Us= S(Th - Tc) = S.∆T (4.1) Khi Us phát ra nhờ hiệu ứng nhiệt điện. TEG sẽ phát ra một điện áp UL mà ta
xem như một nguồn điện có suất điện động Es và điện trở trong Ri. Theo đó ta có phương trình cân bằng của mô-đun TEG là:
Us = Es (4.2)
Xét mạch điện ngõ ra của TEG như Hình 4.1 ta có các phương trình như sau:
= � ��+� = .∆� ��+� (4.3) = .� =� − .�� = .∆� −�.∆� �+� .�� (4.4) � = . = 1− �� ��+� . 2.∆�2 ��+� .� (4.5)
Trong công thức (4.5), PLlà công suất đầu ra của TEG. Hiệu suất của TEG có công thức như sau: [16]
ŋ�� =∆� �ℎ. 1+�� 2 −1 1+��−��/�ℎ (4.6)
Trong công thức trên Zlà hệ số nhiệt điện. �= 2� � (4.7) � =−12.��. 2+ . .�ℎ + �.∆� (4.8) � =12. Ri. IL2+ S. IL. Tc+ �.∆T (4.9) Kt - Hệ số dẫn nhiệt [W/K] S - Hệ số Seebeck σ - Độ dẫn điện [S/m]
T - Nhiệt độ hoạt độngcủa TEG [K] � - Nhiệt vào TEG [W]
� - Nhiệt ra TEG [W]
4.2. Thi tăk ch ătạoămôăhìnhăthíănghi m
4.2.1. Thi tăk ăbộătraoăđổiănhi tăchoă1ămô-đun TEG
Mô-đun nhiệt điện chọn làm thí nghiệm là mô-đun HTG1-12710 được chế tạo tại nhà máy 2 SHADY LN, khu công nghiệp KENDALL, Mỹ. Với chức năng
chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng, HTG1-12710 là mô-đun thuộc kiểu nhiệt độ
cao có hình dạng như Hình 4.2.
Hình 4.2: Hình chụp mô-đun HTG1-12710
Là mô-đun nhỏ, có kích thức dài - rộng - cao là 40mm - 40mm - 3mm. Nhiệt
độ hoạt động ổn định trung bình là 230OC, mức điện áp tối đa 18V tuỳ theo mức độ
chênh lệch giữa mặt nóng và mặt lạnh. Để thí nghiệm xác định thông số hoạt động của HTG1-12710, người nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt có độ chênh lệch đặt vào mặt nóng và mặt lạnh của mô-đun. Mức nhiệt độ được kiểm soát nhờ cảm biến nhiệt độ và nguồn nhiệt được lấy từđầu khò gas. Mặt lạnh của TEG được giải nhiệt bằng hệ thống nước làm mát. Mô hình thí nghiệm được thiết kế bằng phần mềm SolidWork như Hình 4.3.
Với bộ thí nghiệm được thiết kế như trên, 2 chất lỏng được đưa vào khoang
của 2 bề mặt trao đổi nhiệt. Khoang nóng được điền đầy dầu DO còn khoang lạnh
cho nước làm mát đi qua và giải nhiệt ở két nước có quạt làm mát. Cả hai khoang
được lắp đặt cảm biến nhiệt độ loại K có hình dạng như Hình 4.4.
Hình 4.4: Đầu dò nhiệt độ loại K
Khoảng không gian giữa hai khoang nhiệt độ được điền đầy bông thuỷtinh để
cách nhiệt, tránh trường hợp nhiệt độ truyền từ khoang nóng sang khoang lạnh mà không qua mô-đun TEG.
4.2.2. Ch ătạoăvƠălắpăđặtămôăhìnhăthíănghi m
Với thiết kếnhư ở trên, bộtrao đổi nhiệt sau khi chế tạo có hình dạng như Hình 4.5.
Hình 4.5: Bộtrao đổi nhiệt thí nghiệm mô-đun HTG1-12710
Cảm biến nhiệt độ loại K trong hai khoang chứa chất lỏng được đưa về làm đầu vào cho tín hiệu của đồng hồ đo nhiệt độ WINPARK CHB-401. Đồng hồ này vừa có chức năng hiển thị nhiệt độ vừa có chức năng điều khiển quạt làm mát theo nhiệt
độ định mức cài đặt trên đồng hồ. Hình dạng bộ kiểm soát nhiệt độ WINPARK CHB-401 như Hình 4.6.
Hình 4.6: Bộ kiểm soát nhiệt độ WINPARK CHB-401
Bên cạnh việc đo nhiệt độ bằng các cảm biến kiểu tiếp xúc như đã nói ở trên. Trong thí nghiệm cần đo nhiệt độ trên các bề mặt hoạt động. Để thực hiện việc này,
người nghiên cứu chọn đồng hồđo nhiệt hồng ngoại Fluke 62 mini như Hình 4.7 có
dải nhiệt độđo đạt tới 600OC.
Hình 4.7: Đầu đo nhiệt độ từ xa Fluke 62 mini
4.3. Thựcănghi măxácăđ nhăthôngăsốhoạtăđộng
4.3.1. Sơăđồăbốătríăthíănghi m
Để thí nghiệm thu thập dữ liệu về thông số của mô-đun HTG1-12710, người nghiên cứu chọn cách bố trí thí nghiệm như Hình 4.8.
Hình 4.8: Bố trí thí nghiệm thu thập dữ liệu
Trong sơ đồ bố trí thí nghiệm trên, một điện trởR=220 Ω được sử dụng để hạn chế dòng điện phát ra của TEG đồng thời dựa vào giá trị đo được của vôn kế V
chúng ta có thể biết được dòng điện đang phát từ mô-đun nhiệt điện. Bộ kiểm soát nhiệt độ khoang làm mát vừa hiển thị nhiệt độ vừa điều khiển nhiệt độ định mức
thông qua bơm nước P. Toàn cảnh thí nghiệm và đọc thông số thí nghiệm được ghi lại như Hình 4.9.
Hình 4.9: Thu thập dữ liệu trong khi làm thí nghiệm
4.3.2. Thíănghi măxácăđ nhăthôngăsốhoạtăđộng
Từ cách bố trí và các thiết bị đo kiểm trên, tiến hành thí nghiệm lấy số liệu,
người nghiên cứu thu được kết quảnhư Bảng 4.1.
Bảng 4.1Thông số thí nghiệm xác định thông số mô-đun TEG
Th[oC] Tc[oC] ΔT[oC] UL[V] IL[A] Us[V] S
98 56 42 1,470 0,0894 1,613 0,038394 101 57 44 1,533 0,0925 1,681 0,038207 104 58 46 1,603 0,0969 1,758 0,038215 108 59 49 1,698 0,1025 1,862 0,038002 111 60 51 1,748 0,1056 1,917 0,037587 113 60 53 1,810 0,1100 1,986 0,037463 117 61 56 1,893 0,1144 2,076 0,037072 120 62 58 1,953 0,1181 2,142 0,036928 127 65 62 2,080 0,1263 2,282 0,036802 129 66 63 2,108 0,1275 2,312 0,036696 139 67 72 2,393 0,1444 2,624 0,036451 146 67 79 2,535 0,1538 2,781 0,035200 149 67 82 2,618 0,1581 2,871 0,035016 152 68 84 2,68 0,1625 2,940 0,034999 156 69 87 2,778 0,1681 3,047 0,035021 160 69 91 2,888 0,1750 3,168 0,034808 163 70 93 2,948 0,1781 3,233 0,034767 165 70 95 3,008 0,1819 3,299 0,034728 168 70 98 3,080 0,1869 3,379 0,034476
Theo bảng số liệu thu thập được ở trên, ta thấy rằng hệ số Seebeck S phụ thuộc
vào độ chênh lệch nhiệt độ. Áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất bằng cách sử dụng hàm Polyfit trong Matlab ta có phương trình hồi quy tuyến tính xác định S
theo ∆Tnhư sau:
S = - 0,0722.10-3.∆T+41,3217.10-3 (4.10) Tiến hành lập bản số liệu đánh giá hàm hồi quy S = f(∆T) ta có số liệu như
Bảng 4.2.
Bảng 4.2 Bảng số liệu xác định hàm S=f(∆T)
TT ∆T S S=f(∆T) Sai số tuyệt đối Sai số tương đối
1 42 0,038394 0,0382893 0,0001047 0,2726989 2 44 0,038207 0,0381449 0,0000621 0,1625357 3 46 0,038215 0,0380005 0,0002145 0,5612979 4 49 0,038002 0,0377839 0,0002181 0,5739172 5 51 0,037587 0,0376395 0,0000525 0,1396760 6 53 0,037463 0,0374951 0,0000321 0,0856845 7 56 0,037072 0,0372785 0,0002065 0,5570242 8 58 0,036928 0,0371341 0,0002061 0,5581131 9 62 0,036802 0,0368453 0,0000433 0,1176566 10 63 0,036696 0,0367731 0,0000771 0,2101046 11 72 0,036451 0,0361233 0,0003277 0,8990151 12 79 0,035200 0,0356179 0,0004179 1,1872159 13 82 0,035016 0,0354013 0,0003853 1,1003541 14 84 0,034999 0,0352569 0,0002579 0,7368782 15 87 0,035021 0,0350403 0,0000193 0,0551098 16 91 0,034808 0,0347515 0,0000565 0,1623190 17 93 0,034767 0,0346071 0,0001599 0,4599189 18 95 0,034728 0,0344627 0,0002653 0,7639369 19 98 0,034476 0,0342461 0,0002299 0,6668407
Quan sát số liệu trong Bảng 4.2 ta thấy hàm hồi quy cho kết quả với sai số
tuyện đối trung bình là 0,0001756 và sai số tương đối trung bình là 0,49% . Với kết quả này đề tài có thể áp dụng phương trình 4.10 cho mô-đun nhiệt điện HTG1- 12710.
Kết hợp (4.10) và (4.1) ta có phương trình xác định điện áp phát ra của mô-
đun TEG theo sự chênh lệch nhiệt độnhư sau.
Từphương trình (4.10) và (4.11) kết hợp với bảng thông số thực nghiệm ta có
đặc tuyến hệ số S và điện áp phát ra US của TEG theo sự chênh lệch nhiệt độ như
Hình 4.10.
Hình 4.10 Đặc tuyến điện áp theo chênh lệch nhiệt độ của HTG1-12710
Áp dụng các thông số thu được, ứng dụng phần mềm Matlab người nghiên cứu tiến hành mô phỏng các đặc tuyến của TEG đểđánh giá khả năng ứng dụng thu hồi nhiệt. Mức nhiệt độ mặt lạnh khoảng 50OC, điện trở tải là 16 Ω. Đặc tuyến US
và UL theo nhiệt độ mặt nóng như Hình 4.11.
Hình 4.11 Đặc tuyến US và UL theo Th của HTG1-12710
Từđặc tuyến như Hình 4.11 ta thấy ở mức nhiệt độ mặt nóng khoảng 200OC
đến 250OC, điện áp mở mạch Us có thểđạt tới khoảng từ4V đến 5V với mức điện áp và nhiệt độ này hoàn toàn nằm trong giới hạn có thểứng dụng được cho việc thu hồi nhiệt khí thải động cơ. Tuy nhiên mặt lạnh của TEG là thông số chúng ta hoàn toàn có thể thay đổi được nhờ hệ thống làm mát. Chính vì vậy người nghiên cứu
tiến hành mô phỏng đặc tuyến công suất theo nhiệt độ mặt lạnh với ba mức nhiệt độ
là 40OC, 50OC và 60OC. Kết quả mô phỏng như Hình 4.12.
Hình 4.12 Đặc tuyến PL theo Thở các mức Tc của HTG1-12710
Từ Hình 4.12 ta thấy công suất của TEG có sự phụ thuộc khá lớn vào nhiệt
độ mặt lạnh. mức nhiệt độ mặt nóng từ 200 OC đến 250OC, công suất thu được có thểđạt được từ2W đến 3W. Với công suất này chúng ta có thể ghép nhiều mô-đun để thu được công suất lớn hơn. Bên cạnh sự phụ thuộc vào nhiệt độ, công suất của TEG còn phụ thuộc vào dòng điện tải. Hay nói cách khác là phụ thuộc vào điện trở
tải. Để lựa chọn được phương án ghép nối tốt nhất, người nghiên cứu mô phỏng đặc tuyến công suất theo tải. Kết quảđược trình bày ở Hình 4.13.
Qua các thông sốvà đặc tuyến thu được ở trên, người nghiên cứu chọn điều kiện TCở mức 40OC, điện trở tải 4Ω và Ththay đổi từ mức 80OC đến 280OC tương ứng với mức nhiệt độ có thể thực hiện thu hồi nhiệt thải để mô phỏng đặc tuyến của ba thông số cơ bản của TEG bao gồm UL, PL, và IL. Kết quả mô phỏng như Hình 4.14.
Hình 4.14: Đặc tuyến TEG trong điều kiện áp dụng thu hồi nhiệt thải
Theo kết quả mô phỏng như Hình 4.14, trong điều kiện hoạt động thực tế với mức nhiệt độ mặt nóng thu được từ khí xả thay đổi từ 80OC đến 280OC tương ứng với mức chịu đựng của HTG1-12710. Mỗi mô-đun TEG cho công suất từ0,5W đến
4,5W tương ứng với mức điện áp từ 1V đến 4V, dòng điện hoạt động trong giải
0,3A đến 1A. Với thông số như trên, chúng ta hoàn toàn có thể gép nối hỗn hợp nhiều mô-đun TEG để đạt được điện áp và dòng điện đủ lớn cung cấp cho các phụ
Chương 5
THI TăK CH ăT OăMỌăHỊNHă
MÁYăPHÁTăNHI TăĐI N
5.1. Thi tăk ăphầncơăkhí
5.1.1. Bộăthuăhồiănhi tăkhóiăthảiă
Bộ thu hồi nhiệt khí xả được thiết kế với mục đích thu hồi nhiệt năng của khí xả động cơ làm nguồn nóng cho thiết bị phát điện. Dòng khí nóng sau khi ra khỏi
động cơ sẽ cho đi qua bộ thu nhiệt và sấy nóng bộ thu nhiệt. Bộ thu hồi nhiệt có hai bộ phận chính. Bộ phận thứ nhất vừa làm thân thiết bị vừa dẫn dòng khí xả đi qua. Bộ phận thứ hai là bộ trao đổi nhiệt. Bộtrao đổi nhiệt có hai bề mặt với chức năng
khác biệt nhau. Bề mặt thu nhiệt từ khí xảđược lựa chọn kiểu vách phẳng có cánh. Bề mặt cấp nhiệt cho thiết bị nhiệt điện là một vách phẳng. Bộ thu hồi nhiệt được thiết kế bằng phần mềm SolidWorks có kết cấu như Hình 5.1.
Hình 5.1: Kết cấu thiết kế bộ phận thu hồi nhiệt máy phát nhiệt điện
Bộ thu hồi nhiệt được thiết kế có mặt cắt ngang như Hình 5.2.
Thân bộtrao đổi nhiệt được thiết kế với vật liệu thép có kết cấu như Hình 5.3.
Hình 5.3: Thân bộ thu nhiệt
Bộ phận trao đổi nhiệt bao gồm hai tấm tản nhiệt ngược được thiết kế bằng vật liệu nhôm, có hình dạng và kích thước như Hình 5.4. Mỗi tấm có một bề mặt phẳng kích thước 190 x 130 để cấp nhiệt cho thiết bị nhiệt điện, bề mặt còn lại có kết cấu kiểu vách có cánh. Mỗi tấm có 13 cánh có kích thước 2 x 170 x 35.
Hình 5.4: Tấm thu hồi nhiệt
Từ các thông số thiết kế như trên, ta có thể xác định diện tích trao đổi nhiệt giữa bộ thu nhiệt và khói thải Fe sẽ là:
5.1.2. BộăphậnălƠmămátăchoăthi tăb ănhi tăđi n
Bộ phận làm mát cho thiết bị nhiệt điện có chức năng giải nhiệt cho bề mặt lạnh của thiết bị nhiệt điện. Bộ phận này vừa tạo nhiệt độ chênh lệch so với mặt nóng vừa tản nhiệt cho hệ thống. Bộ phận làm mát được thiết kế với vật liệu nhôm có kết cấu như Hình 5.5.
Hình 5.5: Kết cấu bộ phận giải nhiệt
Kết cấu bộ tản nhiệt bao gồm hai tấm nhôm có kích thước 13 x 190 x 130 tách rời nhau được phay rãnh dẫn nước tản nhiệt và ghép nối với nhau bằng 6 bu long. Một tấm được gia công bề mặt để tiếp xúc với thiết bị nhiệt điên. Tấm còn lại gia công lỗtròn đường kính 12mm để gắn đường ống nước làm mát. Nước làm mát sẽ cho chảy qua khe giữa 2 bộ phận trên để mang nhiệt ra két làm mát. Tiết diện mặt cắt ngang của mộ tản nhiệt như Hình 5.6.
Hình 5.6: Tiết diện cắt ngang của bộ tản nhiệt
Nếu ta bỏ qua sự trao đổi nhiệt giữa bộ tản nhiệt với môi trường, xem quá
xúc của tấm tản nhiệt tiếp xúc với nguồn nhiệt. Diện tích trao đổi nhiệt giữa bộ tản nhiệt và nước làm mát Fw sẽ là:
Fw = 106 . 170 . 2 = 36040 [mm2] (5.2)
Nước làm mát sau khi đi qua bộ tản nhiệt sẽ dẫn tới két nước để giải nhiệt. Két
nước sử dụng cho việc làm mát được thiết kế theo quy chuẩn của két nước làm mát xe gắn máy tay ga. Két nước được làm mát nhờ một quạt gió và sử dụng bơm điện
để vận chuyển nước làm mát. Cách bố trí hệ thống giải nhiệt nước làm mát như
Hình 5.7.
Hình 5.7: Bố trí hệ thống két nước giải nhiệt
5.1.3. Bộăchuyểnăđổiănhi tăđi n
Bộ chuyển đổi nhiệt điện là một lớp vật liệu nhiệt điện có chức năng chuyển
đổi nhiệt năng thành điện năng. Bộ phận này được ghép nối tiếp 4 mô-đun nhiệt
điện HTG1-12710 có kích thước 40 x 40 x 4 thành mảng 500 cặp nhiệt điện có kích
thước 40 x 160 x 4 như Hình 5.8.
Trên một bề mặt trao đổi nhiệt của bộ thu nhiệt bố trí 2 mảng vật liệu song song với nhau, chạy dọc chiều dài của bộ thu hồi nhiệt. Điều này sẽ dẫn tới công suất thu được trên các mảng đều nhau, không phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ
theo chiều dài của kết cấu bộ thu nhiệt.
Với 4 mảng vật liệu bố trí trên 2 bề mặt trao đổi nhiệt như trên, tổng diện
tích trao đổi nhiệt của lớp vật liệu trao đổi nhiệt Ftesẽ là:
Fte = 4 . 160 . 40 = 25600 [mm2] (5.3) Tuy nhiên vì kết cấu vật liệu chuyển đổi nhiệt điện dễ bị phá hủy nên người nghiên cứu thiết kế thêm một lớp phíp cách nhiệt bao quanh các mảng vật liệu để
chịu lực va đập giữa hai bề mặt trao đổi nhiệt. Lớp chuyển đổi nhiệt điện này có hình dạng như Hình 5.9.
Hình 5.9: Bộ phận chuyển đổi nhiệt điện
Toàn bộ kết cấu của máy phát nhiệt điện được thiết kếnhư Hình 5.10.
5.2. Ch ătạoăvƠăth ănghi măbộăthuăhồiănhi t
Với bản thiết kế như trên, người nghiên cứu tiến hành gia công và lắp ráp hệ thống thu hồi nhiệt khói thải và hệ thống giải nhiệt nước làm mát. Bộ phận cơ
khí của hệ thống máy phát nhiệt điện sau khi chế tạo có hình dạng như Hình 5.11 và Hình 5.12.
Hình 5.11: Bộ phận giải nhiệt của máy phát nhiệt điện
Hình 5.12: Máy phát nhiệt điện sau khi gia công
Sau khi gia công, người nghiên cứu tiến hành thử nghiệm bộ phận thu hồi và tản nhiệt. Với mục đích đánh giá khả năng thu hồi nhiệt từ khí xả của bộ phận thu hồi và khảnăng giải nhiệt của bộ phận làm mát để bảo đảm an toàn cho các tấm vật
liệu nhiệt điện. Tiến hành thí nghiệm đo thông số nhiệt độ và đánh giá khả năng an