Chương 3 : CHẾ TẠO BỘ SINH KHÍ HHO
3.2. Quy trình và thiết bị sản xuất bộ sinh khí HHO quy mô nhỏ
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 tốn 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 hồn tồn khơng chứa các tạp chất hữu cơ hay vô 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 mở vòi phun; biến trở thứ ba kết nối với chân A2 điều chỉnh góc đánh lửa sớm. Trong quá trình thử nghiệm, tốc độ động cơ, độ mở bướm ga, thời gian mở vịi phun và góc đánh lửa sớm được hiển thị trên màn hình LCD.
Hình 4.3 Kiểm tra vị trí ĐCT
Hình 4.5 Lắp đặt vịi phun
Hình 4.7 Cụm đánh lửa tổ hợp gắn trên động cơ
4.2. Bố trí lắp đặt bộ sinh khí trên máy phát đã được cải tạo
4.2.1. Nguyên lý hoạt động của bộ sinh khí HHO
Khi đóng mạch điện (máy biến thế 1 hoặc bình ắc quY) cung cấp cho bình điện phân, nước trong bình điện phân nóng lên, bay hơi theo đường ống đến bình chứa 3.Khí HHO tiếp tục vào bình chứa và khí được nén lại với 1 áp suất nhỏ. Lúc này khoảng khơng trên mặt nước bình chứa có áp suất nên đẩy nước ngược lại xuống bộ điện.
1 - Máy biến áp hoặc bình ắc quy, 2 - Bộ đện phân, 3 - Bình chứa, 4 - Van bi, 5 - Đồng hồ lưu lượng khí, 6 - Van chống cháy ngược OXYGEN, 7 - Van chống cháy
ngược ACETYLENE, 8-Lưu lượng kế, 9 - Tay hàn gió đá
4.2.2.Các phương pháp phun lưỡng nhiên liệu Biogas - HHO vào động cơ đã cải tạo
a. Phun lưỡng nhiên liệu Biogas - HHO đã được hòa trộn bằng điều khiển điện tử: * Nguyên lý hoạt động:
Ắc qui (30) phóng điện đi qua 2 điện cực của bộ điện phân (29), để quá trình này được diễn ra ổn định hơn, có thể sử máy biến áp. Nước từ bình chứa (28) sẽ cấp liên tục vào bộ điện phân (29) lúc này, dịng điện đi qua nước (có lẫn tạp chất chất tạo thành dung dịch điện phân) xảy ra quá trình điện phân nước tạo ra hỗn hợp khí H2 và O2. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực, hydro sinh ra ở điện cực âm và oxy được sinh ra ở cực dương. Khí sinh ra với áp suất cao được đẩy ngược vào bình chứa (28) dựa vào áp suất đó giúp q trình di chuyển của nước vào bộ điện phân ổn định hơn. Thông qua van giảm áp (27) lượng khí được cấp vào động cơ (9). Trên đường cấp vào buồng đốt động cơ được lắp 2 van chống cháy ngược (24) (25) là thiết bị giúp ngăn ngừa nguy cơ nổ bình khí khi xuất hiện quá trình cháy ngược từ đuốc hàn lan tỏa về van giảm áp hoặc bình khí. Để thuận lời trong việc điều chỉnh lưu lượng khí HHO cấp vào buồng đốt thì chúng sẽ thơng q việc điều chỉnh dòng điện hàn của máy biến áp dựa vào 2 lưu lượng kế (26), (5) được đặt 1 tại sau bình chưa để đo được lượng khí sinh ra của bộ điện phân, 2 tại đầu cổ nạp để đo lưu lượng khí thực tế được cấp vào buồng đốt. Khí được sinh ra từ bộ điện phân thông qua máy hút chân khơng được nén vào bình chứa HHO.
Khí từ 3 bình chứa HHO, CH4, CO2 được hịa trộn theo một tỷ lệ vào bình CNG trước khi cấp vào động cơ.
Hình 4.9 Sơ đồ bố trí
1 – Bình nhiên liệu khí, 2 – Van giảm áp, 3 – Van điện tử, 4 – Lưu lượng kế tổng, 5 – Lưu lượng kế không tải, 6 – Van chỉnh khơng tải, 7 – Vịi phun, 8 – Servo motor, 9 – Động cơ Honda GX200, 10 – Máy phát điện, 11 – Mạch công suất chống nhiễu, 12 – Vi điều khiển Adruno 2560, 13 – Máy tính, 14 – Điều chỉnh độ mở bướm ga, 15 – Điều chỉnh lượng phun bổ sung, 16 – Điều chỉnh góc đánh lửa sớm, 17 – Vi điều khiển bộ tạo tải, 18 – Điều chỉnh tải, 19 – Thiết bị gây tải, 20 – Dimmer, 21 – Servo motor, 22 – Thiết bị đo công suất P, I, V, 23 – Aptomat, 24 – Van chống cháy nổ ngược OXYGEN, 25 – Van chống cháy nổ ngược ACETYLENE, 26 – Lưu lượng kế thu từ máy điện phân, 27 – Van giảm áp, 28 – Bình chứa khí và nước, 29 – Bộ điện phân, 30 – Ắc quy, 31 – Máy