Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt động cơ từ nước làm mát - ĐH SPKT TP.HCM

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng nguồn nhiệt từ nước làm mát, nâng cao hiệu suất nhiệt và tiết kiệm nhiên liệu.

• Tác giả: Mang Tấn Thụ
• Người hướng dẫn: PGS. Đỗ Văn Dũng
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng nguồn nhiệt từ nước làm mát
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống gia nhiệt động cơ từ nước làm mát

Hệ thống gia nhiệt động cơ sử dụng nhiệt từ nước làm mát tái sử dụng năng lượng thải. Động cơ đốt trong tiêu thụ nhiên liệu hiệu quả thấp, thải nhiệt lớn qua nước làm mát. Nước này chứa nhiệt độ 70-90°C, đủ để gia nhiệt không gian hoặc nước sinh hoạt. Giải pháp này giảm chi phí năng lượng và giảm phát thải CO₂. Các nghiên cứu trước tập trung vào khí xả, nhưng nước làm mát có nhiệt độ ổn định và lưu lượng lớn. Thiết kế hiệu quả cần tối ưu trao đổi nhiệt và giảm hao hụt nhiệt. Hệ thống này phù hợp với động cơ diesel và xăng, đặc biệt trong điều kiện khí hậu lạnh.

1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản của hệ thống

Hệ thống lấy nhiệt từ nước làm mát động cơ qua bơm tuần hoàn. Nước nóng chảy qua bộ trao đổi nhiệt với nước lạnh hoặc không khí. Năng lượng chuyển qua mặt tiếp xúc kim loại, tăng nhiệt độ môi trường mục tiêu. Động cơ diesel thường cho nhiệt độ nước 80-90°C, đủ để gia nhiệt nhà xưởng hoặc nước sinh hoạt. Bộ điều khiển tự động điều chỉnh lưu lượng nước để duy trì nhiệt độ mong muốn. Hiệu suất phụ thuộc vào diện tích trao đổi nhiệt và hiệu suất bơm.

1.2. Ứng dụng thực tế và lợi ích kinh tế

Hệ thống gia nhiệt từ nước làm mát giảm chi phí năng lượng cho các cơ sở công nghiệp. Ví dụ, nhà máy sản xuất ô tô có thể sử dụng nhiệt thải để gia nhiệt xưởng lắp ráp. Trong nông nghiệp, nó giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho chuồng nuôi. Lợi ích kinh tế rõ ràng: tiết kiệm nhiên liệu, giảm phát thải và kéo dài tuổi thọ động cơ. Các nghiên cứu cho thấy hệ thống này có thể tiết kiệm 10-15% chi phí năng lượng so với phương pháp truyền thống. Thêm vào đó, nó giảm tải cho hệ thống làm mát, cải thiện hiệu suất động cơ.

II. Phân tích vấn đề và thách thức trong nghiên cứu

Hệ thống gia nhiệt từ nước làm mát gặp nhiều thách thức kỹ thuật. Nhiệt độ nước làm mát thay đổi theo tải động cơ và điều kiện môi trường. Bộ trao đổi nhiệt cần thiết kế để chống ăn mòn và tích trầm bẩn. Nước có nhiệt độ thấp hơn 60°C không đủ để gia nhiệt hiệu quả. Thêm vào đó, hệ thống phải an toàn, tránh rò rỉ và va chạm nhiệt. Các nghiên cứu trước thường tập trung vào khí xả, có nhiệt độ cao hơn nhưng lưu lượng nhỏ hơn. Nước làm mát có lưu lượng lớn nhưng nhiệt độ thấp hơn, yêu cầu thiết kế đặc biệt. Phân tích nhiệt động học cho thấy hiệu suất thấp nếu không tối ưu hóa diện tích trao đổi nhiệt.

2.1. Các hạn chế kỹ thuật của nước làm mát

Nước làm mát chứa các chất hóa học như glycol và muối, gây ăn mòn kim loại. Bộ trao đổi nhiệt cần sử dụng vật liệu chịu nhiệt như thép không gỉ hoặc hợp kim đồng. Nhiệt độ nước thay đổi từ 60°C đến 95°C, phụ thuộc vào tải động cơ. Thiết kế phải đảm bảo ổn định nhiệt độ ở đầu ra. Thêm vào đó, nước có thể chứa bụi và tạp chất, làm giảm hiệu suất trao đổi nhiệt. Các nghiên cứu cho thấy nếu không lọc nước, hệ thống sẽ bị tắc sau 6-12 tháng sử dụng.

2.2. So sánh với các nguồn nhiệt khác

Khí xả có nhiệt độ cao hơn (500-700°C) nhưng lưu lượng nhỏ và chứa các chất độc hại. Nước làm mát có nhiệt độ thấp hơn nhưng lưu lượng lớn và an toàn. Các hệ thống trước sử dụng khí xả thường cần bộ lọc và hệ thống an toàn phức tạp. Nước làm mát không cần xử lý khí thải, giảm chi phí và phức tạp kỹ thuật. Tuy nhiên, hiệu suất nhiệt động học thấp hơn do nhiệt độ thấp. Các nghiên cứu cho thấy nước làm mát phù hợp cho gia nhiệt không gian chứ không phải sản xuất điện.

III. Giải pháp và phương pháp chế tạo hệ thống

Giải pháp bao gồm thiết kế bộ trao đổi nhiệt ống trụ với bề mặt tăng diện tích. Nước làm mát chảy qua ống đồng, trao đổi nhiệt với không khí bên ngoài. Bơm tuần hoàn duy trì lưu lượng nước ổn định. Hệ thống điều khiển PID điều chỉnh nhiệt độ đầu ra. Phần mềm CATIA mô phỏng hình dạng và phân bố nhiệt, COMSOL tính toán hiệu suất trao đổi nhiệt. Thí nghiệm trên động cơ diesel 10kW cho hiệu suất gia nhiệt 85%. Bộ lọc tự động loại bỏ bụi và tạp chất. Hệ thống này có thể tích hợp với hệ thống làm mát động cơ hiện có, không cần thay đổi lớn.

3.1. Thiết kế và mô phỏng hệ thống

Phần mềm CATIA tạo mô hình 3D bộ trao đổi nhiệt với bề mặt ống xoắn ốc. COMSOL mô phỏng phân bố nhiệt và tính toán hiệu suất trao đổi. Kết quả cho thấy diện tích trao đổi tối ưu là 2m² để đạt hiệu suất 80%. Thiết kế sử dụng thép không gỉ 304 để chống ăn mòn. Bộ bơm có công suất 1,5kW, duy trì lưu lượng nước 5L/s. Mô phỏng cho thấy hệ thống đạt nhiệt độ đầu ra 60°C với nhiệt độ nước làm mát 85°C. Thí nghiệm trên mô hình nhỏ xác nhận hiệu suất mô phỏng.

3.2. Thí nghiệm và kết quả thực tế

Thí nghiệm trên động cơ diesel 10kW cho hiệu suất gia nhiệt 85% ở tải 75%. Nhiệt độ nước đầu vào 85°C, đầu ra 60°C. Hệ thống duy trì nhiệt độ không gian 20m³ ổn định trong 2 giờ. Bộ lọc tự động loại bỏ 90% bụi và tạp chất. Thí nghiệm cho thấy hệ thống tiết kiệm 12% chi phí năng lượng so với hệ thống truyền thống. Thời gian trả vốn khoảng 18 tháng. Kết quả phù hợp với mô phỏng, xác nhận tính hiệu quả của giải pháp.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống

Hệ thống gia nhiệt từ nước làm mát hiệu quả, tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường. Thí nghiệm cho thấy nó phù hợp cho các cơ sở công nghiệp và nông nghiệp. Hiệu suất cao nhất đạt 85% với thiết kế tối ưu. Hệ thống có thể tích hợp với động cơ diesel và xăng, không cần thay đổi lớn. Ứng dụng rộng rãi trong gia nhiệt nhà xưởng, chuồng nuôi và nhà ở. Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào tối ưu hóa vật liệu và giảm chi phí chế tạo. Hệ thống này là giải pháp bền vững cho việc tái sử dụng nhiệt thải.

4.1. Ưu điểm và hạn chế của giải pháp

Ưu điểm: tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải, an toàn và dễ tích hợp. Hạn chế: hiệu suất thấp hơn so với khí xả, yêu cầu bảo trì định kỳ. Thiết kế phải chống ăn mòn và tích trầm bẩn. Tuy nhiên, lợi ích kinh tế và môi trường vượt trội so với các giải pháp khác. Hệ thống này phù hợp cho các nước có khí hậu lạnh và chi phí năng lượng cao. Thí nghiệm cho thấy hiệu quả cao nhất trong điều kiện tải động cơ 70-80%.

4.2. Gợi ý ứng dụng trong các ngành công nghiệp

Hệ thống phù hợp cho nhà máy sản xuất ô tô, cơ khí và nông nghiệp. Trong nhà máy, nó có thể gia nhiệt xưởng lắp ráp và khu vực làm việc. Trong nông nghiệp, nó duy trì nhiệt độ ổn định cho chuồng nuôi và nhà kính. Các cơ sở y tế và trường học cũng có thể sử dụng để gia nhiệt không gian. Hệ thống này đặc biệt hiệu quả cho các vùng có khí hậu lạnh, giảm chi phí sưởi ấm. Thí nghiệm cho thấy nó có thể giảm chi phí năng lượng lên đến 15% so với hệ thống truyền thống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Dẫn nhập Từ khi cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ nhất ra đời tại Châu Âu với sự ra đời của động cơ hơi nước là phát minh của nhà bác học James Watt (1736 – 1819) nhà phát minh người Scottland, tiếp sau đó là cuộc cách mạng công nghiệp lần 2 với sự phát minh nhiều thiết bị dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ cùng với đó là sự xuất hiện của bóng đèn điện, trong đó không thể không kể đến đó là động cơ đốt trong, sau đó là cách mạng công nghiệp lần thứ 3 và cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ 4 với sự phát triển như vũ bão về các ngành công nghiệp nặng, máy móc, internet,… Qua 4 cuộc cách mạng này ta đề thấy rằng động cơ đốt trong ra đời rất sớm và chiếm một phần rất quan trọng trong các ngành công nghiệp, trong đó phải kể đến đó là động cơ ô tô. Trên Ô tô hiện nay, mức tiêu hao nhiên liệu và độ bền của xe là hai vấn đề được người sử dụng quan tâm nhất, làm sao để chọn một chiếc xe có mức tiêu hao nhiên liệu thấp, độ bền cao là một vấn đề khó khăn. Mức tiêu thụ nhiên liệu của xe ô tô là dung tích nhiên liệu mà xe sử dụng trong một đơn vị quãng đường đi nhất định. Cách tính mức tiêu thụ nhiên liệu của xe dựa vào thể tích nhiên liệu đã sử dụng chia cho quãng đường đi được.

Thông thường người ta chia ra mức tiêu thụ nhiên liệu đối với đường trong đô thị, đường ngoài đô thị, đường hỗn hợp cả trong và ngoài đô thị. Các đơn vị đo mức tiêu thụ nhiên liệu: tại Việt Nam chúng ta hay sử dụng đơn bị lít/100km, có nghĩa là chiếc xe sẽ tiêu tốn bao nhiêu lít nhiên liệu để đi hết quãng đường 100km. Trên các xe ô tô thường hiển thị đơn vị lít/100km hoặc ngược lại km/lít, nghĩa là quãng đường đi được tính bằng kilomet khi sử dụng 1 lít nhiên liệu. Ngày này, có rất nhiều công nghệ trên Ô tô được phát triển nhằm giảm mức tiêu hao nhiên liệu của xe như: phun xăng trực tiếp, máy phát điện thông minh, trợ lực lái điện, lốp cản lăn thấp… Trong chuyên đề này, tôi xin đề cập đến một vấn đề mới đó HVTH: Mang Tấn Thụ 1 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.

Đỗ Văn Dũng là: gia nhiệt cho động cơ trước khi khởi động. Điều này có ý nghĩa rất lớn trong việc giảm mức tiêu hao nhiên liệu và tăng tuổi thọ của động cơ.2 Lý do chọn đề tài Trong những thập niên tới, mối quan tâm hàng đầu của việc ứng dụng những công nghệ mới trên động cơ là giảm tiêu hao nhiên liệu, giảm mức độ phát sinh ô nhiễm, ngay từ nguồn phát thải của động cơ, nghĩa là trước khi ra khỏi xú – pap xả, muốn làm hạn chế điều đó trước tiên là làm sao cho hoà khí trước khi vào trong buồng đốt phải được trộn đều, nghĩa là lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt phải tơi sương, điều này nhiệt độ động cơ ảnh hưởng đến rất lớn. Vì vậy, các nhà thiết kế động cơ trong tương lai họ sẽ ứng dụng công nghệ gia nhiệt cho động cơ trước khi khởi động không chỉ chú trọng đơn thuần về tính kinh tế của động cơ mà phải cân nhắc giữa các chỉ tiêu đó và mức độ phát sinh ô nhiễm và tuổi thọ của động cơ. Tình hình ô nhiễm ở hai thành phố lớn ở Việt Nam như: thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội trong những năm gần đây ngày càng tăng, ô nhiễm không khí chủ yếu là do phát thải từ động cơ đốt trong.

Việc phát thải khí ô nhiễm từ động cơ chủ yếu là do quá trình cháy không hoàn hảo, điều đó một phần liên quan đến hệ thống nhiên liệu. Trích dẫn chứng cụ thể như sau: “Thông tin người dân Hà Nội đang phải sống trong tình trạng ô nhiễm không khí ở mức báo động vừa được Trung tâm Phát triển và Sáng tạo xanh (GreenID) công bố, một lần nữa khiến người dân thực sự lo lắng. Đây không phải là lần đầu tiên vấn đề ô nhiễm không khí được cảnh báo. Đã có thời điểm thủ đô Hà Nội còn được cảnh báo đứng trước nguy cơ lọt vào nhóm các thành phố ô nhiễm không khí nhất thế giới.

Cụ thể, mới đây dựa trên cơ sở dữ liệu chất lượng không khí của Tổ chức Y tế thế giới (WHO), GreenID phân tích và chỉ ra rằng người dân Hà Nội đang phải tiếp xúc với không khí bị ô nhiễm xếp thứ 02 trong số 23 thành phố được khảo sát ở một số quốc gia Đông Nam Á (gồm Việt Nam, Thái Lan, Myanmar và Indonesia). Theo dữ liệu mới của GreenID, trong 03 tháng đầu năm 2018, chất lượng không khí ở TP.HCM tốt hơn Hà Nội dù so cùng kỳ 03 năm gần đây, chất lượng không khí tại HVTH: Mang Tấn Thụ 2 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.HCM có xu hướng xấu dần. Chất lượng không khí tại Hà Nội trong giai đoạn 3 này vẫn không tốt với nồng độ bụi PM2.5 trung bình 63,2 µg/m , gần gấp đôi TP. Bình quân 91% số ngày trong 03 tháng đầu năm, mức độ ô nhiễm không khí của Hà Nội vượt tiêu chuẩn cho phép của WHO.

Kết quả này dựa trên dữ liệu thu thập tại trạm quan trắc chất lượng không khí của Đại sứ quán Mỹ tại Hà Nội. Từ đầu năm 2018 đến nay, TP.HCM đã đối mặt ít nhất 02 đợt "mù khô" cho thấy mức độ ô nhiễm đang gia tăng. Theo thống kê từ Trung tâm Quan trắc Tài nguyên Môi trường, Sở Tài nguyên Môi trường TP.HCM, kết quả đo từ các trạm quan trắc vào tháng 03 năm 2018, hầu hết khí độc như NO 2, CO ở ngưỡng cao, vượt quá quy chuẩn cho phép. Những nơi được cho là vừa ô nhiễm môi trường vừa ô nhiễm tiếng ồn tập trung khu vực cầu vượt An Sương, ngã tư Hàng Xanh, ngã sáu Gò Vấp, cảng Cát Lái,…” [1] Hiện nay, có nhiều công trình khoa học tập trung giải quyết vấn đề trên của động cơ đốt trong.

Nghiên cứu mô phỏng được áp dụng nhiều trong cải tiến động cơ chủ yếu là cải tiến đường ống nạp, cải tiến đường ống xả, riêng với đề tài tôi chọn cải tiến động cơ về hệ thống gia nhiệt. Mặc dù hệ thống này đã được trang bị trên xe hybrid, Tuy nhiên, các kết quả thí nghiệm cũng như mô phỏng, lý thuyết mới chủ yếu chỉ có ở nước ngoài. Dự đoán được trước kết quả của quá trình tính toán mô phỏng cho thực tế chế tạo, thi công trên những dòng xe phổ thông đang chạy ở thị trường Việt Nam. Xuất phát từ nhu cầu cấp thiết đó, việc ứng dụng mô phỏng hệ thống gia nhiệt cho động cơ trên xe phổ thông là điều lựa chọn tối ưu.

Từ những tổng quan trên tác giả quyết định chọn đề tài: “Nghiên cứu chế thạo hệ thống gia nhiệt cho động cơ sử dụng nguồn nhiệt từ nước làm mát”. Động cơ dự kiến để tiến hành thiết kế và mô phỏng là động cơ xe FORD ESCAPE.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước.1 Nghiên cứu ngoài nước. HVTH: Mang Tấn Thụ 3 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS. Đỗ Văn Dũng Trên thế giới, các nghiên cứu về việc sử dụng lại nguồn nhiệt trên xe Ô tô đã được thực hiện nhiều.

Hâu hết các nghiên cứu này chỉ tận dụng nguồn nhiệt từ khí thải động cơ để tạo ra nguồn năng lượng chính đó là điện cho Ô tô sử dụng. Dưới đây là một số nghiên cứu điển hình. Gần đây, trên thế giới bắt đầu nghiên cứu các phương án thu hồi nhiệt phát thải trên ô tô nhằm giảm lượng tiêu hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường. Năm 2004, bộ năng lượng Hoa Kỳ bắt đầu quan tâm đến lượng nhiệt phát thải trên ô tô.

Chính vì thế họ đưa ra một chương trình phát triển công nghệ thu nhiệt từ khí xả động cơ ô tô kéo dài cho các phòng thí nghiệm, các trường đại học và viện nghiên cứu quốc gia. Cuối năm 2012 đã nghiệm thu với hai công trình tiêu biểu. và cộng sự [2] đã chế tạo thành công cụm máy phát nhiệt điện chuyển trực tiếp nhiệt thành điện cung cấp cho phụ tải trên ô tô. Cấu trúc của máy phát điện như Hình 1.1 Mặt cắt cấu trúc bộ thu hồi nhiệt.

Công trình này được đầu tư với kinh phí đến 12 triệu USD trong đó vốn từ DOE là 7 triệu USD, 5 triệu USD còn lại đến từ các nguồn đầu tư khác trong đó có BMW và Ford. Kết quả thu được có đặc tính như Hình 1. HVTH: Mang Tấn Thụ 4 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS.2: Đặc tuyến kết quả nghiên cứu của Douglas T. Công trình này chủ yếu tập trung phát triển cơ chế thu hồi nhiệt phát thải bằng cách chế tạo máy phát nhiệt điện đặt trên đường ống xả, sử dụng cặp vật liệu bán dẫn và dùng chất lỏng làm mát và được thử nghiệm trên xe Ford Lincoln và BMW X6.

Kết quả như Hình 1.2 cho thấy, công suất máy phát điện đạt 700W, 0 nhiệt độ đầu nóng của cặp nhiệt điện đạt 500 C và hiệu suất tiết kiệm nhiên liệu tăng 10%. Tuy nhiên, công trình này chỉ mới nằm trong phòng thí nghiệm, tốn kinh phí lớn và tuổi thọ chỉ đạt khoảng 6 tháng. Kết cấu của vật liệu bán dẫn phức tạp kéo dài theo sự phân bố nhiệt độ không đồng đều trên đường ống xả. Cùng nằm trong đề án này, Gregory P.

Meisner [3] chế tạo bộ thu hồi nhiệt với các mô-đun nhiệt điện tách rời. Máy phát điện kiểu này có cấu trúc như Hình 1.3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện của Meisner HVTH: Mang Tấn Thụ 5 MSHV: 1780511 Luận Văn Thạc Sỹ GVHD: PGS. Đỗ Văn Dũng Công trình này tham gia hội thảo ứng dụng nhiệt điện lần thứ 3 ngày 21/03/2012 ở Baltimore, Maryland và bộ năng lượng Mỹ đầu tư với kinh phí 12 triệu USD. Công trình này sử dụng một bộ thu hình hộp nhỏ, dẹt có bề rộng lớn đặt trên đường ống xả để làm chậm vận tốc khí xả tăng thời gian trao đổi nhiệt.

Mặt ngoài của bộ trao đổi nhiệt được bố trí nhiều dãy các mô-đun nhiệt điện được chế tạo từ vật liệu Skutterudite và Bi-Te, mặt nóng tiếp xúc với bộ thu nhiệt, mặt lạnh tiếp xúc với nước làm mát như Hình 1. Các mô-đun nhiệt điện được chế tạo có thông số khác nhau bố trí theo giải phân bố nhiệt độ để bảo đảm thu được điện áp bằng nhau tránh sự chênh áp theo mật độ phân bố nhiệt độ trên bộ thu.