Thiết kế, chế tạo cụm thiết bị chuyển đổi nhiệt thải từ nước làm mát của động cơ diesel tàu thủy thành năng lượng điện
Chu trình Rankine được ứng dụng rộng rãi và được đưa vào giáo trình đào tạo về động cơ điện hơi nước. Chu trình ORC (còn gọi là chu trình Rankine hữu cơ), tương tự như chu trình Rankine sử dụng nước nhưng nước được thay bằng chất trung gian hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp. Chu trình ORC tạo ra điện từ nguồn nhiệt thải có nhiệt độ thấp nên có khả năng mở rộng ứng dụng, có thể chuyển đổi nhiệt thải từ xưởng sản xuất, từ sinh khối, địa nhiệt hoặc nhiệt từ suối nước nóng, thành điện năng. Đây là giải pháp đơn giản nhưng hiệu quả để tận dụng nguồn nhiệt thải dồi dào nhưng chưa được sử dụng để chuyển thành điện mà không phát thải CO2, giúp các doanh nghiệp sản xuất giảm chi phí năng lượng, mang lại lợi ích kinh tế và góp phần bảo vệ môi trường, hướng đến mục tiêu phát triển bền vững.
Đối với mục tiêu đạt được mức phát thải CO2 thấp hơn 60% trên mỗi container vào năm 2020, so với tiêu chuẩn tham khảo năm 2007. Mục tiêu này sẽ có tác động đáng kể cho đội tàu container, vì ước tính khoảng 30% năng lượng tích lũy được lắp đặt trên tàu container. Về tổng lượng khí thải của tàu container, hơn 70% liên quan đến động cơ đẩy chính, trong khi động cơ phụ và nồi hơi chỉ chiếm lần lượt 9% và 6% lượng khí thải CO2 hàng năm. Do đó, các công nghệ để giảm lượng khí thải của động cơ đẩy có thể có tác động đáng kể đến việc đạt được các mục tiêu phát thải. Công nghệ thu hồi nhiệt thải (WHR) là một giải pháp hiệu quả để giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và khí thải CO2, và hiện đang được sử dụng ở một số tàu, chuyển đổi tới 8% công suất phanh động cơ chính thành năng lượng điện. Do vậy, PGS.TS. Nguyễn Xuân Phương cùng các cộng sự tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP. Hồ Chí Minh - Bộ Giao thông Vận tải đã thực hiện đề tài: “Thiết kế, chế tạo cụm thiết bị chuyển đổi nhiệt thải từ nước làm mát của động cơ diesel tàu thủy thành năng lượng điện trên cơ sở chu trình Rankin sử dụng chất công tác hữu cơ rẻ tiền, có ODP, GWP thấp, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và tính kinh tế” để bảo vệ môi trường và nâng cao tính kinh tế của động cơ diesel tàu thủy.
Trong đề tài này, ba cấu hình hệ thống ORC khác nhau đã được đề xuất để thu hồi nhiệt thải từ khí thải và nước làm mát của ĐCĐT. Cấu hình đầu tiên khai thác việc thu hồi nhiệt thải từ nước làm mát để hâm nóng sơ bộ công chất và thu hồi toàn bộ nhiệt thải từ khí thải để làm bay hơi chất lỏng. Quy trình thứ hai khai thác việc thu hồi toàn bộ nhiệt thải từ nước làm mát để làm nóng sơ bộ công chất và thu hồi nhiệt thải từ khí thải để làm nóng công chất hơn nữa. Cấu hình thứ ba, trong đó việc thu hồi nhiệt thải chỉ được thực hiện của nước làm mát, được trình bày để so sánh. Các hoạt động của hệ thống được đánh giá về hiệu suất nhiệt và hiệu suất thu hồi nhiệt thải với ba công chất làm việc khác nhau. Hơn nữa, xem xét rằng ĐCĐT thường được vận hành dưới các tải trọng thay đổi, việc cải thiện hiệu quả ĐCĐT do hệ thống ORC mang lại được nghiên cứu dưới ba giá trị tải ĐCĐT khác nhau. Cuối cùng, công suất của bộ trao đổi nhiệt được xác nhận trong điều kiện tải bộ phận của ĐCĐT.
Các kết quả phân tích chính của đề tài bao gồm:
- Hiệu suất nhiệt của các hệ thống ORC được đề xuất phụ thuộc vào sự lựa chọn của công chất hơn là vào các đặc tính của nguồn nhiệt. Tất cả ba công chất ứng cử viên trong nghiên cứu này cho thấy xu hướng ngày càng tăng của hiệu suất nhiệt với sự gia tăng của áp suất bay hơi, trong đó hiệu suất cao nhất (21,82%) đạt được bởi R245fa với áp suất tới hạn là 4,46 MPa.
- Không giống như hiệu suất nhiệt, hiệu suất thu hồi nhiệt thải có quan hệ mật thiết với đặc tính của nguồn nhiệt. Hệ thống thu hồi cả khí thải và nhiệt nước làm mát động cơ mang lại hiệu suất thu hồi cao hơn so với hệ thống chỉ thu hồi nhiệt khí thải ở cùng một áp suất bay hơi. Giá trị cao nhất của hiệu suất thu hồi nhiệt (10,19%) nhận được bởi hệ thống thu hồi hoàn toàn nhiệt khí thải, sử dụng R245fa làm công chất.
- Dưới các tải của ĐCĐT khác nhau, hệ thống thu hồi hoàn toàn nhiệt khí thải mang lại sự cải thiện cao nhất về hiệu suất có ích của ĐCĐT, sử dụng R245fa làm chất lỏng hoạt động. Sự cải thiện đáng kể hơn khi ĐCĐT hoạt động trong điều kiện tải bộ phận. Các giá trị cao nhất ở 100%, 75% và 50% tải lần lượt là 10,61%, 12,09% và 14,23%. Hơn nữa, với sự cải thiện của việc thu nhỏ và giảm chi phí thiết bị, tính khả thi của hệ thống này dự kiến sẽ tăng dần.
- Trên thực tế, các bộ trao đổi nhiệt được thiết kế ở điều kiện định mức có thể không đáp ứng được yêu cầu trao đổi nhiệt trong điều kiện tải bộ phận. Tuy nhiên, các giá trị hiệu suất cao và sản lượng điện vẫn đạt được ở áp suất bay hơi cao theo các tính toán nhiệt động lực học. Do đó, việc xác nhận khả năng trao đổi nhiệt là cần thiết khi các hệ thống đề xuất được thiết kế trong thực tế kỹ thuật, đặc biệt là trong trường hợp áp suất cao.
- Công suất điện được tạo ra từ hệ thống tận dụng nhiệt ORC có giá trị từ 1,2 kW đên 4,8kW, nó đóng góp khoảng 2,8-4,5% vào hiệu suất tổng.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 19874/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
