NGHIÊN CỨU VÀ LẮP ĐẶT HỆ THỐNG CHIẾT TÁCH NƯỚC TỪ KHÔNG KHÍ CÓ SỬ DỤNG MÔ-ĐUN MÀNG CHỌN LỌC HƠI NƯỚC

• Tác giả: Nguyễn Tuấn Vũ
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thanh Tuân
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt
• Đề tài: Nghiên Cứu Và Lắp Đặt Hệ Thống Chiết Tách Nước Từ Không Khí Có Sử Dụng Mô-Đun Màng Chọn Lọc Hơi Nước
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan đề tài
• 1.2. Nguyên lý hoạt động và cách bố trí màng chọn lọc hơi nước
• 1.3. Bố trí Module màng lọc
• 1.4. Tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước
• 1.4.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước
• 1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
• 1.5. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.6. Mục tiêu đề tài
• 1.7. Đối tượng và giới hạn đề tài
• 1.7.1. Giới hạn đề tài
• 1.8. Nội dung và phương pháp nghiên cứu
• 1.8.1. Nội dung nghiên cứu
• 1.8.2. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN
• 2.1. Đề xuất bố trí hệ mô-đun màng sợi rỗng chọn lọc hơi nước
• 2.2. Tính toán hệ thống lạnh
• 2.3. Tính toán thiết kế hệ thống lạnh
• 2.4. Tính toán chu trình lạnh
• 2.5. Cơ sở tính toán lý thuyết thông số của không khí ẩm
• 2.6. Cơ sở lý thuyết động lực học lưu chất
• 2.7. Các phương trình bảo toàn
• 2.7.1. Phương trình bảo toàn khối lượng
• 2.7.2. Phương trình bảo toàn động lượng
• 2.7.3. Phương trình bảo toàn năng lượng
• 2.8. Phương trình Navier-Stokes
• 2.9. Mô hình dòng chảy rối
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG SỐ VÀ CÁC KẾT QUẢ
• 3.1. Đề xuất bố trí tích hợp hệ thống và nguyên lý hoạt động
• 3.2. Giới thiệu phần mềm SolidWork
• 3.3. Chức năng CAD
• 3.4. Chức năng CAE
• 3.5. Chức năng CAM
• 3.6. Module Solidworks flow simulation
• 3.7. Cơ sở tính toán thiết lập mô phỏng
• 3.8. Các giả thiết và giới hạn nghiên cứu của bài toán mô phỏng
• 3.9. Tính toán lưu lượng dòng cấp không khí ẩm
• 3.10. Tính chọn các thiết bị chính cho hệ thống lạnh 1 cấp
• 3.11. Thiết lập quá trình mô phỏng trong SolidWork
• 3.12. Kết quả mô phỏng và tính toán lượng nước chiết tách
• 3.13. Khảo sát ảnh hưởng của độ ẩm đến lượng nước chiết tách
• 3.14. Khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng dòng khí khi tiếp xúc dàn lạnh
• 3.15. Tính toán sản lượng nước ngưng tụ với các điều kiện khác nhau
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG VÀ THỰC NGHIỆM
• 4.1. Đưa ra phương án chi tiết thiết kế hệ thống tích hợp
• 4.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 4.3. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
• 4.4. Lựa chọn các thành phần và phương án bố trí hệ thống tổng thể
• 4.5. Thiết kế mô hình 3D và hình ảnh thực tế hệ thống
• 4.6. Thực nghiệm và kết quả
• 4.6.1. Đo nhiệt độ bộ ngưng tụ nước
• 4.6.2. Đo nhiệt độ, độ ẩm của dòng không khí trước và sau làm lạnh
• 4.6.3. Đo tốc độ dòng không khí cấp
• 4.6.4. Kết quả thực nghiệm cho hệ thống kết hợp module chọn lọc ẩm
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 5.1. Hạn chế, kiến nghị và hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC I: MÔ PHỎNG SỐ SỬ DỤNG PHẦN MỀM SOLIDWORK
• PHỤ LỤC II: BẢN VẼ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
• PHỤ LỤC III: BẢNG CAM KẾT XÁC NHẬN KIỂM TRA ĐẠO VĂN
• PHỤ LỤC IV: BẢNG KIỂM TRA MỨC ĐỘ TRÙNG LẶP QUA PHẦN MỀM TURNITIN
• PHỤ LỤC V: NỘI DUNG BÀI BÁO ĐÃ ĐƯỢC ĐĂNG BỞI TẠP CHÍ KHOA HỌC KỸ THUẬT_JTE

I. Tổng Quan Hệ Thống Chiết Tách Nước từ Không Khí Là Gì

Bài viết này đi sâu vào nghiên cứu và lắp đặt hệ thống chiết tách nước từ không khí, một giải pháp tiềm năng cho tình trạng khan hiếm nước toàn cầu. Phương pháp này sử dụng màng chọn lọc hơi nước để tăng hiệu quả thu gom nước. Nước sạch thu được bằng cách làm lạnh không khí và ngưng tụ hơi nước. Tuy nhiên, làm lạnh toàn bộ không khí tốn rất nhiều năng lượng. Màng chọn lọc hơi nước giúp loại bỏ khí khô, làm giàu hơi ẩm, giảm đáng kể năng lượng cần thiết cho quá trình ngưng tụ. Mục tiêu là cung cấp một cơ sở lý thuyết và thực nghiệm rõ ràng về chiết tách nước từ không khí hiệu quả hơn so với làm lạnh trực tiếp không khí. Nghiên cứu này cũng là tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn để hoàn thiện mô hình ngưng tụ nước sử dụng màng chọn lọc hơi nước.

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Màng Chọn Lọc Hơi Nước

Màng hoạt động dựa trên sự khác biệt áp suất hơi nước ở hai bên màng. Hơi nước thẩm thấu qua màng từ nơi có áp suất cao đến nơi có áp suất thấp. Quá trình này loại bỏ các thành phần khí khác, làm tăng nồng độ hơi nước. Không khí giàu hơi nước sau đó được đưa vào buồng ngưng tụ. Việc bố trí module màng lọc có thể tùy chỉnh tùy theo điều kiện cụ thể và yêu cầu về hiệu suất. "Hơi nước được thẩm thấu qua màng nhờ sự chênh lệch áp suất hai bên màng lọc".

1.2. Tình Hình Nghiên Cứu Chiết Tách Nước Trên Thế Giới

Nhiều nghiên cứu trên thế giới tập trung vào việc sử dụng các vật liệu hấp phụ như MOF (Metal-Organic Frameworks) và các polymer để thu gom nước từ không khí. Các hệ thống này có thể hoạt động ở độ ẩm thấp, nhưng chi phí và hiệu quả năng lượng vẫn là thách thức. Việc kết hợp màng chọn lọc hơi nước với hệ thống làm lạnh đang được khám phá để cải thiện hiệu quả tổng thể. "Đường đẳng nhiệt của MOF-801 và thiết kế máy thu nước dựa trên vật liệu MOF để sản xuất nước từ không khí khô vùng sa mạc".

1.3. Tổng Quan Nghiên Cứu Chiết Tách Nước Trong Nước

Nghiên cứu trong nước còn hạn chế, chủ yếu tập trung vào các hệ thống đơn giản sử dụng máy lạnh thông thường. Việc áp dụng màng chọn lọc hơi nước còn mới mẻ và cần được nghiên cứu sâu hơn. Nghiên cứu này hướng đến việc lấp đầy khoảng trống kiến thức và cung cấp một giải pháp hiệu quả về mặt năng lượng cho chiết tách nước từ không khí tại Việt Nam. "Sơ đồ bố trí thí nghiệm của hệ thống chiết tách nước từ không khí sử dụng công nghệ VCC".

II. Vấn Đề Tiết Kiệm Năng Lượng Chiết Tách Nước Từ Không Khí

Thách thức lớn nhất trong chiết tách nước từ không khí là tiêu thụ năng lượng cao. Việc làm lạnh toàn bộ khối lượng không khí để ngưng tụ hơi nước đòi hỏi một lượng lớn điện năng. Để khắc phục, cần có giải pháp tập trung vào việc chỉ làm lạnh hơi nước, hoặc giảm khối lượng khí cần làm lạnh. Màng chọn lọc hơi nước được kỳ vọng sẽ giải quyết bài toán này bằng cách loại bỏ khí khô trước khi đưa không khí vào dàn lạnh, từ đó giảm đáng kể năng lượng tiêu thụ. Theo nghiên cứu, "Sự phân bố năng lượng lên các quá trình khác nhau để lắng đọng nước từ không khí tại nhiệt độ t = 30 ℃ và độ ẩm tương đối 50 % [2]" cho thấy tiềm năng tiết kiệm năng lượng.

2.1. Tối Ưu Hóa Quá Trình Ngưng Tụ Hơi Ẩm Hiệu Quả

Quá trình ngưng tụ hơi ẩm hiệu quả đòi hỏi nhiệt độ dàn lạnh phải đủ thấp. Tuy nhiên, nhiệt độ quá thấp sẽ làm tăng tiêu thụ năng lượng. Cần có sự cân bằng giữa nhiệt độ và hiệu suất. Việc sử dụng màng chọn lọc hơi nước giúp nâng cao nồng độ hơi ẩm, cho phép quá trình ngưng tụ diễn ra ở nhiệt độ cao hơn, giảm tiêu thụ năng lượng. "By cooling the water vapor below the dew point, water vapor in the air can be condensed to obtain clean water."

2.2. Ảnh Hưởng Của Độ Ẩm Đến Hiệu Suất Hệ Thống

Độ ẩm của không khí là yếu tố then chốt ảnh hưởng đến sản lượng nước. Độ ẩm càng cao, lượng nước thu được càng nhiều. Tuy nhiên, ở những vùng có độ ẩm thấp, việc chiết tách nước từ không khí trở nên khó khăn và tốn kém. Màng chọn lọc hơi nước giúp cải thiện hiệu suất ở những vùng này bằng cách tăng độ ẩm của không khí trước khi đưa vào hệ thống ngưng tụ.

III. Giải Pháp Màng Chọn Lọc Hơi Nước Tối Ưu Chiết Tách Nước

Sử dụng màng chọn lọc hơi nước để tăng độ ẩm trước khi ngưng tụ. Màng này hoạt động như một bộ lọc, tách hơi nước ra khỏi các thành phần khí khác trong không khí. Hơi nước tinh khiết sau đó được đưa vào buồng ngưng tụ, nơi nó được làm lạnh và chuyển thành nước lỏng. Kết quả cho thấy sự phù hợp khi dùng màng chọn lọc hơi nước để tăng độ ẩm của không khí trước khi tiếp xúc với dàn lạnh. Việc lựa chọn vật liệu màng phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.

3.1. Các Loại Màng Chọn Lọc Hơi Nước Phổ Biến

Có nhiều loại màng chọn lọc hơi nước khác nhau, bao gồm màng polymer, màng zeolite và màng MOF. Mỗi loại màng có ưu và nhược điểm riêng về hiệu suất, chi phí và độ bền. "Các loại màng chọn lọc hơi nước (Polymers, Zeolites, MOFs)". Màng polymer thường rẻ hơn, nhưng có độ chọn lọc thấp hơn. Màng zeolite và MOF có độ chọn lọc cao hơn, nhưng đắt hơn và khó sản xuất hơn.

3.2. Cấu Tạo Và Nguyên Lý Hoạt Động Của Màng Lọc Hơi Nước

Màng lọc thường có cấu trúc xốp với các lỗ nhỏ. Hơi nước đi qua các lỗ này, trong khi các phân tử khí lớn hơn bị giữ lại. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự khác biệt về kích thước phân tử và ái lực với vật liệu màng. "Nguyên lý hoạt động của màng (Hấp phụ, Khuếch tán, Thẩm thấu ngược)". Một số màng sử dụng cơ chế hấp phụ, trong đó hơi nước được hấp thụ vào vật liệu màng trước khi khuếch tán qua.

IV. Nghiên Cứu Mô Phỏng Thực Nghiệm Hệ Thống Chiết Tách Nước

Nghiên cứu sử dụng phần mềm SolidWorks để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và ngưng tụ hơi nước. Kết quả mô phỏng cho thấy việc tăng độ ẩm không khí giúp tăng sản lượng nước. Sau đó, một mô hình thực nghiệm được xây dựng để kiểm chứng kết quả mô phỏng. Sản lượng nước thu được có thể đạt 5,5 l/h. Dòng không khí có độ ẩm cao tiếp xúc với dàn lạnh làm cho quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi ẩm và dàn lạnh hiệu quả hơn giúp giảm năng lượng tiêu thụ cho quá trình lắng đọng hơi ẩm.

4.1. Thiết Lập Mô Phỏng Trong SolidWorks Chi Tiết

Mô phỏng tập trung vào quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí ẩm và dàn lạnh. Các thông số đầu vào như độ ẩm, nhiệt độ và lưu lượng không khí được điều chỉnh để khảo sát ảnh hưởng của chúng đến sản lượng nước. "Thiết lập quá trình mô phỏng trong SolidWork". Mô hình bao gồm các thành phần chính như buồng ngưng tụ, dàn lạnh và màng lọc (được mô phỏng bằng cách thay đổi độ ẩm đầu vào).

4.2. So Sánh Kết Quả Mô Phỏng Và Thực Nghiệm Thực Tế

Kết quả thực nghiệm cho thấy sự phù hợp với kết quả mô phỏng, mặc dù có sự chênh lệch do các yếu tố môi trường và sai số đo đạc. Sự khác biệt giữa mô phỏng và thực nghiệm khoảng 22 % trong đó sản lượng nước chiết tách là 1,42 l/h đối với mô phỏng. Kết quả cho thấy tiềm năng của màng chọn lọc hơi nước trong việc tăng hiệu quả chiết tách nước từ không khí.

V. Ứng Dụng Chiết Tách Nước Từ Không Khí Thực Tế Ra Sao

Hệ thống chiết tách nước từ không khí có nhiều ứng dụng tiềm năng, đặc biệt ở những vùng khan hiếm nước. Hệ thống có thể cung cấp nước sạch cho sinh hoạt, tưới tiêu nông nghiệp và các hoạt động công nghiệp. Hệ thống này có thể được sử dụng để cung cấp nước uống cho các hộ gia đình, trường học và bệnh viện. Nghiên cứu còn là tiền đề cho các nghiên cứu sâu hơn, nhằm hoàn thiện mô hình ngưng tụ nước sử dụng màng chọn lọc hơi nước từ đó có thể tiến tới việc ứng dụng các hệ thống này trong thực tế.

5.1. Ứng Dụng Dân Dụng Của Hệ Thống Chiết Tách Nước

Hệ thống nhỏ gọn có thể được lắp đặt tại các hộ gia đình để cung cấp nước uống và sinh hoạt hàng ngày. Điều này đặc biệt hữu ích ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm hoặc thiếu nước sạch. Chi phí lắp đặt và vận hành cần được cân nhắc để đảm bảo tính khả thi kinh tế. "Ứng dụng dân dụng".

5.2. Giải Pháp Cấp Nước Cho Nông Nghiệp Và Công Nghiệp

Trong nông nghiệp, hệ thống có thể cung cấp nước tưới cho cây trồng, giúp tăng năng suất và giảm sự phụ thuộc vào nguồn nước tự nhiên. Trong công nghiệp, nước sạch rất quan trọng cho nhiều quy trình sản xuất. Hệ thống chiết tách nước từ không khí có thể cung cấp nguồn nước ổn định và đáng tin cậy cho các nhà máy và xí nghiệp. "Ứng dụng nông nghiệp", "Ứng dụng công nghiệp".

VI. Kết Luận Chiết Tách Nước Từ Không Khí Tương Lai

Nghiên cứu và lắp đặt hệ thống chiết tách nước từ không khí sử dụng màng chọn lọc hơi nước là một hướng đi đầy hứa hẹn. Nghiên cứu này cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho thấy tiềm năng của công nghệ này trong việc cung cấp nguồn nước sạch bền vững. Cần có thêm nghiên cứu để tối ưu hóa hiệu suất, giảm chi phí và mở rộng ứng dụng của hệ thống. Với đề tài này chúng tôi mong muốn có thể mang đến cơ sở lý thuyết và thực nghiệm rõ ràng về việc chiết tách nước từ không khí có sử dụng màng chọn lọc hơi nước giúp tiết kiệm năng lượng hơn so với việc làm lạnh trực tiếp không khí.

6.1. Hạn Chế Của Nghiên Cứu Và Hướng Phát Triển

Nghiên cứu này còn một số hạn chế, bao gồm việc chưa khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố môi trường khác nhau và chưa tối ưu hóa hoàn toàn thiết kế hệ thống. Hướng phát triển trong tương lai bao gồm việc sử dụng vật liệu màng mới, tích hợp năng lượng tái tạo và phát triển các hệ thống tự động hóa. Bên cạnh đó kết quả thực nghiệm vẫn cho thấy xu hướng là dòng không khí với độ ẩm càng cao trước khi tiếp xúc với các cánh tản nhiệt của dàn lạnh thì công suất chiết tách nước càng lớn.

6.2. Tiềm Năng Phát Triển Hệ Thống Chiết Tách Nước Bền Vững

Hệ thống chiết tách nước từ không khí có tiềm năng trở thành một giải pháp quan trọng cho vấn đề khan hiếm nước toàn cầu. Bằng cách khai thác nguồn hơi ẩm vô tận trong không khí, chúng ta có thể tạo ra nguồn nước sạch bền vững cho các thế hệ tương lai. Quá trình cần tiếp tục được tối ưu hoá để giảm thiểu tác động tới môi trường và đạt được hiệu quả kinh tế cao.

Tổng quan nghiên cứu

Thiếu hụt nước sạch là một vấn đề nghiêm trọng toàn cầu, ảnh hưởng đến khoảng 780 triệu người không được tiếp cận nguồn nước an toàn, đồng thời gây ra hơn 2,5 triệu ca tử vong mỗi năm, phần lớn là trẻ em. Tình trạng này xuất phát từ nhiều nguyên nhân như ô nhiễm nguồn nước mặt, biến đổi khí hậu và điều kiện tự nhiên khắc nghiệt. Trong bối cảnh đó, việc chiết tách nước từ không khí trở thành giải pháp tiềm năng, đặc biệt tại các vùng thiếu nước do nguyên nhân tự nhiên, không phụ thuộc vào nguồn nước mặt.

Luận văn tập trung nghiên cứu và lắp đặt hệ thống chiết tách nước từ không khí sử dụng mô-đun màng chọn lọc hơi nước, nhằm tăng hiệu quả thu nước và giảm tiêu thụ năng lượng so với phương pháp làm lạnh trực tiếp không khí. Nghiên cứu được thực hiện tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2023-2024, với mục tiêu thiết kế, mô phỏng và thử nghiệm mô hình thực tế, đánh giá sản lượng nước thu được và mức tiêu thụ điện năng của hệ thống.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm cho công nghệ chiết tách nước sạch từ không khí, góp phần giải quyết vấn đề thiếu nước sạch bền vững. Kết quả nghiên cứu có thể ứng dụng trong các khu vực đô thị và vùng sâu vùng xa, đồng thời hỗ trợ phát triển các hệ thống sử dụng năng lượng tái tạo, giảm thiểu tác động môi trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết truyền nhiệt và lý thuyết thẩm thấu qua màng.

1. Lý thuyết truyền nhiệt và ngưng tụ hơi ẩm: Quá trình làm lạnh không khí để ngưng tụ hơi nước được mô tả qua các phương trình bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng, cùng với mô hình dòng chảy rối và phương trình Navier-Stokes. Nhiệt độ đọng sương (Dew-point) là điểm quan trọng xác định khi hơi nước bắt đầu ngưng tụ. Quá trình trao đổi nhiệt giữa không khí ẩm và dàn lạnh được mô phỏng để tối ưu hóa sản lượng nước.

2. Lý thuyết thẩm thấu qua màng chọn lọc hơi nước: Màng sợi rỗng có khả năng thấm hơi nước cao và chọn lọc khí khác như N2, CO2. Cơ chế vận chuyển hơi nước qua màng được mô tả bằng mô hình khuếch tán dung dịch và mô hình dòng chảy lỗ rỗng, dựa trên định luật Fick và định luật Darcy. Tính thấm của màng được xác định bởi hệ số khuếch tán và hệ số hấp phụ, ảnh hưởng đến hiệu suất lọc và độ tinh khiết nước thu được.

Các khái niệm chính bao gồm: độ ẩm tương đối, áp suất riêng phần hơi nước, gradient nồng độ, hệ số khuếch tán, mô-đun màng sợi rỗng, và nguyên lý hoạt động của máy lạnh một cấp.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu môi trường thực tế tại TP. Hồ Chí Minh, bao gồm nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối, lưu lượng không khí; dữ liệu mô phỏng từ phần mềm SolidWorks Flow Simulation.

• Phương pháp phân tích: Mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt và ngưng tụ hơi nước trong SolidWorks, thiết kế mô hình 3D hệ thống chiết tách nước tích hợp màng chọn lọc hơi nước. Thực nghiệm đo đạc sản lượng nước thu được, nhiệt độ, độ ẩm trước và sau dàn lạnh, cùng mức tiêu thụ điện năng.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình thực nghiệm được vận hành với lưu lượng không khí 400 m³/h, độ ẩm tương đối môi trường khoảng 74%, nhiệt độ đầu vào 28°C. Lựa chọn phương pháp mô phỏng và thực nghiệm nhằm so sánh và đánh giá độ chính xác của mô hình.

• Timeline nghiên cứu: Từ tháng 01 đến tháng 09 năm 2024, bao gồm giai đoạn thiết kế, mô phỏng, chế tạo mô hình và thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của độ ẩm không khí đến sản lượng nước: Mô phỏng cho thấy khi độ ẩm tương đối của không khí tăng từ 65% lên 81%, sản lượng nước chiết tách tăng từ khoảng 3,5 l/h lên đến 5,04 l/h với lưu lượng 400 m³/h. Thực nghiệm tại độ ẩm 74% thu được 1,1 l/h, so với 1,42 l/h mô phỏng, chênh lệch khoảng 22%.

2. Ảnh hưởng của lưu lượng không khí: Khi lưu lượng không khí tăng từ 300 m³/h lên 400 m³/h, sản lượng nước tăng tương ứng khoảng 15-20%, cho thấy lưu lượng là yếu tố quan trọng trong thiết kế hệ thống.

3. Tiêu thụ năng lượng: Hệ thống tiêu thụ khoảng 2 kWh điện để chiết tách hơn 4 lít nước mỗi giờ, với áp suất chênh lệch màng khoảng 6 bar được xác định là hợp lý để cân bằng giữa hiệu suất lọc và tiêu thụ điện năng.

4. Chất lượng nước thu được: Màng chọn lọc hơi nước giúp loại bỏ vi khuẩn và vi rút, nâng cao độ tinh khiết nước so với phương pháp ngưng tụ trực tiếp.

Thảo luận kết quả

Sự tăng sản lượng nước theo độ ẩm không khí phù hợp với nguyên lý vật lý về sự ngưng tụ hơi nước, đồng thời khẳng định hiệu quả của màng chọn lọc trong việc tăng độ ẩm luồng khí trước khi làm lạnh. Mức chênh lệch 22% giữa mô phỏng và thực nghiệm là chấp nhận được, do các yếu tố môi trường và sai số thiết bị.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này cho thấy ưu thế về tiết kiệm năng lượng nhờ giảm làm lạnh không khí khô, tập trung làm lạnh hơi nước. Việc duy trì áp suất màng ở mức vừa phải giúp giảm tải cho hệ thống bơm, tránh tiêu hao điện năng quá mức.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ sản lượng nước theo độ ẩm và lưu lượng không khí, bảng so sánh tiêu thụ điện năng và sản lượng nước giữa mô phỏng và thực nghiệm, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu áp suất màng chọn lọc: Duy trì áp suất chênh lệch khoảng 6 bar để cân bằng hiệu suất lọc và tiêu thụ điện năng, giúp tiết kiệm năng lượng và tăng tuổi thọ thiết bị.

2. Tăng cường kiểm soát độ ẩm đầu vào: Sử dụng cảm biến và hệ thống điều khiển tự động để duy trì độ ẩm không khí đầu vào ở mức cao nhất có thể, nhằm tối đa hóa sản lượng nước.

3. Phát triển mô-đun màng sợi rỗng: Nghiên cứu cải tiến vật liệu màng và cấu trúc mô-đun để tăng diện tích bề mặt lọc, giảm tắc nghẽn và nâng cao hiệu suất lọc.

4. Ứng dụng năng lượng tái tạo: Kết hợp hệ thống với nguồn năng lượng mặt trời hoặc năng lượng gió để giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững.

5. Mở rộng thử nghiệm thực tế: Triển khai thử nghiệm tại các vùng khí hậu khác nhau để đánh giá hiệu quả và điều chỉnh thiết kế phù hợp với điều kiện môi trường đa dạng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt và môi trường: Có thể áp dụng kiến thức về truyền nhiệt, thẩm thấu màng và mô phỏng CFD trong các đề tài liên quan.

2. Chuyên gia phát triển công nghệ xử lý nước sạch: Tận dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các hệ thống chiết tách nước từ không khí tiết kiệm năng lượng.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị chiết tách nước: Áp dụng thiết kế mô-đun màng và hệ thống điều khiển để nâng cao hiệu suất sản phẩm.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Sử dụng dữ liệu và giải pháp nghiên cứu để xây dựng các chương trình cung cấp nước sạch bền vững, đặc biệt tại vùng khan hiếm nước.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống chiết tách nước từ không khí hoạt động hiệu quả ở điều kiện nào?
   Hệ thống hoạt động tốt khi độ ẩm tương đối không khí trên 65% và nhiệt độ từ 25-30°C, giúp tăng sản lượng nước ngưng tụ.

2. Màng chọn lọc hơi nước có ưu điểm gì so với làm lạnh trực tiếp?
   Màng giúp tăng độ ẩm không khí trước khi làm lạnh, giảm năng lượng tiêu thụ cho việc làm lạnh không khí khô, đồng thời nâng cao chất lượng nước thu được.

3. Tiêu thụ điện năng của hệ thống là bao nhiêu?
   Hệ thống tiêu thụ khoảng 2 kWh để chiết tách hơn 4 lít nước mỗi giờ, mức tiêu thụ này được tối ưu nhờ áp suất màng hợp lý.

4. Sản lượng nước thực tế so với mô phỏng có chênh lệch không?
   Có chênh lệch khoảng 22%, do điều kiện thực tế và sai số thiết bị, tuy nhiên xu hướng và hiệu quả tổng thể tương đồng.

5. Hệ thống có thể ứng dụng ở đâu?
   Phù hợp với các khu vực đô thị và vùng sâu vùng xa có độ ẩm không khí tương đối cao, đặc biệt nơi thiếu nguồn nước mặt hoặc nước ngầm.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thiết kế và thử nghiệm thành công hệ thống chiết tách nước từ không khí sử dụng màng chọn lọc hơi nước, đạt sản lượng nước thực nghiệm 1,1 l/h với lưu lượng 400 m³/h và độ ẩm 74%.
• Màng chọn lọc giúp tăng độ ẩm không khí trước khi làm lạnh, giảm tiêu thụ năng lượng so với phương pháp làm lạnh trực tiếp.
• Tiêu thụ điện năng khoảng 2 kWh để chiết tách hơn 4 lít nước, với áp suất màng 6 bar là hợp lý để tiết kiệm năng lượng.
• Kết quả mô phỏng và thực nghiệm có sự tương đồng, tạo tiền đề cho phát triển hệ thống quy mô lớn và ứng dụng thực tế.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu vật liệu màng, tích hợp năng lượng tái tạo và mở rộng thử nghiệm tại các vùng khí hậu khác nhau.

Luận văn cung cấp nền tảng khoa học và kỹ thuật quan trọng cho công nghệ chiết tách nước từ không khí, góp phần giải quyết vấn đề thiếu nước sạch bền vững. Độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển thêm các giải pháp dựa trên kết quả này.