Đề tài Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước ngọt dạng hai mái nghiêng dùng năng lượng mặt trời với chi phí thấp phù hợp điều kiện khí hậu Việt Nam (Phần 1)

Nội dung text: Đề tài Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước ngọt dạng hai mái nghiêng dùng năng lượng mặt trời với chi phí thấp phù hợp điều kiện khí hậu Việt Nam (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHƯNG CẤT NƯỚC NGỌT DẠNG HAI MÁI NGHIÊNG DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VỚI CHI PHÍ THẤP PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM MÃ SỐ: T2009 - 73 ChỦ NHIỆM ĐỀ TÀI: ThS. NGUYỄN LÊ HỒNG SƠN S K C 0 0 2 8 9 8 THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2009
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM ~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~.~ ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG MÃ SỐ: T2009-73 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG CHƢNG CẤT NƢỚC NGỌT DẠNG HAI MÁI NGHIÊNG DÙNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VỚI CHI PHÍ THẤP PHÙ HỢP ĐIỀU KIỆN KHÍ HẬU VIỆT NAM Chủ nhiệm đề tài : ThS. NGUYỄN LÊ HỒNG SƠN TP.Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2009
3. Chƣơng I: MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề II. Mục đích nghiên cứu III. Đối tƣợng nghiên cứu IV. Giới hạn nghiên cứu Chƣơng II: TỔNG QUAN I. Tình hình năng lƣợng: II. Nhu cầu nguồn nƣớc ngọt: III. Thiết bị chƣng cất nƣớc ngọt đã đƣợc sử dụng: III.1 Dạng sơ khai: III.2 Dạng Single slope still: III.3 Dạng Double slope still: III.4 Dạng Double basin still: III.5 Dạng cầu: III.6 Dạng Multi-stage flash distillation (MSF): III.7 Dạng Multi-Effect distillation (MED III.8 Dạng Vapour compression distillation: III.9 Dạng Reverse Osmosis membrane distillation: III.10 Một số dạng đã và đang được nghiên cứu ứng dụng tại Việt Nam: IV. Tổng quan về năng lƣợng mặt trời IV.I Bức xạ tổng xạ: IV.2 Năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam: Chƣơng III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. Nguyên lý chƣng cất nƣớc ngọt: II. Cơ sở lý thuyết: II.1 Tính cường độ bức xạ đến mặt phẳng nghiêng:
4. II.2 Xác định hệ số phản xạ, hấp thụ và truyền qua II.3 Phương trình truyền nhiệt và truyền chất tại thiết bị chưng cất truyền thống hai mái nghiêng: II.3.1 Hệ thống đối lưu tự nhiên: II.3.2 Hệ thống đối lưu cưỡng bức: Chƣơng IV: THÍ NGHIỆM I. Mục đích, ý nghĩa II. Mơ tả hệ thống III. Thuyết minh các dụng cụ đo IV Tiến hành thí nghiệm, xử lý kết quả thí nghiệm, nhận xét, bàn luận Chƣơng V: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ I. Thực trạng tại vùng khảo sát: II. Tính hiệu quả kinh tế và khả năng thu hồi vốn Chƣơng VI: KẾT LUẬN I. Kết luận II. Đề nghị
5. 1 Chương 1: MỞ ĐẦU I. Đặt vấn đề: Hiện nay nhà nước ta đang khuyến khích sử dụng các thiết bị dùng năng lượng mặt trời. Hơn thế nữa, người dân sẽ ngày càng thấy tầm quan trọng cũng như sự tiết kiệm khi sử dụng thiết bị chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời và họ sẽ sử dụng ngày càng nhiều hơn. Tuy nhiên điều quan trọng của vấn đề này là tính hiệu quả về kinh tế kỹ thuật của thiết bị chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời. Bởi vì hiện nay, một số loại cổ điển hoặc cao cấp nhưng khơng phù hợp với lý do hiệu suất kém hoặc giá cả chưa hợp lý. Chính vì thế nên tác giả chọn đề tài này với mục đích là để đưa ra một mơ hình hồn thiện về thiết bị chưng cất nước ngọt sử dụng năng lượng mặt trời thân thiện với mơi trường và đáp ứng được hai yếu tố trên, đĩ là, hiệu suất cao, giá cả hợp lý. Hiện nay, tại một số vùng xa xơi hẻo lánh, vùng sâu vùng xa, các hải đảo xa xơi ,đa số, đang sử dụng thiết bị chưng cất dạng hai mái nghiêng với chi phí khơng cao so với các loại khác nhưng hiệu suất khá thấp, nên đề tài này, tác giả sẽ cố gắng đưa ra một mơ hình với chi phí thấp để cĩ thể cải thiện hệ thống này. Mơ hình mà tác giả đưa ra cĩ ý nghĩa thực tiễn rất lớn, làm tăng khả năng trao đổi nhiệt và diện tích ngưng tụ, dẫn đến lượng nước sạch thu được sẽ cao hơn. II. Mục đích nghiên cứu: Đưa ra một mơ hình hồn thiện về thiết bị chưng cất nước ngọt sử dụng năng lượng mặt trời thân thiện với mơi trường và đáp ứng được hai yếu tố trên, đĩ là, hiệu suất cao, giá cả hợp lý. III. Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu chính của đề tài là thống chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời dạng hai mái nghiêng. IV. Giới hạn nghiên cứu: Trong phạm vi đề tài “Nghiên cứu hệ thống chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời dạng hai mái nghiêng, phù hợp với điều kiện Việt Nam”, tác giả sẽ tập trung đưa ra thể thức nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm - Nghiên cứu lý thuyết đưa ra mơ hình tính tốn nhiệt cho hệ thống chưng cất nước ngọt. - Thực nghiệm, sử dụng số liệu đo đạc thực tế, số liệu khí tượng tại các thời điểm khác nhau để so sánh và đánh giá chương trình. So sánh hiệu quả của hệ thống đã cải tiến so với ban đầu. Nguyễn Lê Hồng Sơn
6. 2 Chương 2: TỔNG QUAN I. Tình hình năng lượng: Hiện nay hàng năm thế giới khai thác và sử dụng khoảng 10 tỷ tấn nhiên liệu khống. Như vậy sẽ thải ra mơi trường khoảng hơn 200 triệu tấn axit sulfuric, chưa kể thêm các chất độc hại khác [14]. Rất ít ai cịn chưa cảm thấy tác động của con người lên mơi trường. Các hiệu ứng tồn cầu về tăng nhiệt độ, tăng mực nước biển, tăng mức tàn phá của thời tiết (lụt, bão, hạn và sa mạc hĩa ) là những chứng cớ khơng cịn nghi ngờ rằng lồi người đã đạt đến khả năng giải phĩng những năng lượng làm thay đổi nghiêm trọng cân bằng của tự nhiên. Các nước cơng nghiệp đang nhận thức rõ hiểm họa cạn kiệt năng lượng (đặc biệt giá dầu mỏ hiện nay chưa cĩ dấu hiệu bình ổn) và cĩ những chính sách mạnh và cụ thể để phát triển năng lượng tái tạo cũng như tăng hiệu quả năng lượng. Chính phủ các nước này khuyến khích sử dụng năng lượng mặt trời qua miễn thuế, cho vay dài hạn lãi suất thấp, tài trợ nghiên cứu phát triển Họ đặt ra những mục tiêu rõ ràng về tỷ trọng mà năng lượng mặt trời cần đạt trong từng thời đoạn. Ví dụ cơng đồng châu Âu đạt 12% năng lượng tái tạo vào năm 2010. Các nước cĩ quy mơ sử dụng năng lượng mặt trời rộng lớn là Nhật Bản, Mỹ, Israel, Úc, Hy Lạp, Áo, Đức, [16] Trong khi các dạng năng lượng truyền thống đang ngày một cạn kiệt, thì ánh sáng mặt trời được coi là một trong những kho năng lượng quý giá cĩ thể thay thế được. So với các dạng năng lượng khác, năng lượng mặt trời cĩ ưu thế hơn là vừa sạch, vừa rẻ, lại gần như vơ tận. Bởi thế, nĩ đã sớm được con người nghĩ đến và tìm cách khai thác. Ở nước ta, từ hơn hai mươi năm trở lại đây đã sử dụng nhiều loại thiết bị thu ánh sáng mặt trời để phục vụ cho quá trình sản xuất như: thiết bị sấy, thiết bị đun nước nĩng, thiết bị chưng cất nước và dàn pin mặt trời. Các thiết bị này nhìn chung phù hợp với điều kiện khí hậu và đặc điểm địa lí nước ta. Sử dụng năng lượng mặt trời mang lại hiệu quả kinh tế, xã hội, gĩp phần bảo tồn nguồn năng lượng truyền thống, bảo vệ mơi trường và thực hiện điện khí hĩa nơng thơn, vùng sâu, vùng xa là việc làm cần thiết. Vì thế Nhà nước cần cĩ các chính sách hỗ trợ tích cực cho các cơ quan nghiên cứu, doanh nghiệp cung cấp các dịch vụ cũng như người sử dụng các cơng nghệ năng lượng mặt trời. II. Nhu cầu nguồn nước ngọt: Nguyễn Lê Hồng Sơn
7. 3 Nước là một nguồn tài nguyên thiên nhiên rất phong phú quanh ta, từ những dịng chảy, sơng hồ, nước ngầm đến đại dương mênh mơng là nơi muơn lồi thuỷ sinh sinh sống, nước được sử dụng trong mọi mặt của đời sống con người và mọi lồi động thực vật trên trái đất. Tuy nhiên, nguồn nước sạch quí giá đang bị khai thác dần cạn kiệt, thiếu nước sạch khơng những ảnh hưởng đến đời sống con người mà cịn ảnh hưởng đến các loại sinh vật trên trái đất cũng như mọi hoạt động sản xuất, sinh hoạt. Nước ngọt là một nhu cầu rất cơ bản cho sự sống của con người. Theo báo cáo của Liên Hiệp Quốc, hơn 1 tỷ người trên thế giới khơng cĩ nước sạch, khoảng 2,5 tỷ khơng cĩ nhà vệ sinh và mỗi năm hơn 2 triệu người chết vì thiếu nước sạch và điều kiện vệ sinh. Năm 2007, hội nghị về nước sạch và bảo vệ mơi trường đã diễn ra và nêu lên vấn đề bức xúc về sự thiếu hụt nước ngọt trầm trọng diễn ra nhiều nơi trên thế giới. Do vậy, cùng với vấn đề thiếu hụt năng lượng thì vấn đề nước sạch cũng là một trong những vấn đề được cả thế giới quan tâm. Cịn ở Việt Nam chúng ta hiện nay thì sao? Các tỉnh miền núi như Sơn La, Lào Cai các hải đảo xa sơi, ngay cả các vùng cĩ lượng nước lớn như Long An, Bạc Liêu, Đồng Tháp thì hiện nay đang thiếu nước sạch để uống, sinh hoạt trầm trọng. Cịn ở các thành phố lớn thì ơ nhiễm nguồn nước sạch đang là một vấn đề đau đầu đối với người dân và các ngành cĩ liên quan. Lượng nước tự nhiên cĩ khoảng 96,5% là nước mặn phân bố ở biển và đại dương, phần cịn lại được phân bố ở đất liền. Điều này cho thấy rằng lượng nước ngọt cung cấp cho sinh hoạt của chúng ta hết sức hạn hẹp. Vậy tại sao ta khơng tận dụng các nguồn nước mặn, ơ nhiễm để sử dụng vào sinh hoạt và sử dụng như thế nào? Đĩ chính là lý do ra đời của đề tài, ta sẽ sử dụng máy chưng cất dùng năng lượng mặt trời mục đích là tiết kiệm năng lượng (gas, điện ), tạo ra nguồn nước tinh khiết. III. Thiết bị chưng cất nước ngọt đã được sử dụng: III.1 Dạng sơ khai: Từ ngày xưa con người đã biết cách tìm nguồn nước ngọt khi lạc trong rừng rậm, hoang mạc hay lênh đênh trên biển cả, các thiết bị chưng cất để lấy nước ngọt sơ khai đã được hình thành. Nhưng nhược điểm của các phương pháp này là lượng nước thu được rất thấp. a) b) Nguyễn Lê Hồng Sơn
8. 4 c) d) Hình 2.2: Các thiết bị chưng cất đơn giản a) Chưng cất nước từ sự hơ hấp của cây b) Dùng nhiệt để chưng cất nước c) Dùng năng lượng mặt trời chưng cất nước từ đất ẩm d) Dùng năng lượng mặt trời chưng cất nước III.2 Dạng một mái nghiêng (Single slope still): Loại Single slope still là thiết bị chưng cất cĩ một tấm kính đặt nghiêng phía trên bể chứa nước cần được chưng cất để hấp thụ các tia bức xạ mặt trời. Tấm kiếng được đặt một gĩc nghiêng phù hợp để nước ngưng tự chảy xuống. Dạng Single slope still cĩ thể dùng một miếng bấc hoặc chia ra làm nhiều khay chứa làm tăng khả năng bay hơi của nước. Lượng nước sạch thu được của Single slope still khoảng 1,5 – 2 lít/m2/ngày. Ưu điểm lớn nhất của loại này là tính kinh kế, dễ chế tạo, dễ lắp đặt. Nhược điểm: hiệu suất thấp. a) b) Nguyễn Lê Hồng Sơn
9. 5 c) d) Hình2.3 : Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng sin- gle slope still a)Dạng đơn giản b) Dạng cĩ nước chảy phía trên c)Dạng bấc d)Dạng nhiều khay III.3 Dạng hai mái nghiêng (Double slope still): Loại Double slope still là thiết bị chưng cất cĩ hai tấm kính đặt nghiêng phía trên bể chứa nước cần được chưng cất để hấp thụ các tia bức xạ mặt trời, làm tăng diện tích hấp thu bức xạ và ngưng tụ. Tấm kiếng được đặt một gĩc nghiêng phù hợp để nước ngưng tự chảy xuống. Dạng Double slope still cĩ thể dùng một miếng bấc tăng khả bay hơi của nước. Hiệu suất thấp, lượng nước sạch thu được 2 – 2,5 lít/m2/ngày. Ưu điểm của loại này là tính kinh kế, dễ chế tạo, lắp đặt. Nhược điểm: hiệu suất thấp nhưng cao hơn loại dạng single slope still. a) b) Hình 2.4 : Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng double slope still Nguyễn Lê Hồng Sơn
10. 6 III.4 Dạng hai bể chứa (Double basin still): Dạng Double basin still là dạng cĩ 2 phần chứa nước và cĩ hai lớp kính, mục đích làm tăng diện tích ngưng tụ, từ đĩ làm tăng lượng nước bay hơi. Lượng nước sạch thu được khoảng 3 – 4 lít/m2/ngày. Ưu điểm: tính kinh kế, dễ dàng chế tạo, lắp đặt tại. Nhược điểm: cách chế tạo cĩ phần phức tạp hơn hai loại trên và phải bố trí một số van để điều khiển lưu lượng nước. a) Hình 2.5 : Thiết bị chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời dạng double basin still IV. Tổng quan về năng lượng mặt trời: Năng lượng bức xạ mặt trời thực chất là nguồn năng lượng nhiệt hạch vơ tận của thiên nhiên. Hàng năm mặt trời cung cấp cho trái đất một lượng năng lượng khổng lồ, gấp 10 lần trữ lượng năng lượng cĩ được từ các nguồn nhiên liệu trên trái đất. Trong những năm gần đây đã cĩ nhiều quốc gia trên thế giới quan tâm nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng siêu sạch, vơ tận này dưới nhiều hình thức khác nhau và đã đạt được nhiều kết quả. Nguyễn Lê Hồng Sơn
11. 7 Chương 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT I. Nguyên lý chưng cất nước ngọt: Nguyên lý cơ bản của chưng cất nước tương tự như quá trình nấu rượu bằng phương pháp cổ điển. Ta sẽ cĩ một nguồn nĩng cĩ nhiệt độ cao làm nước bay hơi lên, khi gặp nguồn lạnh thì lượng hơi này sẽ bị ngưng tụ lại. Lượng nước này gọi là nước cất hay nước ngọt. Nguồn nước dùng để chưng cất là nước phèn, nước mặn. II. Cơ sở lý thuyết: Thiết bị này tính tốn ứng dụng tại Tp. Hồ Chí Minh hoặc các vùng hải đảo khan hiếm nguồn nước ngọt, nơi cĩ lượng nước phèn, mặn. Đây là thiết bị chưng cất nước đơn giản, bao gồm một thiết bị chứa nước cĩ bọc cách nhiệt, phía trên cĩ đậy một tấm kính cĩ độ nghiêng phù hợp, nhưng lượng nước ngưng sẽ được quạt hút sang thiết bị ngưng tụ. Ưu điểm của phương pháp này là tăng độ chênh nhiệt độ giữa nước và kính, tăng diện tích ngưng tụ của hơi nước dẫn đến tăng tỉ lệ bay hơi của nước, tránh lượng nước ngưng trên tấm kính làm giảm các tia bức xạ đến bề mặt hấp thụ. Đồng thời, nhiệt năng của hơi ngưng tụ sẽ được hấp thụ bởi lượng nước cấp bổ sung cho hệ thống. II.1 Tính cường độ bức xạ đến mặt phẳng nghiêng: Hình 3.1: Vị trí tương đối của mặt trời trên mặt phẳng ngang và mặt phẳng nghiêng Hệ số xuyên qua bầu khí quyển của các tia trực xạ: k cos z  b a0 a1e (1) 2 Với a0 = 0,95[0,4237 – 0,00821(6 – A) ] 2 a1 = 0,98[0,5055 + 0,00595(6,5 – A) ] 2 k = 1,02[0,2711 + 0,01858(2,5 – A) ] 2 Tính cường độ bức xạ lên mặt phẳng nằm nghiêng It (j/m .h) It = I.Rb (2) Nguyễn Lê Hồng Sơn
12. 8 I: cường độ bức xạ lên mặt phẳng nằm ngang (j/m2.h). Rb: hệ số chuyển đổi trực xạ Cos Rb (3) Cos z cos sin sin cos sin cos sin cos cos sin sin  cos cos cos sin  sin sin Gĩc đỉnh, hợp bởi tia bức xạ và mặt phẳng nằm ngang: cos cos cos cos sin sin z  : gĩc vĩ độ (900 ≤  ≤ 900)  : gĩc lệch ở các ngày bất kỳ trong năm -23,450 ≤  ≤ 23,450. Là gĩc tạo bởi tia trực xạ và mặt phẳng xích đạo của Trái đất 360(284 n)  23,45sin (4) 365  : gĩc nghiêng của Collector 0 ≤  ≤ 900.  : gĩc phương vị (-1800 ≤  ≤ 1800)  : gĩc giờ. Là gĩc tạo bởi tia trực xạ và đường nối điểm khảo sát với vị trí cao nhất (thiên đỉnh) của mặt trời trong ngày.  : gĩc tới của tia bức xạ lên mặt phẳng nghiêng. z : gĩc thiên đỉnh. Là gĩc tạo bởi tia trực xạ và đường thẳng gĩc với mặt phẳng nằm ngang tại vị trí khảo sát. n : số ngày hiện tính của năm (ngày)  = (12 – t) 150 (5) t : thời điểm lúc tính (giờ) Hay nhiệt lượng tồn phần nhận được qua tấm hấp thụ được xác định như sau: I I 1 Cos 1 Cos R b R d . . (6) I b I 2 2 1 Cos 1 Cos I I .R .( ) I . .( ) I I ( ) . . (7) T b b b d 2 d d b g 2 hay Q I T .( ) (8) Với : ( )b : hệ số hấp thụ-truyền qua của thành phần trực xạ ( )d : hệ số hấp thụ-truyền qua của thành phần khuyếch tán ( )g : hệ số hấp thụ-truyền qua của thành phần phản xạ từ mặt đất ( ) : hệ số hấp thụ-truyền qua trung bình Theo [11], cĩ thể lấy giá trị trong cơng thức (8) bằng với giá trị trung bình của ( )b theo ngày với sai số nhỏ hơn 5%. Nguyễn Lê Hồng Sơn