Tính toán van cung cấp hỗn hợp Biogas - Không khí cho động cơ tự cháy do nén bằng phần mềm Fluent

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 88 TÍNH TOÁN VAN CUNG CẤP HỖN HỢP BIOGAS-KHÔNG KHÍ CHO ĐỘNG CƠ TỰ CHÁY DO NÉN BẰNG PHẦN MỀM FLUENT CALCULATION OF BIOGAS-AIR MIXING VALVE FOR COMPRESSION IGNITION ENGINES BY THE FLUENT CODE Bùi Văn Ga, Nguyễn Việt Hải, Nguyễn Hoàng Nguyên Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Sự phân bố trường tốc độ của nhiên liệu và không khí qua bộ tạo hỗn hợp của động cơ biogas-diesel được mô phỏng bằng phần mềm FLUENT. Kết quả mô phỏng cho phép ta xây dựng được đường đặc tính tạo hỗn hợp theo biên dạng của van côn. Bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu vạn năng cho động cơ biogas-diesel được chế tạo trên cơ sở kết quả mô phỏng này đã hoạt động tốt trong thực tiễn. ABSTRACT The velocity field distribution of fuel and air in the mixture device of biogas-diesel engine is simulated by the FLUENT code. The simulation results allow us to build up characteristic curves of mixing in function of conic valve’s profile. A universal fuel supplying kit for the biogas- diesel engine was manufactured based on the result and it worked well in practice. 1. Giới thiệu Sử dụng biogas để chạy máy phát điện là giải pháp hữu hiệu nhằm tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường ở khu vực nông thôn của nước ta [4]. Hầu hết các loại động cơ đốt trong sử dụng xăng, dầu đều có thể chuyển đổi sang chạy bằng biogas thuần túy hay sử dụng lưỡng nhiên liệu. Hiệu quả kinh tế của động cơ chạy bằng biogas phụ thuộc vào cỡ công suất động cơ và nguyên lý tạo hỗn hợp cháy [5]. Việc chuyển đổi động cơ truyền thống sang chạy bằng biogas được thực hiện nhờ bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu. Trong thực tế áp suất và chất lượng biogas của nguồn cung cấp thay đổi do đó bộ phụ kiện chuyển đổi nhiên liệu cần phải được thiết kế phù hợp để động cơ có thể vận hành trong những điều kiện nguồn cung cấp nhiên liệu thay đổi. Trong công trình trước đây [3] chúng tôi đã thử nghiệm một kiểu van tiết lưu để điều chỉnh thành phần hỗn hợp theo tải động cơ biogas. Kiểu van này phù hợp với một nguồn biogas có áp suất cho trước. Khi áp suất biogas ở nguồn cung cấp thay đổi, việc điều chỉnh trở nên khó khăn. Bài báo này trình bày kỹ thuật tạo hỗn hợp cho động cơ biogas bằng cách phối hợp giữa họng Venturie và van côn. Sự hòa trộn giữa nhiên liệu và không khí qua bộ tạo hỗn hợp được tính toán bằng phần mềm FLUENT 6.0. Đường đặc tính tạo hỗn hợp được so sánh với hai kiểu biên dạng van côn: van côn phẳng và van côn lồi. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 89 2. Tính toán thành phần hỗn hợp Để đốt cháy hoàn toàn 1kg CH4 chúng ta cần 4kg O2 hay 400/21kg không khí. Nếu biogas có chứa X% CH4 (theo khối lượng) thì cứ 100/X kg biogas cần có 400/21 kg không khí để đốt cháy hoàn toàn. Vì vậy tỉ lệ biogas/không khí để đảm bảo cháy hoàn toàn lý thuyết là: Xm m ltkk biogas 4 21=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛   (kg/kg) (1) Nếu gọi Y% là thành phần thể tích của CH4 trong biogas và giả sử biogas chỉ chứa CH4 và CO2, ta có: )Y100(44Y16 Y1600X −+= (%) (2) Khối lượng riêng của biogas là: 2240 )Y100(44Y16 biogas −+=ρ (kg/m3) (3) Gọi Dair là đường kính của đường nạp không khí và Dbiogas là đường kính ống nạp biogas. Lưu lượng không khí nạp vào động cơ trong kỳ nạp là 4/DVm 2airairairair πρ= . Lưu lượng biogas nạp vào động cơ là 4/DVm 2biogasbiogasbiogasbiogas πρ= . Do đó: 2 air biogas air biogas air biogas ttair biogas D D V V m m ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ρ ρ=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛   (4) Do đó nếu xác định được tốc độ không khí Vair đi vào đường nạp không khí và tốc độ biogas Vbiogas đi vào đường nạp biogas thì chúng ta có thể tính được tỉ lệ hỗn hợp φ ở mỗi vị trí của van côn: air biogas V V k=φ (5) 21 X4 D D k 2 air biogas air biogas ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ρ ρ= (6) Sơ đồ bộ tạo hỗn hợp động cơ chạy bằng biogas được trình bày trên hình 1. Nhiên liệu biogas được dẫn đến van côn với áp suất đầu vào pfuel. Áp suất này dao động phụ thuộc vào dạng hầm biogas cũng như điều kiện lưu trữ. Thông thường biogas có áp suất dư khoảng 20-50mm cột nước (khoảng 200-500Pa). Sau khi qua van côn, biogas TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 90 được dẫn vào đường nạp của động cơ qua họng Venturie. Nhờ độ chân không tại họng, khí biogas được hút vào đường nạp làm giảm bớt ảnh hưởng của áp suất biogas cùng cấp ở đầu vào. Hình 1: Sơ đồ bộ tạo hỗn hợp động cơ biogas Họng Venturie được mắc nối tiếp trên đường nạp động cơ giữa bầu lọc gió và cổ góp đường nạp. Áp suất không khí đầu vào họng Venturie nhỏ hơn áp suất khí trời do trở lực của bầu lọc gió. Áp suất của hỗn hợp ở đầu ra của họng Venturie phụ thuộc vào sự dịch chuyển của piston trong quá trình nạp. Lưu lượng hỗn hợp biogas-không khí nạp vào một xi lanh Qxl,i tại một vị trí góc quay trục khuỷu α cho trước là: ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ αλ+απω=α 2sin 2 sin 4 DR)(Q 2 i,xl (m 3/s) (7) Trong đó R(m) là chiều dài tay quay trục khuỷu, ω (rad/s) là tốc độ góc của trục khuỷu, D(m) là đường kính xi lanh, λ=R/L với L(m) là chiều dài thanh truyền. Lưu lượng hỗn hợp đi qua đường nạp tại một thời điểm cho trước là: )(Q)(Q nxilanh 1i i,xl,hh α=α ∑ = Σ (m3/s) (8) Độ chân không trên đường nạp tại một thời điểm cho trước là: 2 2 nap ,hh hhnap 4 D )(Q 2 1)(P ⎟⎟ ⎟⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎜⎜ ⎜ ⎝ ⎛ π αρ=α∆ Σ (Pa) (9) 30 3040 3030 12 φ8 φ30 φ15 φ17 φ27 45 φ16 20Biogas Không khí Hỗn hợp pfuel pair pmix TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 91 3. Tính toán dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp bằng phần mềm FLUENT - Tạo lưới GAMBIT: Không gian của bộ tạo hỗn hợp được chia thành hai phần. Phần thứ nhất chỉ bao gồm họng Venturie. Phần thứ hai bao gồm van côn và ống nối van côn với họng Venturie. Với sự hỗ trợ của phần mềm GAMBIT, không gian 2D của bộ tạo hỗn hợp được chia lưới như hình 2, bao gồm 1600 nút. - Điều kiện biên: Điều kiện biên được chọn gồm áp suất dư của biogas, áp suất dư không khí và áp suất dư của hỗn hợp. Trong phần tính toán cụ thể sau đây, chúng tôi giả sử động cơ 1 xi lanh, 4 kỳ có dung tích xi lanh 150cm3 và tốc độ động cơ n=8000 vòng/phút. Với các thông số nêu trên, thời gian động cơ thực hiện một hành trình là 60/16000(s). Lưu lượng hỗn hợp vào xi lanh động cơ theo góc quay trục khuỷu động cơ được tính theo biểu thức (7). Nếu tính theo giá trị trung bình thì lưu lượng hỗn hợp vào xi lanh động cơ nêu trên là Qmix= 0,04ηv (m3/s). Tốc độ hỗn hợp đi ra khỏi Venturie là Vmix=Qmix/(πD2/4). Giả sử hệ số nạp của động cơ ηv=0,9, với đường kính đầu ra của họng Venturie D=30mm (hình 1), ta tính được tốc độ trung bình của hỗn hợp đi ra khỏi họng Venturie là Vmix=51m/s. Áp suất dư trung bình trên đường nạp là 2mixmixmix V2 1p ρ= . Lấy giá trung bình của khối lượng riêng hỗn hợp là ρmix=1,3kg/m3, ta có áp suất dư trung bình ở đầu ra họng Venturie là pmix=1691Pa. Tóm lại điều kiện biên sử dụng trong tính toán này là: pfuel = 200 Pa pair = -100 Pa pmix = -1691 Pa 3. Kết quả tính toán Trong bài toán 2D sau đây chúng ta giả sử dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp ở dạng chảy tầng. Nhiên liệu biogas có thành phần thể tích Y=80% CH4, do đó thành phần khối lượng là X=59,26% CH4. Khối lượng riêng của biogas là ρbiogas=0,96. Từ đó chúng ta có hệ số k=2,1. Hình 3 giới thiệu kết quả tính toán tiêu biểu trường tốc độ dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp tại vị trí van côn thoát hoàn toàn ra khỏi đế van (Xvan=0). Kết quả được biểu diễn dưới dạng đường đồng mức (hình 3a) và vectơ (hình 3b). Kết quả cho thấy ở hạ lưu của họng Venturie, vùng tốc độ cao tập trung ở nửa dưới và vùng xoáy được tạo ra ở nửa trên của ống nạp. Nhiên liệu được kéo theo và hòa trộn với không khí ở vùng xoáy và đoạn cuối họng Venturie. Ở mặt cắt đầu vào của họng Venturie và đầu vào ống nạp Hình 2. Chia lưới bộ tạo hỗn hợp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 92 biogas tốc độ dòng chảy hầu như đồng nhất. Do vậy chúng ta có thể xác định được lưu lượng của biogas và của không khí đi vào bộ hỗn hợp thông qua tốc độ của chúng ở đầu vào. (a) Hình 3. Kết quả tính toán trường tốc độ dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp Hình 4. Trường tốc độ dòng chảy trong bộ tạo hỗn hợp ở các vị trí khác nhau của van côn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 93 Hình 4 giới thiệu kết quả tính toán dòng chảy qua bộ tạo hỗn hợp ứng với vị trí khác nhau của van côn. Hai dạng van côn được sử dụng: Van côn mặt phẳng và van côn mặt lồi. Chúng ta thấy biên dạng van côn không gây ảnh hưởng đáng kể đến cấu trúc dòng chảy. Kết quả tính toán bằng phần mềm FLUENT cho thấy tốc độ không khí và biogas ở đầu vào bộ hỗn hợp gần như ổn định. Hình 5 giới thiệu kết quả tính toán tốc độ đầu vào và tốc độ đầu ra của bộ tạo hỗn hợp ở vị trí Xvan=0 và Xvan=15mm với van côn phẳng và van côn lồi. Tốc độ ở đầu ra của bộ tạo hỗn hợp không đối xứng nên chúng ta không thể sử dụng kết quả này để tính lưu lượng hỗn hợp. Tuy nhiên lưu lượng này có thể được tính thông qua lưu luợng biogas và lưu lượng không khí ở đầu vào. Van côn phẳng Van côn lồi Độ mở van côn X=0 X=15 Van côn phẳng Van côn lồi Độ mở van côn X=15mm Hình 6. Biến thiên tốc độ dòng khí ở đầu vào và đầu ra của bộ tạo hỗn hợp Vfuel Vair Vmix Y(cm) V(m/s) Vfuel Vair Vmix Y(cm) V(m/s) Vfuel Y(cm) Vair Vmix V(m/s) Vfuel Y(cm) Vair Vmix V(m/s) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 94 Bảng 1. Tốc độ dòng khí ở đầu vào bộ hỗn hợp và φ Bảng 1 giới thiệu tốc độ không khí và tốc độ biogas ở đầu vào bộ tạo hỗn hợp và giá trị hệ số tương đương φ tính theo biểu thức (5) ở các vị trí khác nhau của van côn phẳng và van côn dạng lồi. Kết quả này cho thấy tốc độ đầu vào của biogas và không khí phân bố đều trên mặt cắt ngang. Khi đóng dần van, tốc độ không khí tăng trong khi đó, tốc độ biogas giảm khiến cho thành phần hỗn hợp trở nên nghèo hơn. Hình 6 cho thấy tốc độ giảm φ theo độ mở van côn của van côn lồi lớn hơn van côn phẳng. Do đó van côn lồi giúp ổn định tốc độ động cơ tốt hơn van côn phẳng. 4. Áp dụng trong thực tiễn Kết quả tính toán trên đây được áp dụng trong chế tạo cụm tạo hỗn hợp vạn năng cho động cơ biogas-diesel (hình 7). Cụm tạo hỗn hợp gồm bộ điều tốc được dẫn động bằng bộ truyền đai từ đầu ra trục khuỷu. Bộ điều tốc tác động trực tiếp lên van côn của bộ tạo hỗn hợp theo nguyên lý điều khiển hệ số tương đương φ của bộ điều tốc một chế độ. Khi tải cản bên ngoài giảm, tốc độ động cơ tăng, bộ điều tốc tác động theo hướng đóng nhỏ van côn để làm nghèo hỗn hợp dẫn đến giảm tải động do động cơ cung cấp. Ngược lại, khi tải cản tăng, bộ điều tốc tác động theo hướng mở rộng van côn. Vị trí Vair Vfuel φ Van côn thẳng 14 10 1,5 1 Van côn lồi 14 10 1,5 Van côn thẳng 14,9 10 1,41 2 Van côn lồi 15,1 9 1,25 Van côn thẳng 16 7,6 1,0 3 Van côn lồi 17 7,3 0,90 Van côn thẳng 21 6 0,60 4 Van côn lồi 24 3,7 0,32 Hình 7. Bộ tạo hỗn hợp vạn năng cho động cơ biogas-diesel 0 0,4 0,8 1,2 1,6 0 5 10 15 Xvan(mm) φ Van côn phẳng Van côn lồi Hình 6. Biến thiên hệ số tương đương φ theo độ mở của van côn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 4(39).2010 95 Để có thể áp dụng trên nhiều động cơ có công suất khác nhau, van côn của cụm tạo hỗn hợp được chế tạo với đường kính lỗ thay đổi. Khi thay đổi công suất động cơ, chúng ta chỉ đơn giản thay van côn phù hợp vào bộ phụ kiện (hình 8). Bộ phụ kiện cung cấp nhiên liệu cho động cơ biogas-diesel đã được lắp đặt thử nghiệm trên nhiều loại động cơ diesel có công suất khác nhau và đã vận hành rất tốt trong thực tế. 5. Kết luận Phần mềm FLUENT cho kết quả phù hợp trong tính toán dòng chảy và kích thước van cung cấp biogas cho động cơ biogas- diesel. Đường đặc tính của van côn lồi dốc hơn đường đặc tính van côn phẳng do đó van côn lồi giữ ổn định tốc độ động cơ tốt hơn. Việc thay đổi kích thước của van côn lắp trên bộ điều tốc cho phép chúng ta tạo được bộ phụ kiện vạn năng cung cấp biogas cho động cơ biogas-diesel có phạm vi thay đổi công suất rộng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] [3] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Trương Lê Bích Trâm, Trần Thanh Hải Tùng: Tính toán van cung cấp biogas cho động cơ nhiều xi lanh cỡ lớn. Tạp Chí Giao Thông- Vận Tải, số 8/2009, pp. 25-27 [4] Bui Van Ga, Tran Van Nam, Nguyen Thi Thanh Xuan: Utilization of biogas engines in rural area: A contribution to climate change mitigation. Colloque International RUNSUD 2010, pp. 19-31, Universite Nice-Sophia Antipolis, France, 23-25 Mars 2010. [5] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Lê Xuân Thạch: So sánh hiệu quả của các giải pháp cung cấp biogas cho động cơ đốt trong. Tạp chí Khoa học và Công nghệ-Đại học Đà Nẵng, số 2(37)/2010, pp. 65-72. Hình 8. Van côn và đế van của bộ phụ kiện cung cấp biogas cho động cơ biogas-diesel