Các phương pháp tận dụng năng lượng nhiệt khí thải trong động cơ đốt trong

ệ thống. Tuy nhiên, phương để đun nóng ở các hộ gia đình cũng như để lưu trữ năng 
pháp này còn một số mặt hạn chế như TEG có hiệu suất tận lượng điện ở các giờ thấp điểm trong các nhà máy điện [17, 
dụng nhiệt thấp cùng nhiệt độ cho phép cao nhất ở bề mặt 18]. Nhược điểm chính của hệ thống này là phần trăm nhiệt 
bị hạn chế và ống thu hồi nhiệt có vấn đề về tốc độ trao đổi tích trữ được còn thấp và chỉ có thể lưu trữ năng lượng từ 
nhiệt cũng như vùng nhiệt độ hoạt động hiệu quả. các nguồn nhiệt có nhiệt độ cao. 
 Để tăng tỷ lệ tận dụng nhiệt khí thải, hình 5 trình bày 
cách thức bố trí các tấm TEG xếp chồng lên nhau, xen 
giữa các tấm là các kênh dẫn khí thải và nước làm mát 
[15]. Phương pháp này sẽ tận dụng triệt để hơn nhiệt khí 
thải qua đó làm tăng hiệu quả sử dụng nhiệt của cả hệ 
thống. Tuy nhiên, cách thức bố trí này cũng sẽ làm tăng 
không gian bố trí, khó khăn trong việc lắp đặt, bảo dưỡng Hình 6. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống CHS lưu trữ năng lượng nhiệt khí thải 
sửa chữa. ĐCĐT 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 109
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
 Tại Việt Nam, Cao Đức Lượng và các cộng sự đã tiến bình như khí thải động cơ. Tuy nhiên, để nâng cao hiệu quả 
 hành nghiên cứu một hệ thống lưu trữ nhiệt hóa học sử vẫn cần nghiên cứu xác định các môi chất trung gian mới, 
 dụng hợp chất của Mg(OH)2 và than chì với tỉ lệ khối lượng là nâng cao hiệu suất của quá trình giãn nở, hiệu suất quá 
 8:1 (block state) [19]. Nhiệt độ để phản ứng của hệ thống trình trao đổi nhiệt tại nồi hơi và bình ngưng, phối hợp quá 
 phù hợp với nhiệt độ khí xả của ĐCĐT và sử dụng thêm than trình làm việc của hệ thống phù hợp với chế độ làm việc 
 chì sẽ cho hỗn hợp khối lượng riêng lớn hơn cũng như khả của ĐCĐT để có thể cải thiện hiệu suất của cả hệ thống 
 năng trao đổi nhiệt tốt hơn chỉ sử dụng Mg(OH)2. Nguyên lý ORC-ĐCĐT. 
 làm việc của hệ thống được thể hiện trong hình 6. 
 Tania Morabito và các đồng nghiệp đã tiến hành thử 
 nghiệm một loại vât liệu dựa trên các tinh thể nhôm 
 mangan để làm vật liệu trung gian trong quá trình biến đổi 
 từ hóa năng sang nhiệt năng và ngược lại để sử dụng trong 
 các nhà máy năng lượng điện mặt trời [20]. Nhóm nghiên 
 cứu sử dụng môi chất trung gian là khí nén và thu được kết 
 quả khả quan với hỗn hợp có kết cấu ổn định, giảm thiểu 
 tối đa sự giảm áp khi các phản ứng hóa học xảy ra đồng 
 thời vật liệu có mật độ năng lượng trên đơn vị thể tích 
 tưởng đối cao. Tuy nhiên, tác giả cũng đã đề cập rằng hiệu 
 suất của hệ thống lưu trữ năng lượng này có thể được cải 
 thiện đáng kể bằng cách tối ưu hóa các đặc tính của hỗn 
 hợp tinh thể nhôm mangan. Đặc biệt việc cải thiện 
 enthalpy của phản ứng là hoàn toàn có thể thực hiện được. 
 3.4. Chuyển đổi năng lượng khí thải thành năng lượng Hình 7. Mô hình ORC đơn giản 
 cơ khí hoặc điện ORC hoặc BOC 3.5. Lưu trữ và hấp thụ nhiệt khí thải sử dụng vật liệu 
 Chu trình rankine ORC (Organic Rankine Cycle) được coi thay đổi pha 
 là chu trình đơn giản, hiệu quả và phù hợp với mức nhiệt Vật liệu thay đổi pha (PCM) là vật liệu mà pha của nó sẽ 
 thấp như khí thải của ĐCĐT. Mô hình ORC đơn giản như thể thay đổi ở nhiệt độ nhất định. Trong quá trình thay đổi pha, 
 hiện trên hình 7 [21]. Hệ thống bao gồm nồi hơi, thiết bị PCM hấp thụ hoặc giải phóng một lượng nhiệt lớn để thực 
 giãn nở sinh công (tuabin), bình ngưng tụ, bơm và môi chất hiện quá trình biến đổi. Hiện tượng này được gọi là nhiệt ẩn 
 trung gian. Khí thải động cơ được dẫn qua nồi hơi, tại đây của phản ứng tổng hợp hoặc hóa hơi, và thông qua quá 
 môi chất trung gian nhận nhiệt, chuyển pha từ lỏng sang trình này, năng lượng được lưu trữ hoặc giải phóng. Vật liệu 
 khí. Tiếp theo, môi chất khí được đưa tới giãn nở sinh công làm PCM được chia thành hai nhóm chính, vô cơ và hữu cơ 
 tại tuabin. Công sinh ra từ quá trình giãn nở sẽ được sử (paraffin) [24]. Ưu điểm của PCM là vật liệu được sử dụng để 
 dụng dẫn động máy phát điện hoặc dẫn động cơ khí cho chế tạo ra PCM có thể tái chế được, không gây ra sự ăn mòn 
 các ứng dụng khác. Sau khi qua tuabin, môi chất được đối với loại hữu cơ và có nhiệt ẩn cao. Hạn chế của phương 
 ngưng tụ tại bình ngưng sau đó được bơm bơm trở lại nồi pháp này là thời gian lưu trữ không dài, hệ số truyền nhiệt 
 hơi thực hiện một chu trình kín. BOC (Breyton Organic kém, có hiện tượng nóng chảy không đồng nhất và hiện 
 Cycle) là một trường hợp riêng của ORC khi sử dụng các tượng siêu lạnh [25]. 
 chất khí làm môi chất trung gian. Phương pháp này giúp 
 V.Pandiyarajan cùng nhóm nghiên cứu đã giới thiệu khái 
 rút ngắn thời gian quá độ của hệ thống cũng như cải thiện 
 niệm bình tích trữ nhiệt PCM. Hệ thống bao gồm một 
 hiệu suất tận dụng cửa hệ thống ở các chế độ tải trọng nhỏ 
 khoang chứa các bình lưu trữ nhiệt, đường vào và ra của môi 
 của ĐCĐT. Các môi chất trung gian BOC thường được sử 
 chất truyền nhiệt, môi chất là dầu được bơm vào hệ thống từ 
 dụng hiện nay như CO , CFC.... Không có môi chất trung 
 2 đường vào ở trên để trao đổi nhiệt với các bình lưu trữ và đi 
 gian nào là hoàn hảo, mỗi môi chất chỉ phù hợp và phát 
 ra ở phía dưới [26]. Kết quả cho thấy hệ thống có thể lưu trữ 
 huy hiệu suất cao trong một số vùng làm việc nhất định 
 tới 50% lượng nhiệt khí thải của động cơ do đó giúp nâng 
 của động cơ [22]. 
 cao hiệu suất nhiệt tổng thể của hệ thống ĐCĐT-PCM lên 
 Trong hệ thống ORC thì áp suất hơi là thông số quan 10 ÷ 15%. Lượng nhiệt lưu trữ này được tái sử dụng để sấy 
 trọng nhất ảnh hưởng tới hiệu suất hệ thống. Tuy nhiên nóng nước làm mát, khí nạp trong trường hợp khởi động 
 chênh lệch nhiệt độ, tổn hao của bộ trao đổi nhiệt, nhiệt độ lạnh. Tuy nhiên, khối lượng và thể tích không gian của hệ 
 tới hạn của môi chất trung gian sẽ là những rào cản chính thống còn lớn, tốc độ trao đổi nhiệt thấp. 
 ảnh hưởng tới áp suất làm việc tối đa của chu trình. ORC 
 được sử dụng trong các hệ thống kết hợp nhiệt với công là Mert Gürtürk cùng các cộng sự đã thực hiên một nghiên 
 một lựa chọn tốt để tăng cường hiệu suất và giảm thiểu giá cứu về một phương pháp thiết kế mới cho các vây truyền 
 thành [23]. nhiệt trong bộ PCM [27]. Trong nghiên cứu này, các tác giả 
 đã phân tích quá trình trao đổi và tích trữ nhiệt của PCM và 
 Có thể thấy, ORC là một phương pháp có nhiều triển 
 đưa ra kết cấu cánh và vây truyền nhiệt mang lại hiệu quả 
 vọng trong việc tận dụng các nguồn nhiệt thấp và trung 
110 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 
 P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
cao nhất trong quá trình nóng chảy của PCM từ đó cải thiện ra các hướng cải tiến mới cho hệ thống trong tương lai để 
các tính năng kỹ thuật của bình lưu trữ nhiệt, kết cấu này tận dụng nguồn nhiệt này. Nhược điểm của hệ thống là 
được thể hiện trong hình 8. Kết quả cho thấy, định hướng còn cồng kềnh, bố trí khó khăn và lượng nước ngọt tạo ra 
để thiết kế cánh trao đổi nhiệt trong đó để ý đến quá trình vẫn còn thấp. 
nóng chảy của PCM trong bình trữ nhiệt là một hướng đi 
đang được các nhà nghiên cứu thử nghiệm và phát triển. 
Bằng cách đặt các tấm cánh trao đổi nhiệt một cách hợp lý, 
nhóm của Mert Gürtürk đã tăng tốc độ nóng chảy của PCM 
lên đến 65% từ đó cải thiện tốc độ truyền nhiệt cũng như 
lượng nhiệt hấp thụ và lưu trữ được của PCM. Nghiên cứu 
này đem lại nhiều triển vọng và hứa hẹn để cải thiện các 
tính năng kỹ thuật của bình lưu trữ nhiệt sử dụng vật liệu 
đổi pha tuy nhiên các cải tiến về vật liệu làm cánh cũng như 
giá thành sản phẩm sẽ cần được tiến hành để nghiên cứu 
này có thể được sớm đi vào thực tế. 
 Hình 9. Sơ đồ hệ thống chưng cất nước ngọt 
 4. KẾT LUẬN 
 Có thể nhận thấy tiềm năng rất lớn về sử dụng hiệu quả 
 năng lượng thông qua việc áp dụng các công nghệ thu hồi 
 nhiệt khí thải. Việc sử dụng hiệu quả không chỉ là tận dụng 
 nguồn nhiệt thải này để sinh công cơ khí mà còn có thể sử 
 dụng nguồn nhiệt này để sưởi ấm, tạo năng lượng điện 
 hoặc vận hành hệ thống làm lạnh. Việc thu hồi nhiệt thải từ 
 khí thải và chuyển đổi thành năng lượng cơ học là có thể 
 với sự trợ giúp của các chu trình nhiệt động học Rankine, 
 Stirling và Brayton, hấp thụ hơi. Đối với hệ thống thu hồi 
 nhiệt thải sử dụng nhiệt thấp, có hiệu suất thấp thì nó rất 
 hữu ích cho cùng khả năng tăng hiệu suất nhiệt và giảm 
 phát thải. Tái sử dụng nhiệt khí thải cũng sẽ giúp cải thiện 
 Hình 8. Cấu tạo cánh và vây truyền nhiệt của bộ PCM hiệu suất nhiệt, suất tiêu hao năng lượng và khí thải của 
3.6. Tận dụng trực tiếp nhiệt khí thải động cơ. Nếu những công nghệ này được các nhà sản xuất 
 Phương pháp tận dụng nhiệt khí thải trực tiếp để sấy áp dụng thì nó sẽ làm tăng hiệu suất chung của động cơ 
nóng khí nạp, dầu bôi trơn (khi động cơ mới khởi động) đã đốt trong. 
được sử dụng trên nhiều động cơ, trên một số dòng xe du 
lịch hiện nay người ta còn sử dụng nhiệt khí thải (phía sau 
bộ xúc tác) để sưởi ấm không gian trong xe [28]. 
 TÀI LIỆU THAM KHẢO 
 Trên các tầu thủy cỡ lớn, nhiệt khí thải và nước làm mát 
 [1]. John B. Heywood, 2018. Internal Combustion Engine Fundamentals 
động cơ không những được tận dụng để sưởi ấm mà còn 
 Second edition. McGraw-Hill Education, ISBN: 978-1-26-011611-3. 
có thể được sử dụng để chưng cất nước biển tạo thành 
nước sinh hoạt trên tàu. K.S.Maheshwari cùng các cộng sự [2]. Charles Fayette Taylor, 1985. Internal Combustion Engine in Theory and 
đã nghiên cứu tận dụng nhiệt thải của động cơ diesel để Practice, Volume 1: Thermodynamics, Fluid Flow, Performance. MIT Press. 
trưng cất nước ngọt [29]. Hệ thống sử dụng nhiệt thải của [3]. Eran Sher, 1998. Handbook of Air Pollution From Internal Combustion 
khí xả động cơ để đun nóng nước biển rồi trưng cất thành Engines. 
nước ngọt, nước mặn còn được đưa qua bình ngưng tụ để [4]. Georgios Fontaras, at el, 2013. Development and review of Euro 5 
hấp thụ nhiệt của quá trình ngưng tụ. Sơ đồ của hệ thống passenger car emission factors based on experimental results over various driving 
được thể hiện trên hình 9. cycles. Science of the Total Environment. 
 Kết quả của nghiên cứu cho thấy so với khi không sử [5]. J. S. Jadhao, at el, 2013. Review on Exhaust Gas Heat Recovery for I.C. 
dụng bộ phận gia nhiệt cho nước biển thì hệ thống có bình Engine. International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) 
gia nhiệt sẽ có hiệu suất cao hơn từ 20 ÷ 30% tăng dần khi Volume 2, Issue 12. 
tăng tải của ĐCĐT. Trong bình ngưng, nước muối đóng vai [6]. M. Sc. Milkov N., at el, 2015. Advanced Technologies For Waste Heat 
trò như một chất làm mát cho hơi trong bình hóa hơi và Recovery In Internal Combustion Engines. Technical University of Sofia. 
được lưu trữ trong bình riêng ở nhiệt độ 600C. Điều này mở 
 Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 57 - No. 3 (June 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 111
 KHOA H ỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 
 [7]. John R.Armstead, at el, 2014. Review of Waste Heat Recovery [28]. Mahmoud Khaled, et al, 2016. Heating fresh air by hot exhaust air of 
 Mechanisms for Internal Combustion Engines. Journal of Thermal Science and HVAC systems. Case Studies in Thermal Engineering, Volume 8, Pages 398-402 
 Engineering Applications, Vol. 6. [29]. K.S.Maheswari, et al, 2015. Thermal desalination using diesel engine 
 [8]. Nguyễn Tất Tiến, 1994. Nguyên lý động cơ đốt trong. NXB Giáo dục. exhaust waste heat. Desalination 358, 94 –100. 
 [9]. Dengting Zhu, at el, 2019. Fuel consumption and emission characteristics 
 in asymmetric twin-scroll turbocharged diesel engine with two exhaust gas 
 recirculation circuits. Applied Energy 238. AUTHORS INFORMATION 
 [10]. Adam J. Feneleya, at el, 2016. Variable Geometry Turbocharger Khong Vu Quang1, Nguyen Duy Tien1, Pham Minh Tuan1, 
 Technologies for Exhaust Energy Recovery and Boosting‐A Review. Renewable and Nguyen Phi Truong2, Le Manh Toi1, Le Dang Duy1 
 Sustainable Energy Reviews. 
 1School of Transportation Engineering, Hanoi University of Science and 
 [11]. Viktor Olsson, 2015. An on-engine twin-scroll turbine performance Technology 
 estimation. Master of Science Thesis, KTH Industrial Engineering and 
 2Hanoi University of Industry 
 Management 
 [12]. H. Julian Goldsmid, 2009. Introduction to Thermoelectricity. Springer 
 Series in Materials Science 121, Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 
 [13]. https://link.springer.com/article/10.1007/BF03226939 
 [14]. B. Orr, at el, 2016. A review of car waste heat recovery systems utilising 
 thermoelectric generators and heat pipes. Applied Thermal Engineering 101, 490– 
 495. 
 [15]. Xing Niu, at el, 2009. Experimental study on low-temperature waste 
 heat thermoelectric generator. Journal of Power Sources 188, 621–626. 
 [16]. Benoît Stutz, at el, 2016. Storage of thermal solar energy. Comptes 
 Rendus Physique, p. 401–414. 
 [17]. Pelay U., et al, 2017. Thermal energy storage systems for concentrated 
 solar power plants. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 79: p. 82-100. 
 [18]. Zamengo M., 2014. A Study on Heat Transfer-Enhanced Composites for a 
 Magnesium Oxide/Water Chemical Heat Pump. Tokyo Institute of Technology. 
 [19]. Duc Luong Cao, at el, 2018. Investigation of chemical heat storage 
 processes for recovering exhaust gas energy in internal combustion engines. 21st 
 Australasian Fluid Mechanics Conference Adelaide, Australia. 
 [20]. Tania Morabito, Salvatore Sau, at el, 2020. Chemical CSP storage system 
 based on a manganese aluminium spinel. Solar Energy 197, 462–471. 
 [21]. Alias Mohd Noor et al, 2015. Technologies for Waste Heat Energy 
 Recovery from Internal Combustion Engine: A Review. Conference Paper. 
 [22]. U. Drescher, D. Bruggemann, 2007. Fluid selection for the organic 
 Rankine cycle (ORC) in biomass power and heat plants. Applied Thermal 
 Engineering 27: 223–228. 
 [23]. Chen Yue, at el, 2019. Thermal and economic analysis on vehicle energy 
 supplying system based on waste heat recovery organic Rankine Cycle. Applied 
 Energy 248, 241–255. 
 [24]. Luisa F. Cabeza, 2014. Advances in Thermal Energy Storage Systems: 
 Methods and Applications. Woodhead Publishing (Woodhead Publishing Series in 
 Energy). 
 [25]. https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/ 
 supercooling 
 [26]. V. Pandiyarajan et al, 2011. Experimental investigation on heat recovery 
 from diesel engine exhaust using finned shell and tube heat exchanger and thermal 
 storage system. Applied Energy 88, 77–87. 
 [27]. Mert Gurturk, Besir Kok, 2020. A new approach in the design of heat 
 transfer fin for melting and solidification of PCM. International Journal of Heat and 
 Mass Transfer 153, 119671. 
112 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số 3 (6/2021) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn