Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khíthải của động cơ đốt trong để chưng cất nước gọt từ nước biển sử dụng trên cáctàu đánh bắt xa bờ của việt nam 1
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.34 MB, 133 trang )
LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phịng Đào tạo,
Viện Cơ khí động lực và Bộ môn Động cơ đốt trong đã cho phép tôi thực hiện luận
án tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Xin cảm ơn Phòng Đào tạo và Viện Cơ
khí Động lực về sự hỗ trợ và giúp đỡ trong suốt q trình tơi làm luận án.
Tơi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Khổng Vũ Quảng và PGS.TS Nguyễn Thế
Lương đã hướng dẫn tôi hết sức tận tình và chu đáo để tơi có thể thực hiện và hồn
thành luận án.
Tơi xin chân thành biết ơn Q thầy, cô Bộ môn và Trung tâm nghiên cứu Động
cơ, nhiên liệu và khí thải - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội luôn giúp đỡ và dành
cho tôi những điều kiện hết sức thuận lợi để hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban chủ nhiệm đề tài B2017-BKA39 đã đồng ý cho
tôi sử dụng một số kết quả nghiên cứu của đề tài để làm luận án.
Tôi xin cảm ơn Ban Giám hiệu Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội, Ban chủ
nhiệm Trung tâm Công nghệ Ơ tơ và Đào tạo lái xe và các thầy, cô trong Trung tâm
đã hậu thuẫn và động viên tơi trong suốt q trình nghiên cứu học tập.
Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến các thầy phản biện, các thầy trong hội
đồng chấm luận án đã đồng ý đọc duyệt và góp ý kiến quý báu để tơi có thể hồn
chỉnh luận án này và định hướng nghiên cứu trong tương lai.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình và bạn bè, những người
đã động viên, khuyến khích tơi trong suốt thời gian nghiên cứu và thực hiện cơng
trình này.
Nghiên cứu sinh
Vũ Minh Diễn
ii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN
ii
MỤC LỤC iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ix
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ x
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU xiv
MỞ ĐẦU
1
i. Lý do chọn đề tài................................................................................................1
ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án...................................................2
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu....................................................................2
iv. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................3
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn..........................................................................3
vi. Điểm mới của Luận án.....................................................................................3
vii. Bố cục của Luận án.........................................................................................4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
5
1.1. Tổng quan hiệu suất có ích của động cơ và nguồn năng lượng nhiệt nước làm
mát và nhiệt khí thải..............................................................................................5
1.2. Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để nâng cao hiệu suất
nhiệt của hệ động lực............................................................................................6
1.2.1.Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén
6
1.2.2. Sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC) 7
1.2.3. Nhiệt điện (Thermoelectric Generation - TEG)
7
1.2.4. Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi 9
1.2.5. Nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ từ nhiệt nước làm mát
9
1.3. Nhu cầu sử dụng nước ngọt và các phương pháp chưng cất nước ngọt từ
nước biển............................................................................................................. 10
1.3.1. Thực trạng nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu biển 10
1.3.2. Tính chất hóa lý của nước biển
11
1.3.3. Các giải pháp công nghệ tạo nước ngọt từ nước biển hiện nay 12
1.4. Các nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel
trên tàu biển.........................................................................................................20
1.4.1. Các nghiên cứu trên thế giới 20
1.4.2. Các nghiên cứu trong nước 23
1.5. Hướng tiếp cận và nội dung nghiên cứu của luận án....................................25
1.6. Kết luận chương 1........................................................................................25
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
27
iii
2.1. Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết kế hệ thống...................................................27
2.1.1. Nghiên cứu xây dựng cấu hình hệ thống 27
2.1.2. Xây dựng lưu đồ các bước tính tốn thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR......28
2.2. Cơ sở tính tốn xác định nhiệt lượng nước làm mát và khí thải của ĐCĐT
trong phần mềm AVL-Boost................................................................................30
2.2.1. Giới thiệu phần mềm AVL – Boost 30
2.2.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trên phần mềm AVL – Boost 31
2.3. Cơ sở tính tốn thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải
của ĐCĐT...........................................................................................................33
2.3.1. Két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR
33
2.3.2. Két thu hồi nhiệt khí thải, EHR
39
2.4. Cơ sở tính tốn thiết kế bộ hóa ẩm - ngưng tụ (HDH)..................................44
2.4.1. Q trình trao đổi nhiệt trong bình hóa ẩm 45
2.4.2. Quá trình trình trao đổi nhiệt trong bình ngưng tụ 53
2.5. Cơ sở tính tốn các thiết bị phụ của hệ thống...............................................56
2.5.1. Tổn thất áp suất ma sát, Δpm 56
2.5.2. Tổn thất áp suất cục bộ, Δpc 57
2.5.3. Tổn thất áp suất gia tốc, Δpg 57
2.5.4. Tổn thất áp suất trọng trường, Δpo 57
2.6. Cơ sở lý thuyết tính q trình trao đổi nhiệt trong phần mềm Ansys Fluent.57
2.6.1. Giới thiệu phần mềm Ansys Fluent 57
2.6.2. Cơ sở lý thuyết mô phỏng trong phần mềm Ansys Fluent 58
2.7. Kết luận chương 2........................................................................................61
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU, TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHƯNG
CẤT 63
3.1. Xây dựng sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển.......................63
3.2. Xây dựng mơ hình động cơ D243 trên phần mềm AVL-Boost.....................64
3.2.1. Giới thiệu về động cơ D243 64
3.2.2. Xây dựng mô hình động cơ D243 trên AVL-Boost 66
3.2.3. Đánh giá độ tin cậy của mơ hình
66
3.2.4. Chạy mơ phỏng và phân tích đánh giá kết quả tại các đặc tính bộ phận
của động cơ 67
3.3. Tính tốn, thiết kế các thiết bị trong hệ thống..............................................72
3.3.1. Tính tốn, thiết kế và mơ phỏng két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR
72
3.3.2. Tính tốn, thiết kế và mơ phỏng két thu hồi nhiệt khí thải, EHR 78
3.3.3. Tính tốn, thiết kế bộ hóa ẩm – ngưng tụ kiểu HDH
85
3.5. Kết luận chương 3........................................................................................88
CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 90
iv
4.1. Mục tiêu và phạm vi thực nghiệm................................................................90
4.2. Sơ đồ và trang thiết bị thực nghiệm..............................................................90
4.2.1. Sơ đồ bố trí thực nghiệm
90
4.2.2. Trang thiết bị thực nghiệm 92
4.3. Quy trình thực nghiệm.................................................................................96
4.3.1. Chuẩn bị, lắp đặt, hiệu chỉnh động cơ và hệ thống trên băng thử 96
4.3.2. Các chế độ chạy thực nghiệm 97
4.4. Kết quả thực nghiệm....................................................................................98
4.4.1. Ảnh hưởng của hệ thống chưng cất đến đặc tính làm việc của động cơ
98
4.4.2. Khả năng thu hồi nhiệt của két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR
99
4.4.3. Khả năng thu hồi nhiệt của két thu hồi nhiệt khí thải, EHR
101
4.4.4. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được của hệ thống
105
4.5. Kết luận chương 4......................................................................................108
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN110
KẾT LUẬN CHUNG........................................................................................110
HƯỚNG PHÁT TRIỂN....................................................................................111
TÀI LIỆU THAM KHẢO 112
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 117
PHỤ LỤC 118
PHỤ LỤC 1. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG AVL-BOOST 1.PL
PHỤ LỤC 2. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KÉT THU HỒI NHIỆT NƯỚC LÀM MÁT
TRÊN ANSYS FLUENT 11.PL
PHỤ LỤC 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG KÉT THU HỒI NHIỆT KHÍ THẢI TRÊN
ANSYS FLUENT 16.PL
PHỤ LỤC 4. GIA CÔNG CHẾ TẠO CÁC THIẾT BỊ TRONG HỆ THỐNG
..
…21.PL
PHỤ LỤC 4. ĐỒ THỊ LƯU LƯỢNG NƯỚC NGỌT CHƯNG CẤT ĐƯỢC ..…
31.PL
PHỤ LỤC 5. BẢN VẼ CÁC THIẾT BỊ CHÍNH TRONG HỆ THỐNG
35.PL
v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
STT
Ký hiệu
Tên gọi
Đơn vị
1
ηt
Hiệu suất nhiệt của động cơ
%
2
r
Nhiệt ẩn hóa hơi của nước
kJ/kg
3
Qo
Tổng lượng nhiệt mà động cơ tỏa ra
J/s
4
Qlm
Nhiệt lượng mà động cơ truyền cho nước làm mát
J/s
5
Qd
Nhiệt lượng mà dầu mang đi
J/s
6
Qthải
Lượng nhiệt tổn thất do khí thải
J/s
7
Qch
Lượng nhiệt tổn thất do khí sót
J/s
8
Qcl
Lượng nhiệt tổn thất khác
J/s
9
QH
Nhiệt trị thấp của nhiên liệu
J/kg
10
Gnl
Lượng nhiên liệu tiêu thụ trong một giây tại từng chế độ làm
việc của động cơ
kg/s
11
Ne
Công suất của động cơ tại từng chế độ làm việc
kW
12
Gth
Lưu khối lượng khí thải của động cơ
kg/s
13
Gkk-tt
Lưu lượng khơng khí thực tế nạp vào động cơ
kg/s
14
λ
Hệ số dư lượng khơng khí
15
Lo
Lượng khơng khí lý thuyết cần để đốt cháy hết 1 kg nhiên
liệu
kg/kgnl
16
Cpth
Nhiệt dung riêng đẳng áp của khí thải
J/kg.K
17
Δt
Độ chênh lệch nhiệt độ
0
18
tth
Nhiệt độ của khí thải
0
19
to
Nhiệt độ của mơi chất mới đi vào động cơ
0
20
Gkk
Lưu khối lượng của khơng khí
kg/s
21
Ikk'
Entanpi của khơng khí ở đầu vào thiết bị hóa ẩm
kJ/kg
22
Ikk"
Entanpi của khơng khí ở đầu ra thiết bị hóa ẩm
kJ/kg
23
Gn
Lưu khối lượng của nước phun
kg/s
24
tn'
Nhiệt độ đầu vào của nước phun
0
25
tn"
Nhiệt độ đầu ra của nước phun
0
26
d
Độ chứa hơi của khơng khí ẩm
27
w
Vận tốc của môi chất
m/s
28
M
Hệ số Mach
m/s
29
λdn
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu
-
C
C
C
C
C
kg/kgkk
W/m.K
vi
W/m2.K
30
α
Hệ số trao đổi nhiệt
31
tf
Nhiệt độ của dịng mơi chất
0
32
tw
Nhiệt độ bề mặt của tường tiếp xúc với dịng mơi chất đó
0
33
F
Diện tích truyền nhiệt của thiết bị
m2
34
δ
Độ dày của vách ống trao đổi nhiệt
m
35
υ
Độ nhớt động học của môi chất
m2
36
a
Hệ số dẫn nhiệt độ
m2
37
β
Hệ số giãn nở thể tích
1/K
38
k
Hệ số truyền nhiệt
W/m2.K
39
Nu
Tiêu chuẩn Nusselt
-
40
Re
Tiêu chuẩn Reynold
-
41
Gr
Tiêu chuẩn Grashoff
-
42
Pr
Tiêu chuẩn Prandtl
-
43
D
Đường kích ngồi của ống
m
44
d
Đường kính trong của ống
m
45
lkx
Kích thước xác định của ống thu hồi nhiệt khí xả
m
46
ql
Mật độ dòng nhiệt
47
L
Chiều dài ống
m
C
C
W/m
48
tư
Nhiệt độ nhiệt kế ướt
0
49
ts
Nhiệt độ đọng sương
0
50
Hệ số dính ướt chất lỏng của bề mặt tấm đệm
51
kF
Hệ số truyền nhiệt quy ước tính cho một đơn vị diện tích bề
mặt tấm đệm khi chất lỏng dính ướt tồn bộ bề mặt tấm đệm
W/m2.K
52
µ
Độ nhớt động lực học của khí
N.s/m2
53
f
Bề mặt cho một đơn vị thể tích đệm
m2/m3
54
v
Thể tích tự do của đệm
m3/m3
55
Ar
Tiêu chuẩn Arximed
56
∆tnlm
C
C
-
0
Độ chênh lệch nhiệt độ
C
57
Sm
Khối lượng được thêm vào pha liên tục từ pha khuếch tán thứ
2 (chẳng hạn như do bay hơi…) và các nguồn do người dùng
định nghĩa
58
u
Tốc độ theo phương x
m/s
59
p
Áp suất tĩnh
Pa
vii
-
60
Bx
Lực tác dụng lên đơn vị thể tích theo phương x
61
Vx
Các thành phần nhớt ngoài các thành phần trong div(μgrad u)
62
YM
Hệ số thể hiện sự biến thiên của quá trình giãn nở so với giá
trị trung bình
viii
m/s
-
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ST
Ký hiệu
Diễn tả
T
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
ĐCĐT
RO
NF
CHR
EHR
MSF
MED
Động cơ đốt trong
Reverse Osmosis (Phương pháp thẩm thấu ngược)
Nano Filtration (Lọc Nano)
Cooling Heat Recovery (Két thu hồi nhiệt nước làm mát)
Exhaust Heat Recovery (Két thu hồi nhiệt khí thải)
Multi Stage Flash Distillation (Phương pháp chưng cất đa tầng)
Multiple Effect Distillation (Phương pháp chưng cất kiểu liên hoàn)
Low Temperature Thermal Desalination (Phương pháp khử mặn ở
LTTD
nhiệt độ thấp)
VC
Vapour Compression (Phương pháp chưng cất kiểu nén hơi)
MVC
Mechanical Vapor Compression (Máy nén hơi cơ học)
TVC
Thermal Vapor Compression (Máy nén hơi nhiệt)
Humidification – Dehumidification (Phương pháp chưng cất kiểu hóa
HDH
ẩm – ngưng tụ)
Waste Heat Recovery System (Hệ thống tận dụng nhiệt thừa của động
WHRS
cơ đốt trong)
ĐCT
Điểm chết trên
ED
Electrodialysis (Phương pháp điện phân)
ĐCD
Điểm chết dưới
CFD
Computational Fluid Dynamics (Tính tốn động lực học chất lưu)
DNS
Direct Numerical Simulation (Mơ phỏng số trực tiếp)
LES
Large Eddy Simulation (Mơ phỏng xốy lớn)
RANS/URANS Reynolds Averaged Navier-Stokes Simulation (Mơ hình chảy rối RNS)
SST
Shear Stress Transport Model (Mơ hình dịch chuyển ứng suất)
RSM
Reynolds Stress Model (Mơ hình ứng suất Reynold)
ix
DANH MỤC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Đồ thị phân bố nhiệt của ĐCĐT............................................................................5
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin-máy nén sử dụng trên ĐCĐT.......................6
Hình 1.3. Sơ đồ chu trình ORC [16]......................................................................................7
Hình 1.4. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ để phát điện (TEG) [18]............................8
Hình 1.5. Chất bán dẫn p-n trong thiết bị TEG [18]..............................................................8
Hình 1.6. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt nồi hơi [4]............................................9
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý tận dụng nhiệt từ nước làm mát phục vụ sinh hoạt [4].............10
Hình 1.8. Các tàu khai thác thủy hải sản ở Việt Nam...........................................................11
Hình 1.9. Các cơng nghệ khử muối trên thế giới hiện nay [24]...........................................12
Hình 1.10. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước kiểu MSF [27].................................................13
Hình 1.11. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước biển kiểu MED [29].........................................14
Hình 1.12. Hình sơ đồ chưng cất kiểu LTTD [30]...............................................................14
Hình 1.13. Sơ đồ chưng cất kiểu VC [31]............................................................................15
Hình 1.14. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống chưng cất kiểu HDH [34].................16
Hình 1.15. Nguyên lý khử muối theo phương pháp thẩm thấu ngược RO [45]...................18
Hình 1.16. Sơ đồ nguyên lý hoạt động khử muối theo phương pháp điện phân, ED [46]...19
Hình 1.17. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống tận dụng nhiệt khí thải động cơ để
chạy máy phát điện trên tàu biển [49]..................................................................................20
Hình 1.18. Hiệu suất nhiệt của động cơ khi khơng và có hệ thống tận dụng nhiệt khí thải để
chạy máy phát điện trên tàu biển hãng MAN [49]...............................................................20
Hình 1.19. Thiết bị tạo nước ngọt của hãng Sasakura [50]..................................................21
Hình 1.20. Hệ thống chưng cất nước ngọt kiểu Atlas [51]..................................................21
Hình 1.21. Sơ đồ hệ thống tận dụng nhiệt thải động cơ diesel............................................22
Hình 1.22. Sơ đồ chưng cất nước ngọt tận dụng nhiệt thừa của ĐCĐT trên tàu khách [53]
..............................................................................................................................................23
Hình 1.23. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ gia nhiệt cho nước ngọt [59].................24
Hình 1.24. Nhiệt lượng khí thải cầần để hầm nóng nhiên li ệu CO100 khi đ ộng c ơ làm vi ệc theo
đường đặc tnh ngồi [60]...............................................................................................................24
Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt khí thải
và nước làm mát của động cơ đốt trong...................................................................27
Hình 2.2. Trình tự tính tốn thiết kế hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển...............28
Hình 2.3. Lưu đồ thuật tốn các bước tính tốn thiết bị thu hồi nhiệt CHR, EHR..............29
Hình 2.4 . Thiết bị trao đổi nhiệt dạng tấm..........................................................................33
Hình 2.5. Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vỏ......................................................................34
Hình 2.6. Kết cấu thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống vỏ [63]...................................................34
Hình 2.7. Ảnh hưởng của khoảng các cánh hưởng dòng đến quá trình chuyển động của mơi
chất [66]...............................................................................................................................35
Hình 2.8. Sắp xếp ống theo kiểu hình lục giác đều và kiểu đường trịn đồng tâm [65].......35
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của CHR...................................................................35
Hình 2.10. Truyền nhiệt qua vách trụ một lớp.....................................................................36
x
Hình 2.11. Sự biến thiên nhiệt độ của nước làm mát và nước biển trong CHR...................39
Hình 2.12. Kết cấu các loại cánh trao đổi nhiệt [60]............................................................40
Hình 2.13. Thiết bị tận dụng nhiệt khí thải có cánh [69].....................................................40
Hình 2.14. Mặt cắt ngang của EHR.....................................................................................41
Hình 2.15. Vách có cánh......................................................................................................41
Hình 2.16. Sự biến thiên nhiệt độ của khí thải và nước biển trong EHR.............................44
Hình 2.17. Ngun lý hoạt động của bộ hóa ẩm - ngưng tụ................................................45
Hình 2.18. Đồ thị I-d biểu diễn trạng thái của khơng khí trong bộ HDH [60].....................45
Hình 2.19. Q trình khơng khí tiếp xúc với nước biển [60]...............................................46
Hình 2.20. Đồ thị I-d quá trình trao đổi nhiệt và chất giữa nước và khơng khí [60]...........46
Hình 2.21. Đồ thị q trình thay đổi trạng thái của khơng khí [62].....................................47
Hình 2.22. Sơ đồ cân bằng nhiệt và chất trong bình hóa ẩm...............................................48
Hình 2.23. Cơ chế dịch chuyển giữa nước và khơng khí [72].............................................48
Hình 2.24. Q trình trao đổi nhiệt trong tấm đệm [60]......................................................50
Hình 2.25. Kiểu dáng và kích thước của các loại đệm.........................................................51
Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bình ngưng tụ...................................................53
Hình 2.27. Đồ thị I-d quá trình làm lạnh khơng khí ẩm [60]...............................................54
Hình 2.28. Dàn ngưng tụ kiểu ống - tấm [71]......................................................................54
Hình 2.29. Thiết bị ngưng tụ kiểu dàn ống xoắn bố trí so le nhau.......................................54
Hình 2.30. Sự biến thiên nhiệt độ của khơng khí và nước biển trong bình ngưng tụ..........55
Hình 2.31. Khối lượng đi vào và ra của 1 phần tử chất lỏng [75]........................................59
Hình 2.32. Các lực theo phương x [75]................................................................................59
Hình 2.33. Chuyển động của một điểm trong dịng rối [75]................................................60
Hình 3.1. Sơ đồ ngun lý hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng
nhiệt khí thải và nước làm mát của động cơ............................................................63
Hình 3.2. Động cơ D243......................................................................................................65
Hình 3.3. Mơ hình động cơ D243 trên AVL-Boost..............................................................66
Hình 3.4. So sánh cơng suất và tiêu thụ nhiên liệu ở đường đặc tính ngồi của động cơ....67
Hình 3.5. Lượng nhiệt chuyển thành cơng có ích (kW).......................................................68
Hình 3.6. Tỷ lệ lượng nhiệt chuyển thành cơng có ích (%).................................................68
Hình 3.7. Lượng nhiệt động cơ truyền qua thành vách (kW)..............................................69
Hình 3.8. Tỷ lệ lượng nhiệt động cơ truyền qua thành vách (%).........................................69
Hình 3.9. Lượng nhiệt mà động cơ truyền cho khí thải (kW)..............................................70
Hình 3.10. Tỷ lệ lượng nhiệt mà động cơ truyền cho khí thải (%)......................................70
Hình 3.11. Lượng nhiệt mất mát do các tổn hao khác của động cơ (kW)............................71
Hình 3.12. Tỷ lệ năng lượng nhiệt mất mát do các tổn hao khác của động cơ (k%)...........71
Hình 3.13. Bản vẽ thiết kế CHR..........................................................................................72
Hình 3.14. Các phương án bố trí ơng trao đổi nhiệt trong CHR..........................................74
Hình 3.15. Mặt cắt mơ hình 3D của CHR............................................................................75
Hình 3.16. Phân bố vận tốc của nước làm mát và nước biển dọc theo chiều ngang của CHR
trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100 % tải và 2200 v/ph......................................76
xi
Hình 3.17. Phân bố nhiệt độ của nước làm mát và nước biển dọc theo chiều ngang của
CHR trong 3 trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100 % tải và 2200 v/ph............................76
Hình 3.18. Nhiệt thu hồi từ nước làm mát khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph........77
Hình 3.19. Lưu lượng nước biển qua CHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph......78
Hình 3.20. Bản vẽ thiết kế EHR...........................................................................................78
Hình 3.21. Mặt cắt ngang EHR............................................................................................79
Hình 3.22. Các phương án bố trí cánh trao đổi nhiệt trong EHR.........................................80
Hình 3.23. Mơ hình 3D của EHR.........................................................................................81
Hình 3.24. Phân bố vận tốc của khí thải và nước biển dọc theo chiều ngang của két trong 3
trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100% tải và 2200 v/ph...................................................82
Hình 3.25. Phân bố nhiệt độ của khí thải và nước biển theo chiều dọc của EHR trong 3
trường hợp khi ĐCĐT làm việc ở 100% tải và 2200 v/ph...................................................83
Hình 3.26. Nhiệt lượng thu hồi và độ giảm nhiệt độ của khí thải trong EHR khi động cơ
làm việc tại tốc độ 2200 v/ph...............................................................................................84
Hình 3.27. Lưu lượng nước biển qua EHR khi ĐCĐT làm việc tại tốc độ 2200 v/ph.........84
Hình 3.28. Tấm cooling pad tạo ẩm trong bình hóa ẩm.......................................................85
Hình 3.29. Hai giai đoạn khơng khí trong bình hóa ẩm ....................................................................85
Hình 4.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm.........................................................................................91
Hình 4.2. Cụm phanh điện và đồng hồ hiển thị lực phanh...................................................92
Hình 4.3. Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu..............................................................................93
Hình 4.4. Cảm biến đo lưu lượng nhiên liệu........................................................................93
Hình 4.5. Bộ phận nhập thơng số và hiển thị kết quả đo.....................................................93
Hình 4.6. Cảm biến đo lưu lượng khí nạp ABB Sensyflow.................................................94
Hình 4.7. Cảm biến đo lưu lượng nước YF-B10..................................................................95
Hình 4.8. Cảm biến đo nhiệt độ LM35................................................................................95
Hình 4.9. Cảm biến đo nhiệt độ khí thải PT100...................................................................96
Hình 4.10. Khúc xạ kế đo độ muối nước biển.....................................................................96
Hình 4.11. Một số hình ảnh lắp đặt động cơ và hệ thống trên băng thử..............................97
Hình 4.12. Ne và ge khi có và khơng có hệ thống với động cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph.....98
Hình 4.13. Nhiệt độ nước biển vào và ra khỏi CHR khi động cơ chạy tốc độ 2200 v/ph và
tải thay đổi............................................................................................................................99
Hình 4.14. Nhiệt lượng thu hồi được của nước làm mát và lưu lượng nước biển qua CHR
khi động cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi.........................................................100
Hình 4.15. Nhiệt lượng thu hồi được của nước làm mát CHR khi động cơ chạy ở tốc độ
1800 v/ph và 2000 v/ph......................................................................................................101
Hình 4.16. Lưu lượng nước biển qua CHR khi động cơ chạy ở tốc độ 1800 v/ph, 2000 v/ph
............................................................................................................................................101
Hình 4.17. Nhiệt độ khí thải vào và ra khỏi EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph
............................................................................................................................................102
Hình 4.18. Lưu lượng nước biển qua EHR và độ chênh lệch nhiệt độ khí thải khi động cơ
làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi.....................................................................102
Hình 4.19. Nhiệt lượng và khả năng thu hồi được của khí thải khi động cơ làm việc tại tốc
độ 2200 v/ph và tải thay đổi...............................................................................................103
xii
Hình 4.20. Nhiệt độ khí thải vào và ra khỏi EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 1800 và
2000 v/ph với tải thay đổi..................................................................................................104
Hình 4.21. Lưu lượng nước biển qua EHR và độ chênh lệch nhiệt độ khí thải khi động cơ
làm việc tại tốc độ 1800 và 2000 v/ph với tải thay đổi......................................................104
Hình 4.22. Nhiệt lượng và khả năng thu hồi được của khí thải khi động cơ làm việc tại tốc
độ 1800 và 2000 v/ph với tải thay đổi................................................................................104
Hình 4.23. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,0)......................105
Hình 4.24. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,0)......................106
Hình 4.25. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và EHR
(Gnb/Gkk = 2,0)....................................................................................................................107
Hình 4.26. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được giữa lý thuyết và thực nghiệm khi động
cơ chạy ở tốc độ 2200 v/ph với tỷ lệ Gnb/Gkk = 2,0............................................................108
Hình PL 4.1. Kết cấu EHR.................................................................................21.PL
Hình PL 4.2. Quy trình các bước gia cơng EHR................................................21.PL
Hình PL 4.3. Kết cấu EHR sau khi hồn thiện ..................................................22.PL
Hình PL 4.4. Một số hình ảnh thể hiện quá trình gia cơng EHR........................22.PL
Hình PL 4.5. Một số hình ảnh thực tế q trình gia cơng EHR..........................23.PL
Hình PL 4.6. Kết cấu CHR.................................................................................24.PL
Hình PL 4.7. Quy trình các bước gia cơng CHR................................................25.PL
Hình PL 4.8. Một số hình ảnh thực tế quá trình gia cơng CHR..........................26.PL
Hình PL 4.9. Bình hóa ẩm và ngưng tụ..............................................................27.PL
Hình PL 4.10. Q trình gia cơng bình hóa ẩm................................................. 28.PL
Hình PL 4.11. Quy trình gia cơng bình ngưng tụ...............................................28.PL
Hình PL 4.12. Một số hình ảnh thực tế quá trình gia cơng thiết bị hóa ẩm – ngưng tụ
........................................................................................................................... 29.PL
Hình PL 4.13. Một số hình ảnh thực tế khi tiến hành thực nghiệm....................30.PL
Hình PL 5.1. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,5)....31.PL
Hình PL 5.2. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với CHR (Gnb/Gkk = 2,25)..31.PL
Hình PL 5.3. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,25)..32.PL
Hình PL 5.4. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được với EHR (Gnb/Gkk = 2,25)..32.PL
Hình PL 5.5. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và
EHR (Gnb/Gkk = 2,5)........................................................................................... 33.PL
Hình PL 5.5. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được khi sử dụng đồng thời CHR và
EHR (Gnb/Gkk = 2,25)......................................................................................... 33.PL
Hình PL 6.1. Kết quả phân tích nước chưng cất................................................. 34.PL
xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. Một số thông số kỹ thuật của động cơ D243.......................................................65
Bảng 3.2. Các phần tử của mơ hình động cơ D243 trên AVL-Boost...................................66
Bảng 3.3. So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng theo đặc tính ngồi của động cơ
D243 tại phịng thí nghiệm C15, Trường ĐHBK Hà Nội [80].............................................67
Bảng 3.4. Nhiệt lượng của ĐCĐT ở các chế độ tải và n = 2200 v/ph..................................72
Bảng 3.5. Thơng số dịng khí thải tại tốc độ 2200 v/ph.......................................................72
Bảng 3.6. Thông số cơ bản của két thu hồi nhiệt nước làm mát, CHR................................73
Bảng 3.7. Thông số kết cấu chung của CHR.......................................................................74
Bảng 3.8. Điều kiện biên cho mơ hình khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay
đổi.........................................................................................................................................75
Bảng 3.9. Kết quả mô phỏng CHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay
đổi từ 10 ÷ 100%..................................................................................................................77
Bảng 3.10. Thơng số cơ bản của két thu hồi nhiệt khí thải, EHR........................................80
Bảng 3.11. Thông số kết cấu chung của EHR......................................................................81
Bảng 3.12. Điều kiện biên cho mơ hình khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph và tải
thay đổi.................................................................................................................................82
Bảng 3.13. Nhiệt lượng, độ giảm nhiệt độ khí thải khi ĐCĐT chạy tại tốc độ 2200 v/ph...83
Bảng 3.14. Lưu lượng nước biển qua EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ 2200 v/ph......84
Bảng 3.15. Thơng số cơ bản của bộ hóa ẩm – ngưng tụ, HDH............................................86
Bảng 3.16. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được tính theo lý thuyết khi Gnb/Gkk = 2,5.....87
Bảng 3.17. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được tính theo lý thuyết khi Gnb/Gkk = 2,25. . .88
Bảng 3.18. Lưu lượng nước ngọt chưng cầất được tnh theo lý thuyêất khi G nb/Gkk = 2,0..................88
Bảng 4.1. Mức độ giảm Ne và tăng ge khi lắp hệ thống (%) tại tốc độ động cơ 2200 v/ph. 98
Bảng 4.2. Kết quả thực nghiệm và mô phỏng CHR tại tốc độ 2200 v/ph............................99
Bảng 4.3. Nhiệt lượng và lưu lượng nước biển qua CHR khi động làm việc tại tốc độ 1800
v/ph và 2000 v/ph...............................................................................................................100
Bảng 4.4. Kết quả so sánh nhiệt độ khí thải, lưu lượng nước biển qua EHR thực nghiệm và
mô phỏng tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 10 ÷ 40 %.................................................101
Bảng 4.5. Kết quả so sánh nhiệt lượng thu hồi được của khí thải từ EHR thực nghiệm và
mô phỏng tại tốc độ 2200 v/ph và tải thay đổi 10 ÷ 40 %.................................................102
Bảng 4.6. Nhiệt độ khí thải và lưu lượng nước biển qua EHR khi động cơ làm việc tại tốc
độ 1800 v/ph và 2000 v/ph.................................................................................................103
Bảng 4.7. Nhiệt lượng và hiêu suất tận dụng được của EHR khi động cơ làm việc tại tốc độ
1800 v/ph và 2000 v/ph......................................................................................................103
Bảng 4.8. Kết quả lưu lượng nước ngọt chưng cất được (l/h) khi chỉ sử dụng CHR........105
Bảng 4.9. Kết quả lưu lượng nước ngọt chưng cất được (l/h) khi chỉ sử dụng EHR.........106
Bảng 4.10. Lưu lượng nước ngọt chưng cất được (l/h) khi sử dụng đồng thời CHR và EHR
............................................................................................................................................106
Bảng 4.11. Kết quả so sánh giữa thực nghiệm với lý thuyết khi động cơ chạy ở tốc độ 2200
v/ph và Gnb/Gkk = 2,0...........................................................................................................107
xiv
MỞ ĐẦU
i. Lý do chọn đề tài
Hiện nay với vai trò quan trọng của ngành ngư nghiệp và vận tải biển trong phát
triển kinh tế, bảo vệ vùng biển và thềm lục địa của nước ta, việc hiện đại hóa và
tăng số lượng các tàu biển nói chung hay tàu phục vụ ngành ngư nghiệp nói riêng là
rất cần thiết. Chính vì vậy, năm 2014 Chính phủ đã ra Nghị định 67/2014 NĐ-CP
nhằm khuyến khích đóng mới tàu đánh bắt xa bờ có cơng suất lớn để nâng cao năng
lực, tăng hiệu quả trong khai thác thủy hải sản trên các vùng biển xa. Đây chính là
điều kiện thuận lợi cho ngành ngư nghiệp, vận tải biển phát triển đội tàu cả về số
lượng và chất lượng.
Nước ngọt sử dụng trên tàu thuyền đi biển nói chung và các tàu khai thác thủy
hải sản nói riêng giữ một vai trị rất quan trọng, nó được coi là nhân tố quyết định
thời gian và tính hiệu quả của mỗi chuyến đi biển. Thực tế hiện nay, trong mỗi
chuyến đi biển, phần lớn các tàu khai thác thủy hải sản phải dự trữ và mang theo
một lượng nước ngọt được lấy từ đất liền hoặc các đảo. Trung bình, thời gian mỗi
chuyến đi biển của tàu có cơng suất lớn hơn 350 mã lực kéo dài khoảng 2 tháng và
trên tàu có 10 đến 12 người, để phục vụ ăn uống và sinh hoạt tối thiểu thì tàu phải
mang theo một lượng nước ngọt từ 10 m 3 [1]. Chính điều này đã khơng những
chiếm mất khơng gian hữu ích trên tàu mà còn làm tăng tải trọng của tàu trong suốt
chuyến đi, gây ảnh hưởng nhiều đến hiệu quả khai thác của tàu cũng như tăng tiêu
hao nhiên liệu, thậm chí làm rút ngắn hành trình của mỗi chuyến đi biển.
Để giải quyết một phần vấn đề này, hiện nay đã có một số trung tâm nghiên cứu
và cơ sở sản xuất đưa ra thị trường máy tạo nước ngọt từ nước biển sử dụng công
nghệ thẩm thấu ngược (RO). Tuy nhiên, hệ thống này có một số hạn chế nhất định
như: năng lượng tiêu thụ cho hệ thống lớn; bộ lọc phải thường xuyên thay mới do
tàu thường xuyên hoạt động ở các vùng biển khác nhau trong khi giá thành thay mới
bộ lọc cao…. Đây chính là các yếu tố đã làm hạn chế rất nhiều hiệu quả khai thác
sử dụng hệ thống RO, cũng như hạn chế khả năng triển khai nhân rộng việc trang bị
hệ thống này trên các tàu khai thác thủy hải sản hoặc các tàu thủy có cơng suất máy
chính thấp và trung bình trong giai đoạn hiện nay và thời gian tới.
Thực tế hiện nay, phần lớn các tàu vận tải biển có cơng suất động cơ diesel chính
lớn có trang bị hệ thống tận dụng nhiệt của nước làm mát của động cơ diesel để
chưng cất nước ngọt từ nước biển phục vụ đủ nhu cầu sử dụng nước ngọt trên tàu
trong mỗi chuyến đi. Tuy nhiên với các tàu khai thác thủy hải sản và các tàu vận tải
được trang bị động cơ diesel chính có dải cơng suất thấp và trung bình thì nguồn
năng lượng nhiệt của nước làm mát không lớn nên việc áp dụng công nghệ chưng
cất nước ngọt từ nước biển bằng nguồn năng lượng nhiệt của nước làm mát sẽ
không đảm bảo cung cấp đủ nguồn nước ngọt cho tàu trong mỗi chuyến đi.
Trong khi đó phần lớn các động cơ diesel chính trang bị trên các tàu khai thác
thủy hải sản thuộc loại hiện đại có hiệu suất cao, có thể đạt trên 40%, tuy nhiên
năng lượng nhiệt của khí thải của động cơ diesel có tăng áp thì sau khi qua bộ
tuabin máy nén vẫn còn khá lớn, còn khoảng 3035% đang thải lãng phí ra mơi
trường. Chính vì vậy, nghiên cứu đưa ra một hệ thống mà có thể tận dụng nhiệt của
nước làm mát và nhiệt của khí thải của động cơ để tăng hiệu quả chưng cất nước
1
ngọt từ nước biển, đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu khai thác
thủy hải sản là hết sức cần thiết và có tính thời sự. Việc thực hiện này không những
đảm bảo cung cấp đủ nhu cầu nước ngọt cho các hoạt động trên tàu mà còn làm
giảm tải trọng và tiêu hao nhiên liệu của tàu, tận dụng hiệu quả năng lượng khí thải
và nước làm mát bị thải ra môi trường, tăng hiệu quả trong mỗi chuyến đi biển.
Từ những cơ sở trên, NCS chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng tận dụng nhiệt
nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ để chưng cất nước
ngọt từ nước biển” để có thể giải quyết một phần những khó khăn về nguồn nước
ngọt trên các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ của Việt Nam hiện nay.
ii. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu của luận án
Mục tiêu nghiên cứu của luận án:
- Đưa ra quy trình giải pháp phối hợp tận dụng nguồn năng lượng nhiệt
nước làm mát và nhiệt khí thải của động cơ đốt trong để chưng cất nước
ngọt từ nước biển.
- Áp dụng quy trình trên để tính tốn, thiết kế một mơ hình hệ thống tận
dụng nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ diesel tàu thủy để chưng
cất nước ngọt từ nước biển.
Nội dung nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về năng lượng nhiệt và tổng hợp các giải pháp công
nghệ tận dụng năng lượng nhiệt nước làm mát, nhiệt khí thải của động cơ
đốt trong và các phương pháp chưng cất nước ngọt từ nước biển.
- Nghiên cứu đưa ra giải pháp công nghệ phối hợp tận dụng năng lượng
nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết và tính tốn thiết kế các thiết bị thu hồi nhiệt
nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải cũng như thiết bị chưng cất
nước ngọt từ nước biển.
- Nghiên cứu mô phỏng các thiết bị chính của hệ thống trên phần mềm
chuyên dụng.
- Thiết kế và chế tạo 01 mơ hình hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và
khí thải để chưng cất nước ngọt từ nước biển lắp trên một động cơ diesel
thực.
- Thực nghiệm trong phịng thí nghiệm để đánh giá tính năng kinh tế, kỹ
thuật của động cơ, đánh giá độ tin cậy của mơ hình cũng như đánh giá
hiệu quả của hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để chưng
cất nước ngọt từ nước biển khi lắp trên động cơ diesel.
iii. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ thống tận dụng nhiệt nước làm mát và
khí thải động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển bao gồm:
Thiết bị thu hồi nhiệt nước làm mát động cơ đốt trong.
Thiết bị thu hồi nhiệt khí thải động cơ đốt trong.
Bộ thiết bị chưng cất nước ngọt từ nước biển.
2
Đối tượng áp dụng: Hệ thống chưng cất nước ngọt từ nước biển tận dụng nhiệt
nước làm mát và khí thải của động cơ diesel D243.
Phạm vi nghiên cứu của luận án giới hạn trong phịng thí nghiệm với hệ thống
chưng cất nước ngọt từ nước biển được lắp trên động cơ D243 để đánh giá tính
năng kinh tế, kỹ thuật của động cơ cũng như đánh giá khả năng chưng cất nước ngọt
từ nước biển của hệ thống.
iv. Phương pháp nghiên cứu
Luận án sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết, tính tốn mơ
phỏng và nghiên cứu thực nghiệm, trong đó:
Nghiên cứu lý thuyết để làm cơ sở tính tốn thiết kế và chế tạo hệ thiết bị thu
hồi nhiệt nước làm mát, thiết bị thu hồi nhiệt khí thải của động cơ và hệ thống
chưng cất nước ngọt từ nước biển.
Nghiên cứu mô phỏng gồm:
- Nghiên cứu mơ phỏng chu trình nhiệt động của động cơ trên phần mềm
AVL Boost để xác định phân bố lượng nhiệt cho nước làm mát và khí thải
động cơ.
- Nghiên cứu mơ phỏng q trình trao đổi nhiệt xảy ra bên trong các thiết bị
thu hồi nhiệt nước làm mát và khí thải của động cơ trên phần mềm Ansys
Fluent để đưa ra các kết cấu hợp lý của các thiết bị thu hồi nhiệt.
Thực nghiệm trong phịng thí nghiệm
- Xác định các thơng số đầu vào và đánh giá độ tin cậy của mơ hình tính
- Đánh giá khả năng tận dụng nguồn năng lượng nhiệt nước làm mát và
nhiệt khí thải của động cơ để chưng cất nước ngọt từ nước biển đồng thời
đánh giá tính năng kinh tế kỹ thuật của động cơ khi lắp hệ thống chưng
cất.
v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học:
Luận án đã phối hợp tận dụng linh hoạt nhiệt nước làm mát và khí thải của
động cơ diesel tàu thủy để chưng cất nước ngọt từ nước biển.
Ý nghĩa thực tiễn:
- Kết quả của luận án có thể áp dụng vào sản xuất thiết bị chưng cất nước
ngọt từ nước biển sử dụng năng lượng nhiệt nước làm mát và khí thải của
động cơ diesel lắp cho các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ của Việt Nam.
- Góp phần hiện đại hóa các tàu khai thác thủy hải sản xa bờ của Việt Nam.
vi. Điểm mới của Luận án
Đã xây dựng được quy trình tính tốn thiết kế hệ thống tận dụng nhiệt nước làm
mát và khí thải của động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước biển.
Đã áp dụng thành cơng quy trình để tính tốn thiết kế 01 mơ hình hệ thống tận
dụng nhiệt nước làm mát và khí thải động cơ diesel để chưng cất nước ngọt từ nước
biển theo phương pháp HDH.
3
vii. Bố cục của Luận án
Luận án được thực hiện với những phần chính sau:
Mở đầu
Chương 1. Tổng quan
Chương 2. Cơ sở lý thuyết
Chương 3. Nghiên cứu, tính tốn và thiết kế hệ thống chưng cất
Chương 4. Nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận chung và hướng phát triển
4
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan hiệu suất có ích của động cơ và nguồn năng
lượng nhiệt nước làm mát và nhiệt khí thải
Động cơ đốt trong (ĐCĐT) hiện nay vẫn đóng vai trị quan trong, là nguồn động
lực chính trong các lĩnh vực giao thông vận tải, nông – lâm – ngư nghiệp. Tuy nhiên
phần năng lượng hữu ích truyền tới máy cơng tác chỉ chiếm khoảng 21÷33% đối với
động cơ xăng, và 25÷40% đối với động cơ diesel, phần cịn lại khoảng 60÷79%
năng lượng mất mát ra mơi trường, trong đó chủ yếu nhiệt truyền cho hệ thống làm
mát khoảng 25÷30%, nhiệt cho khí thải mang đi chiếm khoảng 30÷35% [1÷7], như
thể hiện trên biểu đồ Hình 1.1.
Hình 1.1. Đồ thị phân bố nhiệt của ĐCĐT
Do đó, việc tăng hiệu suất có ích, giảm tiêu thụ nhiên liệu và phát thải độc hại
ln là những mục tiêu chính của các nhà nghiên cứu phát triển ĐCĐT. Để đạt được
các mục tiêu nêu trên, hàng loạt các công nghệ hiện đại và thân thiện môi trường đã
và đang được áp dụng như: cơ cấu phân phối khí thơng minh VVT-i (Variable Valve
Timing intelligence) [8]; hệ thống nhiên liệu điện tử EFI (Electronic Fuel Injection),
DFI (Direct Fuel Injection), Common Rail; các phương pháp hình thành hỗn hợp
mới: HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), PCCI (Premixed Charge
Compression Ignition), RCCI (Reactivity Controlled Compression Ignition)… Điển
hình như tác giả Avinash Kumar Agarwalb và các cộng sự [9] đã nghiên cứu nâng
cao hiệu suất nhiệt của động cơ diesel khi sử dụng hệ thống Common rail, nghiên
cứu được thực hiện khi ĐCĐT làm việc ở tốc độ không đổi và áp suất phun thay
đổi. Kết quả cho thấy áp suất phun nhiên liệu và thời gian bắt đầu phun ảnh hưởng
đến hiệu suất nhiệt cũng như lượng phát thải của động cơ. Tác giả Ahmet Uyumaz
và các cộng sự [10] đã nghiên cứu quá trình cháy do nén hỗn hợp đồng nhất
(HCCI). Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu suất có ích của động cơ tăng 4,92%,
công suất đầu ra tăng 1,18% trong khi suất tiêu hao nhiên liệu giảm 24,08%. Tác giả
Suozhu Pan và các cộng sự [11] đã nghiên cứu và thử nghiệm động cơ cháy do nén
có kiểm sốt hoạt tính nhiên liệu (RCCI) với hỗn hợp 2-butanol và diesel, kết quả
cho thấy lượng phát thải NOx và PM giảm đồng thời hiệu suất nhiệt động cơ tăng
khoảng 7%. Tác giả Yahui Zhang và các cộng sự [12] đã nghiên cứu quá trình đốt
cháy với hỗn hợp nghèo trong động cơ xăng và đã cải thiện tăng thêm được hiệu
5
suất tối đa của động cơ lên 6,91% và hiệu suất trung bình tăng thêm được 4,98% so
với đốt cháy hỗn hợp theo cân bằng hóa học. Euijoon Shim và các cộng sự [13] đã
nghiên cứu các cơng nghệ hình thành hỗn hợp cháy (HCCI, PCCI và DF-PCCI), kết
quả cho thấy khi quá trình đốt cháy theo kiểu DF-PCCI thì hiệu suất có ích của
động cơ lên tới 45,3%, lượng CO 2 giảm 14,3% nhưng nhược điểm của nó là tạo ra
lượng HC và CO cao hơn.
Như vậy theo các nghiên cứu trên, có thể thấy rằng mặc dù hiệu suất của ĐCĐT
ngày càng được cải thiện nhưng vẫn còn một phần lớn (hơn 50%) năng lượng nhiệt
bị mất mát chủ yếu cho làm mát và khí thải. Chính vì vậy, việc nghiên cứu tận dụng
năng lượng nhiệt nước làm mát và khí thải có thể coi là giải pháp có nhiều tiềm
năng trong việc tăng hiệu suất sử dụng năng lượng, giảm tiêu thụ nhiên liệu và ô
nhiễm môi trường của ĐCĐT.
1.2. Nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát và khí thải để nâng
cao hiệu suất nhiệt của hệ động lực
1.2.1.Tăng áp khí nạp cho động cơ bằng tuabin – máy nén
Từ những năm 1909 Dr. AlfredJ. Buchi [14] đã nghiên cứu sử dụng khí thải đưa
vào tuabin sinh cơng dẫn động máy nén để tăng áp khí nạp nhằm tăng lượng khí nạp
vào xylanh trong mỗi chu trình cơng tác của ĐCĐT, nhờ đó đốt được nhiều nhiên
liệu hơn, công suất riêng của động cơ sẽ tăng. Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin
máy nén sử dụng trên ĐCĐT được thể hiện trên Hình 1.2.
Hình 1.2. Sơ đồ hệ thống tăng áp bằng tuabin-máy nén sử dụng trên ĐCĐT
1- Van cửa xả; 2- Bộ chấp hành; 3- Bánh tuabin; 4- Tuabin tăng áp; 5- Bánh nén; 6- Cảm
biến lưu lượng khí nạp; 7- Bộ làm mát trung gian; 8- Cảm biến áp suất tuabin.
Có thể thấy, tăng áp cho động cơ diesel là một trong những giải pháp hiệu quả
nhằm tăng công suất, giảm tiêu hao nhiên liệu. Khi động cơ được tăng áp sẽ cho
phép nạp được nhiều nhiên liệu hơn do vậy công suất riêng của động cơ sẽ được cải
thiện đáng kể. Ngoài ra, áp suất khí nạp cao sẽ làm cải thiện quá trình hình thành
hỗn hợp trong động cơ và sẽ góp phần cải thiện q trình cháy. Điều này dẫn đến
hiệu suất động cơ sẽ được tăng, đồng thời giảm hàm lượng các chất phát thải độc
6
hại trên một đơn vị công suất. Như vậy tăng áp là biện pháp hiệu quả để nâng cao
công suất của động cơ diesel, cho phép cải thiện một số chỉ tiêu như: Giảm thể tích
tồn bộ động cơ trên một đơn vị công suất; Giảm trọng lượng riêng của tồn bộ
động cơ trên một đơn vị cơng suất; Giảm giá thành sản xuất ứng với một đơn vị
công suất; Cải thiện hiệu suất của động cơ đặc biệt là khi tăng áp bằng tuabin - máy
nén có thể làm giảm lượng khí thải độc hại. Hiện nay tăng áp bằng tuabin - máy nén
được sử dụng hầu hết trên các động cơ diesel, và một số động cơ xăng hiện đại. Một
số nghiên cứu gần đây như: Jianbing Gao và các cơng sự [15] đã nghiên cứu tăng áp
khí nạp cho động cơ diesel của xe tải hạng nặng, kết quả cho thấy hiệu suất nhiệt
của động cơ có thể lên tới 38% khi động cơ hoạt động ở 50 ÷ 100 % tải và tốc độ từ
1000 ÷ 1700 v/ph.
1.2.2. Sử dụng chu trình Rankine hữu cơ (ORC)
Hình 1.3. Sơ đồ chu trình ORC [16]
1- Thùng nước; 2- Bơm; 3- Két làm mát; 4- Buồng bay hơi; 5- Tuabin hơi; 5- Buồng
ngưng tụ
Phương pháp này tận dụng nhiệt của nước làm mát hoặc khí thải ĐCĐT ở nhiệt
độ thấp để thay đổi pha (lỏng – hơi) của môi chất và sinh ra cơng hữu ích (thường là
kết hợp phát điện), như thể hiện trên Hình 1.3. Với phương pháp này, tác giả FU
Jian-qin và các cộng sự đã nghiên cứu tận dụng nhiệt nước làm mát ở nhiệt độ thấp
cho chu trình Rankine hữu cơ, kết quả cho thấy có thể cải thiện được hiệu suất của
động cơ đến 12,1% [16].
1.2.3. Nhiệt điện (Thermoelectric Generation - TEG)
TEG là phương pháp tận dụng năng lượng nhiệt khí thải của ĐCĐT để chuyển
hóa thành điện năng, sơ đồ nguyên lý được thể hiện trên Hình 1.4.
Với ưu điểm về nguồn năng lượng khí thải trên động cơ lớn và có nhiệt độ cao,
vì vậy nghiên cứu sử dụng thiết bị phát điện để tận dụng nhiệt năng từ khí thải của
ĐCĐT nhận được sự quan tâm lớn của các hãng sản xuất ô tô hàng đầu trên thế giới
như, hãng BMW, Huyndai và General Motors. Trong đó cơng ty “BMW AG” đã áp
dụng phương pháp này trên một số xe ôtô có trang bị động cơ hỗn hợp, bao gồm
ĐCĐT và TEG cho cơng suất đạt đến 600W, nhờ đó suất tiêu hao nhiên liệu có thể
giảm tới 5%. Với tiềm năng như vậy, công ty “General Motors” kết hợp với “trung
7
tâm nano Birka” của Mỹ đã và đang nghiên cứu tăng hiệu suất TEG dùng cho động
cơ ơtơ. Hình 1.5 thể hiện kết cấu chất bán dẫn p-n trong thiết bị TEG [18].
Hình 1.4. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải động cơ để phát điện (TEG) [18]
1- Bộ chuyển đổi năng lượng; 2- TEG; 3- Thiết bị trao đổi nhiệt; 4- Bộ xúc tác
Hình 1.5. Chất bán dẫn p-n trong thiết bị TEG [18]
Sự kết hợp giữa ĐCĐT với TEG đã cho phép tăng tính năng kinh tế của động cơ
nhờ sản sinh thêm điện năng cũng như có thể giảm suất tiêu hao nhiên liệu. Do đó
với những lợi thế của TEG đã có nhiều nghiên cứu như: Xiaodong Zhang và K.T.
Chau [19] đã nghiên cứu kết hợp TEG trên ơ tơ, kết quả cho thấy có thể cải thiện
công suất động cơ thêm 17,9%, Stobart R và Weerasing R [20] đã nghiên cứu TEG
trên các phương tiện giao thơng và kết quả cho thấy có thể tạo ra công suất điện
khoảng 1,3 kW trên một xe chở khách, hay Anbang Liu và các cộng sự [21] đã
nghiên nâng cao hiệu suất của hệ thống TEG bằng cách kết hợp với PCM (Phase
Change Materials), kết quả cho thấy trong điều kiện làm việc tối ưu có thể tạo ra
năng lượng điện tối đa là 1386,45 J.
8
1.2.4. Tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi
Như đã biết, nhiệt lượng mà khí thải ĐCĐT mang ra ngoài là rất lớn. Trong nhiều
ĐCĐT tổn thất này tương đương với nhiệt sinh cơng có ích và chiếm hơn 1/3 tổng
lượng nhiệt lượng do nhiên liệu cháy tỏa ra. Do trường nhiệt độ lớn, gấp 5÷6 lần
nhiệt của nước làm mát, nên dễ tận dụng và tận dụng có hiệu quả hơn so với nước
làm mát. Chính vì vậy giải pháp tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt cho nồi hơi
cũng đã đạt được những thành cơng nhất định. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải để gia
nhiệt cho nồi hơi thể hiện trên Hình 1.6, cho thấy khí thải sau khi ra khỏi động cơ 1
sẽ đi vào nồi hơi 2 đặt trên đường thải. Trong nồi hơi 2, khí thải từ động cơ 1 truyền
nhiệt cho nước để nung nóng và biến thành hơi. Nước nóng theo ống dẫn về bình
góp 4. Ở đây, hơi được tách khỏi nước theo ống dẫn đi cung cấp cho nhu cầu trang
bị động lực. Phần nước còn lại trong bình góp 4 được bơm 3 hút để duy trì sự tuần
hồn trong mạch, bơm cịn lại hút nước từ bể 5 để bổ sung nước cho mạch. Hơi
được sinh ra có áp suất 5÷6 kG/cm 2 chủ yếu đáp ứng các nhu cầu phụ như: sưởi
phòng ở, sấy hàng hoặc sấy nhiên liệu nặng cho các tàu vận tải biển.
Hình 1.6. Sơ đồ tận dụng nhiệt khí thải để gia nhiệt nồi hơi [4]
1- Động cơ; 2- Nồi hơi tận dụng; 3- Bơm nước; 4- Bình góp; 5-Bể chứa nước
1.2.5. Nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ từ nhiệt nước làm mát
Tổn thất nhiệt với nước làm mát là thành phần tổn thất lớn thứ hai (sau tổn thất
khí thải) trong ĐCĐT, qlm nằm trong khoảng 27 ÷ 31% [4]. Giá trị của tổn thất này
phụ thuộc vào kết cấu và chế độ làm việc của động cơ, mức độ tăng áp, nhiệt độ
làm mát trung bình của mơi chất và phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố khác.
Nhiệt độ trung bình của nước làm mát là 70÷85 0C và t trong khoảng 5÷70C nên
việc tận dụng nhiệt nước làm mát để sinh cơng có ích gặp nhiều khó khăn. Tuy
nhiên nếu sử dụng các giải pháp hợp lý cũng như khi động cơ làm việc ở chế độ tải
cao thì vẫn có thể tận dụng hiệu quả nguồn nhiệt này.
Trong thực tế sử dụng các trang bị động lực diesel đã cho thấy rằng: Sự mài mịn
của nhóm piston-xylanh và suất tiêu hao nhiên liệu phụ thuộc rất nhiều vào chế độ
nhiệt của nước làm mát. Khi tăng nhiệt độ của nước làm mát, sự hao mòn và suất
tiêu hao nhiên liệu giảm. Trường hợp này nhiệt độ của khí thải cũng tăng chút ít,
9
đồng thời tăng khả năng tận dụng nhiệt của nước làm mát và khí thải của động cơ.
Như vậy, tăng nhiệt độ của nước làm mát ra khỏi động cơ đến 90÷95 0C đồng thời
cải thiện được các chỉ tiêu kỹ thuật cũng như tính năng của động cơ. Ngồi ra cịn
tạo ra nguồn nước nhiệt độ cao để có thể dùng trong hệ thống cung cấp nước
nóngcho sinh hoạt, máy chưng cất nước biển kiểu chân không, để sấy hàng và dùng
vào các mục đích khác. Ngồi ra, việc áp dụng phương pháp làm mát động cơ ở
nhiệt độ cao với nhiệt độ của mơi chất đến 140÷150 0C càng cho phép tận dụng sâu
hơn nhiệt của môi chất. Trong trường hợp này, nhiệt của môi chất làm mát có thể
được dùng vào thiết bị tận dụng nhiệt như nồi hơi, sinh hơi cho tuabin máy phát
điện cỡ nhỏ.
Hình 1.7. Sơ đồ nguyên lý tận dụng nhiệt từ nước làm mát phục vụ sinh hoạt [4]
1- Động cơ; 2- Thùng giãn nở; 3- Két thu hồi nhiệt; 4- Bơm nước; 5- Bể cấp nước; 6- Van
điều chỉnh; 7- Két làm mát nước
Hình 1.7 giới thiệu phương pháp thu hồi nhiệt từ nước làm mát động cơ bằng két
thu hồi nhiệt (3) để phục vụ cho sinh hoạt trên tàu biển. Trong đó nếu nhiệt độ của
nước làm mát ra khỏi động cơ khoảng 75÷85 0C thì nhiệt độ mơi chất làm mát của
két thu hồi nhiệt (3) tận dụng chỉ tối đa là 65÷750C [4].
1.3. Nhu cầu sử dụng nước ngọt và các phương pháp chưng cất
nước ngọt từ nước biển
1.3.1. Thực trạng nhu cầu sử dụng nước ngọt trên các tàu biển
Nước ngọt sử dụng trên tàu thuyền đi biển nói chung và các tàu khai thác thủy
hải sản nói riêng giữ một vai trị rất quan trọng, nó được coi là nhân tố quyết định
thời gian và tính hiệu quả của mỗi chuyến đi biển.
Với các ngư dân đi tàu biển khai thác thủy sản xa bờ, thời gian ra khơi là khá dài,
những lần đi biển kéo dài hàng vài tháng, do đó các tàu đánh bắt xa bờ hay gặp phải
những vấn đề khó khăn trong sử dụng nước sinh hoạt. Trong mỗi chuyến đi, các tàu
đánh bắt cá sẽ chỉ chở mang theo được một lượng nước ngọt nhất định phục vụ sinh
hoạt cho tất cả thuyền viên có trên tàu. Việc lấy nước ngọt từ đất liền và lưu trữ
mang theo để sử dụng dài ngày trên biển của ngư dân từ bao đời nay sẽ rất tốn kém
về nhiên liệu để vận chuyển, lượng nước ngọt mang theo trên thuyền thường chỉ
đáp ứng được nhu cầu tối thiểu về ăn uống. Nhu cầu về tắm giặt bằng nước ngọt là
điều quá xa vời với các ngư dân trên tàu trong điều kiện khan hiếm nước ngọt như
vậy. Việc chuyên chở một số lượng lớn nước sẽ chiếm một diện tích cũng như
10
không gian đáng kể vốn đã chật hẹp trên tàu. Tình trạng thiếu nước ngọt thường
xuyên xảy ra trên các tàu đi biển, mỗi khi sử dụng hết lượng nước ngọt mang theo,
các ngư dân phải ngừng hoạt động đánh bắt, bỏ ngư trường mà quay vào các đảo
gần nhất để tiếp nước, những lần di chuyển như vậy khiến cho hiệu quả, năng suất
công việc giảm sút, nhiên liệu đi lại tốn kém, mất thêm nhiều khoản chi phí phát
sinh gây nhiều hạn chế bất cập cho chuyến đi.
Hình 1.8. Các tàu khai thác thủy hải sản ở Việt Nam
Theo chủ tàu Nguyễn Trọng Kim (Quảng Ngãi) [22] đối với các tàu khai thác
thủy hải sản ở Việt Nam thì mỗi chuyến biển kéo dài từ 10 - 15 ngày, tàu chở theo
khoảng 1,5 2,0 m3 nước ngọt được chứa trong các bồn (Hình 1.8), tính bình qn
mỗi ngày, mỗi ngư dân chỉ sử dụng khoảng hơn 10 lít nước cho mọi hoạt động ăn
uống, tắm giặt... Do đó cuộc sống, sinh hoạt hàng ngày của ngư dân gặp nhiều khó
khăn, vì vậy cần thiết phải có một hệ thống cung cấp nước ngọt trên các tàu.
1.3.2. Tính chất hóa lý của nước biển
Nước biển có độ mặn khơng đồng đều trên tồn thế giới và phần lớn có độ mặn
nằm trong khoảng từ 3,1% tới 3,8%. Khi sự pha trộn với nước ngọt đổ ra từ các con
sơng hay gần các sơng băng đang tan chảy thì nước biển nhạt hơn một cách đáng
kể. Nước biển nhạt nhất có tại vịnh Phần Lan, một phần của biển Baltic. Biển mặn
nhất (nồng độ muối cao nhất) là biển Đỏ (Hồng Hải), do nhiệt độ cao và sự tuần
hoàn bị hạn chế đã tạo ra tỷ lệ bốc hơi cao của nước bề mặt cũng như có rất ít nước
ngọt từ các cửa sông đổ vào. Độ mặn cao nhất của nước biển trong các biển cơ lập
(biển kín) như biển Chết cao hơn một cách đáng kể. Nước biển bay hơi ở áp suất
khơng được lớn hơn 12÷24 kPa (0,123÷0,246 at). Khi đó nhiệt độ hơi bão hịa
50÷60oC. Tỷ trọng của nước biển nằm trong khoảng 1.020 tới 1.030 kg/m³ tại bề
mặt còn sâu trong lòng đại dương, dưới áp suất cao, nước biển có thể đạt tỷ trọng
riêng tới 1.050 kg/m³ hay cao hơn. Như thế nước biển nặng hơn nước ngọt do trọng
lượng bổ sung của các muối và hiện tượng điện giải. Điểm đóng băng của nước biển
giảm xuống khi độ mặn tăng lên và nó là khoảng -2°C ở nồng độ 3,5% [23]. Một số
tính chất vật lý của nước biển được sử dụng trong q trình tính tốn thiết kế:
Nhiệt dung riêng của nước biển: Cnb = 3915 (J/kg.K)
Độ nhớt động học của nước biển: υnb = 1,03.10-6 (m2/s)
Hệ số dẫn nhiệt độ của nước biển: anb = 1,48.10-7 (m2/s)
Hệ số dẫn nhiệt của nước biển: λnb = 0,593 (W/m.K)
Hàm lượng muối NaCl trong nước:
11
Nước ngọt < 1g/l.
Nước lợ từ 1g/l - 10g/l.
Nước mặn từ 10g/l - 30g/l.
Nước muối > 30g/l.
1.3.3. Các giải pháp cơng nghệ tạo nước ngọt từ nước biển hiện nay
Hình 1.9. Các công nghệ khử muối trên thế giới hiện nay [24]
Từ những năm 20 của thế kỷ trước, nhiều nhóm nghiên cứu và các cơng nghệ đã
được thực hiện để tạo nước ngọt từ nước biển. Nguyên tắc của phương pháp xử lý
nước biển thành nước ngọt là: Giảm hàm lượng muối NaCl trong nước tới mức cho
phép có thể ăn uống, tắm giặt được.... Hình 1.9 thể hiện các cơng nghệ khử muối
chính hiện nay đang được sử dụng trên thế giới [24]: phương pháp nhiệt (MSF,
MED, LTTD, VC, HDH), phương pháp lọc màng (RO, MD, ED, FO), phương pháp
hóa học (IX, GHD), một số phương pháp khác (PP sinh học - Bio densalination; PP
MWT - Mine water treatment; PP DH - Dew harvesting).
1.3.3.1. Khử muối theo phương pháp nhiệt
Khử muối theo phương pháp nhiệt là một quá trình trong đó hơi nước được tạo ra
từ nước biển bằng cách sử dụng năng lượng nhiệt. Điều này có thể đạt được bằng
cách giảm áp suất môi trường hoặc bằng cách liên tục cung cấp năng lượng nhiệt.
Trong trường hợp đầu tiên khi giảm áp suất của nước biển thì nhiệt độ cũng liên tiếp
giảm để duy trì trạng thái cân bằng, tùy theo nhiệt độ ban đầu, chúng ta có thể có
nhiều giai đoạn trong hệ thống khử muối bằng nhiệt. Về mặt nhiệt động, khi áp suất
chất lỏng giảm đột ngột dưới áp suất bão hòa của nó, nhiệt lượng thừa khơng thể
chứa trong chất lỏng dưới dạng nhiệt sẽ được truyền vào nhiệt ẩn hóa hơi nước.
Bằng cách kiểm soát vận tốc của hơi nước, ta có thể giữ khơng cho tinh thể muối
hịa lẫn trong hơi nước tinh khiết, khi ngưng tụ bằng môi trường ngưng tụ thích hợp
sẽ tạo ra nước ngọt. Trong trường hợp thứ hai, thường được gọi là chưng cất, hơi
được tạo ra bằng cách cung cấp nhiệt đủ để cho nước biển sơi và bay hơi. Hiện này
có 5 cơng nghệ chính khử muối theo phương pháp nhiệt: MSF, MED, LTTD, VC,
HDH.
a) Phương pháp chưng cất đa tầng (Multi Stage Flash Distillation – MSF)
MSF là phương pháp chưng cất theo phương pháp nhiệt kiểu đa tầng, MSF đóng
12
