CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
2.3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng BXT
2.3.1. Xây dựng mơ hình
Với đối tượng nghiên cứu là xe máy, cụ thể là xe Liberty 150 của hãng Piaggio - Việt Nam. Như đã trình bày ở đầu chương 2, các thông số của BXT dành cho xe máy
46
của hãng Emitec được dùng để xây dựng mơ hình mơ phỏng (BXTEMT). Các thơng số kỹ thuật của BXTEMT được cung cấp bởi hãng Emitec.
.
Hình 2.6. Mơ hình BXT trên AVL-Boost [79]
Tiến hành xây dựng mơ hình BXTEMT trên phần mềm AVL Boost từ các phần tử trong phần mềm. Các phần tử của mơ hình thể hiện trên Hình 2.6 và Bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các phần tử của mơ hình
STT Phần tử Số lượng
1 Điều kiện biên ATB 1 1
2 Bộ xử lý xúc tác CAT1 1
3 Điều kiện biên ATB 2 1
2.3.2. Nhập dữ liệu cho mơ hình
Dữ liệu nhập vào mơ hình bao gồm các dữ liệu điều khiển chung, dữ liệu điều kiện biên, các dữ liệu về kết cấu BXT và các phản ứng diễn ra trong BXT. Các dữ liệu như lưu lượng khí thải, nồng độ của các thành phần khí thải đầu vào, nhiệt độ của BXT, áp suất trước và sau BXT. Ngồi các dữ liệu thuộc thơng số kỹ thuật, các dữ liệu khác được tham khảo từ thực nghiệm thực hiện trên BXTEMT. Các dữ liệu nhập vào cần phải nằm trong giới hạn giá trị quy định và giới hạn tính tốn của phần mềm. Phần mềm sẽ báo lỗi khi dữ liệu nhập vào vượt q giá trị giới hạn và tính tốn. Q trình nhập dữ liệu cho mơ hình được thực hiện trình tự theo các nội dung sau.
2.3.2.1. Nhập dữ liệu điều khiển chung
Hình 2.7. Màn hình nhập dữ điều khiển liệu chung
Dữ liệu chung là dữ liệu chi phối tồn bộ q trình mơ phỏng của mơ hình. Dữ liệu chung cần phải nhập đầu tiên trước khi nhập dữ liệu cho các phần tử cụ thể của mô hình. Màn hình nhập dữ liêu điều khiển chung được thể hiện trên Hình 2.7.
Các dữ liệu này được nhập thông qua các của sổ giao diện. Trong suốt q trình tính tốn các dữ liệu chung này sẽ là thơng số điều khiển bên ngồi, điều khiển các q trình chạy, truy xuất dữ liệu, tính tốn cơ bản…
47
Căn cứ vào nội dung bài tốn mơ phỏng, thông số kỹ thuật của BXTEMT và tham khảo thực nghiệm, các thơng số chung của mơ hình được khai báo như trong Bảng 2.2.
Bảng 2.2. Dữ liệu điều khiển chung
STT Thông số Thành phần Giá trị Đơn vị
1 Thời điểm bắt đầu 0 s
2 Thời điểm kết thúc 1200 s
3 Bước thời gian 40 s
4 Thành phần khí thải
đầu vào BXT CO, C3H6, NO, CO2, H2O, O2, N2
Xác định bằng thực
nghiệm (mục 2.4) ppm
2.3.2.2. Nhập dữ liệu điều kiện biên
Điều kiện biên ATB 1 thể hiện trạng thái đầu vào của BXT như nhiệt độ, hệ số dư lượng khơng khí, lưu lượng và thành phần của khí thải khi đi vào BXT. Các thông số này được xác định và tính tốn từ thực nghiệm.
Việc khai báo các thông số điều kiện biên ATB 1 được thực hiện cụ thể như trên Hình 2.8. Điều kiện biên ATB 2 bao gồm áp suất khí thải sau BXT được chọn bằng hằng số 1,05 bar (thông qua đo đạc trên xe thử nghiệm tại các đặc tính khảo sát) tổng hợp các thông số điều kiện biên ATB 1 và ATB 2 được tổng hợp trên Bảng 2.3.
Hình 2.8. Nhập dữ liệu điền kiện biên. Bảng 2.3. Dữ liệu điều kiện biên Bảng 2.3. Dữ liệu điều kiện biên
STT Điều kiện biên Thông số Giá trị Đơn vị
1 ATB1
Lưu lượng khí thải g/s
Nhiệt độ oC
Hệ số dư lượng KK -
Hàm lượng phát thải ppm 2 ATB 2 Áp suất 1,05 bar
48
Hình 2.9. Màn hình nhập dữ liệu phần tử BXT
Căn cứ vào các thơng số kỹ thuật của BXTEMT và các tính tốn dựa trên cơ sở lý thuyết, các dữ liệu về phần tử BXTEMT (Bảng 2.4) được đưa vào mơ hình (Hình 2.9).
Bảng 2.4. Dữ liệu về phần tử BXTEMT
STT Thông số Giá trị Đơn vị
1 Thể tích BXT 0,2 l
2 Chiều dài khối BXT 0,1 m 3 Mật độ lỗ (cell) 200 cell/in2 4 Tổng thể tích phần rỗng của các lỗ (cell) 0,17 l 5 Độ dày thành khối xúc tác 1.8E-4 m 6 Độ dày lớp washcoat 1,3E-5 m 7 Khối lượng riêng BXT 1.700 kg/m3 8 Độ dẫn nhiệt 0,4 W/(m.K) 9 Nhiệt dung riêng 1.200 J/(kg.K) 10 Hệ số truyền nhiệt bên ngoài 30 W/m2.K
11 Độ dày lớp vỏ 0,001 m
12 Độ dày lớp cách nhiệt 0,01 m 13 Độ dẫn nhiệt của lớp vỏ 40 W/(m.K) 14 Độ dẫn nhiệt của lớp cách nhiệt 0,3 W/(m.K) 15 Nhiệt độ môi trường 298 K 16 Kim loại quý sử dụng Pt, Rh 17 Khối lượng kim loại quý Pt, Rh sử dụng 0,14 g 18 Tỷ lệ khối lượng Pt/Rh 5,0:1,0
2.3.2.4. Thiết lập cơ chế phản ứng
Cơ chế phản ứng và các thông số liên quan đến các phản ứng hóa học diễn ra trong BXT là yếu tố quyết định đến việc mơ hình mơ phỏng có phản ánh đúng xu hướng
49
diễn ra trong mơ hình thực hay khơng. Tính chính xác của các kết quả mô phỏng sẽ phụ thuộc vào việc khai báo đúng cơ chế và các thông số của cơ chế phản ứng.
AVL Boost cung cấp các cơ chế phản ứng mặc định. Tuy nhiên do yêu cầu cụ thể của bài toán là sử dụng các kim loại quý Pt, Rh và các vật liệu xúc tác mới khác trong các phản ứng của bộ xử lý xúc tác, cơ chế phản ứng mặc định này không đáp ứng đầy đủ dữ liệu về phản ứng. Do đó cần thực hiện việc thiết lập một cơ chế phản ứng mới trên công cụ thiết lập cơ chế phản ứng do người dùng tự định nghĩa.
Để tự định nghĩa các cơ chế phản ứng diễn ra trong BXT. Người dùng sử dụng giao diện lập trình AUCI (AVL User Coding Interface) để thiết lập mới một cơ chế phản ứng. Trong đó người dùng tự định nghĩa các phản ứng xảy ra, phương trình phản ứng, tốc độ phản ứng và các tham số liên quan đến tốc độ phản ứng, các tham số liên quan đến nhiệt phản ứng... Ngồi ra cơng cụ AUCI cũng cho phép người dùng bổ sung các vật liệu xúc tác khác và các đặc tính của chúng trong cơ chế phản ứng.
Việc thiết lập cơ chế các phản ứng bao gồm:
- Lựa chọn các phản ứng diễn ra trong BXT dựa trên dữ liệu sẵn có của phần mềm và bổ sung các phản ứng liên quan đến kim loại quý hoặc vật liệu mới thêm vào.
- Nhập tên phản ứng, phương trình phản ứng, hệ số phản ứng. - Nhập các thông số nhiệt của phản ứng.
- Nhập phương trình tính tốc độ phản ứng: thơng số K, E. Trong đó K (kmol/m2.s) là tham số tốc độ; E (kJ/mol) là năng lượng hoạt hóa của phản ứng.
2.3.2.5. Nhập dữ liệu cho cơ chế phản ứng
Bảng 2.5. Dữ liệu nhập vào cơ chế phản ứng [68, 69]
STT Thông số Đơn vị Giá trị Đơn vị
1 Mật độ lớp washcoat 1000 kg/m3
2 Mật độ kim loại Pt 1.30E-05 mol/m2
3 Mật độ kim loại Rh 2.60E-06 mol/m2
4 2Rh + O2 = 2RhO K 100000 kmol.m2.s E 16000 J/mol 5 2Rh + 2NO = 2RhO + N2 K 400000 kmol.m2.s E 15900 J/mol 6 RhO + CO = Rh + CO2 K 240000 kmol.m2.s E 15940 J/mol 7 2Pt + O2 = 2PtO K 130000 kmol.m2.s E 15970 J/mol 8 PtO + CO = Pt + CO2 K 150000 kmol.m2.s E 15950 J/mol 9
9PtO + C3H6 = 9Pt + 3CO2 + 3H2O
K 650000 kmol.m2.s
E 15890 J/mol
Dựa vào các tính tốn trên cơ sở lý thuyết, dữ liệu tham khảo phần mềm, dữ liệu từ các nghiên cứu đã được công bố [68, 69], các thông số, dữ liệu nhập vào cơ chế phản ứng thể hiện trong Bảng 2.5.
50
Trên cơ sở hoàn thiện việc xây dựng mơ hình và nhập dữ liệu, mơ hình khơng xảy ra các lỗi liên quan đến dữ liệu và logic, bước tiếp theo tiến hành chạy thử nghiệm mơ hình. Việc chạy thử nghiệm này nhằm mục đích có được kết quả sơ bộ là hiệu suất xử lý các thành phần khí thải CO, HC, NOx của mơ hình đã xây dựng, làm cơ sở cho việc hiệu chuẩn tính chính xác của mơ hình và tiến hành mơ phỏng cũng như đưa ra các nghiên cứu đánh giá cụ thể theo yêu cầu của bài toán ở các mục tiếp theo.