Các phương pháp tận dụng năng lượng nhiệt khí thải trong động cơ đốt trong
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
CÁC PHƯƠNG PHÁP TẬN DỤNG NĂNG LƯỢNG NHIỆT
KHÍ THẢI TRONG ĐỘNG CƠ ĐỐT TRONG
METHODS OF UTILIZING EXHAUST WASTE HEAT OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE
Khổng Vũ Quảng1, Nguyễn Duy Tiến1,*, Phạm Minh Tuấn1,
Nguyễn Phi Trường2, Lê Mạnh Tới1, Lê Đăng Duy1
1. GIỚI THIỆU
TÓM TẮT
Hiện nay, việc phát triển động cơ đốt trong đang phải đối mặt với những
Ngày nay, trước sức ép về chi phí nhiên liệu cũng như
các tiêu chuẩn kiểm soát phát thải đã tạo ra thách thức
cũng như là nguồn động lực cho các nhà kỹ thuật nghiên
cứu cải tiến Động cơ đốt trong (ĐCĐT). Hàng loạt các
công nghệ hiện đại như hệ thống nhiên liệu điện tử, tăng
áp tuabin - máy nén, công nghệ van biến thiên VVTi… đã
được áp dụng nhằm tăng công suất, giảm tiêu thụ nhiên
liệu và phát thải độc hại. Tuy vậy, hiệu suất có ích của
động cơ chỉ đạt vào khoảng 30 ÷ 40% trong vùng làm việc
tối ưu, ở các chế độ làm việc khác như tải nhỏ hoặc tốc độ
cao hiệu suất này còn thấp hơn rất nhiều. Như vậy có thể
thấy luôn có tối thiểu khoảng 60 ÷ 70% năng lượng nhiệt
trong động cơ bị hao phí, phần nhiệt này chủ yếu bị mất
mát do nhiệt thải qua môi chất làm mát hoặc khí thải
động cơ [1, 2]. Cùng với đó, việc áp dụng các tiêu chuẩn
kiểm soát phát thải ngày càng cao cũng tạo trở ngại cho
các nhà sản xuất trong việc nâng cao nhiệt độ và áp suất
trong quá trình cháy do đó nó cũng làm giảm khả năng
cải thiện hiệu suất nhiệt của động cơ [3, 4]. Nhiều nghiên
cứu cho thấy tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng
và tận dụng nguồn nhiệt hao phí sẽ là giải pháp hiệu quả
để cải thiện hiệu suất sử dụng nhiệt và phát thải độc hại
của ĐCĐT [5, 6].
Trong hệ thống làm mát, phần lớn lượng nhiệt truyền
qua thành vách sẽ truyền cho môi chất làm mát, thông qua
bộ phận tản nhiệt (quạt, két) lượng nhiệt này được phân
tán ra môi trường xung quanh. Do nhiệt độ thấp (thường
nhỏ hơn 1000C) nên việc tận dụng nhiệt nước làm mát
thường theo dạng nhiệt - nhiệt [7]. Ngoài ra yêu cầu về
chênh lệch nhiệt độ giữa nước vào và ra nhỏ (3 ÷ 50C) nên
để tận dụng hiệu quả cần diện tích trao đổi nhiệt rất lớn do
đó làm tăng kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt, gây khó
khăn cho quá trình bố trí thực tế.
thách thức to lớn đó là sự cạn kiệt nguồn nhiên liệu truyền thống, hiệu suất nhiệt
thấp và phát thải gây ô nhiễm môi trường. Cụ thể về hiệu suất nhiệt, trong tổng
số năng lượng cung cấp cho động cơ thông qua quá trình chuyển hóa từ hóa
năng sang nhiệt năng ẩn chứa trong nhiên liệu, chỉ có khoảng 20 đến 40% được
chuyển đổi thành công có ích, phần năng lượng còn lại được thải ra môi trường
xung quanh chủ yếu thông qua khí thải và hệ thống làm mát động cơ. Nhiều
nghiên cứu cho thấy tận dụng nguồn nhiệt thải này là hướng đi tiềm năng trong
việc nâng cao hiệu quả sử dụng nhiệt trong động cơ. So với việc thu hồi nhiệt từ
hệ thống làm mát, thu hồi và sử dụng nhiệt khí thải hiệu quả và dễ dàng hơn rất
nhiều do nó ít ảnh hưởng tới kết cấu và quá trình làm việc của động cơ. Nội dung
bài báo này sẽ trình bày tổng hợp những triển vọng và thách thức của các
phương pháp tận dụng nhiệt khí thải đang được nghiên cứu và sử dụng hiện nay.
Các nội dung này có thể được sử dụng làm cơ sở nghiên cứu nâng cao tính kinh
tế, kỹ thuật thông qua tối ưu hóa các điều kiện làm việc cũng như tính toán thiết
kế các hệ thống tận dụng năng lượng nhiệt khí thải - nước làm mát của động cơ.
Từ khóa: Động cơ đốt trong, nhiệt khí thải, tận dụng nhiệt.
ABSTRACT
Nowadays, the development of ICE is facing major challenges such as the
exhaustion of traditional fuel sources, low thermal efficiency and environmental
pollution emissions. Specifically, in the total amount of energy supplied to the engine
through the transformation from chemical energy to the latent thermal energy in the
fuel, only about 20 to 40% is successfully converted to useful work, the remaining
thermal energy were being discharged into the environment through exhaust gas
and engine cooling system. Therefore, taking advantage of this energy source is
considered a challenging and promising research direction. Compared to utilizing
heat of cooling water, the recovery and use of exhausted heat is much more efficient
and easier because it has less impact on the structure and working process of the
engine. This paper will summarize the prospects and challenges of the methods of
utilizing exhausted heat currently being studied and used today. The content of the
article can be used as a basis for research to improve the economics and techniques
through optimizing the working conditions of the engine and for calculating the
design of systems that utilize exhaust energy - engine cooling water.
Đối với khí thải, năng lượng tồn tại ở dạng nhiệt năng
và động năng, với đặc điểm nhiệt độ cao (có thể lên tới 600
÷ 8000C) và luôn chiếm tỷ lệ lớn (30 ÷ 45%) ở mọi chế độ
làm việc của động cơ nên tận dụng phần năng lượng này
từ lâu đã được các nhà khoa học nghiên cứu và áp dụng với
các phương pháp từ đơn giản như tận dụng để sưởi ấm, hệ
thống tăng áp tuabin - máy nén. Gần đây, các nhà khoa học
đã đưa ra một số phương pháp tiềm năng để tận dụng
nguồn năng lượng này, có thể kể đến như chuyển đổi nhiệt
Keywords: Internal combustion engine, exhaust heat, heat utilizing.
1Viện Cơ khí động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
2Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
Ngày nhận bài: 10/01/2021
Ngày nhận bài sửa sau phản biện: 05/5/2021
Ngày chấp nhận đăng: 25/6/2021
107
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
- điện TEG, sử dụng nhiệt khí thải sấy nóng và giãn nở môi suất riêng của động cơ. Trong phương pháp này, TB-MN
chất trung gian theo chu trình ORC, BOC hoặc tích trữ nhiệt được lắp đồng trục, dòng khí thải của động cơ sẽ không
dưới dạng hóa năng.
thải trực tiếp ra môi trường mà được đưa qua TB giãn nở
sinh công. Công giãn nở từ TB truyền qua MN, nén môi
chất nạp tới một áp suất nhất định. Để tăng hiệu quả, khí
nạp mới sau máy nén sẽ được làm mát trước khi nạp vào
xilanh ĐCĐT, như thể hiện trên hình 2.
Để có cái nhìn tổng quát, bài báo này sẽ giới thiệu một
số phương pháp tận dụng nguồn năng lượng nhiệt khí thải,
tiềm năng và những thách thức khi áp dụng với ĐCĐT.
2. TIỀM NĂNG VÀ KHẢ NĂNG TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ
THẢI ĐỘNG CƠ
Cụm TB-MN không liên hệ cơ khí với trục khuỷu do đó
không lấy mất công suất của động cơ. Mặt khác, khi tăng
áp suất khí nạp (nếu hòa khí động cơ không thay đổi) sẽ
làm giảm tỷ lệ lượng nhiệt truyền cho nước làm mát cũng
như công tổn hao cơ giới, do đó sẽ làm tăng hiệu suất có
ích của ĐCĐT. Tuy nhiên, tăng áp TB-MN cũng có những
hạn chế như ở chế độ tải nhỏ, năng lượng của khí thải thấp,
không đủ để cung cấp cho cụm TB-MN. Ở các chế độ này
cụm TB-MN còn làm tăng cản trên đường nạp thải, làm
tăng tổn hao cơ giới của ĐCĐT. Để khắc phục hạn chế này
các động cơ hiện nay đã trang bị hàng loạt các công nghệ
hiện đại như tăng áp tuabin kép Bi-Turbo hay Twin Turbo,
thay đổi cấu trúc hình học tuabin VGT (Variable Geometry
Turbocharger), tuabin có hai cửa cấp khí vào (Twin-scroll
divided turbochargers), tuabin với quán tính nhỏ kết hợp
với cửa xả (Wastegate)...[9, 10, 11].
Nguồn năng lượng từ ĐCĐT truyền cho máy công tác
hoàn toàn xuất phát từ sự đốt cháy nhiên liệu, chuyển hóa
từ nhiệt năng thành cơ năng theo định luật nhiệt động thứ
nhất. Theo định luật này luôn có sự cân bằng giữa năng
lượng đầu vào và đầu ra trong hệ thống. Trong ĐCĐT nhiên
liệu và không khí được đưa vào buồng cháy, tại đây diễn ra
quá trình chuyển đổi từ hóa năng sang nhiệt năng thông
qua quá trình cháy. Chỉ một phần năng lượng nhiệt chuyển
đổi thành công có ích phần còn lại mất mát cho hệ thống
làm mát và nhiệt khí thải, phần năng lượng còn lại bao gồm
công tổn hao cơ giới như công dẫn động bơm nước, quạt
gió, cơ cấu phối khí; ma sát giữa các ổ trục, piston - xilanh
và một phần nhỏ do nhiên liệu không cháy hết.
Hình 1 thể hiện sự phân bố năng lượng trong động cơ
diesel [8]. Có thể nhận thấy để giảm các tổn thất nhiệt,
ĐCĐT cần làm việc ổn định ở chế độ tải trọng cao. Tuy
nhiên, chế độ làm việc thực tế của ĐCĐT thường xuyên
thay đổi. Đặc biệt là ĐCĐT trên các phương tiện giao thông
vận tải thường làm việc ở vùng tải nhỏ và trung bình.
Như vậy, ngoài việc tối ưu hóa các thông số làm việc của
động cơ thì việc tận dụng các nguồn nhiệt thải (làm mát,
khí thải) sẽ cho phép nâng cao hiệu suất sử dụng nhiệt
chung.
Tổn thất nhiệt khác
Nhiệt khí thải
Hình 2. Sơ đồ hệ thống tăng áp Tuabin - Máy nén
3.2. Chuyển đổi năng lượng nhiệt khí thải thành điện
theo nguyên lý nhiệt - điện TEG
Nhiệt truyền cho hệ thống
làm mát
Chuyển đổi nhiệt - điện TEG (Thermo Electric
Generators) là phương pháp dựa trên hiệu ứng Seebeck
[12]. Mỗi phần tử TEG bản chất là một cặp tấm bán dẫn loại
N và P, các tấm bán dẫn được bố trí một bề mặt tiếp xúc với
nguồn nóng T1 một mặt tiếp xúc với nguồn lạnh T2. Khi
chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng và nguồn lạnh đủ
lớn các hạt mang điện tích trên hai nhánh bán dẫn sẽ di
chuyển về phía có nhiệt độ thấp, với tấm bán dẫn loại N là
các hạt điện tích âm (electron), tấm bán dẫn loại P là các lỗ
trống mang điện tích dương. Do đó, nơi tập chung ít
electron trên tấm bán dẫn loại N sẽ mang điện tích dương
(+) còn nơi tập trung ít lỗ trống trên tấm bán dẫn P mang
điện tích âm. Do đó khi nối hai bề mặt bán dẫn như hình 3
sẽ tạo thành mạch kín sinh ra dòng điện.
Sinh công có ích
25
50
Tải (%)
75
100
Hình 1. Phân bố năng lượng trong ĐCĐT
3. CÁC PHƯƠNG PHÁP TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ THẢI
ĐỘNG CƠ
3.1. Trang bị cụm tuabin - máy nén
Trang bị thêm cụm Tuabin - Máy nén (TB-MN) trên
đường nạp - thải nhằm mục đích tăng công suất, công
108
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
Hình 4. Mô hình TEG kết hợp với hệ thống trao đổi nhiệt khí thải
Hình 3. Nguyên lý hoạt động của tế bào TEG theo hiệu ứng See-bek
Hiệu suất nhiệt - điện của một phần tử TEG được xác
định theo công thức sau:
T T2
1
(1)
η
2T 1/ 2(T T2 ) 4 / Z
1
1
Trong đó, T1, T2 lần lượt là nhiệt độ nguồn nóng và
nguồn lạnh, Z hệ số phẩm chất (đơn vị K-1) phụ thuộc loại
vật liệu bán dẫn.
Hình 5. Mô hình TEG song song kết hợp với hệ thống trao đổi nhiệt khí thải
Với những ưu điểm nổi trội như kích thước nhỏ gọn,
chuyển đổi năng lượng nhiệt thành điện một cách trực tiếp
nên công nghệ này đã được các hãng xe nổi tiếng trên thế
giới như BMW, Ford, hay Honda đầu tư nghiên cứu, hiện tại
BMW đã ứng dụng TEG trên một số dòng xe của mình [13,
14]. Tuy nhiên, TEG vẫn còn nhiều hạn chế cần nghiên cứu
cải tiến như hiệu suất chuyển đổi thấp (5 ÷ 8%), chi phí đầu
tư khá lớn. Từ công thức (1) có thể thấy để tăng hiệu suất
chuyển đổi cần tăng chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nóng
và nguồn lạnh cũng như đòi hỏi vật liệu có phẩm chất tốt
(hệ số Z cao). Thực tế để tăng hiệu quả sử dụng nhiệt người
ta thường sử dụng TEG kết hợp với hệ thống trao đổi nhiệt
như thể hiện trên hình 4. Trong phương pháp này, các ống
trao đổi nhiệt có mục đích thay thế các cánh tản nhiệt, làm
tăng khả năng trao đổi nhiệt của hệ thống từ đó làm tăng
hiệu suất tận dụng nhiệt. Phương pháp này cho thấy rất
nhiều triển vọng bởi cả TEG và ống trao đổi nhiệt đều ở
dạng rắn, ổn định, không gây ồn cũng như có độ bền cao.
Hơn nữa, ống tận dụng nhiệt sẽ làm giảm nhiệt trở giữa khí
thải và TEG, giảm sự mất mát áp suất của dòng khí và tạo ra
sự cơ động trong việc thiết kế hệ thống. Tuy nhiên, phương
pháp này còn một số mặt hạn chế như TEG có hiệu suất tận
dụng nhiệt thấp cùng nhiệt độ cho phép cao nhất ở bề mặt
bị hạn chế và ống thu hồi nhiệt có vấn đề về tốc độ trao đổi
nhiệt cũng như vùng nhiệt độ hoạt động hiệu quả.
1- Đường nước làm mát; 2- TEG mô đun; 3- Đường nước mang nhiệt;
4- Tấm cách nhiệt; 5- Dầu dẫn nhiệt; 6- T-type.
3.3. Chuyển đổi năng lượng khí thải thành năng được
lưu trữ dưới dạng hóa năng
Hệ thống lưu trữ năng lượng hóa học hay CHS
(Chemical heat storage) là một dạng của hệ thống lưu trữ
nhiệt năng. CHS được sử dụng để chuyển đổi nhiệt năng
thành hóa năng theo phương trình phản ứng thuận nghịch
như sau: A + Nhiệt ↔ B + C.
Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là năng lượng
nhiệt được hấp thụ trong quá trình lưu trữ nhiệt bởi một
hóa chất A để trở thành hai thành phần B và C. Khi cần sinh
nhiệt, hai sản phẩm B và C được trộn với nhau để hoàn
nguyên thành A ban đầu và nhiệt được giải phóng. So với
các hệ thống lưu trữ năng lượng nhiệt khác, CHS có mật độ
năng lượng cao hơn và có thể lưu trữ trong thời gian dài
hơn với tổn thất nhiệt tương đối nhỏ [16]. Phuơng pháp
này hiện đã được áp dụng để lưu trữ năng lượng mặt trời
để đun nóng ở các hộ gia đình cũng như để lưu trữ năng
lượng điện ở các giờ thấp điểm trong các nhà máy điện [17,
18]. Nhược điểm chính của hệ thống này là phần trăm nhiệt
tích trữ được còn thấp và chỉ có thể lưu trữ năng lượng từ
các nguồn nhiệt có nhiệt độ cao.
Để tăng tỷ lệ tận dụng nhiệt khí thải, hình 5 trình bày
cách thức bố trí các tấm TEG xếp chồng lên nhau, xen
giữa các tấm là các kênh dẫn khí thải và nước làm mát
[15]. Phương pháp này sẽ tận dụng triệt để hơn nhiệt khí
thải qua đó làm tăng hiệu quả sử dụng nhiệt của cả hệ
thống. Tuy nhiên, cách thức bố trí này cũng sẽ làm tăng
không gian bố trí, khó khăn trong việc lắp đặt, bảo dưỡng
sửa chữa.
Hình 6. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống CHS lưu trữ năng lượng nhiệt khí thải
ĐCĐT
109
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
Tại Việt Nam, Cao Đức Lượng và các cộng sự đã tiến bình như khí thải động cơ. Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả
hành nghiên cứu một hệ thống lưu trữ nhiệt hóa học sử vẫn cần nghiên cứu xác định các môi chất trung gian mới,
dụng hợp chất của Mg(OH)2 và than chì với tỉ lệ khối lượng là nâng cao hiệu suất của quá trình giãn nở, hiệu suất quá
8:1 (block state) [19]. Nhiệt độ để phản ứng của hệ thống trình trao đổi nhiệt tại nồi hơi và bình ngưng, phối hợp quá
phù hợp với nhiệt độ khí xả của ĐCĐT và sử dụng thêm than trình làm việc của hệ thống phù hợp với chế độ làm việc
chì sẽ cho hỗn hợp khối lượng riêng lớn hơn cũng như khả của ĐCĐT để có thể cải thiện hiệu suất của cả hệ thống
năng trao đổi nhiệt tốt hơn chỉ sử dụng Mg(OH)2. Nguyên lý ORC-ĐCĐT.
làm việc của hệ thống được thể hiện trong hình 6.
Tania Morabito và các đồng nghiệp đã tiến hành thử
nghiệm một loại vât liệu dựa trên các tinh thể nhôm
mangan để làm vật liệu trung gian trong quá trình biến đổi
từ hóa năng sang nhiệt năng và ngược lại để sử dụng trong
các nhà máy năng lượng điện mặt trời [20]. Nhóm nghiên
cứu sử dụng môi chất trung gian là khí nén và thu được kết
quả khả quan với hỗn hợp có kết cấu ổn định, giảm thiểu
tối đa sự giảm áp khi các phản ứng hóa học xảy ra đồng
thời vật liệu có mật độ năng lượng trên đơn vị thể tích
tưởng đối cao. Tuy nhiên, tác giả cũng đã đề cập rằng hiệu
suất của hệ thống lưu trữ năng lượng này có thể được cải
thiện đáng kể bằng cách tối ưu hóa các đặc tính của hỗn
hợp tinh thể nhôm mangan. Đặc biệt việc cải thiện
enthalpy của phản ứng là hoàn toàn có thể thực hiện được.
3.4. Chuyển đổi năng lượng khí thải thành năng lượng
cơ khí hoặc điện ORC hoặc BOC
Hình 7. Mô hình ORC đơn giản
3.5. Lưu trữ và hấp thụ nhiệt khí thải sử dụng vật liệu
thay đổi pha
Chu trình rankine ORC (Organic Rankine Cycle) được coi
là chu trình đơn giản, hiệu quả và phù hợp với mức nhiệt
thấp như khí thải của ĐCĐT. Mô hình ORC đơn giản như thể
hiện trên hình 7 [21]. Hệ thống bao gồm nồi hơi, thiết bị
giãn nở sinh công (tuabin), bình ngưng tụ, bơm và môi chất
trung gian. Khí thải động cơ được dẫn qua nồi hơi, tại đây
môi chất trung gian nhận nhiệt, chuyển pha từ lỏng sang
khí. Tiếp theo, môi chất khí được đưa tới giãn nở sinh công
tại tuabin. Công sinh ra từ quá trình giãn nở sẽ được sử
dụng dẫn động máy phát điện hoặc dẫn động cơ khí cho
các ứng dụng khác. Sau khi qua tuabin, môi chất được
ngưng tụ tại bình ngưng sau đó được bơm bơm trở lại nồi
hơi thực hiện một chu trình kín. BOC (Breyton Organic
Cycle) là một trường hợp riêng của ORC khi sử dụng các
chất khí làm môi chất trung gian. Phương pháp này giúp
rút ngắn thời gian quá độ của hệ thống cũng như cải thiện
hiệu suất tận dụng cửa hệ thống ở các chế độ tải trọng nhỏ
của ĐCĐT. Các môi chất trung gian BOC thường được sử
dụng hiện nay như CO2, CFC.... Không có môi chất trung
gian nào là hoàn hảo, mỗi môi chất chỉ phù hợp và phát
huy hiệu suất cao trong một số vùng làm việc nhất định
của động cơ [22].
Vật liệu thay đổi pha (PCM) là vật liệu mà pha của nó sẽ
thay đổi ở nhiệt độ nhất định. Trong quá trình thay đổi pha,
PCM hấp thụ hoặc giải phóng một lượng nhiệt lớn để thực
hiện quá trình biến đổi. Hiện tượng này được gọi là nhiệt ẩn
của phản ứng tổng hợp hoặc hóa hơi, và thông qua quá
trình này, năng lượng được lưu trữ hoặc giải phóng. Vật liệu
làm PCM được chia thành hai nhóm chính, vô cơ và hữu cơ
(paraffin) [24]. Ưu điểm của PCM là vật liệu được sử dụng để
chế tạo ra PCM có thể tái chế được, không gây ra sự ăn mòn
đối với loại hữu cơ và có nhiệt ẩn cao. Hạn chế của phương
pháp này là thời gian lưu trữ không dài, hệ số truyền nhiệt
kém, có hiện tượng nóng chảy không đồng nhất và hiện
tượng siêu lạnh [25].
V.Pandiyarajan cùng nhóm nghiên cứu đã giới thiệu khái
niệm bình tích trữ nhiệt PCM. Hệ thống bao gồm một
khoang chứa các bình lưu trữ nhiệt, đường vào và ra của môi
chất truyền nhiệt, môi chất là dầu được bơm vào hệ thống từ
đường vào ở trên để trao đổi nhiệt với các bình lưu trữ và đi
ra ở phía dưới [26]. Kết quả cho thấy hệ thống có thể lưu trữ
tới 50% lượng nhiệt khí thải của động cơ do đó giúp nâng
cao hiệu suất nhiệt tổng thể của hệ thống ĐCĐT-PCM lên
10 ÷ 15%. Lượng nhiệt lưu trữ này được tái sử dụng để sấy
nóng nước làm mát, khí nạp trong trường hợp khởi động
lạnh. Tuy nhiên, khối lượng và thể tích không gian của hệ
thống còn lớn, tốc độ trao đổi nhiệt thấp.
Trong hệ thống ORC thì áp suất hơi là thông số quan
trọng nhất ảnh hưởng tới hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên
chênh lệch nhiệt độ, tổn hao của bộ trao đổi nhiệt, nhiệt độ
tới hạn của môi chất trung gian sẽ là những rào cản chính
ảnh hưởng tới áp suất làm việc tối đa của chu trình. ORC
được sử dụng trong các hệ thống kết hợp nhiệt với công là
một lựa chọn tốt để tăng cường hiệu suất và giảm thiểu giá
thành [23].
Mert Gürtürk cùng các cộng sự đã thực hiên một nghiên
cứu về một phương pháp thiết kế mới cho các vây truyền
nhiệt trong bộ PCM [27]. Trong nghiên cứu này, các tác giả
đã phân tích quá trình trao đổi và tích trữ nhiệt của PCM và
đưa ra kết cấu cánh và vây truyền nhiệt mang lại hiệu quả
Có thể thấy, ORC là một phương pháp có nhiều triển
vọng trong việc tận dụng các nguồn nhiệt thấp và trung
110
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY
cao nhất trong quá trình nóng chảy của PCM từ đó cải thiện ra các hướng cải tiến mới cho hệ thống trong tương lai để
các tính năng kỹ thuật của bình lưu trữ nhiệt, kết cấu này tận dụng nguồn nhiệt này. Nhược điểm của hệ thống là
được thể hiện trong hình 8. Kết quả cho thấy, định hướng còn cồng kềnh, bố trí khó khăn và lượng nước ngọt tạo ra
để thiết kế cánh trao đổi nhiệt trong đó để ý đến quá trình vẫn còn thấp.
nóng chảy của PCM trong bình trữ nhiệt là một hướng đi
đang được các nhà nghiên cứu thử nghiệm và phát triển.
Bằng cách đặt các tấm cánh trao đổi nhiệt một cách hợp lý,
nhóm của Mert Gürtürk đã tăng tốc độ nóng chảy của PCM
lên đến 65% từ đó cải thiện tốc độ truyền nhiệt cũng như
lượng nhiệt hấp thụ và lưu trữ được của PCM. Nghiên cứu
này đem lại nhiều triển vọng và hứa hẹn để cải thiện các
tính năng kỹ thuật của bình lưu trữ nhiệt sử dụng vật liệu
đổi pha tuy nhiên các cải tiến về vật liệu làm cánh cũng như
giá thành sản phẩm sẽ cần được tiến hành để nghiên cứu
này có thể được sớm đi vào thực tế.
Hình 9. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt
4. KẾT LUẬN
Có thể nhận thấy tiềm năng rất lớn về sử dụng hiệu quả
năng lượng thông qua việc áp dụng các công nghệ thu hồi
nhiệt khí thải. Việc sử dụng hiệu quả không chỉ là tận dụng
nguồn nhiệt thải này để sinh công cơ khí mà còn có thể sử
dụng nguồn nhiệt này để sưởi ấm, tạo năng lượng điện
hoặc vận hành hệ thống làm lạnh. Việc thu hồi nhiệt thải từ
khí thải và chuyển đổi thành năng lượng cơ học là có thể
với sự trợ giúp của các chu trình nhiệt động học Rankine,
Stirling và Brayton, hấp thụ hơi. Đối với hệ thống thu hồi
nhiệt thải sử dụng nhiệt thấp, có hiệu suất thấp thì nó rất
hữu ích cho cùng khả năng tăng hiệu suất nhiệt và giảm
phát thải. Tái sử dụng nhiệt khí thải cũng sẽ giúp cải thiện
Hình 8. Cấu tạo cánh và vây truyền nhiệt của bộ PCM
hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao năng lượng và khí thải của
3.6. Tận dụng trực tiếp nhiệt khí thải
động cơ. Nếu những công nghệ này được các nhà sản xuất
áp dụng thì nó sẽ làm tăng hiệu suất chung của động cơ
đốt trong.
Phương pháp tận dụng nhiệt khí thải trực tiếp để sấy
nóng khí nạp, dầu bôi trơn (khi động cơ mới khởi động) đã
được sử dụng trên nhiều động cơ, trên một số dòng xe du
lịch hiện nay người ta còn sử dụng nhiệt khí thải (phía sau
bộ xúc tác) để sưởi ấm không gian trong xe [28].
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Trên các tầu thủy cỡ lớn, nhiệt khí thải và nước làm mát
động cơ không những được tận dụng để sưởi ấm mà còn
có thể được sử dụng để chưng cất nước biển tạo thành
nước sinh hoạt trên tàu. K.S.Maheshwari cùng các cộng sự
đã nghiên cứu tận dụng nhiệt thải của động cơ diesel để
trưng cất nước ngọt [29]. Hệ thống sử dụng nhiệt thải của
khí xả động cơ để đun nóng nước biển rồi trưng cất thành
nước ngọt, nước mặn còn được đưa qua bình ngưng tụ để
hấp thụ nhiệt của quá trình ngưng tụ. Sơ đồ của hệ thống
được thể hiện trên hình 9.
[1]. John B. Heywood, 2018. Internal Combustion Engine Fundamentals
Second edition. McGraw-Hill Education, ISBN: 978-1-26-011611-3.
[2]. Charles Fayette Taylor, 1985. Internal Combustion Engine in Theory and
Practice, Volume 1: Thermodynamics, Fluid Flow, Performance. MIT Press.
[3]. Eran Sher, 1998. Handbook of Air Pollution From Internal Combustion
Engines.
[4]. Georgios Fontaras, at el, 2013. Development and review of Euro 5
passenger car emission factors based on experimental results over various driving
cycles. Science of the Total Environment.
Kết quả của nghiên cứu cho thấy so với khi không sử
dụng bộ phận gia nhiệt cho nước biển thì hệ thống có bình
gia nhiệt sẽ có hiệu suất cao hơn từ 20 ÷ 30% tăng dần khi
tăng tải của ĐCĐT. Trong bình ngưng, nước muối đóng vai
trò như một chất làm mát cho hơi trong bình hóa hơi và
được lưu trữ trong bình riêng ở nhiệt độ 600C. Điều này mở
[5]. J. S. Jadhao, at el, 2013. Review on Exhaust Gas Heat Recovery for I.C.
Engine. International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT)
Volume 2, Issue 12.
[6]. M. Sc. Milkov N., at el, 2015. Advanced Technologies For Waste Heat
Recovery In Internal Combustion Engines. Technical University of Sofia.
111
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY
KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
[7]. John R.Armstead, at el, 2014. Review of Waste Heat Recovery
[28]. Mahmoud Khaled, et al, 2016. Heating fresh air by hot exhaust air of
Mechanisms for Internal Combustion Engines. Journal of Thermal Science and HVAC systems. Case Studies in Thermal Engineering, Volume 8, Pages 398-402
Engineering Applications, Vol. 6.
[29]. K.S.Maheswari, et al, 2015. Thermal desalination using diesel engine
[8]. Nguyễn Tất Tiến, 1994. Nguyên lý động cơ đốt trong. NXB Giáo dục.
exhaust waste heat. Desalination 358, 94 –100.
[9]. Dengting Zhu, at el, 2019. Fuel consumption and emission characteristics
in asymmetric twin-scroll turbocharged diesel engine with two exhaust gas
recirculation circuits. Applied Energy 238.
AUTHORS INFORMATION
Khong Vu Quang1, Nguyen Duy Tien1, Pham Minh Tuan1,
Nguyen Phi Truong2, Le Manh Toi1, Le Dang Duy1
1School of Transportation Engineering, Hanoi University of Science and
Technology
2Hanoi University of Industry
[10]. Adam J. Feneleya, at el, 2016. Variable Geometry Turbocharger
Technologies for Exhaust Energy Recovery and Boosting‐A Review. Renewable and
Sustainable Energy Reviews.
[11]. Viktor Olsson, 2015. An on-engine twin-scroll turbine performance
estimation. Master of Science Thesis, KTH Industrial Engineering and
Management
[12]. H. Julian Goldsmid, 2009. Introduction to Thermoelectricity. Springer
Series in Materials Science 121, Springer-Verlag Berlin Heidelberg.
[14]. B. Orr, at el, 2016. A review of car waste heat recovery systems utilising
thermoelectric generators and heat pipes. Applied Thermal Engineering 101, 490–
495.
[15]. Xing Niu, at el, 2009. Experimental study on low-temperature waste
heat thermoelectric generator. Journal of Power Sources 188, 621–626.
[16]. Benoît Stutz, at el, 2016. Storage of thermal solar energy. Comptes
Rendus Physique, p. 401–414.
[17]. Pelay U., et al, 2017. Thermal energy storage systems for concentrated
solar power plants. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 79: p. 82-100.
[18]. Zamengo M., 2014. A Study on Heat Transfer-Enhanced Composites for a
Magnesium Oxide/Water Chemical Heat Pump. Tokyo Institute of Technology.
[19]. Duc Luong Cao, at el, 2018. Investigation of chemical heat storage
processes for recovering exhaust gas energy in internal combustion engines. 21st
Australasian Fluid Mechanics Conference Adelaide, Australia.
[20]. Tania Morabito, Salvatore Sau, at el, 2020. Chemical CSP storage system
based on a manganese aluminium spinel. Solar Energy 197, 462–471.
[21]. Alias Mohd Noor et al, 2015. Technologies for Waste Heat Energy
Recovery from Internal Combustion Engine: A Review. Conference Paper.
[22]. U. Drescher, D. Bruggemann, 2007. Fluid selection for the organic
Rankine cycle (ORC) in biomass power and heat plants. Applied Thermal
Engineering 27: 223–228.
[23]. Chen Yue, at el, 2019. Thermal and economic analysis on vehicle energy
supplying system based on waste heat recovery organic Rankine Cycle. Applied
Energy 248, 241–255.
[24]. Luisa F. Cabeza, 2014. Advances in Thermal Energy Storage Systems:
Methods and Applications. Woodhead Publishing (Woodhead Publishing Series in
Energy).
supercooling
[26]. V. Pandiyarajan et al, 2011. Experimental investigation on heat recovery
from diesel engine exhaust using finned shell and tube heat exchanger and thermal
storage system. Applied Energy 88, 77–87.
[27]. Mert Gurturk, Besir Kok, 2020. A new approach in the design of heat
transfer fin for melting and solidification of PCM. International Journal of Heat and
Mass Transfer 153, 119671.
112
6 trang
22000
Free
Bạn đang xem tài liệu "Các phương pháp tận dụng năng lượng nhiệt khí thải trong động cơ đốt trong", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- cac_phuong_phap_tan_dung_nang_luong_nhiet_khi_thai_trong_don.pdf
