Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng seebeck thu hồi nhiệt khói thải động cơ đốt trong thông qua máy phát nhiệt điện (Phần 1)

Nội dung text: Báo cáo Nghiên cứu ứng dụng hiệu ứng seebeck thu hồi nhiệt khói thải động cơ đốt trong thông qua máy phát nhiệt điện (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CẤP TRƯỜNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG SEEBECK THU HỒI NHIỆT KHÓI THẢI ÐỘNG CƠ ÐỐT TRONG THÔNG QUA MÁY PHÁT NHIỆT ÐIỆN S K C 0 0 3 9 5 9 MÃ SỐ: T2015-51 S KC 0 0 5 6 9 0 Tp. Hồ Chí Minh, 2015
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 ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG SEEBECK THU HỒI NHIỆT KHÓI THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG THÔNG QUA MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-51 Chủ nhiệm đề tài: GV.ThS Lê Quang Vũ TP. HCM, 11/2015
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 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 ỨNG DỤNG HIỆU ỨNG SEEBECK THU HỒI NHIỆT KHÓI THẢI ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG THÔNG QUA MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN Mã số: T2015-51 Chủ nhiệm đề tài: Lê Quang Vũ TP. HCM, 11/2015
4. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA GV-ThS Lê Quang Vũ i
5. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 MỤC LỤC Danh mục hình và bảng biểu iii Chương 1 Tổng quan 1 1.1. Tổng quan về máy phát nhiệt điện trên ô tô 2 1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài 2 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 2 1.1.3. Những vấn đề còn tồn tại 7 1.2. Mục đích của đề tài 8 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn 8 1.4. Phương pháp nghiên cứu 8 Chương 2 Cơ sở lý thuyết 9 2.1. Nhiệt phát thải trên động cơ ô tô 9 2.2. Qúa trình truyền nhiệt [10] 11 2.2.1. Dẫn nhiệt 11 2.2.2. Truyền nhiệt đối lưu 13 2.3. Hiệu ứng nhiệt điện và các mô-đun nhiệt điện 14 2.3.1. Hiệu ứng nhiệt điện và các mô-đun nhiệt điện 14 2.3.2. Máy phát nhiệt điện (TEG – ThermoElectric Generator) 16 Chương 3 Đánh giá khả năng ứng dụng TEG thu hồi nhiệt thải .17 3.1. Xây dựng mô hình toán mô-đun TEG 17 3.1.1. Chọn mô hình mô-đun TEG 17 3.2. Thiết kế chế tạo mô hình thí nghiệm 18 3.2.1. Thiết kế bộ trao đổi nhiệt cho 1 mô-đun TEG 18 3.2.2. Chế tạo và lắp đặt mô hình thí nghiệm 20 3.3. Thực nghiệm xác định thông số hoạt động 21 3.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm 21 3.3.2. Thí nghiệm xác định thông số hoạt động 22 Kết luận 27 Tài liệu tham khảo 29 GV-ThS Lê Quang Vũ ii
6. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU Trang Hình 1. 1: Mặt cắt cấu trúc bộ thu nhiệt[3] 3 Hình 1. 2: Đặc tuyến kết quả nghiên cứu của Douglas T. [3] 4 Hình 1. 3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện của Meisner [4] 4 Hình 1. 4: Đặc tuyến làm việc của các chất bán dẫn[4] 5 Hình 1. 5: Bố trí cặp nhiệt điện và phân bố nhiệt độ khí xả[4] 5 Hình 1. 6: Phân phối năng lượng trên động cơ đốt trong[5] 6 Hình 1. 7: Đặc tuyến công suất theo nhiệt độ[5] 6 Hình 1. 8: Bố trí thí nghiệm và thông số kỹ thuật[5] 7 Hình2. 1:Thành phần khí xả động cơ xăng[8] 10 Hình2. 2: Thành phần khí xả động cơ Diesel[8] 10 Hình2. 3: Cấu trúc mô-đun nhiệt điện 17 Hình3. 1: Mô hình mô-đun TEG 17 Hình3. 2: Hình chụp mô-đun HTG1-12710 19 Hình3. 3: Bộ thí nghiệm mô-đun HTG1-12710 19 Hình3. 4: Đầu dò nhiệt độ loại K 20 Hình3. 5: Bộ trao đổi nhiệt thí nghiệm mô-đun HTG1-12710 20 Hình3. 6: Bộ kiểm soát nhiệt độ WINPARK CHB-401 20 Hình3. 7: Đầu đo nhiệt độ từ xa Fluke 62 mini 21 Hình3. 8: Bố trí thí nghiệm thu thập dữ liệu 21 Hình3. 9: Thu thập dữ liệu trong khi làm thí nghiệm 22 Hình3. 10: Đặc tuyến điện áp theo chênh lệch nhiệt độ của HTG1-12710 24 Hình3. 11: Đặc tuyến US và UL theo Th của HTG1-12710 24 Hình3. 12: Đặc tuyến PL theo Th ở các mức Tc của HTG1-12710 25 O Hình3. 13: Đặc tuyến PL theo RL với Th=200 C ở các mức Tc của HTG1-12710 25 Hình3. 14: Đặc tuyến TEG trong điều kiện áp dụng thu hồi nhiệt thải 26 Bảng 1.1: Kết quả thử nghiệm TEG trên động cơ Toyota 7KE[2] 3 Bảng 3. 1:Thông số thí nghiệm xác định thông số mô-đun TEG 22 Bảng 3. 2: Bảng số liệu xác định hàm S=f(∆T) 23 GV-ThS Lê Quang Vũ iii
7. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT TEG : ThermoElectric Generator IC : Internal Combusion GV-ThS Lê Quang Vũ 1
8. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về máy phát nhiệt điện trên ô tô 1.1.1. 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 mức 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 hiệu suất động cơ chỉ đạt khoảng 30%, phần còn lại phát thải 40% qua khí xả và 30% qua hệ thống làm mát [4]. Như vậy, hằng ngày chúng ta uổng phí tới 40% tổng lượng nhiên liệu. Phần năng lượng phát thải này đã được đốt cháy hoàn toàn chuyển thành nhiệt năng và 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 chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt phát thải từ động cơ khi xe vận hành để chuyển thành điện năng cung cấp cho phụ tải là một vấn đề cấp bách và hết sức cần thiết trong thời kỳ hiện nay. 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trong nước hầu như chưa có công trình nào nghiên cứu chế tạo máy phát điện trên ô tô sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ. 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. Năm 2010, PGS-TS Lê Viết Lượng cùng cộng sự [1] đã nghiên cứu đề xuất sử dụng nồi hơi kiểu MODUYN thu hồi nhiệt phát thải trên động cơ tàu thủy. Kết quả thử nghiệm cho thấy với nồi hơi có kích thước 1750x1250x1100, khi động cơ hoạt động 15 phút, áp 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. GV-ThS Lê Quang Vũ 2
9. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 Năm 2013, Nguyễn Hà Hiệp và cộng sự [2] đã thí nghiệm và thu thập thông số của một mô-đun nhiệt điện với kết quả cho thấy như Bảng 1.1. Bảng 1.1: Kết quả thử nghiệm TEG trên động cơ Toyota 7KE[2] o o o tg, C tw, C ∆t = tg – tw, C U,V I,A 185 38,7 146,3 3,2 0,26 190 39,0 151,0 3,4 0,28 200 39,5 160,5 3,5 0,30 210 40,0 170,0 3,6 0,31 220 41,2 178,8 3,8 0,32 224 42,0 182,0 3,9 0,33 230 45,0 185,0 3,9 0,33 260 47,5 212,5 4,0 0,35 270 49,0 221,0 4,1 0,37 282 51,0 231,0 4,2 0,39 Theo kết quả đã công bố, ta thấy rằng khi nhiệt độ chênh lệch giữa mặt nóng và mặt lạnh của mô-đun TEG đạt trên 200OC TEG bắt đầu cho điện áp từ 4,0V đến 4,2V. Như vậy với nhiệt độ này chúng ta có thể mắc nối tiếp nhiều mô-đun TEG để có được mức điện áp cao hơn sử dụng cho các phụ tải trên ô tô. 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. Thứ nhất, Douglas T. và cộng sự [3] 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. Hình 1. 1: Mặt cắt cấu trúc bộ thu nhiệt[3] GV-ThS Lê Quang Vũ 3
10. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 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 1.2. Hình 1. 2: Đặc tuyến kết quả nghiên cứu của Douglas T. [3] 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, 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, Gregory P. Meisner [4] 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. Hình 1. 3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện của Meisner [4] GV-ThS Lê Quang Vũ 4
11. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 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 1.3. 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. 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 mô-đun vật liệu Skutterudite và vùng cuối gần cửa ra bố trí các mô-đun vật liệu Bi-Te có đặc tuyến làm việc như Hình 1.4. Hình 1. 4: Đặc tuyến làm việc của các chất bán dẫn[4] 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[4] GV-ThS Lê Quang Vũ 5
12. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 Tuy nhiên, Meisner 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. Năm 2001, Jihad G. Haidar [5] 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[5] 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[5] 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. Năm 2010, Kalyan k. Srinivasan và cộng sự [6] sử dụng nguồn nhiệt khí xả cấp nhiệt cho nồi hơi chạy turbine kéo máy phát điện như được mô tả ở Hình 1.8. GV-ThS Lê Quang Vũ 6
13. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 Hình 1. 8: Bố trí thí nghiệm và thông số kỹ thuật[5] 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. Bên cạnh đó, Turbine hoạt động với áp suất cao trong khi ô tô chuyển động với những chấn động lớn hay va chạm gây nổ bình chứa hơi nên mức độ an toàn thấp. 1.1.3. Những vấn đề còn tồn tại Trong thời điểm hiện tại, mặc dù đã có một số đề tài trong và ngoài nước nghiên cứu về các vấn đề liên quan và đã đạt được một số thành công nhất định. Tuy nhiên, các đề tài đó còn có nhiều giới hạn mà chưa thể ứng dụng kết quả lên trên các xe hiện hành. Với các đề tài sử dụng mô-đun TEG của bộ năng lượng Hoa Kỳ mặc dù cho kết quả tương đối khả quan nhưng chỉ mang tính chất trong phòng thí nghiệm, vấn đề giải quyết chỉ là vật liệu TEG mà chưa có thông số ứng dụng trên các động cơ cụ thể và tỷ lệ thu hồi so với tiềm năng chưa cao. Bên cạnh đó kinh phí và thời gian nghiên cứu rất nhiều. GV-ThS Lê Quang Vũ 7
14. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 Với phương án sử dụng một chu trình hơi nước để thu hồi nhiệt mặc dù đạt được kết quả thu hồi cao nhưng vấn đề bảo đảm an toàn về cháy nổ trên xe không được đề cập. Với phươn án này chỉ phù hợp cho động cơ tỉnh tại và động cơ trên các phương tiện giao thông đường thuỷ. Các đề tài gần như chưa thực nghiệm kết quả thu được cho các chế độ và phạm vi hoạt động của động cơ ô tô, chưa có khâu kết nối giữa năng lượng thu được và hệ thống trên xe, chưa có thông số cho từng loại động cơ có dung tích xy lanh khác nhau. 1.2. Mục đích của đề tài - Ứng dụng công nghệ TEG chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn - Nghiên cứu nhiệt lượng phát thải trên động cơ đốt trong - Nghiên cứu các phương án thu hồi nhiệt phát thải ứng dụng cho động cơ ô tô - Nghiên cứu hiệu ứng nhiệt điện 1.4. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập và tham khảo tài liệu - Phương pháp mô hình hoá và mô phỏng trên máy tính - Phương pháp thực nghiệm GV-ThS Lê Quang Vũ 8
15. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 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 của 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 đề tài ước lượng các thông số hoạt động của khí xả như sau [7]. Nhiệt lượng do khói thải động cơ thải ra ngoài được tính theo công thức 2.1 dưới đây. Qe Ge.C pe .Te (2.1) Trong đó : Ge - Lưu lượng khói thải từ động cơ đốt trong [kg/s] O Cpe - Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp của khói thải [kJ/kg K] 0 Te - 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) (2.2) Trong đó: Gt - Lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/h], Gt = ge.Ne [kg/h] ge - Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/kWh] theo định mức ở công suất định mức. Ne - Công suất định mức của động cơ α1 - Hệ số dư lượng không khí thực tế, α1 = Gtt/ Glt Gtt, Glt - Lượng không khí thực tế và lý thuyết để đốt cháy lượng nhiên liệu phun vào xylanh [Kg] G0 - Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg nhiên liệu [Kg] GV-ThS Lê Quang Vũ 9
16. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 Trong các thông số trên, Cpe là đại lượng khó xác định và có độ dao động the 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 Hình 2.1 sau đây. Hình2. 1:Thành phần khí xả động cơ xăng[8] 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% [8] nên ta xem toàn bộ là CO. Với động cơ Diesel, ở các chế độ cháy khác nhau ta có thành phần khí xả khác nhau. Tuy nhiên trong điều kiện tỷ lệ hoà khí và buồng cháy hợp lý ta có thành phần khí xả như trong Hình 2.2 sau. Hình2. 2: Thành phần khí xả động cơ Diesel[8] 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 GV-ThS Lê Quang Vũ 10
17. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 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.[9] 푅 C = µ ( + . + . 2 + . 3 + 푒. 4) (2.3) p µ Trong đó: µ - Khối lượng 1 kmol chất khí. Rµ - Hằng số phổ biến chất khí. T - Nhiệt độ n C = 퐾 (2.4) pe i=1 𝑖 𝑖 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 [10] Truyền nhiệt là quá trình trao đổi nhiệt năng từ vật hay môi trường có nhiệt độ cao sang vật môi trường có nhiệt độ thấp. Nhiệt năng trao đổi trong quá trình truyền nhiệt gọi là nhiệt lượng. Quá trình truyền nhiệt là quá trình phức tạp xẩy ra đồng thời ba phương thức cơ bản là dẫn nhiệt, tỏa nhiệt và bức xạ nhiệt 2.2.1. Dẫn nhiệt Dẫn nhiệt là một dạng truyền nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp do sự truyền động năng hoặc va chạm của các phần tử hay nguyên tử. Định luật về dẫn nhiệt được nghiên cứu đầu tiên bởi Biot dựa trên cơ sở quan sát thực nghiệm nhưng mang tên sau này là tên của nhà toán lý Joseph Fourier. Mật độ dòng nhiệt truyền qua bằng phương thức dẫn nhiệt theo phương quy định tỷ lệ thuận với diện tích vuông góc với phương truyền và građien nhiệt độ theo phương ấy. Ví dụ dòng nhiệt theo phương X, định luật Fourier thể hiện như công thức 2.5 sau. ∂T Q = - λF (2.5a) x ∂x GV-ThS Lê Quang Vũ 11
18. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 Q ∂T q = x - λ (2.5b) x F ∂x Trong đó: Qx - Dòng nhiệt truyền qua diện tích F [J/s] 2 qx - Mật độ dòng nhiệt [W/m ] F - D tích bề mặt truyền nhiệt [m2] λ - Hệ số dẫn nhiệt của vật [W/mK] Trong công thức trên, λ là thông số vật lý đặc trưng cho khả năng dẫn nhiệt của vật liệu hay môi trường, là một hệ số phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ xác định từ thực nghiệm. Trong thực nghiệm, λ [W/m K] được tìm theo công thức 2.6 sau. | q | λ = (2.6) | gradT | Thực nghiệm chứng tỏ rằng hầu hết các vật liệu ở dạng rắn, hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc nhiệt độ theo quan hệ đường thẳng như công thức sau. λ = λ 0(l + bt) (2.7) Trong đó: O λ0 - Hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ 0 C b - hằng số xác định bằng thực nghiệm. Trong tính toán thực tế có thể xem hệ số dẫn nhiệt là một hằng số tương ứng với nhiệt độ trung bình của nhiệt độ giới hạn hai đầu. Đối với chất khí, hầu hết các chất khí khi nhiệt độ của nó cách xa nhiệt độ tới hạn và áp suất tương đôi bé, có thể gần đúng xem như khí lý tưởng. Theo thuyết động học phân tử, trong diều kiện áp suất và nhiệt độ bình thường, sự truyền nhiệt năng bằng dẫn nhiệt trong chất khí được xác định bởi sự truyền động năng phân tử chuyển động hỗn loạn và sự va chạm của các phân tử chết khí. Hệ số dẫn nhiệt được xác định theo biểu thức: 1 휆 = 휔 . 푙. . 𝜌 (2.8) 3 푣 GV-ThS Lê Quang Vũ 12
19. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 Trong đó: ω - Tốc độ toàn phương trung bình của phân tử khí 푙 - Khoảng đường tự do trung bình của phân tử khí Cp - Nhiệt dung riêng đẳng tích của chất khí ρ - Khối lượng riêng của chất khí Tốc độ toàn phương trung bình của các phân tử khí phụ thuộc nhiệt độ theo công thức sau: 3푅 휔 = µ (2.9) µ Trong công thức 2.9: Rµ - Hằng số phổ biến của chất khí, bằng 8314,1 [J/kmolK] µ - Phân tử lượng của khí T - Nhiệt độ khí [K] Khi nhiệt độ tăng, nhiệt dung riêng của khí tăng, do đó hệ số dẫn nhiệt cũng tăng. Hệ số dẫn nhiệt của khí nằm trong giới hạn λ = 0,006 ÷ 0,6 [W/mK]. 2.2.2. Truyền nhiệt đối lưu Khi chất lỏng chảy qua bề mặt vật rắn có sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt Tw và môi trường chất lỏng Tf, giữa bề mặt và chất lỏng sẽ có quá trinh trao đổi nhiệt được gọi là quá trình trao dổi nhiệt đối lưu. Sự truyền nhiệt xảy ra trong trường hợp này là do hệ quả của sự chuyển dịch tương đối giữa bề mặt và chất lỏng đồng thời với sự chênh lệch nhiệt độ. Nếu sự chuyển dich của chất lỏng là do nhân tạo thì quá trình truyền nhiệt này được gọi là trao đổi nhiệt đối lưu cưỡng bức. Nếu sự chuyển dộng của chất lỏng được tạo nên bởi lực nâng, do sự chênh lệch khối lượng riêng thì quá trình được gọi là trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên. Để xác định nhiệt lượng trong quá trình trao đổi nhiệt đối lưu cưởng bức ta có công thức sau. Q = αF(Tw - Tf) (2.10) Trong đó: Q - Dòng nhiệt [W] GV-ThS Lê Quang Vũ 13
20. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 α - Cường độ trao đổi nhiệt[W/m2K] Tw - Nhiệt độ bề mặt vật rắn[K] Tf - Nhiệt độ trung bình của chất lỏng [K] Tính toán giải tích một cách hoàn thiện để tìm α là vấn đề rất phi phức tạp, do đó nghiên cứu bằng thực nghiệm đã đóng một vai trò rất bứt quan trọng trong quá trình nghiên cứu này. Mặc dù α có thể được sẽ tính toán bằng giải tích một cách hoàn thiện với dòng chất lỏng chảy tầng trên các bề mặt vậtt có hình dáng hình học đơn giản nhưng nghiên cứu thực nghiệm vẫn rất quan trọng dể kiểm chứng lại kết quả lý thuyết và đánh giá mức độ hoàn thiện của các công thức này. 2.3. Hiệu ứng nhiệt điện và các mô-đun nhiệt điện 2.3.1. Hiệu ứng nhiệt điện Các hiệu ứng nhiệt điện chuyển đổi trực tiếp nhiệt thành điện và ngược lại. Thiết bị nhiệt điện tạo ra điện áp khi có một nhiệt độ chênh lệch đặt vào hai đầu mối nối. Ngược lại, khi một điện áp được đặt vào sẽ tạo ra một sự chênh lệch nhiệt độ. Ở quy mô nguyên tử, nhiệt độ chênh lệch tạo ra hiện tượng các hạt mang điện trong vật liệu khuếch tán từ mặt nóng sang bên mặt lạnh. Hiệu ứng này có thể được sử dụng để tạo ra điện, đo nhiệt độ hoặc thay đổi nhiệt độ của các đối tượng. Với hệ thống sưởi và làm mát được xác định bởi sự phân cực của điện áp, thiết bị nhiệt điện có thể được sử dụng như bộ điều khiển nhiệt độ. Hiệu ứng nhiệt điện bao gồm ba hiệu ứng xác định riêng biệt bao gồm hiệu ứng Seebeck, hiệu ứng Peltier, và hiệu ứng Thomson. Trong đó quan trọng nhất là hai hiệu ứng Seebeck và Peltier nên một số tài liệu gọi là hiệu ứng Peltier-Seebeck. Hai hiệu ứng này được khám phá bởi hai nhà vật lý người Pháp Jean Charles Athanase Peltier, Baltic và nhà vật lý người Đức Thomas Johann Seebeck. Trong khi hiệu ứng Thomson nói đến nhiệt sinh ra khi có một dòng điện chạy qua dây dẫn có điện trở thì hiệu ứng Peltier-Seebeck kể đến dòng điện sinh ra khi vật liệu tải một nhiệt lượng băng qua. Các hiệu ứng Peltier- Seebeck và Thomson là các hiệu ứng nhiệt động đảo ngược. Hiệu ứng Seebeck là việc chuyển đổi nhiệt trực tiếp nhiệt thành điện dựa vào sự khác biệt nhiệt độ và được đặt tên theo nhà vật lý phát minh ra nó là Thomas GV-ThS Lê Quang Vũ 14
21. Đề tài NCKH cấp Trường MS:T2015-51 Johann Seebeck người Đức. Năm 1821, ông phát hiện ra một kim la bàn bị lệch khi đặt trong một vòng khép kín tạo thành bởi hai kim loại khác nhau có sự khác biệt nhiệt độ giữa các mối nối. Điều này xẩy ra là do các kim loại phản ứng khác nhau với sự khác biệt nhiệt độ, tạo ra một dòng kiện khép kín và sinh ra từ trường làm lệch kim la bàn. Seebeck đã không nhận ra có một dòng điện có liên quan, vì vậy phát hiện của ông được gọi là hiện tượng hiệu ứng thermomagnetic. Sau đó nhà Vật lý người Đan Mạch Hans Christian Orsted đã đặt tên cho hiệu ứng này bằng thuật ngữ nhiệt điện. Hiệu ứng Seebeck có thể mô tả ngắn gọn đó là một mối nối kim loại vào hai vùng nhiệt độ khác nhau thì giữa hai mối nối xuất hiện một suất điện động. Suất điện động sinh ra trong hiệu ứng Seebeck có công thức sau[11]. Eemf = - S.ΔT (2.11) Trong đó: S - Hệ số Seebeck phụ thuộc vào vật liệu. ΔT - Chênh lệch nhiệt độ giữa bên nóng và bên lạnh Hệ số Seebeck của vật liệu thường có sự thay đổi theo nhiệt độ, và phụ thuộc rất nhiều vào các thành phần của vật liệu. Hiệu ứng Peltier là sự nóng lên hoặc lạnh đi tại một mối nối của hai dây dẫn khác nhau khi cho một dòng điện chạy qua và được đặt tên theo nhà vật lý người Pháp Jean Charles Athanase Peltier, người phát hiện ra nó vào năm 1834. Khi có một dòng điện được lưu thông qua một mối nối giữa hai dây dẫn A và B, sự chênh lệch nhiệt độ có thể được tạo ra. Nhiệt lượng Peltier tạo ở mối nối trong mỗi đơn vị thời gian Q được tính theo công thức sau[11]. Q = (πA-πA)I (2.12) Trong đó: IIA, IIB - Hệ số Peltier của dây dẫn A và B I - Dòng điện từ A đến B. GV-ThS Lê Quang Vũ 15
22. S K L 0 0 2 1 5 4