CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG TẠO KHÍ GIÀU HYĐRÔ SỬ DỤNG HỆ XÚC TÁC NI-CU/AL 2 O 3
3.2. Tính toán thiết kế hệ thống tạo khí giàu hyđrô trên xe máy
3.2.2. Thiết kế bộ xúc tác Ni-Cu/Al 2 O 3
3.2.2.1. Phủ lõi xúc tác Ni-Cu/Al2O3
Với tiêu chí đảm bảo phản ứng xúc tác tạo hyđrô có hiệu suất cao, không gây cản trở quá lớn tới dòng khí lưu động qua bộ xúc tác và kích thước gọn phù hợp lắp trên đường thải của động cơ xe Piaggio Liberty, theo kinh nghiệm nghiên cứu ở chương 2, NCS lựa chọn lõi xúc tác để phủ có các thông số như trong Bảng 3.9.
Bảng 3.9. Thông số lõi được chọn để phủ xúc tác
STT Thông số Giá trị
1 Đường kính lõi xúc tác (mm) 25 2 Chiều dài lõi xúc tác (mm) 60 3 Diện tích bề mặt (m2) 0,125 4 Số cell trên inch vuông 200
NCS tiến hành phủ xúc tác lên lõi đã chọn. Hiện nay trên thế giới phổ biến có 4 nhóm phương pháp phủ bề mặt chi tiết, bao gồm:
Các phương pháp hóa học và điện ly Các phương pháp vật lý
Các phương pháp cơ học Phương pháp sol-gel
73
Các phương pháp đều có những ứng dụng riêng phù hợp với từng điều kiện sử dụng và chế tạo. Phương pháp sol-gel được sử dụng phổ biến để phủ vật liệu xúc tác trên lõi kim loại ứng dụng cho xử lý khí thải trên động cơ. Vì vậy trong đồ án này, NCS lựa chọn phương pháp sol-gel để phủ lớp vật liệu trung gian và lớp vật liệu xúc tác tạo khí giàu hyđrô trên lõi kim loại. Sau đây, NCS trình bày chi tiết về quy trình phủ của phương pháp này.
a. Mô tả quy trình phủ
Hình 3.16. Quy trình công nghệ chế tạo lớp phủ NiO-CuO/ -Al2O3/FeCrAl
Quy trình công nghệ phủ bao gồm các bước trình tự xử lý lõi, điều chế các dung dịch phủ lớp vật liệu trung gian và lớp xúc tác (Hình 3.16). Sau đây NCS trình bày chi tiết các bước trên.
b. Các bước quy trình công nghệ phủ
Xử lý lõi kim loại
Xử lý lõi kim loại là một trong những bước rất quan trọng trong quy trình phủ, vì việc xử lý bề mặt lõi có liên quan đến tính kết dính giữa lớp vật liệu trung gian và lõi, từ đó ảnh hưởng đến chất lượng của bộ xúc tác. Mục đích của việc xử lý nền là tạo lớp ôxít nhôm trên bề mặt lõi để có thể kết dính tốt với lớp trung gian, lõi kim loại là thép hợp kim FeCrAl với thành phần Fe-Cr (17-21%)-Al (2-4%). Để tạo lớp ô xít nhôm trên bề mặt lõi, lõi sẽ phải qua các bước xử lý hóa học sau: đầu tiên lõi thép hợp kim FeCrAl được nhúng trong dung dịch HCl (69%) trong 2 đến 3 phút để tăng độ nhám bề
74
mặt, tiếp sau đó lõi được nhúng trong dung dịch HNO3 ở 80ºC trong 5 phút để làm sạch lớp ôxít bề mặt ngoài. Sau khi xử lý hóa học, chất nền được cho vào lò nung ở 900oC trong 10h, lõi sau khi nung sẽ được làm sạch bằng cồn [48].
Điều chế lớp vật liệu trung gian
Dung dịch phủ của lớp vật liệu trung gian được tạo bởi trộn hỗn hợp chất kết dính Al(NO3)3, bột nhôm và nước cất với thành phần khối lượng như sau: 23% khối lượng chất kết dính Al(NO3)3, 23% khối lượng Al2O3 và 54% khối lượng nước cất. Hỗn hợp này được khuấy mạnh trong 8h ở nhiệt độ phòng để giảm kích thước hạt ôxít nhôm.
Tiến hành nhúng lõi kim loại đã được xử lý ở bước 1 vào trong dung dịch phủ của lớp vật liệu trung gian trong thời gian từ 4 đến 6 giây và rút ra từ từ, tốc độ trung bình khoảng 1mm/s. Sau đó để khô lõi vừa nhúng trong không khí ở nhiệt độ phòng trong 30 phút, lõi kim loại sau khi để khô ở ngoài môi trường, sẽ tiếp tục được làm khô trong lò nung ở nhiệt độ 250oC trong 2h, sau đó nung tiếp ở 650oC để nhiệt hóa chất kết dính trong 2,5h [48].
Tiến hành lặp lại các bước như trên trong 25 lần ta sẽ thu được lớp vật liệu trung gian phủ trên lõi kim loại có kích chiều dầy khoảng 25 m (Hình 3.18).
Điều chế lớp xúc tác
Tạo dung dịch phủ lớp xúc tác bằng cách trộn hỗn hợp 23% khối lượng chất kết dính Al(NO3)3, 23% khối lượng bột nghiền mịn NiO-CuO và 54% khối lượng nước
Hình 3.17. Chiều dầy lớp vật liệu trung gian sau 25 lần phủ
75
cất, sau đó nghiền hỗn hợp (nghiền ướt) trong 30 phút. Sau đó mẫu phủ sẽ được nhưng trong dung dịch phủ, sau khi nhúng, tiếp tục làm khô và nung như các bước trong phủ lớp trung gian (Hình 3.17) [48].
Sau khi tiến hành phủ lõi xúc tác trong 18 lần, bộ xúc tác thu được có hình dạng được chỉ ra trong Hình 3.18, các thông số kỹ thuật của lõi được chỉ ra trong Bảng 3.10.
Hình 3.18. Lõi xúc tác sau khi phủ lớp vật liệu trung gian và lớp xúc tác Bảng 3.10. Thông số kỹ thuật của lõi xúc tác
STT Thông số Giá trị
1 Khối lượng hoạt tính Ni (g) 1,4 2 Khối lượng hoạt tính Cu(g) 1,5 3 Đường kính lõi xúc tác (mm) 25 4 Chiều dài lõi xúc tác (mm) 72 5 Diện tích bề mặt (m2) 0,125 6 Số cell trên inch vuông 200 3.2.2.2. Tính toán, thiết kế bộ xúc tác
Bộ xúc tác được lắp trên đường thải của động cơ nhằm tận dụng nhiệt khí thải.
Để tận dụng nhiệt tốt, lõi được đặt ở chính giữa, khí thải sẽ bao xung quanh lõi xúc tác, để tránh tổn thất cho đường thải, đường khí thải đi bao quanh lõi phải có tiết diện bằng tiết diện của đường thải, trên vỏ phải có đường nước, xăng đi vào bộ xúc tác và có đường khí giàu hyđrô đi vào đường nạp của động cơ, trên vỏ sẽ đặt thêm các phôi nhôm để xăng và nước nhanh chóng hóa hơi sau khi phun vào bộ xúc tác. Sau đây, NCS trình bày tính toán, thiết kế bộ xúc tác hoàn chỉnh.
a. Tính toán, thiết kế vỏ cho lõi xúc tác
76
Khi lắp bộ xúc tác trên đường thải phải đảm bảo sao cho tổn thất đường thải là nhỏ nhất.
Hình 3.19 chỉ ra kết cấu đường thải xe máy Piaggio Liberty. Với mong muốn nhiệt cấp cho bộ xúc tác là lớn nhất, bộ xúc tác sẽ được đặt gần cổ xả. Song, do vướng các chi tiết trên xe nên bộ xúc tác được đặt cách cổ xả 90 mm. Cổ xả có đường kính trong và đường kính ngoài lần lượt là 15 và 18 mm. Do đó đoạn nối với vỏ bộ xúc tác cũng có kích thước như vậy để giảm tổn thất.
Hình 3.19. Hệ thống đường thải xe máy Piaggio Liberty trước khi lắp bộ xúc tác
Bộ xúc tác sau khi lắp đặt phải đảm bảo tiết diện lưu thông và tổn thất áp suất phải trong khoảng cho phép.
Tiết diện lưu thông của cổ thải là:
2 2
4 2
0, 015
1, 77 10 ( )
4 4
ct
S d m (3-1)
Do đó, tiết diện lưu thông qua bộ xúc tác ít nhất phải bằng 1, 77 10 m4 2. Tiết diện khí thải lưu thông qua bộ xúc tác được xác định theo công thức:
2 2
4 2
( )
1, 77 10 ( )
bxt 4
D d
S m (3-2)
77
Trong đó: d - đường kính ngoài của bộ xúc tác, d = 0,025 mm; D - đường kính trong của vỏ xúc tác.
Từ đó xác định được D 0,033 mm.
Tổn thất cho phép trên đường thải là [∑ΔP] = 0,1 m [49]. Do đó, NCS thiết kế sao cho tổn thất đường thải sau khi lắp bộ xúc tác nhỏ hơn [∑ΔP].
Tổn thất trên đường ống phụ thuộc vào đường kính ống dẫn và vận tốc dòng khí.
Vận tốc dòng khí thải được tính theo công thức [49]:
2 1
27 ,
1 d
v G
(3-3) Trong đó:
d1: đường kính trong của cổ xả, d1 = 0,015 m.
G: lưu lượng khí thải (kg/s), dựa vào lưu lượng khí nạp và nhiên liệu tiêu thụ lớn nhất tại 70 km/h trong bảng 3.2, xác định được G = 0,00847 kg/s.
γ: khối lượng riêng của khí thải (kg/m3), γ = 1,3.
Thay vào công thức (3-3) xác định được vận tốc dòng khí thải là 39,61 (m/s).
Tiến hành xác định chế độ dòng chảy của khí thải trong ống thông qua hệ số Reynolds [50]:
u vd1
Re (3-4)
Trong đó:
- v: tốc độ trung bình dòng khí thải, v = 42,61 m/s.
- d1: đường kính ống dẫn, d1 = 0,015 m.
- u: độ nhớt động học của khí thải, u = 1,33 . 10-5 m2/s.
Từ đó xác định được Re = 48056 > 104. Vì vậy, khí thải trong ống xả là dòng chảy rối.
Tổng tổn thất trên hệ thống thải gồm tổn thất trên tất cả các đoạn ống thẳng, các cản cục bộ và cản tại bình tiêu âm:
Δp = ∑ΔpT + ∑ΔpC + Δpta (3-5) Trong đó:
78
∑ΔpT: tổng tổn thất trên các đoạn ống thẳng
∑ΔpC: tổng tổn thất cản cục bộ
ΔPta: tổn thất tại bình tiêu âm, ΔPta = 0,05 m.
* Tổn thất áp suất trên đoạn ống thẳng được tính theo công thức:
) 2 ( . . . . 10
1 2
4 m
g d
v
pTi li (3-6)
Trong đó:
li: Chiều dài đoạn ống thẳng (m)
v : Vận tốc của dòng chảy, v = 39,61 m/s.
g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2. d1: Đường kính ống xả, d1 = 0,015 m δ: Hệ số cản của ống dẫn.
Hệ số cản của ống dẫn tính theo công thức: δ =
Trong đó t là nhiệt độ trung bình của khí xả, theo bảng 3.4: t = 500oC Do đó δ = = 0,02
li: tổng chiều dài đoạn ống thẳng, li = 346 (mm) = 0,346 (m) Thay vào ta có ∑ΔpT= ΔpTi =
g d
v li
2 . . . . 10
1 2
4 = 10-4.0,02. = 0,0037 (m)
* Tổng tổn thất cục bộ bao gồm tổn thất tại các đoạn gấp khúc và tổn thất tại vị trí lắp bộ xúc tác, được xác định theo công thức:
∑ΔpC = Δpgk + Δpbxt (3-7)
Tổn thất tại các đoạn gấp khúc Δpgk
Δpgk = δ. (m) (3-8)
Trong đó δ là hệ số cản cục bộ, δ = 0,15 ÷ 0,3. Chọn δ = 0,2 Δpgk = 10-4.3.0,2. = 0,0048 (m)
Tổn thất tại vị trí lắp bộ xúc tác
Ta thấy được đường kính của đường ống thải đi vào bộ xúc tác là 15 mm, khi đi vào bộ xúc tác đường kính tăng lên nên cản cục bộ ở bộ xúc tác lúc vào bộ
79
xúc tác là cản đột mở và cản ở lúc ra khỏi bộ xúc tác là cản đột thu. Theo đó, tổn thất tại bộ xúc tác được tính như sau:
Δpbxt = Δpdm + Δpdt = 10-4 (δdm. + δdt. ) (3-9) Trong đó:
v: vận tốc dòng khí xả trong ống xả, v = 39,61 m/s.
δdm và δdt: lần lượt là tổn thất đột mở và đột thu,
2 1 2 dm 1
A A và
2 1 2
0,5 1
dt
A
A [1], với A1 là tiết diện ống xả nguyên bản, A2 là tiết diện khí thải chạy qua bộ xúc tác.
Thay vào (3-9) ta có:
2 2 2 2 2 2
1 4
2 2
2 2
4
2 2
39, 61 0, 015 0, 015
1 10 .1,5 1 0, 012 1
2 9,81 0, 025
10 1
0, 02
,52 5
bxt
P v
g A
A D D
Thay các kết quả đã tính vào phương trình (3.5), ta được:
ΔP = ∑ΔpT + ∑ΔpC + Δpta
= 0,0037 + 0,0048 +
2 2
2 2
0, 015 0, 012 1
0, 025
D +0,05 [∑Δp] = 0,1 m Từ đó xác định được D 0,037 m.
Để phù hợp lắp trên không gian đường thải xe máy Piaggio Liberty, chọn đường kính trong và ngoài bộ xúc tác lần lượt là 0,044 và 0,047 m.
Để giảm tổn thất cục bộ do đột mở và đột thu khi lắp bộ xúc tác trên đường thải, NCS sử dụng côn mở và côn thu nối cổ xả với bộ xúc tác. Hình 3.20 cho thấy khoảng cách cho phép để lắp bộ xúc tác là 125 mm. Với đường kính cổ thải và bộ xúc tác lần lượt là 18 và 47 mm, hệ số Re = 48056 (Bảng 3.11), kết hợp với khoảng cách lắp bộ xúc tác, NCS chọn côn mở 60o. Từ đó, xác định được chiều dài của mỗi đầu côn mở là 25 mm nên tổng chiều dài của bộ xúc tác sau thiết kế là 122 mm (Hình 3.20 và 3.21).
Bảng 3.11. Tổn thất của ống nối côn [50]
Re A2/A1 θ
16° 20° 30° 45° 60° 90° 120° 180°
0,5.105 2 0,14 0,19 0,32 0,33 0,33 0,32 0,31 0,30 4 0,23 0,30 0,46 0,61 0,68 0,64 0,63 0,62
80
6 0,27 0,33 0,48 0,66 0,77 0,74 0,73 0,72 10 0,29 0,38 0,59 0,76 0,80 0,83 0,84 0,83
≥16 0,31 0,38 0,60 0,84 0,88 0,88 0,88 0,88
2. 105
2 0,07 0,12 0,23 0,28 0,27 0,27 0,27 0,26 4 0,15 0,18 0,36 0,55 0,59 0,59 0,58 0,57 6 0,19 0,28 0,44 0,9 0,70 0,71 0,71 0,69 10 0,20 0,24 0,43 0,76 0,80 0,81 0,81 0,81
≥16 0,21 0,24 0,52 0,76 0,87 0,87 0,87 0,87
6. 105
2 0,05 0,07 0,12 0,27 0,27 0,27 0,27 0,27 4 0,17 0,24 0,38 0,51 0,56 0,58 0,58 0,57 6 0,16 0,29 0,46 0,6 0,69 0,71 0,70 0,70 10 0,21 0,33 0,52 0,6 0,76 0,83 0,84 0,83
≥16 0,21 0,34 0,56 0,72 0,79 0,85 0,87 0,89
Hình 3.20. Hệ thống đường thải xe máy Piaggio Liberty khi lắp bộ xúc tác Hình 3.21 mô tả bản vẽ chi tiết của vỏ bộ xúc tác.
81
Hình 3.21. Bản vẽ thiết kế vỏ bộ xúc tác b. Tính toán, thiết kế đường xăng và nước cấp cho bộ xúc tác
NCS tính toán đường cấp xăng và nước phù hợp với lưu lượng đã xác định trong Bảng 3.5 và 3.6. Để phù hợp với tất cả các chế độ, tính toán đường cấp nhiên liệu với lưu lượng lớn nhất.
Lưu lượng được xác định theo công thức:
4 . . .
2
d2
v S v
Q (3-10)
Trong đó:
Q: lưu lượng nước, Q = 0,00506 (l/ph) = 8,4.10-8 (m3/s).
d2: đường kính ống dẫn (m).
v: vận tốc của dòng chất lỏng (m/s). Để tránh gây tổn thất cũng như sự bào mòn trên đường ống, chọn v = 1 (m/s) [50].
Thay vào công thức (3-10), tính được d2 = 0,0032 m.
Kết hợp các đường ống có sẵn trên trên thị trường, NCS chọn đường ống cấp xăng và nước với đường kính trong và ngoài lần lượt là 3 và 5 mm.
c. Tính toán, thiết kế đường khí hyđrô
Khí hyđrô sau khi ra khỏi bộ xúc tác được ống mềm có chiều dài 200 mm dẫn tới đường nạp của động cơ (Hình 3.22). Đường kính ống dẫn khí hyđrô phải hợp lý sao cho toàn bộ khí hyđrô sinh ra được hút vào trong đường nạp của động cơ.
Viết phương trình Bernouli cho 2 mặt cắt (1-1) và (2-2):
82
2 2
1 1 2 2
2 2 w
p v p v
g g h (3-11)
Trong đó:
p1: áp suất trong bộ xúc tác, coi p1 = 105 (N/m2)
p2: áp suất tại đường nạp của động cơ, p2 = 0,9.105 (N/m2) [51].
γ: trọng lượng riêng của khí hyđrô, γ = 0,0089 (N/m3) v1: vận tốc trong bộ xúc tác, coi như v1 = 0 (m/s).
v2: vận tốc dòng khí hyđrô tại mặt cắt 2-2, 2
2 2 2
4 d
v Gh
Trong đó: d2 là đường kính trong ống dẫn khí hyđrô;
h2
G là lưu lượng khí hyđrô, theo bảng 3.3 có
h2
G = 2,1.10-4 (kg/m3).
hw: là tổn thất trên đoạn ống thẳng và tổn thất cục bộ tại điểm gấp khúc (coi ống mềm là ống thẳng). Tương tự như khi tính tổn thất khi lắp bộ xúc tác, hw được xác định:
hw =
g d
v li
2 . . . . 10
2 2
4 + 10-4.δgk . = 10-4.0,02.
g d
v 2 .
. 2 , 0
2 2
+ 10-4.0,2.
Hình 3.22. Đường khí hyđrô cấp cho cổ nạp
Thay số vào phương trình (3-11) tính được d2 = 0,00568 m. Nên chọn đường kính trong của đoạn dẫn khí hyđrô là d2 = 6 mm, đường kính ngoài là 8 mm.
83
Hình 3.23 chỉ ra kết cấu hoàn chỉnh của bộ xúc tác.
Hình 3.23. Bản vẽ thiết kế hoàn chỉnh bộ xúc tác