Luận án 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

uyền nhiệt qua vách trụ một lớp 
 Theo [65, 66] mật độ dòng nhiệt truyền qua 1 vách trụ được tính như sau: 
 q= a1 p d 1( t f1 - t w2 ) 
 (tt- )
 q = w1 w2 
 1 d (2.10) 
 ln 2
 2dpl 1
 q= a2 p d 2( t w2 - t f 2 ) 
 Do đó: 
 36 
 ïì 1
 ï t-= t q
 ï f1 w1 apd
 ï 11
 ï 1 d
 íï t-= t q ln 2 (2.11) 
 ï w1 w2 2dpl
 ï 1
 ï 1
 ï t-= t q
 ï w1 f 2
 îï ap22d
 Cộng hai vế lại được: 
 æö1 1d 1
 t- t = qç + ln 2 + ÷ 
 f1 f 2 ç ÷ (2.12) 
 èøça1 pd 1 2 pl d 1 a 2 p d 2
 1 2
 q=-( tf1 t f 2 ) ( W / m ) 
 1 1d 1
 ++ln 2 (2.13) 
 a1 pd 1 2 pl d 1 a 2 p d 2
 Phương trình 2.13 là phương trình mật độ dòng nhiệt truyền qua một vách trụ và 
hệ số truyền nhiệt của ống trụ một lớp, k là: 
 1
 k = (W/m2.K) 
 1 1d 1
 ++ln 2 (2.14) 
 a1 pd 1 2 pl d 1 a 2 p d 2
 Nếu tỷ số d2/d1 < 2 ta có công thức thu gọn hệ số truyền nhiệt như sau: 
 1
 k = (W/m2.K) 
 11d
 ++ (2.15) 
 a12 l a
 2
 Với α1 và α2 là các hệ số trao đổi nhiệt của chất lỏng (W/m .K);  là hệ số dẫn 
nhiệt của vật liệu làm ống (W/m.K); d1 và d2 là đường kính trong và ngoài của ống 
(m); δ là độ dày thành ống (m). 
 Để xác định các hệ số trao đổi nhiệt ta sử dụng các tiêu chuẩn đồng dạng sau 
[65]: 
 d
 Nu =
 
 wd
 Re =
 
 (2.16) 
 g d3 t
 Gr =
  2
 
 Pr =
 a
 • Xác định hệ số trao nhiệt của nước làm mát (α1) và nước biển (α2) 
 Quá trình trao đổi nhiệt trong két thu hồi nhiệt nước làm mát là quá trình trao đổi 
nhiệt đối lưu cưỡng bức nên hệ số Nusselt (Nu) được xác định như sau: 
 + Nếu chất lỏng chuyển động tầng trong ống (Ref < 2300):
 37 
 0,25
 Pr
 Nu = 0,15Re0,33 Pr 0,43 Gr 0,1 .f 1 . 
 f1 f 1 f 1 f 1 l R (2.17) 
 Prw1
 + Nếu chất lỏng chuyển động rối trong ống (Ref > 2300): 
 0,25
 Pr
 Nu = 0,021Re0,8 Pr 0,43 .f 1 . 
 f1 f 1 f 1 l R (2.18) 
 Prw1
 + Nếu chất lỏng chuyển động ngang qua ống: 
 - Chất lỏng chuyển động ngang qua 1 ống 
 3
 Khi Ref = 5 ÷ 10 thì Nuf1: 
 0,25
 Pr
 Nu = 0,5Re0,5 Pr 0,38 .f 1 . 
 f1 f 1 f 1 l R (2.19) 
 Prw1
 3 5
 Khi Ref = 10 ÷ 2.10 thì Nuf1: 
 0,25
 Pr
 Nu = 0,25Re0,6 Pr 0,38 .f 1 . 
 f1 f 1 f 1 l R (2.20) 
 Prw1
 - Chất lỏng chuyển động ngang qua chùm ống 
 3 5
 Khi Ref = 10 ÷ 10 
 Đối với chùm ống song song: 
 0,25
 Pr
 Nu = 0,26Re0,65 Pr 0,35 .f 1 . 
 f1 f 1 f 1 l R (2.21) 
 Prw1
 Đối với chùm ống so le: 
 0,25
 Pr
 Nu = 0,41Re0,6 Pr 0,33 .f 1 . 
 f1 f 1 f 1 l R (2.22) 
 Prw1
 0,25
 Pr
 Trong công thức trên: 1 f là hệ số hiệu chỉnh tính đến chiều của dòng nhiệt, 
 Pr1w
 g d3 t tt'"+
 Gr = 11;  = T-1, đối với chất khí: T =+273( K ), đối với chất lỏng ta 
 f 1  2 2
tra bảng, Prf1 = 1/a1. 
 Mà: Nu = α.d/λ (vớ i λ là h ệ s ố d ẫ n nhi ệ t c ủ a ch ấ t l ỏ ng , W/m.K). V ậ y h ệ s ố trao 
đổi nhiệt α được tính theo công thức sau: 
 Nu.
 = (W/.mK2 ) (2.23) 
 d
 • Xác định độ chênh lệch nhiệt độ trung bình, Δttb 
 38 
 Hình 2.11. Sự biến thiên nhiệt độ của nước làm mát và nước biển trong CHR 
 Trong két thu hồi nhiệt nước làm mát CHR, do nước biển chuyển động song song 
ngược chiều với nước làm mát (Hình 2.11) nên độ chênh lệch nhiệt độ trung bình 
được tính như sau [60]: 
 tt − 
 =t 21 (oC) 
 tb t
 ln 2 (2.24) 
 t
 1
 o o
 Với: Δt2 = t’nlm– t”nb ( C); Δt1 = t”nlm – t’nb ( C). 
 • Tính chiều dài của chùm ống trao đổi nhiệt trong CHR, L 
 Theo [65], diện tích trao đổi nhiệt trong CHR được tính theo công thức sau: 
 Q=D kF ttb
 Q (2.25) 
 F= (m2 )
 ktD tb
 Mà: F = nπdtbL 
 Vậy chiều dài của chùm ống trao đổi nhiệt trong CHR là: 
 Q
 L = (m) (2.26) 
 npD dtb k t tb
 Trong đó: n là số ống trao đổi nhiệt trong két nước làm mát; dtb là đường kính 
trung bình của ống: dtb = 0,5(d1+d2) (m). 
2.3.2. Két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 
 Trong két thu hồi nhiệt khí thải xảy ra quá trình truyền nhiệt giữa khí thải và 
nước biển, mà thông thường hệ số trao đổi nhiệt của chất khí nói chung và khí thải 
nói riêng thường nhỏ, để tăng cường nhiệt lượng khí thải truyền cho nước biển có 
các biện pháp sau [60, 65, 66]: 
 • Tăng độ chênh lệch nhiệt độ Δt. 
 • Tăng hệ số trao đổi nhiệt . 
 • Tăng diện tích trao đổi nhiệt F. 
 Tuy nhiên biện pháp thường được sử dụng là tăng diện tích trao đổi nhiệt độ F, 
để tăng được diện tích trao đổi nhiệt thường làm cánh trên các bề mặt trao đổi nhiệt. 
 39 
Thông thường, cánh được chế tạo ở phía tiếp xúc với chất khí vì hệ trao đổi nhiệt 
của chất khí thường nhỏ hơn chất lỏng, trong một số trường hợp cũng có thể làm 
cánh về cả 2 phía (chất khí và chất lỏng). Hình 2.4 thể hiện một số hình dạng và kết 
cấu các loại cánh dùng trong thiết bị trao đổi nhiệt. 
 Hình 2.12. Kết cấu các loại cánh trao đổi nhiệt [60] 
 Hình 2.13. Thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có cánh [67] 
 Có nhiều tác giả đã nghiên cứu thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có cánh như: 
Seokhwan Lee và cộng sự [67] đã nghiên cứu thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí 
thải kiểu có cánh trên động cơ xăng (Hình 2.13), kết quả cho thấy số cánh cũng như 
độ dày cánh có ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải; M. Hatami và các 
cộng sự [68] đã nghiên cứu mô phỏng thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có cánh bằng 
phần mềm Ansys Fluent; Rajesh Ravi và các cộng sự [69] đã nghiên cứu mô phỏng 
và thực nghiệm đánh giá hiệu quả tận dụng nhiệt khí thải có thiết bị tận dụng nhiệt 
có cánh, kết quả cho thấy khả năng trao đổi nhiệt tỷ lệ thuận với số lượng và chiều 
cao của cánh, hiệu suất lớn nhất của thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có thể đạt 
39,6%... 
 Từ các phân tích kết cấu trao đổi nhiệt trên, trong luận án này đối với ống thu hồi 
 40 
nhiệt khí thải, NCS chọn phương án thiết kế ống có cánh (dọc theo ống) ở phía 
trong tiếp xúc với khí thải để làm tăng diện tích truyền nhiệt từ khí thải qua thành 
ống. 
 Hình 2.14. Mặt cắt ngang của EHR 
 Hình 2.14 thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động của EHR: Dòng khí thải đi bên 
trong két và trao đổi nhiệt với thành vách phía bên trong két, nhiệt lượng phía thành 
vách bên trong két nhận được từ khí thải được truyền ra thành vách phía bên ngoài 
két, sau đó nhiệt lượng này được trao đổi với dòng nước biển đi bên ngoài két và đi 
ngược chiều với khí thải. Két có kết cấu kiểu ống lồng, ống phía bên ngoài là ống 
trụ trơn có kích thước D1/D2, ống phía bên trong cũng là ống trụ có kích thước d1/d2 
nhưng ở mặt trong có các cánh với chiều cao a và chiều dày b. 
 Quá trình trao đổi nhiệt ở thiết bị thu hồi nhiệt khí thải chính là quá trình truyền 
nhiệt từ khí thải bên trong ống có cánh sang nước biển bao bên ngoài, ở đây chính 
là quá trình truyền nhiệt qua vách trụ có cánh. Một số giả thiết được sử dụng trong 
quá trình tính toán trao đổi nhiệt trong EHR: 
 • Trường nhiệt độ là trường một chiều. 
 • Chất lỏng là chất lỏng Newton và không nén được. 
 • Dòng chất lỏng là dòng 1 chiều. 
 • Không có nguồn nhiệt bên trong thành ống. 
 • Vật liệu chế tạo ống, cánh là đồng chất, đẳng hướng. 
 Hình 2.15. Vách có cánh 
 41 
 Giả sử có 1 vách có cánh (Hình 2.15), vật liệu làm vách có hệ số dẫn nhiệt λ, 
chiều dày của vách δ, phía vách có cánh có diện tích F1 tiếp xúc với khí thải có 
nhiệt độ tf1, hệ số trao đổi nhiệt từ khí thải đến bề mặt vách có cánh là α1, phía vách 
phẳng có diện tích là F2, tiếp xúc với nước biển có nhiệt độ tf2, hệ số trao nhiệt từ bề 
mặt vách phẳng đến nước biển là α2. Gọi tw1 là nhiệt độ bề mặt phía vách làm cánh 
và tw2 là nhiệt độ bề mặt phía không làm cánh. 
 Theo [65], phương trình truyền qua vách có cánh được xác định như sau: 
 Q=− 1 F 1() tf 1 t w1
 dn
 Q=− F1() t w1 t w2 (2.27) 
 
 Q=− F() t t
 2 2 w2f 2
 1
 Q =. t − t 
 11 ( ff12)
 ++ (2.28) 
 1FFF 1  1 2 2
 Theo [65] hệ số truyền nhiệt của vách có cánh k (W/m2.K) được xác định theo 
công thức sau: 
 1
 k = (W/m2.K) 
 1  F
 ++ 1 (2.29) 
 1  2F 2
 Q = kF1 ttb (2.30) 
 2
 Trong đó α1 là hệ số trao đổi nhiệt của khí thải (W/m .K); α2 là hệ số trao đổi 
nhiệt của nước biển (W/m2.K); δ là độ dày của thành ống (m);  là hệ số dẫn nhiệt 
của vật liệu làm ống (W/m.K); F1 và F2 là diện tích bề mặt có cánh và không có 
cánh (m2). 
 Ngoài ra theo [60] tỷ số giữa F1/F2 (εc) được gọi là hệ số làm cánh và được xác 
định như sau: 
 F12 
 c = (2.31) 
 F21 
 Công thức (2.32) dùng để xác định kích thước diện tích bề mặt làm cánh lớn nhất 
trong két thu hồi nhiệt khí thải, EHR. 
 Đối với 1 ống hình trụ có chiều dài L thì diện tích bề mặt làm cánh F1 được tính 
theo công thức sau: 
 2
 F1 = [πd1 + 2na] L (m ) (2.32) 
 Với d1 là đường kính trong của ống (m); n là số cánh; a là chiều cao của cánh 
(m). 
 • Xác định hệ số trao nhiệt của khí thải, α1 
 Vì quá trình trao đổi nhiệt trong két thu hồi nhiệt khí thải là trao đổi nhiệt đối lưu 
cưỡng bức nên hệ số Nusselt của khí thải được tính như sau: 
 42 
 + Nếu chất khí chuyển động tầng trong ống (Re < 2300): 
 0,33 0,1
 Nuf1= 0,13Re f 1 Gr f 1 1 R , trong đó fR11. =1 (2.33) 
 + Nếu chất khí chuyển động rối trong ống (Re > 2300): 
 0,8
 Nu f1= 0,018Re f 1 1 R , trong đó fR11. =1 (2.34) 
 Trong đó: Ref1 = wkt.lkt/kt; lkt là kích thước xác định của ống (m). 
 Do két thu hồi nhiệt khí thải là ống trụ có cánh nên lkt được tính theo công thức 
sau: 
 2
 4F 4[ d1 / 4− nba )]
 lkt == (m) (2.35) 
 U d1 + 2 na
 Trong đó: d1 là đường kính trong ống (m); a là chiều cao của các cánh (m); b là 
độ dày của cánh (m); n là số cánh. 
 Nếu bỏ qua tổn thất năng lượng dòng khí chuyển động trong ống, thì vận tốc 
dòng khí thải trong thiết bị được tính theo công thức: 
 VGkt kt
 wkt == (m/s) (2.36) 
 S kt .S
 Diện tích mặt cắt ngang của ống trao đổi nhiệt khí thải: 
 .d 2
 S=−1 n..() a b m2 (2.37) 
 4
 Mà: 
 1lkt
 Nu f 1 = (2.38) 
 kt
 Vậy hệ số trao đổi nhiệt của khí thải là: 
 Nu f1 kt 2
 1 = (W/m .K) (2.39) 
 lkt
 • Xác định hệ số trao đổi nhiệt của nước biển, α2 
 Nước biển chuyển động cưỡng bức trong EHR nên trị số Nusselt (Nu) của nước 
biển được tính toán tương tự theo các công thức 2.17 ÷ 2.22 : 
 Mà: Nuf2 = α2dnb/λnb, với λnb là hệ số dẫn nhiệt của nước biển (W/m.K) 
 Nu f2. nb 2
 = 2 (W/m .K) (2.40) 
 dnb
 • Xác định độ chênh lệch nhiệt độ trung bình, Δttb 
 43 
 Hình 2.16. Sự biến thiên nhiệt độ của khí thải và nước biển trong EHR 
 Trong két thu hồi nhiệt khí thải EHR do nước biển chuyển động song song ngược 
chiều với khí thải (Hình 2.16) nên độ chênh lệch nhiệt độ trung bình được tính như 
sau [60]: 
 tt − 
 =t 21 
 tb t
 ln 2 (2.41) 
 t1
 o o
 Với: Δt1 = t’kt – t”nb ( C); Δt2 = t”kt – t’nb ( C). 
 • Tính chiều dài của cánh trao đổi nhiệt, L 
 Từ (2.30) diện tích trao đổi nhiệt của EHR được tính theo công thức sau: 
 Q=D kF1 tb
 Q (2.42) 
 F1 =
 kD tb
 Mà: F1 = [πd1 + 2na)]L, Vậy chiều dài của cánh trao đổi nhiệt là: 
 Q
 L = 
 éù (2.43) 
 ëûpd12 + 2na( 1 + a ) kD tb
2.4. Cơ sở tính toán thiết kế bộ hóa ẩm - ngưng tụ (HDH) 
 Hình 2.17 thể hiện nguyên lý hoạt động của bộ hóa ẩm – ngưng tụ như sau: trong 
bình hóa ẩm, nước biển có nhiệt độ cao được phun lên bề mặt tấm đệm tạo ẩm 
(Cooling Pad) [38], không khí lạnh sẽ được quạt đẩy từ phía dưới bình hóa ẩm đi 
qua tấm đệm, tại đậy không khí trao đổi nhiệt và trao đổi chất với nước biển có 
nhiệt độ cao từ trên xuống làm cho nhiệt độ và độ chứa hơi tăng lên. Quá trình 
không khí đi trong bình hóa ẩm là quá trình 1-2 được biểu diễn bằng đồ thị t-d của 
không khí ẩm (Hình 2.18). Ở đây không khí chuyển động trong bộ HDH là tuần 
hoàn kín nên trạng thái không khí là không khí ẩm bão hòa. Sau khi ra khỏi bình 
hóa ẩm, không khí có độ chứa hơi và nhiệt độ cao đi vào thiết bị ngưng tụ trao đổi 
nhiệt với nước biển có nhiệt độ thấp và hơi nước trong không khí ngưng tụ tạo 
 44 
thành nước ngọt (quá trình 2-1). Không khí ra khỏi thiết bị ngưng tụ là không khí 
ẩm bão hòa và sẽ được quạt hút đưa vào bình hóa ẩm để thực hiện chu trình mới. 
 Hình 2.17. Nguyên lý hoạt động của bộ hóa ẩm - ngưng tụ 
 1- Nước biển vào bình ngưng tụ; 2- Bình ngưng tụ 3- Không khí ẩm bão hòa; 4- Nước biển 
 phun vào bình hóa ẩm; 5- Bình hóa ẩm; 6- Nước biển ra; 7- Quạt; 8- Nước ngọt 
 Hình 2.18. Đồ thị t-d biểu diễn trạng thái của không khí trong bộ HDH [60] 
2.4.1. Quá trình trao đổi nhiệt trong bình hóa ẩm 
2.4.1.1. Quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa không khí và nước biển trong 
bình hóa ẩm 
 Khi không khí tiếp xúc với nước biển (Hình 2.19), ở sát mặt nước biển (mặt phân 
chia giữa nước biển và không khí) sẽ có một lớp không khí trở nên bão hòa do hơi 
nước bay vào. Nhiệt độ lớp không khí bão hòa này tk có thể coi là nhiệt độ của nước 
 45 
biển: tk = tnb. Quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa nước biển và không khí ở đây 
thực chất là quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa không khí và lớp không khí bão 
hòa ở sát mặt nước biển. 
 Hình 2.19. Quá trình không khí tiếp xúc với nước biển [60] 
 Hình 2.20. Đồ thị I-d quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa nước và không khí [60] 
 Hình 2.20 trình bày các trạng thái biển đổi của không khí trong quá trình trao đổi 
nhiệt và chất giữa không khí và nước biển trên đồ thị I-d. Điểm A với nhiệt độ tA, độ 
ẩm tương đối A là trạng thái của không khí, K1, K2, K3, K4 là các trạng thái khác 
nhau của lớp không khí bão hòa ( k = 1) có nhiệt độ bằng nhiệt độ của nước nhưng 
thấp hơn nhiệt độ của không khí. Thực chất đây chính là quá trình hỗn hợp giữa 
không khí A với không khí bão hòa K1, K2, K3 nên trạng thái hỗn hợp không khí 
sau khi đã trao đổi nhiệt và chất phải nằm trên các đoạn AK1, AK2 
 Theo [60] phương trình cân bằng nhiệt giữa nước biển và không khí được tính 
theo công thức sau: 
 Gkk.I’kk + Gnb.Cnb.t’nb = Gkk.I”kk + Gnb.Cnb.t”nb (2.44) 
 Ở đây: I’kk, I”kk là entanpi của không khí vào và ra khỏi thiết bị, kJ/kg; Cnb là 
 46 
nhiệt dung riêng của nước biển, kJ/kg.K. 
 Từ (2.44) ta suy ra: 
 Gn
 I” = I’ - .Cn( t n " - t n ') (2.45) 
 Gk
 Từ đó ta lập ΔIAi: 
 I'- I"
 D=I (2.46) 
 Ai n
 Ở đây n là cấp số giá trị ta tự chọn, khi lấy n càng lớn, đường biểu diễn trạng thái 
của không khí càng chính xác. Từ (2.46) ta có: 
 I'I= ü
 A0 ï
 ï
 IIIA1= A0 - D Ai ï
 ï
 IIIA2= A1 - D Ai ý (2.47) 
 ï
 ......... ï
 ï
 IAn= I An- 1 - D I Ai = I"þï
 Hình 2.21. Đồ thị quá trình thay đổi trạng thái của không khí [60] 
 Tùy theo nhiệt độ của nước biển so với nhiệt độ nhiệt kế ướt tư mà đường cong 
quá trình thay đổi trạng thái của không khí A – An có dạng như hình 2.21. Ở đây khi 
nhiệt độ của nước biển t’nb, t”nb < tư, đường biểu diễn có dạng A – An nghĩa là 
không khí được làm khô (độ chứa hơi giảm). Khi nhiệt độ của nước biển t’nb, t”nb > 
tư, đường biểu diễn có dạng A – A’n nghĩa là không khí được làm ẩm (độ chứa hơi 
tăng). 
2.4.1.2. Phương trình cân bằng nhiệt trong bình hóa ẩm 
 Hình 2.22 thể hiện quá trình truyền nhiệt giữa nước biển và không khí được thực 
hiện bằng 2 cách: 
 • Cách thứ nhất là truyền nhiệt bằng đối lưu do có độ chênh lệch nhiệt độ Δt 
 47 
 giữa nhiệt nước biển tnb và nhiệt độ không khí tk (Δt = tnb - tkk). Khi Δt tăng thì 
 truyền nhiệt giữa nước biển và không khí tăng lên hoặc ngược lại. Để đảm 
 bảo truyền nhiệt đối lưu thì Δt > 0, nghĩa là nhiệt độ nước biển phải lớn hơn 
 nhiệt độ không khí tại trước và sau tấm đệm. 
 • Cách thứ hai là truyền nhiệt bằng chất, nghĩa là do hơi nước trong nước biển 
 bay hơi vào không khí. Do trong bình hóa ẩm trạng thái không khí là không 
 khí ẩm bão hòa do đó để có nhiều nước bay hơi vào không khí (tăng cường 
 truyền nhiệt) thì không khí vào bình hóa ẩm có nhiệt độ càng nhỏ càng tốt để 
 độ chứa hơi của không khí (d’kk) tại đây thấp. Khi nhiệt độ không khí tăng 
 làm tăng độ chứa hơi nên lượng nước ngọt phụ thuộc vào chênh lệch độ chứa 
 hơi của không khí trước và sau tấm đệm tạo ẩm, Gbh = Gkk (d”kk – d’kk). 
 Hình 2.22. Sơ đồ cân bằng nhiệt và chất trong bình hóa ẩm 
 Do trong bình hóa ẩm vừa xảy ra quá trình trao đổi nhiệt vừa xảy ra quá trình 
trao đổi chất nên rất phức tạp nên hệ số truyền nhiệt không thể xác định trực tiếp từ 
những lý thuyết truyền nhiệt đã biết. Để giải quyết vấn đề này đã có rất nhiều 
nghiên cứu điển hình là lý thuyết Merkel [70]. 
 Hình 2.23. Cơ chế dịch chuyển giữa nước và không khí [70] 
 48 
 • Lý thuyết Merkel 
 Trong lý thuyết Merkel đã giả thiết như sau: 
 - Nhiệt độ của nước biển ở bề mặt và tâm là bằng nhau. 
 - Khối lượng không khí khô quá bình hóa ẩm là không đổi. 
 - Không có tổn thất nhiệt trong quá trình. 
 - Bỏ qua sự phụ thuộc của nhiệt độ không khí và nước biển vào nhiệt ẩn hóa 
 hơi và nhiệt dung riêng. 
 Theo lý thuyết Merkel năng lượng truyền từ tâm giọt nước biển qua bề mặt đến 
không khí xung quanh được thể hiện trên Hình 2.23. Phương trình cân bằng năng 
lượng trong bình hóa ẩm như sau: 
 Qkk = Qnb = Q (2.48) 
 Với: Qkk là lượng nhiệt không khí nhận được, Qkk = Gkk.(I”kk – I’kk) (kJ/s); Qn là 
lượng nhiệt của nước cho đi, Qnb = Gnb.Cnb.(t’nb – t”nb) (kJ/s); Q là lượng nhiệt 
truyền từ nước biển đến không khí (kJ/s). 
 Merkel đã chứng minh được rằng năng lượng nhiệt truyền từ nước biển đến 
không khí Q tỷ lệ với độ chênh entanpy của không khí bão hòa ứng với nhiệt độ 
nước biển I”gh(tnb) và entanpy của không khí ứng với nhiệt độ của không khí Ikk(tkk): 
 Q = .F.[I”gh(tnb) – Ikk(tkk)] = .f.V.[I”gh(tnb) – Ikk(tkk)] (kJ/s) (2.49) 
 Trong đó:  là hệ số trao đổi chất tổng hợp giữa nước biển và không khí 
(kg/m2.s); F là diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2); V là thể tích hình học của khối 
 3 2 3
đệm (m ); f là diện tích bề mặt riêng của khối đệm (m /m ); I”gh(tn) là entanpy của 
không khí bão hòa ứng với nhiệt độ nước biển tnb (kJ/kg kk); Ikk(tkk) là entanpy của 
không khí ứng với nhiệt độ không khí tkk (kJ/kg kk). 
 Lấy vi phân phương trình (2.49) được: 
 "
 .F .fV . It2 dI nb C
 = =kk dT = nb dt (2.50) 
 It""""' nb
 GGIIInb nb1 gh(t)nb−− kk (t) kknb gh (t) nb Ikk t) kk
 Phương trình (2.50) được gọi là phương trình Merkel. Trong (2.50) I”gh(tnb) và 
Ikk(tkk) thay đổi nên không thể giải phương trình trên dưới dạng quan hệ giải tích, 
nên để giải phương trình (2.50) người ta thường dùng phương pháp tích phân gần 
đúng. 
 • Phương trình cân bằng nhiệt trong bình hóa ẩm 
 Trong luận án này, dựa vào phương trình cân bằng nhiệt và phương trình truyền 
nhiệt NCS đi xây dựng quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong bình hóa ẩm 
như sau: Gọi nhiệt độ nước biển vào bình hóa ẩm là t’nb, nhiệt độ nước biển ra khỏi 
bình hóa ẩm là t’nb, nhiệt độ không khí ẩm bão hòa vào t’k và ra t”k, nhiệt độ nhiệt 
kế ướt của không khí vào bình tư. Hình 2.21 biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ của nước 
biển tnb và nhiệt độ không khí tk trong bình hóa ẩm. Khi không khí vào bình có độ 
ẩm tư, nghĩa là nhiệt độ thấp của không khí vào bình t’k 
= tư. Vậy để đảm bảo điều kiện truyền nhiệt thì nhiệt độ nước biển vào và ra khỏi 
bình hóa ẩm tnb phải lớn hơn nhiệt độ nhiệt kế ướt của không khí vào bình tư ta có: 
 "
 tnb=D t u + t (2.51) 
 49 
 Gọi hiệu nhiệt độ của nước δt = t’nb – t”nb và hiệu nhiệt độ của nước lớn nhất 
(khi t”nb = tư) là δtmax = t’nb – tư ta có hiệu suất của bình hóa ẩm như sau: 
 '"
 dt ttnb- nb
 h = = ' (2.52) 
 d-tmax t nb t u
 Theo [60] thì hiệu suất bình hóa ẩm nằm trong khoảng: η = 0,4 – 0,7 
 Từ (2.51) và (2.52) ta có thể xác định được nhiệt độ ra của nước biển là: 
 Dt
 t”nb = tư + (2.53) 
 1-h
 dt
 t”nb = tư + (2.54) 
 1-h
 Phương trình cân bằng nhiệt trong bình hóa ẩm được tính như sau [60]: 
 ''""
 Gnb C nb t nb+ G kk I kk = G nb C nb t nb + G kk I kk (2.55) 
 Ở đây: Cnb là nhiệt dung riêng của nước biển, kJ/kg.K; I’kk, I”kk là entanpi của 
không khí vào và ra khỏi bình hóa ẩm, kJ/kg. 
 Hình 2.24. Quá trình trao đổi nhiệt trong tấm đệm [60] 
 Quá trình trao đổi nhiệt giữa nước biển và không khí trong tấm đệm được thể 
hiện trên Hình 2.24. Phương trình truyền nhiệt giữa khí (không khí) và chất lỏng 
(nước biển) được tính như sau [60]: 
 Q = kF.F.Δt. (2.56) 
 Ở đây: F là diện tích bề mặt khối đệm; Δt là độ chênh lệch nhiệt độ trung bình 
giữa khí và chất lỏng; kF là hệ số tr