Một số kết quả lý thuyết và thực nghiệm sản sinh điện năng bằng thiết bị TEG tận dụng nhiệt khí thải động cơ xe bus D1146

Bài viết trình bày kết quả tính toán lý thuyết tiềm năng nhiệt khí thải và điện năng có thể thu được khi tận dụng nhiệt khí thải động cơ D1146 trên xe bus bằng cách sử dụng các module nhiệt điện trong thiết bị phát điện nhiệt (Thermoelectric Generator – TEG).

BÀI BÁO KHOA HỌC MỘT SỐ KẾT QUẢ LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM SẢN SINH ĐIỆN NĂNG BẰNG THIẾT BỊ TEG TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ XE BUS D1146 Nguyễn Huy Chiến1, Nguyễn Hà Hiệp2 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết tính tốn lý thuyết tiềm nhiệt khí thải điện thu tận dụng nhiệt khí thải động D1146 xe bus cách sử dụng module nhiệt điện thiết bị phát điện nhiệt (Thermoelectric Generator – TEG) Khi sử dụng module nhiệt điện điện sản sinh chế độ làm việc định mức động (n = 2500 vg/ph; Ne = 130,5 kW) 38,5W; Trên sở khảo sát số loại module nhiệt điện hành nước, khả lắp đặt thiết bị TEG khoang máy xe bus Thăng Long/Hà Nội tính tốn thiết kế, chế tạo mơ hình TEG phù hợp Cũng báo trình bày sơ đồ thực nghiệm kết thực nghiệm ứng dụng TEG lắp ống thải động D1146 xe bus Thực nghiệm tiến hành xe đỗ bến động xe làm việc, kết điện thu chế độ tốc độ định mức 2500 vg/ph 16,1 W Để có lượng điện lớn sử dụng nhiều module nhiệt điện Việc sử dụng thiết bị phát điện dùng module nhiệt điện hướng ứng dụng nhiều triển vọng Từ khóa: Động D1146, khí thải, module nhiệt điện, TEG, mặt lạnh, mặt nóng ĐẶT VẤN ĐỀ * Trong động đốt kiểu piston (tiếp theo gọi động đốt – ĐCĐT) q trình chuyển hóa nhiệt đốt cháy nhiên liệu thành có ích kèm theo mát đến 40 – 45% nhiệt môi trường khí thải (Колчин А.И., Демидов В.П, 2008).Các phương pháp truyền thống để tận dụng nguồn nhiệt khí thải sử dụng tuabo tăng áp, sử dụng nồi tận dụng nhiệt sử dụng nhiệt khí thải để hâm nóng nhiên liệu Đối với ơtơ nói riêng phương tiện giới giao thơng đường nói chung, việc tận dụng nhiệt dùng nồi Việc tính tốn, thiết kế, chế tạo thiết bị để biến nhiệt khí thải trực tiếp thành điện sử dụng vào mục đích khác nước tiên tiến nghiên cứu ứng dụng, song nước ta vấn đề chưa quan tâm nhiều.Cùng với thành tựu lĩnh vực nhiệt điện (tạo vật liệu mới, phát triển công nghệ nano…) quan tâm đến ứng dụng kỹ thuật nhiệt điện để tạo điện Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Học viện Kỹ thuật Quân 30 Gần đây, nhà nghiên cứu đưa phương án sử dụng module nhiệt điện cấu thành thiết bị phát điện nhiệt (Thermoelectric Generator – TEG) để tận dụng nhiệt khí thải ĐCĐT, đặc biệt ơtơ Ví dụ, Cơng ty “BMW AG” lắp đặt lên số động ôtô (BMW series Sedan) thiết bị phát điện nhiệt, công suất tổ hợp máy với TEG tăng lên 15% sử dụng hệ thống dẫn động phức hợp(http://www.bmw.ru, truy cập ngày 15.6.2019)(theo chế độ vận hành, số toàn thiết bị treo dẫn động từ nguồn lượng TEG sinh ra) Trong nước có số nghiên cứu ứng dụng thiết bị TEG cho động bệ thử (Nguyễn Hà Hiệp, Đào Trọng Thắng,2013) bước đầu thu số kết lý thuyết thực nghiệm khả quan Trên sở đó,Bộ môn lý thuyết chuyên ngành, Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đề xuất đề tài nghiên cứu khoa học cấp sở "Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị phát điện tận dụng nhiệt từ khí thải động D1146 xe bus" (Nguyễn Huy Chiến, 2018) nhằm mục đích nghiên cứu, khai thác khả thực tế thiết bị TEG sở tận dụng nhiệt khí thải ĐCĐT KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Trong nghiên cứu đối tượng lựa chọn động D1146 lắp xe bus Thăng Long lưu hành Hà Nội sử dụng module nhiệt điện TEG-F30345 hãng Xinghe Electric (Hình 1) (http://kryotherm.ru, truy cập ngày 15.6.18) Hình Module nhiệt điện TEG-F30345 Các thơng số kỹ thuật module nhiệt điệnTEG-F30345được giới thiệu (bảng 1) (http://kryotherm.ru, truy cập ngày 15.6.18) Bảng Thông số module nhiệt điện TEG-F30345 Hiệu điện thế, V Cường độ dòng điện, A Cơng suất, W Điện trở trong, Ω Kích thước, dài, rộng, cao, mm Nhiệt độ làm việc mặt mát, oC Nhiệt độ làm việc mặt nóng, oC Hiệu suất, % 5,2 0,8 4,16 4,72 40 x 40 x 3,8 50 300 3,8 Phương pháp nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm kiểm chứng Trên sở lý thuyết tính tốn chu trình cơng tác ĐCĐT, thực tính tốn tiềm nhiệt khí thải điện thu tận dụng nhiệt khí thải động D1146 Thơng qua khảo sát cácloại module nhiệt điện, ứng dụng chúng ĐCĐT, tiến hành tính tốn, thiết kế chế tạo mơ hình thiết bị phát nhiệt điện TEG, thử nghiệm thực tế xác định điện sản sinh thiết bị KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết tính tốn lý thuyết Để tính tốn lý thuyết, chọn chế độ tính tốn theo đặc tính ngồi động ứng với tốc độ 40%, 60%, 80%, 100% tốc độ định mức nđm Động D1146 có nđm = 2500 (vg/ph), nên chế độ tính tốn lấy ứng với tốc độ 1000, 1500, 2000, 2500 (vg/ph) Các chế độ tính tốn thể (bảng 2)do thực nghiệm nhà cung cấp động cơng bố (http://www.doosan.com,truycập ngày 16.6.2018) Trong đó, n: tốc độ quay trục khuỷu, vg/ph; Ne: công suất động cơ, kW; ge: suất tiêu thụ nhiên liệu, g/kW.h; Gnl: lượng tiêu thụ nhiên liệu, g/h; gct: lượng nhiên liệu cấp cho chu trình cơng tác (CTCT), g/CTCT Tính toán CTCT thực phần mềm chuyên dụng Diesel-RK (http://www.diesel-rk.bmstu.ru, truy cập ngày 15.6.18) Bảng Các chế độ tính tốn CTCT động D1146 n (vg/ph) 1000 1500 2000 2500 Ne (kW) 55 90 117 134 ge gct Gnl (g/h) (g/kW.h) (g/CTCT) 230 12636 0,07020 221 19841 0,07349 226 26347 0,07319 245 32830 0,07296 Nhiệt lượng khí thải mang ngồi giây xác định theo công thức(Колчин А.И., Демидов В.П, 2008): Qg = (Gnl + Gkk) Ckt (tkt – tmt) (1) Trong (1): Qg: lượng nhiệt khí thải động giây, J/s; Gnl: lượng tiêu thụ nhiên liệu, kg/s; Gkk: lượng tiêu thụ khơng khí, kg/s; Ckt: nhiệt dung riêng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 31 đẳng áp khí thải, Ckt = 1040 J/(kg.độ); tkt: nhiệt độ khí thải, oC; tmt: nhiệt độ mơi trường, oC Giá trị nhiệt dung riêng khí thải phụ thuộc vào nhiệt độ khí thải, phạm vi nghiên cứu lý thuyết, để đơn giản hóa tính toán, chọn giá trị nhiệt dung riêng đẳng áp khí thải khơng đổi cho chế độ làm việc động cơ, tương ứng nhiệt độ khí thải chế độ làm việc ổn định, theo khuyến cáo (Уонг В, 1979) toán chọn giá trị không đổi Ckt = 1040 J/(kg.độ) Thiết bị TEG cấu thành từ module nhiệt điện, phận trao đổi nhiệt, ống thải động Do hiệu suất thiết bị TEG tích lũy hiệu suất phận cấu thành Trong tính tốn lý thuyết, ta chưa thể xác định hiệu suất riêng phận thiết bị TEG nên để đánh giá sơ công suất điện thu sử dụng thiết bị TEG coi thiết bị "hộp đen", hiệu suất thiết bị hiệu suất module nhiệt điện (Nguyễn Hà Hiệp, Đào Trọng Thắng, 2013) Khi đó: PLT  Qg  , W (2) Trong (2): Qg: tiềm nhiệt khí thải xác định theo công thức (1); η: hiệu suất module nhiệt điện, theo bảng Kết tính tốn tiềm nhiệt khí thải điện thu cho module PLT1 module PLT6 trình bày bảng (http://www.dieselrk.bmstu.ru, truy cập ngày 15.6.18) với Δt – chênh lệch nhiệt độ mặt nóng mặt lạnh Ở giả thiết hiệu suất module tối ưu 3,8% (như điều kiện bảng 1) Bảng Kết tính tốn tiềm nhiệt khí thải điện thu TT n (vg/ph) 1000 1500 2000 2500 Ne (kW) 57,3 89,5 113,6 130,5 ge (g/kW.h) 236 223 226 232 Như vậy, với nguồn lượng dự trữ khí thải động D1146 chế tạo thiết bị TEG từ module nhiệt điện với hệ số điện trở điện trở trongđã chọn(Nguyễn Huy Chiến, 2018) công suất cực đại thu 38,46 W 3.2 Thiết kế, chế tạo thiết bị TEG Thiết bị TEG có kết cấu tháo lắp (hình 2) bao gồm cụm hấp thụ nhiệt từ khí thải hàn lớp đồng dày 10mm, mặt gia Δt (oC) 90 100 110 120 Gg (kg/s) 0,1179 0,1740 0,2239 0,2640 Qg (J/s) 56035,51 104413,9 140645 168579,8 P LT1 (W) 2,13 3,97 5,34 6,41 P LT6 (W) 12,78 23,82 32,04 38,46 công phẳng để gắn module nhiệt điện Mặt lại module tiếp xúc cụm làm mát chế tạo đồng để đảm bảo truyền nhiệt tốt Hốc nước làm mát không gian bên hộp đồng có ống để dẫn nước vào Nước làm mát lấy từ két mát động Dây dẫn điện để lấy điện từ module quấn lên phía hộp làm mát, khơng bị tác dụng nhiệt làm hỏng dây Hình Bản vẽ thiết kế thiết bị phát điện nhiệt TEG A: Mặt nóng; B: Mặt lạnh; C: Hộp chứa nước làm mát 32 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC Trên thiết bị có gắn cảm biến để đo nhiệt độ mặt nóng mặtlạnh Các module nhiệt điện lắp nối tiếp hình 3, kết thiết bị phát dòng điện chiều làm sáng đèn led hình Hình Lắp ghép module nhiệt điện vào mặt nóng TEG Hình Thiết bị phát điện dùng thực nghiệm 3.3 Sơ đồ thiết bị dùng thực nghiệm Trên hình giới thiệu sơ đồ thực nghiệm hình Hình Sơ đồ thực nghiệm T: cảm biến nhiệt; A: Ampe kế; V: Vol kế; TM:Module nhiệt điện; R: Két mát động 3.4 Các kết thực nghiệm bàn luận Điều kiện thực nghiệm xe bus nổ máy chỗ (chế độ không tải), nhiệt độ khí thải điều chỉnh cách thay đổi cung cấp nhiên liệu vào động giới thiệu thiết bị TEG lắp đường thải động D1146 Hình Thiết bị TEG lắp đường thải động D1146 Bằng trực quan, dòng điện sinh quan sát độ sáng đèn báo Để ghi lại thông số điện sinh ra, sử dụng đồng hồ đo điện SannuoYX-960TR KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 33 Khi nhiệt độ mặt nóng tg = 120oC, nhiệt độ mặt lạnh tw = 37oC đèn báo chưa sáng Khi tg = 132oC, tw = 42oC đèn báo sáng, tiến hành đo kết Kết thực nghiệm thể (bảng 4) (Nguyễn Huy Chiến, 2018) Trong đó, cơng suất PTN6 thiết bị TEG xác định theo công thức: (3) Bảng Kết thực nghiệm thiết bị phát nhiệt điện TT n, tg tw o o ∆t = tg – tw o U I P TN6 (vg/ph) ( C) ( C) ( C) (V) (A) (W) 1000 142 42,5 99,5 11,1 0,57 6,33 1500 170 44,5 125,5 12,6 0,75 9,45 2000 200 47,2 152,8 13,8 1,00 13,80 2500 220 48,6 171,4 14,9 1,08 16,09 Kết so sánh điện thu tính tốn lý thuyết thực nghiệm trình bày bảng Bảng Kết so sánh điện thu tính tốn lý thuyết thực nghiệm n P LT1 P LT6 P TN6 Sai khác (vg/ph) (W) (W) (W) (%) 1000 2,13 12,78 6,33 49,5 1500 3,97 23,82 9,45 39,7 2000 5,34 32,04 13,80 43,1 2500 6,41 38,46 16,09 41,8 TT Trung bình Từ bảng ta thấy, sai số trung bình kết thực nghiệm tính tốn lý thuyết khoảng 43,5%, kết nói lên rằng: Tính tốn lý thuyết thực động làm việc chế độ có tải, khí thực nghiệm tiến hành động chạy không tải chế độ tốc độ; - Khi tính toán lý thuyết, hiệu suất TEG lấy hiệu suất module nhiệt điệnthực tế, hiệu suất sản xuất điện thiết bị TEG hiệu suất module nhiệt điện cịn bao gồm hiệu suất tích lũy phận cấu thành,ở chủ yếu hiệu suất truyền nhiệt qua cụm làm mát thiết bị TEG Khi hiệu suất tổng thể thiết bị TEG khoảng 0,435.3,8% = 1,653% KẾT LUẬN Hiệu điện cường độ dòng điện sinh từ thiết bị tăng theo gia tăng nhiệt độ khí thải 34 43,5 - Trong nghiên cứu thử nghiệm sử dụng module nhiệt điện nên tận dụng khoảng 0,03% lượng khí thải để sản sinh điện (điện thu 38,46 W, công suất động 130,5 kW) - Thông qua mẫu thiết bị TEG chế tạo đánh giá hiệu suất tổng thể thiết bị TEG sở để thiết kế, chế tạo thiết bị TEG hoàn chỉnh - Việc sử dụng thiết bị phát điện sở tận dụng nhiệt khí thải động hướng ứng dụng nhiều triển vọng tiềm nhiệt khí thải để phát điện lớn Để có lượng điện lớn sử dụng nhiều module nhiệt điện - Để đánh giá đầy đủ hiệu sản sinh điện thiết bị TEG cần thực nghiệm chạy xe chế độ tải khác KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC TÀI LIỆU THAM KHẢO Nguyễn Huy Chiến (2018), “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị phát điện tận dụng nhiệt từ khí thải động D1146 xe Bus”, Đề tài NCKH cấp sở, Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội Nguyễn Hà Hiệp, Đào Trọng Thắng (2013 ), “Kết thử nghiệm thiết bị phát điện tận dụng nhiệt khí thải động Toyota 7KE”, Học viện Kỹ thuật quân sự, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật số 156, trang 41 -48 Bitschi (2009), A.Modelling of thermoelectric devices for electric powergeneration: dissertation submitted to the Swiss Federal Institute of Technology Zurich, - 144 p АнатычукЛ.И(1989), Термоэлементы и термоэлектрические устройства: Справочник – Киев: Наук думка, – 766 с Колчин А.И (2008), Демидов В.П Расчет автомобильных и тракторных двигателей Учеб Пособие для вузов,– М: Высш Шк, – 496 с Уонг В (1979), Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров, – M.: Атомиздат http://www.doosan.com, truy cập ngày 16.6.2018 http://www.diesel-rk.bmstu.ru, truy cập ngày 15.6.18 http://kryotherm.ru, truy cập ngày 15.6.18 http://www.bmw.ru [truy cập ngày 15.6.2019] Abstract: SOME THEORETICAL AND EXPERIMENTAL RESULTS OF THE RECOVERY OF ELECTRIC POWER ON THE BUS D1146 WHEN USING TEG EQUIPMENT MAKE USE OF MOTOR EXHAUST HEAT The article presents the results of the theoretical calculation of the potential of exhaust gas and electricity that can be obtained when utilizing the exhaust heat of the D1146 engine on the bus by using thermoelectric modules (ThermoelectricGenerator - TEG) When using thermoelectric power modules produced in the rated working mode of the engine (n = 2500 vg / ph; Ne = 130.5 kW) by 38.5W; On the basis of surveying some types of thermoelectric modules currently in and out of the country, the ability to install equipment TEG in the bus compartment of Thang Long / HaNoi has calculated the design and fabricated an appropriate TEG model Also this paper presented experimental diagram and experimental results of TEG application installed on the exhaust pipe of D1146 engine on the bus The experiment was carried out when the vehicle parked at the engine on the working vehicle, the electric power result obtained at the rated speed mode of 2500 vg / ph was 16.1 W The use of power generators using thermal modules is a very promising application For large electric power power can use multiple thermoelectric modules Keywords: Diesel D1146, exhaust gas, thermoelectric module, TEG, cold side, heat side Ngày nhận bài: 21/6/2019 Ngày chấp nhận đăng: 22/8/2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ ĐẶC BIỆT (10/2019) - HỘI NGHỊ KHCN LẦN THỨ XII - CLB CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC 35 ... thể thiết bị TEG sở để thiết kế, chế tạo thiết bị TEG hoàn chỉnh - Việc sử dụng thiết bị phát điện sở tận dụng nhiệt khí thải động hướng ứng dụng nhiều triển vọng tiềm nhiệt khí thải để phát điện. .. module nhiệt điện, ứng dụng chúng ĐCĐT, tiến hành tính tốn, thiết kế chế tạo mơ hình thiết bị phát nhiệt điện TEG, thử nghiệm thực tế xác định điện sản sinh thiết bị KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết. .. nghiên cứu kết hợp nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm kiểm chứng Trên sở lý thuyết tính tốn chu trình cơng tác ĐCĐT, thực tính tốn tiềm nhiệt khí thải điện thu tận dụng nhiệt khí thải động D1146 Thông