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 7 TÍNH TOÁN - MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH TẠO HỖN HỢP TRONG HỆ THỐNG CUNG CẤP BIOGAS CHO ĐỘNG CƠ RV 125-2 CALCULATE – SIMULATION MIXTURE PROCESS IN BIOGAS SUPPLYING SYSTEM FOR RV 125-2 DIESEL ENGINE SVTH: Dương Tuấn Việt, Lê Duy Linh Lớp 05C4B, Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa GVHD: TS. Dương Việt Dũng Khoa Cơ khí Giao thông, Trường Đại học Bách khoa TÓM TẮT Động cơ lưỡng nhiên liệu được chuyển đổi từ động cơ Diesel RV 125-2. Kết cấu của bộ hòa trộn trong hệ thống cung cấp Biogas của động cơ ảnh hưởng lớn đến hiệu quả sử dụng động cơ. Báo cáo trình bày quá trình tính toán thiết kế bộ hòa trộn và mô phỏng quá trình tạo hỗn hợp của Biogas và không khí trên đường ống nạp của động cơ khi sử dụng song song lưỡng nhiên liệu. Từ tính toán và nghiên cứu phương pháp cấp Biogas để đưa ra các kết cấu của bộ hòa trộn. Thông qua việc so sánh kết quả mô phỏng quá trình hòa trộn của các phương án dựa trên các chi tiêu để lựa chọn kết cấu tối ưu của bộ hòa trộn. ABSTRACT Dual fuel Biogas – Diesel engine has been tranformed from original RV 125-2 Diesel engine. The structure of the mixture chamber in Biogas supplying system affect to using effect of engine. This report presents process calculate, design the mixture chamber and simulation prosess mixture at charge pipe of Biogas and Diesel dual fuel engine. After calculating anf researching the way to supply Biogas. The structure of micture chamber depen on that. And compareting the results of these structure base on policy of best mixture. By simulation we'll have certaintly base for calculated, and then to design, manufacture the Biogas supplying system. 1. Đặt vấn đề Nhiên liệu Biogas đã và đang được nghiên cứu sử dụng làm nhiên liệu cho các động cơ Diesel tĩnh tại ở các vùng nông thôn nước ta bước đầu đã mang lại những hiệu quả to lớn về giảm thiểu ô nhiễm môi trường và tính kinh tế năng lượng cao. Tuy nhiên việc tối ưu hóa quá trình cấp Biogas nhằm tạo hỗn hợp hòa khí tốt nhất cho động cơ là một trong những yếu tố quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất ở những động cơ này. Bài báo trình bày phương pháp thiết kế tối ưu hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ RV 125-2. Bằng tính toán, mô phỏng tạo hỗn hợp trong hệ thống cấp Biogas với các phương án khác nhau nhằm phân tích lựa chọn kết cấu bộ cấp Biogas hợp lý nhất. 2. Tính toán hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ Sau khi so sánh các phương án thiết kế hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ dựa trên các tiêu chí như chất lượng hòa khí, kết cấu hệ thống, tính kinh tế... ta chọn được hệ thống để thiết kế như sau: Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 8 2.1. Tính toán, thiết kế bộ hòa trộn Trong tính toán này lượng Diesel được khống chế đảm bảo động cơ chạy không tải ổn định 0,2 (kg/h) và cung cấp đủ năng lượng cho quá trình cháy khi động cơ sử dụng song song Biogas và Diesel. Theo tính toán, lưu lượng Biogas cung cấp cho động cơ là 2,71 (m3/h), lưu lượng không khí cần thiết là 25,05 (m3/h ). Bộ hòa trộn phải đảm bảo yêu cầu tạo độ chân không cần thiết và không tạo ra trở lực lớn để quá trình cung cấp Biogas được hoàn thiện hơn, hỗn hợp hòa khí giữa Biogas và không khí đồng đều hơn. Do tính chất của việc tính toán là cải tạo đường ống nạp nên đường kính họng của bộ hòa trộn được tính toán kiểm nghiệm trên cơ sở lượng Biogas và không khí qua họng đi vào xilanh động cơ đảm bảo cháy hoàn toàn và tạo ra công suất yêu cầu: Đường kính buồng hỗn hợp db = 44 (mm), đường kính họng dh = 35 (mm). Sau khi xét đến các tổn thất trên đường ống nạp, và áp suất lưu trữ Biogas ta có: Vận tốc dòng không khí đi qua họng: 2 23,44( / ) h Bi Bi Bi p p V m s Vận tốc Biogas ra khỏi vòi phun: 2.1 10,446( / ) 1 h h dt p V m s Đường ống cấp Biogas vào họng phải đảm bảo cung cấp đủ lượng Biogas cần thiết, đường kính đường ống cấp Biogas vào họng d0 = 7 (mm). Sau khi tính toán bộ hòa trộn và nghiên cứu lại một số mô hình bộ hỗn hợp, ta đưa ra các phương án cung cấp Biogas như sau: Phương án 1: Cung cấp Biogas qua 6 lỗ bố trí đều quanh tiết diện họng. Phương án 2: Phun trực tiếp Biogas vào họng. Phương án 3: Cung cấp Biogas vào họng theo tiết diện hình vành khăn. Dựa trên các kết quả quá trình tính toán bộ hòa trộn và phương pháp cấp Biogas vào họng ta có các kết cấu của họng tương ứng trên hình 2. Kết cấu bộ hòa trộn tương ứng: 10 9876 5 4 3 2 1 n Không khí Hình 1. Sơ đồ hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ. 1- Van cấp Biogas. 2- Bình chứa. 3- Van tiết lưu. 4- Bộ điều tốc. 5- Họng khuếch tán. 6- Lọc không khí. 7- Đường ống nạp. 8- Vòi phun cao áp. 9- Đường ống thải. 10- Bơm cao áp. Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 9 a – Cấp Biogas qua 6 lỗ b – Phun Biogas vào họng c – Cấp Biogas qua tiết diện hình vành khăn Hình 2. Kết cấu bộ hòa trộn. 2.2. Mô phỏng quá trình hòa trộn Biogas và không khí tại họng 2.2.1. Cơ sở lý thuyết của phương pháp mô phỏng Xem dòng chảy không khí và Biogas trong đường ống nạp là dòng rối của chất khí không chịu nén. Để giải bài toán dòng rối ta dùng 2 phương trình cơ bản: phương trình liên tục ( . ) ( . ) 0 u v x y và phương trình động lượng , ,1. . . ( ) u u dU u u v U u v x y dx y y . Nhưng 2 phương trình trên không đủ để giải tất cả các ẩn nên ta khép kín hệ phương trình trên bởi mô hình rối k : k C X kC XX U uu k C dt d jkjj i ji 2 2 2 1 )...()..(. Các hằng số trong phương trình: theo [6]. 44,11C ; 92,12C ; 09,0C ; 1k ; 23,1 2.2.2. Các điều kiện biên mô phỏng Đường kính họng bộ hoà trộn: dh = 35mm, không khí kk = 1,225 kg/m 3 , thành phần Biogas (60%Metan và 40% CO2) có biogas = 0,9 kg/m 3 , đường kính ống nạp: Dh = 44 (mm), đường kính lỗ phun Biogas: d0 =7 (mm).Vận tốc Biogas Vbiogas=23,44(m/s), Pbiogas = 150 (N/m 2),vận tốc không khí Vkk = 10,4469 (m/s), Pkk = 1atm. Động cơ làm việc ở chế độ định mức với số vòng quay n = 2200(vòng/phút), Ne = 6,5(kW). 2.2.3. Chia lưới và chọn điều kiện biên Các yêu cầu khi chia lưới : thời gian, chi phí tính toán và sự hội tụ. Trong mô hình bộ hòa trộn 2D, lưới được tạo ra với 49705 tứ giác và 74386 nút, lưới được tạo ra có kích thước dày hơn ở khu vực có dòng chảy gia nhập. Càng ra xa dòng, lưới càng thưa dần vì Ø7 8 4 Ø35 2 8 Ø52 Ø44 1 2M8 2 8 Ø3 2 8 8 4 2 8 Ø52 Ø44 1 2M8 2 8 Ø7 Ø35 7 2 8 60Ø7 8 4 Ø35 3 2 8 Ø52 Ø44 1 2M8 2 8 2 8 Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 10 vận tốc trong lớp biên thay đổi từ giá trị 0 tại thành ống đến giá trị xấp xỉ 99% vận tốc dòng ngoài và vùng chất lỏng chảy gần thành có sự ma sát giửa chất khí và thành ống nên để công việc tính toán chính xác hơn ta phải chia lưới vùng sát thành ống thật dày và điều, còn những vùng xa thành lưới được chia thưa hơn là để giảm thời gian tính toán. Lưới được tạo ra với sự giúp đỡ của phần mềm Gambit 2.4, chỉnh lại khi giải bài toán trong Fluent. Sau khi lựa chọn các điều kiện biên của dòng không khí và dòng Biogas tại không gian bộ hỗn hợp ta có kết quả mô phỏng của các kết cấu bộ hòa trộn như sau: Hình 3. Kết quả mô phỏng trường hợp 6 lỗ bố trí quanh họng. Vận tốc hỗn hợp có giá trị khác nhau tại các vùng của đường ống nạp thay đổi trong khoảng 7,5 60 (m/s) được thể hiện thông qua màu sắc tương ứng trên thang đo, tại vùng giao nhau của Biogas và không khí vận tốc có giá trị lớn, ở vùng góc lượn của đường ống nạp xuất hiện xoáy.Vectơ vận tốc của hỗn hợp ở trước xupap nạp có giá trị thay đổi 15 45 ( m/s ). Mật độ các thành phần có trong hỗn hợp phần bố không đều, các thành phần còn liên kết với nhau. Như vậy theo phương án này chất lượng hòa trộn không tốt, có tổn thất dòng hỗn hợp. Hình 4. Kết quả mô phỏng trường hợp phun trực tiếp Biogas vào họng. Vận tốc của hỗn hợp trong đường ống nạp thay đổi trong khoảng 30 37,5 (m/s), xuất hiện nhiều vùng xoáy doc theo đường ống nạp đặc biệt ở cuối đường ống nạp có một vùng xoáy lớn, vận tốc tại đây thay đổi trong phạm vi 7,5 30 (m/s), mật độ các thành phần trong hỗn hợp không đều. Vậy hỗn hợp chưa đạt chất lượng hòa trộn tốt, có tổn thất do tồn tại nhiều vùng xoáy. (a) Vectơ vận tốc hỗn hợp trong đường ốn nạp (b) Vectơ vận tốc hỗn hợp trước xupap nạp (c) Phân bố mật độ trước xupap nap (a) Vectơ vận tốc hỗn hợp trong đường ốn nạp (b) Vectơ vận tốc hỗn hợp trước xupap nạp (c) Phân bố mật độ trước xupap nap Tuyển tập Báo cáo Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học lần thứ 7 Đại học Đà Nẵng năm 2010 11 Hình 5. Kết quả mô phỏng trường hợp cấp Biogas qua tiết diện hình vành khăn. Vận tốc của hỗn hợp dọc đường ống nạp thay đổi trong khoảng 23 30 (m/s), giá trị các vectơ vận tốc hỗn hợp trước không gian xupap nạp đồng đều, ít xuất hiện các vùng xoáy. Khoảng biến thiên của vận tốc hỗn hợp trước xupap nạp tương đối nhỏ 17 20 (m/s). Ít xuất hiện các vùng xoáy, mật độ các thành phần có trong hỗn hợp lớn, phân bố đều. 3. Kết luận Động cơ Diesel RV125-2 là động cơ 4 kỳ, 1 xylanh và 1 buồng hỗn hợp, theo [4] động cơ sẽ đạt được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật tốt khi vận tốc trung bình của môi chất qua buồng hỗn hợp là 20 30 ( m/s ), chất lượng hòa trộn còn thể hiện ở mật độ phân bố các thành phần có trong hỗn hợp. Theo kết quả mô phỏng, với những ưu điểm có được về sự đồng đều vận tốc trước xupap nạp, mật độ phân bố các thành phần có trong hỗn hợp phân bố đều. Kết cấu của bộ hỗn hợp thiết kế theo phương án cấp Biogas qua tiết diện hình vành khăn được lựa chọn để thiết kế cho hệ thống cung cấp Biogas động cơ RV 125-2. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] Bùi Văn Ga, Lê Minh Tiến, Nguyễn Văn Đông, Nguyễn Văn Anh, Hệ thống cung cấp Biogas cho động cơ Dual Biogas/Diesel,(2008), Tạp chí khoa học công nghệ, Đại học Đà nẵng số -2(25). [3] Bùi Văn Ga, Trần Văn Quang, Trương Lê Bích Trâm, Nguyễn Phi Quang, Tối ưu hoá quá trình cung cấp Biogas cho động cơ tĩnh tại sử dụng hai nhiên liệu Biogas và Diesel (2008), Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà nẵng số - 5 (28). [4] Hồ Tấn Chuẩn, Nguyễn Đức Phú, Trần Văn Tế, Nguyễn Tất Tiến (1977), Kết cấu và tính toán động cơ đốt trong , tập 3, Hà nội, NXB đại học và trung học chuyên nghiệp. [5] Nguyễn Tất Tiến (2000), Nguyên lý động cơ đốt trong, Nhà xuất bản giáo dục Hà Nội. [6] PGS.TS Hoàng Thị Ngọc Bích (2004), Lý thuyết lớp biên và phương pháp tính, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, NXB Khoa học kỹ thuật. (a) Vectơ vận tốc hỗn hợp trong đường ốn nạp (b) Vectơ vận tốc hỗn hợp trước xupap nạp (c) Phân bố mật độ trước xupap nap