Nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ

Với các đề tài sử dụng mô-đun TEG của bộ năng lượng Hoa Kỳ mặc dù cho kết quả tương đối khả quan nhưng chỉ mang tính chất trong phòng thí nghiệm, vấn đề giải quyết chỉ là vật liệu TEG mà

M CăL C

Trang Lýăl chăkhoaăhọc I

L iăcamăđoan II

L iăcảmăơn III Tómătắt IV

M căl c V Danhăm căhình vƠăbảngăbiểu IX

Chươngă1ăăăăăăăTổngăquan 01

1.1 Tổng quan về máy phát nhiệt điện trên ô tô 01

1.1.1 Tính cấp thiết của đề tài 01

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 01

1.1.3 Những vấn đề còn tồn tại 06

1.2 Mục đích của đề tài 07

1.3 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 07

1.4 Phương pháp nghiên cứu 07

Chươngă2ăăăăăăCơăs ălýăthuy tă 08

2.1 Nhiệt phát thải trên động cơ đốt trong 08

2.2 Quá trình truyền nhiệt 10

2.2.1 Dẫn nhiệt 10

2.2.2 Truyền nhiệt đối lưu 12

2.3 Hiệu ứng nhiệt điện và các mô-đun nhiệt điện 13

2.3.1 Hiệu ứng nhiệt điện 13

2.3.2 Mô-đun nhiệt điện 15

Chươngă3 ớcălư ngănhi tălư ngăphátăthảiăc a độngăcơăxĕng 17

3.1 Tính toán ước lượng khối lượng khí xả 17

3.2 Xác định các thông số cơ bản của khí xả 18

3.3 Xác định các thông số hoạt động của mô hình thí nghiệm 20

3.4 Thí nghiệm đánh giá mức độ phát thải nhiệt trên động cơ xăng 5S-FE 23

Chươngă4ăăăăăăăĐánhăgiáăkhảănĕngă ngăd ng TEG thuăhồiănhi tăthải 25

4.1 Xây dựng mô hình toán mô-đun TEG 25

4.2 Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm 27

4.2.1 Thiết kế bộ trao đổi nhiệt cho 1 mô-đun TEG 27

4.2.2 Chế tạo và lắp đặt mô hình thí nghiệm 28

4.3 Thực nghiệm thu thập dữ liệu 29

4.3.1 Sơ đồ khối bố trí thí nghiệm 29

4.3.2 Thí nghiệm thu thập dữ liệu mô-đun TEG 30

Chươngă5ăăăăăăThi tăk ăch ătạoămôăhìnhămáyăphátăkiểuănhi tăđi n 35

5.1 Thiết kế phần cơ khí 35

5.1.1 Bộ thu hồi nhiệt khói thải 35

5.1.2 Bộ phận làm mát cho thiết bị nhiệt điện 37

5.1.3 Bộ phận chuyển đổi nhiệt điện 38

5.2 Chế tạo và thử nghiệm bộ thu hồi nhiệt 40

5.3 Xây dựng mô hình máy phát nhiệt điện 42

5.3.1 Mô hình hóa máy phát nhiệt điện 42

5.3.2 Mô phỏng hệ thống trên máy tính bằng phần mềm Matlab 45

5.4 Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển và kiểm soát máy phát điện 49

5.4.1 Thiết kế mạch điều khiển điện áp 49

5.4.2 Thiết lập hệ thống thu thập dữ liệu 56

Chươngă6ăă Thựcănghi măh ăthống máyăphátănhi tăđi n 59

6.1 Mục tiêu thực nghiệm 59

6.2 Thiết bị thực nghiệm 59

6.3 Kết quả thực nghiệm 60

6.3.1 Thực nghiệm các thông số chuyển đổi nhiệt điện 60

6.3.2 Thực nghiệm mạch chuyển đổi điện áp 65

6.3.3 Thực nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện 67

6.4 Kết luận của thực nghiệm 71

K tăluận 72

TƠiăli uăthamăkhảo 74

Ph ăl c 76

DANHăM CăHỊNHăVÀăB NGăBI U

Trang

Hình 1.1 : Mặt cắt cấu trúc bộ thu nhiệt của Douglas 02

Hình 1.2 : Đặc tuyến kết quả nghiên cứu của Douglas 03

Hình 1.3 : Bộ chuyển đổi nhiệt điện của Meisner 03

Hình 1.4 : Đặc tuyến làm việc của các chất bán dẫn 04

Hình 1.5 : Bố trí cặp nhiệt điện và phân bố nhiệt độ khí xả 04

Hình 1.6 : Phân phối năng lượng trên động cơ đốt trong 05

Hình 1.7 : Đặc tuyến công suất theo nhiệt độ 05

Hình 1.8 : Bố trí thí nghiệm và thông số kỹ thuật 06

Hình 2.1: Thành phần khí xả động cơ xăng 09

Hình 2.2: Thành phần khí xả động cơ Diesel 09

Hình 2.3: Cấu trúc mô-đun nhiệt điện 16

Hình 3.1: Mô hình tính toán lượng khí xả 17

Hình 3.2 : Toàn cảnh thí nghiệm thu thập dữ liệu khí xả động cơ 20

Hình 3.3 : Sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu 21

Hình 3.4 : Giản đồ xung phun xăng 21

Hình 3.5 : Đặc tuyết cảm biến Lambda 21

Hình 3.6 : Mạch thu thập và xử lý dữ liệu 22

Hình 3.7: Lưu đồ giải thuật thu thập dữ liệu 22

Hình 3.8 : Giao diện thu thập dữ liệu 23

Hình 3.9 : Bố trí thí nghiệm 23

Hình 3.10 : Tín hiệu đã qua xử lý của cảm biến lambda 24

Hình 4.1: Mô hình mô- đun TEG 25

Hình 4.2: Hình chụp mô-đun HTG1-12710 27

Hình 4.3: Bộ thí nghiệm mô-đun HTG1-12710 27

Hình 4.4: Đầu dò nhiệt độ loại K 28

Hình 4.5: Bộ trao đổi nhiệt thí nghiệm mô-đun HTG1-12710 28

Hình 4.6: Bộ kiểm soát nhiệt độ WINPARK CHB-401 29

Hình 4.7: Đầu đo nhiệt độ từ xa Fluke 62 mini 29

Hình 4.8: Bố trí thí nghiệm thu thập dữ liệu 29

Hình 4.9: Thu thập dữ liệu trong khi làm thí nghiệm 30

Hình 4.10: Đặc tuyến điện áp theo chênh lệch nhiệt độ của HTG1-12710 32

Hình 4.11: Đặc tuyến U S và U L theo T h của HTG1-12710 32

Hình 4.12: Đặc tuyến P L theo T h ở các mức T c của HTG1-12710 33

Hình 4.13 : Đặc tuyến P L theo R L với T h =200 O C ở các mức T c của HTG1-12710 33

Hình 4.14 : Đặc tuyến TEG trong điều kiện áp dụng thu hồi nhiệt thải 34

Hình 5.1: Kết cấu thiết kế bộ phận thu hồi nhiệt máy phát nhiệt điện 35

Hình 5.2: Tiết diện cắt ngang của bô thu hồi nhiệt 35

Hình 5.3: Thân bộ thu nhiệt 36

Hình 5.4: Tấm thu hồi nhiệt 36

Hình 5.5: Kết cấu bộ phận giải nhiệt 37

Hình 5.6: Tiết diện cắt ngang của bộ tản nhiệt 37

Hình 5.7: Bố trí hệ thống két nước giải nhiệt 38

Hình 5.8: Mãng vật liệu nhiệt điện 38

Hình 5.9: Bộ phận chuyển đổi nhiệt điện 39

Hình 5.10: Kết cấu máy phát nhiệt được thiết kế 39

Hình 5.11: Bộ phận giải nhiệt của máy phát nhiệt điện 40

Hình 5.12: Máy phát nhiệt điện sau khi gia công 40

Hình 5.13: Toàn cảnh thử nghiệm hệ thống trao đổi nhiệt 41

Hình 5.14: Mô hình máy phát nhiệt điện 42

Hình 5.15: Đặc tuyến công suất và điện áp theo nhiệt độ mặt nóng 45

Hình 5.16: Đặc tuyến lưu lượng bơm nước theo nhiệt độ 45

Hình 5.17: Đặc tuyến công suất và điện áp theo nhiệt độ mặt nóng 46

Hình 5.18: Đặc tuyến lưu lượng bơm nước theo nhiệt độ 46

Hình 5.19: Đặc tuyến công suất và điện áp theo nhiệt độ mặt nóng 47

Hình 5.20: Đặc tuyến lưu lượng bơm nước theo nhiệt độ 47

Hình 5.21: Đặc tuyến công suất cả ba chế độ kết nối 48

Hình 5.22: Đặc tuyến công suất và tản nhiệt theo tải 48

Hình 5.23: Đặc tuyến công suất và điện áp theo tải 49

Hình 5.24: Sơ đồ khối mạch kiểm soát và điều khiển điện áp máy phát nhiệt điện 50 Hình 5.25:: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 50

Hình 5.26 Mạch cấp nguồn cho hệ thống 51

Hình 5.27 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi chế độ 51

Hình 5.28 Mạch chuyển đổi điện áp công suất 52

Hình 5.29 Board mạch chuyển đổi điện áp công suất 52

Hình 5.30 Mô hình mạch chuyển đổi điện áp 53

Hình 5.31 Đặc tuyến dòng điện ngõ ra theo ngõ vào bộ chuyển đổi 54

Hình 5.32 Đặc tuyến các thông số bộ chuyển đổi điện áp 54

Hình 5.33 mạch phân áp tín hiệu điện áp 55

Hình 5.34 Mạch đo dòng sử dụng IC ASC712ELCTR-05B 55

Hình 5.35 Mạch điện điều khiển và kiểm soát máy phát nhiệt điện 56

Hình 5.36 Card thu thập dữ liệu NI-6009 56

Hình 5.37: Hệ thống điều khiển và kiểm soát thông số máy phát 57

Hình 5.38: Giao diện hiển thị thông tin thu thập dữ liệu máy phát nhiệt điện 57

Hình 5.39: Khối Block Diagram chương trình thu thập dữ liệu 58

Hình 6.1: Bảng thu thập và hiển thị nhiệt độ 59

Hình 6.2: Thử nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện 60

Hình 6.3: Thí nghiệm đánh giá khả năng phát điện của máy phát nhiệt điện 60

Hình 6.4: Thí nghiệm đánh giá khả năng phát điện của máy phát nhiệt điện 61

Hình 6.5: Bảng giá trị nhiệt độ khi công suất máy phát đạt gần 20W 61

Hình 6.6: Quá trình chuyển đổi ghép nối các mô-đun nhiệt điện 62

Hình 6.7: Chuyển đổi đồng hồ đo Twin thành Th 63

Hình 6.8: Đồ thị so sánh thực nghiệm với mô hình toán ở chế độ đấu song song 64

Hình 6.9: Thí nghiệm đánh giá khả năng phát điện của máy phát nhiệt điện 65

Hình 6.10: Dữ liệu thí nghiệm chuyển đổi điện áp của bộ điều khiển điện áp 66

Hình 6.11: Đặc tuyến các thông số quá trình thử nghiệm mạch tăng áp 66

Hình 6.12: Đặc tuyến các thông số quá trình thử nghiệm mạch ổn áp 67

Hình 6.13: Đặc tuyến trạng thái 1 quá trình thử nghiệm máy phát nhiệt điện 68

Hình 6.14: Đặc tuyến trạng thái 2 quá trình thử nghiệm máy phát nhiệt điện 68

Hình 6.15: Thử nghiệm khả năng xạc ác quy của máy phát 69

Hình 6.16: Thông số trạng thái 1 của hệ thống khi xạc ác quy 69

Hình 6.17: Thông số trạng thái 2 của hệ thống khi xạc ác quy 70

Hình 6.18: Thông số trạng thái 3 của hệ thống khi xạc ác quy 70

Hình 6.19: Thông số trạng thái 4 của hệ thống khi xạc ác quy 71

Bảng 1.1: Kết quả thử nghiệm TEG trên động cơ Toyota 7KE 02

Bảng 3.1:Tỷ lệ khối lượng thành phần khí xả động cơ xăng 18

Bảng 3.2:Thông số kim phun xăng ở 25 O C 19

Bảng 3.3:Thông số kỹ thuật của động cơToyota 5S-FE 20

Bảng 4.1:Thông số thí nghiệm xác định thông số mô-đun TEG 30

Bảng 4.2: Bảng số liệu xác định hàm hồi S=f(∆T) 31

Bảng 5.1: Dữ liệu thí nghiệm đánh giá bộ trao đổi nhiệt 41

Bảng 6.1: Bảng thực nghiệm quá trình chuyển đổi nhiệt điện 63

Bảng 6.2: Bảng tính xác định hệ số hiệu chỉnh k hc 64

Chươngă1

T NGăQUAN

1.1 Tổng quan về máy phát nhi tăđi n trên ô tô

1.1.1 Tính cấp thi t c aăđề tài

Ngày nay, ô tô sử dụng động cơ đốt trong là phương tiện di chuyển chủ yếu của con người với số lượng ngày càng phát triển Điều đó có nghĩa là con người đang sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch với mức độ ngày càng tăng Nhưng nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt trong khi hiệu suất của động cơ

ô tô chưa được cao Theo ước tính trung bình hiệu suất động cơ chỉ đạt khoảng 30%, phần còn lại phát thải 40% qua khí xả và 30% qua hệ thống làm mát [4] Như vậy, hằng ngày chúng ta uổng phí tới 40% tổng lượng nhiên liệu Phần năng lượng phát thải này đã được đốt cháy hoàn toàn chuyển thành nhiệt năng và thải ra ngoài môi trường Bên cạnh đó, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, phụ tải điện trên

ô tô ngày càng tăng và đòi hỏi tỷ lệ nhiên liệu hóa thạch chuyển thành điện năng khá lớn Chính vì thế việc nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt phát thải từ động cơ khi xe vận hành để chuyển thành điện năng cung cấp cho phụ tải là một vấn đề cấp bách và hết sức cần thiết trong thời kỳ hiện nay

Năm 2013, Nguyễn Hà Hiệp và cộng sự [2] đã thí nghiệm và thu thập thông số

của một mô-đun nhiệt điện với kết quả cho thấy như Bảng 1.1

Bảng 1.1: Kết quả thử nghiệm TEG trên động cơ Toyota 7KE[2]

có được mức điện áp cao hơn sử dụng cho các phụ tải trên ô tô

Gần đây, trên thế giới bắt đầu nghiên cứu các phương án thu hồi nhiệt phát thải trên ô tô nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường

Năm 2004, bộ năng lượng Hoa Kỳ bắt đầu quan tâm đến lượng nhiệt phát thải trên ô tô Chính vì thế họ đưa ra một chương trình phát triển công nghệ thu nhiệt từ khí xả động cơ ô tô kéo dài cho các phòng thí nghiệm, các trường đại học và viện nghiên cứu quốc gia Cuối năm 2012 đã nghiệm thu với hai công trình tiêu biểu Thứ nhất, Douglas T và cộng sự [3] đã chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt thành điện cung cấp cho phụ tải trên ô tô Cấu trúc của máy

phát điện như Hình 1.1

Hình 1.1: Mặt cắt cấu trúc bộ thu nhiệt[3]

Công trình này được đầu tư với kinh phí đến 12 triệu USD trong đó vốn từ DOE là 7 triệu USD, 5 triệu USD còn lại đến từ các nguồn đầu tư khác trong đó có BMW và Ford Kết quả thu được có đặc tính như Hình 1.2

Hình 1.2: Đặc tuyến kết quả nghiên cứu của Douglas T [3]

Công trình này chủ yếu tập trung phát triển cơ chế thu hồi nhiệt phát thải bằng cách chế tạo máy phát nhiệt điện đặt trên đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu bán dẫn và dùng chất lỏng làm mát và được thử nghiệm trên xe Ford Lincoln và BMW

X6 Kết quả như Hình 1.2 cho thấy, công suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ

đầu nóng của cặp nhiệt điện đạt 500oC và hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10% Tuy nhiên, công trình này chỉ mới nằm trong phòng thí nghiệm, tốn kinh phí lớn và tuổi thọ chỉ đạt khoảng 6 tháng Kết cấu của vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo

sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trên đường ống xả

Cùng nằm trong đề án này, Gregory P Meisner [4] chế tạo bộ thu hồi nhiệt

với các mô-đun nhiệt điện tách rời Máy phát điện kiểu này có cấu trúc như Hình 1.3

Hình 1.3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện của Meisner [4]

Công trình này tham gia hội thảo ứng dụng nhiệt điện lần thứ 3 ngày 21/03/2012 ở Baltimore, Maryland và bộ năng lượng Mỹ đầu tư với kinh phí 12 triệu USD Công trình này sử dụng một bộ thu hình hộp nhỏ, dẹt có bề rộng lớn đặt trên đường ống xả để làm chậm vận tốc khí xả tăng thời gian trao đổi nhiệt Mặt ngoài của bộ trao đổi nhiệt được bố trí nhiều dãy các mô-đun nhiệt điện được chế tạo từ vật liệu Skutterudite và Bi-Te, mặt nóng tiếp xúc với bộ thu nhiệt, mặt lạnh

tiếp xúc với nước làm mát như Hình 1.3 Các mô-đun nhiệt điện được chế tạo có

thông số khác nhau bố trí theo giải phân bố nhiệt độ để bảo đảm thu được điện áp bằng nhau tránh sự chênh áp theo mật độ phân bố nhiệt độ trên bộ thu Dọc theo chiều dài bộ thu nhiệt bố trí 2 vùng cặp nhiệt điện tùy theo đặc tính kỹ thuật của vật liệu bán dẫn Vùng gần cửa vào có nhiệt độ cao hơn nên bố trí các mô-đun vật liệu Skutterudite và vùng cuối gần cửa ra bố trí các mô-đun vật liệu Bi-Te có đặc tuyến

làm việc như Hình 1.4

Hình 1.4: Đặc tuyến làm việc của các chất bán dẫn[4]

Kết quả như trong Hình 1.5 cho thấy khi dòng khí vào bộ thu có nhiệt độ

550oC nhiệt độ bên nóng của bộ Skutterudite đạt 450 oC và 250 oC với bộ Bi-Te và tổng công suất của 24 cặp Skutterudite và 18 cặp Bi-Te đạt 250W

Hình 1.5: Bố trí cặp nhiệt điện và phân bố nhiệt độ khí xả[4]

Tuy nhiên, Meisner chủ yếu tập trung nghiên cứu phát triển cặp nhiệt điện bán dẫn phù hợp với dải nhiệt độ khí xả mà chưa quan tâm nhiều tới phương án thu nhiệt Kinh phí thực hiện cao, công suất máy phát chưa đủ cung cấp cho phụ tải điện ô tô, sản phẩm chỉ mới trong phòng thí nghiệm mà chưa thể sản xuất đại trà do quy trình công nghệ phức tạp

Năm 2001, Jihad G Haidar [5] nghiên cứu lý thuyết về vật liệu cặp nhiệt điện, khảo sát phân bố nhiệt lượng và hiệu suất sử dụng trong động cơ đốt trong như

Hình 1.6 Đồng thời đưa ra thông số thực nghiệm trên động cơ Ruston Diesel 37kW

Hình 1.6: Phân phối năng lượng trên động cơ đốt trong[5]

Kết quả đề tài này cho thấy nhiệt lượng ở dòng khí xả khá cao, chiếm 45(%) với động cơ xăng và 22-35(%) với động cơ Diesel

34-Hình 1.7: Đặc tuyến công suất theo nhiệt độ[5]

Nhiệt độ khí xả đạt trên 500oC với mức tải 88% cánh bướm ga và tốc độ 1.800 RPM Bộ thu nhiệt được thiết kế kiểu ống trụ, trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức Tuy nhiên, chỉ bố trí sử dụng 98 cặp nhiệt điện nên công suất mới đạt 45W ở mức điện

áp 14V Theo đó, các cặp nhiệt điện bố trí dài trên đường ống nên không đồng nhất

về nhiệt độ làm việc

Năm 2010, Kalyan k Srinivasan và cộng sự [6] sử dụng nguồn nhiệt khí xả

cấp nhiệt cho nồi hơi chạy turbine kéo máy phát điện như được mô tả ở Hình 1.8

Hình 1.8: Bố trí thí nghiệm và thông số kỹ thuật[5]

Kết quả cho thấy với động cơ Diesel 10,6 kW chạy toàn tải ở tốc độ 2700 RPM, nhiệt độ vào bộ sinh hơi thu được là 550oC và ra khỏi bộ sinh hơi là 350 oC, Turbine đạt công suất 2kW Mặc dù công suất thu được khá cao nhưng việc chế tạo Turbine cỡ nhỏ như vậy là rất khó và có hiệu suất thấp Nhiệt lượng thu được từ khí

xả không chuyển trực tiếp qua điện năng mà cần phải qua một chu trình trung gian

là giảm hiệu suất thu được từ khí thải Bên cạnh đó, Turbine hoạt động với áp suất cao trong khi ô tô chuyển động với những chấn động lớn hay va chạm gây nổ bình chứa hơi nên mức độ an toàn thấp

1.1.3 Nh ng vấnăđề còn tồn tại

Trong thời điểm hiện tại, mặc dù đã có một số đề tài trong và ngoài nước nghiên cứu về các vấn đề liên quan và đã đạt được một số thành công nhất định Tuy nhiên, các đề tài đó còn có nhiều giới hạn mà chưa thể ứng dụng kết quả lên trên các xe hiện hành

Với các đề tài sử dụng mô-đun TEG của bộ năng lượng Hoa Kỳ mặc dù cho kết quả tương đối khả quan nhưng chỉ mang tính chất trong phòng thí nghiệm, vấn

đề giải quyết chỉ là vật liệu TEG mà chưa có thông số ứng dụng trên các động cơ cụ thể và tỷ lệ thu hồi so với tiềm năng chưa cao Bên cạnh đó kinh phí và thời gian nghiên cứu rất nhiều

Với phương án sử dụng một chu trình hơi nước để thu hồi nhiệt mặc dù đạt được kết quả thu hồi cao nhưng vấn đề bảo đảm an toàn về cháy nổ trên xe không được đề cập Với phươn án này chỉ phù hợp cho động cơ tỉnh tại và động cơ trên các phương tiện giao thông đường thuỷ

Các đề tài gần như chưa thực nghiệm kết quả thu được cho các chế độ và phạm vi hoạt động của động cơ ô tô, chưa có khâu kết nối giữa năng lượng thu được

và hệ thống trên xe, chưa có thông số cho từng loại động cơ có dung tích xy lanh khác nhau

1.2 M căđíchăc aăđề tài

Trước tình hình đó, đề tài được nghiên cứu với mục tiêu cụ thể như sau:

- Đánh giá mức độ phát thải và khả năng tái sử dụng nguồn nhiệt phát thải từ khí khả động cơ ô tô với điều kiện kinh tế và khoa học kỹ thuật ở Việt Nam

- ng dụng công nghệ TEG chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng

- Thiết kế, chế tạo máy phát kiểu nhiệt điện thu hồi nhiệt phát thải cung cấp cho

phụ tải điện và kết nối song song với máy phát điện truyển thống trên ô tô

1.3 Nhi m v và giới hạn

- Nghiên cứu nhiệt lượng phát thải trên động cơ đốt trong

- Nghiên cứu các phương án thu hồi nhiệt phát thải ứng dụng cho động cơ ô tô

- Nghiên cứu hiệu ứng nhiệt điện

- Thiết kế, chế tạo mô hình máy phát kiểu nhiệt điện trên ô tô

- Thực nghiệm trên mô hình động cơ

1.4 Phươngăphápănghiênăc u

- Phương pháp thu thập và tham khảo tài liệu

- Phương pháp mô hình hoá và mô phỏng trên máy tính

- Phương pháp thực nghiệm

Chươngă2

C ăS ăLụăTHUY T

2.1 Nhi t phátăthải trênăđộngăcơăôătô

Để xác định, tính toán ước lượng và đánh giá nhiệt lượng khí thải của động cơ,

ta nghiên cứu động cơ trong chế độ hoạt động theo các thông số kỹ thuật định mức

của động cơ như công suất định mức, suất tiêu hao nhiên liệu, nhiệt độ khí thải ra khỏi động cơ và nhiệt khói thải ra khỏi bộ thu nhiệt Theo phương pháp này đề tài ước lượng các thông số hoạt động của khí xả như sau [7]

Nhiệt lượng do khói thải động cơ thải ra ngoài được tính theo công thức 2.1 dưới đây

e pe e

e G C T

Trong đó :

G e - Lưu lượng khói thải từ động cơ đốt trong [kg/s]

C pe- Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của khói thải [kJ/kg O

K]

T e - Nhiệt độ khói thải đi ra động cơ đốt trong [0

K] Lưu lượng khí thải động cơ Ge được tính theo công thức dưới đây:

Trong đó:

Gt - Lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/h], Gt = ge.Ne [kg/h]

ge - Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/kWh] theo định mức ở công suất định mức

Ne - Công suất định mức của động cơ

α 1 - Hệ số dư lượng không khí thực tế, α1 = Gtt/ Glt

G tt , G lt - Lượng không khí thực tế và lý thuyết để đốt cháy lượng nhiên

liệu phun vào xylanh [Kg]

G 0- Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg nhiên liệu [Kg]

Trong các thông số trên, C pe là đại lượng khó xác định và có độ dao động the chế độ cháy của hỗn hơp hoà khí Để tính toán được đại lượng này chúng ta phải xác định thành phần của khí xả

Thành phần khí xả động cơ xăng với điều kiện cháy lý tưởng chứa các hợp

chất cơ bản có tỷ lệ tương đối như Hình 2.1 sau đây

Hình 2.1:Thành ph ần khí xả động cơ xăng[8]

Thành phần khác bao gồm CO, NOx, HC và một số loại chất rắn khác, tỷ lệ các thành phần trong nhóm này thay đổi theo trạng thái của hòa khí, chất phụ gia nhiên liệu, chế độ hoạt động của động cơ nên rất khó xác định Tuy nhiên trong đó lượng CO chiếm tỷ lệ trên 80% [8] nên ta xem toàn bộ là CO

Với động cơ Diesel, ở các chế độ cháy khác nhau ta có thành phần khí xả khác nhau Tuy nhiên trong điều kiện tỷ lệ hoà khí và buồng cháy hợp lý ta có thành phần khí xả như trong Hình 2.2 sau

Hình 2.2: Thành ph ần khí xả động cơ Diesel[8]

Trong hình trên, chúng ta thấy rằng thành phần cơ bản vẫn là N2 chiếm 67%,

H2O chiếm 11%, CO2 chiếm 12% và O2 dư chiếm 10% Còn khoảng 0,3% các chất

thải khác gồm CO, NOx, SO2, HC dư và một số chất thải rắn có thành phần tuỳ vào

chất lượng dầu Diesel và các chất phụ gia Như vậy khí xả động cơ đốt trong là hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau và có thành phần thay đổi phụ thuộc vào loại nhiên

liệu và quá trình cháy Tuy nhiên với một chế độ cháy nào đó của một loại nhiên

liệu chúng ta có thể xác định được thành phần khí xả Chính vì nhiệt dung riêng của khí xả chính là nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí có thành phần như trên và trong

điều kiện đẵng áp Việc xác định nhiệt dung riêng C p của hỗn hợp khí chúng ta cần

phải xác định từng thành phần khác nhau theo công thức dưới dây.[9]

2.2.1 Dẫnănhi t

Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt

độ thấp do sự truyền động năng hoặc va chạm của các phần tử hay nguyên tử Định luật về dẫn nhiệt được nghiên cứu đầu tiên bởi Biot dựa trên cơ sở quan sát thực nghiệm nhưng mang tên sau này là tên của nhà toán lý Joseph Fourier Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ thuận với diện

tích vuông góc với phương truyền và građien nhiệt độ theo phương ấy Ví dụ dòng nhiệt theo phương X, định luật Fourier thể hiện như công thức 2.5 sau

Đối với chất khí, hầu hết các chất khí khi nhiệt độ của nó cách xa nhiệt độ tới

hạn và áp suất tương đôi bé, có thể gần đúng xem như khí lý tưởng Theo thuyết

động học phân tử, trong diều kiện áp suất và nhiệt độ bình thường, sự truyền nhiệt

năng bằng dẫn nhiệt trong chất khí được xác định bởi sự truyền động năng phân tử chuyển động hỗn loạn và sự va chạm của các phân tử chết khí Hệ số dẫn nhiệt được xác định theo biểu thức:

Trong đó:

ω - Tốc độ toàn phương trung bình của phân tử khí

- Khoảng đường tự do trung bình của phân tử khí

C p- Nhiệt dung riêng đẳng tích của chất khí

ρ - Khối lượng riêng của chất khí

Tốc độ toàn phương trung bình c ủacác phân tử khí phụ thuộc nhiệt độ theo công

thức sau:

� = 3�µ �

Trong công thức 2.9:

R µ - Hằng số phổ biến của chất khí, bằng 8314,1 [J/kmolK]

µ - Phân tử lượng của khí

T - Nhiệt độ khí [K]

Khi nhiệt độ tăng, nhiệt dung riêng của khí tăng, do đó hệ số dẫn nhiệt cũng tăng Hệ số dẫn nhiệt của khí nằm trong giới hạn λ = 0,006 ÷ 0,6 [W/mK]

2.2.2 Truyềnănhi tăđốiălưu

Khi chất lỏng chảy qua bề mặt vật rắn có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt

Tw và môi trường chất lỏng Tf, giữa bề mặt và chất lỏng sẽ có quá trinh trao đổi nhiệt được gọi là quá trình trao dổi nhiệt đối lưu Sự truyền nhiệt xảy ra trong trường hợp này là do hệ quả của sự chuyển dịch tương đối giữa bề mặt và chất lỏng đồng thời với sự chênh lệch nhiệt độ Nếu sự chuyển dich của chất lỏng là do nhân

tạo thì quá trình truyền nhiệt này được gọi là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức Nếu

sự chuyển dộng của chất lỏng được tạo nên bởi lực nâng, do sự chênh lệch khối

lượng riêng thì quá trình được gọi là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên Để xác định nhiệt lượng trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưởng bức ta có công thức sau

T f - Nhiệt độ trung bình của chất lỏng [K]

Tính toán giải tích một cách hoàn thiện để tìm α là vấn đề rất phi phức tạp, do

đó nghiên cứu bằng thực nghiệm đã đóng một vai trò rất bứt quan trọng trong quá trình nghiên cứu này Mặc dù α có thể được sẽ tính toán bằng giải tích một cách hoàn thiện với dòng chất lỏng chảy tầng trên các bề mặt vậtt có hình dáng hình học đơn giản nhưng nghiên cứu thực nghiệm vẫn rất quan trọng dể kiểm chứng lại kết

quả lý thuyết và đánh giá mức độ hoàn thiện của các công thức này

2.3 Hi u ngănhi tăđi năvƠăcácămô-đun nhi tăđi n

2.3.1 Hi uă ngănhi tăđi n

Các hiệu ứng nhiệt điện chuyển đổi trực tiếp nhiệt thành điện và ngược lại Thiết bị nhiệt điện tạo ra điện áp khi có một nhiệt độ chênh lệch đặt vào hai đầu mối nối Ngược lại, khi một điện áp được đặt vào sẽ tạo ra một sự chênh lệch nhiệt độ quy mô nguyên tử, nhiệt độ chênh lệch tạo ra hiện tượng các hạt mang điện trong vật liệu khuếch tán từ mặt nóng sang bên mặt lạnh Hiệu ứng này có thể được sử dụng để tạo ra điện, đo nhiệt độ hoặc thay đổi nhiệt độ của các đối tượng Với hệ thống sưởi và làm mát được xác định bởi sự phân cực của điện áp, thiết bị nhiệt điện có thể được sử dụng như bộ điều khiển nhiệt độ Hiệu ứng nhiệt điện bao gồm

ba hiệu ứng xác định riêng biệt bao gồm hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier, và hiệu ứng Thomson Trong đó quan trọng nhất là hai hiệu ứng Seebeck và Peltier nên một

số tài liệu gọi là hiệu ứng Peltier-Seebeck Hai hiệu ứng này được khám phá bởi hai nhà vật lý người Pháp Jean Charles Athanase Peltier, Baltic và nhà vật lý người Đức

Thomas Johann Seebeck Trong khi hiệu ứng Thomson nói đến nhiệt sinh ra khi có một dòng điện chạy qua dây dẫn có điện trở thì hiệu ứng Peltier-Seebeck kể đến dòng điện sinh ra khi vật liệu tải một nhiệt lượng băng qua Các hiệu ứng Peltier-Seebeck và Thomson là các hiệu ứng nhiệt động đảo ngược

Hiệu ứng Seebeck là việc chuyển đổi nhiệt trực tiếp nhiệt thành điện dựa vào

sự khác biệt nhiệt độ và được đặt tên theo nhà vật lý phát minh ra nó là Thomas Johann Seebeck người Đức Năm 1821, ông phát hiện ra một kim la bàn bị lệch khi đặt trong một vòng khép kín tạo thành bởi hai kim loại khác nhau có sự khác biệt nhiệt độ giữa các mối nối Điều này xẩy ra là do các kim loại phản ứng khác nhau với sự khác biệt nhiệt độ, tạo ra một dòng kiện khép kín và sinh ra từ trường làm lệch kim la bàn Seebeck đã không nhận ra có một dòng điện có liên quan, vì vậy phát hiện của ông được gọi là hiện tượng hiệu ứng thermomagnetic Sau đó nhà Vật

lý người Đan Mạch Hans Christian Orsted đã đặt tên cho hiệu ứng này bằng thuật ngữ nhiệt điện Hiệu ứng Seebeck có thể mô tả ngắn gọn đó là một mối nối kim loại vào hai vùng nhiệt độ khác nhau thì giữa hai mối nối xuất hiện một suất điện động Suất điện động sinh ra trong hiệu ứng Seebeck có công thức sau[11]

Trong đó:

S - Hệ số Seebeck phụ thuộc vào vật liệu

ΔT - Chênh lệch nhiệt độ giữa bên nóng và bên lạnh

Hệ số Seebeck của vật liệu thường có sự thay đổi theo nhiệt độ, và phụ thuộc rất nhiều vào các thành phần của vật liệu

Hiệu ứng Peltier là sự nóng lên hoặc lạnh đi tại một mối nối của hai dây dẫn khác nhau khi cho một dòng điện chạy qua và được đặt tên theo nhà vật lý người Pháp Jean Charles Athanase Peltier, người phát hiện ra nó vào năm 1834 Khi có một dòng điện được lưu thông qua một mối nối giữa hai dây dẫn A và B, sự chênh lệch nhiệt độ có thể được tạo ra Nhiệt lượng Peltier tạo ở mối nối trong mỗi đơn vị thời gianQ được tính theo công thức sau[11]

Q = ( π A - π A )I (2.12) Trong đó:

II A , II B - Hệ số Peltier của dây dẫn A và B

I - Dòng điện từ A đến B

Lưu ý rằng tổng sự biến đổi nhiệt lượng được tạo ra ở mối nối không chỉ xác định bởi hiệu ứng Peltier mà có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt Joule và hiện tượng truyền nhiệt Hiệu ứng Peltier có thể được coi là mệnh đề ngược của hiệu ứng Seebeck Mối quan hệ chặt chẽ giữa hiệu ứng Peltier và hiệu ứng Seebeck có thể được nhìn thấy trong các mối quan hệ trực tiếp giữa hệ số của chúng: II = TS khi mối nối nhiệt điện đạt tới trạng thái cân bằng

Trong nhiều vật liệu, hệ số Seebeck là không liên tục ở các nhiệt độ và do đó

sự biến thiên nhiệt độ có thể dẫn đến sự biến thiên hệ số Seebeck Nếu thiết bị điều khiển thông qua sự biến thiên này thì sự liên tục của hiệu ứng Peltier sẽ xảy ra Hiệu ứng Thomson đã được dự đoán và sau đó được quan sát bởi Lord Kelvin

năm 1851 Nó được mô tả là sự nóng lên hoặc lạnh đi của một dây dẫn mang dòng điện với một sự biến thiên nhiệt độ Nếu mật độ dòng nhiệt J được truyền qua một dây dẫn đồng nhất, hiệu ứng Thomson sẽ cho ta nhiệt lượng theo công thức sau[11]

Tuy nhiên phương trình này đã bỏ qua nhiệt Joule, và sự dẫn nhiệt bình thường

2.3.2 Máyăphátănhi tăđi nă(TEG ậ ThermoElectric Generator)

Nguyên lý hoạt động của máy phát điện kiểu nhiệt điện dựa vào các hiệu ứng nhiệt điện mà chủ yếu là hiệu ứng seebeck Trong TEG, vật liệu nhiệt điện được đặt giữa bên nóng và bên lạnh và giữa các bộ trao đổi nhiệt Các vật liệu nhiệt điện được tạo thành từ chất bán dẫn loại p và loại n, trong khi các bộ trao đổi nhiệt là tấm

kim loại với độ dẫn nhiệt cao được mô tả như Hình 2.3

Hình 2.3:C ấu trúc mô-đun nhiệt điện

Nếu một mô-đun TEG chuyển một nhiệt lượng Q thành điện năng có công suất P với hiệu suất ŋ ta có:

xả theo từng chu trình động cơ được xây dựng dựa vào lượng khí nạp và lượng nhiên liệu trong một chu trình như Hình 3.1

Hình 3.1: Mô hình tính toán lượng khí xả

Trong mô hình trên, lượng khí lọt tạm thời được bỏ qua vì tỷ lệ khí lọt so với khí xả là rất nhỏ Theo mô hình này, lượng khí xả m e [kg] được tính theo công thức:

Trong đó:

m e- Khối lượng khí xả trong một chu trình [kg]

m a - Khối lượng khí nạp trong một chu trình [kg]

m f - Khối lượng nhiên liệu trong một chu trình [kg]

Tuy nhiên việc xác định trực tiếp lượng khí xả m e gặp nhiều khó khăn vì khi

vận hành thông số hoạt động của hệ thống có sự thay đổi, đặc biệt với nhiệt độ cao

rất khó lắp đặt các thiết bị đo lường Chính vì thế lượng khí xả m e được tính theo

lượng nhiên liệu m f thông qua hệ số dư lượng không khí λ như sau:

λ - Hệ số dư lượng không khí được tính theo công thức:

� = (A )��

Trong đó:

A � - Tỷ lệ khối lượng không khí nhiên liệu lý thuyết Theo lý thuyết,

tỷ lệ tiêu chẩn nhiên liệu xăng có (A )�= 14,7

(A )�� - Tỷ lệ không khí nhiên liệu thực tế theo từng chế độ hoạt động

của động cơ và khả năng điều khiển hòa trộn của các hệ thống cung cấp nhiên liệu Nhiệt lượng khí xả trong một chu trình của động cơ Qe được tính theo công thức:

Q e - Nhiệt lượng khí xả trong một chu trình [J]

C pe - Nhiệt dung riêng đẳng áp của khí xả [J/kg O

Trong công thức đó, Te được đo trực tiếp từ cảm biến nhiệt độ khí xả trên

đường ống thải m f được xác định thông qua thời gian mở kim phun và đặc tuyến kim phun Hệ số λ được xác định trực tiếp nhờ cảm biến lambda gắn trên đường

ống xả C pe được xác định dựa vào thành phần và nhiệt độ khí xả của động cơ xăng

3.2.ăXácăđ nh các thông số cơăbản c a khí xả

Nếu xem qúa trình cháy của động cơ xăng gần đạt mức lý tưởng, thành phần khí xả động cơ xăng chứa các hợp chất cơ bản có tỷ lệ như Bảng 3.1 sau đây

B ảng 3.1:Tỷ lệ khối lượng thành phần khí xả động cơ xăng [12]

liệu, chế độ hoạt động của động cơ nên rất khó xác định Tuy nhiên trong đó lượng

CO chiếm tỷ lệ trên 80% [12] nên ta xem toàn bộ là CO

Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp các thành phần khí Cp phụ thuộc vào nhiệt độ theo công thức sau: [9]

C p = �µ

µ ( + � + � �2 + �3 + �4) (3.6) Trong đó:

µ - Khối lượng 1 kmol chất khí

Bảng 3.2:Thông số kim phun xăng ở 25 O

C [8]

Áp suất nhiên liệu [kPa] 200 300 400 500 Lưu lượng [kg/h] 6,99 8,39 9,9 11,3

Động cơ Toyota 5S-FE sử dụng kim phun ở mức áp suất 300 kPa với điều

kiện thử nghiệm 25oC nên lưu lượng chọn là G 0 =8,39 [kg/h] Lượng nhiên liệu m f

cung cấp từ kim phun theo thời gian mở được tính theo công thức:

m f = k. ��. 0

t p - thời gian mở kim phun [ms]

k - hệ số đáp ứng của kim phun khi điều khiển bằng xung với kim phun

được sử dụng có k = 0,95 được xác định từ thực nghiệm

Từ các công thức trênta có công thức xác định nhiệt lượng khí xả trong một chu trình theo các thông số hoạt động của động cơ như sau:

Q e = 2,21.10-6C pe t p (14,7.λ+1)T e (3.9)

Từ các công thức đó ta thấy rằng để xác định nhiệt lượng khí xả động cơ, ta cần phải xác định các thông số hoạt động như thời gian mở kim phun tp, nhiệt độ khí xả T e và hệ số dư lượng không khí λ

3.3.ăXácăđ nh các thông số hoạtăđộng c a mô hình thí nghi m

Động cơ 5S-FE được chọn làm thí nghiệm là động cơ xăng dung tích xy lanh 2.2 lít sử dụng trên xe Toyota Camry có thông số cơ bản như trong Bảng 3.3

B ảng 3.3:Thông số kỹ thuật của động cơToyota 5S-FE Đường kính x hành trình píttông [mm] 94 x 90

Để thu thập dữ liệu hoạt động của động cơ và xác định thông số hoạt động, sơ

đồ khối thí nghiệm được xây dựng như Hình 3.3

Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu

Trong sơ đồ trên, tín hiệu xung điều khiển kim phun xăng được sử dụng cho hai mục đích: Đo thời gian mở kim phun t p bằng phương pháp bắt xung Đo tốc độ

động cơ Ne bằng phương pháp xác định tần số xuất hiện xung như Hình 3.4

Hình 3.4: Gi ản đồ xung phun xăng

Cảm biến nhiệt độ đo nhiệt độ khí xả T e [O

K], cảm biến vị trí bướm ga đo mức

tải động cơ [%], cảm biến lambda đo hệ số dư lượng không khí λ.Cảm biến lambda

đo hệ số dư lượng không khí λ báo về bộ điều khiển dưới dạng điện áp Đặc tuyến

hoạt động của cảm biến được mô tả như Hình 3.5

Hình 3.5: Đặc tuyết cảm biến Lambda

Mạch thu thập và chuyển đổi dữ liệu sử dụng vi điều khiển Atmega32 của hãng Atmel thu thập dữ liệu và giao tiếp với máy tính hiển thị thông tin Mạch điện

có sơ đồ nguyên lý như Hình 3.6

Hình 3.6: M ạch thu thập và xử lý dữ liệu

Trong mạch thu thập dữ liệu, ba kênh ADC của Atmega32 gồm ADC0, ADC1, ADC2 được sử dụng để đo tín hiệu cảm biến vị trí bướm ga, tín hiệu cảm biến lambda và tín hiệu cảm biến nhiệt độ khí xả Ba tín hiệu này được các cảm

biến báo về đưới dạng điện áp, vi điều khiển chuyển đổi thành dữ liệu số trước khi truyền về máy tính Xung điều khiển kim phun được đưa về bộ so sánh tín hiệu AIN0, AIN1 của Atmega32 để nhận dạng xung điều khiển kim phun Giải thuật lập

trình cho vi điều khiển được xây dựng như Hình 3.7

Hình 3.7: Lưu đồ giải thuật thu thập dữ liệu

Dữ liệu của mạch thu thập gửi về máy tính thông qua cổng COM được xử lý

và hiển thị thông số hoạt động thông qua một giao diện lập trình trên nền phần mềm LabVIEW Giao diện hiển thị các thông số hoạt động của động cơ và các giá trị đo

đạc như trên Hình 3.8

Hình 3.8: Giao di ện thu thập dữ liệu

3.4 Thí nghi măđánhăgiáăm căđộ phát thải nhi t

Thí nghiệm thu thập dữ liệu xác định nhiệt lượng khí xả bố trí trên động cơ

được mô tả như trong Hình 3.9

Hình 3.9: B ố trí thí nghiệm

Sau khí lắp đặt các cảm biến, động cơ được cho chạy thử nghiệm ở hai chế độ hoạt động thường xuyên bao gồm chạy trong thành phố (1) và chạy trên đường

trường (2) Các chế độ cho hoạt động ổn định để ECU đi vào chế độ điều khiển close-loop Với chế độ này, ECU sẽ căn cứ vào thông số cảm biến lambda để điều khiển tỷ lệ hòa khí xoay quanh giá trị tiêu chuẩn theo lý thuyết 14,7:1 Tín hiệu cảm biến Lambda báo về ECU có sự dao động tuần hoàn với mức điện áp từ 200 mV đến 800 mV, bộ điều khiển sẽ đo được mức trung bình khoảng 450 mV Tín hiệu

cảm biến lambda lúc này có dạng như Hình 3.10

Hình 3.10: Tín hi ệu đã qua xử lý của cảm biến lambda

Thông qua các dữ liệu cài đặt và thu thập được từ các tín hiệu phản hồi, dữ

liệu được thống kê như ở Bảng 3.4

Bảng 3.4: Dữ liệu thực nghiệm xác định nhiệt lượng phát thải của động cơ

[mg/CT]

Nhiệt lượng phát thải

[kJ/CT]

Nhiệt nhiệt độ[K] phát thải

Chương 4 ĐÁNHăGIÁăKH ăNĔNGă NGăD NGăăMÔ-ĐUN

NHI TăĐI Nă THUăH IăNHI TăKHịIăTH IăĐ NGăC

4.1 Xâyădựngămôăhìnhătoánămô-đun TEG

4.1.1 Chọnămôăhìnhămô-đun TEG

Mô-đun nhiệt điện là thiết bị chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng dựa theo

mức độ chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt trao đổi nhiệt Quá trình hoạt động của TEG diễn ra khá phức tạp và tuân theo nhiều hiệu ứng cùng lúc Tuy nhiên nếu xét

về khía cạnh nhiệt điện có thể chọn mô hình như Hình 4.1 [15]

Hình 4.1: Mô hình mô- đun TEG

Trong đó:

T h- Nhiệt độ mặt nóng [K]

T c - Nhiệt độ mặt lạnh [K]

U s - Điện áp theo hiệu ứng SeeBeck [V]

U L - Điện áp ngõ ra của TEG [V]

R i - Điện trở trong của TEG [Ω]

E s - Suất điện động phát ra của TEG [V]

I L - Dòng điện ngõ ra [A]

R L - Điện trở tải [Ω]

Với mô hình như trên, khi hai mặt nóng và lạnh của TEG có sự chênh lệnh nhiệt độ sẽ sinh ra một suất điện động có điện áp Us Suất điện động này sinh ra nhờ

hiệu ứng Seebeck có phương trình như công thức 4.1

Khi U s phát ra nhờ hiệu ứng nhiệt điện TEG sẽ phát ra một điện áp U L mà ta

xem như một nguồn điện có suất điện động E s và điện trở trong R i Theo đó ta có phương trình cân bằng của mô-đun TEG là:

Trong công thức (4.5), PLlà công suất đầu ra của TEG

Hiệu suất của TEG có công thức như sau: [16]

ŋ�� =∆�

�ℎ. 1+��

T - Nhiệt độ hoạt động của TEG [K]

� - Nhiệt vào TEG [W]

� - Nhiệt ra TEG [W]

4.2 Thi tăk ch ătạoămôăhìnhăthíănghi m

4.2.1 Thi tăk ăbộătraoăđổiănhi tăchoă1ămô-đun TEG

Mô-đun nhiệt điện chọn làm thí nghiệm là mô-đun HTG1-12710 được chế tạo

tại nhà máy 2 SHADY LN, khu công nghiệp KENDALL, Mỹ Với chức năng chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng, HTG1-12710 là mô-đun thuộc kiểu nhiệt độ cao có hình dạng như Hình 4.2

Hình 4.2: Hình ch ụp mô-đun HTG1-12710

Là mô-đun nhỏ, có kích thức dài - rộng - cao là 40mm - 40mm - 3mm Nhiệt

độ hoạt động ổn định trung bình là 230OC, mức điện áp tối đa 18V tuỳ theo mức độ chênh lệch giữa mặt nóng và mặt lạnh Để thí nghiệm xác định thông số hoạt động

của HTG1-12710, người nghiên cứu sử dụng nguồn nhiệt có độ chênh lệch đặt vào

mặt nóng và mặt lạnh của mô-đun Mức nhiệt độ được kiểm soát nhờ cảm biến nhiệt độ và nguồn nhiệt được lấy từ đầu khò gas Mặt lạnh của TEG được giải nhiệt

bằng hệ thống nước làm mát Mô hình thí nghiệm được thiết kế bằng phần mềm SolidWork như Hình 4.3

Hình 4.3: B ộ thí nghiệm mô-đun HTG1-12710

Với bộ thí nghiệm được thiết kế như trên, 2 chất lỏng được đưa vào khoang của 2 bề mặt trao đổi nhiệt Khoang nóng được điền đầy dầu DO còn khoang lạnh cho nước làm mát đi qua và giải nhiệt ở két nước có quạt làm mát Cả hai khoang

được lắp đặt cảm biến nhiệt độ loại K có hình dạng như Hình 4.4

Hình 4.4: Đầu dò nhiệt độ loại K

Khoảng không gian giữa hai khoang nhiệt độ được điền đầy bông thuỷ tinh để cách nhiệt, tránh trường hợp nhiệt độ truyền từ khoang nóng sang khoang lạnh mà không qua mô-đun TEG

4.2.2 Ch ătạoăvƠălắpăđặtămôăhìnhăthíănghi m

Với thiết kế như ở trên, bộ trao đổi nhiệt sau khi chế tạo có hình dạng như Hình 4.5

Hình 4.5: B ộ trao đổi nhiệt thí nghiệm mô-đun HTG1-12710

Cảm biến nhiệt độ loại K trong hai khoang chứa chất lỏng được đưa về làm đầu vào cho tín hiệu của đồng hồ đo nhiệt độ WINPARK CHB-401 Đồng hồ này vừa

có chức năng hiển thị nhiệt độ vừa có chức năng điều khiển quạt làm mát theo nhiệt

độ định mức cài đặt trên đồng hồ Hình dạng bộ kiểm soát nhiệt độ WINPARK CHB-401 như Hình 4.6

Hình 4.6: B ộ kiểm soát nhiệt độ WINPARK CHB-401

Bên cạnh việc đo nhiệt độ bằng các cảm biến kiểu tiếp xúc như đã nói ở trên Trong thí nghiệm cần đo nhiệt độ trên các bề mặt hoạt động Để thực hiện việc này,

người nghiên cứu chọn đồng hồ đo nhiệt hồng ngoại Fluke 62 mini như Hình 4.7 có

dải nhiệt độ đo đạt tới 600OC

Hình 4.7: Đầu đo nhiệt độ từ xa Fluke 62 mini

4.3 Thựcănghi măxácăđ nhăthôngăsố hoạtăđộng

4.3.1 Sơăđồăbốătríăthíănghi m

Để thí nghiệm thu thập dữ liệu về thông số của mô-đun HTG1-12710, người nghiên cứu chọn cách bố trí thí nghiệm như Hình 4.8

Hình 4.8: B ố trí thí nghiệm thu thập dữ liệu

Trong sơ đồ bố trí thí nghiệm trên, một điện trở R=220 Ω được sử dụng để hạn

chế dòng điện phát ra của TEG đồng thời dựa vào giá trị đo được của vôn kế V

chúng ta có thể biết được dòng điện đang phát từ mô-đun nhiệt điện Bộ kiểm soát nhiệt độ khoang làm mát vừa hiển thị nhiệt độ vừa điều khiển nhiệt độ định mức thông qua bơm nước P Toàn cảnh thí nghiệm và đọc thông số thí nghiệm được ghi

lại như Hình 4.9

Hình 4.9: Thu th ập dữ liệu trong khi làm thí nghiệm

4.3.2 Thíănghi măxácăđ nhăthôngăsố hoạtăđộng

Từ cách bố trí và các thiết bị đo kiểm trên, tiến hành thí nghiệm lấy số liệu,

người nghiên cứu thu được kết quả như Bảng 4.1

B ảng 4.1Thông số thí nghiệm xác định thông số mô-đun TEG

Theo bảng số liệu thu thập được ở trên, ta thấy rằng hệ số Seebeck S phụ thuộc

vào độ chênh lệch nhiệt độ Áp dụng phương pháp bình phương nhỏ nhất bằng cách

sử dụng hàm Polyfit trong Matlab ta có phương trình hồi quy tuyến tính xác định S

theo ∆T như sau:

12710

Kết hợp (4.10) và (4.1) ta có phương trình xác định điện áp phát ra của đun TEG theo sự chênh lệch nhiệt độ như sau

mô-U s = - 0,0722.10-3.∆T2+41,3217.10-3.∆T (4.11)

Từ phương trình (4.10) và (4.11) kết hợp với bảng thông số thực nghiệm ta có

đặc tuyến hệ số S và điện áp phát ra U S của TEG theo sự chênh lệch nhiệt độ như

Hình 4.10

Hình 4.10 Đặc tuyến điện áp theo chênh lệch nhiệt độ của HTG1-12710

Áp dụng các thông số thu được, ứng dụng phần mềm Matlab người nghiên

cứu tiến hành mô phỏng các đặc tuyến của TEG để đánh giá khả năng ứng dụng thu

hồi nhiệt Mức nhiệt độ mặt lạnh khoảng 50OC, điện trở tải là 16 Ω Đặc tuyến U S

và U L theo nhiệt độ mặt nóng như Hình 4.11

Hình 4.11 Đặc tuyến U S và U L theo T h c ủa HTG1-12710

Từ đặc tuyến như Hình 4.11 ta thấy ở mức nhiệt độ mặt nóng khoảng 200OC đến 250OC, điện áp mở mạch U s có thể đạt tới khoảng từ 4V đến 5V với mức điện

áp và nhiệt độ này hoàn toàn nằm trong giới hạn có thể ứng dụng được cho việc thu

hồi nhiệt khí thải động cơ Tuy nhiên mặt lạnh của TEG là thông số chúng ta hoàn toàn có thể thay đổi được nhờ hệ thống làm mát Chính vì vậy người nghiên cứu

tiến hành mô phỏng đặc tuyến công suất theo nhiệt độ mặt lạnh với ba mức nhiệt độ

là 40OC, 50OC và 60OC Kết quả mô phỏng như Hình 4.12

Hình 4.12 Đặc tuyến P L theo T h ở các mức T c c ủa HTG1-12710

Từ Hình 4.12 ta thấy công suất của TEG có sự phụ thuộc khá lớn vào nhiệt

độ mặt lạnh mức nhiệt độ mặt nóng từ 200 OC đến 250OC, công suất thu được có

thể đạt được từ 2W đến 3W Với công suất này chúng ta có thể ghép nhiều mô-đun

để thu được công suất lớn hơn Bên cạnh sự phụ thuộc vào nhiệt độ, công suất của TEG còn phụ thuộc vào dòng điện tải Hay nói cách khác là phụ thuộc vào điện trở

tải Để lựa chọn được phương án ghép nối tốt nhất, người nghiên cứu mô phỏng đặc tuyến công suất theo tải Kết quả được trình bày ở Hình 4.13

Hình 4.13: Đặc tuyến P L theo R L v ới T h =200 O C ở các mức T c c ủa HTG1-12710