MỞ ĐẦU 1 i. Lý do chọn đề tài................................................................................................1 ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án...................................................2 iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................2 iv. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................3 v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..........................................................................3 vi. Điểm mới của Luận án.....................................................................................3 vii. Bố cục của Luận án.........................................................................................4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 5 1.1. Tổng quan hiệu suất có ích của động cơ và nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải..............................................................................................5 1.2. Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để nâng cao hiệu suất nhiệt của hệ động lực............................................................................................6 1.2.1.Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén 6 1.2.2. Sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC) 7 1.2.3. Nhiệt điện (Thermoelectric Generation TEG) 7 1.2.4. Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi 9 1.2.5. Nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ từ nhiệt nước làm mát 9 1.3. Nhu cầu sử dụng nước ngọt và các phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển.............................................................................................................10 1.3.1. Thực trạng nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu biển 10 1.3.2. Tính chất hóa lý của nước biển 11 1.3.3. Các giải pháp công nghệ tạo nước ngọt từ nước biển hiện nay 12 1.4. Các nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel trên tàu biển.........................................................................................................20 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới 20 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước 23 1.5. Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án....................................25 1.6. Kết luận chương 1........................................................................................25 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27 iii 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ thống...................................................27 2.1.1. Nghiên cứu xây dựng cấu hình hệ thống 27 2.1.2. Xây dựng lưu đồ các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR......28 2.2. Cơ sở tính toán xác định nhiệt lượng nước làm mát và khí thải của ĐCĐT trong phần mềm AVLBoost................................................................................30 2.2.1. Giới thiệu phần mềm AVL – Boost 30 2.2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost 31 2.3. Cơ sở tính toán thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải của ĐCĐT...........................................................................................................33 2.3.1. Két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR 33 2.3.2. Két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 39 2.4. Cơ sở tính toán thiết kế bộ hóa ẩm ngưng tụ (HDH)..................................44 2.4.1. Quá trình trao đổi nhiệt trong bình hóa ẩm 45 2.4.2. Quá trình trình trao đổi nhiệt trong bình ngưng tụ 53 2.5. Cơ sở tính toán các thiết bị phụ của hệ thống...............................................56 2.5.1. Tổn thất áp suất ma sát, Δpm 56 2.5.2. Tổn thất áp suất cục bộ, Δpc 57 2.5.3. Tổn thất áp suất gia tốc, Δpg 57 2.5.4. Tổn thất áp suất trọng trường, Δpo 57 2.6. Cơ sở lý thuyết tính quá trình trao đổi nhiệt trong phần mềm Ansys Fluent.57 2.6.1. Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent 57 2.6.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trong phần mềm Ansys Fluent 58 2.7. Kết luận chương 2........................................................................................61 CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT 63 3.1. Xây dựng sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển.......................63 3.2. Xây dựng mô hình động cơ D243 trên phần mềm AVLBoost.....................64 3.2.1. Giới thiệu về động cơ D243 64 3.2.2. Xây dựng mô hình động cơ D243 trên AVLBoost 66 3.2.3. Đánh giá độ tin cậy của mô hình 66 3.2.4. Chạy mô phỏng và phân tích đánh giá kết quả tại các đặc tính bộ phận của động cơ 67 3.3. Tính toán, thiết kế các thiết bị trong hệ thống..............................................72 3.3.1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR 72 3.3.2. Tính toán, thiết kế và mô phỏng két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 78 3.3.3. Tính toán, thiết kế bộ hóa ẩm – ngưng tụ kiểu HDH 85 3.5. Kết luận chương 3........................................................................................88 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 90 iv 4.1. Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm................................................................90 4.2. Sơ đồ và trang thiết bị thực nghiệm..............................................................90 4.2.1. Sơ đồ bố trí thực nghiệm 90 4.2.2. Trang thiết bị thực nghiệm 92 4.3. Quy trình thực nghiệm.................................................................................96 4.3.1. Chuẩn bị, lắp đặt, hiệu chỉnh động cơ và hệ thống trên băng thử 96 4.3.2. Các chế độ chạy thực nghiệm97 4.4. Kết quả thực nghiệm....................................................................................98 4.4.1. Ảnh hưởng của hệ thống chưng cất đến đặc tính làm việc của động cơ 98 4.4.2. Khả năng thu hồi nhiệt của két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR 99 4.4.3. Khả năng thu hồi nhiệt của két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 101 4.4.4. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được của hệ thống 105 4.5. Kết luận chương 4......................................................................................108 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN110 KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................110 HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................................................111 TÀI LIỆU THAM KHẢO 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN117 PHỤ LỤC 118 PHỤ LỤC 1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG AVLBOOST 1.PL PHỤ LỤC 2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KÉT THU HỒI NHIỆT NƯỚC LÀM MÁT TRÊN ANSYS FLUENT 11.PL PHỤ LỤC 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KÉT THU HỒI NHIỆT KHÍ THẢI TRÊN ANSYS FLUENT 16.PL PHỤ LỤC 4. GIA CÔNG CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG .. …21.PL PHỤ LỤC 4. ĐỒ THỊ LƯU LƯỢNG NƯỚC NGỌT CHƯNG CẤT ĐƯỢC ..… 31.PL PHỤ LỤC 5. BẢN VẼ CÁC THI
TỔNG QUAN 5 1.1 Tổng quan hiệu suất có ích của động cơ và nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải
Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để nâng cao hiệu suất nhiệt của hệ động lực
1.2.1.Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén
Từ năm 1909, Dr Alfred J Buchi đã nghiên cứu sử dụng khí thải để đưa vào tuabin sinh công, nhằm dẫn động máy nén tăng áp khí nạp cho động cơ đốt trong Phương pháp này giúp tăng lượng khí nạp vào xi lanh trong mỗi chu trình công tác, từ đó đốt được nhiều nhiên liệu hơn và nâng cao công suất riêng của động cơ Hệ thống tăng áp bằng tuabin và máy nén, được trình bày rõ trong sơ đồ hệ thống trên Hình 1.2, là một giải pháp hiệu quả để cải thiện hiệu suất động cơ đốt trong.
Hình 1.2 Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin-máy nén sử dụng trên ĐCĐT
1- Van cửa xả; 2- Bộ chấp hành; 3- Bánh tuabin; 4- Tuabin tăng áp; 5- Bánh nén; 6- Cảm biến lưu lượng khí nạp; 7- Bộ làm mát trung gian; 8- Cảm biến áp suất tuabin
Tăng áp cho động cơ diesel là giải pháp hiệu quả để nâng cao công suất và giảm tiêu hao nhiên liệu, giúp cải thiện hiệu suất động cơ đáng kể Áp suất khí nạp cao không chỉ làm tăng khả năng nạp nhiên liệu mà còn cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy, từ đó giảm lượng khí thải độc hại trên mỗi đơn vị công suất Đây còn là phương pháp giúp giảm thể tích, trọng lượng và giá thành sản xuất của động cơ trên mỗi đơn vị công suất, đồng thời nâng cao hiệu suất hoạt động Hiện nay, công nghệ tăng áp bằng tuabin - máy nén đang được sử dụng rộng rãi trên các động cơ diesel và một số dòng xe xăng hiện đại Các nghiên cứu, như của Jianbing Gao và cộng sự, đã chỉ ra rằng, khi áp dụng tăng áp khí nạp cho động cơ diesel tải trọng nặng, hiệu suất nhiệt của động cơ có thể đạt tới 38% trong phạm vi tải từ 50 đến 100% và tốc độ hoạt động phù hợp.
1.2.2 Sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC)
Hình 1.3 Sơ đồ chu trình ORC [16]
1- Thùng nước; 2- Bơm; 3- Két làm mát; 4- Buồng bay hơi; 5- Tuabin hơi; 5- Buồng ngưng tụ
Phương pháp này tận dụng nhiệt của nước làm mát hoặc khí thải nhiệt độ thấp từ động cơ đốt trong để chuyển đổi pha của môi chất từ lỏng sang hơi, tạo ra công hữu ích, thường kết hợp phát điện Nghiên cứu của tác giả FU Jian-qin và cộng sự đã cho thấy rằng tận dụng nhiệt nước làm mát ở nhiệt độ thấp trong chu trình Rankine hữu cơ có thể tăng hiệu suất động cơ lên đến 12,1%.
1.2.3 Nhiệt điện (Thermoelectric Generation - TEG)
TEG là phương pháp tận dụng năng lượng nhiệt khí thải của ĐCĐT để chuyển hóa thành điện năng, sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên Hình 1.4.
Các hãng sản xuất ô tô hàng đầu như BMW, Hyundai và General Motors đang quan tâm đến việc sử dụng thiết bị phát điện để tận dụng nhiệt năng từ khí thải động cơ, nhờ đặc điểm nhiệt độ cao và lượng khí thải lớn BMW đã áp dụng công nghệ này trên một số xe có động cơ hỗn hợp, giúp giảm tiêu thụ nhiên liệu lên đến 5% bằng cách sử dụng TEG cho công suất đạt 600W Trong khi đó, General Motors hợp tác với Trung tâm nano Birka của Mỹ để nghiên cứu nâng cao hiệu suất của TEG cho động cơ ô tô Hình 1.5 thể hiện cấu trúc chất bán dẫn p-n trong thiết bị TEG, góp phần thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiết kiệm nhiên liệu trong ngành ô tô.
Hình 1.4 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ để phát điện (TEG) [18]
1- Bộ chuyển đổi năng lượng; 2- TEG; 3- Thiết bị trao đổi nhiệt; 4- Bộ xúc tác
Hình 1.5 Chất bán dẫn p-n trong thiết bị TEG [18]
Sự kết hợp giữa Động cơ đốt trong (ĐCĐT) và Tấm nguồn nhiệt (TEG) đã nâng cao tính năng kinh tế của động cơ bằng cách sinh thêm điện năng và giảm tiêu hao nhiên liệu Nhiều nghiên cứu đã chứng minh lợi ích của TEG, như Xiaodong Zhang và K.T Chau đã kết hợp TEG trên ô tô và ghi nhận khả năng tăng công suất động cơ lên đến 17,9% Stobart R và Weerasing R đã khảo sát TEG trên các phương tiện giao thông, tạo ra khoảng 1,3 kW điện trên xe chở khách Anbang Liu cùng cộng sự đã nâng cao hiệu suất hệ thống TEG bằng cách kết hợp với vật liệu chuyển pha (PCM), đạt năng lượng điện tối đa 1386,45 J trong điều kiện vận hành tối ưu.
1.2.4 Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi
Nhiệt lượng thoát ra từ khí thải Đặc Động Tạo Nhiệt (ĐCĐT) rất lớn, chiếm hơn 1/3 tổng nhiệt lượng phát sinh từ quá trình đốt nhiên liệu Trường nhiệt độ cao của khí thải, gấp 5-6 lần nhiệt độ nước làm mát, cho phép tận dụng nhiệt một cách hiệu quả hơn, góp phần nâng cao hiệu suất hệ thống Giải pháp tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi đã đạt được nhiều thành công, giúp tiết kiệm nhiên liệu và nâng cao hiệu quả sản xuất Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt khí thải thể hiện rõ quá trình khí thải sau khi ra khỏi động cơ được dẫn vào nồi hơi thứ hai, truyền nhiệt để nung nóng nước thành hơi, sau đó hơi được dẫn đến các thiết bị sử dụng năng lượng hơi như sưởi ấm hoặc sấy hàng Hệ thống còn bao gồm các bình góp, bơm tuần hoàn và bể chứa nhằm duy trì hoạt động ổn định của mạch, với áp suất hơi đạt 5-6 kg/cm² để phục vụ mục đích phụ như sưởi ấm, sấy hàng hoặc sấy nhiên liệu nặng cho tàu vận tải biển.
Hình 1.6 Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt nồi hơi [4]
1- Động cơ; 2- Nồi hơi tận dụng; 3- Bơm nước; 4- Bình góp; 5-Bể chứa nước
1.2.5 Nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ từ nhiệt nước làm mát
Tổn thất nhiệt với nước làm mát là thành phần tổn thất lớn thứ hai trong hệ thống động cơ đốt trong, chiếm khoảng 27 đến 31% Giá trị của tổn thất này phụ thuộc vào kết cấu và chế độ làm việc của động cơ, mức độ tăng áp, nhiệt độ làm mát trung bình của môi chất, cũng như nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của động cơ.
Nhiệt độ trung bình của nước làm mát dao động từ 70 đến 85°C, với Δt trong khoảng 5 đến 7°C, khiến việc sử dụng nhiệt nước làm mát để sinh công có ích gặp nhiều khó khăn Tuy nhiên, nếu áp dụng các giải pháp hợp lý và vận hành động cơ ở chế độ tải cao, vẫn có thể tận dụng hiệu quả nguồn nhiệt này để sinh năng lượng sử dụng trong các hệ thống khác.
Trong thực tế, sự mài mòn của nhóm piston-xylanh và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel phụ thuộc rất lớn vào nhiệt độ của nước làm mát Khi nhiệt độ nước làm mát tăng, cả khả năng hao mòn và tiêu hao nhiên liệu đều giảm, đồng thời nhiệt độ khí thải tăng nhẹ, giúp tối ưu hóa khả năng tận dụng nhiệt của hệ thống làm mát và khí thải.
Tăng nhiệt độ của nước làm mát từ động cơ lên đến 90-95°C giúp cải thiện các chỉ tiêu kỹ thuật và năng suất của động cơ Điều này còn tạo ra nguồn nước nhiệt độ cao dùng trong hệ thống cung cấp nước nóng sinh hoạt, máy chưng cất nước biển chân không, sấy hàng hoá và các mục đích khác Phương pháp làm mát động cơ với nhiệt độ môi chất đến 140-150°C tận dụng sâu hơn năng lượng nhiệt của môi chất, cho phép sử dụng nhiệt lượng này vào các thiết bị tận dụng nhiệt như nồi hơi, sinh hơi cho tuabin máy phát điện nhỏ.
Hình 1.7 trình bày sơ đồ nguyên lý tận dụng nhiệt từ nước làm mát để phục vụ hoạt động sinh hoạt, giúp tiết kiệm năng lượng và nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt Hệ thống gồm các thành phần chính như động cơ, thùng giãn nở, két thu hồi nhiệt, bơm nước, bể cấp nước, van điều chỉnh và két làm mát nước Quy trình hoạt động của hệ thống đảm bảo quá trình thu hồi nhiệt từ nước làm mát, sau đó sử dụng để cấp nhiệt cho các nhu cầu sinh hoạt hàng ngày, góp phần giảm thiểu lượng nhiệt thải ra môi trường Việc tận dụng nhiệt từ nước làm mát không chỉ giúp nâng cao hiệu quả năng lượng mà còn giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường.
Hình 1.7 trình bày phương pháp thu hồi nhiệt từ nước làm mát động cơ bằng két thu hồi nhiệt (3), nhằm phục vụ nhu cầu sinh hoạt trên tàu biển Khi nhiệt độ của nước làm mát xuất ra từ động cơ dao động khoảng 75 ÷ 85°C, nhiệt độ môi chất làm mát trong két thu hồi nhiệt tối đa chỉ đạt từ 65 ÷ 75°C, giúp tối ưu hóa quá trình thu hồi nhiệt và tiết kiệm năng lượng cho tàu.
1.3 Nhu cầu sử dụng nước ngọt và các phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển
1.3.1 Thực trạng nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu biển
Nước ngọt dùng trên tàu thuyền đi biển, đặc biệt là các tàu khai thác thủy hải sản, đóng vai trò vô cùng quan trọng Nó là yếu tố quyết định thời gian hoạt động và hiệu quả của mỗi chuyến đi biển, góp phần đảm bảo sức khỏe và hiệu suất làm việc của thủy thủ Việc cung cấp nguồn nước sạch, đảm bảo an toàn vệ sinh là yếu tố then chốt để duy trì sự thành công trong các chuyến hải trình dài.
Các ngư dân đi tàu biển khai thác thủy sản xa bờ thường phải đối mặt với vấn đề thiếu nước ngọt trong suốt hành trình dài hàng tháng Việc lấy nước từ đất liền để lưu trữ dùng lâu ngày rất tốn kém về nhiên liệu và chỉ đáp ứng tối thiểu nhu cầu sinh hoạt cơ bản của thủy thủ đoàn Nhu cầu tắm giặt và ăn uống bằng nước ngọt còn rất hạn chế do nguồn cung hạn chế, khiến quá trình sinh hoạt trở nên vất vả Việc chở theo lượng lớn nước ngọt chiếm diện tích và không gian hạn chế trên tàu, gây ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của ngư dân Khi nguồn nước cạn kiệt, các tàu phải quay trở lại các đảo gần nhất để tiếp nước, gây ra những chuyến di chuyển không hiệu quả, làm tăng chi phí nhiên liệu và giảm năng suất đánh bắt, ảnh hưởng đến lợi nhuận và khả năng khai thác thủy sản của ngư dân xa bờ.
Hình 1.8 Các tàu khai thác thủy hải sản ở Việt Nam
Chuyến biển của các tàu khai thác thủy hải sản tại Việt Nam thường kéo dài từ 10-15 ngày, mỗi tàu chở theo khoảng 1,5 đến 2,0 m³ nước ngọt trong các bồn chứa Trung bình, mỗi ngư dân chỉ sử dụng hơn 10 lít nước mỗi ngày cho các hoạt động ăn uống, tắm giặt và sinh hoạt hàng ngày Do đó, cuộc sống của ngư dân gặp nhiều khó khăn do hạn chế về nguồn nước sạch, dẫn đến nhu cầu cần thiết phải có hệ thống cung cấp nước ngọt trên tàu để đảm bảo điều kiện sinh hoạt hợp lý khi ra khơi dài ngày.
1.3.2 Tính chất hóa lý của nước biển
Kết luận chương 1 25 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 27
Nhiệt lượng mất mát cho nước làm mát và khí thải động cơ chiếm hơn 50%, là nguồn nhiệt lớn có thể tận dụng để sinh công có ích Hiện nay, nhiều công nghệ đã được nghiên cứu và ứng dụng để khai thác nguồn nhiệt này, bao gồm tăng áp khí nạp bằng tuabin – máy nén, sử dụng chu trình ORC, động cơ nhiệt điện, gia nhiệt nồi hơi, và chưng cất nước ngọt từ nước biển, góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng của động cơ đốt trong.
Hiện nay, các tàu biển cỡ lớn đã sử dụng hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nguồn nhiệt từ nước làm mát của động cơ chính, giúp giảm phụ thuộc vào nguồn nước ngọt truyền thống Tuy nhiên, hệ thống này vẫn còn hạn chế khi áp dụng trên các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ có công suất nhỏ và trung bình, do yêu cầu về thiết kế tối ưu và khả năng vận hành phù hợp với quy mô tàu Developing efficient nước biển thành nước ngọt cho tàu thủy lớn và nhỏ là giải pháp bền vững để đảm bảo hoạt động lâu dài của ngành hàng hải và nuôi trồng thủy sản.
Phương pháp chưng cất HDH có nhiều ưu điểm như dễ chế tạo, linh hoạt về công suất, chi phí sản xuất và khai thác thấp Ngoài ra, phương pháp này có khả năng hoạt động hiệu quả với nguồn nước biển có chất lượng khác nhau Trong luận án này, NCS đã áp dụng phương pháp HDH để tận dụng nguồn nhiệt từ nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ nhằm chưng cất nước ngọt từ nước biển.
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để có thể tính toán thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải của ĐCĐT để chưng cất nước ngọt từ nước biển trước hết cần phải nghiên cứu cơ sở lý thuyết tính toán các thiết bị trong hệ thống Trong chương này, NCS trình bày các cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế các thiết bị trong hệ thống cũng như cơ sở lý thuyết tính toán trong các phần mềm mô phỏng AVL-Boost và Ansys Fluent Các bước còn lại như tính toán thiết kế, chế tạo và đánh giá hệ thống sẽ được đề cập trong các chương tiếp theo.
Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ thống
2.1.1 Nghiên cứu xây dựng cấu hình hệ thống
Hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt khí thải và nước làm mát của động cơ đốt trong đảm bảo hiệu quả trong việc chuyển đổi nước biển thành nước ngọt Các thành phần chính bao gồm: máy cấy đốt trong (ĐCĐT), bơm nước biển, hệ thống làm mát, két thu hồi nhiệt nước làm mát, bình ngưng tụ, bình hóa ẩm, và các thiết bị xử lý khí như không khí bão hòa ẩm Quá trình này giúp thu hồi nước ngọt từ nước biển hiệu quả, giảm thiểu lãng phí năng lượng và bảo vệ môi trường.
10- Nước biển vào bình hóa ẩm; 11- Két thu hồi nhiệt khí thải; 12- Khí thải
Hệ thống gồm ba bộ phận chính giúp tối ưu hóa quá trình nhiệt và tự nhiên hóa nước Đầu tiên, két thu hồi nhiệt nước làm mát (CHR) được lắp song song với két làm mát nguyên bản, nhằm thu hồi nhiệt nước làm mát nhưng vẫn đảm bảo động cơ hoạt động bình thường khi hệ thống chưng cất không hoạt động Thứ hai, két thu hồi nhiệt khí thải (EHR) được lắp cùng tuyến đường thải của động cơ, không ảnh hưởng đến quá trình thải khí Cuối cùng, hệ thống gồm thiết bị hóa ẩm và ngưng tụ giúp biến đổi không khí ẩm từ biển thành nước ngọt, như minh họa trong Hình 2.1, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất nước sạch từ không khí biển.
Từ sơ đồ hệ thống như thể hiện trong Hình 2.1, trình tự tính toán thiết kế hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển thể hiện trên Hình 2.2.
Hình 2.2 Trình tự tính toán thiết kế hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển
Các bước tính toán gồm:
- Tính toán phân bố nhiệt cho nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong.
Dựa trên kết cấu ban đầu, NCS đã thực hiện tính toán két thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải bằng phần mềm mô phỏng Ansys Fluent để xác định các thiết kế tối ưu Quá trình này giúp đảm bảo hiệu suất cao của hệ thống thu hồi nhiệt, giảm thiểu tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu quả vận hành Sử dụng mô phỏng kỹ thuật chính xác, NCS đã đưa ra các kết cấu hợp lý cho các thiết bị thu hồi nhiệt, góp phần nâng cao hiệu suất hệ thống làm mát và xử lý khí thải.
- Tính toán bình hóa ẩm và ngưng tụ.
- Tính toán các thiết bị phụ (bơm, quạt hút, van điều chỉnh…).
- Gia công chế tạo và lắp đặt hệ thống.
- Chạy thực nghiệm và đánh giá hiệu quả.
2.1.2 Xây dựng lưu đồ các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR Để tính toán thiết kế hệ thống, NCS đi xây dựng lưu đồ thuật toán các bước tính toán các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ được thể hiện trên Hình 2.3.
Hình 2.3 Lưu đồ thuật toán các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR
Các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt gồm:
Bước đầu tiên trong quá trình phân tích là xác định lượng nhiệt mà động cơ đốt trong truyền cho nước làm mát và khí thải, bao gồm cả nhiệt độ và lưu lượng của chúng Các thông số này được xác định chính xác thông qua quá trình mô phỏng hoạt động của động cơ trên phần mềm AVL-Boost, đảm bảo độ chính xác cao trong phân tích nhiệt lượng.
Trong bước 2, dựa trên nhiệt lượng, nhiệt độ và lưu lượng của nước làm mát cũng như khí thải NCS, chúng tôi xây dựng, tính toán và thiết kế két thu hồi nhiệt nước làm mát (CHR) và két thu hồi nhiệt khí thải (EHR) Quá trình thiết kế đảm bảo thiết bị đạt hiệu suất thu hồi nhiệt tối đa, đồng thời phải phù hợp với không gian bố trí hạn chế Do đó, việc tối ưu hóa thiết kế giúp giữ cho thiết bị nhỏ gọn và hiệu quả truyền nhiệt cao, mang lại hiệu suất hoạt động tối ưu trong hệ thống.
Sau khi xác định kích thước cơ bản của CHR và EHR, bước tiếp theo là xây dựng và chạy mô phỏng trên phần mềm Ansys Fluent, bao gồm thiết kế mô hình 3D, chia lưới mô hình, chọn mô hình tính toán phù hợp và giải các phương trình bảo toàn như khối lượng, mô men, năng lượng cũng như mô hình rối để phân tích chính xác quá trình vận hành.
Trong bước 4, tiến hành chạy thí nghiệm để so sánh với kết quả mô phỏng trong Ansys Fluent, bao gồm các yếu tố như nhiệt độ, vận tốc của môi chất và nhiệt lượng hấp thụ bởi nước biển Tuy nhiên, cần lưu ý rằng không phải mọi kết quả mô phỏng đều chính xác tuyệt đối so với thí nghiệm thực tế; kết quả được xem là phù hợp khi mức độ lệch sai số nằm trong giới hạn cho phép so với số liệu thực nghiệm.
Sau khi đánh giá và đảm bảo độ tin cậy của mô hình, NCS sử dụng mô hình để thực hiện tính toán và mô phỏng các chế độ làm việc khác nhau của động cơ, giúp tối ưu hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.
Cơ sở tính toán xác định nhiệt lượng nước làm mát và khí thải của ĐCĐT
2.2.1 Giới thiệu phần mềm AVL – Boost
Phần mềm AVL-Boost được phát triển từ năm 1992 và đã không ngừng mở rộng, mang lại nhiều cải tiến vượt bậc Gói phần mềm này bao gồm bộ tiền xử lý tương tác giúp chuẩn bị dữ liệu đầu vào cho các chương trình tính toán chính, đồng thời tích hợp một bộ hậu xử lý để phân tích kết quả hiệu quả Mô hình động cơ trong AVL-Boost được xây dựng bằng cách lựa chọn các phần tử cần thiết từ cây thư mục và kết nối chúng qua các phần tử đường ống, giúp mô hình hóa các động cơ có cấu tạo phức tạp một cách đơn giản và dễ dàng.
Chương trình cung cấp các thuật toán mô phỏng được tối ưu hóa để phân tích tất cả các phần tử trong hệ thống Dòng chảy trong ống được xem như là dòng một chiều, với các giá trị trung bình về áp suất, nhiệt độ và vận tốc được tính từ các phương trình khí động học qua mặt cắt của ống Tổn thất dòng chảy do hiệu ứng ba chiều tại các vị trí đặc biệt trong động cơ được xem xét kỹ lưỡng thông qua hệ số cản phù hợp Phần mềm AVL-Boost được ứng dụng rộng rãi trong việc mô phỏng và tối ưu hóa hệ thống truyền động.
-Xác định đặc tính mômen, tiêu hao nhiên liệu
-Thiết kế đường nạp, thải
-Tối ưu hóa thời điểm đóng mở xupáp
-Phối hợp với cụm tăng áp, van xả
-Phân tích về âm thanh (độ ồn trên đường nạp, thải)
-Phân tích quá trình cháy và hình thành khí thải
-Độ thích ứng của cụm tăng áp.
2.2.2 Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost
Trong quá trình cháy của Động Cơ Đốt Trong Tia lửa (ĐCĐT), cháy là quá trình biến đổi hóa năng thành nhiệt năng Việc xác định trạng thái của môi chất tại từng thời điểm trong chu trình đòi hỏi phải hiểu rõ các phản ứng trung gian chuyển đổi từ hỗn hợp ban đầu thành sản phẩm cháy cuối cùng, tuy nhiên điều này là rất phức tạp Áp dụng định luật nhiệt động học thứ nhất giúp xác định mối quan hệ giữa trạng thái ban đầu và cuối cùng của quá trình mà không cần biết chi tiết về các giai đoạn trung gian Các tính toán cho quá trình cháy theo định luật này được thể hiện qua phương trình (2.1), giúp đơn giản hóa việc phân tích và dự đoán hành vi của hệ thống trong quá trình đốt cháy.
( ) c F w BB c BB d m u dV dQ dQ dm p h d d d d d (2.1)
Trong quá trình hoạt động của xi lanh, biến đổi nội năng trong xi lanh được biểu thị bằng d m u (J/độ), phản ánh sự thay đổi năng lượng bên trong của hệ thống Công của chu trình thực hiện được tính bằng p c dV d (J/độ), thể hiện công năng sinh ra trong quá trình nổ hoặc nén Nhiệt lượng cấp vào hệ thống, được ký hiệu là dQ d F (J/độ), cung cấp năng lượng cho quá trình chuyển đổi năng lượng trong xi lanh, trong khi tổn thất nhiệt qua vách, đại diện bởi dQ d w (J/độ), giảm hiệu quả hệ thống Tổn thất enthalpy do khí lọt qua cửa (BB BB h dm d) (J/độ) và biến thiên khối lượng khí lọt qua (dm d BB) (kg/độ) ảnh hưởng đến các thông số năng lượng của hệ thống Góc quay trục khuỷu (độ) là biến số chính xác định vị trí của bộ truyền lực, còn trị số enthalpy riêng của khí lọt là h BB (J/kg) Khối lượng môi chất trong xi lanh được xác định bởi m c (kg), nội năng của hệ thống thể hiện qua u (J/kg), và áp suất trong xi lanh được đo bằng p c (bar) Thể tích của xi lanh V (m³) ảnh hưởng trực tiếp đến năng lượng và hoạt động của hệ thống Nhiệt lượng nhiên liệu cung cấp, Q F (J), đảm bảo cung cấp năng lượng cho quá trình đốt, trong khi Q w (J) là nhiệt lượng tổn thất qua thành vách buồng cháy, làm giảm hiệu suất hoạt động của động cơ.
Quá trình biến đổi khối lượng trong xilanh M C được xác định dựa trên định luật bảo toàn khối lượng, thể hiện rõ trong phương trình (2.2) Phương trình này mô tả sự thay đổi khối lượng theo thời gian, đảm bảo rằng tổng khối lượng trước và sau quá trình biến đổi vẫn không đổi Việc phân tích biến đổi khối lượng giúp tối ưu hóa quá trình hoạt động của hệ thống và nâng cao hiệu quả kỹ thuật Áp dụng quy luật bảo toàn khối lượng trong thiết kế và vận hành xilanh là yếu tố then chốt để đảm bảo tính chính xác và ổn định của quá trình chuyển đổi năng lượng.
Tổng lượng khối lượng đi vào xy-lanh được đo bằng biến dm d i (kg/độ), trong khi lượng khối lượng ra khỏi xy-lanh được phản ánh qua biến dm d e (kg/độ) Đồng thời, lượng nhiên liệu bay hơi trong quá trình hoạt động được xác định bằng giá trị dm dt ev (kg/độ) Các chỉ số này quan trọng trong việc phân tích quá trình vận hành của hệ thống xy-lanh, đảm bảo hiệu quả và tiết kiệm nhiên liệu Việc theo dõi chính xác các lưu lượng khối lượng này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và giảm thiểu khí thải ô nhiễm.
Năng lượng truyền cho hệ thống làm mát được xác định dựa trên quá trình truyền nhiệt từ buồng cháy qua nắp xilanh, piston và lót xilanh theo phương trình truyền nhiệt qua vách Quá trình này đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát nhiệt độ động cơ, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu và kéo dài tuổi thọ các bộ phận Việc phân tích chính xác lượng năng lượng truyền nhiệt giúp cải thiện thiết kế hệ thống làm mát, giảm thiểu tổn thất nhiệt và nâng cao hiệu quả hoạt động của động cơ đốt trong.
Nhiệt lượng truyền cho thành (Q wi) được xác định dựa trên diện tích truyền nhiệt (A i), hệ số truyền nhiệt (α w), nhiệt độ môi chất trong xylanh (T c) và nhiệt độ thành vách (T wi) Công thức tính Q wi phản ánh mối liên hệ giữa các yếu tố này để đảm bảo quá trình truyền nhiệt diễn ra hiệu quả Trong đó, hệ số truyền nhiệt α w đóng vai trò quan trọng trong việc xác định tốc độ truyền nhiệt qua thành, còn diện tích A i ảnh hưởng trực tiếp đến lượng nhiệt truyền Hiểu rõ các yếu tố này giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt trong hệ thống.
Các mô hình xác định hệ số truyền nhiệt phổ biến bao gồm Woshni 1978, Woshni 1990, Hihenberg, Lorenz, và nhiều mô hình khác Trong đó, mô hình Woshni 1978 phù hợp để áp dụng cho động cơ diesel có buồng cháy thống nhất Hệ số truyền nhiệt α w trong mô hình Woshni 1978 được xác định dựa trên công thức (2.4), giúp đánh giá chính xác quá trình truyền nhiệt trong động cơ diesel.
Với động cơ D243 (động cơ cháy do nén), mô hình cháy phù hợp là mô hình AVL MCC, trong đó tốc độ tỏa nhiệt phụ thuộc vào lượng nhiên liệu (f 1) và năng lượng động học rối (f 2), như được trình bày trong phương trình (2.5).
LVC; C Com là hằng số đặc trưng cho quá trình cháy, đo bằng kJ/kg/độ CA, giúp mô tả đặc tính nhiệt của nhiên liệu C rate là hệ số hòa trộn (s), ảnh hưởng đến quá trình phản ứng và hiệu suất cháy Năng lượng động học rối (k) có đơn vị m²/s², đóng vai trò trong xác định tốc độ phản ứng và lưu lượng nhiên liệu Lượng nhiên liệu hóa hơi (mF) tính bằng kg, thể hiện lượng nhiên liệu được hóa hơi để tham gia quá trình cháy Nhiệt trị thấp của nhiên liệu (LVC) là giá trị năng lượng tối thiểu khi đốt nhiên liệu, đo bằng kJ/kg Lượng nhiệt tích lũy (Q MCC) là tổng nhiệt lượng tích tụ trong quá trình đốt cháy, tính bằng kJ Dung tích xilanh (V) được đo bằng m³, là thể tích không khí hoặc nhiên liệu trong quá trình nén hoặc nạp.
Quá trình thải được thể hiện thông qua lưu lượng khối lượng khí ra khỏi xy lanh trong phương trình định luật nhiệt động học 1:
cyl W out cyl out d m u p dV dQ dm h d d d d (2.6)
Trong đó: cyl p dV d là công thải (J/độ), dQ w
Tổng lượng nhiệt trao đổi với thành vách được ký hiệu là ∑ dα (J/độ), thể hiện quá trình truyền nhiệt trong hệ thống Enthalpy của khí ra khỏi xi-lanh được gọi là h out (J), phản ánh năng lượng chứa trong khí sau quá trình phản ứng Lưu lượng khối lượng khí thoát khỏi xi-lanh được biểu diễn bằng dm out (kg), cho biết tốc độ và lượng khí ra ngoài trong quá trình hoạt động.
Q_w là lượng nhiệt thất thoát qua xupap thải, được mô hình hóa bằng truyền nhiệt qua vách trong AVL-Boost Công thức tính hệ số truyền nhiệt của mô hình Zapf được sử dụng để xác định chính xác quá trình này, giúp tối ưu hiệu suất động cơ và giảm tiêu hao nhiên liệu.
Hệ số trao đổi nhiệt tại cửa thải (αp) đo lường khả năng truyền nhiệt qua cửa thải, ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống Nhiệt độ sau cửa thải (Td), trước cửa thải (Tu) và nhiệt độ thành cửa thải (TW) phản ánh quá trình truyền nhiệt trong hệ thống Diện tích tiết diện lưu thông (AW) và lưu lượng khối lượng (ṁ) là các yếu tố quyết định khả năng truyền nhiệt và lượng chất lưu thông qua cửa thải Ngoài ra, độ nâng xupap (hv) và đường kính trong của đế xupap (dvi) đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh lưu lượng và kiểm soát dòng chảy, góp phần tối ưu hóa hiệu suất trao đổi nhiệt của hệ thống hơi hoặc khí.
Nhiệt khí thải được xác định theo công thức: ex
Với a, b, c, d là các hệ số phụ thuộc vào thành phần của khí thải.
2.3 Cơ sở tính toán thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải của ĐCĐT Để đảm bảo cho quá trình trao đổi nhiệt trong các thiết bị của hệ thống khi ĐCĐT làm việc ở các chế độ khác nhau, các thiết bị trong hệ thống yêu cầu phải làm việc ổn định với hiệu suất cao Ngoài ra trong thực tế, khoang máy của các tàu khai thác xa bờ thường có không gian chật hẹp, bố trí nhiều trang thiết bị phụ, vì vậy khi tính toán thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển cần đảm bảo các điều kiện sau:
-Kích thước các thiết bị hợp lý để đảm bảo bố trí hệ thống trong khoang tàu phải gọn gàng và khoa học.
-Không gây ảnh hưởng đến các hệ thống khác của ĐCĐT và đảm bảo ĐCĐT làm việc ổn định.
-Các thông số làm việc của hệ thống luôn ổn định.
-Dễ dàng gia công chế tạo, lắp đặt và bảo dưỡng, sửa chữa.
2.3.1 Két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR