Thiết kế chế tạo bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động cơ Diesel cỡ nhỏ.PDF

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHỤ KIỆN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU BIOGAS – HYDROGEN CHO C C R UT.L ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ D Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 85.20.11.6 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng- Năm 2020 Cơng trình hồn thành TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ MINH ĐỨC Phản biện 1: PGS.TS TRẦN THANH HẢI TÙNG C C R UT.L Phản biện 2: TS PHÙNG XUÂN THỌ D Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật khí động lực họp trường Đại học Bách khoa vào ngày 30 tháng 05 năm 2020 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu truyền thông, trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng - Thư viện Khoa Cơ khí giao thơng, Trường Đại học Bách khoa ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch gây nhiễm nặng nề bầu khí CO2, sản phẩm cháy nhiên liệu hóa thạch chất khí gây hiệu ứng nhà kính, thủ phạm làm tăng nhiệt độ mặt đất dẫn đến tình trạng biến đổi khí hậu mực nước biển dâng, đe dọa sống nhân loại Mặt khác nguồn nhiên liệu hóa thạch lịng đất có giới hạn Sự khai thác cường độ cao thập niên gần làm cho nguồn lượng cạn kiệt nhanh chóng Sự gia tăng giá dầu mỏ thời gian gần phản ảnh thực trạng Khả tìm thấy nguồn dầu mỏ lớn khai thác thương mại q khứ khơng cịn hy vọng Khí sinh học (biogas) sản xuất q trình lên men yếm khí vật liệu sinh khối, nhiên liệu khí sử dụng rộng rãi giới Việt Nam Biogas đóng vai trò nhiên liệu thay cho xăng diesel truyền thống Chu trình cacbon trình sản xuất biogas từ nguyên liệu sinh khối phát thải cacbon từ hoạt động đốt cháy biogas khép kín với lượng sử dụng mặt trời cung cấp Do sử dụng biogas với vai trị nhiên liệu khơng làm tăng khí nhà kính cho bầu khí Biogas nguồn lượng tái tạo có nguồn gốc từ lượng mặt trời nên việc sử dụng khơng làm tăng nồng độ CO2 khí Biogas phát triển mạnh từ nước phát triển đến nước phát triển Trong lĩnh vực động đốt trong, số quốc gia giới sản xuất thương mại hóa động biogas chuyên dụng Tuy nhiên, động thường có giá thành cao nhiều so với động sử dụng xăng dầu truyền thống Bên cạnh đó, nhiên liệu biogas sử dụng cho động phải thỏa mãn số điều kiện thành phần nhiên liệu, áp suất cung cấp… chạy biogas, không chạy nhiên liệu lỏng Mặt khác, động biogas đơn giản, cỡ nhỏ làm việc khơng tin cậy không phù hợp với nguồn biogas đa dạng Do tồn nên động biogas chưa ứng dụng rộng rãi thực tế Để thỏa mãn nhu cầu đa dạng việc ứng dụng biogas động đốt trong, giải pháp công nghệ chuyển đổi động truyền D C C R UT.L thống sang sử dụng biogas cần thỏa mãn điều kiện sau: mang tính vạn cao; chuyển đổi động sang chạy biogas, chất q trình cơng tác kết cấu hệ thống động nguyên thủy không thay đổi, nghĩa khơng chạy biogas, động sử dụng lại xăng/dầu trước chuyển đổi; phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu cho động sang chạy biogas phải có độ tin cậy cao, dễ lắp đặt, vận hành, giá thành thấp, phù hợp với điều kiện sử dụng vùng nông thôn, trang trại Vì đề tài “Thiết kế chế tạo phụ kiện cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động Diesel cỡ nhỏ” mang nhiều ý nghĩa khoa học lẫn tính thực tiễn cao Mục tiêu nghiên cứu Thực nghiên cứu hòa trộn cung cấp nhiên liệu cho động dual fuel Biogas-Diesel Thiết kế chế tạo phụ kiện cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen cho động Diesel cỡ nhỏ Ngồi mục đích giảm thiểu nhiễm mơi trường, làm phong phú nguồn nhiên liệu dùng cho động đốt trong, luận văn cịn hướng tới mục đích sử dụng rộng rãi nguồn nhiên liệu sinh học thay cho động đốt cách hiệu Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: Động diesel cỡ nhỏ xy lanh tên động - Phạm vi nghiên cứu: Động diesel xilanh lắp cụm động máy phát điện, công suất2- 4kW Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa để xác định thông số tối ưu hệ thống thiết kế bổ sung Nghiên cứu lý thuyết mơ hình hóa: Nghiên cứu dịng chảy rối hỗn hợp biogas-hydrogen qua phụ kiện cung cấp nhiên liệu để xác lập đường đặc tính tạo hỗn hợp lựa chọn phương án thiết kế chế tạo nhằm nâng cao tính kinh tế-kỹ thuật động tĩnh Trên sở kết nghiên cứu lý thuyết, mô hình hóa thực nghiệm, phụ kiện cung cấp nhiên liệu biogas-hydrogen dung để nghiên cứu lắp đặt cho động diesel xilanh lắp cụm động cơ-máy phát điện, công suất2-4kW D C C R UT.L Ý nghĩa khoa học thực tiễn 5.1 Ý nghĩa khoa học Luận án góp phần nghiên cứu chuyên sâu động Dual Fuel (Biogas-Diesel) Việt Nam 5.2 Ý nghĩa thực tiễn Đề tài góp phần tạo sản phẩm thiết thực, đáp ứng kịp thời nhu cầu đời sống kinh tế xã hội Cấu trúc luận văn Ngoài phần mở đầu kết luận, nội dung luận án chia làm chương trình bày nội dung sau: Chương 1: Tổng quan Tình hình nhiễm mơi trường cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế; tình hình ứng dụng hỗn hợp nhiên liệu biogas – diesel cho động Việt Nam giới Chương 2: Cơ sở lý thuyết sử dụng nhiện Biogas – Hydrogen cho động Diesel Chương 3: Tính tốn thiết kế cung cấp Biogas – Hydrogen cho động So sánh phương án cung cấp hỗn hợp Thiết kế, tính tốn phụ kiễn cung cấp cho động C C R UT.L D Chương 4: Mơ dịng chảy khơng khí hỗn hợp Biogas - Hydrogen vào động Kết luận hướng phát triển đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ MÔI TRƯỜNG Trong thập niên gần đây, tăng trưởng kinh tế nước phát triển kéo theo tăng nhanh phương tiện giao thơng giới Điều đó, đặt hàng loạt vấn đề kinh tế - xã hội, an ninh lượng môi trường nhà quản lý, nhà nghiên cứu nhà hoạch định chiến lược phát triển kinh tế - xã hội lĩnh vực giao thông vận tải Đặc biệt, tình hình nguồn lượng hóa thạch cạn kiệt biến đổi khí hậu trái đất trở thành hiểm họa lồi người vấn đề nêu trở nên cấp thiết Tiết kiệm lượng giảm thiểu ô nhiễm môi trường mục tiêu nghiên cứu ngành động ô tô, vừa động lực cho công trình nghiên cứu vấn đề liên quan đến lượng môi trường [1], [4], [5], [6], [25], [62] Trước tình hình nguồn nhiên liệu hóa thạch lâm vào khủng hoảng cạn kiệt vấn đề nhiễm môi trường trở nên ngày trầm trọng, để giảm nồng độ chất nhiễm từ khí xả động phương tiện giao thông giới, xu hướng nghiên cứu tóm tắt sau: - Sử dụng lượng điện để chạy ô tô, xe gắn máy: Mức độ giảm ô nhiễm môi trường sử dụng lượng điện để chạy ô tô, xe gắn máy phụ thuộc vào nguồn lượng dùng để sản xuất điện Nếu sử dụng nguồn lượng hóa thạch để sản xuất điện nạp vào ắc quy để cung cấp cho tơ, xe gắn máy mức độ gây nhiễm nói chung khơng giảm mà cịn tăng [25] Mặt khác, sử dụng lượng điện để chạy ô tơ, xe gắn máy cịn vướng trở ngại quan trọng khả tích trữ điện ắc quy có giới hạn khiến cho phạm vi hoạt động độc lập phương tiện bị rút ngắn Sử dụng lượng điện mặt trời để vận hành động giải pháp lý tưởng Tuy nhiên giải pháp trở ngại ắc quy vừa nêu cịn có hạn chế hiệu suất thu lượng pin mặt trời không gian bố trí chúng phương tiện giao thơng giới - Ứng dụng kỹ thuật động đốt trong: Áp dụng tiến lĩnh vực điện tử công nghệ thông tin để điều khiển trình làm việc động làm nâng cao đáng kể D C C R UT.L tính kinh tế - kỹ thuật động đốt Các hệ thống động đại hệ thống phun nhiên liệu điều khiển điện tử, hệ thống tuần hồn khí thải (Exhaust Gas Recirculation - EGR), cho phép tối ưu hóa q trình công tác động dẫn đến làm giảm mức độ phát sinh khí thải gây nhiễm [4], [25], [26] Thêm vào đó, kỹ thuật tạo hỗn hợp phun xăng trực tiếp buồng cháy, tạo hỗn hợp phân lớp, cho phép động xăng làm việc với hỗn hợp nghèo dẫn đến làm tăng hiệu suất giảm ô nhiễm [22], [26] Về kỹ thuật xử lý khí thải đường xả, lọc bồ hóng ống xả lắp xúc tác ba chức xem biện pháp hữu hiệu nhằm tiếp tục loại trừ chất nhiễm cịn lại khí xả - Sử dụng loại nhiên liệu “sạch” gây nhiễm tái tạo: Trong trường hợp này, nhà khoa học quan tâm nhiều đến loại nhiên liệu thể khí khí hydro, khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (NG), đặc biệt nhiên liệu tái tạo khí sinh học biogas [25], [36] Sử dụng loại nhiên liệu góp phần đa dạng hóa nguồn nhiên liệu cho phương tiện giao thông giới giảm ô nhiễm môi trường 1.2 SỰ CẦN THIẾT PHẢI CÓ NGUỒN NHIÊN LIỆU THAY THẾ 1.3 CÁC LOẠI NĂNG LƯỢNG, ƯU THẾ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS 1.3.1 Các loại lượng 1.3.1.1 Năng lượng mặt trời 1.3.1.2 Năng lượng gió 1.3.1.3 Năng lượng địa 1.3.1.4 Thuỷ điện thuỷ điện nhỏ 1.3.1.5 Năng lượng hạt nhân 1.3.1.6 Nguồn lượng khác 1.3.2 Ưu nhiên liệu Biogas 1.4 TIÊU CHUẨN ĐỐI VỚI KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ NHIÊN LIỆU THAY THẾ 1.4.1 Nhiệt trị cháy (Heating Value-HV) 1.4.2 Tỷ trọng tiêu chuẩn (Specific Gravity – SG) 1.4.3 Chỉ số Wobbe (Wobbe Index) 1.4.4 Chỉ số methane (Methane Number) 1.5 NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG D C C R UT.L 1.5.1 Tính chất Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt 1.5.2 Yêu cầu Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt 1.6 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU BIOGAS - HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1.6.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu biogas - hydrogen động diesel giới 1.6.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu biogas - hydrogen động diesel Việt Nam 1.7 NHẬN XÉT CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS – HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1 TÍNH CHẤT LÝ HĨA CỦA KHÍ HYDROGEN C C R UT.L Hydro nguyên tố hóa học nhẹ với đồng vị phổ biến chứa prôton điện tử Ở nhiệt độ áp suất tiêu chuẩn dạng khí khơng màu, khơng mùi, nhị ngun tử (phân tử), H2 dễ bắt cháy, có hóa trị 1, có nhiệt độ sơi 20,27 K(-252,87°C) nhiệt độ nóng chảy 14,02 K (-259,14°C), tỉ trọng 1/14 tỉ trọng khơng khí Hydrogen cháy khơng khí giới hạn từ - 75% thể tích Nhiệt độ cháy hydrogen cao đạt 2318°C nồng độ 29% thể tích, cháy oxy nhiệt độ lên đến 3000°C, cao so với tất loại khí khác khí methane (CH4) đạt 2148°C, propane (C3H8) đạt 2385°C Hydro nguyên tố phổ biến vũ trụ, chiếm 75% vật chất thông thường theo khối lượng 90% theo số lượng nguyên tử Nguyên tố tìm thấy với lượng khổng lồ hành tinh khí khổng lồ Tuy vậy, Trái Đất có khí (1 ppm theo thể tích) Nguồn chủ yếu nước, bao gồm hai phần hydro phần oxy Các nguồn khác bao gồm phần lớn chất hữu (hiện dạng thể sống), than, nhiên liệu hóa thạch khí tự nhiên Methane (CH4) nguồn quan trọng hydro D 2.2 TÍNH CHẤT LÝ, HOÁ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS 2.2.1 Thành phần chủ yếu Biogas [3] Biogas từ nguồn khác có chất lượng khác phụ thuộc vào số yếu tố định Thành phần Biogas phụ thuộc vào loại chất thải bị phân huỷ, độ dài thời gian lưu chất thải trải qua trình phân huỷ Biogas sinh từ trình phân huỷ kỵ khí hổn hợp nhiều loại khí Hổn hợp thơng thường bao gồm 60-70% CH4, 30-40% CO2, 1% Hydrogen sulfide (H2S)[3] Hàm lượng H2S nói chung vào khoảng từ 100 đến 2000ppm Thỉnh thoảng củng gặp trường hợp nhỏ 2ppm cao 8000 ppm Lượng vết Nitrogen (đến 10%), Hydrogen (đến 5%), Oxygen thành phần khác củng có mặt với nồng độ khác Tuy nhiên, hàm lượng chúng nhỏ, nên chúng khó phát thường khơng quan trọng Biogas sau qua lọc thành phần gồm 70-90% CH4, 9-29% CO2[3] 2.2.2.Tính chất Biogas 2.2.3 Nhiệt trị Biogas Methame tinh khiết có nhiệt trị thấp khoảng (8115.2 Kcal/m3) Do Biogas chứa khoảng 70-90% Methame nên nhiệt trị Biogas nằm khoảng 5480 Kcal/m3 2.3 NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 2.3.1 Tính chất Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt 2.3.2 Yêu cầu Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt 2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỖN HỢP CUNG CẤP CHO ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL 2.4.1 Ảnh hưởng độ đồng hỗn hợp đến trình cháy 2.4.2 Lý thuyết trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước cục 2.5 NHẬN XÉT C C R UT.L D - Biogas khí sinh học sinh nhờ trình phân giải chất thải hữu mơi trường kỵ khí (khơng có khơng khí) Vi sinh vật phân hủy sinh khí gồm: metan (CH4), nitơ (N2), cacbon dioxit (CO2) H2S Vì trường hợp sử dụng biogas nơi sản xuất, không cần phải lọc bỏ CO2 Điều cho phép phải giảm chi phí vận hành hệ thống cung cấp biogas cho động - H2S chất khí có hại biogas Đối với nhiên liệu biogas sử dụng cho động tĩnh tại, hàm lượng H2S cho phép tối đa 500ppm Với yêu cầu cần sử dụng phương pháp hấp phụ rẻ tiền thay phải sử dụng phương pháp hấp thụ hóa chất đắt tiền để lọc H2S - Hydro đóng vai trị sống cịn việc cung cấp lượng vũ trụ thông qua phản ứng proton-proton chu trình cacbon - nitơ (Đó phản ứng nhiệt hạch giải phóng lượng khổng lồ thông qua việc tổ hợp hai nguyên tử hydro thành nguyên tử heli.) CHƯƠNG TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ CUNG CẤP BIOGASHYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ C C R UT.L D 3.1 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL EV2600NB 3.1.1 Giới thiệu chung Động EV2600-NB động sử dụng nhiên liệu diesel công ty máy nông nghiệp Miền Nam – Vikyno sản suất; lắp đặt cụm máy phát điện MF1120S + EV2600-NB Động EV2600-NB loại động xylanh, kỳ máy đặt nằm ngang có buồng cháy thống 3.1.2 Khảo sát hệ thống cung cấp nhiên liệu động EV2600-NB 3.2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 3.2.1 Yêu cầu cung cấp hỗn hợp Biogas-hydrogen cho động - Chuẩn bị cung cấp hỗn hợp Biogas-hydrogen khơng khí cho động cơ, đảm bảo chất lượng phù hợp với chế độ làm việc động - Đảm bảo hòa trộn tốt hỗn hợp Biogas-hydrogen - Khơng khí - Khơng làm thay đổi lớn với kết cấu nguyên thủy động 10 1- Bộ điều khiển điện tử - Bình chứa Biogas 3- Van tiết lưu 4Bầu lọc khí 5- Đường ống nạp 6- Bộ hỗn hợp.7- Xupap nạp 8- Xilanh động 9- Xupap thải 10-bình chứa hydrogen, 11-van điều tiết hydrogen b Nhiệm vụ cụm chi tiết hệ thống c Nguyên lý làm việc 3.2.2.3 Phương án c: Sử dụng hòa trộn, điều khiển van tiết lưu khí b Nhiệm vụ cụm chi tiết c Nguyên lý hoạt động 3.2.3 Chọn phương án thiết kế Bảng Bảng so sánh phương án thiết kế Các phương án Chất lượng hồ khí Đường nạp động Kết cấu hệ thống Giá thành sản phẩm Khả ứng dụng Phương án a Phương án b Phương án c Tối ưu Tốt Chưa tốt C C R L Ít thay đổi DUT Phức tạp Giá thành cao Thấp Thay đổi Ít thay đổi Phức tạp Đơn giản Giá thành cao Giá thành thấp Thấp Cao Từ bảng so sánh trên: Nhằm đảm bảo trình cấp Biogas cho động sử dụng lưỡng nhiên liệu đạt hiệu cao, có khả ứng dụng thực tiễn, đồng thời đem lại tính kinh tế, kỹ thuật sau cải tạo từ động Ta chọn phương án thiết kế cung cấp Biogas bổ sung hydrogen có bố trí hòa trộn đường ống nạp điều khiển van tiết lưu Biogas khí để trang bị cho động EV2600NB 3.3 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ 3.3.1 Hệ thống cung cấp Biogas cho động Sơ đồ hệ thống cung cấp Biogas hydrogen cho động EV2600NB Động sử dụng lưỡng nhiên liệu hỗn hợp Biogas-hydrogen Diesel có đặc điểm cung cấp nhiên liệu sau: 11 - Biogas nhiên liệu định cơng suất động Lưu lượng Biogas cấp vào động thay đổi theo chế độ tải, điều chỉnh van tiết lưu thơng qua điều tốc khí - Hydrogen: nhiên liệu cấp bổ sung vào động - Diesel nhiên liệu để cung cấp đủ lượng đốt cháy hỗn hợp Biogas khơng khí Diesel phun vào buồng cháy động với lượng cố định Do đặc điểm vậy, lượng hịa khí (gồm khơng khí hỗn hợp Biogas-hydrogen ) chuẩn bị trước đường ống nạp trước khí cung cấp vào buồng cháy động Lượng Diesel phun vào không ảnh hưởng đến trình cung cấp nhiên liệu hỗn hợp Biogashydrogen 3.3.2 Bộ hòa trộn cung cấp Biogas bổ sung hydrogen cho động 3.3.2.1 Yêu cầu, nhiệm vụ, phân loại hỗn hợp a Yêu cầu b Nhiệm vụ c Phân loại hoà trộn Với kết cấu sẵn có đường ống nạp động EV2600NB dịng khơng khí đường ống nạp thẳng Do chọn phương án hòa trộn theo kiểu trực giao để thiết kế 3.3.3 Phương án thiết kế hòa trộn Bộ hịa trộn thiết kế theo nhiều kiểu khác nhằm mục đích tạo hịa trộn đồng hỗn hợp khí Biogas-hydrogen khơng khí u cầu: + Sức cản trộn nhỏ nhất, đơn giản dễ chế tạo, tiện sử dụng Đảm bảo lượng không khí khí Biogas-hydrogen thích hợp chế độ công tác động + Khi lắp ráp kết cấu, kích thước phải phù hợp với bơ phận khác liên quan động EV2600NB mà không thay đổi kết cấu nguyên thủy động Tùy thuộc vào phương pháp cấp Biogas-hydrogen vào họng hòa trộn ta có kết cấu số hịa trộn sau: D C C R UT.L 12 Hình 7Kết cấu số kiểu hòa trộn (a) Bộ hịa trộn với lỗ phun bố trí xung quanh họng (b) Bộ hòa trộn với vòi phun nhiều lỗ (c) - Bộ hòa trộn lỗ phun 1Vòi phun Biogas 2 Bulơng cố định họng; 3Họng hịa trộn ; 4 Mặt bích lắp vào đường nạp; 5Thân họng; 6 Lỗ lắp bulơng; 7 họng hịa trộn; 8 Lỗ phun Biogas.; 9 Ống nối với bầu lọc gió 3.3.4 Tính tốn hịa trộn C C R UT.L D 3.3.4.1 Sơ đồ tính tốn hịa trộn Hình Sơ đồ tính tốn hịa trộn 3.3.4.2 Đường kính họng khuếch tán 3.3.4.3 Đường kính đường ống cấp Biogas vào họng hòa trộn 3.3.4.4 Các phương án cấp Biogas vào họng khuếch tán hòa trộn 13 Phương án 1: Biogas cấp vào họng qua tiết diện hình vành khăn Phương án 2: Biogas cấp vào họng qua lỗ bố trí Phương án 3: Biogas phun trực tiếp vào họng hỗn hợp a Phương án cung cấp Bioagas vào họng qua tiết diện hình vành khăn b Phương án cung cấp Biogas vào họng qua lỗ bố trí quanh họng c Phương án cấp Biogas trực tiếp vào họng hòa trộn Với kết cấu Biogas cấp vào không gian trước họng hịa trộn đường ống có đường ống có đường kính d0 = 29 (mm) Kết cấu sau: C C R UT.L D Hình 3.12 Kết cấu hịa trộn 3.3.5 Tính tốn van tiết lưu Van tiết lưu thiết bị điều chỉnh lưu lượng dịng khí Biogas vào động cơ, tính tốn van tiết lưu dựa sở lượng Biogas qua tiết diện lưu thông van vào xi lanh động phù hợp với chế độ làm việc động 3.3.5.1 Nhiệm vụ, yêu cầu van tiết lưu a Nhiệm vụ - Cung cấp lượng Biogas phù hợp với chế độ tải động b Yêu cầu - Kích thước van phù hợp với yêu cầu lượng Biogas cần nạp vào 14 - Điều khiển nhẹ bảo đảm làm kín tốt - Trở lực bé dịng khí Biogas nạp vào - Đảm bảo kín, tránh lọt khí Biogas mơi trường 3.3.5.2 Phân loại van tiết lưu Dựa vào phần tử điều chỉnh dịng mơi chất vantiết lưu chia thành loại sau: a.Van b.Van cánh Hình 133 Phân loại loại van C C R UT.L Sau nghiên cứu kết cấu, cách điều khiển hai loại van lắp đặt, bố trí van lên hệ thống cung cấp Biogas cho động EV2600NB ta chọn van tiết lưu dạng van cánh để điều chỉnh lượng Biogas cho động 3.4 KẾT CẤU BỘ HỊA TRỘN Chọn dạng hịa trộn cho tạo hỗn hợp venturi kiểu vành khăn Ta có vẽ thiết kế tạo hỗn hợp với bổ sung vòi phun hydrogen sau: D Hình Kết cấu hịa trộn hình vành khăn 15 3.5 NHẬN XÉT Kết nghiên cứu chương cho phép rút kết luận sau: - Biogas cấp vào khơng gian trước họng hịa trộn có đường kính d0 = 29 (mm) - Thiết kế hòa trộn biogas bổ sung hydrogen, tạo hỗn hợp venturi kiểu vành khăn - Điều chỉnh lượng cấp biogas van tiết lưu dạng cánh CHƯƠNG MƠ PHỎNG DỊNG CHẢY CỦA KHƠNG KHÍ VÀ HỖN HỢP BIOGAS –HYDROGEN VÀO ĐỘNG CƠ Mơ dịng chảy qua hệ thống dự báo xáo trộn dòng chảy qua hịa trộn Phần sau mơ dịng chảy hệ thống thí nghiệm phần mềm Ansys® Fluent V16 4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 4.1.1 Sơ đồ khối phương pháp mơ C C R UT.L D Hình Sơ đồ khối phương pháp mô 4.1.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp mô 4.1.3 Xây dựng mơ hình hỗn hợp Ansys® Fluent V16 Để so sánh độ đồng hỗn hợp ứng với cấu hình hệ thống nạp khác nhau, mô thực với trường hợp Các trường hợp cấp biogas qua khe hẹp 2mm gồm: (1) Bổ sung vịi phun hydrogen có đường kính 4mm Hình 4.2 (2) Bổ sung vịi phun hydrogen có đường kính 4mm bố trí chia 16 Hình (1) Bổ sung vịi phun hydrogen có đường kính 4mm C C R UT.L D Hình (2) Bổ sung vịi phun hydrogen có đường kính 4mm 4.1.4 Chia lưới chọn điều kiện tính tốn 4.1.4.1 Chia lưới Với hỗ trợ công cụ chia luới tự động phần mềm Ansys® Fluent (hình 3.8) có 6263 nút 27559 phần tử a Mơ hình chia lưới với vịi phun hydrogen b Mơ hình chia lưới với vịi phun hydrogen với 9617 nut 43238 phần tử Hình 4 Mơ hình chia lưới 17 4.1.4.2 Các điều kiện tính tốn Ðiều kiện biên chọn gồm: - Áp suất dư khơng khí p_air [Pa] - Áp suất dư biogas p_bio [Pa] - Áp suất dư hydrogen p_H2 [Pa] - Áp suất dư hỗn hợp p_mix [Pa] Chọn áp suất dư khơng khí là: p_air = [Pa] Nguồn khí biogas sử dụng cho động thuờng lưu trữ túi chứa khơng có áp suất dư áp suất dư nhỏ (khoảng 50-500 Pa) Trong tính tốn này, ta chọn áp suất biogas vị trí trước bướm ga là: p_bio = 100[Pa] áp suất hydrogen vị trí trước bướm ga là: p_H2 = 200[Pa] Áp suất dư hỗn hợp tính theo thể tích xi lanh Vh(m3) tốc độ động n(vòng/phút) Thời gian động thực hành trình ts=60/(2n) (s) Lưu lượng trung bình hỗn hợp cung cấp cho xi lanh là: Qmix  v Vh nV  v h ts 30 (m3/s) C C R UT.L Áp suất dư trung bình đường nạp là: pmix  mix Vmix (Pa) D pmix   mix  nvVh   7, 5 D nap       Pa  (3.7) Bảng 3.3: Điều kiện biên đầu tạo hỗn hợp n (v/ph) 1000 p_mix_out (Pa) 1608 1200 2316 1400 3153 1600 4118 1800 5212 2000 6435 2200 7786 - 4.2 KẾT QUẢ MƠ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TRONG CÁC TRƯỜNG HỢP 4.2.1 Phân bố nồng độ chất tốc độ dòng chảy qua hòa trộn a Phương án bố trí vịi phun 18 Nồng độ CH4 Nồng độ Oxy Hình Phân bố nồng độ CH4 Oxy hòa trộn M6C4 bổ sung 5%hydrogen, n=2200 v/p, BG 100% Hình 4.5 giới thiệu kết tính nồng độ CH4 O2 Chúng ta thấy dịng chảy qua hịa trộn khơng bị xáo trộn C C R UT.L D Hình Phân bố nồng độ hydrogen hòa trộn M6C4 bổ sung 5%hydrogen n=2200 v/p, bướm ga 100% 19 Hình Phân bố nồng độ CO2 (a) Trường tốc độ dòng chảy (b) hòa trộn M6C4 bổ sung 5%hydrogen, n=2200 v/p, bướm ga 100% Hình Phân bố nồng độ CH4 (a) Oxy (b) hòa trộn M6C4 bổ sung 5%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100% C C R UT.L D Hình Phân bố nồng độ H2 hòa trộn M6C4 bổ sung 5%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100% 20 Hình 10 Phân bố trường vận tốc nồng độ CO2 hòa trộn M6C4 bổ sung 5%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100% Hình 11 Phân bố nồng độ CH4 (a) Oxy hòa trộn M6C4 bổ sung 10%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100% b Phương án bố trí vịi phun C C R UT.L D Hình 12 Trường vận tốc (a) trường tốc độ nồng độ CH4 (b) hòa trộn M6C4 bổ sung 10%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100% 21 Hình 13 Trường tốc độ nồng độ H2 hòa trộn M6C4 bổ sung 10%hydrogen, n=1400 v/p, bướm ga 100% Hình 4.13 giới thiệu kết tính tốn trường nồng độ H2 hỗn hợp qua hòa trộn C C R UT.L D (a) (b) Hình 14 Phân bố trường vận tốc theo (a) nồng độ CH4 (b) nồng độ Oxy hòa trộn Biogas bổ sung 10%hydrogen, n=2200 v/p, bướm ga 100% 22 Hình 16 Phân bố trường vận tốc theo nồng độ CO2 hòa trộn Biogas bổ sung 10%hydrogen, n=2200 v/p, bướm ga 100% Hình 15 Phân bố trường vận tốc theo nồng độ H2 hòa trộn Biogas bổ sung 10%hydrogen, n=2200 v/p, bướm ga 4.2.2 Ảnh hưởng phương án cấp hydrogen 100% đến hệ số tương đương  Cuối q trình nén (góc quay trục khuỷu khoảng 340 ÷ 360 0), nồng độ khối lượng môi chất xylanh động bắt đầu ổn định Chính vậy, ta kiểm tra thành phần biogas hydrogen cung cấp trình nạp tính hệ số tương đương Xét phương trình phản ứng: CH4 + 2O2 3CO2 + 2H2O (4.1) Xch4 H2 + 1/2 O2 H2O (4.2) XH2 Nồng độ oxy lý thuyết tính theo phương trình trên, dựa vào nồng độ nhiên liệu sử dụng Xch4, XH2 xuất từ số liệu mơ góc quay trục khuỷu khoảng 340 ÷ 360 C C R UT.L D Hệ số tương đương: tính lượng oxy lý thuyết lượng oxy sử dụng thực tế nạp vào động 23 Ba trường hợp sau xảy hỗn hợp: Hỗn hợp giàu: >1 Hỗn hợp cháy hoàn toàn lý thuyết: Hỗn hợp nghèo: =1