Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ Giáo dục - Đào tạo Cao đẳng - Đại học Nghiên cứu xác định một số thông số đặc tính của quá trình khử muối nước biển bằ...

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

.PDF
18
437
115

Mô tả:

 Ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước phun và nhiệt độ nước giải nhiệt sẽ tồn MỞ ĐẦU tại một tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa nước phun và không khí. Ở Tmin=5oC thì nhiệt độ nước phun hợp lý cho hệ thống khử muối phun 1. Sự cần thiết của vấn đề nghiên cứu tách ẩm cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời là từ 70oC đến 75oC. Khan hiếm nước sạch và biến đổi khí hậu là hai vấn đề đang đe dọa đến sự sống  Khi thiết kế thiết bị phun ẩm thì số Me hợp lý là từ 1,2 đến 2. của nhân loại. Dân số thế giới ngày càng tăng nhanh cộng với tốc độ đô thị hóa  Mật độ xối tưới tối đa trên một đơn vị diện tích lớp đệm trong thiết bị phun và công nghiệp hóa ở các quốc gia đã làm cho nguồn nước trở nên ô nhiễm và  2  ẩm là 0,75kg/(m s). ngày càng cạn kiệt. Theo báo cáo của tổ chức phát triển nguồn nước của Liên Bộ thu tập trung không thích hợp để cấp nhiệt cho hệ thống khử muối phun Hiệp Quốc năm 2016 thì có hơn 1,8 tỷ người thiếu nước uống trên toàn thế giới tách ẩm nói riêng và cung cấp nước nóng nói chung trong điều kiện Tp. Hồ [1]. Hầu hết tập trung ở những quốc gia có mức thu nhập thấp. Chí Minh.  Nước là nguồn gốc của sự sống, là nhân tố quyết định sự tồn tại, phát triển bền Năng lượng nhiệt cung cấp để sản xuất được 1kg nước ngọt bằng thực nghiệm là từ 1684kJ đến 1875kJ ở nhiệt độ nước phun tương ứng là 70oC và 75oC.  Hệ số năng suất GOR của hệ thống làm việc ở Tmin=5oC 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].  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 Năng suất tính toán trung bình của hệ thống khử muối phun tách ẩm làm do môi trường nước đang ngày một ô nhiễm trầm trọng việc từ 8h đến 15h trong điều kiện thời tiết Tp. Hồ Chí Minh là 4Hầu hết nước mà con người sử dụng đều là nước sạch. Ở các nước phát triển, 5,9kg/(m2ngày). 6.3 tài nguyên nước đóng vai trò vô cùng quan trọng và được đặt lên hàng đầu Kiến nghị trong việc khai thác, sử dụng và quản lý với quy mô lớn. Ngược lại, đối với Hướng mở rộng tiếp theo của luận án: những quốc gia chậm phát triển hoặc các nước đang phát triển, vai trò của nước  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. vẫn chưa được nhận thức rõ ràng, song hành với điều đó là việc sử dụng lãng  Cần phải tiến hành nghiên cứu tiếp tục với các loại đầu phun khác nhau. báu này.  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. Tài nguyên nước mặt ở nước ta phân bố không đồng đều trên toàn bộ lãnh thổ  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.õQ sạch là vùng núi cao, vùng ven biển và hải đảo. Do đó việc khai thác nước phí và ít có động thái để bảo tồn và sử dụng hiệu quả nguồn khoáng sản quý và thay đổi theo các mùa trong năm. Những khu vực thường xuyên thiếu nước ngầm tại những khu vực này không hợp lí có thể gây ra tình trạng sụt lún đất, và nguồn nước ngầm có thể bị nhiễm mặn tại các khu vực ven biển. Bên cạnh 36 1 đó việc biến đổi khí hậu cũng gây ảnh hưởng không nhỏ đến việc cung cấp Kết quả tính toán cho thấy năng suất của hệ thống khử muối phun tách ẩm cấp nước sạch, nước biển dâng cao làm cho vùng ven biển nhiễm mặn, hoạt động nhiệt bằng bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập thay đổi tương ứng nông nghiệp cũng bị ảnh hưởng đáng kể và hàng loạt các ảnh hưởng khác. Năm với hiệu suất bộ thu trong khoảng 4-5,4kg/(m2.ngày). Đối với bộ thu cấp nhiệt 2016 đồng bằng sông Cửu Long trãi qua một đợt hạn hán kéo dài đã gây ảnh 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/(m2.ngày). Để giải quyết tình trạng thiếu nước sạch tại các vùng duyên hải như hiện nay mà không gây tác hại đối với sinh thái của khu vực này thì nước biển là nguồn CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 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 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. dưới dạng nhiệt năng hoặc điện năng. Các nguồn năng lượng cấp vào cho các (iii) Xác định được khoảng giá trị nhiệt độ nước phun tối ưu theo Tmin. quá trình khử muối truyền thống hầu hết có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch. (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. Trong quá khứ, khử muối nước biển để sản xuất nước sạch là phương pháp tốn (vi) Xác định được số Me hợp lý trong thiết bị phun ẩm. kém nhất do chi phí đầu tư ban đầu rất cao và chi phí tiêu hao cho năng lượng (vii) Xác định được mật độ xối tưới tối đa trên 1 đơn vị bề mặt lớp đệm trong thiết bị phun ẩm. nay phương pháp này vẫn là một trong những phương pháp chủ đạo trong việc cung cấp nước sạch cho nhân loại. Các phương pháp khử muối truyền thống tiêu thụ một lượng lớn năng lượng 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. 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 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 thiết bị phun ẩm không ảnh hưởng đến số Me trong khoảng nhiệt độ từ 35oC đến 38oC. 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 m3/ngày đêm. Theo ước tính một kết quả thực nghiệm chúng tôi cũng nhận thấy rằng khối lượng nước nạp vào nhà máy có công suất 1 triệu m3/(ngày đêm) thì mỗi năm tiêu thụ một lượng mẫu thực nghiệm hợp lý là nằm trong khoảng từ 1 kg đến 1,5kg. Với thể tích nhiên liệu tương đương với 8,78 triệu tấn dầu. Điều này cho thấy năng lượng của bề mặt nhận nhiệt bay hơi của mẫu thực nghiệm là 2,4 lít thì tỷ lệ nạp hợp tiêu thụ của các nhà máy khử muối nước biển hiện nay là rất lớn. Do đó cần lý sẽ là 42%-62%. phải tìm ra một giải pháp thích hợp để thay thế nguồn năng lượng cung cấp cho Dựa trên số liệu bức xạ mặt trời được đo song song với quá trình thực nghiệm bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập, chúng tôi đã xác định được hiệu suất trung bình của bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập ở tỷ lệ năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng địa nhiệt,… Đặc biệt là những khu vực vùng sâu vùng xa, hải đảo nơi mà nhiên liệu hóa thạch và điện là một hàng hóa khan hiếm và giá thành cao do việc vận nạp hợp lý là từ 45%-60%. 5.4 các hệ thống khử muối hiện nay. Biện pháp thay thế đó là sử dụng các nguồn Đánh giá năng suất của hệ thống khử muối phun tách ẩm cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời trong điều kiện Việt Nam chuyển và truyền tải khó khăn. 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. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác định được ảnh hưởng của các thông số 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 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. Hình 5.2: Bản vẽ 3D bộ thu ống nhiệt trọng trường tách dòng độc lập Nhiệt độ nước nóng [oC] đầu vào đến các thông số đầu ra trong hệ thống khử muối phun tách ẩm. Từ đó 80 60 Vị trí 1 Vị trí 2 Vị trí a 40 20 0 8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 Thời gian Hình 5.7: Kết quả thực nghiệm ống nhiệt trọng trường ở tỷ lệ nạp là 50% và mẫu đối chứng (iii) Khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ không khí và nước vào thiết bị phun Từ các kết quả nghiên cứu thực nghiệm chúng tôi nhận thấy rằng nước là môi ẩm đến nhiệt độ nước và không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm. Từ đó xác chất làm việc rất tốt trong ống nhiệt trọng trường loại tách dòng độc lập. So với định số Me hợp lý trong thiết bị phun ẩm. các loại môi chất khác thì nước có các ưu điểm nổi bật như sau: (i) Rẻ tiền, (2) (iv) Xác định mối liên hệ giữa chiều cao lớp đệm, nhiệt độ nước phun và tỷ 4 thân thiện với môi trường, (iii) ẩn nhiệt hóa hơi cao. 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 giá trị tối ưu. 5.3 5.3.1 (v) Đánh giá khả năng cấp nhiệt của năng lượng mặt trời cho hệ thống khử muối phun tách ẩm. 3. Đối tượng nghiên cứu 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 4. Phạm vi nghiên cứu Tp.HCM. Luận án tập trung nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong hệ 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 thống khử muối bằng phương pháp phun – tách ẩm. Từ đó xác định các thông số đặc tính tối ưu của hệ thống. đến tháng 4. Trong khoảng thời gian này là mùa nắng cho nên bầu trời tương 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 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của vấn đề nghiên cứu Đánh giá khả năng cấp nhiệt bằng bộ thu ống nhiệt Ý nghĩa về mặt khoa học: 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 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. Kết quả thực nghiệm cho thấy, với mẫu đối chứng thì nhiệt độ nước tại vị trí a và vị trí b là gần như nhau. Nhiệt độ nước nóng của mẫu đối chứng tăng đều theo thời gian và có sự dao động rất ít. Hiệu suất của mẫu đối chứng là tương 32  Xây dựng hoàn chỉnh chương trình mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt giữa nước và không khí trong hệ thống.  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 lượng được mối quan hệ giữa nhiệt độ nước và 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. Định lượng được mối quan hệ giữa chiều cao lớp đệm, nhiệt độ 5 nước phun và tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí theo nguồn nhiệt có nhiệt thế thấp, vận hành đơn giản và phù hợp dãy năng suất số Me. 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 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 trong thiết bị phun ẩm, mật độ xối tưới tối đa trên một đơn vị bề mặt lớp khử muối phun – tách ẩm. đệm trong thiết bị phun ẩm. 5.2 Chế độ vận hành của hệ thống khử muối phun – tách ẩm cấp nhiệt bằng năng lượng mặt trời  Đã phát minh và thử nghiệm thành công loại bộ thu ống nhiệt mới, có hiệu 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 cao và giá thành thấp có thể được ứng dụng rộng rãi để thay thế các loại bộ thu trên thị trường hiện nay. sung cho hệ thống có thể là các nguồn nhiệt thải từ động cơ máy phát điện diesel, hoặc các nguồn nhiệt rẻ tiền như: biogas, nhiên liệu sinh khối,…Đặc 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 - 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. 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 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 dãy năng suất 10-100m3/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 4.3.3 xác định một số thông số đặc tính của quá trình khử muối phun tách ẩm. Để đạt Dựa vào kết quả thực nghiệm và lý thuyết được trình bày trên hình 4.22 cho được mục tiêu này thì phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp giữa thấy rằng nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm và nhiệt độ không khí ra khỏi nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm. Do đó việc làm đầu tiên mà luận án phải thiết bị tách ẩm thực nghiệm thấp hơn so với lý thuyết. Kết quả lý thuyết và giải quyết là nghiên cứu lý thuyết về hệ thống khử muối phun – tách ẩm. Vấn thực tế có sự chênh lệch không đáng kể. đề chính của hệ thống khử muối phun tách ẩm là truyền nhiệt và truyền chất. 4.3.4 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 Kiểm chứng kết quả thực nghiệm và mô phỏng lý thuyết 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 không đáng kể so với lý thuyết. Sai số tương đối lớn nhất là 2,63% và Năng suất và hệ số năng suất của hệ thống khử muối phun – tách ẩm phụ thuộc sai số tuyệt đối lớn nhất là vào khả năng thu hồi nhiệt của hệ thống. Trong hệ thống khử muối phun – tách 4,14%. Điều này cho thấy các ẩm không khí tuần hoàn kín, nước tuần hoàn hở thì có 3 nguồn nhiệt cần thu kết quả mà luận án đã thực hiện hồi là: (i) nhiệt thải ra từ không khí nóng bão hòa có nhiệt độ cao trong thiết bị bằng lý thuyết trước đây là đáng tách ẩm, (ii) nhiệt thải ra do nước ngưng nhả ra ở thiết bị tách ẩm và (iii) nhiệt tin cậy. lượng do nước phun thải ra ở thiết bị phun ẩm. Hình 4.22: So sánh nhiệt độ đo đạc thực nghiệm và lý thuyết Thông Bảng 4.7: Kết quả đánh giá sai số Sai số tương đối Sai số tuyệt đối lớn Sai số tuyệt đối nhỏ số trung bình Trong các thông số ảnh hưởng đến tỷ lệ thu hồi nhiệt trong hệ thống khử muối t2 0,84 2,1 0,34 bằng phương pháp phun – tách ẩm loại nước tuần hoàn hở, không khí tuần hoàn t4 2,63 4,14 1,52 kín thì có thể nói rằng tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí tuần hoàn = ̇ ⁄ ̇ là thông số ảnh hưởng nhiều nhất. Hệ số ảnh hưởng t5 0,82 1,04 0,64 t6 1,84 3,6 0,77 đến nhiệt độ nước thải sau khi phun ở thiết bị phun ẩm, đồng thời cũng ảnh 4.4 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 hưởng đến nhiệt độ nước giải nhiệt và không khí ra khỏi thiết bị tách ẩm. 2.1.1.2 Nhiệt độ nước phun (%) nhất (%) nhất (%) Kết luận 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 Thông số thứ hai ảnh hưởng đến khả năng thu hồi nhiệt thải trong hệ thống khử 0,75kg/(m2.s). Kết quả thực nghiệm cũng cho thấy không khí vào thiết bị phun muối phun – tách ẩm là nhiệt độ nước phun. Tốc độ bay hơi của nước vào trong ẩm sẽ không ảnh hưởng đến giá trị số Me trong khoảng nhiệt độ 35-38oC. 8 29 ẩm sẽ không ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong thiết bị o o phun ẩm trong khoảng nhiệt độ 35 C-38 C. không khí phụ thuộc vào nhiệt độ nước phun. 2.1.1.3 Kết quả trên hình 4.9 cho thấy với cùng giá trị khi nhiệt độ nước phun khác Nhiệt độ nước giải nhiệt Nhiệt độ nước giải nhiệt càng thấp thì nhiệt lượng nước giải nhiệt thu hồi được nhau thì số Me cũng khác nhau. Nhiệt độ nước phun càng tăng thì số Me càng từ không khí tuần hoàn trong thiết bị tách ẩm càng cao và ngược lại. thấp và ngược lại. Sự biến đổi của số Me theo nhiệt độ nước phun không tuyến 2.1.2 tính mà là một đường cong phi tuyến. Sự thay đổi giá trị số Me theo nhiệt độ nước phun giảm nhanh trong khoảng nhiệt độ từ 65-75oC. Khi nhiệt độ nước phun cao hơn 75oC 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 . Khi giá trị tăng lên thì số Me giảm xuống, sự thay đổi này cũng không tuyến tính. Độ dốc của số Me giảm khi tăng. 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 năng lượng bổ sung tối thiểu, năng lượng thu hồi và năng lượng thải bỏ Hình 4.10: Ảnh hưởng của m đến số Me ở nhiệt độ nước phun 80oC Hình 4.15: Ảnh hưởng của chiều cao lớp đệm đến số Me ở nhiệt độ nước phun 80oC Kết quả thực nghiệm trên hình 4.10 và 4.15 cho thấy với cùng một chiều cao lớp đệm thì khi tăng lên thì số Me giảm. Sự thay đổi của số Me và cũng  Xác định các dòng nhiệt nóng, dòng nhiệt lạnh và dòng phụ trợ trong quy trình 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 không tuyến tính mà là một đường cong có dạng hàm mũ. hơi vào trong không khí làm cho độ chứa hơi của không khí tăng lên. Không 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: = (0,0012 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 − 0,2174 + 11,933) , ( , , , ) (4.6) sau khi đi qua lớp đệm nhả nhiệt cho không khí thì nhiệt độ sẽ giảm xuống và Phương trình (4.6) áp dụng cho dãy nhiệt độ nước phun từ 65oC đến 80oC và ṁ sẽ thải bỏ. trong khoảng từ 2,5 đến 4. 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 và trao đổi chất tốt hơn mà do nước phun bị cuốn theo không khí. Nếu giảm ẩm nước giải nhiệt và lưu lượng nước phun thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ tăng lên không khí bão hòa đi và nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm giảm xuống. Tuy nhiên nếu lưu lượng ngược chiều nhau. Đầu nước phun quá thấp thì không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ không đạt đến vào của nước giải nhiệt nhiệt độ bão hòa ứng với nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm. Dựa trên kết là đầu ra của không khí quả thực nghiệm chúng tôi nhận thấy rằng khi lưu lượng nước phun thấp hơn và ngược lại. Nhiệt độ 0,3kg/m2s thì không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ không bão hòa và khi lưu không khí đầu ra sẽ cao lượng nước phun cao hơn 0,75kg/m2s thì không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ hơn nhiệt độ nước giải 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/m s < ṁ < 0,75kg/m s. 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 4.3.2 Ảnh hưởng của các thông số làm việc đến quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất đầu vào của không khí. Quá trình không khí đi trong thiết bị tách ẩm là ngược Kết quả thực nghiệm trên hình lại với quá trình không khí đi trong thiết bị phun ẩm. Nhiệt lượng không khí 4.8 cho thấy khi nhiệt độ không nhả ra cho nước giải nhiệt trong thiết bị tách ẩm bao gồm nhiệt hiện và nhiệt ẩn. khí đầu vào thiết bị phun ẩm 2.2 tăng thì nhiệt độ không khí và Cân bằng nhiệt và chất hệ thống Sau khi xác định được các thông số đầu ra trong hệ thống khử muối phun – tách nước ra khỏi thiết bị phun ẩm ẩm CAOW-WH bằng công nghệ Pinch thì bước tiếp theo là xác định các kích cũng sẽ tăng theo. Sự thay đổi thước của thiết bị phun ẩm và tách ẩm để đạt được giá trị Tmin như mong nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị muốn. Đây là một vấn đề rất khó khăn vì quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi phun ẩm là tuyến tính theo nhiệt chất giữa nước và không khí diễn ra rất phức tạp. Để có thể giải quyết vấn đề độ không khí vào. Sự thay đổi này thì phải giải được bài toán về truyền nhiệt và truyền chất trong hệ thống. của nhiệt độ không khí ra khỏi 2.2.1 Cân bằng nhiệt và chất trong thiết bị phun ẩm Hình 4.8: Ảnh hưởng của t5 đến t4 và t6 thiết bị phun ẩm là rất ít theo nhiệt độ không khí vào. Kết quả Để đơn giản hóa cho bài toán trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong thiết bị phun tính toán cho thấy số Me không ẩm thì luận án đưa ra các giả thiết sau: thay đổi theo nhiệt độ không khí    Bỏ qua tổn thất nhiệt giữa các vách bao che thiết bị phun ẩm với môi vào. Từ kết quả này chúng tôi trường kết luận rằng trong hệ thống khử Xem hệ số truyền chất trong thiết bị phun ẩm là một hằng số không đổi muối phun tách ẩm không khí theo chiều cao lớp đệm tuần hoàn kín nước tuần hoàn hở thì nhiệt độ không khí đầu vào thiết bị phun Hình 4.9: Ảnh hưởng của t3 đến số Me Số Lewis chỉ phụ thuộc vào hệ số truyền nhiệt và truyền chất 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  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 4.3.1 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 Hình 4.6: Ảnh hưởng của mật độ nước phun đến t4 Hình 4.7: Ảnh 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 phun thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ giảm xuống và nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm tăng lên. Sự thay đổi nhiệt độ nước và không khí không khí được bỏ qua trong phương trình cân bằng năng lượng và lấy hệ số Lewis bằng 1. = ̇ 2.2.1.2 =∫ (2.28) ra khỏi thiết bị phun ẩm theo lưu lượng nước phun gần như là tuyến tính. Sự Phân tích bài toán trao đổi nhiệt và trao đổi chất theo phương pháp Poppe thay đổi này là rất bé cho thấy ảnh hưởng của lưu lượng nước phun quá trình Dựa trên việc phân tích truyền nhiệt, truyền chất giữa nước phun và không khí trao đổi nhiệt và trao đổi chất là không đáng kể. Tuy nhiên khi tăng lưu lượng trong thiết bị phun ẩm theo phương pháp Poppe, quan hệ giữa các thông số đầu nước phun vượt quá giới hạn thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm sẽ ra và số Me với nhiệt độ nước phun đã được xây dựng như sau: tăng lên. Nhiệt độ khí tăng lên ở đây không phải là do quá trình trao đổi nhiệt 26 11 ̇ = ( ̇ ( ) +( − ̇ = ̇ −( − ) − ) +( ( 1+ +( − − +( − truyền nhiệt giữa nước phun và không khí lại phụ thuộc vào rất nhiều các thông − ) − ) − − 1) − 1) số bao gồm: tốc độ không khí, tốc độ màng nước, chiều cao tháp phun ẩm, vật (2.49) liệu đệm,…Bên cạnh đó mối tương quan chung của hệ số truyền chất với tính − chất vật lý và thông số kỹ thuật của lớp vật liệu đệm là chưa xác định được. Vì vậy không thể xác định được số Me theo hệ số truyền chất mà phải xác định ) +( − ) − +( ) − thông qua thực nghiệm. (2.50) = ( 2.2.2 − − ) +( +( − 1) − − −( ) − ) + hơn, nội dung chương này trình bày kết quả nghiên cứu thực nghiệm quá trình (2.51) Cân bằng nhiệt và chất thiết bị tách ẩm Phương trình cân bằng khối lượng: ṁ dw = dṁ Phương trình cân bằng năng lượng → ṁ di = ṁ C dt + dṁ C Với mục tiêu giúp cho việc tính toán, thiết kế thiết bị phun ẩm được dễ dàng 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. 4.1 Mô tả kết cấu của mô hình thực nghiệm (2.53) t (2.55) CHƯƠNG 3 : MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT VÀ TRAO ĐỔI CHẤT TRONG HỆ THỐNG KHỬ MUỐI PHUN – TÁCH ẨM 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 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 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 1-Bình chứa nước cấp, 2-Thiết bị tách ẩm, 3-Dàn ngưng tụ, 4-Thiết bị gia xây dựng các phương trình quan hệ giữa các thông số làm việc đến tỷ lệ lưu nhiệt, 5-Thiết bị ổn định nhiệt độ, 6-Bơm, 7-Nước ngưng, 8-Quạt, 9-Nước lượng khối lượng tối ưu và hiệu quả trao đổi nhiệt, trao đổi chất trong hệ thống. thải, 10-Lớp đệm, 11-Tháp phun ẩm, 12-Vòi phun Hình 4.1: Sơ đồ bố trí thí nghiệm 12 25 3.1 nhiệt độ tối thiểu Tmin trong hệ thống.  Đã xác định được nhiệt độ nước phun hợp lý cho hệ thống khử muối Đã xây dựng được mối quan hệ giữa chương 2, chương trình mô tối ưu với nhiệt độ nước phun và nhiệt độ nước giải nhiệt thông qua phương trình hồi quy (3.1).  Dựa trên các bước phân tích Pinch được thực hiện trong phun – tách ẩm theo Tmin của hệ thống.  Mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống 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. phỏng đã được xây dựng bằng phần mềm Visual Basic để khảo ảnh hưởng của các thông số làm việc đến tỷ lệ thu hồi nhiệt. Các thông số đầu vào Đã xác định được quan hệ giữa nhiệt độ nước phun, nhiệt độ không khí của chương trình mô phỏng vào thiết bị phun ẩm và số Me với nhiệt độ nước và không khí ra khỏi thiết bị bao gồm: nhiệt độ nước phun,  phun ẩm thể hiện trong 2 phương trình hồi quy (3.21) và (3.22) nhiệt độ nước cấp, tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước CHƯƠNG 4 : NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM phun và không khí và độ chênh lệch nhiệt độ tối thiểu Hiệu suất của hệ thống khử muối phun – tách ẩm phụ thuộc rất nhiều vào quá Tmin tại điểm Pinch của thiết trình truyền nhiệt, truyền chất trong thiết bị phun ẩm. Do đó, việc nghiên cứu bị phun ẩm và tách ẩm. Các thực nghiệm quá trình truyền nhiệt, truyền chất trong thiết bị phun ẩm là một thông số đầu ra của chương việc làm rất cần thiết trong tính toán, thiết kế tối ưu hệ thống khử muối. Quá trình mô phỏng bao gồm: trình truyền nhiệt, truyền chất trong thiết bị phun ẩm phụ thuộc nhiều vào nhiệt nhiệt độ nước và không khí ra độ nước phun và . Ngoài ra, kết cấu của thiết bị phun ẩm cũng sẽ ảnh hưởng khỏi thiết bị phun ẩm và tách rất lớn đến quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất. Các thông số đặc trưng cho ẩm, nhiệt lượng thu hồi, nhiệt kết cấu của thiết bị phun ẩm bao gồm: tiết diện, loại vật liệu đệm, diện tích lượng bổ sung, nhiệt lượng truyền nhiệt, truyền chất trên 1 đơn vị thể tích và chiều cao của lớp đệm. tổn thất, tỷ lệ thu hồi nhiệt và Một trong các thông số đặc trưng cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất là số hệ số năng suất GOR. Me. Số Me là một hàm số tỷ lệ thuận với hệ số truyền chất, diện tích bề mặt của 3.1.1 lớp đệm và tỷ lệ nghịch với lưu lượng nước phun. Ở cùng một điều kiện làm Gọi ta là nhiệt độ không khí, tw là nhiệt độ nước, i là chênh lệch entanpi của việc thì các loại vật liệu đệm khác nhau sẽ có hệ số truyền chất khác nhau. Để của nước và không khí ở cùng nhiệt độ trong thiết bị phun ẩm. Quy trình mô xác định hệ số truyền chất trong thiết bị phun ẩm thì phải xác định được hệ số phỏng được trình bày trên sơ đồ thuật toán ở hình 3.1. Hình 3.1: Lưu đồ thuật toán của chương trình mô phỏng Thuật toán và giao diện của chương trình mô phỏng truyền nhiệt của không khí và nước trong thiết bị phun ẩm. Tuy nhiên hệ số 24 13 3.1.2 3.1.2.1 Kết quả mô phỏng độ nước phun. Ta có phương trình xác định nhiệt độ không khí và nước ra khỏi Ảnh hưởng của tỷ lệ lưu lượng khối lượng nước phun và không khí. thiết bị phun ẩm như sau: Kết quả phân tích Pinch trên hình 3.3 cho thấy rằng khi tăng m thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm t6 tăng, nhiệt độ không khí ra =( + . . ). + + =( + . . ). + + ) . + +( . ) . + + + . + . ). +( + (3.21) + . + . ). +( + . = −35,4740000342812 = 80,1934147057093 ra khỏi thiết bị tách ẩm t2 và = 1,49357036468559 = −2,54783239091415 = −0,0111441438285706 = 0,0152899041714277 = 24,0441385243688 = −44,5706555311411 theo m. Sự tăng giảm của t2 và . + (3.22) xuống. Đối với nhiệt độ nước phun t4 thì có sự tăng giảm + Trong đó: khỏi thiết bị tách ẩm t5 giảm nhiệt độ nước thải sau khi . . +( . + Hình 3.3: Ảnh hưởng của đến các thông số làm việc của hệ thống ở t3=85oC, Tmin=5oC và t1=30oC = −0,946247240171358 = 1,37794449594281 t4 theo m là trái ngược nhau, = 0,00690016233714239 = −0,00798546691428539 khi t2 tăng thì t4 giảm và ngược lại. Cả 2 nhiệt độ này có cực trị ở cùng một giá = −5,29616944522806 = 8,77956351662819 trị m. Khi t2 đạt giá trị cao nhất thì t4 nhỏ nhất. Vì lưu lượng nước đi trong thiết = 0,202744979928558 = −0,268538661088561 bị phun ẩm và tách ẩm là bằng nhau cho nên năng lượng thu hồi trong hệ thống = −0,00146269240285705 = 0,00152326840285707 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 t 2 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 = 15,8269526983994 = −8,02974675171393 = 0,250743746032137 = 1,51302487051428 = 0,00415987301587036 = −0,0079285033714285 tối ưu. Vì nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm và tách ẩm chỉ có duy nhất 1 Phạm vi áp dụng: công thức trên được áp dụng cho nhiệt độ nước phun trong cực trị cho nên ứng với mỗi giá trị nhiệt độ nước cấp t1 và nhiệt độ nước phun t3 khoảng từ 65-85oC với chỉ có duy nhất một giá trị m tối ưu. trong khoảng từ 0,4 đến 2 và nhiệt độ không khí vào là 38oC. 3.1.2.2 3.3 Ảnh hưởng của Tmin tối ưu ứng với nhiệt độ nước phun, giá trị số Me Kết luận Bảng 3.1 trình bày kết quả xác định m tối ưu ở nhiệt độ nước phun t3=70oC và Từ kết mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong hệ thống khử nhiệt độ nước cấp t1=30oC. Giá trị Tmin ở hàng ngang là của thiết bị phun ẩm, muối bằng phương pháp phun – tách ẩm, luận án đã đạt được những kết quả giá trị Tmin ở cột thẳng đứng là của thiết bị tách ẩm. Kết quả mô phỏng trong như sau: bảng 3.1 cho thấy nếu Tmin của thiết bị phun ẩm lớn hơn Tmin của thiết bị  tách ẩm càng nhiều thì m tối ưu càng thấp và ngược lại. Với cùng nhiệt độ nước 14 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 23 phun ẩm cũng tăng. Tuy nhiên phun t3 và nhiệt độ nước cấp t1 thì giá trị m tối ưu sẽ thay đổi khi Tmin của thiết sự thay đổi nhiệt độ không khí bị phun ẩm và thiết bị tách ẩm thay đổi. Tuy nhiên, nếu Tmin của thiết bị phun ra khỏi thiết bị phun ẩm ẩm và thiết bị tách ẩm bằng nhau thì tỷ lệ lưu lượng khối lượng tối ưu giữa không tuyến tính như nhiệt độ nước phun và không khí sẽ không thay đổi khi Tmin thay đổi. Như vậy nếu nước mà là những đường Tmin của thiết bị phun ẩm và Tmin của thiết bị tách ẩm bằng nhau thì m tối ưu cong đồng dạng với nhau. chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ nước phun t3 và nhiệt độ nước cấp t1. Ngoài ra khi Điều này cho thấy quá trình trao đổi nhiệt trong thiết bị phun ẩm của không khí bao chênh lệch Tmin của thiết bị phun ẩm và thiết bị tách ẩm bằng nhau thì m tối Hình 3.19: Ảnh hưởng của tỷ lệ lưu lượng khối lượng m đến t6 ở t3=65oC và t5=35oC. ưu cũng không thay đổi. Bảng 3.1: Ảnh hưởng của Tmin đến m tối ưu ở nhiệt độ t3=70oC và t1=30oC gồm nhiệt hiện và nhiệt ẩn. 3.2.2.3 Tmin Ảnh hưởng của số Me 3 4 5 6 Kết quả mô phỏng hình 3.23 cho thấy nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm giảm khi số 3 4 5 6 3,04 3,12 3,2 3,29 2,96 3,04 3,12 3,2 2,88 2,96 3,04 3,12 2,81 2,88 2,96 3,04 Me tăng lên. Nhiệt độ không 3.1.2.3 khí ra khỏi thiết bị phun ẩm Kết quả mô phỏng trên hình 3.5 cho thấy nhiệt độ nước phun t3 càng cao thì giá tăng khi số Me tăng lên. Nhiệt trị m tối ưu càng cao và ngược lại. So sánh với kết quả nghiên cứu trước đây độ không khí và nước ra khỏi của Hou [9] ở cùng điều kiện làm việc là nhiệt độ nước phun t1=80oC và nhiệt thiết bị phun ẩm thay đổi không tuyến tính với số Me. Với một giá trị Hình 3.23: Ảnh hưởng của số Me đến t4 và t6 ở = 3 và t5=35oC. Ảnh hưởng nhiệt độ nước phun độ nước cấp t1=30oC thì giá trị tối ưu của là như nhau (m=4). Điều này cho thấy kết quả mô phỏng là đáng tin cậy. 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 nước phun. Kết quả phân tích hồi quy cho thấy nhiệt độ không khí và nước ra Hình 3.5: Ảnh hưởng của đến tỷ lệ thu hồi nhiệt ở t1=30oC khỏi thiết bị phun ẩm có quan hệ bậc 3 với số Me và có quan hệ bậc 2 với nhiệt 22 15 Kết quả mô phỏng trên hình 3.6 cho thấy giá trị Tmin và nhiệt độ nước phun t3 3.2.2 càng thấp thì tỷ lệ thu hồi nhiệt càng cao. Ở giá trị Tmin=3oC thì tỷ lệ thu hồi 3.2.2.1 tối đa đạt được là 72% và khoảng nhiệt độ nước phun tối ưu để tỷ lệ thu hồi tối Kết quả mô phỏng trên hình 3.16 cho thấy rằng khi nhiệt độ không khí đi vào đa là từ 60-80oC. Tmin càng cao thì nhiệt độ nước phun hợp lý để tỷ lệ thu hồi thiết bị phun ẩm tăng lên thì nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm cũng tăng nhiệt tối đa sẽ càng cao . Ở giá trị Tmin=5oC thì nhiệt độ nước phun hợp lý là theo. Tỷ lệ lưu lượng khối lượng giữa nước phun và không khí càng cao thì o o o 65 C trở lên. Ở giá trị Tmin=7 C thì nhiệt độ nước phun hợp lý là 85 C trở lên. Kết quả mô phỏng Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí vào thiết bị phun ẩm 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 t1=30oC 3.1.2.4 Hình 3.16: Ảnh hưởng của t5 đến t4 ở số Me=1,2 và t3=65oC Hình 3.17: Ảnh hưởng của t5 đến t6 ở số Me=1,2 và t3=65oC Ảnh hưởng của nhiệt độ nước giải nhiệt Kết quả trên hình 3.10 và 3.11 cho thấy ứng với nhiệt độ nước phun t3=85oC và Tương tự như nước ở đầu ra thiết bị phun ẩm, kết quả trên hình 3.17 cũng cho m, khi thay đổi nhiệt độ nước cấp thì tỷ lệ thu hồi nhiệt cũng sẽ thay đổi. thấy nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị phun ẩm cũng tăng theo nhiệt độ không khí vào, nhiệt độ nước phun và . 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 >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 Hình 3.10: Ảnh hưởng của nhiệt độ nước cấp t1 và m đến tỷ lệ thu hồi nhiệt ở nhiệt độ nước phun t3=85oC và Tmin=5oC 16 Hình 3.11: Ảnh hưởng của nhiệt độ nước cấp t1 đến tỷ lệ lưu lượng tối ưu giữa nước phun và không khí ở nhiệt độ nước phun t3=85oC và Tmin=5oC Ảnh hưởng của tỷ lệ lưu lượng khối lượng Kết quả trên hình 3.19 cho thấy khi tăng thì nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm tăng theo. Sự thay đổi nhiệt độ nước ra khỏi thiết bị phun ẩm theo gần như là tuyến tính. Điều này cho thấy rằng quá trình truyền nhiệt của nước chủ yếu là trao đổi nhiệt hiện. Khi tăng thì nhiệt độ không khí ra khỏi thiết bị 21 ( , , ) (3.41) = ( , , ) (3.42) nhiệt độ nước cấp càng thấp thì giá trị m càng thấp và ngược lại. Nhiệt độ nước = ( , , ) (3.43) cấp càng thấp thì tỷ lệ thu hồi nhiệt ở vùng có m thấp nhiều hơn và ngược lại. Theo phương pháp Runge-Kutta giá trị của các thông số tại các khoảng thời gian được xác định theo công thức sau: ( ( = ) ) ( = ) ( ) + ( ) = + ( ) ( , ) ( + +2 , ) ( +2 , ) , ) +2 ( ( , ) +2 ( ( +2 , )+ ( , ) /6 (3.45) , )+ ( , ) /6 (3.46) , )+ ( , ) /6 (3.47) , ) +2 ( ( ( , ) =∆ . ( , ) =∆ . ( ), , ) =∆ . ( ), ( , ) =∆ . ( ) =∆ . ( ), ( ), ( , ) ( ) =∆ . ( ) + ( , ) =∆ . ( ) + ( , ) =∆ . ( ) , ) =∆ . ( ) + ( , ) =∆ . ( ) ( , ) =∆ . =∆ . ( ) ( ) , ∆ ∆ ∆ + ( , ) ∆ + , ) ( ) ( ) ( ), + , 3.1.2.5 Ảnh hưởng của đến hệ số GOR Kết quả trên hình 3.12 cho thấy hệ số GOR cũng thay đổi theo tỷ lệ lưu lượng khối lượng và chênh lệch nhiệt độ tại điểm Pinch. Tmin càng thấp thì hệ số GOR càng cao. Tương tự như hiệu suất + ( ) ( ) + , ) ( , , ) ( ) , ( + ( + ( ) , ) (3.50) cực đại. Điều này đã củng cố (3.51) , ) (3.52) + ( , ) , ( ) + ( , ) (3.53) , ( ) + ( , ) , ( ) + ( , ) (3.54) , ( ) + ( ) + +∆ , ( ) + +∆ , , ( ) ( ) + + 20 ( ( , ) , ) ( ( ( , , , ), , ), , ), ( ) ( + ( ) + ( ) ( ) ( ) + + + , ) ( ( ( lại kết luận là ứng với một giá Hình 3.12: Ảnh hưởng của đến hệ số GOR ở nhiệt độ nước phun t3=70oC và nhiệt độ nước cấp t1=30oC trị nhiệt độ nước phun sẽ có một tỷ lệ lưu lượng tối ưu để hiệu suất thu hồi nhiệt và hệ số GOR lớn nhất. 3.1.2.6 Ảnh hưởng của nhiệt độ nước phun và Tmin đến hệ số GOR Kết quả mô phỏng trên hình 3.13 cho thấy hệ số GOR cũng phụ thuộc vào nhiệt , ) ( phun và không khí tối ưu thì hệ số GOR cũng đạt giá trị ( ) , +∆ ( lượng khối lượng giữa nước (3.49) , ∆ ∆ (3.48) ( ) ( ), ( ( tại giá trị m tối ưu. Giá trị m tối ưu cũng thay đổi theo nhiệt độ nước cấp t1, thu hồi nhiệt thì tại tỷ lệ lưu Trong đó: ( Với mỗi giá trị nhiệt độ nước cấp t1 khác nhau thì sẽ có một tỷ lệ thu hồi tối đa = (3.55) (3.56) , ) , ) , ) (3.57) (3.58) (3.59) độ nước phun t3. Ở cùng một giá trị Tmin khi nhiệt độ nước phun thay đổi thì hệ số GOR cũng thay đổi. Tuy nhiên sự thay đổi của hệ số GOR theo nhiệt độ không giống nhau khi Tmin thay đổi. Ở giá trị Tmin=5oC thì tại nhiệt độ nước phun t3 trong khoảng 70-75oC thì hệ số GOR là tốt nhất. Khi nhiệt độ nước phun nằm ngoài vùng 70-75oC thì hệ số GOR sẽ giảm xuống. Như vậy nếu xét về phương diện hiệu quả năng lượng thì nhiệt độ nước phun hợp lý khi Tmin=5oC là 70-75oC. Ở giá trị Tmin=4oC thì khi nhiệt độ nước phun t3=70oC thì hệ số GOR là cao nhất khi nhiệt độ nước phun lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị này thì hệ số GOR giảm. Khi giá trị Tmin3oC thì hệ số GOR là lớn nhất khi nhiệt độ nước phun t3=65oC. Như vậy 17 ta nhận thấy một quy luật là khi giá trị Tmin càng giảm thì nhiệt độ nước phun tối ưu cũng sẽ giảm để hệ số GOR đạt giá trị cao nhất. = 2,171583508 = −1,52178. 10 = −56,130665. 10 = 769,1. 10 = 40,87823. 10 = −2,64002267572474.10 = −577,98932. 10 = 1,62731759370208.10 = 25,9473. 10 Công thức (3.1) được áp dụng trong khoảng nhiệt độ: nước giải nhiệt tw1=20÷35oC và nước phun tw3=50÷85oC Hình 3.13: Ảnh hưởng của t3 và m đến hệ số GOR ở nhiệt độ nước cấp t1=30oC Hình 3.15: Ảnh hưởng của nhiệt độ nước phun t3 và nước cấp t1 đến m tối ưu 3.2 3.1.3 Phân tích hồi quy 3.2.1 Từ kết quả phân tích Pinch luận án đã xác định được quan hệ giữa nhiệt độ nước phun và nhiệt độ nước cấp đến tối ưu. Kết quả mô phỏng trên hình 3.15 cho thấy quan hệ giữa nhiệt độ nước phun t3 và nhiệt độ nước cấp t1 với m tối Mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và chất trong thiết bị phun ẩm Giải bài toán trao đổi nhiệt và trao đổi chất Sử dụng phương pháp Runge-Kutta bậc 4 để giải các phương trình (2.49), (2.50) và (2.51). ưu là các đường cong phi tuyến. Sử dụng phần mềm thống kê SPSS tác giả đã Quan hệ giữa các thông số đầu ra là một hàm số theo nhiệt độ nước phun, phân tích hồi quy quan hệ giữa nhiệt độ nước phun, nhiệt độ nước giải nhiệt và entanpi và độ chứa hơi của không khí. m tối ưu. Từ kết quả phân tích hồi quy tác giả đã xác định được phương trình xác định m tối ưu theo nhiệt độ nước phun và nước giải nhiệt như sau: ̇ = . + . + . +( + . + ). . ). +( + . + (3.1) 18 19
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan