra khỏi bộ gia nhiệt, 0C
T w3 : Nhiệt độ nước ra khỏi bộ bốc hơi, 0C
T a1 : Nhiệt độ không khí vào bộ bốc hơi, 0C
T a2 : Nhiệt độ không khí ra khỏi bộ bốc hơi, 0C
d a1 : Dung ẩm không khí vào bộ bốc hơi, kg/kga
d a2 : Dung ẩm không khí ra khỏi bộ bốc hơi, kg/kga
Q in : Công suất bộ gia nhiệt, kW
L v : Nhiệt ẩn hóa hơi của nước, J/kg
A: Diện tích chảo Parabol, m2
P pump : Công suất bơm nước, W
P blower : Công suất quạt, W

ηp

:Hiệu suất chảo Parabol (50%-60%)

THÔNG TIN TÁC GIẢ
1.

Trần Xuân An. Trường Cao Đẳng Công Thương Tp.HCM, ,
0909262985.

2.

Hoàng Văn Viết. Công Ty TNHH Lê Phong Tp.HCM, ,
0937911988.

3.

Nguyễn Thế Bảo. Viện phát triển năng lượng bền vững ISED, ,
0906331133.

582