Nghiên cứu cải tiến thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời của hãng carocell

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN XUÂN AN

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT
NƯỚC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA
HÃNG CAROCELL
Chuyên ngành : CÔNG NGHỆ NHIỆT
Mã số
: 605280

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2014


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Văn Tuyên

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Hà Anh Tùng

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 15 tháng 07 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ tịch:GS.TS Lê Chí Hiệp
2. Thư ký:PGS.TS Hồng An Quốc

3. Ủy viên – Phản biện 1: TS. Nguyễn Văn Tuyên
4. Ủy viên – Phản biện 2: TS. Hà Anh Tùng
5. Ủy viên: TS. Nguyễn Thế Bảo
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản
lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: TRẦN XUÂN AN

MSHV: 12824802

Ngày, tháng, năm sinh: 10/03/1985

Nơi sinh: ĐỒNG NAI

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ NHIỆT

Mã số : 605280

I. TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN THIẾT BỊ CHƯNG CẤT NƯỚC SỬ DỤNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CỦA HÃNG CAROCELL
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Nghiên cứu các cơ sở lý thuyết liên quan đến tính tốn, thiết kế thiết bị chưng
cất nước sử dụng năng lượng mặt trời từ các công trình nghiên cứu trong và
ngồi nước.
- Xây dựng cơ sở lý thuyết và thực nghiệm thiết bị vào những thời điểm thời
tiết khác nhau với các thơng số : góc nghiêng, lưu lượng nước cấp, hướng mặt
trời từ đó xác định được điều kiện vận hành tối ưu nhất của thiết bị, trên cơ sở
đó phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng nước chưng cất và đề xuất
giải pháp cải tiến.
-Thiết kế chế tạo dàn ống trao đổi nhiệt gia nhiệt nước cấp trước khi đưa vào
chưng cất, bình trữ nước nóng và tiến hành các thực nghiệm sau:
+ Thực nghiệm thiết bị chưng cất Carocell truyền thống và thiết bị Carocell
cải tiến có sử dụng bộ gia nhiệt nước cấp
+ So sánh kết quả thực nghiệm và đánh giá hiệu quả làm việc của thiết bị
sau khi cải tiến.
- Rút ra các kết luận và kiến nghị.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 20 – 01 - 2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20 – 06 - 2014
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 : TS. NGUYỄN THẾ BẢO


Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2014
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐÀO TẠO

TS. NGUYỄN THẾ BẢO

GS.TS LÊ CHÍ HIỆP
TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ


LỜI CẢM ƠN
Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
 Giáo viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THẾ BẢO, đã phát hiện ra thiết bị chưng cất
nước Carocell và định hướng cho học viên tiếp cận, triển khai thực hiện công việc
nghiên cứu. Thầy đã cung cấp một số bài báo khoa học có giá trị, quan tâm, chia
sẻ, sửa chữa, đóng góp ý kiến kịp thời và giúp đỡ học viên hoàn thành các nội
dung nghiên cứu trong luận văn.
 Các Thầy trong bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh trường Đại học Bách Khoa thành
phố Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giảng dạy, truyền đạt kiến thức, kinh nghiệm trong
suốt thời gian học viên học cao học.
 Các bạn bè đồng nghiệp luôn chia sẻ, giúp đỡ học viên trong suốt thời gian thực
hiện luận văn.
 Gia đình, bố mẹ, vợ con đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, vật chất, chia sẻ,
động viên học viên trong suốt thời gian qua.
 Công ty TNHH Kim Hồng đã cung cấp sản phẩm Carocell để học viên có cơ hội
tiếp cận và nghiên cứu thực nghiệm.
 Ơng LÊ VĂN KHỐT giám đốc cơng ty Kim Hồng, người đã chia sẻ kinh
nghiệm và cung cấp những thông tin bổ ích để học viên thực hiện nghiên cứu thực
nghiệm.

HọcViên

TRẦN XUÂN AN

TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN

Luận văn nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm để cải tiến thiết bị chưng cất nước để uống
sử dụng năng lượng mặt trời của hãng Carocell bao gồm những nội dung chính sau:
 Tổng hợp các nghiên cứu trong và ngồi nước có liên quan đến chưng cất nước sử
dụng năng lượng mặt trời.
 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng chưng cất nước và đề xuất giải pháp
cải tiến nâng cao sản lượng thiết bị Carocell
 Sử dụng các công thức phù hợp để tính tốn các thơng số liên quan đến chưng cất
nước sử dụng năng lượng mặt trời
 Chế tạo bộ trao đổi nhiệt gia nhiệt nước cấp
 Nghiên cứu thực nghiệm thiết bị chưng cất nước Carocell cải tiến và so sánh kết
quả sau khi cải tiến.

ABSTRACT
The thesis “Theoretical & Experimental Study to improve the Carocell solar desalination
for drinking” consists of the following main items:
 Synthesizing the research results from the related references.
 Analysis of factors affecting the production of distilled water and propose
solutions for improving the output device Carocell
 Use the appropriate formula to calculate parameters related to water distillation
using solar energy.
 Production of heat exchangers heating water.
 Experimental study Carocell water distillation equipment improvements and
compare the results after improvements.


LỜI CAM ĐOAN

Học viên xin cam đoan những nội dung kiến thức được trình bày trong luận

văn này là do học viên tìm hiểu và nghiên cứu.
Học viên có sử dụng một số nguồn tài liệu khác của các tác giả trong và ngồi
nước và có trích dẫn rõ nguồn gốc.

Học viên

TRẦN XUÂN AN


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
1. CHỮ VIẾT TẮT
MT: Mặt trời
NLMT: Năng lượng mặt trời
BXMT: Bức xạ mặt trời
TĐN: Trao đổi nhiệt
A: Area, diện tích
W: Water, nước
S: Steel, thép
P: Plastic, tấm nhựa
Th: theory, lý thuyết
Ex: Experimental: thực nghiệm
Cd: condensing
ab: absorption
Unglazed: Loại bộ thu khơng có gương phản xạ
FPC: Flat Plate Collector: Bộ thu tấm phẳng
ETC: Evacuated Tube Collector: Bộ thu ống thủy tinh chân không
MSF: Multi Stage Flash; MED: Multi Effect Distillation; TVC: Thermal Vapor
Compression; MD: Membrane Distillation; RO: Reverse Osmosis
ED: Electrodialysis; PV: Photo Voltaics
2. CÁC KÝ HIỆU, Ý NGHĨA VÀ ĐƠN VỊ

2.1 Các ký hiệu liên quan đến tính tốn cường độ bức xạ mặt trời
Ký hiệu
G

Tên
Cường độ bức xạ MT đến bềmặtnằmngangđặtbêntrongbầukhíquyển

Đơnvị
W/m2


Gb

Cường độ tia trực xạ đến bề mặt nằm ngang đặt bên trong bầu khí quyển

W/m2

Go

Cường độ bức xạ MT đến bề mặt nằm ngang đặt bên ngồi bầu khí quyển

W/m2

Gon

Cường độ bức xạ MT đến bề mặt vng góc tia trực xạ đặt bên ngồi bầu

W/m2

khí quyển

GSC

Hằng số MT

W/m2

GT

Cường độ tia khuếch tán đến bề mặt nằm ngang đặt bên trong bầu khí

W/m2

quyển
GT

Cường độ bức xạ MT đến bề mặt nằm nghiêng đặt bên trong bầu khí

W/m2

quyển

n

Thứ tự của ngày khảo sát trong năm

Rb

Tỷ số giữa cường độ của tia trực xạ đến mặt phẳng nằm nghiêng so với
mặt phẳng nằm ngang

α

Góc cao độ của MT

độ

β

Góc nghiêng của bề mặt khảo sát

độ

γ

Góc phương vị của mặt phẳng

độ

γS

Góc phương vịc ủa MT

độ

δ

Góc lệch của MT

độ

θ

Góc tới của tia trực xạ

độ

θz

Góc thiên đỉnh của MT

độ

τb

Hệ số xuyên qua bầu khí quyển của tia trực xạ

τd

Hệ số xuyên qua bầu khí quyển của tia khuếch tán

ϕ

Vĩ độ vị trí khảo sát

độ

ω

Góc giờ MT

độ

2.2 Các ký hiệu liên quan đến tính tốn thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng
mặt trời
Kýhiệu

Tên

Đơnvị

Qcw

Nhiệt lượng trao đổi đối lưu từ mặt nước đến tấm phủ

W

Qrw

Nhiệt lượng trao đổi bằng bức xạ giữa bề mặt nước và tấm phủ

W


Qew

Nhiệt lượng bốc hơi giữa bề mặt nước và tấm phủ

W

Qrp1

Nhiệt lượng bức xạ từ tấm phủ nhựa trong suốt ra môi trường

W

Qcp1

Nhiệt lượng đối lưu từ tấm phủ nhựa trong suốt ra môi trường

W

QcS

Nhiệt lượng đối lưu từ tấm thép đến tấm nhựa mặt đáy

W

Qcd

Nhiệt lượng của hơi nhả ra và ngưng tụ trên tấm nhựa mặt đáy

W

QrS

Nhiệt lượng bức xạ từ tấm thép đến tấm nhựa mặt đáy

W

Qcp2

Nhiệt lượng đối lưu từ tấm nhựa mặt đáy ra môi trường

W

Qrp2

Nhiệt lượng bức xạ từ tấm nhựa mặt đáy ra mơi trường

W

Qw

Nhiệt lượng làm nóng nước

W

 th

Hiệu suất thiết bị (lý thuyết)

%

 ex

Hiệu suất thiết bị (thực nghiệm)

%

IS

Cường độ bức xạ mặt trời chiếu tới tấm phủ nhựa trong suốt

W/m2

Qρ

Nhiệt lượng phản xạ trên bề mặt tấm phủ nhựa trong suốt

W

Qα

Nhiệt lượng hấp thụ của tấm phủ nhựa trong suốt

W

Qτ

Nhiệt lượng xuyên qua bề mặt tấm phủ nhựa trong suốt

W

Q ρw

Nhiệt lượng phản xạ trên bề mặt nước

W

Qαab

Nhiệt lượng hấp thụ của bề mặt hấp thụ

W

𝛼
𝜏

Hệ số hấp thụ

𝜌

Hệ số xuyên qua
Hệ số phản xạ

ε
hc

Hệ số phát xạ

he

Hệ số tỏa nhiệt bốc hơi

p

Phân áp suất hơi nước bão hòa tại nhiệt độ bề mặt

T

Nhiệt độ

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu

W/m2độ
W/m2độ
N/m2
0

C

Wmin

Công cực tiểu (điện năng hoặc cơ năng) để sản xuất được 1m3 nước

kWh/m3

Qmin

Nhiệt lượng cực tiểu để sản xuất được 1m3 nước

kWh/m3


Tv1

Nhiệt độ hơi ở bộ ngưng tụ chính

0

C

Tv1

Nhiệt độ hơi ở bộ ngưng tụ phụ (ngoài)

0

C

TW

Nhiệt độ nước trong thiết bị chưng cất Carocell

0

C

TS

Nhiệt độ bề mặt tấm thép không gỉ

0

C

Nhiệt độ bề mặt tấm nhựa phủ trong suốt

0

Tp1

C

0

C

Tp1

Nhiệt độ bề mặt tấm nhựa mặt đáy
0

C

Nhiệt độ môi trường không khí

0

C

Two

Nhiệt độ nước xả

0

C

Vwd

Tốc độ gió

Pp1

Phân áp suất hơi nước trên bề mặt tấm phủ trong suốt

Pp2

Phân áp suất hơi nước trên bề mặt tấm nhựa mặt đáy

Pw

Phân áp suất bề mặt nước trong thiết bị Carocell

Ta

m/s
N/m2
N/m2
N/m2

hcw1

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu từ bề mặt nước đến tấm phủ trong suốt

hcw2

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu của hơi nước đến tấm nhựa mặt đáy

hew1

Hệ số tỏa nhiệt bốc hơi từ bề mặt nước đến tấm phủ trong suốt

hew2

Hệ số tỏa nhiệt bốc hơi của hơi nước đến tấm nhựa mặt đáy

Lv1

Nhiệt ẩn hóa hơi trên bộ ngưng tụ chính

Lv2

Nhiệt ẩn hóa hơi trên bộ ngưng tụ phụ (ngồi)

Mw1

Sản lượng nước chưng cất trong bộ ngưng tụ chính

Lít/2m2/ngày

Mw2

Sản lượng nước chưng cất trong bộ ngưng tụ phụ

Lít/2m2/ngày

Mwt

Tổng sản lượng nước chưng cất của thiết bị

Lít/2m2/ngày

W/m2độ
W/m2độ
W/m2độ
W/m2độ
kJ/kg
kJ/kg


DANH MỤC HÌNH ẢNH – BẢNG
1. HÌNH ẢNH
Hình 1.1: So sánh định mức cấp nước
Hình 1.2 Nước uống rất cần thiết cho cơ thể
Hình 1.3: Nhu cầu nước sạch rất cần thiết cho người dân
Hình 1.4: Lũ quét gia tăng liên tục trong 4 thập kỷ gần đây
Hình 2.1: Sơ đồ cấu trúc mặt trời
Hình 2.2: Dải bức xạ điện từ
Hình 2.3: Góc nhìn mặt trời
Hình 2.4 Quy trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất
Hình 2.5: Sự phân bố theo bước sóng của bức xạ mặt trời ngoài trái đất, vật đen tương
đương và phổ bị làm yếu do khí quyển.
Hình 2.6: Tổng công suất lắp đặt và năng lượng sản xuất ra hàng năm tính đến cuối năm
2012
Hình 2.7: Biểu đồ thể hiện công suất lắp đặt các thiết bị khai thác nhiệt năng từ NLMT
tại các quốc gia trên thế giới
Hình 2.8: Biểu đồ so sánh tổng cơng suất lắp đặt các bộ thu NLMT đến cuối năm 2011
Hình 2.9: Biểu đồ tổng công suất lắp đặt các bộ thu NLMT đến cuối năm 2011

Hình 2.10: Hiện trạng chưng cất nước từ các nguồn nước trên thế giới
Hình 2.11 : Biểu đồ cơng suất chưng cất nước trên thế giới
Hình 2.12: Nguồn năng lượng tái tạo phục vụ chưng cất nước trên thế giới,%
Hình 2.13: Tỷ lệ sản lượng nước chưng cất trên thế giới tính đến cuối năm 2010
Hình 2.14 : Biểu đồ so sánh công suất chưng cất nước 10 nước hàng đầu thế giới
Hình 2.15: Phân loại thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời
Hình 2.16: Phân loại thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời kiểu bị động
và chủ động
Hình 2.17: Hiện trạng chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới tính đến
năm 2006
Hình 2.18 : Hiện trạng chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới tính
đến năm 2011


Hình 2.19: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kiểu bị động (kiểu truyền thống)
Hình 2.20: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kiểu bị động (Double Basin)
Hình 2.21: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kiểu nghiêng dạng bậc thang (Casade
solar still)
Hình 2.22: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kiểu nghiêng kết hợp màng thẩm thấu
(Wick type solar still)
Hình 2.22: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kiểu truyền thống có bố trí bộ ngưng tụ
ngồi
Hình 2.23: Cấu tạo bể chưng cất và bộ ngưng tụ ngồi
Hình 2.24: Biểu đồ so sánh sản lượng nước của thiết bị chưng cất nước có bố trí bộ
ngưng tụ ngồi (kết cấu như hình 2.22,2.23)
Hình 2.25: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kiểu nghiêng có bố trí bộ ngưng tụ
ngồi tuần hồn hơi
Hình 2.26: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kết hợp bộ thu collector phẳng
Hình 2.27: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kết hợp bộ thu dạng máng
Hình 2.28: Sơ đồ nguyên lý chưng cất kiểu thu hồi nhiệt ẩn hóa hơi

Hình 2.29: Chưng cất nước năng lượng mặt trời dạng nhiều cấp-MSF
Hình 2.30: Chưng cất nước năng lượng mặt trời dạng nhiều tác động –ME
Hình 2.31: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kiểu nén hơi –VC
Hình 2.32: Chưng cất nước năng lượng mặt trời kiểu màng –MD
Hình 2.33 : Đặc điểm cấu tạo tấm chưng cất nước Carocell
Hình 2.34 Tấm chưng cất nước Carocell thực tế
Hình 2.35: Tấm màng chưng cất
Hình 2.36: Sơ đồ nguyên lý thiết bị chưng cất nước Carocell
Hình 2.37 : Phân bố các nước sử dụng sản phẩm chưng cất nước Carocel của cơng ty F
Cubed trên thế giới
Hình 3.1 Ngun lý quá trình chưng cất nước năng lượng mặt trời
Hình 3.2: Kết cấu tấm phẳng ngưng màng và ngưng giọt
Hình 3.3: Giọt chất lỏng tạo thành của chất lỏng dính ướt và khơng dính ướt bề mặt
Hình 3.4: Tỏa nhiệt đối lưu tự nhiên trong khơng gian hẹp
Hình: 4.1: Biểu đồ các yếu tố ảnh hưởng đến sản lượng nước chưng cất
Hình 4.2: Sản lượng nước chưng cất với các bộ gia nhiệt khác nhau
Hình 5.1: Sơ đồ nguyên lý bố trí thực nghiệm tấm chưng cất nước Carocell


Hình 5.2: Phân tích dịng nhiệt thiết bị Carocell

Hình 5.3: Mơ hình thí nghiệm thực tế (góc nghiêng 230)
Hình 5.4: Biểu đồ cường độ bức xạ-nhiệt độ môi trường – tốc độ gió
Hình 5.5: Biểu đồ nhiệt độ nước- tấm phủ- nhiệt độ hơi
Hình 5.6: Biểu đồ nhiệt độ tấm thép khơng gỉ theo cường độ bức xạ
Hình 5.7: Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết bộ ngưng tụ chính và bộ ngồi
Hình 5.8: Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết và thực tế
Hình 5.9: Mơ hình thực nghiệm thực tế
Hình 5.10: Biểu đồ cường độ bức xạ - Nhiệt độ mơi trường – Vận tốc gió
Hình 5.11: Biểu đồ nhiệt độ tấm thép không gỉ theo cường độ bức xạ

Hình 5.12: Biểu đồ nhiệt độ nước- tấm phủ- nhiệt độ hơi
Hình 5.13: Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết bộ ngưng tụ chính và bộ ngồi
Hình 5.14: Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết và thực tế
Hình 5.15: Biểu đồ dung ẩm và độ ẩm
Hình 5.16: Biểu đồ cường độ bức xạ - Nhiệt độ môi trường – Vận tốc gió
Hình 5.17: Biểu đồ nhiệt độ tấm thép khơng gỉ theo cường độ bức xạ
Hình 5.18: Biểu đồ nhiệt độ nước- tấm phủ- nhiệt độ hơi
Hình 5.19: Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết bộ ngưng tụ chính và bộ ngồi
Hình 5.20: Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết và thực tế
Hình 5.21: Biểu đồ cường độ bức xạ - Nhiệt độ mơi trường – Vận tốc gió
Hình 5.22: Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết bộ ngưng tụ chính và bộ ngồi
Hình 5.23: Biểu đồ sản lượng nước thực tế theo bức xạ
Hình 5.24: Biểu đồ nhiệt độ nước- tấm phủ- nhiệt độ hơi
Hình 5.25 : Sơ đồ nguyên lý đường ống nước và ống trao đổi nhiệt thiết kế
Hình 5.26: Bố trí ống đồng áp sát bề mặt tấm thép khơng gỉ
Hình 5.27: Mơ hình Carocell cải tiến
Hình 5.28: Sơ đồ nguyên lý cung cấp nước thực tế


Hình 5.29: Dịng nhiệt thiết bị Carocell cải tiến
Hình 5.30: Biểu đồ cường độ bức xạ-nhiệt độ môi trường – tốc độ gió
Hình 5.31: Biểu đồ nhiệt độ tấm thép khơng gỉ theo cường độ bức xạ
Hình 5.32: Nhiệt độ nước – tấm phủ và nhiệt độ hơi
Hình 5.33: Nhiệt độ nước bộ gia nhiệt
Hình 5.34: Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết bộ ngưng tụ chính và bộ ngồi
Hình 5.35: Biểu đồ sản lượng nước lý thuyết và thực tế
Hình 5.36: Biểu đồ độ ẩm tương đối và dung ẩm
Hình 5.37: Biểu đồ cường độ bức xạ - Nhiệt độ mơi trường – Vận tốc gió
Hình 5.38: Biểu đồ sản lượng nước thực tế
Hình 5.39: Biểu đồ sản lượng nước thực tế và nhiệt độ bộ gia nhiệt

Hình 5.40: Biểu đồ sản lượng nước thực tế và lý thuyết
Hình 5.41: Biểu đồ nhiệt độ nước – tấm phủ - nhiệt độ hơi
Hình 5.42: Biểu đồ sản lượng nước chưng cất lý thuyết theo giờ
Hình 5.43: Biểu đồ sản lượng nước chưng cất thực tế theo giờ
Hình 5.44: Biểu đồ tổng sản lượng nước chưng cất trong ngày
Hình 5.45: Biểu đồ hiệu suất thiết bị Carocell
Hình 5.46: Biểu đồ quan hệ nhiệt lượng tối thiểu để sản xuất được 1m3 nước chưng cất nhiệt độ nước trong thiết bị ứng với nhiệt độ môi trường 320C
2. BẢNG
Bảng 1.1: Lượng nước cấp cho quy hoạch ở Việt Nam
Bảng 1.2 Dự báo nhu cầu cấp nước cho từng giai đoạn ở Việt Nam
Bảng 1.3: Nhu cầu nước cho các cơ sở hoạt động công cộng
Bảng 1.4: So sánh định mức cấp nước
Bảng 2.1: Bảng thống kê công suất lắp đặt thiết bị thu NLMT tại các quốc gia trên thế
giới, (MWth)
Bảng 2.2: Thống kê tổng diện tích lắp đặt các thiết bị thu NLMT (m2)


Bảng 2.3: Tổng công suất lắp đặt mới các bộ thu NLMT đến cuối 2011, MWth/năm
Bảng 2.4: Tổng diện tích lắp đặt mới các bộ thu NLMT đến cuối 2011, m2/năm
Bảng 2.5: Bức xạ mặt trời trung bình ở Hà Nội
Bảng 2.6: Bức xạ mặt trời trung bình ở Đà Nẵng
Bảng 2.7: Bức xạ mặt trời trung bình ở Tp. Hồ Chí Minh
Bảng: 2.8: Hiệu suất các thiết bị chưng cất nước
Bảng 2.9: Thông số kỹ thuật tấm phủ nhựa trong suốt
Bảng 2.10: Thông số kỹ thuật các loại sản phẩm Carocell
Bảng 2.11: So sánh thiết bị chưng cất nước truyền thống và Carocell
Bảng 5.1: Kết quả kiểm tra mẫu nước máy thành phố
Bảng 5.2: Kết quả thực nghiệm ngày 13/03/2014
Bảng 5.3: Kết quả thực nghiệm ngày 13/03/2014 (Tiếp theo)
Bảng 5.4: Kết quả thực nghiệm ngày 20/03/2014

Bảng 5.5: Kết quả thực nghiệm ngày 20/03/2014 (tiếp theo)
Bảng 5.6: Kkết quả thực nghiệm 10/04/2014
Bảng 5.7: Kkết quả thực nghiệm 10/04/2014 (tiếp theo)
Bảng 5.8:Kết quả thực nghiệm Ngày 15/04/2014
Bảng 5.9:Kết quả thực nghiệm Ngày 15/04/2014 (tiếp theo)
Bảng 5.10:Kết quả thực nghiệm Ngày 12/05/2014
Bảng 5.11: Kết quả thực nghiệm 24/05/2014
Bảng 5.12: Kết quả thực nghiệm 24/05/2014(Tiếp theo)
Bảng 5.13: Tổng hợp kết quả thực nghiệm
Bảng 5.14: Kết quả kiểm tra mẫu nước sau khi chưng cất của Carocell cải tiến


MỤC LỤC
CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU
1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ................................................................................. 1
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ......................................................................... 1
1.3 ĐỐI TƢỢNG và PHẠM VI NGHIÊN CỨU ............................................... 1
1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU................................................................. 2
1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI ........................................................ 2
1.6 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI ................................................................ 2
CHƢƠNG II: TỔNG QUAN
2.1 Tổng quan về mặt trời ................................................................................... 9
2.2 Hiện trạng sử dụng năng lƣợng mặt trời trên thế giới ............................. 15
2.3 Tiềm năng và hiện trạng sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam....... 22
2.4 Hiện trạng chƣng cất nƣớc trên thế giới .................................................... 26
2.5 Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng năng lƣợng mặt trời ............................ 28
2.5.1

Phân loại ............................................................................................... 28

2.5.2

Thiết bị chưng cất nước kiểu trực tiếp ................................................. 31

2.5.3 Thiết bị chưng cất nước kiểu gián tiếp ................................................. 38
2.6 Giới thiệu thiết bị chƣng cất nƣớc Carocell .............................................. 40
2.6.1 Đặc điểm cấu tạo ...................................................................................... 40
2.6.2 Nguyên lý làm việc .................................................................................. 42
2.6.3 So sánh thiết bị chưng cất Carocell với thiết bị chưng cất nước truyền
thống dạng bể phẳng một tấm phủ .................................................................... 43
2.6.4 Ưu nhược điểm và ứng dụng ................................................................... 44


CHƢƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1 Năng lƣợng mặt trời .................................................................................... 47
3.2 Nguyên lý quá trình chƣng cất nƣớc sử dụng năng lƣợng mặt trời ....... 51
3.3 Cơ cấu quá trình ngƣng hơi ........................................................................ 51
3.4 Cơ sở truyền nhiệt ........................................................................................ 54
3.4.1 Dẫn nhiệt .................................................................................................. 54
3.4.2 Trao đổi nhiệt đối lưu .............................................................................. 55
3.4.3 Trao đổi nhiệt bức xạ ............................................................................... 57
3.5 Truyền nhiệt trong thiết bị chƣng cất nƣớc năng lƣợng mặt trời.......... 57
3.5.1 Nhiệt lượng trao đổi đối lưu từ mặt nước đến tấm phủ ........................... 57
3.5.2 Nhiệt lượng trao đổi bằng bức xạ giữa bề mặt nước và tấm phủ ............ 58
3.5.3 Nhiệt lượng bốc hơi giữa bề mặt nước và tấm phủ ................................. 59
3.5.4 Nhiệt lượng tổn thất từ tấm phủ ra môi trường xung quanh .................... 59
3.5.5 Sản lượng nước chưng cất được trong một giờ ....................................... 59
3.5.6 Hiệu suất tức thời của thiết bị .................................................................. 60
3.5.7 Hiệu suất xác định theo phương pháp thực nghiệm ................................ 60
CHƢƠNG IV: PHÂN TÍCH ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP CẢI TIẾN

4.1 Phân tích các yếu tố ảnh hƣởng đến sản lƣợng nƣớc chƣng cất ............. 61
4.1.1 Ảnh hưởng của bức xạ mặt trời ............................................................... 61
4.1.2 Ảnh hưởng của tốc độ gió trên tấm phủ .................................................. 61
4.1.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường xung quanh .................................... 62
4.1.4 Ảnh hưởng của bụi và mây che ............................................................... 62
4.1.5 Ảnh hưởng của tỷ lệ diện tích ngưng tụ và diện tích bốc hơi.................. 62
4.1.6 Ảnh hưởng của độ nghiêng tấm phủ ........................................................ 63
4.1.7

Ảnh hưởng của nhiệt độ tấm phủ ......................................................... 63


4.1.8

Ảnh hưởng của bề dày lớp nước trong thiết bị .................................... 63

4.1.9

Ảnh hưởng của việc bố trí bộ ngưng tụ ngoài...................................... 64

4.1.10 Ảnh hưởng của việc tạo đối lưu cưỡng bức bên trong thiết bị .............. 65
4.1.11 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước cấp vào .................................................. 65
4.1.12 Ảnh hưởng của lưu lượng nước cấp ...................................................... 66
4.2 Đề xuất giải pháp cải tiến ............................................................................ 66
CHƢƠNG V
THỰC NGHIỆM– TÍNH TỐN THIẾT BỊ CHƢNG CẤT NƢỚC
CAROCELL
5.1Nguồn nƣớc sử dụng cho chƣng cất ............................................................ 67
5.2Mục đích thực nghiệm .................................................................................. 67
5.3Phƣơng pháp thực nghiệm ........................................................................... 67

5.4 Tính tốn thực nghiệm thiết bị chƣng cất nƣớc Carocell ........................ 68
5.4.1 Sơ đồ thực nghiệm ................................................................................... 68
5.4.2 Nguyên lý làm việc .................................................................................. 69
5.4.3 Phân tích dịng nhiệt thiết bị chưng cất nước Carocell .................................. 69
5.4.4 Kết quả tính toán và thực nghiệm ............................................................ 70
Nhận xét : ............................................................................................................ 95
5.5 Tính tốn thiết kế bộ trao đổi nhiệt............................................................ 96
5.6 Tính chọn bình chứa nƣớc .......................................................................... 99
5.7 Tính tốn thực nghiệm thiết bị chƣng cất nƣớc Carocell cải tiến ......... 100
Nhận xét: ........................................................................................................... 116
5.8 Tổng hợp kết quả thực nghiệm ................................................................. 117
5.9 Giới hạn nhiệt độ nƣớc .............................................................................. 120
Nhận xét: ........................................................................................................... 122


5.10 Kết quả kiểm tra mẫu nƣớc sau chƣng cất............................................ 122
5.11 Chi phí cải tiến thiết bị ............................................................................ 123

CHƢƠNG VI: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
6.1: Kết luận ......................................................................................................... 124
6.2 Kiến nghị ........................................................................................................ 124
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................. 126
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 128


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

CHƢƠNG I: MỞ ĐẦU

1.1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Trước hết 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.
Bên cạnh đó tác giả quan tâm đến một tác dụng lớn của việc chưng cất nước để có
một nguồn nước uống sạch, tinh khiết phục vụ cho người dân tại các vùng sâu vùng xa
ở Việt Nam, những vùng miền thiếu nước sạch hoặc nguồn nước bị ô nhiễm.
Thứ hai là vấn đề ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng. Do đó 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, giảm thiểu chi phí và bảo vệ mơi trường đang được
quan tâm hiện nay.
Các thiết bị chưng cất nước trong thực tế của các nghiên cứu trước sử dụng các
thiết bị điện, tận dụng nhiệt thải và các thiết bị chưng cất nước bằng năng lượng mặt trời
đơn giản nhưng hiệu quả chưa cao hoặc hệ thống còn cồng kềnh và chi phí cao.
Vì vậy việc nghiên cứu cải tiến nâng cao sản lượng thiết bị chưng cất nước bằng
năng lượng mặt trời dạng bị động của hãng Carocell với chi phí rẻ nhất là vấn đề được
học viên đặc biệt quan tâm và lựa chọn nghiên cứu.
1.2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu cải tiến nâng cao sản lượng thiết bị chưng cất nước bằng năng lượng
mặt trời dạng bị động của hãng Carocell phải đảm bảo các yêu cầu:
- Khơng phá vỡ kết cấu hình dạng của thiết bị gốc
- Thiết bị cải tiến dễ chế tạo, vận hành, bảo dưỡng, sửa chữa
- Chi phí rẻ nhất
- Tính ứng dụng và đưa vào sản xuất thực tế.
1.3 ĐỐI TƢỢNG và PHẠM VI NGHIÊN CỨU
-

Dùng năng lượng mặt trời

-

Tận dụng nhiệt có sẵn trong thiết bị

-

Thiết bị chưng cất dạng bị động

HV: TRẦN XUÂN AN_12824802

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

- Chưng cất nước ở điều kiện nhiệt độ thấp
1.4 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu cơ bản về lý thuyết chưng cất, truyền
nhiệt có sự hỗ trợ của các lý thuyết toán học.
- Nghiên cứu thực nghiệm mơ hình, thiết lập mối quan hệ giữa các đại lượng và
kiểm chứng các giả thuyết.
1.5 Ý NGHĨA THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
- Vấn đề năng lượng ở Việt Nam nói riêng và thế giới nói chung đang là vấn đề cấp
thiết và rất được quan tâm. Giải pháp chế tạo các thiết bị chưng cất nước sử dụng
năng lượng mặt trời để tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm môi trường và nâng cao
hiệu quả kinh tế.
- Giải quyết tình trạng khan hiếm nguồn nước đảm bảo chất lượng nhằm phục vụ
nhu cầu sinh hoạt của người dân từ đó chế tạo một loại thiết bị tận dụng nhiệt nhằm

nâng cao sản lượng nước chưng cấtchưng cất.
- Thời gian gần đây thiết bị chưng cất nước Carocell đang được ứng dụng rất nhiều
ở các vùng biển đảo như đảo đá Tây A - Trường Sa - Khánh Hịa, các vùng ngập mặn
như đồng bằng sơng Cửu Long với nhà cung cấp chính ở thị trường Việt Nam là cơng
ty TNHH Kim Hồng – Gị Vấp – Thành Phố Hồ Chí Minh. Việc tiếp cận và bắt tay
nghiên cứu cải tiến nâng cao sản lượng thiết bị của học viên đang được sự ủng hộ và
quan tâm sâu sắc của giám đốc cơng ty ơng Lê Văn Khốt.
1.6 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
-

Với kết cấu đơn giản, gọn nhẹ mang tính thương mại cao của thiết bị chưng cất

nước Carocell đã được áp dụng ở Việt Nam từ đầu năm 2012 là một giải pháp thiết thực
phục vụ nước uống và sinh hoạt cho người dân ở các vùng biển đảo và vùng ngập mặn.
Tuy nhiên chi phí giá thành cho mỗi một m2 diện tích thiết bị cịn khá cao khoảng 3.5
triệu VND/ 1m2 từ đó thúc đẩy tác giả nghiên cứu cải tiến nhằm tăng sản lượng thiết bị
với chi phí đầu tư rẻ nhất là hết sức cấp thiết.
Nhu cầu nƣớc sạch ở Việt Nam:
Tiêu chuẩn dùng nước cho từng đầu người thường tùy thuộc vào mức độ phát triển
kinh tế của từng vùng và điều kiện cấp nước.

HV: TRẦN XUÂN AN_12824802

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Bảng 1.1: Lượng nước cấp cho quy hoạch ở Việt Nam [19]

Bảng 1.2 Dự báo nhu cầu cấp nước cho từng giai đoạn ở Việt Nam [19]

HV: TRẦN XUÂN AN_12824802

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Bảng 1.3: Nhu cầu nước cho các cơ sở hoạt động công cộng

Bảng 1.4: So sánh định mức cấp nước

Hình 1.1: So sánh định mức cấp nước

HV: TRẦN XUÂN AN_12824802

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ

GVHD: TS. NGUYỄN THẾ BẢO

Vai trò của nƣớc đối với cơ thể sống
Nuớc có vai trị đặc biệt quan trọng với cơ thể, con nguời có thể nhịn ăn đuợc vài

ngày, nhưng không thể nhịn uống nuớc. Nuớc chiếm khoảng 70% trọng luợng cơ thể, 6575% trọng luợng cơ, 50% trọng luợng mỡ, 50% trọng luợng xương. Nuớc là một dung
mơi, nhờ đó tất cả các chất dinh duỡng được đưa vào cơ thể, sau đó được chuyển vào
máu duới dạng dung dịch nuớc.
Một nguời cần cung cấp 2-3 lít nuớc/ngày để đổi mới luợng nuớc của cơ thể và
duy trì các hoạt dộng sống bình thuờng.
Tóm lại, nuớc rất cần cho cơ thể, mỗi nguời phải tập cho mình một thói quen uống
nuớc để cơ thể khơng bị thiếu nuớc. Có thể nhận biết cơ thể bị thiếu nuớc qua cảm giác
khát hoặc màu của nuớc tiểu, nuớc tiểu có màu vàng đậm chứng tỏ cơ thể
đang bị thiếu nuớc. Duy trì cho cơ thể ln ở trạng thái cân bằng nuớc là yếu tố quan
trọng bảo đảm sức khỏe của mỗi nguời.

Hình 1.2 Nước uống rất cần thiết cho cơ thể
Tình hình sử dụng nƣớc sạch ở nông thôn
Ðối với khu vực nông thôn VN có khoảng 36.7 triệu nguời dân được cấp nuớc
sạch (trên tổng số 60,44 triệu dân). Tỉ lệ dân số nông thôn được cấp nuớc sinh hoạt lớn
nhất ở vùng Nam Bộ chiếm khoảng 66,7%, đồng bằng sông Hồng 65,1% đồng bằng
sông Cửu Long 62,1%. Các tỉnh ven biển thuộc đồng bằng sông Cửu Long như: Kiên
Giang, Trà Vinh, Bến Tre, Long An do nguồn nuớc ngọt trên các sông, rạch, ao, hồ
không đủ phục vụ nhu cầu của đời sống và sản xuất, vì vậy nguồn nuớc cung cấp chủ yếu
HV: TRẦN XUÂN AN_12824802

5