Luận văn Nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT TỪ KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 S K C0 0 4 3 8 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT TỪ KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC - 605246 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
3. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ QUANG VŨ NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY PHÁT NHIỆT ĐIỆN SỬ DỤNG NGUỒN NHIỆT TỪ KHÍ XẢ ĐỘNG CƠ NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC – 605246 Hướng dẫn khoa học: PGS. TS. ĐỖ VĂN DŨNG Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2014
4. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Lê Quang Vũ Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 10/07/1984 Nơi sinh: Hà Tĩnh Quê quán: Hà Tĩnh Dân tộc: Kinh Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Khoa CKĐ, ĐHSPKT Tp.HCM Điện thoại cơ quan: 08 38968641 Điện thoại nhà riêng: 0973 777077 Fax: E-mail: Vulq@hcmute.edu.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Đại học Chính quy Thời gian đào tạo từ 9/2002 đến 4/2007 Nơi học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Cơ Khí Động Lực Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: “Nghiên cứ u chế taọ ECU điều khiển phun xăng đánh lửa cho động cơ xe gắn máy” Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: tháng 02/2007 Người hướng dẫn: PGS.TS Đỗ Văn Dũng III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Khoa Cơ Khí Động Lực, trường 2007 đến nay Cán Bộ Giảng Dạy ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ I
5. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2014 (Ký tên và ghi rõ họ tên) GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ II
6. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành luận văn tốt nghiệp này, tác giả xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô khoa Cơ Khí Động Lực, Phòng Quản Lý Khoa Học và Quan Hệ Quốc Tế đã tận tình giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành luận văn. Xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của Thầy PGS.TS Đỗ Văn Dũng đã giúp em hoàn thành luận văn một cách thuận lợi. Thầy đã luôn bên cạnh để đóng góp và sửa chữa những thiếu sót, khuyết điểm em mắc phải và đề ra hướng giải quyết tốt nhất từ khi em nhận đề tài luận văn đến khi hoàn thành. Xin chân thành cảm ơn Thầy TS Lê Thanh Phúc đã có nhiều góp ý cho các bài báo khoa học đã công bố. Xin chân thành cảm ơn Thầy phản biện đã dành thời gian và công sức để đọc và đóng góp ý kiến quý báu giúp em hoàn thiện nội dung của đồ án luận văn. Một lần nữa tác giả xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các thầy cô. Tác giả cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã ủng hộ, động viên tinh thần giúp tác giả hoàn thành luận văn. Xin trân trọng cảm ơn ! TPHCM, ngày tháng năm 2014 Học viên thực hiện Lê Quang Vũ GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ III
7. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ TÓM TẮT Nhiệt năng phát thải qua đường ống xả trên động cơ ô tô là một nguồn năng lượng lãng phí rất lớn diễn ra hằng ngày trên toàn thế giới. Vì vậy việc nghiên cứu thu hồi nguồn năng lượng này đang được các nhà khoa học cũng như các phòng thí nghiệm quốc gia của nhiều nước tiên tiến và các hãng ô tô như Toyota, GM đặt làm mục tiêu hàng đầu cho chiến lược phát triển. Theo những nghiên cứu gần đây, khoảng 40% năng lượng từ quá trình cháy trong buồng đốt của động cơ đốt trong phát thải ra môi trường bên ngoài dưới dạng nhiệt năng của khói thải gây ô nhiễm môi trường. Đề tài: “ Nghiên cứu chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ ” ứng dụng hiệu ứng Seebeck chế tạo máy phát nhiệt điện sử dụng nguồn nhiệt từ khí xả động cơ. Hệ thống máy phát nhiệt điện được chế tạo dưới dạng mô hình và thử nghiệm trên động cơ 5S-FE tại xưởng Điện ô tô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM. Kết quả thử nghiệm ban đầu cho thấy khi động cơ chạy ở chế độ không tải có thể thu hồi được công suất 30W ở mức điện áp ổn định 14V cung cấp cho hệ thống cấp điện trên ô tô. Bên cạnh đó, hệ thống thu hồi nhiệt có thể giảm bớt nhiệt độ của dòng khí thải khoảng 100OC. Mô hình toán của máy phát cho kết quả tương đối so với thực nghiệm với sai số trong giới hạn chấp nhận được. Tuy nhiên, vì nhiều lý do khác nhau nên đề tài chỉ chế tạo hệ thống thu hồi nhiệt với công suất nhỏ, chưa thu hồi hết tiềm năng của nhiệt phát thải. Đề tài chưa nghiên cứu sâu về quá trình truyền nhiệt và trao đổi nhiệt. Hệ thống chỉ mới thử nghiệm trong điều kiện động cơ chạy không tải. Nhưng sự thành công ban đầu của nghiên cứu này sẽ là tiền đề quan trọng cho quá trình nghiên cứu thu hồi nhiệt phát thải trên ô tô, giảm tiêu hao nhiên liệu hóa thạch và góp phần chống biến đổi khí hậu. GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ IV
8. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ ABSTRACT The heat from exhaust gas which is produced by internal combustion engines is wasted energy in vehicles. Therefore, the study for regenerating this energy is the key research in many overseas laboratories. It is also the important goal that many automakers such as GM, Toyota want to achieve in their products. According to recent studies, the internal combustion engine lost around 40% of the energy in the form of emission heat which caused environmental pollution. In this thesis, “The study on making thermoelectric generator using heat energy from the engine exhaust” by applying the Seebeck effect is presented; this thermoelectric generator converts the waste heat of exhaust gas in the muffler to the electrical power. A thermoelectric generator prototype is built and tested on the 5S- FE engine in the Automobile Electrical workshop at University of Technical Education HCMC. The experiment results when engine ran in the idling mode show that our system generated the electrical energy around 30W, 14Vols. This recovery energy is able to supply for some automotive electrical system. Besides, the heat recovery system can reduce the temperature of the exhaust gas flow about 100oC. The results of mathematical modeling of the thermoelectric generator are similar to the experimental results with a low error. However, as different reasons to the study only built a heat recovery system with small capacity, have not full potential recovery of waste heat. This research has not specialized in heat transfer and heat exchanger. The system has just tested with engine in idling mode. Nevertheless, the initial success of this study is an important prerequisite for the study of heat recovery on automobile emissions, reduce consumption of fossil fuels and contribute to anti climate change. GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ V
9. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ MỤC LỤC Trang Lý lịch khoa học I Lời cam đoan II Lời cảm ơn III Tóm tắt IV Mục lục V Danh mục hình và bảng biểu IX Chƣơng 1 Tổng quan 01 1.1. Tổng quan về máy phát nhiệt điện trên ô tô 01 1.1.1. Tính cấp thiết của đề tài 01 1.1.2. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 01 1.1.3. Những vấn đề còn tồn tại 06 1.2. Mục đích của đề tài 07 1.3. Nhiệm vụ và giới hạn đề tài 07 1.4. Phương pháp nghiên cứu 07 Chƣơng 2 Cơ sở lý thuyết 08 2.1. Nhiệt phát thải trên động cơ đốt trong 08 2.2. Quá trình truyền nhiệt 10 2.2.1. Dẫn nhiệt 10 2.2.2. Truyền nhiệt đối lưu 12 2.3. Hiệu ứng nhiệt điện và các mô-đun nhiệt điện 13 2.3.1. Hiệu ứng nhiệt điện 13 2.3.2. Mô-đun nhiệt điện 15 Chƣơng 3 Ƣớc lƣợng nhiệt lƣợng phát thải của động cơ xăng 17 3.1. Tính toán ước lượng khối lượng khí xả 17 3.2. Xác định các thông số cơ bản của khí xả 18 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ VI
10. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 3.3. Xác định các thông số hoạt động của mô hình thí nghiệm 20 3.4. Thí nghiệm đánh giá mức độ phát thải nhiệt trên động cơ xăng 5S-FE 23 Chƣơng 4 Đánh giá khả năng ứng dụng TEG thu hồi nhiệt thải 25 4.1. Xây dựng mô hình toán mô-đun TEG 25 4.2. Thiết kế, chế tạo bộ thí nghiệm 27 4.2.1. Thiết kế bộ trao đổi nhiệt cho 1 mô-đun TEG 27 4.2.2. Chế tạo và lắp đặt mô hình thí nghiệm 28 4.3. Thực nghiệm thu thập dữ liệu 29 4.3.1. Sơ đồ khối bố trí thí nghiệm 29 4.3.2. Thí nghiệm thu thập dữ liệu mô-đun TEG 30 Chƣơng 5 Thiết kế chế tạo mô hình máy phát kiểu nhiệt điện 35 5.1 Thiết kế phần cơ khí 35 5.1.1. Bộ thu hồi nhiệt khói thải 35 5.1.2. Bộ phận làm mát cho thiết bị nhiệt điện 37 5.1.3. Bộ phận chuyển đổi nhiệt điện 38 5.2. Chế tạo và thử nghiệm bộ thu hồi nhiệt 40 5.3. Xây dựng mô hình máy phát nhiệt điện 42 5.3.1. Mô hình hóa máy phát nhiệt điện 42 5.3.2. Mô phỏng hệ thống trên máy tính bằng phần mềm Matlab 45 5.4. Thiết kế, chế tạo hệ thống điều khiển và kiểm soát máy phát điện 49 5.4.1. Thiết kế mạch điều khiển điện áp 49 5.4.2. Thiết lập hệ thống thu thập dữ liệu 56 Chƣơng 6 Thực nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện 59 6.1. Mục tiêu thực nghiệm 59 6.2. Thiết bị thực nghiệm 59 6.3. Kết quả thực nghiệm 60 6.3.1. Thực nghiệm các thông số chuyển đổi nhiệt điện 60 6.3.2. Thực nghiệm mạch chuyển đổi điện áp 65 6.3.3. Thực nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện 67 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ VII
11. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 6.4. Kết luận của thực nghiệm 71 Kết luận 72 Tài liệu tham khảo 74 Phụ lục 76 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ VIII
12. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ DANH MỤC HÌNH VÀ BẢNG BIỂU Trang Hình 1.1: Mặt cắt cấu trúc bộ thu nhiệt của Douglas 02 Hình 1.2: Đặc tuyến kết quả nghiên cứu của Douglas 03 Hình 1.3: Bộ chuyển đổi nhiệt điện của Meisner 03 Hình 1.4: Đặc tuyến làm việc của các chất bán dẫn 04 Hình 1.5: Bố trí cặp nhiệt điện và phân bố nhiệt độ khí xả 04 Hình 1.6: Phân phối năng lượng trên động cơ đốt trong 05 Hình 1.7: Đặc tuyến công suất theo nhiệt độ 05 Hình 1.8: Bố trí thí nghiệm và thông số kỹ thuật 06 Hình 2.1:Thành phần khí xả động cơ xăng 09 Hình 2.2: Thành phần khí xả động cơ Diesel 09 Hình 2.3:Cấu trúc mô-đun nhiệt điện 16 Hình 3.1: Mô hình tính toán lượng khí xả 17 Hình 3.2: Toàn cảnh thí nghiệm thu thập dữ liệu khí xả động cơ 20 Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống thu thập dữ liệu 21 Hình 3.4: Giản đồ xung phun xăng 21 Hình 3.5: Đặc tuyết cảm biến Lambda 21 Hình 3.6: Mạch thu thập và xử lý dữ liệu 22 Hình 3.7: Lưu đồ giải thuật thu thập dữ liệu 22 Hình 3.8: Giao diện thu thập dữ liệu 23 Hình 3.9: Bố trí thí nghiệm 23 Hình 3.10: Tín hiệu đã qua xử lý của cảm biến lambda 24 Hình 4.1: Mô hình mô-đun TEG 25 Hình 4.2: Hình chụp mô-đun HTG1-12710 27 Hình 4.3: Bộ thí nghiệm mô-đun HTG1-12710 27 Hình 4.4: Đầu dò nhiệt độ loại K 28 Hình 4.5: Bộ trao đổi nhiệt thí nghiệm mô-đun HTG1-12710 28 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ IX
13. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Hình 4.6: Bộ kiểm soát nhiệt độ WINPARK CHB-401 29 Hình 4.7: Đầu đo nhiệt độ từ xa Fluke 62 mini 29 Hình 4.8: Bố trí thí nghiệm thu thập dữ liệu 29 Hình 4.9: Thu thập dữ liệu trong khi làm thí nghiệm 30 Hình 4.10: Đặc tuyến điện áp theo chênh lệch nhiệt độ của HTG1-12710 32 Hình 4.11: Đặc tuyến US và UL theo Th của HTG1-12710 32 Hình 4.12: Đặc tuyến PL theo Th ở các mức Tc của HTG1-12710 33 O Hình 4.13: Đặc tuyến PL theo RL với Th=200 C ở các mức Tc của HTG1-12710 33 Hình 4.14: Đặc tuyến TEG trong điều kiện áp dụng thu hồi nhiệt thải 34 Hình 5.1: Kết cấu thiết kế bộ phận thu hồi nhiệt máy phát nhiệt điện 35 Hình 5.2: Tiết diện cắt ngang của bô thu hồi nhiệt 35 Hình 5.3: Thân bộ thu nhiệt 36 Hình 5.4: Tấm thu hồi nhiệt 36 Hình 5.5: Kết cấu bộ phận giải nhiệt 37 Hình 5.6: Tiết diện cắt ngang của bộ tản nhiệt 37 Hình 5.7: Bố trí hệ thống két nước giải nhiệt 38 Hình 5.8: Mãng vật liệu nhiệt điện 38 Hình 5.9: Bộ phận chuyển đổi nhiệt điện 39 Hình 5.10: Kết cấu máy phát nhiệt được thiết kế 39 Hình 5.11: Bộ phận giải nhiệt của máy phát nhiệt điện 40 Hình 5.12: Máy phát nhiệt điện sau khi gia công 40 Hình 5.13: Toàn cảnh thử nghiệm hệ thống trao đổi nhiệt 41 Hình 5.14: Mô hình máy phát nhiệt điện 42 Hình 5.15: Đặc tuyến công suất và điện áp theo nhiệt độ mặt nóng 45 Hình 5.16: Đặc tuyến lưu lượng bơm nước theo nhiệt độ 45 Hình 5.17: Đặc tuyến công suất và điện áp theo nhiệt độ mặt nóng 46 Hình 5.18: Đặc tuyến lưu lượng bơm nước theo nhiệt độ 46 Hình 5.19: Đặc tuyến công suất và điện áp theo nhiệt độ mặt nóng 47 Hình 5.20: Đặc tuyến lưu lượng bơm nước theo nhiệt độ 47 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ X
14. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Hình 5.21: Đặc tuyến công suất cả ba chế độ kết nối 48 Hình 5.22: Đặc tuyến công suất và tản nhiệt theo tải 48 Hình 5.23: Đặc tuyến công suất và điện áp theo tải 49 Hình 5.24: Sơ đồ khối mạch kiểm soát và điều khiển điện áp máy phát nhiệt điện . 50 Hình 5.25:: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn 50 Hình 5.26 Mạch cấp nguồn cho hệ thống 51 Hình 5.27 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi chế độ 51 Hình 5.28 Mạch chuyển đổi điện áp công suất 52 Hình 5.29 Board mạch chuyển đổi điện áp công suất 52 Hình 5.30 Mô hình mạch chuyển đổi điện áp 53 Hình 5.31 Đặc tuyến dòng điện ngõ ra theo ngõ vào bộ chuyển đổi 54 Hình 5.32 Đặc tuyến các thông số bộ chuyển đổi điện áp 54 Hình 5.33 mạch phân áp tín hiệu điện áp 55 Hình 5.34 Mạch đo dòng sử dụng IC ASC712ELCTR-05B 55 Hình 5.35 Mạch điện điều khiển và kiểm soát máy phát nhiệt điện 56 Hình 5.36 Card thu thập dữ liệu NI-6009 56 Hình 5.37: Hệ thống điều khiển và kiểm soát thông số máy phát 57 Hình 5.38: Giao diện hiển thị thông tin thu thập dữ liệu máy phát nhiệt điện 57 Hình 5.39: Khối Block Diagram chương trình thu thập dữ liệu 58 Hình 6.1: Bảng thu thập và hiển thị nhiệt độ 59 Hình 6.2: Thử nghiệm hệ thống máy phát nhiệt điện 60 Hình 6.3: Thí nghiệm đánh giá khả năng phát điện của máy phát nhiệt điện 60 Hình 6.4: Thí nghiệm đánh giá khả năng phát điện của máy phát nhiệt điện 61 Hình 6.5: Bảng giá trị nhiệt độ khi công suất máy phát đạt gần 20W 61 Hình 6.6: Quá trình chuyển đổi ghép nối các mô-đun nhiệt điện 62 Hình 6.7: Chuyển đổi đồng hồ đo Twin thành Th 63 Hình 6.8: Đồ thị so sánh thực nghiệm với mô hình toán ở chế độ đấu song song 64 Hình 6.9: Thí nghiệm đánh giá khả năng phát điện của máy phát nhiệt điện 65 Hình 6.10: Dữ liệu thí nghiệm chuyển đổi điện áp của bộ điều khiển điện áp 66 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ XI
15. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ Hình 6.11: Đặc tuyến các thông số quá trình thử nghiệm mạch tăng áp 66 Hình 6.12: Đặc tuyến các thông số quá trình thử nghiệm mạch ổn áp 67 Hình 6.13: Đặc tuyến trạng thái 1 quá trình thử nghiệm máy phát nhiệt điện 68 Hình 6.14: Đặc tuyến trạng thái 2 quá trình thử nghiệm máy phát nhiệt điện 68 Hình 6.15: Thử nghiệm khả năng xạc ác quy của máy phát 69 Hình 6.16: Thông số trạng thái 1 của hệ thống khi xạc ác quy 69 Hình 6.17: Thông số trạng thái 2 của hệ thống khi xạc ác quy 70 Hình 6.18: Thông số trạng thái 3 của hệ thống khi xạc ác quy 70 Hình 6.19: Thông số trạng thái 4 của hệ thống khi xạc ác quy 71 Bảng 1.1: Kết quả thử nghiệm TEG trên động cơ Toyota 7KE 02 Bảng 3.1:Tỷ lệ khối lượng thành phần khí xả động cơ xăng 18 Bảng 3.2:Thông số kim phun xăng ở 25OC 19 Bảng 3.3:Thông số kỹ thuật của động cơToyota 5S-FE 20 Bảng 4.1:Thông số thí nghiệm xác định thông số mô-đun TEG 30 Bảng 4.2: Bảng số liệu xác định hàm hồi S=f(∆T) 31 Bảng 5.1: Dữ liệu thí nghiệm đánh giá bộ trao đổi nhiệt 41 Bảng 6.1: Bảng thực nghiệm quá trình chuyển đổi nhiệt điện 63 Bảng 6.2: Bảng tính xác định hệ số hiệu chỉnh khc 64 GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ XII
16. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 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. GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 1
17. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 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] GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 2
18. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 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] GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 3
19. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 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] GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 4
20. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 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. GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 5
21. Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật Tp.HCM Luận văn Thạc Sĩ 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. GVHD: PGS-TS Đỗ Văn Dũng HVTH: Lê Quang Vũ 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4