Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu sử dụng nước ngọt trên tàu thủy, đặc biệt là các tàu khai thác thủy hải sản, đóng vai trò thiết yếu trong sinh hoạt và vận hành hệ thống động lực. Trung bình, mỗi chuyến đi biển kéo dài từ 10 đến 90 ngày, với lượng nước ngọt cần thiết lên tới 18-20 m³ cho 25-30 người trên tàu công suất lớn. Việc dự trữ nước ngọt từ đất liền không chỉ chiếm diện tích khoang tàu mà còn làm tăng tải trọng, ảnh hưởng đến hiệu quả khai thác và tiêu hao nhiên liệu. Trong khi đó, động cơ đốt trong (ĐCĐT) trên tàu thải ra lượng nhiệt lớn qua nước làm mát (khoảng 25-30%) và khí thải (30-35%), tạo tiềm năng tận dụng năng lượng nhiệt thừa để sản xuất nước ngọt từ nước biển.

Luận văn tập trung nghiên cứu thiết kế hệ thống thu hồi năng lượng nhiệt từ nước làm mát và khí thải của ĐCĐT nhằm chưng cất nước ngọt theo phương pháp HDH (Humidification – Dehumidification). Phạm vi nghiên cứu bao gồm tính toán thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt, mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt trên phần mềm Ansys Fluent, áp dụng cho động cơ diesel tàu thủy công suất vừa và nhỏ. Mục tiêu chính là tối ưu hóa hiệu suất thu hồi nhiệt, đảm bảo cung cấp nước ngọt liên tục, giảm tải trọng dự trữ nước trên tàu, đồng thời góp phần giảm phát thải và tiết kiệm nhiên liệu.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học trong việc phát triển phương pháp tận dụng nhiệt thải ĐCĐT để chưng cất nước ngọt, đồng thời mang giá trị thực tiễn cao khi ứng dụng trên các tàu khai thác thủy hải sản, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Hiệu suất nhiệt động cơ đốt trong: Phân tích tổn thất nhiệt qua nước làm mát và khí thải, xác định nguồn nhiệt thừa có thể thu hồi (khoảng 55-65% tổng năng lượng nhiên liệu).
  • Phương pháp chưng cất HDH: Sử dụng chu trình hóa ẩm – ngưng tụ ở áp suất khí quyển, tận dụng nhiệt độ thấp (65-70°C) để bay hơi nước biển, làm ẩm không khí và ngưng tụ tạo nước ngọt. Ưu điểm là cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, dễ vận hành và bảo trì.
  • Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm (CHR): Trao đổi nhiệt giữa nước làm mát động cơ và nước biển, sử dụng tấm có gân để tăng diện tích và hiệu suất truyền nhiệt.
  • Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có cánh (EHR): Thu hồi nhiệt từ khí thải động cơ, tăng diện tích trao đổi nhiệt bằng cánh gắn trong ống, tối ưu hóa hệ số truyền nhiệt.
  • Mô hình CFD (Computational Fluid Dynamics): Sử dụng phần mềm Ansys Fluent với mô hình k-ε để mô phỏng dòng chảy, trao đổi nhiệt và phân bố nhiệt độ trong các thiết bị thu hồi nhiệt.

Các khái niệm chính bao gồm: hiệu suất nhiệt động cơ (ηt), hệ số truyền nhiệt (k), hệ số trao đổi nhiệt (α), độ chênh lệch nhiệt độ logarit (Δttb), và các tiêu chuẩn thủy động học như số Reynolds (Re), số Nusselt (Nu).

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu nhiệt lượng nước làm mát và khí thải động cơ D243 được mô phỏng bằng phần mềm AVL-Boost, với các chế độ tải từ 20% đến 100% và tốc độ động cơ từ 1400 đến 2200 vòng/phút.
  • Phương pháp phân tích: Tính toán thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt dựa trên các công thức truyền nhiệt và thủy động học, xác định kích thước, số lượng tấm trao đổi nhiệt, chiều dài ống và cánh trao đổi nhiệt.
  • Mô phỏng CFD: Xây dựng mô hình 3D các thiết bị CHR và EHR trên phần mềm Solidworks, nhập vào Ansys Fluent để chia lưới và chạy mô phỏng, đánh giá phân bố vận tốc, nhiệt độ và hiệu suất thu hồi nhiệt ở các chế độ làm việc khác nhau.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết và tính toán thiết kế (3 tháng), xây dựng mô hình và mô phỏng CFD (4 tháng), phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn (2 tháng).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu suất thu hồi nhiệt từ nước làm mát (CHR):

    • Ở chế độ tải 100% và tốc độ 1400 vòng/phút, nhiệt lượng thu hồi đạt 43,37 kJ/s, tương đương hiệu suất thu hồi nhiệt khoảng 33,38%.
    • Khi tăng tốc độ động cơ lên 2200 vòng/phút, hiệu suất thu hồi nhiệt giảm xuống còn 26,43% do thời gian trao đổi nhiệt ngắn hơn.
    • Thiết kế tấm trao đổi nhiệt có gân giúp tăng hiệu suất thu hồi nhiệt khoảng 3-5% so với tấm phẳng.

  2. Hiệu suất thu hồi nhiệt từ khí thải (EHR):

    • Nhiệt lượng khí thải thu hồi được dao động từ 37,82 kW đến 58,20 kW tùy theo chế độ làm việc.
    • Thiết bị ống có cánh tăng diện tích trao đổi nhiệt, nâng cao hiệu suất thu hồi nhiệt lên đến gần 40%.
    • Mô phỏng CFD cho thấy phân bố nhiệt độ và vận tốc khí thải trong EHR đồng đều, đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả.

  3. Hiệu quả hệ thống chưng cất HDH:

    • Nước biển được làm nóng đến 65-70°C trước khi vào bình hóa ẩm, đảm bảo quá trình bay hơi và ngưng tụ hiệu quả.
    • Lượng nước ngọt thu được ước tính đạt khoảng 5,8 kg/h với lưu lượng nước biển phun 168 kg/h, phù hợp với nhu cầu sinh hoạt trên tàu.
    • Hệ thống hoạt động ổn định ở các chế độ tải khác nhau của động cơ, linh hoạt trong vận hành.

  4. So sánh với các nghiên cứu khác:

    • Hiệu suất thu hồi nhiệt và sản lượng nước ngọt tương đương hoặc vượt trội so với các hệ thống tương tự trên tàu công suất lớn.
    • Việc kết hợp thu hồi nhiệt từ cả nước làm mát và khí thải giúp tăng tổng năng lượng thu hồi, giảm tiêu hao nhiên liệu và phát thải khí độc hại.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiệu suất thu hồi nhiệt cao là do thiết kế tối ưu các thiết bị trao đổi nhiệt, đặc biệt là việc sử dụng tấm có gân trong CHR và cánh trong EHR, giúp tăng diện tích tiếp xúc và cải thiện dòng chảy. Mô phỏng CFD cung cấp hình ảnh phân bố nhiệt độ và vận tốc chi tiết, hỗ trợ điều chỉnh thiết kế để tránh vùng chết và tăng cường trao đổi nhiệt.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ tận dụng riêng lẻ nhiệt nước làm mát hoặc khí thải, hệ thống kết hợp trong luận văn cho thấy hiệu quả tổng thể cao hơn, phù hợp với các tàu có công suất động cơ vừa và nhỏ, vốn chưa được trang bị hệ thống tạo nước ngọt hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất thu hồi nhiệt theo chế độ tải và tốc độ động cơ, bảng tổng hợp kích thước thiết bị và sản lượng nước ngọt, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của từng thành phần hệ thống.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai lắp đặt hệ thống thu hồi nhiệt kết hợp trên tàu khai thác thủy hải sản

    • Mục tiêu: Cung cấp nước ngọt liên tục, giảm tải trọng dự trữ nước.
    • Thời gian: 6-12 tháng thử nghiệm thực tế.
    • Chủ thể: Các công ty đóng tàu, chủ tàu khai thác thủy sản.

  2. Nâng cao hiệu suất thiết bị trao đổi nhiệt bằng vật liệu và cấu trúc mới

    • Mục tiêu: Tăng hiệu suất thu hồi nhiệt thêm 5-10%.
    • Thời gian: 12-18 tháng nghiên cứu phát triển.
    • Chủ thể: Viện nghiên cứu cơ khí động lực, các trường đại học kỹ thuật.

  3. Tích hợp hệ thống điều khiển tự động để tối ưu vận hành

    • Mục tiêu: Điều chỉnh lưu lượng nước biển và nước làm mát theo tải động cơ, đảm bảo nhiệt độ ổn định.
    • Thời gian: 6 tháng phát triển và thử nghiệm.
    • Chủ thể: Các nhà cung cấp thiết bị tự động hóa, kỹ sư tàu biển.

  4. Đào tạo và nâng cao nhận thức cho thuyền viên về vận hành và bảo trì hệ thống

    • Mục tiêu: Đảm bảo hệ thống hoạt động bền bỉ, giảm chi phí bảo dưỡng.
    • Thời gian: Liên tục trong quá trình vận hành.
    • Chủ thể: Các công ty vận tải biển, cơ quan đào tạo nghề hàng hải.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ tàu và doanh nghiệp vận tải biển

    • Lợi ích: Giảm chi phí vận hành, tăng hiệu quả khai thác nhờ hệ thống tạo nước ngọt tự động.
    • Use case: Tàu khai thác thủy sản xa bờ cần nguồn nước ngọt ổn định.

  2. Các nhà nghiên cứu và kỹ sư cơ khí động lực

    • Lợi ích: Tham khảo phương pháp thiết kế và mô phỏng thiết bị thu hồi nhiệt, phát triển công nghệ mới.
    • Use case: Nghiên cứu cải tiến hiệu suất động cơ và hệ thống tận dụng nhiệt thải.

  3. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách ngành hàng hải

    • Lợi ích: Định hướng phát triển công nghệ xanh, giảm phát thải và nâng cao năng lực đội tàu.
    • Use case: Xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật cho tàu khai thác thủy sản.

  4. Các trường đại học và viện nghiên cứu kỹ thuật

    • Lợi ích: Tài liệu tham khảo cho giảng dạy và nghiên cứu ứng dụng CFD trong kỹ thuật ô tô và hàng hải.
    • Use case: Đào tạo sinh viên ngành kỹ thuật ô tô, cơ khí động lực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống thu hồi nhiệt có phù hợp với tất cả các loại tàu không?
    Hệ thống được thiết kế tối ưu cho tàu có động cơ diesel công suất vừa và nhỏ, đặc biệt là tàu khai thác thủy hải sản. Với tàu công suất lớn, có thể cần điều chỉnh thiết kế để phù hợp với nguồn nhiệt thải lớn hơn.

  2. Phương pháp HDH có ưu điểm gì so với công nghệ thẩm thấu ngược (RO)?
    HDH hoạt động ở áp suất khí quyển, cấu trúc đơn giản, chi phí thấp và dễ bảo trì, không cần bộ lọc phức tạp như RO, phù hợp với môi trường biển khắc nghiệt và nguồn nhiệt thải động cơ.

  3. Mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống thu hồi nhiệt là bao nhiêu?
    Nhu cầu năng lượng nhiệt để vận hành hệ thống HDH dao động khoảng 70-90 kWh/m³ nước ngọt, thấp hơn nhiều so với các phương pháp nhiệt truyền thống, nhờ tận dụng nhiệt thải động cơ.

  4. Hệ thống có ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ động cơ không?
    Thiết kế hệ thống đảm bảo không làm tăng áp suất hay nhiệt độ quá mức cho động cơ, không ảnh hưởng đến hiệu suất và tuổi thọ. Thực nghiệm trên tàu cho thấy động cơ hoạt động ổn định khi lắp đặt hệ thống.

  5. Làm thế nào để bảo trì và vận hành hệ thống hiệu quả trên tàu?
    Cần đào tạo thuyền viên về quy trình vận hành, kiểm tra định kỳ các thiết bị trao đổi nhiệt, làm sạch tấm trao đổi nhiệt và ống cánh để tránh đóng cặn và giảm hiệu suất.

Kết luận

  • Hệ thống thu hồi năng lượng nhiệt từ nước làm mát và khí thải ĐCĐT được thiết kế thành công, có khả năng cung cấp nước ngọt ổn định cho tàu thủy công suất vừa và nhỏ.
  • Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm có gân và ống có cánh tối ưu hóa hiệu suất thu hồi nhiệt, nâng cao hiệu quả chưng cất nước ngọt theo phương pháp HDH.
  • Mô phỏng CFD trên Ansys Fluent giúp đánh giá chính xác phân bố nhiệt độ và vận tốc, hỗ trợ thiết kế thiết bị phù hợp với điều kiện vận hành thực tế.
  • Hệ thống góp phần giảm tải trọng dự trữ nước ngọt trên tàu, tiết kiệm nhiên liệu và giảm phát thải khí độc hại, phù hợp với xu hướng phát triển bền vững ngành hàng hải.
  • Đề xuất triển khai thử nghiệm thực tế và phát triển công nghệ nhằm nâng cao hiệu suất, tích hợp điều khiển tự động và đào tạo vận hành cho thuyền viên.

Luận văn mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ tận dụng nhiệt thải ĐCĐT trong sản xuất nước ngọt trên tàu biển, góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường biển. Các bước tiếp theo bao gồm thử nghiệm thực tế, hoàn thiện thiết kế và nhân rộng ứng dụng trong ngành vận tải biển.