Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG

Nội dung tài liệu: Xác định thành phần khí thải phát tán vào môi trường của động cơ ô tô sử dụng lưỡng nhiên liệu diesel – LPG

1. MỞ ĐẦU i. Lý do chọn đề tài 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. 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. Do vậy việc trang bị hệ thống tạo nước ngọt từ nước biển trên các tàu khai thác thủy hải sản để cung cấp đủ nước ngọt cho mỗi chuyến đi biển là rất cần thiết. Trong khi, hiện nay phần lớn các động cơ diesel máy chính trang bị trên các tàu khai thác thủy hải sản thuộc loại hiện đại có hiệu suất cao, có thể đạt trên 40%, mặc dù vậy năng lượng nhiệt của khí thải của động cơ diesel máy chính sau khi qua bộ tuabin máy nén vẫn còn khá lớn, 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 theo cách kết hợp linh hoạt năng lượng nhiệt của nước làm mát với nhiệt của khí thải của động cơ để tăng hiệu quả chưng cất nước ngọt từ nước biển, đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu khai thác thủy hải sản đã và đang đóng mới 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 khai thác hải sản 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 đánh bắt xa bờ của Việt Nam hiện nay. ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án 1
2. - Đưa ra quy trình giải pháp phối hợp tận dụng nguồn 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. 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. 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 và khí thải của động cơ cũng như 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 2
3. + 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 khí thải và nước làm mát 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 chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải động cơ diesel tàu thủy. Đã áp dụng thành công quy trình để tính toán thiết kế 01 mô hình hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải động cơ diesel tàu thủy theo phương pháp chưng cất 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 3
4. 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]. 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 1.2.2. Sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC) 1.2.3. Nhiệt điện (Thermoelectric Generation - TEG) 1.2.4. Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi 1.2.5. Nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ từ nhiệt nước làm mát 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 1.3.2. Tính chất hóa lý của nước biển Nước biển có độ mặn không đồng đều trên toàn thế giới mặc dù phần lớn có độ mặn nằm trong khoảng từ 3,1% tới 3,8%. 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 1020 ÷ 1.030 kg/m³. 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]. 1.3.3. Các giải pháp công nghệ tạo nước ngọt từ nước biển hiện nay Hình 1.10 thể hiện các công nghệ khử muối chính hiện nay đang được sử dụng trên thế giới [24] 4
5. Hình 1.10. Các công nghệ khử muối trên thế giới hiện nay [24] 1.3.3.1. Khử muối theo phương pháp nhiệt Phương pháp chưng cất đa tầng (Multi Stage Flash Distillation – MSF) Phương pháp chưng cất liên hoàn (Multiple Effect Distillation – MED) Khử mặn ở nhiệt độ thấp (Low Temperature Thermal Desalination - LTTD) Chưng cất kiểu nén hơi (Vapour Compression – VC) 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). Hình 1.15 thể hiện sơ đồ nguyên lý của cả hai loại hệ thống HDH. Hình 1.15. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chưng cất kiểu HDH [34] 1.3.3.2. Khử muối nước theo phương pháp màng 5
6. Phương pháp thẩm thấu ngược (RO) Điện phân (Electrodialysis - ED) 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 1.4.1.1. Tận dụng nhiệt thải của động cơ chính trên tàu biển để sinh công có ích 1.4.1.2. Tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển Hãng Sasakura đã thương mại hóa sản phẩm tận dụng nhiệt nước làm mát để chưng cất nước ngọt từ nước biển như thể hiện trên hình 1.21 Hình 1.19. Thiết bị tạo nước ngọt của hãng Sasakura [51] K.S.Maheswari và các cộng sự [51] nghiên cứ hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển được thể hiện trên Hình 1.22. Hình 1.21. Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt thải động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển [51] 6
7. Hình 1.22. Sơ đồ chưng cất nước ngọt tận dụng nhiệt thừa của ĐCĐT trên tàu chở khách [51] 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]. 1.4.2. Các nghiên cứu trong nước 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 [53, 54]. Tác giả Nguyễn Công Đoàn cũng có nghiên cứu tận dụng nhiệt năng khí xả động cơ diesel tàu thủy để chuyển hóa thành điện năng [55]. Nghiên cứu của tác giả Diệp Trung Hiếu, Nguyễn Văn Tuyên [56] đã tính toán thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để sấy mực. Kết quả chạy thực nghiệm cho thấy có thể tận dụng được nhiệt lượng khí thải là 10,72 kW. Nhóm tác giả Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn [53] đã nghiên cứu các giải pháp tận dụng nhiệt khí xả để hâm nhiên liệu diesel sinh học dùng trên động cơ thủy. 1.5. Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án Qua các nghiên cứu tổng quan, NCS nhận thấy để giải quyết nhu cầu nước ngọt và thời 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. 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 7
8. và các giải pháp tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ. - 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 tận dụng nhiệt nước làm mát, thiết bị tận dụng 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 nhiệt lượng của nước làm mát và khí thải của động cơ đốt trong. - Nghiên cứu mô phỏng thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát và thiết bị tận dụng nhiệt khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển trên phần mềm chuyên dụng. - 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 hiệu suất tận dụng nhiệt và hiệu quả của hệ thống chưng cất 1.6. Kết luận chương 1 Qua các công trình nghiên cứu về hiệu suất nhiệt của động cơ đốt trong cho thấy, nhiệt lượng động cơ mất mát cho nước làm mát và khí thải là rất lớn (khoảng hơn 50%), với nguồn năng lượng lớn này có thể tận dụng chúng để sinh công có ích. Để tăng hiệu suất sử dụng nhiệt của động cơ đã có nhiều giải pháp như: Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén; sử dụng chu trình ORC; nhiệt điện; gia nhiệt cho nồi hơi; chưng cất nước ngọt từ nước biển Trên các tàu biển cỡ lớn đã có các hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát của động cơ chính, tuy nhiên còn hạn chế với các tàu đánh bắt cá 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 chưng cất nước ngọt từ nước biển. 8
9. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế hệ thống Hình 2.2. Trình tự tính toán thiết kế hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển 2.2. Cơ sở tính toán xác định nhiệt lượng nước làm mát và khí thải của ĐCĐT trong phần mềm AVL-Boost Quá trình cháy trong ĐCĐT được tính toán theo định luật nhiệt động học thứ nhất: Phương trình nhiệt động thứ nhất d(.) m udV dQ dQ dm c ph F w BB (2.1) d c d d  d BB d Các mô hình được sử dụng trong AVL – Boost Mô hình truyền nhiệt Woschni 1978: Nhiệt lượng mất mát cho hệ thống làm mát được xác định như sau: QATTwi i w() c wi (2.3) 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 AVL MCC: dQ C.,.() f M Q f kV (2.5) d Comb12 F Mô hình Zapf 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 Nhiệt truyền cho khí thải được xác định theo công thức: 9
10. dQ dm exh out CTT() (2.8) dd p exh 0 2.3. Cơ sở tính toán thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải của ĐCĐT 2.3.1. Két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR Két thu hồi nhiệt nước làm mát được thiết kế theo kiểu ống lồng: phía bên ngoài là một ống trụ trơn có đường kính D1/D2, còn bên trong là một chùm ống trụ trơn có đường kính d1/d2 được sắp theo kiểu đa giác đều hoặc đường tròn đồng tâm. Quá trình trao đổi nhiệt của chùm ống trong két làm mát cũng được tính tương tự quá trình trao đổi nhiệt của một ống trụ trơn một lớp (Hình 2.10). Hình 2.10. Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp Mật độ dòng nhiệt truyền qua 1 vách trụ một lớp được tính như sau: 1 q tf1 t f 2 1 1d 1 (2.13) ln 2 1d 12 d 1 2 d 2 2.3.2. Két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Hình 2.14. Mặt cắt ngang của Hình 2.15. Vách có cánh EHR Trong két thu hồi nhiệt khí thải xảy ra quá trình truyền nhiệt giữa khí thải và nước biển, để tăng khả năng quá trình trao đổi nhiệt giữa 10
11. khí thải và nước biển thì EHR có kết cấu dạng cánh như thể hiện trên Hình 2.14 và Hình 2.15. Đối với EHR, phương trình truyền qua ống có cánh được xác định như sau: 1 Q . t t 11 ff12 (2.42) 1FFF 1  1 2 2 Q kF1 ttb 2.4. Cơ sở tính toán thiết kế bộ hóa ẩm - ngưng tụ (HDH) 2.4.1. Quá trình trao đổi nhiệt trong bình hóa ẩm Hình 2.19. Quá trình không khí tiếp xúc với nước biển [60] Quá trình truyền nhiệt giữa nước biển và không khí trong bình hóa ẩm được thực hiện bằng 2 cách: - Cách thứ nhất là truyền nhiệt bằng đối lưu do có độ chênh lệch nhiệt độ Δt giữa nhiệt nước biển tnb và nhiệt độ không khí tk; - Cách thứ hai là truyền nhiệt bằng chất, nghĩa là do nước biển bay hơi vào không khí. Lượng hơi nước bay hơi vào không khí ( Gbh) trong bình hóa ẩm được tính như sau: Gbh = Gkk.(d” – d’) (kg/s) (2.73) 2.4.2. Quá trình trình trao đổi nhiệt trong bình ngưng tụ Trong bình ngưng, không khí trao đổi nhiệt với nước biển có nhiệt độ thấp chảy bên trong ống, khi đó hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ. Hình 2.27 biểu diễn quá trình làm lạnh không khí: d2 > d1; t2 > t1; 2 = 1. 11
12. Hình 2.27. Đồ thị I-d quá trình làm lạnh không khí ẩm [38] 2.5. Cơ sở tính toán các thiết bị phụ của hệ thống 2.6. Cơ sở lý thuyết tính quá trình trao đổi nhiệt trong phần mềm Ansys Fluent 2.6.1. Định luật bảo toàn khối lượng Hình 2.27. Khối lượng đi vào và ra của 1 phần tử chất lỏng [73] Phương trình bảo toàn khối lượng được xác định như sau:   uv   w 0 (2.89) t  x  y  z Đối với chất lỏng không nén được ( = const), phương trình trở thành: uv  w div( u ) 0 hay 0 (2.91) x  y  z 2.6.2. Định luật bảo toàn động lượng Phương trình bảo toàn động lượng của một phần tử theo 3 phương xyz trong không gian có dạng như sau: du  p  xx  yx  zx SMx (2.92) dtx  y  z dv  p  yy xy zy SMy (2.93) dty  x  z 12
13. dw  p  zz  xz  yz SMz (2.94) dtz  x  y 2.6.3. Định luật bảo toàn năng lượng Phương trình bảo toàn năng lượng cho dòng chất lỏng là: (uyx )(u zx )  (v  xy )  (v  yy ) E y  z  x  y div() pu t (vzy )(w ) (w yz ) (w ) (2.95) xz zz z  x  y  z div k grad T SE 2.6.4. Mô hình mô phỏng Mô hình k-ε () k t div() kU div grad( k )  2 t Sij . S ij t  t (2.96) 2 ()  t  div()  U div grad( ) C2 C 1 2 t S ij . S ij t  t kk Mô hình truyền nhiệt Phương trình truyền nhiệt trong Ansys Fluent như sau: 2 qh = hc.(Tf – Ts) (W/m ) (2.97) 2.7. Kết luận chương 2 Trong chương này, NCS đã đưa ra cơ sở tính toán lý thuyết lượng nhiệt ĐCĐT truyền cho nước làm mát và khí thải dựa trên các phương trình trao đổi nhiệt và nhiệt động học của môi chất với môi trường ngoài trên cơ sở lượng nhiệt đầu vào có được từ phần mềm AVL Boost. Từ cơ sở về truyền nhiệt, tác giả đã xây dựng công thức xác định kích thước sơ bộ các thiết bị trao đổi nhiệt dựa trên các thông số đầu vào là nhiệt động cơ đốt trong truyền cho nước làm mát và khí thải của động cơ. Ngoài ra, kích thước bộ hóa ẩm và nhưng tụ hơi nước cũng được xác định dựa trên quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong bình hóa ẩm – ngưng tụ. Các thông số sơ bộ của các thiết bị tận dụng nhiệt là cơ sở để tính toán đưa ra thông số kích thước hợp lý dựa trên phần mềm Ansys - Fluent. 13
14. CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG CẤT Từ cơ sở lý thuyết tính toán quá trình trao đổi nhiệt, NCS tiến hành mô phỏng động cơ D243 nhằm xác định lượng nhiệt của động cơ truyền cho nước làm mát và khí thải thông qua phần mềm AVL- Boost và tính toán thiết kế các thiết bị chính của hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt thải của động cơ D243. 3.1. Xây dựng sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển 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 3.2. Xây dựng mô hình động cơ D243 trên phần mềm AVL- Boost 3.3. Tính toán, thiết kế các thiết bị trong hệ thống 3.3.1. Tính toán, thiết kế và mô phỏng két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR Hình 3.14. Kết cấu két thu hồi nhiệt nước làm mát Sau khi tính toán, CHR có thông số như sau: Vỏ ống có kích 14
15. thước D1/D2 = 162,7/168,3 mm; số ống trao đổi nhiệt là 46 ống có chiều dài L = 550 mm và có 3 phương án như thể hiện trong Hình 3.14. Kết quả mô phỏng CHR với 3 phương án được thể hiện trên Hình 3.15 và Hình 3.16 Hình 3.18. Nhiệt lượng thu hồi được từ nước làm mát động cơ Hình 3.19. Lưu lượng nước biển qua két thu hồi nhiệt CHR 3.3.2. Tính toán, thiết kế và mô phỏng két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Sau khi tính toán, EHR có kích thước như sau: D1/D2 = 162,7/168,3mm; d1/d2 = 136,5/141,3 mm và chiều dài là L1 = 580 (mm) với 3 phương án bố trí cánh như thể hiện trên Hình 3.20). Hình 3.22. Các phương án bố trí cánh trao đổi nhiệt trong EHR 15
16. Nhiệt lượng thu hồi từ khí thải QRe-EHR (kJ/s); độ giảm nhiệt độ khí thải (Δtkt) và lưu lượng nước biển qua két Gnb (l/ph) của 3 trường hợp EHR được thể hiện trên các Hình 3.26 và Hình 3.27. Kết quả cho thấy khi EHR bố trí theo kiểu 9 cánh dài và 9 cánh ngắn (EHR 3) thì đạt được kết quả là tốt nhất. 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 Hình 3.27. Lưu lượng nước biển qua EHR khi ĐCĐT làm việc tại tốc độ 2200 v/ph 3.3.3. Tính toán thiết kế bộ bình hóa ẩm – ngưng tụ, HDH Bảng 3.15. Kích thước của bộ hóa ẩm - ngưng tụ Kích thước: 710 x 1228 mm. Bình hóa ẩm Tấm Cooling Pad: 598 x 612 mm. Kích thước: 607 x 567x 997 mm. Bình ngưng Dàn ngưng tụ: tụ - Tổng số ống 580 ống: 29 x 20 ống/1 hàng. - Loại ống 12,7/14,7 mm; chiều dài ống 547 mm. 16
17. Dựa trên kết quả mô phỏng CHR và EHR bằng phần mềm Ansys Fluent, NCS đã xác định được lưu lượng nước biển qua CHR và EHR, từ đó tính toán kích thước bộ hóa ẩm – ngưng tụ khi động cơ chạy ở 100% tải và tốc độ 2200 v/ph và kích thước bộ hóa ẩm - ngưng tụ như thể hiện trong Bảng 3.16. 3.5. Kết luận chương 3 Từ các kết quả ở chương 3, NCS đưa ra một số kết luận như sau: Đã xây dựng thành công mô hình mô phỏng động cơ D243 trên phần mềm AVL-Boost có đủ độ tin cậy dùng để tính toán xác định lượng và tỷ lệ nhiệt lượng sinh công có ích, truyền cho nước làm mát, khí thải mang đi và tổn hao khác ở các chế độ làm việc của động cơ. Kết quả mô phỏng cho thấy qlm(%) tăng dần khi tốc độ giảm và đạt giá trị lớn nhất khoảng 30%; qth(%) có xu hướng giảm khi giảm tốc độ, chiếm khoảng 32,5%. Từ kết quả tính toán mô phỏng nhiệt lượng động cơ truyền cho nước làm mát và khí thải, NCS đã tính toán thiết kế và xây dựng được mô hình mô phỏng thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát (CHR), thiết bị tận dụng nhiệt khí thải (EHR) bằng phần mềm Ansys fluent. Kết quả mô phỏng cho thấy: việc sắp xếp các ống trao đổi nhiệt ảnh hưởng quá trình trao đổi nhiệt và hiệu suất thu hồi nhiệt nước làm mát cũng như kết cấu và bố trí cánh có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất thu hồi nhiệt khí thải động cơ. Trên cơ sở đó NCS tính chọn phương án kết cấu thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát (CHR) và thiết bị thu hồi nhiệt khí thải (EHR) để tiến hành nghiên cứu thực nghiệm. Đã tính toán thiết kế được thiết bị hóa ẩm – ngưng tụ cho động cơ D243 khi động cơ làm việc ở chế độ tải 100% và tốc độ 2200 v/ph cũng như tính được lượng nước ngọt chưng cất được của hệ thống. Kết quả cho thấy lưu lượng nước ngọt chưng cất được tỷ lệ thuận với tải và tốc độ động cơ nhưng tỷ lệ nghịch với Gnb/Gkk. 17
18. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm 4.2. Sơ đồ và trang thiết bị thực nghiệm Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 4.3. Quy trình thực nghiệm 4.4. Kết quả thực nghiệm 4.4.1. Ảnh hưởng của hệ thống chưng cất đến đặc tính làm việc của động cơ Kết quả cho thấy công suất của động cơ khi có hệ thống chưng cất giảm so với khi chưa lắp đặt hệ thống chưng cất, tuy nhiên mức độ giảm không nhiều, mức độ giảm lớn nhất là 4,3% tại chế độ 10% tải và 2200 v/ph. Hình 4.12. Ne và ge khi có và không có hệ thống chưng cất 4.4.2. Khả năng thu hồi nhiệt của két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR Kết quả mô phỏng (Si) và thực nghiệm (Ex) của CHR khi động 18
19. cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph được thể hiện trên Hình 4.14. 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. Kết quả thực nghiệm (Ex) của CHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 v/ph và 2200 v/ph được thể hiện trên Hình 4.15 và Hình 4.16. Hình 4.15. Nhiệt lượng thu hồi Hình 4.16. Lưu lượng nước biển được của CHR qua CHR 4.4.3. Khả năng thu hồi nhiệt của két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Kết quả mô phỏng (Si) và thực nghiệm (Ex) của EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph được thể hiện Hình 4.18 và Hình 4.19. Hình 4.18. Lưu lượng nước biển Hình 4.19. Nhiệt lượng và khả qua EHR, độ giảm nhiệt độ khí thải năng thu hồi được của khí thải Kết quả thực nghiệm (Ex) của EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 v/ph và 2000 v/ph được thể hiện Hình 4.21 và Hình 4.22. 19
20. Hình 4.21. Lưu lượng nước biển qua Hình 4.22. Nhiệt lượng và khả EHR, độ giảm nhiệt độ khí thải năng thu hồi được của khí thải 4.4.4. Lưu lượng nước ngọt chưng cất khi động cơ chạy ở tốc độ 1800 ÷ 2200 v/ph 4.4.4.1. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi chỉ sử dụng két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR Hình 4.23. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,0) Trên Hình 4.23 thể hiện kết quả lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR khi tỷ lệ Gnb/Gkk là 2,0. Kết quả cho thấy lượng nước ngọt chưng cất được tỷ lệ thuận với tải và tốc độ động cơ, tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk. Lưu lượng nước ngọt chưng cất lớn nhất 9,92 l/h khi Gnb/Gkk = 2,0 với động cơ làm việc tại chế độ 40% tải và tốc độ 2200 v/ph. 4.4.4.2. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi chỉ sử dụng két thu hồi nhiệt khí thải, EHR Trên Hình 4.24 thể hiện kết quả lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR khi tỷ lệ Gnb/Gkk là 2,0. Kết quả cho thấy lượng nước ngọt chưng cất được tỷ lệ thuận với tải và tốc độ động cơ, tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk. Lưu lượng nước ngọt chưng cất lớn nhất là 3,44 l/h khi Gnb/Gkk = 2,0 với động cơ làm việc tại chế độ 40% tải và tốc độ 2200 v/ph. 20
21. Hình 4.24. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,0) 4.4.4.3. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và EHR Hình 4.25 thể hiện lưu lượng nước ngọt chưng cất được của HDH trong khi sử dụng đồng thời cả CHR và EHR với Gnb/Gkk = 2,0. Kết quả cho thấy lưu lượng nước ngọt chưng cất được tỷ lệ thuận với tải và tốc độ động cơ nhưng tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được lớn nhất là 14,0 l/ph khi động cơ làm việc tại chế độ 40% tải và tốc độ 2200 v/ph. Hình 4.25. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và EHR (Gnb/Gkk = 2,0) Hình 4.261. 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 Hình 4.26 thể hiện kết quả so sánh lưu lượng nước ngọt chưng cất được giữa lý thuyết và thực nghiệm khi động cơ làm việc tại tốc độ 21
22. 2200 v/ph với tải thay đổi. Kết quả cho thấy lưu lượng nước ngọt tỷ lệ thuận với tải (cả lý thuyết và thực nghiệm) và có xu hướng tương đồng. Ngoài ra, kết quả cũng cho thấy sai số giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm trung bình trên toàn tải khoảng 16,78%. Sai lệch này có thể là do quá trình khuếch tán hơi nước vào dòng không khí trong tấm Cooling Pad của bình hóa ẩm, ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm và độ chứa hơi của không khí cũng như khả năng ngưng tụ hơi nước ở bình ngưng tụ (cách bố trị ống ngưng tụ, tốc độ lưu động của dòng không khí ) ngoài ra còn do tổn thất nhiệt tại các cụm chi tiết của hệ thống. Chất lượng nước chưng cất được Độ mặn của nước chưng cất được kiểm tra nhanh bằng khúc xạ kế, trong quá trình thực nghiệm kết quả nước chưng cất được có độ mặn luôn nhỏ hơn 0,55 ‰ tương đương hàm lượng clorua 300mg/l, trong giới hạn độ mặn của chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt theo quy chuẩn Việt Nam QCVN 02: 2009/BYT [80] Ngoài ra, sản phẩm nước chưng cất được cũng đã được xét nghiệm độ mặn bởi Viện Hàn Lâm Khoa Học và Công Nghệ Việt Nam, và cho kết quả hàm lượng clorua là 276,86 mg/l tương đương độ mặn 0,5 ‰ [81]. 4.5. Kết luận chương 4 Trên cơ sở các nội dung thực nghiệm hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ để cchưng cất nước ngọt từ nước biển có thể đưa ra một số kết luận sau: - Nhiệt lượng thu hồi được từ nước làm mát được và lưu lượng nước biển chảy qua két thu hồi nhiệt nước làm mát CHR tỷ lệ thuận với tải và tốc độ động cơ, và QRe-CHR đạt = 25,14 (kJ), Gnb = 9,13 (l/ph) khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và 40% tải. Đồng thời kết quả cũng cho thấy sai số giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm giảm khi tăng tải và sai lệch trung bình trên toàn tải là khoảng 6,02%. - Nhiệt lượng thu hồi từ khí xả, độ giảm nhiệt độ khí thải Δtkx và lưu lượng nước biển qua két thu hồi nhiệt khí thải EHR tỷ lệ thuận với tải và tốc độ động cơ, và QRe-EHR đạt = 8,91 (kJ/s), Δtkx = 112,2 0 ( C) và Gnb = 4,4 (l/ph) khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và 40% tải. Kết quả chạy thực nghiệm cũng cho thấy sai số trung bình giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm là khoảng 7,41%. - Lưu lượng nước ngọt chưng cất được tỷ lệ thuận với tải và tốc 22
23. độ động cơ nhưng tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk. Cụ thể khi chỉ sử dụng CHR thì Gnước ngọt = 9,92 l/ph, khi chỉ sử dụng EHR thì Gnước ngọt = 3,44 l/ph nhưng khi sử dụng đồng thời CHR và EHR thì Gnước ngọt = 14,05 l/ph với động cơ làm việc ở chế độ 40% tải và 2200 v/ph. Ngoài ra khi so sánh lưu lượng nước ngọt chưng cất được giữa tính toán lý thuyết và thực nghiệm thì sai số trung bình khoảng 16,78%. - Sau khi lắp hệ thống chưng cất với động cơ thì công suất động cơ giảm không nhiều ở các chế độ tải, mức giảm lớn nhất là 4,3% tại chế độ 10% tải. Còn suất tiêu hao nhiên liệu tăng không đáng kể ở các chế độ tải, mức tăng lớn nhất là 5,1% ở chế độ 10% tải. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận chung Luận án đã hoàn thành mục tiêu nghiên cứu và đã đưa ra được cơ sở khoa học, phương pháp tính toán thiết kế 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 sử dụng phương pháp chưng cất nước kiểu hóa ẩm – ngưng tụ (HDH). Luận án đã đạt được các kết quả cụ thể như sau: - Đưa ra quy trình hoàn chỉnh từ tính toán thiết kế tới chế tạo và thực nghiệm đánh giá hiểu quả 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. - Đã xây dựng thành công mô hình động cơ D243 trên phần mềm AVL-Boost để tính toán phân bố năng lượng nhiệt cho nước làm mát và khí thải ở các chế độ làm việc của động cơ, các kết quả này là cơ sở để tính toán thiết kế các thiết bị trong hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển. - Đã tính toán thiết kế thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải của động cơ D243 và bộ hóa ẩm - ngưng tụ của hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển theo phương pháp HDH. - Đã tính toán mô phỏng tối ưu kết cấu thiết bị thu hồi nhiệt của hệ thống bằng phần mềm Ansys Fluent, kết quả mô phỏng cũng đánh giá được ảnh hưởng của các chế độ làm việc của động cơ đến khả năng thu hồi nhiệt trên các thiết bị. - Đã gia công chế tạo, lắp đặt và kết nối hệ thống tận dụng nhiệt 23
24. nước làm mát và khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển với động cơ D243 để thực nghiệm trên băng thử. - Thực nghiệm đánh giá các tính năng kinh tế, kỹ thuật của hệ thống cũng như của động cơ khi lắp hệ thống chưng cất. Kết quả thực nghiệm cho thấy lưu lượng nước ngọt chưng cất được tỷ lệ thuận với tải và tốc độ động cơ, tuy nhiên tỷ lệ nghịch với tỷ lệ Gnb/Gkk (lưu lượng nước biển/lưu lượng không khí), lưu lượng nước ngọt đạt giá trị 14,05 l/h tại chế độ 40% tải và 2200 v/ph khi Gnb/Gkk = 2,0 tương ứng với công suất động cơ là 21,3 kW. Các kết quả cũng cho thấy sai lệch không nhiều giữa thực nghiệm với tính toán lý thuyết, và có xu hướng tương đồng, điều đó khẳng định tính đúng đắn của quy trình tính toán lý thuyết. - Luận án đã chỉ ra rằng việc tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển là một giải pháp hiệu quả không những giải quyết nhu cầu nước ngọt mà còn giảm chi phí năng lượng, góp phần tăng hiệu quả của mỗi chuyến đi biển của tàu khai thác thủy hải sản xa bờ. - Kết quả của luận án là cơ sở tham khảo hữu ích cho các nghiên cứu về thiết kế chế tạo thiết bị tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy để chưng cất nước ngọt từ nước biển. Hướng phát triển Phạm vi nghiên cứu của luận án mới chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm, nhằm đưa nghiên cứu này ứng dụng vào thực tiễn, cần thiết phải bổ sung các nghiên cứu sau: - Thiết kế, chế tạo bộ tự động điều khiển các chế độ làm việc của hệ thống như: + Tự động thay đổi tốc độ bơm nước và đóng mở các van để điều chỉnh lưu lượng nước biển ra – vào các thiết bị trong hệ thống, cũng như đóng mở các van trên đường thải của động cơ. + Tự động chỉnh tốc độ quạt để thay đổi lưu lượng không khí tuần hoàn trong hệ thống. - Chạy thực nghiệm đánh giá độ bền của hệ thống và chạy thực nghiệm hệ thống trên một tàu khai thác thủy hải sản xa bờ trong hành trình thực tế. 24