.2 Chu trình sản xuất Hydrogen từ tảo xanh

vi khuẩn (Micro - Fuel cell), tạo ra điện năng

Hình 3.2 Chu trình sản xuất Hydrogen từ tảo xanh . .

3.2. Quy trình và thiết bị sản xuất bộ sinh khí HHO quy mơ nhỏ

3.2.1. Quy trình sản xuất

Quá trình điện phân nước thu khí HHO xảy ra dưới tác dụng của dòng điện một chiều. Phương pháp này sử dụng công nghệ đơn giản, dễ dàng và có kết cấu nhỏ gọn (Hình1.1)

3.2.2. Thiết kế và lắp đặt bộ sinh khí

a. Bợ điện phân:

Bộ điện phân là một trong những bộ phận quan trọng nhất (Hình 3.4), lượng khí HHO nhiều hay ít phụ thuộc vào bình điện phân và điện áp. Nếu bình có lượng nước q lớn, việc sản xuất khí HHO sẽ chậm và ngược lại. Thân bình (1) và nắp bình (2) được làm bằng nhựa Plastic hay Inox, trên nắp bình có lỗ để bổ sung nước (3), ống bay hơi (4) và 2 bản cực âm và dương (5).

Hai bản cực âm và dương bên trong thân bình được lắp thêm các tấm thép để tăng tiết diện nung nóng. Bản cực và các tấm thép được chế tạo bằng thép không gỉ (Inox 304).

* Nguyên lý hoạt động của bình điện phân :

Nguồn điện một chiều được nối với hai điện cực, hoặc hai tấm (thường được làm từ một số kim loại trơ như bạch kim hoặc thép khơng gỉ) được đặt trong nước (Hình 1.4). Hydro sẽ xuất hiện ở âm cực (điện cực tích điện âm), Oxy sẽ xuất hiện ở dương cực (điện cực điện tích dương). Vì vậy, dịng điện đi qua tách nước thành khí Hydro và

Oxy. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydro sinh ra ở điện cực âm và Oxy ở điện cực dương:

Phản ứng trên catot:

2H2O + 2e- H2 + 2OH-

Phản ứng trên anot:

OH- H2O + ½ O2 + 2e-

Tổng quát:

2 H2O + Điện năng  2 H2 + O2

Hình 3.5 Sơ đồ nguyên lý điện phân nước

b. Van chống cháy ngược

Van chống cháy ngược được sử dụng trong các lĩnh vực công nghiệp hoạt động đến khí hay áp suất. Chúng giúp ngăn ngừa những nguy cơ về nổ bình và hiện nay có hai loại van chống cháy ngược đó chính là loại được gắn vào cần hàn và loại được gắn vào van giảm áp. Với van mà gắn vào cần hàn thường là van một chiều có tác dụng ngăn chặn dịng khí chảy ngược. Cịn van lắp vào van giảm áp khơng chỉ là van một chiều mà còn là bộ lọc xốp ngăn lửa.

Trong hệ thống van chống cháy ngược có tác dụng vơ cùng quan trọng trong quá trình hoạt động. Khí HHO có tỉ số cháy nổ lớn khi cấp vào buồng đốt dịng khí sẽ khơng tự ngắt mà cấp thẳng nên hiện tượng cháy nổ ngược sẽ xảy, nên lắp thêm van chống ở đường cấp là điều hết sức cần thiết để tránh hiện tượng cháy ngược vào bình chứa. Thiết bị này trước khi đưa ra thị trường luôn được đáp ứng những yêu cầu rất khắt khe trong việc chế tạo, kiểm tra và đạt được mọi tiêu chuẩn BAM.

Hình 3.6 Van chống cháy nổ ngược

c. Khung lắp đặt hệ thống sản xuất HHO

Hệ thống gồm bộ điện phân, máy biến áp, bình chứa được lắp đặt trên một sa bàn nhằm đảm bảo tính linh hoạt trong vận chuyển và thử nghiệm. Sơ đồ khung lắp đặt được thể hiện như sau:

d. Lắp đặt hệ thống sản xuất khí HHO

Hệ thống sản xuất khí HHO từ nước (có pha chất xúc tác) được phát triển theo sơ đồ (Hình 3.8), hệ thống sử dụng 1 bộ điện phân cở trung, bình chứa nước 4.8 L, điện áp 12V thông qua ắc quy hoặc máy biến áp có cường độ dịng điện từ 0A đến 120A.

Hình 3.7 Khung lắp đặt hệ thống điện phân

1 - Lưu lượng kế, 2 - Van bi, 3 - Bình chưa nước, 4 - Máy biến áp, 5 - Bình ắc quy, 6 - Pin năng lượng Mặt Trời, 7 - Bộ điện phân, 8 - Đồng hồ áp suất, 9 - Bộ chuyển đổi

3.2.3. Phương trình tính tốn

a. Thành phần Hydro và Oxy

Sử dụng định luật bảo tồn khối lượng, trong mọi q trình biến đổi của vật chất thì các nguyên tố và khối lượng tương ứng của chúng ln ln được bảo tồn. Có nghĩa là tổng khối lượng các chất tham gia phản ứng bằng tổng khối lượng sản phẩm tạo thành. Phương trình phản ứng:

H2O  H2 + 1/2 O2

Theo định luật bảo toàn khối lượng, khi điện phân 1 kg H2O sẽ thu được 1 kg hỗn hợp H2 và O2. 1 kg H2O  1kg (H2 + O2 ) Mặt khác: Cứ 18 kg H2O  2 kg H2 và 16 kg O2 Nếu 1 kg H2O  x kg H2 và y kg O2 Suy ra: X= 1.2/18 = 0.111kg Y= 1.16/18 = 0.889kg

Kết luận: khi điện phân 1kg H2O thu được 0,111 kg H2 và 0,889kg O2.

b. Thể tích khí thốt ra ở điều kiện tiêu chuẩn

Ở điều kiện tiêu chuẩn, thể tích khí thốt ra từ q trình điện phân 1 kg nước được tính toán như sau:

𝑉ℎ2 = 𝑛. 22,4 = 100

18 . 22.4 = 1244 𝑙í𝑡

𝑉𝑂2 = 𝑛. 22,4 = 100

18.2. 22.4 = 622 𝑙í𝑡

Như vậy, ở điều kiện này, 1 lít nước sản xuất được tối đa 1.866 lít HHO.

c. Khối lượng riêng trung bình của khí HHO

Khi điện phân 1 mol H2O (tức là 18 gam H2O): H2O  H2 + ½ O2

(3.1)

1 mol 1 mol 0.5 mol 18 gam 2 gam 16 gam

Phần trăm thể tích của 2 khí H2 và O2 trong hỗn hợp:

%𝐻2 = 1

1.5∗ 100% = 66.67%

%𝑂2 = 0.5

1.5∗ 100% = 33.33%

Khối lượng phân tử trung bình (gọi tắt là khối lượng trung bình) ở điều kiện tiêu chuẩn của hỗn hợp khí H2 và O2

=%𝐻2 ∗ 2 + %𝑂2 ∗ 32 100 ∗ 1 22.4 = 0.54 ( 𝑘𝑔 𝑚3)

3.2.4. Phương pháp điều chỉnh lưu lượng khí sinh ra từ máy điện phân

a. Phương pháp

Bản điện cực trơ của bộ điện phân nước ta dùng inox khơng rỉ 304 vì trong thời gian ngắn thì oxi cũng khơng ảnh hưởng gì lắm đến điện cực. Nếu để lâu và ở dòng điện lớn bề mặt inox có thể bị nám đen.

Về nguyên lý thì chỉ cần khoảng 1.5V là điện phân được (trên điện cực Inox thì sẽ có nhiều hơn thế nữa). Tuy nhiên do hệ điện phân có điện trở (mối nối, điện trở dung dịch điện ly) cho nên chúng ta nên dùng ắc quy hay biến trở để điều khiển thêm (gắn Ampe kế để biết giá trị cường độ dịng điện). Vì điều khiển hiệu điện thế áp lên hai điện cực cũng là điều khiển dòng điện 1 chiều chạy qua hệ và cũng là điều khiển tốc độ thốt khí .

Theo phương trình Faraday, ta tính được lượng khí thốt ra:

𝑚 = 𝑀 𝑛 .

𝐼. 𝑡 𝐹

m : khối lựong khí thoát ra M: khối lượng phân tử

F: hằng số Faraday = 96485 C/mol

I và t là cường độ dòng điện đi qua hệ và thời gian điện phân

Tóm lại, muốn điều chỉnh lưu lượng khí sinh ra từ máy điện phân ta cần phải thay đổi hiệu điện thế cũng như dòng điện, thời gian điện phân và chất xúc tác hợp lý.

(3.3) (3.4)

(3.5)

b. Nước để sản xuất khí HHO

Nước là thành phần chính để sản xuất ra khí HHO, nước có nhiều loại như:

- Nước cứng: Là loại nước chứa nhiều chất khống hịa tan như: Canxi, Magiê. Sử dụng nước cứng sản xuất khí HHO có nhược điểm khi đun nóng nước cứng thì Canxi Cacbonat (CaCO3) và Magie Cacbonat (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành bình và các bản cực của bình điện phân. Vì vậy, khơng thể chọn nước cứng để sản xuất khí HHO.

- Nước cất: Nước cất là nước tinh khiết, nguyên chất, được điều chế bằng cách chưng cất. Thành phần nước cất hoàn tồn khơng chứa các tạp chất hữu cơ hay vơ cơ.

- Nước mềm: Là nước đã được loại bỏ thành phần các chất khoáng nêu trên bằng cách lọc thơ (bằng máy móc) hoặc lọc tinh (bằng hóa chất).

Đây là loại nước được sử dụng để sản xuất khí HHO

c. Chất điện phân

Để sản xuất khí HHO nhanh và hiệu quả cần sử dụng một số chất điện phân như: Kali hydroxit (KOH), Natri hydroxit (NaOH) vì các chất này phản ứng mãnh liệt với nước và giải phóng một lượng nhiệt lớn.

- Quá trình điện phân trong dung dịch bao gồm 2 phần:

+ Sự khử xảy ra ở Catot: cation KL sẽ bị khử thành KL (K+, Na+... ko bị điện phân) + Sự oxy hóa xảy ra ở Anot: anion sẽ bị oxy hóa thành khí tương ứng và 1 số sản phẩm tùy thuộc vào gốc anion (Halogenur X- -> X2; [NO3]-, [SO4]2- ko bị điện phân)

Khi điện phân điều chế HHO phải cho NaOH, KOH vào để tốc độ điện phân xảy ra nhanh hơn. Nước phân ly ra H+ và OH- yếu hơn 2 chất xúc tác này nên tốc độ oxy hóa ở anode và tốc độ khử ở cathode chậm hơn khi cho chất điện ly mạnh như 2 chất xúc tác này vào.

Mặt khác, quá trình điện phân điều chế HHO khi cho thêm 2 chất xúc tác này thực chất là điện phân nước, OH- vẫn được hoàn lại trong dd (trong trưởng hợp cho thêm NaOH, KOH vào), H+ vẫn được hoàn lại (trong trường hợp cho thêm axit mạnh vào)

d. Kết quả thực nghiệm sản xuất khí HHO từ nước có pha trợn NaOH:

Lưu lượng khí sinh ra dưới đây cho thấy khi hòa 5 lít nước với 20 gram chất điện phân NaOH trong thời gian 5 phút. Mỗi lần đo sẽ thay đổi dòng điện của máy biến áp 1 lần, cường độ dòng máy biến áp được điều chỉnh giao động từ 10A – 120A và thu được kết quả các bảng sau 3 lần đo. So sánh đánh giá các kết quả và rút ra kết luận.

Bảng 3.1: Kết lưu lượng khí sinh ra

Lưu lượng khí sinh ra Lưu lượng khí cấp vào buồng đốt

I (A) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3

60 3 3.5 2.5 0.625 0.625 0.625 70 3.5 4 4.5 0.8 0.7 0.7 80 3.5 4.5 5 0.775 0.825 0.875 90 3.75 5 5 0.825 1 0.95 100 4 5.25 5.25 0.975 1.25 1 110 4.25 5 5.5 1 1.5 1.25 120 4.5 5.5 5.5 1.25 1.75 1.5

Dựa vào biểu đồ (Hình 3.9) ta thấy:

Khi giữ nguyên điện áp và thay đổi cường độ dịng điện thì lưu lượng khí thu được thay đổi tỉ lệ thuận với cường độ dòng điện. Trong trường hợp này, khi ta mắc nối tiếp 4 cực âm 3 cực dương sẽ làm cho điện trở của bộ điện phân tăng lên gây cản trở cường độ dòng điện cấp vào các bản cực của hệ thống. Với cường độ dòng điện cao như trên sẽ dẫn đến công suất tiêu thụ điện cao làm tổn thất điện năng gây tiêu hao năng lượng.

0 1 2 3 4 5 6 60 70 80 90 100 110 120

BIỂU ĐỒ LƯU LƯỢNG KHÍ SINH RA VÀ CẤP VÀO BUỒNG ĐỐT

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3

Q(lít/phút)

I(A)

Lưu lượng khí cấp vào buồng đốt bị giảm đi nhiều lần so với lưu lượng khí sinh ra do tổn thất trên đường đi và bị nén bởi hai van chống cháy ngược trước khi cấp vào động cơ.

* Mắc nối tiếp xen kẻ 3 bản cực âm và 2 bản cực dương của bộ điện phân: Bảng 3.2: Kết quả lưu lượng khí sinh ra

Lưu lượng khí sinh ra Lưu lượng khí cấp vào buồng đốt I (A) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3

30 2.5 2.75 3 0.7 0.725 0.7 40 3 3 3.25 0.825 0.85 0.8 50 3.5 3.25 4 0.875 0.9 0.825 60 3.75 3.75 4.25 0.9 0.925 0.9 70 4 4.25 4.75 1 0.975 1 80 4.25 4.5 5 1.1 1.1 1.2

Hình 3.10 Biểu đồ lưu lượng khí sinh ra và cấp vào buồng đốt Từ biểu đồ (Hình 3.10) ta thấy được:

Cường độ dòng điện của trường hợp này giảm gần một nữa so với cường độ dòng điện của trường hợp (Hình 3.9) nhưng kết quả lưu lượng khí sinh ra gần bằng nhau. Kết quả cũng thể hiện được lưu lượng khí sinh ra từ 3 lần đó của trường hợp này có sự ổn định hơn so với trường hợp (Hình 3.9).

* Mắc nối tiếp 1 bản cực âm và 1 bản cực dương của bộ điện phân: Bảng 3.3: Kết quả lưu lượng khí sinh ra

Lưu lượng khí sinh ra Lưu lượng khí cấp vào buồng đốt 0 1 2 3 4 5 6 30 40 50 60 70 80

BIỂU ĐỒ LƯỢNG KHÍ SINH RA VÀ CẤP VÀO BUỒNG ĐỐT ( LÍT/ PHÚT )

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3

Q (lít/phút)

I (A) Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3 3 3 3.5 3.75 0.65 0.7 0.7 10 3.75 4 4 1 0.95 1 15 4.5 4.5 4.75 1.05 1.25 1.25 20 5.25 5.25 5.5 1.25 1.4 1.45 25 6 6.25 6.25 1.4 1.5 1.55 30 6.5 6.75 7 1.55 1.6 1.65

Hình 3.11 Biểu đồ lưu lượng khí cấp sinh ra và cấp vào buồng đốt

So sánh biểu đồ của 3 hình trên ta có thể thấy được lưu lượng khí sinh ra trong trường hợp này thu được nhiều nhất. Ngoài tối ưu được các cặp cực mang điện của hệ thống mà còn giảm thiểu được nguồn điện bị tổn thất bởi điện trở của các tấm. Thông qua biến trở chỉnh dòng điện, ta chỉ cần chỉnh một dịng nhỏ có thể thu được một lưu lượng khí lớn.

Bên cạnh đó khi lưu lượng khí sinh ra cao sẽ tạo ra một áp suất lớn tại bình chứa nên áp suất cho lưu lượng khí đi qua 2 van chống cháy ngược cũng cao hơn do đó lưu lượng khí được cấp vào động cơ được nhiều hơn và ổn định hơn so với các trường hợp trên. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 3 10 15 20 25 30

BIỂU ĐỒ LƯU LƯỢNG KHÍ SINH RA CẤP VÀO BUỒNG ĐỐT

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 1 Lần 2 Lần 3

Q (L/phút)

CHƯƠNG 4. BỐ TRÍ LẮP ĐẶT VÀ THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG CUNG CẤP LƯỠNG NHIÊN LIỆU BIOGAS-HHO CHO ĐỘNG CƠ TĨNH TẠI

KÉO MÁY PHÁT ĐIỆN

4.1. Giới thiệu chung về động cơ đã được cải tạo

Động cơ kéo máy phát điện Honda GX200 truyền thống được cải tạo thành động cơ phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử. Sơ đồ hệ thống cung cấp nhiên liệu và điều chỉnh góc đánh lửa sớm động cơ được trình bày trên (Hình 9).

Hình 4.1 Sơ đồ cải tạo động cơ tĩnh tại đánh lửa cưỡng bức truyền thống thành động cơ tĩnh tại phun nhiên liệu khí điều khiển điện tử

Hệ thống điều khiển động cơ gồm: Cảm biến Hall 8 để làm mốc xác định thời điểm phun và thời điểm đánh lửa, đồng thời cũng cung cấp xung tín hiệu để xác định tốc độ động cơ; vi điều khiển 1 là board mạch Arduino Mega 2560 được cài đặt chương trình

điều khiển vòi phun 4, servo motor 5 và hệ thống đánh lửa 6. Giao tiếp giữa cảm biến 8 và các bộ phận 4, 5, 6 với vi điều khiển 1 thông qua mạch công suất và chống nhiễu 2. Mạch 2 bảo vệ vi điều khiển, khử nhiễu phát sinh do tia lửa điện và do đóng mở vịi phun. Mạch này đóng vai trị quan trọng trong đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và vi điều khiển không bị treo. Hệ thống chỉ sử dụng duy nhất một cảm biến Hall, loại bỏ các cảm biến khác sử dụng thông thường trên động cơ ô tô, xe gắn máy.

Nguyên lý hoạt động cơ hệ thống điều khiển động cơ như sau: Khi nam châm vĩnh cửu 9 gắn trên bánh đà quét qua cảm biến Hall 8 thì một xung điện phát sinh được gửi đến vi điều khiển 1 thông qua mạch công suất/chống nhiễu 2. Xung tín hiệu được đưa vào chân số 3 của vi điều khiển. Chương trình cài đặt trong vi điều khiển sẽ xử lý tín hiệu, xác định độ rộng xung, loại bỏ các tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên, tính tốc độ đồng cơ, đồng thời xác định thời điểm đánh lửa và thời điểm phun nhiên liệu. Vi điều khiển được kết nối với 3 biến trở: Biến trở thứ nhất kết nối với chân A0 để điều khiển vị trí bướm ga thông qua servo motor 5; biến trở thứ hai kết nối với chân A1 điều chỉnh thời gian