Chương 1: Tổng quan diesel Nissan YD22. Một mô hình tính toán BPNĐ đơn giản với nguồn nóng là khí thải và nguồn lạnh là nước làm mát động cơ, từ đó nhóm xác định được tổng năng lượng có của khí thải, năng lượng lớn nhất thu được theo lý thuyết. Kết quả phân tích từ dòng năng lượng đi qua thiết bị nhiệt điện cho thấy: Khi xe chạy với chu trình NEDC có thể thu hồi được khoảng 50W điện nếu nhiệt độ nguồn mát bằng nhiệt độ của nước làm mát động cơ và khoảng 75W nếu nhiệt độ nguồn mát là 50°C. Từ kết quả của nghiên cứu trên, nhóm tác giả P.
Yanéz et al. [22] đã phát triển một bộ phát nhiệt điện theo với các kích thước bộ thu nhiệt được xây dựng dựa trên sự cân bằng giữa năng lượng thu được và tổn thất do áp suất sinh ra. Kết quả nhóm đã xác định được kích thước bộ phát nhiệt điện với 40 TBNĐ với 5 hàng và 8 cột. Đồng thời, kết cấu bên trong bộ thu nhiệt được xác định nhờ vào hệ số nhiệt lượng với tổn thất áp suất.
Mô hình bộ phát nhiệt điện của nhóm tác giả Yanez. [22] a) Mô hình 3D, b) Mô hình thí nghiệm Năm 2020, F. Albatati et al. [23] đã trình bày một nghiên cứu về BPNĐ sử dụng trên xe tải hạng nặng hoặc sơ-mi rơ-mooc.
Nghiên cứu tập trung vào phân tích tính toán quá trình truyền nhiệt trong BPNĐ và thí nghiệm kiểm chứng. Kết cấu của bộ thu nhiệt là kết cấu cánh và được tối ưu để nâng cao công suất thu được của BPNĐ. Nghiên cứu cũng xét đến ảnh hưởng của tải điện bên ngoài đến công suất phát của BPNĐ, đồng thời tìm ra mức tải điện phù hợp với BPNĐ được nghiên cứu. Trang 7 Chương 1: Tổng quan Hình 1.
Kết cấu BPNĐ của nhóm tác giả F.2 Lý do chọn đề tài Những nghiên cứu trước đã cho thấy sự phát triển của TBNĐ và ứng dụng của nó trong việc thu hồi nhiệt từ khí thải của động cơ ô tô, xe máy. Nhiều nghiên cứu gần đây hơn đã cho thấy sự hoàn thiện của BPNĐ ứng dụng trên các động cơ ô tô và xe máy gồm cả động cơ xăng và động cơ diesel. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào về việc ứng dụng TBNĐ cho động cơ tĩnh tải sử dụng trong nông nghiệp và công nghiệp. Trên ô tô, các động cơ sẽ vận hành với dải số vòng quay rất rộng với nhiều chế độ vận hành để đáp ứng điều kiện làm việc.
Mặt khác, động cơ diesel tĩnh tải được sử dụng cho các mục đích trong công nghiệp và nông nghiệp thì thường vận hành ở một chế độ ổn định, với công suất cao, lượng năng lượng của khí thải sẽ rất lớn và có tính ổn định cao. Ngoài ra, các nghiên cứu khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu nhiệt đã cho kết quả tốt. Tuy nhiên, chưa có sự khảo sát nào về sự ảnh hưởng đồng thời của các thông số như chiều cao cánh, số cánh và độ dày cánh của BThN đến đặc tính của BPNĐ, cái cần thiết cho việc thiết kế mới hoặc cải tiến một BPNĐ có công suất lớn với tổn thất áp suất nhỏ. Trên đây là những lý do tôi chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp nâng cao công suất của bộ phát nhiệt điện sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải”.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi đề tài 1.1 Đối tượng nghiên cứu Trong đề tài này, đối tượng nghiên cứu là bộ phát nhiệt điện sử dụng năng lượng Trang 8 Chương 1: Tổng quan từ khí thải động cơ tĩnh tải, được thể hiện trong Hình 3.4, bao gồm bộ thu nhiệt, thiết bị nhiệt điện, bộ tản nhiệt, được lắp đặt trên đường ống thải của động cơ.
Trong đó, tác giả nghiên cứu khảo sự ảnh hưởng của sự bố trí thiết bị nhiệt điện và kết cấu bộ thu nhiệt.2 Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu mô phỏng khảo sát ảnh hưởng của kết cấu thu nhiệt đến đặc tính của BPNĐ sử dụng khí thải động cơ diesel tĩnh tải 1 xy lanh. Phạm vi nghiên cứu được giới hạn như sau: - Sử dụng phương pháp Computational Fluid Dynamics để mô phỏng dòng chảy và quá trình trao đổi nhiệt giữa dòng khí thải và BPNĐ của trường hợp của kết cấu thu nhiệt. - Công suất của TBNĐ được xác định dựa trên dữ liệu về chênh lệch nhiệt độ có được từ mô phỏng và thông số kỹ thuật.4 Mục tiêu đề tài Khảo sát ảnh hưởng của kết cấu thu nhiệt gồm cách thức bố trí TBNĐ và kết cấu BThN, đến đặc tính của BPNĐ sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải. Từ đó lựa chọn kết cấu cho đặc tính tốt nhất.
Các vấn đề nghiên cứu cụ thể trong phạm vi đề tài bao gồm: - Khảo sát được ảnh hưởng của số lượng và cách thức bố trí của TBNĐ đến công suất phát của BPNĐ và tổn thất áp suất của khí thải. Xác định số lượng và cách thức bố trí TBNĐ phù hợp cho BPNĐ trên động cơ tĩnh tải Vikyno RV125. - Khảo sát được ảnh hưởng của các thông số kết cấu của BThN (chiều cao, số lượng và độ dày cánh) đến công suất phát của BPNĐ và tổn thất áp suất của khí thải. Xác định giá trị các thông số kết cấu BThN phù hợp cho BPNĐ trên động cơ tĩnh tải Vikyno RV125.
Trang 9 Chương 1: Tổng quan 1.1 Ý nghĩa khoa học Đề tài là kết quả của việc áp dụng các kiến thức về truyền nhiệt, nhiệt động lực học, cơ lưu chất, phương pháp số để mô phỏng lại quá trình trao đổi nhiệt trong bộ BPNĐ. Kết quả khảo sát của nghiên cứu được sử dụng để tìm ra các thông số tối ưu của kết cấu thu nhiệt, tạo ra công suất phát lớn với tổn thất áp suất nhỏ cho BPNĐ sử dụng khí thải động cơ tĩnh thải. Nghiên cứu mở ra một hướng phát triển cho các nghiên cứu tương tự về BPNĐ sử dụng khí thải động cơ đốt trong hoặc các nguồn nhiệt thải khác có tính chất tương tự. Từ đó, kết quả của đề tài đóng góp một phần cơ sở về nghiên cứu phát triển BPNĐ để ứng dụng trong việc thu hồi năng lượng từ khí thải động cơ đốt trong.2 Ý nghĩa thực tiễn Kết quả của nghiên cứu có thể được sử dụng làm tài liệu tham khảo để thiết kế và chế tạo ra BPNĐ sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải có kết cấu nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, giá thành thấp mà đạt được công suất cao với tổn thất áp suất nhỏ.
Nhờ vào đó, động cơ được ứng dụng BPNĐ hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn. Nhờ đó, động cơ giảm được tiêu hao nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm ra môi trường. Trang 10 Chương 2: Cơ sở lý thuyết CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hiệu ứng nhiệt điện và thiết bị nhiệt điện 2.1 Hiệu ứng See-beck [24] Hiệu ứng Seebeck là sự chuyển hóa chênh lệch nhiệt độ thành điện thế và được đặt theo tên nhà vật lý người Đức, Thomas Seebeck (1770-1831), phát hiện vào năm 1821. Ông phát hiện ra rằng kim la bàn sẽ bị lệch hướng khi đặt cạnh một mạch kín được tạo bởi hai kim loại nối với nhau, có sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai mối hàn.
Điều này là do các kim loại phản ứng khác nhau với sự chênh lệch nhiệt độ, tạo ra dòng điện và một điện trường. Tuy nhiên, ông không nhận ra sự có mặt của dòng điện. Điều khiếm khuyết này được nhà vật lý người Đan Mạch Hans Christian Orsted chỉ ra và đặt ra khái niệm “nhiệt điện”. Điện thế tạo ra bởi hiệu ứng này cỡ μV/K.
Mạch kín nói trên được gọi là cặp nhiệt điện Hình 2. Hiệu ứng Seebeck [3]. Hiệu điện thế của dòng điện sinh ra trong mạch được tính theo công thức sau: U s = S (Th − Tc ) = S T (2.1) Trong đó: S (V/K): Hệ số Seebeck. Th (oC): Nhiệt độ mặt nóng.
Tc (oC): Nhiệt độ mặt lạnh. T (oC): Chênh lệch nhiệt độ giữa mặt nóng và mặt lạnh.2 Thiết bị nhiệt điện [25] Cấu tạo và nguyên lí thiết bị nhiệt điện Trang 11 Chương 2: Cơ sở lý thuyết TBNĐ là thiết bị bán dẫn chuyển đổi nhiệt thành điện. Trong đề tài này học viên sử dụng TBNĐ để chuyển đổi nhiệt từ khói xả động cơ thành điện. Một TBNĐ hay có thể gọi là mô-đun TBNĐ có thể có một hoặc nhiều cặp nhiệt điện bán dẫn.
Trong đó, cặp nhiệt điện bán dẫn bao gồm phần tử bán dẫn loại P và loại N nằm song song với nhau, các chân của phần từ loại P và N được liên kết nối tiếp với nhau, xem Hình 2. Vật liệu của các phần tử bán dẫn thường là Bi-Te, Se-Te, … Liên kết giữa các chân của phần tử bán dẫn là vật liệu dẫn điện tốt, thường là đồng. Hai mặt của TBNĐ là đế lắp ghép các phần từ bán dẫn, do đó cần có sự cách điện tốt, thường được làm bằng sứ hoặc cacbon. Đầu ra của TBNĐ sẽ được liên kết với mạch điện có tải bên ngoài.
Đầu liên kết với chân của phần tử loại N, có hiệu điện thế cao hơn đầu liên kết với chân của phần tử loại P. Sơ đồ nguyên lí của một TBNĐ, có nhiều cặp phần tử bán dẫn.[25] Về nguyên lí vận hành, các cặp nhiệt điện bán dẫn hoạt động theo nguyên lý chung với các thiết bị nhiệt điện kim loại, sự khuếch tán các hạt mang điện - electron và lỗ trống - xảy ra khi có một sự chênh lệch nhiệt độ giữa 2 mặt của thiết bị. Các hạt mang điện bị khuếch tán từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp và tạo ra hiệu điện thế. Mô hình toán học của TBNĐ Sự chuyển đổi nhiệt điện trong TBNĐ sẽ tuân theo các hiệu ứng nhiệt điện đã Trang 12 Chương 2: Cơ sở lý thuyết kể trên và các định luật điện.
Xét một TBNĐ có số lượng cặp phần tử bán dẫn, n. Điện trở trong, Rs, và độ dẫn nhiệt, K, được xác định dựa vào số lượng cặp phần tử, hệ số Seebeck, chiều dài của phần tử bán dẫn. Sơ đồ mạch điện của TBNĐ có nối tải.2) Trong đó: ∆T - Chênh lệch nhiệt độ giữa hai mặt của TBNĐ, K Th - Nhiệt độ trên bề mặt nóng của TBNĐ, K Tc - Nhiệt độ trên bề mặt lạnh của TBNĐ, K S - Hệ số Seebeck, V/K Us - Suất điện động của TBNĐ, V Điện áp ngoài ở hai đầu của tải: U L = U s − IRs (2.3) Trong đó: UL - Điện áp mạch ngoài, V I - Cường độ dòng điện, A Rs - Điện trở trong của TBNĐ, Ω Cường độ dòng điện của mạch: Us S T I= = (2.
