ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT kế hệ THỐNGTHU hồi NHIỆT THẢI từ ĐỘNG cơ đốt TRONG

Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNGTHU HỒI NHIỆT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG APPLICATION OF CAE TO DESIGN THE WASTE HEAT RECOVERY FROM THE INTERNALCOMBUSTION ENGINES Phạm Sơn Minh1a, Đỗ Thành Trung1b, Trần Minh Thế Uyên1c, Phạm Thanh Bình2d Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM Cao đẳng Nghề Đồng Nai a minhps@hcmute.edu.vn; b trungdt@hcmute.edu.vn; c uyentmt@hcmute.edu.vn; d ptbinh86@gmail.com TÓM TẮT Nhiệt thải động đốt tronglà nhiệt phát sinh trình đốt cháy nhiên liệu thải môi trường Việc tái sử dụng nhiệt thải không bảo tồn nhiên liệu nói chung nhiên liệu hóa thạch nói riêng, mà góp phầnbảo vệ môi trường Vì vậy, việc thiết kế chế tạo hệ thống thu hồi nhiệt thải phương pháp giúpthu hồinăng lượng từ nhiệt thải góp phần tiết kiệm nhiên liệu Trong báo này, phương pháp CAE sử dụng trình thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải từ động đốt trong, nhằm phân tích ảnh hưởng thông số hệ thống đến nhiệt độ đầu Từ đó, mô hình thí nghiệm đề xuất chế tạo nhằm phục vụ cho trình thí nghiệm Sau đó, kết mô so sánh với kết thí nghiệm nhằm kiểm tra độ xác phương pháp CAE Từ khóa: nhiệt thải, thu hồi nhiệt, truyền nhiệt, CAE ABSTRACT The waste heat of the internal combustion enginesis generated during fuel combustion thatisdischarged into environment The re-using of waste heat not only is the fuel conservation in general and the fossil fuel in particular, but also contributes the environmental protection Therefore, the design and manufacture of the waste heat recovery system is a solution to utilize energy from the waste heat and fuel savings In this paper, the application of cae to design the waste heat recovery from the internal combustion engines is examinated for analyzing the parameters of this system Base on the simulation results, the real experiment model is performed After that, the results of simulation and experiment are compared for estimating the CAE method Keyword: waste heat, heat recovery, heat transfer, CAE GIỚI THIỆU CHUNG Nhiệt thải nhiệt phát sinh trình đốt cháy nhiên liệu phản ứng hoá học thải môi trường Đây nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt khu công nghiệp.Nguồn nhiệtthải tồn hầu hếtcác hệ thống công nghiệp thông dụng như: lò hơi, lò nung, lò luyện động đốt [1, 2].Thông thường, trình hoạt động động đốt trong, lượng nhiệt thải không tái sử dụng cho mục đích kinh tế khác Vì vậy, thu hồi phần lượng từ nhiệt thải, tiết kiệm lượng nhiên liệu đáng kể [3-5] Các nghiên cứu trước cho thấy nguồn nhiệt từ khí thải tận dụng để dùng vào nhiều mục đích khác như: sản xuất hơi, điện năng, điều hoà không khí hay làm lạnh không khí cấp vào động Hou Xuejun Gao Deli nghiên cứu phân tích hệ thống thu hồi nhiệt khí thải xử lý ô nhiễm cho Động Diesel Z12V190 [6] M Talbi B 602 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Agnew nghiên cứu thu hồi lượng từ khí thải động diesel để nâng cao hiệu suất điều hòa không khí [7] Với nghiên cứu này, việc thu hồi nhiệt từ khí thải động xem phương án khả thi giúp tiết kiệm lượng với hiệu suất cao [8, 9] Tại Việt Nam, quốc gia có công nghiệp đà phát triển, theo số liệu thống kê tháng 09/2012 Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng phương tiện giao thông vận tải đường bộ, đường thủy xe máy nước sau: 1.504.432 ôtô lưu hành, 2.287.225 xe máy sản xuất lắp ráp năm 2012, 258.080 tàu sông loại, 1.612 tàu biển 100% tàu thủy trang bị động diesel, 100% xe máy trang bị động xăng, khoảng 65% ôtô trang bị động diesel khoảng 35% ô tô trang bị động xăng Hai loại động đốt kể hoàn toàn đáp ứng yêu cầu với chức nguồn động lực cho ôtô nói riêng loại phương tiện giới tự hành nói chung Với loại động đốt này, nhiệt lượng khí thải chiếm 20% đến 25% tổng nhiệt sinh buồng cháy động cơ, nhiệt nước làm mát thải chiếm khoảng 10% đến16% tổng nhiệt lượng sinh buồng đốt Do với nguồn nhiệt thải lớn có phương án tận dụng vào mục đích khác mang lại hiệu kinh tế cao Với phân tích trên, việc thu hồi nhiệt thải từ động xem phương án giúp giảm ô nhiễm môi trường mang lại hiệu kinh tế cao, đặc biệt, phương án mang tính khả thi cao với thiết bị có nguồn động lực động đốt Do đó, nhằm nâng cao khả thiết kế hiệu suất hệ thống thu hồi nhiệt thải, báo tập trung vào việc ứng dụng công cụ mô (CAE) nhằm dự đoán nhiệt độ đầu nguồn nhiệt thải Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử dụng phương pháp tìm hiểu tài liệu, khảo sát thực tế, sau tiến hành thiết kế, mô hệ thống thu hồi nhiệt thải từ chọn mô hình tối ưu để tiến hành thực nghiệm MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM Trong nghiên cứu này, mô hình hệ thống thu hồi nhiệt thải từ động đốt gồm ống cách nhiệt bao phủ ống xả khí thải động cơ, thiết bị hút đẩy luồng khí, cổng vào luồng khí hấp thu nhiệt từ khí thải Toàn hệ thống mô hình hóa Hình Trong đó, vị trí cổng vào luồng khí thiết kế với hai trường hợp Hình kích thước chi tiết Hình Luồng khí hấp thu lượng di chuyển qua hệ thống bởi: - Thiết kế 1: dòng khí thu hồi nhiệt thải đưa vào vùng hấp thu lượng quạt thổi đặt đầu vào (Hình 4a) - Thiết kế 2: dòng khí thu hồi nhiệt thải hút vào vùng hấp thu lượng quạt đặt đầu (Hình 4b) Khi động hoạt động nhiệt độ khí thải qua ống xả tăng cao, nguồn nhiệt làm ống xả động tăng nhiệt độ Với nguồn nhiệt này, hệ thống thu hồi nhiệt thải dùng nguyên lý đối lưu nhiệt để hấp thu lượng từ bề mặt ống xả sang luồng không khí có nhiệt độ thấp Từ đó, luồng khí nóng tiếp tục sử dụng cho mục đích khác Hình Mô hình hệ thống thu hồi nhiệt từ khí thải 603 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Phương án bố trí cổng vào luồng khí Hình Kích thước ống bao mô hình thực nghiệm a) Thiết kế 1b) Thiết kế Hình Các thông số mô điều kiện biên Phần mềm ANSYS Workbench 14 sử dụng nhằm mô trình truyền nhiệt đối lưu không khí bề mặt ống xả Sau đó, mô hình thí nghiệm chế tạo với thông số tương tự mô hình mô Các thông số trình mô thí nghiệm với máy phát điện CAT D333 1800 rpm, 60Hz, 480Volts trình bày Bảng 604 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Bảng Các thông số mô thí nghiệm Thông số Giá trị Nhiệt độ khí xả 300 °C Tốc độ khí xả 53.8m³/min Kích thước đường kính ống xả 110mm Nhiệt độ không khí (T kk ) 25 °C 0,002kg/s Lưu lượng hút quạt Công suất thiết kế động ( N tk ) 1800 Hp 550 v/p Vòng quay thiết kế ( n tk ) Đường kính piston 300 mm Hành trình piston 380 mm Suất tiêu hao nhiệt liệu 150g/Hp.h Chiều dài ống 1850 mm Chiều dài phần ống gia nhiệt 1100 mm Đường kính 110 mm Chiều dày ống mm Nhằm khảo sát ảnh hưởng khe hở ống xả ống bao, ba giá trị đường kính ống bao tiến hành mô với giá trị: φ170 mm, φ190 mm φ210 mm Sau đó, giá trị phù hợp lựa chọn để tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM Các kết mô thiết kế trình bày Bảng Kết cho thấy với thiết kế 1, tăng đường kính ống bao từ 170 mm đến 210 mm, nhiệt độ đầu khí thu hồi nhiệt thải tăng từ 48,2 oC đến 55,8 oC Với thiết kế 2, nhiệt độ đầu dao động từ 50,6 oC đến 56,4 oC Nhìn chung, thiết kế có khả thu hồi nhiệt thải Với nguồn không khí 30 oC, sau hút thổi qua hệ thống thu hồi nhiệt thải, nhiệt độ không khí tăng đến khoảng 50 oC Với nhiệt độ này, nguồn không khí sử dụng cho hệ thống sấy hải sản nông sản [2] Các kết mô tổng hợp so sánh Hình Nhìn chung, với thiết kế, tăng kích thước đường kính ống bao, giá trị nhiệt độ đầu tăng Vì vậy, tùy ứng dụng, kích thước ống bao lựa chọn nhằm đạt nhiệt độ khí đầu thích hợp [7 – 9] Bảng Kết mô mẫu thuộc thiết kế φ170mm φ190mm φ210mm 44,1 49,1 52,9 46,2 50,5 54,3 o t 48,2 51,9 55,8 50,2 53,4 57,2 52,2 54,8 58,5 Bảng Kết mô mẫu thuộc thiết kế φ170 mm φ190 mm φ210 mm 46,6 48,3 51,8 48,6 50,6 54,1 to 50,6 53 56,4 52,6 55,4 58,7 54,7 57,7 60,9 605 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu mẫu thiết kế Hình 6.Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu mẫu thiết kế Nhằm kiểm chứng kết mô phỏng, mô hình thí nghiệm với đường kính ống bao φ190 mm đượcchế tạo Hình Các giá trị nhiệt độ khí đầu vào đo phương pháp không tiếp xúc cảm biến hồng ngoại.Các kết mô thực nghiệm so sánh Hình Kết thực nghiệm cho thấy nhiệt độ khí sau gia nhiệt đạt khoảng 50oC, Hình 8, tương đương với kết mô hệ thống phần mềm 51,9oC So sánh cho thấy nhiệt đô trình thực nghiệm có thấp so với kết mô trình thực nghiệm nhiệt độ trời, nhiệt độ ống xả không ổn định Với độ xác này, phương pháp CAE sử dụng trình tính toán, thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải động đốt nhằm phục vụ cho nhu cầu khác sấy thực phẩm, điều hòa nhiệt độ,… Hình Mô hình thí nghiệm 606 Kỷ yếu hội nghị khoa học công nghệ toàn quốc khí - Lần thứ IV Hình Nhiệt độ khí thu Hình So sánh kết mô thí nghiệm nhiệt độ trung bình KẾT LUẬN Trong báo này, mô hình thu hồi nhiệt thải mô kiểm chứng thực nghiệm Kết mô thực nghiệm sai lệch không đáng kể Vì vậy, phương pháp CAE sử dụng trình tính toán, thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải động nhằm phục vụ cho nhu cầu ngành kỹ thuật Ngoài ra, kích thước đường kính ống bao mô so sánh Kết cho thấy với đường kính lớn, nhiệt độ đầu khí tăng Vì vậy, tùy ứng dụng cụ thể, kích thước ống bao lựa chọn nhằm đạt nhiệt độ khí đầu thích hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jerry T Zolkowski PE and CEM, Waste Heat Recovery, Energy Engineering, 2009, Vol 106:5, pp 63-74 [2] D A Reay, E & F N Span, Heat Recovery Systems, London, 1979 [3] E Bredel, J Nickl and S Bartosch, Waste Heat Recovery in Drive Systems of Today and Tomorrow, Industry Thermal management, April 2011, Volume 72, Issue 4, pp 52-56 [4] Sustainable Energy Authority of Victoria (SEAV), Best Practice Design, Technology and Management, Module 5,Australia, 2004 [5] D.A Reay, Low Temperature Waste Heat Recovery in the Process Industry, Good Practice Guide No 141, 1996 [6] Hou Xuejun and Gao Deli, Analysis of Exhaust Gas Waste Heat Recovery and Pollution Processing for Z12V190 Diesel Engine, Research Journal of Applied Sciences, Engineering and Technology, 2012, Vol 4(11), pp 1604-1611 [7] M Talbi and B Agnew, Energy recovery from diesel engine exhaust gases for performance enhancement and air conditioning, Applied Thermal Engineering, 2002, Vol 22, pp 693-702 [8] Chad Baker, Prem Vuppuluri, Li Shi and Matthew Hall, Model of Heat Exchangers for Waste Heat Recovery from Diesel Engine Exhaust for Thermoelectric Power Generation, Journal of Electronic Materials, June 2012, Volume 41, Issue 6, pp 1290-1297 [9] B Song, W Zhuge, R Zhao, X Zheng, Y Zhang, Y Yin and Y Zhao, An investigation on the performance of a Brayton cycle waste heat recovery system for turbocharged diesel engines, Journal of Mechanical Science and Technology, June 2013, Volume 27, Issue 6, pp 1721-1729 607 ... Trong nghiên cứu này, mô hình hệ thống thu hồi nhiệt thải từ động đốt gồm ống cách nhiệt bao phủ ống xả khí thải động cơ, thiết bị hút đẩy luồng khí, cổng vào luồng khí hấp thu nhiệt từ khí thải. .. thiết bị có nguồn động lực động đốt Do đó, nhằm nâng cao khả thiết kế hiệu suất hệ thống thu hồi nhiệt thải, báo tập trung vào việc ứng dụng công cụ mô (CAE) nhằm dự đoán nhiệt độ đầu nguồn nhiệt. .. oC Với thiết kế 2, nhiệt độ đầu dao động từ 50,6 oC đến 56,4 oC Nhìn chung, thiết kế có khả thu hồi nhiệt thải Với nguồn không khí 30 oC, sau hút thổi qua hệ thống thu hồi nhiệt thải, nhiệt độ