Từ rất nhiều năm nay, việc tính toán đảm bảo sự cân bằng giữa lưu trữ đủ nước ngọt, giảm tải trọng và tiết kiệm chi phí cho tàu đánh cá trong mỗi chuyến xa khơi hàng tháng trời là nỗi đau đầu của các ngư dân Việt Nam. Trên thế giới, người ta thường trang bị cho tàu hệ thống lọc nước biển thành nước ngọt bằng công nghệ thẩm thấu ngược (RO) nhưng điều đó lại khó khả thi ở Việt Nam do hệ thống này khá đắt đỏ và đòi hỏi phải thay bộ lọc thường xuyên. Phần lớn các tàu cá xa bờ vẫn phải sử dụng cách làm quen thuộc là mang nước ngọt từ đất liền, tích trữ ở các bồn nước trên tàu trong mỗi chuyến đánh bắt xa, dù biết cách làm này vừa chiếm nhiều không gian hữu ích, đồng thời tăng tải trọng của tàu, khiến nhiên liệu tiêu hao nhiều hơn.
Thực tế trên là động lực thúc đẩy nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Khổng Vũ Quảng ở Viện Cơ khí động lực (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) đề xuất lên Bộ Giáo dục và Đào tạo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng trên các tàu đánh bắt xa bờ của Việt Nam” (B2017-BKA39) và may mắn được phê duyệt. “Hệ thống này sẽ đảm bảo cung cấp đủ nguồn nước ngọt phục vụ sinh hoạt trên các tàu khai thác thủy hải sản có chuyến đi biển dài ngày với số lượng người nhiều, mà không phải mang theo nước ngọt từ đất liền trước mỗi chuyến đi như các tàu khai thác thủy hải sản hiện nay. Nhờ đó, tải trọng của tàu giảm, tăng không gian hữu ích trên tàu. Đây là một trong những yếu tố quan trọng góp phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng thời gian của mỗi chuyến đi biển”, anh cho biết.
Tuy hướng đến việc giải quyết một vấn đề có ý nghĩa như vậy trong thực tế nhưng khi trao đổi với phóng viên của Khoa học & Phát triển, PGS.TS. Khổng Vũ Quảng vẫn nhận xét khiêm tốn rằng hệ thống này thực ra “không có gì ghê gớm cả”, vì công nghệ tận dụng nhiệt từ nước làm mát của động cơ trên tàu để chưng cất nước ngọt từ nước biển đã phổ biến trên thế giới từ lâu. Tuy nhiên, điều anh nhận thấy là các hệ thống sẵn có trên thị trường chỉ phù hợp với các loại tàu vận tải có công suất lớn, trong khi đó, tàu cá Việt Nam thường có công suất nhỏ, khoảng 350-500 mã lực. “Với công suất như thế, nguồn nhiệt từ nước làm mát không đủ để chưng cất nước ngọt đáp ứng đủ cho nhu cầu sử dụng”, anh nói. Bởi vậy, anh đã nghĩ đến việc kết hợp thêm với nguồn nhiệt từ khí thải của động cơ để tạo ra hệ thống chưng cất nước ngọt cho tàu cá.
Điểm mới của công nghệ này là không chỉ là việc tận dụng nhiệt từ nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong mà còn góp phần nâng cao hiệu suất nhiệt của hệ động lực trên tàu.
Ảnh: Mô hình hệ thống chưng cất nước ngọt bằng cách tận dụng nhiệt lượng từ nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong. Nguồn: CSDL Cục SHTT
Cấu tạo của hệ thống chưng cất nước ngọt gồm ba thành phần chính: thiết bị thu hồi nhiệt từ nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt của khí xả và thiết bị hóa ẩm - ngưng tụ để hóa ẩm và ngưng tụ hơi tạo thành nước ngọt từ nước biển sau khi được gia nhiệt từ hai thiết bị thu hồi nhiệt trên.
Sau một quá trình nghiên cứu và thiết kế mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một thiết kế tận dụng tối đa nhiệt lượng từ khí thải và nước làm mát: bao gồm các cánh tản nhiệt chạy dọc bên trong các ống khí thải, bao quanh các ống khí thải là các khoang trao đổi nhiệt; một giàn ống trao đổi nhiệt với các cánh dẫn hướng để thu hồi nhiệt từ nước làm mát. Nước biển sẽ được dẫn qua hai hệ thống này để gia nhiệt, sau đó đi vào bộ phận hóa ẩm - ngưng tụ để tạo thành nước ngọt. Để thuận tiện khi vận hành, các thiết bị này được kết nối với bộ điều khiển có chức năng đóng mở tự động các van điện từ, các bơm và quạt hút chân không. Hệ thống cũng được tích hợp các cảm biến nồng độ muối, các cảm biến nhiệt độ và cảm biến áp suất. Khi hệ thống làm việc, tín hiệu nhiệt độ, nồng độ muối và áp suất từ các cảm biến được đưa về bộ điều khiển để xử lý và sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành, bao gồm các bơm, các van điện từ và quạt hút chân không được điều khiển tự động để đảm bảo lưu lượng nước biển lưu thông trong hệ thống cũng như quá trình hóa hơi là tối ưu.
Quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định. Tuy nhiên, để đánh giá chính xác hơn, nhóm nghiên cứu cần những thử nghiệm thực tế trên tàu cá. Dù chưa có điều kiện để hoàn thiện hệ thống theo mong muốn nhưng với tính sáng tạo và hiệu quả ứng dụng cao, hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt của nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước ngọt trên tàu khai thác thủy sản xa bờ được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0024229 công bố ngày 25/6/2020.
Thực tế trên là động lực thúc đẩy nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Khổng Vũ Quảng ở Viện Cơ khí động lực (Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội) đề xuất lên Bộ Giáo dục và Đào tạo đề tài “Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng trên các tàu đánh bắt xa bờ của Việt Nam” (B2017-BKA39) và may mắn được phê duyệt. “Hệ thống này sẽ đảm bảo cung cấp đủ nguồn nước ngọt phục vụ sinh hoạt trên các tàu khai thác thủy hải sản có chuyến đi biển dài ngày với số lượng người nhiều, mà không phải mang theo nước ngọt từ đất liền trước mỗi chuyến đi như các tàu khai thác thủy hải sản hiện nay. Nhờ đó, tải trọng của tàu giảm, tăng không gian hữu ích trên tàu. Đây là một trong những yếu tố quan trọng góp phần làm giảm tiêu hao nhiên liệu và tăng thời gian của mỗi chuyến đi biển”, anh cho biết.
Tuy hướng đến việc giải quyết một vấn đề có ý nghĩa như vậy trong thực tế nhưng khi trao đổi với phóng viên của Khoa học & Phát triển, PGS.TS. Khổng Vũ Quảng vẫn nhận xét khiêm tốn rằng hệ thống này thực ra “không có gì ghê gớm cả”, vì công nghệ tận dụng nhiệt từ nước làm mát của động cơ trên tàu để chưng cất nước ngọt từ nước biển đã phổ biến trên thế giới từ lâu. Tuy nhiên, điều anh nhận thấy là các hệ thống sẵn có trên thị trường chỉ phù hợp với các loại tàu vận tải có công suất lớn, trong khi đó, tàu cá Việt Nam thường có công suất nhỏ, khoảng 350-500 mã lực. “Với công suất như thế, nguồn nhiệt từ nước làm mát không đủ để chưng cất nước ngọt đáp ứng đủ cho nhu cầu sử dụng”, anh nói. Bởi vậy, anh đã nghĩ đến việc kết hợp thêm với nguồn nhiệt từ khí thải của động cơ để tạo ra hệ thống chưng cất nước ngọt cho tàu cá.
Điểm mới của công nghệ này là không chỉ là việc tận dụng nhiệt từ nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong mà còn góp phần nâng cao hiệu suất nhiệt của hệ động lực trên tàu.
Ảnh: Mô hình hệ thống chưng cất nước ngọt bằng cách tận dụng nhiệt lượng từ nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong. Nguồn: CSDL Cục SHTT
Cấu tạo của hệ thống chưng cất nước ngọt gồm ba thành phần chính: thiết bị thu hồi nhiệt từ nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt của khí xả và thiết bị hóa ẩm - ngưng tụ để hóa ẩm và ngưng tụ hơi tạo thành nước ngọt từ nước biển sau khi được gia nhiệt từ hai thiết bị thu hồi nhiệt trên.
Sau một quá trình nghiên cứu và thiết kế mô phỏng, nhóm nghiên cứu đã đưa ra một thiết kế tận dụng tối đa nhiệt lượng từ khí thải và nước làm mát: bao gồm các cánh tản nhiệt chạy dọc bên trong các ống khí thải, bao quanh các ống khí thải là các khoang trao đổi nhiệt; một giàn ống trao đổi nhiệt với các cánh dẫn hướng để thu hồi nhiệt từ nước làm mát. Nước biển sẽ được dẫn qua hai hệ thống này để gia nhiệt, sau đó đi vào bộ phận hóa ẩm - ngưng tụ để tạo thành nước ngọt. Để thuận tiện khi vận hành, các thiết bị này được kết nối với bộ điều khiển có chức năng đóng mở tự động các van điện từ, các bơm và quạt hút chân không. Hệ thống cũng được tích hợp các cảm biến nồng độ muối, các cảm biến nhiệt độ và cảm biến áp suất. Khi hệ thống làm việc, tín hiệu nhiệt độ, nồng độ muối và áp suất từ các cảm biến được đưa về bộ điều khiển để xử lý và sau đó đưa ra tín hiệu điều khiển đến các cơ cấu chấp hành, bao gồm các bơm, các van điện từ và quạt hút chân không được điều khiển tự động để đảm bảo lưu lượng nước biển lưu thông trong hệ thống cũng như quá trình hóa hơi là tối ưu.
Quá trình thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định. Tuy nhiên, để đánh giá chính xác hơn, nhóm nghiên cứu cần những thử nghiệm thực tế trên tàu cá. Dù chưa có điều kiện để hoàn thiện hệ thống theo mong muốn nhưng với tính sáng tạo và hiệu quả ứng dụng cao, hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt của nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước ngọt trên tàu khai thác thủy sản xa bờ được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0024229 công bố ngày 25/6/2020.
