Nghiên cứu và chế tạo thiết bị lọc nước biển thành nước tinh khiết phục vụ ngư dân đánh bắt xa bờ

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. 7 0 ° 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 d F   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/m 3 ; ts = 100 o C; to = 25 o C; C = 460 J /kgđộ ρn = 1050kg/m 3 ; 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