Tính toán - mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp trong hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ RV 125-2

Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010<br /> <br /> <br /> TÍNH TOÁN - MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP TRONG HỆ<br /> THỐNG CUNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ RV 125-2<br /> CALCULATE – SIMULATION MIXTURE PROCESS IN BIOGAS SUPPLYING<br /> SYSTEM FOR RV 125-2 DIESEL ENGINE<br /> <br /> <br /> SVTH: Dương Tuấn Việt, Lê Duy Linh<br /> Lớp 05C4B, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa<br /> GVHD: TS. Dương Việt Dũng<br /> Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa<br /> <br /> <br /> TÓM TẮT<br /> Động cơ lưỡng nhiên liệu được chuyển đổi từ động cơ Diesel RV 125-2. Kết cấu của bộ<br /> hòa trộn trong hệ thống cung cấp Biogas của động cơ ảnh hưởng lớn đến hiệu quả sử dụng động<br /> cơ. Báo cáo trình bày quá trình tính toán thiết kế bộ hòa trộn và mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp<br /> của Biogas và không khí trên đường ống nạp của động cơ khi sử dụng song song lưỡng nhiên<br /> liệu. Từ tính toán và nghiên cứu phương pháp cấp Biogas để đưa ra các kết cấu của bộ hòa trộn.<br /> Thông qua việc so sánh kết quả mô phỏng quá trình hòa trộn của các phương án dựa trên các chi<br /> tiêu để lựa chọn kết cấu tối ưu của bộ hòa trộn.<br /> ABSTRACT<br /> Dual fuel Biogas – Diesel engine has been tranformed from original RV 125-2 Diesel<br /> engine. The structure of the mixture chamber in Biogas supplying system affect to using effect of<br /> engine. This report presents process calculate, design the mixture chamber and simulation prosess<br /> mixture at charge pipe of Biogas and Diesel dual fuel engine. After calculating anf researching the<br /> way to supply Biogas. The structure of micture chamber depen on that. And compareting the<br /> results of these structure base on policy of best mixture. By simulation we'll have certaintly base for<br /> calculated, and then to design, manufacture the Biogas supplying system.<br /> <br /> 1. Đặt vấn đề<br /> Nhiên liệu Biogas đã và đang được nghiên cứu sử dụng làm nhiên liệu cho các<br /> động cơ Diesel tĩnh tại ở các vùng nông thôn nước ta bước đầu đã mang lại những hiệu quả<br /> to lớn về giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tính kinh tế năng lượng cao. Tuy nhiên việc tối<br /> ưu hóa quá trình cấp Biogas nhằm tạo hỗn hợp hòa khí tốt nhất cho động cơ là một trong<br /> những yếu tố quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất ở những động cơ này.<br /> Bài báo trình bày phương pháp thiết kế tối ưu hệ thống cung cấp Biogas cho động<br /> cơ RV 125-2. Bằng tính toán, mô phỏng tạo hỗn hợp trong hệ thống cấp Biogas với các<br /> phương án khác nhau nhằm phân tích lựa chọn kết cấu bộ cấp Biogas hợp lý nhất.<br /> <br /> 2. Tính toán hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ<br /> Sau khi so sánh các phương án thiết kế hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ dựa<br /> trên các tiêu chí như chất lượng hòa khí, kết cấu hệ thống, tính kinh tế... ta chọn được hệ<br /> thống để thiết kế như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7<br />  Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010<br /> <br /> <br /> 6 7 8 9 2.1. Tính toán, thiết kế bộ hòa trộn<br /> 5 Không khí<br /> Trong tính toán này lượng Diesel được<br /> khống chế đảm bảo động cơ chạy không<br /> 4 tải ổn định 0,2 (kg/h) và cung cấp đủ năng<br /> 10<br /> lượng cho quá trình cháy khi động cơ sử<br /> 3<br /> dụng song song Biogas và Diesel. Theo<br /> tính toán, lưu lượng Biogas cung cấp cho<br /> 2<br /> động cơ là 2,71 (m3/h), lưu lượng không<br /> 1<br /> khí cần thiết là 25,05 (m3/h ).<br /> Bộ hòa trộn phải đảm bảo yêu cầu<br /> tạo độ chân không cần thiết và không tạo<br /> n ra trở lực lớn để quá trình cung cấp<br /> Hình 1. Sơ đồ hệ thống cung cấp Biogas cho Biogas được hoàn thiện hơn, hỗn hợp hòa<br /> động cơ.<br /> khí giữa Biogas và không khí đồng đều<br /> 1- Van cấp Biogas. 2- Bình chứa. 3- Van hơn.<br /> tiết lưu. 4- Bộ điều tốc. 5- Họng khuếch Do tính chất của việc tính toán là<br /> tán. 6- Lọc không khí. 7- Đường ống nạp. cải tạo đường ống nạp nên đường kính<br /> 8- Vòi phun cao áp. 9- Đường ống thải. họng của bộ hòa trộn được tính toán kiểm<br /> 10- Bơm cao áp. nghiệm trên cơ sở lượng Biogas và không<br /> khí qua họng đi vào xilanh động cơ đảm bảo cháy hoàn toàn và tạo ra công suất yêu cầu:<br /> Đường kính buồng hỗn hợp db = 44 (mm), đường kính họng<br /> dh = 35 (mm).<br /> Sau khi xét đến các tổn thất trên đường ống nạp, và áp suất lưu trữ Biogas ta có:<br /> 2 ph pBi<br /> VBi 23, 44(m / s )<br /> Vận tốc dòng không khí đi qua họng: Bi<br /> <br /> <br /> 1 2. ph<br /> Vận tốc Biogas ra khỏi vòi phun: Vh 10, 446(m / s)<br /> 1 dt<br /> <br /> <br /> Đường ống cấp Biogas vào họng phải đảm bảo cung cấp đủ lượng Biogas cần thiết,<br /> đường kính đường ống cấp Biogas vào họng d0 = 7 (mm).<br /> Sau khi tính toán bộ hòa trộn và nghiên cứu lại một số mô hình bộ hỗn hợp, ta đưa<br /> ra các phương án cung cấp Biogas như sau:<br /> Phương án 1: Cung cấp Biogas qua 6 lỗ bố trí đều quanh tiết diện họng.<br /> Phương án 2: Phun trực tiếp Biogas vào họng.<br /> Phương án 3: Cung cấp Biogas vào họng theo tiết diện hình vành khăn.<br /> Dựa trên các kết quả quá trình tính toán bộ hòa trộn và phương pháp cấp Biogas<br /> vào họng ta có các kết cấu của họng tương ứng trên hình 2.<br /> Kết cấu bộ hòa trộn tương ứng:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 8<br />  Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010<br /> <br /> <br /> <br /> Ø52 Ø52 Ø52<br /> Ø44 Ø44 Ø44<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 28<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 28<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 28<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 28<br /> 28<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 28<br /> Ø35<br /> Ø35 Ø35<br /> Ø7 60<br /> Ø7 Ø7<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 7<br /> 3<br /> <br /> Ø3<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 84<br /> 84<br /> 84<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 28<br /> 28<br /> 28<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> M8 M8 M8<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 12<br /> 12<br /> 12<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a – Cấp Biogas qua 6 lỗ b – Phun Biogas vào họng c – Cấp Biogas qua tiết diện<br /> hình vành khăn<br /> <br /> Hình 2. Kết cấu bộ hòa trộn.<br /> 2.2. Mô phỏng quá trình hòa trộn Biogas và không khí tại họng<br /> 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô phỏng<br /> Xem dòng chảy không khí và Biogas trong đường ống nạp là dòng rối của chất khí<br /> không chịu nén. Để giải bài toán dòng rối ta dùng 2 phương trình cơ bản: phương trình liên<br /> ( .u ) ( .v)<br /> tục 0 và phương trình động lượng<br /> x y<br /> <br /> u u dU 1 u<br /> u. v. U. ( u , v, ) .<br /> x y dx y y<br /> <br /> Nhưng 2 phương trình trên không đủ để giải tất cả các ẩn nên ta khép kín hệ<br /> phương trình trên bởi mô hình rối k :<br /> d U C k2 2<br /> C 1. .(ui u j ). i .( . . ) C 2<br /> dt k Xj Xj k Xj k<br /> Các hằng số trong phương trình: theo [6].<br /> C 1 1,44 ; C 2 1,92 ; C 0,09 ; k 1; 1,23<br /> 2.2.2. Các điều kiện biên mô phỏng<br /> Đường kính họng bộ hoà trộn: dh = 35mm, không khí kk = 1,225 kg/m3, thành<br /> phần Biogas (60%Metan và 40% CO2) có biogas = 0,9 kg/m3, đường kính ống nạp: Dh = 44<br /> (mm), đường kính lỗ phun Biogas: d0 =7 (mm).Vận tốc Biogas Vbiogas=23,44(m/s), Pbiogas =<br /> 150 (N/m2),vận tốc không khí Vkk = 10,4469 (m/s), Pkk = 1atm. Động cơ làm việc ở chế độ<br /> định mức với số vòng quay n = 2200(vòng/phút), Ne = 6,5(kW).<br /> 2.2.3. Chia lưới và chọn điều kiện biên<br /> Các yêu cầu khi chia lưới : thời gian, chi phí tính toán và sự hội tụ. Trong mô hình<br /> bộ hòa trộn 2D, lưới được tạo ra với 49705 tứ giác và 74386 nút, lưới được tạo ra có kích<br /> thước dày hơn ở khu vực có dòng chảy gia nhập. Càng ra xa dòng, lưới càng thưa dần vì<br /> <br /> <br /> 9<br />  Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010<br /> <br /> <br /> vận tốc trong lớp biên thay đổi từ giá trị 0 tại thành ống đến giá trị xấp xỉ 99% vận tốc<br /> dòng ngoài và vùng chất lỏng chảy gần thành có sự ma sát giửa chất khí và thành ống nên<br /> để công việc tính toán chính xác hơn ta phải chia lưới vùng sát thành ống thật dày và điều,<br /> còn những vùng xa thành lưới được chia thưa hơn là để giảm thời gian tính toán. Lưới<br /> được tạo ra với sự giúp đỡ của phần mềm Gambit 2.4, chỉnh lại khi giải bài toán trong<br /> Fluent.<br /> Sau khi lựa chọn các điều kiện biên của dòng không khí và dòng Biogas tại không<br /> gian bộ hỗn hợp ta có kết quả mô phỏng của các kết cấu bộ hòa trộn như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Vectơ vận tốc hỗn hợp (b) Vectơ vận tốc hỗn hợp (c) Phân bố mật độ trước<br /> trong đường ốn nạp trước xupap nạp xupap nap<br /> <br /> Hình 3. Kết quả mô phỏng trường hợp 6 lỗ bố trí quanh họng.<br /> Vận tốc hỗn hợp có giá trị khác nhau tại các vùng của đường ống nạp thay đổi<br /> trong khoảng 7,5 60 (m/s) được thể hiện thông qua màu sắc tương ứng trên thang đo, tại<br /> vùng giao nhau của Biogas và không khí vận tốc có giá trị lớn, ở vùng góc lượn của đường<br /> ống nạp xuất hiện xoáy.Vectơ vận tốc của hỗn hợp ở trước xupap nạp có giá trị thay đổi 15<br /> 45 ( m/s ). Mật độ các thành phần có trong hỗn hợp phần bố không đều, các thành<br /> phần còn liên kết với nhau.<br /> Như vậy theo phương án này chất lượng hòa trộn không tốt, có tổn thất dòng hỗn hợp.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Vectơ vận tốc hỗn hợp (b) Vectơ vận tốc hỗn hợp (c) Phân bố mật độ trước<br /> trong đường ốn nạp trước xupap nạp xupap nap<br /> Hình 4. Kết quả mô phỏng trường hợp phun trực tiếp Biogas vào họng.<br /> Vận tốc của hỗn hợp trong đường ống nạp thay đổi trong khoảng 30 37,5 (m/s),<br /> xuất hiện nhiều vùng xoáy doc theo đường ống nạp đặc biệt ở cuối đường ống nạp có một<br /> vùng xoáy lớn, vận tốc tại đây thay đổi trong phạm vi 7,5 30 (m/s), mật độ các thành<br /> phần trong hỗn hợp không đều. Vậy hỗn hợp chưa đạt chất lượng hòa trộn tốt, có tổn thất<br /> do tồn tại nhiều vùng xoáy.<br /> <br /> <br /> 10<br />  Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> (a) Vectơ vận tốc hỗn hợp (b) Vectơ vận tốc hỗn hợp (c) Phân bố mật độ trước<br /> trong đường ốn nạp trước xupap nạp xupap nap<br /> Hình 5. Kết quả mô phỏng trường hợp cấp Biogas qua tiết diện hình vành khăn.<br /> Vận tốc của hỗn hợp dọc đường ống nạp thay đổi trong khoảng 23 30 (m/s), giá<br /> trị các vectơ vận tốc hỗn hợp trước không gian xupap nạp đồng đều, ít xuất hiện các vùng<br /> xoáy. Khoảng biến thiên của vận tốc hỗn hợp trước xupap nạp tương đối nhỏ 17 20<br /> (m/s). Ít xuất hiện các vùng xoáy, mật độ các thành phần có trong hỗn hợp lớn, phân bố<br /> đều.<br /> <br /> 3. Kết luận<br /> Động cơ Diesel RV125-2 là động cơ 4 kỳ, 1 xylanh và 1 buồng hỗn hợp, theo [4]<br /> động cơ sẽ đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt khi vận tốc trung bình của môi chất<br /> qua buồng hỗn hợp là 20 30 ( m/s ), chất lượng hòa trộn còn thể hiện ở mật độ phân bố<br /> các thành phần có trong hỗn hợp.<br /> Theo kết quả mô phỏng, với những ưu điểm có được về sự đồng đều vận tốc trước<br /> xupap nạp, mật độ phân bố các thành phần có trong hỗn hợp phân bố đều. Kết cấu của bộ<br /> hỗn hợp thiết kế theo phương án cấp Biogas qua tiết diện hình vành khăn được lựa chọn để<br /> thiết kế cho hệ thống cung cấp Biogas động cơ RV 125-2.<br /> <br /> <br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> <br /> <br /> [1] Http://Biogas.vn/index.<br /> [2] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh, Hệ thống cung cấp<br /> Biogas cho động cơ Dual Biogas/Diesel,(2008), Tạp chí khoa học công nghệ, Đại học<br /> Đà nẵng số -2(25).<br /> [3] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang, Tối ưu hoá<br /> quá trình cung cấp Biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu Biogas và<br /> Diesel (2008), Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà nẵng số - 5 (28).<br /> [4] Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến (1977), Kết cấu và<br /> tính toán động cơ đốt trong , tập 3, Hà nội, NXB đại học và trung học chuyên nghiệp.<br /> [5] Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động cơ đốt trong, Nhà xuất bản giáo dục Hà Nội.<br /> [6] PGS.TS Hoàng Thị Ngọc Bích (2004), Lý thuyết lớp biên và phương pháp tính,<br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, NXB Khoa học kỹ thuật.<br /> <br /> <br /> 11<br />