Bộ trộn Venturi

Chương 1 : TỔNG QUAN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU

2.3. Giới thiệu một số bộ hòa trộn nhiên liệu

2.3.2.1. Bộ trộn Venturi

Bộ trộn Venturi có tác dụng như một bộ chế hịa khí tiêu chuẩn. Loại này có các dạng kết cấu sau:

a) Loại đường cấp nhiên liệu xuyên qua nhiều lỗ khoan: * Loại các lỗ khoan bố trí xung quanh họng:

- Nguyên lý làm việc: Nhiên liệu được cấp vào không gian xung quanh họng bộ hỗn hợp qua một đường dẫn chính, trên đó có bố trí van điều khiển bằng tay để điều chỉnh lượng nhiên liệu cung cấp. Trên họng bộ hỗn hợp có các lỗ phun nhỏ phân bố đều theo chu vi họng để dẫn nhiên liệu vào bên trong họng.

- Ưu điểm: Nhiên liệu sẽ hịa trộn tốt với khơng khí. - Nhược điểm: Kết cấu tương đối phức tạp, khó gia cơng.

Hình 2.5 Kết cấu bộ trộn Venturi với lỗ khoan bố trí xung quanh họng A

A

Nhiên liệu

Khí hỗn hợp Khơng khí

a)

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý bộ hòa trộn hỗn hợp Venturi 1 đường cấp xuyên qua nhiều lỗ.

C1 - Vận tốc tại cửa nạp; Cv - Vận tốc tại họng venturi; di - Đường kính của bộ trộn; dv - Đường kính của họng venturi; Ci - Vận tốc của hỗn hợp tại đường nạp của động cơ.

b)

c)

c) -

Đối với bộ hỗn hợp (a) loại này có thể điều chỉnh cho phù hợp giữa lượng khí Gas và không khí bằng cách thêm hoặc bớt các lỗ phun.

- Đối với loại (b): nhằm tăng diện tích điều chỉnh các lỗ phun.

- Đối với loại (c): loại này có diện tích điều chỉnh các lỗ lớn, mặt khác do đầu có dạng hình chóp nên tạo được sự xốy của dịng khí, giúp hịa trộn giữa khơng khí và khí Biogas tốt hơn.

b) Loại một đường Gas vào: Bao gồm các loại sau: * Loại cùng chiều:

Khơng khí

Nhiên liệu

Khí hỗn hợp

Hình 2.8 Kết cấu họng Venturi với một đường nhiên liệu vào loại cùng chiều 1 – Bầu lọc gió; 2 –Đường ống dẫn khí nhiên liệu; 3 – Bướm ga; 4 – Họng cấp

nhiên liệu

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý bộ hòa trộn hỗn hợp Venturi với một đường nhiên liệu vào loại cùng chiều

* Nguyên lý làm việc: Dạng này dùng họng Venturi nguyên thủy của động cơ xăng. Nhiên liệu được một đường ống dẫn tới vùng chân không của họng, ống này có thể dẫn theo đường trục bằng cách khoan xuyên qua thành bộ chế hòa khí.

- Ưu điểm của dạng cải tạo này là có kết cấu đơn giản, dễ chế tạo và lắp ráp. Khả năng hịa trộn khơng khí với nhiên liệu tốt.

- Nhược điểm là đường ống dẫn nhiên liệu đặt theo đường trục của bộ chế hòa khí

1

2

Nhiên liệu

Khí hỗn hợp Khơng khí

Hình 2.10 Họng Venturi với một đường nhiên liệu vào loại trực giao * Loại trực giao:

- Ưu điểm: Kết cấu khá đơn giản, thuận tiện cho việc gia công lắp đặt.

- Nhược điểm: Sự hịa trộn sẽ khơng tốt bằng loại vòi phun dưới dạng khí nén. Hydrogen có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao. Các loại bình chứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào. Phần lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ. Đối với các ứng dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn.

Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng. Các bình áp suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều.

2.3.2.2. Bợ chế hịa khí dạng Modul hóa

Nguyên lý hoạt động: Khí nhiên liệu được hút vào phía sau bướm ga sau khi Modul hóa lưu lượng nhờ một bộ định lượng. Khi sử dụng hệ thống này trên các động cơ khác nhau chỉ cần thay đổi bộ định lượng và giclơ tiêu chuẩn. Hệ thống này cho phép động cơ làm việc lưỡng nhiên liệu. Bộ chế hòa khí xăng được lắp trước họng nhiên liệu. Nhưng có nhược điểm là chất lượng hịa khí khơng thay đổi kịp theo các hoạt động của động cơ.

c van hòa trộn khí điều khiển áp suất thường được dùng cho động cơ phương tiện vận tải hoạt động bằng nhiên liệu. Chúng được sản xuất trong một phạm vi rộng và trong các kích cỡ và chủng loại khác nhau cho các kích cỡ động cơ khác nhau.

* Nguyên lý làm việc:

Khi động cơ làm việc trên đường nạp sẽ có độ chân khơng, vì khơng gian M thơng với không gian sau màng R nên màng sẽ được hút lên trên, lò xo (3) bị nén lại đồng thời mở tiết diện lưu thông để không khí từ ống nạp không khí (7) đi vào không gian M. Lúc này biogas cũng qua van côn (4) đi vào khơng gian M để hịa trộn với khơng khí.

- Ưu điểm: Lượng hỗn hợp sẽ thay đổi tương ứng với độ chân không trên đường nạp động cơ.

- Nhược điểm: Kết cấu phức tạp, khó chế tạo, giá thành cao.

Hình 2.11 Sơ đồ mặt cắt thể hiện van hịa trộn khí

1 – Bướm ga; 2 – Màng ngăn; 3 – Lò xo; 4 – Van côn nhiên liệu; 5 –Vít điều chỉnh hỗn hợp; 6 – Điều chỉnh đường vịng khơng khí; 7 – Ống nạp khơng khí; 8 – Đường nạp của động cơ; 9 – Lỗ khoan tạo áp suất hút; M - khơng gian dịng chảy hỗn hợp vào

2.3.2.4. Trợn nhiên liệu lưu trữ dưới dạng khí nén

Nhiên liệu có thể được nén trong các bình chứa với áp suất cao. Các loại bình chứa khác nhau về cấu trúc tùy theo dạng ứng dụng đòi hỏi mức áp suất như thế nào. Phần lớn các bình ứng dụng tĩnh có mức áp suất thấp hơn. Trong khi đó, yêu cầu cho các ứng dụng di động lại khá khác biệt bởi sự hạn chế về không gian lưu trữ. Đối với các ứng dụng này, áp suất trong bình được tăng lên đến 700 bar để chứa được càng nhiều hydrogen càng tốt trong một không gian giới hạn.

Các bình áp suất chứa khí nén thường làm bằng thép nên rất nặng. Các bình áp suất hiện đại được làm từ những vật liệu composite và nhẹ hơn nhiều.

2.3.2.5. Lựa chọn phương án

Dựa trên những phân tích ưu nhược điểm của các phương án thiết kế hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ và các phương pháp trộn nhiên liệu, ta có 2 cách chọn: ”phun nhiên liệu Biogas điều khiển điện tử kết hợp phun trực tiếp nhiên liệu HHO để làm sạch” và “ Phun lưỡng nhiên liệu Biogas - HHO đã được hòa trộn bằng điều khiển điện tử” . Đây là 2 phương án khả thi cho việc áp dụng và triển khai. Có nhiều ưu điểm như: Ở các nhu cầu khác nhau thì có thể dùng nhiên liệu Biogas - HHO hoặc dùng nhiên liệu truyền thống xăng, có độ ổn định khá cao, dễ lắp đặt, ít can thiệp sâu vào kết cấu động cơ nguyên thủy và có giá thành thấp.

Chương 3: CHẾ TẠO BỘ SINH KHÍ HHO

3.1. Các phương pháp cơ bản tạo ra HHO

3.1.1. Hóa nhiệt nhiên liệu Hydrocarbon

a. Hóa nhiệt khí thiên nhiên với hơi nước (Natural gas steam reforming)

Quá trình này gồm hai bước chính:

Trước hết, khí thiên nhiên (với thành phần chủ yếu là Methane) được tách Carbon và chuyển hóa thành Hydrogen nhờ hơi nước dạng siêu nhiệt dưới áp suất cao, xúc tác thích hợp ở nhiệt độ khoảng 900°C.

CH4 + H2O => CO + 3 H2

Carbon mono-oxide sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí Carbonic và tạo ra thêm khí Hydrogen.

CO + H2O => CO2 + H2

Đây là phương pháp công nghiệp phổ biến hiện nay để sản xuất Hydrogen. Tuy nhiên phương pháp này không được áp dụng để tạo một nguồn năng lượng mà chỉ để cung cấp nguyên liệu cho các ngành hóa chất, phân bón, tinh lọc dầu mỏ v.v.

b. Khí hóa Hydrocarbon nặng (Gasification heavy hydrocarbon)

Thuật ngữ Hydrocarbon nặng là để nói đến dầu mỏ và than đá. Than đá trước khi khí hóa phải được nghiền thành dạng bột rồi hịa trộn với nước. Thơng thường, nhiên liệu được hóa nhiệt ở khoảng 14000C với Oxygen hay khơng khí (Oxygen hóa khơng hồn tồn), tạo ra hỗn hợp gồm Hydrogen, Carbon mono oxide (CO) và vài sản phẩm phụ. CO sinh ra lại tiếp tục được phản ứng với hơi nước và xúc tác chuyển hóa thành khí Carbonic và tạo ra thêm khí Hydrogen, tương tự như bước thứ hai của q trình hóa nhiệt khí thiên nhiên.

Rõ ràng đây không phải là phương pháp tối ưu. Bất lợi lớn nhất của nó là sử dụng nhiên liệu hóa thạch làm nguyên liệu và đồng thời cũng làm nhiên liệu cung cấp nhiệt lượng cho q trình. Nhiên liệu hóa thạch là nguồn tài nguyên hữu hạn, thêm vào đó, việc đốt chúng tạo ra khí Carbonic gây hiệu ứng nhà kính. Do đó phương pháp này xét về lâu dài không bền vững.

Tuy vậy, phương pháp sản xuất khí Hydrogen từ nhiên liệu hóa thạch đã và sẽ còn chiếm ưu thế trong tương lai gần. Lý do chính yếu là do trữ lượng nhiên liệu hóa thách cịn tương đối dồi dào, nhất là đối với khí thiên nhiên. Hơn nữa, những công nghệ này (phương pháp sản xuất Hydrogen cơng nghiệp từ khí thiên nhiên nói riêng và nhiên

sở hạ tầng cho việc phát triển sản xuất Hydrogen từ các nguồn khác cịn thiếu thốn. Vì vậy, một khi nhiên liệu hóa thạch vẫn cịn rẻ thì phương pháp này vẫn có chi phí thấp nhất. Thêm vào đó, để hạn chế mặt tiêu cực này của nhiên liệu hóa thạch, ta có thể dùng cơng nghệ tách khí Carbonic rồi thu hồi và chôn lấp chúng (Xem thêm Chương 13).

c. Quy trình hiện đại tạo ra Hydrogen từ khí thiên nhiên mà khơng thải ra CO2

Từ những năm 1980, Kvaerner - một tập đoàn dầu khí của Na Uy đã phát triển công nghệ mang tên "Kvaerner Carbon Black and Hydrogen Process" (KCB&H). Nhà máy đầu tiên dựa trên quy trình Kvỉrner hiện đại này đặt ở Canada và bắt đầu sản xuất vào tháng 6 năm 1999. Quy trình cung Plasma - Kvaerner ở nhiệt độ cao (16000C) tách Hydrogen và than hoạt tính từ hợp chất Hydrocarbon như dầu mỏ hay khí thiên nhiên mà không thải ra CO2.

Than đen tinh khiết này được dùng trong sản xuất vỏ xe hơi và dùng như chất khử trong công nghiệp luyện kim. Nhờ một số tính chất đặc biệt mà chúng cịn có thể dùng để lưu trữ Hydrogen (ống Carbonnano).

d. Khí hóa sinh khối và nhiệt phân (Biomass gasification and pyrolysis)

Sinh khối có thể được sử dụng để sản xuất Hydrogen. Đầu tiên, sinh khối được chuyển thành dạng khí qua q trình khí hóa ở nhiệt độ cao có tạo ra hơi nước. Hơi nước chứa Hydrogen được ngưng tụ trong các dầu nhiệt phân và sau đó có thể được hóa nhiệt để sinh ra Hydrogen. Q trình này thường tạo ra sản lượng Hydrogen khoảng từ 12%- 17% trọng lượng Hydrogen của sinh khối. Nguyên liệu cho phương pháp này có thể gồm các loại mảnh gỗ bào vụn, sinh khối thực vật, rác thải nông nghiệp và đô thị v.v. Do các chất thải sinh học được sử dụng làm nguyên liệu như vậy, phương pháp sản xuất Hydrogen này hoàn toàn tái tạo được (Renewable) và bền vững.

3.1.2. Điện phân nước

Phương pháp này dùng dòng điện để tách nước thành khí Hydrogen và Oxygen. Quá trình gồm hai phản ứng xảy ra ở hai điện cực. Hydrogen sinh ra ở điện cực âm và Oxygen ở điện cực dương:

Phản ứng trên cathode:

2 H2O + 2e- => H2 + 2 OH- Phản ứng trên anode:

2 OH- => H2O + ½ O2 + 2e- Tổng quát:

2 H2O + điện năng => 2 H2 + O2

Sau đây là một số các dạng điện phân phổ biến:

a. Điện phân thơng thường

Q trình tiến hành với chất điện phân là nước hay dung dịch kiềm. Hai phần ode và cathode được tách riêng bởi màng ngăn ion (Microporous) để tránh hòa lẫn hai khí sinh ra.

b. Điện phân nước áp suất cao

Điện phân nước áp suất cao có thể sinh ra hydroxyl ở áp suất đến 5 MPa. Quá trình vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và hoàn thiện dần.

c. Điện phân nước ở nhiệt độ cao

Điện phân ở nhiệt độ cao hiệu quả hơn về mặt kinh tế so với điện phân ở nhiệt độ phịng truyền thống vì một phần năng lượng được cung cấp dưới dạng nhiệt, rẻ hơn điện, và cũng vì phản ứng điện phân hiệu quả hơn ở nhiệt độ cao hơn. Trên thực tế, ở 2500 ° C, đầu vào điện là khơng cần thiết vì nước phân hủy thành hydro và oxy thơng qua quá trình nhiệt phân . Nhiệt độ như vậy là không thực tế; hệ thống HTE được đề xuất hoạt động trong khoảng từ 100 ° C đến 850 ° C

Ưu điểm của phương pháp này là đưa một phần năng lượng cần thiết cho quá trình điện phân ở dạng nhiệt năng, nhiệt độ 800-10000C vào q trình, do đó có thể hạn chế bớt lượng điện năng tiêu thụ. Nhiều nghiên cứu đã hướng đến việc thu nhiệt từ các chảo Parabol tập trung năng lượng mặt trời hay tận dụng nhiệt thừa từ các trạm năng lượng.

d. Quang điện phân (Photoelectrolysis)

Các panel Mặt Trời, chất bán dẫn (ứng dụng hiện tượng quang điện), chuyển hóa trực tiếp ánh sáng mặt trời thành điện năng. Khí Hydroxyl được sinh ra khi dòng quang điện này chạy qua thiết bị điện phân đặt trong nước. Sử dụng năng lượng mặt trời để tạo ra điện dùng trong điện phân nước, tương tự, chúng ta cũng có thể sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, thủy điện để điện phân nước tạo ra Hydroxyl. Như thế việc sản xuất Hydroxyl sẽ là một quá trình sạch (khơng khí thải), tái sinh và bền vững.

Hình 3.1 Phương pháp sản xuất Hydroxyl sạch, bền vững từ quá trình điện phân nước

3.1.3 Phương pháp sinh học

Một số tảo và vi khuẩn chuyên biệt có thể sản sinh ra Hydrogen như là sản phẩm phụ trong quá trình trao đổi chất của chúng. Các sinh vật này thường sống trong nước, phân tách nước thành khí Hydrogen và Oxygen. Hiện tại, phương pháp này vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu.

Ví dụ của phương pháp này là việc ứng dụng một loại tảo đơn bào có tên Chlamydomonas reinhardtii. Các nghiên cứu cho thấy loại tảo này chứa enzyme hydrogenase có khả năng tách nước thành hai thành phần Hydrogen và Oxygen. Các nhà khoa học đã xác định được cơ chế q trình, điều này có thể giúp mang lại một phương pháp gần như vô hạn để sản xuất Hydrogen sạch và tái sinh. Cơ chế này đã phát triển qua hàng triệu năm tiến hóa giúp tảo tồn tại trong mơi trường khơng có Oxygen. Một khi ở trong chu trình này, tảo "Thở" bằng Oxygen lấy từ nước và giải phóng ra khí Hydrogen.

Gần đây, các nhà khoa học tại trung tâm năng lượng Hydrogen của trường ĐH tiểu bang Pennsylvania cũng đã nghiên cứu thành công phương pháp tạo ra Hydrogen từ quá trình vi khuẩn phân hủy các chất thải hữu cơ sinh học, như nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp v.v. Ứng dụng nghiên cứu này sẽ mở ra triển vọng to lớn đầy hữu

ích, vừa kết hợp xử lý nước thải và vừa sản xuất Hydrogen cung cấp cho pin nhiên liệu 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. Bộ 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