MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Hiện nay, động cơ đốt trong đang đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, là nguồn động lực cho các phương tiện vận tải như ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thủy, máy bay và các máy công tác như máy phát điện, bơm nước. Tuy nhiên, khoảng 2/3 năng lượng mất mát ra môi trường, trong đó chủ yếu nhiệt truyền cho hệ thống làm mát khoảng 25÷30%, nhiệt cho khí thải mang đi chiếm khoảng 30÷35%. Với vai trò quan trọng của ngành ngư nghiệp và vận tải biển trong phát triển kinh tế biển, bảo vệ vùng biển và thềm lục địa trước tình hình tranh chấp biển Đông hiện nay.
Việc hiện đại hóa và tăng số lượng các tàu biển nói chung và tàu phục vụ ngành ngư nghiệp nói riêng là rất cần thiết, chính vì vậy năm 2014 Chính phủ đã ra Nghị định 67/2014 NĐ-CP nhằm khuyến khích đóng mới tàu đánh bắt xa bờ có công suất lớn để nâng cao năng lực, tăng hiệu quả trong khai thác hải sản trên các vùng biển xa. Đây chính là điều kiện thuận lợi cho ngành ngư nghiệp, vận tải biển phát triển đội tàu cả về số lượng và chất lượng. 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, trước 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 từ 2,5 đến 3 tháng và trên tàu có 25 đến 30 người, để phục vụ ăn uống và sinh hoạt thì tàu phải mang theo một lượng nước ngọt từ 18 đến 20 m3. 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. Như vậy có thể khẳng định, việc trang bị hệ thống tạo nước ngọt từ nước biển trên các tàu khai thác thủy hải sản là rất cần thiết 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, do điều kiện, yêu cầu kỹ thuật và môi trường hoạt động không được đảm bảo, nên sau một thời gian đưa vào khai thác sử dụng, hệ thống này đã bộc lộ một số hạn chế nhất định, cụ thể như: năng lượng tiêu thụ cho hệ thống lớn; giá thành thay mới bộ lọc cao, trong khi bộ lọc thường xuyên yêu cầu phải được thay mới, nếu không sẽ giảm hiệu suất của máy và nồng độ muối trong nước ngọt vượt giới hạn cho phép.
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, trên các tàu thủy vận tải công suất máy chính lớn có trang bị hệ thống tận dụng năng lượng 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, công nghệ này chỉ phù hợp với các nguồn năng lượng nhiệt ix lớn và dư thừa, trong khi các tàu khai thác thủy hải sản có công suất nhỏ và trung bình không thể áp dụng công nghệ này. Do vậy, chúng ta phải nghiên cứu đưa ra một hệ thống mà có thể tận dụng kết hợp linh hoạt năng lượng nhiệt của nước làm mát với nhiệt của khí thải của động cơ để tăng hiệu quả chưng cất nước ngọt từ nước biển, vừa đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu khai thác thủy hải sản đã và đang đóng mới là hết sức cần thiết, vừa giảm phát thải, bảo vệ môi trường, tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt,.
Từ những cơ sở trên, học viên chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong 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. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận văn Mục tiêu nghiên cứu của luận văn: - Tính toán thiết kế hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển. Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan về hiệu suất nhiệt của động cơ và các giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ. - Nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt của nước làm mát và của khí thải để chưng cất nước biển thành nước ngọt.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải cũng như thiết bị chưng cất nước ngọt từ nước biển. - Nghiên cứu mô phỏng các thiết bị chính của hệ thống trên phần mềm chuyên dụng. Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng trong đó: Nghiên cứu lý thuyết để làm cơ sở tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát, nhiệt khí thải và hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển. Tính toán mô phỏng các thiết bị trong hệ thống để đánh giá khả năng tận dụng nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Kết quả nghiên cứu sẽ có giá trị về phương pháp luận trong việc ứng dụng công nghệ để chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng nhiệt khí xả và nước làm mát động cơ trên các tàu biển. - Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng vào sản xuất thiết bị chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng nhiệt khí xả và nước làm mát động cơ cho các tàu biển. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Năng lượng và ô nhiễm môi trường Cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu sử dụng năng lượng trong các ngành công nghiệp và giao thông vận tải ngày càng tăng cao.
Trong khi đó, nguồn nhiên liệu xăng và diesel có nguồn gốc hóa thạch đang dần cạn kiệt trong tự nhiên, ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn cung cấp cũng như vấn đề an ninh năng lượng. Theo kết quả điều tra của tập đoàn dầu mỏ BP của Anh quốc, trữ lượng dầu mỏ trên trái đất đã khảo sát được khoảng 150 tỷ tấn. Năm 2003, lượng dầu mỏ trên trái đất tiêu thụ khoảng 3,6 tỷ tấn. Nếu không được phát hiện thêm những nguồn mới thì lượng dầu mỏ trên thế giới chỉ đủ dùng khoảng 40 năm nữa [1].
Theo các chuyên gia kinh tế trên thế giới, trong vòng 15 năm nữa, lượng dầu mỏ cung cấp cho thị trường vẫn luôn thấp hơn nhu cầu, chính vì nhu cầu về xăng dầu và khí đốt không thấy điểm dừng như vậy đã đẩy mạnh giá dầu trên thế giới. Mặt khác, nguồn năng lượng trên thế giới chủ yếu lại tập trung ở các khu vực luôn có tình hình bất ổn như Trung Đông (chiếm 2/3 trữ lượng dầu mỏ trên thế giới), Trung Á, Trung Phi… Mỗi một đợt khủng hoảng giá dầu lại làm lay chuyển các nền kinh tế thế giới, đặc biệt là các nước đang phát triển như Việt Nam. Ở Việt Nam, động cơ đốt trong (ĐCĐT) hiện nay vẫn đóng vai trò quan trọng, là nguồn động lực chính trong các lĩnh vực giao thông vận tải, nông – lâm – ngư nghiệp. Tuy nhiên phần năng lượng hữu ích truyền tới máy công tác chỉ chiếm khoảng 21÷33% đối với động cơ xăng, và 25÷40% đối với động cơ diesel, phần còn lại khoảng 60÷79% năng lượng mất mát ra môi trường, trong đó chủ yếu nhiệt truyền cho hệ thống làm mát khoảng 25÷30%, nhiệt cho khí thải mang đi chiếm khoảng 30÷35% [2÷5].
Như vậy theo các nghiên cứu trên, có thể thấy rằng mặc dù hiệu suất của ĐCĐT ngày càng được cải thiện nhưng vẫn còn một phần lớn (hơn 50%) năng lượng nhiệt bị mất mát chủ yếu cho làm mát và khí thải. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và khí thải có thể coi là giải pháp có nhiều tiềm năng trong việc tăng hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường của ĐCĐT. Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để nâng cao hiệu suất nhiệt của hệ động lực 1. Sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC) Phương pháp này tận dụng nhiệt của nước làm mát hoặc khí thải ĐCĐT ở nhiệt độ thấp để thay đổi pha (lỏng – hơi) của môi chất và sinh ra công hữu ích (thường là kết hợp phát điện), như thể hiện trên Hình 1.
Với phương pháp này, tác giả FU Jian-qin và các cộng sự đã nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát ở nhiệt độ thấp cho chu trình Rankine hữu cơ, kết quả cho thấy có thể cải thiện được hiệu suất của động cơ đến 12,1% [6]. Sơ đồ chu trình ORC [6] 1- Thùng nước; 2- Bơm; 3- Két làm mát; 4- Buồng bay hơi; 5- Tuabin hơi; 5- Buồng ngưng tụ 1.Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén Từ những năm 1909 Dr. Buchi [7] đã nghiên cứu sử dụng khí thải đưa vào tuabin sinh công dẫn động máy nén để tăng áp khí nạp nhằm tăng lượng khí nạp vào xylanh trong mỗi chu trình công tác của ĐCĐT, nhờ đó đốt được nhiều nhiên liệu hơn, công suất riêng của động cơ sẽ tăng. Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin máy nén sử dụng trên ĐCĐT được thể hiện trên Hình 1.
Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin-máy nén sử dụng trên ĐCĐT 1- Van cửa xả; 2- Bộ chấp hành; 3- Bánh tuabin; 4- Tuabin tăng áp; 5- Bánh nén; 6- Cảm biến lưu lượng khí nạp; 7- Bộ làm mát trung gian; 8- Cảm biến áp suất tuabin.