Nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước ngọt từ nước..

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước ngọt từ nước..

1. LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là đề tài nghiên cứu do tôi thực hiện. Luận án có sử dụng một phần kết quả do tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện trong Đề tài cấp Bộ“Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng trên các tàu đánh bắt xa bờ của Việt Nam”, mã số B2017-BKA39 do PGS.TS Khổng Vũ Quảng là Chủ nhiệm đề tài và cơ quan chủ trì là Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Tôi đã được Chủ nhiệm đề tài đồng ý cho sử dụng một phần kết quả nghiên cứu của Đề tài cấp Bộ vào việc viết luận án. Tôi xin cam đoan các số liệu kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong các công trình nào khác. TẬP THỂ HƯỚNG DẪN Hà Nội, ngày tháng 02 năm 2021 Người hướng dẫn 1 Người hướng dẫn 2 Nghiên cứu sinh PGS.TS Khổng Vũ Quảng PGS.TS Nguyễn Thế Lương Vũ Minh Diễn i
2. LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng Đào tạo, Viện Cơ khí động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Viện Cơ khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt quá trình tôi làm luận án. Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng và PGS.TS Nguyễn Thế Lương đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tôi có thể thực hiện và hoàn thành luận án. Tôi xin chân thành biết ơn Quý thầy, cô Bộ môn và Trung tâm nghiên cứu Động cơ, nhiên liệu và khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài B2017-BKA39 đã đồng ý cho tôi sử dụng một số kết quả nghiên cứu của đề tài để làm luận án. Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ nhiệm Trung tâm Công nghệ Ô tô và Đào tạo lái xe và các thầy, cô trong Trung tâm đã hậu thuẫn và động viên tôi trong suốt quá trình nghiên cứu học tập. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp ý kiến quý báu để tôi có thể hoàn chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người đã động viên, khuyến khích tôi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện công trình này. Nghiên cứu sinh Vũ Minh Diễn ii
3. MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ x DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xv 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 năng lượng của động cơ 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 19 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới 19 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
4. 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 AVL-Boost 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 AVL-Boost 64 3.2.1. Giới thiệu về động cơ D243 64 3.2.2. Xây dựng mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost 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 4.1. Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm 90 iv
5. 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 nghiệm 97 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 104 4.5. Kết luận chương 4 107 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 109 KẾT LUẬN CHUNG 109 HƯỚNG PHÁT TRIỂN 110 TÀI LIỆU THAM KHẢO 111 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 116 PHỤ LỤC 117 PHỤ LỤC 1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG AVL-BOOST 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 THIẾT BỊ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG 35.PL v
6. DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU STT Ký hiệu Tên gọi Đơn vị 1 ηt Hiệu suất nhiệt của động cơ % 2 r Nhiệt ẩn hóa hơi của nước kJ/kg 3 Qo Tổng lượng nhiệt mà động cơ tỏa ra J/s 4 Qlm Nhiệt lượng mà động cơ truyền cho nước làm mát J/s 5 Qd Nhiệt lượng mà dầu mang đi J/s 6 Qthải Lượng nhiệt tổn thất do khí thải J/s 7 Qch Lượng nhiệt tổn thất do khí sót J/s 8 Qcl Lượng nhiệt tổn thất khác J/s 9 QH Nhiệt trị thấp của nhiên liệu J/kg Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giây tại từng chế độ 10 Gnl kg/s làm việc của động cơ 11 Ne Công suất của động cơ tại từng chế độ làm việc kW 12 Gth Lưu khối lượng khí thải của động cơ kg/s 13 Gkk-tt Lưu lượng không khí thực tế nạp vào động cơ kg/s 14 λ Hệ số dư lượng không khí - Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy hết 1 kg nhiên 15 Lo kg/kgnl liệu 16 Cpth Nhiệt dung riêng đẳng áp của khí thải J/kg.K 0 17 Δt Độ chênh lệch nhiệt độ C 0 18 tth Nhiệt độ của khí thải C 0 19 to Nhiệt độ của môi chất mới đi vào động cơ C 20 Gkk Lưu khối lượng của không khí kg/s 21 Ikk' Entanpi của không khí ở đầu vào thiết bị hóa ẩm kJ/kg 22 Ikk" Entanpi của không khí ở đầu ra thiết bị hóa ẩm kJ/kg 23 Gn Lưu khối lượng của nước phun kg/s 0 24 tn' Nhiệt độ đầu vào của nước phun C 0 25 tn" Nhiệt độ đầu ra của nước phun C 26 d Độ chứa hơi của không khí ẩm kg/kgkk 27 w Vận tốc của môi chất m/s 28 M Hệ số Mach m/s vi
7. 29 λdn Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu W/m.K 2 30 α Hệ số trao đổi nhiệt W/m .K 0 31 tf Nhiệt độ của dòng môi chất C 0 32 tw Nhiệt độ bề mặt của tường tiếp xúc với dòng môi chất đó C 2 33 F Diện tích truyền nhiệt của thiết bị m 34 δ Độ dày của vách ống trao đổi nhiệt m 2 35 υ Độ nhớt động học của môi chất m 2 36 a Hệ số dẫn nhiệt độ m 37 β Hệ số giãn nở thể tích 1/K 2 38 k Hệ số truyền nhiệt W/m .K 39 Nu Tiêu chuẩn Nusselt - 40 Re Tiêu chuẩn Reynold - 41 Gr Tiêu chuẩn Grashoff - 42 Pr Tiêu chuẩn Prandtl - 43 D Đường kích ngoài của ống m 44 d Đường kính trong của ống m 45 lkx Kích thước xác định của ống thu hồi nhiệt khí xả m 46 ql Mật độ dòng nhiệt W/m 47 L Chiều dài ống m 0 48 tư Nhiệt độ nhiệt kế ướt C 0 49 ts Nhiệt độ đọng sương C 50  Hệ số dính ướt chất lỏng của bề mặt tấm đệm - Hệ số truyền nhiệt quy ước tính cho một đơn vị diện tích bề 2 51 kF W/m .K mặt tấm đệm khi chất lỏng dính ướt toàn bộ bề mặt tấm đệm 2 52 µ Độ nhớt động lực học của khí N.s/m 2 3 53 f Bề mặt cho một đơn vị thể tích đệm m /m 3 3 54 v Thể tích tự do của đệm m /m 55 Ar Tiêu chuẩn Arximed - 0 56 ∆tnlm Độ chênh lệch nhiệt độ C Khối lượng được thêm vào pha liên tục từ pha khuếch tán 57 Sm thứ 2 (chẳng hạn như do bay hơi ) và các nguồn do người - dùng định nghĩa vii
8. 58 u Tốc độ theo phương x m/s 59 p Áp suất tĩnh Pa 60 Bx Lực tác dụng lên đơn vị thể tích theo phương x m/s Các thành phần nhớt ngoài các thành phần trong div(μgrad 61 Vx - u) Hệ số thể hiện sự biến thiên của quá trình giãn nở so với giá 62 YM - trị trung bình viii
9. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Diễn tả 1 ĐCĐT Động cơ đốt trong 2 RO Reverse Osmosis (Phương pháp thẩm thấu ngược) 3 NF Nano Filtration (Lọc Nano) 4 CHR Cooling Heat Recovery (Két thu hồi nhiệt nước làm mát) 5 EHR Exhaust Heat Recovery (Két thu hồi nhiệt khí thải) 6 MSF Multi Stage Flash Distillation (Phương pháp chưng cất đa tầng) 7 MED Multiple Effect Distillation (Phương pháp chưng cất kiểu liên hoàn) Low Temperature Thermal Desalination (Phương pháp khử mặn ở 8 LTTD nhiệt độ thấp) 9 VC Vapour Compression (Phương pháp chưng cất kiểu nén hơi) 10 MVC Mechanical Vapor Compression (Máy nén hơi cơ học) 11 TVC Thermal Vapor Compression (Máy nén hơi nhiệt) Humidification – Dehumidification (Phương pháp chưng cất kiểu 12 HDH hóa ẩm – ngưng tụ) Waste Heat Recovery System (Hệ thống tận dụng nhiệt thừa của 13 WHRS động cơ đốt trong) 14 ĐCT Điểm chết trên 15 ED Electrodialysis (Phương pháp điện phân) 16 ĐCD Điểm chết dưới 17 CFD Computational Fluid Dynamics (Tính toán động lực học chất lưu) 18 DNS Direct Numerical Simulation (Mô phỏng số trực tiếp) 19 LES Large Eddy Simulation (Mô phỏng xoáy lớn) Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation (Mô hình chảy rối 20 RANS/URANS RNS) 21 SST Shear Stress Transport Model (Mô hình dịch chuyển ứng suất) 22 RSM Reynolds Stress Model (Mô hình ứng suất Reynold) ix
10. DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Đồ thị phân bố nhiệt của ĐCĐT 5 Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin-máy nén sử dụng trên ĐCĐT 6 Hình 1.3. Sơ đồ chu trình ORC [16] 7 Hình 1.4. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ để phát điện (TEG) [18] 8 Hình 1.5. Chất bán dẫn p-n trong thiết bị TEG [18] 8 Hình 1.6. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt nồi hơi [4] 9 Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý tận dụng nhiệt từ nước làm mát phục vụ sinh hoạt [4] . 10 Hình 1.8. Các tàu khai thác thủy hải sản ở Việt Nam 11 Hình 1.9. Các công nghệ khử muối trên thế giới hiện nay [24] 12 Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước kiểu MSF [27] 13 Hình 1.11. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước biển kiểu MED [29] 14 Hình 1.12. Hình sơ đồ chưng cất kiểu LTTD [30] 14 Hình 1.13. Sơ đồ chưng cất kiểu VC [31] 15 Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chưng cất kiểu HDH [34] 16 Hình 1.15. Nguyên lý khử muối theo phương pháp thẩm thấu ngược RO [43] 17 Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý hoạt động khử muối theo phương pháp điện phân, ED [46] 19 Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động cơ để chạy máy phát điện trên tàu biển [47] 20 Hình 1.18. Hiệu suất nhiệt của động cơ khi không và có hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để chạy máy phát điện trên tàu biển hãng MAN [47] 20 Hình 1.19. Thiết bị tạo nước ngọt của hãng Sasakura [48] 21 Hình 1.20. Hệ thống chưng cất nước ngọt kiểu Atlas [49] 21 Hình 1.21. Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt thải động cơ diesel 22 Hình 1.22. Sơ đồ chưng cất nước ngọt tận dụng nhiệt thừa của ĐCĐT trên tàu khách [51] 23 Hình 1.23. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ gia nhiệt cho nước ngọt [57] 24 Hình 1.24. Nhiệt lượng khí thải cần để hâm nóng nhiên liệu CO100 khi động cơ làm việc theo đường đặc tính ngoài [58] 24 Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt khí thải và nước làm mát của động cơ đốt trong 27 Hình 2.2. Trình tự tính toán thiết kế hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển 28 Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR 29 Hình 2.4 . Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm 33 Hình 2.5. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ 34 Hình 2.6. Kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ [67] 34 Hình 2.7. Ảnh hưởng của khoảng các cánh hưởng dòng đến quá trình chuyển động x
11. của môi chất [69] 35 Hình 2.8. Sắp xếp ống theo kiểu hình lục giác đều và kiểu đường tròn đồng tâm [63] 35 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của CHR 35 Hình 2.10. Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp 36 Hình 2.11. Sự biến thiên nhiệt độ của nước làm mát và nước biển trong CHR 39 Hình 2.12. Kết cấu các loại cánh trao đổi nhiệt [60] 40 Hình 2.13. Thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có cánh [67] 40 Hình 2.14. Mặt cắt ngang của EHR 41 Hình 2.15. Vách có cánh 41 Hình 2.16. Sự biến thiên nhiệt độ của khí thải và nước biển trong EHR 44 Hình 2.17. Nguyên lý hoạt động của bộ hóa ẩm - ngưng tụ 45 Hình 2.18. Đồ thị t-d biểu diễn trạng thái của không khí trong bộ HDH [60] 45 Hình 2.19. Quá trình không khí tiếp xúc với nước biển [60] 46 Hình 2.20. Đồ thị I-d quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa nước và không khí [60] 46 Hình 2.21. Đồ thị quá trình thay đổi trạng thái của không khí [60] 47 Hình 2.22. Sơ đồ cân bằng nhiệt và chất trong bình hóa ẩm 48 Hình 2.23. Cơ chế dịch chuyển giữa nước và không khí [70] 48 Hình 2.24. Quá trình trao đổi nhiệt trong tấm đệm [60] 50 Hình 2.25. Kiểu dáng và kích thước của các loại đệm. 51 Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ 53 Hình 2.27. Đồ thị I-d quá trình làm lạnh không khí ẩm [60] 54 Hình 2.28. Dàn ngưng tụ kiểu ống - tấm [71] 54 Hình 2.29. Thiết bị ngưng tụ kiểu dàn ống xoắn bố trí so le nhau 54 Hình 2.30. Sự biến thiên nhiệt độ của không khí và nước biển trong bình ngưng tụ 55 Hình 2.31. Khối lượng đi vào và ra của 1 phần tử chất lỏng [73] 59 Hình 2.32. Các lực theo phương x [73] 59 Hình 2.33. Chuyển động của một điểm trong dòng rối [73] 60 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt khí thải và nước làm mát của động cơ 63 Hình 3.2. Động cơ D243 65 Hình 3.3. Mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost 66 Hình 3.4. So sánh công suất và tiêu thụ nhiên liệu ở đường đặc tính ngoài của động cơ 67 Hình 3.5. Lượng và tỷ lệ năng lượng nhiệt chuyển thành công có ích (kW) 68 Hình 3.6. Tỷ lệ lượng nhiệt chuyển thành công có ích (%) 68 Hình 3.7. Lượng nhiệt động cơ truyền qua thành vách (kW) 69 Hình 3.8. Tỷ lệ lượng nhiệt động cơ truyền qua thành vách (%) 69 xi
12. Hình 3.9. Lượng nhiệt mà động cơ truyền cho khí thải (kW) 70 Hình 3.10. Tỷ lệ lượng nhiệt mà động cơ truyền cho khí thải (%) 70 Hình 3.11. Lượng nhiệt mất mát do các tổn hao khác của động cơ (kW) 71 Hình 3.12. Tỷ lệ năng lượng nhiệt mất mát do các tổn hao khác của động cơ (k%) 71 Hình 3.13. Bản vẽ thiết kế CHR 72 Hình 3.14. Các phương án bố trí ông trao đổi nhiệt trong CHR 74 Hình 3.15. Mặt cắt mô hình 3D của CHR 75 Hình 3.16. Phân bố vận tốc của nước làm mát và nước biển dọc theo chiều ngang của CHR trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100 % tải và 2200 v/ph 76 Hình 3.17. Phân bố nhiệt độ của nước làm mát và nước biển dọc theo chiều ngang của CHR trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100 % tải và 2200 v/ph 76 Hình 3.18. Nhiệt thu hồi từ nước làm mát khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 77 Hình 3.19. Lưu lượng nước làm mát qua CHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 78 Hình 3.20. Bản vẽ thiết kế EHR 78 Hình 3.21. Mặt cắt ngang EHR 79 Hình 3.22. Các phương án bố trí cánh trao đổi nhiệt trong EHR 80 Hình 3.23. Mô hình 3D của EHR 81 Hình 3.24. Phân bố vận tốc của khí thải và nước biển dọc theo chiều ngang của két trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100% tải và 2200 v/ph 82 Hình 3.25. Phân bố nhiệt độ của khí thải và nước biển theo chiều dọc của EHR trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100% tải và 2200 v/ph 83 Hình 3.26. Nhiệt lượng thu hồi và độ giảm nhiệt độ của khí thải trong EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 84 Hình 3.27. Lưu lượng nước biển qua EHR khi ĐCĐT làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 84 Hình 3.28. Tấm cooling pad tạo ẩm trong bình hóa ẩm 85 Hình 3.29. Hai giai đoạn không khí trong bình hóa ẩm 85 Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 91 Hình 4.2. Cụm phanh điện và đồng hồ hiển thị lực phanh 92 Hình 4.3. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu 93 Hình 4.4. Cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu 93 Hình 4.5. Bộ phận nhập thông số và hiển thị kết quả đo 93 Hình 4.6. Cảm biến đo lưu lượng khí nạp ABB Sensyflow 94 Hình 4.7. Cảm biến đo lưu lượng nước YF-B10 95 Hình 4.8. Cảm biến đo nhiệt độ LM35 95 Hình 4.9. Cảm biến đo nhiệt độ khí thải PT100 96 Hình 4.10. Khúc xạ kế đo độ muối nước biển 96 xii
13. Hình 4.11. Một số hình ảnh lắp đặt động cơ và hệ thống trên băng thử 97 Hình 4.12. Ne và ge khi có và không có hệ thống với động cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph 98 Hình 4.13. Nhiệt độ nước biển vào và ra khỏi CHR khi động cơ chạy tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 99 Hình 4.14. Nhiệt lượng thu hồi được của nước làm mát và lưu lượng nước biển qua CHR khi động cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 100 Hình 4.15. Nhiệt lượng thu hồi được của nước làm mát CHR khi động cơ chạy ở tốc độ 1800 v/ph và 2000 v/ph 100 Hình 4.16. Lưu lượng nước biển qua CHR khi động cơ chạy ở tốc độ 1800 v/ph, 2000 v/ph 101 Hình 4.17. Nhiệt độ khí thải vào và ra khỏi EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 101 Hình 4.18. Lưu lượng nước biển qua EHR và độ chênh lệch nhiệt độ khí thải khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 102 Hình 4.19. Nhiệt lượng và khả năng thu hồi được của khí thải khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 102 Hình 4.20. Nhiệt độ khí thải vào và ra khỏi EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 và 2000 v/ph với tải thay đổi 103 Hình 4.21. Lưu lượng nước biển qua EHR và độ chênh lệch nhiệt độ khí thải khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 và 2000 v/ph với tải thay đổi 104 Hình 4.22. Nhiệt lượng và khả năng thu hồi được của khí thải khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 và 2000 v/ph với tải thay đổi 104 Hình 4.23. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,0) 105 Hình 4.24. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,0) 105 Hình 4.25. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và EHR (Gnb/Gkk = 2,0) 106 Hình 4.26. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được giữa lý thuyết và thực nghiệm khi động cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph với tỷ lệ Gnb/Gkk = 2,0 107 Hình PL 4.1. Kết cấu EHR 21.PL Hình PL 4.2. Quy trình các bước gia công EHR 21.PL Hình PL 4.3. Kết cấu EHR sau khi hoàn thiện 22.PL Hình PL 4.4. Một số hình ảnh thể hiện quá trình gia công EHR 22.PL Hình PL 4.5. Một số hình ảnh thực tế quá trình gia công EHR 23.PL Hình PL 4.6. Kết cấu CHR 24.PL Hình PL 4.7. Quy trình các bước gia công CHR 25.PL Hình PL 4.8. Một số hình ảnh thực tế quá trình gia công CHR 26.PL Hình PL 4.9. Bình hóa ẩm và ngưng tụ 27.PL Hình PL 4.10. Quá trình gia công bình hóa ẩm 28.PL Hình PL 4.11. Quy trình gia công bình ngưng tụ 28.PL xiii
14. Hình PL 4.12. Một số hình ảnh thực tế quá trình gia công thiết bị hóa ẩm – ngưng tụ 29.PL Hình PL 4.13. Một số hình ảnh thực tế khi tiến hành thực nghiệm 30.PL Hình PL 5.1. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,5) 31.PL Hình PL 5.2. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,25) .31.PL Hình PL 5.3. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,25) .32.PL Hình PL 5.4. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,25) .32.PL Hình PL 5.5. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và EHR (Gnb/Gkk = 2,5) 33.PL Hình PL 5.5. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và EHR (Gnb/Gkk = 2,25) 33.PL Hình PL 6.1. Kết quả phân tích nước chưng cất. 34.PL xiv
15. DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1. Một số thông số kỹ thuật của động cơ D243 65 Bảng 3.2. Các phần tử của mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost 66 Bảng 3.3. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng theo đặc tính ngoài của động cơ D243 tại phòng thí nghiệm C15, Trường ĐHBK Hà Nội [78] 67 Bảng 3.4. Nhiệt lượng của ĐCĐT ở các chế độ tải và n = 2200 v/ph 72 Bảng 3.5. Thông số dòng khí thải tại tốc độ 2200 v/ph 72 Bảng 3.6. Thông số cơ bản của két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR 73 Bảng 3.7. Thông số kết cấu chung của CHR 74 Bảng 3.8. Điều kiện biên cho mô hình khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 75 Bảng 3.9. Kết quả mô phỏng CHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi từ 10 ÷ 100% 77 Bảng 3.10. Thông số cơ bản của két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 80 Bảng 3.11. Thông số kết cấu chung của EHR 81 Bảng 3.12. Điều kiện biên cho mô hình khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 82 Bảng 3.13. Nhiệt lượng, độ giảm nhiệt độ khí thải khi ĐCĐT chạy tại tốc độ 2200 v/ph 83 Bảng 3.14. Lưu lượng nước biển qua EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 84 Bảng 3.15. Thông số cơ bản của bộ hóa ẩm – ngưng tụ, HDH 86 Bảng 3.16. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được tính theo lý thuyết khi Gnb/Gkk = 2,5 87 Bảng 3.17. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được tính theo lý thuyết khi Gnb/Gkk = 2,25 88 Bảng 3.18. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được tính theo lý thuyết khi Gnb/Gkk = 2,0 88 Bảng 4.1. Mức độ giảm Ne và tăng ge khi lắp hệ thống (%) tại tốc độ động cơ 2200 v/ph 98 Bảng 4.2. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng CHR tại tốc độ 2200 v/ph 99 Bảng 4.3. Nhiệt lượng và lưu lượng nước biển qua CHR khi động làm việc tại tốc độ 1800 v/ph và 2000 v/ph 100 Bảng 4.4. Kết quả so sánh nhiệt độ khí thải, lưu lượng nước biển qua EHR thực nghiệm và mô phỏng tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 10 ÷ 40 % 101 Bảng 4.5. Kết quả so sánh nhiệt lượng thu hồi được của khí thải từ EHR thực nghiệm và mô phỏng tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 10 ÷ 40 % 102 Bảng 4.6. Nhiệt độ khí thải và lưu lượng nước biển qua EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 v/ph và 2000 v/ph 103 Bảng 4.7. Nhiệt lượng và hiêu suất tận dụng được của EHR khi động cơ làm việc tại xv
16. tốc độ 1800 v/ph và 2000 v/ph 103 Bảng 4.8. Kết quả lưu lượng nước ngọt chưng cất được (l/h) khi chỉ sử dụng CHR 104 Bảng 4.9. Kết quả lưu lượng nước ngọt chưng cất được (l/h) khi chỉ sử dụng EHR 105 Bảng 4.10. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được (l/h) khi sử dụng đồng thời CHR và EHR 106 Bảng 4.11. Kết quả so sánh giữa thực nghiệm với lý thuyết khi động cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph và Gnb/Gkk = 2,0 107 xvi
17. MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài Hiện nay với vai trò quan trọng của ngành ngư nghiệp và vận tải biển trong phát triển kinh tế, bảo vệ vùng biển và thềm lục địa của nước ta, việc hiện đại hóa và tăng số lượng các tàu biển nói chung hay tàu phục vụ ngành ngư nghiệp nói riêng là rất cần thiết. Chính vì vậy, năm 2014 Chính phủ đã ra Nghị định 67/2014 NĐ-CP nhằm khuyến khích đóng mới tàu đánh bắt xa bờ có công suất lớn để nâng cao năng lực, tăng hiệu quả trong khai thác thủy hải sản trên các vùng biển xa. Đây chính là điều kiện thuận lợi cho ngành ngư nghiệp, vận tải biển phát triển đội tàu cả về số lượng và chất lượng. Nước ngọt sử dụng trên tàu thuyền đi biển nói chung và các tàu khai thác thủy hải sản nói riêng giữ một vai trò rất quan trọng, nó được coi là nhân tố quyết định thời gian và tính hiệu quả của mỗi chuyến đi biển. Thực tế hiện nay, trong mỗi chuyến đi biển, phần lớn các tàu khai thác thủy hải sản phải dự trữ và mang theo một lượng nước ngọt được lấy từ đất liền hoặc các đảo. Trung bình, thời gian mỗi chuyến đi biển của tàu có công suất lớn hơn 350 mã lực kéo dài khoảng 2 tháng và trên tàu có 10 đến 12 người, để phục vụ ăn uống và sinh hoạt tối thiểu thì tàu phải mang theo một lượng nước ngọt từ 10 m3 [1]. Chính điều này đã không những chiếm mất không gian hữu ích trên tàu mà còn làm tăng tải trọng của tàu trong suốt chuyến đi, gây ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả khai thác của tàu cũng như tăng tiêu hao nhiên liệu, thậm chí làm rút ngắn hành trình của mỗi chuyến đi biển. Để giải quyết một phần vấn đề này, hiện nay đã có một số trung tâm nghiên cứu và cơ sở sản xuất đưa ra thị trường máy tạo nước ngọt từ nước biển sử dụng công nghệ thẩm thấu ngược (RO). Tuy nhiên, hệ thống này có một số hạn chế nhất định như: năng lượng tiêu thụ cho hệ thống lớn; bộ lọc phải thường xuyên thay mới do tàu thường xuyên hoạt động ở các vùng biển khác nhau trong khi giá thành thay mới bộ lọc cao . Đây chính là các yếu tố đã làm hạn chế rất nhiều hiệu quả khai thác sử dụng hệ thống RO, cũng như hạn chế khả năng triển khai nhân rộng việc trang bị hệ thống này trên các tàu khai thác thủy hải sản hoặc các tàu thủy có công suất máy chính thấp và trung bình trong giai đoạn hiện nay và thời gian tới. Thực tế hiện nay, phần lớn các tàu vận tải biển có công suất động cơ diesel chính lớn có trang bị hệ thống tận dụng nhiệt của nước làm mát của động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển phục vụ đủ nhu cầu sử dụng nước ngọt trên tàu trong mỗi chuyến đi. Tuy nhiên với các tàu khai thác thủy hải sản và các tàu vận tải được trang bị động cơ diesel chính có dải công suất thấp và trung bình thì nguồn năng lượng nhiệt của nước làm mát không lớn nên việc áp dụng công nghệ chưng cất nước ngọt từ nước biển bằng nguồn năng lượng nhiệt của nước làm mát sẽ không đảm bảo cung cấp đủ nguồn nước ngọt cho tàu trong mỗi chuyến đi. Trong khi đó phần lớn các động cơ diesel chính trang bị trên các tàu khai thác thủy hải sản thuộc loại hiện đại có hiệu suất cao, có thể đạt trên 40%, tuy nhiên năng lượng nhiệt của khí thải của động cơ diesel chính sau khi qua bộ tuabin máy nén vẫn còn khá lớn, còn khoảng 3035% đang thải lãng phí ra môi trường. Chính vì vậy, nghiên cứu đưa ra một hệ thống mà có thể tận dụng nhiệt của nước làm mát và nhiệt của khí thải của động cơ để tăng hiệu quả chưng cất nước ngọt từ nước 1
18. biển, đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu khai thác thủy hải sản là hết sức cần thiết và có tính thời sự. Việc thực hiện này không những đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu nước ngọt cho các hoạt động trên tàu mà còn làm giảm tải trọng và tiêu hao nhiên liệu của tàu, tận dụng hiệu quả năng lượng khí thải và nước làm mát bị thải ra môi trường, tăng hiệu quả trong mỗi chuyến đi biển. Từ những cơ sở trên, NCS chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước ngọt từ nước biển” để có thể giải quyết một phần những khó khăn về nguồn nước ngọt trên các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ của Việt Nam hiện nay. ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án • Mục tiêu nghiên cứu của luận án: - Đưa ra quy trình giải pháp phối hợp tận dụng nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước ngọt từ nước biển. - Áp dụng quy trình trên để tính toán, thiết kế một mô hình hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy để chưng cất nước ngọt từ nước biển. • Nội dung nghiên cứu: - Nghiên cứu tổng quan về năng lượng nhiệt và tổng hợp các giải pháp công nghệ tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát, nhiệt khí thải của động cơ đốt trong và các phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển. - Nghiên cứu đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải cũng như thiết bị chưng cất nước ngọt từ nước biển. - Nghiên cứu mô phỏng các thiết bị chính của hệ thống trên phần mềm chuyên dụng. - Thiết kế và chế tạo 01 mô hình hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển lắp trên một động cơ diesel thực. - Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ, đánh giá độ tin cậy của mô hình cũng như đánh giá hiệu quả của hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển khi lắp trên động cơ diesel. iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển bao gồm: • Thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát động cơ đốt trong. • Thiết bị thu hồi nhiệt khí thải động cơ đốt trong. • Bộ thiết bị chưng cất nước ngọt từ nước biển. 2
19. Đối tượng áp dụng: Hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel D243. Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phòng thí nghiệm với hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển được lắp trên động cơ D243 để đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ cũng như đánh giá khả năng chưng cất nước ngọt từ nước biển của hệ thống. iv. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính toán mô phỏng và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó: • Nghiên cứu lý thuyết để làm cơ sở tính toán thiết kế và chế tạo hệ thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải của động cơ và hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển. • Nghiên cứu mô phỏng gồm: - Nghiên cứu mô phỏng chu trình nhiệt động của động cơ trên phần mềm AVL Boost để xác định phân bố lượng nhiệt cho nước làm mát và khí thải động cơ. - Nghiên cứu mô phỏng quá trình trao đổi nhiệt xảy ra bên trong các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ trên phần mềm Ansys Fluent để đưa ra các kết cấu hợp lý của các thiết bị thu hồi nhiệt. • Thực nghiệm trong phòng thí nghiệm - Xác định các thông số đầu vào và đánh giá độ tin cậy của mô hình tính - Đánh giá khả năng tận dụng nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển đồng thời đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ khi lắp hệ thống chưng cất. v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn • Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đưa ra quy trình hoàn chỉnh từ tính toán thiết kế tới chế tạo và thực nghiệm đánh giá hiệu quả hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy để chưng cất nước ngọt từ nước biển. • Ý nghĩa thực tiễn: - Kết quả của luận án có thể áp dụng vào sản xuất thiết bị chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel lắp cho các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ của Việt Nam. - Góp phần hiện đại hóa các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ của Việt Nam. vi. Điểm mới của Luận án Đã xây dựng được quy trình tính toán thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển. Đã áp dụng thành công quy trình để tính toán thiết kế 01 mô hình hệ thống tận 3
20. dụng nhiệt nước làm mát và khí thải động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển theo phương pháp HDH. vii. Bố cục của Luận án Luận án được thực hiện với những phần chính sau: Mở đầu Chương 1. Tổng quan Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 3. Nghiên cứu, tính toán và thiết kế hệ thống chưng cất Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm Kết luận chung và hướng phát triển 4
21. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan hiệu suất có ích của động cơ và nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải Động cơ đốt trong (ĐCĐT) hiện nay vẫn đóng vai trò quan trong, là nguồn động lực chính trong các lĩnh vực giao thông vận tải, nông – lâm – ngư nghiệp. Tuy nhiên phần năng lượng hữu ích truyền tới máy công tác chỉ chiếm khoảng 21÷33% đối với động cơ xăng, và 25÷40% đối với động cơ diesel, phần còn lại khoảng 60÷79% năng lượng mất mát ra môi trường, trong đó chủ yếu nhiệt truyền cho hệ thống làm mát khoảng 25÷30%, nhiệt cho khí thải mang đi chiếm khoảng 30÷35% [1÷7], như thể hiện trên biểu đồ Hình 1.1. Hình 1.1. Đồ thị phân bố nhiệt của ĐCĐT Do đó, việc tăng hiệu suất có ích, giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải độc hại luôn là những mục tiêu chính của các nhà nghiên cứu phát triển ĐCĐT. Để đạt được các mục tiêu nêu trên, hàng loạt các công nghệ hiện đại và thân thiện môi trường đã và đang được áp dụng như: cơ cấu phân phối khí thông minh VVT-i (Variable Valve Timing intelligence) [8]; hệ thống nhiên liệu điện tử EFI (Electronic Fuel Injection), DFI (Direct Fuel Injection), Common Rail; các phương pháp hình thành hỗn hợp mới: HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), PCCI (Premixed Charge Compression Ignition), RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition) Điển hình như tác giả Avinash Kumar Agarwalb và các cộng sự [9] đã nghiên cứu nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ diesel khi sử dụng hệ thống Common rail, nghiên cứu được thực hiện khi ĐCĐT làm việc ở tốc độ không đổi và áp suất phun thay đổi. Kết quả cho thấy áp suất phun nhiên liệu và thời gian bắt đầu phun ảnh hưởng đến hiệu suất nhiệt cũng như lượng phát thải của động cơ. Tác giả Ahmet Uyumaz và các cộng sự [10] đã nghiên cứu quá trình cháy do nén hỗn hợp đồng nhất (HCCI). Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất có ích của động cơ tăng 4,92%, công suất đầu ra tăng 1,18% trong khi suất tiêu hao nhiên liệu giảm 24,08%. Tác giả Suozhu Pan và các cộng sự [11] đã nghiên cứu và thử nghiệm động cơ cháy do nén có kiểm soát hoạt tính nhiên liệu (RCCI) với hỗn hợp 2-butanol và diesel, kết quả cho thấy lượng phát thải NOx và PM giảm đồng thời hiệu suất nhiệt động cơ tăng khoảng 7%. Tác giả Yahui Zhang và các cộng sự [12] đã nghiên cứu quá trình đốt cháy với hỗn hợp nghèo trong động cơ xăng và đã cải thiện tăng thêm được hiệu suất tối đa của động cơ lên 6,91% và hiệu suất trung bình 5
22. tăng thêm được 4,98% so với đốt cháy hỗn hợp theo cân bằng hóa học. Euijoon Shim và các cộng sự [13] đã nghiên cứu các công nghệ hình thành hỗn hợp cháy (HCCI, PCCI và DF-PCCI), kết quả cho thấy khi quá trình đốt cháy theo kiểu DF- PCCI thì hiệu suất có ích của động cơ lên tới 45,3%, lượng CO2 giảm 14,3% nhưng nhược điểm của nó là tạo ra lượng HC và CO cao hơn. Như vậy theo các nghiên cứu trên, có thể thấy rằng mặc dù hiệu suất của ĐCĐT ngày càng được cải thiện nhưng vẫn còn một phần lớn (hơn 50%) năng lượng nhiệt bị mất mát chủ yếu cho làm mát và khí thải. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và khí thải có thể coi là giải pháp có nhiều tiềm năng trong việc tăng hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm tiêu thụ nhiên liệu và ô nhiễm môi trường của ĐCĐT. 1.2. Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để nâng cao hiệu suất năng lượng của động cơ 1.2.1.Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén Từ những năm 1909 Dr. AlfredJ. Buchi [14] đã nghiên cứu sử dụng khí thải đưa vào tuabin sinh công dẫn động máy nén để tăng áp khí nạp nhằm tăng lượng khí nạp vào xylanh trong mỗi chu trình công tác của ĐCĐT, nhờ đó đốt được nhiều nhiên liệu hơn, công suất riêng của động cơ sẽ tăng. Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin máy nén sử dụng trên ĐCĐT được thể hiện trên Hình 1.2. 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. Có thể thấy, tăng áp cho động cơ diesel là một trong những giải pháp hiệu quả nhằm tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu. Khi động cơ được tăng áp sẽ cho phép nạp được nhiều nhiên liệu hơn do vậy công suất riêng của động cơ sẽ được cải thiện đáng kể. Ngoài ra, áp suất khí nạp cao sẽ làm cải thiện quá trình hình thành hỗn hợp trong động cơ và sẽ góp phần cải thiện quá trình cháy. Điều này dẫn đến hiệu suất động cơ sẽ được tăng, đồng thời giảm hàm lượng các chất phát thải độc hại trên một đơn vị công suất. Như vậy tăng áp là biện pháp hiệu quả để nâng cao 6
23. công suất của động cơ diesel, cho phép cải thiện một số chỉ tiêu như: Giảm thể tích toàn bộ động cơ trên một đơn vị công suất; Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ trên một đơn vị công suất; Giảm giá thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất; Cải thiện hiệu suất của động cơ đặc biệt là khi tăng áp bằng tuabin - máy nén có thể làm giảm lượng khí thải độc hại. Hiện nay tăng áp bằng tuabin - máy nén được sử dụng hầu hết trên các động cơ diesel, và một số động cơ xăng hiện đại. Một số nghiên cứu gần đây như: Jianbing Gao và các công sự [15] đã nghiên cứu tăng áp khí nạp cho động cơ diesel của xe tải hạng nặng, kết quả cho thấy hiệu suất nhiệt của động cơ có thể lên tới 38% khi động cơ hoạt động ở 50 ÷ 100 % tải và tốc độ từ 1000 ÷ 1700 v/ph. 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 ĐCĐT ở nhiệt độ thấp để thay đổi pha (lỏng – hơi) của môi chất và sinh ra công hữu ích (thường là kết hợp phát điện), như thể hiện trên Hình 1.3. Với phương pháp này, tác giả FU Jian-qin và các cộng sự đã nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát ở nhiệt độ thấp cho chu trình Rankine hữu cơ, kết quả cho thấy có thể cải thiện được hiệu suất của động cơ đến 12,1% [16]. 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. Với ưu điểm về nguồn năng lượng khí thải trên động cơ lớn và có nhiệt độ cao, vì vậy nghiên cứu sử dụng thiết bị phát điện để tận dụng nhiệt năng từ khí thải của ĐCĐT nhận được sự quan tâm lớn của các hãng sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới như, hãng BMW, Huyndai và General Motors. Trong đó công ty “BMW AG” đã áp dụng phương pháp này trên một số xe ôtô có trang bị động cơ hỗn hợp, bao gồm ĐCĐT và TEG cho công suất đạt đến 600W, nhờ đó suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm tới 5%. Với tiềm năng như vậy, công ty “General Motors” kết hợp với “trung tâm nano Birka” của Mỹ đã và đang nghiên cứu tăng hiệu suất TEG dùng cho động 7
24. cơ ôtô. Hình 1.5 thể hiện kết cấu chất bán dẫn p-n trong thiết bị TEG [18]. 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 ĐCĐT với TEG đã cho phép tăng tính năng kinh tế của động cơ nhờ sản sinh thêm điện năng cũng như có thể giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Do đó với những lợi thế của TEG đã có nhiều nghiên cứu như: Xiaodong Zhang và K.T. Chau [19] đã nghiên cứu kết hợp TEG trên ô tô, kết quả cho thấy có thể cải thiện công suất động cơ thêm 17,9%, Stobart R và Weerasing R [20] đã nghiên cứu TEG trên các phương tiện giao thông và kết quả cho thấy có thể tạo ra công suất điện khoảng 1,3 kW trên một xe chở khách, hay Anbang Liu và các cộng sự [21] đã nghiên nâng cao hiệu suất của hệ thống TEG bằng cách kết hợp với PCM (Phase Change Materials), kết quả cho thấy trong điều kiện làm việc tối ưu có thể tạo ra năng lượng điện tối đa là 1386,45 J. 8
25. 1.2.4. Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi Như đã biết, nhiệt lượng mà khí thải ĐCĐT mang ra ngoài là rất lớn. Trong nhiều ĐCĐT tổn thất này tương đương với nhiệt sinh công có ích và chiếm hơn 1/3 tổng lượng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tỏa ra. Do trường nhiệt độ lớn, gấp 5÷6 lần nhiệt của nước làm mát, nên dễ tận dụng và tận dụng có hiệu quả hơn so với nước làm mát. Chính vì vậy giải pháp tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi cũng đã đạt được những thành công nhất định. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi thể hiện trên Hình 1.6, cho thấy khí thải sau khi ra khỏi động cơ 1 sẽ đi vào nồi hơi 2 đặt trên đường thải. Trong nồi hơi 2, khí thải từ động cơ 1 truyền nhiệt cho nước để nung nóng và biến thành hơi. Nước nóng theo ống dẫn về bình góp 4. Ở đây, hơi được tách khỏi nước theo ống dẫn đi cung cấp cho nhu cầu trang bị động lực. Phần nước còn lại trong bình góp 4 được bơm 3 hút để duy trì sự tuần hoàn trong mạch, bơm còn lại hút nước từ bể 5 để bổ sung nước cho mạch. Hơi được sinh ra có áp suất 5÷6 kG/cm2 chủ yếu đáp ứng các nhu cầu phụ như: sưởi phòng ở, sấy hàng hoặc sấy nhiên liệu nặng cho các 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 (sau tổn thất khí thải) trong ĐCĐT, qlm nằm trong khoảng 27 ÷ 31% [4]. 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 và phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố khác. Nhiệt độ trung bình của nước làm mát là 70÷850C và t trong khoảng 5÷70C nên việc tận dụng nhiệt nước làm mát để sinh công có ích gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên nếu sử dụng các giải pháp hợp lý cũng như khi động cơ làm việc ở chế độ tải cao thì vẫn có thể tận dụng hiệu quả nguồn nhiệt này. Trong thực tế sử dụng các trang bị động lực diesel đã cho thấy rằng: Sự mài mòn của nhóm piston-xylanh và suất tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc rất nhiều vào chế độ nhiệt của nước làm mát. Khi tăng nhiệt độ của nước làm mát, sự hao mòn và suất tiêu hao nhiên liệu giảm. Trường hợp này nhiệt độ của khí thải cũng tăng chút ít, 9
26. đồng thời tăng khả năng tận dụng nhiệt của nước làm mát và khí thải của động cơ. Như vậy, tăng nhiệt độ của nước làm mát ra khỏi động cơ đến 90÷950C đồng thời cải thiện được các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như tính năng của động cơ. Ngoài ra còn tạo ra nguồn nước nhiệt độ cao để có thể dùng trong hệ thống cung cấp nước nóngcho sinh hoạt, máy chưng cất nước biển kiểu chân không, để sấy hàng và dùng vào các mục đích khác. Ngoài ra, việc áp dụng phương pháp làm mát động cơ ở nhiệt độ cao với nhiệt độ của môi chất đến 140÷1500C càng cho phép tận dụng sâu hơn nhiệt của môi chất. Trong trường hợp này, nhiệt của môi chất làm mát có thể được dùng vào thiết bị tận dụng nhiệt như nồi hơi, sinh hơi cho tuabin máy phát điện cỡ nhỏ. Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý tận dụng nhiệt từ nước làm mát phục vụ sinh hoạt [4] 1- Động cơ; 2- Thùng giãn nở; 3- Két thu hồi nhiệt; 4- Bơm nước; 5- Bể cấp nước; 6- Van điều chỉnh; 7- Két làm mát nước Hình 1.7 giới thiệu phương pháp thu hồi nhiệt từ nước làm mát động cơ bằng két thu hồi nhiệt (3) để phục vụ cho sinh hoạt trên tàu biển. Trong đó nếu nhiệt độ của nước làm mát ra khỏi động cơ khoảng 75÷850C thì nhiệt độ môi chất làm mát của két thu hồi nhiệt (3) tận dụng chỉ tối đa là 65÷750C [4]. 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 sử dụng trên tàu thuyền đi biển nói chung và các tàu khai thác thủy hải sản nói riêng giữ một vai trò rất quan trọng, nó được coi là nhân tố quyết định thời gian và tính hiệu quả của mỗi chuyến đi biển. Với các ngư dân đi tàu biển khai thác thủy sản xa bờ, thời gian ra khơi là khá dài, những lần đi biển kéo dài hàng vài tháng, do đó các tàu đánh bắt xa bờ hay gặp phải những vấn đề khó khăn trong sử dụng nước sinh hoạt. Trong mỗi chuyến đi, các tàu đánh bắt cá sẽ chỉ chở mang theo được một lượng nước ngọt nhất định phục vụ sinh hoạt cho tất cả thuyền viên có trên tàu. Việc lấy nước ngọt từ đất liền và lưu trữ mang theo để sử dụng dài ngày trên biển của ngư dân từ bao đời nay sẽ rất tốn kém về nhiên liệu để vận chuyển, lượng nước ngọt mang theo trên thuyền thường chỉ đáp ứng được nhu cầu tối thiểu về ăn uống. Nhu cầu về tắm giặt bằng nước ngọt là điều quá xa vời với các ngư dân trên tàu trong điều kiện khan hiếm nước ngọt như vậy. Việc chuyên chở một số lượng lớn nước sẽ chiếm một diện tích cũng như 10
27. không gian đáng kể vốn đã chật hẹp trên tàu. Tình trạng thiếu nước ngọt thường xuyên xảy ra trên các tàu đi biển, mỗi khi sử dụng hết lượng nước ngọt mang theo, các ngư dân phải ngừng hoạt động đánh bắt, bỏ ngư trường mà quay vào các đảo gần nhất để tiếp nước, những lần di chuyển như vậy khiến cho hiệu quả, năng suất công việc giảm sút, nhiên liệu đi lại tốn kém, mất thêm nhiều khoản chi phí phát sinh gây nhiều hạn chế bất cập cho chuyến đi. Hình 1.8. Các tàu khai thác thủy hải sản ở Việt Nam Theo chủ tàu Nguyễn Trọng Kim (Quảng Ngãi) [22] đối với các tàu khai thác thủy hải sản ở Việt Nam thì mỗi chuyến biển kéo dài từ 10 - 15 ngày, tàu chở theo khoảng 1,5  2,0 m3 nước ngọt được chứa trong các bồn (Hình 1.8), tính bình quân mỗi ngày, mỗi ngư dân chỉ sử dụng khoảng hơn 10 lít nước cho mọi hoạt động ăn uống, tắm giặt Do đó cuộc sống, sinh hoạt hàng ngày của ngư dân gặp nhiều khó khăn, vì vậy cần thiết phải có một hệ thống cung cấp nước ngọt trên các tàu. 1.3.2. Tính chất hóa lý của nước biển Nước biển có độ mặn không đồng đều trên toàn thế giới và phần lớn có độ mặn nằm trong khoảng từ 3,1% tới 3,8%. Khi sự pha trộn với nước ngọt đổ ra từ các con sông hay gần các sông băng đang tan chảy thì nước biển nhạt hơn một cách đáng kể. Nước biển nhạt nhất có tại vịnh Phần Lan, một phần của biển Baltic. Biển mặn nhất (nồng độ muối cao nhất) là biển Đỏ (Hồng Hải), do nhiệt độ cao và sự tuần hoàn bị hạn chế đã tạo ra tỷ lệ bốc hơi cao của nước bề mặt cũng như có rất ít nước ngọt từ các cửa sông đổ vào. Độ mặn cao nhất của nước biển trong các biển cô lập (biển kín) như biển Chết cao hơn một cách đáng kể. Nước biển bay hơi ở áp suất không được lớn hơn 12÷24 kPa (0,123÷0,246 at). Khi đó nhiệt độ hơi bão hòa 50÷60oC. Tỷ trọng của nước biển nằm trong khoảng 1.020 tới 1.030 kg/m³ tại bề mặt còn sâu trong lòng đại dương, dưới áp suất cao, nước biển có thể đạt tỷ trọng riêng tới 1.050 kg/m³ hay cao hơn. Như thế nước biển nặng hơn nước ngọt do trọng lượng bổ sung của các muối và hiện tượng điện giải. Điểm đóng băng của nước biển giảm xuống khi độ mặn tăng lên và nó là khoảng -2°C ở nồng độ 3,5% [23]. Hàm lượng muối NaCl trong nước: • Nước ngọt 30g/l. 11
28. 1.3.3. Các giải pháp công nghệ tạo nước ngọt từ nước biển hiện nay Hình 1.9. Các công nghệ khử muối trên thế giới hiện nay [24] Từ những năm 20 của thế kỷ trước, nhiều nhóm nghiên cứu và các công nghệ đã được thực hiện để tạo nước ngọt từ nước biển. Nguyên tắc của phương pháp xử lý nước biển thành nước ngọt là: Giảm hàm lượng muối NaCl trong nước tới mức cho phép có thể ăn uống, tắm giặt được Hình 1.9 thể hiện các công nghệ khử muối chính hiện nay đang được sử dụng trên thế giới [24]: phương pháp nhiệt (MSF, MED, LTTD, VC, HDH), phương pháp lọc màng (RO, MD, ED, FO), phương pháp hóa học (IX, GHD), một số phương pháp khác (PP sinh học - Bio densalination; PP MWT - Mine water treatment; PP DH - Dew harvesting). 1.3.3.1. Khử muối theo phương pháp nhiệt Khử muối theo phương pháp nhiệt là một quá trình trong đó hơi nước được tạo ra từ nước biển bằng cách sử dụng năng lượng nhiệt. Điều này có thể đạt được bằng cách giảm áp suất môi trường hoặc bằng cách liên tục cung cấp năng lượng nhiệt. Trong trường hợp đầu tiên khi giảm áp suất của nước biển thì nhiệt độ cũng liên tiếp giảm để duy trì trạng thái cân bằng, tùy theo nhiệt độ ban đầu, chúng ta có thể có nhiều giai đoạn trong hệ thống khử muối bằng nhiệt. Về mặt nhiệt động, khi áp suất chất lỏng giảm đột ngột dưới áp suất bão hòa của nó, nhiệt lượng thừa không thể chứa trong chất lỏng dưới dạng nhiệt sẽ được truyền vào nhiệt ẩn hóa hơi nước. Bằng cách kiểm soát vận tốc của hơi nước, ta có thể giữ không cho tinh thể muối hòa lẫn trong hơi nước tinh khiết, khi ngưng tụ bằng môi trường ngưng tụ thích hợp sẽ tạo ra nước ngọt. Trong trường hợp thứ hai, thường được gọi là chưng cất, hơi được tạo ra bằng cách cung cấp nhiệt đủ để cho nước biển sôi và bay hơi. Hiện này có 5 công nghệ chính khử muối theo phương pháp nhiệt: MSF, MED, LTTD, VC, HDH. a) Phương pháp chưng cất đa tầng (Multi Stage Flash Distillation – MSF) MSF là phương pháp chưng cất theo phương pháp nhiệt kiểu đa tầng, MSF đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp nước ngọt ở nhiều khu vực trên thế giới, đặc biệt là ở các nước Trung Đông, và chiếm khoảng 34% công suất khử muối trên thế giới [25]. Đây là một trong những phương pháp khử muối đáng tin cậy với hơn 50 năm phát triển [26]. Hình 1.10 cho thấy một sơ đồ nguyên lý của hệ thống chưng cất MSF [27]. 12
29. Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước kiểu MSF [27] 1- Bơm thoát nước; 2- Bình gia nhiệt; 3- Van; 4- Bơm nước biển vào; 5- Bơm nước ngọt; 6- Bơm nước biển ra Trong quy trình MSF, mỗi giai đoạn kế tiếp của quy trình hoạt động ở áp suất thấp dần. Nước cấp đầu tiên được làm nóng dưới áp suất cao, và được dẫn vào buồng đầu tiên, nơi áp suất được giải phóng, khiến nước sôi nhanh chóng dẫn đến bốc hơi đột ngột. Quá trình bay hơi vẫn diễn ra trong từng giai đoạn kế tiếp, bởi vì áp suất ở giai đoạn sau thấp hơn so với giai đoạn trước. Hơi nước được tạo ra sẽ chuyển thành nước ngọt bằng cách ngưng tụ trên ống trao đổi nhiệt chạy qua từng giai đoạn, các ống này được làm mát bằng nước biển cấp đến. Nói chung, chỉ có một tỷ lệ nhỏ nước cấp được chuyển thành hơi và các nhà máy MSF đã được xây dựng từ cuối những năm 1950. Một số nhà máy MSF có thể có từ 15 đến 25 giai đoạn, nhưng thường có công suất không lớn hơn 56,8 nghìn m3/ngày. Các nhà máy chưng cất MSF có quy trình một lần hoặc tái sử dụng nước biển. Trong một nhà máy khử muối sử dụng phương pháp MSF, năng lượng để hoạt động cao hơn so với các phương pháp khử muối khác cho cùng một lượng nước được sản xuất (1750kWh/ngày) [28]. Các hệ thống MSF có hiệu quả cao khi hoạt động ở nhiệt độ nước biển cao (từ 90-1200C) tuy nhiên nhiệt độ nước biển cao nhất cho phép là 1200C, nhiệt độ quá cao sẽ làm tăng kết tủa đóng cặn các muối trên bề mặt trao đổi nhiệt cũng như ăn mòn bề mặt các thiết bị. Ngoài ra, khi sử một lượng lớn năng lượng để khử muối thì sẽ làm tăng hiệu ứng nhà kính (GHG) được tạo ra do đốt cháy nhiên liệu hóa thạch. Chất chống đóng cặn được dùng trong hệ thống có thể gây hại cho môi trường. Do đó, MSF chỉ có thể được sử dụng khi nơi có sẵn nguồn năng lượng ở nhiệt độ cao b) Phương pháp chưng cất liên hoàn (Multiple Effect Distillation – MED) Trong quy trình chưng cất hiệu ứng nhiều ngăn (MED), nước biển được khử muối bằng phương pháp bay hơi và ngưng tụ ở áp suất giảm dần. Phương pháp MED đang nhận được nhiều sự chú ý hơn trong số các công nghệ khử muối do các ưu điểm chính của nó, như tiêu thụ năng lượng thấp so với MSF, hệ số truyền nhiệt tổng thể cao hơn, diện tích ít hơn so với MSF, nhiệt độ hơi nước hoạt động thấp và có thể sử dụng các nguồn có nhiệt độ thấp để cung cấp năng lượng cho nó. Hình 13
30. 1.11 cho thấy một sơ đồ nguyên lý của hệ thống chưng cất MED [29]. Hình 1.11. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước biển kiểu MED [29] 1- Nước ra; 2- Hơi quá nhiệt; 3- Van; 4- Bơm nước biển; 5- Bình ngưng tụ; 6- Nước biển vào; 7- Bơm thoát nước biển; 8- Bơm thoát nước ngọt Một nhà máy khử muối sử dụng phương pháp MED sản xuất 100 m3/ngày nước uống cần 1750 kWh/ngày năng lượng để hoạt động. Hầu hết các quy trình MED hoạt động ở nhiệt độ thấp dưới 700C. Ngoài ra, MED kết hợp với máy nén hơi sẽ có thể làm tăng làm tăng tỷ lệ hiệu suất hơn 20%. Ở quy mô thương mại, hầu hết các hệ thống MED được thiết kế để hoạt động ở chế độ độc lập hoặc kết hợp với máy nén hơi nhiệt (MED/TVC). c) Khử muối ở nhiệt độ thấp (Low Temperature Thermal Desalination - LTTD) Hình 1.12. Hình sơ đồ chưng cất kiểu LTTD [30] 1- Nước biển có nhiệt độ thấp; 2- Nước biển có nhiệt độ cao; 3,4,10- Bơm; 5- Bình bay hơi; 6,9- Bình ngưng tụ; 7,8- Van Trong đại dương, nhiệt độ nước biển thay đổi theo độ sâu của nó. Độ chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt nước biển và nước biển ở dưới độ sâu nhất định được sử dụng làm bay hơi nước nhiệt độ thấp và ngưng tụ hơi nước tao ra nước tinh khiết (như thể 14
31. hiện trên Hình 1.12). Chưng cất nhiệt độ thấp hiện đang được coi là một trong những phương pháp khử muối đầy hứa hẹn. Công nghệ LTTD sử dụng gradient nhiệt độ giữa hai vùng nước để làm bay hơi nước ấm hơn ở áp suất thấp và ngưng tụ hơi nước [30]. Các thành phần chính cần thiết cho nhà máy LTTD gồm: Buồng bay hơi, bình ngưng, máy bơm và đường ống để hút nước ấm và lạnh, và bơm chân không để duy trì áp suất khí quyển. Một trong những lợi thế của quy trình là nó có thể được thực hiện ngay cả với độ chênh nhiệt độ thấp khoảng 8÷100C giữa hai vùng nước. d) Chưng cất kiểu nén hơi (Vapour Compression – VC) Chưng cất kiểu nén hơi (VC) phù hợp cho các hệ thống chưng cất từ nhỏ đến trung bình [31]. Hệ thống hoạt động dựa trên sự giảm áp suất để làm bay hơi nước. Nhiệt cho sự bay hơi được cung cấp bởi quá trình nén hơi, bằng máy nén cơ (máy nén hơi cơ học – Mechanical Vapor Compression, MVC hoặc máy phun hơi (nén hơi nhiệt) – Thermal Vapor Compression, TVC)). MVC đã được chứng minh là có hiệu quả đối với các nhà máy có công suất nhà máy nhỏ và trung bình và cực kỳ phổ biến trong các nhà máy khử muối lai (MED-MVC). MVC thường được áp dụng cho các phương pháp xử lý khác như một cách để tăng hiệu quả năng lượng. Hình 1.13 thể hiện sơ đồ nguyên lý hệ thống chưng cất kiểu VC. Hình 1.13. Sơ đồ chưng cất kiểu VC [31] 1- Nước biển tái sử dụng; 2- Nước biển vào giàn phun; 3- Vòi phun; 4- Động cơ; 5- Máy tạo hơi; 6- Nước sạch; 7- Nước biển ra; 8- Nước biển vào; 9- Bình gia nhiệt Các nhà máy MVC thường có công suất lên tới khoảng 3000 m3/ngày, trong khi một số nhà máy sử dụng kiểu TVC có thể cho công suất 20.000 m3/ngày. Các hệ thống MVC thường chỉ có một giai đoạn duy nhất, trong khi các hệ thống TVC có một số giai đoạn [32]. Sự khác biệt này xuất phát từ thực tế là các hệ thống MVC có cùng mức tiêu thụ năng lượng cụ thể (năng lượng/đơn vị nước được sản xuất) bất kể số lượng giai đoạn, trong khi thêm các giai đoạn bổ sung làm tăng năng suất của hệ thống TVC. Tuy nhiên TVC thường không áp dụng ở quy mô công nghiệp vì tỷ lệ hiệu suất nhiệt tương đối thấp [33]. Công suất của các nhà máy VCD bị hạn chế do thiếu máy nén hơi lớn. 15
32. Đặc điểm chung của các phương pháp chưng cất kiểu MSF, MED, VC là hoạt động ở áp suất thấp nên cần trang bị bơm hút chân không cũng như các bình chưng cất phải được chế tạo kín khít. Do vậy làm cho giá thành thiết bị cao, chi phí vận hành bảo trì lớn nên phù hợp với các nhà máy chưng cất nước có quy mô công nghiệp. e) Chưng cất kiểu hóa ẩm - ngưng tụ (Humidification – Dehumidification - HDH) Tương tự như MSF và MED, HDH làm bay hơi nước theo phương pháp nhiệt. Nhưng HDH khác với MSF và MED ở chỗ nước bay hơi không được xử lý dưới dạng hơi tinh khiết, mà được sử dụng để làm ẩm một dòng khí (thường là không khí). Quá trình làm ẩm thường được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ thấp và áp suất khí quyển, nên HDH có thể sử dụng các nguồn nhiệt với nhiệt độ thấp để làm ẩm không khí. HDH bao gồm một thiết bị bay hơi nơi không khí được làm ẩm và một thiết bị ngưng tụ nơi thu hồi nước chưng cất. Các hệ thống HDH rất nhỏ gọn gồm 2 chu trình, đó là chu trình nước hở/không khí kín và chu trình nước kín/không khí hở. Hình 1.14 thể hiện sơ đồ nguyên lý của cả hai loại hệ thống HDH. Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chưng cất kiểu HDH [34] a) Chu trình nước hở/không khí kín, với:1- Nước biển ra; 2- Nước biển vào giàn phun; 3- Giàn bay hơi; 4- Thiết bị gia nhiệt; 5- Giàn ngưng tụ; 6- Nước biển vào; 7- Nước ngọt b) Chu trình nước kín/không khí hở, với: 1-Giàn bay hơi; 2- Thiết bị gia nhiệt; 3- Giàn ngưng tụ; 4- Dòng nước biển; 5- Nước ngọt; 6- Không khí ra; 7- Không khí vào. HDH đã và đang được nghiên cứu ở nhiều quốc gia và hiệu suất của nó đã được cải thiện trong những năm qua. Hiệu suất của hệ thống HDH kết hợp với năng lượng mặt trời được thí điểm ở Fuerteventura, quần đảo Canary, và được đo lường, phân tích chi tiết từ năm 1992 bởi ZAE Bayern, sản lượng trung bình hàng ngày là 11,8 (lít/m2 ngày) nước ngọt. Trong hệ thống HDH nhu cầu năng lượng nhiệt cần thiết để hoạt động thường từ 140÷180 kWh/m3 nước chưng cất. Nghiên cứu mới nhất trong phòng thí nghiệm cho thấy có thể hạ thấp nhu cầu năng lượng nhiệt xuống còn 70÷90 kWh/m3[34]. 16
33. Tác giả E.H. Amer và các công sự [35] đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm hệ thống khử muối HDH, trong nghiên cứu sử dụng 3 vật liệu khác nhau với hệ số truyền nhiệt và truyền khối được xác định bằng phương pháp thực nghiệm, kết quả nghiên cứu cho thấy năng suất hệ thống cao hơn khi sử dụng vật liệu đệm trong thiết bị hóa ẩm là gỗ và không khí tuần hoàn cưỡng bức, lưu lượng nước ngọt tối đa đạt được là 5,8 kg/h với lượng nước biển phun là 168 kg/h. Nghiên cứu của tác giả Huifang Kang và các công sự [36] đã xây dựng hệ thống HDH khử muối 3 giai đoạn, kết quả nghiên cứu cho thấy lượng nước ngọt chưng cất được là 91,1 kg/h khi lượng nước biển phun là 2000 kg/h. Hassan ES Fath và Ahmad Ghazy [37] đã nghiên cứu tận dụng năng lượng mặt trời để khử muối theo phương pháp HDH, nghiên cứu đã chỉ ra rằng: năng lượng mặt trời, lưu lượng và nhiệt độ của không khí cũng như nước biển ảnh hưởng đến khả năng chưng cất của hệ thống. Võ Kiến Quốc và các cộng sự [38] đã nghiên cứu tính toán thiết kế hệ thống khử mặn theo phương pháp HDH, vật liệu được sử dụng làm lớp đệm trong thiết bị hóa ẩm là giấy Cooling Pad, kết quả nghiên cứu cho thấy nhiệt độ, lưu lượng nước biển phun và tỷ lệ lưu lượng nước biển phun/không khí ảnh hưởng đến năng suất của hệ thống. Nguyễn Công Vinh và công sự [39] đã đi xây dựng chương trình tính toán cho hệ thống HDH Phương pháp HDH được thực hiện ở áp suất khí quyển do vậy có kết cấu đơn giản, linh hoạt về công suất, chi phí sản xuất thấp và có thể hoạt động với các vùng nước biển có chất lượng nước khác nhau. Ngoài ra việc vận hành, bảo trì đơn giản nên giảm chi phí trong quá trình khai thác sử dụng. 1.3.3.2. Khử muối theo phương pháp màng Khử muối theo phương pháp màng xuất hiện trong thương mại vào đầu những năm 1970, muộn hơn nhiều so với khử muối bằng nhiệt, nhưng tốc độ phát triển rất cao, nó chiếm một phần lớn trong thị trường khử muối của thế giới về tổng công suất và tổng số đơn vị. Khử muối theo phương pháp màng có 2 loại chính: phương pháp thẩm thấu ngược (Reverse Osmosis - RO) và phương pháp điện phân (Electrodialysis - ED), ngoài ra còn một số phương pháp khác (Forward Osmosis – FO [40, 41], MD [42]). a) Phương pháp thẩm thấu ngược (RO) Hình 1.15. Nguyên lý khử muối theo phương pháp thẩm thấu ngược RO [43] a) Thẩm thấu; b) Cân bằng; c) Thẩm thấu ngược Một nhà máy khử muối RO về cơ bản bao gồm bốn hệ thống chính: 17
34. - Hệ thống tiền xử lý. - Bơm cao áp. - Hệ thống màng. - Hậu xử lý. Tiền xử lý rất quan trọng trong RO vì bề mặt màng phải sạch. Do đó, tất cả các chất rắn lơ lửng trước tiên phải được loại bỏ và nước được xử lý trước để sự kết tủa muối hoặc sự phát triển của vi sinh vật không xảy ra trên màng. Bơm cao áp phải cung cấp áp suất cần thiết để cho phép nước đi qua màng và loại bỏ muối. Áp suất dao động từ khoảng 10 bar đối với nước hơi lợ; 55÷69 bar đối với nước biển. Hệ thống màng bao gồm một bình áp lực và 1 màng bán thấm cho phép nước cấp đi qua nó. Vật liệu màng có thể được làm từ cellulose acetate [44, 45] hoặc các polyme composite khác. Khi một phần nước đi qua màng, lượng nước cấp còn lại sẽ tăng hàm lượng muối. Một phần nước cấp được thải ra mà không đi qua màng. Nếu không có sự thải này, nước cấp có áp suất sẽ tiếp tục tăng hàm lượng muối, gây ra siêu bão hòa muối. Lượng nước cấp được thải ra dưới dạng cô đặc, dao động từ khoảng 20% đối với nước lợ đến khoảng 50% đối với nước biển. Hậu xử lý bao gồm ổn định nước và chuẩn bị phân phối, điều chỉnh pH và khử trùng. Công nghệ màng thẩm thấu ngược thường yêu cầu làm việc ở áp suất cao nên nó không được áp dụng cho các giải pháp tập trung. Bởi vì tất cả các màng RO và thiết bị dễ bị tắc nghẽn, quy trình RO thường không thể được áp dụng mà không cần tiền xử lý. Nguồn nước cung cấp phải tương thích với màng và các vật liệu được sử dụng trong thiết bị. Nếu nguồn nước có chứa các hợp chất không tương thích, chúng phải được loại bỏ trong tiền xử lý hoặc phải xem xét một thiết bị hoặc màng tương thích khác. Do vậy công nghệ RO khi áp dụng trên các tàu đánh bắt thủy hải sản có vùng hoạt động rộng, có nước biển đầu vào đa dạng sẽ dễ làm tắc nghẽn màng và hệ thống nên phải thường xuyên thay thế màng RO cũng như bảo dưỡng vệ sinh cho máy. Ngoài ra năng lượng điện cho bơm cao áp cao làm tăng chi phí trong quá trình vận hành khai thác. b) Điện phân (Electrodialysis - ED) Điện phân (Electrodialysis - ED) đã được sử dụng trong nhiều năm, bao gồm một quá trình điện hóa để tách các ion qua màng tích điện từ dung dịch này sang dung dịch khác dưới tác động của chênh lệch điện thế. Quá trình này đã được sử dụng rộng rãi để sản xuất nước uống và xử lý nước từ nước lợ và nước biển, xử lý nước thải công nghiệp, thu hồi các vật liệu hữu ích từ nước thải và sản xuất muối [46]. Hình 1.16 thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động khử muối theo phương pháp điện phân, ED. ED hoạt động dựa trên các nguyên tắc chung sau: - Hầu hết các muối hòa tan trong nước là các ion, tích điện dương (cation) hoặc tích điện âm (anion). - Vì các cực giống nhau đẩy nhau và không giống như các cực thu hút, các ion di chuyển về phía các điện cực có điện tích trái dấu. - Các màng phù hợp có thể được xây dựng để cho phép sự chọn lọc của các 18
35. anion hoặc cation. Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý hoạt động khử muối theo phương pháp điện phân, ED [46] 1- Nước biển ra; 2- Cực âm; 3-Màng lọc; 4- Nước biển vào; 5- Kênh; 6- Cực dương; 7- Nước ngọt Trong dung dịch muối, các ion hòa tan như natri (+) và clorua (-) di chuyển đến các điện cực đối diện đi qua các màng được chọn hoặc cho phép các cation hoặc anion đi qua (không phải cả hai). Màng thường được sắp xếp theo mô hình xen kẽ, với màng chọn lọc anion, tiếp theo là màng chọn lọc cation. Trong quá trình này, hàm lượng muối của kênh nước bị pha loãng, trong khi các dung dịch đậm đặc được hình thành tại các điện cực. Các dung dịch đậm đặc và pha loãng được tạo ra trong các khoảng trống giữa các màng xen kẽ và các không gian này bị ràng buộc bởi hai màng được gọi là các tế bào. ED bao gồm vài trăm tế bào liên kết với nhau bằng các điện cực và được gọi là một ngăn xếp. Nước cấp đi qua tất cả các tế bào đồng thời để cung cấp một dòng nước khử muối liên tục và một dòng cô đặc (nước muối). Một trong những vấn đề cấp bách nhất là sự phát triển của các màng trao đổi ion có độ thấm cao hơn, điện trở thấp hơn và ổn định hóa học và nhiệt tốt hơn với chi phí thấp hơn. ED chỉ có khả năng loại bỏ các thành phần ion khỏi dung dịch, không giống như RO hoặc chưng cất. 1.4. Các nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel trên tàu biển 1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới Đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới về tận dụng nhiệt nước làm mát, khí thải của động cơ diesel tàu biển để tăng hiệu suất sử dụng năng lượng nhiệt của động cơ như: chạy máy phát điện kiểu tuabin, phát điện trực tiếp (TEG), gia nhiệt cho nồi hơi, hoặc chưng cất nước ngọt từ nước biển 1.4.1.1. Tận dụng nhiệt thải của động cơ chính trên tàu biển để sinh công có ích Hãng MAN Diesel & Turbo đã đưa ra hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt khí thải của động cơ tàu biển để chạy máy phát điện, đây là giải pháp sử dụng năng 19
36. lượng khí thải động cơ để làm bay hơi nước từ đó chạy tua bin hơi và làm quay máy phát điện, sơ đồ như thể hiện trên Hình 1.17. Hệ thống này được lắp trên tàu có công suất động cơ chính 69.720 kW. Kết quả cho thấy có thể tạo ra lượng điện năng có công suất lên tới 11% công suất có ích của động cơ chính (tương đương 5,7% năng lượng nhiệt của động cơ) [47]. Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động cơ để chạy máy phát điện trên tàu biển [47] 1,4- Turbo; 2- Thiết bị tận dụng nhiệt khí thải; 3- Máy phát điện; 5- Hộp số Hình 1.18. Hiệu suất nhiệt của động cơ khi không và có hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để chạy máy phát điện trên tàu biển hãng MAN [47] 1.4.1.2. Tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển 20
37. Hình 1.19. Thiết bị tạo nước ngọt của hãng Sasakura [48] 1- Buồng bay hơi; 2- Nước làm mát động cơ; 3- Buồng bay hơi; 4- Nước biển ra;5- Buồng bay hơi; 6- Bơm chân không; 7- Bơm nước biển; 8- Bơm nước ngọt Hình 1.20. Hệ thống chưng cất nước ngọt kiểu Atlas [49] 1- Động cơ diesel máy chính; 2- Van điều tiết nhiệt độ; 3- Sinh hàn nước ngọt máy chính; 4- Sinh hàn dầu nhờn máy chính; 5- Sinh hàn gió tăng áp máy chính; 6- Bầu ngưng tụ; 7- Bơm hút chân không; 8- Bơm cấp nước biển; 9- Bơm hút nước muối; 10- Bầu bay hơi; 11- Bơm nước cất; 12-Muối kế; 13-Van điện từ; 14- Lưu lượng kế; 15-Bơm nước biển làm mát máy chính; 16- Bơm nước ngọt làm mát máy chính Trên các tàu đi biển thường trang bị hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát để làm bay hơi nước ở áp suất thấp. Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát để tạo nước ngọt được thể hiện trên Hình 1.19 hay Hình 1.20, trong đó nước biển được hệ thống bơm đưa nước vào khoang ngưng tụ. Sau khi nhận nhiệt trong khoang ngưng tụ, nước biển chia làm hai đường: một đường thì được thải ra 21
38. ngoài, còn một đường thì đưa vào bộ trao đổi nhiệt để nhận nhiệt từ nước làm mát sau đó hóa thành hơi nước. Nước làm mát động cơ có nhiệt độ cao được đi vào bộ trao đổi nhiệt tận dụng nhiệt của nước làm mát động cơ để gia nhiệt cho nước biển và làm cho nước trong khoang bay hơi. Hơi nước sẽ được đưa vào khoang ngưng tụ truyền nhiệt cho nước biển trong giàn ngưng và ngưng tụ tạo thành nước ngọt. Với phương pháp này hãng Sasakura – Nhật Bản hay hãng Atlas đã đưa ra các sản phẩm thương mại có công suất chưng cất nước ngọt từ 5 ÷ 100 m3/ngày được lắp cho các tàu biển có công suất lớn [48, 49]. Vì trong hệ thống này tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát nên nhiệt độ gia nhiệt cho nước biển trước khi vào buồng bay hơi thấp nên ta cần tốn công bơm tạo áp suất chân không. Hình 1.21. Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt thải động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển [50] 1- ĐCĐT; 2- Nước biển vào bình ngưng tụ; 3- Nước ngọt ra; 4- Bình ngưng; 5- Thùng chứa nước nóng; 6- Khí thải ra; 7- Nước biển nóng; 8- Hơi nước; 9- Vỏ; 10- Giàn ống; 11- Khí thải vào K.S.Maheswari và các cộng sự [50] nghiên cứu hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển được thể hiện trên Hình 1.21. Hệ thống bao gồm: Thiết bị bay hơi, bình ngưng tụ, bể chứa nước nóng và các ống dẫn. Nhiệt khí thải của động cơ sẽ được đưa đến thiết bị bay hơi, trong thiết bị bay hơi này khí thải sẽ di chuyển bên trong ống được thiết kế ziczac nhằm tăng quá trình trao đổi nhiệt. Nước biển cấp cho bình ngưng tụ nhận thêm nhiệt từ hơi nước ngưng tụ và được bơm về bể chứa nước nóng. Tại bình ngưng tụ, hơi nước sau khi truyền nhiệt cho nước biển trong giàn ngưng sẽ ngưng tụ tạo thành nước ngọt. Kandil và Hussein cũng đã nghiên cứu xây dựng sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng năng lượng nhiệt khí thải và nước làm mát trên các tàu chở khách (Hình 1.22) [51]. Trong hệ thống này sử dụng phương pháp MSF để chưng cất nước ngọt từ nước biển và được chia thành 2 phần: phần II tận dụng nhiệt nước làm mát để gia nhiệt cho nước biển cấp vào, phần I nước biển sẽ tận dụng một phần năng lượng nhiệt khí thải chủ yếu từ quá trình ngưng tụ hơi của chu trình ORC (thường trên các tàu sử dụng năng lượng nhiệt khí thải để chạy máy phát điện). Ưu 22
39. điểm của hệ thống này là tận dụng cả 2 nguồn năng lượng thừa của ĐCĐT (nước làm mát và khí thải) từ đó làm tăng công suất khử mặn nước biển trên tàu cũng như giảm một lượng lớn thành phần phát thải của tàu (CO2 và SO2). Hình 1.22. Sơ đồ chưng cất nước ngọt tận dụng nhiệt thừa của ĐCĐT trên tàu khách [51] 1- Hơi nước gia nhiệt cho nước biển; 2- Thiết bị tận dụng nhiệt khí thải; 3- Khí thải; 4- ĐCĐT; 5- Két nước làm mát; 6- Giàn ngưng tụ; 7- Nước biển vào két làm mát; 8- Nước ngọt; 9- Nước biển ra 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước Cùng xu hướng phát triển của thế giới cũng như giải quyết những nhu cầu thực tế hiện nay về tái sử dụng năng lượng của khí thải và nước làm mát của động cơ đốt trong. Ở nước ta trong những năm gần đây đã có một số tác giả nghiên cứu để tận dụng nhiệt khí thải, nước làm mát của động cơ diesel tàu biển vào một số ứng dụng, cụ thể như: Nghiên cứu của tác giả Lê Viết Lượng và các cộng sự đã thiết kế và chế tạo nồi hơi tận dụng nhiệt khí thải động cơ diesel tàu thủy kiểu moduyn lắp trên tàu thủy [52, 53]. Nồi hồi đã được lắp thử nghiệm trên tàu có tải trọng 3600 tấn với động cơ chính có công suất 1800 mã lực. Kết quả thực nghiệm cho thấy với nồi hơi tận dụng nhiệt khí thải kiểu moduyn thì nhiệt độ khí thải có thể giảm hơn 500C so với các nồi hơi khí thải khác và có thể tạo ra được trung bình 210 kg/h hơi nước khi động cơ làm việc tại chế độ 90% công suất có ích. Tuy nhiên nghiên cứu chưa đánh giá tuổi thọ của nồi hơi khi khai thác lâu dài trên tàu. Tác giả Nguyễn Công Đoàn cũng có nghiên cứu tận dụng nhiệt năng khí thải động cơ diesel tàu thủy để chuyển hóa thành điện năng [54], tuy nhiên công trình này mới chỉ đưa ra phương pháp thiết kế và tính toán các thông số hình học và năng lượng của thiết bị phát nhiệt điện nói chung. Nghiên cứu của tác giả Diệp Trung Hiếu, Nguyễn Văn Tuyên [55] đã tính toán thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để sấy mực. Thiết bị được lắp thực nghiệm trên tàu cá BTh 96371 TS có công suất động cơ là 120 mã lực. Kết quả chạy thực nghiệm cho thấy có thể tận dụng được nhiệt lượng khí thải là 10,72 kW, nghiên cứu cũng đánh giá độ ổn định của tàu khi lắp hệ thống tận dụng nhiệt. Tuy nhiên nghiên cứu cũng chưa đánh giá cụ thể ảnh hưởng của thiết bị tận dụng nhiệt đến tính tăng 23
40. kinh tế - kỹ thuật của động cơ. Trần Đình Cảnh và các cộng sự [56] cũng nghiên cứu thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để sấy mực, tuy nhiên nghiên cứu chỉ đưa ra các bước tính toán, thiết kế giàn sấy mực. Tác giả Lê Gia Phương [57] đã nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt khí thải động cơ phục vụ sinh hoạt của ngư dân trên tàu khai thác thủy sản (Hình 1.23). Nghiên cứu này mới chỉ đưa ra tính toán lý thuyết các thiết bị trong hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nước phục vụ sinh hoạt trên tàu mà chưa tiến hành thực nghiệm. Hình 1.23. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ gia nhiệt cho nước ngọt [57] 1- Động cơ đốt trong; 2- Khí thải; 3- Van cầu; 4- Bình gia nhiệt; 5- Bể chứa nước nóng; 6- Đường cấp nước bổ sung; 7- Đường hồi về bình gia nhiệt; 8- Khí thải ra Hình 1.24. Nhiệt lượng khí thải cần để hâm nóng nhiên liệu CO100 khi động cơ làm việc theo đường đặc tính ngoài [58] Tác giả Hoàng Anh Tuấn [58] đã nghiên cứu tận dụng nhiệt khí thải để hâm nóng nhiên liệu sinh học dùng trên động cơ thủy. Trong nghiên cứu này đối tượng thử 24
41. nghiệm là động cơ D243 (diesel 4 kỳ, 4 xylanh, buồng cháy thống nhất, dung tích xylanh 4,75 lít, công suất định mức 58,8 kW). Kết quả chạy thực nghiệm cho thấy nhiệt lượng khí thải tận dụng được là 5,62 kW khi động cơ làm việc tại 100% tải và tốc độ 2000 (v/ph) như thể hiện trên Hình 1.24. Có thể thấy các nghiên cứu trong nước mới chỉ tận dụng năng lượng nhiệt khí thải để sinh công có ích, còn ít các nghiên cứu về tận dụng nhiệt nước làm mát cũng như chưa có công trình nào nghiên cứu kết hợp tận dụng năng lượng nhiệt khí thải và nước làm mát của động cơ diesel tàu thủy (Waste Heat Recovery System - WHRS) để chưng cất nước ngọt từ nước biển. 1.5. Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án Qua các nghiên cứu tổng quan về các giải pháp tận dụng nhiệt để nâng cao hiệu suất của động cơ đốt trong cũng như các nghiên cứu về chưng cất nước ngọt từ nước biển, NCS nhận thấy để giải quyết nhu cầu nước ngọt và nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng nhiệt của động cơ trên các tàu biển có công suất vừa và nhỏ cần có giải pháp tận dụng đồng thời nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển. Ngoài ra, do tính linh hoạt và chi phí sản xuất thấp, dễ dàng vận hành nên NCS chọn phương pháp chưng cất kiểu HDH cho hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển. Nội dung nghiên cứu của luận án: - Nghiên cứu tổng quan về hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong và các giải pháp công nghệ tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ để sinh công có ích. - Nghiên cứu tổng quan các phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển. - Nghiên cứu đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước ngọt từ nước biển sử dụng phương pháp chưng cất kiểu HDH. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính toán thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải và thiết bị hóa ẩm và ngưng tụ cho hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển. - Nghiên cứu mô phỏng động cơ để xác định phân bố nhiệt lượng của nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong. - Nghiên cứu mô phỏng thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và thiết bị thu hồi nhiệt khí thải trên phần mềm chuyên dụng để tối ưu hóa các kết cấu của các thiết bị. - Thực nghiệm với hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải lắp trên động cơ thử nghiệm trong phòng thí nghiệm để đánh giá khả năng tận dụng nhiệt và hiệu quả của hệ thống chưng cất cũng như đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ khi có hệ thống chưng cất. 1.6. Kết luận chương 1 Qua các công trình nghiên cứu về hiệu suất nhiệt của ĐCĐT cho thấy, nhiệt lượng mất mát cho nước làm mát và khí thải động cơ là rất lớn (khoảng hơn 50%), 25
42. nguồn nhiệt lượng lớn này có thể tận dụng để sinh công có ích. Hiện nay nhiều giải pháp công nghệ tận dụng nguồn nhiệt nước làm mát và khí thải đã được nghiên cứu và ứng dụng, như: Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén; sử dụng chu trình ORC; động cơ nhiệt điện; gia nhiệt cho nồi hơi; chưng cất nước ngọt từ nước biển Hiện nay trên các tàu biển cỡ lớn đã và đang có các hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nguồn nhiệt nước làm mát của động cơ chính, tuy nhiên hệ thống còn rất hạn chế khi sử dụng trên các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ có công suất nhỏ và trung bình. Phương pháp chưng cất HDH có nhiều ưu điểm như: dễ chế tạo, linh hoạt về công suất, chi phí sản xuất, khai thác thấp và có thể hoạt động với vùng nước biển đầu vào có chất lượng nước khác nhau. Do vậy trong luận án này NCS áp dụng phương pháp HDH vào hệ thống tận dụng nguồn nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước ngọt từ nước biển. 26
43. 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. 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ thống 2.1.1. Nghiên cứu xây dựng cấu hình hệ thống Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt khí thải và nước làm mát của động cơ đốt trong 1- ĐCĐT; 2- Bơm nước biển; 3- Nước làm mát; 4- Két thu hồi nhiệt nước làm mát; 5- Nước ngọt; 6- Bình ngưng tụ; 7- Không khí bão hòa ẩm; 8- Bình hóa ẩm; 9- Nước biển ra; 10- Nước biển vào bình hóa ẩm; 11- Két thu hồi nhiệt khí thải; 12- Khí thải Hệ thống gồm 3 bộ phận chính: một két thu hồi nhiệt nước làm mát (Cooling Heat Recovery - CHR) của ĐCĐT được lắp song song với két làm mát nguyên bản để thu hồi nhiệt nước làm mát nhưng vẫn đảm bảo cho động cơ làm việc bình thường khi hệ thống chưng cất không hoạt động; một két thu hồi nhiệt khí thải (Exhaust Heat Recovery - EHR), két này được lắp song song với đường thải ĐCĐT nhưng không gây ảnh hưởng đến quá trình thải của ĐCĐT; một thiết bị hóa ẩm và ngưng tụ để thực hiện quá trình hóa ẩm không khí với nước biển và ngưng tụ thành 27
44. nước ngọt như được thể hiện trong Hình 2.1. 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. - Tính toán két thu hồi nhiệt nước làm mát và két thu hồi nhiệt khí thải. Dựa trên cơ sở kết cấu ban đầu, NCS sử dụng phần mềm mô phỏng Ansys Fluent để tính toán đưa ra kết cấu hợp lý cho các thiết bị thu hồi nhiệt của hệ thống. - 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. 28
45. Hình 2.3. Lưu đồ thuật toán các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR 29
46. Các bước tính toán thiết bị thu hồi nhiệt gồm: Bước 1: Xác định nhiệt lượng mà ĐCĐT truyền cho nước làm mát và khí thải, cũng như nhiệt độ và lưu lượng, các thông số này được xác định từ quá trình mô phỏng động cơ trên phần mềm AVL-Boost. Bước 2: Từ nhiệt lượng, nhiệt độ và lưu lượng của nước làm mát, khí thải NCS đi xây dựng, tính toán và thiết kế két thu hồi nhiệt nước làm mát (CHR) và két thu hồi nhiệt khí thải (EHR). Lưu ý rằng trong quá trình tính toán và thiết kế thiết bị sao cho nó đạt hiệu suất thu hồi nhiệt là cao nhất, ngoài ra thiết bị còn bị giới hạn về không gian bố trí. Do đó ta cần tính toán thiết kế sao cho thiết bị nhỏ gọn và hiệu suất cao. Bước 3: Sau khi đã ra được kích thước cơ bản của CHR và EHR, ta tiến hành xây dựng và chạy mô phỏng trên phần mềm Ansys Fluent (Xây dựng mô hình 3D, chia lưới mô hình 3D, lựa chọn mô hình tính toán, giải các phương trình bảo toàn như khối lượng, mô men, năng lượng và mô hình rối). Bước 4: Chạy thí nghiệm để so sánh với kết quả mô phỏng trong Ansys Fluent như: Nhiệt độ, vận tốc của môi chất, nhiệt lượng mà nước biển nhận được. Tuy nhiên cũng cần chú ý rằng không phải kết quả mô phỏng nào cũng có thể cho ra kết quả đúng với kết quả thí nghiệm, các kết quả được cho là phù hợp nếu mức độ sai lệch nằm trong giới hạn cho phép so với kết quả thí nghiệm. Bước 5: Sau khi đã đảm bảo được độ tin cậy cần thiết của mô hình, NCS sử dụng mô hình này để tính toán, mô phỏng ở các chế độ làm việc khác nhau của động cơ. 2.2. Cơ sở tính toán xác định nhiệt lượng nước làm mát và khí thải của ĐCĐT trong phần mềm AVL-Boost 2.2.1. Giới thiệu phần mềm AVL – Boost Phần mềm AVL-Boost bắt đầu được phát triển từ năm 1992 [59], qua một giai đoạn phát triển từ đó đến nay, phần mềm này đã và đang ngày càng được phát triển hơn nữa. Gói phần mềm AVL-Boost bao gồm một bộ tiền xử lý tương tác sẽ hỗ trợ với bộ xử lý dữ liệu đầu vào cho các chương trình tính toán chính. Quá trình phân tích kết quả sẽ được hỗ trợ bởi một bộ hậu vi xử lý tương tác. Mô hình tính toán của động cơ được thiết kế bằng cách lựa chọn các phần tử cần thiết từ cây thư mục đã hiển thị bằng cách kích đúp chuột và kết nối chúng bằng các phần tử đường ống. Theo cách này ngay cả những động cơ kết cấu rất phức tạp cũng có thể được mô hình hóa một cách đơn giản. Chương trình chính cung cấp các thuật toán mô phỏng được tối ưu hóa cho tất cả các phần tử. Dòng chảy trong ống được coi như là dòng một chiều. Theo đó các áp suất, nhiệt độ và vận tốc dòng chảy thu được từ các phương trình khí động học biểu diễn giá trị trung bình qua mặt cắt của đường ống. Tổn thất dòng chảy do hiệu ứng ba chiều, tại các vị trí cụ thể trong động cơ, được xét đến bởi hệ số cản thích hợp. Ứng dụng của phần mềm AVL-Boost: - Xác định đặc tính mômen, tiêu hao nhiên liệu. - Thiết kế đường nạp, thải. - Tối ưu hóa thời điểm đóng mở xupáp. 30
47. - 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. - Luân hồi khí thải. - Độ thích ứng của cụm tăng áp. 2.2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost Trong ĐCĐT quá trình cháy là quá trình biến đổi hoá năng thành nhiệt năng. Việc xác định trạng thái của môi chất tại từng thời điểm trong chu trình cần phải biết cụ thể các phản ứng trung gian biến đổi từ hỗn hợp ban đầu thành sản phẩm cháy cuối cùng, tuy nhiên đây là vấn đề rất khó và phức tạp. Việc sử dụng định luật nhiệt động học thứ nhất có thể giúp xác định được mối tương quan giữa trạng thái đầu và cuối mà không cần phải biết diễn biến các giai đoạn trung gian. Việc tính toán quá trình cháy trong ĐCĐT theo định luật nhiệt động học thứ nhất được thể hiện như phương trình (2.1): d(.) m udV dQ dQ dm c = −ph +F −w − BB (2.1) d c d d  d BB d d(.) m u dV Trong đó: c là biến đổi nội năng trong xylanh (J/độ); −p là công chu d c d dQ dQ trình thực hiện (J/độ); F là nhiệt lượng cấp vào (J/độ); w là tổn thất nhiệt d  d dm dm qua vách (J/độ); h . BB là tổn thất enthalpy do lọt khí (J/độ); BB là biến thiên BB d d khối lượng lọt khí (kg/độ); là góc quay trục khuỷu (độ); hBB là trị số enthalpy riêng của khí lọt khí (J/kg); mc là khối lượng môi chất trong xylanh (kg); u là nội 3 năng (J/kg); pc là áp suất trong xylanh (bar); V là thể tích xylanh (m ); QF là nhiệt lượng của nhiên liệu cung cấp (J); Qw là nhiệt lượng tổn thất cho thành vách buồng cháy (J). Quá trình biến đổi khối lượng trong xylanh mc được xác định theo định luật bảo toàn khối lượng như thể hiện trong phương trình (2.2). dm dm dmdm dm c= i − e −BB + ev (2.2) d  d d d dt dm dm Trong đó i lưu lượng khối lượng đi vào xylanh (kg/độ); e lưu lượng  d  d dm khối lượng đi ra xylanh (kg/độ); ev lượng nhiên liệu bay hơi (kg/độ). dt • Mô hình truyền nhiệt Năng lượng truyền cho hệ thống làm mát được xác định thông qua quá trình truyền nhiệt từ trong buồng cháy qua nắp xylanh, pittông, và lót xylanh theo phương trình truyền nhiệt qua vách. QATTwi=− i w() c wi (2.3) 2 Với Qwi là nhiệt lượng truyền cho thành (J), Ai là diện tích truyền nhiệt (m ), αw là 2 hệ số truyền nhiệt (W/m .K), Tc là nhiệt độ môi chất trong xylanh (K), Twi là nhiệt 31
48. độ thành vách (K). Có nhiều mô hình xác định hệ số truyền nhiệt như Woshni 1978, Woshni 1990, Hihenberg, Lorenz, Trong đó mô hình Woschni 1978 phù hợp với động cơ diesel buồng cháy thống nhất, trong mô hình này hệ số truyền nhiệt αw được xác định theo công thức (2.4). 0,8 0,8−− 0,2 0,53 pp− kc w=+130 p D T C 1 cmh C 2 V T 1 (2.4) pV11 • Mô hình cháy Với động cơ D243 (động cơ cháy do nén), mô hình cháy phù hợp là mô hình AVL MCC. Trong mô hình này, tốc độ tỏa nhiệt là hàm số của lượng nhiên liệu (f1) và năng lượng động học rối (f2), như thể hiện trong phương trình (2.5). dQ MCC = C.,.(,) f( m Q) f k V (2.5) d Comb12 F MCC QMCC QMCC Trong đó: f1 ( mF, Q MCC) =− m F ; f2 (k,V) =− exp( Crate) m F ; CCom là LVC LVC hằng số đặc trưng cho quá trình cháy (kJ/kg/deg CA), Crate là hệ số hòa trộn (s), k là 2 2 năng lượng động học rối (m /s ), mF là lượng nhiên liệu hóa hơi (kg), LVC là nhiệt trị thấp của nhiên liệu (kJ/kg), QMCC là lượng nhiệt tích lũy (kJ) và V là dung tích xylanh (m3). • Nhiệt khí thải 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: d( mcyl . u) dV dQ dm = −ph. − W − out (2.6) d cyl d d  d out dV dQ Trong đó: p . là công thải (J/độ), w là tổng lượng nhiệt trao đổi với cyl d  d thành vách (J/độ), hout là enthalpy của khí ra khỏi xylanh (J), dmout là lưu lượng khối lượng đi ra khỏi xylanh (kg). Qw là tổn thất nhiệt qua xupap thải thông qua mô hình truyền nhiệt qua vách, trong AVL-Boost mô hình Zapf được sử dụng để tính toán cho quá trình này với hệ số truyền nhiệt được xác định theo công thức: h 2 0,44 0,5− 1,5 v p = C4 + C 5 T u − C 6 T u. T u . m . d vi . 1 − 0,797 (2.7) dvi 2 Với: αp là hệ số trao đổi nhiệt tại cửa thải (W/m .K), Td là thiệt độ sau cửa thải (K), Tu là nhiệt độ trước cửa thải (K), TW là nhiệt độ thành cửa thải (K), AW là diện 2 tích tiết diện lưu thông (m ), m là lưu lượng khối lượng (kg), hv là độ nâng xupap (m), dvi là đường kính trong của đế xupap (m). Nhiệt khí thải được xác định theo công thức: 32
49. dQ dm exh=− out CTT() (2.8) dd p exh 0 Trong đó: 22 Cp= a + bT exh + cT exh + d T exh (2.9) 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. - Giá thành hợp lý. 2.3.1. Két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR Trong két thu hồi nhiệt nước làm mát xảy ra quá trình truyền nhiệt giữa nước làm mát và nước biển, thông thường thiết bị trao đổi nhiệt giữa chất lỏng với chất lỏng có dạng tấm (Hình 2.4) hoặc ống vỏ (bên trong là chùm ống trao đổi nhiệt, Hình 2.5) [60]. Hình 2.4 . Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm Đối với thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm có những ưu điểm sau: hệ số truyền nhiệt 33
50. cao, tổn thất áp suất thấp, thiết bị nhỏ gọn. Tuy nhiên nhược điểm của nó là: khó gia công chế tạo, yêu cầu độ kín khín cao, phải thường xuyên làm sạch bề mặt do cặn bẩn của môi chất. Còn đối với thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ thì dễ dàng gia công chế tạo, chi phí sản xuất thấp, lắp đặt, vận hành đơn giản. Hình 2.5. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ Một số nghiên cứu về thiết bị trao đổi nhiệt dạng vỏ như: Stephenraj. V và M. K. Sathishkumar [61] đã nghiên cứu thiết kế bộ trao đổi nhiệt dạng ống vỏ như thể hiện trên Hình 2.6, kết quả cho thấy cách thiết kế bố trí chùm ống cũng như các cánh hướng dòng ảnh hưởng đến quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị. Hình 2.6. Kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ [67] J. Rameshnaidu và các cộng sự [62] đã nghiên cứu ảnh hưởng của cánh hướng dòng dạng xoắn ốc đến hiệu suất trao đổi nhiệt của thiết bị; trong các nghiên cứu [63, 64] đã đánh giá ảnh hưởng của khoảng cách giữa các cánh hướng dòng, kết cấu và số cánh hướng dòng cũng như đường kính vỏ ống ảnh hưởng đến khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị bằng mô phỏng CFD (Hình 2.7). 34
51. Hình 2.7. Ảnh hưởng của khoảng các cánh hưởng dòng đến quá trình chuyển động của môi chất [69] Từ các ưu điểm của két trao đổi nhiệt dạng ống vỏ, do đó trong luận án NCS sử dụng két thu hồi nhiệt nước làm mát dạng ống vỏ. Hình 2.8. Sắp xếp ống theo kiểu hình lục giác đều và kiểu đường tròn đồng tâm [63] a) Két trao đổi nhiệt dạng ống vỏ có sắp xếp chùm ống kiểu lục giác đều b) Két trao đổi nhiệt dạng ống vỏ có sắp xếp chùm ống kiểu đường tròn đồng tâm Trong thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ thường có 2 kiểu sắp xếp chùm ống trao đổi nhiệt cơ bản là: kiểu lục giác đều (Hình 2.8a) và kiểu đường tròn đồng tâm (Hình 2.8b). Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của CHR 35
52. Hình 2.9 thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động của CHR: Khi hệ thống thống làm việc, nước làm mát sau khi nhận nhiệt từ động cơ sẽ đi vào phía bên trong chùm ống trao đổi nhiệt, còn nước biển đi bên ngoài chùm ống và 2 dòng môi chất chuyển động ngược chiều nhau. Quá trình truyền nhiệt từ nước làm mát động cơ (trong chùm ống) qua nước biển bao bên ngoài chùm ống trong CHR tương tự như quá trình truyền nhiệt qua ống trụ trơn một lớp. Để tính toán quá trình trao đổi nhiệt có một số giả thiết như sau: - Trường nhiệt độ là trường một chiều. - Chất lỏng là chất lỏng Newton và không nén được. - Dòng chất lỏng là dòng 1 chiều. - Không có nguồn nhiệt bên trong thành ống. - Vật liệu chế tạo ống là đồng chất, đẳng hướng. Giả sử có một vách trụ một lớp đường kính trong là d1, đường kính ngoài là d2, hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm vách là λ, bề mặt phía bên trong ống tiếp xúc với nước làm mát có nhiệt độ tf1, hệ số trao đổi nhiệt từ nước làm mát đến bề mặt vách là α1. Bề mặt phía bên ngoài ống tiếp xúc với nước biển có nhiệt độ tf2, hệ số trao nhiệt từ bề mặt vách đến nước biển là α2. Do tf1 > tf2, dòng nhiệt sẽ hướng từ trong ra ngoài (Hình 2.10). Gọi tw1, tw2 là nhiệt độ bề mặt tiếp xúc với nước làm mát và nước biển. Hình 2.10. Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp Theo [65, 66] mật độ dòng nhiệt truyền qua 1 vách trụ được tính như sau: q= a1 p d 1( t f1 - t w2 ) (tt- ) q = w1 w2 1 d (2.10) ln 2 2dpl 1 q= a2 p d 2( t w2 - t f 2 ) Do đó: 36
53. ïì 1 ï t-= t q ï f1 w1 apd ï 11 ï 1 d íï t-= t q ln 2 (2.11) ï w1 w2 2dpl ï 1 ï 1 ï t-= t q ï w1 f 2 îï ap22d Cộng hai vế lại được: æö1 1d 1 t- t = qç + ln 2 + ÷ f1 f 2 ç ÷ (2.12) èøça1 pd 1 2 pl d 1 a 2 p d 2 1 2 q=-( tf1 t f 2 ) ( W / m ) 1 1d 1 ++ln 2 (2.13) a1 pd 1 2 pl d 1 a 2 p d 2 Phương trình 2.13 là phương trình mật độ dòng nhiệt truyền qua một vách trụ và hệ số truyền nhiệt của ống trụ một lớp, k là: 1 k = (W/m2.K) 1 1d 1 ++ln 2 (2.14) a1 pd 1 2 pl d 1 a 2 p d 2 Nếu tỷ số d2/d1 < 2 ta có công thức thu gọn hệ số truyền nhiệt như sau: 1 k = (W/m2.K) 11d ++ (2.15) a12 l a 2 Với α1 và α2 là các hệ số trao đổi nhiệt của chất lỏng (W/m .K);  là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống (W/m.K); d1 và d2 là đường kính trong và ngoài của ống (m); δ là độ dày thành ống (m). Để xác định các hệ số trao đổi nhiệt ta sử dụng các tiêu chuẩn đồng dạng sau [65]: d Nu =  wd Re =  (2.16) g d3 t Gr =  2  Pr = a • Xác định hệ số trao nhiệt của nước làm mát (α1) và nước biển (α2) Quá trình trao đổi nhiệt trong két thu hồi nhiệt nước làm mát là quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức nên hệ số Nusselt (Nu) được xác định như sau: + Nếu chất lỏng chuyển động tầng trong ống (Ref < 2300): 37
54. 0,25 Pr Nu = 0,15Re0,33 Pr 0,43 Gr 0,1 .f 1 . f1 f 1 f 1 f 1 l R (2.17) Prw1 + Nếu chất lỏng chuyển động rối trong ống (Ref > 2300): 0,25 Pr Nu = 0,021Re0,8 Pr 0,43 .f 1 . f1 f 1 f 1 l R (2.18) Prw1 + Nếu chất lỏng chuyển động ngang qua ống: - Chất lỏng chuyển động ngang qua 1 ống 3 Khi Ref = 5 ÷ 10 thì Nuf1: 0,25 Pr Nu = 0,5Re0,5 Pr 0,38 .f 1 . f1 f 1 f 1 l R (2.19) Prw1 3 5 Khi Ref = 10 ÷ 2.10 thì Nuf1: 0,25 Pr Nu = 0,25Re0,6 Pr 0,38 .f 1 . f1 f 1 f 1 l R (2.20) Prw1 - Chất lỏng chuyển động ngang qua chùm ống 3 5 Khi Ref = 10 ÷ 10 Đối với chùm ống song song: 0,25 Pr Nu = 0,26Re0,65 Pr 0,35 .f 1 . f1 f 1 f 1 l R (2.21) Prw1 Đối với chùm ống so le: 0,25 Pr Nu = 0,41Re0,6 Pr 0,33 .f 1 . f1 f 1 f 1 l R (2.22) Prw1 0,25 Pr Trong công thức trên: 1 f là hệ số hiệu chỉnh tính đến chiều của dòng nhiệt, Pr1w g d3 t tt'"+ Gr = 11;  = T-1, đối với chất khí: T =+273( K ), đối với chất lỏng ta f 1  2 2 tra bảng, Prf1 = 1/a1. Mà: Nu = α.d/λ (vớ i λ là h ệ s ố d ẫ n nhi ệ t c ủ a ch ấ t l ỏ ng , W/m.K). V ậ y h ệ s ố trao đổi nhiệt α được tính theo công thức sau: Nu. = (W/.mK2 ) (2.23) d • Xác định độ chênh lệch nhiệt độ trung bình, Δttb 38
55. Hình 2.11. Sự biến thiên nhiệt độ của nước làm mát và nước biển trong CHR Trong két thu hồi nhiệt nước làm mát CHR, do nước biển chuyển động song song ngược chiều với nước làm mát (Hình 2.11) nên độ chênh lệch nhiệt độ trung bình được tính như sau [60]: tt − =t 21 (oC) tb t ln 2 (2.24) t 1 o o Với: Δt2 = t’nlm– t”nb ( C); Δt1 = t”nlm – t’nb ( C). • Tính chiều dài của chùm ống trao đổi nhiệt trong CHR, L Theo [65], diện tích trao đổi nhiệt trong CHR được tính theo công thức sau: Q=D kF ttb Q (2.25) F= (m2 ) ktD tb Mà: F = nπdtbL Vậy chiều dài của chùm ống trao đổi nhiệt trong CHR là: Q L = (m) (2.26) npD dtb k t tb Trong đó: n là số ống trao đổi nhiệt trong két nước làm mát; dtb là đường kính trung bình của ống: dtb = 0,5(d1+d2) (m). 2.3.2. Két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Trong két thu hồi nhiệt khí thải xảy ra quá trình truyền nhiệt giữa khí thải và nước biển, mà thông thường hệ số trao đổi nhiệt của chất khí nói chung và khí thải nói riêng thường nhỏ, để tăng cường nhiệt lượng khí thải truyền cho nước biển có các biện pháp sau [60, 65, 66]: • Tăng độ chênh lệch nhiệt độ Δt. • Tăng hệ số trao đổi nhiệt . • Tăng diện tích trao đổi nhiệt F. Tuy nhiên biện pháp thường được sử dụng là tăng diện tích trao đổi nhiệt độ F, để tăng được diện tích trao đổi nhiệt thường làm cánh trên các bề mặt trao đổi nhiệt. 39
56. Thông thường, cánh được chế tạo ở phía tiếp xúc với chất khí vì hệ trao đổi nhiệt của chất khí thường nhỏ hơn chất lỏng, trong một số trường hợp cũng có thể làm cánh về cả 2 phía (chất khí và chất lỏng). Hình 2.4 thể hiện một số hình dạng và kết cấu các loại cánh dùng trong thiết bị trao đổi nhiệt. Hình 2.12. Kết cấu các loại cánh trao đổi nhiệt [60] Hình 2.13. Thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có cánh [67] Có nhiều tác giả đã nghiên cứu thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có cánh như: Seokhwan Lee và cộng sự [67] đã nghiên cứu thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí thải kiểu có cánh trên động cơ xăng (Hình 2.13), kết quả cho thấy số cánh cũng như độ dày cánh có ảnh hưởng đến hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải; M. Hatami và các cộng sự [68] đã nghiên cứu mô phỏng thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có cánh bằng phần mềm Ansys Fluent; Rajesh Ravi và các cộng sự [69] đã nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm đánh giá hiệu quả tận dụng nhiệt khí thải có thiết bị tận dụng nhiệt có cánh, kết quả cho thấy khả năng trao đổi nhiệt tỷ lệ thuận với số lượng và chiều cao của cánh, hiệu suất lớn nhất của thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có thể đạt 39,6% Từ các phân tích kết cấu trao đổi nhiệt trên, trong luận án này đối với ống thu hồi 40
57. nhiệt khí thải, NCS chọn phương án thiết kế ống có cánh (dọc theo ống) ở phía trong tiếp xúc với khí thải để làm tăng diện tích truyền nhiệt từ khí thải qua thành ống. Hình 2.14. Mặt cắt ngang của EHR Hình 2.14 thể hiện sơ đồ nguyên lý hoạt động của EHR: Dòng khí thải đi bên trong két và trao đổi nhiệt với thành vách phía bên trong két, nhiệt lượng phía thành vách bên trong két nhận được từ khí thải được truyền ra thành vách phía bên ngoài két, sau đó nhiệt lượng này được trao đổi với dòng nước biển đi bên ngoài két và đi ngược chiều với khí thải. Két có kết cấu kiểu ống lồng, ống phía bên ngoài là ống trụ trơn có kích thước D1/D2, ống phía bên trong cũng là ống trụ có kích thước d1/d2 nhưng ở mặt trong có các cánh với chiều cao a và chiều dày b. Quá trình trao đổi nhiệt ở thiết bị thu hồi nhiệt khí thải chính là quá trình truyền nhiệt từ khí thải bên trong ống có cánh sang nước biển bao bên ngoài, ở đây chính là quá trình truyền nhiệt qua vách trụ có cánh. Một số giả thiết được sử dụng trong quá trình tính toán trao đổi nhiệt trong EHR: • Trường nhiệt độ là trường một chiều. • Chất lỏng là chất lỏng Newton và không nén được. • Dòng chất lỏng là dòng 1 chiều. • Không có nguồn nhiệt bên trong thành ống. • Vật liệu chế tạo ống, cánh là đồng chất, đẳng hướng. Hình 2.15. Vách có cánh 41
58. Giả sử có 1 vách có cánh (Hình 2.15), vật liệu làm vách có hệ số dẫn nhiệt λ, chiều dày của vách δ, phía vách có cánh có diện tích F1 tiếp xúc với khí thải có nhiệt độ tf1, hệ số trao đổi nhiệt từ khí thải đến bề mặt vách có cánh là α1, phía vách phẳng có diện tích là F2, tiếp xúc với nước biển có nhiệt độ tf2, hệ số trao nhiệt từ bề mặt vách phẳng đến nước biển là α2. Gọi tw1 là nhiệt độ bề mặt phía vách làm cánh và tw2 là nhiệt độ bề mặt phía không làm cánh. Theo [65], phương trình truyền qua vách có cánh được xác định như sau: Q=− 1 F 1() tf 1 t w1 dn Q=− F1() t w1 t w2 (2.27)  Q=− F() t t 2 2 w2f 2 1 Q =. t − t 11 ( ff12) ++ (2.28) 1FFF 1  1 2 2 Theo [65] hệ số truyền nhiệt của vách có cánh k (W/m2.K) được xác định theo công thức sau: 1 k = (W/m2.K) 1  F ++ 1 (2.29) 1  2F 2 Q = kF1 ttb (2.30) 2 Trong đó α1 là hệ số trao đổi nhiệt của khí thải (W/m .K); α2 là hệ số trao đổi nhiệt của nước biển (W/m2.K); δ là độ dày của thành ống (m);  là hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống (W/m.K); F1 và F2 là diện tích bề mặt có cánh và không có cánh (m2). Ngoài ra theo [60] tỷ số giữa F1/F2 (εc) được gọi là hệ số làm cánh và được xác định như sau: F12 c = (2.31) F21 Công thức (2.32) dùng để xác định kích thước diện tích bề mặt làm cánh lớn nhất trong két thu hồi nhiệt khí thải, EHR. Đối với 1 ống hình trụ có chiều dài L thì diện tích bề mặt làm cánh F1 được tính theo công thức sau: 2 F1 = [πd1 + 2na] L (m ) (2.32) Với d1 là đường kính trong của ống (m); n là số cánh; a là chiều cao của cánh (m). • Xác định hệ số trao nhiệt của khí thải, α1 Vì quá trình trao đổi nhiệt trong két thu hồi nhiệt khí thải là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức nên hệ số Nusselt của khí thải được tính như sau: 42
59. + Nếu chất khí chuyển động tầng trong ống (Re 2300): 0,8 Nu f1= 0,018Re f 1 1 R , trong đó fR11. =1 (2.34) Trong đó: Ref1 = wkt.lkt/kt; lkt là kích thước xác định của ống (m). Do két thu hồi nhiệt khí thải là ống trụ có cánh nên lkt được tính theo công thức sau: 2 4F 4[ d1 / 4− nba )] lkt == (m) (2.35) U d1 + 2 na Trong đó: d1 là đường kính trong ống (m); a là chiều cao của các cánh (m); b là độ dày của cánh (m); n là số cánh. Nếu bỏ qua tổn thất năng lượng dòng khí chuyển động trong ống, thì vận tốc dòng khí thải trong thiết bị được tính theo công thức: VGkt kt wkt == (m/s) (2.36) S kt .S Diện tích mặt cắt ngang của ống trao đổi nhiệt khí thải: .d 2 S=−1 n () a b m2 (2.37) 4 Mà: 1lkt Nu f 1 = (2.38) kt Vậy hệ số trao đổi nhiệt của khí thải là: Nu f1 kt 2 1 = (W/m .K) (2.39) lkt • Xác định hệ số trao đổi nhiệt của nước biển, α2 Nước biển chuyển động cưỡng bức trong EHR nên trị số Nusselt (Nu) của nước biển được tính toán tương tự theo các công thức 2.17 ÷ 2.22 : Mà: Nuf2 = α2dnb/λnb, với λnb là hệ số dẫn nhiệt của nước biển (W/m.K) Nu f2. nb 2 = 2 (W/m .K) (2.40) dnb • Xác định độ chênh lệch nhiệt độ trung bình, Δttb 43