Tính toán và thiết kế thiết bị chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời kết hợp với máy lạnh

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt gần bốn năm học tại trường Đại học Nha Trang, em đã được sự dạy
dỗ ân cần và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong trường, đặc biệt là các
thầy cô giáo trong ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh. Em xin chân thành cảm
ơn:
 Toàn thể giáo viên trong trường Đại học Nha Trang đã dạy dỗ, giúp đỡ em
trong suốt quá trình học tập.
 Toàn thể thầy giáo, cô giáo ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt lạnh đã cung
cấp cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình thực tập.
 Gia đình và bạn bè đã cổ vũ, động viên, khích lệ em trong suốt thời gian
ngồi trên giảng đường đại học.
 Đặc biệt em xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo:
TS.Trần Đại Tiến, thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt
thời gian qua để em có thể hoàn thành tốt đồ án tốt nghiệp của mình.
Trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án chắc chắn không tránh khỏi những
thiếu sót. Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô để em có thêm
những kiến thức bổ ích làm hành trang bước vào đời.

Nha Trang, Tháng 06 năm 2017
Sinh viên thực hiện
Huỳnh Văn Thạo

1


MỤC LỤC
Danh mục bảng ........................................................................................................... 4
Danh mục hình............................................................................................................ 5
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT NƯỚC BẰNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ............................ 9

1.1

Tổng quang về chưng cất .............................................................................. 9

1.2

Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài ......................... 10

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới ........................................................... 10
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................. 12
1.3

Chọn phương án thiết kế ............................................................................. 14

2.1

Tính toán hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời ................................... 16

2.1.1 Tính chọn tấm thu năng lượng mặt trời collector ..................................... 16
2.12 Tính chọn bơm nước nóng tuần hoàn ...................................................... 17
2.1.3 Tính chọn bình dãn nỡ kín ........................................................................ 20
Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt .................................................................. 20

2.2

2.2.1

Tính chọn ống xoắn bình sinh hơi........................................................ 20

2.2.2

Tính chọn ống xoắn cho bình chứa (hồi nhiệt) .................................... 24

2.2.3

Tính toán chu trình lạnh ....................................................................... 27

2.2.3.1 Sơ đồ và chu trình của hệ thống ....................................................... 27
2.2.3.2 Chọn môi chất lạnh ........................................................................... 29
2.2.3.3 Tính chọn công suất máy nén lạnh cho hệ thống ............................. 29
2.2.3.4 Tính chọn dàn ngưng ........................................................................ 32
2.2.3.5 Tính chọn dàn bay hơi ...................................................................... 38
2.2.3.6 Chọn đường ống dẫn môi chất ........................................................... 42
CHƯƠNG III: LẮP ĐẶT, CHẠY THỬ VÀ ĐIỀU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ
THUẬT ..................................................................................................................... 43
3.1

Chuẩn bị vật tư và thiết bị lắp đặt ............................................................ 43

3.2

Tiến hành lắp đặt ..................................................................................... 45

CHƯƠNG IV. TRANG BI ̣TỰ ĐỘNG HÓA, VẬN HÀNH HỆ THỐNG ............. 57
4.1.

Trang bị tự động hóa ................................................................................... 57

4.1.1

Hệ thống tự động hóa ........................................................................... 57

2


4.1.2

Cài đặt hệ thống ................................................................................... 57

4.2 Vận hành hệ thống .......................................................................................... 58
CHƯƠNG V: THỬ NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ ........................................................ 60
Kết luận .............................................................................................................. 62
Kiến nghị............................................................................................................ 62
Tài liệu tham khảo .................................................................................................... 68

3


Danh mục bảng
Bảng 2. 1: Tổn thất áp suấtt trên đường ống. ........................................................... 17
Bảng 2. 2 Công suất bơm nước nóng. ...................................................................... 18
Bảng 2. 3: Các thông số trạng thái trên của môi chất lạnh trên đồ thị. .................... 30
Bảng 3. 1 Vật tư các thiết bị chế tạo......................................................................... 43
Bảng 3. 2 Dụng cụ lắp đặt các thiết bị ..................................................................... 44
Bảng 3. 3: Số lượng các đoạn thanh sắt ................................................................... 46
Bảng 3. 4: Các thiết bị điện ...................................................................................... 55
Bảng 5. 1: Chạy máy thực nghiệm ........................................................................... 60

4

Danh mục hình
Hình 1. 1 Nhóm nghiên cứu hy vọng thiết bị này có thể giúp bà con đồng bằng sông
Cửu Long có nước ngọt sinh hoạt trong mùa khô hạn....................................... 12
Hình 1. 2 Phương án thiết kế máy chưng cất nước .................................................. 15
Hình 2. 1 Tấm collector có công suất 2Kw .............................................................. 16
Hình 2. 2 Bơm nước nóng. ....................................................................................... 19
Hình 2. 3 Bơm và sơ đồ hệ thống tuần hoàn nước nóng .......................................... 19
Hình 2. 4 Ống xoắn cho bình sinh hơi ...................................................................... 24
Hình 2. 5 Ống xoắn cho bình chứa ........................................................................... 27
Hình 2. 6 Sơ đồ hệ thống máy lạnh .......................................................................... 28
Hình 2. 7 Chu trình làm việc máy lạnh .................................................................... 29
Hình 2. 8 Cụm dàn ngưng máy nén của Danfoss ..................................................... 32
Hình 2. 9 Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí. ..................................................... 33
Hình 2. 10 Dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí. ................................................... 38
Hình 2. 11 Dàn bay hơi ống xoắn ............................................................................. 41
Hình 3. 1 Hình chế tạo khung thiết bị ...................................................................... 45
Hình 3. 2 Chi tiết cắt hàn thiết bị.............................................................................. 46
Hình 3. 3 Hoàn thành khung thiết bị ........................................................................ 46
Hình 3.4 Lắp đặt và cố định dàn collector................................................................ 47
Hình 3. 5 Sơ đồ bố trí các thiết bị trên mặt bằng...................................................... 48
Hình 3. 6 Sơ đồ bố trí các thiết bị trên mặt chiếu cạnh. ........................................... 48
Hình 3. 7 Sơ đồ đi đường ống nước nước. ............................................................... 50
Hình 3. 8 Hình ảnh chi tiết lắp đặt măng xông. ........................................................ 51
Hình 3. 9 Sơ đồ đi đường ống gas ............................................................................ 52
Hình 3. 10 Sơ đồ đi ống mền. ................................................................................... 54
Hình 3. 11 Bố trí các thiết bị điện trong và ngoài tủ. ............................................... 55
Hình 4. 1 Sơ đồ mạch điện ....................................................................................... 57
Hình 5. 1 Mối quan hệ giữa nhiệt độ ngưng và nhiệt độ bay hơi ............................. 60
Hình 5. 2 Thiết bị chưng cất với kiến nghị mở rộng diện tích bay hơi .................... 64

Hình 5. 3 Máy chưng chất nước biển lắp đặt hoàn thiện.......................................... 65

5


Hình 5. 4 Máy chưng cất nước biển thành nước ngọt bằng năng lượng mặt trời đang
hoạt động ............................................................................................................ 66
Hình 5. 5 Thiết bị chưng cất nước biển đang chạy thử nghiệm ............................... 67

6


PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
- Việt Nam là một trong những nước bị ảnh hưởng nặng nề về biến đổi khí hậu,
do mực nước biển tăng cao, các khu vực ven biển bị ngập mặn dần, làm cho nguồ n
nước ngo ̣t ngày mô ̣t khan hiế m. Mặc khác Việt Nam có nhiều biển đảo, tàu đánh
bắt thủy sản xa bờ nên việc cung cấp, dự trữ nước ngọt gặp nhiều khó khăn và tốn
kém như hiê ̣n nay vì phầ n lớn nước ngo ̣t phải mang theo từ đấ t liề n.
- Hàng năm số lươ ̣ng sinh viên các ngành xuố ng thực tâ ̣p ta ̣i phòng thí nghiê ̣m
nhiê ̣t nhiê ̣t la ̣nh và Công nghê ̣ thực phẩ m khá đông: Cu ̣ thế sinh viên ngành nhiê ̣t
la ̣nh trên 70 SV đế n thực tâ ̣p về sử du ̣ng năng lươ ̣ng tái ta ̣o; trên dưới 300 Sinh
viên ngành thực phẩ m và Công nghê ̣ kỹ thuâ ̣t hóa ho ̣c thực tâ ̣p về kỹ thuâ ̣t cô đă ̣c,
chưng cấ t, trić h ly,... đề u liên quan đế n liñ h vực chưng cấ t nước. Nhưng hiê ̣n nay
các thiế t bi ̣ chưng cấ t nước ta ̣i các phòng thí nghiê ̣m của Trường đề u gia nhiê ̣t
bằ ng điê ̣n trở nên năng lươ ̣ng điê ̣n tiêu hao khá lớn.
- Do nguồ n năng lươ ̣ng ngày mô ̣t khan hiế m, nên cầ n phải tìm nguồ n năng
lươ ̣ng tái ta ̣o thay thế . Cho đế n nay trên thi ̣trường chưa cung cấ p thiế t bi ̣về chưng
cấ t nước bằ ng năng lươ ̣ng mă ̣t trới kế t hơ ̣p với máy la ̣nh.
Do đó viê ̣c nghiên cứu, chế tạo thiế t bi ̣ chưng cấ t nước biể n thành nước ngọt

hoặc để cô đặc, chưng cấ t hay sản xuấ t nước cấ t bằ ng năng lượng mặt trời kế t hợp
với máy lạnh để sinh viên thực tập và nghiên cứu nhằ m nâng cao chấ t lượng đào
tạo, tiế t kiê ̣m năng lượng mang lại hiê ̣u quả kinh tế là vấ n đề cấ p thiế t mà thực tế
đặt ra.
Mục tiêu của đề tài
Thiết kế và chế tạo thiế t bi ̣ tách nước ngọt từ nước biển bằ ng năng lươ ̣ng mă ̣t
trời kế t hơ ̣p với máy la ̣nh phu ̣c vu ̣ cho đào ta ̣o.
Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
-

Đối tượng nghiên cứu:

Nghiên cứu chế ta ̣o thiế t bi ̣ tách nước ngọt từ nước biển bằ ng năng lươ ̣ng mă ̣t
trời kế t hơ ̣p với máy la ̣nh phu ̣c vu ̣ cho đào ta ̣o.
-

Phạm vi nghiên cứu:

7


Thiết kế và chế tạo thiế t bi ̣ tách nước ngọt từ nước biển bằ ng năng lươ ̣ng mă ̣t
trời kế t hơ ̣p với máy la ̣nh.
Cách tiếp cận
-

Tìm hiểu lí thuyết về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị bay hơi,

bức xạ mặt trời, làm lạnh tách ẩm (ngưng tụ).
-

Khảo sát nhiệt độ, độ ẩm, cường đô ̣ bức xạ năng lươ ̣ng mă ̣t trời tại Nha

Trang.
-

Khảo sát một số tài liệu chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời.

-

Thiết kế và chế tạo thiết bị tách nước biển thành nước ngọt.

Phương pháp nghiên cứu dự kiến:
-

Cách tiếp cận vấn đề, các bước được tiến hành thực hiện như sau:

Nghiên cứu tài liệu  Thiết kế kỹ thuật  Bản vẽ chi tiết  Chế tạo, lắp đặt 
Chạy thử  Hiệu chuẩn Kết luận, đánh giá.
Nội dung nghiên cứu và tiến độ thực hiện
-

Nội dung nghiên cứu:

+ Tìm hiểu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị chưng cất nước biển
thành nước ngọt. Phân tích và cho ̣n phương án thiế t kế .
+ Thiết kế kỹ thuật đưa ra bản vẽ thiết bị tách nước biển thành nước ngọt.
+ Chế tạo lắp đặt các thiết bị tách nước biển thành nước ngọt.
+ Đo và điề u chin̉ h các thông số kỹ thuâ ̣t của thiế t bi:̣ Năng suấ t, nhiê ̣t đô ̣, nồ ng
đô ̣ muố i, điện năng tiêu hao…

+ Kết luận đánh giá thiết bị, viế t báo cáo tổ ng kế t.

8


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP CHƯNG CẤT NƯỚC
BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1.1 Tổng quang về chưng cất
Khái quát về chưng cất:[8]
-

Chưng cất là phương pháp dùng để tách các hỗn hợp chất lỏng cũng như các

hỗn hợp khí lỏng thành các cấu tử riêng biệt dựa vào độ bay hơi của các cấu tử
trong hỗn hợp (nghĩa là khi ở cùng một nhiệt độ, áp suất hơi của các cấu tử khác
nhau). Trong trường hợp đơn giản thì chưng và cô đặc hầu như không khác
nhau.Tuy nhiên giữa chúng có ranh giới căn bản.Trong trường hợp chưng thì dung
môi và chất tan đều bay hơi,trường hợp cô đặc thì chỉ có dung môi bay hơi còn
chất tan không bay hơi. Đối với trường hợp hai cấu tử ta có sản phẩm đỉnh gồm
các cấu tử có độ bay hơi lớn (cấu tử nhẹ) và một phần ít cấu tử có độ bay hơi lớn
(cấu tử nặng) và sản phẩm đáy gồm cấu tử có độ bay hơi bé và một phần rất ít cấu
tử có độ bay hơi lớn.
-

Chưng cất hệ nhiều cấu tử thường gặp trong công nghệ hóa dầu và trong

công nghiệp tinh chế các loại tinh dầu thiên nhiên. Việc tính toán thiết kế các thiết
bị chưng cất hệ nhiều cấu tử khá phức tạp so với hệ hai cấu tử, do đó người ta phải
đưa ra một số khái niệm dơn giản hóa như việc phân loại hỗn hợp, xác định các đại
lượng vật lý cũng như cách biễu diễn cân bằng pha.

-

Hỗn hợp có từ ba cấu tử trở lên được gọi là hỗn hợp nhiều cấu tử.Số lượng

cấu tử trong hỗn hợp càng nhiều thì tính chất phức tạp càng tăng khi chưng cất.
Do đó, người ta đã phân biệt ra hai loại:
+ Hỗn hợp nhiều cấu tử đơn giản: đó là những hỗn hợp mà các cấu tử có thể xác
định được số lượng, nồng độ và chủng loại.
+ Hỗn hợp nhiều cấu tử phức tạp: tính chất phức tạp của loại hỗn hợp này là do
số cấu tử nhiều và đa dạng mà không thể xác định được số lượng và nồng độ của
chúng.
1.11 Phân loại chưng cất.
-

Theo quá trình chưng cất

9




Chưng cất phân đoạn: dùng để có được mọt độ tinh khiết cao của phần cất

hay để chưng cất nhiều cấu tử khác nhau từ hổn hợp. có thể thực hiện dưới áp suất
thấp hơn để cái thiện bước tách nếu nhiệt độ sôi gần nhau.


Chưng cất lôi cuốn: dùng khi các chất lỏng cân tách hòa tan với nhau: nước

và cồn. Nếu hổn hợp là những chất không tan vào nhau như nước dầu, có cáu cặn

và gạt đi.
-

Theo nguyên lý làm việc:



Chưng cất đơn giản: tách hỗn hợp các cấu tử có độ bay hơi khác nhau.

Thường dùng để làm sạch sơ bộ và làm sạch các cấu tử khỏi tạp chất.
Chưng cất bay hơi dần dần: chủ yếu dùng trong phòng thí nghiệm để xác
định đường cong chưng cất Enghen. Chưng cất bay hơi dần dần: cho phép nhận
được phần chưng cất lớn hơn so với bay hơi mọt lần.
Chưng chất bay hơi nhiều lần:cho phép quá trình tách các phân đoạn theo
mong muốn.


Chưng cất phức tạp.
Chưng cất có hồi lưu: để nâng cao khả năng phân chia hỗn hợp lỏng, người

ta tiến hành cho hồi lưu một phần sản phẩm đỉnh. Nhờ sự tiếp xúc thêm một lần
giữa pha lỏng (hồi lưu) và pha hơi trong tháp được làm giàu thêm cấu tử nhẹ nhờ
đó mà có độ phân chia cao hơn.
Chưng cất có tinh luyện: dựa vào quá trình trao đổi chất nhiều lần giữa pha
lỏng và pha hơi nhờ vào các đĩa hay đệm. chưng cất sẽ có độ phân chia cao hơn
nếu kết hợp với hồi lưu.
Chưng cất chân khôg và chưng cất với hơi nước: độ bền nhiệt các phân tử
trong dầu phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ và thời gian lưu. Đối với các phân đoạn
có nhiệt độ sôi cao, người ta cần tránh sự phân hủy chúng (giảm độ nhớt, độ bền
oxy hóa…) bắng cách hạn chế nhiệt độ, nhiệt độ sôi cao hơn nhiệt độ phân hủy

chúng ta dùng chưng cất chân không hay chưng cất hơi nước. hơi nước làm chúng
sôi ở nhiệt độ thấp hơn.
1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lĩnh vực của đề tài
1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

10


Nhiề u công trình nghiên cứu sử du ̣ng năng lươ ̣ng mă ̣t trời chủ yế u để sản suấ t
nước nóng, còn để khử mă ̣n (sản xuấ t nước ngo ̣t) còn ha ̣n chế vì năng suấ t chưa
cao nguyên nhân là do nhiê ̣t đô ̣ làm mát để ngưng tu ̣ hơi nước thoát ra từ nước
biể n còn cao nên năng suấ t bé, hoặc chi phí đầu tư quá lớn như:
-

Giữa đợt hạn hán tồi tệ nhất lịch sử California, nhiều ý kiến cho rằng nên

xây các nhà máy lọc nước dọc bờ biển, sử dụng khí đốt tự nhiên. Dự án Poseidon
Water trị giá một tỷ USD, đang được xây dựng tại thành phố Carlsbad, có mục tiêu
trở thành nhà máy lọc nước lớn nhất Tây bán cầu.Mandell, chủ tịch công ty về
năng lượng tái tạo WaterFX, cho biết ở các vùng sâu trong đất liền của bang, việc
sử dụng các hệ thống dùng năng lượng nhiệt Mặt Trời sẽ thay đổi hoàn toàn công
nghiệp khử muối. Nó có thể sản xuất nước với chi phí chỉ bằng một nửa Poseidon,
vì hệ thống sử dụng gương cầu parabol sẽ chuyển trực tiếp 100% bức xạ Mặt Trời
thành nhiệt để chưng cất nước mặn. Về nguyên lý, đây chính là phiên bản hiện đại
cho phương pháp của thủy thủ thời xưa."Chúng tôi hy vọng mọi người sẽ làm theo
và cải thiện mô hình này. Chúng tôi có niềm tin rằng cách tối ưu để có một nguồn
cung cấp nước ổn định ở California là sử dụng Mặt Trời cho quá trình khử mặn.",
Mandell nói.
-

Công nghệ khử mặn bằng năng lượng Mặt Trời ở Australia đã có một bước

tiến lớn ở quốc gia này. Tháng 02-2015, nhà đầu tư KKR tuyên bố họ đang đầu tư
vào dự án của công ty Sundrop Farms, sử dụng năng lượng Mặt Trời tập trung để
biến nước biển thành nước ngọt, phục vụ tưới tiêu nông nghiệp. Hệ thống này tạo
ra nhiệt để trồng cây trong nhà kính đặc biệt, tại một khu vực ở nam Australia, nơi
không thể trồng trọt được.
-

Nhóm các nhà nghiên cứu tại viện công nghệ Massachusetts (MIT) đã hợp

tác cùng với công ty kỹ thuật nông nghiệp Jain Irrigation Systems phát triển thành
công hệ thống dùng năng lượng Mặt Trời để biến nước mặn thành nước ngọt. Giải
pháp của MIT là hệ thống sử dụng các tấm năng lượng Mặt Trời để tạo ra điện và
lưu trữ vào pin. Sau đó, pin sẽ vận hành hệ thống điện thẩm tách (electrodialysis)
để loại bỏ muối ra khỏi dung dịch nước biển. Nói một cách đơn giản nhất, kỹ thuật
này sẽ dùng dòng điện 1 chiều để “rút” các ion muối mang điện tích ra khỏi dung
dịch. Tiếp theo đó, nước sẽ tiếp tục đi qua ánh sáng UV để khử trùng nhằm tạo
11


thành sản phẩm cuối cùng là nước ngọt, chẳng những có thể dùng để tưới tiêu cho
cây trồng mà còn có thể uống được.
Do đó kế t hơ ̣p sử du ̣ng năng lươ ̣ng mă ̣t trời kế t hơ ̣p với máy la ̣nh để làm la ̣nh và
ngưng tu ̣ hơi nước thoát ra từ nước biể n đươ ̣c gia nhiê ̣t từ năng lươ ̣ng mă ̣t trời sẽ
tăng đươ ̣c năng suấ t của thiế t bi,̣ sẽ là một thiết bị đầy hứa hẹn trên thị trường nhu
cầu nước ngọt hiện nay.
1.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
- Nhóm thầy trò ở Bến Tre vừa thành công trong việc tạo ra thiết bị lọc nước
mặn thành nước ngọt bằng cách tận dụng nhiệt năng lượng mặt trời.

Khung chảo parabol ở bên dưới có dạng hình nón, được làm bằng sắt và sơn
chống sét. Nó được gắn trên hệ thống giá đỡ có thể xoay theo hướng mặt trời.
Nhóm đã sử dụng inox có độ sáng bóng tốt, phản xạ ánh sáng tốt và không bị ôxy
hóa để làm chảo parabol.

Hình 1. 1 Nhóm nghiên cứu hy vọng thiết bị này có thể giúp bà con đồng bằng
sông Cửu Long có nước ngọt sinh hoạt trong mùa khô hạn
Với thiết kế như trên, người dùng sẽ đổ nước mặn vào mặt trên của bình chưng
cất, sau đó mở van nước sẽ chảy qua bình bảo ôn, xuống ống chân không hấp thu
nhiệt từ ánh nắng mặt trời nóng lên đối lưu với nước lạnh hơn trong bình bảo ôn
(tỷ trọng nước nóng nhẹ hơn nước lạnh nên nước nóng nổi lên trên, nước lạnh
chìm xuống). Lúc này nước trong bình bảo ôn nóng dần lên (cao nhất trong khoảng
75 đến 85oC), nước nóng qua phần dưới của bể chưng cất tiếp tục hấp thu nhiệt từ
12


chảo parabol, bốc hơi (hơi nước ngọt), ngưng tụ mặt dưới của tấm inox chảy
xuống ống nhựa ra ngoài đến bình chứa nước ngọt. Khó khăn lớn nhất là sử dụng
nguồn năng lượng mặt trời. Bởi khi trời mát nhiệt sẽ bị mất ở 2 bộ phận là bình
bảo ôn và bể chưng cất, nên nhóm đã mất nhiều thời gian để khắc phục. Nếu đưa
vào sử dụng, chiếc máy sẽ có giá thành dưới 2 triệu đồng, đạt 6 lít/ngày đây cũng
là nhược điểm lớn nhất.
- Viện Hoá học thuô ̣c Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã nghiên cứu
ứng dụng Công nghệ chưng cất nước biển bằng năng lượng mặt trời với năng suấ t
120-150 lít nước sạch mỗi ngày. Tuy nhiên thiế t bi ̣ khá cồ ng kề nh và đòi hỏi mă ̣t
bằ ng lớn.
- Năm 2008, Viện Khoa học vật liệu ứng dụng thuộc Viện Khoa học và Công
nghệ Việt Nam đã bàn giao và đưa vào vận hành thiết bị xử lý nước biển thành
nước ngọt đáp ứng tiêu chuẩn của Bộ Y tế về nước sinh hoạt công suất 300 lít
nước ngọt/h cho ngư dân Đà Nẵng. Thiết bị làm việc dựa trên nguyên lý thẩm thấu

ngược (reverse osmosis - RO) với màng lọc của Mỹ. Dưới áp lực phù hợp, nước
biển sẽ được tách thành phần nước ngọt sạch và hàm lượng hoà tan thấp thẩm thấu
qua màng. Nước có hàm lượng chất rắn hoà tan cao sẽ được dẫn ra ngoài. Tiếp đó,
nước ngọt sẽ được dẫn qua hệ thống tia cực tím UV và vào bồn chứa sử dụng.
Toàn bộ thời gian xử lý trong vòng 2 phút. Tuy vâ ̣y phương pháp này năng lươ ̣ng
tiêu hao khá lớn, tuổ i tho ̣ của màng lo ̣c không cao (sau mô ̣t thời gian ngắ n làm
viê ̣c phải thay thế ) nên chi phí giá thành cho 1 lit́ nước ngo ̣t đươ ̣c tách ra còn khá
cao.
- Năm 2005, Viện Khoa học công nghệ nhiệt lạnh (Trường Đại học Bách khoa
Hà Nội) vừa nghiên cứu thành công quy trình chưng cất nước ngọt từ nước biển
bằng năng lượng mặt trời bằ ng hin
̀ h thức bay hơi cưỡng bức với năng suấ t thu
đươ ̣c 12 – 13 lít/ngày. Nhưng hiê ̣u quả chưa cao vì năng suấ t còn quá thấ p và thời
gian dài chưng cấ t nước khá dài.
- Năm 2014, Nguyễn Đình Khương đã nghiên cứu dùng gương parabol để thu
nhiê ̣t từ năng lươ ̣c mă ̣t trời kế t hơ ̣p với điên trở để tao nước cấ t từ nước ngo ̣t với
năng suấ t 3,0 – 3,5 lít/h. Kế t quả cho thấ y chi phí 1800 đ/lit nước ít hơn hẳ n so với

13


chưng cấ t nước bằ ng điê ̣n trở hế t 2400đ/lit́ nước. Tuy nhiên viê ̣c chế ta ̣o và điề u
chỉnh gương parabol còn gă ̣p khó khăn.
Từ các công trình nghiên cứu trên cho thấ y tách được nước biển thành nước
ngọt với hiệu quả chưa cao do thời gian tạo ra nước ngọt còn dài. Nguyên nhân là
do lượng nhiê ̣t cung cấ p để làm nóng nước biể n chưa lớn vì chủ yế u lượng nhiê ̣t
thu được qua tấ m kính phẳ ng, đồ ng thời lượng hơi nước thoát ra ngưng tụ kém vì
nhiê ̣t độ môi trường làm lạnh và ngưng tụ cao. Do đó sử dụng năng lượng mặt trời
để gia nhiê ̣t làm bay hơi, hơi nước từ nước biển và dùng máy lạnh để làm lạnh và
ngưng tụ hơi nước thoát ra từ nước biển bởi thiế t bi ̣ bay hơi sẽ cải thiê ̣n được

năng suấ t của thiế t bi ̣.
1.3 Chọn phương án thiết kế
Từ những tìm hiểu trên thì em đưa ra phương án thiết kế như sau: tận dụng
nguồn nhiệt từ năng lượng mặt trời vì tại nha trang có cường độ bức xạ rất lớn nên
sử dụng nguồn nhiệt từ năng lượng mặt trời gia nhiệt cho nước biển làm cho nước
biển sinh hơi kết hợp với quá trình chân không để cho quá trính sinh hơi diễn ra tốt
hơn sau khi hơi được sinh ra sẽ dẫn vào buồng lạnh dể thưc hiện quá trình ngưng
thành nước ngọt.
1. Bình ngưng tụ
2. Bình sinh hơi.
3. Bơm nước nóng.
4. Cụm máy nén dàn ngưng.
5. Bình dãn nở kín.
6. Bình chứa nước biển (bình hồi nhiệt)
7. Dàn collertor mặt trời.
8. Bơm hút vận chuyển hơi (tạo áp suất)

14


Hình 1. 2 Phương án thiết kế máy chưng cất nước

15


CHƯƠNG II. TÍNH THIẾT KẾ VÀ CHỌN CÁC THIẾT BI ̣CHO HỆ
THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC

2.1 Tính toán hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời
2.1.1 Tính chọn tấm thu năng lượng mặt trời collector

-

Để phù hợp với phòng thí nghiệm cũng như nhà sản xuất thì ta chọn tấm

collector loại tấm phẳng có diện tích trao đổi nhiệt là 2m2 (chiều dài 2m chiều rộng
1m).
-

Khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 815 W/m2, có những tháng

trong mùa nắng nên có thể lên đến gần 1200 W/m2; chọn E = 1000 W/m2
-

Diện tích tấm năng lượng mặt trời collector là: 2 m2

-

Nhiệt độ nước nóng vào tv = 750C ra tr = 800C.

-

Nhiệt dung riêng của nước C = 4,186 kJ/kgK

-

Nhiệt độ sinh hơi ts = 700C

-

Lượng nhiệt mà collector hấp thụ được

Q  E.F  1000.2  2000 W / m2

Hình 2. 1 Tấm collector có công suất 2 kW

16


2.12 Tính chọn bơm nước nóng tuần hoàn
Năng suất lưu lượng bơm: [2]
Vh 

Q
2

 0,0956.103  m3 / s  = 0,344 (m3/h)
.C.  t r  t v  1000.4,186.  80  75 

Trong đó: Q Lượng nhiệt của collector.
  1000 kg/m3 – mật độ của nước.

C = 4,186 kJ/kgK – nhiệt dung riêng của nước.
Công suất bơm: N  

V.Pbom
W


Trong đó: Pbom là cột áp tổng của bơm N/m2
V năng suất của bơm; m3/s

 hiệu suất bơm; (0,7-0,8); chọn  = 0,75
 hệ số an toàn; (1,2-1,4); chọn  = 1,3
-

Với Pbom  Pcolllector  Psh  Pong

-

Ta

+ Pcollector = 0,8 kg/cm2
+ Psh = 0,6 kg/cm2
-

Ta tính tổn thất áp suất trong đường ống Pong
Bảng 2. 1: Tổn thất áp suất trên đường ống

Số
lượng

Phụ kiện

L

D
q(l/s)

(M)
Ống D20

Ltd
(m)

35

(mm)

Pl (pa)

Pms (pa)

28000

0, 0956

20

800

Pcb (pa)

18

Tê 20

1,22

0, 0956

20

800

17568

1

lưới lọc

8,84

0, 0956

20

800

7072

11

Co 90

0.609

0, 0956

20

800

5359,2

2

Van chặn

6,71

0, 0956

20

800

10736

1

Van 1

6,71

0, 0956

20

800

5368

17


chiều
28000

Pong

46103,2

74103,2

+ Với V = 0,0956.10-3 m3/s = 0, 0956 l/s, D = 20 mm tra hình 6.6 [2] ta chọn
P = 800 Pa/m. Với toàn bộ đường ống có chiều dài L = 35 m, với 18 T20 , co

90 tra bảng 6.9[2], 2 van chặn; 1 lưới lọc tra bảng 6.8[2].
Pbom   0,8.9,81.104    0,6.9,81.104   74103, 2  211.103 N/m2

Khi đó: N  

V .Pbom



 1,3

0,0956.103.211.103
 35W

0,75

Vậy ta chọn loại bơm có mã sản phẫm PH-045F có công suất 40W, lưu lượng
nước cao nhất 53 lít/phút
Bảng 2. 2 Công suất bơm nước nóng

18


Hình 2. 2 Bơm nước nóng

Hình 2. 3 : Bơm và sơ đồ hệ thống tuần hoàn nước nóng
Bơm nước sẽ đóng vai trò vận chuyển chất tải nhiệt, nước sẽ nhận năng lượng
từ dàn collector mặt trời khi đó nước sẽ nóng và được bơm đưa nước đã nóng
mang nhiệt độ cao vào ống xoắn trong bình sinh hơi để gia nhiệt cho nước biển,
sau khi gia nhiệt cho nước biển nước trong ống sẽ mất nhiệt và được bơm hút và
đẩy lên dàn collector tiếp tục vòng tuần hoàn.

19


-

Để hạn chế việc chất mang nhiệt dãn nở do nhiệt cũng như bảo vệ thiết bị ở

nhiệt độ cao khi làm việc thì ta nên thêm thiết bị bình dãn nở lắp vào sau đầu hút
sau đầu hút của bơm để cho có không gian giản nở khi nhiệt độ quá cao.
2.1.3 Tính chọn bình dãn nỡ kín
Theo tài liệu [2,tr246] thì thể tích bình dãn nở được tính theo công thức sau:
Vdn  .Vl

Trong đó: Vdn thể tích tối thiểu bình dãn nở (m3)
Vl thể tích toàn bộ nước chứa trong hệ thống (m3)

 Phần trăm dãn nở của nước lấy theo bảng 6.13 [2]
Vl  3,14.R 2 .L  3,14.0,01052.30  0,01 m3
Với R: Bán kính đường ống.
L: Tổng chiều dài ống trong hệ thống.

  3,2 ở nhiệt độ 90oC
Khi đó: Vdn  .Vl  3, 2.0,01  0,032m3
Ta chọn bình dãn nở có kích thước: R = 0,16 m, khi đó chiều cao h:
h

Vdn
0,032

 0, 4 m
2
3,14.R
3,14.0,16

Vậy bình dãn nở ta chọn có kích thước R = 0,16m; h = 0,4m.
2.2 Tính chọn thiết bị trao đổi nhiệt
2.2.1 Tính chọn ống xoắn bình sinh hơi
-

Khu vực Nha Trang, cường độ bức xạ lớn hơn 815 W/ m2 những ngày trong

mùa cực nắng lên đến gần 1200 W/m2

-

Diện tích tấm năng lượng mặt trời collector là: 2m2

-

Nhiệt độ nước nóng vào 800C ra 750C

-

Nhiệt độ nước biển vào bình hồi nhiệt 200C, khi máy hoạt động ổn định

nhiệt độ nước biển từ bình hồi nhiệt xuống bình sinh hơi là 60oC
-

Nhiệt độ sinh hơi 700C

-

Lượng nhiệt mà collector hấp thụ được

20


-

Q  E.F  1000.2  2000 W/m2

Trong đó: E là cường độ bức xạ, ở nha trang ta chọn E = 1000 W/m2
F diện tích bề mặt bức xạ

-

Lượng nhiệt mà bình sinh hơi thu nhiệt chính bằng lượng nhiệt mà collector

hấp thụ khi đó

Q sh
K.T

-

Ta có: Q sh  K.F.T  F 

-

Mà, t tb 

-

t tbnc   .t nc  0,97.12,33 12 oC ; Với    0,97

-

Ta chọn K nằm trong khoảng 300 - 1000 kcal/hm2K

-

430.4,186.103
 500 W/m2K
Chọn K = 430 kcal/hm K =

3600

-

Qsh
2.103
F

 0,33 m2
K .T 500.12

t max  t min 15  10

 12,33o C
t max
15
ln
ln
10
t min

2

 0,33 
Fionx  3,14.d.l  l  
5m
 3,14.0,021 

-

Theo như trên thì ta chọn ống inox D = 0,021 m dài L = 5 m

21


Tính kiểm tra hệ số truyền nhiệt KT

KT 

-

1
W / m2K
1 
1


 
   

 n   cau can    ban    thepinox  h

Tính  n hệ số tỏa nhiệt bên trong ống xoắn

 Lưu lượng nước trong hệ thống collertor
Qsh  m.c.t  m 

2
 0,096
4,186.(80  75)

 kg / s 

Với t  t v  t r  80  75  5 oC
n  1000  kg / m3 



Thể tích nước

V

G 0,096

 0,096.103  kg / s 
n 1000



Vận tốc nước đi trong ống



v 4.0,096.103

 0, 28 (m/ s)
f
.0.0212

Trong đó

.d 2
diện tích của ống m2
f
4
o

Ta có t f 

80  75
 77,5 o C
2

Tra bảng 25 [10] nước trên đường bão hòa với t = 77,5oC ta được

  0,668  W / m o K 
Prf  2,32

v  0,381.106  m 2 / s 

Với tw = 77 0C tra bảng trên ta có Prw  2, 4

22


o

Hệ số Reynolds

Re 

.d t 0, 28.0,018

 13263 > 104 chất lỏng chảy rối
6
v
0,38.10

Với: d T  d N  2  0,021  2.0,015  0,018 m
o

Tiêu chuẩn Nusselt

Nu f  0,021.Re .P rf
0,8
f

0,43

 P rf 


 P rw 

0,25

 2,32 
 0,021.13263 .2,32 . 

 2, 4 

0,8

0,43

.l . R
0,25

0,018 

.1. 1  1,77.
 75
0,12 


Với  l ,  R theo tài liệu [10] thì l/d > 50 thì l  1
 R  1  1,77.

Mà Nu 

 n 
-

d
vì đây là ống cong có R= 0,12; d = 0,018
R

 n .d


.Nu 0,668.75


 2783 W / m2 K
dt
0,018

Tính hệ số tỏa nhiệt hơi nước sôi trong bình sinh hơi  h

Ta dựa vào công thức sau:
 h  25,95P0,578  t w  t s 

2,333

 25,95.0,31170,578.  77  75 

2,333

1239 W / m 2K

Với P = 0,3117 bar ở ts = 70 oC bảng 15 [10], tw = 77 oC.
-

Trở lực của chất lỏng trong ống [7], ta chọn

 
 0,3.103 mK / W
 
  cau can
 
3
   0,5.10 mK / W

  ban
0,0015
 

mK / W
 
16
  thepinox
+  : chiều dày vách. Ở đây vách trụ được tính theo công thức

  0,5  d 2  d1   0,5. 0,021  0,018  0,0015m

23


+  thep inox hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK
Tra bảng PV-I thông số vật lý của chất rắn – Trang 271[1] ta có

thepinox  16W / mK
KT 

Sai số:

1
1
0,0015
1

 (0,3  0,5).103 
2783

16
1239

 485 W / m 2 K

K  KT
500  485
.100 
.100  3 < 5% đạt yêu cầu
K
500

Hình 2. 4 Ống xoắn cho bình sinh hơi
2.2.2 Tính chọn ống xoắn cho bình chứa (hồi nhiệt)
-

Lượng hơi sinh ra ở bình sinh hơi
m

Qsh
2

 8,6.10 4 kg/s
r
2333

Với r là nhiệt ẩn hóa hơi ở 70oC, tra bảng 15[10] ta có r = 2333 kJ/kg
-

Lượng nhiệt mà dòng hơi thải ra ở bình chứa là

Q bc  m.C.  t r  t v   8,6.104.4,186.  60  20  .103  144 W

Với nhiệt độ nước vào là tv = 20oC, nước ra là tr = 60oC

24


Qbc
K .T

-

Ta có: Qbc  K .F .T  F 

-

Mà, ttb 

-

Với: t max  70  20  50 oC ; t min  70  60  10 o C

-

t tbnc   .t nc  0,97.24,8  24o C , Với    0,97

-

90.4,186.103
Chọn K = 90 kcal/hm K =

 105 W/m2K
3600

-

F

tmax  tmin 50  10

 24,8o C
tmax
50
ln
ln
10
tmin

2

Qbc
144

 0,06 (m2)
K .T 105.24

 0,06 
Fionx  3,14.d .l  l  
  0,8  m 
 3,14.0,025 

-

Theo như trên thì ta chọn ống inox DN = 0,025; DT = 0,021 dài L = 1 m
Tính kiểm tra hệ số truyền nhiệt KT

KT 

1
W / m2 K
1  


1
 
 
 
   

 n   cau can   ban   thepinox  h

Tính  n : nước bên ngoài ống xoắn trong bình chứa nước biển


Lưu lượng nước trong bình chứa

Q bc  m.c.t  m 

0,144
 8,6.104  kg / s 
4,186.(60  20)

Với t  tr  tv  60  20  40 oC
n  1000  Kg / m3 



Thể tích nước

G 8,6.104
V 
 8,6.107  kg / s 
n
1000



Vận tốc nước di chuyển
25