ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT kế hệ THỐNGTHU hồi NHIỆT THẢI từ ĐỘNG cơ đốt TRONG

Trong bài báo này, phương pháp CAE được sử dụng trong quá trình thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải từ động cơ đốt trong, nhằm phân tích ảnh hưởng các thông số chính của hệ thống đến nh

ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNGTHU HỒI NHIỆT THẢI

T Ừ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG

APPLICATION OF CAE TO DESIGN THE WASTE HEAT RECOVERY FROM THE

INTERNALCOMBUSTION ENGINES

Ph ạm Sơn Minh1a, Đỗ Thành Trung1b, Tr ần Minh Thế Uyên1c, Ph ạm Thanh Bình2d

1Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP HCM

2Cao đẳng Nghề Đồng Nai

aminhps@hcmute.edu.vn; b trungdt@hcmute.edu.vn;

c uyentmt@hcmute.edu.vn; d ptbinh86@gmail.com

TÓM T ẮT

Nhi ệt thải động cơ đốt tronglà nhiệt năng phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu và được thải ra ngoài môi trường Việc tái sử dụng nhiệt thải không chỉ bảo tồn nhiên liệu nói chung và nhiên li ệu hóa thạch nói riêng, mà còn góp phầnbảo vệ môi trường Vì vậy, việc thiết

k ế và chế tạo hệ thống thu hồi nhiệt thải là một trong những phương pháp giúpthu hồinăng lượng từ nhiệt thải và góp phần tiết kiệm nhiên liệu Trong bài báo này, phương pháp CAE được sử dụng trong quá trình thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải từ động cơ đốt trong, nhằm phân tích ảnh hưởng các thông số chính của hệ thống đến nhiệt độ đầu ra Từ đó, mô hình thí nghiệm được đề xuất và chế tạo nhằm phục vụ cho quá trình thí nghiệm Sau đó, kết quả mô phỏng được so sánh với kết quả thí nghiệm nhằm kiểm tra độ chính xác của phương pháp CAE

Từ khóa: nhiệt thải, thu hồi nhiệt, truyền nhiệt, CAE

ABSTRACT

The waste heat of the internal combustion enginesis generated during fuel combustion thatisdischarged into environment The re-using of waste heat not only is the fuel conservation

in general and the fossil fuel in particular, but also contributes the environmental protection Therefore, the design and manufacture of the waste heat recovery system is a solution to utilize energy from the waste heat and fuel savings In this paper, the application of cae to design the waste heat recovery from the internal combustion engines is examinated for analyzing the parameters of this system Base on the simulation results, the real experiment model is performed After that, the results of simulation and experiment are compared for estimating the CAE method

Keyword: waste heat, heat recovery, heat transfer, CAE

1 GI ỚI THIỆU CHUNG

Nhi ệt thải là nhiệt năng phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoặc phản ứng hoá

h ọc và được thải ra môi trường Đây cũng là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt tại các khu công nghiệp.Nguồn nhiệtthải này tồn tại ở hầu hếtcác hệ thống công nghi ệp thông dụng như: lò hơi, lò nung, lò luyện và động cơ đốt trong [1, 2].Thông thường, trong quá trình hoạt động của động cơ đốt trong, năng lượng nhiệt thải không được tái s ử dụng cho các mục đích kinh tế khác Vì vậy, nếu thu hồi được một phần năng lượng từ nhi ệt thải, chúng ta có thể tiết kiệm được một lượng nhiên liệu đáng kể [3-5]

Các nghiên c ứu trước đây đã cho thấy nguồn nhiệt năng từ khí thải có thể được tận dụng

để dùng vào nhiều mục đích khác nhau như: sản xuất hơi, điện năng, điều hoà không khí hay làm l ạnh không khí cấp vào động cơ Hou Xuejun và Gao Deli đã nghiên cứu và phân tích hệ

th ống thu hồi nhiệt khí thải và xử lý ô nhiễm cho Động cơ Diesel Z12V190 [6] M Talbi và B

K ỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Agnew đã nghiên cứu thu hồi năng lượng từ khí thải động cơ diesel để nâng cao hiệu suất và điều hòa không khí [7] Với các nghiên cứu này, việc thu hồi nhiệt năng từ khí thải của động

cơ được xem như một trong những phương án khả thi và giúp tiết kiệm năng lượng với hiệu

su ất cao nhất [8, 9] Tại Việt Nam, quốc gia có nền công nghiệp đang trên đà phát triển, theo

s ố liệu thống kê tháng 09/2012 của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng phương tiện giao thông v ận tải đường bộ, đường thủy và xe máy trong cả nước như sau: 1.504.432 ôtô đang lưu hành, 2.287.225 xe máy s ản xuất lắp ráp mới năm 2012, 258.080 tàu sông các loại, 1.612 tàu

bi ển 100% tàu thủy được trang bị động cơ diesel, 100% xe máy được trang bị động cơ xăng, kho ảng 65% ôtô được trang bị động cơ diesel và khoảng 35% ô tô được trang bị động cơ xăng Hai lo ại động cơ đốt trong kể trên hoàn toàn đáp ứng yêu cầu với chức năng là nguồn động

l ực cho ôtô nói riêng và các loại phương tiện cơ giới tự hành nói chung Với các loại động cơ đốt trong này, nhiệt lượng do khí thải chiếm 20% đến 25% tổng nhiệt sinh ra trong buồng cháy động cơ, ngoài ra nhiệt do nước làm mát thải ra chiếm khoảng 10% đến16% tổng nhiệt lượng sinh ra trong buồng đốt Do đó với nguồn nhiệt thải lớn như vậy nếu có phương án tận

d ụng vào mục đích khác thì sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất cao

V ới những phân tích như trên, việc thu hồi nhiệt thải từ động cơ được xem như một trong nh ững phương án giúp giảm ô nhiễm môi trường và mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc

bi ệt, đây là một trong những phương án mang tính khả thi cao với các thiết bị có nguồn động

l ực là động cơ đốt trong Do đó, nhằm nâng cao khả năng thiết kế và hiệu suất của các hệ

th ống thu hồi nhiệt thải, bài báo này sẽ tập trung vào việc ứng dụng công cụ mô phỏng (CAE)

nh ằm dự đoán nhiệt độ đầu ra của nguồn nhiệt thải Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử

d ụng phương pháp tìm hiểu tài liệu, khảo sát thực tế, sau đó tiến hành thiết kế, mô phỏng hệ

th ống thu hồi nhiệt thải từ đó chọn mô hình tối ưu để tiến hành thực nghiệm

2 MÔ PH ỎNG VÀ THÍ NGHIỆM

Trong nghiên c ứu này, mô hình hệ thống thu hồi nhiệt thải từ động cơ đốt trong gồm ống cách nhiệt bao phủ ống xả khí thải của động cơ, thiết bị hút hoặc đẩy luồng khí, cổng vào

và ra c ủa luồng khí hấp thu nhiệt năng từ khí thải Toàn bộ hệ thống được mô hình hóa như Hình 1 Trong đó, vị trí của cổng vào và ra của luồng khí được thiết kế với hai trường hợp như Hình 2 và kích thước chi tiết như Hình 3 Luồng khí hấp thu năng lượng được di chuyển qua h ệ thống bởi:

- Thi ết kế 1: dòng khí thu hồi nhiệt thải được đưa vào vùng hấp thu năng lượng bằng

qu ạt thổi đặt ở đầu vào (Hình 4a)

- Thi ết kế 2: dòng khí thu hồi nhiệt thải được hút vào vùng hấp thu năng lượng bởi quạt đặt ở đầu ra (Hình 4b)

Khi động cơ hoạt động nhiệt độ khí thải qua ống xả tăng cao, nguồn nhiệt năng này sẽ làm ống xả của động cơ tăng nhiệt độ Với nguồn nhiệt này, hệ thống thu hồi nhiệt thải sẽ dùng nguyên lý đối lưu nhiệt để hấp thu năng lượng từ bề mặt ngoài của ống xả sang luồng không khí có nhi ệt độ thấp hơn Từ đó, luồng khí nóng này sẽ được tiếp tục sử dụng cho các

m ục đích khác

Hình 2 Phương án bố trí cổng vào và ra của luồng khí

Hình 3 Kích thước ống bao ngoài trong mô hình thực nghiệm

a) Thi ết kế 1b) Thiết kế 2

Hình 4 Các thông s ố mô phỏng và điều kiện biên

Ph ần mềm ANSYS Workbench 14 được sử dụng nhằm mô phỏng quá trình truyền nhiệt đối lưu giữa không khí và bề mặt ngoài của ống xả Sau đó, mô hình thí nghiệm được chế tạo

v ới các thông số tương tự như mô hình mô phỏng Các thông số trong quá trình mô phỏng và thí nghi ệm với máy phát điện CAT D333 1800 rpm, 60Hz, 480Volts được trình bày trong

B ảng 1

K ỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

B ảng 1 Các thông số mô phỏng và thí nghiệm Thông s ố Giá tr ị

Nhi ệt độ khí xả

T ốc độ khí xả

Kích thước đường kính ống xả

Nhi ệt độ không khí (Tkk)

Lưu lượng hút của quạt

Công su ất thiết kế của động cơ ( Ntk)

Vòng quay thi ết kế ( ntk)

Đường kính piston

Hành trình piston

Su ất tiêu hao nhiệt liệu

Chi ều dài ống

Chi ều dài phần ống gia nhiệt

Đường kính ngoài

Chi ều dày ống

300 °C 53.8m³/min 110mm

25 °C 0,002kg/s

1800 Hp

550 v/p

300 mm

380 mm 150g/Hp.h

1850 mm

1100 mm

110 mm

3 mm

Nh ằm khảo sát ảnh hưởng của khe hở giữa ống xả và ống bao, ba giá trị đường kính ống bao được tiến hành mô phỏng với các giá trị: φ170 mm, φ190 mm và φ210 mm Sau đó, giá trị phù h ợp sẽ được lựa chọn để tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm

3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Các k ết quả mô phỏng của thiết kế 1 và 2 được trình bày lần lượt như Bảng 2 và 3 Kết

qu ả cho thấy với thiết kế 1, khi tăng đường kính ống bao từ 170 mm đến 210 mm, nhiệt độ đầu ra của khí thu hồi nhiệt thải sẽ tăng từ 48,2 oC đến 55,8 oC V ới thiết kế 2, nhiệt độ đầu ra dao động từ 50,6 oC đến 56,4 oC Nhìn chung, c ả 2 thiết kế đều có khả năng thu hồi nhiệt thải như nhau Với nguồn không khí 30 oC, sau khi được hút hoặc thổi qua hệ thống thu hồi nhiệt

th ải, nhiệt độ không khí đã tăng đến khoảng 50 oC V ới nhiệt độ này, nguồn không khí có thể được sử dụng cho các hệ thống sấy hải sản hoặc nông sản [2] Các kết quả mô phỏng được

t ổng hợp và so sánh như Hình 5 và 6 Nhìn chung, với 2 thiết kế, khi tăng kích thước đường kính ống bao, giá trị nhiệt độ đầu ra cũng tăng Vì vậy, tùy từng ứng dụng, kích thước ống bao

có th ể được lựa chọn nhằm đạt được nhiệt độ khí đầu ra thích hợp [7 – 9]

Bảng 2 Kết quả mô phỏng của 3 mẫu thuộc thiết kế 1

φ170mm φ190mm φ210mm

to

44,1 49,1 52,9 46,2 50,5 54,3 48,2 51,9 55,8 50,2 53,4 57,2 52,2 54,8 58,5

Bảng 3 Kết quả mô phỏng của 3 mẫu thuộc thiết kế 2

φ170 mm φ190 mm φ210 mm

to

46,6 48,3 51,8 48,6 50,6 54,1

Hình 5 Bi ểu đồ so sánh nhiệt độ đầu ra

c ủa 3 mẫu ở thiết kế 1 Hình 6.Bi ểu đồ so sánh nhiệt độ đầu ra của 3 m ẫu ở thiết kế 2

Nh ằm kiểm chứng kết quả mô phỏng, mô hình thí nghiệm với đường kính ống bao ngoài φ 190 mm đã đượcchế tạo như Hình 7 Các giá trị nhiệt độ khí tại đầu vào và ra được đo

b ằng phương pháp không tiếp xúc bởi cảm biến hồng ngoại.Các kết quả mô phỏng và thực nghi ệm được so sánh như Hình 9 Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ khí sau khi được gia nhi ệt trong đạt được khoảng 50oC, Hình 8, tương đương với kết quả khi mô phỏng hệ thống trên ph ần mềm 51,9oC So sánh này cho th ấy nhiệt đô trong quá trình thực nghiệm có thấp hơn so với kết quả khi mô phỏng vì trong quá trình thực nghiệm nhiệt độ ngoài trời, nhiệt độ ống xả không ổn định Với độ chính xác này, phương pháp CAE có thể được sử dụng trong quá trình tính toán, thi ết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải của động cơ đốt trong nhằm phục vụ cho các nhu c ầu khác như sấy thực phẩm, điều hòa nhiệt độ,…

Hình 7 Mô hình thí nghi ệm

K ỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 8 Nhi ệt độ khí thu được Hình 9 So sánh k ết quả mô phỏng và thí

nghi ệm về nhiệt độ trung bình

4 K ẾT LUẬN

Trong bài báo này, mô hình thu h ồi nhiệt thải đã được mô phỏng và kiểm chứng bằng

th ực nghiệm Kết quả mô phỏng và thực nghiệm sai lệch không đáng kể Vì vậy, phương pháp CAE có th ể được sử dụng trong quá trình tính toán, thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải của động cơ nhằm phục vụ cho nhu cầu trong các ngành kỹ thuật Ngoài ra, các kích thước đường kính ống bao cũng đã được mô phỏng và so sánh Kết quả cho thấy với đường kính càng lớn, nhi ệt độ đầu ra của khí sẽ tăng Vì vậy, tùy từng ứng dụng cụ thể, kích thước ống bao có thể được lựa chọn nhằm đạt được nhiệt độ khí đầu ra thích hợp

TÀI LI ỆU THAM KHẢO

[1] Jerry T Zolkowski PE and CEM, Waste Heat Recovery, Energy Engineering, 2009, Vol

106:5, pp 63-74

[2] D A Reay, E & F N Span, Heat Recovery Systems, London, 1979

[3] E Bredel, J Nickl and S Bartosch, Waste Heat Recovery in Drive Systems of Today and

Tomorrow, Industry Thermal management, April 2011, Volume 72, Issue 4, pp 52-56

[4] Sustainable Energy Authority of Victoria (SEAV), Best Practice Design, Technology and

Management, Module 5,Australia, 2004

[5] D.A Reay, Low Temperature Waste Heat Recovery in the Process Industry, Good

Practice Guide No 141, 1996

[6] Hou Xuejun and Gao Deli, Analysis of Exhaust Gas Waste Heat Recovery and Pollution

Processing for Z12V190 Diesel Engine, Research Journal of Applied Sciences,

Engineering and Technology, 2012, Vol 4(11), pp 1604-1611

[7] M Talbi and B Agnew, Energy recovery from diesel engine exhaust gases for

performance enhancement and air conditioning, Applied Thermal Engineering, 2002,

Vol 22, pp 693-702

[8] Chad Baker, Prem Vuppuluri, Li Shi and Matthew Hall, Model of Heat Exchangers for

Waste Heat Recovery from Diesel Engine Exhaust for Thermoelectric Power Generation,

Journal of Electronic Materials, June 2012, Volume 41, Issue 6, pp 1290-1297

[9] B Song, W Zhuge, R Zhao, X Zheng, Y Zhang, Y Yin and Y Zhao, An investigation

on the performance of a Brayton cycle waste heat recovery system for turbocharged