NG C BIOGAS DESIGNING AND MANUFACTURING THERMAL MASS FLOW METERS FOR BIOGAS ENGINES

Transcription

1 ISSN TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH I HC À NNG, S 1(110) NGHIÊN CU - CH TO B O LU LNG BIOGAS KIU NHIT CHO NG C BIOGAS DESIGNING AND MANUFACTURING THERMAL MASS FLOW METERS FOR BIOGAS ENGINES Nguyn Vit Hi 1, Bùi Vn Ga 2, Võ Anh V 1 1 Trng i hc Bách khoa, i hc à Nng; nvhai@dut.udn.vn 2 B Giáo dc và ào to; buivanga@dongcobiogas.com Tóm tt - S dng nhiên liu biogas cho ng c t trong là mt tài c s quan tâm ca nhiu nhà khoa hc. nâng cao hiu qu s dng biogas trong ng c, chúng ta cn ch to b ph kin có tính nng tt hn. Vì vy, bài báo này trình bày kt qu nghiên cu - ch to b o lu lng biogas kiu nhit cho ng c biogas và phng pháp hiu chnh lu lng k. H thng o h s tng ng ca ng c dual fuelbiogas diesel c lp t vi 2 cm bin lu lng kiu si nóng ca ng c ô tô. Mi quan h gia h s thc t nhn c nh phân tích khí sau b to hn hp và t s in áp u ra ca hai cm bin cho phép ta xác nh c h s chun ca h thng o. Kt qu nghiên cu c áp dng o lu lng biogas cung cp cho ng c phc v thí nghim. T khóa - biogas; biogas-diesel; ng c; phng pháp o; b o lu lng. Abstract - The use of Biogas fuel for internal combustion engine is an issue of great interest to scientists. To increase the efficiency of biogas engines,we need to manufacture the kit which has better features. This article shows that the use of thermal mass flow meters for biogas engines and flow meter calibration method. A system of measuring equivalence ratio of biogas diesel dual fuel engine is established by 2 hot wire sensors of the automobile. The relationship between real given by gas analysis in downstream of mixer and ratio of output voltage of the two sensors allows us to determine calibrated coefficient of the system. The research result can be used to measure the flow of biogas for the engines used in experiments. Key words - Biogas; biogas-diesel; engine; measurement methods; flow meters. 1. Gii thiu Vic chuyn i ng c xng du truyn thng sang ng c s dng biogas có ý ngha rt quan trng i vi vic tit kim nhiên liu hóa thch và bo v môi trng nông thôn nc ta. Mt khác, vic s dng các ng c chy bng biogas còn góp phn gim chi phí sn xut nông nghip, nâng cao cht lng cuc sng, thc hin chng trình nông thôn mi mà Nhà nc ta ang tin hành. Nhóm GATEC ca i hc à Nng i tiên phong trong vic phát trin các b ph kin n gin nhm ci to các ng c truyn thng thành ng c biogas. ây là các b ph kin kiu c khí, iu chnh công sut ng c theo các nguyên lý c in ca c hc, vì vy hiu qu hot ng có gii hn [1]. nâng cao hiu qu s dng biogas trong ng c, chúng ta cn ch to b ph kin có tính nng tt hn da trên các thành tu v in t và Công ngh Thông tin. Mt trong nhng vn cn gii quyt theo hng này là phát trin b o lu lng biogas kiu in xác nh lu lng khí biogas cung cp cho ng c t trong [2], []. 2. B o lu lng biogas kiu in 2.1. Các dng lu lng k kiu nhit S ph thuc ca tn tht nhit gia si nóng do i lu ca dòng lu cht chy bao quanh c s dng rng rãi o lu lng ca lu cht. ây c gi là phng pháp lu lng k kiu nhit. Phng pháp màng mng nóng da trên cùng nguyên lý nhng thay th si nóng bng màng mng nóng [4], [5]. Có ba dng lu lng k nhit [4], [5]: Lu lng k nhit o hiu ng ca lu cht chy trên vt th nóng (tng công sut làm nóng khí, gi nguyên nhit hay gim nhit khi gi nguyên công sut làm nóng). Lu lng nhit kiu này gi là si nóng, cm bin màng nóng hay cm bin vt th nóng. Lu lng k nhit o s dch chuyn profin nhit xung quanh vt th làm nóng ó ta cho dòng chy i qua thành. Lu lng dòng chy c mô-un hóa. Lu lung kiu này là calorimetric. Lu lng k nhit o thi gian i ca xung nhit qua khong cách bit trc. Lu lng kiu này là time of light Kt cu ca lu lng k kiu nhit Phn sau ây s gii thiu các b phn ca lu lng k kiu nhit. a. ng dn dòng Hình 1. Gii thiu dng ng dn dòng loi Nozzle (a) và loi Venturi (b) [4] ng dn dòng có dng vòi phun hay hng Venturi nh Hình 1. Mc ích ca ng dn dòng là nâng cao tc dòng chy tng chính xác ca phép o lu lng [4], [5]. b. B phn cm bin Các b phn ca cm bin và thông s k thut ca nó c trình bày trong Bng 1.

2 6 Nguyn Vit Hi, Bùi Vn Ga, Võ Anh V Bng 1. Gii thiu kích thc tiêu biu ca màng nóng và si nóng Các tham s Si nóng Màng nóng Loi cm bin Ch hot ng Nhit làm vic c tính Si nóng Platinum (ng kính 70 m) Si liên tc trong không khí -0 n 200 o C Phi tuyn tinh Màng nóng Platinum (Ph alumina) chính xác [%] ±4 ±2 Thi gian áp ng [ms] nhy [mv kg -1.h -1 ] < c. Mch in ca cm bin Cm bin c mc vào mt nhánh ca cu Wheatstone nh Hình 2. Trong mch này in tr R và R 4 ln hn in tr R 1. Vì vy dòng in i qua R 1 hu nh không ph thuc vào thay i ca cm bin R 1. Khi t cm bin trong dòng chy ca lu cht thì nó c làm mát, dn n s thay i in tr và cu mt cân bng sn sinh ra in áp V o. in áp này có mi quan h vi lu lng. Vì rng in áp V o nh nên cn c khuch i trc khi ghi nhn. Hình 2. S nguyên lý mch cu Wheastone Bin thiên in áp theo lu lng thc t có dng hàm bc 2 (Hình a). Quan h này có th c tuyn tính hóa d dàng nh s dng b khuch i AD54 (Hình b). Phng pháp này giúp gim sai s ca phép o vùng lu lng thp. 2.. Truyn nhit gia dòng lu cht và cm bin ca lu lng k Tín hiu vt lý ghi nhn ca quá trình trao i gia lu cht và cm bin c th hin di dng nhit. Có rt nhiu dng tín hiu nhit: nhit, nhit lng, nhit tr. Trao i nhit gia lu cht và si nóng hay màng mng nóng c thc hin bng ba phng thc ca quá trình truyn nhit: dn nhit, i lu, bc x. Hai quá trình u có th c mô t bng phng trình tng quát ca quá trình i lu - khuch tán, ó là h phng trình gm phng trình ng lng, phng trình nng lng và phng trình bo toàn khi lng []. Bo toàn khi lng: phng trình liên tc p ( v) 0 (1) t Bo toàn ng lng: Phng trình Navier Stokes v 2 v v p v g (2) t Bo toàn nng lng: Phng trình nng lng T 2 q ' v T T () t c c Trong ó: là nht ng ca lu cht. Trng nhit và công sut nhit là nghim s ca phng trình trên. Trong thc t k thut thit k cm bin lu lng kiu nhit, truyn nhit i lu cht có th biu din di dng n gin sau ây: Q A T (4) Trong ó: - Q ( W ) : là lu lng truyn nhit hay công sut nhit; - : là h s truyn nhit gia mt trng A và lu cht; - T : là chêch lch nhit gia vt nóng và môi trng. Ch s Nusselt Nu không th nguyên mô t truyn nhit có mi quan h vi bi biu thc sau: Nu (5) L Hình. ng cong quan h gia lu lng và in áp ra ca cm bin (a) và (b) Trong ó: L là chiu dài c trng. ó là chiu dài L ca a phng, ng kính thy lc ca ng D h hay mt na chu vi ca si nóng Các yu t vt lý nh hng n kt qu o lu lng bng cm bin si nóng và màng mng nóng a. S xáo trn trng tc ti v trí cm bin Cm bin si nóng và màng mng nóng da vào im o tc (Hình 2). Vì vy, kt qu o ph thuc s xáo trn tc bên trong ng dn, c bit là ti v trí t cm bin. Gim thiu s xáo trn ca dòng chy ti cm bin s làm tng chính xác ca kt qu o lu lng dòng chy [], [4].

3 ISSN TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH I HC À NNG, S 1(110) b. S ph thuc nhit ca các tính cht lu cht Hu ht các tính cht lu cht ph thuc nhit. Mt khác quá trình truyn nhit ph thuc tính cht ca lu cht. Do ó, m bo chính xác ca phép o, chúng ta phi o nhit lu cht ti khu vc t cm bin, ng thi gi nhit cm bin c nh khác bit vi nhit lu cht hn ch nh hng ca nhit n kt qu o [], [4] Gii h phng trình tính toán chính xác cm bin lu lng kiu nhit, chúng ta phi gii ba phng trình này vi ba n s nhit, tc và công sut nhit. T ó, ta có th tìm c lu lng i qua tit din o. T phng trình, ta có: Q A T Q A T T (5) Nu c xác nh theo công thc sau: L N u N u (7) L Ta chn cm bin lu lng là si và lu cht là chy tng, nên: Nu lam Re Pr Re Nu lam Pr vi 10<Re<10 7 và 0.6<Pr<1000 Xác nh c tc dòng chy qua cm bin: vl Re Re v (10) L Khi có tc dòng chy và nhit ca lu cht, chúng ta tính toán c lu lng qua tit din lu thông ca ng dn cho trc.. Ch to b o lu lng.1. Chn cm bin lu lng Trong nghiên cu này chúng tôi chn cm bin lu lng có sn trên ô tô Mazda lp o lu lng khí biogas cung cp cho ng c. (8) (6) Hình 5. S nguyên lý ca h thng o lu lng ca ô tô Mazda Nguyên lý làm vic: Trong cm bin, lu lng khí np thc t, dây sy c mc trong mt mch cu. c im ca mch cu này là in th ti im A và B bng nhau khi tích ca in tr tính theo ng chéo bng nhau: (Ra+R) X R1=Rh X R2. Khi dây sy Rh c làm mát bng khí np vào, in tr cho kt qu là to ra s chênh lch in th gia hai im A và B. Mt b khuch i hot ng s nhn bit s chênh lch này và iu chnh tng giá tr in áp cp n mch này (tng dòng in chy qua dây sy Rh). Khi ó nhit ca dây sy li tng lên, kt qu là làm in tr tng cho n khi in th gia hai im A và B tr nên cân bng (tc là chênh lch in th bng không). Bng cách s dng c tính này ca mch cu, cm bin lu lng khí np có th o c khi lng khí np nh nhn bit in áp ti im B. Trong h thng này, nhit ca dây sy (Rh) c duy trì liên tc nhit không i cao hn nhit ca khí np, bng cách s dng nhit in tr (Ra). Do ó, có th o c khi lng khí np mt cách chính xác... Kt ni tín hiu u ra ca cm bin vi máy tính Tín hiu u ra cm bin ng c kt ni thông qua card Ni 6009 vào phn mm Labview theo lc Hình 7. có th ghi tín hiu ca cm bin lu lng, chúng ta phi thit lp giao din trong Labview nh Hình 6. Hình 4. Cm bin lu lng biogas.2. Nguyên lý làm vic ca cm bin o lu lng S nguyên lý ca h thng o lu lng ca ô tô Mazda nh Hình.2: Hình 6. Giao din ngi s dng 1. Tc ng c; 5. m bm ga; 2. Ghi thành phn % th tích CH 4 ;. Công sut ng c; 7. Lu lng biogas; 4. Ghi giá tr k hiu chnh.

4 8 Nguyn Vit Hi, Bùi Vn Ga, Võ Anh V Hình 9 gii thiu s h thng chun cm bin lu lng. Lu lng không khí c to bi qut thi vi tc khác nhau nh b bin tn. i vi biogas thì dòng lu cht c to ra nh áp sut ca túi cha khí. Cm bin lu lng c lp phía trc cm bin chun kiu bóng bóng xà phòng. Tín hiu u ra ca cm bin lu lng c chuyn vào máy tính thông qua card NI6009 và phn mm Labview. Hình 7. S thut toán truyn nhn tín hiu gia LabVIEW và thit b.4. Chun cm bin lu lng Trc khi s dng các lu lng k o lu lng khí biogas cp cho ng c, phng pháp chun da trên nguyên tc s dng lu lng k chun có sn mc ni tip trên ng lu cht i qua cm bin. Trong nghiên cu này chúng tôi chn lu lng k chun kiu bong bóng xà phòng. ây là lu lng k chun n gin nhng chính xác. Hình 8 gii thiu s nguyên lý ca lu lng k chun kiu bong bóng xà phòng. Lu lng k gm ng thy tinh trong sut có ng kính 100mm, chiu cao 1000mm c chia theo chiu cao. ng c lp thng ng vi bình cha, trong ó ng nc xà phòng. Lu cht c dn vào lu lng k qua bình cha nc xà phòng. Nguyên lý làm vic n gin nh sau: Khi dòng khí i qua, bong bóng xà phòng s c y t di lên trên. Theo dõi s dch chuyn ca mt bong bóng xà phòng qua các chia trên ng thy tinh và dùng ng h bm giây xác nh khong thi gian bóng bóng xà phòng i qua chia u tiên và chia cui cùng. T ó ta có lu lng thc t ca dòng khí. Hình 8. Lu lng k chun kiu bong bóng xà phòng Hình 9. S h thng chun cm bin lu lng Ta có quan h gia lu lng khí vi in áp u ra ca cm bin lu lng nh Hình 10. Kt qu này c tích hp vào phn mm Labview chuyn tín hiu in ca cm bin lu lng thành lu lng ca lu cht. Hình 10. c tuyn quan h in áp V và lu lng biogas Q T kt qu thc nghim, quan h gia in áp V o c t mch o và lu lng biogas Q i b o lu lng c th hin trên Hình.9. Bng phng pháp xp x, quan h V Q c xác nh bi biu thc (11): Q=0.758*V *V *V+4.42 (11) Trong ó: - V [V]: in áp xác nh t mch o; - Q [kg/h]: lu lng biogas i qua b o. 4. Kt lun Kt qu nghiên cu ca bài báo cho ta rút ra mt s kt lun sau: - Có th s dng cm bin lu lng có sn trên ô tô ci to thành các cm bin o lu lng khí biogas cung cp cho ng c biogas. - Lu lng k kiu in có chính xác cao, tín hiu u ra di dng in áp, nên thun li trong vic thit lp h thng iu khin t ng. - Trong iu kin nc ta, vic ch to lu lng k kiu nhit gp khó khn v mt k thut. Do ó, vic ci to lu lng k kiu nhit trên các loi ô tô có kích thc phù hp áp dng trên ng c biogas là rt thit thc.

5 ISSN TP CHÍ KHOA HC VÀ CÔNG NGH I HC À NNG, S 1(110) TÀI LIU THAM KHO [1] Bùi Vn Ga, Nguyn Vn Anh, Nguyn Vit Hi, Võ Anh V, Bùi Vn Hùng, Phát trin phng pháp o h s tng ng ca ng c dual fuel biogas diesel, Tp chí Khoa hc và Công ngh i hc à Nng, s 05(90).2015, tr [2] Bùi Vn Ga, Nguyn Vn Anh, Nguyn Vit Hi, Võ Anh V, Bùi Vn Hùng (2015), o thc nghim h s tng ng và nghiên cu nh hng nó n tính nng công tác ca ng c dual fuel biogas-diesel, Tuyn tp công trình Hi ngh khoa hc C hc Thy Khí toàn quc nm 2015, tr [] Võ Anh V (2014), Nghiên cu xác nh nh hng m ca hn hp n tính nng ca ng c s dng biogas, Lun vn thc s k thut, i hc à Nng. [4] Richard Thorn, Adrian Melling, Herbert Köchner, Reinhard Haak, Zaki D. Husain, Donald J. Wass, David Wadlow, Harold M. Miller, Halit Eren, Hans-Peter Vaterlaus, Thomas Hossle, Paolo iordano, Christophe Bruttin, Wade M. Mattar, James H. Vignos, Nam-Trung Nguyen, Jesse Yoder, Rekha, Philip-Chandy, Roger Morgan, Patricia J. Scully (1999), Flow Measurement. [5] Roger C.Baker Industrial designs (2000), Handbook Flow Measurement, Operating priciples, Performance and Application. (BBT nhn bài: 07/12/2016, hoàn tt th tc phn bin: 25/12/2016)