Luận văn Nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn liên tục nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel cho động cơ diesel tàu thuỷ cỡ vừa và nhỏ

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn liên tục nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel cho động cơ diesel tàu thuỷ cỡ vừa và nhỏ

1. MỞ ĐẦU Ở Việt Nam, cơ sở hạ tầng sản xuất diesel sinh học còn nhiều hạn chế, giá thành diesel sinh học còn cao, dầu thực vật nguyên gốc chưa qua quá trình este hóa đã và đang giành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước. Trên cơ sở nghiên cứu các bộ hòa trộn theo mẻ và các phương pháp công nghệ sử dụng nhiên liệu sinh học, đặc biệt là dầu thực vật nguyên gốc cho các động cơ diesel nói chung và diesel thủy nói riêng, đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn liên tục nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel cho động cơ diesel tàu thuỷ cỡ vừa và nhỏ” là một giải pháp rất khả thi và có tính ứng dụng cao. 1. Mục đích, đối tượng nghiên cứu của luận án - Xây dựng cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu diesel (DO) và dầu thực vật (dầu cọ) dùng cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ đang khai thác. - Đối tượng nghiên cứu: các động cơ diesel thủy cỡ vừa và nhỏ, trong đó đối tượng trực tiếp là động cơ 6LU32 do hãng Hanshin (Nhật Bản) chế tạo. 2. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết nhằm xây dựng được cơ sở khoa học tính toán thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục phù hợp cho từng động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ, đồng thời xây dựng được phương pháp đánh giá chất lượng hòa trộn nhiên liệu của thiết bị hòa trộn bằng mô phỏng số CFD và bằng mô hình thử nghiệm theo phương pháp đồng dạng. Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành với thiết bị hòa trộn liên tục thiết kế riêng cho động cơ 6LU32 lắp đặt tại Phòng thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn tới sự làm việc của động cơ diesel thủy. Thiết bị hòa trộn này cũng được lắp đặt thử nghiệm trên tàu huấn luyện Sao Biển nhằm kiểm tra khả năng áp dụng và kết nối thiết bị với hệ thống nhiên liệu hiện trang bị trên các tàu thực tế đang khai thác. 3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Việc xây dựng cơ sở khoa học thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ tạo tiền đề đưa nhiên liệu sinh học xuống đội tàu đang khai thác của Việt Nam mà không cần tiến hành hoán cải hay sửa chữa lớn. Kết quả nghiên cứu khẳng định thiết bị hòa trộn nhiên liệu liên tục là giải pháp khả thi cho việc sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel trên tàu thủy, khắc phục được những hạn chế của phương pháp cấp hỗn hợp nhiên liệu sinh học theo mẻ từ nguồn hòa trộn có sẵn trên bờ. Các kết quả của luận án có giá trị về phương pháp luận trong lĩnh vực cải tiến hệ thống cấp nhiên liệu của các động cơ diesel tàu thủy hiện có, để sử dụng nhiên liệu mới làm nhiên liệu thay thế ở điều kiện Việt Nam. -1-
2. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.2. Nhiên liệu sinh học và sử dụng nhiên liệu sinh học trong lĩnh vực hàng hải Nhiên liệu sinh học (NLSH) là một dạng nhiên liệu thay thế và được phân thành các nhóm chính: dầu thực vật nguyên gốc và NLSH sau quá trình chế biến. NLSH đã qua chế biến bao gồm diesel sinh học (biodiesel), xăng sinh học (etanol) và khí tự nhiên (biogas). Với những đặc tính tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống, diesel sinh học đã được triển khai áp dụng gần như phổ biến tại các quốc gia phát triển và mang lại những lợi ích đáng kể về môi trường. Diesel sinh học hòa trộn với diesel truyền thống theo một tỷ lệ nhất định có thể sử dụng được trực tiếp cho động cơ diesel mà không yêu cầu nhiều sửa đổi. Tuy vậy, diesel sinh học là sản phẩm chiết xuất từ dầu thực vật nguyên gốc hoặc mỡ cá, thông qua quá trình este hóa loại bỏ glixerin trong thành phần, do đó chịu tác động của các yếu tố kinh tế, xã hội về quy hoạch nguồn nguyên liệu sản xuất, quy mô, công nghệ sản xuất, dẫn đến giá thành khá cao. Để khắc phục các hạn chế về giá thành khi sử dụng, dầu thực vật nguyên gốc là một dạng NLSH được lựa chọn. Đây là một trong 2 dạng sản phẩm chính trong quá trình sản xuất nhiên liệu từ nguồn chất béo (dầu thực vật và mỡ động vật). Dầu thực vật nguyên gốc được sản xuất bằng phương pháp ép trực tiếp từ nguồn nguyên liệu thô, qua quá trình lọc bỏ tạp chất và nước. Nó chính là nguồn nguyên liệu chủ yếu tạo ra diesel sinh học sau khi cho qua công đoạn este hóa. Không giống như diesel sinh học, dầu thực vật có những đặc tính rất khác so với diesel dầu mỏ, đặc biệt là độ nhớt động học (thông thường cao hơn từ 12-14 lần so với diesel dầu mỏ). Độ nhớt động học của dầu thực vật tại 900C mới tương ứng với dầu diesel ở 200C, nên quá trình lưu động của dầu thực vật trong hệ thống là một trong những trở ngại lớn nhất khi sử dụng tại các vùng có nhiệt độ thấp. Tuy vậy, khi cho dầu thực vật hòa trộn với diesel dầu mỏ, độ nhớt của hỗn hợp giảm đi mạnh mẽ và không khác nhiều so với độ nhớt của diesel dầu mỏ tại cùng nhiệt độ. Đây là hướng áp dụng chủ yếu loại nhiên liệu này tại các nước phát triển. Tương tự như diesel sinh học, dầu thực vật hoàn toàn là dạng nhiên liệu tái tạo được và có khả năng giảm thiểu các phát thải độc hại đến môi trường khi sử dụng. Đặc biệt với nguồn gốc như vậy, dầu thực vật có ưu thế nổi trội hơn so với diesel dầu mỏ là không có thành phần lưu huỳnh, một trong những tiêu chuẩn khắt khe đối với nhiên liệu dùng trên tàu thủy. Đây chính là đặc điểm quan trọng mà đề tài muốn tập trung khai thác và nghiên cứu. 1.3. Cơ sở nghiên cứu của luận án Nhằm hướng đến một loại nhiên liệu thay thế cho diesel dầu mỏ với chi phí hợp lý trong điều kiện cơ sở hạ tầng sản xuất diesel sinh học ở Việt Nam còn nhiều hạn chế, luận án tập trung vào nghiên cứu đối tượng dầu -2-
3. thực vật nguyên gốc. Để sử dụng được dầu cọ làm nhiên liệu thay thế cho các loại động cơ diesel (lai chân vịt, lai máy phát điện) lắp đặt trên tàu thủy đáp ứng được yêu cầu mang tính thương mại, cơ sở nghiên cứu và kết quả nghiên cứu trong luận án dựa trên các tiêu chi cơ bản sau đây: - Khi sử dụng dầu cọ làm nhiên liệu, các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của động cơ diesel không thay đổi hoặc thay đổi rất nhỏ so với ban đầu; - Sử dụng cho các động cơ diesel lắp đặt trên các tàu hiện có mà không cần phải hoán cải lớn, khả năng chuyển đổi sang làm việc với dầu cọ linh hoạt, các trang thiết bị lắp đặt thêm không chiếm nhiều không gian trong buồng máy, chi phí đầu tư thấp; - Đối tượng áp dụng là các động cơ diesel cỡ vừa và nhỏ, công suất dưới 3.000kW. Trên cơ các phân tích như trên và để đáp ứng các tiêu chí về kĩ thuật cũng như kinh tế, luận án đề xuất giải pháp cấp nhiên liệu hòa trộn liên tục với thiết bị trung tâm là hệ thống hòa trộn dầu cọ với dầu diesel truyền thống (DO), sau đó cấp trực tiếp cho động cơ không thông qua két chứa hỗn hợp như trên hình 1.1. Hình 1.3. Đề xuất hệ thống cấp nhiên liệu với thiết bị hòa trộn liên tục để sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho động cơ diesel thủy Mô hình hệ thống cấp nhiên liệu mới về cơ bản giữ nguyên hệ thống nhiên liệu cũ và chỉ bổ sung thêm két chứa dầu thực vật và thiết bị trộn nhiên liệu liên tục. Chi phí đầu tư thêm sẽ không lớn và đảm bảo tính kinh tế cho các chủ tàu. Mặt khác, thiết bị trộn nhiên liệu liên tục (on-line) sẽ giải quyết cơ bản vấn đề nhiên liệu hỗn hợp thường bị phân lớp khi cất trữ trong két, cũng như đảm bảo được các đặc tính kĩ thuật và an toàn của nhiên liệu theo qui định của Hiệp hội Đăng kiểm và Công ước SOLAS 74 của Tổ chức Hàng hải quốc tế. -3-
4. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÒA TRỘN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU TỚI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ 2.1. Cơ sở thiết kế bộ khuấy trộn nhiên liệu liên tục Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết hòa trộn, mô hình cánh khuấy dạng tuabin cánh phẳng trong két trộn trang bị cánh cản tĩnh được lựa chọn do khi làm việc sẽ tạo thành hai khu vực xoáy trộn, phía trên và phía dưới cánh khuấy. Do vậy mô hình này rất phù hợp để áp dụng cho thực hiện trộn liên tục khi bổ sung các chất lỏng từ trên đỉnh của két mà ít làm ảnh hưởng đến chất lượng nhiên liệu hỗn hợp ở cửa cấp nhiên liệu vào động cơ. Cũng với mô hình này, chuyển động của chất lỏng sẽ được tính toán ở chế độ chảy tầng (Re<104) để hạn chế tạo lõm xoáy trong quá trình khuấy, gây hiện tượng bọt khí trong hệ thống nhiên liệu. Bộ hòa trộn nhiên liệu liên tục được tính toán cho mỗi động cơ cụ thể. Lưu lượng chất lỏng cấp liên tục vào két trộn sẽ bằng lưu lượng chất lỏng ra khỏi két và chính là lượng tiêu thụ nhiên liệu trong một đơn vị thời gian của động cơ: [kg/h] Gc Ne.ge Trong đó: Gc-lượng chất lỏng cấp vào két trộn [kg/h]; Ne- công suất có ích của động cơ [kW]; ge- suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/kW.h]; Việc đánh giá chất lượng trộn liên tục được dựa vào mức độ đồng nhất của nhiên liệu hòa trộn, thể hiện qua thời gian trộn. Đây là khoảng thời gian cần thiết để đạt được mức độ nhất định về sự đồng nhất của chất lỏng kể từ trạng thái hoàn toàn phân lập của nó. Thời gian trộn phụ thuộc vào hàng loạt các yếu tố khác nhau: tm f nck , , cl , ,dck , Dkt , H kt , g Để xác định được thời gian trộn, người ta có thể áp dụng các phương pháp khác nhau, nhưng tựu chung lại vẫn phải dựa vào các kết quả đo đạc các thông số thực nghiệm, trong đó, thử nghiệm bằng chất đánh dấu với đo thời gian tuần hoàn là phương pháp chủ yếu u ấ C tc 0,1 C f Ci đánh d t Cf ấ ch ộ ng đ ồ t Ci N t Thời gian m Hình 2.1. Tính thời gian trộn bằng thực nghiệm -4-
5. Đối với chất lỏng thông thường (một pha), chất lỏng được trộn với nhau bằng cánh khuấy nhỏ và két trộn có trang bị một số vách cản, thì mối quan hệ giữa thời gian trộn và thời gian tuần hoàn có thể được xác định: tm = 4tc. Trong thực tế thường khó xác định tm, nên dùng bội số tuần hoàn  để xác định. Theo thực nghiệm, đối với cánh khuấy loại tua bin hoặc loại mái chèo: 1,54.Vkt (s), trong đó: Ch ất Chất  nck .t m 3 d ck lỏng A lỏng B 3 Vkt- Thể tích két trộn [m ], dck- Đường kính cánh khuấy [m]. Như vậy, nếu trong bộ trộn liên tục, thời gian phân tử chất lỏng lưu lại trong két trộn tr lớn hơn thời gian trộn thì chất lượng trộn liên tục sẽ được khẳng định. Để có thể F xác định được thời gian chất lỏng R lưu lại trong két trộn, hãy phân tích quĩ đạo của phân tử chất lỏng FH trong két trộn như trên hình 2.2. Phân tử chất lỏng sẽ có quĩ đạo di chuyển trong két trộn như được Hình 2.2. Mô hình dòng chảy đối với mô tả bằng đường cong và chịu tác cánh khuấy loại tua bin cánh phẳng động của hai lực cơ bản: lực FR- lực ly tâm do cánh khuấy tạo nên và lực FH- lực kết hợp giữa lực trọng trường Fg với lực dịch chuyển Fv do mức chất lỏng bị giảm đi với tốc độ /vCL/ khi cấp nhiên liệu vào động cơ. Thực tế, đối với mô hình cánh khuấy kiểu tubin, các phân tử chất lỏng có xu hướng chuyển động lên phía trên nhiều hơn, lưu lại trong két lâu hơn, nên không cần xét đến FR và bỏ qua sự ảnh hưởng rất nhỏ của Fg. Vì vậy, thời gian tr có thể được tính theo tốc độ H /vCL/ như sau: kt . tr , [s] vCL Trong đó: Hkt- chiều cao của chất lỏng trong két trộn [m]. Phân tử chất lỏng chuyển động từ trên xuống dưới chịu sự tác động của lực trọng trường và chuyển động của lượng chất lỏng thoát ra khỏi két trộn (lượng chất lỏng này đúng bằng lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong một đơn vị thời gian), do đó tr cũng có thể tính theo công thức: V t kt , [s]. r Q CL Với: QCL - Thể tích chất lỏng ra khỏi két trộn trong một đơn vị thời gian, được xác định dựa trên thể tích nhiên liệu dùng cho cho động cơ làm việc ở chế độ tải định mức: -5-
6. 3 D2 H mCL ge .Ne , [m /s] và kt kt QCL tr C , [s] CL 3600. CL 4QCL 3 Với: ρCL- tỷ trọng của nhiên liệu [kg/m ]; C- hệ số dự trữ nhiên liệu cần thiết theo quy định của Đăng kiểm Việt Nam, có giá trị từ 1,5 đến 2. Để đảm báo chất lượng của quá trình trộn, thường chọn thời gian trộn cần thiết: tr = (2÷3)tm. Công suất tính toán cho một thiết bị trộn nhất định dựa trên hai công thức như sau [10]: 3 5 2 PCT N p . nck .d ck . cl và N p d ck .nck . cl /  cl 2.2. Cơ sở đánh giá và hiệu chỉnh thiết bị hòa trộn 2.2.1. Phương pháp mô phỏng số CFD Trong các bài toán liên quan đến động lực học chất lỏng thì công cụ số được dùng phổ biến hiện nay là CFD (Computational Fluid Dynamics), cụ thể để nghiên cứu thiết kế thiết bị hòa trộn nhiên liệu liên tục dầu diesel và dầu cọ dạng thùng khuấy, luận án sử dụng phần mềm Fluent-Ansys để nghiên cứu. Đây là phần mềm uy tín và khá ưu việt khi giải quyết các bài toán động lực học dòng chất lỏng với điều kiện biên phức tạp. Phần mềm Fluent-Ansys ứng dụng cho bài toán khuấy trộn của luận án sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình vi phân chủ đạo cho chất lỏng không nén được, đẳng nhiệt như sau: - Phương trình liên tục: u v w 0 x y z - Phương trình Navier - Stokes: dV 1 F gradp  V dt Quy trình nghiên cứu và xây dựng mô hình nhằm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố tới sự đồng đều pha của hỗn hợp nhiên liệu ở cửa ra của thiết bị trộn. Phần mềm tiến hành giải trên từng vòng lặp với điều kiện hội tụ đặt trước, tùy các mô hình bài toán với độ phức tạp khác nhau, vấn đề chia lưới và việc đặt điều kiện biên sẽ quyết định đến độ chính xác của bài toán. 2.2.2. Phương pháp mô phỏng đồng dạng Bên cạnh công cụ số hỗ trợ quá trình thiết kế, do tính chất phức tạp của quá trình trộn chất lỏng và nhằm khẳng định chất lượng hòa trộn trong quá trình cấp nhiên liệu liên tục cho động cơ, nên luận án xây dựng mô hình thu nhỏ (mô hình đồng dạng) với thiết bị thật để phục vụ quá trình nghiên cứu và hiệu chỉnh. Việc đồng dạng hóa phải đảm bảo: sự tương đồng về hình học, sự tương đồng về chuyển động học và sự tương đồng về động lực học, được tổng hợp trong phương trình chuẩn số cơ bản: Eu = f (Re, Fr, Gi). -6-
7. H D h Trong đó, Gi là tập hợp các đồng dạng hình học: kt ; kt ; ; v.v . d ck d ck d ck Sự tương đồng về hình học giữa thiết bị thật và mô hình được biểu thị thông qua các hệ số: d d H H ck ck kt kt D D D D kt M kt T và kt M kt T , Sự tương đồng về chuyển động học là đảm bảo mô hình chuyển động của chất lỏng trong két trộn tương đồng nhau ở cả thiết bị thật và thiết bị mô hình. Mô hình chuyển động của chất lỏng có thể ở dạng chảy tầng, dạng chuyển tiếp hoặc dạng chảy rối. Sự tương đồng về động lực học liên quan đến các hệ số đặc trưng như hệ số công suất, chuẩn số Reynold, Froude: P P n d 2 n d 2 n 2d n 2d ; cl ck ck cl ck ; ck ck ck ck 3 5 3 5 cl nck dck nck dck cl cl gc gc M T M T M T 2.3. Cơ sở đánh giá ảnh hưởng đến hệ thống cấp nhiên liệu 2.3.1. Đánh giá ảnh hưởng đến áp suất phun Áp suất phun được đánh giá dựa trên công thức: 2 2 2 F dh , [Pa] p p nl b a n 2 ph.lt c 1800 F d c cn i c 2.3.2. Đánh giá ảnh hưởng đến lưu lượng phun  Q C F 2 P D i nl 360N 2.3.3. Đánh giá ảnh hưởng đến thời điểm cấp và cháy của nhiên liệu 0,63 1 1 21,1  (GQTK) (0,36 0,22S p exp E id A RT 17.190 P 12,4 cyl cyl 2.3.4. Đánh giá quá trình cháy trong động cơ - Tốc độ giải nhiệt: dQ dQ dQ df 1 c loss m  q hA( )(T T ) d d d f f HV d g w  - Áp suất cháy trong xi lanh: dP k 1 df hA P dV Qin Tg Tw k d V d  180 V d - Nhiệt độ cháy trong xi lanh: dT 1 df hA T T RT dV Q g w in d mC v d mC v C vV d -7-
8. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ - DẦU DO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG 3.1. Thuật toán thiết kế Thuật toán được xây dựng trên cơ sở lý thuyết thiết kế thiết bị trộn nhiên liệu liên tục với các bước cơ bản được mô hình hóa trong sơ đồ 3.1: Hình 3.1. Mô hình thuật toán thiết kế và tính toán bộ hòa trộn nhiên liệu liên tục 3.2. Các yếu tố ban đầu Thuật toán tính kích thước của bộ trộn với các yếu tố đầu vào như sau: - Dầu cọ và dầu diesel (DO) có các thông số vật lý cơ bản như bảng 3.1. Bảng 3.1. Tính chất vật lý của dầu cọ và dầu DO Loại nhiên liệu Tính chất lý hóa Dầu cọ (PO) Dầu diesel (DO) Khối lượng riêng ở 150C [kg/m3] 922,5 850 Độ nhớt động học ở 400C [cSt] 40,24 2,6 Nhiệt trị thấp [MJ/kg] 37,11 43,4 Trị số Cetan [-] 52,92 42,89 Điểm đông đặc [0C] 16 -6 -8-
9. - Cánh khuấy dạng tuabin cánh phẳng; - Vật liệu chế tạo bộ hòa hòa trộn được chọn là: + Thép không gỉ: chế tạo két trộn, cánh khuấy, trục truyền động; + Cách nhiệt: loại vật liệu cách nhiệt không cháy; + Vỏ bọc ngoài: tôn mạ kẽm; + Mô-tơ lai cánh khuấy: loại đặc biệt, không phát tia lửa điện. - Động cơ thử nghiệm HANSHIN 6LU32 với các thông số cơ bản như trên bảng 3.2. Bảng 3.2. Thông số cơ bản của động cơ HANSHIN 6LU32 STT Thông số Giá trị Đơn vị 1 Đường kính xi lanh (D) 320 [mm] 2 Hành trình pít tông (S) 510 [mm] 3 Công suất định mức (Nđm) 970 [kW] 4 Số vòng quay ứng với công suất định mức 340 [v/ph] 5 Suất tiêu hao nhiên liệu định mức 200 [g/kW.h] 6 Tốc độ trung bình piston 5.78 [m/s] 7 Áp suất cháy lớn nhất 90 [bar] 8 Tỷ số nén 13 9 Chiều dài biên 918 [mm] 0 10 Góc phun sớm nhiên liệu - s 11 [độ GQTK] 11 Thứ tự làm việc 1-4-2-6-3-5 3.3. Kết quả tính toán Các kết quả tính toán kích thước của két trộn thực tế trong bảng 3.3 và bản vẽ thiết kế két trộn trên hình 3.2. Bảng 3.3. Kích thước két trộn thực tế dùng cho động cơ HANSHIN 6LU32 Đường Đường Số Chiều Chiều Số Chiều Chiều Khoảng kính kính lượng rộng dài lượng rộng cánh cao cột cách từ két cánh cánh cánh cánh cánh cản cản Bcc chất cánh đến Dkt [m] khuấy d- [chiếc] wck Lck [chiếc] [m] lỏng Hkt đáy két ck[m] [m] [m] [m] Zck [m] 0,60 0,20 6 0,05 0,08 4 0,10 1,0 0,2 A - A 0 0 1 20 A A 10 0 60 1000 50 80 200 200 Hình 3.2. Bản vẽ bố trí kết cấu két trộn nhiên liệu liên tục -9-
10. 3.4. Đánh giá chất lượng hòa trộn bằng mô phỏng số CFD Các yếu tố đầu vào cho chương trình mô phỏng CFD: nhiệt độ, biên dạng cánh khuấy, vị trí đặt cánh và cửa ra, từ đó nghiên cứu ảnh hưởng của số vòng quay và % pha dầu cọ trong hỗn hợp. Các trường hợp nghiên cứu cụ thể: - Ấn định tốc độ cánh khuấy, thay đổi tỷ lệ hòa trộn: Số vòng quay (v/p) 60 60 60 % tỷ lệ dầu cọ 10 20 30 Thời gian hòa trộn (s) 54 92 138 Hình 3.3. Mức độ hòa trộn 20% dầu cọ - Ấn định tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp 20%, thay đổi tốc độ cánh khuấy: Số vòng quay (v/p) 50 60 70 % pha dầu cọ 20 20 20 Thời gian hòa trộn (s) 143 92 95 20% Hình 3.4. Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 60 v/p 3.5. Đánh giá chất lượng hòa trộn bằng thử nghiệm mô hình đồng dạng Mục đích của việc thử nghiệm là đánh giá chất lượng hòa trộn hai loại nhiên liệu theo các tỷ lệ khác nhau, mà thông số đặc trưng chính là thời gian cần thiết để hòa trộn. Mô hình thiết bị hòa trộn liên tục trên cơ sở mô hình đồng dạng với thiết kế thực theo tỷ lệ hình học 1/2 có sơ đồ như trong hình 3.5. Két hòa trộn được chế tạo bằng vật liệu meka trong suốt nhằm quan sát -10-
11. rõ ràng cơ chế khuấy trộn giữa 2 loại nhiên liệu khác nhau. Bộ khuấy trộn được trang bị một trục khuấy lai bởi một mô tơ điện lắp cố định trên đỉnh két hòa trộn. Dầu diesel (DO) và dầu cọ được cấp từ 2 két riêng rẽ và được gia nhiệt bằng bộ sấy trước khi cấp vào két hòa trộn. Nhằm tạo ra các tỷ lệ hòa trộn khác nhau, các van điều chỉnh lưu lượng được lắp đặt ngay tại két. Độ mở van được tính toán, cân chỉnh và xác định cụ thể trước khi thử nghiệm sao cho đảm bảo tỷ lệ Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý hòa trộn đã định. mô hình đồng dạng Các kết quả tính toán kích thước của mô hình két trộn thu nhỏ như trong bảng 3.4. Bảng 3.4. Kích thước mô hình két trộn thu nhỏ Đường Đường Số Chiều Chiều Số Chiều Chiều Khoảng kính kính lượng rộng dài lượng rộng cao cột cách từ két cánh cánh cánh cánh cánh cánh chất cánh đến Dktm khuấy [chiếc] wckm Lckm cản cản Bccm lỏng đáy két [m] dckm [m] [m] [m] [chiếc] [m] Hktm [m] Zckm [m] 0,3 0,5 0,1 0,025 0,04 0,05 0,1 6 4 Tiến hành lấy mẫu hòa trộn theo các mốc thời gian khác nhau và kiểm tra chất lượng hòa trộn của các mẫu trên kính hiển vi Nikon YS100 như trong bảng 3.5. Bảng 3.5. Đánh giá chất lượng các mẫu thử trên kính hiển vi Thời gian hòa Đánh giá mẫu theo thời gian trộn Tỷ lệ hòa trộn trộn cần thiết Đánh Đánh T1 [s] T2 [s] [s] giá [%] giá [%] PO5 35 60 95 120 98 PO10 47 60 96 120 98 PO15 87 100 96 200 100 PO20 108 120 95 240 100 PO20 On-line - 180 92 360 95 Đánh giá chất lượng hòa trộn thông qua nhiệt độ đông đặc của hỗn hợp nhiên liệu thu được theo TCVN3753:1995/ASTM D97 với kết quả trên bảng 3.6. -11-
12. Bảng 3.6. Nhiệt độ đông đặc của các mẫu thử TT Loại mẫu Nhiệt độ đông đặc (0C) 1 Dầu diesel DO -6 2 Dầu cọ PO100 16 3 Hỗn hợp PO5 -3 4 Hỗn hợp PO10 -1 5 Hỗn hợp PO15 0 6 Hỗn hợp PO20 1 7 Hỗn hợp PO20 On-line 1 Một số nhận xét rút ra: - Thời gian hòa trộn cần thiết càng ngắn đối với hỗn hợp có tỷ lệ dầu cọ càng thấp; - Chất lượng hòa trộn được soi trên kính hiển vi đối với các mẫu thử ở 2 thời điểm khác nhau cho kết quả không khác nhau nhiều và khá tương đồng. - Nhiệt độ đông đặc của các mẫu hỗn hợp sau hòa trộn cho thấy khá tương đồng so với mẫu chuẩn, nên có thể khẳng định thời gian hòa trộn đối với mỗi tỷ lệ hỗn hợp là hoàn toàn phù hợp. 3.6. Kết quả mô phỏng quá trình cháy trong xi lanh động cơ Tính toán mô phỏng quá trình cháy của động cơ HANSHIN 6LU32 được thực hiện bằng phần mềm GT-Power ở các chế độ tải khác nhau 50%, 75% và 100% với hỗn hợp nhiên liệu diesel dầu mỏ và dầu cọ theo các hàm lượng hòa trộn 10%, 20%, 30% và 100%. Bảng 3.7. Tính chất vật lý của các loại nhiên liệu CHỈ TIÊU PHÂN DẦU THỰC VẬT (DẦU CỌ) TT DO TÍCH PO100 PO5 PO10 PO15 PO20 PO25 PO30 Khối lượng riêng ở 1 922,5 848,9 853,8 856,8 859,9 863,2 866,8 846,4 150C, kg/m3 Độ nhớt động học 40,24 3,0 3,42 4,2 5,31 5,87 6,45 2,6 2 ở 400C, cSt 3 Trị số Xê tan 52,92 49,63 50,13 50,66 50,91 51,25 52,11 42,89 Nhiệt trị thấp, 37,11 40,01 39,72 39,63 39,55 39,16 38,69 43,4 4 MJ/kg Hình 3.6 mô tả thay đổi áp suất cháy và phát thải NOx tại 100% tải: Hình 3.6. Đặc tính thay đổi áp suất và tốc độ hình thành phát thải NOx ở chế độ 100% tải của động cơ HANSHIN 6LU32 -12-
13. Kết quả chi tiết của mô phỏng quá trình cháy và các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ được nêu trong bảng 3.8 và 3.9. Bảng 3.8. So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ THÔNG SỐ KỸ THUẬT Áp suất cháy lớn Nồng độ NO lớn Công suất có Suất tiêu hao nhiên Nhiên x nhất [bar] nhất [ppm] ích N [kW] liệu có ích g [g/kW.h] liệu e e Giá Sai khác Giá trị Sai khác Giá Sai khác Giá Sai khác so với trị so với DO so với DO trị so với DO trị DO CHẾ ĐỘ TẢI ĐỊNH MỨC DO 89,2 - 4.010 - 969 - 217 - PO10 86,2 -3,36% 3.200 -20,20% 901 -7,02% 235 8,29% PO20 85,8 -3,81% 3.150 -21,45% 897 -7,43% 235 8,29% PO30 85,1 -4,60% 2.800 -30,18% 880 -9,19% 240 10,60% PO100 83,9 -5,94% 2.500 -37,66% 848 -12,49% 250 15,21% CHẾ ĐỘ 50% TẢI DO 67,1 - 2.320 - 472 - 209 - PO10 65,8 -1,94% 1.800 -22,41% 435 -7,84% 228 9,09% PO20 65,7 -2,09% 1.750 -24,57% 431 -8,69% 230 10,05% PO30 65,4 -2,53% 1.680 -27,59% 421 -10,81% 235 12,44% PO100 64,8 -3.43% 1.490 -35,78% 402 -14,83% 246 17,70% CHẾ ĐỘ 75% TẢI DO 77,2 - 3.300 - 716 - 210 - PO10 75 -2,85% 2.550 -22,73% 662 -7,54% 228 8,57% PO20 74,8 -3,11% 2.520 -23,64% 659 -7,96% 229 9,05% PO30 74,3 -3,76% 2.500 -24,24% 646 -9,78% 234 11,43% PO100 73,3 -5,05% 2.350 -28,79% 620 -13,41% 244 16,19% Nhận xét: - Quá trình cháy trong xilanh của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diễn ra tương tự quá trính cháy khi động cơ sử dụng dầu diesel DO. Tuy nhiên do sự có mặt của dầu cọ trong hỗn hợp PO10, PO20, PO30 làm cho các thông số cơ bản của quá trình cháy thấp hơn rõ rệt so với DO; - Tải của động cơ càng thấp, thì sự khác biệt các thông số quá trình cháy giữa dầu diesel và nhiên liệu hỗn hợp càng giảm đi. Ở chế độ cấp nhiên liệu 100%, sự giảm về áp suất cháy cực đại giữa dầu diesel và PO100 là 5,94%, còn ở chế độ cấp nhiên liệu 75% là 5,03% và chế độ tải 50% chỉ là 3,43%; - Sự khác biệt rõ nét nhất giữa các loại nhiên liệu khác nhau là nồng độ khí NOx hình thành trong xi lanh động cơ, giảm trên 20% ở các chế độ tải. Khi sử dụng hỗn hợp dầu cọ với tỷ lệ càng cao, nồng độ NOx càng giảm; - Khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp, động cơ diesel sẽ sinh ra công suất nhỏ hơn so với khi động cơ sử dụng dầu diesel, giá trị sai khác lớn nhất là - 14,83% ở chế độ tải 50%. Trong khi đó, suất tiêu hao nhiên liệu lại tăng lên rõ rệt và đạt mức độ sai khác lớn nhất là 17,7%. -13-
14. CHƯƠNG IV: NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 4.1. Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm 4.1.1. Mục đích - Đánh giá chất lượng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu DO do thiết bị hòa trộn liên tục tạo ra với các tỷ lệ khác nhau: PO5, PO10, PO20, PO30; - Đánh giá các chỉ tiêu kinh tế năng lượng và môi trường của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu DO so với khi sử dụng dầu DO bằng thực nghiệm mô phỏng số và thử nghiệm thực tế; - Đánh giá khả năng thích ứng của thiết bị hòa trộn khi kết nối với hệ thống nhiên liệu động cơ diesel thủy đang khai thác. 4.1.2. Chế độ thử nghiệm - Thử nghiệm thiết bị hòa trộn với các tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp là: (10, 20, 30)%; - Thử nghiệm động cơ tại phòng thí nghiệm làm việc với các chế độ 50% và 75% phụ tải; - Thử nghiệm động cơ trên tàu Sao Biển làm việc với các chế độ 50% phụ tải. 4.1.3. Đối tượng thử nghiệm - Động cơ HANSHIN 6UL32 và hệ thống nhiên liệu lắp đặt tại phòng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu động cơ diesel tàu thủy, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. - Động cơ HANSHIN 6L27BSH và hệ thống nhiên liệu lắp đặt trên tàu huấn luyện Sao Biển, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam. 4.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm -14-
15. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm được mô tả trên hình 4.1. Phòng thí nghiệm được trang bị động cơ 6UL32 dạng động cơ diesel thủy được sử dụng để làm động cơ chính lai chân vịt cho các loại tàu chạy biển với trọng tải từ 1.500 DWT đến 2.500 DWT. Đây là loại động cơ 4 kì, có tăng áp do hãng sản xuất động cơ HANSHIN chế tạo. Thiết bị tạo tải cho động cơ là phanh thủy lực Omega 1500 do hãng AVL ZOLLNER GMBH - Cộng hòa Áo chế tạo. Quá trình thử nghiệm được thực hiện với 2 chế độ tải dùng cho động cơ diesel thủy theo tiêu chuẩn là 485kW (50%) và 730kW (75%). Các thông số công tác của động cơ như đều được đo đạc và ghi lại chính xác bằng hệ thống thiết bị chuyên dụng của hãng AVL. 4.3. Kết quả thử nghiệm đánh giá chất lượng trộn Thực hiện trộn dầu cọ với dầu DO theo tỷ lệ 5%, 10%, 15%, 20% theo từng thời gian trộn được định trước là: 60s, 100s, 120s theo mẻ và chỉ thực hiện trộn liên tục đối với thành phần dầu cọ 20%. Lấy mẫu thử nghiệm (mẫu nhiên liệu hỗn hợp) qua van lấy mẫu bố trí dưới đáy két trộn, thực hiện soi, chụp ảnh, đo đạc kích cỡ của các thành phần cao phân tử trong hỗn hợp trên kính hiển vi Axio Lab.A1. Trước khi hòa trộn Sau khi hòa trộn liên tục Hình 4.2. Mẫu PO20 chụp qua kính hiển vi Bảng 4.1. Kết quả kiểm tra hòa trộn các mẫu thử nghiệm Thời gian trộn Đánh giá Kích thước hạt dầu Tỷ lệ hòa trộn [s] [%] lớn nhất [µm] PO5 - mẫu 1 60 98 26 PO5 - mẫu 2 120 100 15 PO10 - mẫu 1 60 95 42 PO10 - mẫu 2 120 100 15 PO15 - mẫu 1 100 95 47 PO15 - mẫu 2 200 95 51 PO20 - mẫu 1 120 100 15 PO20 - mẫu 2 240 100 8 PO20 On-line - mẫu 1 180 95 35 PO20 On-line - mẫu 2 360 100 12 Nhận xét: - Chất lượng hòa trộn được soi trên kính hiển vi ở 2 thời điểm khác nhau đều cho thấy mức độ đồng nhất trên 95%; -15-
16. - Ở chế độ hòa trộn liên tục, kích thước hạt dầu cọ chưa hòa tan hết lớn nhất là 35 µm với thời gian hòa trộn 3 phút, là 12 µm với thời gian hòa trộn 6 phút. Với kích thước lỗ phun của đầu vòi phun đông cơ HANSHIN 6LU32 là 0,20mm (200μm), thì kích thước hạt dầu cọ không làm ảnh hưởng đến chất lượng phun nhiên liệu vào buồng đốt động cơ. 4.4. Kết quả thử nghiệm trên động cơ HANSHIN 6LU32 Quá trình thử nghiệm thực tế với động cơ HANSHIN 6LU32 được thực hiện ở 2 chế độ tải 50% và 75% với DO, PO10 và PO20. 4.4.1. Áp suất cháy trong xi lanh Hình 4.3. Đồ thị áp suất cháy đo thực tế của động cơ HANSHIN 6LU32 Bảng 4.2. Áp suất cháy cực đại trong xi lanh động cơ HANSHIN 6LU32 Chế độ tải Áp suất cháy cực đại [kG/cm2] Sự chênh lệch của động cơ DO PO10 PO20 lớn nhất [%] 50% 65,808 64,352 64,106 2,59 75% 76,321 73,555 72,068 5,58 Theo kết quả phân tích thay đổi áp suất trong xi lanh của động cơ HANSHIN 6LU32 khi làm việc với các loại nhiên liệu khác nhau là tương đồng, sai khác lớn nhất về áp suất cháy cực đại so với dầu diesel đối với nhiên liệu PO20 là 5,58%. Sai khác lớn nhất về áp suất cháy cực đại giữa mô phỏng với giá trị đo thực tế được ghi nhận ở chế độ tải 75% là 3,65%. 4.4.2. Sự cháy trễ của nhiên liệu Hình 4.4. Sự cháy trễ của nhiên liệu trong động cơ HANSHIN 6LU32 Tổng hợp sự khác biệt về thời điểm bắt đầu cháy của các loại nhiên liệu này như trong bảng 4.3. -16-
17. Bảng 4.3. Thời điểm bắt đầu cháy của các loại nhiên liệu STT CHẾ ĐỘ TẢI Thời điểm bắt đầu cháy sớm so với ĐCT [s] [kW] DO PO10 PO20 1 485 0,0017 0,0017 0,0008 2 730 0,0021 0,0016 0,0012 Để thấy được sự khác nhau về thời điểm bắt đầu cháy cũng như diễn biến quá trình cháy thực tế xảy ra trong xi lanh, hãy xem xét các hình ảnh ghi lại bằng hệ thống thiết bị quan sát VisioScope như trên hình 4.5. Có thế thấy rằng, thời điểm cháy muộn dần xảy ra khi tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp tăng lên. Hình 4.5. Thời điểm bắt đầu quá trình cháy trong xi lanh 4.4.3. Áp suất phun nhiên liệu Hình 4.6. Áp suất phun nhiên liệu - Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu đối với dầu diesel (DO) sớm hơn 2 [oGQTK] so với các hỗn hợp nhiên liệu PO10 và PO20; - Áp suất phun nhiên liệu lớn nhất đối với các loại nhiên liệu là khác nhau và thời điểm đạt giá trị áp suất phun lớn nhất cũng khác nhau. Áp suất phun lớn nhất đối với dầu diesel ở chế độ 50% tải là 314 bar, trong khi đối với PO20 chỉ là 300 bar. -17-
18. 4.4.4. Đặc tính tỏa nhiệt tỏa của động cơ Hình 4.7. Nhiệt tỏa ra trong xi lanh - Ở cả hai chế độ 50% và 75% tải, lượng nhiệt tỏa ra của dầu diesel trong xilanh của động cơ là cao nhất và giảm dần theo tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu pha trộn. - Ở chế độ tải càng lớn, sự thay đổi lượng nhiệt tỏa ra đối với các loại hỗn hợp nhiên liệu có tỷ lệ dầu cọ dưới 10% là không nhiều và tương đương nhau. 4.4.5. Hàm lượng chất độc hại trong khí thải Quá trình đo đạc hàm lượng các chất khí độc hại có trong khí thải khi động cơ sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau ở chế độ 50% tải như trên bảng 4.4 và hình 4.8. Bảng 4.4. Hàm lượng NOx trong khí thải động cơ DO PO5 PO10 PO15 PO20 ppm g/kWh ppm g/kWh ppm g/kWh ppm g/kWh ppm g/kWh 940,45 19,4 844,51 15,7 894,06 18,6 873,99 16,6 576,62 13,6 Hình 4.8. Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải - Hàm lượng chất NOx trong khí thải khi sử dụng nhiên liệu DO cao hơn so với khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp (đạt 19,4 g/kW.h). Khi sử dụng PO20, nồng độ NOx đạt tiêu chuẩn của IMO (13,6 g/kW.h so với tiêu chuẩn là 14,19 g/kW.h); - Hàm lượng các chất CO2, CO và HC cũng đạt giá trị thấp khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp PO20, còn các loại hỗn hợp nhiên liệu khác tương đương của trường hợp DO. -18-
19. 4.5. Thử nghiệm trên tàu Sao Biển Quá trình thử nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel chính tàu Sao Biển có các thông số kỹ thuật như trên bảng 4.5 với các loại nhiên liệu: DO, PO5 và PO10. Điều kiện khí tượng: nhiệt độ 27oC, áp suất khí quyển 1,016 bar, gió thổi cấp 4 và sóng cấp 3. Bảng 4.5. Các thông số kỹ thuật của động cơ diesel chính tàu Sao Biển Loại động cơ HANSHIN 6L27BSH Số xi lanh 6 Đường kính xi lanh, [mm] 270 Hành trình pittông, [mm] 400 Công suất định mức, [kW] 515 Vòng quay định mức, [v/phút] 400 Áp suất cháy cực đại [kG/cm2] 65 Kết quả đo đạc các thông số công tác của động cơ được thể hiện như trong hình 4.9 và bảng 4.6. Hình 4.9. Áp suất cháy trong xi lanh của động cơ HANSHIN 6L27BSH Bảng 4.6. Tổng hợp số liệu đo thực tế của động cơ HANSHIN 6L27BSH Loại Vòng Áp suất Công suất Lượng tiêu thụ Suất tiêu hao nhiên dầu quay (v/p) Pz (bar) (kW) nhiên liệu (kg/h) liệu (g/kW.h) DO 296 41,5 216 51,9 240 PO5 293 40,3 208,7 49,9 239 PO10 296 38,6 215 52,1 241,8 Nhận xét: - Áp suất cháy trong các xilanh của động cơ chính khi hành trình trên biển là khá đồng đều nhau. Diễn biến quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ đúng theo qui luật thông thường quá trình cháy trong động cơ diesel; - Suất tiêu hao nhiên liệu có sự khác nhau khi động cơ làm việc với các loại nhiên liệu khác nhau. Suất tiêu hao nhiên liệu đối với dầu diesel là thấp nhất, còn suất tiêu hao nhiên liệu PO5, PO10 là tương đương nhau; - Trong suốt hành trình trên biển, thiết bị trộn nhiên liệu liên tục làm việc khá ổn định, cho dù có lúc đi ra vùng biển có sóng lên đến cấp 5 và tàu bị lắc mạnh. -19-
20. KẾT LUẬN Kết luận: 1. Trong giai đoạn hiện nay, ở nước ta để sử dụng hiệu quả nhiên liệu và giảm thiểu ô nhiễm do khí thải động cơ gây ra cho môi trường trong lĩnh vực vận tải thủy, việc lựa chọn ứng dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel (DO) làm nhiên liệu thay thế cho các động cơ diesel được lắp đặt trên tàu thủy là hợp lý; 2. Thiết bị hòa trộn liên tục là phương án khả thi để có thể đưa nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel làm nhiên liệu thay thế sử dụng trên tàu; 3. Luận án đã xây dựng được phương pháp tính toán thiết bị hòa trộn nhiên liệu liêu tục cho các loại động cơ diesel thủy khác nhau và đưa ra mô hình kết nối thiết bị trong các hệ thống nhiên liệu tàu thủy hiện tại. Các kết quả thử nghiệm mẫu nhiên liệu tạo ra bằng phương pháp mô phỏng số, mô phỏng đồng dạng và thiết bị chế tạo thực tế khẳng định chất lượng hòa trộn đảm bảo các yêu cầu đặt ra; 4. Qua các lần thử nghiệm tại phòng thí nghiệm và lắp đặt vào hệ thống nhiên liệu của động cơ diesel trên tàu Sao Biển cho thấy: thiết bị hòa trộn liên tục hoạt động ổn định, đảm bảo được yêu cầu về chất lượng, độ an toàn, tin cậy của thiết bị; 5. Các kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng: ứng với các chế độ tải khác nhau, khi sử dụng hỗn hợp dầu cọ - dầu DO, áp suất và nhiệt độ cực đại của quá trình cháy, công suất động cơ đều bị giảm so với khi sử dụng dầu DO. Trong khi đó, suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên và tăng tỷ lệ với hàm lượng dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu; 6. Khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu DO, các chỉ tiêu về môi trường được cải thiện đáng kể. Ở tất cả các chế độ tải, hàm lượng NOx đều giảm đáng kể và khi hàm lượng dầu cọ trong hỗn hợp càng tăng, mức độ giảm NOx càng lớn; 7. Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng cho các động cơ diesel lắp trên các tàu thuyền đang khai thác và làm tài liệu tham khảo tốt cho việc đào tạo sau Đại học chuyên ngành Khai thác, bảo trì tàu thủy. Kiến nghị: 1. Cần thử nghiệm thiết bị trộn nhiên liệu liên tục dài ngày xuống một số loại phương tiện vận tải thủy khác nhau để đánh giá chính xác về độ tin cậy, độ an toàn, cũng như tính kinh tế ; 2. Cần tiếp tục triển khai các kết quả nghiên cứu của luận án với các loại NLSH có sẵn khác tại Việt Nam như: dầu ăn đã qua sử dụng, mỡ cá các loại, cho các tàu vận tải thủy nội địa và cận hải. -20-