ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT kế hệ THỐNGTHU hồi NHIỆT THẢI từ ĐỘNG cơ đốt TRONG

Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

ỨNG DỤNG CAE TRONG THIẾT KẾ HỆ THỐNGTHU HỒI NHIỆT THẢI
TỪ ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
APPLICATION OF CAE TO DESIGN THE WASTE HEAT RECOVERY FROM THE
INTERNALCOMBUSTION ENGINES
Phạm Sơn Minh1a, Đỗ Thành Trung1b, Trần Minh Thế Uyên1c, Phạm Thanh Bình2d
1
Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM
2
Cao đẳng Nghề Đồng Nai
a
; b ;
c
; d
TÓM TẮT
Nhiệt thải động cơ đốt tronglà nhiệt năng phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu và
được thải ra ngoài môi trường. Việc tái sử dụng nhiệt thải không chỉ bảo tồn nhiên liệu nói
chung và nhiên liệu hóa thạch nói riêng, mà còn góp phầnbảo vệ môi trường. Vì vậy, việc thiết
kế và chế tạo hệ thống thu hồi nhiệt thải là một trong những phương pháp giúpthu hồinăng
lượng từ nhiệt thải và góp phần tiết kiệm nhiên liệu. Trong bài báo này, phương pháp CAE
được sử dụng trong quá trình thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải từ động cơ đốt trong, nhằm
phân tích ảnh hưởng các thông số chính của hệ thống đến nhiệt độ đầu ra. Từ đó, mô hình thí
nghiệm được đề xuất và chế tạo nhằm phục vụ cho quá trình thí nghiệm. Sau đó, kết quả mô
phỏng được so sánh với kết quả thí nghiệm nhằm kiểm tra độ chính xác của phương pháp CAE.
Từ khóa: nhiệt thải, thu hồi nhiệt, truyền nhiệt, CAE.
ABSTRACT
The waste heat of the internal combustion enginesis generated during fuel combustion
thatisdischarged into environment. The re-using of waste heat not only is the fuel conservation
in general and the fossil fuel in particular, but also contributes the environmental protection.
Therefore, the design and manufacture of the waste heat recovery system is a solution to

utilize energy from the waste heat and fuel savings. In this paper, the application of cae to
design the waste heat recovery from the internal combustion engines is examinated for
analyzing the parameters of this system. Base on the simulation results, the real experiment
model is performed. After that, the results of simulation and experiment are compared for
estimating the CAE method.
Keyword: waste heat, heat recovery, heat transfer, CAE.
1. GIỚI THIỆU CHUNG
Nhiệt thải là nhiệt năng phát sinh trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoặc phản ứng hoá
học và được thải ra môi trường. Đây cũng là một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm môi
trường, đặc biệt tại các khu công nghiệp.Nguồn nhiệtthải này tồn tại ở hầu hếtcác hệ thống
công nghiệp thông dụng như: lò hơi, lò nung, lò luyện và động cơ đốt trong [1, 2].Thông
thường, trong quá trình hoạt động của động cơ đốt trong, năng lượng nhiệt thải không được
tái sử dụng cho các mục đích kinh tế khác. Vì vậy, nếu thu hồi được một phần năng lượng từ
nhiệt thải, chúng ta có thể tiết kiệm được một lượng nhiên liệu đáng kể [3-5].
Các nghiên cứu trước đây đã cho thấy nguồn nhiệt năng từ khí thải có thể được tận dụng
để dùng vào nhiều mục đích khác nhau như: sản xuất hơi, điện năng, điều hoà không khí hay
làm lạnh không khí cấp vào động cơ. Hou Xuejun và Gao Deli đã nghiên cứu và phân tích hệ
thống thu hồi nhiệt khí thải và xử lý ô nhiễm cho Động cơ Diesel Z12V190 [6]. M. Talbi và B.
602


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Agnew đã nghiên cứu thu hồi năng lượng từ khí thải động cơ diesel để nâng cao hiệu suất và
điều hòa không khí [7]. Với các nghiên cứu này, việc thu hồi nhiệt năng từ khí thải của động
cơ được xem như một trong những phương án khả thi và giúp tiết kiệm năng lượng với hiệu
suất cao nhất [8, 9]. Tại Việt Nam, quốc gia có nền công nghiệp đang trên đà phát triển, theo
số liệu thống kê tháng 09/2012 của Cục Đăng kiểm Việt Nam, số lượng phương tiện giao
thông vận tải đường bộ, đường thủy và xe máy trong cả nước như sau: 1.504.432 ôtô đang lưu
hành, 2.287.225 xe máy sản xuất lắp ráp mới năm 2012, 258.080 tàu sông các loại, 1.612 tàu
biển. 100% tàu thủy được trang bị động cơ diesel, 100% xe máy được trang bị động cơ xăng,

khoảng 65% ôtô được trang bị động cơ diesel và khoảng 35% ô tô được trang bị động cơ xăng.
Hai loại động cơ đốt trong kể trên hoàn toàn đáp ứng yêu cầu với chức năng là nguồn động
lực cho ôtô nói riêng và các loại phương tiện cơ giới tự hành nói chung. Với các loại động cơ
đốt trong này, nhiệt lượng do khí thải chiếm 20% đến 25% tổng nhiệt sinh ra trong buồng
cháy động cơ, ngoài ra nhiệt do nước làm mát thải ra chiếm khoảng 10% đến16% tổng nhiệt
lượng sinh ra trong buồng đốt. Do đó với nguồn nhiệt thải lớn như vậy nếu có phương án tận
dụng vào mục đích khác thì sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất cao.
Với những phân tích như trên, việc thu hồi nhiệt thải từ động cơ được xem như một
trong những phương án giúp giảm ô nhiễm môi trường và mang lại hiệu quả kinh tế cao, đặc
biệt, đây là một trong những phương án mang tính khả thi cao với các thiết bị có nguồn động
lực là động cơ đốt trong. Do đó, nhằm nâng cao khả năng thiết kế và hiệu suất của các hệ
thống thu hồi nhiệt thải, bài báo này sẽ tập trung vào việc ứng dụng công cụ mô phỏng (CAE)
nhằm dự đoán nhiệt độ đầu ra của nguồn nhiệt thải. Trong nghiên cứu này, nhóm tác giả sử
dụng phương pháp tìm hiểu tài liệu, khảo sát thực tế, sau đó tiến hành thiết kế, mô phỏng hệ
thống thu hồi nhiệt thải từ đó chọn mô hình tối ưu để tiến hành thực nghiệm.
2. MÔ PHỎNG VÀ THÍ NGHIỆM
Trong nghiên cứu này, mô hình hệ thống thu hồi nhiệt thải từ động cơ đốt trong gồm
ống cách nhiệt bao phủ ống xả khí thải của động cơ, thiết bị hút hoặc đẩy luồng khí, cổng vào
và ra của luồng khí hấp thu nhiệt năng từ khí thải. Toàn bộ hệ thống được mô hình hóa như
Hình 1. Trong đó, vị trí của cổng vào và ra của luồng khí được thiết kế với hai trường hợp
như Hình 2 và kích thước chi tiết như Hình 3. Luồng khí hấp thu năng lượng được di chuyển
qua hệ thống bởi:
- Thiết kế 1: dòng khí thu hồi nhiệt thải được đưa vào vùng hấp thu năng lượng bằng
quạt thổi đặt ở đầu vào (Hình 4a).
- Thiết kế 2: dòng khí thu hồi nhiệt thải được hút vào vùng hấp thu năng lượng bởi quạt
đặt ở đầu ra (Hình 4b).
Khi động cơ hoạt động nhiệt độ khí thải qua ống xả tăng cao, nguồn nhiệt năng này sẽ
làm ống xả của động cơ tăng nhiệt độ. Với nguồn nhiệt này, hệ thống thu hồi nhiệt thải sẽ
dùng nguyên lý đối lưu nhiệt để hấp thu năng lượng từ bề mặt ngoài của ống xả sang luồng
không khí có nhiệt độ thấp hơn. Từ đó, luồng khí nóng này sẽ được tiếp tục sử dụng cho các

mục đích khác.

Hình 1. Mô hình hệ thống thu hồi nhiệt từ khí thải
603


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 2. Phương án bố trí cổng vào và ra của luồng khí

Hình 3. Kích thước ống bao ngoài trong mô hình thực nghiệm

a) Thiết kế 1b) Thiết kế 2
Hình 4. Các thông số mô phỏng và điều kiện biên
Phần mềm ANSYS Workbench 14 được sử dụng nhằm mô phỏng quá trình truyền nhiệt
đối lưu giữa không khí và bề mặt ngoài của ống xả. Sau đó, mô hình thí nghiệm được chế tạo
với các thông số tương tự như mô hình mô phỏng. Các thông số trong quá trình mô phỏng và
thí nghiệm với máy phát điện CAT D333 1800 rpm, 60Hz, 480Volts được trình bày trong
Bảng 1.

604


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV
Bảng 1. Các thông số mô phỏng và thí nghiệm
Thông số
Giá trị
Nhiệt độ khí xả
300 °C
Tốc độ khí xả

53.8m³/min
Kích thước đường kính ống xả
110mm
Nhiệt độ không khí (T kk )
25 °C
0,002kg/s
Lưu lượng hút của quạt
Công suất thiết kế của động cơ ( N tk )
1800 Hp
550 v/p
Vòng quay thiết kế ( n tk )
Đường kính piston
300 mm
Hành trình piston
380 mm
Suất tiêu hao nhiệt liệu
150g/Hp.h
Chiều dài ống
1850 mm
Chiều dài phần ống gia nhiệt
1100 mm
Đường kính ngoài
110 mm
Chiều dày ống
3 mm
Nhằm khảo sát ảnh hưởng của khe hở giữa ống xả và ống bao, ba giá trị đường kính ống
bao được tiến hành mô phỏng với các giá trị: φ170 mm, φ190 mm và φ210 mm. Sau đó, giá trị
phù hợp sẽ được lựa chọn để tiến hành chế tạo mô hình thực nghiệm.
3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
Các kết quả mô phỏng của thiết kế 1 và 2 được trình bày lần lượt như Bảng 2 và 3. Kết

quả cho thấy với thiết kế 1, khi tăng đường kính ống bao từ 170 mm đến 210 mm, nhiệt độ
đầu ra của khí thu hồi nhiệt thải sẽ tăng từ 48,2 oC đến 55,8 oC. Với thiết kế 2, nhiệt độ đầu ra
dao động từ 50,6 oC đến 56,4 oC. Nhìn chung, cả 2 thiết kế đều có khả năng thu hồi nhiệt thải
như nhau. Với nguồn không khí 30 oC, sau khi được hút hoặc thổi qua hệ thống thu hồi nhiệt
thải, nhiệt độ không khí đã tăng đến khoảng 50 oC. Với nhiệt độ này, nguồn không khí có thể
được sử dụng cho các hệ thống sấy hải sản hoặc nông sản [2]. Các kết quả mô phỏng được
tổng hợp và so sánh như Hình 5 và 6. Nhìn chung, với 2 thiết kế, khi tăng kích thước đường
kính ống bao, giá trị nhiệt độ đầu ra cũng tăng. Vì vậy, tùy từng ứng dụng, kích thước ống bao
có thể được lựa chọn nhằm đạt được nhiệt độ khí đầu ra thích hợp [7 – 9].
Bảng 2. Kết quả mô phỏng của 3 mẫu thuộc thiết kế 1
φ170mm
φ190mm
φ210mm
44,1
49,1
52,9
46,2
50,5
54,3
o
t
48,2
51,9
55,8
50,2
53,4
57,2
52,2
54,8
58,5

Bảng 3. Kết quả mô phỏng của 3 mẫu thuộc thiết kế 2
φ170 mm
φ190 mm
φ210 mm
46,6
48,3
51,8
48,6
50,6
54,1
to
50,6
53
56,4
52,6
55,4
58,7
54,7
57,7
60,9
605


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 5. Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu ra
của 3 mẫu ở thiết kế 1

Hình 6.Biểu đồ so sánh nhiệt độ đầu ra của
3 mẫu ở thiết kế 2

Nhằm kiểm chứng kết quả mô phỏng, mô hình thí nghiệm với đường kính ống bao
ngoài φ190 mm đã đượcchế tạo như Hình 7. Các giá trị nhiệt độ khí tại đầu vào và ra được đo
bằng phương pháp không tiếp xúc bởi cảm biến hồng ngoại.Các kết quả mô phỏng và thực
nghiệm được so sánh như Hình 9. Kết quả thực nghiệm cho thấy nhiệt độ khí sau khi được gia
nhiệt trong đạt được khoảng 50oC, Hình 8, tương đương với kết quả khi mô phỏng hệ thống
trên phần mềm 51,9oC. So sánh này cho thấy nhiệt đô trong quá trình thực nghiệm có thấp
hơn so với kết quả khi mô phỏng vì trong quá trình thực nghiệm nhiệt độ ngoài trời, nhiệt độ
ống xả không ổn định. Với độ chính xác này, phương pháp CAE có thể được sử dụng trong
quá trình tính toán, thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải của động cơ đốt trong nhằm phục vụ
cho các nhu cầu khác như sấy thực phẩm, điều hòa nhiệt độ,…

Hình 7. Mô hình thí nghiệm

606


Kỷ yếu hội nghị khoa học và công nghệ toàn quốc về cơ khí - Lần thứ IV

Hình 8. Nhiệt độ khí thu được

Hình 9. So sánh kết quả mô phỏng và thí
nghiệm về nhiệt độ trung bình

4. KẾT LUẬN
Trong bài báo này, mô hình thu hồi nhiệt thải đã được mô phỏng và kiểm chứng bằng
thực nghiệm. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm sai lệch không đáng kể. Vì vậy, phương pháp
CAE có thể được sử dụng trong quá trình tính toán, thiết kế hệ thống thu hồi nhiệt thải của
động cơ nhằm phục vụ cho nhu cầu trong các ngành kỹ thuật. Ngoài ra, các kích thước đường
kính ống bao cũng đã được mô phỏng và so sánh. Kết quả cho thấy với đường kính càng lớn,

nhiệt độ đầu ra của khí sẽ tăng. Vì vậy, tùy từng ứng dụng cụ thể, kích thước ống bao có thể
được lựa chọn nhằm đạt được nhiệt độ khí đầu ra thích hợp.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Jerry T. Zolkowski PE and CEM, Waste Heat Recovery, Energy Engineering, 2009, Vol.
106:5, pp 63-74.
[2]. D. A. Reay, E & F. N. Span, Heat Recovery Systems, London, 1979.
[3]. E. Bredel, J. Nickl and S. Bartosch, Waste Heat Recovery in Drive Systems of Today and
Tomorrow, Industry Thermal management, April 2011, Volume 72, Issue 4, pp 52-56.
[4]. Sustainable Energy Authority of Victoria (SEAV), Best Practice Design, Technology and
Management, Module 5,Australia, 2004.
[5]. D.A. Reay, Low Temperature Waste Heat Recovery in the Process Industry, Good
Practice Guide No. 141, 1996.
[6]. Hou Xuejun and Gao Deli, Analysis of Exhaust Gas Waste Heat Recovery and Pollution
Processing for Z12V190 Diesel Engine, Research Journal of Applied Sciences,
Engineering and Technology, 2012, Vol. 4(11), pp. 1604-1611.
[7]. M. Talbi and B. Agnew, Energy recovery from diesel engine exhaust gases for
performance enhancement and air conditioning, Applied Thermal Engineering, 2002,
Vol. 22, pp. 693-702.
[8]. Chad Baker, Prem Vuppuluri, Li Shi and Matthew Hall, Model of Heat Exchangers for
Waste Heat Recovery from Diesel Engine Exhaust for Thermoelectric Power Generation,
Journal of Electronic Materials, June 2012, Volume 41, Issue 6, pp 1290-1297.
[9]. B. Song, W. Zhuge, R. Zhao, X. Zheng, Y. Zhang, Y. Yin and Y. Zhao, An investigation
on the performance of a Brayton cycle waste heat recovery system for turbocharged
diesel engines, Journal of Mechanical Science and Technology, June 2013, Volume 27,
Issue 6, pp 1721-1729.
607