Nghiên cứu xác định một số thông số đặc tính của quá trình khử muối nước biển bằng phương pháp phun – tách ẩm



Ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước phun và nhiệt độ nước giải nhiệt sẽ tồn
tại một tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không khí.



o

Ở Tmin=5 C thì nhiệt độ nước phun hợp lý cho hệ thống khử muối
phun
o

o



tách ẩm cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời là từ 70 C đến 75 C.
Khi thiết kế thiết bị phun ẩm thì số Me hợp lý là từ 1,2 đến 2.



Mật độ xối tưới tối đa trên một đơn vị diện tích lớp đệm trong thiết bị phun



ẩm là 0,75kg/(m s).
Bộ thu tập trung không thích hợp để cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun
tách ẩm nói riêng và cung cấp nước nóng nói chung trong điều kiện Tp. Hồ
Chí Minh.
Năng lượng nhiệt cung cấp để sản xuất được 1kg nước ngọt bằng thực

o

nghiệm là từ 1684kJ đến 1875kJ ở nhiệt độ nước phun tương ứng là 70 C
o

và 75 C.
o



Hệ số năng suất GOR của hệ thống làm việc ở Tmin=5 C là từ 1,5 đến



1,7. Kết quả này là tương đồng với các kết quả nghiên cứu của All-Halaj
[16] và Nawayseh [21].
Năng suất tính toán trung bình của hệ thống khử muối phun tách ẩm làm
việc từ 8h đến 15h trong điều kiện thời tiết Tp. Hồ Chí Minh là 4-

Khan hiếm nước sạch và biến đổi khí hậu là hai vấn đề đang đe dọa đến sự sống
và công nghiệp hóa ở các quốc gia đã làm cho nguồn nước trở nên ô nhiễm và
ngày càng cạn kiệt. Theo báo cáo của tổ chức phát triển nguồn nước của Liên
Hiệp Quốc năm 2016 thì có hơn 1,8 tỷ người thiếu nước uống trên toàn thế giới
[1]. Hầu hết tập trung ở những quốc gia có mức thu nhập thấp.
Nước là nguồn gốc của sự sống, là nhân tố quyết định sự tồn tại, phát triển bền
vững của nhân loại. Mặt khác, nước cũng có thể gây ra tai họa cho con người
và môi trường. Theo báo cáo toàn cầu của Tổ chức Y tế thế giới (WHO) công
bố năm 2010 cho thấy, mỗi năm Việt Nam có hơn 20.000 người tử vong do
điều kiện nước sạch và vệ sinh nghèo nàn và thấp kém. Còn theo thống kê của
Bộ Y tế, hơn 80% các bệnh truyền nhiễm ở nước ta liên quan đến nguồn nước.

Người dân ở cả nông thôn và thành thị đang phải đối mặt với nguy cơ mắc bệnh
do môi trường nước đang ngày một ô nhiễm trầm trọng
Hầu hết nước mà con người sử dụng đều là nước sạch. Ở các nước phát triển,
tài nguyên nước đóng vai trò vô cùng quan trọng và được đặt lên hàng đầu

2

5,9kg/(m ngày).
6.3

1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu

của nhân loại. Dân số thế giới ngày càng tăng nhanh cộng với tốc độ đô thị hóa

2



MỞ ĐẦU

trong việc khai thác, sử dụng và quản lý với quy mô lớn. Ngược lại, đối với

Kiến nghị

những quốc gia chậm phát triển hoặc các nước đang phát triển, vai trò của nước

Hướng mở rộng tiếp theo của luận án:

vẫn chưa được nhận thức rõ ràng, song hành với điều đó là việc sử dụng lãng

 Tiếp tục nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị
phun ẩm với các loại vật liệu đệm khác trong thực tế để lựa chọn được loại
vật liệu đệm có hiệu suất cao và phù hợp với điều kiện Việt Nam.

phí và ít có động thái để bảo tồn và sử dụng hiệu quả nguồn khoáng sản quý

 Cần phải tiến hành nghiên cứu tiếp tục với các loại đầu phun khác nhau.

Tài nguyên nước mặt ở nước ta phân bố không đồng đều trên toàn bộ lãnh thổ

 Cần tiến hành thêm các nghiên cứu ảnh hưởng của tốc độ không khí đến
quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị phun ẩm.

và thay đổi theo các mùa trong năm. Những khu vực thường xuyên thiếu nước

 Cần phải nghiên cứu thêm về các loại môi chất dung trong ống nhiệt trọng
trường để lựa chọn được loại môi chất thích hợp.

ngầm tại những khu vực này không hợp lí có thể gây ra tình trạng sụt lún đất,

36

1

báu này.

sạch là vùng núi cao, vùng ven biển và hải đảo. Do đó việc khai thác nước
và nguồn nước ngầm có thể bị nhiễm mặn tại các khu vực ven biển. Bên cạnh

đó việc biến đổi khí hậu cũng gây ảnh hưởng không nhỏ đến việc cung cấp
nước sạch, nước biển dâng cao làm cho vùng ven biển nhiễm mặn, hoạt động
nông nghiệp cũng bị ảnh hưởng đáng kể và hàng loạt các ảnh hưởng khác. Năm

Kết quả tính toán cho thấy năng suất của hệ thống khử muối phun tách ẩm cấp
nhiệt bằng bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập thay đổi tương ứng
2

2016 đồng bằng sông Cửu Long trãi qua một đợt hạn hán kéo dài đã gây ảnh

với hiệu suất bộ thu trong khoảng 4-5,4kg/(m .ngày). Đối với bộ thu cấp nhiệt
là ống dầu thì năng suất đạt được là cao hơn, năng suất thay đổi trong khoảng từ

hưởng nghiêm trọng đến đời sống và thiệt hại nặng nề về kinh tế của người dân.

4,3-5,9kg/(m .ngày).

Để giải quyết tình trạng thiếu nước sạch tại các vùng duyên hải như hiện nay

2

mà không gây tác hại đối với sinh thái của khu vực này thì nước biển là nguồn

CHƯƠNG 6

tài nguyên phong phú nhất.

6.1

Khử muối nước biển để cung cấp nước sạch là một trong những phương pháp

Từ việc nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống khử muối bằng phương
pháp phun – tách ẩm, luận án đã đạt được các kết quả mới như sau:

tiên phong mà con người đã thực hiện để sản xuất nước sạch và cho đến ngày
nay phương pháp này vẫn là một trong những phương pháp chủ đạo trong việc
cung cấp nước sạch cho nhân loại.

quá trình khử muối truyền thống hầu hết có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch.
Do đó những hệ thống này gián tiếp hoặc trực tiếp thải ra môi trường một lượng
lớn khí CO2 và xa hơn có thể đẩy giá thành của các nhiên liệu hóa thạch lên cao
do nhiên liệu hóa thạch chỉ có giới hạn và đang cạn kiệt dần.
Trong quá khứ, khử muối nước biển để sản xuất nước sạch là phương pháp tốn
kém nhất do chi phí đầu tư ban đầu rất cao và chi phí tiêu hao cho năng lượng
cũng rất lớn [2-4]. Tuy nhiên cho đến ngày nay thì cũng không có phương pháp
nào khác tối ưu hơn phương pháp này. Cho nên phương pháp khử muối nước

Những đóng góp mới của luận án

(i)

Xây dựng được chương trình mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt giữa
nước và không khí trong hệ thống dựa trên kỹ thuật Pinch.

(ii)

Xây dựng được phương trình thể hiện mối quan hệ giữa tỷ lệ lưu lượng
tối ưu của nước phun và không khí theo nhiệt độ nước phun và nhiệt độ
nước giải nhiệt.

(iii)

Xác định được khoảng giá trị nhiệt độ nước phun tối ưu theo Tmin.

(iv)

Xây dựng được chương trình mô phỏng quá trình truyền nhiệt, truyền
chất giữa nước phun và không khí trong thiết bị phun ẩm.

(v)

Xây dựng được phương trình xác định nhiệt độ nước phun và nhiệt độ
không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm theo số Me và tỷ lệ lưu lượng khối
lượng tối ưu giữa nước phun và không khí.

(vi)

Xác định được số Me hợp lý trong thiết bị phun ẩm.

Các phương pháp khử muối truyền thống tiêu thụ một lượng lớn năng lượng
dưới dạng nhiệt năng hoặc điện năng. Các nguồn năng lượng cấp vào cho các

KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

(vii) Xác định được mật độ xối tưới tối đa trên 1 đơn vị bề mặt lớp đệm
trong thiết bị phun ẩm.

biển để lấy nước sạch được xem là phương pháp khả thi nhất để đáp ứng nhu

(viii) Xác định được nhiệt độ không khí vào thiếto bị phun o ẩm không ảnh

hưởng đến số Me trong khoảng nhiệt độ từ 35 C đến 38 C.

cầu nước sạch ngày càng tăng của nhân loại [5]. Theo dự báo của chương trình

(ix)

Xây dựng mối quan hệ giữa chiều cao lớp đệm và lưu lượng nước phun
đến số Me bằng phương pháp thực nghiệm.

(x)

Phát minh bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập để cấp nhiệt
cho hệ thống.

môi trường Liên Hiệp Quốc thì đến năm 2025 khoảng 70% dân số thế giới sẽ
đối mặt với vấn đề thiếu nước, trong đó 50% dân số sống cách bờ biển 200km.
Việt Nam là nước có bờ biển dọc theo chiều dài của đất nước và khoảng cách từ
bờ biển đến đường biên giới là không xa cho nên trong tương lai toàn bộ lãnh

6.2

Kết luận

thổ nước ta phải đối mặt với tình trạng thiếu nước. Tính đến tháng 6 năm 2015

Dựa trên các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống khử muối
phun tách ẩm, luận án rút ra được các kết luận sau đây:

2

35


Khi thay đổi khối lượng môi chất nạp vào trong ống nhiệt trọng trường tách

thì trên toàn thế giới có 18426 nhà máy khử muối nước biển phân bố ở 150

dòng độc lập thì hiệu quả làm việc của ống nhiệt cũng sẽ thay đổi theo. Với các

quốc gia với tổng công suất đạt trên 86 triệu m /ngày đêm. Theo ước tính một

kết quả thực nghiệm chúng tôi cũng nhận thấy rằng khối lượng nước nạp vào

3

3

Dựa trên số liệu bức xạ mặt trời được đo song song với quá trình thực nghiệm

nhà máy có công suất 1 triệu m /(ngày đêm) thì mỗi năm tiêu thụ một lượng
nhiên liệu tương đương với 8,78 triệu tấn dầu. Điều này cho thấy năng lượng
tiêu thụ của các nhà máy khử muối nước biển hiện nay là rất lớn. Do đó cần
phải tìm ra một giải pháp thích hợp để thay thế nguồn năng lượng cung cấp cho
các hệ thống khử muối hiện nay. Biện pháp thay thế đó là sử dụng các nguồn

bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập, chúng tôi đã xác định được

năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa

hiệu suất trung bình của bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập ở tỷ lệ

nhiệt,… Đặc biệt là những khu vực vùng sâu vùng xa, hải đảo nơi mà nhiên liệu

nạp hợp lý là từ 45%-60%.

hóa thạch và điện là một hàng hóa khan hiếm và giá thành cao do việc vận

5.4

chuyển và truyền tải khó khăn.

mẫu thực nghiệm hợp lý là nằm trong khoảng từ 1 kg đến 1,5kg. Với thể tích
của bề mặt nhận nhiệt bay hơi của mẫu thực nghiệm là 2,4 lít thì tỷ lệ nạp hợp
lý sẽ là 42%-62%.

Đánh giá năng suất của hệ thống khử muối phun tách ẩm cấp nhiệt
bằng năng lượng mặt trời trong điều kiện Việt Nam

Có thể nói trong các dạng năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời là nguồn

Với cường độ bức xạ trung bình năm tại Tp.HCM đã có và hiệu suất trung bình

năng lượng có ưu thế hơn các dạng năng lượng tái tạo khác trong việc cung cấp

của bộ thu đã được xác định, kết hợp với năng lượng nhiệt cần thiết để sản xuất

năng lượng cho các phương pháp khử muối. So với các dạng năng lượng tái tạo

1kg nước ngọt đã xác định với mô hình thực nghiệm trong chương 4 thì năng

khác thì năng lượng mặt trời có ưu điểm là một nguồn nhiệt năng có thể sử

suất nước ngọt trung bình thu được từ hệ thống khử muối phun tách ẩm theo

dụng trực tiếp, hiện diện khắp mọi nơi trên trái đất và những khu vực khan
hiếm nước sạch là những khu vực có cường độ bức xạ mặt trời dồi dào nhất. Do
đó năng lượng mặt trời là một sự lựa chọn tối ưu trong các dạng năng lượng tạo
để cung cấp nhiệt cho hệ thống khử muối.
Ngoài ra, các nguồn nhiệt thải cũng rất thích hợp để cấp nhiệt cho hệ thống khử
muối. Hiện nay các khu vực vùng sâu, vùng xa ở nước ta thì việc tiếp cận điện
lưới quốc gia còn rất khó khăn. Cho nên ở những khu vực này vẫn đang sử
dụng điện năng từ các máy phát điện chạy bằng dầu Diesel. Nguồn nhiệt thải từ
các động cơ này là rất lớn, nếu thải bỏ ra môi trường thì rất lãng phí. Vì vậy,
việc sử dụng nguồn nhiệt thải này để cấp nhiệt cho hệ thống khử muối nước

các tháng trong năm được xác định bằng cách quy đổi như sau:
Hình 5.1: Năng suất của phương phun tách ẩm cấp nhiệt bằng bộ thu ống nhiệt
trọng trường tách dòng độc lập

biển là một việc làm rất có ý nghĩa.
Trong số các phương pháp khử muối hiện nay thì khử muối bằng phương pháp
phun – tách ẩm được đánh giá là rất thích hợp để cung cấp nước sạch cho các
khu vực không tập trung dân cư và là phương pháp khử muối tốt nhất bằng

34

3


năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, việc ứng dụng phương pháp khử muối phun

đối cao và ổn định trong suốt thời gian thực nghiệm. Hiệu suất trung bình của

tách ẩm còn rất hạn chế. Nguyên nhân của vấn đề này là phương pháp khử

mẫu đối chứng thay đổi trong khoảng từ 55%-65%. Ưu điểm nổi bật của mẫu

muối phun tách ẩm vẫn chưa được hoàn thiện. Trên thế giới hiện nay thì

đối chứng là khả năng làm việc rất tốt trong điều kiện thời tiết xấu.

phương pháp khử muối phun tách ẩm vẫn còn đang được tiếp tục nghiên cứu.
Mục tiêu của các nghiên cứu là đạt được năng suất cao nhất với tiêu hao năng
lượng nhỏ nhất. Để đạt được mục tiêu này thì các thông số đặc tính ảnh hưởng
đến năng suất và hiệu suất hệ thống phải được xác định. Tuy nhiên, trong các
nghiên cứu trước đây về hệ thống khử muối phun tách ẩm thì vẫn chưa có
nghiên cứu nào về các thông số đặc tính của hệ thống. Vì vậy tác giả chọn đề
tài “nghiên cứu xác định một số thông số đặc tính của quá trình khử muối nước
biển bằng phương pháp phun – tách ẩm” là đề tài nghiên cứu của luận án này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác định được ảnh hưởng của các thông số
đầu vào đến các thông số đầu ra trong hệ thống khử muối phun tách ẩm. Từ đó
xác định được giá trị tối ưu của các thông số đặc tính trong hệ thống khử muối
phun tách ẩm.
Để đạt được mục tiêu này, luận án sẽ tập trung giải quyết các mục tiêu cụ thể
như sau:
(i) Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nước phun, nhiệt độ nước cấp và
chênh lệch nhiệt độ tối thiểu Tmin đến tỷ lệ thu hồi nhiệt. Từ đó
xác định tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không
khí.

(ii) Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ nước phun và chênh lệch nhiệt độ tối

Nhiệt độ nước nóng [oC]

2. Mục tiêu nghiên cứu

Hình 5.2: Bản vẽ 3D bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập
80
60

Vị trí
1
Vị trí
2
Vị trí
a

40
20
0
8:00

10:00

12:00
Thời gian

thiểu Tmin đến tỷ lệ thu hồi nhiệt và hệ số năng suất GOR. Từ đó
xác định nhiệt độ nước phun hợp lý theo Tmin.
(iii) Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ không khí và nước vào thiết bị phun

ẩm đến nhiệt độ nước và không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm. Từ đó xác
định số Me hợp lý trong thiết bị phun ẩm.
(iv) Xác định mối liên hệ giữa chiều cao lớp đệm, nhiệt độ nước phun và tỷ
4

33

14:00

16:00


Hình 5.7: Kết quả thực nghiệm ống nhiệt trọng trường ở tỷ lệ nạp là
50% và mẫu đối chứng

Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm chúng tôi nhận thấy rằng nước là môi
chất làm việc rất tốt trong ống nhiệt trọng trường loại tách dòng độc lập. So với
các loại môi chất khác thì nước có các ưu điểm nổi bật như sau: (i) Rẻ tiền, (2)
thân thiện với môi trường, (iii) ẩn nhiệt hóa hơi cao.

4

33


phun. Khi nhiệt độ nước phun thay đổi thì tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu

lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí đến số Me của

giữa nước phun và không khí sẽ thay đổi theo. Do đó cần phải điều chỉnh tỷ lệ

thiết bị phun ẩm.

này cho phù hợp với nhiệt độ nước phun bằng cách thay đổi lưu lượng nước
phun sao cho tỷ lệ lượng khối lượng giữa nước phun và không khí luôn đạt

(v) Đánh giá khả năng cấp nhiệt của năng lượng mặt trời cho hệ thống khử
muối phun tách ẩm.

giá trị tối ưu.
3. Đối tượng nghiên cứu
5.3
5.3.1

Đánh giá khả năng cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời
Bộ thu tập trung dạng máng trụ

Đối tượng nghiên cứu trong luận án là hệ thống khử muối nước biển bằng
phương pháp phun – tách ẩm loại không khí tuần hoàn kín, nước tuần hoàn hở,

Để đánh giá khả năng cấp nhiệt của bộ thu tập trung dạng máng trụ trong điều

gia nhiệt nước với vật liệu đệm trong thiết bị phun ẩm là giấy cooling pad và

kiện Việt Nam luận án đã tiến hành chế tạo và thử nghiệm bộ thu tập trung

vòi phun áp lực thấp.

dạng máng trụ tại bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh, trường đại học Bách Khoa
Tp.HCM.

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng với điều kiện thời tiết ở Tp. HCM thì bộ thu
tập trung dạng máng trụ chỉ làm việc được trong khoảng thời gian từ tháng 1
đến tháng 4. Trong khoảng thời gian này là mùa nắng cho nên bầu trời tương

4. Phạm vi nghiên cứu
Luận án tập trung nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong hệ
thống khử muối bằng phương pháp phun – tách ẩm. Từ đó xác định các thông
số đặc tính tối ưu của hệ thống.

đối tốt, cường độ trực xạ tương đối ổn định. Khoảng thời gian còn lại từ tháng 5

5. Phương pháp nghiên cứu

đến tháng 12 là mùa mưa cho nên bầu trời thường xuyên âm u, rất nhiều mây,

Để đạt được mục tiêu này thì phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp

cường độ trực xạ là rất thấp và không đều. Vì vậy bộ thu tập trung dạng máng

giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm.

parabol không thể làm việc được.
5.3.2

Đánh giá khả năng cấp nhiệt bằng bộ thu ống nhiệt

Với mục đích nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một bộ thu có thể cấp nhiệt cho hệ
thống khử muối phun tách ẩm có hiệu suất cao, tuổi thọ cao và giá thành thấp,
phù hợp với điều kiện kinh tế và kỹ thuật ở Việt Nam luận án đề xuất thử

6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu
Ý nghĩa về mặt khoa học:
 Xây dựng hoàn chỉnh chương trình mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt giữa
nước và không khí trong hệ thống.

nghiệm bộ thu ống nhiệt để cung cấp nhiệt cho hệ thống.
Để đánh giá hiệu quả kinh tế - kỹ thuật của mô hình thực nghiệm, luận án đã
tiến hành thử nghiệm với mẫu đối chứng đang được bày bán trên thị trường.

 Định lượng được mối quan hệ giữa tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa
nước phun và không khí với nhiệt độ nước phun và nhiệt độ nước cấp. Định

Kết quả thực nghiệm cho thấy, với mẫu đối chứng thì nhiệt độ nước tại vị trí a

lượng được mối quan hệ giữa nhiệt độ nước và không khí ra khỏi thiết bị

và vị trí b là gần như nhau. Nhiệt độ nước nóng của mẫu đối chứng tăng đều

phun ẩm theo số Me và tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và

theo thời gian và có sự dao động rất ít. Hiệu suất của mẫu đối chứng là tương

không khí. Định lượng được mối quan hệ giữa chiều cao lớp đệm, nhiệt độ

32

5


nước phun và tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí theo

số Me.

nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp, vận hành đơn giản và phù hợp dãy năng suất
trung bình 10-100m3/ngày. Năng lượng mặt trời là nguồn nhiệt rất dồi dào ở

 Xác định được phạm vi tối ưu của nhiệt độ nước phun theo ΔTmin, số Me
trong thiết bị phun ẩm, mật độ xối tưới tối đa trên một đơn vị bề mặt lớp
đệm trong thiết bị phun ẩm.

khu vực ven biển và hải đảo. Ngoài ra, nhiệt thải từ các máy phát điện diesel
cũng là một nguồn năng lượng có tiềm năng rất lớn để cấp nhiệt cho hệ thống
khử muối phun – tách ẩm.
5.2

 Đã phát minh và thử nghiệm thành công loại bộ thu ống nhiệt mới, có hiệu

Chế độ vận hành của hệ thống khử muối phun – tách ẩm cấp nhiệt
bằng năng lượng mặt trời

Kết quả mô phỏng được thực hiện trong chương 3 cho thấy ở mỗi giá trị nhiệt

suất cao để cấp nhiệt cho hệ thống.

độ nước phun thì sẽ có một tỷ lệ lưu lượng nước phun tối ưu để hệ số năng suất
của hệ thống khử muối phun – tách ẩm là cao nhất. Cho nên để hệ thống làm

Ý nghĩa về mặt thực tiễn:
 Chương trình mô phỏng sẽ là một công cụ hỗ trợ đắc lực cho kỹ sư thiết kế
trong việc khảo sát ảnh hưởng của các thông số đầu vào đến các thông số

việc hiệu quả thì nhiệt độ nước phun phải ổn định. Tuy nhiên nguồn nhiệt cung
cấp cho hệ thống là năng lượng mặt trời thì nhiệt độ nước phun sẽ không ổn
định vì cường độ bức xạ mặt trời thay đổi liên tục. Để hệ thống khử muối phun

đầu ra trong hệ thống khử muối phun – tách ẩm. Từ đó, người thiết kế có thể

– tách ẩm có thể làm việc được ổn định và đạt được hiệu suất cao nhất thì luận

lựa chọn được các giá trị đầu vào hợp lý cho hệ thống.

án đề xuất 2 phương án như sau:

 Từ các phương trình hồi quy, những kỹ sư thiết kế có thể xác định các thông



Phương án 1 – Nhiệt độ nước phun ổn định: Để duy trì được nhiệt độ

số làm việc tối ưu. Từ đó có thể tính toán kích thước và kết cấu của hệ thống

nước phun thì ngoài năng lượng mặt trời thì cần phải sử dụng thêm các nguồn

khử muối một cách dễ dàng.

năng lượng bổ sung. Phương án này sẽ giúp hệ thống hoạt động ổn định đồng
thời rút ngắn thời gian khởi động và tăng thời gian hoạt động. Năng lượng bổ

 Bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập được chế tạo có tuổi thọ

sung cho hệ thống có thể là các nguồn nhiệt thải từ động cơ máy phát điện

cao và giá thành thấp có thể được ứng dụng rộng rãi để thay thế các loại bộ

diesel, hoặc các nguồn nhiệt rẻ tiền như: biogas, nhiên liệu sinh khối,…Đặc

thu trên thị trường hiện nay.

điểm của hệ thống khử muối phun – tách ẩm là thích hợp để cung cấp nước
sạch cho những khu vực không tập trung dân cư. Ở những khu vực này thì các

2. Cấu trúc của luận án
Nội dung của luận án bao gồm 6 chương, trong đó:

nguồn năng lượng nêu trên rất dồi dào, cho nên việc ứng dụng phương pháp
phun – tách ẩm trở nên dễ dàng hơn.

- Chương 1 trình bày tổng quan về kỹ thuật khử muối phun tách - ẩm.
- Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về hệ thống khử muối phun – tách ẩm.



Phương án 2 – Nhiệt độ nước phun không ổn định: Trong trường hợp

không có các nguồn nhiệt bổ sung thì phải sử dụng bơm định lượng để điều
chỉnh lưu lượng nước phun theo tỷ lệ lưu lượng tối ưu với nhiệt độ nước
6

31

Ngoài ra luận án cũng đã xây dựng được mối quan hệ giữa nhiệt độ nước phun,
tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí, chiều cao lớp đệm với
số Me. Sau cùng luận án đã kiểm chứng kết quả mô phỏng lý thuyết và thực
nghiệm, kết quả cho thấy sai số tuyệt đối lớn nhất là 4,14%. Năng lượng để vận
hành bơm và quạt trong hệ thống khử muối là 4,29W/(1kg nước sạch).

- Chương 3 trình bày kết quả mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và chất trong hệ
thống khử muối phun – tách ẩm.
- Chương 4 trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm.
- Chương 5 trình bày phương án vận hành và đánh giá khả năng cấp nhiệt năng
lượng mặt trời.

CHƯƠNG 5
: ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG CẤP NHIỆT BẰNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN VẬN HÀNH

- Chương 6 trình bày các kết luận và kiến nghị.

Trong các phương pháp khử muối bằng năng lượng mặt trời thì phương pháp

CHƯƠNG 1

phun – tách ẩm được đánh giá là phương pháp khử muối phù hợp nhất trong
3

dãy năng suất 10-100m /ngày. Năng lượng mặt trời là hoàn toàn miễn phí và
hiện diện khắp mọi nơi trên trái đất, tuy nhiên cường độ bức xạ mặt trời không
ổn định theo vị trí địa lý và thời gian. Cho nên việc ứng dụng năng lượng mặt
trời để cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun – tách ẩm sẽ gặp nhiều khó khăn
vì hiệu suất của hệ thống phụ thuộc vào nhiệt độ nước phun. Kết quả mô phỏng

trong chương 3 cho thấy ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước phun thì sẽ có một tỷ
lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không khí để hệ số năng suất
của hệ thống khử muối phun – tách ẩm là cao nhất. Vì vậy nếu nhiệt độ nước
phun không ổn định thì sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Để việc vận
hành hệ thống khử muối phun – tách ẩm cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời
được hiệu quả, trong chương này luận án sẽ đưa ra giải pháp cấp nhiệt cho hệ
thống bằng năng lượng mặt trời. Ngoài ra với mục tiêu là sáng chế ra một loại
bộ thu mới có khả năng cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun – tách ẩm trong
điều kiện Việt Nam, luận án sẽ tiến hành nghiên cứu chế tạo và thử nghiệm bộ
thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập và các loại bộ thu khác để đánh
giá khả năng cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun – tách ẩm.
5.1

Các nguồn năng lượng có thể cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun
– tách ẩm

Ưu điểm của hệ thống khử muối phun – tách ẩm là thích hợp với khu vực
không tập trung đông dân cư như khu vực ven biển và hải đảo, làm việc với
30

: TỔNG QUAN

Để khử muối nước biển thì có nhiều phương pháp thực hiện, trong chương này
luận án giới thiệu về các phương pháp khử muối phổ biến đang được sử dụng
trên thế giới. Khử muối bằng phương pháp phun tách - ẩm được đánh giá là một
trong những phương pháp khử muối tốt nhất bằng năng lượng mặt trời. Kết quả
nghiên cứu tổng quan về hệ thống khử muối phun – tách ẩm cho thấy mục tiêu
của các nghiên cứu về hệ thống khử muối phun – tách ẩm đều tập trung vào giải
quyết các vấn đề sau đây: chi phí sản xuất nước, trao đổi nhiệt và trao đổi chất
trong thiết bị tách ẩm và hiệu suất của hệ thống. Ngoài ra còn có các nghiên

cứu về cải tiến kết cấu hệ thống khử muối phun – tách ẩm. Các kết quả đạt
được cũng chỉ dừng lại ở các nghiên cứu lý thuyết cơ bản, việc tối ưu hóa các
thông số đặc tính cũng như vấn đề truyền và truyền chất trong hệ thống vẫn
chưa được nghiên cứu chuyên sâu và thực nghiệm chi tiết. Các nghiên cứu cũng
chưa thấy đưa ra được các quy luật, các quan hệ của các thông số đặc tính đến
năng suất của hệ thống. Bên cạnh các vấn đề đã được nghiên cứu, luận án cũng
nhận thấy rằng trong hệ thống khử muối phun – tách ẩm vẫn còn rất nhiều vấn
đề cần phải nghiên cứu để nâng cao hiệu suất hệ thống. Từ đó, luận án đã đề ra
các mục tiêu cần phải tiếp tục nghiên cứu.
CHƯƠNG 2

: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Sau khi nghiên cứu tổng quan về phương pháp khử muối phun – tách ẩm, luận
án đã xác định được đối tượng nghiên cứu là chu trình không khí tuần hoàn kín,
7


nước tuần hoàn hở, gia nhiệt nước CAOW-WH. Mục tiêu chính của luận án là

Thông số thứ hai ảnh hưởng đến khả năng thu hồi nhiệt thải trong hệ thống khử

xác định một số thông số đặc tính của quá trình khử muối phun tách ẩm. Để đạt

muối phun – tách ẩm là nhiệt độ nước phun. Tốc độ bay hơi của nước vào trong

được mục tiêu này thì phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa
nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Do đó việc làm đầu tiên mà luận án phải
giải quyết là nghiên cứu lý thuyết về hệ thống khử muối phun – tách ẩm. Vấn
đề chính của hệ thống khử muối phun tách ẩm là truyền nhiệt và truyền chất.

Hệ số năng suất của hệ thống phụ thuộc vào khả năng thu hồi nhiệt và hiệu quả
quá trình trao đổi nhiệt và chất. Cho nên trong chương này luận án sẽ tiến hành
phân tích lý thuyết về truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống khử muối phun
– tách ẩm. Từ đó xây dựng các bài toán về truyền nhiệt và truyền chất giữa
nước phun và không khí theo phương pháp Merkel và phương pháp Poppe.
2.1

Thu hồi nhiệt trong hệ thống khử muối phun – tách ẩm

Năng suất và hệ số năng suất của hệ thống khử muối phun – tách ẩm phụ thuộc
vào khả năng thu hồi nhiệt của hệ thống. Trong hệ thống khử muối phun – tách
ẩm không khí tuần hoàn kín, nước tuần hoàn hở thì có 3 nguồn nhiệt cần thu
hồi là: (i) nhiệt thải ra từ không khí nóng bão hòa có nhiệt độ cao trong thiết bị
tách ẩm, (ii) nhiệt thải ra do nước ngưng nhả ra ở thiết bị tách ẩm và (iii) nhiệt
lượng do nước phun thải ra ở thiết bị phun ẩm.
2.1.1
2.1.1.1

Các thông số ảnh hưởng đến khả năng thu hồi nhiệt trong hệ thống
Tỷ số lưu lượng khối lượng nước phun và không khí tuần hoàn

Trong các thông số ảnh hưởng đến tỷ lệ thu hồi nhiệt trong hệ thống khử muối
bằng phương pháp phun – tách ẩm loại nước tuần hoàn hở, không khí tuần hoàn
kín thì có thể nói rằng tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí
tuần hoàn m = ṁ

w ⁄ṁ a

là thông số ảnh hưởng nhiều nhất. Hệ số m ảnh

hưởng
đến nhiệt độ nước thải sau khi phun ở thiết bị phun ẩm, đồng thời cũng ảnh
hưởng đến nhiệt độ nước giải nhiệt và không khí ra khỏi thiết bị tách ẩm.
2.1.1.2

Nhiệt độ nước phun

8

29


4.3.3

Kiểm chứng kết quả thực nghiệm và mô phỏng lý thuyết

Dựa vào kết quả thực nghiệm và lý thuyết được trình bày trên hình 4.22
cho thấy rằng nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm và nhiệt độ không khí

quả mà luận án đã thực hiện
bằng lý thuyết trước đây là đáng
tin cậy.

ra khỏi thiết bị tách ẩm thực nghiệm thấp hơn so với lý thuyết. Kết quả lý
thuyết và thực tế có sự chênh lệch không đáng kể.
4.3.4

Đánh giá sai số

Kết quả đánh giá sai số thực

nghiệm và lý thuyết đã thực
hiện cho thấy rằng kết quả
thực nghiệm có sự sai lệch

Thông
số

Bảng đối
4.7: Kết
số Sai số tuyệt đối nhỏ
Sai số tương
Saiquả
số đánh
tuyệt giá
đốisailớn

t2

trung bình sar (%)
0,84

nhất smas (%)
2,1

nhất smin (%)
0,34

t4

2,63

4,14

1,52

t5

0,82

1,04

0,64

t6

1,84

3,6

0,77

không đáng kể so với lý

4.4

thuyết. Sai số tương đối lớn

Từ việc nghiên cứu thực nghiệm hệ thống khử muối phun – tách ẩm, luận án đã
xác định được mật độ xối tưới tối đa trên một đơn vị diện tích lớp đệm là

nhất là 2,63% và sai số
tuyệt đối lớn nhất là 4,14%.

Kết luận

2

0,75kg/(m .s). Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy không khí vào thiết bị phun
Hình 4.22: So sánh nhiệt độ đo đạc thực nghiệm và
o lý thuyết
ẩm sẽ không ảnh hưởng đến giá trị số Me trong khoảng nhiệt độ 35-38 C.

Điều này cho thấy các kết

8

29


ẩm sẽ không ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong thiết bị
o

o

Kết quả trên hình 4.9 cho thấy với cùng giá trị m khi nhiệt độ nước phun
khác
nhau thì số Me cũng khác nhau. Nhiệt độ nước phun càng tăng thì số Me càng
thấp và ngược lại. Sự biến đổi của số Me theo nhiệt độ nước phun không tuyến
tính mà là một đường cong phi tuyến. Sự thay đổi giá trị số Me theo nhiệt độ
o

nước phun giảm nhanh trong khoảng nhiệt độ từ 65-75 C. Khi nhiệt độ nước
o

phun cao hơn 75 C thì độ dốc của số Me theo nhiệt độ sẽ thấp hơn. Với cùng
một nhiệt độ nước phun thì số Me nghịch biến với m. Khi giá trị m tăng lên
thì
số Me giảm xuống, sự thay đổi này cũng không tuyến tính. Độ dốc của số Me
giảm khi m tăng.

KếtHình
quả 4.10:
thực nghiệm
trên
hình
và 4.15
cho thấy
một số
chiều
4.15:
Ảnh
hưởng
của chiều
cao với
lớp cùng
đệm đến
Me cao
ở nhiệt độ nước phun 80oC
Ảnh Hình
hưởng

của
m4.10
đến
số
lớp đệm thì khi m tăng lên thì số Me giảm. Sự thay đổi của số Me và m
Me ở nhiệt
nước
oC
cũng không
tuyếnđộ
tính
mà phun
là một80đường
cong có dạng hàm mũ.
Với các kết quả đạt được, luận án đã tìm ra được quan hệ giữa số Me với nhiệt
độ nước phun, ṁ và L như sau:
Me

=

(0,0012t2

0,0955t+4,1097)

− 0,2174t

+ 11,933) m–0,583L(0,0006t2–

(4.6)

28

o

Phương trình (4.6) áp dụng cho dãy nhiệt độ nước phun từ 65 C đến 80 C và ṁ
trong khoảng từ 2,5 đến 4.

o

phun ẩm trong khoảng nhiệt độ 35 C-38 C.

9


không khí phụ thuộc vào nhiệt độ nước phun.
2.1.1.3



lượng thải bỏ

Nhiệt độ nước giải nhiệt

Nhiệt độ nước giải nhiệt càng thấp thì nhiệt lượng nước giải nhiệt thu hồi được



2.1.2.1

Tối ưu hóa thu hồi nhiệt bằng công nghệ Pinch

Mục tiêu của phân tích Pinch

Phân tích Pinch được sử dụng để xác định chi phí năng lượng, chi phí đầu tư
ban đầu của hệ thống trao đổi nhiệt và xác định điểm Pinch
2.1.2.2 Các bước phân tích Pinch
 Xác định các dòng nhiệt nóng, dòng nhiệt lạnh và dòng phụ trợ
trong quy trình


Thu thập dữ liệu nhiệt cho các dòng trong quy trình và dòng phụ trợ.



Lựa chọn giá trị Tmin ban đầu



Xây dựng các đường cong tổ hợp và đường cong tổ hợp tổng

Xác định các dòng nhiệt nóng, dòng nhiệt lạnh và dòng phụ trợ trong
quy trình

từ không khí tuần hoàn trong thiết bị tách ẩm càng cao và ngược lại.
2.1.2

Xác định năng lượng bổ sung tối thiểu, năng lượng thu hồi và năng

2.1.3

Trao đổi nhiệt ở thiết bị phun ẩm

Tại thiết bị phun ẩm, nước nóng được phun ra từ các vòi phun lên lớp đệm nhả
nhiệt cho không khí chuyển động theo hướng ngược lại. Một phần nước bị bay
hơi vào trong không khí làm cho độ chứa hơi của không khí tăng lên. Không
khí đi vào thiết bị phun ẩm là không khí ẩm bão hòa đi ra từ thiết bị tách ẩm.
Không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm cũng là không khí ẩm bão hòa. Nước nóng
sau khi đi qua lớp đệm nhả nhiệt cho không khí thì nhiệt độ sẽ giảm xuống và
sẽ thải bỏ.
2.1.4

Trao đổi nhiệt ở thiết bị tách ẩm

Không khí ẩm bão hòa ra khỏi thiết bị phun ẩm có nhiệt độ cao đi vào thiết bị
tách ẩm sẽ nhả nhiệt cho nước giải nhiệt và hơi nước trong không khí sẽ bị tách

28

9


ra. Trong thiết bị tách



Số Lewis chỉ phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt và truyền chất

ẩm nước giải nhiệt và
không khí bão hòa đi
ngược chiều nhau. Đầu
vào của nước giải nhiệt

là đầu ra của không khí
và ngược lại. Nhiệt độ
không khí đầu ra sẽ cao
hơn nhiệt độ nước giải
nhiệt đi vào và nhiệt độ
đầu ra của nước giải
nhiệt thấp hơn nhiệt độ

Hình 2.8: Phân tích Pinch tại m = 3, nhiệt độ
nước phun t3= 80oC và nhiệt độ nước cấp t1=30oC

đầu vào của không khí. Quá trình không khí đi trong thiết bị tách ẩm là ngược
lại với quá trình không khí đi trong thiết bị phun ẩm. Nhiệt lượng không khí
nhả ra cho nước giải nhiệt trong thiết bị tách ẩm bao gồm nhiệt hiện và nhiệt ẩn.
2.2

Cân bằng nhiệt và chất hệ thống

Sau khi xác định được các thông số đầu ra trong hệ thống khử muối phun – tách
ẩm CAOW-WH bằng công nghệ Pinch thì bước tiếp theo là xác định các kích
thước của thiết bị phun ẩm và tách ẩm để đạt được giá trị Tmin như
mong muốn. Đây là một vấn đề rất khó khăn vì quá trình trao đổi nhiệt và
trao đổi chất giữa nước và không khí diễn ra rất phức tạp. Để có thể giải
quyết vấn đề này thì phải giải được bài toán về truyền nhiệt và truyền chất trong
hệ thống.
2.2.1

Cân bằng nhiệt và chất trong thiết bị phun ẩm

Để đơn giản hóa cho bài toán trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị phun

ẩm thì luận án đưa ra các giả thiết sau:


Bỏ qua tổn thất nhiệt giữa các vách bao che thiết bị phun ẩm với môi
trường



Xem hệ số truyền chất trong thiết bị phun ẩm là một hằng số không đổi
theo chiều cao lớp đệm
10

27


và trao đổi chất tốt hơn mà do nước phun bị cuốn theo không khí. Nếu
giảm lưu lượng nước phun thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ
tăng lên và nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm giảm xuống. Tuy nhiên nếu
lưu lượng nước phun quá thấp thì không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ
không đạt đến nhiệt độ bão hòa ứng với nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun
ẩm. Dựa trên kết quả thực nghiệm chúng tôi nhận thấy rằng khi lưu lượng
2

nước phun thấp hơn 0,3kg/m s thì không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ
2

không bão hòa và khi lưu lượng nước phun cao hơn 0,75kg/m s thì không
khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ cuốn theo nước. Vì vậy chúng tôi kết luận lưu
lượng nước phun hợp lý trên một
đơn vị diện tích lớp đệm là 0,3kg/m2 s < ṁ w < 0,75kg/m2 s.

4.3.2 Ảnh hưởng của các thông số làm việc đến quá trình trao đổi nhiệt và
trao đổi chất

phun ẩm tăng thì nhiệt độ
không khí và nước ra khỏi
thiết bị phun ẩm cũng sẽ tăng
theo. Sự thay đổi nhiệt độ nước
ra khỏi thiết bị phun ẩm là tuyến
tính theo nhiệt độ không khí
vào. Sự thay đổi của nhiệt độ
không khí ra khỏi thiết bị phun
ẩm là rất ít theo nhiệt độ không
khí vào. Kết quả tính toán cho
thấy số Me không thay đổi theo
nhiệt độ không khí vào. Từ kết
quả này chúng tôi kết luận rằng

Kết quả thực nghiệm trên hình

trong hệ thống khử muối phun

4.8 cho thấy khi nhiệt độ

tách ẩm không khí

không khí đầu vào thiết bị

tuần hoàn kín nước tuần hoàn hở thì nhiệt độ không khí đầu vào thiết bị phun

Hình 4.8: Ảnh hưởng của t5 đến t4 và t6

Hình 4.9: Ảnh hưởng của t3 đến số Me

10

27


4.2


Các thông số đo đạc
Nhiệt độ nước phun.



Nhiệt độ nước thải.



Nhiệt độ không khí vào và ra thiết bị phun ẩm.



Lưu lượng nước phun.



Lưu lượng không khí tuần hoàn.



Nhiệt độ nước giải nhiệt vào và ra thiết bị tách ẩm.



Lưu lượng nước ngưng.



Độ ẩm không khí vào và ra thiết bị phun ẩm.



Tổn thất áp suất của không khí qua thiết bị phun ẩm và tách ẩm.



Đo năng lượng tiêu thụ của hệ thống.

4.3
4.3.1



Diện tích mặt cắt lớp đệm trong thiết bị phun ẩm là đồng đều




Áp suất không khí trong thiết bị phun ẩm là hằng số.
Xem độ ẩm tương đối của không khí trong hệ thống là =100%.

Kết quả thực nghiệm
Ảnh hưởng của lưu lượng nước phun trong thiết bị phun ẩm
Hình 2.9: Cân bằng nhiệt và chất trong hệ thống khử muối phun – tách ẩm
2.2.1.1

Phân tích bài toán trao đổi nhiệt và trao đổi chất theo phương pháp
Merkel

Theo phương pháp Merkel thì ảnh hưởng của lượng nước bị bay hơi vào trong
không khí được bỏ qua trong phương trình cân bằng năng lượng và lấy hệ số
Hình 4.6: Ảnh hưởng của mật độ nước phun
Hìnhđến
4.7: tẢnh
4
hưởng của mật độ nước phun đến t6
Kết quả thực nghiệm trên hình 4.6 và 4.7 cho thấy khi tăng lưu lượng nước

Lewis bằng 1.

e =

K MÆ

(2.28)

t3

= ∫

¢pwdtw

phun thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ giảm xuống và nhiệt độ

ṁ

t4

isw–ia

w

nước ra khỏi thiết bị phun ẩm tăng lên. Sự thay đổi nhiệt độ nước và không khí

trao đổi nhiệt và trao đổi chất là không đáng kể. Tuy nhiên khi tăng lưu lượng

ra khỏi thiết bị phun ẩm theo lưu lượng nước phun gần như là tuyến tính. Sự

nước phun vượt quá giới hạn thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ

thay đổi này là rất bé cho thấy ảnh hưởng của lưu lượng nước phun quá trình

tăng lên. Nhiệt độ khí tăng lên ở đây không phải là do quá trình trao đổi nhiệt

26

11

2.2.1.2

Phân tích bài toán trao đổi nhiệt và trao đổi chất theo phương
pháp Poppe

Dựa trên việc phân tích truyền nhiệt, truyền chất giữa nước phun và không khí
trong thiết bị phun ẩm theo phương pháp Poppe, quan hệ giữa các thông số đầu
ra và số Me với nhiệt độ nước phun đã được xây dựng như sau:

26

11


dwa

=

−w

ṁ w

(C

−

pw ṁ
sw
a

số bao gồm: tốc độ không khí, tốc độ màng nước, chiều cao tháp phun ẩm, vật

sw

sw

sa

w

truyền nhiệt giữa nước phun và không khí lại phụ thuộc vào rất nhiều các thông

+ (Le − 1)[i − i

i

(w

dt

)) (i −

ssa
–1

ssa

liệu đệm,…Bên cạnh đó mối tương quan chung của hệ số truyền chất với tính

(2.49)
(wsw − wsa)ir + (wa − wsa)Cpwtw] + (wa −
wsa)Cpwtwṁ)
w
dia
[1 + t
− w )) (i −
+ (Le − 1)[i
=
(w
(C
i
C
−

chất vật lý và thông số kỹ thuật của lớp vật liệu đệm là chưa xác định được. Vì

dt

vậy không thể xác định được số Me theo hệ số truyền chất mà phải xác định

w

pw ṁ

pw w

sw

sw

ssa

sw
–1

sa

a

]

issa − (wsw − wsa)ir + (wa − wsa)Cpwtw] + (wa −
wsa)Cpwtw)
dMe
(i
=
i
C
dt

pw

+ (Le − 1)[i −
i

−
ss
a

w

−
(w

sw

sw

ssa
–1

sw

−w
+

thông qua thực nghiệm.
(2.50)
Với mục tiêu giúp cho việc tính toán, thiết kế thiết bị phun ẩm được dễ dàng

)i

hơn, nội dung chương này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm quá trình

sa

r

(2.51)

(wa − wsa)Cpwtw] + (wa −

trao đổi nhiệt và chất trong thiết bị phun ẩm. Từ đó xây dựng mối liên hệ giữa
số Me và các thông số đầu vào của thiết bị phun ẩm.

wsa)Cpwtw)
2.2.2 Cân bằng nhiệt và chất thiết bị tách
ẩm

4.1

Mô tả kết cấu của mô hình thực nghiệm

Phương trình cân bằng khối lượng:
ṁ a dwa = dṁ pw
Phương trình cân bằng năng lượng

(2.53)

Kết quả phân tích lý thuyết về truyền nhiệt và truyền chất được thực hiện
trong chương 2 cho thấy hiệu suất của hệ thống khử muối phun – tách ẩm
phụ thuộc vào các thông số làm việc của hệ thống. Do đó việc xác định các

→ ṁ a dia = ṁ w Cpw dtw + dṁ pw Cpwt pw
(2.55)
CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ
TRAO ĐỔI CHẤT TRONG HỆ THỐNG KHỬ MUỐI PHUN – TÁCH
ẨM
12

thông số đặc tính để hiệu suất của hệ thống cao nhất là một trong những mục
tiêu mà luận án nhắm đến. Dựa trên các kết quả đạt được trong chương 2,
trong chương này luận án sẽ tiến hành mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và
trao đổi chất trong hệ thống khử muối phun – tách ẩm để khảo sát ảnh
25


hưởng của các thông số đặc tính đến tỷ lệ thu hồi nhiệt, hệ số năng suất và
hiệu quả trao đổi nhiệt, trao đổi chất của hệ thống. Từ đó xác định các thông
số làm việc tối ưu của hệ thống và xây dựng các phương trình quan hệ giữa
các thông số làm việc đến tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu và hiệu quả trao
đổi nhiệt, trao đổi chất trong hệ thống.

1-Bình chứa nước cấp, 2-Thiết bị tách ẩm, 3-Dàn ngưng tụ, 4-Thiết bị gia
nhiệt, 5-Thiết bị ổn định nhiệt độ, 6-Bơm, 7-Nước ngưng, 8-Quạt, 9-Nước
thải, 10-Lớp đệm, 11-Tháp phun ẩm, 12-Vòi phun
Hình 4.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm

12

25


nhiệt độ tối thiểu Tmin trong hệ thống.


Đã xác định được nhiệt độ nước phun hợp lý cho hệ thống khử muối

xác định hệ số truyền chất trong thiết bị phun ẩm thì phải xác định được hệ số

truyền nhiệt của không khí và nước trong thiết bị phun ẩm. Tuy nhiên hệ số

phun – tách ẩm theo Tmin của hệ thống.


Đã xây dựng được mối quan hệ giữa m tối ưu với nhiệt độ nước

phun
và nhiệt độ nước giải nhiệt thông qua phương trình hồi quy (3.1).


Đã xác định được số Me hợp lý khi thiết kế thiết bị phun ẩm trong hệ

thống khử muối bằng phương pháp phun – tách ẩm là số Me1,2.


Đã xác định được quan hệ giữa nhiệt độ nước phun, nhiệt độ không khí

vào thiết bị phun ẩm và số Me với nhiệt độ nước và không khí ra khỏi thiết bị
phun ẩm thể hiện trong 2 phương trình hồi quy (3.21) và (3.22)
CHƯƠNG 4

: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM

Hiệu suất của hệ thống khử muối phun – tách ẩm phụ thuộc rất nhiều vào quá
trình truyền nhiệt, truyền chất trong thiết bị phun ẩm. Do đó, việc nghiên cứu
thực nghiệm quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong thiết bị phun ẩm là một
việc làm rất cần thiết trong tính toán, thiết kế tối ưu hệ thống khử muối. Quá
trình truyền nhiệt, truyền chất trong thiết bị phun ẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt
độ nước phun và m. Ngoài ra, kết cấu của thiết bị phun ẩm cũng sẽ ảnh hưởng

rất lớn đến quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất. Các thông số đặc trưng cho
kết cấu của thiết bị phun ẩm bao gồm: tiết diện, loại vật liệu đệm, diện tích
truyền nhiệt, truyền chất trên 1 đơn vị thể tích và chiều cao của lớp đệm.
Một trong các thông số đặc trưng cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất là số
Me. Số Me là một hàm số tỷ lệ thuận với hệ số truyền chất, diện tích bề mặt của
lớp đệm và tỷ lệ nghịch với lưu lượng nước phun. Ở cùng một điều kiện làm
việc thì các loại vật liệu đệm khác nhau sẽ có hệ số truyền chất khác nhau. Để
24

13


3.1

Mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống

Dựa trên các bước phân

thiết bị phun ẩm và tách ẩm.

tích Pinch được thực hiện
trong

chương 2,

Các thông số đầu ra của

chương

chương trình

trình mô phỏng đã được xây
dựng

bằng

phần

chênh lệch nhiệt độ tối thiểu
Tmin tại điểm Pinch của

mô

phỏng

bao gồm: nhiệt độ nước và

mềm

không khí ra khỏi thiết bị

Visual Basic để khảo ảnh

phun ẩm và tách ẩm, nhiệt

hưởng của các thông số làm

lượng thu hồi, nhiệt lượng bổ

việc đến tỷ lệ thu hồi nhiệt.

sung, nhiệt lượng tổn thất,

Các thông số đầu vào của

tỷ lệ thu hồi nhiệt và hệ số

chương trình mô phỏng bao

năng suất GOR.

gồm: nhiệt độ nước phun,

3.1.1

nhiệt độ nước cấp, tỷ lệ

Thuật toán và giao diện của chương trình mô phỏng

lưu lượng khối lượng giữa

Gọi ta là nhiệt độ không khí, tw là nhiệt độ nước, i là chênh lệch entanpi

nước

của của nước và không khí ở cùng nhiệt độ trong thiết bị phun ẩm. Quy trình
mô phỏng được trình bày trên sơ đồ thuật toán ở hình 3.1.

phun và không khí m và độ

Hình 3.1: Lưu đồ thuật toán của chương trình mô phỏng

24

13


3.1.2

Kết quả mô phỏng

độ nước phun. Ta có phương trình xác định nhiệt độ không khí và nước ra khỏi

3.1.2.1

Ảnh hưởng của tỷ lệ lưu lượng khối lượng nước phun và không
khí.
Kết quả phân tích Pinch trên

thiết bị phun ẩm như sau:
t6 = (B1 + B2. t3 +
B3. t3

4
3

2

10
tB39.

3
2
). Me 3 + B + B
+B

tăng m thì nhiệt độ không
khí

xuống. Đối với nhiệt độ nước
ra khỏi thiết bị tách ẩm t2 và
nhiệt độ nước thải sau khi
phun t4 thì có sự tăng giảm

6

7
2

.t

8

3

+B .t +

. t2

(3.21)

2

2

2

t4 = (C1 + C2. t3 + C3. t3 )Me + (C4 + C5. t3 + + (C7 + C8. t3 +
C6. t3 ). Me
C9 . t 2 ).
Hình 3.3: Ảnh hưởng của m đến các
thông số làm việc của hệ thống ở t3=85oC,
Tmin=5oC và t1=30oC

theo m. Sự tăng giảm của t2 và
t4 theo m là trái ngược nhau,
khi t2 tăng thì t4 giảm và ngược lại. Cả 2 nhiệt độ này có cực trị ở cùng một giá
trị m. Khi t2 đạt giá trị cao nhất thì t4 nhỏ nhất. Vì lưu lượng nước đi trong thiết
bị phun ẩm và tách ẩm là bằng nhau cho nên năng lượng thu hồi trong hệ thống
là cao nhất khi ở cùng nhiệt độ nước cấp t1 và nhiệt độ nước phun t3 thì nhiệt độ
nước ra khỏi thiết bị tách ẩm t2 cao nhất và nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun
ẩm t4 thấp nhất. Như vậy tại giá trị m mà nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm
và tách ẩm đạt cực trị thì tỷ lệ thu hồi là cao nhất. Giá trị m này được gọi là m
tối ưu. Vì nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm và tách ẩm chỉ có duy nhất 1
cực trị cho nên ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước cấp t1 và nhiệt độ nước phun t3
chỉ có duy nhất một giá trị m tối ưu.
3.1.2.2

3

)Me + (B + B . + B . t ). Me2

+ (B
11
12 t
3

hình 3.3 cho thấy rằng khi

ra khỏi thiết bị phun ẩm t6
tăng, nhiệt độ không khí ra
khỏi thiết bị tách ẩm t5 giảm

5

Ảnh hưởng của Tmin

(3.22)

3

+ C10 + C11. t3 +

3

Me 3
Trong đó:

C12. t2

B1 = −35,4740000342812

C1 = 80,1934147057093

B2 = 1,49357036468559

C2 = −2,54783239091415

B3 = −0,0111441438285706

C3 = 0,0152899041714277

B4 = 24,0441385243688

C4 = −44,5706555311411

B5 = −0,946247240171358

C5 = 1,37794449594281

B6 = 0,00690016233714239

C6 = −0,00798546691428539

B7 = −5,29616944522806

C7 = 8,77956351662819

B8 = 0,202744979928558

C8 = −0,268538661088561

B9 = −0,00146269240285705

C9 = 0,00152326840285707

B10 = 15,8269526983994
C10 = −8,02974675171393
ẩm,
trị Tmin ở cột thẳng đứng là của
bị tách ẩm. Kết quả mô phỏng
B
= 0,250743746032137
C11thiết
= 1,51302487051428
11 giá
trong
bảng
3.1 cho thấy nếu Tmin củaC12
thiết=bị−0,0079285033714285
phun ẩm lớn hơn Tmin của
B
0,00415987301587036
12 =
thiết bị tách ẩm càng nhiều thì m tối ưu càng thấp và ngược lại. Với cùng nhiệt độ
nước

o

Bảng 3.1 trình bày kết quả xác định m tối ưu ở nhiệt độ nước phun t3=70 C và
o

nhiệt độ nước cấp t1=30 C. Giá trị Tmin ở hàng ngang là của thiết bị phun
14

23


Phạm vi áp dụng:o công thức trên được áp dụng cho nhiệt độ nước phun trong
khoảng từ 65-85 C với m tối ưu ứng với nhiệt độ nước phun,
giá trị số
o
Me trong khoảng từ 0,4 đến 2 và nhiệt độ không khí vào là 38 C.

Từ kết mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong hệ thống khử

3.3

như sau:

Kết luận

muối bằng phương pháp phun – tách ẩm, luận án đã đạt được những kết quả


Đã xác định được tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và

không khí theo nhiệt độ nước phun, nhiệt độ nước giải nhiệt và chênh lệch

14

23

phun ẩm cũng tăng. Tuy nhiên

nước phun. Kết quả phân tích hồi quy cho thấy nhiệt độ không khí và nước ra

sự thay đổi nhiệt độ không khí

khỏi thiết bị phun ẩm có quan hệ bậc 3 với số Me và có quan hệ bậc 2 với nhiệt

ra khỏi thiết bị phun

ẩm

không tuyến tính như nhiệt độ
nước mà là những

đường

cong đồng dạng với nhau.
Điều này cho thấy quá trình
trao đổi nhiệt trong thiết bị
phun ẩm của không khí bao

Hình 3.19: Ảnh hưởng của tỷ lệ lưu lượng
khối lượng m đến t6 ở t3=65oC và t5=35oC.

gồm nhiệt hiện và nhiệt ẩn.
3.2.2.3

Ảnh hưởng của số Me

Kết quả mô phỏng hình 3.23
cho thấy nhiệt độ nước ra khỏi
thiết bị phun ẩm giảm khi số
Me tăng lên. Nhiệt độ không
khí ra khỏi thiết bị phun ẩm
tăng khi số Me tăng lên. Nhiệt
độ không khí và nước ra khỏi
thiết bị phun ẩm thay đổi
không tuyến tính với số Me.

Hình 3.23: Ảnh hưởng của số Me đến t4
và t6 ở m = 3 và t5=35oC.

Với một giá trị m cố định, khi giá trị số Me càng tăng thì giá trị nhiệt độ
nước
ra khỏi thiết bị phun ẩm càng hội tụ. Tuy nhiên khi số Me>1,2 thì tốc độ tăng
và giảm nhiệt độ của không khí và nước ra khỏi thiết bị phun ẩm thay đổi rất ít.
Từ kết quả này có thể kết luận là giá trị số Me phù hợp khi thiết kế một thiết bị
phun ẩm trong hệ thống khử muối bằng phương pháp phun tách ẩm là Me1,2.
3.2.3

Phân tích hồi quy

Sử dụng phần mềm thống kê IBM SPSS để phân tích hồi quy kết quả mô phỏng
nhiệt độ không khí và nước ra khỏi thiết bị phun ẩm theo số Me và nhiệt độ
22

15

phun t3 và nhiệt độ nước cấp t1 thì giá trị m tối ưu sẽ thay đổi khi Tmin của
thiết bị phun ẩm và thiết bị tách ẩm thay đổi. Tuy nhiên, nếu Tmin của thiết
bị phun ẩm và thiết bị tách ẩm bằng nhau thì tỷ lệ lưu lượng khối lượng
tối ưu giữa nước phun và không khí sẽ không thay đổi khi Tmin thay
đổi. Như vậy nếu
Tmin của thiết bị phun ẩm và Tmin của thiết bị tách ẩm bằng nhau thì m

3.1.2.3 Ảnh hưởng nhiệt độ nước phun
Kết quả mô phỏng trên hình 3.5 cho thấy nhiệt độ nước phun t3 càng cao thì giá
trị m tối ưu càng cao và ngược lại. So sánh với kết quả nghiên cứu otrước
đây của Hou [9] ở cùng điều kiện làm việc là nhiệt độ nước phun t1=80 C và
nhiệt
o

độ nước cấp t1=30 C thì giá trị tối ưu của m là như nhau (m=4). Điều này cho
thấy kết quả mô phỏng là đáng tin cậy.

tối ưu chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nước phun t3 và nhiệt độ nước cấp t1.
Ngoài ra khi chênh lệch Tmin của thiết bị phun ẩm và thiết bị tách ẩm
bằng nhau thì m tối ưu cũng không thay đổi.
o
Bảng 3.1: Ảnh hưởng của Tmin đến m tối ưu ở nhiệt độ t3=70 C và
o
t1=30 C
Tmin
3
4
5

6

3

4

5

6

3,04

2,96

2,88

2,81

3,12
3,2
3,29

3,04
3,12
3,2

2,96
3,04
3,12

2,88
2,96
3,04

22

o

Hình 3.5: Ảnh hưởng của m đến tỷ lệ thu hồi nhiệt ở t1=30 C

15


Kết quả mô phỏng trên hình 3.6 cho thấy giá trị Tmin và nhiệt độ nước
o

phun t3 càng thấp thì tỷ lệ thu hồi nhiệt càng cao. Ở giá trị Tmin=3 C thì
tỷ lệ thu hồi tối đa đạt được là 72% và khoảng nhiệt độ nước phun tối ưu
o

để tỷ lệ thu hồi tối đa là từ 60-80 C. Tmin càng cao thì nhiệt độ nước
phun hợp lý để tỷ lệ thu hồi nhiệt tối đa sẽ càng cao . Ở giá trị
o

o

Tmin=5 C thì nhiệt độ nước phun hợp lý là 65 C trở lên. Ở giá trị
o

o

Tmin=7 C thì nhiệt độ nước phun hợp lý là 85 C trở lên.

3.2.2
3.2.2.1

Kết quả mô phỏng
Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí vào thiết bị phun ẩm

Kết quả mô phỏng trên hình 3.16 cho thấy rằng khi nhiệt độ không khí đi vào
thiết bị phun ẩm tăng lên thì nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm cũng tăng
theo. Tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí càng cao thì
nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm càng cao. Nhiệt độ nước phun càng tăng
thì nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm cũng tăng theo. Tuy nhiên khi số
Me>1,2 thì chênh lệch nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm theo nhiệt độ
nước phun là không nhiều.

Hình 3.6: Ảnh hưởng của nhiệt độ nước phun t3 đến tỷ lệ thu hồi nhiệt ở
o
t1=30 C
3.1.2.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước giải nhiệt
o
Kết quả trên hình 3.10 và 3.11 cho thấy ứng với nhiệt độ nước phun t3=85 C và

m, khi thay đổi nhiệt độ nước cấp thì tỷ lệ thu hồi nhiệt cũng sẽ thay đổi.

Hình 3.16: Ảnh hưởng của t5 đến t4 ở sốHình
Me=1,2
t3=65
oC

3.17:vàẢnh
hưởng
của t5 đến t6 ở số Me=1,2

Tương tự như nước ở đầu ra thiết bị phun ẩm, kết quả trên hình 3.17 cũng cho
thấy nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm cũng tăng theo nhiệt độ không
khí vào, nhiệt độ nước phun và m. Sự thay đổi nhiệt độ không khí ra khỏi thiết
bị phun ẩm cũng tuyến tính theo nhiệt độ không khí vào. Tuy nhiên độ dốc của
không khí ở đầu ra thấp hơn độ dốc của nước ra khỏi thiết bị phun ẩm. Khi
m>3,5 thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm gần như là không thay
đổi theo nhiệt độ không khí vào.
3.2.2.2 Ảnh hưởng của tỷ lệ lưu lượng khối lượng
Kết
quả
hình
3.19
cho thấy
khi m
thì nhiệt
độ nước
ra khỏi theo
thiết m
bị
phun
ẩm trên
tăng
theo.
Sự Điều
thay
đổi

độ tăng
nước
khỏi
thiết
bị phun
gần như
là
tuyến
tính.
này nhiệt
cho thấy
rằng ra
quá
trình
truyền
nhiệtẩm
của nước

là trao
nhiệt
hiện.
KhioCmvàtăng
thì
độ không khí ra khỏi thiết bị
Hình 3.11: Ảnh hưởng
Hình 3.10:
của nhiệt
Ảnh hưởng
độ nước
củacấp

nhiệt
t1 đến
độ tỷ lệ lưu lượng tối ưu giữa nước phun và khôngchủ
khíyếu
ở nhiệt
độđổi
nước
phun
t3=85
Tmin
=5nhiệt
oC
nước cấp t1 và m đến tỷ lệ thu hồi nhiệt ở nhiệt độ nước phun t3=85oC và
Tmin=5oC
16

21