Luận văn Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của dầu thực vật nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của dầu thực vật nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC HÀNG HẢI VIỆT NAM HOÀNG ANH TUẤN NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN MỘT SỐ TÍNH CHẤT CỦA DẦU THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT SỬ DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật Ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực; mã số: 62520116 Chuyên ngành: Khai thác, bảo trì tàu thủy HẢI PHÒNG - 2015
2. Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Lương Công Nhớ 2. PGS.TS Lê Anh Tuấn Phản biện 1: GS.TS Phạm Minh Tuấn Phản biện 2: PGS.TS Hà Quang Minh Phản biện 3: PGS.TS Bùi Hải Triều . Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp trường họp tại Trường Đại học Hàng hải Việt Nam vào hồi 14 giờ 00 phút ngày 30 tháng 12 năm 2015. Có thể tìm hiểu luận án tại Thư viện Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. 1
3. MỞ ĐẦU Nhiên liệu sinh học dùng cho động cơ đốt trong, thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, được xem là một trong những giải pháp quan trọng nhằm giảm phát thải ô nhiễm. Các loại nhiên liệu sinh học có thể kể tên như bioetanol, biodiesel, biogas, dimetyl ete sinh học, bio-oil100. Trong điều kiện hiện nay ở Việt Nam, với mục tiêu hướng tới là động cơ sử dụng các loại nhiên liệu sinh học có giá thành sản xuất thấp, tiện lợi trong các lĩnh vực nông, lâm nghiệp và thủy sản, đề tài “Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của dầu thực vật nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel ” là cần thiết, có ý nghĩa khoa học và mang tính thực tiễn. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Phát triển và hoàn thiện giải pháp cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất (độ nhớt, sức căng bề mặt, tỷ trọng ). - Thiết kế và chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện năng để sấy nóng nhiên liệu, đánh giá tác động của hệ thống này đến tính năng vận hành và phát thải của động cơ thử nghiệm. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Dầu thực vật nguyên chất và động cơ diesel D243 lắp trên máy kéo, tàu sông, tàu đánh cá. Phạm vi nghiên cứu: Luận án tập trung nghiên cứu cải thiện 3 tính chất cơ bản của nhiên liệu là độ nhớt, sức căng bề mặt và tỷ trọng thông qua một hệ thống sấy nóng tích hợp nhiệt khí xả và điện. Hệ thống trên được thiết kế, chế tạo, lắp đặt cho động cơ thử nghiệm, đánh giá đối chứng tính năng và phát thải của động cơ so với trường hợp động cơ nguyên bản. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Về khoa học - Xây dựng cơ sở lý thuyết sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Xác lập công thức và xây dựng thành công đặc tính quan hệ giữa một số tính chất vật lý của dầu thực vật nguyên chất với nhiệt độ hâm sấy. - Phát triển thành công một phương pháp tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện năng nhằm khắc phục yếu điểm như độ nhớt cao, tỷ trọng và sức căng bề mặt lớn của dầu thực vật nguyên chất. Về thực tiễn - Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel. - Hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất được phát triển trong luận án có thể tiếp tục hoàn thiện hướng tới ứng dụng cho các loại động cơ diesel tĩnh tại hay tàu thủy cỡ nhỏ. Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất. Phương pháp nghiên cứu 1
4. Nghiên cứu lý thuyết: nghiên cứu lý thuyết về truyền nhiệt và mô phỏng. Nghiên cứu thực nghiệm: nghiên cứu thực nghiệm đối chứng được sử dụng để đánh giá tác động của việc chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất đến tính năng của động cơ. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu về tình hình sử dụng dầu thực vật nguyên chất cho động cơ diesel; - Nghiên cứu đặc tính của dầu thực vật nguyên chất và các giải pháp cải thiện đặc tính của nhiên liệu nhằm đáp ứng việc sử dụng trên động cơ diesel truyền thống; - Nghiên cứu tính toán phương án sấy nóng nhiên liệu, thiết kế và chế tạo hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện năng để sấy nóng dầu thực vật nguyên chất hỗ trợ cho quá trình khởi động lạnh và vận hành hiệu quả của động cơ; - Nghiên cứu thực nghiệm đánh giá tác động của việc cải thiện đặc tính nhiên liệu đến các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế và phát thải của động cơ; - Nghiên cứu đánh giá khả năng ứng dụng thiết bị tận dụng nhiệt khí thải sấy nóng dầu thực vật nguyên chất vào thực tiễn. Kết cấu của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung nghiên cứu, phần kết luận và kiến nghị. Toàn bộ luận án được trình bày trong 164 trang, 46 bảng và 62 hình vẽ và đồ thị. CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel có thể được chia thành 2 nhóm chính là nhiên liệu hóa thạch và nhiên liệu thay thế. 1.2. Dầu thực vật nguyên chất 1.2.1. Giới thiệu chung Dầu thực vật nguyên chất có thành phần chính là các mono-alkyl este của các axit béo mạch dài, chưa pha trộn với các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel. 1.2.2. Tính chất của dầu thực vật nguyên chất (VO100) Công thức phân tử của VO100 có dạng C27-57 H54-104 O6 và có khối lượng phân tử lớn hơn nhiên liệu diesel. VO100 có chứa thành phần oxi trong phân tử, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm [40]. Tuy nhiên, độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt của VO100 lớn hơn nhiều so với nhiên liệu diesel. 1.3. Tình hình sản xuất và sử dụng dầu thực vật nguyên chất 1.3.1. Tình hình sản xuất và sử dụng trên thế giới Tại Châu Âu thường sử dụng dầu hướng dương, dầu bông, dầu hạt cải, dầu đậu nành thì tại các nước Châu Á và Thái Bình Dương thường sử dụng chủ yếu là dầu dừa, dầu cọ. 1.3.2. Tình hình sản xuất và sử dụng tại Việt Nam Dầu thực vật sử dụng tại Việt Nam rất phong phú bao gồm ngô, đậu 2
5. nành, dầu dừa hoặc các nguyên liệu khi thu hoạch những cây trồng không làm thực phẩm như dầu jatropha. 1.4. Tổng quan về các nghiên cứu sử dụng dầu thực vật nguyên chất cho động cơ diesel Để sử dụng dầu thực vật nguyên chất, các nghiên cứu chủ yếu đi sâu vào các hướng: Cải tiến động cơ và hệ thống: Giải pháp này tác động vào kết cấu của động cơ và hệ thống phục vụ nên thường chỉ thích hợp cho động cơ thiết kế mới do đó rất ít được sử dụng [7]. Cải thiện tính chất nhiên liệu: Các phương pháp thường sử dụng như: phương pháp pha loãng, nhũ tương hóa, sấy nóng, sử dụng chất phụ gia hoặc chuyển đổi thành biodiesel [7,10]. 1.5. Kết luận chương 1 Nguồn nguyên liệu sản xuất dầu thực vật rất đa dạng và phong phú và có thể được sản xuất và sử dụng ở mọi quốc gia và vùng lãnh thổ. Các công trình nghiên cứu đều chứng tỏ dầu thực vật khi trộn với các loại nhiên liệu có nguồn gốc từ dầu mỏ, với chất xúc tác hoặc phụ gia hay tạo nhũ tương đều cho các kết quả khả quan mà không cần thay đổi kết cấu của động cơ nguyên bản. Các công trình nghiên cứu sử dụng phương pháp sấy nóng và phát triển các hệ thống sấy nóng – đặc biệt là tận dụng năng lượng khí thải từ động cơ để cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất nhằm sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel còn hạn chế hoặc chưa hoàn thiện cơ sở lý thuyết để chứng minh sự cần thiết phải cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất. Từ kiến giải trên, thấy rõ vấn đề nghiên cứu:“Nghiên cứu cải thiện một số tính chất của dầu thực vật nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel” là cần thiết. CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CẢI THIỆN TÍNH CHẤT VẬT LÝ DẦU THỰC VẬT NGUYÊN CHẤT SỬ DỤNG LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 2.1. Lý thuyết quá trình phun nhiên liệu trong động cơ diesel Quá trình hòa trộn hỗn hợp trong xi lanh gồm các giai đoạn: phun nhiên liệu, phân rã chùm tia nhiên liệu, bay hơi của các hạt nhiên liệu, tương tác giữa các hạt nhiên liệu, tương tác giữa nhiên liệu với thành vách xilanh [20,36]. 2.1.1. Cơ chế phá vỡ chùm tia phun nhiên liệu lỏng Khi phun nhiên liệu vào buồng cháy, hạt nhiên liệu chịu tác dụng đồng thời của các lực: lực liên kết giữa các phân tử, lực căng mặt ngoài, lực kích động ban và lực cản khí động học của khí nén trong buồng cháy [20,36]. Quá trình phân rã là tiền đề tạo nên sự phá vỡ chùm tia phun nhiên liệu, nó được chia thành hai quá trình cơ bản: quá trình phân rã sơ cấp và quá trình phân rã thứ cấp [36,46]. 2.1.1.1. Quá trình phân rã sơ cấp 3
6. Quá trình phân rã sơ cấp tia phun được chia bốn cơ chế: cơ chế nhiễu loạn Rayleigh, cơ chế nhiễu loạn sơ cấp, cơ chế nhiễu loạn thứ cấp và cơ chế tán nhỏ hạt hay phun sương. 2.1.1.2. Quá trình phân rã thứ cấp Quá trình phân rã thứ cấp xảy ra khi sức căng bề mặt của giọt nhiên liệu nhỏ, ảnh hưởng đến khả năng chống biến dạng của giọt nhiên liệu. Quá trình phân rã thứ cấp của giọt nhiên liệu xảy ra chủ yếu do tác động của lực khí động nên vận tốc tương đối của giọt nhiên liệu với môi trường khí xung quanh đóng một vai trò quan trọng trong cơ chế phân rã thứ cấp. 2.1.2. Cấu trúc và các thông số hình học của tia phun nhiên liệu lỏng 2.1.2.1. Cấu trúc của tia phun nhiên liệu lỏng Sự phát tiển chùm tia phun và hình dáng của chùm tia nhiên liệu phụ thuộc vào thời gian phun, khối lượng riêng, kích thước lỗ phun và tính chất vật lý của nhiên liệu [8,20]. 0,48 0,3 0,35 L    d ct A l l l po l L d po d po l k 2.1.2.2. Các thông số hình học của tia phun nhiên liệu lỏng Chiều dài của tia phun S: Giới thiệu các công thức của một số tác giả từ công thức 2.15 đến 2.19 Góc nón của chùm tia phun Φ: Giới thiệu các công thức của một số tác giả từ công thức 2.20 đến 2.23 Đường kính hạt nhiên liệu dSMD, SMD: Giới thiệu các công thức của một số tác giả từ công thức 2.24 đến 2.26 Chiều dài phân rã Lb: Giới thiệu các công thức của một số tác giả từ công thức 2.27 đến 2.29 2.1.2.3. Tia phun dầu thực vật nguyên chất Nhóm tác giả [33] đã đề xuất cấu trúc tia phun dầu thực vật nguyên chất. Chiều dài chùm tia (L1/3) tương ứng với quá trình phân rã sơ cấp, L’ là quá trình phân rã thứ cấp, L là quá trình phun sương. Hình 2.1. Cấu trúc chùm tia phun dầu thực vật nguyên chất 2.2. Quá trình hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel 2.2.1. Tương tác của nhiên liệu với không khí Kết quả thực nghiệm cho thấy các hạt nhiên liệu có đường kính d bị xé 2 nhỏ khi điều kiện kωd / >10,7 [8,20]. 2.2.2. Tương tác của nhiên liệu với vách Tùy thuộc vào nhiệt độ vách buồng cháy và số lượng của chất lỏng đọng 4
7. lại trên vách tương tác tia phun - vách có thể có cả tác động tiêu cực, tích cực. 2.2.3. Quá trình cháy Quá trình cháy trong động cơ diesel được phân thành 4 giai đoạn: cháy trễ, cháy hỗn hợp hòa trộn trước, cháy hỗn hợp có kiểm soát và cháy rớt. Trong quá trình công tác thực tế từ lúc bắt đầu phun đến lúc kết thúc quá trình cháy diễn ra các quá trình lý hóa phức tạp: bay hơi, bốc cháy và cháy nhiên liệu, kèm với quá trình tỏa nhiệt, thay đổi nhiệt độ, áp suất và tổn thất nhiệt [8,20]. 2.3. Các thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất theo nhiệt độ 2.3.1. Khối lượng riêng ρ Khối lượng riêng tỉ lệ thuận với khối lượng phân tử và khả năng bay hơi của nhiên liệu và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ [31]: ρ = a – bT 2.3.2. Độ nhớt động học µ Độ nhớt tỉ lệ nghịch với nhiệt độ, một số mô hình tính toán độ nhớt theo nhiệt độ [31,35]: Mô hình hàm mũ  T A.e bT b Mô hình tổng hợp log  A T 2.3.3. Sức căng bề mặt σ Sức căng bề mặt là lực căng trên một đơn vị chiều dài, tỉ lệ thuận với độ nhớt, khối lượng riêng và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ [40]. Mô hình hàm bậc nhất σ = A – B.T P(T) Mô hình Sudge  1/ 4 M 2.3.4. Nhiệt độ chớp cháy TF Nhiệt độ chớp cháy của dầu thực vật nguyên chất có liên hệ với độ nhớt và nhiệt độ như [37]: TF = A.µ(T)+ B 2.3.5. Đặc tính phun Đặc tính phun của nhiên liệu được thể hiện qua các thông số hình học của chùm tia phun, do đó phụ thuộc vào tính chất của nhiên liệu mà chủ yếu là khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt của nhiên liệu. 2.4. Giải pháp sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên liệu cho động cơ diesel 2.4.1. Một số phương pháp sử dụng dầu thực vật nguyên chất Thường sử dụng các phương pháp như: pha loãng , nhũ tương hoá, gia nhiệt. Ngoài các phương pháp trên, có thể sử dụng một số phương pháp khác như hâm nhiên liệu bằng ống nhiệt, bằng năng lượng khí nóng hay kết hợp các phương pháp như phối trộn và hâm sấy, hâm sấy kiểu tích hợp điện - khí xả, điện - hơi nước, điện - nước làm mát. 2.4.2. Lựa chọn giải pháp sử dụng trực tiếp dầu thực vật nguyên chất Từ việc phân tích các phương pháp hâm sấy nhiên liệu, loại nhiên liệu sử dụng và đối tượng mà đề tài hướng tới thì phương pháp hâm sấy nhiên liệu kiểu tích hợp điện - khí xả là phù hợp 2.5. Kết luận chương 2 5
8. Các tính chất nhiên liệu như khối lượng riêng, độ nhớt hay sức căng bề mặt đều ảnh hưởng đến sự phân rã, các thông số hình học của chùm tia nhiên liệu, thời gian phân rã và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ hâm sấy. Cấu trúc chùm tia phun dầu thực vật nguyên chất tương tự như nhiên liệu diesel. Quy luật thay đổi áp suất trong xi lanh của động cơ và tốc độ tỏa nhiệt theo góc quay trục khuỷu khi sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống và dầu thực vật nguyên chất tương tự nhau khi hâm nóng dầu thực vật nguyên chất đến nhiệt độ phù hợp. Một số thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất như sức căng bề mặt, độ nhớt và khối lượng riêng đã được phân tích nhằm thiết lập mối liên hệ toán học với nhiệt độ hâm sấy, làm cơ sở và định hướng để tính toán thiết kế và chế tạo hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất bằng năng lượng điện – khí xả. CHƯƠNG 3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH THIẾT BỊ HÂM VÀ ÁP DỤNG ĐỂ TÍNH THIẾT BỊ HÂM DẦU DỪA NGUYÊN CHẤT DÙNG CHO ĐỘNG CƠ D243 3.1. Xác định nhiệt độ hâm sấy hợp lý cho dầu thực vật nguyên chất 3.1.1. Xây dựng các thuộc tính của dầu thực vật nguyên chất theo nhiệt độ Hình 3.1. Mối liên hệ giữa khối lượng riêng, độ nhớt, sức căng bề mặt và và nhiệt độ 3.1.2. Mô hình thử nghiệm đặc tính phun Bảng 3.1. Thông số hình học của chùm tia phun nhiên liệu ở nhiệt độ môi trường Thông số Kí Thứ Công DO VO100 6
9. hiệu nguyên thức Chiều dài phân rã Lb mm 2.29 66 69 - 71 Chiều dài chùm tia S mm 2.18 207 261 - 280 Tỉ lệ bL /S ψ 0,32 0,25 - 0,26 Góc nón chùm tia θ độ 2.23 21,5 10 - 12 So với nhiên liệu DO, dầu thực vật nguyên chất có: Lb lớn hơn khoảng 8%; S lớn hơn khoảng 26%, d32 (SMD) lớn hơn khoảng 4 - 8 lần; góc phun θ của nhiên liệu DO và gấp 2 lần góc phun θ của VO100; tỉ lệ Lb/S của nhiên liệu DO lớn hơn của VO100 khoảng 20%. 3.1.2.1. Xây dựng mô hình thử nghiệm Hệ thống thử nghiệm đặc tính phun do tác giả chế tạo được mô tả trên hình 4 gồm: một bộ hâm tự động bằng điện cấp nguồn cho điện trở sấy; một thiết bị tạo áp lực và một thiết bị đo áp suất phun; vòi phun một lỗ với đường kính lỗ phun D0 = 0,25 mm; một máy ảnh kỹ thuật số với độ phân giải 18 megapixel, tốc độ 120 hình/giây. Điều kiện tiến hành thử nghiệm với áp suất phun P = 200 bar và áp suất môi trường P0 = 1 bar. Hình 3.2. Sơ đồ bố trí phun thử nghiệm 3.1.2.2. Kết quả thử nghiệm Chiều dài chùm tia (a) S = 205 mm Góc phun θ = 210 Chiều dài chùm tia (b) S = 268 mm Góc phun θ = 110 Hình 3.3. Đặc tính phun của nhiên liệu DO (a) và dầu dừa nguyên chất CO100 (b) ở nhiệt độ 400C 7
10. Kết quả phun thử nghiệm ở nhiệt độ 400C (hình 3.3) cho thấy, chiều dài chùm tia phun S của CO100 lớn hơn khoảng 23,5% trong khi góc phun θ nhỏ hơn khoảng 47,6% so với nhiên liệu DO. Kết quả phun thử nghiệm khi thay đổi nhiệt độ hâm sấy nhiên liệu CO100 được cho trong hình 3.4. Chiều dài chùm tia S =230 mm Góc phun θ = 160 t = 800C Chiều dài chùm tia S = 220 mm Góc phun θ = 170 t = 900C Chiều dài chùm tia S = 212 mm Góc phun θ = 180 t = 1000C Chiều dài chùm tia S = 208 mm Góc phun θ = 190 t = 1100C Hình 3.4. Đặc tính phun của CO100 tại các nhiệt độ khác nhau Bảng 3.2 và 3.3 cho thấy mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ hâm sấy đến các thông số hình học khác của chùm tia phun và hình thức phân rã. Bảng 3.2. Thông số hình học của chùm tia phun nhiên liệu CO100 Kí Thứ Dầu dừa nguyên chất CO100 Thông số hiệu nguyên 800C 900C 1000C 1100C Chiều dài phân rã Lb mm 70,2 68,2 66,8 66,2 Tỉ lệ bL /S ψ 0,305 0,31 0,315 0,318 8
11. Bảng 3.3. Hình thức và thời gian phân rã của nhiên liệu DO và CO100 Nhiên Kí Dầu dừa nguyên chất CO100 Thông số liệu hiệu 0 0 0 0 DO 80 C 90 C 100 C 110 C Áp suất phun nhiên liệu,bar P 200 Áp suất trong xilanh tại thời P 40 điểm phun, bar c Vận tốc phun, m/s Uph 160 155 156 156,8 157,5 Thời gian phân rã, µs τpr 110 176 157 138 119 Thời gian tương tác khí τ 764 1826 1462 1140 860 động học, µs e Hệ số Ohnesorge Oh 0,36 0,17 0,22 0,28 0,34 Hệ số Reynolds Re 11904 3983 6069 8996 10836 Phun Phun Phun Phun sương Nhiễu sương sương sương Cơ chế phân rã hoàn loạn một hoàn hoàn toàn phần toàn toàn 3.1.3. Xác định nhiệt độ hâm sấy hợp lý Các kết quả tính toán và thử nghiệm cho thấy, khoảng nhiệt độ hâm sấy hợp lý đối với nhiên liệu CO100 là từ 100oC – 110oC. 3.2. Phương pháp tính toán hệ thống hâm sấy dầu thực vật nguyên chất kiểu tích hợp điện – khí xả 3.2.1. Cơ sở tính toán thiết bị tận dụng nhiệt khí xả 3.2.1.1. Tính nhiệt lượng khí xả 3.2.1.2. Tính toán diện tích bề mặt trao nhiệt 3.2.1.3. Tính trở kháng thủy lực của dòng khí xả 3.2.1.4. Tính bền thiết bị dụng nhiệt khí xả 3.2.1.5. Tính thông số nhiệt cho nhiên liệu và khí xả 3.2.2. Cơ sở tính toán bộ hâm bằng điện Phương trình cân bằng nhiệt theo thời gian dQ1 = dQ2 + dQ3 và Pdτ = MCdt + KF ( t − t0 ) dτ Chọn điện áp nguồn cho thiết bị: Chọn điện áp 380V/220V Điều chỉnh công suất thiết bị: dùng phương pháp rơle Tính công suất hữu ích của thiết bị. Tính toán nhiệt của dây đốt và tính kích thước dây đốt tròn. 3.2.3. Cơ sở tính toán các thiết bị phụ 3.2.3.1. Tính chọn bơm 3.2.3.2. Tính toán két dầu thực vật nguyên chất 3.3. Tính toán hệ thống kiểu tích hợp điện – khí xả để hâm sấy dầu dừa nguyên chất sử dụng trên động cơ D243 3.3.1. Sơ đồ hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện – khí xả 9
12. Nguyên lý hoạt động của hệ thống hâm như sau: nhiên liệu CO100 được hâm bằng năng lượng điện đến 80oC để cho động cơ khởi động lạnh, sau khi động cơ hoạt động, nhiên liệu CO100 được tuần hoàn bên trong thiết bị hâm bằng năng lượng khí xả bởi một bơm tuần hoàn, ở đây nhiên liệu CO100 được hâm đến nhiệt độ 100oC. Trước khi cấp vào động cơ, nhiên liệu CO100 được đi qua một bầu lọc có lưới lọc làm bằng kim loại. Nhiệt độ cần thiết để hâm nhiên liệu CO100 khoảng 100oC – 110oC Khi nhiệt độ của CO100 đã đạt đến nhiệt độ trong dải 110oC thì van by/pass sẽ điều chỉnh để toàn bộ lượng khí xả đi thẳng ra ngoài mà không đi vào bầu tận dụng nhiệt. Độ mở của van by/pass và bơm tuần được điều khiển bằng bộ điều Hình 3.5. Mô hình nguyên lý hệ thống hâm khiển. nhiên liệu kiểu tích hợp điện - khí xả 3.3.2. Tính toán hệ thống hâm sấy CO100 kiểu tích hợp điện - khí xả sử dụng trên động cơ D243 3.3.2.1. Thành phần hóa học của dầu dừa nguyên chất: Dầu dừa nguyên chất chứa nhiều loại axit béo như: Caproic, Caprylic, Capric, Lauric 3.3.2.2. Xác định các thông số của khí xả: Nhiệt lượng Qkx = 8532W. 3.3.2.3. Tính toán, thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí xả Bảng 3.4. Thông số cơ bản thiết bị tận dụng nhiệt khí xả TT Các thông số Ký hiệu Thứ nguyên Kết quả 1 Đường kính ống chứa CO100 d2/d1 mm/mm 12/8 2 Diện tích bề mặt truyền nhiệt F m2 0,04 3.3.2.4. Tính toán két nhiên liệu và tính chọn bơm 3.3.2.5. Tính toán điện trở sấy Bảng 3.5. Thông số cơ bản của điện trở sấy TT Các thông số Ký hiệu Thứ nguyên Kết quả d mm 18 1 Điện trở sấy có công suất 1000W 1 l1 mm 245 d mm 10 2 Điện trở sấy có công suất 400W 2 l2 mm 155 3.3.2.6. Tính tổn hao áp suất của dòng khí xả qua thiết bị tận dụng nhiệt Tổng trở lực ở chế độ 100% Ne nhỏ hơn trở lực cho phép. 3.3.2.7. Tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải: Thiết bị đủ bền cơ và nhiệt. 3.3.2.8. Chế tạo và lắp đặt hệ thống 3.3.2.9. Kiểm tra hệ thống 10
13. a, Kiểm tra độ ổn định nhiệt độ của nhiên liệu CO100 thử nghiệm Dùng 2 nhiệt kế để kiểm tra, sai số giữa 2 nhiệt kế phải nhỏ hơn 5%. b, Kiểm tra thời gian hâm sấy nhiên liệu Bảng 3.6. Thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 từ nhiệt độ 800C đến 1000C Tốc độ (vòng/phút) Tải (%) Kí hiệu Thứ nguyên Kết quả 75 τ s 1367 1500 100 τ s 1035 3.4. Mô phỏng hệ thống hâm nhiên liệu CO100 bằng phần mềm ANSYS FLUENT Giải bài toán nhiệt bằng phần mềm ANSYS FLUENT đối với dạng kết cấu 2D hoặc 3D cần biết mô hình thực của đối tượng, các thông số vật lý của vật liệu, các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình. 3.4.1. Các tính chất vật lý của dòng chảy 3.4.2. Các phương trình truyền nhiệt Phương trình năng lượng và phương trình liên tục 3.4.3. Mô hình mô phỏng và điều kiện biên Sử dụng phần mềm AutoDesk Inventor dựng mô hình 3D của thiết bị tận dụng nhiệt khí xả làm mô hình mô phỏng. Các thông số kết cấu của thiết bị được cho trong phụ lục 2, các thông số đầu vào cho trong phụ lục 1. 3.4.4. Chế độ mô phỏng Năng lượng khí xả chỉ được tận dụng 10% để hâm CO100 từ 80oC đến 100oC so với toàn bộ năng lượng khí xả của động cơ làm việc ở chế độ 75% tải, tốc độ 1500 vòng/phút. Bảng 3.7. Thông số nhiệt của khí xả vào thiết bị tận dụng nhiệt Chế độ mô Nhiệt rung Lưu Nhiệt Nhiệt độ Lượng nhiên phỏng riêng trung lượng lượng tận khí xả vào liệu cấp cho Tốc bình của khí khí xả dụng từ Tải thiết bị tận một chu độ 0 xả Cpkx, Gkx, khí xả (%) dụng, C trình gct, kg (v/p) kJ/kg.K kg/s Qkx, kW 10 231 0,0000144 1,103 0,011 0,15 1500 75 440 0,0000578 1,154 0,045 3,06 100 547 0,0000645 1,191 0,049 3,68 10 235 0,0000147 1,103 0,015 0,23 2000 75 448 0,0000596 1,158 0,061 3,96 100 578 0,0000696 1,197 0,069 5,62 3.4.5. Kết quả mô phỏng Kết quả mô phỏng nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt khí xả theo đặc tính tải tại tốc độ 1500 vòng/phút và 2000 vòng/phút, năng lượng khí xả sử dụng cho mô phỏng được lấy 100% ở 10% tải, 10% ở các chế độ 75% và 100% tải. Kết quả được cho trong bảng 3.8, hình 3.6 và hình 3.7. Bảng 3.8. Kết quả mô phỏng nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt 11
14. Chế độ mô phỏng Qkx phục vụ cho Tkx ra khỏi thiết TCO100 ra khỏi 0 0 Tốc độ (v/p) Tải (%) mô phỏng, kW bị, C thiết bị, C 10 0,15 219 92 1500 75 0,306 371 103 100 0,368 476 105 10 0,23 221 95 2000 75 0,396 385 106 100 0,562 498 108 (a) (b) (c) Hình 3.6. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt tại chế độ 10% (a),75% (b) và 100% tải (c), tốc độ 1500 v/p (a) 12
15. (b) (c) Hình 3.7. Nhiệt độ khí xả, nhiệt độ nhiên liệu CO100 vào và ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt tại chế độ 10% (a),75% (b) và 100% tải (c), tốc độ 2000 v/p 3.5. Kết luận chương 3 Tính toán được các thông số về chùm tia phun của nhiên liệu DO và dầu thực vật nguyên chất. Xây dựng được đặc tính phụ thuộc giữa một số tính chất vật lý của dầu thực vật nguyên chất theo nhiệt độ, qua đó cho phép xác định được khoảng nhiệt độ hâm sấy phù hợp với từng loại nhiên liệu. Đối với dầu dừa nguyên chất, khoảng nhiệt độ phù hợp đó nằm trong khoảng 100 – 1100C. Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống hâm sấy dầu dừa nguyên chất sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel D243. Kết quả mô phỏng trên hệ thống sau khi tính toán thiết kế cho thấy, sai số nhiệt độ của dầu dừa nguyên chất sau khi hâm sấy từ 3% - 8%. CHƯƠNG 4 THỬ NGHIỆM TRÊN ĐỘNG CƠ 4.1. Mục đích và phạm vi thử nghiệm 4.1.1. Mục đích thử nghiệm Đánh giá khả năng làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu CO100. Đánh giá khả năng tận dụng nhiệt khí thải vào mục đích hâm sấy nhiên liệu so với việc tính toán bằng lý thuyết. Xác định nhiệt độ hâm sấy hợp lý cho CO100. So sánh đối chứng hàm lượng phát thải, các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của động cơ khi sử dụng 2 loại nhiên liệu DO và nhiên liệu CO100. 4.1.2. Phạm vi thử nghiệm Thử nghiệm đánh giá sự ảnh hưởng của nhiệt độ hâm sấy nhiên liệu CO100 đến các chỉ tiêu kinh tế và phát thải của động cơ và so sánh đối chứng với nhiên liệu DO. 4.2. Đối tượng thử nghiệm Nhiên liệu CO100 được hâm sấy từ nhiệt độ 80oC đến 120oC và nhiên liệu DO được tiến hành thử nghiệm trên động cơ diesel D243. 4.3. Sơ đồ bố trí và thiết bị thử nghiệm 13
16. 4.3.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm Hệ thống được bố trí trên băng thử động lực học cao ETB tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. 4.3.2. Thiết bị thử nghiệm 4.3.2.1. Hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện - khí xả Hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện – khí xả do tác giả thiết kế và chế tạo gồm: Thiết bị hâm sấy bằng điện gồm: 04 điện trở sấy loại 400W và 02 điện trở sấy loại 1000W. Thiết bị tận dụng nhiệt khí xả gồm: 01 xiphong giãn nở, thiết bị tận dụng nhiệt khí xả kiểu ống trơn. Thiết bị phục vụ gồm: 01 bầu lọc có lưới bằng kim loại và 01 bơm tuần hoàn. 4.3.2.2. Thiết bị băng thử nghiệm động cơ: Băng thử được trang bị các thiết bị phụ trợ được trình bày trong phụ lục 9. 4.4. Điều kiện và quy trình thử nghiệm 4.4.1. Điều kiện thử nghiệm Nhiên liệu dùng cho động cơ kể cả khi khởi động lạnh là nhiên liệu CO100, sử dụng trực tiếp trên động cơ D243, các thông kết cấu của động cơ và hệ thống phục vụ được giữ nguyên bản. 4.4.2. Quy trình thử nghiệm Ngắt hệ thống cung cấp nhiên liệu DO và nối đường cấp nhiên liệu CO100 vào trước bơm cao áp của động cơ D243. Đo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ D243 với nhiên liệu CO100 tại các nhiệt độ hâm sấy khác nhau ở các chế độ đặc tính tải và đặc tính ngoài. Mỗi điểm đo thực hiện 03 lần và lấy kết quả trung bình. 4.5. Kết quả thử nghiệm và thảo luận 4.5.1. Lượng không khí thực tế cấp cho động cơ, B(kg/kgnl) Lượng không khí thực tế cấp 18 B_DO B_CO100_t80 cho động cơ đánh giá lượng không khí B_CO100_t100 B_CO100_t120 nạp cần thiết để đốt cháy nhiên liệu 14 trong điều kiện khai thác bình thường của động cơ, do đó ảnh hưởng đến chất 10 lượng hình thành hỗn hợp cháy và đặc tính phát thải.Lượng không khí thực tế cơ, động(kg/kgnl)B 6 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 cấp cho động cơ khi sử dụng Lượngkhông khí cấp thực tếcho CO100_t80, CO100_t100 và Tốc độ quay (vòng/phút) CO100_t120 giảm so với trường hợp Hình 4.1. Lượng không khí thực tế sử dụng nhiên liệu DO tương ứng với cấp cho động cơ ở chế độ 100% tải đặc tính ngoài lần lượt trong khoảng từ 16,00%-17,52%, từ 12,00%-15,33% và từ 14,00%-16,79%; 0 4.5.2. Nhiệt độ khí xả, tkx ( C) Nhiệt độ khí xả là một trong những thông số đánh giá chất lượng quá trình cháy của động cơ. Nhiệt độ khí xả của động cơ trên đường đặc tính ngoài ở chế độ 100% tải với nhiên liệu CO100 được cho ở bảng 4.1. Bảng 4.1. Giá trị nhiệt độ khí xả ra khỏi động cơ và ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt theo đường đặc tính ngoài khi động cơ sử dụng nhiên liệu CO100 14
17. Dầu dừa nguyên chất (CO100) Tốc độ Nhiệt độ khí xả ra khỏi Nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết Đặc tính (v/p) động cơ, oC bị tận dụng nhiệt, oC 800C 1000C 1200C 800C 1000C 1200C 1000 377 358 348 Khí xả 321 313 1200 529 510 500 không 442 439 1400 554 531 518 đi vào 468 459 100% tải 1500 568 547 533 thiết bị 484 478 1600 580 557 545 tận 490 482 1800 590 568 550 dụng 504 496 2000 596 578 560 nhiệt 510 502 Nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt tại 10% tải tại 2 tốc độ 1500 vòng/phút và 2000 vòng/phút cũng lớn hơn nhiệt độ điểm sương. Nhiệt lượng khí xả của động cơ khi sử dụng nhiên liệu CO100_t100 cao hơn khi sử dụng nhiên liệu CO100_t120 khoảng từ 5% đến 20%. 4.5.3. Mômen của động cơ, Me (N.m) Xét trong dải nhiệt độ sấy nóng Me_DO Me_CO100_t80 từ 800C đến 1200C, mức độ sấy nóng 300 Me_CO100_t100 Me_CO100_t120 cao hơn thì giá trị mômen động cơ có 280 xu hướng giảm.Trong toàn dải tốc độ, 260 tương ứng với nhiệt độ sấy nóng của 240 CO100 là 800C, 1000C và 1200C, 220 mômen của động cơ giảm so với Mômen,Me (N.m) trường hợp sử dụng nhiên liệu DO lần 200 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 lượt trong khoảng từ 6,61%-11,59%, Tốc độ quay (vòng/phút) từ 7,14%-14,44% và từ 10,31%- Hình 4.2. Đặc tính mômen của 15,14% động cơ ở chế độ 100% tải 4.5.4. Công suất của động cơ, Ne (kW) Trong dải nhiệt độ sấy nóng từ DO CO_t80 CO_t100 CO_t120 800C đến 1200C, mức độ sấy nóng cao 60 55 thì giá trị công suất động cơ có xu 50 hướng giảm, tuy nhiên sự khác nhau 45 40 về công suất khi sử dụng nhiên liệu 35 CO100 ở dải nhiệt độ hâm sấy trên là 30 25 không lớn, khoảng 2,5% - 4%. Trên suất, Ne Công (kW) 20 toàn dải tốc độ, tương ứng với nhiên 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 liệu CO100_t80, CO100_t100 và Tốc độ quay (vòng/phút)) CO100_t120 , công suất của động cơ Hình 4.3. Đặc tính công suất của giảm so với trường hợp sử dụng nhiên động cơ ở chế độ 100% tải liệu DO lần lượt trong khoảng từ 7,73%-12,02%, từ 8,87%-13,41% và từ 10,29%-15,23%. 4.5.5. Suất tiêu hao nhiên liệu, ge (g/kW.h) 15
18. Trong khoảng nhiệt độ hâm sấy, ge_DO ge_CO100_t80 suất tiêu hao nhiên liệu CO100_t100 400 ge_CO100_t100 ge_CO100_t120 đạt giá trị nhỏ nhất và CO100_t80 là 360 lớn nhất. Suất tiêu hao nhiên liệu của 320 động cơ ge , theo đặc tính ngoài ở chế 280 ge(g/kW.h) độ 100% tải, khi sử dụng nhiên liệu 240 CO100_t80, CO100_t100 và tiêu nhiênSuất hao liệu, 200 CO100_t120 tăng so với trường hợp sử 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 dụng nhiên liệu DO tương ứng trong Tốc độ quay(vòng/phút) khoảng từ 16,08%-26,45%, từ 14,68%- Hình 4.4. Suất tiêu hao nhiên liệu 24,83% và từ 15,73%-25,64%. của động cơ ở 100% tải Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu như trên tăng so với trường hợp sử dụng nhiên liệu DO tương ứng tại vòng quay 1500 vòng/phút lần lượt trong khoảng từ 14,29%-30,18%, từ 11,66%-26,31% và từ 12,79%-28,09%. Tại vòng quay 2000 vòng/phút tăng trong khoảng từ 13,98%- 27,18%, từ 10,88%-20,84% và từ 11,98%-24,01%. 4.5.6. Đặc tính phát thải 4.5.6.1. Phát thải CO Thông số quan trọng nhất của CO_DO CO_CO100_t80 CO_CO100_t100 CO_CO100_t120 động cơ ảnh hưởng đến phát thải CO là 4,000 tỷ lệ tương đương giữa nhiên liệu – 3,500 3,000 không khí, những thông số khác chỉ là 2,500 những yếu tố ảnh hưởng thứ yếu. Hàm 2,000 1,500 lượng phát thải CO của động cơ khi sử 1,000 500 dụng nhiên liệu CO100_t80, 0 CO100_t100 và CO100_t120 tăng so lượngHàm thải phát CO(ppm) 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 với trường hợp sử dụng nhiên liệu DO Tốc độ quay (vòng/phút) tương ứng trong khoảng từ 59,92%- Hình 4.5. Đặc tính phát thải CO 113,29%, từ 6,73%-53,85% và từ ở chế độ 100% tải 27,39%-78,06%; tính trung bình, hàm lượng phát thải CO tăng lần lượt là 77,57%; 22,02% và 40,90%. 4.5.6.2. Phát thải NOx Hàm lượng phát thải NOx của NOx_DO NOx_CO100_t80 NOx_CO100_t100 NOx_CO100_t120 động cơ khi sử dụng nhiên liệu DO lớn 1200 hơn so với khi sử dụng nhiên liệu 1100 CO100_t80, CO100_t100,CO100_t120 1000 tương ứng 21,62% - 24,47%, từ 900 7,27%-10,35% và từ 15,38%-16,90%. 800 700 Tương tự, hàm lượng phát thải NOx 600 giảm so với trường hợp sử dụng nhiên lượngHàm thải phát NOx (ppm) 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 liệu DO tương ứng với đặc tính tải tại Tốc độ quay (vòng/phút) vòng quay 1500 vòng/phút lần lượt Hình 4.6. Đặc tính phát thải NOx trong khoảng từ 23,51%-43,48%, từ ở chế độ 100% tải 16
19. 8,44%-22,61%, từ 16,35%-29,27%. Còn tại vòng quay 2000 vòng/phút giảm lần lượt khoảng từ 31,25%-53,64%, từ 8,36%-18,74% và từ 16,90%-29,84%. 4.5.6.3. Phát thải HC Hàm lượng phát thải HC của HC_DO HC_CO100_t80 HC_CO100_t100 HC_CO100_t120 động cơ khi sử dụng nhiên liệu CO100 600 cao hơn khi sử dụng nhiên liệu DO ở 500 tất cả các chế độ vòng quay. Tính 400 trung bình trên toàn dải, hàm lượng 300 phát thải HC của động cơ khi sử dụng 200 nhiên liệu CO100_t80, CO100_t100 và 100 CO100_t120 tăng so với trường hợp sử lượngHàm thải phát HC (ppm) 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 dụng nhiên liệu DO lần lượt là Tốc độ quay(vòng/phút) 37,28%; 10,43% và 21,71%. Hình 4.7. Đặc tính phát thải HC ở chế độ 100% tải 4.5.6.4. Phát thải khói Smoke_DO Smoke_CO100_t80 Trong dải nhiệt độ hâm sấy từ 10 0 0 Smoke_CO100_t100 Smoke_CO100_t120 80 C đến 120 C của nhiên liệu CO100, 9 chỉ số phát thải khói trong khí xả của 8 7 động cơ khi sử dụng CO100_t100 là 6 nhỏ nhất, còn CO100_t80 là lớn nhất. 5 4 Xét trên toàn dải tốc độ của động cơ, 3 chỉ số phát thải khói khi sử dụng nhiên 2 Chỉ số thải Chỉphát khói (BN) liệu CO100_t80, CO100_t100 và 1 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 CO100_t120 nhỏ hơn so với khi sử Tốc độ quay (vòng/phút) dụng nhiên liệu DO tương ứng Hình 4.8. Đặc tính phát thải khói 23,51%-52,56%, từ 40,03%-62,01% ở chế độ 100% tải và từ 34,38%-57,87%; 4.5.7. Thời điểm bổ sung nhiên liệu Lượng nhiên liệu còn lại trong Gnl, Tnl bầu hâm và sự thay đổi nhiệt độ của 114 44 112 42 nhiên liệu ở chế độ vận hành của động 110 108 40 cơ phục vụ cho việc tính toán, thiết kế C) o được thể hiện ở hình 4.9. 106 38 Tnl ( Tnl 104 36 Mối liên hệ giữa lượng nhiên liệu 102 CO100 còn lại trong bầu hâm ΔG (kg) 100 34 0 400 800 1200 1600 o Lượng lại, Gnl nhiên (kg) còn liệu và nhiệt độ nhiên liệu Tnl ( C) theo thời CO100_t100, liệu nhiên độ Nhiệt Thời gian, τ (s) gian τ (s) được biểu diễn bằng biểu Tnl_CO100_t100 Gnl_CO100_t100 thức: Hình 4.9. Đồ thị thay đổi lượng ΔG = 43 – 0,0057.τ nhiên liệu và nhiệt độ theo thời gian Tnl = 100 + 0,0083.τ ở chế độ 75% tải, 1500 vòng/phút Như vậy, sau thời gian khoảng 1200s thì cần bổ sung nhiên liệu CO100 khi động cơ hoạt động ở chế độ 75% tải và 1500 vòng/phút. 17
20. 4.6. So sánh kết quả mô phỏng và kết quả thực nghiệm hệ thống cải thiện tính chất của nhiên liệu CO100 4.6.1. Nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt Bảng 4.3. Giá trị nhiệt độ khí xả (0C) ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt khí xả CO100_t100 Nhiên liệu Nhiệt độ khí xả ra khỏi Nhiệt độ khí Sai số thiết bị tận dụng xả vào thiết Tốc độ Tải Mô phỏng Thực Sai số bị tận dụng (vòng/phút) (%) (MP) nghiệm (TN) MP/TN 10 231 219 222 1,1% 1500 75 440 371 376 1,3% 100 547 476 484 1,7% 10 235 221 226 2,2% 2000 75 448 385 390 1,3% 100 578 498 510 2,4% Sai số nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm cao nhất là 2,4%. Đây là mức chênh lệch phù hợp đối với mô hình mô phỏng trên phần mềm ANSYS FLUENT. 4.6.2. Thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 Bảng 4.4. Thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 (giây) Dầu dừa nguyên chất CO100 được hâm sấy Nhiên liệu từ nhiệt độ 800C đến 1000C Kết quả Tốc độ (vòng/phút) Tải (%) Lý thuyết Thực nghiệm Sai số 75 1367 1200 12,2% 1500 100 1035 900 13,0% Sai số giữa thời gian hâm thực tế và lý thuyết là 12,2% ở chế độ 75% tải và 13,0% ở chế độ 100% tải. 4.7. Kết luận chương 4 1. Dầu dừa nguyên chất CO100 đã được sấy nóng ở các nhiệt độ khác nhau (800C, 1000C, 1200C) trước khi cung cấp cho động cơ. Các kết quả thử nghiệm đối chứng với nhiên liệu DO trên động cơ D243 với đặc tính ngoài và đặc tính tải của động cơ cho thấy: - Tính trung bình trên toàn dải tốc độ, lượng không khí thực tế cấp cho động cơ làm việc theo đặc tính ngoài ở chế độ 100% tải khi sử dụng nhiên liệu CO100_t80, CO100_t100 và CO100_t120 giảm so với trường hợp sử dụng nhiên liệu DO tương ứng lần lượt là 16,98%; 13,02% và 15,00%; giá trị trung bình của mômen tương ứng là 9,72%; 11,24% và 12,90%; công suất trung bình của động cơ giảm tương ứng 10,18%; 11,27% và 12,67%. - Nhiệt độ khí xả của động cơ khi sử dụng CO100_t80 là cao nhất - Tính trung bình trên toàn dải tốc độ, hàm lượng phát thải CO của động cơ khi sử dụng nhiên liệu CO100_t80, CO100_t100 và CO100_t120 tăng so với trường hợp sử dụng nhiên liệu DO lần lượt là 77,57%; 22,02% và 40,90%. 18
21. Hàm lượng phát thải HC tăng tương ứng là 30,77%; 4,77% và 14,57%. - Tính trung bình, hàm lượng phát thải NOx của động cơ theo đặc tính ngoài ở chế độ 100% tải khi sử dụng nhiên liệu CO100_t80, CO100_t100 và CO100_t120 giảm so với trường hợp sử dụng nhiên liệu DO lần lượt là 23,38%; 8,38% và 16,16%; chỉ số phát thải khói giảm lần lượt là 33,15%; 48,23% và 43,62% so với nhiên liệu DO. 2. So sánh kết quả giữa tính toán lý thuyết, mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số tương đối nhỏ, cụ thể là: - Sai số nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt giữa mô phỏng và thực nghiệm nằm trong khoảng từ 1% - 3%. - Sai số thời gian hâm sấy nhiên liệu CO100 giữa lý thuyết và thực nghiệm nằm trong khoảng 12% - 14%. KẾT LUẬN CHUNG Luận án đã xây dựng cơ sở lý thuyết cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất bằng phương pháp gia nhiệt nhằm đáp ứng việc sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel. Đã tính toán thiết kế và chế tạo thành công hệ thống cải thiện tính chất của dầu dừa nguyên chất (CO100) bằng phương pháp hâm sấy nhờ nhiệt khí thải và sấy điện, sử dụng phần mềm ANSYS FLUENT để tính toán một số thông số nhiệt động đặc trưng khi sử dụng CO100 được hâm sấy trên động cơ diesel, áp dụng cụ thể cho động cơ diesel D243. Từ kết quả tính toán lý thuyết, mô phỏng và thử nghiệm cho thấy: khoảng nhiệt độ tối ưu cần hâm sấy CO100 nhằm đạt được độ nhớt, sức căng bề mặt và tỷ trọng tương đương với nhiên liệu DO là 1000C đến 1100C. Xây dựng thành công đặc tính phụ thuộc giữa độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt với nhiệt độ hâm sấy. Kết quả thử nghiệm động cơ sử dụng CO100 được cải thiện tính chất nhờ biện pháp hâm sấy cho thấy nhiệt độ hâm sấy phù hợp nhất là 1000C. Tại nhiệt độ hâm sấy này các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ là khả quan nhất so với trường hợp động cơ sử dụng nhiên liệu DO. Chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của động cơ không thay đổi nhiều khi sử dụng dầu dừa nguyên chất làm nhiên liệu trực tiếp cho động cơ diesel D243. Khi động cơ làm việc theo đặc tính ngoài ở chế độ 100% tải, nhiên liệu CO100 được sấy nóng đến nhiệt độ 800C đến 1200C, công suất của động cơ nhỏ hơn khoảng 7,73% - 15,23%; mômen của động cơ nhỏ hơn khoảng 6,61% - 15,14%; suất tiêu hao nhiên liệu lớn hơn khoảng 14,68% - 26,45% so với khi sử dụng nhiên liệu DO. Với mức sấy nóng nhiên liệu CO100 là 1000C, các chỉ tiêu trên thay đổi trung bình lần lượt là 8,87% - 13,41%; 7,14% - 14,44% và 14,68% - 24,83%. Sử dụng nhiên liệu CO100 làm nhiên liệu cho phép giảm phát thải khói một cách rõ rệt nhờ quá trình đốt cháy nhiên liệu có chứa gốc ôxy. Do đặc tính của nhiên liệu CO100, nên mặc dù có sấy nóng, quá trình hình thành hỗn hợp và cháy diễn ra trong động cơ vẫn kém hơn một chút so với nhiên liệu DO. Điều này được thể hiện rõ ở việc tăng nhẹ hàm lượng phát thải CO và thành 19
22. 0 phần phát thải NOx giảm. Ở nhiệt độ sấy nóng 100 C, động cơ làm việc trên đường đặc tính ngoài, tính trung bình các thành phần phát thải thay đổi như sau: độ khói giảm 40,03% - 62,01%, NOx giảm 7,27% - 10,35%, CO tăng 6,73% - 53,85%, HC tăng 4,54% - 18,69%. Các kết quả so sánh giữa các thông số của hệ thống sấy nóng nhiên liệu CO100 nhờ nhiệt khí xả và sấy điện giữa tính toán mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số phù hợp và hiệu quả rõ rệt thông qua các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ. Đây là cơ sở khẳng định tính xác thực và độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu và kết quả nghiên cứu của luận án. Những đóng góp mới của luận án Về khoa học - Xây dựng cơ sở lý thuyết sử dụng dầu thực vật nguyên chất làm nhiên liệu cho động cơ diesel thông qua giải pháp hâm sấy nhiên liệu bằng nhiệt khí xả kết hợp với hâm sấy bằng điện nhằm cải thiện các tính chất quan trọng của nhiên liệu như độ nhớt, sức căng bề mặt và khối lượng riêng. - Xác lập được mối quan hệ giữa một số tính chất vật lý của dầu thực vật nguyên chất như sức căng bề mặt, độ nhớt và khối lượng riêng với nhiệt độ hâm sấy, làm cơ sở cho việc sử dụng trực tiếp nhiên liệu này trên động cơ. Về thực tiễn - Đề tài góp phần mở rộng khả năng đa dạng hóa nguồn nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel. - Phát triển một phương pháp hâm sấy nhiên liệu tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp sấy điện nhằm khắc phục yếu điểm về tính chất của dầu thực vật gốc. Phương pháp và thiết bị hâm sấy nhiên liệu được pháp triển có thể ứng dụng để triển khai trên các loại động cơ khác nhau. - Góp phần cải thiện một số chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi chuyển sang sử dụng dầu thực vật nguyên chất. HƯỚNG PHÁT TRIỂN Dựa trên kết quả của nghiên cứu cho thấy dầu thực vật nguyên chất có thể làm nhiên liệu thay thế và phương pháp hâm sấy kiểu tích hợp năng lượng điện - khí thải nhằm cải thiện tính chất của dầu thực vật nguyên chất là một trong những giải pháp đơn giản, dễ áp dụng và mang lại hiệu quả kinh tế và môi trường. Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo của đề tài: - Nghiên cứu sử dụng hệ thống hâm sấy nhiên liệu cho các loại nhiên liệu sinh học nguyên chất khác nhau và nghiên cứu về độ bền của hệ thống hâm sấy nhiên liệu trong điều kiện vận hành thực tế. - Nghiên cứu đặc tính cháy của dầu thực vật nguyên chất sau khi được hâm sấy. - Hoàn thiện cơ sở lý thuyết đánh giá tính ổn định của dầu thực vật nguyên chất và giải pháp nâng cao khả năng chống oxi hóa và biến chất của nó. Ảnh hưởng của loại nhiên liệu này đến tuổi thọ động cơ. - Hoàn thiện giải pháp nâng cao tính ổn định và duy trì nhiệt độ của dầu thực vật khi sử dụng phương pháp gia nhiệt. 20
23. DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN [1] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn : Tiềm năng, tình hình sản xuất và sử dụng nhiên liệu diesel sinh học trên động cơ diesel truyền thống, Tạp chí GTVT 7/2012, ISSN 0888-7012. [2] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn: Tính toán tận dụng nhiệt khí xả để hâm nóng nhiên liệu diesel sinh học dùng trên động cơ thủy. Tạp chí GTVT 4/2013, ISSN 0888-7012. [3 ] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn : Một số phương pháp hâm nóng nhiên liệu nhằm sử dụng trực tiếp diesel sinh học nguyên chất trên động cơ thủy , tạp chí KHCN Hàng Hải 4/2014, ISSN 1859 - 316X. [4] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Nguyễn Lan Hương: Ảnh hưởng của nhiệt độ hâm sấy dầu dừa nguyên chất đến đặc tính phát thải của động cơ diesel , tạp chí KHCN Hàng Hải 11/2015, ISSN 1859 - 316X. [5] Hoàng Anh Tuấn, Lương Công Nhớ, Lê Anh Tuấn: Nghiên cứu sử dụng dầu sinh học nguyên chất (bio-oil100) trên động cơ diesel lai máy phát điện, TP Hồ Chí Minh 5/2015, ISBN 978-604-76-0594-1. [6] Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan, Tran Quang Vinh : Design and Manufacture the Raw Vegetable Oil Heating System Utilizing Heat from Exhaust Gas with Auxiliary Electric Power to Fuel the Diesel Engine , 7th AUN/SEED-Net Regional Conference on New/Renewable Energy, Ha Noi, 10/2014, ISBN 978-604-91-1942-2. [7] Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan: Properties and Spray Characteristics of Heated Pure Coconut Oil Aiming a Direct Use in Conventional Diesel Engines, Chaingmai, Thailand, 12/2014, ISBN 978- 616-33-8035-7. [8] Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan : Improve the Properties of Pure Bio-oil Aiming a Direct Use in Diesel Engines , TP Hồ Chí Minh 10/2013, ISBN 978-604-73-1990-9. [9] Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan: Effects of the Heating Temperature of Pure Coconut Oil on Breakup Mechanism of Fuel Sprays , Ho Chi Minh city, Vietnam 10/2015, ISBN 978-604-63-1599-5. 22