Báo cáo Nghiên cứu đánh giá và đề xuất phương án thu hồi nhiệt phát thải từ động cơ ô tô (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu đánh giá và đề xuất phương án thu hồi nhiệt phát thải từ động cơ ô tô (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ÐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG TRỌNG ÐIỂM NGHIÊN CỨU ÐÁNH GIÁ VÀ ÐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT PHÁT THẢI TỪ ÐỘNG CƠ Ô TÔ Mã số: T2013-73 Chủ nhiệm dề tài: GV. KS Lê Quang Vũ S K C0 0 5 3 9 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 11/2013
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ Ô TÔ Mã số: T2013-73 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Lê Quang Vũ TP. HCM, 11/2013
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG ÁN THU HỒI NHIỆT PHÁT THẢI TỪ ĐỘNG CƠ Ô TÔ Mã số: T2013-73 Chủ nhiệm đề tài: GV.KS Lê Quang Vũ TP. HCM, 11/2013
4. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tính cấp thiết của đề tài Ngày nay, ô tô sử dụng động cơ đốt trong là phương tiện di chuyển chủ yếu của con người với số lượng ngày càng phát triển. Điều đó có nghĩa là con người đang sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch với tốc độ ngày càng tăng. Nhưng nguồn nhiên liệu hóa thạch trên thế giới ngày càng cạn kiệt trong khi hiệu suất của động cơ ô tô chưa được cao. Theo ước tính trung bình của bộ năng lượng Hoa Kỳ hiệu suất động cơ chỉ đạt khoảng 30%, phần còn lại phát thải 40% qua khí xả và 30% qua hệ thống làm mát. Như vậy hằng ngày chúng ta uổng phí tới 40% tổng lượng nhiên liệu và phần năng lượng phát thải này đã được đốt cháy hoàn toàn chuyển thành nhiệt năng rồi thải ra ngoài môi trường. Bên cạnh đó, với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, phụ tải điện trên ô tô ngày càng tăng và đòi hỏi tỷ lệ nhiên liệu hóa thạch chuyển thành điện năng khá lớn. Chính vì thế việc nghiên cứu, đánh giá và đề xuất các phương án thu hồi nhiệt phát thải là hết sức cần thiết hiện nay. 1.2. Tình hình nghiên cứ u trong và ngoài nướ c Trong nước có rất ít công trình nghiên cứu thu hồi nguồn nhiệt từ khí xả động cơ ô tô. Tuy nhiên trong lĩnh vực hàng hải đã có những công trình nghiên cứu thu hồi nhiệt khí thải sử dụng với mục đích cấp nhiệt cho nồi hơi và tính toán chạy máy lạnh. Trên tạp chí khoa học công nghệ hàng hải số 21-01/2010 đăng tải công trình: “Nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả động cơ Diesel tàu thủy kiểu MODUYN” của nhóm tác giả PGS-TS Lê Viết Lượng, NCS Nguyễn Ngọc Hải - Khoa đóng tàu, Trường Đại Học Hằng Hải. PGS-TS Phạm Lê Dần - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội. Trong công trình này, nhóm tác giả đã phân tích tất cả các nồi hơi đang sử dụng và nghiên cứu đề xuất nồi hơi kiểu MODUYN. Kết quả khi thử nghiệm cho thấy với nồi hơi có kích thước 1750x1250x1100, khi động cơ hoạt động 15 phút, áp T2013-73 6
5. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ suất nồi hơi đã đạt 6 kg/cm2, nhiệt độ khí xả chênh lệch khi đi qua nồi hơi là 100oC. Như vậy nhiệt độ khí thải có thể thu hồi tái sử dụng với tiềm năng khá cao. Trên thế giới gần đây có sự dịch chuyển hướng nghiên cứu nâng cao hiệu suất động cơ đốt trong sang tái sử dụng nguồn nhiệt phát thải. Từ 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. Chương trình này kéo dài tới cuối năm 2012 nghiệm thu với hai công trình tiêu biểu tương đối thành công và đang tiếp tục phát triển. Công trình thứ nhất mang tên: “Thermoelectric Waste Heat Recovery Program for Passenger Vehicles” của nhóm tác giả Douglas T. Crane, John W. LaGrandeur, đến từ National Renewable Energy Laboratory kết hợp với Caltech University. Cấu trúc bộ thu nhiệt được mô tả như Hình 1.1 Hình 1.1: Mặt cắt cấu trúc bộ thu nhiệt Đây là công trình tham gia báo cáo năm 2012 do bộ năng lượng Mỹ đầu tư từ năm 2004 với số 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 BWM và Ford. Thời gian hoàn thành kéo dài từ tháng10 năm 2004 tới tháng 9 năm 2011. Hình 1.2: Đặc tuyến kết quả thí nghiệm T2013-73 7
6. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ 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 BWM X6. Kết quả như Hình 1.2 cho thấy, công suất máy phát điện đạt 700W, nhiệt độ đầu nóng của cặp nhiệt điện đạt 500oC 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, công trình thứ hai mang tên: “Skutterudite Thermoelectric Generator For Automotive Waste Heat Recovery”, người chủ trì là Gregory P. Meisner đến từ General Motors Global Research & Development. Hình 1.3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện Công trình này tham gia hội thảo ứng dụng nhiệt điện lần thứ 3 ngày 21/03/2012 ở Baltimore, Maryland và thuộc chương trình phát triển công nghệ ô tô của bộ năng lượng Mỹ đầu từ từ năm 2005 tới 2012 với giá 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 modul nhiệt điện được chế tạo sẵn 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 1.3. Các modul 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 T2013-73 8
7. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ sự chênh áp theo mật độ phân bố nhiệt độ trên bộ thu. Dọc theo chiều dài bộ thu nhiệt bố trí 2 vùng cặp nhiệt điện tùy theo đặc tính kỹ thuật của vật liệu bán dẫn. Vùng gần cửa vào có nhiệt độ cao hơn nên bố trí các modul Skutterudite và vùng cuối gần cửa ra bố trí các modul Bi-Te có đặc tuyến làm việc như Hình 1.4. Hình 1.4: Đặc tuyến làm việc của các chất bán dẫn Kết quả như trong Hình 1.5 cho thấy khi dòng khí vào bộ thu có nhiệt độ 550oC nhiệt độ bên nóng của bộ Skutterudite đạt 450 oC và 250 oC với bộ Bi-Te và tổng công suất của 24 cặp Skutterudite và 18 cặp Bi-Te đạt 250W. Hình 1.5: Bố trí cặp nhiệt điện và phân bố nhiệt độ khí xả Tuy nhiên đề tài này chủ yếu tập trung nghiên cứu phát triển cặp nhiệt điện bán dẫn phù hợp với dải nhiệt độ khí xả mà chưa quan tâm nhiều tới phương án thu nhiệt. Kinh phí thực hiện cao, công suất máy phát chưa đủ cung cấp cho phụ tải điện ô tô, sản phẩm chỉ mới trong phòng thí nghiệm mà chưa thể sản xuất đại trà do quy trình công nghệ phức tạp. T2013-73 9
8. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Trong cuộc hội thảo quốc tế về nhiệt điện lần thứ 20 của IEEE. Nhóm tác giả Jihad G. Haidar Jamil I. Ghojel đến từ Monash University, Australia đưa ra công trình mang tên: “Waste heat recovery from the exhaust of low-power diesel engine using thermoelectric genetators”. Công trình này nghiên cứu lý thuyết về vật liệu cặp nhiệt điện, khảo sát phân bố nhiệt lượng và hiệu suất sử dụng trong động cơ đốt trong như Hình 1.6. Đồng thời đưa ra thông số thực nghiệm trên động cơ Ruston Diesel 37kW. Hình 1.6: Phân phối năng lượng trên động cơ đốt trong Kết quả đề tài này cho thấy nhiệt lượng ở dòng khí xả khá cao, chiếm 34-45(%) với động cơ xăng và 22-35(%) với động cơ Diesel. Hình 1.7: Đặc tuyến công suất theo nhiệt độ Nhiệt độ khí xả đạt trên 500oC với mức tải 88% cánh bướm ga và tốc độ 1.800 RPM. Bộ thu nhiệt được thiết kế kiểu ống trụ, trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. Tuy nhiên chỉ bố trí sử dụng 98 cặp nhiệt điện nên công suất mới đạt 45W ở mức điện áp 14V. Theo đó, các cặp nhiệt điện bố trí dài trên đường ống nên không đồng nhất về nhiệt độ làm việc. Trên tạp chí năng lượng Elsevier số 35 năm 2010 đăng tải công trình mang tên: “Analysis of exhaust waste heat recovery from a dual fuel low temperature T2013-73 10
9. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ combustion engine using an Organic Rankine Cycle” của nhóm tác giả Kalyan K. Srinivasan, Pedro J. Mago, Sundar R. Krishnan đến từ Department of Mechanical Engineering, Mississippi State University,USA. Công trình sử dụng nguồn nhiệt khí xả cấp nhiệt cho nồi hơi sử dụng chu trình Rankine chạy Turbine kéo máy phát điện như được mô tả ở Hình 1.8. Hình 1.8: Bố trí thí nghiệm và thông số kỹ thuật Kết quả cho thấy với động cơ Diesel 10,6 kW chạy toàn tải ở tốc độ 2700 RPM, nhiệt độ vào bộ sinh hơi thu được là 550oC và ra khỏi bộ sinh hơi là 350 oC, Turbine đạt công suất 2kW. Mặc dù công suất thu được khá cao nhưng việc chế tạo Turbine cỡ nhỏ như vậy là rất khó và có hiệu suất thấp. Nhiệt lượng thu được từ khí xả không chuyển trực tiếp qua điện năng mà cần phải qua một chu trình trung gian là giảm hiệu suất thu được từ khí thải. 1.3. Mục tiêu nghiên cứu Trước tình hình đó, đề tài được nghiên cứu với mục tiêu đánh giá mức độ và khả năng tái sử dụng nguồn nhiệt phát thải từ khí khả động cơ ô tô với điều kiện kinh tế và khoa học kỹ thuật ở Việt Nam. 1.4. Cách tiếp cận - Khảo sát nguồn nhiệt từ khí thải động cơ - Lập các phương án thu hồi nhiệt từ khí xả động cơ - Đánh giá các kiểu bộ thu nhiệt 1.5. Phương pháp nghiên cứu T2013-73 11
10. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Trong quá trình nghiên cứu, nhóm thực hiện đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau: - Phương pháp thu thập và tham khảo tài liệu - Phương pháp mô phỏng giả lập - Phương pháp thực nghiệm 1.6. Đối tượng và phạm vi nghiên cứ u Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm: - Nguồn nhiệt dư thừa sau quá trình cháy của động cơ ô tô - Các thiết bị và chu trình máy nhiệt động học - Mô phỏng trên máy tính Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu trên mô hình động cơ xăng - Mô phỏng trên máy tính T2013-73 12
11. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1. Nhiệt phát thải trên động cơ ô tô Để xác định, tính toán ước lượng và đánh giá nhiệt lượng khí thải động cơ, ta nghiên cứu động cơ trong chế độ hoạt động theo các thông số kỹ thuật định mức của động cơ như công suất định mức, suất tiêu hao nhiên liệu, nhiệt độ khí thải ra khỏi động cơ và nhiệt khói thải ra khỏi bộ thu nhiệt. Theo phương pháp này ta xác định các thông số hoạt động của khí xả như sau. Nhiệt lượng do khói thải động cơ mang ra ngoài được tính theo công thức dưới đây: Q G .C .T [ kW] e e pe e Trong đó : - Ge là lưu lượng khói thải từ động cơ đốt trong [kg/s] O - Cpe là Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của khói thải [kJ/kg K] 0 - Te là nhiệt độ khói thải đi ra động cơ đốt trong [ K] Lưu lượng khí thải động cơ Ge được tính theo công thức dưới đây: Ge = Gt (α1G0 + 1) [kg/s] Trong đó: - Gt là Lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/h] - Gt = ge.Ne [kg/h] - ge là suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/Kwh] theo định mức ở công suất định mức. - Ne là công suất định mức của động cơ - α1 là hệ số dư lượng không khí thực tế, α1 = Gtt/ Glt - Gtt, Glt là lượng không khí thực tế và lý thuyết để đốt cháy lượng nhiên liệu phun vào xylanh [Kg] T2013-73 13
12. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ - G0 là lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg nhiên liệu [Kg] Trong các thông số trên, Cpe là đại lượng khó xác định và có độ dao động theo chế độ cháy của hỗn hơp hoà khí. Để tính toán được đại lượng này chúng ta phải xác định thành phần của khí xả. Thành phần khí xả động cơ xăng với điều kiện cháy lý tưởng chứa các hợp chất cơ bản có tỷ lệ tương đối như Hinh 2.1 sau đây.[1] Hình 2.1: Thành phần khí xả động cơ xăng Thành phần khác bao gồm CO, NOx, HC và một số loại chất rắn khác, tỷ lệ các thành phần trong nhóm này thay đổi theo trạng thái của hòa khí, chất phụ gia nhiên liệu, chế độ hoạt động của động cơ nên rất khó xác định. Tuy nhiên trong đó lượng CO chiếm tỷ lệ trên 80%[1] nên ta xem toàn bộ là CO. Với động cơ Diesel, với các chế độ cháy khác nhau ta có thành phần khí xả khác nhau. Tuy nhiên với tỷ lệ hoà khí và buồng cháy hợp lý ta có thành phần khí xả như trong Hình 2.2 sau.[1] Hình 2.2: Thành phần khí xả động cơ Diesel T2013-73 14
13. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Trong hình trên chúng ta thấy rằng thành phần cơ bản vẫn là N2 chiếm 67%, H2O chiếm 11%, CO2 chiếm 12% và O2 dư chiếm 10%. Còn khoảng 0,3% các chất thải khác gồm CO, NOx, SO2, HC dư và một số chất thải rắn có thành phần tuỳ vào chất lượng dầu Diesel và các chất phụ gia. Như vậy khí xả động cơ đốt trong là hỗn hợp nhiều loại khí khác nhau và có thành phần thay đổi phụ thuộc vào loại nhiên liệu và quá trình cháy. Tuy nhiên với một chế độ cháy nào đó của một loại nhiên liệu chúng ta có thể xác định được thành phần khí xả. Chính vì nhiệt dung riêng của khí xả chính là nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí có thành phần như trên và trong điều kiện đẵng áp. Việc xác định nhiệt dung riêng Cp của hỗn hợp khí chúng ta cần phải xác định từng thành phần khác nhau theo công thức dưới dây.[3] 푅 C = µ ( + . + . 2 + . 3 + 푒. 4) p µ Trong đó: - µ: Khối lượng 1 kmol chất khí. - Rµ: Hằng số phổ biến chất khí. - T : Nhiệt độ 푛 Cpe = Ki Cpi 푖=0 Trong đó: - Cpe: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp khí xả - i: Chất khí thứ - Cpi: Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của khí i - Ki: Tỷ lệ thành phần của khí i 2.2. Qúa trình truyền nhiệt 2.2.1. Phương trình truyền nhiệt Nếu vật rắn tiếp xúc 4 môi trường có đặc trưng khác nhau như: rắn (r), lỏng (l), khí (k) và chân không hoặc môi trường các hạt dưói mức phân tử (c) tại 4 bề mặt Fr, Fl, Fk và Fc như Hình 2.3 T2013-73 15
14. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Hình 2.3: trao đổi nhiệt giữa vật V với 4 môi trường khác nhau Trong V chỉ xẩy ra hiện tượng dẫn nhiệt đơn thuần (qλ) và thay đổi nội năng (ρVΔu), nhiệt năng (pVAu). - Trên Fr chỉ xẩy ra hiện tượng dẫn nhiệt giữa Fr và môi trường rắn (qλr). - Trên Fl chỉ xẩy ra hiện tượng toả nhiệt giữa Fl và chất lỏng (qλl), vì trong toả nhiệt đã bao gồm dẫn nhiệt và bức xạ vào chất lỏng được lớp chất lỏng gần vách hấp thụ và mang đi theo dòng đối lưu. - Trên Fl chỉ xẩy ra hiện tượng trao đổi nhiệt bức xạ giữa Fc và môi trường (qɛ). - Chỉ trên Fk mới xẩy ra đồng thời 2 hiện tượng toả nhiệt (qαk) và trao đổi nhiệt bức xạ (qɛk) với chất khí. 2 Dòng nhiệt trên mỗi m mặt Fk là: qk = qαk + qɛk Nếu tính theo nhiệt độ và độ đen Tw, ɛw của mặt Fk và Tk, ɛk = 1 của chất khí thì qk sẽ có dạng: 4 4 2 qk = αk(Tw - Tk) + ɛw δ0(Tw - Tk ), [W/m ] 4 4 2 vói: α = αk + ɛw δ0(Tw - Tk )/ (Tw - Tk) [W/m K] được gọi là hệ số tỏa nhiệt phức hợp Nếu qui ước dòng nhiệt q vào thệ V là dương (+), ra khỏi hệ là (-) thì phương trình cân bằng nhiệt tổng quát cho hệ V bất kỳ sẽ có dạng. ρVΔu = ∑Qi j , với Qi = qi dF [W] T2013-73 16
15. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Nếu dòng nhiệt q không đổi trên Fi và có chiều như Hình2.1 thì phương trình cân bằng nhiệt cho hệ V sẽ có dạng: ρVΔu T − T0 = τ[qλr Fr + qɛFc + qαl Fl + qkFk) Khi vật V ổn định, Δu = 0, phương trình CBN có dạng ΣQi = 0. Nếu hệ vật V là chất lỏng hay chất khí chứa trong V thì phương trình cân bằng nhiệt có dạng: ρVΔi = τΣQi với ΔI = iτ - i0 là biến thiên entanpi của chất lỏng hay khí trong V, sau khoảng thời gian τ. Nếu chất lỏng trong V không chuyển pha và coi mỗi dòng nhiệt qi = const 1 được tính tại nhiệt độ trung bình của mặt F là T = T − T thì phương trình cân 1 Wl 2 w 0 bằng nhiệt có dạng: ρVΔu T τ − T0 = τ(qλr Fr + qɛFc + qαl Fl + qkFk) Nhờ phương trình này có thể tìm được đại lượng chưa biết nào đó, chẳng hạn nhiệt độ Tτ hoặc thời gian τ khi có thể xác định tất cả các đại lượng còn lại. 2.2.2. Truyền nhiệt và phương trình cân bằng nhiệt khi ổn định nhiệt Truyền nhiệt theo nghĩa hẹp là tên gọi của hiện tượnng trao đổi nhiệt phức hợp giữa 2 chất lỏng có nhiệt độ khác nhau, thông qua bề mặt ngăn cách của một vật rắn. Hiện tượng này thường hay gặp trong thực tế và trong c ác thiết bị trao đổi nhiệt. Hình 2.4: Các dạng truyền nhiệt giữa 2 môi trường khác nhau Tuỳ theo đặc trưng pha của hai chất lỏng, các quá trình trao đổi nhiệt trên T2013-73 17
16. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ mặt W15 W2 của vật rắn có thể bao gòm 1 hoặc 2 phương thức đối lưu và bức xạ, còn trong vách chỉ xẩy ra dẫn nhiệt đơn thuần như mô tả trên Hình 2.4. Khi vách ngăn ổn định nhiệt thì hệ phương trình mô tả lượng nhiệt Q truyền từ chất lỏng nóng (1) đến chất lỏng lạnh (2) sẽ có dạng: Q = Q1 w1= Qλ +Q2 w2 2.2.3. Truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh tản nhiệt Xét vách phẳng có cánh tản nhiệt như được mô tả ở Hình 2.5 sau. Hình 2.5: Trao đổi nhiệt qua vách phẳng có n cánh Trong trường hợp này coi nhiệt lượng QX dẫn qua vách là nhiệt lượng qua nl vách phẳng có chiều dày tương đương δ = δ + (h + h ), coi nnhiệt độ t (chưa 0 2h 1 2 w2 2 2 biết) phân bố đều trên mặt F2 = (h − n h1 − h2 + n 4l + (h1 − h2 ) )L thì phương trình cân bằng nhiệt có dạng: Hệ phương trình này có nghiệm như sau. 2 Nếu tính trên bề mặt 1 m ta có dòng nhiệt q1 sẽ là T2013-73 18
17. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Trong đó: Được gọi là hệ số làm cánh. Thường ɛc=(1 đến 5) là hệ số truyền nhiệt qua vách phẳng có cánh, phụ thuộc vào các thông số (α1, α2, ɛc, δ, λ ). Vì luôn có k < min(α1, α2) nên để tăng k người ta ưu tiên làm cánh về phía có α bé hơn. Trong trường hợp truyền nhiệt qua vách phẳng không cánh, khi đó n=0, δ=δ0, F1=F2=hL, ɛc=1 và nhiệt lượng Q sẽ là: phụ thuộc vào α1, α2, δ, λ. 2.2.4. Truyền nhiệt qua vách trụ Trường hợp thứ nhất, vách trụ là kiểu vách có cánh dọc có kết cấu được mô tả như trong Hình 2.6 Hình 2.6: Trao đổi nhiệt qua vách trụ có n cánh dọc T2013-73 19
18. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Coi nhiệt lượng q1 truyền qua vách là nhiệt lượng qua ống trụ có bán kính ngoài tương đương rc = r2 nl(δ1+ δ1)/4πr2, coi nhiệt độ tw2 phân bố đều trên bề mặt F2 có công thức: 2 2 2 퐹2 = [2 2 − 푛 훿1 − 훿2 + 푛 4푙 + 훿1 − 훿2 ]( ) Lúc này phương trình cân bằng nhiệt có dạng q1= q1α1= q1λ +q1 w2 sẽ có dạng : tw1 − tw2 q = α t − t 2πr = = α t − t F 1 1 f1 w1 1 1 r 1 w2 f2 1 ln c 2πλ rl Nghiệm của hệ phương trình này có dạng: tf1 − tf2 q = [W/m] 1 1 1 r 1 + ln c + 2πr1α1 2πλ rl α2f2 Trường hợp thứ 2, vách trụ có cánh ngang có cấu trúc như Hình 2.7 Hình 2.7: Trao đổi nhiệt qua vách trụ có n cánh ngang Coi nhiệt độ tw2 phân bố đều trên bề mặt 2 2 2 F2=2π(l - nlc) + 2πrcnlc + 2nπ(rc – r2 ) [m ] Lúc này phương trình cân bằng nhiệt có dạng: l − nlc nlc q = α t − t 2πr = t − t + = α t − t F 1 1 f1 w1 1 w1 w2 1 r 1 r 1 w2 f2 2 ln c ln c 2πλ rl 2πλ rl Nếu đặt: nlc F2 n = và F = = 2πr l − nl + 2πr nl + 2πr r2 − nr2 c l 21 l 2 c c c 2 c 2 T2013-73 20
19. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ Lúc này phương trình cân bằng trao đổi nhiệt có dạng: l − nc nc q1 = α1 tf1 − tw1 2πr1α1 = tw1 − tw2 r + r 2πλ = α1 tw2 − tf2 F2 ln c ln c rl rl Nghiệm của phương trình này sẽ là: tf1 − tf2 q1 = r [W/m] ln c 1 1 r2 r2 1 + ln 1 − nc r + 2πr1α1 2πλ rl ln c α2f2 rl 2.3. Thiết bị thu hồi nhiệt thải Trong thiết bị thu hồi nhiệt, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa khí thải và không khí qua các tấm kim loại hoặc gốm. Không khí đi trong ống sẽ được gia nhiệt khi tiếp xúc với khí thải nóng đi bên ngoài ống thông qua thành thiết bị. Thiết bị thu hồi nhiệt từ khí thải được mô tả trong Hình 2.8. Hình 2.8: Thiết bị thu hồi nhiệt (SEAV, 2004) 2.3.1. Thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ kim loại Thiết bị thu hồi nhiệt đơn giản nhất là thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ bao gồm hai ống kim loại đồng tâm như trên Hình 2.9. Nhiều Ống kim loại bên trong chứa khí thải nóng còn không khí cháy (có nhiệt độ thấp) cung cấp cho mỏ đốt của lò nung được đi bên ngoài ống. Lượng không khí này sẽ lấy bớt nhiệt của khí thải làm nhiệt độ của khí thải giảm xuống và đồng thời nhiệt độ của không khí cháy tăng lên trước khi đi vào buồng đốt. Đây chính là năng lượng thu được mà không cần phải T2013-73 21
20. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ đốt cháy nhiên liệu. Do đó, chúng ta sẽ tiết kiệm được nhiên liệu sử dụng cho lò nung. Nhiên liệu giảm sẽ giúp giảm không khí đốt cháy và như vậy, thất thoát khói lò giảm không chỉ vì do giảm nhiệt độ khí thải mà còn do giảm thải lượng khí thải. Tên gọi thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ có được xuất phát từ thực tế rằng một phần truyền nhiệt đáng kể từ khí nóng tới bề mặt của ống kim loại bên trong là truyền nhiệt bức xạ. Hình 2.9: Thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ kim loại Tuy nhiên, vì khí lạnh trong ống gần như là trong suốt đối với bức xạ hồng ngoại nên chỉ xảy ra truyền nhiệt đối lưu đối với khí đi vào. Như minh hoạt trong hình vẽ hai dòng khí thường song song mặc dù cấu hình của máy sẽ đơn giản hơn và truyền nhiệt sẽ hiệu quả hơn nếu hai dòng khí ngược nhau. Sử dụng dòng song song vì thiết bị thu hồi nhiệt thường phải đáp ứng một chức năng nữa là làm mátđường ống dẫn khí thải và nhờ vậy có thể làm tăng tuổi thọ thiết bị. 2.3.2. Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu Một dạng cấu hình quen thuộc thứ hai của thiết bị thu hồi nhiệt là thiết bị thu hồi kiểu ống hay còn gọi là thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu. Như có thể thấy trong hình vẽ dưới đây, khí nóng được đưa qua một số các ống song song đường kính nhỏ, trong khi đó khí sẽ được gia nhiệt đi vào một vỏ bao quanh các ống và đi qua các ống nóng một hoặc vài lần theo hướng vuông góc với trục. Nếu các ống được T2013-73 22
21. Đề tài NCKH cấp Trường Lê Quang Vũ lái dòng để khí đi qua hai lần, thiết bị trao đổi nhiệt này được gọi là thiết bị thu hồi nhiệt hai dòng; nếu sử dụng hai van bướm, thì thiết bị có tên gọi là thiết bị thu hồi nhiệt ba dòng, vv. Mặc dù lắp van bướm có thể vừa làm tăng chi phí thiết bị trao đổi nhiệt vừa làm tăng hiện tượng sụt giảm áp suất thì đồng thời lắp van bướm cũng làm tăng hiệu Hình 2.10: Thiết bị thu hồi nhiệt đối lưu 2.3.3. Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp Để hiệu suất truyền nhiệt đạt mức tối đa, người ta sử dụng thiết bị thu hồi nhiệt kết hợp. Thiết bị này là sự kết hợp giữa thiết bị bức xạ và đối lưu, theo đó khu vực bức xạ nhiệt cao được thiết kế trước và tiếp theo sau là khu vực đối lưu như Hình 2.11. Thiết bị này đắt tiền hơn loại thiết bị thu hồi nhiệt bức xạ kim loại đơn giản nhưng nhỏ gọn hơn. Hình 2.11: Thiết bị thu hồi nhiệt kiểu kết hợp T2013-73 23
22. S K L 0 0 2 1 5 4