thiết kế và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt xoáy lốc sử dụng nhiên liệu nh3 syngas

Sử dụng phương pháp mô hình số để thực hiện tính toán và đánh giá hiệu suất cháy và quá trình phát thải NOx, với điều kiện mô phỏng là sự thay đổi nồng độ Syngas, tỉ lệ hòa trộn, so sánh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG BUỒNG ĐỐT XOÁY LỐC

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tiến Sinh viên thực hiện: Từ Lê Huya

Võ Huy Khánhb Dương Ngọc Đạtc

2050421200157b 2050421200120c

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT Ô TÔ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY TRONG BUỒNG ĐỐT XOÁY LỐC SỬ

Người hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tiến Sinh viên thực hiện: Từ Lê Huya

Võ Huy Khánhb Dương Ngọc Đạtc

2050421200157b 2050421200120c

Lớp: 223DATNKSDL01

Đà Nẵng, 21/06/2024

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Minh Tiến Sinh viên thực hiện : Từ Lê Huy 2050421200146 20DL1

Võ Huy Khánh 2050421200157 20DL1 Dương Ngọc Đạt 2050421200120 20DL1

Đề tài: “ Thiết kế và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt xoáy lốc sử dụng

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

Giảng viên hướng dẫn : TS Nguyễn Minh Tiến

Sinh viên thực hiện : Từ Lê Huy 2050421200146 20DL1

Võ Huy Khánh 2050421200157 20DL1 Dương Ngọc Đạt 2050421200120 20DL1

Đề tài: “ Thiết kế và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt xoáy lốc sử dụng

TÓM TẮT

Trong tình hình nguồn năng lượng hóa thạch hiện nay đang dần cạn kiệt thì việc sử dụng năng lượng tái tạo đang được hướng đến trên toàn thế giới và Amoniac là một trong những năng lượng tái tạo có tiềm năng trong ngành công nghiệp nhiên liệu Trong nghiên cứu của S.Awang và các cộng sự đã cho thấy rằng Amoniac yêu cầu năng lượng đánh lửa lớn do khó cháy và phát thải NOx khá cao Vì thế, nhóm sinh viên đã chọn đề tài: “Thiết kế và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt xoáy lốc sử dụng nhiên liệu NH3/Syngas” , trong đó có sử dụng Syngas bổ sung vào Amoniac để cải thiện hiệu suất cháy, giảm thiểu phát thải NOx, ngoài ra còn cho thấy hiệu quả của cánh tạo rối và kết cấu vòi phun trong việc cải thiện hiệu suất cháy, giảm thiểu phát thải NOx

Sử dụng phương pháp mô hình số để thực hiện tính toán và đánh giá hiệu suất cháy và quá trình phát thải NOx, với điều kiện mô phỏng là sự thay đổi nồng độ Syngas, tỉ lệ hòa trộn, so sánh độ hiệu quả của buồng đốt có cánh tạo rối và không cánh tạo rối, ảnh hưởng của kết cấu vòi phun Bên cạnh đó còn có sự kết hợp nhiều phương pháp trong đó có các phương pháp chủ yếu như:

- Nghiên cứu lý thuyết, thực nghiệm - Sử dụng các phần mềm hỗ trợ như: Solidworks, Ansys Fluent, Word,

Excel,… để hoàn thành nghiên cứu, mô phỏng và viết báo cáo - Thu thập thông tin từ các nguồn tài liệu trên mạng, tài liệu bên ngoài, các bài

báo về mô phỏng cháy - Quan sát, nghiên cứu các phương pháp ngoài thực tế Kết quả cho thấy sự hiệu quả của kết hợp Syngas/Amoniac, tỉ lệ hòa trộn, cánh tạo rối và lỗ phun trung tâm đến sự ổn định của ngọn lửa, cải thiện hiệu suất cháy và giảm thiểu phát thải NOx Từ đó hướng đến mục tiêu phát triển cho các buồng đốt công nghiệp khác khi sử dụng Amoniac để đốt cháy

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Minh Tiến

Sinh viên thực hiện: Mã sinh viên Lớp Từ Lê Huy 2050421200146 20DL1 Võ Huy Khánh 2050421200157 20DL1 Dương Ngọc Đạt 2050421200120 20DL1 1 Tên đề tài:

Thiết kế và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt xoáy lốc sử dụng nhiên liệu NH3/Syngas

Thời gian thực hiện: Từ ngày: 8/1/2024 đến ngày 14/5/2024 2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

• Các tài liệu liên quan đến buồng đốt xoáy lốc • Các tài liệu liên quan đến nhiên liệu NH3/Syngas • Các tài liệu liên quan đến phần mềm mô phỏng 3 Nội dung chính của đồ án:

• Mở đầu • Mục đích, ý nghĩa đề tài • Tìm hiểu tổng quan về đề tài tốt nghiệp • Tìm hiểu về buồng đốt xoáy lốc

• Thiết kế mô hình 3D buồng đốt • Tìm hiểu về phần mềm mô phỏng và tính toán mô phỏng • Chọn ra được phương án thiết kế tối ưu nhất

• Thu thập và phân tích kết quả • Kết luận và đánh giá hướng phát triển của đề tài 4 Các sản phẩm dự kiến:

• Các bản vẽ thiết kế của buồng đốt • Mô hình cháy trong buồng đốt xoáy lốc sử dụng nhiên liệu NH3/Syngas • Kết quả mô phỏng và đánh giá, so sánh

• Bản báo cáo theo đúng quy định

5 Tiến độ thực hiện: STT Thời gian Nội dung công việc Kết quả dự kiến

đạt được 1 8/1/2024 Nhận đề tài Chọn được đề tài

nghiên cứu

2 9/1/2024 – 16/1/2024

Tìm hiểu sơ lược về đề tài và lên kế hoạch thực hiện

Xác định rõ về mục tiêu của đề tài

3 17/1/2024 – 5/2/2024

Nghiên cứu về đặc tính nhiên liệu và rút ra lý do chọn đề tài

Biết được bản chất nhiên liệu, từ đó đưa ra lý do chọn đề tài

4 6/2/2024 – 25/2/2024

Tìm hiểu về mô hình tính toán cho dòng chảy rối

Hiểu được sơ bộ về mô hình rối

5 26/2/2024 – 10/3/2024

Thiết kế buồng đốt sơ bộ dựa vào bản có sẵn và thực hiện mô phỏng đối chiếu kết quả so với bài báo

Xác định được mô hình tính toán gần đúng với bản có sẵn và đưa ra hướng thay đổi kết cấu

6 11/3/2024 – 20/3/2024 Lựa chọn thiết kế buồng

đốt xoáy lốc

Buồng đốt xoáy lốc hoàn thiện

7 21/3/2024 – 1/4/2024 Tính toán các điều kiện

biên cần thiết

Bảng thông số điều kiện biên

8 2/4/2024 – 8/4/2024 Kiểm tra hội tụ lưới

Lựa chọn được mô hình lưới phù hợp

9 9/4/2024 – 20/4/2024

Thu thập kết quả sơ bộ để báo cáo poster và nhận góp ý điều chỉnh

Bản báo cáo bằng poster

10 21/4/2024 – 5/6/2024

Điều chỉnh lại kết cấu buồng đốt, đưa ra phương pháp mô phỏng tối ưu nhất để hoàn thiện tất cả trường hợp đề ra

Kết quả mô phỏng cho tất cả trường hợp đề ra

11 6/6/2024 – 15/6/2024 Nghiệm thu đề tài và

hoàn thiện báo cáo

Bản báo cáo hoàn thiện

Đà Nẵng, ngày… tháng… năm 2024

LỜI NÓI ĐẦU

Do nhu cầu năng lượng ngày càng tăng dẫn đến biến đổi khí hậu, chiến lược chung là giảm sự phụ thuộc vào tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch (ví dụ: khí đốt tự nhiên, dầu mỏ, than đá) và tìm kiếm các lựa chọn nhiên liệu xanh thay thế Do đó, việc hiểu được khả năng ứng dụng của nhiên liệu xanh thay thế và đặc tính đốt cháy / oxy hóa của chúng trong động cơ đốt trong (ICE) và động cơ tuabin khí (GT) hiện có đã nhận được sự chú ý đáng kể trên toàn thế giới trong những thập kỷ gần đây

Thế giới đang trong giai đoạn thực hiện mục tiêu Net Zero để đưa lượng khí thải về mức trung hòa và Việt Nam cũng nằm trong diện thực hiện mục tiêu đó Có nhiều phương án được đề ra nhưng ở đề tài này mô tả việc sử dụng NH3 cho buồng đốt và tính toán sao cho tối ưu hoá Tuy nhiên, thách thức khi đốt NH3 là yêu cầu năng lượng đánh lửa lớn do khó cháy, thời gian cháy trễ dài, tốc độ cháy khá chậm, giới hạn cháy hẹp (16-25% thể tích trong không khí) và phát thải NOx khá cao Điều này làm cản trở việc ứng dụng rộng rãi NH3 như một loại nhiên liệu sạch cho các thiết bị cháy Vì vậy, Syngas được đưa vào kết hợp với NH3 do tốc độ cháy tầng cực đại của Syngas khá cao, thường thay đổi từ 30 cm/s đến 130 cm/s và phụ thuộc lớn vào thành phần chứa trong nó Kèm theo đặc tính giới hạn cháy rộng, việc pha trộn Syngas với NH3 có thể khắc phục được hiện tượng khó cháy, tốc độ cháy thấp và phát thải NOx

Qua việc nghiên cứu này thì sinh viên được trang bị thêm kiến thức về sự cháy của 1 nguồn nhiên liệu, biết thêm về mô phỏng, thiết kế và các môn học cơ sở liên quan

Dù đã cố gắng nghiên cứu và hoàn thành đồ án 1 cách tốt nhất, tuy nhiên vẫn còn thiếu kiến thức và kinh nghiệm nên không tránh khỏi những thiếu sót trong quá trình thực hiện nhiệm vụ của đồ án Vì thế rất mong nhận được sự góp ý của các thầy để nhóm sinh viên được hiểu thêm và sửa chữa những thiếu sót

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, nhóm em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô trong trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật – Đại Học Đà Nẵng nói chung và các thầy cô trong bộ môn công nghệ kỹ thuật ô tô nói riêng đã truyền đạt những kiến thức cơ sở nền tảng, lý thuyết vững vàng và tạo điều kiện giúp đỡ nhóm em trong suốt quá trình học tập cũng như giải đáp những vướng mắc mà nhóm em gặp phải trong quá trình nghiên cứu đồ án tốt nghiệp

Đặc biệt, nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy TS Nguyễn Minh

Tiến và thầy Trần Phước Dinh – giảng viên bộ môn Cơ khí Ô tô, đã trang bị cho nhóm

em kiến thức, kỹ năng cơ bản để hoàn thiện đồ án tốt nghiệp Đại Học, đồng thời cũng đồng hành cùng nhóm em trong suốt quá trình nghiên cứu

Do kiến thức và thời gian còn hạn chế nên đồ án tốt nghiệp của nhóm em không tránh khỏi những thiếu sót, kính mong các thầy trong bộ môn đóng góp ý kiến để đồ án của nhóm em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng, nhóm em xin cảm ơn gia đình, bạn bè đã luôn ủng hộ, dìu dắt, giúp đỡ, động viên tinh thần học tập và hoàn thành đồ án tốt nghiệp

CAM ĐOAN

Nhóm chúng em xin cam đoan rằng kết quả trong báo cáo đồ án tốt nghiệp này là kết quả từ sự cố gắng, tìm hiểu và nghiên cứu chân thành của cả nhóm dưới sự hướng

dẫn tận tâm của thầy TS Nguyễn Minh Tiến Mọi thông tin, dữ liệu và số liệu tham

khảo được trích dẫn trong báo cáo này đều được lựa chọn và sử dụng một cách trung thực, đáng tin cậy Chúng em tuân thủ các nguyên tắc và quy định về trích dẫn và tham khảo từ các nguồn tài liệu, bài báo, nghiên cứu và tài liệu khác một cách công tâm và minh bạch

Chúng em đặt sự trung thực và tính minh bạch lên hàng đầu và cam kết tuân thủ các quy tắc đạo đức và nguyên tắc nghiên cứu trong quá trình thực hiện báo cáo đồ án tốt nghiệp này

Sinh viên thực hiện Từ Lê Huy Võ Huy Khánh Dương Ngọc Đạt

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN

1.1 Thực trạng về nguồn năng lượng hiện nay 2

1.1.1 Năng lượng hóa thạch 2

1.1.2 Amoniac 3

1.1.3 Syngas 4

1.1.4 Ưu, nhược điểm của việc sử dụng hỗn hợp Amoniac và Syngas 5

1.2 Thực trạng ô nhiễm 6

1.3 Nghiên cứu liên quan 8

1.4 Ứng dụng của buồng đốt xoáy lốc 9

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BUỒNG ĐỐT 12

2.1 Lựa chọn thiết kế buồng đốt 12

2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc buồng đốt 13

2.3 Giới thiệu về mô phỏng CFD và phần mềm Ansys Fluent 14

2.3.1 Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics) 14

2.3.2 Phần mềm Ansys Fluent 15

2.4 Quá trình mô phỏng 16

2.4.1 Tính toán lưu lượng không khí qua tỉ lệ hoà trộn tương đương 16

2.4.2 Mô phỏng CFD 19

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ ĐÁNH GIÁ 25

3.1 Trường hợp thay đổi nồng độ Syngas với tỉ lệ hoà trộn 0,5 trong buồng đốt xoáy lốc 25

3.1.1 Phân bố nhiệt độ 25

3.1.2 Phân bố NO 27

3.1.3 Phân bố N2O 29

3.1.4 Phân bố dòng vận tốc 30

3.1.5 Phân bố nhiên liệu 31

3.2 Thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas trong buồng đốt xoáy lốc 33

3.2.1 Phân bố nhiệt độ 33

3.2.2 Phân bố NO 35

3.2.3 Phân bố N2O 36

3.2.4 Phân bố dòng vận tốc 37

3.2.5 Phân bố nhiên liệu 38

3.3 Thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas trong buồng đốt không cánh tạo rối 40

3.3.1 Phân bố nhiệt độ 40

3.3.2 Phân bố NO 41

3.3.3 Phân bố N2O 43

3.3.4 Phân bố dòng vận tốc 44

3.3.5 Phân bố nhiên liệu 45

3.4 So sánh hiệu quả của ống phun nhiên liệu có và không có lỗ phun trung tâm ở trường hợp 40% Syngas với tỉ lệ hòa trộn 0.5 47

3.5 KẾT LUẬN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 55

3.6 MỤC TIÊU PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 56

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG, HÌNH ẢNH

Bảng 1.1 Thành phần các chất trong Syngas và nhiệt trị 5

Bảng 2.1 Thông số điều kiện biên 18

Bảng 2.2 Bảng thông số lưới 20

Bảng 3.1 Hiệu suất cháy của trường hợp thay đổi nồng độ Syngas với phi = 0.5 32

Bảng 3.2 Hiệu suất cháy của trường hợp thay đổi tỉ lệ hòa trộn với 40% Syngas 39

Bảng 3.3 Hiệu suất cháy của trường hợp thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas trong buồng đốt không cánh tạo rối 46

Bảng 3.4 Hiệu suất cháy của trường hợp không có lỗ phun trung tâm và có lỗ phun trung tâm 53

Hình 1.1 Xăng, dầu là sản phẩm chủ yếu trong ngành công nghiệp dầu mỏ 2

Hình 1.2 Dầu mỏ được ví như “Vàng đen” trên thế giới 3

Hình 1.3 Lưu trữ Amoniac lỏng 4

Hình 1.4 Viên nén Biomass 5

Hình 1.5 Các nguồn phát thải chất ô nhiễm 7

Hình 1.6 Quá trình tạo mưa axit từ khí thải NOx, SO2 7

Hình 1.7 Bản thiết kế của bài báo khoa học 8

Hình 1.8 Các kiểu thiết kế đỉnh piston 9

Hình 1.9 Xupap ô tô với góc bo và mặt lõm của nấm xupap 9

Hình 1.10 Các loại buồng đốt trong động cơ phản lực 10

Hình 1.11 Lò hơi công nghiệp 11

Hình 1.12 Quá trình sản sinh điện trong nhà máy nhiệt điện 11

Hình 2.1 Thiết kế buồng đốt 3D bằng phần mềm Solidworks 2018 12

Hình 2.2 Kết cấu vòi phun có lỗ phun trung tâm (trái) và không có lỗ phun trung tâm (phải) 12

Hình 2.3 Cấu tạo buồng đốt 13

Hình 2.4 Một số ưu điểm của mô phỏng CFD 14

Hình 2.5 Mô phỏng dòng chảy trong Ansys Fluent 15

Hình 2.6 Giao diện Ansys Workbench – Fluid Flow 19

Hình 2.7 Phần thể tích mô phỏng bên trong buồng đốt 19

Hình 2.8 Đồ thị hội tụ của lưới 20

Hình 2.9 Mô hình sau khi chia lưới 21

Hình 2.10 Thiết lập General (trái) và mô hình rối (phải) 21

Hình 2.11 Bảng chọn chất đưa vào 22

Hình 2.12 Biểu diễn dữ liệu PDF bằng biểu đồ 3D 23

Hình 2.13 Điều kiện biên của không khí 23

Hình 2.14 Điều kiện biên của nhiên liệu 24

Hình 3.1 Hình ảnh phân bố nhiệt độ ngọn lửa với sự thay đổi nồng độ Syngas tăng dần theo % 26

Hình 3.2 Đồ thị phân bố nhiệt độ của trường hợp thay đổi nồng độ Syngas tại tỉ lệ hòa trộn 0.5 26

Hình 3.3 Hình ảnh phân bố phát thải NO với sự thay đổi nồng độ Syngas tăng dần theo % 27

Hình 3.4 Đồ thị phân bố NO của trường hợp thay đổi nồng độ Syngas tại tỉ lệ hòa trộn 0.5 28

Hình 3.5 Hình ảnh phân bố phát thải N2O với sự thay đổi nồng độ Syngas tăng dần theo % 29

Hình 3.6 Đồ thị phân bố N2O của trường hợp thay đổi nồng độ Syngas tại tỉ lệ hòa trộn 0.5 29

Hình 3.7 Hình ảnh phân bố dòng vận tốc khi thay đổi nồng độ Syngas tăng dần theo % 30

Hình 3.8 Đồ thị phân bố nhiên liệu NH3 của trường hợp thay đổi nồng độ Syngas tại tỉ lệ hòa trộn 0.5 31

Hình 3.9 Đồ thị phân bố nhiên liệu Syngas của trường hợp thay đổi nồng độ Syngas tại tỉ lệ hòa trộn 0.5 32

Hình 3.10 Hình ảnh phân bố nhiệt độ ngọn lửa với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas 34

Hình 3.11 Đồ thị phân bố nhiệt độ với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% 34

Hình 3.12 Hình ảnh phân bố phát thải NO với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas 35

Hình 3.13 Đồ thị phân bố NO khi thay đổi tỉ lệ hòa trộn tại trường hợp 40% 36

Hình 3.14 Hình ảnh phân bố phát thải N2O với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas 37

Hình 3.15 Đồ thị phân bố N2O khi thay đổi tỉ lệ hòa trộn tại trường hợp 40% 37

Hình 3.16 Hình ảnh phân bố dòng vận tốc khi thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas 38

Hình 3.17 Đồ thị phân bố nhiên liệu của trường hợp thay đổi nồng độ Syngas tại tỉ lệ hòa trộn 0.5 39

Hình 3.18 Hình ảnh phân bố nhiệt độ ngọn lửa với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas trong buồng đốt không cánh tạo rối 40Hình 3.19 Đồ thị phân bố nhiệt độ ngọn lửa với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường 41Hình 3.20 Hình ảnh phân bố phát thải NO với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas trong buồng đốt không cánh tạo rối 42Hình 3.21 Đồ thị phân bố phát thải NO với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas trong buồng đốt không cánh tạo rối 43Hình 3.22 Hình ảnh phân bố phát thải N2O với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas trong buồng đốt không cánh tạo rối 44Hình 3.23 Đồ thị phân bố phát thải N2O với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas trong buồng đốt không cánh tạo rối 44Hình 3.24 Hình ảnh phân bố dòng vận tốc khi thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 40% Syngas trong buồng đốt không cánh tạo rối 45Hình 3.25 Đồ thị phân bố nhiên liệu với sự thay đổi tỉ lệ hòa trộn ở trường hợp 46Hình 3.26 Hình ảnh phân bố nhiệt độ của trường hợp không có lỗ phun trung tâm (trái) và có lỗ phun trung tâm (phải) 47Hình 3.27 Đồ thị phân bố nhiệt độ của trường hợp không có lỗ phun trung tâm và có lỗ phun trung tâm 48Hình 3.28 Hình ảnh phân bố NO của trường hợp không có lỗ phun trung tâm (trái) và có lỗ phun trung tâm (phải) 49Hình 3.29 Đồ thị phân bố nhiệt độ của trường hợp không có lỗ phun trung tâm và có lỗ phun trung tâm 49Hình 3.30 Hình ảnh phân bố N2O của trường hợp không có lỗ phun trung tâm (trái) và có lỗ phun trung tâm (phải) 50Hình 3.31 Đồ thị phân bố N2O của trường hợp không có lỗ phun trung tâm và có lỗ phun trung tâm 51Hình 3.32 Hình ảnh phân bố dòng vận tốc của trường hợp không có lỗ phun trung tâm (trái) và có lỗ phun trung tâm (phải) 52Hình 3.33 Đồ thị phân bố nhiên liệu của trường hợp không có lỗ phun trung tâm và có lỗ phun trung tâm 53

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

KÝ HIỆU: p : Áp suất (atm) T : Nhiệt độ (oC) hoặc (K) Ø : Tỉ lệ hòa trộn tương đương λ : Hệ số dư lượng không khí i : Chất phản ứng

∑ λi : Tổng hệ số dư lượng không khí các chất m : Khối lượng (g)

n : Số mol (mol) M : Phân tử khối (g/mol)

CHỮ VIẾT TẮT: LHV : Lower Heating Value (MJ/kg) (A F⁄ ) : Tỉ lệ khối lượng giữa không khí và nhiên liệu CFD : Computational Fluid Dynamics

Re : Reynolds

MỞ ĐẦU

Bài báo cáo đề tài: “Thiết kế và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt xoáy lốc sử dụng nhiên liệu NH3/Syngas” được chia thành 5 chương với nội dung các chương như sau:

• Chương 1: Thực trạng về nguồn năng lượng và ô nhiễm hiện nay • Chương 2: Thiết kế và mô phỏng buồng đốt

• Chương 3: Kết quả mô phỏng và đánh giá Sau đây là nội dung của từng phần của đề tài: “Thiết kế và mô phỏng quá trình cháy trong buồng đốt xoáy lốc sử dụng nhiên liệu NH3/Syngas”

CHƯƠNG 1: THỰC TRẠNG VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG VÀ Ô NHIỄM

HIỆN NAY

1.1 Thực trạng về nguồn năng lượng hiện nay

1.1.1 Năng lượng hóa thạch

Than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên là các tài nguyên hóa thạch không tái tạo được hình thành nhờ sự phân hủy xác động thực vật qua hàng triệu năm Quá trình này diễn ra qua nhiều giai đoạn phức tạp dưới tác động của áp suất và nhiệt độ cao trong lòng đất, biến đổi các chất hữu cơ thành các dạng năng lượng dự trữ Than đá hình thành chủ yếu từ xác thực vật trong các đầm lầy cổ, trong khi dầu mỏ và khí tự nhiên thường được hình thành khi số lượng lớn sinh vật chết, thường là động vật phù du và tảo, bị chôn vùi và nén ép dưới lớp trầm tích

Năng lượng hóa thạch là năng lượng được sinh ra từ các tài nguyên hóa thạch Khi chúng được đốt cháy, các phản ứng hóa học giữa các hợp chất hydrocarbon trong than đá, dầu mỏ, và khí tự nhiên với oxy trong không khí sẽ giải phóng nhiệt lượng lớn

Hình 1.1 Xăng, dầu là sản phẩm chủ yếu trong ngành công nghiệp dầu mỏ

Năng lượng hóa thạch có vai trò rất quan trọng trong suốt lịch sử phát triển của nhân loại, là nguồn cung chủ yếu trên toàn cầu, góp phần hình thành và phát triển các

ngành công nghiệp như: luyện kim, xi măng, hóa chất,…thúc đẩy nguồn kinh tế phát triển và các cuộc cách mạng công nghiệp Ngoài ra, ngành công nghiệp dầu khí còn đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển kinh tế của một số quốc gia như: Nga, Mỹ, Ả rập xê út, Iran,…

Hình 1.2 Dầu mỏ được ví như “Vàng đen” trên thế giới

Tuy nhiên, năng lượng hóa thạch là nguồn năng lượng không tái tạo được nên đang dần cạn kiệt và khan hiếm Chính vì thế nên thế giới đang hướng đến mục tiêu sử dụng năng lượng xanh – năng lượng tái tạo, và một trong số đó là việc sử dụng nhiên liệu Amoniac/Syngas để thay thế cho năng lượng hóa thạch

1.1.2 Amoniac

Amoniac (NH3) là hợp chất hóa học của nitơ (N2) và hydro (H2), không chứa bon, là loại khí không màu và có mùi hăng đặc trưng Amoniac dễ hóa lỏng ở điều kiện T = -33oC and p = 1 atm nên việc lưu trữ và vận chuyển NH3 thuận lợi hơn so với H2

các-khi sử dụng cơ sở hạ tầng hiện có Amoniac có năng lượng riêng khoảng 10.8 MJ/L tại 300 K và 8.6 bar, cao hơn so với H2 lỏng (7 MJ/L tại 300 K và 10 bar) Nhiệt trị thấp (LHV) của NH3 là 18.6 MJ/kg, cao hơn so với một số loại khí than (16.7 MJ/kg), nhưng thấp hơn so với ethanol (26 MJ/kg) hoặc khí thiên nhiên (47.2 MJ/kg)

Amoniac có thể được sản xuất từ các nguồn năng lượng tái tạo (điện mặt trời, điện gió) thông qua việc tách N2 từ không khí và điện phân H2O để lấy H2 Giá thành lưu trữ một đơn vị năng lượng H2 dưới dạng NH3 xấp xỉ 0.54$/kg-H2, khá thấp so với lưu trữ

H2 nguyên chất (14.95$/kg-H2) Điều này giúp cho việc thương mại NH3 trở nên khả thi hơn

Hình 1.3 Lưu trữ Amoniac lỏng

Amoniac được ứng dụng rộng rãi trong các ngành thuộc nông – công nghiệp như sản xuất phân bón, hóa chất, chất làm lạnh từ Amoniac lỏng,… Bên cạnh đó, Amoniac còn đang được nghiên cứu để sử dụng cho động cơ đốt trong, pin nhiên liệu Tuy nhiên, Amoniac có những nhược điểm lớn như: độc tính cao, tính ăn mòn cao, nhiệt trị thấp hơn so với các loại nhiên liệu hóa thạch khác, khó cháy do điểm bắt lửa lớn,… [1]

1.1.3 Syngas

Syngas, hay còn gọi là khí tổng hợp, là một hỗn hợp khí nhiên liệu được tạo ra thông qua quá trình khí hóa viên nén biomass Quá trình khí hóa này diễn ra ở nhiệt độ cao, thường từ 800°C đến 1000°C, trong điều kiện thiếu oxy Viên nén biomass, được tạo ra từ các nguyên liệu hữu cơ như gỗ, rơm rạ, hoặc phế phẩm nông nghiệp, được chuyển hóa thành Syngas dưới tác động của nhiệt và áp suất trong lò khí hóa Thành phần và nhiệt trị thấp của Syngas sẽ thay đổi khác nhau tùy thuộc vào nguồn gốc của viên nén Hầu hết thành phần nhiên liệu trong Syngas sẽ là CO, H2 (CO chiếm khoảng 60% trong thành phần các chất nhiên liệu và khoảng 40% đối với H2) và một lượng rất nhỏ CH4, các thông số đó được thể hiện như bảng dưới theo tính toán của Mahgoub BKM[2]:

Bảng 1.1 Thành phần các chất trong Syngas và nhiệt trị Syngas

Fuel

N2 (%)

CO2 (%)

CO (%)

H2 (%)

CH4 (%)

LHV [KJ/kg] A 49 12 25 10 4 4726.19 B 51 6 22 18 3 5418.4 C 38 8 29 19 6 7444.13 Syngas được xem là năng lượng tái tạo – góp phần cân bằng Cacbon giảm hiệu ứng nhà kính bởi vì viên nén sinh khối được tạo ra từ phế phẩm nông – lâm nghiệp, và chính các nguồn gốc nhiên liệu này hấp thụ lại lượng Cacbon Dioxit phát thải ra

Tuy nhiên, việc sử dụng Syngas có một số nhược điểm như: công nghệ khí hóa nước ta chưa phát triển, khả năng lưu trữ - hóa lỏng Syngas mật độ năng lượng các thành phần thấp,… [3]

Các nghiên cứu về ngọn lửa NH3/Syngas/không khí cho thấy tăng tỷ lệ Syngas tạo ra nhiều hạt hoạt tính H làm thúc đẩy quá trình hình thành NO, dẫn đến tăng NOx Tuy

nhiên, cơ chế phản ứng và hình thành NOx trong các nghiên cứu có thể bị ảnh hưởng các các thành phần khác bởi vì Syngas được sử dụng trong các nghiên cứu này chỉ bao gồm H2 và CO Do đó, cần có nhiều nghiên cứu đầy đủ để đánh giá ảnh hưởng của các thành phần của Syngas đến cơ chế phản ứng và hình thành NOx của ngọn lửa NH3/Syngas/không khí [4]

• Nhược điểm:

Mặc dù có rất nhiều nghiên cứu ứng dụng thành công NH3 và hỗn hợp của nó, tuy nhiên việc nghiên cứu kết hợp NH3/Syngas cho các loại thiết bị cháy như động cơ đốt trong, lò đốt công nghiệp hoặc tuabin khí trong nhà máy nhiệt điện khí là rất hiếm hoặc chưa được công bố Sự sụt giảm công suất của động cơ khi chạy bằng Syngas chỉ một phần do nhiệt trị thấp, phần lớn do giảm hiệu suất nạp của động cơ Ngoài ra, nếu hiệu suất cháy của buồng đốt không được đảm bảo thì việc phát thải NH3/Syngas dư ra ngoài môi trường thậm chí còn gây ô nhiễm hơn cho môi trường và con người khi hít phải bởi NH3 là khí khá độc và có độ ăn mòn cao, CO có trong Syngas cũng là một chất cực độc và gây tác hại rất lớn đến sức khỏe con người khi hít phải

1.2 Thực trạng ô nhiễm

Việc sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch quá mức ảnh hưởng nặng nề đến môi trường và gây biến đổi khí hậu Theo tính toán, mỗi năm có khoảng 21,3 tỉ tấn CO2 được sinh ra từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, trong đó có khoảng 10,65 tỉ tấn CO2 được thêm vào bầu khí quyển, góp phần làm gia tăng hiệu ứng nhà kính và nhiệt độ toàn cầu Sự tích tụ này không chỉ dẫn đến hiện tượng nóng lên toàn cầu mà còn gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng khác như băng tan, mực nước biển dâng cao và thời tiết cực đoan Ngoài việc thải ra lượng lớn CO2, quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch còn sản sinh nhiều chất ô nhiễm không khí khác Các chất ô nhiễm này bao gồm oxit nitơ (NOx) và oxit lưu huỳnh (SOx), những chất này có thể gây ra hiện tượng mưa axit, làm tổn hại hệ sinh thái, làm chua hóa đất và nước, gây hại cho cây trồng và các loài thủy sinh Đồng thời, các hạt bụi mịn phân tử từ quá trình đốt cháy nhiên liệu cũng là nguyên nhân chính gây ra các vấn đề về sức khỏe con người, đặc biệt là các bệnh về hô hấp và tim mạch

Hơn nữa, quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch còn thải ra các kim loại nặng và độc hại như thủy ngân và chì Những kim loại này không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn tích tụ trong chuỗi thức ăn, dẫn đến ngộ độc cho con người và động vật Thủy ngân, chẳng hạn, có thể gây tổn hại nghiêm trọng đến hệ thần kinh và sự phát triển của trẻ nhỏ

Hình 1.5 Các nguồn phát thải chất ô nhiễm Ở bài viết này sẽ đề cập đến việc phát thải NOx khi đốt hỗn hợp nhiên liệu có chứa Amoniac bởi nó là 1 nguồn nhiên liệu không chứa Cacbon nhưng thành phần Nitơ trong nhiên liệu sẽ tham gia vào phản ứng sinh ra NOx

NOx: là tên gọi chung của nhóm các khí thải nitơ oxit – một trong những nhóm khí thải cực độc gây tác động trực tiếp đến sức khỏe con người Và đây là một trong những nguyên nhân chính ra hiện tượng hiệu ứng nhà kính và mưa axit

NOx được sinh ra do phản ứng của Nitơ và Oxi trong hỗn hợp nhiên liệu – không khí, khi nhiệt độ của buồng đốt tăng cao trên 1800K Nhiệt độ của buồng đốt càng cao thì NOx sinh ra càng nhiều [5]

Hình 1.6 Quá trình tạo mưa axit từ khí thải NOx, SO2

1.3 Nghiên cứu liên quan

Trong tài liệu nghiên cứu về các dạng buồng đốt xoáy lốc, một dạng buồng đốt phổ biến đã được áp dụng cho nhiều bài nghiên cứu khác nhau và chỉ thay đổi 1 số kết cấu cho phù hợp Trong đó có bài nghiên cứu củaS Benaissa và các cộng sự [6] Họ đã nghiên cứu về “Đặc tính cháy và phát thải hỗn hợp Biogas/Hydro trong buồng đốt tuabin khí” và đánh giá về sự hiệu quả của buồng đốt xoáy lốc đến các dòng chảy rối bên trong buồng đốt, thông số kỹ thuật của buồng đốtđược thể hiện như hình dưới đây:

Hình 1.7 Bản thiết kế của bài báo khoa học Bài nghiên cứu tham khảo trên sử dụng hỗn hợp nhiên liệu CH4/H2 và tương tự họ cũng đánh giá các thông số về màng lửa, nhiệt độ, phát thải,…Với mô hình rối k - ɛ tiêu chuẩn đã được áp dụng cho bài toán

Kết quả cho thấy sự ảnh hưởng của Hydro làm tăng vùng nhiệt độ cao của buồng đốt khi chúng được bổ sung vào khí sinh học Biogas và họ cũng đã cải thiện chúng và đánh giá nhiệt độ, khí thải khi thay đổi tỉ lệ hòa trộn với điều kiện tương ứng Dựa trên thiết kế này, nhóm sinh viên thiết kế buồng đốt xoáy lốc tương tự nhằm đánh giá quá trình cháy và phát thải của hỗn hợp nhiên liệu NH3/Syngas tại nhiều điều kiện làm việc khác nhau

1.4 Ứng dụng của buồng đốt xoáy lốc

Những ưu điểm của buồng đốt xoáy lốc có thể được kể đến như: tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu/không khí, tăng áp suất và nhiệt độ cháy, tiết kiệm nhiên liệu, kiểm soát và giảm thiểu phát thải chất ô nhiễm,…

Một số loại buồng đốt xoáy lốc có thể được kể đến như là: - Buồng đốt xoáy lốc trong động cơ đốt trong ô tô: Trong động cơ đốt trong, có nhiều kiểu thiết kế đỉnh piston với mục đích tạo xoáy lốc cho dòng không khí nạp giúp tăng khả năng hòa trộn nhiên liệu/không khí trong buồng đốt, giúp tăng công suất, tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải Ngoài đỉnh piston thì còn có cấu tạo góc bo cong của nấm xupap và cấu tạo lõm mặt nấm xupap nạp cũng góp phần tạo xoáy lốc cho không khí nạp

Hình 1.8 Các kiểu thiết kế đỉnh piston

Hình 1.9 Xupap ô tô với góc bo và mặt lõm của nấm xupap

- Buồng đốt xoáy lốc trong động cơ phản lực: Sử dụng cánh tuabin hoặc cấu trúc buồng đốt để tạo xoáy lốc và nén không khí đầu vào với áp suất cực lớn để đẩy nhanh tốc độ cháy trong buồng đốt và nén khí xả với áp lực và vận tốc cực lớn để sinh công Buồng đốt này thường được dùng cho máy bay thương mại, máy bay phản lực, tên lửa đẩy,… Số vòng tua máy nén tuabin của động cơ phản lực có thể lên đến 80.000 – 100.000 vòng/phút

Hình 1.10 Các loại buồng đốt trong động cơ phản lực - Trong công nghiệp nhiệt điện: Buồng đốt xoáy lốc hướng đến mục tiêu cải thiện hiệu suất đốt cháy và tỏa nhiệt trong các nhà máy nhiệt điện Khi sử dụng buồng đốt xoáy lốc thì ngọn lửa và vùng nhiệt tỏa ra rộng, do đó sản sinh năng lượng nhiệt lớn hơn, nâng cao hiệu suất buồng đốt, giúp tiết kiệm nhiên liệu, cải thiện hiệu quả sử dụng nhiên liệu.Một trong những yếu tố quan trọng nhất đối với quá trình đốt cháy hiệu quả là kích thước và sự ổn định của ngọn lửa Ngọn lửa cần phải đủ lớn để phát triển và duy trì nhiệt độ cần thiết trong buồng đốt Sự phân bố không đồng đều của ngọn lửa có thể dẫn đến sự không đều về nhiệt độ và áp suất trong buồng đốt, làm giảm hiệu suất và độ ổn định của quá trình cháy Hình ảnh bên dưới cho thấy hoạt động của lò hơi công nghiệp và quá trình đốt cháy nhiên liệu trong công nghiệp nhiệt điện, cho thấy ảnh hường của ngọn lửa đến hiệu suất buồng đốt

Hình 1.11 Lò hơi công nghiệp

Hình 1.12 Quá trình sản sinh điện trong nhà máy nhiệt điện

CHƯƠNG 2 : THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BUỒNG ĐỐT

2.1 Lựa chọn thiết kế buồng đốt

Buồng đốt xoáy lốc của nhóm được lấy ý tưởng dựa vào bản thiết kế buồng đốt xoáy lốc của bài báo khoa học kỹ thuật mà nhóm em tham khảo được ở trên Tuy nhiên, nhóm em thiết kế lại với mô hình có thêm lỗ phun ở giữa với mục đích bổ sung thêm nhiên liệu cho vùng trung tâm buồng đốt, hạn chế việc cháy ngay trước vòi phun và loại bỏ đi các ống không khí thứ cấp vì nhận thấy nó ảnh hưởng đến quá trình cháy nghèo của nhiên liệu/không khí tuy nó giúp giảm nhiệt độ và phát thải NOx

Hình 2.1 Thiết kế buồng đốt 3D bằng phần mềm Solidworks 2018

Hình 2.2 Kết cấu vòi phun có lỗ phun trung tâm (trái) và không có lỗ phun trung

tâm (phải)

2.2 Cấu tạo và nguyên lý làm việc buồng đốt

Hình 2.3 Cấu tạo buồng đốt

Cấu tạo:

Buồng đốt bao gồm: • Ống dẫn nhiên liệu • Ống dẫn không khí • Cánh tạo rối

• Buồng đốt • Đầu ra buồng đốt

Nguyên lý làm việc:

Nhiên liệu được đưa vào buồng đốt qua ống dẫn nhiên liệu với nhiệt độ 300K và cường độ rối 10% cho tất cả trường hợp thay đổi nồng độ Syngas cũng như tỉ lệ hoà trộn khác nhau

Dòng không khí được đưa vào qua ống dẫn không khí với nhiệt độ 300K và cường độ rối 10% tương tự như dòng nhiên liệu, không khí trước khi vào buồng đốt sẽ qua cánh tạo rối để tăng khả năng hoà trộn với nhiên liệu

Hỗn hợp nhiên liệu/không khí được cháy ở dạng không hoà trộn trước cho nên mô hình cháy sẽ diễn ra trong buồng đốt khi nhiên liệu và không khí được hoà trộn mà không cần thiết kế điểm đánh lửa

Sau khi phản ứng cháy diễn ra thì các khí thải hay nhiên liệu còn dư sẽ ra khỏi buồng đốt ở đầu ra (Outlet)

2.3 Giới thiệu về mô phỏng CFD và phần mềm Ansys Fluent

2.3.1 Mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics)

Thông thường, việc sử dụng các công thức ước lượng và các sổ tay thực nghiệm có thể giúp các kỹ sư dễ dàng đưa ra các kích thước thiết kế cơ bản của các thiết bị trong công nghiệp Tuy nhiên, theo yêu cầu ngày càng cao của công nghệ thì việc chỉ dùng các sổ tay tính toán cơ bản là không đủ để cải tiến và nâng cao hiệu suất & tính an toàn của thiết bị cũng như công nghệ Chính vì vậy, nhiều công cụ trợ giúp mới đã ra đời và mô phỏng CFD là một trong số đó [7]

Hình 2.4 Một số ưu điểm của mô phỏng CFD

Mô phỏng CFD (còn được gọi là Mô phỏng động lực học dòng chảy) là một nhánh của cơ học chất lưu (fluid mechanics) mà sử dụng phương pháp số (numerical analysis) để phân tích và giải quyết các bài toán liên quan đến chuyển động/ dòng chảy của chất lưu (khí, lỏng) Các phương trình mô tả dòng chảy này thông thường thì rất khó để có thể giải bằng tay nên chúng thường được giải trên máy tính Kết quả mô phỏng thu được giúp ta hiểu sâu về bản chất của dòng chảy và các tác động của nó tới quá trình khảo sát Để thực hiện các mô phỏng CFD thì chúng ta có thể sử dụng các phần mềm mô phỏng thương mại (commercial code) như Fluent, CFX của Ansys , STAR-CCM+ của Siemens, hay các phần mềm mã nguồn mở (open – source code) như OpenFOAM

Hình 2.5 Mô phỏng dòng chảy trong Ansys Fluent

Sau khi tính toán mô phỏng trong Ansys Fluent xong sẽ cho ra các kết quả như: nhiệt độ, vận tốc dòng chảy, áp suất, biên dạng dòng chảy, biên dạng rối,… từ đó tính toán và đưa ra các phương án phù hợp để tối ưu mô hình tính toán [8]

2.4 Quá trình mô phỏng

2.4.1 Tính toán lưu lượng không khí qua tỉ lệ hoà trộn tương đương

Tỉ lệ hòa trộn tương đương được xác định bằng công thức:

∅ = (A F⁄ )lý thuyết

(A F⁄ )thực tế [9] Trong đó: ∅ là tỉ lệ hòa trộn tương đương và ∅ mong muốn nằm trong khoảng từ 0,2 – 0,5 (< 1 – hỗn hợp nghèo) là thích hợp để sử dụng trong động cơ gas turbine

(A F⁄ )lý thuyết được tính từ phản ứng cháy hoàn toàn Ta xét tỉ lệ khối lượng nhiên liệu là 50% NH3 và 50% Syngas (trong Syngas là 60% CO và 40% H2), ta được các phương trình cháy của các chất phản ứng như sau:

50% [NH3 + 5

4(O2 + 3,76N2) ]-> NO +3

2 H2O+ N2 50% [60% CO + 1

2 (O2 + 3,76N2)] -> CO2 + N2 [40% H2 + 1

2 (O2 + 3,76N2)] -> H2O + N2 Áp dụng công thức cho mole fraction để tính hệ số dư lượng không khí từng chất trước phản ứng:

λi = 𝑛𝑖

∑ni=1𝑛𝑖 i – là chất phản ứng - λNH3 = 0,5

531

- λN2 = 0,5∗

54∗3,76+0,5∗12∗3,76+0,5∗12∗3,760,5+0,5∗54∗4,76+0,5∗0,6+0,5∗12∗4,76+0,5∗0,4+0,5∗12∗4,76=211

mfuel = mNH3+ mCO + mH2 = 0,5*17 + 0,5*0,6*28 + 0,5*0,4*2 = 17,3 (g)  (A F⁄ )lý thuyết = mair

mfuel =nair∗Mair

mfuel

=(0,5∗

54+0,5∗12+0,5∗12)∗4,76∗28,84

17,3 ≈ 8,93 (A F⁄ )thực tế được tính theo thông số thực nghiệm Ở các điều kiện dòng khí thay đổi và dòng nhiên liệu cố định 1 (g), ta có: Vì hỗn hợp nhiên liệu gồm 50% NH3 và 50% Syngas nên khối lượng nhiên liệu của hai chất là bằng nhau Nên mfuel =mfuelNH3+ mfuelSyngas (g)

• Trường hợp 1, ta cho ∅1= 0,2 và mfuel = 1 (g) ∅1 = (A F⁄ )lý thuyết

(A F⁄ )thực tế Suy ra: (A F⁄ )thực tế =(A F⁄ )lý thuyết

0,2 = 44,64 Thay vào biểu thức:

(A F⁄ )thực tế = mairthực tế

mfuelthực tế

Suy ra: mairthực tế = (A F⁄ )thực tế ∗ mfuelthực tế=44,64*1 = 44,64 (g) • Trường hợp 2, ta cho ∅2= 0,3 và mfuel = 1 (g)

∅2 = (A F⁄ )lý thuyết

(A F⁄ )thực tế Suy ra: (A F⁄ )thực tế =(A F⁄ )lý thuyết

0,3 = 29,76 Thay vào biểu thức :

(A F⁄ )thực tế = mairthực tế

mfuelthực tế Suy ra: mairthực tế = (A F⁄ )thực tế ∗ mfuelthực tế= 29,76*1 = 29,76 (g) • Trường hợp 3, ta cho ∅3= 0,4 và mfuel = 1 (g)

∅3 = (A F⁄ )lý thuyết

(A F⁄ )thực tế Suy ra: (A F⁄ )thực tế =(A F⁄ )lý thuyết

0,4 = 22,32 Thay vào biểu thức :

(A F⁄ )thực tế = mairthực tế

mfuelthực tế Suy ra: mairthực tế = (A F⁄ )thực tế ∗ mfuelthực tế= 22,32 *1= 22,32 (g) • Trường hợp 4, ta cho ∅4= 0,5 và mfuel = 1 (g)

∅4 = (A F⁄ )lý thuyết

(A F⁄ )thực tế Suy ra: (A F⁄ )thực tế =(A F⁄ )lý thuyết

0,5 = 17,85 Thay vào biểu thức :

(A F⁄ )thực tế = mairthực tế

mfuelthực tế

Suy ra: mairthực tế = (A F⁄ )thực tế ∗ mfuelthực tế= 17,85*1 = 17,85 (g) Tương tự với các trường hợp tỉ lệ khối lượng hỗn hợp nhiên liệu theo % thành phần các chất còn lại, ta có bảng thông số điều kiện biên sau:

Bảng 2.1 Thông số điều kiện biên

STT

Tỉ lệ hỗn hợp nhiên

liệu (%)

Nồng độ các chất trong 1 mol nhiên liệu Tỉ lệ hoà trộn ∅

Lưu lượng không khí theo

khối lượng mairthực tế (g)

1 100% NH30% Syngas

NH3 = 1 CO = 0

H2 = 0

∅ = 0.2 50.47 ∅ = 0.3 33.65 ∅ = 0.4 25.24 ∅ = 0.5 20.19

2 90% NH310% Syngas

NH3 = 0.9 CO =0.06 H2 = 0.04

∅ = 0.2 49.29 ∅ = 0.3 32.86 ∅ = 0.4 26.64 ∅ = 0.5 19.71

3 60% NH340% Syngas

NH3 = 0.6 CO = 0.24 H2 = 0.16

∅ = 0.2 45.79 ∅ = 0.3 30.52 ∅ = 0.4 22.89 ∅ = 0.5 18.31

4 50% NH350% Syngas

NH3 = 0.5 CO = 0.3

H2 = 0.2

∅ = 0.2 44.64 ∅ = 0.3 29.76 ∅ = 0.4 22.32 ∅ = 0.5 17.85

Hình 2.7 Phần thể tích mô phỏng bên trong buồng đốt

Sau khi ta thiết lập xong phần không gian bên trong ta tiết hành đặt tên cho các mặt phẳng: inlet-air, inlet-fuel, outlet, wall

Sau đó ta tiến hành chia lưới Đầu tiên ta loại bỏ phần vật thể của buồng đốt ban đầu (chỉ giữ lại phần thể tích bên trong để thuận tiện trong việc mô phỏng)

Để có thể lựa chọn được lưới tối ưu ta cần kiểm tra độ hội tụ của lưới với số nút lưới từ khoảng 65 nghìn đến hơn 185 nghìn nút Xét kết quả giữa số nút lưới và nhiệt độ cao nhất thu được với 50 vòng lặp, ta được đồ thị hội tụ sau:

Hình 2.8 Đồ thị hội tụ của lưới Có thể thấy rằng tại điểm hơn 115 nghìn nút lưới trở đi thì nhiệt độ sẽ không thay đổi nhiều nên ta có thể chọn điểm này làm điểm hội tụ với số lượng nút phù hợp giúp tiết kiệm tài nguyên máy và thời gian tính toán

Sau khi xác định điểm hội tụ thì ta được bảng thông số và kết quả sau:

Bảng 2.2 Bảng thông số lưới Details of “Mesh” Parameter

Element size 8 mm Max size 10 mm

Nodes 115016 Details of “Mesh” Parameter

Elements 610832 Average Skewness 0,22262 Theo tiêu chuẩn lưới thì Average Skewness < 0,3 là đạt chuẩn

Hình 2.9 Mô hình sau khi chia lưới

*Lưu ý: sau mỗi bước thực hiện ngoài giao diện Workbench ta cần click chuột phải vào mục vừa làm và nhấn update để cập nhật thay đổi trước khi thực hiện công việc tiếp theo

Tiếp theo ta thiết lập trong Fluent

Hình 2.10 Thiết lập General (trái) và mô hình rối (phải) - Chọn Solver loại Pressure- Base để thiết lập dòng không nén được và tốc độ nhỏ - Chọn Steady cho dòng chảy ổn định theo thời gian