Luận văn thạc sĩ Cơ khí động lực: Nghiên cứu nâng cao hiệu suất mẫu thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải của xe gắn máy

Đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất mẫu thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải của xe gắn máy” ứng dụng hiệu ứng seebeck chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí x

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ENERGY FROM MOTORCYCLES

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

MÃ SỐ: 60520116

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: VÕ TẤN PHÁT MSHV: 1670305 Ngày, tháng, năm sinh: 08/03/1986 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Động Lực Mã số : 60520116

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU SUẤT MẪU THIẾT BỊ NHIỆT ĐIỆN

SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT THẢI CỦA XE GẮN MÁY STUDY ON IMPROVING THE PERFORMACE OF A PROTOTYPE OF

THERMOELECTRIC GENERATION UTILIZING THE WASTE HEAT

ENERGY FROM MOTORCYCLES

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ chuyển đổi nhiệt điện đạt công suất lớn đủ để cung cấp điện năng cho hệ thống điện trên xe gắn máy

- Nghiên cứu thực nghiệm công suất và đặt tính phát điện của mẫu thiết bị chuyển đổi nhiệt điện

- Đánh giá sự ảnh hưởng của cánh thu nhiệt nguồn nóng và cánh thu nhiệt nguồn lạnh đến công suất, hiệu suất của bộ chuyển đổi nhiệt điện để có cơ sở tính toán tối ưu và nâng cao công suất

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/2018 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/2018 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS HỒNG ĐỨC THÔNG

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Hồng Đức Thông

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Huỳnh Thanh Công

3 PGS.TS Huỳnh Thanh Công: PB1 4 TS Nguyễn Thành Tâm: PB2 5 TS Nguyễn Chí Thanh: UV

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lí chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

Để có được những thành quả ngày hôm nay, em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy TS Hồng Đức Thông đã luôn quan tâm, giúp đỡ và tạo điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành luận văn này Thầy luôn bên cạnh để đóng góp và sửa chữa những thiếu sót, khuyết điểm mà em mắc phải và đề ra hướng giải quyết tốt nhất trong suốt quá trình làm luận văn Xin chân thành cám ơn Thầy PGS.TS Huỳnh Thanh Công và Thầy TS Nguyễn Thành Tâm đã có nhiều góp ý quý báu giúp em hoàn thiện luận văn

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các thầy cô trong trường Đại học Bách Khoa TPHCM và đặc biệt là các thầy cô trong Bộ môn Ô Tô Máy Động Lực đã truyền đạt những kiến thức quý báu và tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành luận văn trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, tôi xin gởi lời cảm ơn đến những người bạn của tôi đã luôn ở bên cạnh, quan tâm và giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi có được thành quả như ngày hôm nay

Xin chân trọng cám ơn

TPHCM, ngày 16 tháng 7 năm 2018

Học viên

Võ Tấn Phát

Đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất mẫu thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải của xe gắn máy” ứng dụng hiệu ứng seebeck chế tạo máy phát nhiệt

điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ Hệ thống máy phát nhiệt điện mắc nối tiếp 8 module TEG TEP1-142T300 được chế tạo và thực nghiệm trên xe gắn máy Suzuki Sapphire 125 Nghiên cứu thiết kế mặt nóng của module TEG có cánh thu nhiệt đặt vào bên trong ống khí thải và mặt lạnh của module TEG có cánh tản nhiệt bên ngoài làm mát bằng không khí Kết quả thực nghiệm với các trường hợp khác nhau thay đổi số cánh thu nhiệt và tản nhiệt cho thấy bộ chuyển đổi nhiệt điện phát ra công suất lớn nhất là 14,61 W, tương ứng mức điện áp 18,04 V với dòng điện 0,81 A (ở trường hợp số cánh thu nhiệt là 21 cánh và số cánh tản nhiệt là 31 cánh, chế độ tải 2 người, tốc độ xe 60km/h) hoàn toàn có thể cung cấp năng lượng cho hệ thống điện trên xe gắn máy

Tuy nhiên, vì nhiều lý do khác nhau nên đề tài chỉ chế tạo hệ thống thu hồi nhiệt với công suất vừa đủ để cung cấp cho thiết bị chiếu sáng trên xe Đề tài chưa nghiên cứu tối ưu được quá trình truyền nhiệt và trao đổi nhiệt Dù vậy, đề tài đã chứng minh được việc thu hồi nhiệt thải trên xe gắn máy là khả thi, và là nền tảng cho các nghiên cứu chuyên sâu hơn

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang III

HVTH: Võ Tấn Phát

ABSTRACT

According to recent studies, about 40% of the energy from combustion engine emits into the external environment in the form of heat generated by polluting exhaust fumes This is a potential source of energy If we can recover this waste energy source to supply the vehicle's electrical system, we can save fuel and reduces the heat emits to the environment A large volume of motorcycles in Vietnam is growing rapidly, especially in big cities like Hanoi and Ho Chi Minh City, the heat generated through the engine waste gas is a great source of energy that is not usable yet Therefore, research on the recovery of this energy source is needed to be studied and developed

The thesis of "Study on improving the performace of a prototype of thermoelectric generation utilizing the waste heat energy from motorcycle" applying

seebeck effect of generating a thermoelectric generator using heat from engine’s exhaust gas The generator system has a series of 8 TEG TEP1-142T300 module was developed and tested on the Suzuki Sapphire 125 Inside the exhaust pipe, heat sinks are developed to obtain heat and outside the exhaust pipe an air-cooler system with heat sinks are developed The initial test results show that the generator can generate a 14.61 W output power with Voltage of up to 18.04V (with 21 heat sinks inside the exhaust pipe to obtain heat and 31 heat sinks outside to cool the system, 2 persons load, speed of 60 km/h) can supply the power system of the motorbike

However, for many different reasons, this thesis only focus on heat recovery system with sufficient capacity to supply the vehicle lighting equipment The subject has not studied the optimization of heat transfer However, this thesis has proved that the waste heat recovery on motorcycles is feasible, and is the foundation for further research

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang IV

HVTH: Võ Tấn Phát

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được cống bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về kết quả nghiên cứu trong luận văn tốt nghiệp của mình

Võ Tấn Phát

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang V

HVTH: Võ Tấn Phát

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ITỐM TẮT IIABSTRACT IIILỜI CAM ĐOAN IVMỤC LỤC VDANH MỤC HÌNH VIIIDANH MỤC BẢNG XI

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN 4

1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài 4

1.1.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.1.3 Những vấn đề còn tồn tại 9

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 10

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu 10

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu 10

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 10

1.4 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn 11

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 11

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 11

1.5 Phương pháp nghiên cứu 11

1.5.1 Phương pháp phân tích tư liệu sẵn có 11

1.5.2 Phương pháp đo thực nghiệm 11

1.5.3 Phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm 11

1.5.4 Phương pháp chuyên gia 11

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 12

2.1 Lý thuyết truyền nhiệt 12

2.1.1 Dẫn nhiệt 12

2.1.2 Truyền nhiệt đối lưu 13

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang VI

HVTH: Võ Tấn Phát

2.1.3 Truyền nhiệt bức xạ 14

2.2 Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện 14

2.2.1 Hiện tượng nhiệt điện 14

2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck) 14

2.3 Thiết bị nhiệt điện bán dẫn 15

2.4 Ưu điểm của thiết bị nhiệt điện bán dẫn so với các thiết bị nhiệt điện khác 18

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐIỆN LÀM THỰC NGHIỆM 20

3.1 Tính toán ban đầu 20

3.1.1 Tính toán ước lượng lưu lượng khí thải 20

3.1.2 Xác định các thông số cơ bản của khí thải 20

3.1.3 Tính toán truyền nhiệt qua bộ thu nhiệt 22

3.1.4 Tính toán truyền nhiệt qua bộ tản nhiệt 25

3.1.5 Kết luận 27

3.2 Thiết kế phần cơ khí 28

3.2.1 Thiết kế bộ thu nhiệt khí thải: 28

3.2.2 Thiết kế bộ tản nhiệt: 33

3.2.3 Thiết kế bộ phận chuyển đổi nhiệt điện: 35

3.3 Thiết kế và chế tạo hệ thống điều khiển và thu thập dữ liệu 36

3.3.1 Hệ thống thu nhập dữ liệu: 36

3.3.2 Bộ xử lí tín hiệu 37

3.3.3 Bộ nhận tín hiệu: 43

3.3.4 Hoàn thiện thiết bị thử nghiệm: 44

CHƯƠNG 4:THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG BỘ CHUYỂN ĐỔI NHIỆT ĐIỆN TRÊN ỐNG KHÍ THẢI 49

4.1 Mục tiêu thực nghiệm 49

4.2 Thiết bị sử dụng quá trình thực nghiệm bộ chuyển đổi nhiệt lắp lên xe nguyên thủy: 49

4.3 Kết quả thực nghiệm hệ thống bộ chuyển đổi nhiệt điện 57

4.3.1 Trường hợp 1 (Số cánh của tấm thu nhiệt mặt nóng là 21 cánh, mặt lạnh 31 cánh) 57

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang VII

HVTH: Võ Tấn Phát

4.3.2 Trường hợp 2 (số cánh mặt nóng là 21 cánh, mặt lạnh 11 cánh)

62

4.3.3 Trường hợp 3 (mặt nóng là 12 cánh, mặt lạnh 31 cánh) 69

CHƯƠNG 5:KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang VIII

HVTH: Võ Tấn Phát

DANH MỤC HÌNH

Hình 0.1 : Hiệu suất của động cơ đốt trong [2] 2

Hình 1.1 : Máy phát nhiệt điện xe máy dự án do Giáo sư Y Nishino 5

Hình 1.2 : Máy phát nhiệt điện của Gregory P Meisner[12] 6

Hình 1.3 : Máy phát nhiệt điện của Liu [14] 6

Hình 1.4 : Máy phát nhiệt điện sử dụng TEG của Trường Đại Học Ấn Độ[18] 8

Hình 2.1 : Mô tả dẫn nhiệt qua vách phẳng [20] 12

Hình 2.2 : Truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt kim loại và không khí [20] 13

Hình 2.3 : Hiệu ứng seebeck [19] 14

Hình 2.4 : Thiết bị TEC [5] 15

Hình 2.5 : Thiết bị TEG [5] 16

Hình 2.6 : Cấu tạo bên trong TEG [5] 17

Hình 2.7 : Mô hình hoạt động của module TEG [5] 17

Hình 2.8 : Module TEG TEP1-142T300 18

Hình 3.1 : Ống khí thải 29

Hình 3.2 : Bộ phận giảm thanh (trái) và lưới tiêu âm (phải) 30

Hình 3.3 : Kết cấu bên trong ống khí thải 30

Hình 3.4 : Bên ngoài ống khí thải 31

Hình 3.10 : 8 module TEG được mắc nối tiếp với nhau 35

Hình 3.11 : Sơ đồ thu thập dữ liệu 36

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang IX

HVTH: Võ Tấn Phát

Hình 3.17 : Sơ đồ mạch cung cấp nguồn cho bộ xử lý dữ liệu 40

Hình 3.18 : Sơ đồ mạch đo nhiệt độ 40

Hình 3.19 : Sơ đồ khối mạch đo dòng và áp 41

Hình 3.20 : Sơ đồ khối kết nối atmega – LCD – UART 42

Hình 3.21 : Bộ nhận tín hiệu 43

Hình 3.22 : USB-UART 43

Hình 3.23 : Sơ đồ mạch kết nối NRF24L01 và USB-UART 44

Hình 3.24 : Sơ đồ lắp ráp hoàn chỉnh của máy phát điện 44

Hình 3.25 : Tấm thu nhiệt được bắt chặt vào ống xả 45

Hình 3.26 : Vị trí lắp cảm biến trên cổ vào của ống xả 46

Hình 3.27 : Vị trí lắp cảm biến trên cổ ra của ống xả 46

Hình 3.28 : Vị trí lắp cảm biến trên cánh thu nhiệt 47

Hình 3.29 : Vị trí lắp cảm biến tốc độ bánh xe 47

Hình 3.30 : Thiết bị hoàn chỉnh 48

Hình 4.1 : Sơ đồ thực nghiệm máy phát nhiệt điện 49

Hình 4.2 : Sơ đồ quy trình xuất dữ liệu và vẽ đồ thị 52

Hình 4.3 : Đồ thị đặc tính giữa thời gian với công suất, nhiệt độ và vận tốc xe trường hợp 1 58

Hình 4.4 : Đồ thị đặc tính giữa công suất, điện áp, dòng điện và vận tốc xe 59

Hình 4.5 : Đồ thị đặc tuyến chênh lệch nhệt độ mặt nóng, mặt lạnh và vận tốc 60

Hình 4.6 : Đồ thị đặc tuyến công suất, điện áp, dòng điện và ∆T theo thực tế 60

Hình 4.7 : Đồ thị đặc tuyến công suất, điện áp, dòng điện và chệnh lệch nhiệt độ theo nhà sản xuất 61

Hình 4.8 : Đồ thị đặc tính giữa thời gian với công suất, nhiệt độ và vận tốc xe trường hợp 2 63

Hình 4.9 : Đồ thị đặc tính giữa công suất, điện áp và dòng điện và vận tốc xe 64

Hình 4.10 : Đồ thị đặc tuyến chênh lệch nhệt độ mặt nóng, mặt lạnh và vận tốc

65

Hình 4.11 : Đồ thị đặc tuyến công suất, điện áp, dòng điện và ∆T theo thực tế 66

Hình 4.12 : Đồ thị đặc tuyến công suất và ∆T theo vận tốc 67

Hình 4.13 : Đồ thị đặc tuyến nhiệt độ mặt nóng và mặt lạnh theo vận tốc 68

Hình 4.14 : Đồ thị đặc tính giữa thời gian với công suất, nhiệt độ và vận tốc xe trường hợp 3 70

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang X

HVTH: Võ Tấn PhátHình 4.15 : Đồ thị đặc tính giữa công suất, điện áp và dòng điện với vận tốc xe 71Hình 4.16 : Đồ thị đặc tuyến chênh lệch nhệt độ mặt nóng, mặt lạnh và vận tốc 72Hình 4.17 : Đồ thị đặc tuyến công suất, điện áp, dòng điện theo ∆T 73Hình 4.18 : Đồ thị đặc tuyến công suất P, chênh lệch nhiệt độ ∆T và vận tốc 74Hình 4.19 : Đồ thị đặc tuyến nhiệt độ mặt nóng, mặt lạnh và vận tốc 75

Hệ thống năng lượng Tỷ lệ năng lượng bị thất thoát

Hệ thống hơi nước (Sinh ra + phân phối) 30% - 35%

Phân phối năng lượng (trừ hơi nước) ~ 3%

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 2

HVTH: Võ Tấn Phát

Hình 0.1: Hiệu suất của động cơ đốt trong [2]

Theo Quyết định số 355/QĐ-TTg ngày 25 tháng 2 năm 2013 của Thủ tướng Chính phủ về việc phê duyệt điều chỉnh chiến lược phát triển giao thông vận tải Việt Nam đến năm 2020, tầm nhìn đến năm 2030 [3]; đến năm 2020 Việt Nam sẽ có 36 triệu xe máy và 3,2 triệu - 3,5 triệu xe ô tô Tuy nhiên, theo thống kê của Bộ Giao thông vận tải cho biết Việt Nam hiện có hơn 45 triệu môtô, xe máy các loại (vượt xa 36 triệu xe như trong quy hoạch đến năm 2020) Với số lượng lớn xe máy tham gia giao thông ngày càng tăng nhanh thì việc lãng phí thất thoát năng lượng theo khí xả thoát ra ngoài dưới dạng nhiệt sẽ gây ra ô nhiễm môi trường, lãng phí năng lượng Việc tổn thất nhiệt thải là không thể tránh khỏi nhưng chúng ta có thể giảm các tổn thất này bằng cách cải thiện hiệu quả thiết bị hoặc lắp đặt các công nghệ thu hồi nhiệt thải Chính vì vậy để nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng, hiệu quả kinh tế, chúng ta phải thu hồi sử dụng nguồn nhiệt phát thải bằng cách chuyển đổi nhiệt từ khí thải thành điện năng, mang lại hiệu quả kinh tế, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Nhóm nghiên cứu Nguyễn Văn Hĩu, “Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí

xả động cơ để phát ra điện – Luận văn thạc sĩ – Trường ĐH Bách Khoa Tp.Hồ Chí

Minh”, năm 2016 [4] đã nghiên cứu sơ khởi ứng dụng module TEG làm bộ thiết bị chuyển đổi nhiệt khí xả thành điện năng cung cấp cho một số thiết bị trên xe gắn máy và đã đạt được kết quả ban đầu: thiết kế và chế tạo bộ chuyển đổi nhiệt điện

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 3

HVTH: Võ Tấn Pháttận dụng nguồn nhiệt khí xả động cơ Tuy nhiên, máy phát nhiệt điện tạo ra công suất tối đa chỉ đạt 2,75W còn hạn chế so với tiềm năng nhiệt lượng khí thải phát ra do người nghiên cứu sử dụng vật liệu làm tấm thu nhiệt có hệ số truyền nhiệt thấp, ống khí thải có thiết kế cồng kềnh không cung cấp nhiệt đủ cho tấm thu nhiệt và gây tổn thất nhiệt do bức xạ ra môi trường xung quanh Vì vậy, lượng điện tạo ra chỉ có thể cung cấp nguồn điện cho một số thiết bị có công suất nhỏ như làm sáng dãy đèn led và tính thẩm mỹ của bộ chuyển đổi chưa cao

Do đó với mong muốn tạo ra một bộ chuyển đổi nhiệt điện có công suất lớn hơn đủ để cung cấp cho hệ thống điện chiếu sáng trên xe và nạp điện cho bình ác qui, nâng cao hiệu suất truyền nhiệt tản nhiệt và hiệu quả cao về kinh tế phù hợp

với điều kiện ở Việt Nam Chính vì vậy tác giả quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu nâng cao hiệu suất mẫu thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt thải của xe gắn máy” để làm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ Ngành Kỹ Thuật Cơ khí Động lực

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 4

HVTH: Võ Tấn Phát

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngày nay, ô tô và xe máy là phương tiện quan trọng nhất của giao thông vận tải, nhiệt theo khói thải từ động cơ các xe xả ra ngoài môi trường theo nghiên cứu chiếm tới 40% [2] Trong đó, việc ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện của nhà vật lý Thomas Seebeck (1770-1831) [5] thu hồi nhiệt từ khí xả để tạo ra điện gọi là máy phát nhiệt điện (thermoelectric generator gọi tắt là TEG) được coi là một tiềm năng trong tương lai vì nó không có bộ phận chuyển động cho nên không cần phải bảo trì, thu hồi nhiệt thải ở bất kỳ hệ thống nào Với tình trạng số lượng xe máy tăng cao đến mức báo động như hiện nay thì việc tái sử dụng nhiệt thải từ xe máy không chỉ nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng hiện có, mà còn có thể làm giảm lượng khí thải và cải thiện môi trường Mặc dù hiệu suất chuyển đổi của TEG thấp hơn nhiều so với thiết bị điện thông thường nhưng công nghệ nhiệt điện bán dẫn vẫn nhận được nhiều sự chú ý trên toàn thế giới

1.1.2 Các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước

A.B.Neild (năm 1963) đã phát minh ra máy phát nhiệt điện đầu tiên của xe ô tô (AETEG)

Birkholz (năm 1980) [6] lần đầu tiên áp dụng một modun TEG FeSi2 trên một chiếc xe ô tô và sản xuất thành công 1W điện Bass et al (1995) [7] thu được 1 kW công suất đầu ra với TEG được thiết kế để xả động cơ diesel 14 L

Ikoma 1998 [8] ứng dụng một mảng với 72 phần module TEG cho các phương tiện chạy bằng xăng Bằng cách duy trì sự khác biệt nhiệt độ 563 K giữa các mặt nóng và lạnh của mô-đun, điện năng 35,6 W được tạo ra

Dự án AETEG (năm 2004) [9] của Đại học Clarkson và một số công ty như

Delphi Harrison, GM Division Powertrain và Hi-Z Technology được tiến hành; mục đích của dự án nhằm áp dụng máy phát nhiệt điện trên một chiếc xe tải pick-up của GM, cũng như để phát triển hệ thống AETEG nhằm tạo ra sản lượng điện

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 5

HVTH: Võ Tấn Pháttối đa sau khi chuyển đổi từ 140 W đến 225 W, được cung cấp nhiệt từ khí thải và

làm mát bằng nước ở tốc độ xe là 70 km/h

Thacher et al (năm 2007) [10] phân tích hiệu suất của module TEG gắn trên ống khí thải của một xe tải, tạo ra khoảng 180 W điện ở tốc độ 113 km/h

T.Kajikawa và Onishi (năm 2007) [11] đã phát triển một hệ thống chuyển

đổi nhiệt điện tiên tiến từ khí thải của một xe tải nhẹ

Hệ thống nhiệt điện sử dụng chất thải thu hồi nhiệt từ xe gắn máy đã được chứng minh bởi các tập đoàn Nagoya Institute of Technology, Atsumitec Co., Ltd, Aist (Phụ trách dự án: Giáo sư Y Nishino,NIT) và các công ty được hỗ trợ bởi MET Hệ thống sử dụng 12 module TEG lắp bề mặt của ống khí thải xe máy và được tản nhiệt bằng nước Sản lượng điện năng thu được khoảng 12 W, 6 V trong

điều kiện lái xe ở tốc độ 60 km/h để sạc bình ắc quy

Hình 1.1: Máy phát nhiệt điện xe máy dự án do Giáo sư Y Nishino

Cùng năm 2011, Gregory P Meisner hợp tác hãng GM [12] ứng dụng hiệu ứng nhiệt điện trên xe Chevy-suburban, trong đó sử dụng 42 TEG công suất đạt được gần 30W

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 6

HVTH: Võ Tấn Phát

Hình 1.2: Máy phát nhiệt điện của Gregory P Meisner[12]

Năm 2012, Tạp chí Car and Driver nhận định “Thermalelectric generator ” là

một trong mười công nghệ hứa hẹn trong tương lai [13]

Liu (năm 2012) [14] đã đưa ra những mẫu thiết kế của máy phát điện dựa trên hiệu ứng nhiệt điện trên sự chênh lệch nhiệt độ nhỏ

Hình 1.3: Máy phát nhiệt điện của Liu [14]

Cuối năm 2012, có 2 công trình tiêu biểu đã được nghiệm thu: Thứ nhất,

Douglas T và cộng sự [15] đã chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển

trực tiếp nhiệt thành điện cung cấp cho phụ tải trên ô tô Công trình này chủ yếu

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 7

HVTH: Võ Tấn Pháttập trung phát triển cơ chế thu hồi nhiệt phát thải bằng cách chế tạo máy phát nhiệt điện đặt trên đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu bán dẫn và dùng chất lỏng làm mát và được thử nghiệm trên xe Ford Lincoln và BMW X6 Công suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng của cặp nhiệt độ đạt 5000C và hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10% Tuy nhiên, công trình này chỉ là thực nghiệm, kinh phí lớn và tuổi thọ chỉ đạt 6 tháng; kết cấu của vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trên đường ống khí thải

Tạp chí Khoa Học Công Nghệ phát hành ngày 24 tháng 7 năm 2013 có đăng bài “Sản xuất điện từ khói xe hơi”; theo tác giả: các nhà nghiên cứu thuộc Viện Kỹ thuật đo lường vật lý Fraunhofer (Đức) đã thiết kế một loại máy phát nhiệt điện (TEG) để biến đổi nhiệt năng thành điện năng bằng cách lợi dụng sự chênh lệch nhiệt độ trong quá trình vận hành xe TS.Harald Bottner, Trưởng ban Nhiệt điện của Viện Fraunhofer, giải thích: “ Nhiệt độ trong ống thải của xe hơi có thể đạt đến 7000C hoặc hơn Sự chênh lệch nhiệt độ giữa ống khói thải và ống chứa chất lỏng làm mát động cơ có thể là vài trăm độ C Do bị tác động bởi sự chênh lệch nhiệt độ, các hạt tải điện sẽ di chuyển qua các chất bán dẫn đặc biệt của TEG; từ đó sản sinh ra dòng điện tương tự như điện từ bình ắc-quy” Ông cho biết: “Sự chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì điện được sản xuất ra càng nhiều”

Theo nhóm nghiên cứu, TEG có khả năng đáp ứng một phần đáng kể nhu cầu về điện của xe hơi Từ đó, theo TS.Bottner, “máy phát nhiệt điện này sẽ giúp tiết kiệm 5 - 7% lượng xăng/dầu cần cung cấp cho xe” Nhóm nghiên cứu đưa ra một phép tính đơn giản để minh họa cho tính hiệu quả của loại TEG này:

Hiện nay có khoảng 50 triệu phương tiện vận chuyển có động cơ ở Đức, mỗi phương tiện như thế được ước tính lăn bánh trên đường khoảng 200 giờ/năm Nếu trong khoảng thời gian đó, TEG tận dụng lượng nhiệt phát ra để sản xuất điện ở mức bình quân 1.000 watt/giờ thì hàng năm sẽ tạo ra một nguồn điện lên đến 100 tỷ watt/giờ (10 terawatt giờ) Nhóm nghiên cứu cho biết họ đang thử nghiệm loại TEG này và sẽ nhanh chóng tạo ra mẫu TEG đầu tiên để đưa vào sử dụng

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 8

HVTH: Võ Tấn Phát

Nguyễn Hà Hiệp (năm 2013) [16] và cộng sự đã tiến hành thí nghiệm và

thu thập được thông số của một mô-đun nhiệt điện như sau: Khi nhiệt độ chênh lệch giữa mặt nóng và mặt lạnh của module TEG bắt đầu cho điện áp từ 4,0V đến 4,2V; như vậy chúng ta có thể mắc nối tiếp nhiều module TEG để có được mức điện áp cao hơn sử dụng cho các phụ tải trên ô tô

Lê Quang Vũ (năm 2014) [17] đã nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện

sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ đạt công suất gần 16W trên mô hình động cơ ô tô 5S-FE ở chế độ không tải; trong đó, sử dụng 16 module nhiệt điện TEG

Trường đại học kỹ thuật quân sự của Ấn Độ (năm 2014) [18] đã nghiên cứu sử dụng nhiệt từ khí xả mô hình động cơ 4 kỳ 3 xilanh với số vòng quay động cơ 3.970 vòng/phút, công suất đạt 15W

Hình1.4: Máy phát nhiệt điện sử dụng TEG của Trường Đại Học Ấn Độ [18]

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 9

HVTH: Võ Tấn Phát

Một bài báo khoa học được công bố trên trang New Journal of Physics vào tháng 12 năm 2014 có tựa đề là “Feasibility of large scale power plants based on Thermoelectric effect” tạm dịch là “Tính khả thi của các nhà máy điện cỡ lớn dựa trên hiệu ứng nhiệt điện” của Liu Liping thuộc Đại học Rutges - Hoa Kỳ Trong bài báo này, tác giả đã cho thấy sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt và đáy biển có thể được dùng để tạo ra điện năng trên quy mô lớn với giá thành rẻ và khả thi

Tuy nhiên trên thực tế vẫn còn rất ít các mô hình phát điện sử dụng hiệu ứng này

Nguyễn Văn Hĩu (năm 2016) [4] “Nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả

động cơ để phát ra điện” Trong nghiên cứu tác giả đã sử dụng mắc nối tiếp 8 mô đun TEG SP1848-27145 với nhau tạo thành một tấm nhiệt điện Kết quả thực

nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện cho công suất tối đa 2,75W và điện áp sau khi dùng bộ chuyển đổi đạt mức điện áp ổn định 14V Điện áp sau khi chuyển đổi ổn định có thể kết nối với hệ thống điện xe máy

D T Kashid, S H Barhatte and D S Ghodake (2016) nghiên cứu sản xuất

điện nhiệt bằng cách sử dụng năng lượng nhiệt thải từ động cơ đốt trong, với tốc độ

động cơ 3736 rpm, sức mạnh được tạo ra là 13,11 W và hiệu quả của hệ thống là

5,28%

1.1.3 Những vấn đề còn tồn tại

Hầu hết các đề tài nghiên cứu trong và ngoài nước về việc sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải động cơ để tạo ra điện đều đã đạt được một số kết quả khả quan, giúp cho việc thu hồi năng lượng từ nhiệt khí thải đối với động cơ đốt trong ngày càng phát triển Tuy nhiên, đa số các công trình trên chỉ tiến hành thử nghiệm khả năng phát điện của máy phát nhiệt điện mà chưa ứng dụng đưa vào thương mại do điện năng thu được còn khá thấp so với tiềm năng mà nó mang lại Qua các công trình nghiên cứu trên, tác giả có thể tận dụng một số kết quả nghiên cứu có liên quan đến động cơ đốt trong để tiến hành thử nghiệm trên mô hình động cơ xe gắn máy như cải tiến tối ưu bộ thu nhiệt và giải nhiệt của module TEG Nghiên cứu quá trình vận hành của xe ảnh hưởng đến tính năng điện thế, dòng điện và công suất phát ra của thiết bị nhiệt điện Trên thực tế đã có nhiều các mô hình phát điện sử

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 10

HVTH: Võ Tấn Phátdụng hiệu ứng này và nó được coi là một trong những cách hứa hẹn nhất trong tương lai Tuy nhiên đến nay vẫn chưa có nghiên cứu nào được ứng dụng vào thương mại hóa

1.2 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.2.1 Đối tượng nghiên cứu

Trong đề tài này, đối tượng cần nghiên cứu là bộ chuyển đổi nhiệt điện lắp trên ống khí thải của động cơ trên xe gắn máy Trong đó ta cần nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ thu nhiệt và giải nhiệt hiệu quả cho module TEG Từ đó tạo ra bộ chuyển đổi nhiệt điện đạt hiệu suất cao và đưa vào ứng dụng thương mại hóa lắp trên xe gắn máy

1.2.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu ảnh hưởng của cánh thu nhiệt nguồn nóng và cánh tản nhiệt nguồn lạnh đến công suất và hiệu suất phát điện của thiết bị chuyển đổi nhiệt điện

1.3 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu này kế thừa nghiên cứu của Nguyễn Văn Hĩu vào năm 2016 tại Trường Đại học Bách Khoa, thành phố Hồ Chí Minh trong việc thu hồi nhiệt thải để sản xuất điện trong xe máy Mục tiêu chính của đề tài là tiếp tục phát triển và xây dựng thành công một máy phát nhiệt điện được áp dụng trên hệ thống xe máy sử dụng nhiệt thải tạo ra điện năng đủ cung cấp cho hệ thống điện trên xe gắn máy:

- Tính toán sơ bộ, thiết kế, chế tạo hệ thống (ống khí thải, bộ thu nhiệt và bộ tản nhiệt của module TEG, bộ thu tín hiệu và xử lí tín hiệu) bộ chuyển đổi nhiệt điện để tạo ra điện năng cung cấp cho các thiết bị điện trên xe gắn máy

- Thấy được sự ảnh hưởng của cánh thu nhiệt nguồn nóng và cánh thu nhiệt nguồn lạnh đến công suất, hiệu suất của bộ chuyển đổi nhiệt điện để có cơ sở tính toán tối ưu và nâng cao công suất

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong quá trình nghiên cứu và phát triển bộ chuyển đổi nhiệt điện ứng dụng trên xe gắn máy ở Việt Nam, giúp cho việc sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng hóa thạch hiện nay nhằm giảm ô nhiễm môi trường, đảm bảo an ninh năng lượng và hiệu quả kinh tế

1.5 Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Phương pháp phân tích tư liệu sẵn có

Thu thập, chọn lọc thông tin từ các công trình nghiên cứu trước; những bài tạp chí, bài báo trong và ngoài nước có liên quan đến vấn đề nghiên cứu

1.5.2 Phương pháp đo thực nghiệm

Sử dụng một số thiết bị hỗ trợ việc đo lường lượng nhiệt độ khí thải của xe, nhiệt độ cánh tản nhiệt theo vận tốc và đo điện áp, cường độ dòng điện phát ra

1.5.3 Phương pháp xử lý kết quả thực nghiệm

Dùng phương pháp thống kê So sánh giữa kết quả thực nghiệm và kết quả lý thuyết

1.5.4 Phương pháp chuyên gia

Đưa ý kiến đến thầy giáo hướng dẫn để nghe phân tích và nhận định

2.1.1 Dẫn nhiệt

Là một quá trình truyền nhiệt khi có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa các vùng trong vật rắn hoặc giữa các vật rắn tiếp xúc Định luật cơ bản về dẫn nhiệt được thực hiện đầu tiên bởi Biot dựa trên cơ sở quan sát thực nghiệm nhưng mang tên sau này là tên của nhà toán lý Joseph Fourier, ông là người đã ứng dụng các kết quả này vào sự phân tích lý thuyết về nhiệt Định luật này phát biểu: mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỉ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và gradient nhiệt độ theo phương ấy

Hình 2.1:Mô tả dẫn nhiệt qua vách phẳng [20]

Dòng nhiệt truyền qua vật trong 1(s) theo phương x được tính theo định luật Fourier:

Qx= -λ F

xT



[W] (2.2)

Hoặc qx=Qx/F = -λ

xT



[W/m2] (2.3) Ở đây:

Qx: dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s (W)

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 13

HVTH: Võ Tấn Phátqx: mật độ dòng nhiệt truyền theo phương x trong thời gian 1s [W/m2] F: diện tích tiết diện vuông góc với phương x [m2]

T: nhiệt độ tuyệt đối của vật (0C) λ: hệ số dẫn nhiệt của vật [W/m.0C] Do quy ước chiều dương của vectơ gradient nhiệt độ là chiều tăng của nhiệt độ còn vectơ mật độ dòng nhiệt luôn đi từ nhiệt độ cao đến nhiệt độ thấp nên có dấu “–”

trong phương trình trên 2.1.2 Truyền nhiệt đối lưu

Là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi giữa bề mặt vật rắn tiếp xúc với môi trường chất lỏng (khí)có nhiệt độ khác nhau

Trong kỹ thuật để tính toán đơn giản quá trình trao đổi nhiệt đối lưu người ta thường dùng công thức Newtơn:

Q = α.F(Tw – Tf) (W) (2.4) Trong đó:

α: là hệ số tỏa nhiệt đối lưu (w/m2.0C) F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2) Tw: nhiệt độ trung bình của bề mặt (0C) Tf: nhiệt độ trung bình của chất lỏng (khí) (0C)

Hình 2.2: Truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt kim loại và không khí [20]

2.2 Hiện tượng và hiệu ứng nhiệt điện

2.2.1 Hiện tượng nhiệt điện

Là sự chuyển đổi trực tiếp năng luợng nhiệt thành năng lượng điện và ngược lại

Hiện tượng này có thể được sử dụng để tạo ra điện 2.2.2 Hiệu ứng nhiệt điện (Seebeck)

Hiệu ứng Seebeck [19] là sự chuyển hóa chênh lệch nhiệt độ thành điện thế và được đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Thomas Seebeck (1770-1831), phát hiện vào năm 1821 Ông phát hiện ra rằng kim la bàn sẽ bị lệch hướng khi đặt cạnh một mạch kín được tạo bởi hai kim loại nối với nhau, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn Điều này là do các kim loại phản ứng khác nhau với sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra dòng điện và một điện trường Tuy nhiên, ông không nhận ra sự có mặt của dòng điện Điều khiếm khuyết này được nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Orsted chỉ ra và đặt ra khái niệm “nhiệt điện” Điện thế tạo ra bởi hiệu ứng này cỡ μV/K Ví dụ: cặp đồng- constant có hệ số Seebeck bằng 41μV/K ở nhiệt độ phòng Mạch kín nói trên

được gọi là cặp nhiệt điện

Hình 2.3: Hiệu ứng seebeck [19]

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 15

HVTH: Võ Tấn PhátĐiện áp tạo ra do hiệu ứng seebeck: Us = S.(Th –Tc) (2.1)

A, B: hai kim loại khác nhau, S: hệ số seebeck (V/K), Th: nhiệt độ mặt nóng (K), Tc: nhiệt độ mặt lạnh (K)

2.3 Thiết bị nhiệt điện bán dẫn

Thiết bị nhiệt điện bán dẫn hiện nay gồm hai loại là TEG (thermoelectric generator) [5] và TEC (thermoelectric cool) [5] Trong đó, TEG là thiết bị bán dẫn chuyển đổi nhiệt thành điện, TEC là thiết bị bán dẫn chuyển đổi điện thành nhiệt như hình được mô tả Trong đề tài này người nghiên cứu sử dụng thiết bị bán dẫn TEG để chuyển đổi nhiệt từ khói xả động cơ thành điện

Hình 2.4: Thiết bị TEC [5]

Nếu một module TEG chuyển một nhiệt lượng Q hành điện năng có công suất P với hiệu suất η ta có:

P = η.Q (2.5) Hiệu suất η phụ thuộc vào vật liệu làm nên module TEG, nhiệt độ bên nóng Th,

bên lạnh Tc

η =∆𝑇

𝑇ℎ ∙ √1+𝑍𝑇−1

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 17

HVTH: Võ Tấn PhátTrong công thức trên ZT là hệ số phẩm chất, phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt λ, hệ số Seebeck S, độ dẫn điện σ và nhiệt độ theo công thức:

ZT =



TS2

(2.7)

Hình 2.6: Cấu tạo bên trong TEG [5]

Các cặp nhiệt điện bán dẫn hoạt động theo nguyên lý chung với các thiết bị nhiệt điện kim loại, sự khuếch tán các hạt mang điện xảy ra khi có một sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của thiết bị Các hạt mang điện bị khuếch tán từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và tạo ra hiệu điện thế

Hình 2.7: Mô hình hoạt động của module TEG [5]

Module nhiệt điện TEG được chọn làm thực nghiệm là module TEG

TEP1-142T300 được sản xuất tại Trung Quốc; với các thông số như sau:

- Kích thước: Dài x Rộng x Dày = 44mm x 40mm x 3.8mm - Khoảng nhiệt độ hoạt động: Từ -400C đến 3000C, trong đó, ngưỡng nhiệt độ

mà module TEG có thể làm việc lâu dài là 2500C

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 18

HVTH: Võ Tấn PhátModule TEG TEP1-142T300 có chức năng chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng và có hình dạng như Hình 2.8:

Hình 2.8: Module TEG TEP1-142T300

- Khả năng phát điện của một module TEG theo nhà sản xuất: Độ chênh lệch nhiệt độ

(Độ C)

Hiệu điện thế sinh ra

(V)

Cường độ dòng điện sinh ra (mA)

Bảng 2 Thông số kỹ thuật module TEG của nhà sản xuất

2.4 Ưu điểm của thiết bị nhiệt điện bán dẫn so với các thiết bị nhiệt điện khác

Các vật liệu và hệ thống TEG mới đang được phát triển để tạo ra năng lượng sử dụng nhiệt thải thấp hoặc nhiệt độ cao, và có thể tạo ra một cơ hội đáng kể trong tương lai gần

TEG đã được đánh giá cao bởi vì chúng có những ưu điểm về tính đơn giản, độ chắc chắn, hoạt động im lặng, cũng như không có các bộ phận chuyển động mở rộng

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 19

HVTH: Võ Tấn Phátnén và chất lỏng hoạt động TEG có hình dạng nhỏ gọn, dễ thay thế và trọng lượng nhẹ nên được ưu tiên nghiên cứu về thu hồi nhiệt thải từ ICE

Mặc dù hiệu quả điển hình của TEG là khoảng 5-8% [21] nhưng nó tránh làm tăng áp suất động cơ vì TEG không trực tiếp cản trở dòng khí thải Công nghệ màng mỏng và lượng tử cũng có thể tăng hiệu suất lên tới 15% trong tương lai

Thách thức lớn nhất của TEG từ việc tạo mẫu đến sản xuất là chi phí của các vật liệu nhiệt điện cơ bản Bây giờ chúng tôi không có khả năng chế tạo chúng trong hình học dễ dàng tương thích với ống xả của động cơ vì vậy khi sử dụng nó, chúng ta phải thay đổi ống xả Trong trường hợp sử dụng TEG trong các ứng dụng ô tô, các ứng suất từ gradient nhiệt, đi xe đạp nhiệt và rung động có thể gây ra; gãy trong vật liệu TE, tăng điện trở suất, giảm giá trị ZT của vật liệu và giảm tuổi thọ của TEG Mặc dù có một số thách thức nhưng TEG được coi là một trong những cách hứa hẹn nhất trong tương lai

Chính vì các ưu thế đó, tác giả quyết định chọn thiết bị nhiệt điện bán dẫn để chế tạo máy phát điện, phù hợp với các tiêu chí: rẻ, gọn, nhẹ, công suất hợp lý

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 20

HVTH: Võ Tấn Phát

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BỘ CHUYỂN ĐỔI NHIỆT

ĐIỆN LÀM THỰC NGHIỆM 3.1 Tính toán ban đầu

3.1.1 Tính toán ước lượng lưu lượng khí thải

3.1.1.1 Thông số kỹ thuật của phương tiện khảo sát

- Nhãn hiệu: Suzuki Sapphire 125 - Động cơ 1 xylanh

- Dung tích công tác: Vh 125( ) 1, 25.10 (cc  4 m3)- Đường kính bánh xe : Dwheel 390,6(mm)

3.1.1.2 Tính toán lưu lượng khí thải

Bảng 3 Bảng thông số kỹ thuật tốc độ động cơ xe

Theo định luật bảo toàn khối lượng, giả thuyết hiệu suất nạp và thải như nhau Do đó mỗi 2 vòng quay của trục khuỷu, động cơ sẽ thải ra lượng thể tích khí xả bằng với thể tích công tác

Lưu lượng không khí nạp tại tốc độ xe 60 (km/h) với tải trọng 2 người:

V



3.1.2 Xác định các thông số cơ bản của khí thải

3.1.2.1 Thông số của khí thải

Nhiệt độ trung bình: tf tsmoke 2400C

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 21

HVTH: Võ Tấn PhátHệ số nhớt động học của khí thải tại nhiệt độ tf :

6238.10 (/ )

v  ms (Bảng 23, [21]) Hệ số dẫn nhiệt của khí thải tại nhiệt độ tf :

24,342.10 (W m K/ )  (Bảng 23, [21]) Hệ số giãn nở nhiệt của khí thải tại nhiệt độ tf :

3

1,95.10 (1 / )273 240 273

f

Kt

3.1.2.2 Thông số của không khí

Nhiệt độ trung bình : tf tenvi 300C

Hệ số nhớt động học của khí thải tại nhiệt độ tf :

6216.10 (/ )

v  ms (Bảng 22, [21]) Hệ số dẫn nhiệt của khí thải tại nhiệt độ tf :

22, 7.10 (W m K/ )  (Bảng 22, [21]) Hệ số Prandtl tại nhiệt độ tf :

Prf 0, 701 (Bảng 22, [21]) Hệ số Prandtl tại nhiệt độ t : w

Prw 0,698(Bảng 22, [21]) Hệ số thực nghiệm K0 10,967 (Bảng 37, [21]) Hệ số hiệu chỉnh chiều dài l 1,0676 (Bảng 10.3, [21])

GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 22

HVTH: Võ Tấn Phát

3.1.2.3 Nhiệt lượng trao đổi qua hệ thống

Với 8 module TEG, chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của các module cần thiết là

3.1.3 Tính toán truyền nhiệt qua bộ thu nhiệt

Bộ thu nhiệt dùng để lắp trên thiết bị là một tấm phẳng được làm bằng nhôm, cánh phẳng và được bán trên thị trường có kích thước tương đương với ống khí thải, dễ lắp đặt và thay thế

Kích thước bộ thu nhiệt: - Chiều dài cánh: L160 (mm)- Chiều cao cánh: h68 (mm)- Chiều dày cánh: 1 (mm)- Chiều rộng khe hở giữa 2 cánh liền kề: b3 (mm)- Số cánh: n21

43(1)

3, 25.10

1,625.10 ( / )1 21 1

vv slot

3,125.10

1,53( / ) .10 3.68.10

v slot

Q

m sb h

     

- Hệ số Reynolds:

36



   < 2200  chảy tầng - Tiêu chuẩn Grashof

1,393.4,342.10

10,52( / )5,75.10

f

Nu

W m Kl



GVHD: TS.Hồng Đức Thông Trang 24

HVTH: Võ Tấn Phát

13

2 2.10,52

11,92( )148.1.10

Al

 



 Xác định nhiệt độ gốc cánh Nhiệt lượng mà 1 cánh hấp thụ được:

1

40419, 238( )21

infin

finAl

Q

Cm f th m h



Nhiệt độ tại gốc cánh (cũng là nhiệt độ ở mặt nóng TEG):

011 240 101, 74 138, 26( )

f

Nu

W m Kl



13

16, 41( )148.1.10

Al

 



 Xác định nhiệt độ gốc cánh

Q

Cm f th m h

wf

3.1.4 Tính toán truyền nhiệt qua bộ tản nhiệt

Bộ tản nhiệt dùng để lắp trên thiết bị là một tấm phẳng được làm bằng nhôm, cánh phẳng và được bán trên thị trường có kích thước tương đương với ống khí thải, dễ lắp đặt và thay thế

Kích thước bộ tản nhiệt: - Chiều dài cánh: L215 (mm)- Chiều cao cánh: h68 (mm)- Chiều dày cánh: 1 (mm)- Chiều rộng khe hở giữa 2 cánh liền kề: b3 (mm)- Số cánh: n31

10,06.2,7.10

47, 271 ( / )5,746.10

f

Nu

W m Kl



13

2 2.47, 271

25, 274 ( )148.1.10

Al

 



- Xác định nhiệt độ gốc cánh Nhiệt lượng mà 1 cánh giải nhiệt:

1

41612,387 ( )31

outfin

finAl

Q

Cm f th m h



Nhiệt độ tại gốc cánh (cũng là nhiệt độ ở mặt lạnh TEG):

021 30 16, 426 46, 426( )