Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
33
NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO THIẾT BỊ LỌC NƯỚC BIỂN THÀNH NƯỚC
TINH KHIẾT PHỤC VỤ NGƯ DÂN ĐÁNH BẮT XA BỜ
RESEARCH AND MANUFACTURING EQUIPMENT FILTERED SEAWATER INTO
PURE WATER FOR FISHERMEN OFFSHORE FISHING
SVTH: Lê Thanh Hoàng, Lê Xuân Khoa
Lớp 05CDT2, Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách khoa
GVHD: ThS. Nguyễn Đắc Lực
Khoa Cơ Khí, Trường Đại học Bách khoa
TÓM TẮT
Từ nhu cầu sử dụng nước ngọt của các ngư dân khi đánh bắt xa bờ, trên thị trường đã có
nhiều loại thiết bị lọc nước biển thành nước tinh khiết. Hầu hết các thiết bị này đều sử dụng
nguyên lý thẩm thấu ngược RO nên giá thành khá đắt. Bài báo cáo này giới thiệu một thiết bị lọc
nước biển thành nước tinh khiết rẻ hơn dựa trên nguyên lý hóa hơi và chưng cất, nguồn năng
lượng sử dụng chủ yếu là nguồn năng lượng mặt trời và nguồn năng lượng từ nước giải nhiệt
động cơ tàu.
ABSTRACT
Since the demand for fresh water by fishermen offshore fishing, the market has many
types of water filtration equipment into pure water. Most of these devices use the principle of
reverse osmosis RO so the price is quite expensive. This report introduces a water filtration device
into pure water cheaper based on the principles of steam and distillation, energy is used primarily
solar power and energy from the cooling water activities the ship.
1. Đặt vấn đề
Mục đích việc chế tạo thiết bị là phục vụ cho nhu cầu sử dụng của ngư dân khi
đánh bắt xa bờ dài ngày. Do vậy, thiết bị được chế tạo phải đảm bảo tính kinh tế, tiết kiệm
năng lượng có sẵn trên tàu và đạt hiệu quả cao.
Với khí hậu nhiệt đới nắng nóng của Việt Nam, năng lượng mặt trời sẽ là nguồn
năng lượng miễn phí và đóng vai trò chủ chốt cung cấp nhiệt cho thiết bị. Bên cạnh đó,
nguồn năng lượng từ nước giải nhiệt động cơ tàu cũng là một nguồn năng lượng quan
trọng góp phần nâng cao hiệu suất cho thiết bị. Thông thường thì nước giải nhiệt động cơ
tàu sẽ bị thải ra ngoài, nhưng bây giờ lại được tận dụng để cung cấp nhiệt cho thiết bị cũng
là một giải pháp để tiết kiệm năng lượng khi vận hành máy.
Khi chế tạo thiết bị, một yêu cầu được đặt ra nữa là phải có tính cơ khí hóa, tự động
hóa cao, đồng thời phải dễ chế tạo, sữa chữa và đảm bảo an toàn khi vận hành. Từ yêu cầu
đó, thiết bị được chế tạo sẽ được vận hành tự động hoặc bằng tay, tháo lắp dễ dàng.
2. Nguyên lý hoạt động của thiết bị
Đầu tiên: thiết bị sẽ kiểm tra thùng chứa nước biển đun sôi (thùng 1) đã đầy chưa.
Nếu chưa đầy bơm sẽ hoạt động, van solenoid V1 và van khí VK1 mở để đưa nước vào
thùng 1. Nếu đã đầy thì sẽ chuyển sang bước tiếp theo.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
34
Sau bước đầu tiên, nước biển ở thùng 1 đã đầy: thiết bị tự động ngắt bơm, van
solenoid V1 và van khí VK1 đóng, thay vào đó van solenoid V2 sẽ mở đường dẫn nước
giải nhiệt động cơ tàu. Tại thời điểm này, quá trình đun nóng nước biển sẽ được bắt đầu
bởi sự cung cấp năng lượng nhiệt từ: hấp thụ năng lượng mặt trời, nước giải nhiệt động cơ
tàu. Sau 30 phút, thiết bị sẽ kiểm tra nước biển trong thùng 1 đã lên 100°C chưa, nếu chưa
thì nhiệt trở sẽ được kích hoạt.
Hình 1: Sơ đồ nguyên lí hoạt động của thiết bị.
1 – Màng lọc; 2 – Bơm; 3 – Van solenoid; 4 – Đầu dò nhiệt độ; 5 – Rơ le áp suất; 6 – Nhiệt trở
7 – Van một chiều; 8 – Van xả khí; 9 – Đầu dò
mực nước kiểu điện cực
Đến khi nhiệt độ trong thùng 1 đạt 100˚C,
thiết bị sẽ ngắt van solenoid V2 và nhiệt trở. Lúc
này quá trình bốc hơi sẽ diễn ra chỉ nhờ vào sự cung
cấp năng lượng Mặt trời. Trong giai đoạn bốc hơi
áp suất thùng 1 sẽ tăng.
Khi áp suất trong thùng 1 đạt được 0,5
MPa, van solenoid V3 sẽ mở để hơi nước đi từ
thùng 1 sang thùng 2 (dựa trên nguyên lí hơi nước
sẽ đi từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp).
Khi áp suất trong thùng 2 đạt được 0,3
MPa thì van solenoid V3 sẽ bị ngắt, bơm và van
solenoid V4 sẽ mở nhằm cung cấp một nhiệt độ
thấp cho quá trình làm lạnh, quá trình ngưng tụ
được xảy ra ở thùng 2.
Quá trình đóng và mở van solenoid V3 sẽ
diễn ra tiếp tục theo nguyên tắc trên.
70°
A A
a
h
H
l
b
d
Hình 2: Thùng hấp thụ nhiệt
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
35
Đến khi nước ở thùng 2 đã đầy. Van solenoid V4 sẽ bị ngắt, thay vào đó sẽ kích hoạt
van khí VK2 và van solenoid V5 nhằm thu nước tinh khiết vào thùng 3. Cho đến khi thùng 2
cạn nước thì van solenoid V5 và van khí VK2 sẽ bị ngắt. Quá trình sẽ quay lại ban đầu.
3. Cơ sở tính toán và thiết kế thiết bị
3.1. Thiết kế bộ phận hấp thụ năng lượng Mặt trời
Bộ phận hấp thụ năng lượng Mặt trời gồm có:
- Mặt kính nhận nhiệt có đường kính d2, hệ số truyền qua D.
- Gương phản xạ có hệ số phản xạ Rg.
- Mặt phản xạ parabol có hệ số phản xạ Rp.
- Thùng đun sôi nước biển làm bằng inox, sơn đen có hệ số hấp thụ ε, diện tích F1,
chiều dày δ0, khối lượng riêng ρo, nhiệt dung riêng C, chiều cao h, chứa đầy nước biển có
nhiệt dung riêng Cp, khối lượng riêng ρn.
Do mặt phẳng quỹ đạo tại Đà Nẵng và Quảng Nam nghiêng 1 góc khoảng 20˚ so
với mặt thẳng đứng nên tính toán cho góc tới α = 70˚. Cường độ bức xạ trung bình lúc giữa
trưa (11 – 12h) ở Quảng Nam là E=940W/m2.
Trong khoảng thời gian τ thùng sẽ thu từ mặt trời một lượng nhiệt Q1:
Q1 = ε. E. sinα.F.τ (1)
Trong đó: F = [ D. F1 + Rg.D. F1 + Rp. D. F2 + Rp.Rg. D. F2 ]
F1 = b. l F2 =
2
1
.
4
dF
Lượng nhiệt nhận được của bộ thu Q1 dùng để:
- Làm tăng nội năng của thùng đun sôi nước biển: U = mo. C. (ts – to) (2)
- Làm tăng entapy nước: Im = mn. Cp. (ts – to) (3)
- Tổn thất ra môi trường xung quanh Q2
Trong đó: mo = (b + l).2. h. δo. ρo + 2.δo. ρo. b. l [ kg ]; mn = b. l. h. ρn [ kg ];
Do thùng được đặt trên chân đế và có vỏ bọc cách nhiệt bên ngoài nên có thể xem
Q2 = 0. Vậy ta có phương trình cân bằng nhiệt dùng cho thùng:
Q1 = mo. C. (ts – to) + mn. Cp. (ts – to)
Hay: ε.E.sinα.F.τ = [(b + l).2.h.δo.ρo + 2.δo.ρo.b.l].C.(ts – to) + b.l.h.ρn.Cp.(ts – to)
Thay các giá trị: E = 940 W / m2, ε = 0,9; α = 70o; D = 0,9; Rg =0,9; Rp =0,9;
δo = 0,003 m; ρo = 7850 kg/m3; ts = 100oC; to = 25oC; C = 460 J /kgđộ
ρn = 1050kg/m3; Cp = 4200 J/kgđộ; l = 1m; b =0,5m; h = 1,2m
Tính được: m = 1,75 kg mn = 9,8 kg.
F. τ = 3884 hay (1,22. d2 + 0,08).τ = 3884
Từ công thức trên ta sẽ thấy được mối quan hệ giữa đường kính mặt nhận nhiệt d2
và thời gian τ. Do đó ta có thể ước tính được với diện tích mặt nhận nhiệt là bao nhiêu thì
sẽ xác định được thời gian đun sôi nước biển tương ứng.
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
36
3.2. Nguyên tắc hứng ánh nắng Mặt trời
Để tận dụng nguồn nhiệt mặt trời một cách tối đa và nâng cao hiệu suất của thiết bị
ta chế tạo thùng hấp thụ mặt trời dạng tấm có sóng vuông nhấp nhô, được sơn màu đen.
Khi đó tia sáng từ ngoài chiếu vào sẽ đập lên bề mặt các tấm phản xạ đến thùng tăng cường
độ chùm sáng tới.
3.3. Chương trình PLC
Vò trí tia saùng
taêng cöôøng
Nguoàn aùnh
saùng Maët trôøi
Hình 3 – Thùng hấp thụ nhiệt
Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010
37
4. Kết luận
Trong tình hình khan hiếm
nguồn năng lượng và khủng hoảng kinh
tế toàn cầu hiện nay. Việc thiết kế và
chế tạo một thiết bị lọc nước biển thành
nước tinh khiết sử dụng những nguồn
năng lượng có sẵn để phục vụ ngư dân
đánh bắt xa bờ là một công việc thiết
yếu. Bài báo cáo này cũng đã nêu ra
được một số vấn đề mang tính hiệu quả
kinh tế và kỹ thuật, khả năng cơ khí hóa
và tự động hóa của thiết bị.
Thiết bị đã được chế tạo và chạy
thử nghiệm, ban đầu cũng đã thu được
những kết quả tốt. Hơn hết, việc chế tạo
ra thiết bị có thể nói là rẻ hơn rất nhiều
so với loại máy lọc thẩm thấu RO nhập
từ Mỹ. Tính khả thi của dự án là cao.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hoàng Dương Hùng (2006), Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng, Đại Học
Bách Khoa Đà Nẵng, tr.55-153.
[2] Nguyễn Bốn, Giáo trình thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật
[3] A. A. Mohamad (1997), High Efficiency Solar Air Heater, Solar Energy Vol. 60 No 2,
Pergamon.
[4] Trung tâm đào tạo tự động hóa Siemens (2007), Lập trình PLC S7-200 cơ bản, Đà
Nẵng.
Hình 4. Một phần của thiết bị