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

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ thống thu hồi lượng nhiệt nước làm mát khí thải động đốt để chưng cất nước từ nước biển LÊ MẠNH TỚI Toi.LMCB190145@sis.hust.edu.vn Ngành Kỹ thuật Ô tô Giảng viên hướng dẫn: PGS TS Khổng Vũ Quảng Viện: Cơ khí động lực Chữ ký GVHD HÀ NỘI, 9/2022 i LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo, Viện Cơ khí động lực cho phép thực luận văn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Xin cảm ơn Phòng Đào tạo Khoa Cơ khí Động lực hỗ trợ giúp đỡ suốt q trình tơi làm luận án Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng hướng dẫn tơi tận tình chu tơi thực hồn thành luận văn Tôi xin chân thành biết ơn thầy Bộ môn Trung tâm nghiên cứu Nguồn động lực Phương tiện tự hành - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội giúp đỡ dành cho điều kiện thuận lợi để hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy phản biện, thầy hội đồng chấm luận văn đồng ý đọc duyệt góp ý kiến q báu để tơi hồn chỉnh luận văn định hướng nghiên cứu tương lai Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình bạn bè, người động viên, khuyến khích tơi suốt thời gian nghiên cứu thực cơng trình TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Nước tàu thủy đóng vai trị quan trọng sử dụng với mục đích như: phục vụ sinh hoạt người, phục vụ cho hệ thống động lực tàu thủy… tàu thủy ngồi két dự trữ nước cần có hệ thống sản xuất nước Trong thực tế, tàu vận tải cỡ lớn có nguồn động lực máy lớn trang bị hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để tạo nước nhằm liên tục bổ sung nước để phục vụ nhu cầu Tuy nhiên hệ thống áp dụng tàu có nguồn động lực máy vừa nhỏ Vì nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ thống thu hồi lượng nhiệt nước làm mát khí thải động đốt để chưng cất nước từ nước biển có ý nghĩa khoa học thực tiễn cao Luận văn sử dụng phương pháp kết hợp nghiên cứu lý thuyết tính tốn mơ Kết nghiên cứu có giá trị phương pháp luận việc ứng dụng công nghệ để chưng cất nước từ nước biển sử dụng lượng nhiệt nước làm mát khí thải động tàu biển Học viên Lê Mạnh Tới ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii MỞ ĐẦU ix i Lý chọn đề tài ix ii Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận văn x iii Phương pháp nghiên cứu x iv Ý nghĩa khoa học thực tiễn x CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Năng lượng ô nhiễm môi trường 1.2 Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải để nâng cao hiệu suất nhiệt hệ động lực 1.2.1 Sử dụng chu trình Rankine hữu (ORC) 1.2.2.Tăng áp khí nạp cho động tuabin – máy nén 1.2.3 Nhiệt điện (Thermoelectric Generation - TEG) 1.2.4 Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi 1.2.5 Nâng cao hiệu suất nhiệt động từ nhiệt nước làm mát 1.3 Nhu cầu sử dụng nước phương pháp chưng cất nước từ nước biển 1.3.1 Thực trạng nhu cầu sử dụng nước tàu biển 1.3.2 Các giải pháp công nghệ tạo nước từ nước biển 1.4 Các nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu biển 1.5 Sơ đồ hệ thống chưng cất nước từ nước biển 11 1.5.1 Xây dựng sơ đồ hệ thống 11 1.5.2 Xây dựng lưu đồ bước tính tốn thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR 13 1.6 Kết luận chương 14 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15 2.1 Cơ sở tính tốn thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát khí thải ĐCĐT 15 2.2 Két thu hồi nhiệt nước làm mát (CHR) 15 2.3 Két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 19 2.4 Cơ sở tính tốn thiết kế hóa ẩm - ngưng tụ (HDH) 24 2.4.1 Quá trình trao đổi nhiệt bình hóa ẩm 25 iii 2.4.2 Quá trình trình trao đổi nhiệt bình ngưng tụ 29 2.5 Cở sở lý thuyết mô Ansys Fluent 32 2.6 Kết luận chương 33 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG 34 3.1 Cơ sở tính tốn, thiết kế thiết bị hệ thống 34 3.2 Tính tốn, thiết kế mơ két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR 34 3.2.1 Tính tốn, thiết kế két thu hồi nhiệt nước làm mát 34 3.2.2 Mô CHR Ansys Fluent 36 3.3 Tính tốn, thiết kế mơ két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 40 3.3.1 Tính tốn, thiết kế EHR 40 3.3.2 Mô EHR Ansys Fluent 42 3.4 Kết luận chương 48 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO 50 iv DANH MỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG BIỂU Hinh 1.1 Sơ đồ chu trình ORC [6] Hinh 1.2 Sơ đồ hệ thống tăng áp tuabin-máy nén sử dụng ĐCĐT Hinh 1.3 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động để phát điện (TEG) [9] Hinh 1.4 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt nồi [4] Hinh 1.5 Sơ đồ nguyên lý tận dụng nhiệt từ nước làm mát phục vụ sinh hoạt [4] Hinh 1.6 Các tàu khai thác thủy hải sản Việt Nam Hinh 1.7 Các công nghệ khử muối giới [13] Hinh 1.8 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống chưng cất kiểu HDH [14] Hinh 1.9 Sơ đồ nguyên lý hoạt động hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động để chạy máy phát điện tàu biển [19] Hinh 1.10 Thiết bị tạo nước hãng Sasakura [20] Hinh 1.11 Sơ đồ chưng cất nước tận dụng nhiệt thừa ĐCĐT tàu khách [22] 10 Hinh 1.12 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động gia nhiệt cho nước [26] 11 Hinh 1.13 Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất nước từ nước biển tận dụng nhiệt khí thải nước làm mát động 12 Hinh 1.14 Lưu đồ thuật toán bước tính tốn thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR 13 Bảng 3.1 Nhiệt lượng nước làm mát khí thải ĐCĐT chế độ Ne-max Me-max 34 Bảng 3.2 Các thơng số kích thước CHR 35 Bảng 3.3 Điều kiện biên cho mô hình động làm việc tốc độ 2200 v/ph tải thay đổi 37 Bảng 3.4 Kết mô CHR động làm việc tốc độ 2200 v/ph tải thay đổi từ 20 ÷ 100% 38 Bảng 3.5 Thông số két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 41 Bảng 3.6 Nhiệt lượng, độ giảm nhiệt độ khí thải ĐCĐT chạy tốc độ 2200 v/ph 45 Bảng 3.7 Nhiệt lượng, độ giảm nhiệt độ khí thải tốc độ 2200 v/ph 45 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Ký hiệu Tên gọi Đơn vị ηt Hiệu suất nhiệt động % r Nhiệt ẩn hóa nước kJ/kg Qo Tổng lượng nhiệt mà động tỏa J/s Qlm Nhiệt lượng mà động truyền cho nước làm mát J/s Qd Nhiệt lượng mà dầu mang J/s Qthải Lượng nhiệt tổn thất khí thải J/s Qch Lượng nhiệt tổn thất khí sót J/s Qcl Lượng nhiệt tổn thất khác J/s QH Nhiệt trị thấp nhiên liệu J/kg 10 Gnl Lượng nhiên liệu tiêu thụ giây chế độ làm việc động kg/s 11 Ne Công suất động chế độ làm việc kW 12 Gth Lưu khối lượng khí thải động kg/s 13 Gkk-tt Lưu lượng khơng khí thực tế nạp vào động kg/s 14 λ Hệ số dư lượng không khí 15 Lo Lượng khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy hết kg nhiên liệu kg/kgnl 16 Cpth Nhiệt dung riêng đẳng áp khí thải J/kg.K 17 Δt Độ chênh lệch nhiệt độ o 18 tth Nhiệt độ khí thải o 19 to Nhiệt độ môi chất vào động o 20 Gkk Lưu khối lượng khơng khí kg/s 21 Ikk' Entanpi khơng khí đầu vào thiết bị hóa ẩm kJ/kg 22 Ikk" Entanpi khơng khí đầu thiết bị hóa ẩm kJ/kg 23 Gn Lưu khối lượng nước phun kg/s 24 tn ' Nhiệt độ đầu vào nước phun o 25 tn " Nhiệt độ đầu nước phun o 26 d Độ chứa khơng khí ẩm 27 w Vận tốc môi chất m/s 28 M Hệ số Mach m/s - C C C C C kg/kgkk vi 29 λdn Hệ số dẫn nhiệt vật liệu W/m.K 30 α Hệ số trao đổi nhiệt W/m2.K 31 tf Nhiệt độ dịng mơi chất o 32 tw Nhiệt độ bề mặt tường tiếp xúc với dịng mơi chất o 33 F Diện tích truyền nhiệt thiết bị m2 34 δ Độ dày vách ống trao đổi nhiệt m 35 υ Độ nhớt động học môi chất m2 36 a Hệ số dẫn nhiệt độ m2 37 β Hệ số giãn nở thể tích 1/K 38 k Hệ số truyền nhiệt W/m2.K 39 Nu Tiêu chuẩn Nusselt - 40 Re Tiêu chuẩn Reynold - 41 Gr Tiêu chuẩn Grashoff - 42 Pr Tiêu chuẩn Prandtl - 43 D Đường kích ngồi ống m 44 d Đường kính ống m 45 lkx Kích thước xác định ống thu hồi nhiệt khí xả m 46 ql Mật độ dòng nhiệt 47 L Chiều dài ống m 48 tư Nhiệt độ nhiệt kế ướt C 49 ts Nhiệt độ đọng sương C 50  Hệ số dính ướt chất lỏng bề mặt đệm 51 kF Hệ số truyền nhiệt quy ước tính cho đơn vị diện tích bề mặt đệm chất lỏng dính ướt tồn bề mặt đệm W/m2.K 52 µ Độ nhớt động lực học khí N.s/m2 53 f Bề mặt cho đơn vị thể tích đệm m2/m3 54 v Thể tích tự đệm m3/m3 55 Ar Tiêu chuẩn Arximed 56 ∆tnlm Độ chênh lệch nhiệt độ C C W/m - C vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Diễn tả ĐCĐT Động đốt 3 RO ORC TEG PCM NF CHR EHR MSF MED LTTD 10 11 VC MVC TVC 12 HDH 14 16 17 ĐCT ĐCD CFD Reverse Osmosis (Phương pháp thẩm thấu ngược) (Chu trình Rankine hữu cơ) Thermoelectric Generation (Nhiệt điện) Phase Change Materials Nano Filtration (Lọc Nano) Cooling Heat Recovery (Két thu hồi nhiệt nước làm mát) Exhaust Heat Recovery (Két thu hồi nhiệt khí thải) Multi Stage Flash Distillation (Phương pháp chưng cất đa tầng) Multiple Effect Distillation (Phương pháp chưng cất kiểu liên hoàn) Low Temperature Thermal Desalination (Phương pháp khử mặn nhiệt độ thấp) Vapour Compression (Phương pháp chưng cất kiểu nén hơi) Mechanical Vapor Compression (Máy nén học) Thermal Vapor Compression (Máy nén nhiệt) Humidification – Dehumidification (Phương pháp chưng cất kiểu hóa ẩm – ngưng tụ) Điểm chết Điểm chết Computational Fluid Dynamics (Tính tốn động lực học chất lưu) viii MỞ ĐẦU i Lý chọn đề tài Hiện nay, động đốt đóng vai trị quan trọng kinh tế, nguồn động lực cho phương tiện vận tải ô tô, máy kéo, xe máy, tàu thủy, máy bay máy công tác máy phát điện, bơm nước Tuy nhiên, khoảng 2/3 lượng mát mơi trường, chủ yếu nhiệt truyền cho hệ thống làm mát khoảng 25÷30%, nhiệt cho khí thải mang chiếm khoảng 30÷35% Với vai trò quan trọng ngành ngư nghiệp vận tải biển phát triển kinh tế biển, bảo vệ vùng biển thềm lục địa trước tình hình tranh chấp biển Đơng Việc đại hóa tăng số lượng tàu biển nói chung tàu phục vụ ngành ngư nghiệp nói riêng cần thiết, năm 2014 Chính phủ Nghị định 67/2014 NĐ-CP nhằm khuyến khích đóng tàu đánh bắt xa bờ có cơng suất lớn để nâng cao lực, tăng hiệu khai thác hải sản vùng biển xa Đây điều kiện thuận lợi cho ngành ngư nghiệp, vận tải biển phát triển đội tàu số lượng chất lượng Nước sử dụng tàu thuyền biển nói chung tàu khai thác thủy hải sản nói riêng giữ vai trị quan trọng, coi nhân tố định thời gian tính hiệu chuyến biển Thực tế nay, trước chuyến biển, phần lớn tàu khai thác thủy hải sản phải dự trữ mang theo lượng nước lấy từ đất liền đảo Trung bình, thời gian chuyến biển tàu có cơng suất lớn 350 mã lực kéo dài từ 2,5 đến tháng tàu có 25 đến 30 người, để phục vụ ăn uống sinh hoạt tàu phải mang theo lượng nước từ 18 đến 20 m3 Chính điều chiếm không gian hữu ích tàu mà làm tăng tải trọng tàu suốt chuyến đi, gây ảnh hưởng nhiều đến hiệu khai thác tàu tăng tiêu hao nhiên liệu, chí làm rút ngắn hành trình chuyến biển Như khẳng định, việc trang bị hệ thống tạo nước từ nước biển tàu khai thác thủy hải sản cần thiết Để giải phần vấn đề này, có số trung tâm nghiên cứu sở sản xuất đưa thị trường máy tạo nước từ nước biển sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược (RO) Tuy nhiên, điều kiện, yêu cầu kỹ thuật môi trường hoạt động không đảm bảo, nên sau thời gian đưa vào khai thác sử dụng, hệ thống bộc lộ số hạn chế định, cụ thể như: lượng tiêu thụ cho hệ thống lớn; giá thành thay lọc cao, lọc thường xuyên yêu cầu phải thay mới, không giảm hiệu suất máy nồng độ muối nước vượt giới hạn cho phép Đây yếu tố làm hạn chế nhiều hiệu khai thác sử dụng hệ thống RO, hạn chế khả triển khai nhân rộng việc trang bị hệ thống tàu khai thác thủy hải sản tàu thủy có cơng suất máy thấp trung bình giai đoạn thời gian tới Thực tế nay, tàu thủy vận tải cơng suất máy lớn có trang bị hệ thống tận dụng lượng nhiệt nước làm mát động diesel để chưng cất nước từ nước biển phục vụ đủ nhu cầu sử dụng nước tàu chuyến Tuy nhiên, công nghệ phù hợp với nguồn lượng nhiệt ix lớn dư thừa, tàu khai thác thủy hải sản có cơng suất nhỏ trung bình khơng thể áp dụng cơng nghệ Do vậy, phải nghiên cứu đưa hệ thống mà tận dụng kết hợp linh hoạt lượng nhiệt nước làm mát với nhiệt khí thải động để tăng hiệu chưng cất nước từ nước biển, vừa đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước tàu khai thác thủy hải sản đóng cần thiết, vừa giảm phát thải, bảo vệ môi trường, tiết kiệm nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày cạn kiệt, Từ sở trên, học viên chọn đề tài “Nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống thu hồi lượng nhiệt nước làm mát khí thải động đốt để chưng cất nước từ nước biển” để giải phần khó khăn nguồn nước tàu khai thác thủy hải sản xa bờ Việt Nam ii Mục tiêu nội dung nghiên cứu luận văn  Mục tiêu nghiên cứu luận văn: - Tính tốn thiết kế hệ thống tận dụng lượng nhiệt nước làm mát nhiệt khí thải để chưng cất nước từ nước biển  Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan hiệu suất nhiệt động giải pháp nâng cao hiệu suất nhiệt động - Nghiên cứu khả tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải để chưng cất nước biển thành nước - Nghiên cứu sở lý thuyết tính tốn thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải thiết bị chưng cất nước từ nước biển - Nghiên cứu mô thiết bị hệ thống phần mềm chuyên dụng iii Phương pháp nghiên cứu Luận văn sử dụng phương pháp kết hợp nghiên cứu lý thuyết, tính tốn mơ đó:  Nghiên cứu lý thuyết để làm sở tính tốn thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát, nhiệt khí thải hệ thống chưng cất nước từ nước biển  Tính tốn mơ thiết bị hệ thống để đánh giá khả tận dụng nguồn lượng nhiệt nước làm mát nhiệt khí thải động iv Ý nghĩa khoa học thực tiễn - Kết nghiên cứu có giá trị phương pháp luận việc ứng dụng công nghệ để chưng cất nước từ nước biển sử dụng lượng nhiệt khí xả nước làm mát động tàu biển - Kết nghiên cứu áp dụng vào sản xuất thiết bị chưng cất nước từ nước biển sử dụng lượng nhiệt khí xả nước làm mát động cho tàu biển x Hình 3.6 Phân bố nhiệt độ nước làm mát nước biển trao đổi nhiệt CHR a) Tấm phẳng; b) Tấm có gân Phân bố vận tốc nước làm mát nước biển lưu động CHR ứng với trường hợp thể Hình 3.5 Kết cho thấy phân bố vận tốc nước làm mát nước biển lưu động có gân (Hình 3.5b 3.5c) đồng phẳng (Hình 3.5a) Trong CHR có gân xuất vùng nước khơng chuyển động phẳng, ngun nhân bề mặt có gân giúp định hướng chuyển động chất lỏng làm tăng trình trao đổi nhiệt Hình 3.6 thể phân bố nhiệt độ nước làm mát nước biển ứng với trường hợp CHR Kết cho thấy, phân bố nhiệt độ nước làm mát nước biển trường hợp tương đồng Trong hai trường hợp nước làm mát truyền nhiệt cho nước biển nên nhiệt độ nước làm mát có xu hưởng giảm dần theo chiều lưu động, nhiệt độ nước biển lại có xu hướng tăng theo chiều lưu động từ cửa vào cửa thể Hình 3.6 Bảng 3.4 Kết mô CHR động làm việc tốc độ 2200 v/ph tải thay đổi từ 20 ÷ 100% Lưu lượng nước biển qua CHR Nhiệt lượng nước biển nhận Tải (kJ/s) (l/ph) (%) QRe-CHR_3 QRe-CHR_1 QRe-CHR_2 Gnb-CHR_1 Gnb-CHR_2 Gnb-CHR_3 20 20,17 20,90 20,65 7,05 7,63 7,49 40 60 80 100 25,70 31,34 38,23 42,15 26,31 32,63 38,84 44,51 26,05 32,10 38,34 43,95 9,24 11,33 13,62 15,21 9,70 11,81 14,09 16,18 9,43 11,68 13,92 15,96 38 Hình 3.7 Nhiệt lượng nước biển nhận lưu lượng nước biển qua két trường hợp động làm việc tốc dộ 2200 v/ph Hình 3.7 Bảng 3.4 thể nhiệt lượng nước biển nhận (QRe-CHR) lưu lượng nước biển qua CHR (mnb) trường hợp động làm việc tốc độ 2200 v/ph với tải thay đổi Kết cho thấy QRe mnb tăng tải tăng, nhiên trường hợp trao đổi nhiệt theo kiểu CHR cao trường hợp cịn lại Cụ thể: nhiệt lượng nước biển nhận lưu lượng nước biển qua két trường hợp CHR thấp 3,33% 5,15%; trường hợp CHR thấp 1,25% 1,76% theo tồn dải đo Điều thấy có thêm gân bề mặt trao đổi nhiệt cải thiện trình truyền nhiệt từ mơi chất sang mơi chất Vì nội dung nghiên cứu HV đánh giá ảnh hưởng chế độ làm việc ĐCĐT đến khả trao đổi nhiệt trường hợp CHR  Ảnh hưởng chế độ làm việc ĐCĐT đến khả thu hồi nhiệt nước làm mát CHR Hình 3.8 Nhiệt lượng nước biển nhận (QRe-CHR) từ nước làm mát chế độ làm việc ĐCĐT 39 Hình 3.9 Hiệu suất thu hồi nhiệt (Re) từ nước làm mát chế độ làm việc ĐCĐT QRe-CHR (kJ/s) Re (%) (nhiệt lượng nước biển nhận được/tổng nhiệt lượng nhiện liệu đưa vào ĐCĐT) theo chế độ làm việc động thể Hình 3.8 Hình 3.9 Kết cho thấy QRe-CHR có xu hướng tăng tải tăng, nhiên QRe-CHR có giá trị cao động làm việc tốc độ 1600 v/ph; Re có xu hướng tăng tăng tải giảm tốc độ động tăng Cụ thể: + Tại chế độ 20 % tải QRe-CHR = 13,21 kJ/s Re = 25,69 % với n = 1400 v/ph, QRe-CHR = 15,22 kJ/s Re = 24,98 % với n = 1600 v/ph; QRe-CHR = 20,90 kJ/s Re = 24,43 % với n = 2200 v/ph + Tại chế độ 100 % tải QRe-CHR = 43,37 kJ/s Re = 33,38 % với n = 1400 v/ph, QRe-CHR = 47,53 kJ/s Re = 31,74 % với n = 1600 v/ph; QRe-CHR = 44,51 kJ/s Re = 26,43 % với n = 2200 v/ph Nguyên nhân tăng tải động làm tăng lượng nhiệt lượng cần làm mát lớn nên nhiệt lượng thu hồi từ nước làm mát tăng Trong đó, tốc độ động tăng làm tăng vận tốc nước làm mát lưu động két nên làm giảm thời gian trao đổi nhiệt nước làm mát - thành vách - nước biển nên làm giảm lượng tỷ lệ nhiệt nước làm mát truyền cho nước biển 3.3 Tính tốn, thiết kế mơ két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 3.3.1 Tính tốn, thiết kế EHR 40 Hình 3.10 Bản vẽ thiết kế EHR Trên sở đối tượng áp dụng động D243 ta khảo sát thiết kế sơ kích thước két thu hồi nhiệt có: D  180 mm chiều dài L khoảng 800÷1000 mm thể Hình 3.10 Mặt khác, dịng khí thải bên két nên tăng cường khả truyền nhiệt khí thải nước biển bề mặt két tiếp xúc với khí thải làm thêm cánh trao đổi nhiệt Kích thước cách bố trí cách trao đổi nhiệt tính toán sở lý thuyết trao đổi nhiệt tính tốn chế độ Ne-max  Một số thơng số vật lý nước biển khí thải sử dụng tính tốn: - Nước biển: Giả thiết nhiệt độ nước biển qua vào EHR là: 350C 650C; Δtnb = 65 – 35 = 300C - Khí thải chế độ 2200 v/ph 100% tải (Ne-max): nhiệt độ khí thải vào EHR theo Bảng 3.5 t’kt = 597,7 0C, giả thiết nhiệt độ khí thải giảm Δtkt = 1500C nên nhiệt độ khí thải khỏi EHR t”kt = t’kt - Δtkt = 447,7 0C Theo [65], ta tính thơng số vật lý khí thải nhiệt độ trung bình: (t’kt + t”kt) = (597,7 + 447,7) = 522,70C: Cp-kt = 1110,6 (J/kg.K ); ρkt = 0,376 (kg/m3); μkt =3,89.10-5 (kg/m.s); λkt = 0,061 (w/m.K)  Xác định vận tốc dịng khí thải, kt Theo bảng 3.2, wkt = 101,9 (m/s), số Mach: M  w kt 101,9   0,32 , mà theo [29] vkt 314 ta bỏ qua tính nén dịng khí thải Từ giả thiết áp dụng công thức mục 2.3.2 từ HV tính tốn két thu hồi nhiệt khí thải (EHR), kết tính tốn EHR thể Bảng 3.5 TT Bảng 3.5 Thơng số két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Thông số Ký hiệu Đơn vị Giá trị Đường kính vỏ két thu hồi d1/d2 mm 136,5/141,3 nhiệt khí thải Đường kính vỏ ngồi két thu hồi D1/D2 mm 162,7/168,3 nhiệt khí thải Chiều dài x Chiều cao x Độ dày cánh L1 x a x b mm L1 x 37,5 x 41 Số cánh Hệ số tỏa nhiệt khí thải Hệ số tỏa nhiệt nước biển Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình nước biển khí thải Hệ số dẫn nhiệt vật liệu làm ống 10 11 Hệ số truyền nhiệt Diện tích bề mặt truyền nhiệt Chiều dài cánh trao đổi nhiệt n αkt αnb Δttb inox k F L1 W/m2.K W/m2.K o 34,1 625,2 C 471,2 W/m.K 15 W/m2.K m2 mm 27,8 1,03 580 Như chiều dài EHR với phương án cánh L1 = 580 mm, để cải thiện khả thu hồi nhiệt khí thải nghiên cứu HV có phương án kết cấu cánh khác thể Hình 3.11 Hình 3.11 Các phương án kết cấu cánh trao đổi nhiệt EHR a) dạng hình chữ nhật; b) dạng tam giác; c) dạng xoắn ốc Do để đánh giá nhiệt lượng thu hồi nhiệt khí thải, hiệu suất tận dụng khí thải, lưu lượng nước biển qua EHR kiểm tra lại tính đắn q trình tính tốn lý thuyết, HV sử dụng phần mềm Ansys Fluent để mô trình trao đổi nhiệt EHR lựa chọn phương án kết cấu cánh hợp lý 3.3.2 Mô EHR Ansys Fluent  Xây dựng mơ hình EHR 42 Hình 3.12 Mơ hình 3D EHR Dựa kết tính tốn thiết kế EHR Bảng 3.5, ta tiến hành vẽ mơ hình dịng khí thải, nước biển bề mặt trao đổi nhiệt được xây dựng phần mềm Solidwork (Hình 3.12) trước đưa vào Ansys Fluent để chia lưới chạy mơ Trong q trình chia lưới cần lưu ý bề mặt trao đổi nhiệt, phần giáp ranh phần phải chia lưới đủ tốt để tránh lỗi q trình chạy mơ Hình 3.13 Điều kiện biên cho mơ hình mơ EHR a) Nhiệt độ khí thải (TEx) b) Lưu lượng khí thải (mEx) Các thơng số cho điều kiện biên mơ hình EHR thể Hình 3.13 Với điều kiện biên ứng với chế độ tải động cơ, trình trao đổi nhiệt khí thải nước biển xảy bên EHR tính tốn mơ Ansys Fluent Sau thực chạy mô phỏng, HV xuất kết với phương án đề cập so sánh với xem phương án tốt  Ảnh hưởng chế độ tải đến kết mô EHR ứng với trường hợp 43 Hình 3.14 Phân bố vận tốc khí thải nước biển dọc theo chiều ngang két trường hợp ĐCĐT làm việc 100% tải 2200 v/ph a) 18 cánh thấp; b) cánh cao; c) cánh cao - cánh thấp Phân bố vận tốc dịng khí thải nước biển lưu động EHR ứng với trường hợp thể Hình 3.14 Tuy nhiên, ta thấy chất chuyển động rối chất lỏng phụ thuộc vào yếu tố vận tốc dòng chảy, số lượng cánh, kiểu cánh… Ở mặt trực quan với trường hợp kết cấu cánh dạng xoắn ốc (EHR 3) ta thấy chuyển động xốy, rối dịng khí thải tăng tăng cường khả truyền nhiệt khí thải với nước biển so với trường hợp cịn lại [37, 38] Hình 3.15 Phân bố nhiệt độ khí thải nước biển theo chiều dọc EHR trường hợp ĐCĐT làm việc 100% tải 2200 v/ph a) 18 cánh thấp; b) cánh cao; c) cánh cao – cánh thấp Hình 3.15 thể phân bố nhiệt độ khí thải nước biển EHR trường hợp Kết cho thấy, trường hợp nhiệt độ khí thải nhiệt độ nước biển phân bố tương đối giống nhau, nhiệt độ khí thải có xu hướng giảm dần dọc theo chiều dài EHR vị trí gần tâm EHR, cách xa cánh trao đổi nhiệt tiếp xúc khí thải, nhiệt độ khí thải ln lớn vị trí cịn lại Trong đó, nhiệt độ nước biển có xu hướng tăng dần từ cửa vào đến cửa dọc theo thân EHR, chi tiết thể tiết diện Hình 3.15 44 Bảng 3.6 Nhiệt lượng, độ giảm nhiệt độ khí thải ĐCĐT chạy tốc độ 2200 v/ph Nhiệt lượng khí thải thu hồi (kJ/s) Lưu lượng nước biển (l/ph) Tải Gnb-EHR Gnb-EHR Gnb-EHR (%) QRe-EHR QRe-EHR QRe-EHR (l/ph) (l/ph) (l/ph) 2,73 3,09 3,79 20 6,1 6,9 7,7 3,80 4,07 4,57 40 8,5 9,1 9,5 4,48 4,67 5,43 60 9,8 10,5 11,2 4,90 5,22 6,29 80 11,0 11,1 13,0 5,78 6,14 7,14 100 12,9 13,2 14,8 Hình 3.16 Nhiệt lượng khí thải thu hồi lưu lượng nước biển qua EHR ĐCĐT làm việc tốc độ 2200 v/ph Hình 3.16 Bảng 3.6 thể nhiệt lượng khí thải thu hồi lưu lượng nước biển qua HER ĐCĐT làm việc tốc độ 2200 v/ph Có thể thấy nhiệt lượng khí thải lưu lượng nước biển qua EHR tăng tải tăng có giá trị lớn động làm việc 100% tải Bảng 3.7 Nhiệt lượng, độ giảm nhiệt độ khí thải tốc độ 2200 v/ph Tải (%) 20 40 60 80 100 Hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải (%) Độ giảm nhiệt độ (oC) Re-EHR Re-EHR Re-EHR ΔTkt-EHR ΔTkt-EHR ΔTkt-EHR 26,01 26,49 27,10 28,00 28,16 24,87 25,41 26,05 26,66 27,33 26,92 27,83 28,32 28,95 29,73 74,6 105,6 125,0 135,9 157,5 84,3 113,0 130,4 144,7 167,2 95,0 117,5 139,5 160,0 180,3 Hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải ηRe (nhiệt lượng khí thải thu hồi EHR/nhiệt lượng khí thải ĐCĐT thải mơi trường) độ giảm nhiệt độ khí thải ΔTEx trường hợp thể Hình 3.17 Bảng 3.7 Kết cho thấy, trường hợp ΔTEx ηRe tăng tải ĐCĐT tăng Tuy nhiên trường hợp EHR 3, ΔTEx ηRe cao so với trường hợp EHR EHR 45 Điều trường hợp EHR kết cấu kiểu cánh xoắn nên làm tăng chuyển động rối khí thải dẫn tới hệ số trao đổi nhiệt cải thiện, từ nhiệt lượng khí thải truyền cho nước biển lớn so với trường hợp lại Cụ thể, trường hợp EHR có ΔTEx= 199,7 oC ηRe = 28,16%; trường hợp EHR có ΔTEx= 193,4 oC ηRe = 27,33%; trường hợp EHR có ΔTEx= 210,4 oC ηRe = 29,73% ĐCĐT làm việc chế độ 100% tải, tốc độ 2200 v/ph Hình 3.17 Nhiệt lượng thu hồi độ giảm nhiệt độ khí thải EHR động làm việc tốc độ 2200 v/ph Vì nội dung nghiên cứu HV đánh giá ảnh hưởng chế độ làm việc ĐCĐT đến khả trao đổi nhiệt trường hợp EHR  Ảnh hưởng chế độ làm việc ĐCĐT đến khả thu hồi nhiệt khí thải EHR Hình 3.18 Độ giảm nhiệt độ khí thải (TEx) 46 Hình 3.19 Hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải (Re) Hình 3.20 Lưu lượng nước biển qua EHR (mSe) TEx Re theo chế độ vận hành động thể Hình 3.18 Hình 3.19 Kết minh họa TEx Re có xu hướng tăng tải tăng lại có xu hướng ngược lại tốc độ động tăng lên Cụ thể: mức đầy tải tốc độ động n = 1400 v/ph TEx = 246 oC Re = 44,62%; tốc độ động trở thành n = 2200 v/ph TEx = 210 oC Re = 36,59% Nguyên nhân tăng tải động cơ, lượng nhiệt độ khí thải tăng lên, nhiệt độ khí thải cuối ống EHR phụ thuộc vào lưu lượng khối lượng nước biển qua ống Do đó, nhiệt độ đầu vào đầu ngăn chứa nước biển kiểm sốt giả định Mơ hình số, lượng tỷ lệ nhiệt truyền từ khí thải sang nước biển tăng lên Ngược lại, tốc độ động tăng, vận tốc khí thải ống tăng lên dẫn đến thời gian trao đổi khí thải, thành ống nước biển dẫn đến lượng tỷ trọng nhiệt truyền vào nước biển giảm Hơn nữa, trình kiểm tra cho thấy, đặc tính động D243 hoạt động mức đầy tải, tỷ lệ nhiệt hao phí khí thải chiếm khoảng 28% đến 33% Hình 3.20 cho thấy tổng khối lượng nước biển (mSe) qua ống EHR Các kết mô tả mSe tăng lên theo tốc độ tải ĐCĐT Đặc biệt, với ống EHR nêu mSe = 6,6 l/ph chế độ động đầy tải n = 1400 v/ph, chế độ n = 2200 đầy tải mSe = 8,4 l/ph 47 3.4 Kết luận chương Từ kết tính tốn mơ nhiệt lượng động truyền cho nước làm mát khí thải, HV tính tốn thiết kế xây dựng mơ hình mơ thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát (CHR), thiết bị thu hồi nhiệt khí thải (EHR) phần mềm Ansys Fluent Kết cho thấy: + Đối với CHR: kết mô cho thấy có thêm gân trao đổi nhiệt nâng cao trình truyền nhiệt giảm kích thước két thu hồi nhiệt nước làm mát Nhiệt lượng nước làm mát thu hồi QRe-CHR hiệu suất thu hồi Re-CHR phụ thuộc nhiều vào chế độ làm việc ĐCĐT Nhiệt lượng thu hồi lớn QRe-CHR = 47,53 kJ/s n = 1600 v/ph, nhiên hiệu suất thu hồi cao Re-CHR = 33,38 % n = 1400 v/ph động làm việc 100% tải trường hợp trao đổi nhiệt theo kiểu CHR + Đối với EHR: việc xếp, bố trí cánh trao đổi nhiệt EHR ảnh hưởng lớn đến trình trao đổi nhiệt hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải động TEx-EHR ηRe-EHR phụ thuộc nhiều vào chế độ làm việc ĐCĐT, TEx Re có xu hướng tăng tải tăng lại có xu hướng ngược lại tốc độ động tăng lên TEx Re có giá trị lớn TEx = 246 oC Re = 44,62% động làm việc 100% tải n = 1400 v/ph ứng với trường hợp EHR 48 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trên sở phân tích, kết mục tiêu đề tài “Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ thống thu hồi lượng nhiệt nước làm mát khí thải động đốt để chưng cất nước từ nước biển” HV đạt kết cụ thể sau:  Tận dụng lượng nhiệt từ nước làm mát khí thải giải pháp đơn giản mang lại hiệu cao việc cải thiện hiệu suất sử dụng nhiệt động đốt  Luận văn việc tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động để chưng cất nước từ nước biển giải pháp hiệu giải nhu cầu nước mà cịn giảm chi phí lượng, góp phần tăng hiệu chuyến biển tàu khai thác thủy hải sản xa bờ  Đã tính tốn thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải động D243 tính tốn mơ tối ưu kết cấu phần mềm Ansys Fluent Kết mô xác định khả thu hồi nhiệt động làm việc chế độ khác  Kết luận văn sở tham khảo hữu ích cho nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát khí thải động diesel tàu thủy để chưng cất nước từ nước biển Trong tương lai, để phát triển phát triển đề tài nhằm đưa nghiên cứu ứng dụng vào thực tiễn, cần thiết phải bổ sung nghiên cứu sau: Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng thiết bị hệ thống đến khả làm việc động cơ; tính tốn thiết kế, chế tạo tự động điều khiển chế độ làm việc hệ thống (tự động thay đổi tốc độ bơm nước đóng mở van để điều chỉnh lưu lượng nước biển – vào thiết bị hệ thống) 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] https://thegioidaunhon.vn/vn/detail/news/tinhhinh-nghien-cuu-va-san-xuatnhien-lieu-sinh-hoc-tren-the-gioi-va-vietnam Nguyễn Tất Tiến (2000), “Nguyên lý động đốt trong”, NXB Giáo dục Phạm Minh Tuấn (2008), “Lý thuyết động đốt trong”, NXB Khoa học kỹ thuật Phạm Văn Thể (2006), “Trang bị động lực Điêzen tàu thủy”, NXB Khoa học kỹ thuật John E Heywood (2002), “Internal Combustion Engine Fundmentals”, McGraw-Hill Book Company, Singapore FU Jian-qin, LIU Jing-ping, XU Zheng-xin, DENG Bang-lin, LIU Qi (2015), “An approach for IC engine coolant energy recovery based on lowtemperature organic Rankine cycle”, Journal of Central South University, Vol.22, Issue 2, pp 727-734 Jeff Hartman (2011), “Supercharging performance handbook”, Motorbooks Jianbing Gao, at el (2019), “An analysis of energy flow in a turbocharged diesel engine of a heavy truck and potentials of improving fuel economy and reducing exhaust emissions”, Energy Conversion and Management, Vol 184, pp 456 – 465 R Saidur, at el (2012), “Technologies to recover exhaust heat from internal combustion engines”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol 16, pp 5649 – 5659 Xiaodong Zhang K.T Chau (2011), “An automotive thermoelectric– photovoltaic hybrid energy system using maximum power point tracking”, Energy Conversion and Management, Vol 52, Issue 1, pp 641-647 Anbang Liu, at el (2020), “Enhancing the performance of TEG system coupled with PCMs by regulating the interfacial thermal conduction”, Energy Reports, Vol 6, pp 1942 – 1949 http://www.baoquangngai.vn/channel/2025/202002/nuoc-ngot-cho-tau-ca-vanla-bai-toan-kho-2989662/ Charis M and Galanakis Evita Agrafioti (2019), “Sutainable water and wastewater processing”, https://doi.org/10.1016/C2017-0-02118-3 E.S Mohamed and G Papadakis (2015), “Advances of renewable energy powered desalination”, In: Handbook of Clean Energy Systems, pp 1-10 E.H Amer, at el (2009), “Theoretical and experimental investigation of humidification–dehumidification desalination unit”, Desalination, Vol 249, pp 949 – 959 Huifang Kang, at el (2015), “Performance of a 3-stage regenerative desalination system based on humidification-dehumidification process”, Applied Thermal Engineering, Vol.90, pp 182-192 Li Xu, at el (2020), “Humidification – dehumidification (HDH) desalination system with air-cooling condenser and cellulose evaporative pad”, Water, Vol 12, Issue Hassan E.S.Fath and Ahmad Ghazy (2002), “Solar desalination using humidification - dehumidification technology”, Desalination, Vol 142, Issue 50 [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] 2, pp 119 – 133 MAN Diesel & Turbo (2014), “Waste Heat Recovery System (WHRS) for Reduction of Fuel Consumption, Emission and EEDI”, pp 5510-0136-03 http://www.sasakura.co.jp/e/products/index.html https://maritimehtq.wordpress.com/2012/09/12/he-thong-chung-cat-nuocngot-kieu-atlas/ Kandil, H.A., Hussein, A.W (2020), “Seawater Desalination Using Waste Heat Recovery on Passenger Ship”, Port-Said Engineering Research Journal, Faculty of Engineering - Port Said University, Volume 24, No 1, pp 82-101 Lê Viết Lượng, Nguyễn Ngọc Hải, Phan Văn Đức, Phạm Lê Dần (2010),“Nồi tận dụng nhiệt khí xả động Diesel tàu thủy kiểu Moduyn”, Tạp chí khoa học cơng nghệ hàng hải, số 21 Lê Viết Lượng, Nguyễn Ngọc Hải, Phạm Lê Dần (2009),“Chế tạo thử nghiệm nồi tận dụng nhiệt khí xả động diesel tàu thủy kiểu modun nhằm tiết kiệm nhiên liệu”, Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Diệp Trung Hiếu Nguyễn Văn Tuyên (2019),“Nghiên cứu đề xuất thiết bị sấy cá mực sử dụng nhiệt khói thải động tàu đánh bắt xa bờ”, Tạp chí Khoa học giáo dục kỹ thuật, số 51, pp 16 – 23 Lê Gia Phương (2014), “Nghiên cứu khả tận dụng nhiệt khí thải động phục vụ sinh hoạt ngư dân tàu khai thác thủy sản”, Luận văn thạc sỹ Bùi Hải, Trần Thế Sơn (2015), “Kỹ thuật nhiệt”, NXB Khoa học kỹ thuật Hồng Đình Tín (2001), “Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt”, NXB Khoa học kỹ thuật Bùi Hải, Dương Đức Hùng, Hà Mạnh Thư (2001), “Thiết bị trao đổi nhiệt”, NXB Khoa học kỹ thuật Seokhwan Lee and Choongsik Bae (2008), “Design of a heat exchanger to reduce the exhaust temperature in a spark-ignition engine”, International Journal of Thermal Sciences, Vol 47, Issue 4, pp 468 – 478 M Hatami, at el (2014),“ Numerical study of finned type heat exchangers for ICEs exhaust waste heat recovery”, Case Studies in Thermal Engineering, Vol 4, pp 53 – 64 Rajesh Ravi, at el (2020), “Computational and experimental investigation on effective utilization of waste heat from diesel engine exhaust using a fin protracted heat exchanger”, Energy, Vol 200, pp 117489 Võ Kiến Quốc, Lê chí Hiệp (2013), “Một số kết nghiên cứu ban đầu hệ thống khử muối phương pháp phun tách ẩm”, The 3rd International Conference on Sustainable Energy H.K Versteeg and W Malalasekera (2007), “An Introduction to CFD Finite volume method”, Second Edition Quang Khong Vu, Dien Vu Minh, Tien Nguyen Duy, Tuan Pham Minh, Luong Nguyen The (2019), “A Study of Exhaust Waste Heat Recovery in Internal Combustion Engines”, IOP Conf Series: Materials Science and Engineering 507 (2019) 012028 doi:10.1088/1757-899X/507/1/012028 Vũ Minh Diễn, Nguyễn Duy Tiến, Khổng Vũ Quảng, Lê Việt Hưng, Nguyễn Thế Lương, Nguyễn Văn Toàn (2018), “Nghiên cứu xác định lượng nhiệt truyền cho hệ thống làm mát thải động D243 phần mềm 51 AVL-Boost”, Tạp chí khí Việt Nam (ISSN: 0866 - 7056), 10/2018, Tr34-39 [37] A Chamil (2021), “Compact heat exchangers – Design and optimization with CFD”, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol 146 [38] A Dewan, P Mahanta, K Sumithra Raju, P Suresh Kumar (2004), “Review of passive heat transfer augmentation techniques”, Proc Inst Mech Eng., Part A: J Power Energy 218 (7), pp 509–527 52 ... dụng nhiệt nước làm mát, khí thải 14 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để tính toán thiết kế hệ thống thu hồi lượng nhiệt nước làm mát nhiệt khí thải ĐCĐT để chưng cất nước từ nước biển trước hết cần phải nghiên. .. nghệ để chưng cất nước từ nước biển sử dụng lượng nhiệt khí xả nước làm mát động tàu biển - Kết nghiên cứu áp dụng vào sản xuất thiết bị chưng cất nước từ nước biển sử dụng lượng nhiệt khí xả nước. .. kiệt, Từ sở trên, học viên chọn đề tài ? ?Nghiên cứu tính tốn thiết kế hệ thống thu hồi lượng nhiệt nước làm mát khí thải động đốt để chưng cất nước từ nước biển? ?? để giải phần khó khăn nguồn nước