L ỜI CẢM ƠN
v. Ý nghĩa khoa học và th ct in ễ
3.2.2. Xây dựng mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost
Trên cơ sở các thông s k t c u, các tài li u liên quan v ố ế ấ ệ ề động cơ thự ếc t D243, t nh ng ph n t có sừ ữ ầ ử ẵn tương ứng trong AVL-Boost, NCS đã thực hi n xây d ng ệ ự được mô hình động cơ D243 như thể ệ hi n trên Hình 3.3 và g m các ph n t ồ ầ ử như thể hi n trong B ng 3.2. ệ ả
Bảng 3. Các phần tử của mô hình động cơ 2. D243 trên AVL-Boost TT Tên ph n t ầ ử S ố lượng 1 Điều ki n biênệ 2 2 L c khíọ 1 3 Động cơ 1 4 Phầ ửn t phân dòng 4 5 Xylanh 4 6 C n dòngả 10 7 Bình n ápổ 3 8 Điểm đo 13 9 Đường ngố 26 10 L c khíọ 1 11 Động cơ 1
Hình 3.3. Mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost
3.2.3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình
Độ tin c y cậ ủa mô hình được đánh giá thông qua mức độ sai l ch gi a k t qu ệ ữ ế ả mô ph ng và th c nghi m, c ỏ ự ệ ụ thể NCS đánh giá sai lệch các ch tiêu kinh t , k ỉ ế ỹ thuật gi a mô ph ng và th c nghi m tữ ỏ ự ệ ại đường đặc tính ngoài của động cơ, như thể hi n trên B ng 3.3 và Hình 3.4. ệ ả
67
Bảng 3. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng theo đặc tính ngoài của động cơ 3.
D243 tại phòng thí nghiệm C15, Trường ĐHBK Hà Nội [80]
TT (v/ph) n Ne (kW) lệch Sai (%) ge (g/kW.h) Sai lệch (%) Thực
nghiệm Mô phỏng nghiệmThực Mô phỏng
1 1000 26,68 27,98 4,87 281,26 268,18 4,65 2 1200 32,1 33,38 3,99 274,49 263,98 3,83 3 1400 40,65 41,98 3,27 270,77 262,16 3,18 4 1600 47,11 48,26 2,44 269,28 262,86 2,38 5 1800 49,56 49,52 0,08 267,14 267,38 0,09 6 2000 50,35 48,74 3,20 268,21 277,08 3,31 7 2200 54,08 51,56 4,66 272,51 285,86 4,90
Ta th y k t qu gi a th c nghi m và mô phấ ế ả ữ ự ệ ỏng là tương đồng, sai l ch công suệ ất và su t tiêu th nhiên liấ ụ ệu đều nh ỏ hơn 5% (sai lệch l n nh t là 4,90 ớ ấ % ở ố s vòng quay 1000 v/ph), sai l ch trung bình trên toàn ph m vi tệ ạ ốc độ là 0,95% đố ới v i công suất và 0,82% đối v i su t tiêu th nhiên li u. Các k t qu cho th y các sai l ch ớ ấ ụ ệ ế ả ấ ệ gi a mô ph ng và th c nghiữ ỏ ự ệm đều nh ỏ hơn 5%, như vậy mô hình mô phỏng đã đảm bảo độ tin c y c n thiậ ầ ết để có th s d ng mô hình này trong tính toán, mô ể ử ụ ph ng các ch làm vi c khác cỏ ở ế độ ệ ủa động cơ.
Hình 3.4. So sánh công suất và tiêu thụ nhiên liệu ở đường đặc tính ngoài của động cơ
3.2.4. Chạy mô phỏng và phân tích đánh giá kết quả tại các đặc tính bộ phận của động cơ
3.2.4.1. Tỷ lệ năng lượng nhiệt chuyển đổi thành công có ích
T l ỷ ệ lượng nhi t chuy n thành Ne (qệ ể e) của động cơ được th hi n trên Hình 3.5 ể ệ và Hình 3.6. K t qu cho thế ả ấy, khi tăng tải thì qe tăng dầ ứn ng v i các tớ ốc độ khác nhau và đạt giá tr l n nh t t i toàn t i t 29,5÷32%. T i m i v trí t i, khi tị ớ ấ ạ ả ừ ạ ỗ ị ả ốc độ động cơ tăng qe có xu hướng gi m dả ần. Xu hướng này có th do công tể ổn hao cơ giới tăng khi tăng tốc đ động cơ. ộ
68
Hình 3.5. Lượng nhiệt chuyển thành công có ích (kW)
Hình 3.6. Tỷ lệ lượng nhiệt chuyển thành công có ích (%)
3.2.4.2. Tỷ lệ năng lượng nhiệt truyền cho nước làm mát
Phần lớn lượng nhi t truy n qua thành vách s truy n cho môi ch t làm mát, ệ ề ẽ ề ấ thông qua b ộ phận t n nhi t (qu t, két) trong h ả ệ ạ ệthống lượng nhiệt này được phân tán ra môi trường xung quanh. Lượng nhi t này ph thu c r t nhiệ ụ ộ ấ ều vào các điều ki n hoệ ạt động của ĐCĐT. Với động cơ D243, dầu bôi trơn được làm mát b ng ằ nước, do đó lượng nhiệt mang đi bởi nước làm mát chi m kho ng 96% tế ả ổng lượng nhi t truyệ ền qua thành vách ĐCĐT, phần còn lại do quá trình đối lưu tự nhiên và truyền nhi t b c x [81]. Hình 3.7 và Hình 3.8 cho th y t l t n thệ ứ ạ ấ ỷ ệ ổ ất năng lượng
69
qua thành vách ở các điều ki n v n hành khác nhau cệ ậ ủa ĐCĐT. Tỷ ệ l này là khoảng 35% khi ĐCĐT hoạt động u ki n t i nh và kho ng g n 30% vở điề ệ ả ỏ ả ầ ới điều ki n t i ệ ả và tốc độ cao.
Hình 3.7. Lượng nhiệt động cơ truyền qua thành vách (kW)
Hình 3.8. Tỷ lệ lượng nhiệt động cơ truyền qua thành vách (%)
M t mát nhi t cho h ng làm mát cao dấ ệ ệthố ẫn đến hi u su t có ích th p. Nguyên ệ ấ ấ nhân chính c a vủ ấn đề này đó là do trong quá trình tính toán thiết k h ng làm ế ệthố mát truy n th ng các chi ti t trong h ề ố ế ệ thống được tính toán trong điều ki n mệ ất nhi t tệ ối đa. Trong khi đó, tốc độ dòng nước làm mát t l ỷ ệthuận v i tớ ốc độ ủa bơm c nước dẫn đến làm tăng mất mát nhi t các ch t i b ph n. Làm mát quá m c s ệ ở ế độ ả ộ ậ ứ ẽ làm gi m hi u su t nhiả ệ ấ ệt đồng thời lưu lượng nước tăng lên cũng làm tăng công tổn hao dẫn động bơm nước.
70 3.2.4.3. Năng lượng nhiệt do khí thải mang đi
Năng lượng nhi t do khí thệ ải mang đi chi phối ph n l n t n thầ ớ ổ ất năng lượng c a ủ động cơ diesel. Sự phân b nhi t khí thố ệ ải được th hi n trên Hình 3.9 và Hình 3.10. ể ệ
Có th nh n thể ậ ấy lượng và t l ỷ ệ năng lượng tăng theo tốc độ và t i trả ọng ĐCĐT. T l ỷ ệphần trăm năng lượng dao động t ừ 28% đến 44%, tương đương hoặ ớn hơn c l hi u su t có ích cệ ấ ủa ĐCĐT ở cùng ch . Nhiế độ ệt độ và tốc độ lưu động c a dòng ủ khí th i cao vùng tả ở ốc độ cao của ĐCĐT sẽ làm tăng tỷ ệ năng lượ l ng nhi t mang ệ đi bởi khí th i. Tuy nhiên, phả ần trăm năng lượng nhiệt này có xu hướng gi m d n ả ầ khi tải trọng ĐCĐT tăng dần.
Hình 3.9. Lượng nhiệt mà động cơ truyền cho khí thải (kW)
71
3.2.4.4. Năng lượng nhiệt mất mát do các tổn hao khác của động cơ
Hình 3.11. Lượng nhiệt mất mát do các tổn hao khác của động cơ (kW)
Hình 3.12. Tỷ lệ năng lượng nhiệt mất mát do các tổn hao khác của động cơ (k%)
Toàn b ộ năng lượng nhiệt do đốt cháy nhiên liệu trong ĐCĐT được chia thành: nhi t chuy n thành công có ích, nhi t truy n cho ệ ể ệ ề nước làm mát, nhi t do khí thệ ải mang đi và các tổn th t nhi t khác (ph n l n là do tấ ệ ầ ớ ổn hao cơ giới, ngoài ra là t n ổ thất do đường n p, th i, do b c x nhi t, do nhiên li u không cháy hạ ả ứ ạ ệ ệ ết, …). Kết qu ả mô ph ng ph n nhiỏ ầ ệt này được th hi n trong Hình 3.11 và Hình 3.12, T l ng ể ệ ỷ ệ lượ nhi t này qệ cl (%) thay đổi trong ph m vi khá r ng t ạ ộ ừ 5 ÷ 35%, có xu hướng t l ỷ ệ thuận v i tớ ốc độ và t l ngh ch vỷ ệ ị ớ ả ộng cơ.i t i đ
72
3.3. Tính toán, thiết kế các thiết bị trong hệ thống
T k t qu mô phừ ế ả ỏng động cơ D243 bằng ph n m m Aầ ề VL-Boost m c 3.2, các ở ụ thông s ố(nhiệt nước làm mát, nhi t khí th i và các thông s v t lý c khí th iệ ả ố ậ ủa ả ) như thể ệ hi n trong B ng 3.4 và B ng 3.5, t ả ả ừ đó NCS tính toán, thi t k ế ế kích thước và k t ế c u két thu h i nhiấ ồ ệt nước làm mát và nhi t khí th i s ệ ả ẽ được trình bày ph n tiở ầ ếp theo.
Bảng 3. . Nhiệt lượng của ĐCĐT ở các chế độ tải và n = 2200 v/ph4
STT Nhiệt lượng Chế độ tải (%) 20 40 60 80 100
1 Qe (kW) 11,70 22,99 33,42 42,92 51,56
2 Qthải (kW) 32,54 39,49 45,80 51,87 58,20
3 Qlm (kW) 20,42 26,02 32,09 38,54 45,50
Bảng 3. Thông số dòng khí thải tại tốc độ 2200 v/ph5.
STT Thông số Chế độ tải (%) 20 40 60 80 100
1 tkt (0C) 366,9 431,4 488,7 542,7 597,7
2 wkt (m/s) 78,30 85,30 91,20 96,60 101,90
3 Gkt (g/s) 85,49 84,59 83,65 82,68 81,73
4 pkt (bar) 1,02 1,02 1,03 1,03 1,03
3.3.1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR
3.3.1.1. Tính toán, thiết kế két thu hồi nhiệt nước làm mát
Hình 3.13. Bản vẽ thiết kế CHR
V i m c tiêu thu h i tớ ụ ồ ối đa nhiệt lượng của nước làm mát và đồng thời đảm bảo quá trình hoạt động của ĐCĐT, kích thước két thu h i nhiồ ệt nước làm mát ph i nh ả ỏ g n, tin cọ ậy để thuận ti n trong lệ ắp đặt. Do vậy, trên cơ sở đối tượng áp dụng là động cơ D243, cũng như khảo sát sơ bộ kích thước các thi t b trong h th ng, nên ế ị ệ ố két thu h i nhiồ ệt nước làm mát được tính toán l a ch n vự ọ ới các kích thước: Đường kính v CHR, D 200 mm và t ng chi u dài CHR, L 800 mm. Còn s ỏ ổ ề ố lượng, kích thước và cách b giàn ốtrí ống trao đổi nhiệt được tính toán trên cơ sở lý thuy t ế trao đổi nhiệt.
T k t qu tính nhiừ ế ả ệt lượng truyền cho nước làm mát, cho th y nhiấ ệt lượng nước làm mát t i ch Nạ ế độ e-max là l n nh t, do v y viớ ấ ậ ệc tính toán xác định s ng, kích ố ố
73
thước và cách b trí dàn ố ống trong CHR được th c hi n t i ch Nự ệ ạ ế độ e-max. Theo kết qu ả thể hiện trong B ng 3.4, t i ch này nhiả ạ ế độ ệt lượng truyền cho nước làm mát được xác định là Qlm = 45,5 (kW).
Ngoài ra, nhiệt độ nước biển trước khi vào bình hóa m phẩ ả ại đ t trong kho ng 65 ả ÷ 700C [35, 36, 39, 40], chênh l ch nhiệ ệt độ nước làm mát vào và ra ĐCĐT nằm trong kho ng 5 ÷ 7ả 0C ( ở đây NCS giả thiết nhiệt độ nước làm mát vào động cơ là 80oC, nhiệt độ nước làm mát ra kh i ỏ động cơ là 850C) [2 ÷ 5], các điều ki n này ệ được đảm b o nh viả ờ ệc điều ch nh linh ho t các van trong h th ng. ỉ ạ ệ ố
M t s ông s v t lý cộ ố th ố ậ ủa nước biển và nước làm mát được s dử ụng để tính toán:
- Nước làm mát t i nhiạ ệt độ t1 = (tnlm’+ tnlm’’)/2 = (80 + 85)/2 = 82,50C: h s ệ ố d n nhiẫ ệt: λnlm = 0,678 W/m.K; độ nh t nhiớ ệt động: νnlm = 0,33.10-6 m2/s; khối lượng riêng: ρnlm = 971,8 kg/m3; h s d n nhiệ ố ẫ ệt độ: anlm = 16,75.10-8 m2/s;
- N c bi n t i nhiướ ể ạ ệt độ t2 = (tnb’+ tnb’’)/2 = (25 + 65)/2 = 450C: nhi t dung ệ riêng của nước bi n: ể Cnb= 3915 (J/kg.K); nhđộ ớt động h c cọ ủa nước bi n: ể υnb = 1,03.10-6 (m2/s); h s d n nhiệ ố ẫ ệt độ ủa nướ c c bi n: aể nb = 1,48.10-7 (m2/s); h s d n nhi t cệ ố ẫ ệ ủa nước biển: λnb = 0,593 (W/m.K).
T các gi ừ ảthiết trên và áp d ng các công th c trong m c 2.3.1 t ụ ứ ụ ừ đó NCS đi tính toán két thu hồi nhiệt nước làm mát (CHR) kết quả được thể ệ hi n b ng 3.6. ả
Bảng 3. . Thông số cơ bản của két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR6
TT Thông s ố Ký hi u ệ Đơn vị Giá tr ị
1 Đường kính chùm ng ố d1/d2 mm 12,7/14,7
2 H s t a nhi t cệ ố ỏ ệ ủa nước bi n ể αnb W/m2.K 1054,89 3 H s t a nhi t cệ ố ỏ ệ ủa nước làm mát αnlm W/m2.K 2955,97 4 Độgiữa nướ chênh l ch nhic biệển và nướệt độc làm mát trung bình Δttb 0C 34,6 5 H s d n nhi t c a v t li u làm ng ệ ố ẫ ệ ủ ậ ệ ố inox W/m.K 15 6 H s truy n nhi t ệ ố ề ệ k W/m2.K 1217,6 7 Mật độ dòng nhi t truy n ệ ề q W/m2 4,21.104 8 Diện tích b m t truy n nhi t ề ặ ề ệ F m2 1,08 9 S ng ố ố n - 46 10 Chi u dài chùm ng ề ố L1 mm 550
11 Đườnước làm mát ng kính v c a két thu h i nhi t ỏ ủ ồ ệ D1/D2 mm 162,7/168,3 Như vậy két thu h i nhiồ ệt nước làm mát (CHR) có thông s ố như sau: V CHR có ỏ kích thước D1/D2 = 162,7/168,3 mm; và s ố ống trao đổi nhi t là 46 ng có chi u dài ệ ố ề L = 550 mm. V i s ng là 46 ớ ố ố ống ta có 3 phương án sắp xếp như thể hi n trong ệ Hình 3.14. Do đó để đánh giá khả năng thu hồi nhiệt nước làm mát cũng như kiểm tra l i quá trình tính toán lý thuy t, NCS s d ng ph n mạ ế ử ụ ầ ềm Ansys Fluent để mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt trong CHR cũng như lựa chọn được phương án bốtrí ống trong CHR sao cho h p lý nh t. ợ ấ
74
Hình 3.14. Các phương án bố trí ông trao đổi nhiệt trong CHR
a) - Kiể ục giác đều l u; b); c) - Kiểu đường trong đồng tâm
3.3.1.2. Mô phỏng CHR trên Ansys Fluent • Xây dựng mô hình CHR
Bảng 3. Thông số kết cấu chung của CHR7.
Các thông s ố Giá tr ị
T ng chi u dài ổ ề 812 mm
Kích thước v CHR ỏ 162,7/168,3 mm
S ng ố ố 46
Kích thướ ống trao đổc i nhi t ệ 12,7/14,7mm
Chi u dài ng ề ố 550 mm
Đường kính đầu vào và ra của nước làm mát 40 mm
Đường kính đầu vào ra của nước bi n ể 40 mm
Trên cơ sở ế k t qu tính toán nhiả ệt lượng truy n cho ề nước làm mát và cơ sở lý tính toán kích thước CHR như ở trên, CHR được tính toán thi t k v i k t c u và ế ế ớ ế ấ các kích thước cơ bản th hi n trên B ng 3.7: phía bên ngoài v CHR ể ệ ả ỏ có kích thước D1/D2 = 162,7/168,3 mm; bên trong b trí 46 ố ống trao đổi nhi t v i 3 cách s p xệ ớ ắ ếp khác nhau, trên thân CHR b trí các c a cố ử ấp và thoát nước làm mát động cơ và nước biển. Ngoài ra để nâng cao hi u suệ ất trao đổi nhi t, nên bên trong CHR s b ệ ẽ ố trí các cánh dẫn hướng dòng ch y bên ngoài các ng. V i k t cả ố ớ ế ấu như vậy, nước làm mát của động cơ sẽ được đi bên trong dàn 46 ống còn nước biển đi phía ngoài các ống trao đổi nhiệt.
75
Hình 3.15. Mặt cắt mô hình 3D của CHR
a) Ki u lể ục giác đều b) và c) Ki; ểu đường tròn đồng tâm
Trên cơ sở ế k t c u CHR th hi n trên Hình 3.14, mô hình 3D gấ ể ệ ồm dòng nước làm mát, nước bi n và ể ống trao đổi nhi t cệ ủa 3 phương án được xây d ng b ng ự ằ ph n mầ ềm Solidworks (như được th hiể ện Hình 3.15), sau đó đưa vào phần mềm
Ansys Fluent để chia lưới. Sau khi có mô hình đưa vào môi trường mô ph ng ỏ Ansys Fluent thì c n ti n hành th c hi n khai báo các khầ ế ự ệ ối, các đầu vào ra của nước bi n, ể nước làm mát và các mặt trao đổi nhiệt. Trong quá trình chia lưới CHR, cần lưu ý b mề ặt trao đổi nhi t, ph n giáp ranh gi a các ph n phệ ầ ữ ầ ải được chia lưới đủ ố t t để tránh đượ ỗc l i trong quá trình ch y mô ph ng. ạ ỏ
Bảng 3. . Điều kiện biên cho mô hình khi động cơ 8
làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi
Tải (%) (kg/s) Gnlm tnlm(0C) ’ tnlm(0C” ) (tnb0C’) tnb(0C”) 10 0,84 85 80 25 65 20 0,99 85 80 25 65 30 1,09 85 80 25 65 40 1,25 85 80 25 65 50 1,40 85 80 25 65 70 1 68 85 80 25 65 80 1,84 85 80 25 65 90 1,94 85 80 25 65 100 2,11 85 80 25 65
Dựa trên cơ sở ế k t qu tính toán nhiả ệt lượng truyền cho nước làm mát của động