Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khíthải của động cơ đốt trong để chưng cất nước gọt từ nước biển sử dụng trên các tàu đánh bắt xa bờ của Việt Nam

Nước ngọt sử dụng trên tàu thuyền đi biển nói chung và các tàu khai thác thủy hải sản nói riêng giữ một vai trò rất quan trọng, nó được coi là nhân tố quyết định thời gian và tính hiệu quả của mỗi chuyến đi biển. Thực tế hiện nay, trong mỗi chuyến đi biển, phần lớn các tàu khai thác thủy hải sản phải dự trữ và mang theo một lượng nước ngọt được lấy từ đất liền hoặc các đảo. Trung bình, thời gian mỗi chuyến đi biển của tàu có công suất lớn hơn 350 mã lực kéo dài khoảng 2 tháng và trên tàu có 10 đến 12 người, để phục vụ ăn uống và sinh hoạt tối thiểu thì tàu phải mang theo một lượng nước ngọt từ 10 m3 [1]. Chính điều này đã không những chiếm mất không gian hữu ích trên tàu mà còn làm tăng tải trọng của tàu trong suốt chuyến đi, gây ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả khai thác của tàu cũng như tăng tiêu hao nhiên liệu, thậm chí làm rút ngắn hành trình của mỗi chuyến đi biển.

Để giải quyết một phần vấn đề này, hiện nay đã có một số trung tâm nghiên cứu và cơ sở sản xuất đưa ra thị trường máy tạo nước ngọt từ nước biển sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược (RO). Tuy nhiên, hệ thống này có một số hạn chế nhất định như: năng lượng tiêu thụ cho hệ thống lớn; bộ lọc phải thường xuyên thay mới do tàu thường xuyên hoạt động ở các vùng biển khác nhau trong khi giá thành thay mới

bộ lọc cao…. Đây chính là các yếu tố đã làm hạn chế rất nhiều hiệu quả khai thác sử dụng hệ thống RO, cũng như hạn chế khả năng triển khai nhân rộng việc trang bị hệ thống này trên các tàu khai thác thủy hải sản hoặc các tàu thủy có công suất máy chính thấp và trung bình trong giai đoạn hiện nay và thời gian tới.

Thực tế hiện nay, phần lớn các tàu vận tải biển có công suất động cơ diesel chính lớn có trang bị hệ thống tận dụng nhiệt của nước làm mát của động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển phục vụ đủ nhu cầu sử dụng nước ngọt trên tàu trong mỗi chuyến đi. Tuy nhiên với các tàu khai thác thủy hải sản và các tàu vận tải được trang bị động cơ diesel chính có dải công suất thấp và trung bình thì nguồn năng lượng nhiệt của nước làm mát không lớn nên việc áp dụng công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng nguồn năng lượng nhiệt của nước làm mát sẽ không đảm bảo cung cấp đủ nguồn nước ngọt cho tàu trong mỗi chuyến đi.

Trong khi đó phần lớn các động cơ diesel chính trang bị trên các tàu khai thác thủy hải sản thuộc loại hiện đại có hiệu suất cao, có thể đạt trên 40%, tuy nhiên năng lượng nhiệt của khí thải của động cơ diesel có tăng áp thì sau khi qua bộ tuabin máy nén vẫn còn khá lớn, còn khoảng 3035% đang thải lãng phí ra môi trường. Chính vì vậy, nghiên cứu đưa ra một hệ thống mà có thể tận dụng nhiệt của nước làm mát và nhiệt của khí thải của động cơ để tăng hiệu quả chưng cất nước ngọt từ nước biển, đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu khai thác thủy hải sản là hết sức cần thiết và có tính thời sự. Việc thực hiện này không những đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu nước ngọt cho các hoạt động trên tàu mà còn làm giảm tải trọng và tiêu hao nhiên liệu của tàu, tận dụng hiệu quả năng lượng khí thải và nước làm mát bị thải ra môi trường, tăng hiệu quả trong mỗi chuyến đi biển.

Từ những cơ sở trên, NCS chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước ngọt từ nước biển” để có thể giải quyết một phần những khó khăn về nguồn nước ngọt trên các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ của Việt Nam hiện nay.

NỘI DUNG:

i. Lý do chọn đề tài................................................................................................1

ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án...................................................2

iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................2

iv. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................3

v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..........................................................................3

vi. Điểm mới của Luận án.....................................................................................3

vii. Bố cục của Luận án.........................................................................................4

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5

1.1. Tổng quan hiệu suất có ích của động cơ và nguồn năng lượng nhiệt nước làm

mát và nhiệt khí thải..............................................................................................5

1.2. Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để nâng cao hiệu suất

nhiệt của hệ động lực............................................................................................6

1.2.1.Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén 6

1.2.2. Sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC) 7

1.2.3. Nhiệt điện (Thermoelectric Generation - TEG) 7

1.2.4. Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi 9

1.2.5. Nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ từ nhiệt nước làm mát 9

1.3. Nhu cầu sử dụng nước ngọt và các phương pháp chưng cất nước ngọt từ

nước biển.............................................................................................................10

1.3.1. Thực trạng nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu biển 10

1.3.2. Tính chất hóa lý của nước biển 11

1.3.3. Các giải pháp công nghệ tạo nước ngọt từ nước biển hiện nay 12

1.4. Các nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel

trên tàu biển.........................................................................................................20

1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới 20

1.4.2. Các nghiên cứu trong nước 23

1.5. Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án....................................25

1.6. Kết luận chương 1........................................................................................25

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27

iii

2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ thống...................................................27

2.1.1. Nghiên cứu xây dựng cấu hình hệ thống 27

2.1.2. Xây dựng lưu đồ các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR......28

2.2. Cơ sở tính toán xác định nhiệt lượng nước làm mát và khí thải của ĐCĐT

trong phần mềm AVL-Boost................................................................................30

2.2.1. Giới thiệu phần mềm AVL – Boost 30

2.2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost 31

2.3. Cơ sở tính toán thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải

của ĐCĐT...........................................................................................................33

2.3.1. Két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR 33

2.3.2. Két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 39

2.4. Cơ sở tính toán thiết kế bộ hóa ẩm - ngưng tụ (HDH)..................................44

2.4.1. Quá trình trao đổi nhiệt trong bình hóa ẩm 45

2.4.2. Quá trình trình trao đổi nhiệt trong bình ngưng tụ 53

2.5. Cơ sở tính toán các thiết bị phụ của hệ thống...............................................56

2.5.1. Tổn thất áp suất ma sát, Δpm 56

2.5.2. Tổn thất áp suất cục bộ, Δpc 57

2.5.3. Tổn thất áp suất gia tốc, Δpg 57

2.5.4. Tổn thất áp suất trọng trường, Δpo 57

2.6. Cơ sở lý thuyết tính quá trình trao đổi nhiệt trong phần mềm Ansys Fluent.57

2.6.1. Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent 57

2.6.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trong phần mềm Ansys Fluent 58

2.7. Kết luận chương 2........................................................................................61

CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG

CẤT 63

3.1. Xây dựng sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển.......................63

3.2. Xây dựng mô hình động cơ D243 trên phần mềm AVL-Boost.....................64

3.2.1. Giới thiệu về động cơ D243 64

3.2.2. Xây dựng mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost 66

3.2.3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình 66

3.2.4. Chạy mô phỏng và phân tích đánh giá kết quả tại các đặc tính bộ phận

của động cơ 67

3.3. Tính toán, thiết kế các thiết bị trong hệ thống..............................................72

3.3.1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR

72

3.3.2. Tính toán, thiết kế và mô phỏng két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 78

3.3.3. Tính toán, thiết kế bộ hóa ẩm – ngưng tụ kiểu HDH 85

3.5. Kết luận chương 3........................................................................................88

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 90

iv

4.1. Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm................................................................90

4.2. Sơ đồ và trang thiết bị thực nghiệm..............................................................90

4.2.1. Sơ đồ bố trí thực nghiệm 90

4.2.2. Trang thiết bị thực nghiệm 92

4.3. Quy trình thực nghiệm.................................................................................96

4.3.1. Chuẩn bị, lắp đặt, hiệu chỉnh động cơ và hệ thống trên băng thử 96

4.3.2. Các chế độ chạy thực nghiệm97

4.4. Kết quả thực nghiệm....................................................................................98

4.4.1. Ảnh hưởng của hệ thống chưng cất đến đặc tính làm việc của động cơ

98

4.4.2. Khả năng thu hồi nhiệt của két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR

99

4.4.3. Khả năng thu hồi nhiệt của két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 101

4.4.4. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được của hệ thống 105

4.5. Kết luận chương 4......................................................................................108

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN110

KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................110

HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................................................111

TÀI LIỆU THAM KHẢO 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN117

PHỤ LỤC

LINK DOWNLOAD

NỘI DUNG: