Thiết kế, chế tạo và thực nghiệm thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời dạng máng kết hợp ống thủy tinh chân không và bộ ngưng tụ ngoài

ĐẠI HỌC QUỐC GIA
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MƠN CƠNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

HỒNG VĂN VIẾT

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM THIẾT BỊ CHƯNG
CẤT NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DẠNG
MÁNG KẾT HỢP ỐNG THỦY TINH CHÂN KHƠNG VÀ BỘ
NGƯNG TỤ NGỒI

Chun Ngành: KỸ THUẬT NHIỆT
Mã Số: 60520115

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2015


Mục Lục
CHƯƠNG MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài .................................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu.............................................................................................. 1
3. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 1
4. Phương pháp nghiên cứu ....................................................................................... 2
5. Ý nghĩa khoa học và Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................. 2
6. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................................... 2
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 4
1.1.

Hiện trạng ngọt hóa nước trên thế giới ............................................................... 4

1.2.

Hiện trạng ngọt hóa nước ở Việt Nam ............................................................... 7

1.3. Phân loại thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời .......................... 12
1.3.1. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng bị động ................................. 14
1.3.2. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng chủ động .............................. 21
1.3.3. Hệ thống chưng cất nước sử dụng NLMT dạng làm ẩm – khử ẩm............... 27
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT .............................................................................. 29
2.1. Chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời ..................................................... 29
2.1.1. Nguyên lý ...................................................................................................... 29
2.1.2. Cơ cấu quá trình ngưng hơi ........................................................................... 29
2.1.3. Truyền nhiệt ở thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT. .............................. 31
2.1.4. Sản lượng nước chưng cất được trong một giờ ............................................. 36
2.1.5. Hiệu suất tức thời của thiết bị........................................................................ 36
2.2. Ống thủy tinh chân khơng.................................................................................... 37
2.2.1. Cấu tạo và đặc tính ........................................................................................ 37
2.2.2. Hiệu suất tức thời của OTTCK ..................................................................... 40
2.2.3. Lưu lượng nước tuần hoàn tự nhiên trong OTTCK ...................................... 41
2.3. Bộ ngưng tụ ngoài................................................................................................ 42


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG
NLMT DẠNG MÁNG KẾT HỢP OTTCK VÀ BỘ NGƯNG TỤ NGOÀI ................. 46
3.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng nước chưng cất. ........................................ 47
3.1.1. Bức xạ mặt trời .............................................................................................. 47
3.1.2. Tốc độ gió ...................................................................................................... 48
3.1.3. Nhiệt độ môi trường ...................................................................................... 48

3.1.4. Bụi và mây che .............................................................................................. 49
3.1.5. Độ nghiêng của tấm phủ ................................................................................ 49
3.1.6. Nhiệt độ tấm phủ ........................................................................................... 49
3.1.7. Thu hồi ẩn nhiệt hóa hơi ................................................................................ 50
3.1.8. Tỷ lệ diện tích ngưng tụ và diện tích bốc hơi ................................................ 50
3.1.9. Bề dày lớp bảo ơn (bọc cách nhiệt) ............................................................... 50
3.1.10. Khoảng cách giữa mặt nước với tấm phủ.................................................... 51
3.1.11. Độ sâu lớp nước trong thiết bị ..................................................................... 51
3.1.12. Bố trí bộ ngưng tụ ngồi.............................................................................. 53
3.1.13. Tạo đối lưu cưỡng bức trong thiết bị ........................................................... 53
3.1.14. Nhiệt độ nước hoạt động trong thiết bị ....................................................... 55
3.2. Thiết kế thiết bị .................................................................................................... 55
3.2.1. SBSS kết hợp OTTCK. ................................................................................. 56
3.2.2. SBSS kết hợp OTTCK và BNTN. ................................................................. 57
3.2.3. DBSS kết hợp OTTCK. ................................................................................. 59
3.3. Chế tạo thiết bị ..................................................................................................... 61
3.4. Nguyên lý hoạt động của thiết bị ......................................................................... 64
3.4.1. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại SBSS kết hợp OTTCK .......... 64
3.4.2. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại SBSS kết hợp OTTCK và
BNTN. ..................................................................................................................... 65
3.4.3. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại DBSS kết hợp OTTCK ......... 66
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG THIẾT BỊ .......................................................................... 67


4.1. Mô phỏng thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại SBSS kết hợp OTTCK.
.................................................................................................................................... 68
4.1.1. Phương trình cân bằng nhiệt tại bề mặt trong của kính phủ.......................... 69
4.1.2. Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt ngồi của kính phủ ....................... 69
4.1.3. Phương trình cân bằng nhiệt tại tấm truyền nhiệt (Basin Liner) ................... 70
4.1.4. Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước biển.......................................... 71

4.1.5. Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước ngọt trong MCC ...................... 72
4.1.6. Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước ngọt trong OTTCK.................. 73
4.1.7. Sản lượng nước chưng cất [11] ..................................................................... 76
4.1.8. Hiệu suất tức thời của thiết bị [11] ................................................................ 77
4.2. Mô phỏng thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại SBSS kết hợp OTTCK
và BNTN ..................................................................................................................... 82
4.2.1. Phương trình cân bằng nhiệt tại bề mặt trong của kính phủ.......................... 83
4.2.2. Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt ngồi của kính phủ ....................... 83
4.2.3. Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt trong của BNTN ........................... 83
4.2.4. Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt ngoài của BNTN........................... 84
4.2.5. Phương trình cân bằng nhiệt tại tấm truyền nhiệt (Basin Liner) ................... 84
4.2.6. Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước biển.......................................... 85
4.2.7. Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước ngọt trong MCC ...................... 86
4.2.8. Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước ngọt trong OTTCK.................. 86
4.2.9. Sản lượng nước chưng cất ............................................................................. 89
4.2.10. Hiệu suất tức thời của thiết bị...................................................................... 89
4.3. Mô phỏng thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại Double Basin kết hợp
OTTCK ....................................................................................................................... 95
4.3.1. Phương trình cân bằng nhiệt tại bề mặt trong của kính phủ tầng trên .......... 96
4.3.2. Phương trình cân bằng nhiệt tại bề mặt ngồi của kính phủ tầng trên .......... 97
4.3.3. Phương trình cân bằng nhiệt cho bề mặt trong của kính phủ tầng dưới ....... 97
4.3.4.

Phương trình cân bằng nhiệt tại bề mặt ngồi của kính phủ tầng dưới ..... 98

4.3.5.

Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước biển tầng trên ....................... 99

4.3.6.

Phương trình cân bằng nhiệt cho tấm truyền nhiệt (Basin liner) .............101

4.3.7.

Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước biển tầng dưới ....................101

4.3.8.

Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước ngọt trong MCC ................102

4.3.9.

Phương trình cân bằng nhiệt cho khối nước ngọt trong OTTCK ............103

4.3.11. Hiệu suất tức thời của hệ thống [11][35] .................................................109
CHƯƠNG 5: THU THẬP SỐ LIỆU VÀ KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
......................................................................................................................................113
5.1. Nguồn nước sử dụng cho quá trình thực nghiệm ..............................................113
5.2. Các thiết bị đo ....................................................................................................113
5.3. Mơ tả thí nghiệm ................................................................................................ 115
5.4. Nội dung thực nghiệm .......................................................................................119
5.5. Kết quả thí nghiệm và kiểm chứng với kết quả mơ phỏng ................................ 120
5.5.1. Thí nghiệm 1 ............................................................................................... 120
5.5.2. Thí nghiệm 2: .............................................................................................. 125
5.5.2. Thí nghiệm 3: .............................................................................................. 131
5.6. Kết luận ..............................................................................................................134
CHƯƠNG 6: PHÂN TÍCH KINH TẾ .........................................................................136
6.1.

Chi phí đầu tư cơ bản......................................................................................136

6.2. Phân tích tính khả thi của các thiết bị ................................................................ 137
CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN ...........................................................................................141
7.1. Kết luận ..............................................................................................................141
7.2. Hướng phát triển của đề tài................................................................................142
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ ĐƯỢC CƠNG BỐ ..........................143
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................144
PHỤ LỤC .....................................................................................................................148


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO
CHƯƠNG MỞ ĐẦU

1. Lý do chọn đề tài
Nước đóng vai trị hết sức quan trọng trong sự tồn tại của nhân loại, nước cần cho
mọi sự sống và phát triển.
Trước hết, cần phải nói đến nhu cầu sử dụng nước sạch, nước tinh khiết để uống
của con người, đặc biệt là những người dân đang sinh sống tại các vùng sâu, vùng xa,
biên giới và hải đảo, những vùng miền thiếu nước sạch hoặc nguồn nước bị ơ nhiễm.
Bên cạnh đó, cần phải nói đến ứng dụng quan trọng của nước cất hiện nay. Nước
cất được sử dụng rộng rãi trong ngành Y tế, ngành giáo dục, ngành hóa học, các phịng
thí nghiệm…, như pha chế thuốc tiêm, thuốc uống, biệt dược, rửa dụng cụ y tế, rửa vết
thương hoặc sử dụng để pha chế hóa chất.
Vấn đề ơi nhiễm mơi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng đang trực tiếp đe dọa
sự sống của con người. Vì vậy, sử dụng nguồn năng lượng sạch (năng lượng mặt trời)
có sẵn trong tự nhiên để sản xuất nước cất vừa tiết kiệm năng lượng, vừa bảo vệ mơi

trường đang tạo ra hiệu ứng tích cực và được quan tâm hiện nay.
Với tất cả những lý do trên cùng với sự quan sát và nhận thấy, các thiết bị chưng
cất nước truyền thống sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay còn đơn giản và hiệu quả
chưa cao. Điều đó đã thơi thúc học viên tìm hiểu và nghiên cứu chế tạo thiết bị chưng
cất nước sử dụng năng lượng mặt trời dạng máng kết hợp ống thủy tinh chân khơng và
bộ ngưng tụ ngồi để nâng cao sản lượng nước chưng cất. Đây là vấn đề được học viên
đặc biệt quan tâm và lựa chọn nghiên cứu.
2. Mục đích nghiên cứu
Kết quả nghiên cứu của đề tài phải đáp ứng những yêu cầu:
-

Thiết bị đơn giản, dễ chế tạo.
Nâng cao sản lượng nước chưng cất.
Tính ứng dụng và đưa vào sản xuất thực tế cao.

3. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu
- Thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời.
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 1 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

+ Dạng Single Basin Single Slope kết hợp ống thủy tinh chân không.
+ Dạng Double Basin Single Slope kết hợp ống thủy tinh chân không.
+ Dạng Single Basin Single Slope kết hợp ống thủy tinh chân khơng và bộ ngưng
-

tụ ngồi.

Trong điều kiện khí hậu Tp.HCM, Việt Nam.

4. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: tổng hợp và phân tích các kết quả nghiên
cứu trên thế giới và Việt Nam, xây dựng cơ sở lý thuyết để tính tốn, mơ phỏng
thiết bị.
-

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm: xây dựng mơ hình thực nghiệm, so sánh
và tổng hợp các kết quả nghiên cứu đạt được.

5. Ý nghĩa khoa học và Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
- Ý nghĩa khoa học
Kết quả của đề tài có thể sử dụng làm cơ sở dữ liệu và tài liệu tham khảo cho các
nghiên cứu sau này.
-

Ý nghĩa thực tiễn

Lạm dụng nguồn năng lượng hóa thạch kéo theo thiên tai, ô nhiễm môi trường, cạn
kiệt nguồn nước sạch đang thực sự đe dọa cuộc sống con người. Vấn đề tiết kiệm năng
lượng đi cùng với bảo vệ mơi trường đang được thế giới tích cực khuyến khích, ủng hộ.
Giải pháp chế tạo ra các thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT)
để tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế đang rất
được khuyến khích và ủng hộ.
Nâng cao sản lượng nước chưng cất góp phần giải quyết tình trạng khan hiếm
nguồn nước uống, sinh hoạt cho người dân, đặc biệt là ở vùng sâu, vùng xa, biên giới và
hải đảo, những vùng miền thiếu nước sạch hoặc nguồn nước bị ô nhiễm ở những quốc
gia như Việt Nam mang nhiều ý nghĩa.
6. Tính cấp thiết của đề tài

Giải quyết tình trạng khan hiếm nguồn nước uống, sinh hoạt cho người dân hiện
đang được chính phủ và nhân dân quan tâm rất nhiều. Việc chế tạo ra một thiết bị chưng
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 2 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

cất nước sử dụng năng lượng mặt trời có thể nâng cao được sản lượng nước chưng cất
mang ý nghĩa lớn đối với người dân, đặc biệt là ở vùng sâu, vùng xa, vùng ngập mặn,
miền biển…

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 3 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Hiện trạng ngọt hóa nước trên thế giới
Tính đến năm 2012 cơng suất ngọt hóa nước trên thế giới đạt 74,8 triệu m3/ngày.
Trong đó ngọt hóa từ nguồn nước biển chiếm 59%, nước lợ 21%, nước sông 9%, nước
1.1.

thải 6%, nước sạch 5% [36].

Hình 1.1: Biểu đồ hiện trạng ngọt hóa nước trên thế giới với các loại nước khác nhau
[36]

Hình 1.2: Biểu đồ thể hiện tỉ lệ sản lượng nước được ngọt hóa trên thế giới tính đến
cuối năm 2010 [6]

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 4 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Hình 1.3: Biểu đồ thể hiện cơng suất ngọt hóa nước của 10 quốc gia hàng đầu thế giới
[39]

Hình 1.4: Biểu đồ thể hiện cơng suất ngọt hóa nước ở hiện tại và tiềm năng phát triển
trong tương lai [39]

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 5 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Hình 1.5: Biểu đồ thể hiện những cơng nghệ sử dụng để ngọt hóa nước trên thế giới
[39]
NHẬN XÉT:
-

Biểu đồ hình 1.1 cho ta thấy nguồn nước chính dùng để chưng cất trên thế giới là

nước biển, chiếm 59% do nguồn nước sạch đang bị cạn kiệt trong khi dân số thế
giới tập trung lớn tại những quốc gia ven biển.

-

Biểu đồ hình 1.2 và 1.3 khơng khỏi làm chúng ta bất ngờ vì Mỹ lại là quốc gia có
tỉ lệ sản lượng và cơng suất ngọt hóa nước xếp thứ 2 thế giới, chỉ xếp sau trung
đông. Nước Mỹ thời gian gần đây đang phải đối mặt mặt với nạn hạn hán kéo dài
[6].

-

Biểu đồ hình 1.5 thể hiện cơng nghiệ ngọt hóa nước phổ biến nhất trên thế giới
hiện nay là công nghệ thẩm thấu ngược RO (Reverse Osmosis). Công nghệ RO
hoạt động theo nguyên tắc, nước biển với nồng độ muối cao khi di chuyển qua
màng bán thấm, sẽ chuyển thành dung dịch muối lỗng vì muối cùng các hợp chất
có phân tử lớn bị giữ lại, chỉ phân tử nước được đi qua. Hệ thống sử dụng điện
lấy từ pin NLMT hoặc từ tuabin gió…để cấp cho bơm.

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 6 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Hiện trạng ngọt hóa nước ở Việt Nam
Ở Việt nam hiện đang từng bước hịa nhập với lĩnh vực ngọt hóa nước, các nhà
khoa học vẫn đang thực hiện việc nghiên cứu thí nghiệm và cũng đã có một số mơ hình
1.2.

tham gia triển lãm tại các hội thảo khoa học. Tuy nhiên, chỉ một số ít thiết bị được đưa
ra ứng dụng thực tế, chủ yếu là các thiết bị chưng cất nước truyền thống, sử dụng trực
tiếp NLMT, các thiết bị vẫn cịn thơ sơ và cho ra sản lượng chưa cao nhưng nó thực sự
có ý nghĩa trong nhiệm vụ giải quyết tình trạng khan hiếm nguồn nước sạch ở các vùng
biển đảo và vùng ngập mặn, vùng nước nhiễm phèn…
Học viên có tìm hiểu và sưu tầm được một số dự án chưng cất nước và lọc nước
đang được áp dụng tại Việt Nam, như:
Dự án thiết bị chưng cất nước biển cho Trường Sa – TS. Bùi Bá Xuân,
Trung tâm nhiệt đới Việt Nga.

Hình 1.6: Các chiến sĩ Trường Sa bên cạnh thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT
Trung tâm đã bàn giao 5 bộ thiết bị chưng cất nước biển thành nước ngọt bằng
NLMT, tặng các hộ dân đang sinh sống tại huyện đảo Trường sa (Khánh Hịa). Thiết bị
này rất hữu dụng vì giá thành rẻ, dễ chế tạo, người dân dễ sử dụng, phù hợp với điều
kiện mơi trường, thời tiết khí hậu biển, đảo Việt Nam. Thiết bị rất chắc chắn, đơn giản,
không cần phải bảo dưỡng, sửa chữa trong quá trình sử dụng. Thiết bị có dạng hình hộp
kín bằng các tấm kính ghép lại; tiết diện đáy 1m2, mặt trên nghiêng 45 độ để hứng nước
bay hơi ngưng tụ lại và chảy xuống các máng sau đó chảy ra bể chứa nước sạch. Vật liệu

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 7 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

bằng gương kính nên khơng bị han rỉ, lão hóa. Thiết bị được đặt trên giá đỡ bằng inox,
có thể tháo lắp linh hoạt, thuận lợi cho việc vận chuyển ra vùng hải đảo cách xa đất liền.

Hình 1.7: Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT của dự án
Nguyên lý hoạt động của thiết bị dựa trên phương pháp chưng cất nước truyền
thống, nhưng hồn tồn dùng NLMT, khơng tốn chi phí năng lượng, khơng phát thải khí
gây hiệu ứng nhà kính. Nước ngọt tạo ra không phải lọc lại mà sử dụng được ngay. Thiết
bị cho năng suất trung bình từ 3-5 lít/m2/ngày, tuy hiệu suất lọc nước của thiết bị cịn
thấp, vì thời gian có nắng trong ngày chỉ từ 6-9 tiếng, nhưng bù lại, chi phí vật liệu, vật
tư thấp và chế tạo đơn giản, dễ sử dụng. Trong điều kiện trời mưa, thiết bị đồng thời có
thể tận thu được nước mưa trên mặt kính.
Hệ thống lọc nước biển sử dụng cơng nghệ RO với điện lấy từ tuabin
gió ở Trường Sa
Đầu tháng 01/2014, Bộ Tư lệnh Hải quân, tập đồn dầu khí Việt Nam bàn giao cho
qn, dân đảo Song Tử Tây (huyện đảo Trường Sa, Khánh Hòa) đưa vào sử dụng sau
một năm thử nghiệm. Song Tử Tây là đảo đầu tiên được chọn thí điểm hệ thống này
trước khi triển khai cho quần đảo Trường Sa và các nhà giàn.
Hệ thống lọc nước gồm 4 máy, mỗi ngày cung cấp cho đảo khoảng 18 m3 nước
sạch. Công suất mỗi máy lọc được thiết kế khác nhau như có máy lọc khoảng 250 lít/1
giờ hoặc 236 lít/1 giờ. Để vận hành, hệ thống lọc dựa vào nguồn điện từ gió, NLMT
được lắp đặt trước đó trên đảo. Mức tiêu thụ năng lượng khoảng 5 Kwh/m3.

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 8 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Hệ thống chưng cất nước biển sử dụng NLMT cho đảo Cam RanhKhánh Hồ

Hình 1.8: Hình ảnh 50 mơ đun được lắp đặt tại đảo Cam Ranh – Khánh Hòa
Thiết bị chưng cất nước biển sử dụng NLMT có kết cấu đơn giản, sử dụng nguồn

nước đầu vào là nước biển, nước lợ… bằng bơm hoặc tự chảy vào từ bể chứa đặt cao
hơn, với cơng suất trung bình đạt hơn 4 lít/m2/ngày. Thiết bị này được chế tạo từ
composite nên có độ bền cao, có khả năng tháo lắp linh hoạt và lắp ghép thành hệ thống
lớn từ các mô đun đơn lẻ tùy theo nhu cầu sử dụng.
Bên cạnh đó, học viên cũng có cơ hội đi thực tế cùng cơng ty TNHH Kim Hồng,
xuống một số dự án ở các tỉnh miền Tây, nơi đã và đang được công ty triển khai tấm
chưng cất nước sử dụng NLMT của hãng Carocell. Một số dự án sử dụng Carocell như:
Dự án lắp đặt tấm Carocell cho trường tiểu học Mỹ Xương, huyện Cao
Lãnh – Đồng Tháp.

Hình 1.9: Hình ảnh tấm Carocell trên nóc nhà của trường tiểu học Mỹ Xương
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 9 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Số tấm Carocell lắp đặt: 8 tấm (4 tấm loại 3 m2 và 4 tấm loại 2 m2)
Sản lượng nước trung bình ngày: 110 lít.
Dự án lắp đặt tấm Carocell cho trường tiểu học Tân Huề 1, huyện Thanh
Bình – Đồng Tháp.

Hình 1.10: Hình ảnh tấm Carocel trên nóc nhà của trường tiểu học Tân Huề 1
Số tấm Carocell lắp đặt: 8 tấm (loại 2 m2)
Sản lượng nước trung bình ngày: 80 lít
Dự án lắp đặt tấm Carocell cho trường tiểu học Tân Huề 2, huyện
Thanh Bình – Đồng Tháp.

Hình 1.11: Hình ảnh tấm Carocell trên nóc nhà của trường Tân Huề 2

Số tấm Carocell lắp đặt: 14 tấm (loại 2 m2)
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 10 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Sản lượng nước trung bình ngày: 140 lít
Cơng trình nước uống Trường TH Hồng Văn Thụ huyện Đồng Xuân,
tỉnh Phú Yên

Hình 1.12: Hình ảnh tấm Carocell trên nóc nhà của trường Hồng Văn Thụ
Số tấm Carocell: 10 tấm (loại 2m2)
Sản lượng trung bình ngày: 100 lít
Thời gian lắp đặt và vận hành: 8/2013
Carocell tại đảo Đá Tây A (Trường Sa, Khánh Hịa)

Hình 1.13: Thượng tá Lê Hồng Thủy dùng nước sau chưng cất từ Carocell
Số tấm Carocell: 8 tấm (loại 2 m2)
Sản lượng trung bình ngày: 100 lít
Thời gian lắp đặt và vận hành: 5/2014
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 11 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

1.3. Phân loại thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời

Ứng dụng NLMT vào lĩnh vực ngọt hóa nước được phát hiện sớm nhất vào thế kỉ
thứ IV trước công nguyên bởi Aristotle, ông mô tả môt phương pháp để làm bay hơi
nước khơng tinh khiết và sau đó ngưng tụ nó để sử dụng cho sinh hoạt. Tuy nhiên, theo
lịch sử ghi chép lại, việc ngọt hóa nước bằng NLMT được công bố đầu tiên bởi nhà giả
kim Ả Rập trong thế kỷ XVI (mouchot, 1868) [17]. Đến thời điểm hiện tại, các nhà
nghiên cứu đã phát triển lĩnh vực ngọt hóa nước nói chung và chưng cất nước sử dụng
NLMT nói riêng lên một tầm cao mới, quy mơ lớn hơn, công nghệ hiện đại hơn…
Từ lịch sử nghiên cứu, ứng dụng NLMT vào lĩnh vực ngọt hóa nước, có nhiều
trường phái với nhiều cách phân loại khác nhau nhưng nhìn chung, xét về phương thức
tận dụng có hai loại cơ bản:
-

Loại thứ nhất (trực tiếp): Lợi dụng nhiệt năng trực tiếp từ bức xạ mặt trời để
tác động đến quá trình biến đổi pha của nước.
Loại thứ hai (gián tiếp): Ứng dụng năng lượng mặt trời để phát điện sau đó

thơng qua nhiều khâu kết hợp để tiến hành ngọt hóa nước.
Từ quan điểm nhiệt động học thì loại thứ nhất sử dụng năng lượng cấp thấp còn
loại thứ hai sử dụng năng lượng cấp cao [13].

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 12 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Hình 1.14: Sơ đồ phân loại thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT [41]
Chú thích:
MSF: Multi Stage Flash; MED: Multi Effect Distillation; TVC: Thermal Vapor

Compression; MD: Membrane Distillation; RO: Reverse Osmosis; ED: Electrodialysis;
PV: Photo Voltaics; Passive: Bị động; Action: Chủ động; Direct: Trực Tiếp; Indirect:
Gián tiếp; Humidification – Dehumidification : Làm ẩm – Khử ẩm.
Trong khuôn khổ của đề tài, học viên sẽ đi vào phân loại thiết bị ngọt hóa nước loại
thứ nhất (trực tiếp), đặc biệt đi sâu vào phân loại thiết bị chưng cất dạng bị động và chủ
động. Dạng làm ẩm – khử ẩm học viên chỉ tản mạn đôi nét.
Hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời dạng bị động:
Trong hệ thống thiết bị này, bộ phận hấp thụ NLMT có nhiệm vụ biến quang năng
thành nhiệt năng và bộ phận ngưng tụ được bố trí chung thành một khối để thực hiện hai
chức năng trong cùng một thiết bị. Ví dụ thiết bị chưng cất dạng bể phẳng một cấp một
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 13 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

mái truyển thống (Single Basin Single Slope), phần đáy sơn đen có chức năng chính là
hấp thu NLMT để gia nhiệt và và bốc hơi cho lớp nước, cịn tấm phủ (lớp kính) vừa có
chức năng cho bức xạ mặt trời xuyên qua tạo hiệu ứng nhà kính, hạn chế tổn thất đối lưu
đồng thời là bộ ngưng tụ. Thiết bị loại này có kết cấu đơn giản, vật liệu sử dụng rẻ nên
giá thành thấp. Loại thiết bị này còn tồn tại vấn đề là các quá trình truyền nhiệt và truyền
chất xảy ra trong cùng một thiết bị nên khó khắc phục các nhược điểm, do đó sản lượng
và hiệu suất thấp. [4]
Hệ thống chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời dạng chủ động:
Trong hệ thống thiết bị này, hai chức năng được tách riêng ra: bộ phận thứ nhất là
collector có nhiệm vụ hấp thu NLMT để biến quang năng thành nhiệt năng gia nhiệt cho
nước, bộ phận thứ hai là thiết bị ngưng tụ hoạt động tách ra. Hai bộ phận ghép chung
thành một hệ thống gọi là hệ thống chưng cất nước bằng NLMT loại chủ động. Nhờ tách
ra nên dễ dàng khắc phục một số nhược điểm dẫn đến hiệu suất được nâng cao hơn. [4]

Hệ thống ngọt hóa nước bằng năng lượng mặt trời dạng làm ẩm – khử
ẩm:
Trong hệ thống thiết bị này gồm 2 bộ phận, bộ phận thứ nhất là collector hấp thụ
NLMT, có tác dụng làm nóng nước để cấp vào bộ phận thứ hai. Bộ phận thứ hai lại bao
gồm 2 thành phần, là bộ bốc hơi và bộ ngưng tụ. Nguyên lý làm việc sẽ được trình bày
chi tiết hơn ở phần sau.
1.3.1. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng bị động
1.3.1.1. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại bể phẳng một cấp truyền thống
Về mặt cấu tạo thiết bị chưng cất loại này khá đơn giản, có thể là loại bể phẳng
truyền thống 01 cấp 01 mái (Single Basin Single Slope (SBSS)) (hình 1.15) hoặc 01 cấp
02 mái (Single Basin Double Slope (SBDS)) (hình 1.16).

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 14 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Hình 1.15: Sơ đồ thiết bị chưng cất nước loại SBSS [13]

Hình 1.16: Sơ đồ thiết bị chưng cất nước loại SBDS
( />Thiết bị là một bể phẳng, đáy được sơn một lớp vật liệu hấp thụ bức xạ mặt trời,
phía trên lớp sơn được chốn kín bởi lớp nước có chiều dày nhất định, khoảng vài cm.
Phía trên có tấm phủ thơng thường là kính (cũng có thể là plastic có hệ số xun qua
lớn), phía dưới kính có máng hứng nước ngọt sau khi chưng cất.
Về nguyên lý làm việc, khi bức xạ mặt trời chiếu đến kính phủ, một phần nhỏ bị
phản xạ, phần lớn (trên 80%) xuyên qua kính và lớp nước mỏng chiếu vào đáy bể, tất
nhiên một phần NLMT cũng được lớp nước hấp thu. Bề mặt đáy thiết bị được sơn đen
để hấp thu bức xạ mặt trời, biến quang năng thành nhiệt năng để gia nhiệt lớp nước làm

nước bốc hơi (bề mặt nước có nhiệt độ cao Tw sẽ bức xạ ngược trở lại tấm kính với quang
phổ bước sóng dài nên bị kính hấp thụ). Hơi nước bay lên tiếp xúc với bề mặt kính có
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 15 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

nhiệt độ Tg < Tw, hơi nhả ẩn nhiệt hóa hơi và ngưng tụ thành nước, theo độ nghiêng của
kính phủ sẽ rớt xuống máng hứng nước và được lấy ra ngoài. [4]
1.3.1.2. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại bể phẳng nhiều cấp.
Để tận dụng ẩn nhiệt hóa hơi của nước trong quá trình ngưng tụ, các nhà nghiên
cứu đã đưa ra một số dạng mơ hình mẫu và tiến hành thí nghiệm và xác minh về tính
hiệu quả của thiết bị.

(a)

(b)

Hình 1.17: Sơ đồ Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại bể phẳng 02 cấp
(Double Basin), loại 01 mái (Single Slope) (a) và loại 2 mái (Double Slope) (b) [8]

Hình 1.18: Sơ đồ thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng bể phẳng 03 cấp loại 01
mái (Triple Basin Single Slope) [18]
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 16 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Khi số cấp ngưng tụ tăng lên thì sản lượng nước tăng lên nhưng từ cấp thứ 3 trở
lên thì hiệu quả khơng đáng kể, do đó thiết bị loại này chỉ nên chọn tối đa là 3 cấp. Điều
này có thể giải thích là ở các cấp sau, độ chênh lệch t quá nhỏ, q trình truyền nhiệt
truyền chất khơng cịn tác dụng nhiều, mặt khác dòng bức xạ mặt trời xuyên qua các lớp
kính (có cả màng nước làm mở đục) chiếu đến bề mặt hấp thụ ở đáy cũng bị giảm nhiều.
Hơn nữa loại bể phẳng chưng cất nhiều tầng có hiệu quả cao hơn loại 01 tầng nhưng việc
chế tạo cũng đắt tiền và phức tạp hơn. Một vấn đề nữa cần xem xét trong quá trình vận
hành là sự bám bẩn và hình thành rong rêu trên bề mặt kính tương đối khó làm vệ sinh,
do đó khi thiết kế, chế tạo cần cân nhắc vấn đề này.
Theo kết quả của tác giả Kumar (1990) cho thấy, kết quả chưng cất của thiết bị
DBSS như hình 1.17b, sản lượng nước tăng gấp đôi so với SBSS. [4]
1.3.1.3. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại SBSS kết hợp bộ ngưng tụ ngồi
(BNTN).
Nước bốc hơi trong khơng khí ẩm có quan hệ với sự chênh lệch áp suất hơi nước
tồn tại trong khơng khí ẩm. Nếu phân áp suất của hơi nước trong khơng khí ẩm nhỏ hơn
phân áp suất bão hòa của hơi nước sát trên bề mặt nước thì q trình bốc hơi có thể phát
sinh, phân áp suất hơi nước trong khơng khí ẩm càng nhỏ, quá trình bốc hơi càng mạnh.
[4]

Hình 1.19: Sơ đồ thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại SBSS kết hợp với
BNTN [19]
(a) BNTN khơng tuần hồn hơi, (b) BNTN có tuần hồn hơi

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 17 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Hình 1.20: Hình ảnh thực tế của thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại SBSS kết
hợp với BNTN [16]

Hình 1.21: Bản vẽ chi tiết kích thước của BNTN khơng tuần hồn hơi [16]

H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 18 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Hình 1.22: Bản vẽ chi tiết kích thước của BNTN có tuần hồn hơi [16]

Hình 1.23: Biểu đồ sản lượng nước chưng cất của thiết bị [16]
Theo công bố của Husham M.Ahmed (2012) sản lượng nước chưng cất của thiết
bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng SBSS kết hợp với BNTN không tuần hoàn hơi
tăng từ 15-16,6% so với thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng SBSS và thiết bị
chưng cất nước sử dụng NLMT dạng SBSS kết hợp với BNTN có tuần hồn hơi tăng từ
30,54-35,8% so với thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dạng SBSS [16].
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 19 | 182


LUẬN VĂN THẠC SĨ

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

= > BNTN rất có ý nghĩa để làm tăng sản lượng nước chưng cất, kết cấu đơn giản, dễ

thực hiện. Vì vậy học viện sẽ áp dụng BNTN có tuần hồn hơi vào đề tài nghiên cứu của
mình để đánh giá tiềm năng cũng như hiệu quả của thiết bị.
1.3.1.4. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại SBSS sử dụng bấc nhiều lớp.
Trong thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại SBSS, dung lượng nước chứa ở
đáy nhiều nên dung lượng nhiệt lớn, hấp thụ nhiệt và làm tăng nhiệt độ nước chậm nên
thời gian bắt đầu sản xuất nước chậm [4]. Để khắc phục hiện tượng này các nhà nghiên
cứu đưa ra thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT loại bể phẳng sử dụng bấc nhiều lớp.

Hình 1.24: Sơ đồ thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT dùng bấc thẩm thấu [20]
Lớp bấc mỏng khoảng 2 – 5 mm đóng vai trị thầm thấu nước và hấp thụ bức xạ
mặt trời, vì dung lượng nhiệt nhỏ nên khi nhận nhiệt bức xạ mặt trời nước nóng lên nhanh
hơn, quá trình bốc hơi diễn ra nhanh hơn nên có thể thu được nước chưng cất ngay từ
sáng sớm.
Tuy nhiên để chế tạo được bấc thẩm thấu loại này là việc rất khó khăn, yêu cầu đặt
ra là bấc phải có hệ số hập thụ bức xạ mặt trời lớn nên vật liệu phải ở dạng sợi có pha
lẫn kim loại và có màu đen như sản phầm Carocell. Về yếu tố vận hành, màng nước phải
thấm ướt đều trên toàn bề mặt và chảy thành lớp mỏng nên phải cân chỉnh thiết bị rất kỹ
lưỡng. Nếu nước không phủ đều bề mặt bấc, những mảng bấc khơng có nước lâu ngày
sẽ bị hư hỏng do bức xạ mặt trời lớn, điều đó làm giảm hiệu suất thiết bị…
H V T H : H O À N G V Ă N V I Ế T 20 | 182