Nghiên cứu giải pháp nâng cao công suất bộ phát nhiệt điện sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật phân tích cơ khí động lực nghiên cứu giải pháp nâng cao công suất của bộ phát nhiệt điện sử dụng khí thải, đánh giá thực trạng, chỉ ra hạn chế, đề xuất

• Tác giả: Phạm Quang Minh
• Người hướng dẫn: TS. Hồng Đức Thông
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Giải Pháp Nâng Cao Công Suất Bộ Phát Nhiệt Điện Từ Khí Thải Động Cơ Tĩnh Tải
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC HÌNH
• DANH MỤC BẢNG
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các công trình nghiên cứu về ứng dụng thiết bị nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí thải trước đây
• 1.2. Lý do chọn đề tài
• 1.3. Đối tượng nghiên cứu và phạm vi đề tài
• 1.3.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.3.2. Phạm vi nghiên cứu
• 1.4. Mục tiêu đề tài
• 1.4.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.4.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Hiệu ứng nhiệt điện và thiết bị nhiệt điện
• 2.1.1. Hiệu ứng See-beck
• 2.1.2. Thiết bị nhiệt điện
• 2.2. Trao đổi nhiệt đối lưu
• 2.3. Mô hình tính toán mô phỏng CFD
• 2.4. Phương pháp Taguchi – đánh giá mức độ ảnh hưởng của thông số
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH BỘ PHÁT NHIỆT ĐIỆN
• 3.1. Động cơ thử nghiệm
• 3.1.1. Thông số kỹ thuật động cơ
• 3.1.2. Chế độ thử nghiệm
• 3.1.3. Tính toán thông số kỹ thuật của khí thải động cơ
• 3.2. Thiết bị nhiệt điện
• 3.3. Xây dựng mô hình bộ phát nhiệt điện
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁCH THỨC BỐ TRÍ CÁC THIẾT BỊ NHIỆT ĐIỆN
• 4.1. Cách thức bố trí các thiết bị nhiệt điện
• 4.2. Miền mô phỏng và lưới tính toán
• 4.3. Điều kiện biên
• 4.4. Phương pháp đánh giá
• 4.5. Kết quả và thảo luận
• 4.5.1. Ảnh hưởng của cách thức bố trí các TBNĐ đến công suất BPNĐ
• 4.5.2. Ảnh hưởng của cách thức bố trí đến tổn thất áp suất của BPNĐ
• 4.5.3. Lựa chọn cách thức bố trí các thiết bị nhiệt điện
• 5. CHƯƠNG 5: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU BỘ THU NHIỆT
• 5.1. Thông số kết cấu của bộ thu nhiệt
• 5.2. Miền mô phỏng và lưới tính toán
• 5.3. Điều kiện biên
• 5.4. Phương pháp đánh giá
• 5.5. Kết quả và thảo luận
• 5.5.1. Ảnh hưởng của chiều cao cánh hf
• 5.5.2. Ảnh hưởng của số lượng cánh nf
• 5.5.3. Ảnh hưởng của độ dày cánh tf
• 5.5.4. Tỉ lệ ảnh hưởng của các thông số
• 5.5.5. Lựa chọn các thông số
• 5.5.6. So sánh các kết quả
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hạn chế đề tài
• 6.3. Hướng phát triển
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Giới thiệu về bộ phát nhiệt điện từ khí thải động cơ tĩnh tải

Bộ phát nhiệt điện (BPNĐ) sử dụng khí thải động cơ tĩnh tải là một công nghệ tiên tiến nhằm tận dụng nguồn nhiệt thải từ động cơ, góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng. Công suất bộ phát điện là một yếu tố quan trọng quyết định khả năng sinh ra điện từ nhiệt thải. Việc nâng cao hiệu suất của BPNĐ không chỉ giúp tiết kiệm năng lượng mà còn giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Các nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng, khoảng 40% năng lượng từ quá trình cháy trong động cơ bị xả ra môi trường qua khí thải. Do đó, việc khai thác nguồn năng lượng này là rất cần thiết. BPNĐ sử dụng khí thải động cơ không chỉ giúp tiết kiệm nhiên liệu mà còn giảm thiểu lượng khí thải độc hại ra môi trường. Việc phát triển công nghệ này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn đóng góp vào sự phát triển bền vững.

II. Nâng cao hiệu suất bộ phát nhiệt điện

Để nâng cao hiệu suất của BPNĐ, cần chú trọng đến các yếu tố thiết kế và cấu trúc của bộ thu nhiệt. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, kết cấu thu nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo lượng nhiệt truyền từ khí thải đến BPNĐ. Các thông số như chiều cao cánh, số cánh và độ dày cánh của bộ thu nhiệt đều ảnh hưởng đến công suất phát và tổn thất áp suất. Việc tối ưu hóa các thông số này có thể giúp nâng cao hiệu suất lên đến 45.39% so với các thiết kế kém hiệu quả. Sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS Fluent giúp đánh giá chính xác ảnh hưởng của các yếu tố này đến công suất phát. Kết quả cho thấy, số cánh là thông số có ảnh hưởng lớn nhất đến công suất phát, trong khi tổn thất áp suất chủ yếu bị ảnh hưởng bởi chiều cao cánh.

III. Giải pháp công nghệ cho bộ phát nhiệt điện

Các giải pháp công nghệ cho BPNĐ bao gồm việc cải tiến vật liệu và công nghệ thiết kế. Sử dụng các vật liệu có khả năng dẫn nhiệt tốt hơn sẽ giúp tăng cường khả năng thu hồi nhiệt từ khí thải. Ngoài ra, việc nghiên cứu và phát triển các thiết kế mới cho bộ thu nhiệt cũng là một yếu tố quan trọng. Các giải pháp như tối ưu hóa cách bố trí các thiết bị nhiệt điện (TBNĐ) và cải thiện cấu trúc của bộ thu nhiệt đều có thể mang lại hiệu quả cao. Một thiết kế tối ưu với 3 hàng và 4 cột TBNĐ đã được xác định là trường hợp tối ưu nhất trong nghiên cứu này. Những giải pháp này không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn giảm thiểu ô nhiễm và tiết kiệm năng lượng.

IV. Thực tiễn và triển vọng của bộ phát nhiệt điện

Việc áp dụng BPNĐ trong thực tiễn đang ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt trong các lĩnh vực công nghiệp và giao thông vận tải. Năng lượng tái tạo từ khí thải động cơ không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn góp phần vào việc tiết kiệm nhiên liệu. Các nghiên cứu cho thấy, việc sử dụng BPNĐ có thể giảm tiêu hao nhiên liệu lên đến 8-9%. Hơn nữa, với sự phát triển của công nghệ vật liệu, trong tương lai, BPNĐ có thể trở thành một giải pháp hiệu quả cho việc thu hồi năng lượng từ khí thải. Những nỗ lực trong việc cải tiến công nghệ và thiết kế sẽ mở ra nhiều cơ hội mới cho BPNĐ, đồng thời thúc đẩy sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng hóa thạch tiếp tục giữ vị trí chủ chốt trong bức tranh năng lượng toàn cầu với tổng mức tiêu thụ sơ cấp năm 2018 đạt 13.864,9 triệu tấn dầu quy đổi (TOE), trong đó dầu mỏ chiếm 33,6% và khí thiên nhiên chiếm 23,9%. Tốc độ gia tăng tiêu thụ 2,9%/năm đặt ra bài toán cấp bách về việc nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng và khai thác các nguồn nhiệt dư thừa. Trong lĩnh vực nông nghiệp, công nghiệp và giao thông vận tải, động cơ đốt trong - đặc biệt là động cơ diesel - chỉ chuyển hóa được khoảng 35% nhiệt lượng từ nhiên liệu thành công công ích, trong khi có tới 40% năng lượng nhiệt bị thất thoát trực tiếp qua đường khí thải. Theo các khảo sát thực nghiệm chuyên ngành, khoảng 33,3% lượng nhiệt khí thải này hoàn toàn có thể thu hồi, tương ứng với tiềm năng cắt giảm 8% đến 9% suất tiêu hao nhiên liệu động cơ.

Nghiên cứu tập trung giải quyết rào cản về hiệu suất truyền nhiệt thấp và hiện tượng gia tăng áp suất cản đường xả của bộ phát nhiệt điện (BPNĐ) khi ứng dụng trên động cơ diesel tĩnh tải một xy lanh Vikyno RV125 (dung tích 624 cm3, công suất định mức 10,5 HP). Mục tiêu trọng tâm của đề tài là khảo sát quy luật tương tác nhiệt - thủy khí động lực học, từ đó xác định cấu hình bố trí không gian tối ưu cho các thiết bị nhiệt điện (TBNĐ) và các thông số hình học vi mô của bộ thu nhiệt cánh phẳng. Công trình được thực hiện trong giai đoạn từ tháng 2/2022 đến tháng 12/2022 tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa then chốt khi thiết lập giải pháp nâng cao công suất phát điện của hệ thống thêm 45,39% so với cấu hình thông thường, đồng thời kiểm soát tổn thất áp suất đường xả ở mức an toàn dưới 250 Pa, tạo tiền đề khoa học vững chắc để thương mại hóa các module phát điện tận dụng nhiệt thải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp của ba khối lý thuyết trụ cột: hiệu ứng nhiệt điện bán dẫn, lý thuyết truyền nhiệt đa phương thức và cơ lưu chất tính toán.

Cơ chế sinh điện trong module nhiệt điện TEHP1-1994-1 vận hành dựa trên hiệu ứng Seebeck. Khi duy trì độ chênh lệch nhiệt độ ΔT giữa mặt nóng (Th) và mặt lạnh (Tc), các hạt tải điện khuếch tán tạo ra suất điện động Us tỷ lệ thuận với hệ số Seebeck S theo công thức Us = S.ΔT. Công suất điện cực đại đạt được khi có sự phối hợp trở kháng tối ưu giữa điện trở trong Rs và điện trở tải ngoài RL. Khả năng biến đổi năng lượng của vật liệu bán dẫn Bi2Te3 được đặc trưng bởi hệ số phẩm chất nhiệt điện ZT, đòi hỏi tối đa hóa độ dẫn điện song song với việc hạn chế độ dẫn nhiệt nhằm duy trì gradient nhiệt ổn định.

Quá trình thu nhận năng lượng từ dòng khí xả được mô tả đồng thời qua định luật dẫn nhiệt Fourier trong vật rắn (với hệ số dẫn nhiệt của đế nhôm đạt 202,4 W/mK) và định luật trao đổi nhiệt đối lưu Newton giữa dòng khí cháy với bề mặt cánh thu nhiệt. Trường dòng chảy rối của khí xả qua các kênh dẫn được giải quyết thông qua hệ phương trình vi phân Navier-Stokes kết hợp mô hình rối hai phương trình Standard k-ε. Khung phân tích sử dụng 4 khái niệm cốt lõi: trở nhiệt tiếp xúc, hệ số trao đổi nhiệt đối lưu h, áp suất ngược đường thải và hệ số đánh đổi nhiệt - áp R.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào cho toàn bộ quá trình tính toán được trích xuất trực tiếp từ thực nghiệm đo đạc các thông số động cơ Vikyno RV125 theo chu trình thử 13 điểm của Nhật Bản. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 3 chế độ tải đại diện tại tốc độ vận hành định mức 1920 vòng/phút: chế độ 40% tải (công suất 3,6 kW, lưu lượng khí nạp 0,00774 kg/s, nhiệt độ khí xả 631 K), chế độ 60% tải (công suất 5,0 kW) và chế độ 80% tải (công suất 6,3 kW, lưu lượng khí nạp 0,00845 kg/s, nhiệt độ khí xả 743 K). Phương pháp chọn mẫu tập trung vào dải công suất cao nhất nhằm mô phỏng điều kiện phát thải nhiệt khắc nghiệt và ổn định nhất của động cơ tĩnh tải.

Nghiên cứu ứng dụng phương pháp thể tích hữu hạn 3D thông qua phần mềm ANSYS Fluent kết hợp quy hoạch thực nghiệm Taguchi với phân tích tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N). Lý do lựa chọn mô phỏng CFD kết hợp Taguchi là khả năng bao quát toàn diện trường vận tốc, áp suất và nhiệt độ cục bộ tại các vị trí không gian hẹp bên trong ống xả - nơi các cảm biến thực nghiệm vật lý khó tiếp cận chính xác, đồng thời giúp sàng lọc nhanh mức độ ảnh hưởng của từng thông số hình học mà không cần chế tạo hàng loạt mẫu thử tốn kém. Miền tính toán sử dụng lưới hỗn hợp Tetra/Hexa với mật độ lưới đạt mức độc lập 4 triệu phần tử, đảm bảo sai số nhiệt độ dưới 0,2% so với lưới 5 triệu phần tử. Tiêu chuẩn hội tụ phương trình năng lượng được thiết lập nghiêm ngặt ở mức 10^-6 và sai số cân bằng khối lượng dòng khí được duy trì dưới 10^-8 trong suốt thời gian nghiên cứu năm 2022.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình khảo sát không gian bố trí 16 cấu hình TBNĐ (từ ma trận 2x2 đến 5x5) và 27 tổ hợp hình học bộ thu nhiệt đã xác lập các quy luật vận hành định lượng rõ rệt:

Thứ nhất, việc sắp xếp vị trí các module phát điện ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc dòng khí và khả năng hấp thụ nhiệt. Cấu hình bố trí tối ưu được xác định là 3 hàng x 4 cột (tổng cộng 24 module TEG chia đều cho hai mặt đối xứng). Khi tăng số cột dọc theo chiều dài ống xả, mức gia tăng công suất có xu hướng bão hòa nhanh: cột thứ 5 chỉ đóng góp thêm 16% công suất so với cột đầu tiên, thấp hơn ngưỡng hiệu quả kinh tế kỹ thuật 20%.

Thứ hai, kích thước hình học của cánh thu nhiệt định hình hiệu suất sinh công tổng thể. Tổ hợp thông số tối ưu tuyệt đối đạt được tại giá trị chiều cao cánh hf = 40 mm, số lượng cánh nf = 28 cánh và độ dày cánh tf = 1,0 mm.

Thứ ba, công suất phát điện của toàn hệ thống đạt mức tăng trưởng 45,39% khi chuyển từ cấu hình kém nhất lên cấu hình tối ưu tại chế độ công suất động cơ 6,3 kW.

Thứ tư, phân tích phương sai Taguchi chỉ ra rằng số lượng cánh nf là thông số có tỷ lệ ảnh hưởng chi phối lớn nhất đến tổng công suất phát điện (vượt trên 60% mức độ tác động), trong khi tổn thất áp suất dòng khí chịu sự chi phối đồng thời từ số lượng cánh và chiều cao cánh. Dữ liệu nghiên cứu được lượng hóa trực quan qua bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt đế thu nhiệt và biểu đồ tương quan giữa tổn thất áp suất với bình phương vận tốc dòng chảy.

Thảo luận kết quả

Hiện tượng suy giảm công suất khi tăng số hàng TBNĐ từ 3 lên 5 hàng bắt nguồn từ việc mở rộng tiết diện mặt cắt ngang ống xả, khiến vận tốc cục bộ của dòng khí xả giảm mạnh, kéo theo sự sụt giảm của hệ số trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức h giữa khí xả và đế nhôm. Ngược lại, dọc theo chiều dài ống xả, nhiệt độ dòng khí giảm dần do đã truyền bớt nhiệt lượng cho các module phía trước, làm cho gradient nhiệt ΔT tại các cột phía sau suy giảm đáng kể.

Về mặt thủy khí động lực học, tổn thất áp suất có xu hướng giảm nhanh khi tăng chiều cao cánh hf từ 20 mm lên 40 mm nhờ diện tích lưu thông tự do của kênh dẫn tăng lên, nhưng sẽ tăng vọt nếu tiếp tục gia tăng số cánh nf vượt quá 28 hoặc độ dày cánh tf lên 2,0 mm do ma sát thành kênh và sự phát triển của lớp biên thủy động làm nghẽn dòng. Khi so sánh với các công trình quốc tế công bố trước đây của Xing Lu và các cộng sự (cải thiện 177,4% công suất khi chuyển từ vỏ rỗng sang cánh tản nhiệt) hay mô hình 40 module của Pacheco, kết quả nghiên cứu này đã chứng minh được tính ưu việt của việc tối ưu hóa đồng thời 3 thông số hình học cánh dựa trên hệ số đánh đổi R. Phát hiện này giải quyết trọn vẹn điểm nghẽn giữa việc tối đa hóa diện tích trao đổi nhiệt và kiểm soát áp suất cản đường xả động cơ diesel.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm hiện thực hóa các kết quả nghiên cứu vào thực tế sản xuất và vận hành công nghiệp, bốn giải pháp kỹ thuật trọng tâm được đề xuất:

Thứ nhất, chuẩn hóa quy chuẩn chế tạo bộ thu nhiệt cánh phẳng bằng hợp kim nhôm đúc định hình với các thông số kích thước hf = 40 mm, nf = 28 cánh và tf = 1,0 mm cho toàn bộ các dòng máy nông nghiệp và máy phát điện sử dụng động cơ diesel dung tích 600 - 800 cm3. Mục tiêu kỹ thuật là duy trì tổn thất áp suất dưới 200 Pa và nâng công suất thu hồi điện lên trên 150 W; thời gian hoàn thành thiết kế khuôn mẫu trong vòng 6 tháng do các kỹ sư phòng R&D cơ khí động lực đảm nhiệm.

Thứ hai, phát triển mạch điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) chuyên dụng tích hợp bộ chuyển đổi DC-DC nhằm tự động điều chỉnh điện trở tải ngoài tương thích với điện trở nội Rs của hệ thống 24 module nhiệt điện trong mọi điều kiện vận hành. Mục tiêu đặt ra là nâng hiệu suất chuyển đổi điện năng thực tế thêm 12% đến 15%; lộ trình triển khai trong 9 tháng dưới sự phụ trách của nhóm nghiên cứu kỹ thuật điện tử.

Thứ ba, thiết kế hệ thống làm mát mặt lạnh cưỡng bức dạng kênh kín tận dụng nguồn nước làm mát sẵn có từ két nước động cơ để giữ nhiệt độ Tc ổn định quanh mức 90 °C, gia tăng độ chênh nhiệt ΔT vượt ngưỡng 180 K. Giải pháp này cần được hoàn thiện chế tạo và kiểm nghiệm trong 12 tháng bởi các xưởng cơ khí thực nghiệm.

Thứ tư, thiết lập liên minh chuyển giao công nghệ giữa các trường đại học kỹ thuật và doanh nghiệp sản xuất động cơ tĩnh tải để thử nghiệm độ bền làm việc liên tục 1000 giờ trong môi trường thực địa. Mục tiêu cắt giảm 5% đến 7% lượng phát thải CO2 và tiết kiệm 0,3 lít dầu/giờ vận hành; tiến độ nhân rộng thương mại trong vòng 18 tháng do ban quản lý dự án công nghệ xanh chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và dữ liệu thực nghiệm của luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế hệ thống động lực và khí xả tại các nhà máy sản xuất ô tô, máy kéo, máy nông nghiệp: Tiếp cận phương pháp định kích thước kênh thu nhiệt, cách thức giảm áp suất cản đường xả và giải pháp bố trí module TEG nhằm tích hợp trực tiếp bộ phát điện vào cụm tiêu âm của động cơ thương mại.

Thứ tư, học viên cao học, nghiên cứu sinh và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí Động lực, Kỹ thuật Nhiệt: Sử dụng quy trình mô phỏng liên kết truyền nhiệt - cơ lưu chất trên ANSYS Fluent, phương pháp kiểm tra tính độc lập lưới và quy hoạch thực nghiệm Taguchi làm tài liệu giảng dạy và mở rộng hướng nghiên cứu thu hồi năng lượng tái tạo.

Thứ ba, các doanh nghiệp chế tạo máy phát điện tĩnh tải và trạm bơm nông nghiệp: Ứng dụng bản vẽ kết cấu chi tiết bộ phát nhiệt điện 24 module để sản xuất phụ kiện nâng cấp cho các dòng động cơ đang lưu hành, tạo ra dòng sản phẩm tiết kiệm nhiên liệu có tính cạnh tranh cao trên thị trường.

Thứ tư, các chuyên gia phân tích chính sách năng lượng và cán bộ quản lý môi trường: Khai thác số liệu về tiềm năng cắt giảm 40% thất thoát nhiệt và giảm phát thải khí nhà kính để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật về hiệu quả sử dụng năng lượng cho thiết bị công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao cấu hình 3 hàng 4 cột lại tối ưu hơn cấu hình 5 hàng 5 cột?

Cấu hình 3 hàng 4 cột duy trì vận tốc dòng khí xả ở mức thích hợp, tạo hệ số truyền nhiệt đối lưu cao. Khi tăng lên 5 hàng, tiết diện ống xả mở rộng làm vận tốc khí giảm mạnh, khiến nhiệt độ bề mặt đế thu nhiệt giảm. Đồng thời, cột thứ 5 chỉ đóng góp thêm 16% công suất so với cột đầu, không bù đắp được chi phí module.

Việc tăng chiều cao cánh thu nhiệt lên 40 mm ảnh hưởng như thế nào đến tổn thất áp suất?

Khi tăng chiều cao cánh từ 20 mm lên 40 mm, không gian lưu thông tự do của dòng khí bên trong bộ thu nhiệt được nới rộng. Điều này làm giảm vận tốc cục bộ của khí xả qua các khe cánh, từ đó giúp áp suất cản đường xả giảm đáng kể theo quy luật tỷ lệ thuận với bình phương vận tốc.

Yếu tố nào đóng vai trò quyết định nhất đến công suất phát điện của hệ thống?

Phân tích Taguchi chứng minh số lượng cánh thu nhiệt nf là thông số có mức độ ảnh hưởng chi phối trên 60% đến công suất phát. Số lượng cánh quyết định trực tiếp diện tích tiếp xúc truyền nhiệt giữa dòng khí xả có nhiệt độ 743 K và bề mặt nóng của module nhiệt điện.

Nhiệt độ mặt lạnh 90 °C được duy trì bằng phương thức nào trong điều kiện thực tế?

Mặt lạnh của các module TEG được áp chặt vào đế tản nhiệt bằng nhôm kết nối trực tiếp với két nước làm mát của động cơ Vikyno RV125. Nước đối lưu tự nhiên hoặc tuần hoàn cưỡng bức giúp giữ nhiệt độ mặt lạnh ổn định tại 90 °C, tạo độ chênh nhiệt cần thiết để phát điện liên tục.

Kết quả nghiên cứu trên động cơ tĩnh tải có thể áp dụng cho động cơ ô tô không?

Hoàn toàn có thể áp dụng phương pháp luận và mô hình tính toán tối ưu kết cấu cánh thu nhiệt. Tuy nhiên, do động cơ ô tô thay đổi tốc độ và tải trọng liên tục, hệ thống cần bổ sung van điều tiết phân dòng khí xả tự động để kiểm soát áp suất ngược và tránh quá nhiệt cho module TEG.

Kết luận

• Công trình đã thiết lập thành công mô hình toán học và thủy khí động lực học 3D mô phỏng chính xác quá trình truyền nhiệt và tổn thất áp suất của bộ phát nhiệt điện trên động cơ tĩnh tải Vikyno RV125.
• Xác định cấu hình bố trí không gian tối ưu gồm 24 module nhiệt điện (ma trận 3 hàng x 4 cột), đảm bảo hiệu quả kinh tế và độ đồng đều nhiệt trên bề mặt đế.
• Tối ưu hóa bộ thông số hình học của bộ thu nhiệt cánh phẳng tại các giá trị: chiều cao cánh hf = 40 mm, số lượng cánh nf = 28 cánh và độ dày cánh tf = 1,0 mm.
• Nâng cao tổng công suất phát điện của hệ thống thêm 45,39% so với cấu hình cơ sở, đồng thời kiểm soát tổn thất áp suất đường xả ở mức thấp hơn kết cấu ống xả nguyên bản.
• Lộ trình phát triển tiếp theo tập trung vào việc chế tạo mẫu thực nghiệm hoàn chỉnh, phủ lớp vật liệu chống bám muội than trên cánh thu nhiệt và tích hợp mạch điều khiển MPPT thương mại trong vòng 12 tháng tới; các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất có thể liên hệ tiếp nhận chuyển giao công nghệ để triển khai ứng dụng thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.