Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy

Chia sẻ: Minh Tú | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

38
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài: Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp sử dụng nhiên liệu ULSD cho động cơ diesel tàu thủy; nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công thiết bị sử dụng sóng siêu âm để sản xuất nhiên liệu đồng nhất ULSD và Biodiesel; nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp đồng nhất ULSD-Biodiesel làm nhiên liệu.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HỒ CHÍ MINH NGHIÊN CỨU SINH: TRẦN VIỆT DŨNG NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỖN HỢP NHIÊN LIỆU ULSD-BIODIESEL TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THUỶ Ngành: Kỹ thuật Cơ khí Động lực Mã số ngành: 9520116 Người hướng dẫn 1: PGS.TS. Hoàng Anh Tuấn Người hướng dẫn 2: GS.TS. Lê Anh Tuấn TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Giao thông Vận tải thành phố Hồ Chí Minh. Người hướng dẫn 1: PGS.TS. Hoàng Anh Tuấn Người hướng dẫn 2: GS.TS. Lê Anh Tuấn Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án này sẽ được bảo vệ trước khi Hội đồng thẩm định luận án họp tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Vào lúc giờ ngày tháng năm 2021. Có thể tìm hiểu Luận án tại Thư viện: - Thư viện Trường Đại học Giao thông Vận tải thành phố Hồ Chí Minh; - Thư viện quốc gia Việt Nam. 1
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) quy định việc bắt buộc sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp trong vận tải biển từ ngày 01/01/2020. Việc tuân thủ quy định mới về hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu sử dụng cho tàu biển, khi hoạt động trong khu vực kiểm soát phát thải, có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh 0,0015% tại mọi thời điểm hoạt động của tàu, hoặc chuyển đổi từ nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cao sang nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh 0,0015% khi tàu đi vào khu vực kiểm soát phát thải. Việc chuyển đổi nhiên liệu trong quá trình hoạt động của tàu có thể gặp phải một số vấn đề liên quan đến các đặc tính của nhiên liệu như độ nhớt, khả năng bôi trơn, điểm bắt cháy, sự mồi cháy và chất lượng quá trình cháy. Do vậy, trên đội tàu biển có sử dụng nhiên liệu ULSD phải trang bị thêm hệ thống làm lạnh nhằm khắc phục nhược điểm độ nhớt quá thấp của nhiên liệu này. Chính vì vậy, việc kết hợp 2 loại nhiên liệu ULSD có độ nhớt quá thấp và nhiên liệu Biodiesel (BO) có độ nhớt cao để tạo ra một loại nhiên liệu mới vừa có độ nhớt đáp ứng yêu cầu, vừa có tính chất tái tạo, đồng thời giảm chi phí khai thác sẽ có ý nghĩa hết sức to lớn về các mặt kinh tế, kỹ thuật và phát thải. Tuy nhiên, chất lượng đồng nhất của nhiên liệu sau phối trộn phụ thuộc chủ yếu vào phương pháp phối trộn. Hiện nay, công nghệ phối trộn nhiên liệu sử dụng chủ yếu là phối trộn cơ học theo phương pháp khuấy bằng tuabin, nhưng chất lượng mới ở mức chất nhận được và thời gian phối trộn khá dài. Trong khi đó, giải pháp sử dụng sóng siêu âm để tạo ra các xung kích từ các bong bóng của 2 pha lỏng đang được xem là giải pháp rất có tiềm năng để nâng cao chất lượng đồng nhất của hỗn hợp hòa trộn 2 pha lỏng như nhiên liệu ULSD và Biodiesel. Do đó, xuất phát từ các lý do trên mà NCS đã lựa chọn phương pháp sử dụng sóng siêu âm để phối trộn 2 loại nhiên liệu ULSD và Biodiesel thành một loại nhiên liệu đồng nhất, có độ nhớt tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống để sử dụng trên tàu thủy nhằm đáp ứng các quy định của IMO, giảm chi phí khai 2
thác và bảo vệ môi trường. Chính vì vậy, NCS lựa chọn đề tài: Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan về các giải pháp sử dụng nhiên liệu ULSD cho động cơ diesel tàu thủy; - Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thành công thiết bị sử dụng sóng siêu âm để sản xuất nhiên liệu đồng nhất ULSD và Biodiesel; - Nghiên cứu thực nghiệm nhằm đánh giá tính năng kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ khi sử dụng hỗn hợp đồng nhất ULSD-Biodiesel làm nhiên liệu. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ có công suất từ 50 mã lực đến 100 mã lực; - Nhiên liệu diesel thông thường có hàm lượng lưu huỳnh 0,05%, nhiên liệu diesel có hàm lượng lưu huỳnh 0,001% và nhiên liệu Biodiesel B100 (dầu dừa); - Nghiên cứu chế tạo thiết bị tạo nhiên liệu đồng nhất bằng sóng siêu âm; - Hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống thải và hệ thống điều khiển và kiểm tra của động cơ; - Các thiết bị thử nghiệm động cơ và thử nghiệm khí thải. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết về cơ chế phá vỡ cấu trúc phân tử bằng sóng siêu âm. Thực nghiệm xác định mối tương quan giữa công suất và bước sóng siêu âm; - Nghiên cứu các lý thuyết hiện đại trên thế giới về các quá trình phun nhiên liệu, hình thành hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu đồng nhất ULSD và Biodiesel và áp dụng vào bài toán thực tế của luận án nhằm đánh giá khả năng ảnh hưởng của nhiên liệu đồng nhất ULSD và Biodiesel đến các quá trình và các thông số kinh tế, kỹ thuật của động cơ; - Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm đối chứng được sử dụng để đánh giá tác động của việc chuyển động cơ diesel tàu thủy sang sử dụng nhiên liệu đồng nhất ULSD và Biodiesel. Đặc tính phun của nhiên liệu đồng nhất ULSD và Biodiesel 3
trong môi trường không khí theo nhiệt độ sấy cũng được thực hiện nhằm làm cơ sở cho việc giải thích quá trình hình thành hỗn hợp, quá trình cháy và phát thải. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học Các kết quả thu được từ luận án là cơ sở khoa học có tính tin cậy và có thể là tài liệu tham khảo tốt cho các viện nghiên cứu, trường đại học thuộc lĩnh vực hàng hải trong việc giảng dạy và nghiên cứu về sử dụng nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh rất thấp cho động cơ diesel. Ý nghĩa thực tiễn Việc kết hợp 2 loại nhiên liệu ULSD có độ nhớt quá thấp và nhiên liệu Biodiesel có độ nhớt cao để tạo ra một loại nhiên liệu mới vừa có độ nhớt đáp ứng yêu cầu, vừa có tính chất tái tạo, đồng thời giảm chi phí khai thác có ý nghĩa hết sức to lớn về các mặt kinh tế, kỹ thuật và phát thải. Điểm mới của luận án - Xây dựng và hệ thống các cơ sở lý thuyết về hòa trộn đồng nhất hai pha lỏng bằng sóng siêu âm; - Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thiết bị tạo hỗn hợp nhiên liệu đồng nhất ULSD-Biodiesel bằng sóng siêu âm đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật và chất lượng hiện hành của Việt Nam; - Thử nghiệm và đánh giá thành công các đặc tính động cơ, tính kinh tế và đặc tính phát thải của động cơ diesel tàu thủy khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu đồng nhất ULSD-Biodiesel. Kết cấu của luận án: Luận án gồm phần mở đầu, 4 chương nội dung nghiên cứu, phần kết luận chung và hướng phát triển. Toàn bộ luận án được trình bày trong 123 trang, 27 bảng và 56 hình vẽ và đồ thị. CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN 1.1. Tổng quan về nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy và phụ lục MARPOL 73/78 1.2. Tổng quan về nhiên liệu ULSD 4
1.2.1. Đặc điểm nhiên liệu ULSD Theo đó, nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh đến 0.0015% được gọi là nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh siêu thấp (Ultra Low Sulfur Diesel ULSD), đến 0.05% là diesel lưu huỳnh thấp (Low Sulfur Diesel) và đến 0,5 % là diesel thông thường (regular diesel). 1.2.2. Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhiên liệu ULSD 1.2.2.1. Sử dụng trực tiếp ULSD Deniz F. Aktas (2016) [4] đã nghiên cứu đặc tính ăn mòn sinh học của nhiên liệu ULSD. Mayekawa (2012) [5] đã nghiên cứu và thiết kế hệ thống làm lạnh nhiên liệu MGO (nhiên liệu ULSD) để đáp ứng và trang bị cho các tàu hoạt động trong vùng kiểm soát phát thải ECA. 1.2.2.2. Hòa trộn ULSD với Biodiesel Đặc tính của nhiên liệu này có thể được phục hồi bằng cách trộn ULSD với dầu diesel sinh học 1–2 vol% như kết quả nghiên cứu của Lin và cộng sự [7]. Mangus và cộng sự [11] đã tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm bằng cách kiểm tra dòng chất lỏng tại nhiệt độ thấp (LTFT), điểm làm tắc bầu lọc ở nhiệt độ thấp và điểm vân hóa của 7 loại nhiên liệu sinh học khác nhau hòa trộn với ULSD nhằm cung cấp các thông tin và dữ liệu về dòng chất lỏng được làm mát của các nhiên liệu ULSD sử dụng cho động cơ diesel. Andrew M. Duncan [12] cho thấy sau khi pha trộn ULSD với Biodiesel theo các tỉ lệ 5, 10, 20, 40, 80% cho thấy, độ nhớt của nhiên liệu đạt kết quả tối ưu với tỉ lệ 5, 10 và 20% Biodiesel. Lin và cộng sự [14] tiến hành nghiên cứu pha trộn nhiên liệu sinh học (metyl este dầu cải) với nhiên liệu ULSD và so sánh tính chất của nhiên liệu hòa trộn với các nguồn nhiên liệu tiêu chuẩn. 1.2.3. Tình hình nghiên cứu về công nghệ hòa trộn nhiên liệu Phương pháp hòa trộn đầu tiên được đề xuất là sử dụng buồng hòa trộn với sự hỗ trợ của các thiết bị cơ khí dạng cánh (cánh khuấy dạng tuabin) [21]. 1.3. Cơ sở nghiên cứu của luận án Quan điểm mấu chốt của đề tài là tìm ra giải pháp kết hợp giữa việc sử dụng nhiên liệu ULSD và nhiên liệu sinh học mà không cần cụm thiết bị chuyển đổi. Do đó, vừa giảm chi phí trong khai thác vừa giảm phát thải độc hại ra ngoài 5
môi trường, đồng thời đáp ứng các yêu cầu khi tàu thủy hoạt động trong vùng biển SECA. Kinh nghiệm và các kết quả nghiên cứu trên thế giới cho thấy, khi sử dụng nhiên liệu Biodiesel, hàm lượng phát thải CO, HC, bồ hóng và muội than giảm đi, còn hàm lượng phát thải NOx tăng. Bên cạnh đó, khi sử dụng nhiên liệu ULSD lại giảm triệt để phát thải SOx. Sự kết hợp giữa 2 loại nhiên liệu này thành một loại nhiên liệu đồng nhất là hướng đi và hướng nghiên cứu đã được tính đến của các nước trên thế giới song chưa đưa ra được giải pháp để đảm bảo sự động nhất về mặt tổ chức của 2 loại nhiên liệu sau khi pha trộn. Như vậy, việc hòa trộn 2 loại nhiên liệu Ultra low sulfur (ULSD) và Biodiesel (BO) thành một loại nhiên liệu đồng nhất, có độ nhớt tương đồng với nhiên liệu diesel truyền thống, bằng phương pháp sử dụng sóng siêu âm là một giải pháp rất hữu hiệu. Ở Việt Nam, cho đến thời điểm hiện nay, đã có một số nghiên cứu về các giải pháp chuyển đổi động cơ diesel tàu thủy sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biodiesel và diesel dầu mỏ thông qua việc thiết kế bộ hòa trộn kiểu cánh khuấy nhằm bổ sung liên tục hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel cho động cơ diesel tàu thủy. Tuy nhiên, khối lượng và kích thước của cụm chi tiết khá cồng kềnh, khó lắp đặt trong không gian rất hạn chế của buồng máy tàu thuỷ và chất lượng hòa trộn không tốt nếu không được hâm sấy trước khi hòa trộn. Vì vậy, để nâng cao chất lượng đồng nhất của nhiên liệu sau phối trộn, đồng thời giảm kích thước và thiết bị đi kèm cho hệ thống phối trộn để có thể dễ dàng tích hợp trong hệ thống nhiên liệu trên tàu thủy thì giải pháp được NCS đưa ra ở đây là sử dụng công nghệ sóng siêu âm để phối trộn hỗn hợp nhiên liệu. 1.4. Kết luận chương 1 Với việc tìm hiểu tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước và việc sử dụng nhiên liệu ULSD cũng như việc sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel trên tàu biển làm cơ sở để NCS tìm ra các khoảng trống cần nghiên cứu cho luận án này. Việc hòa trộn trực tiếp nhiên liệu ULSD với nhiên liệu sinh học được xem là giải pháp hiệu quả nhằm cải thiện đặc tính độ nhớt thấp của nhiên liệu ULSD, đồng thời nhằm đảm bảo an ninh năng lượng cho ngành vận tải hàng hải khi mà 6
các nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt dần. Đặc biệt là công nghệ sử dụng sóng siêu âm để phối trộn hỗn hợp nhiên liệu. CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT HÒA TRỘN HỖN HỢP NHIÊN LIỆU ULSD VÀ BIODIESEL SỬ DỤNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY 2.1. Giới thiệu chung 2.2. Cơ sở lý thuyết về hòa trộn nhiên liệu Hòa trộn các chất lỏng được hiểu như hiện tượng biến đổi một hệ thống không đồng nhất thành hệ thống đồng nhất. Hợp chất của chất lỏng được coi là đồng nhất hay đồng thể hóa khi cấu trúc hợp nhất của một phần thể tích bất kì của một khối chất lỏng lớn không khác biệt so với cấu trúc hợp nhất trung bình của cả khối chất lỏng này. 2.2.1. Một số nguyên lý hòa trộn tiêu biểu - Loại cánh là loại thiết bị hòa trộn đơn giản nhất; - Thiết bị hòa trộn kiểu nghiền; - Thiết bị hòa trộn. 2.2.2. Một số thiết bị hòa trộn điển hình - Thiết bị hòa trộn tĩnh dạng chữ S thẳng; - Thiết bị hòa trộn kiểu khuấy. 2.3. Cơ sở lý thuyết tính toán, thiết bị tạo sóng siêu âm - Sự hình thành bong bóng trong dung dịch; - Số lượng bong bóng được hình thành trong dung dịch; - Các nhân tố ảnh hưởng đến sự hình thành bong bóng trong dung dịch; - Cơ chế phát triển và vỡ tan của bong bóng; - Phân tích động lực học của bong bóng. 2.4. Cơ sở lý thuyết đánh giá tính khả khi của thiết bị hòa trộn Về nguyên tắc, dầu và metanol là không thể trộn lẫn. Do đó cần tạo nhũ tương metanol trong dầu. Điều này đòi hỏi thiết bị tạo nhũ hơn là máy trộn hoặc máy khuấy thông thường. Trộn sóng siêu âm là phương tiện tiên tiến nhất để tạo thành nhũ tương kích thước nhỏ ở quy mô xử lý lớn. 2.5. Cơ sở lý thuyết cháy của hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel trong động cơ diesel tàu thủy 7
- Quá trình cháy; - Cơ chế hình thành phát thải: Gồm phát thải Nox, phát thải bồ hóng, phát thải HC và phát thải CO. 2.6. Kết luận chương 2 Trong chương 2, NCS đã tìm hiểu các cơ sở lý thuyết tính toán, thiết bị hòa trộn nhiên liệu bằng sóng siêu âm nhằm tạo cơ sở cho việc tính toán thiết kế hệ thống phối trộn nhiên liệu ULSD và nhiên liệu sinh học. Đồng thời, các lý thuyết về quá trình cháy và hình thành phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD và Biodiesel cũng được NCS tìm hiểu để làm cơ sở cho việc thực nghiệm hỗn hợp nhiên liệu trên động cơ diesel. CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THIẾT BỊ HÒA TRỘN HỖN HỢP NHIÊN LIỆU ULSD-BIODIESEL BẰNG SÓNG SIÊU ÂM 3.1. Giới thiệu chung Dựa trên các cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu được trong chương 2, NCS tiến hành tính toán thiết kế thành công hệ thống hòa trộn nhiên liệu ULSD và Biodiesel bằng sóng siêu âm thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật trong QCVN 1:2015/BKHCN. 3.2. Thiết kế thiết bị hòa trộn nhiên liệu bằng sóng siêu âm 3.2.1. Tổng quan về hệ thống Bộ điều khiển trung tâm có vai trò tạo ra tín hiệu sóng siêu âm tần số có thể thay đổi được, tín hiệu sóng siêu âm được đưa vào bộ điều khiển đệm và cách ly. Sau đó tín hiệu sóng siêu âm được đưa đến bộ khuếch đại công suất lớn để điều khiển loa phát sóng siêu âm qua bể hòa trộn. 3.2.2. Thiết kế phần cứng hệ thống điều khiển - Khối điều khiển; - Bộ khuếch đại công suất; - Bộ phát sóng siêu âm. 3.2.3. Tính toán lựa chọn bể chứa nhiên liệu lỏng trong xử lý siêu âm Xây dựng tiêu chí kỹ thuật đối với thiết bị hòa trộn liên tục dầu dừa và dầu ULSD được dựa vào những cơ sở sau đây: 8
- Bộ luật SOLAS 74 qui định về những yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu cho động cơ diesel tàu thủy và các yêu cầu về an toàn; - Các tiêu chuẩn kĩ thuật đối với thiết bị hòa trộn chất lỏng để đạt được chất lượng hỗn hợp chất lỏng sau khi trộn. Các tiêu chuẩn kỹ thuật ở đây có liên quan đến thời gian trộn, kích thước bể trộn, chế độ làm việc của quá trình trộn; - Mô hình dòng chảy của chất lỏng trong bể trộn khi áp dụng các tần số sóng siêu âm khác nhau. Thiết bị hòa trộn liên tục dầu dừa và dầu ULSD được xây dựng trên cơ sở sử dụng các bộ tạo sóng siêu âm với mục đích tạo nên hỗn hợp nhiên liệu có chất lượng đồng nhất cao. Thiết bị hòa trộn liên tục đảm bảo cung cấp liên tục cho động cơ và sự cân bằng giữa lượng nhiên liệu cấp vào thiết bị hòa trộn với lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ. Đối với thiết bị hòa trộn chất lỏng là dầu dừa với dầu ULSD dùng cho động cơ diesel thủy, yêu cầu về thể tích của két trộn chưa có quy định cụ thể nào. Tuy nhiên, đối với các tàu sử dụng nhiên liệu là dầu nặng (FO) và dầu diesel (DO), trên tàu cũng có trang bị két trộn nhưng chỉ nhằm mục đích hòa trộn khi đổi dầu. 3.3. Thiết kế mô hình hệ thống Có 2 phương án bố trí hệ thống là mô hình hệ thống với bộ khuếch đại nằm nằm ngang và mô hình hệ thống với bộ khuếch đại nằm thẳng đứng. Nguyên tắc hoạt động của thiết bị hòa trộn bằng siêu âm rất đơn giản và dễ sử dụng, phù hợp cho mọi đối tượng. Khi cấp nguồn, hệ thống hoạt động ở chế độ mặc định phát sóng siêu âm tần số 28KHz. Người dùng có thể thiết lập chế độ hoạt động của hệ thống như cho phép thiết lập các tham số về thời gian hoạt động của hệ thống và công suất sóng siêu âm. Từ những phân tích ở trên, và phù hợp với điều kiện gia công, thiết bị có sẵn ở trong nước hiện nay, đề tài sẽ lựa chọn hệ thống với loại bể chứa nhiên liệu có bộ khuếch đại nằm thẳng đứng như Hình 3.11, với các thông số như sau: - Kích thước lòng bể chứa nhiên liệu (chiều dài, chiều rộng, chiều cao): LxBxH = 250mmx250mmx250mm. - Số lượng đầu khuếch đại siêu âm: 9 (cái) - Nguồn phát siêu âm có công suất: 900W. 9
Hình 3. 1. Mô hình hệ thống với bộ khuếch đại nằm thẳng đứng 3.4. Đánh giá chất lượng hòa trộn của hỗn hợp nhiên liệu ULSD và Biodiesel NCS tiến hành thử nghiệm với 8 mẫu sau phối trộn theo các tỷ lệ khác nhau được sử dụng để chuẩn bị hỗn hợp ULSD và COB dựa trên mối tương quan của độ nhớt nhằm mục đích tìm ra tỷ lệ trộn tối ưu cho ULSD và COB. Kết quả là, độ ổn định của nhũ tương ULSD-COB đạt 98,5% sau 17 phút xử lý siêu âm với tỷ lệ trộn 50% (ULSD): 50% (COB) trong trường hợp khoảng cách đầu sừng siêu âm đến đáy tàu 90 mm. Ngoài ra, sự giống nhau về đặc điểm phun, chiều dài xuyên thấu và góc hình nón, đối với nhũ tương ULSD-COB so với một loại dầu diesel đã được báo cáo. Nhũ tương ULSD-COB được tạo ra bằng sóng siêu âm cung cấp nhiên liệu có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp và hàm lượng oxy tăng lên. Sơ đồ phối trộn nhiên liệu trong thử nghiệm này được bố trí như H.3.12 Hình 3. 2 Sơ đồ hệ thống hòa trộn nhiên liệu bằng sóng siêu âm 10
3.4.1. Lựa chọn tỷ lệ hòa trộn nhiên liệu ULSD và COB Có thể thấy rõ rằng độ nhớt (µ) của hỗn hợp ULSD-COB với 50% ULSD và 50% COB là 3,70 cSt so với 3,60 cSt của DO ở 30°C. Độ nhớt (µ) của hỗn hợp ULSD-COB cao hơn so với DO là 2,7%. Nhưng vì độ lệch thấp hơn 5%, tỷ lệ trộn của hỗn hợp ULSD-COB như đã trình bày được coi là giá trị phù hợp nhất. Hỗn hợp tỷ lệ 50%: 50% cho ULSD và COB được chọn để thực hiện các thí nghiệm tiếp theo. 3.4.2. Ảnh hưởng của vị trí đầu dò đến sự ổn định của hỗn hợp ULSD-COB Ảnh hưởng của vị trí đầu sừng siêu âm đến độ ổn định của nhũ tương ULSD- COB đối với hỗn hợp 50% COB và 50% ULSD đã chuẩn bị sau 10 phút xử lý siêu âm được thể hiện trong Hình 3.13. Hình 3. 3 Mối quan hệ giữa SEP (độ ổn định của pha nhũ tương,%) và khoảng cách từ đáy đến đỉnh đầu dò phát sóng siêu âm h (mm) Mối quan hệ giữa khoảng cách từ đầu dò siêu âm đến đáy buồng nhũ hóa h (mm) và mức độ ổn định của nhũ tương ULSD-COB được sản xuất được quan sát rõ ràng từ Hình 3.13. Mức độ ổn định thấp nhất của nhũ tương ULSD-COB chỉ là 86,2 % khi h = 5 mm, giá trị này tăng cùng với sự tăng của quãng đường h. Mức độ ổn định cao nhất là 98,5% với khoảng cách xa nhất là h = 90 mm. 3.4.3. Tính chất của nhũ tương ULSD – COB Sau 10 phút xử lý siêu âm, các đặc tính của nhũ tương ULSD-COB được xác định và đo trên cơ sở các thiết bị nêu trên. Kết quả về ba đặc tính của nhũ tương 11
ULSD-COB bao gồm mật độ, độ nhớt động học và sức căng bề mặt được đưa ra trong Bảng 3.1. Tuy nhiên, các thông số chính còn lại là LHV và CN liên quan đến quá trình cháy của nhũ tương ULSD – COB có thể dự đoán được vì CN của COB cao hơn ULSD và DO. Trong khi đó, LHV của COB thấp hơn không đáng kể so với ULSD và DO. Bảng 3. 1 Tính chất của nhũ tương ULSD – COB sau khi phối trộn Tính chất ULSD-COB COB ULSD DO Khối lượng riêng, kg/m 3 856 880 832 852 Độ nhớt động học, cSt 3,68 7,2 1,9 3,6 Sức căng bề mặt, N/m 25,3 26,5 24,4 25,2 Từ Bảng 3.1, các giá trị cao hơn của ba đặc tính của nhũ tương ULSD-COB so với DO được thấy. Cụ thể độ nhớt động học, tỷ trọng và sức căng bề mặt cao hơn 1,02%, 0,47% và 0,40% so với nhiên liệu DO. Tuy nhiên, các giá trị này vẫn đáp ứng yêu cầu của nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel. Kết quả đạt được dựa trên tỷ lệ trộn 50%: 50% ULSD và COB được coi là kết quả tối ưu. Bên cạnh đó, sai số về độ nhớt động học giữa giá trị tính (3.7 cSt) và kết quả thực nghiệm (3.67 cSt) là rất nhỏ, bằng 0,54%. Cuối cùng, SEP và µ của nhũ tương ULSD-COB như một hàm của thời gian xử lý bằng sóng siêu âm ở khoảng cách (h) 90 mm được vẽ trong Hình 3.14. Hình 3. 4 Sự thay đổi SEP (%) và độ nhớt động học (KV) của nhũ tương ULSD- COB với thời gian xử lý siêu âm (t) ở h = 90mm. 12
Hình 3.14 cho thấy sự thay đổi của SEP và sự thay đổi này tăng mạnh trong 10 phút đầu tiên. Sau đó, SEP thay đổi không đáng kể và được giữ tương đối ổn định. Những thay đổi tương tự về µ cũng xảy ra sau 10 phút xử lý bằng sóng bằng siêu âm. Tuy nhiên, xu hướng của SEP và µ dường như xảy ra theo các hướng ngược nhau, nhưng giá trị của chúng cho thấy tiệm cận với các giá trị ổn định. Cụ thể, giá trị SEP gần bằng 100% và giá trị µ bằng 3,68 cSt. Nhũ tương ULSD-COB với sự phân tán của các pha so với DO và BO (COB) được thể hiện trong H.3.15. Hình 3. 5 Sự phân tán của các pha: (A) dầu diesel, (B) nhũ tương ULSD-COB, (C) Dầu diesel sinh học gốc dầu dừa. Hình ảnh vi mô được sử dụng để kiểm tra vi cấu trúc của nhũ tương ULSD – COB (Hình 3.15B) sau khi xử lý siêu âm với tỷ lệ thể tích 50% (ULSD): 50% (COB). Hình 3.15 cho thấy các hình ảnh vi mô được lấy mẫu từ phần trên của nhũ tương ULSD-COB. Theo quan sát bằng mắt thường, hỗn hợp ULSD và COB đã tạo thành nhũ tương đồng nhất sau khi xử lý bằng siêu âm. Hơn nữa, các thành phần của dầu diesel sinh học gốc dầu dừa được tích hợp hoàn toàn trong các thành phần của ULSD. Kích thước giọt trung bình của nhũ tương ULSD-COB lớn hơn so với DO (Hình 3.15A) nhưng lại nhỏ hơn COB (Hình 3.15C). Rõ ràng là năng lượng của sóng siêu âm đã phá vỡ sức căng bề mặt ULSD-COB, dẫn đến các pha phân tán với các giọt nhỏ trong nhũ tương của chúng. Ngoài ra, các đặc tính vật lý của nhũ tương hỗ trợ bằng sóng siêu âm như độ nhớt, mật độ và sức căng bề mặt cũng được ổn định sau khi sử dụng lâu dài. 3.5. Kết luận chương 3 Dựa trên các cơ sở lý thuyết đã tìm hiểu được, NCS đã tính toán thiết kế thành công thiết bị hòa trộn nhiên liệu ULSD và Biodiesel bằng sóng siêu âm thỏa mãn 13
các yêu cầu kỹ thuật trong QCVN 1:2015/BKHCN. Các tính toán và lựa chọn là phù hợp với dung tích và tốc độ của mỗi mẻ hòa trộn, đồng thời các thiết bị tạo sóng siêu âm có khả năng đáp ứng các yêu cầu về tần số sóng siêu âm được phát ra và cường độ của sóng để duy trì số lượng bong bóng nhất kích thước cỡ nano trong dung dịch hòa trộn; Để đánh giá khả năng hòa trộn và chất lượng của hỗn hợp nhiên liệu sau phối trộn bằng hệ thống được thiết kế, tác giả đã tiến hành phối trộn hai loại nhiên liệu có nhiều khác biệt về đặc tính như diesel có hàm lượng lưu huỳnh cực thấp và diesel sinh học gốc dầu dừa đã được sử dụng cho mục đích nghiên cứu. Khoảng cách tối ưu từ đáy buồng nhũ hóa đến đầu dò là 90 mm. Sau khi tiến hành phối trộn bằng siêu âm với tần số 28 kHz và công suất siêu âm 100 W ở độ cao 90 mm của khoảng cách đầu dò siêu âm so với đáy buồng nhũ hóa, độ ổn định cao nhất đạt được của nhũ tương ULSD-COB là 98,5% sau 17 phút. Độ nhớt động học của nhũ tương ULSD-COB là 3,68 cSt sau 10 phút. Kết quả này chứng tỏ thiết bị hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu bằng sóng siêu âm hoàn toàn đáp ứng được các chỉ tiêu chất lượng của nhiên liệu được hòa trộn, đồng thời thể hiện ưu điểm vượt trội về thời gian hòa trộn và độ đồng nhất của nhiên liệu so với các phương pháp khuấy cơ học. CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. Đặt vấn đề 4.1.1. Mục đích thử nghiệm Quá trình thử nghiệm động cơ trên băng thử nhằm đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu ULSD-Biodiesel đến động cơ, chuyên đề này tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để đánh giá mức độ ảnh hưởng dựa trên tính năng làm việc của động cơ như: Công suất, suất tiêu hao nhiên liệu, đặc tính cháy và các phát thải độc hại. Như vậy, nghiên cứu thực nghiệm dựa trên sự ảnh hưởng của tỷ lệ pha trộn của nhiên liệu ULSD với Biodiesel bằng thiết bị hoà trộn sóng siêu âm ở các đặc tính tải và đặc tính ngoài của động cơ. Đánh giá tác động của hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel với các tỷ lệ hòa trộn về thể tích của Biodiesel với ULSD lần lượt là 0%, 10%, 20%, 30% và 50% 14
đến tính năng kỹ thuật, kinh tế và phát thải của động cơ trong phòng thí nghiệm. Đánh giá ảnh hưởng của một số thông số đầu vào của động cơ khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel đến tính năng của động cơ. 4.1.2. Đối tượng và phạm vi thử nghiệm - Nhiên liệu ULSD, nhiên liệu diesel sinh học (gốc dầu dừa); - Động cơ diesel; - Các thiết bị và hệ thống thử nghiệm động cơ và thử nghiệm khí thải. Các hỗn hợp nhiên liệu ULSD-Biodiesel (ULSD, B10, B20, B30, B50) được hoà trộn bằng thiết bị sử dụng sóng siêu âm theo tỷ lệ thể tích. Quá trình thử nghiệm được thực hiện trên động cơ diesel D243 với các chế độ tải và chế độ đặc tính ngoài trong phòng thử nghiệm động lực cao tại Trung tâm thử nghiệm động cơ đốt trong, Viện Cơ khí Động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội. 4.2. Trang thiết bị và quy trình thử nghiệm 4.2.1. Thiết bị thử nghiệm Hệ thống thử nghiệm bao gồm các thiết bị chính sau: Phanh điện APA 100; Thiết bị làm mát dầu bôi trơn AVL 554; Thiết bị làm mát nước làm mát AVL 553; Thiết bị đo tiêu hao nhiên liệu AVL 733S; Bộ ổn định nhiệt độ nhiên liệu AVL 753; Bộ điều khiển tay ga THA 100. 4.2.2. Động cơ và nhiên liệu thử nghiệm 4.2.2.1. Động cơ thử nghiệm Động cơ D243 là động cơ diesel 4 kỳ, 4 xylanh thẳng hàng, thứ tự làm việc 1- 3-4-2, không tăng áp. Động cơ sử dụng hệ thống làm mát bằng nước cưỡng bức một vòng tuần hoàn kín, với bơm nước tuần hoàn kiểu ly tâm, cơ cấu phối khí xupáp treo, trục cam đặt trong thân máy và có biên dạng cam là cam lồi ba cung. Hiện nay, ở Việt Nam số lượng động cơ D243 đang sử dụng rất nhiều trong các lĩnh vực đường sông, phát điện tàu thủy cỡ nhỏ... Động cơ này đã được nghiên cứu khá nhiều nên các tài liệu kỹ thuật của động cơ tương đối đầy đủ và đảm bảo độ chính xác. Do đó, tác giả lựa chọn động cơ D243 làm đối tượng nghiên cứu áp dụng cho chuyên đề thực nghiệm này. 4.2.2.2. Nhiên liệu thử nghiệm Các nhiên liệu thử nghiệm: 15
- Nhiên liệu ULSD thương phẩm (diesel 0,001%S); - Nhiên liệu diesel sinh học nguồn gốc từ dầu dừa được pha trộn với nhiên liệu ULSD với các tỷ lệ 10% (B10), 20% (B20), 30% (B30), 50% (B50); - Nhiên liệu pha trộn ULSD-Biodiesel được hoà trộn bởi thiết bị sử dụng sóng siêu âm được NCS thiết kế và chế tạo (Hình 4.7 và Hình 4.8): ULSD, B10, B20, B30, B50. Các tính chất lý hóa của nhiên liệu thử nghiệm được thể hiện được thể hiện trong Bảng 4.2. Bảng 4. 1 Tính chất của các loại nhiên liệu thử nghiệm Tính chất Đ.vị ULSD B10 B20 B30 B50 B100 Khối lượng kg/m 838.8 846.4 850.3 856.2 861.8 880 riêng tại15oC 3 Độ nhớt tại mm2/ 1.60 3.524 3.882 4.116 4.425 7.2 40oC s Sức căng bề N/m 0.0258 0.0257 0.026 0.0264 0.0263 2.65 mặt tại 30oC Nhiệt trị MJ/k 42.8 42.03 41.65 41.06 40.5 37.78 thấp g Số Xê tan - 45 46.05 46.5 47.5 48 41 Điểm chớp o C 66 72.55 84.12 95.45 102.25 200 cháy %C % 0.86 0.84615 0.83875 0.82165 0.81275 0.7602 %H % 0.134 0.13215 0.13075 0.1295 0.1275 0.1363 %S % 0.001 0.00085 0.00076 0.00065 0.00052 0.0002 %O % - 0.01345 0.02597 0.03895 0.05195 0.1023 4.2.3. Quy trình thử nghiệm Trước khi tiến hành đo các thông số cần tiến hành như sau: Cho động cơ chạy thử nghiệm với nhiên liệu DO trong khoảng thời gian 10 phút với chế độ không tải, tiến hành kiểm tra các thông số của động cơ hoạt động ổn định chưa; kiểm tra tình trạng hoạt động của các thiết bị đo các thông số. Cho động cơ làm việc ở chế độ 50% tải, tốc độ 1500 vòng/phút trong thời gian 30 phút để ổn định trạng thái nhiệt và tình trạng làm việc của động cơ. Tiêu 16
chí đánh giá động cơ làm việc ổn định: Các thông số đo ổn định, mức độ dao động các thông số đo là nhỏ. Sau khi động cơ làm việc ổn định, tiến hành đo các chỉ tiêu về kinh tế, kỹ thuật và phát thải với nhiên liệu DO theo đặc tính tải ở tốc độ 1500 vòng/phút và 2000 vòng/phút (tại các giá trị tải 10%, 25%, 50%, 75% và 100%) và đặc tính ngoài tại 100% tải ở các tốc độ 1000, 1200, 1400, 1500, 1600, 1800 và 2000 vòng/phút. Đo các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật và phát thải của động cơ D243 với các nhiên liệu khác nhau ở các chế độ đặc tính tải và đặc tính ngoài của động cơ, so sánh đối chứng với nhiên liệu ULSD. Mỗi điểm đo đối với 05 loại nhiên liệu thực hiện 03 lần và lấy kết quả trung bình. 4.2.4. Điều kiện thử nghiệm Băng thử động lực học cao ETB được trang bị tại Phòng thí nghiệm Động cơ đốt trong, Viện Cơ khí động lực, Đại học Bách khoa Hà Nội là băng thử được cung cấp bởi hãng AVL của Áo như Hình 4.9. Hình 4. 1 Sơ đồ bố trí thí nghiệm trên băng thử động lực cao ETB 4.3. Kết quả thử nghiệm và thảo luận 4.3.1. Đặc tính kỹ thuật 17
4.3.1.1. Đặc tính công suất 59 51 Công suất (kW) UL 43 SD B50 B30 35 27 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2000 Tốc độ (vòng/phút) Hình 4. 2 Công suất động cơ theo đặc tính ngoài ở 100% tải với các nhiên liệu khác nhau Hình 4.11 cho thấy công suất của động cơ giảm so với khi sử dụng nhiên liệu ULSD và càng giảm khi tỷ lệ pha trộn diesel sinh học tăng lên. Công suất giảm dần và suất tiêu hao nhiên liệu tăng dần khi tỷ lệ pha trộn diesel sinh học trong nhiên liệu tăng lên. Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu diesel sinh học giảm là do nhiệt trị của nhiên liệu diesel sinh học thấp hơn. Tính trung bình của hai chế độ tốc độ thì công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10, B20 và B30 giảm so với ULSD lần lượt là: -1,08%; -2,16% và -3,00%. Trong khi đó suất tiêu hao nhiên liệu giảm lần lượt là: 1,21%; 2,45% và 3,40%. 4.3.1.2. Đặc tính mômen Kết quả trên Hình 4.12 bên dưới cho thấy khi tỷ lệ pha trộn nhiên liệu sinh học tăng lên thì mô men động cơ có xu hướng giảm xuống. Khi tỷ lệ phần trăm hỗn hợp diesel sinh học tăng lên, góc quay mà tại đó nhiệt độ cực đại xảy ra bị trì hoãn do ảnh hưởng của độ nhớt đến quá trình nguyên tử hóa nhiên liệu. Khi 18
một nhiên liệu độ nhớt lớn hơn rời khỏi kim phun, các giọt nhiên liệu lớn hơn và không bay hơi hiệu quả. 315 Mô men (N.m) 305 ULSD 295 B50 285 B30 275 B20 B10 265 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2000 Tốc độ (vòng/phút) Hình 4. 3 Mô men động cơ theo đặc tính ngoài ở chế độ 100% tải của các loại nhiên liệu khác nhau 4.3.2. Đặc tính kinh tế 4.3.2.1 Suất tiêu hao nhiên liệu ULSD B50 B30 280 Suất tiêu hao nhiên liệu 270 (g/kWh) 260 250 240 Tốc độ (vòng/phút) 230 1000 1200 1400 1500 1600 1800 2000 Hình 4. 4 Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo đặc tính ngoài ở chế độ 100% tải cho các loại nhiên liệu khác nhau 19