Trong bài viết này, tác giả đề xuất ứng dụng máy phát điện nhiệt - điện để khai thác nhiệt năng của khí xả từ động cơ chính trên tàu thủy dự án RSD 49 như một giải pháp để nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng trên tàu thủy, đồng thời đưa ra phương pháp tính toán và đánh giá sự hiệu quả của giải pháp này.
CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 ỨNG DỤNG MÁY PHÁT ĐIỆN NHIỆT - ĐIỆN ĐỂ KHAI THÁC NHIỆT NĂNG KHÍ XẢ CỦA ĐỘNG CƠ CHÍNH TRÊN TÀU THỦY DỰ ÁN RSD 49 APPLICATION OF THERMO - ELECTRIC GENERATORS TO RECOVER THE WASTE HEAT OF EXHAUST GAS FROM MAIN ENGINE OF PROJECT RSD 49 VESSEL BÙI HỒNG VŨ*, NGUYỄN VĂN HỒN, TRẦN XN THẾ Viện Cơ khí, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam *Email liên hệ: vubh@vimaru.edu.vn Tóm tắt Những tiến gần việc phát triển vật liệu hệ thống nhiệt - điện thúc đẩy việc ứng dụng máy phát điện nhiệt - điện thực tiễn Tuy nhiên, máy phát điện nhiệt điện chưa ứng dụng rộng rãi đặc biệt phương tiện vận tải biển Trong báo này, tác giả đề xuất ứng dụng máy phát điện nhiệt - điện để khai thác nhiệt khí xả từ động tàu thủy dự án RSD 49 giải pháp để nâng cao hiệu khai thác lượng tàu thủy, đồng thời đưa phương pháp tính tốn đánh giá hiệu giải pháp Từ khóa: Máy phát điện nhiệt - điện, hiệu ứng nhiệt - điện Abstract Recent advances in the development of thermoelectric materials and systems have promoted the application of thermoelectric generators in practice However, thermoelectric generators are not widely used, especially on marine transport In this paper, the author proposes the application of thermoelectric generators to recover the waste heat of exhaust gas from RSD 49 project's main engine as a solution to improve the thermal efficiency of the ship’s propulsion plant, at the same time, provide a method to calculate and evaluate the effectiveness of this solution Keywords: Thermoelectric generator, thermoelectric effect Đặt vấn đề Để cải thiện số kỹ thuật kinh tế động đốt tối ưu trình sử dụng nguồn lượng thứ cấp trình khai thác giải pháp hiệu Ngoài giải pháp truyền thống sử dụng nồi tận dụng nhiệt khí xả, tăng áp cho động tuabin khí xả,… sử dụng hiệu ứng nhiệt - điện để chuyển đổi lượng nhiệt khí xả từ động đốt thành lượng điện Nhờ tiến gần việc phát triển vật liệu hệ thống nhiệt - điện, việc ứng dụng máy phát điện nhiệt - điện trong khai thác lượng động đốt tính đến Ưu điểm máy phát điện nhiệt - điện tuổi thọ cao, khơng có phận chuyển động, hoạt động không gây tiếng ồn rung động, thân thiện với mơi trường, tính linh hoạt phương pháp cung cấp loại bỏ nhiệt, đặc biệt khả thu hồi lượng nhiệt từ khí xả Tuy nhiên, điểm bất lợi máy phát điện nhiệt - điện hiệu thấp (1 - 10%) Trong báo này, tác giả đề xuất ứng dụng máy phát điện nhiệt - điện để khai thác nhiệt khí xả từ động tàu thủy dự án RSD 49 Tiến hành phân tích cấu trúc máy phát điện nhiệt - điện phương pháp cải thiện hiệu thiết bị Tiến hành phân tích cấu trúc máy phát điện nhiệt - điện để nêu rõ cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị Khảo sát tình hình ứng dụng thực tiễn máy phát điện nhiệt - điện, đồng thời điểm qua nghiên cứu có liên quan tới thiết bị để lựa chọn cấu trúc thiết bị phù hợp với q trình tính tốn Chỉ đặc điểm tàu thủy dự án RSD 49 để đưa vị trí lắp đặt máy phát điện nhiệt - điện Đưa phương pháp tính tốn thơng số máy phát điện nhiệt - điện tiến hành tính tốn thơng số thiết bị vận hành song song động vị trí lắp đặt khác Dựa vào kết thu tiến hành so sánh, phân tích đưa kết luận Tổng quan máy phát điện nhiệt - điện Việc sử dụng máy phát điện nhiệt - điện đa dạng: từ việc cung cấp lượng cho tàu vũ trụ, cung cấp điện cho thiết bị đường ống dẫn dầu khí đốt thiết bị định vị tàu, đến máy phát điện gia dụng đơn giản phận lò đốt củi, lò sưởi nồi sưởi ấm Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 19 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Hiện nay, có ba hiệu ứng nhiệt - điện biết đến: Thomson, Seebeck Peltier Nguyên tắc hoạt động máy phát điện nhiệt điện dựa hiệu ứng Seebeck Theo Hình 1, mạch kín bao gồm phần tử nhiệt - điện loại n- p- mắc nối tiếp nhau, nhiệt độ khác điểm tiếp xúc phát sinh lực điện động Nếu có chênh lệch nhiệt độ dọc theo dây dẫn, electron mặt nóng có lượng tốc độ cao mặt lạnh Trong chất bán dẫn, mật độ electron dẫn điện tăng theo nhiệt độ Kết xuất dòng điện dịch chuyển từ mặt nóng đến mặt lạnh điện tích âm tích lũy mặt lạnh, điện tích dương hình thành mặt Hình Sơ đồ biểu diễn xuất hiệu ứng nóng Trong máy phát điện nhiệt - điện đại Seebeck mô-đun nhiệt - điện sử dụng nhiều chất bán dẫn khác dựa hợp kim tellurium, bismuth, selen nguyên tố khác Hiệu vật liệu nhiệt - điện tỷ lệ thuận với hệ số dẫn điện hợp chất sử dụng tỷ lệ nghịch với độ dẫn nhiệt nó, nhiệm vụ nghiên cứu lĩnh vực nhiệt - điện tìm kiếm vật liệu bán dẫn tối ưu [3] Độ lớn xấp xỉ giá trị nhiệt - điện động thu phụ thuộc vào vật liệu dây dẫn nhiệt độ tiếp điểm nóng (T1) lạnh (T2) Trong phạm vi giá trị nhiệt - điện động nhỏ, điện E coi tỷ lệ thuận với độ chênh lệch nhiệt độ: 𝐸 = (𝑎𝑠1 − 𝑎𝑠2 )∆𝑇, 𝑉 (1) Trong đó: ΔT = T1 - T2; as1,2 hệ số Seebeck dây dẫn 1,2 (V/K) Trong mô-đun nhiệt - điện, dây dẫn có độ dẫn điện khác (n- p-) sử dụng, có hệ số Seebeck có giá trị tuyệt đối Biểu thức (1) chuyển đổi thành dạng sau: 𝐸 = 2𝑎𝑠 ∆𝑇, 𝑉 (2) Trong as giá trị tuyệt đối trung bình hệ số Seebeck cho dây dẫn n- p- (V/K) Lựa chọn máy phát điện nhiệt - điện để ứng dụng tàu thủy dự án RSD 49 Trong [1], tác giả thực loạt nghiên cứu lý thuyết, tính tốn cho tàu hoạt động vùng Volga-Caspian để thu thông số thực tế máy phát điện nhiệt - điện Các đặc điểm máy phát điện nhiệt - điện tính tốn cho số tàu khu vực Volga-Caspian có tính đến chi tiết cụ thể chế độ hoạt động động Tùy thuộc vào thiết kế, công suất đầu thay đổi từ 10,78kW đến 97,02kW Các tác giả đề xuất thiết kế cấu tạo máy phát điện nhiệt - điện để khai thác nhiệt từ khí xả, tiến hành thử nghiệm tồn diện động diesel 3NVD24 Theo Hình 2, máy phát điện nhiệt - điện xây dựng hệ thống khí xả động 3NVD24, nơi cơng chất mang nhiệt độ cao khí xả động cơ, cơng chất Hình Cấu trúc máy phát điện nhiệt - điện mang nhiệt độ thấp nước nước tiếp tục sử dụng vào nhu cầu khác Máy phát điện nhiệt - điện có cấu trúc đơn giản, dễ chế tạo lắp đặt, chi phí chế tạo khơng lớn, q trình hoạt động khơng q phức tạp phù hợp với việc lắp đặt tàu thủy Tất thông số kỹ thuật thiết bị tính tốn, xác định trải qua kiểm nghiệm thực tế, chứng minh tính an tồn hiệu vận hành thiết bị Tuy tồn nhược điểm hiệu suất thấp thiết bị có tính ưu việt hoàn toàn phù hợp với việc ứng dụng tàu thủy để tối ưu hóa q trình khai thác lượng tàu Thiết bị lựa chọn sử dụng nghiên cứu để xây dựng cấu trúc tính tốn thơng số 20 Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 máy phát điện nhiệt - điện trình khai thác nhiệt khí xả động tàu thủy dự án RSD 49 Kết tính tốn 4.1 Những đặc điểm tàu thủy dự án RSD 49 Theo phân loại Cục Kỹ thuật Hàng hải Nga thông qua, tàu dự án RSD49 Volgo-Don Max, nghĩa chúng có lượng giãn nước kích thước tối đa cho kênh tàu Volga-Don Nhà máy đóng tàu Nevsky xây dựng cho Công ty Vận tải Tây Bắc loạt 10 tàu Dòng tàu sử dụng để vận chuyển hàng hóa số lượng lớn nói chung gỗ, ngũ cốc, hàng hóa cồng kềnh nguy hiểm giao thơng quốc tế Bảng Đặc tính kỹ thuật tàu thủy dự án RSD 49 Đặc tính Giá trị Chiều dài tối đa, m 139,95 Khoảng cách đường vng góc, m 135,74 Chiều rộng, m 16,50 Chiều cao mạn tàu, m 6,00 Độ chìm tàu, m (trên biển/trên sơng) 4,70/3,60 Lượng giãn nước, t (trên biển/trên sông) 7.143/4.507 Tầm hoạt động, dặm 4.000 Khối lượng khoang chứa hàng hóa, m³ 10.921 Số lượng khoang chứa Thể tích thùng chứa nước dằn tàu, m³ 3.959 Lớp đăng ký Hàng hải Nga КМ Ice2 R2 AUT1-C Cơng suất loại động chính, kW 2·1200 (WARTSILA 6L20) 10 Động phụ, kW 2·292 11 Động dự phòng, kW 90 Tốc độ, hải lý (với độ chìm tàu 4,7m 85% cơng 12 11,5 suất động chính) Thành phần hệ thống khí xả động Wartsila 6L20 tàu thủy dự án RSD 49 bao gồm: đường ống xả có đường kính 420 mm đường kính ngồi 600 mm, ống co giãn nhiệt nồi tận dụng nhiệt khí xả AALBORG UNEX P-2 STT Bảng Thơng số kỹ thuật hệ thống khí xả động Wartsila 6L20 Hệ thống xả Công suất xả 100% tải kg/s 2,57 Công suất xả 85% tải kg/s 2,25 Công suất xả 75% tải kg/s 1,95 Nhiệt độ khí xả sau tuabin tăng áp 100% tải °C 305 Nhiệt độ khí xả sau tuabin tăng áp 85% tải °C 295 Nhiệt độ khí xả sau tuabin tăng áp 75% tải °C 305 Đường kính ống xả mm 420 Đường kính ngồi ống xả mm 600 Máy phát điện nhiệt - điện khuyến nghị lắp đặt theo phương thẳng đứng, nên chọn vị trí để lắp đặt: sau động sau nồi tận dụng nhiệt khí xả Tính tốn thực cho máy phát điện nhiệt - điện mức 75%, 85% 100% tải động Các thông số công suất máy phát điện nhiệt - điện (P), cường độ dòng điện hiệu điện đầu (I, U), công suất xả sau thiết bị (G), nhiệt độ khí xả (tx) nước (tn) sau thiết bị, hiệu suất thiết bị (η), vận tốc dòng khí xả sau thiết bị (ϑ) xác định 4.2 Kết tính tốn thơng số máy phát điện nhiệt - điện lắp đặt sau động Máy phát điện nhiệt - điện lắp đặt phía sau động (sau tuabin tăng áp động cơ) Phương pháp tính tốn thơng số máy phát điện nhiệt - điện dựa phương pháp biết đến để tính tốn thiết bị nhiệt - điện trao đổi nhiệt mơ tả [1,2] Kết tính tốn q trình làm việc đồng thời động máy phát điện nhiệt - điện thể Bảng Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 21 CHÀO MỪNG KỶ NIỆM NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 Bảng Các thông số máy phát điện nhiệt - điện lắp đặt sau động Ne (%) 75 85 100 P (kW) 5.5 5.4 5.7 I (A) 16.2 16.1 16.4 U (V) 341 336 349 G (kg/s) 1.95 2.25 2.57 tx (°C) 243 242 256 tn (°C) 38 38 38 4.3 Kết tính tốn máy phát điện nhiệt - điện lắp đặt sau nồi tận dụng nhiệt khí xả Việc tính tốn thực cho chế độ hoạt động định mức động lắp đặt máy phát điện nhiệt - điện sau nồi tận dụng nhiệt khí xả Phương pháp tính tốn thông số máy phát điện nhiệt - điện dựa phương pháp biết đến để tính tốn thiết bị nhiệt - điện trao đổi nhiệt mơ tả [1,2] Kết tính tốn q trình làm việc đồng thời động chính, nồi tận dụng nhiệt khí xả máy phát điện nhiệt - điện trình bày Bảng Bảng Các thông số máy phát điện nhiệt - điện lắp đặt sau nồi tận dụng nhiệt khí xả Ne (%) 100 P (kW) 9.5 I (A) 44.5 U (V) 212 G (kg/s) 2.57 tx (°C) 100 tn (°C) 26 P (kW) 10 Lắp đặt sau động Lắp đặt sau nồi tận dụng nhiệt khí xả Hình So sánh công suất máy phát điện nhiệt - điện lắp đặt vị trí khác Kết luận Dựa kết tính tốn kết luận: Việc ứng dụng máy phát điện nhiệt - điện tàu thủy dự án RSD 49 hồn tồn khả thi Kết tính tốn vận tốc dòng khí xả sau di chuyển qua máy phát điện nhiệt - điện cho thấy, vận tốc dòng khí xả giảm không đáng kể so với vận tốc khí xả trước vào máy phát điện nhiệt - điện (tối đa khoảng 6%) Do kết luận rằng, việc lắp đặt máy phát điện nhiệt - điện đường xả động không làm tăng phản áp nhiều đường xả không ảnh hưởng nhiều tới công suất phát động Máy phát điện nhiệt - điện ứng dụng tàu thủy dự án RSD 49 tạo thêm nguồn lượng điện đáng kể (công suất tối đa 9.5kW) để phục vụ cho hoạt động tàu, nâng cao hiệu khai thác lượng tàu góp phần vào việc bảo vệ môi trường So sánh công suất máy phát điện nhiệt - điện lắp đặt vị trí khác cho thấy máy phát điện nhiệt - điện cho thông số tối ưu lắp đặt phía sau nồi tận dụng nhiệt khí xả tàu Đây sở để lựa chọn vị trí lắp đặt tối ưu cho máy phát điện nhiệt - điện tàu thủy dự án RSD 49 Tuy nhiên hiệu suất máy phát điện nhiệt - điện tương đối thấp (tối đa khoảng 3,97%), cần tiếp tục nghiên cứu cải tiến để nâng cao hiệu suất tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Нгуен К Д Утилизация теплоты отработавших газов судовых дизелей в термоэлектрических генераторах: диссертация кандидата технических наук: 05.08.05/НгуенКонгДоан, Астрахань, 2012.- 163с [2] Халыков К Р Повышение эффективности утилизационных комплексов при использовании термоэллектрических генераторов: диссертация кандидата технических наук: 05.08.05/ХалыковКамильРафаэльевич, Астрахань, 2014.- 122 с [3] Internet resource: https://nplus1.ru/news/2016/11/24/termopainting Ngày nhận bài: 06/5/2019 Ngày nhận sửa: 11/5/2019 Ngày duyệt đăng: 18/5/2019 22 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Hàng hải Số 60 - 11/2019 ... NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11 máy phát điện nhiệt - điện q trình khai thác nhiệt khí xả động tàu thủy dự án RSD 49 Kết tính tốn 4.1 Những đặc điểm tàu thủy dự án RSD 49 Theo phân loại Cục Kỹ thuật... thấy máy phát điện nhiệt - điện cho thông số tối ưu lắp đặt phía sau nồi tận dụng nhiệt khí xả tàu Đây sở để lựa chọn vị trí lắp đặt tối ưu cho máy phát điện nhiệt - điện tàu thủy dự án RSD 49. .. đặt máy phát điện nhiệt - điện đường xả động không làm tăng phản áp nhiều đường xả không ảnh hưởng nhiều tới công suất phát động Máy phát điện nhiệt - điện ứng dụng tàu thủy dự án RSD 49 tạo thêm