(Tiểu luận) nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt phát thải từ động cơ khi xe vận hành để chuyển thành điện năng cung cấp cho phụ tải

Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ MCăLC Trang Lýăl chăkhoaăhọc I L iăcamăđoan II L iăcảmăơn III Tómătắt M căl c IV V Danhăm căhình vƠăbảngăbiểu IX Chươngă1ăăăăăăăTổngăquan 01 1.1 01 Tổng quan máy phát nhiệt điện ô tô 1.1.1 Tính cấp thiết đề tài 01 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 01 1.1.3 Những vấn đề tồn 06 1.2 Mục đích đề tài 07 1.3 Nhiệm vụ giới hạn đề tài 07 1.4 Phương pháp nghiên cứu 07 Chươngă2ăăăăăăCơăs ălýăthuy tă 08 2.1 Nhiệt phát thải động đốt 08 2.2 Quá trình truyền nhiệt 10 2.2.1 Dẫn nhiệt 10 2.2.2 Truyền nhiệt đối lưu 12 2.3 13 Hiệu ứng nhiệt điện mô-đun nhiệt điện 2.3.1 Hiệu ứng nhiệt điện 13 2.3.2 Mô-đun nhiệt điện 15 Chươngă3 ớcălư ngănhi tălư ngăphátăthảiăc a độngăcơăxĕng 17 3.1 Tính tốn ước lượng khối lượng khí xả 17 3.2 Xác định thơng số khí xả 18 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng VI HVTH: Lê Quang Vũ Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 3.3 Xác định thông số hoạt động mô hình thí nghiệm 20 3.4 Thí nghiệm đánh giá mức độ phát thải nhiệt động xăng 5S-FE .23 Chươngă4ăăăăăăăĐánhăgiáăkhảănĕngă ngăd ng TEG thuăhồiănhi tăthải 25 4.1 Xây dựng mơ hình tốn mơ-đun TEG 25 4.2 Thiết kế, chế tạo thí nghiệm 27 4.2.1 Thiết kế trao đổi nhiệt cho mô-đun TEG 27 4.2.2 Chế tạo lắp đặt mơ hình thí nghiệm 28 4.3 Thực nghiệm thu thập liệu 29 4.3.1 Sơ đồ khối bố trí thí nghiệm .29 4.3.2 Thí nghiệm thu thập liệu mô-đun TEG 30 Chươngă5ăăăăăăThi tăk ăch ătạoămơăhìnhămáyăphátăkiểuănhi tăđi n 35 5.1 Thiết kế phần khí 35 5.1.1 Bộ thu hồi nhiệt khói thải 35 5.1.2 Bộ phận làm mát cho thiết bị nhiệt điện 37 5.1.3 Bộ phận chuyển đổi nhiệt điện .38 5.2 Chế tạo thử nghiệm thu hồi nhiệt 40 5.3 Xây dựng mơ hình máy phát nhiệt điện 42 5.3.1 Mô hình hóa máy phát nhiệt điện 42 5.3.2 Mô hệ thống máy tính phần mềm Matlab 45 5.4 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển kiểm soát máy phát điện .49 5.4.1 Thiết kế mạch điều khiển điện áp .49 5.4.2 Thiết lập hệ thống thu thập liệu 56 Chươngă6ăă Thựcănghi măh ăthống máyăphátănhi tăđi n .59 6.1 Mục tiêu thực nghiệm 59 6.2 Thiết bị thực nghiệm 59 6.3 Kết thực nghiệm 60 6.3.1 Thực nghiệm thông số chuyển đổi nhiệt điện 60 6.3.2 Thực nghiệm mạch chuyển đổi điện áp .65 6.3.3 Thực nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện 67 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng VII HVTH: Lê Quang Vũ Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 6.4 Kết luận thực nghiệm .71 K tăluận 72 TƠiăli uăthamăkhảo 74 Ph ăl c 76 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng VIII HVTH: Lê Quang Vũ Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ DANHăM CăHỊNHăVÀăB NGăBI U Trang Hình 1.1: Mặt cắt cấu trúc thu nhiệt Douglas 02 Hình 1.2: Đặc tuyến kết nghiên cứu Douglas 03 Hình 1.3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện Meisner .03 Hình 1.4: Đặc tuyến làm việc chất bán dẫn 04 Hình 1.5: Bố trí cặp nhiệt điện phân bố nhiệt độ khí xả 04 Hình 1.6: Phân phối lượng động đốt .05 Hình 1.7: Đặc tuyến công suất theo nhiệt độ 05 Hình 1.8: Bố trí thí nghiệm thơng số kỹ thuật .06 Hình 2.1:Thành phần khí xả động xăng 09 Hình 2.2: Thành phần khí xả động Diesel 09 Hình 2.3:Cấu trúc mơ-đun nhiệt điện 16 Hình 3.1: Mơ hình tính tốn lượng khí xả 17 Hình 3.2: Tồn cảnh thí nghiệm thu thập liệu khí xả động 20 Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống thu thập liệu 21 Hình 3.4: Giản đồ xung phun xăng 21 Hình 3.5: Đặc tuyết cảm biến Lambda .21 Hình 3.6: Mạch thu thập xử lý liệu 22 Hình 3.7: Lưu đồ giải thuật thu thập liệu .22 Hình 3.8: Giao diện thu thập liệu 23 Hình 3.9: Bố trí thí nghiệm 23 Hình 3.10: Tín hiệu qua xử lý cảm biến lambda 24 Hình 4.1: Mơ hình mơ-đun TEG 25 Hình 4.2: Hình chụp mơ-đun HTG1-12710 27 Hình 4.3: Bộ thí nghiệm mô-đun HTG1-12710 27 Hình 4.4: Đầu dị nhiệt độ loại K 28 Hình 4.5: Bộ trao đổi nhiệt thí nghiệm mô-đun HTG1-12710 28 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng IX HVTH: Lê Quang Vũ Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Hình 4.6: Bộ kiểm soát nhiệt độ WINPARK CHB-401 29 Hình 4.7: Đầu đo nhiệt độ từ xa Fluke 62 mini 29 Hình 4.8: Bố trí thí nghiệm thu thập liệu 29 Hình 4.9: Thu thập liệu làm thí nghiệm 30 Hình 4.10: Đặc tuyến điện áp theo chênh lệch nhiệt độ HTG1-12710 32 Hình 4.11: Đặc tuyến US UL theo Th HTG1-12710 32 Hình 4.12: Đặc tuyến PL theo Th mức Tc HTG1-12710 33 O Hình 4.13: Đặc tuyến PL theo RL với Th=200 C mức Tc HTG1-12710 33 Hình 4.14: Đặc tuyến TEG điều kiện áp dụng thu hồi nhiệt thải 34 Hình 5.1: Kết cấu thiết kế phận thu hồi nhiệt máy phát nhiệt điện 35 Hình 5.2: Tiết diện cắt ngang bô thu hồi nhiệt 35 Hình 5.3: Thân thu nhiệt 36 Hình 5.4: Tấm thu hồi nhiệt 36 Hình 5.5: Kết cấu phận giải nhiệt 37 Hình 5.6: Tiết diện cắt ngang tản nhiệt 37 Hình 5.7: Bố trí hệ thống két nước giải nhiệt 38 Hình 5.8: Mãng vật liệu nhiệt điện 38 Hình 5.9: Bộ phận chuyển đổi nhiệt điện .39 Hình 5.10: Kết cấu máy phát nhiệt thiết kế .39 Hình 5.11: Bộ phận giải nhiệt máy phát nhiệt điện 40 Hình 5.12: Máy phát nhiệt điện sau gia công 40 Hình 5.13: Tồn cảnh thử nghiệm hệ thống trao đổi nhiệt 41 Hình 5.14: Mơ hình máy phát nhiệt điện .42 Hình 5.15: Đặc tuyến công suất điện áp theo nhiệt độ mặt nóng 45 Hình 5.16: Đặc tuyến lưu lượng bơm nước theo nhiệt độ .45 Hình 5.17: Đặc tuyến cơng suất điện áp theo nhiệt độ mặt nóng 46 Hình 5.18: Đặc tuyến lưu lượng bơm nước theo nhiệt độ .46 Hình 5.19: Đặc tuyến công suất điện áp theo nhiệt độ mặt nóng 47 Hình 5.20: Đặc tuyến lưu lượng bơm nước theo nhiệt độ .47 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng X HVTH: Lê Quang Vũ Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Hình 5.21: Đặc tuyến cơng suất ba chế độ kết nối 48 Hình 5.22: Đặc tuyến cơng suất tản nhiệt theo tải 48 Hình 5.23: Đặc tuyến cơng suất điện áp theo tải 49 Hình 5.24: Sơ đồ khối mạch kiểm soát điều khiển điện áp máy phát nhiệt điện 50 Hình 5.25:: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn .50 Hình 5.26 Mạch cấp nguồn cho hệ thống 51 Hình 5.27 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi chế độ 51 Hình 5.28 Mạch chuyển đổi điện áp công suất 52 Hình 5.29 Board mạch chuyển đổi điện áp cơng suất .52 Hình 5.30 Mơ hình mạch chuyển đổi điện áp 53 Hình 5.31 Đặc tuyến dòng điện ngõ theo ngõ vào chuyển đổi 54 Hình 5.32 Đặc tuyến thơng số chuyển đổi điện áp .54 Hình 5.33 mạch phân áp tín hiệu điện áp 55 Hình 5.34 Mạch đo dịng sử dụng IC ASC712ELCTR-05B 55 Hình 5.35 Mạch điện điều khiển kiểm soát máy phát nhiệt điện 56 Hình 5.36 Card thu thập liệu NI-6009 .56 Hình 5.37: Hệ thống điều khiển kiểm sốt thơng số máy phát .57 Hình 5.38: Giao diện hiển thị thông tin thu thập liệu máy phát nhiệt điện 57 Hình 5.39: Khối Block Diagram chương trình thu thập liệu 58 Hình 6.1: Bảng thu thập hiển thị nhiệt độ .59 Hình 6.2: Thử nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện 60 Hình 6.3: Thí nghiệm đánh giá khả phát điện máy phát nhiệt điện 60 Hình 6.4: Thí nghiệm đánh giá khả phát điện máy phát nhiệt điện 61 Hình 6.5: Bảng giá trị nhiệt độ công suất máy phát đạt gần 20W 61 Hình 6.6: Quá trình chuyển đổi ghép nối mơ-đun nhiệt điện .62 Hình 6.7: Chuyển đổi đồng hồ đo Twin thành Th .63 Hình 6.8: Đồ thị so sánh thực nghiệm với mơ hình tốn chế độ đấu song song 64 Hình 6.9: Thí nghiệm đánh giá khả phát điện máy phát nhiệt điện 65 Hình 6.10: Dữ liệu thí nghiệm chuyển đổi điện áp điều khiển điện áp 66 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng XI HVTH: Lê Quang Vũ Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Hình 6.11: Đặc tuyến thơng số trình thử nghiệm mạch tăng áp 66 Hình 6.12: Đặc tuyến thơng số q trình thử nghiệm mạch ổn áp 67 Hình 6.13: Đặc tuyến trạng thái trình thử nghiệm máy phát nhiệt điện 68 Hình 6.14: Đặc tuyến trạng thái trình thử nghiệm máy phát nhiệt điện 68 Hình 6.15: Thử nghiệm khả xạc ác quy máy phát .69 Hình 6.16: Thơng số trạng thái hệ thống xạc ác quy 69 Hình 6.17: Thơng số trạng thái hệ thống xạc ác quy 70 Hình 6.18: Thơng số trạng thái hệ thống xạc ác quy 70 Hình 6.19: Thơng số trạng thái hệ thống xạc ác quy 71 Bảng 1.1: Kết thử nghiệm TEG động Toyota 7KE 02 Bảng 3.1:Tỷ lệ khối lượng thành phần khí xả động xăng .18 O Bảng 3.2:Thông số kim phun xăng 25 C 19 Bảng 3.3:Thông số kỹ thuật động cơToyota 5S-FE 20 Bảng 4.1:Thơng số thí nghiệm xác định thơng số mô-đun TEG 30 Bảng 4.2: Bảng số liệu xác định hàm hồi S=f(∆T) .31 Bảng 5.1: Dữ liệu thí nghiệm đánh giá trao đổi nhiệt .41 Bảng 6.1: Bảng thực nghiệm trình chuyển đổi nhiệt điện 63 Bảng 6.2: Bảng tính xác định hệ số hiệu chỉnh khc 64 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng XII HVTH: Lê Quang Vũ Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Chươngă1 T NGăQUAN 1.1 Tổng quan máy phát nhi tăđi n tơ 1.1.1 Tính cấp thi t c aăđề tài Ngày nay, ô tô sử dụng động đốt phương tiện di chuyển chủ yếu người với số lượng ngày phát triển Điều có nghĩa người sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch với mức độ ngày tăng Nhưng nguồn nhiên liệu hóa thạch giới ngày cạn kiệt hiệu suất động tơ chưa cao Theo ước tính trung bình hiệu suất động đạt khoảng 30%, phần cịn lại phát thải 40% qua khí xả 30% qua hệ thống làm mát [4] Như vậy, ngày uổng phí tới 40% tổng lượng nhiên liệu Phần lượng phát thải đốt cháy hoàn toàn chuyển thành nhiệt thải mơi trường Bên cạnh đó, với phát triển khoa học kỹ thuật, phụ tải điện ô tô ngày tăng đòi hỏi tỷ lệ nhiên liệu hóa thạch chuyển thành điện lớn Chính việc nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt phát thải từ động xe vận hành để chuyển thành điện cung cấp cho phụ tải vấn đề cấp bách cần thiết thời kỳ 1.1.2 Tình hình nghiên c uătrongăvƠăngoƠiănước Trong nước chưa có cơng trình nghiên cứu chế tạo máy phát điện tơ sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động Tuy nhiên, lĩnh vực hàng hải có cơng trình nghiên cứu thu hồi nhiệt khí thải sử dụng với mục đích cấp nhiệt cho nồi tính tốn chạy máy lạnh Năm 2010, PGS-TS Lê Viết Lượng cộng [1] nghiên cứu đề xuất sử dụng nồi kiểu MODUYN thu hồi nhiệt phát thải động tàu thủy Kết thử nghiệm cho thấy với nồi có kích thước 1750x1250x1100, động hoạt động 15 phút, áp suất nồi đạt kg/cm , nhiệt độ khí xả chênh lệch qua nồi 100oC Như vậy, nhiệt độ khí thải thu hồi tái sử dụng với tiềm cao GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Năm 2013, Nguyễn Hà Hiệp cộng [2] thí nghiệm thu thập thơng số mô-đun nhiệt điện với kết cho thấy Bảng 1.1 Bảng 1.1: Kết thử nghiệm TEG động Toyota 7KE[2] o t g, C 185 190 200 210 220 224 230 260 270 282 Theo kết công bố, ta o o tw, C ∆t = tg – tw, C U,V 38,7 146,3 3,2 39,0 151,0 3,4 39,5 160,5 3,5 40,0 170,0 3,6 41,2 178,8 3,8 42,0 182,0 3,9 45,0 185,0 3,9 47,5 212,5 4,0 49,0 221,0 4,1 51,0 231,0 4,2 thấy nhiệt độ chênh lệch mặt nóng O mặt lạnh mô-đun TEG đạt 200 C TEG bắt đầu cho điện áp từ 4,0V đến 4,2V Như với nhiệt độ mắc nối tiếp nhiều mơ-đun TEG để có mức điện áp cao sử dụng cho phụ tải ô tô Gần đây, giới bắt đầu nghiên cứu phương án thu hồi nhiệt phát thải ô tô nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu ô nhiễm môi trường Năm 2004, lượng Hoa Kỳ bắt đầu quan tâm đến lượng nhiệt phát thải ô tô Chính họ đưa chương trình phát triển cơng nghệ thu nhiệt từ khí xả động tơ kéo dài cho phịng thí nghiệm, trường đại học viện nghiên cứu quốc gia Cuối năm 2012 nghiệm thu với hai cơng trình tiêu biểu Thứ nhất, Douglas T cộng [3] chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt thành điện cung cấp cho phụ tải ô tô Cấu trúc máy phát điện Hình 1.1 Hình 1.1: Mặt cắt cấu trúc thu nhiệt[3] GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ I,A 0,26 0,28 0,30 0,31 0,32 0,33 0,33 0,35 0,37 0,39 Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Cơng trình đầu tư với kinh phí đến 12 triệu USD vốn từ DOE triệu USD, triệu USD lại đến từ nguồn đầu tư khác có BMW Ford Kết thu có đặc tính Hình 1.2 Hình 1.2: Đặc tuyến kết nghiên cứu Douglas T [3] Cơng trình chủ yếu tập trung phát triển chế thu hồi nhiệt phát thải cách chế tạo máy phát nhiệt điện đặt đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu bán dẫn dùng chất lỏng làm mát thử nghiệm xe Ford Lincoln BMW X6 Kết Hình 1.2 cho thấy, cơng suất máy phát điện đạt 700W, o nhiệt độ đầu nóng cặp nhiệt điện đạt 500 C hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10% Tuy nhiên, cơng trình nằm phịng thí nghiệm, tốn kinh phí lớn tuổi thọ đạt khoảng tháng Kết cấu vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo phân bố nhiệt độ không đồng đường ống xả Cùng nằm đề án này, Gregory P Meisner [4] chế tạo thu hồi nhiệt với mô-đun nhiệt điện tách rời Máy phát điện kiểu có cấu trúc Hình 1.3 Hình 1.3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện Meisner [4] GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ