(Luận văn thạc sĩ) thiết kế chế tạo bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu biogas hydrogen cho động cơ diesel cỡ nhỏ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG  NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG C C R L T THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHỤ KIỆN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU DU BIOGAS – HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Đà Nẵng - Năm 2020 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐÀ NẴNG  NGUYỄN TUẤN PHƯƠNG C C THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHỤ KIỆN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU R L T BIOGAS – HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ DU Chuyên ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ MINH ĐỨC Đà Nẵng - Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết tơi trình bày luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn D T U R L C C Nguyễn Tuấn Phương THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHỤ KIỆN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU BIOGAS – HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠDIESEL CỠ NHỎ Học viên: Nguyễn Tuấn Phương Chuyên ngành: Kỹ thuật khí động lực Mã số: 85.20.11.6 Khóa: K36 Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt- Việc nghiên cứu ứng dụng nhiên liệu cho động đốt cần thiết, phù hợp với xu chung Đối với động cỡ nhỏ kéo máy phát điện có ý nghĩa việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường tiết kiệm chi phí lượng Biogas nghèo chứa hàm lượng Ch4 thấp nên chất lượng trình cháy bị ảnh hưởng thay đổi chế độ tải động Vì vậy, việc bổ sung hydrogen có lợi động cung cấp hỗn hợp nghèo Bộ cung cấp biogas-hydrogen gồm họng ventury bổ sung vòi cấp hydrogen Chế độ tải động độ đậm đặc hỗn hợp xác định thơng qua trường tốc độ Dịng khí qua tạo hỗn hợp mô phần mềm Fluent Kết cho thấy mơ dịng chảy qua hệ thống dự báo xáo trộn dịng chảy qua hịa trộn Từ khóa – Nhiên liệu tái tạo; Biogas; Hydrogen; Động biogas, hệ số tương đương C C R L T MANUFACTURING DESIGN FOR FUEL SUPPLIES BIOGAS - HYDROGEN FOR SMALL ENGINE DIESEL ENGINE DU Abstract – Research and application of clean fuels for internal combustion engines is needed, consistent with the current general trend The small engines pulling generators, it is more usefull to reduce environmental pollution and save energy Due to low CH4 content in the poor biogas, the quality of combustion process of biogas engine is seriously affected by changing of engine load regime So, Hydrogen supplementation is beneficial when the engine is provides poor mixtures The compact biogas –hydrogen fuel supply kit includes: mixing throat and additional hydrogen supply hose The Fluid flowing through the mixture is simulated by FLUENT code The load regime and equivalent ratio of mixture are determined via velocity field The results show simulate the fuid flowing though the system to assess the disturbance of flow through the mixer Key words - Renewable fuels; Biogas; Hydrogen; Biogas engines, equivalent ratio DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ LA TINH Vh [m3]: Dung tích xi lanh n [vịng/phút]: Số vịng quay Db [m]: Đường kính buồng hỗn hợp Wi [J]: Công thị f: Hệ số thành phần hỗn hợp ffuel: Thành phần nhiên liệu hỗn hợp fsec: Thành phần nhiên liệu thứ cấp hỗn hợp fox: Thành phần chất oxy hóa hỗn hợp psec : Giá trị tương đối thành phần hỗn hợp thứ cấp p_air_in [Pa]: Áp suất dư đầu vào khơng khí C C R L T Áp suất dư đầu vào biogas p_biogas_in [Pa]: DU p_mix_out [pa] : đầu tạo hỗn hợp tính tốn Pe [kW] : Áp suất dư hỗn hợp biogas-khơng khí Công suất động Pi [kW] : Công suất có ích động Qkk [kg/s] : Lưu lượng khơng khí Qbio [kg/s] : Lưu lượng biogas Qhv [MJ/m3] : Nhiệt trị thấp cảu hỗn hợp Suser : Đại lượng nguồn người sử dụng định nghĩa Tốc độ màng lửa rối Ut [m/s] : CÁC KÝ HIỆU MẪU TỰ HY LẠP φ [độ] : Góc quay trục khủy φs [độ] : Góc phun sớm (góc phun diesel mồi) ε: Tỉ số nén ρu : Khối lượng riêng hỗn hợp chưa cháy λ: Hệ số dư lượng khơng khí ϕ: Hệ số tương đương ηm : Hiệu suất giới CÁC CHỮ VIẾT TẮT ASME : American Society of Mechanical Engineer (Hội kĩ sƣ khí Hoa Kỳ) C: Carbon CNG : Compressed Natural Gas (Khí thiên nhiên nén) ĐCT: Điểm chết DOE : Department of Energy (Cơ quan/Bộ lƣợng) DME : Dimethyl ether (nhiên liệu lỏng sinh học ) EGR : Exhaust Gas Recirculation (Hệ thống tuần hồn khí thải) LPG : Liquefied Petroleum Gas (Khí dầu mỏ hóa lỏng) MCFC: Molten carbonate fuel cells (Pin nhiên liệu carbonat nóng chảy) MON : Motor Octane Number (Chỉ số octan động cơ) C C DU R L T MỤC LỤC Lời cam đoan Danh mục ký hiệu, chữ viết tắt Mục lục Danh mục bảng Danh mục hình Mở đầu CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 VẤN ĐỀ NĂNG LƯỢNG VÀ 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 C C 1.3.1.2 Năng lượng gió 1.3.1.3 Năng lượng địa R L T 1.3.1.4 Thuỷ điện thuỷ điện nhỏ 10 1.3.1.5 Năng lượng hạt nhân 11 DU 1.3.1.6 Nguồn lượng khác 11 1.3.2 Ưu nhiên liệu Biogas 13 1.4 TIÊU CHUẨN ĐỐI VỚI KHÍ THIÊN NHIÊN VÀ NHIÊN LIỆU THAY THẾ 14 1.4.1 Nhiệt trị cháy (Heating Value-HV) 14 1.4.2 Tỷ trọng tiêu chuẩn (Specific Gravity – SG) 14 1.4.3 Chỉ số Wobbe (Wobbe Index) 14 1.4.4 Chỉ số methane (Methane Number) 15 1.5 NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 16 1.5.1 Tính chất Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt 16 1.5.2 Yêu cầu Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt trong: 17 1.6 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU BIOGAS HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL .18 1.6.1 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu biogas - hydrogen động diesel giới 18 1.6.2 Tình hình nghiên cứu sử dụng nhiên liệu biogas - hydrogen động diesel Việt Nam 20 1.7 NHẬN XÉT 24 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS – HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 25 2.1 TÍNH CHẤT LÝ HĨA CỦA KHÍ HYDROGEN 25 2.2 TÍNH CHẤT LÝ, HOÁ CỦA NHIÊN LIỆU BIOGAS 26 2.2.1 Thành phần chủ yếu Biogas [3] 26 2.2.2.Tính chất Biogas 26 2.2.3 Nhiệt trị Biogas 27 2.3 NHIÊN LIỆU BIOGAS SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG 27 2.3.1 Tính chất Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt 27 2.3.2 Yêu cầu Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động đốt trong: 28 2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA HỖN HỢP CUNG CẤP CHO ĐỘNG CƠ DUAL FUEL BIOGAS-DIESEL 29 2.4.1 Ảnh hưởng độ đồng hỗn hợp đến trình cháy 29 2.4.2 Lý thuyết trình cháy hỗn hợp hòa trộn trước cục 30 2.5 NHẬN XÉT 30 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ CUNG CẤP BIOGAS-HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ .32 GIỚI THIỆU ĐỘNG CƠ DIESEL EV2600NB 32 3.1.1 Giới thiệu chung 32 3.1.2 Khảo sát hệ thống cung cấp nhiên liệu động EV2600-NB 33 C C R L T DU 3.2 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 34 3.2.1 Yêu cầu cung cấp hỗn hợp Biogas-hydrogen cho động 34 3.2.2 Các phương án cấp Biogas cho động EV2600NB 34 3.2.2.1 Phương án a: Phun Biogas-hydrogen đường nạp 34 3.2.2.2 Phương án b: Sử dụng hòa trộn, điều khiển van tiết lưu điện tử 35 3.2.2.3 Phương án c: Sử dụng hòa trộn, điều khiển van tiết lưu khí 37 3.2.3 Chọn phương án thiết kế 38 3.3 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ .38 3.3.1 Hệ thống cung cấp Biogas cho động 38 3.3.2 Bộ hòa trộn cung cấp Biogas bổ sung hydrogen cho động 39 3.3.2.1 Yêu cầu, nhiệm vụ, phân loại hỗn hợp 39 3.3.3 Phương án thiết kế hòa trộn 41 3.3.4 Tính tốn hịa trộn 41 3.3.4.1 Sơ đồ tính tốn hịa trộn 41 3.3.4.2 Đường kính họng khuếch tán 42 3.3.4.3 Đường kính đường ống cấp Biogas vào họng hòa trộn 45 3.3.4.4 Các phương án cấp Biogas vào họng khuếch tán hịa trộn 46 3.3.5 Tính tốn van tiết lưu 49 3.3.5.1 Nhiệm vụ, yêu cầu van tiết lưu 49 3.3.5.2 Phân loại van tiết lưu 49 3.4 KẾT CẤU BỘ HÒA TRỘN 50 3.5 NHẬN XÉT 51 CHƯƠNG MÔ PHỎNG DỊNG CHẢY CỦA KHƠNG KHÍ VÀ HỖN HỢP BIOGAS –HYDROGEN VÀO ĐỘNG CƠ 52 4.1 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG 52 4.1.1 Sơ đồ khối phương pháp mô 52 4.1.2 Cơ sở lý thuyết phương pháp mô 52 4.1.3 Xây dựng mơ hình hỗn hợp Ansys® Fluent V16 55 4.1.4 Chia lưới chọn điều kiện tính toán 56 4.1.4.1 Chia lưới 56 4.1.4.2 Các điều kiện tính tốn 57 4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ TRONG CÁC TRƯỜNG HỢP 58 4.2.1 Phân bố nồng độ chất tốc độ dòng chảy qua hòa trộn 58 C C R L T 4.2.2 Ảnh hưởng phương án cấp hydrogen đến hệ số tương đương  64 DU 4.3 NHẬN XÉT 66 KẾT LUẬN 66 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Minh họa khai thác tài nguyên ô nhiễm môi trường [6] Hình Nhà máy điện chạy lượng mặt trời Hình Các tuốc bin gió Hàn Quốc, phát điện nhờ sức gió, tận thu cách gián tiếp lượng Mặt Trời Hình Khung cảnh bên ngồi nhà máy điện hạt nhân 11 Hình 3.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu động EV2600-NB 34 Hình Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp Biogas-hydrogen vòi phun điều khiển điện tử 34 Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cung cấp Biogas điều khiển điện tử 36 C C Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý hệ thống cấp Biogas điều khiển khí 37 Hình 3.5 Sơ đồ hệ thống cung cấp Biogas cho động 39 R L T Hình 3.6 Các kiểu hịa trộn 40 DU Hình 3.7 Kết cấu số kiểu hòa trộn .41 Hình 3.8 Sơ đồ tính tốn hịa trộn 42 Hình 3.9 Sơ đồ tính tốc độ khơng khí qua họng 43 Hình 10 Kết cấu hịa trộn có tiết diện cung cấp Biogas hình vành khăn 47 Hình 3.11 Kết cấu hịa trộn có lỗ cấp Biogas phân bố 48 Hình 3.12 Kết cấu hịa trộn 49 Hình 13 Phân loại loại van 50 Hình 14 Kết cấu hịa trộn hình vành khăn 50 Hình Sơ đồ khối phương pháp mô 52 Hình (1) Bổ sung vịi phun hydrogen có đường kính 4mm 56 Hình (2) Bổ sung vịi phun hydrogen có đường kính 4mm 56 Hình 4 Mơ hình chia lưới (a) vòi phun H2 (b) vòi phun H2 57 Hình Phân bố (a) nồng độ CH4 (b) Oxy hòa trộn M6C4 bổ sung 5%hydrogen, n=2200 v/p, BG 100% 58 Hình Phân bố nồng độ hydrogen hòa trộn M6C4 bổ sung 5%hydrogen n=2200 v/p, bướm ga 100% 59 C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T C C DU R L T ... 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 biogashydrogen cho động Diesel cỡ nhỏ Ngồi mục đích giảm thiểu... C C THIẾT KẾ CHẾ TẠO BỘ PHỤ KIỆN CUNG CẤP NHIÊN LIỆU R L T BIOGAS – HYDROGEN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CỠ NHỎ DU Chuyên ngành : Kỹ thuật khí động lực Mã số : 85.20.11.6 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ KHÍ... án thiết kế 38 3.3 TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ .38 3.3.1 Hệ thống cung cấp Biogas cho động 38 3.3.2 Bộ hòa trộn cung cấp Biogas bổ sung hydrogen cho động