Gợi ý giải pháp mới từ nhu cầu trong thực tế

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 diện tích, 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 ĐH Bách khoa Hà Nội) đề xuất lên Bộ GD&ĐT 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 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 đề tài 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 thống động lực trên tàu - bài toán muôn thuở của ngành cơ khí. “Xuất phát của tôi là ‘dân’ động cơ đốt trong, chúng tôi luôn nghĩ làm cách nào để nâng cao hiệu suất sử dụng của động cơ lên, vì qua hàng trăm năm phát triển nhưng hiệu suất nhiệtcủa động cơ bây giờ ở mức cao cũng chỉ đạt hơn 40%, còn lại mất qua nước làm mát và khí thải động cơ. Có nhiều giải pháp để tăng hiệu suất, một trong số đó tận sử dụng nguồn năng lượng thừa để sinh công có ích, từ đó chúng tôi đã nghĩ đến chuyện chế tạo hệ thống chưng cất nước ngọt cho các tàu đánh bắt xa bờ”, anh giải thích.

Sự mới mẻ trong kết hợp hai nguồn nhiệt từ nước làm mát và khí thải của động cơ để tạo ra hệ thống chưng cất nước ngọt là cơ hội để nhóm nghiên cứu sáng tạo một thiết kế riêng biệt. Hệ thống chưng cất nước ngọt theo đề xuất của nhóm nghiên cứu 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.

Bài toán đặt ra cho nhóm nghiên cứu là thiết kế các bộ phận này như thế nào để quá trình trao đổi nhiệt giữa nước biển với nhiệt của nước làm mát và khí thải đạt hiệu quả cao nhất có thể. Đây là yếu tố quyết định đến hiệu quả hoạt động của hệ thống chưng cất nước ngọt. Với kinh nghiệm hơn 20 năm nghiên cứu trong lĩnh vực động cơ đốt trong, kết hợp với đội ngũ nhân lực gồm các sinh viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học ở trường ĐH Bách khoa Hà Nội - một “nguồn nhân lực khá tốt và ham học hỏi”, đây không phải là vấn đề quá khó với nhóm nghiên cứu của PGS.TS. Khổng Vũ Quảng. “Một điều thuận lợi là bạn nghiên cứu sinh của tôi có xưởng cơ khí riêng nên cũng hỗ trợ gia công chế tạo rất nhiều”, anh cho biết.

Sau một quá trình dài mày mò “thử và sai”, từ tính toán sơ bộ, sử dụng phần mềm mô phỏng, chế tạo thử rồi “đập đi làm lại”, 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.

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: NOIP

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 - “một điều chúng tôi không dễ có được”, PGS.TS. Khổng Vũ Quảng bày tỏ. 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 (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế vào tháng 6/2020.

Bài toán xuất phát từ nhu cầu trong thực tế của các nhà nghiên cứu ở trường ĐH Bách khoa HN đã “gặp” được những người cần nó. Dù mường tượng ra niềm vui của những người làm nghề cá nhưng PGS.TS. Khổng Vũ Quảng không khỏi bất ngờ. “Nếu làm được loại máy này thì sẽ hỗ trợ ngư dân rất nhiều, nếu giá cả phải chăng thì tôi nghĩ mọi người sẽ sẵn sàng đầu tư”, ông Võ Đình Trí ở hợp tác xã nghề cá An Kỳ (Quảng Ngãi) cho biết.

Gợi mở những nghiên cứu mới

Đối với những nhà khoa học như PGS.TS. Khổng Vũ Quảng, thành công của đề tài không chỉ dừng lại ở việc mang lại sản phẩm ứng dụng mà còn hỗ trợ cho quá trình nghiên cứu và đào tạo. “Đề tài này đã giúp nhóm nghiên cứu của chúng tôi rất nhiều, thứ nhất là đào tạo nghiên cứu sinh, học viên cao học, thậm chí cả sinh viên đại học làm đồ án tốt nghiệp, giúp các bạn ấy được làm gì đó thực tế hơn. Ngoài ra, chúng tôi cũng công bố được một bài báo thuộc danh mục Scopus, còn hai bài đang trong quá trình xét duyệt”, anh cho biết.

Dù nhận được đánh giá tích cực song để hoàn thiện và thương mại hóa hệ thống này, việc tiếp tục triển khai những nghiên cứu liên quan là điều cần thiết. “Chúng tôi cần nghiên cứu thêm về hiệu suất tận dụng nhiệt, đồng thời cải thiện độ bền của vật liệu để chống chịu được các điều kiện khắc nghiệt trên biển. Điều này rất quan trọng vì tàu đi biển không giống các phương tiện trên đất liền, có vấn đề có thể gọi cứu hộ ngay”, anh giải thích.

Tuy nhiên, làm thế nào để vừa giải quyết bài toán kỹ thuật, vừa đáp ứng bài toán ứng dụng thực tế không phải là điều dễ dàng. “Nhiều kết cấu chúng tôi nghĩ ra rất hay, tối ưu nhưng công nghệ chưa làm được, hoặc làm được nhưng đắt. Nếu hay về mặt kỹ thuật nhưng lại khó đi vào cuộc sống thì cũng không ổn, cho nên chúng tôi phải cân đong đo đếm hiệu quả kinh tế trong đó thì mới đưa ra được giải pháp phù hợp”, PGS.TS. Khổng Vũ Quảng nhận xét.