Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ nước/dầu trong hỗn hợp đồng thể hóa nhiên liệu nhũ tương đến đặc tính phát thải của động cơ diesel tàu thủy

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:80

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Nghiên cứu mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ nước/dầu trong hỗn hợp đồng thể hóa nhiên liệu nhũ tương đến đặc tính phát thải của động cơ diesel tàu thủy" được hoàn thành với mục tiêu nhằm nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu nhũ tương và các giải pháp công nghệ để tạo hỗn hợp đồng thể hóa nhiên liệu nhũ tương; Xây dựng quy trình mô phỏng trên động cơ diesel tàu thủy sử dụng nhiên liệu nhũ tương với các tỷ lệ nước/dầu khác nhau bằng phần mềm Diesel-Rk;

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu mô phỏng đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ nước/dầu trong hỗn hợp đồng thể hóa nhiên liệu nhũ tương đến đặc tính phát thải của động cơ diesel tàu thủy

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM --------- oOo -------- MAI LÊ KHIÊM NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ NƯỚC/DẦU TRONG HỖN HỢP ĐỒNG THỂ HÓA NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG ĐẾN ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY LUẬN VĂN THẠC SĨ TP.HCM 01.2021
BỘ DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HCM --------- oOo -------- MAI LÊ KHIÊM NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA TỶ LỆ NƯỚC/DẦU TRONG HỖN HỢP ĐỒNG THỂ HÓA NHIÊN LIỆU NHŨ TƯƠNG ĐẾN ĐẶC TÍNH PHÁT THẢI CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL TÀU THỦY CHUYÊN NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC Mã số : 8520116 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. LÊ VĂN VANG TP. HCM 1- 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Lê Văn Vang. Ngoài các nội dung tham khảo trong tài liệu đã được liệt kê trong phần “Tài liệu tham khảo”, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Mai Lê Khiêm
ii LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy hướng dẫn TS. LÊ VĂN VANG, người đã tận tình hướng dẫn về phương pháp và nội dung nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận văn. Nhân dịp này, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến các thầy cô Viện Hàng hải đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập tại trường Đại học Giao thông Vận tải Tp. Hồ Chí Minh cũng như trong quá trình làm luận văn. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến tất cả người thân, bạn bè và đồng nghiệp đã động viên, giúp đỡ tác giả trong quá trình học tập cũng như trong quá trình làm luận văn. Do thời gian có hạn, kiến thức và kinh nghiệm còn hạn chế nên luận văn không tránh khỏi có những thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý của các thầy cô, chuyên gia, bạn bè và đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn. Tác giả luận văn Mai Lê Khiêm
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ..................................................................................................i LỜI CẢM ƠN...................................................................................................... ii DANH MỤC HÌNH ............................................................................................ vi DANH MỤC BẢNG .........................................................................................viii DANH MỤC VIẾT TẮT ....................................................................................ix MỞ ĐẦU ..............................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài.............................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài ................................................................ 1 3. Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................2 4. Phương pháp nghiên cứu ...........................................................................2 5. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn ..................................2 6. Bố cục đề tài ................................................................................................ 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ..................................................................................3 1.1 Tổng quan về nhiên liệu nhũ tương nước-dầu....................................3 1.2 Tổng quan về giải pháp công nghệ để tạo hỗn hợp đồng thể hóa nhiên liệu nhũ tương..................................................................................................5 1.2.1 Phương pháp tạo hỗn hợp đồng thể hóa nhiên liệu nhũ tương ........5 1.2.2 Các công nghệ tạo nhũ tương dầu-nước ..........................................6 1.2.2.1 Thiết bị tạo nhũ tương kiểu khuấy ...............................................8 1.2.2.2 Thiết bị dạng micro bong bóng tạo nhiên liệu nhũ tương ............8 1.2.2.3 Thiết bị đồng thể hóa loại ống ứng suất cắt cao hay Turrax ......10 1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam về sử dụng nhiên liệu nhũ tương cho động cơ diesel tàu thủy .................................11 1.4 Kết luận chương 1 ...............................................................................16 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ....................................................................17 2.1 Cơ sở lý thuyết tạo hỗn hợp đồng thể hóa từ dầu và nước ..............17
iv 2.2 Cơ sở lý thuyết về hình thành phát thải trong động cơ diesel khi sử dụng nhiên liệu nhũ tương .................................................................................20 2.2.1 Mô phỏng số của quá trình đốt nhiên liệu nhũ tương....................20 2.2.2 Mô phỏng số các quy trình phun nhiên liệu nhũ tương .................23 2.3 Xây dựng mô hình mô phỏng phần mềm Diesel-RK .......................25 2.3.1 Giới thiệu phần mềm Diesel-RK ...................................................25 2.3.2 Các phần tử của mô hình động cơ khảo sát ...................................28 2.3.2.1 Phần tử xy lanh (EngCylinder):..................................................28 2.3.2.2 Phần tử cơ cấu phân phối khí (ValveCamconn): .......................30 2.3.2.3 Phần tử vòi phun (InjProfileConn): ............................................31 2.3.2.4 Phần tử các thông số chung của động cơ (Engine CrankTrain): 32 2.3.2.5 Phần tử EndEnvironment (các biến môi trường): ......................33 2.3.2.6 Phần tử đường ống (Pipe):.......................................................... 33 2.3.2.7 Phần tử liên kết dòng (OrificeConn Connection): .....................33 2.3.2.8 Phần tử dòng phân chia (Fsplit): ................................................33 2.3.2.9 Phần tử chặn dòng (EndFlowCap): ............................................34 2.4 Kết luận chương 2 ...............................................................................34 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG .......................................................35 3.1 Đặt vấn đề ............................................................................................. 35 3.2 Động cơ và nhiên liệu ..........................................................................35 3.2.1 Động cơ sử dụng trong mô phỏng .................................................35 3.2.2 Nhiên liệu nhũ tương dầu nước .....................................................36 3.2.3 Điều kiện mô phỏng ......................................................................36 3.3 Quy trình xây dựng mô hình mô phỏng Diesel Rk ........................... 37 3.3.1 Khai báo các thông số kết cấu, điều chỉnh và vận hành của động cơ: 37 3.3.2 Khai báo các thông số chung và kết cấu buồng cháy, ...................38 3.4 Kết quả mô phỏng bằng phần mềm ...................................................43 3.4.1 Áp suất cháy và tốc độ tỏa nhiệt trong xilanh ............................... 49 3.4.2 Thời gian cháy ...............................................................................54
v 3.4.3 Suất tiêu hao nhiên liệu .................................................................57 3.4.4 Đặc tính phát thải...........................................................................59 3.5 Kết luận chương 3 ...............................................................................62 3.5 Kết luận chương 3 ..................................................................................62 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ............................................................................64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................65
vi DANH MỤC HÌNH Hình 1-1 Quá trình hình thành nhũ tương bằng phương pháp nghiền ............................ 7 Hình 1-2 Thiết bị tạo nhũ tương khiểu cánh khuấy.........................................................8 Hình 1-3 Nguyên lý hoạt động của T/B tạo nhiên liệu nhũ tương ..................................9 Hình 1-4 Thiết bị tạo nhiên liệu nhũ tương dạng van micro bong bóng .......................10 Hình 1-5 Thiết bị tạo nhiên liệu nhũ tương loại Turrax ................................................11 Hình 2-1 Biểu diễn giản đồ của nhũ W/O và O/ ........................................................... 18 Hình 2-2 Biểu diễn giản đồ của nhũ tương O/W/O và W/O/W ....................................19 Hình 2-3 Mô hình tính cho một lò phản ứng của WMR ...............................................21 Hình 2-4 Chuỗi các lò phản ứng của WMRs ................................................................ 22 Hình 2-5 Hình ảnh khái niệm về các vị trí điển hình của các lò phản ứng ...................23 Hình 2-6 Giao diện phần tử xy lanh trong phần mềm Diesel Rk ..................................28 Hình 2-7 Lựa chọn thông số Piston theo thực tế ........................................................... 29 Hình 2-8 Lựa chọn phần tử phân phối khí trên hệ thống động cơ ................................ 30 Hình 2-9 Lựa chọn cài đặt các thông số vòi phun trên phần mềm Diesel Rk ...............31 Hình 2-10 Cái đặt các biến chung cho động cơ Trên phần mềm Diesel Rk .................32 Hình 3-1 Kiểu dáng thiết kế .......................................................................................... 37 Hình 3-2 Các thông số chung của động cơ ....................................................................38 Hình 3-3 Các thông số kết cấu buồng cháy ...................................................................39 Hình 3-4 Quy luật cung cấp nhiên liệu ..........................................................................39 Hình 3-5 Các thông số của hệ thống nạp thải................................................................ 40 Hình 3-6 Hệ thống tuần hoàn khí thải ...........................................................................41 Hình 3-7 Chế độ tính toánLưu dự án cần khởi chạy và chạy dự án .............................. 42 Hình 3-8 Sơ đồ thuật toán của mô hình mô phỏng........................................................43
vii Hình 3-9 lựa chọn chạy bằng chế dộ ICE simulation ...................................................43 Hình 3-10 Kết quả chạy mô phỏng................................................................................44 Hình 3-11 Kết quả chạy mô phỏng................................................................................45 Hình 3-12 Kết quả chạy mô phỏng................................................................................46 Hình 3-13 Kết quả chạy mô phỏng................................................................................47 Hình 3-14 Kết quả chạy mô phỏng................................................................................48 Hình 3-15 Diễn biến áp suất trong xilanh và tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng nhiên liệu ..49 Hình 3-16 Diễn biến áp suất trong xilanh và tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng nhiên liệu 10%EMDO với các mức tải khác nhau .........................................................................50 Hình 3-17 Diễn biến áp suất trong xilanh và tốc độ tỏa nhiệt khi .................................50 Hình 3-18 Diễn biến áp suất trong xilanh và tốc độ tỏa nhiệt khi sử dụng nhiên liệu 16%EMDO với các mức tải khác nhau .........................................................................51 Hình 3-19 Diễn biến áp suất trong xilanh và tốc độ tỏa nhiệt ở 25% tải khi sử dụng nhiên liệu 4 loại nhiên liệu khác nhau ...........................................................................51 Hình 3-20 Diễn biến áp suất trong xilanh và tốc độ tỏa nhiệt ở 50% tải khi sử dụng nhiên liệu 4 loại nhiên liệu khác nhau ...........................................................................52 Hình 3-21 Diễn biến áp suất trong xilanh và tốc độ tỏa nhiệt ở 75% tải khi sử dụng nhiên liệu 4 loại nhiên liệu khác nhau ...........................................................................53 Hình 3-22 Thời gian bắt đầu cháy và thời gian cháy biểu thị lịch sử ........................... 55 Hình 3-23 Thời gian cháy của các loại nhiên liệu khác nhau khi tải thay đổi ..............56 Hình 3-24 Tỷ lệ thời gian cháy của nhiên liệu MDO so với EMDO theo tải ...............56 Hình 3-25 Tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng các nhiên liệu .......................58 Hình 3-26 Tiêu hao nhiên liệu của động cơ sử dụng các nhiên liệu ............................. 58 Hình 3-27 Tiêu hao nhiên liệu của động cơ sử dụng các nhiên liệu ............................. 59 Hình 3-28 Phát thải NOx và mức độ giảm phát thải này theo điều kiện tải của các nhiên liệu khác nhau ......................................................................................................60 Hình 3-29 Đặc tính giảm phát thải khói theo tải và hàm lượng nước trong MDO .......61
viii DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1 So sánh khả năng tạo nhũ tương của các loại thiết bị ......................................7 Bảng 3-1 Thông số kỹ thuật của động cơ phục vụ mô phỏng ......................................35 Bảng 3-2 Tính chất của các nhiên liệu thử nghiệm .......................................................36 Bảng 3-3 Điều kiện thử nghiệm mô phỏng ...................................................................37
ix DANH MỤC VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng anh Nghĩa tiếng việt BMF BROMOMETHY FURFURAL CI COMPRESSION - IGNITION CMF CHLOROMETHYFURFUAL DO DIESEL OIL DMF DIMETHYLFURAN ĐỘNG CƠ CÓ ĐÁNH LỬA DISI PHUN NHIÊN LIỆU TRỰC TIẾP HỆ THỐNG TÁI TUẦN EGR HOÀN KHÍ THẢI EMF ETHOXYMETHYFURFUAL RESEARCH OCTANE RON NUMBER SI SPARK - IGNITION
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Vấn đề ngăn ngừa ô nhiễm khí thải từ tàu luôn được các nhà khoa học, công ty khai thác tàu biển quan tâm đặc biệt. Hiện nay trên thế giới, một số nghiên cứu đang được áp dụng và thử nghiệm trên tàu có hiệu quả cao như hãng Man B&W đã phát triển hệ thống dầu bôi trơn điều khiển bằng điện tử, lượng dầu bôi trơn được phun vào với áp suất cao và được điều khiển do đó có thể giảm được lượng dầu bôi trơn sẽ giảm được lượng muội phát thải. Ngoài ra phương pháp giảm nồng độ NOx bằng sử dụng bộ xúc tác SCR trên đường xả của động cơ diesel cũng giảm được từ 90-98% NOx trong khí xả. Biện pháp sử dụng hồi lưu khí xả cũng đang được nghiên cứu và áp dụng cho các động cơ 2 kỳ cỡ lớn có thể giảm NOx xuống 70% và kết hợp với tháp phun nước đồng thời sẽ giảm được muội 20 - 25%. Tuy nhiên, các phương pháp trên hiện đang từng bước được nghiên cứu áp dụng trên các tàu biển, hơn nữa giá thành các hệ thống thiết bị đó tương đối cao làm tăng chi phí vận tải. Do đó, tìm kiếm một giải pháp sử dụng nhiên liệu hiệu quả và giảm phát thải trên tàu thủy luôn là một vấn đề cấp thiết đối với ngành vận tải biển khi mà đang sở hữu số lượng lớn tàu biển được trang bị các động cơ diesel thế hệ cũ. Giải pháp sử dụng nhiên liệu nhũ tương đã được các hãng động cơ diesel lớn nghiên cứu từ những năm 1980 và cho thấy có thể giảm nồng độ các khí thải CO2, NOx đồng thời cải thiện chất lượng cháy của động cơ. Tuy nhiên, các nghiên cứu về sử dụng nhiên liệu nhũ tương trên tàu thủy còn khá mới mẻ ở Việt Nam. Vì vây, trong luận văn này học viên sẽ tập trung đi sâu vào nghiên cứu các giải pháp công nghệ nhằm sử dụng nhiên liệu nhũ tương trên động cơ diesel tàu thủy. Đồng thời, thực hiện các thử nghiệm mô phỏng trên động cơ diesel tàu thủy với mục tiêu đánh giá ảnh hưởng của tỷ lệ nước/dầu trong nhiên liệu nhũ tương đến khả năng cải thiện đặc tính giảm phát thải của động cơ. 2. Mục đích nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu tổng quan về nhiên liệu nhũ tương và các giải pháp công nghệ để tạo hỗn hợp đồng thể hóa nhiên liệu nhũ tương; - Xây dựng quy trình mô phỏng trên động cơ diesel tàu thủy sử dụng nhiên liệu nhũ tương với các tỷ lệ nước/dầu khác nhau bằng phần mềm Diesel-Rk;
2 - Đánh giá các đặc tính cháy và phát thải của động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu nhũ tương. 3. Phạm vi nghiên cứu - Động cơ diesel tàu thủy 4 kỳ lai máy phát điện; - Nhiên liệu được sử dụng là nhiên liệu diesel dầu nặng thương phẩm MGO và nhiên liệu MGO được phối trộn đồng thể hóa với nước theo các tỉ lệ 10%, 13% và 16% về thể tích. 4. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan nhằm đánh giá tiềm năng sử dụng nhiên liệu nhũ tương nước-dầu cho động cơ diesel; - Nghiên cứu mô phỏng trên động cơ diesel tàu thủy nhằm điều chỉnh các tham số đầu vào và lựa chọn xử lý dữ liệu đầu ra; - Phân tích và so sánh các dữ liệu đầu ra nhằm đánh giá đặc tính cháy và phát thải của động cơ trong trường hợp được nghiên cứu. 5. Cơ sở khoa học và ý nghĩa thực tiễn của luận văn - Bước đầu xây dựng cơ sở khoa học minh chứng cho tiềm năng sử dụng nhiên liệu nhũ tương trên động cơ diesel tàu thủy; - Kết quả nghiên cứu là giải pháp hữu hiệu trong việc nâng cao hiệu quả đốt cháy nhiên liệu và giảm phát thải khí nhà kính và NOx vào môi trường, đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt của IMO. 6. Bố cục đề tài Đề tài ngoài phần mở đầu và kết luận thì bao gồm có bố cục như sau: Chương 1 Tổng quan Chương 2 Cơ sở lý thuyết Chương 3 Nghiên cứu Mô phỏng
3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nhiên liệu nhũ tương nước-dầu Việc đưa nước vào buồng cháy của động cơ diesel ban đầu được đề xuất bởi Giáo sư B. Hopkinson để cải thiện hiệu suất nhiệt, giảm lượng khí thải và làm mát tốt hơn giữa các động cơ khí [3]. Nói chung, có ba cách tiếp cận chính sau đây để đưa nước vào động cơ diesel : (i) phun trực tiếp vào buồng đốt thông qua một kim phun thông thường [4], (ii) hút nước vào khí nạp của động cơ [5] và (iii) vào dạng nhũ tương [6]. Việc khảo sát thực nghiệm tất cả các phương pháp trên đã xác định được ưu điểm của nước trong nhiên liệu diesel và chỉ ra việc giảm đồng thời lượng khí thải NOx và PM. Trong số các phương pháp trên, nhiên liệu nhũ tương diesel-nước dường như là thích hợp nhất vì có thể đạt được các đặc tính phát thải mong muốn mà không cần động cơ hồi phục [7]. Bên cạnh đó, sự nổ vi mô của các hạt nước trong quá trình đốt cháy giúp cải thiện quá trình nguyên tử hóa và hòa trộn hỗn hợp không khí-nhiên liệu [8]. Việc sử dụng nhũ tương nước- nhiên liệu giúp cải thiện chất lượng của quá trình hoà trộn. Nước trong nhũ tương nước - nhiên liệu tồn tại ở trạng thái quá nhiệt. Nước có nhiệt độ bay hơi thấp hơn nhiên liệu nên nước bay hơi trước và đạt đến trạng thái quá nhiệt trong khi nhiên liệu vẫn chưa bay hơi nên hơi nước phá vỡ hạt nhũ tương, xé nhỏ hạt nhiên liệu. Khi các hạt nước ở gần biên đạt trạng thái quá nhiệt và bay hơi thì toàn bộ các hạt nước quá nhiệt cũng bốc hơi và giãn nở nhanh chóng cùng một lúc, phá vỡ hạt nhiên liệu gây hiệu ứng vi nổ. Nếu một hạt nổ, sóng áp lực sẽ làm cho các hạt trong cùng khu vực xoáy lốc nổ đồng thời và xảy ra hiệu ứng vi nổ dồn dập của nhóm hạt. Như vậy, hiệu ứng vi nổ cải thiện rất nhiều chất lượng hoà trộn hỗn hợp, đặc biệt là khi áp suất phun thấp do giảm tải động cơ hoặc do chất lượng vòi phun, bơm cao áp giảm. Khi dùng hỗn hợp nhũ tương, thời kỳ cháy trì hoãn tăng lên nhưng thời kỳ cháy chính rút ngắn lại, chất lượng cháy tốt hơn. Thời gian ổn định của nhiên liệu nhũ tương và các đặc tính lý hóa của nó là những yếu tố quan trọng để đảm bảo rằng động cơ diesel có thể chạy với nhiên liệu nhũ tương mà không gặp phải bất kỳ sự cố nào. Nếu nhũ tương bị mất ổn định trong điều kiện động cơ hoạt động, nó sẽ làm hỏng hệ thống đốt cháy và hoạt động của nó
4 sẽ bị lỗi. Bên cạnh đó, sự thay đổi các đặc tính lý-hóa của nhiên liệu nhũ tương phải nằm trong giới hạn để giảm bớt các biến đổi trong hệ thống phun và đốt. Độ ổn định của nhiên liệu nhũ tương phụ thuộc vào kỹ thuật tạo nhũ tương, thời gian xử lý, nồng độ nước, tốc độ máy khuấy và nồng độ chất hoạt động bề mặt. Chen và Tao [24] báo cáo rằng việc tăng thời gian quá trình, tốc độ máy khuấy và tỷ lệ dầu diesel trên nước sẽ làm tăng độ ổn định của nhũ tương. Mặt khác, nhiệt độ quá trình tăng làm giảm độ ổn định của nhũ tương. Watanabe và cộng sự. [25] báo cáo rằng việc lựa chọn chất hoạt động bề mặt thích hợp, tần suất khuấy thích hợp và thời gian xử lý có tầm quan trọng ngang nhau để tạo thành nhũ tương ổn định. Ghannam và selim [26] cũng chỉ ra rằng cần tăng nồng độ chất hoạt động bề mặt, tốc độ máy khuấy và thời gian xử lý để nồng độ nước trong dầu diesel cao hơn. Lin và Wang [27] đã đo độ ổn định của nhũ tương dựa trên sự tách lớp trong ống nghiệm chia độ trong điều kiện tĩnh. Basha và Anand [28] cũng tuân theo quy trình tương tự để đo độ ổn định của nhũ tương trong các nghiên cứu của họ. Không có nhiều công trình được ghi nhận để đo độ ổn định của nhũ tương. Do đó, cần phải phát triển hệ thống đo độ ổn định chính xác vì độ ổn định của nhũ tương ảnh hưởng trực tiếp đến hệ thống đánh lửa nhiên liệu. Thời gian chậm cháy ngắn hơn, số cetan cao, độ bay hơi phù hợp trong phạm vi nhiệt độ hoạt động, khói và mùi hạn chế, không bị ăn mòn và mài mòn là những đặc điểm cần có của nhiên liệu sử dụng trong động cơ CI. Các đặc tính này chủ yếu phụ thuộc vào các tính chất lý hóa như tỷ trọng, độ nhớt, độ đàn hồi và khả năng chịu nén. Siegmund và cộng sự. [29] và Park và cộng sự. [30] báo cáo rằng sự gia tăng nồng độ nước làm tăng tỷ trọng và độ nhớt của nhiên liệu nhũ tương do tỷ trọng nước cao hơn BD [29]. Armas và cộng sự đã ghi nhận sự gia tăng mô đun đàn hồi và khả năng chịu nén cùng với sự gia tăng nồng độ nước. [30]. Khan và cộng sự. [31] chỉ ra rằng điểm tro tăng lên và giảm giá trị gia nhiệt khi nồng độ nước tăng lên. Sự thay đổi về các đặc tính hóa lý gợi ý các nghiên cứu sâu hơn để có được nồng độ nước tối ưu với dầu diesel. Tính chất vật lý của nhũ tương được xác định bởi độ phân tán, độ đồng đều phân bố nước trong khối lượng nhiên liệu và tính ổn định của nhũ tương. Theo các kết quả nghiên cứu của các nhà khoa học, kích thước trung bình của hạt nước trong nhũ tương nằm trong khoảng 1 - 50 µm, để động cơ diesel làm việc có hiệu quả thì
5 kích thước hạt nước trong nhũ tương nằm trong khoảng từ 1 - 10 µm, nhưng số lượng hạt nước có kích thước đến 5 µm chiếm ưu thế. Vì kích thước các hạt nước 5 µm thì hiện tượng vi nổ sẽ xảy ra mạnh nhất, điều này sẽ làm ảnh hưởng đến các thông số kinh tế kỹ thuật của động cơ. Độ nhớt của nhũ tương được xác định là độ nhớt của nhiên liệu gốc, lượng nước chứa trong nhũ tương và nhiệt độ nhũ tương. Độ nhớt của nhũ tương cao hơn độ nhớt của nhiên liệu gốc. Tăng hàm lượng nước độ nhớt của nhũ tương sẽ tăng lên. 1.2 Tổng quan về giải pháp công nghệ để tạo hỗn hợp đồng thể hóa nhiên liệu nhũ tương 1.2.1 Phương pháp tạo hỗn hợp đồng thể hóa nhiên liệu nhũ tương Có hai phương pháp để chế tạo nhũ tương hoàn toàn khác nhau, một là phương pháp ngưng tụ, và hai là phương pháp phân tán. - Phương pháp ngưng tụ : Khi chất lỏng A được hoà tan vào chất lỏng B trong trạng thái phân tử quá bão hoà, nhũ tương sẽ đạt được nếu trạng thái quá bão hoà này bị phá vỡ. Trạng thái quá bão hoà sẽ bị phá vỡ nếu nhiệt độ của dung dịch chứa chất tan A và dung môi B giảm xuống, khi đó độ tan của chất A cũng giảm theo, nghĩa là chất tan A sẽ kết tụ trong dung môi B ở dạng hạt phân tán rất nhỏ, và do đó một nhũ tương mờ đục sẽ hình thành. Nhũ tương cũng được hình thành tương tự như vậy bằng việc hạ độ tan của chất A bởi sự ngưng tụ của dung môi B hoặc bằng sự hoà tan của một thành phần thứ 3 vào dung môi B. Phương pháp này không được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp như phương pháp phân tán. - Phương pháp phân tán: Trong thực tế thường tạo nhũ tương bằng phương pháp phân tán, như sử dụng các máy khuấy, trộn, cối xay keo, sóng siêu âm. Phương pháp phân tán để chế tạo nhũ tương được chia thành hai loại. Một là sự nhũ hoá tự nhiên, xảy ra đối vói dầu có khả năng tự nhũ hoá hoặc hoà tan, và phương pháp thứ hai là sự nhũ hoá bắt buộc, trong đó nhũ tương hình thành nhờ các phương tiện cơ học. Trong sự phân tán tự nhiên, các hệ phân tán rất cao thu được rất khác biệt ở tính bền vững nhiệt động của nó so với các nhũ tương thông thường mà tính bền vững tập hợp chỉ có tính chất tạm thời. Tuy nhiên, các hệ nhũ tương phân tán tự nhiên ít được sử dụng với số lượng lớn như các nhũ tương được điều chế theo phương pháp phân tán bắt buộc. Trong phương pháp phân tán bắt buộc, có 3 loại thiết bị công nghệ chính được sử dụng như máy khuấy trộn, máy nghiền keo và thiết bị đồng thể hoá.
6 Tuỳ theo mỗi loại thiết bị mà có những đặc tính phù hợp với mục đích sử dụng để chế tạo các loại nhũ tương khác nhau. Trong đó, máy khuấy trộn phù hợp cho công tác chế tạo các loại nhũ tương có độ nhớt thấp. Ở loại máy này lại có hai kiểu cánh khuấy, đó là cánh khuấy dạng cánh quạt và cánh khuấy dạng tuốcbin. Trong máy nghiền keo, tốc độ dịch chuyển của chất lỏng rất lớn, vì được cho đi qua khe hẹp giữa roto và stato. Vì vậy, loại thiết bị này phù hợp cho việc chế tạo các loại nhũ tương loãng, do sự phân tán tuyệt vòi của thiết bị. Với thiết bị đồng nhất, chất lỏng buộc phải đi qua những lỗ rất nhỏ dưới áp suất cao, do đó sẽ tạo ra những nhũ tương có kích thước hạt rất mịn. Loại thiết bị này phù hợp cho mục đích chế tạo những nhũ tương có kích thước giọt phân tán nhỏ và đồng đều. Trong thực tế người ta thường chế tạo nhũ tương theo hai bước, đầu tiên nhũ tương sẽ được chế tạo sơ bộ bằng máy khuấy trộn, sau đó tuỳ theo yêu cầu của từng loại nhũ tương sản phẩm mà tiếp tục cho đi qua máy nghiền keo hoặc thiết bị đồng thể hoá. 1.2.2 Các công nghệ tạo nhũ tương dầu-nước Nghiền để tạo nhũ tương chính là quá trình phá vỡ liên kết bề mặt của các hạt chất lỏng bằng năng lượng cơ học hoặc thông qua tạo áp suất cao. Trong tính toán thiết kế thiết bị tạo nhũ tương kiểu nghiền, năng lượng cơ học đầu vào tạo bởi cánh khuấy là vô cùng quan trọng. Bởi vì chính cánh khuấy này sẽ tạo nên các xoáy vĩ mô hoặc hiện tượng chảy rối vĩ mô với chiều dài đặc trưng của đường kính cánh khuấy. Các xoáy vĩ mô sau đó tách thành các xoáy vi mô (micro- eddy) với chiều dài (length) đặc trưng được gọi là “chiều dài Kolmogorov”. Cuối cùng, các xoáy micro sẽ chịu trách nhiệm truyền năng lượng và sẽ phá vỡ pha vĩ mô. Chiều dài Kolmogorov được xác định bằng công thức: 1/ 4  3       (1.1)   Trong đó : λ - chiều dài đặc trưng ; ν - độ nhớt động học của chất lỏng và ε-là tốc độ tiêu hao; chính ε là tỷ số giữa công tạo bởi cánh khuấy trên khối lượng. Trên hình 1-1 biểu thị quá trình hình thành nhũ tương theo phương pháp nghiền. Khi cánh khuấy tạo ra các xoáy vĩ mô và vi mô, các xoáy này sẽ tạo ra ứng suất cắt và một khi ứng suất cắt lớn hơn lực dính của chất lỏng trong các hạt, sau đó các hạt này sẽ bị cắt thành các hạt nhỏ hơn. Quá trình cắt nêu trên xảy ra cho đến khi ứng suất ngoài và ứng suất trong cân bằng nhau.
7 Trên cơ sở lý thuyết về phương pháp nghiền tạo nhũ tương, các hãng đã chế tạo 3 loại thiết bị nghiền cơ bản như sau: Két nghiền với cánh nghiền ; Thiết bị nghiền kiểu trục vít (screw loop); Thiết bị ultra-turrax. Các kết quả thực nghiệm cho thấy khả năng tạo nhũ tương của 3 loại này như trên bảng 1.1. Hình 1-1 Quá trình hình thành nhũ tương bằng phương pháp nghiền Trên nguyên tắc nghiền chất lỏng (comminutation), các hãng chế tạo đã chế tạo ra nhiều loại thiết bị tạo nhũ tương hay tạo nhiên liệu nhũ tương khác nhau. Các loại thiết bị này đều dùng năng lượng cơ học từ bên ngoài tác động vào các pha chất lỏng và làm giảm đi lực căng bề mặt của hạt chất lỏng và qua đó tạo được các hạt nhỏ hơn phân bố đồng đều trong một khối nhất định. Bảng 1-1 So sánh khả năng tạo nhũ tương của các loại thiết bị Loại thiết bị Điều kiện với W = 5.106Jm-3 Kích thước hạt Cánh khuấy N = 500v/p, t = 60 phút 60 - 70μm Trục vít N = 4000v/p, v = 350l/h 10 - 11μm và 2μm Loại Ultra Turrax N = 10000v/p, t = 2 phút 10 - 11μm và 2μm
8 1.2.2.1 Thiết bị tạo nhũ tương kiểu khuấy Thiết bị tạo nhũ tương kiểu cánh khuấy được thiết kế trên nguyên lý nghiền chất lỏng. Thiết bị bao gồm: cánh khuấy với nhiều hình dạng khác nhau (chân vịt, tua bin chéo, tua bin thẳng) với đường kính và chiều ngang thích hợp, cánh khuấy được đặt trong két khuấy hình trụ với đường kính lớn hơn cánh khấy theo tỷ lệ nhất định. Bên trong két khuấy được trang bị từ 2 đến 4 vách cản trở với tác dụng cùng với cánh khuấy phá vỡ các hạt chất lỏng. Cánh khuấy được lai bằng mô tơ điện với vận tốc từ vài trăm đến hàng nghìn vòng trên phút. Cấu tạo của thiết bị này được thể hiện trên hình 1-2. Hình 1-2 Thiết bị tạo nhũ tương khiểu cánh khuấy Thiết bị tạo nhũ tương kiểu cánh khuấy có thể làm việc liên tục hoặc theo mẻ để tạo nhiên liệu nhũ tương. Khả năng tạo được nhiên liệu nhũ tương với kích thước hạt nhỏ nhất từ 60μm đến 70μm. Ưu điểm cơ bản của thiết bị này là có cấu tạo đơn giản, hoạt động với độ tin cậy cao và không tốn nhiều năng lượng. Thiết bị cũng có thể tạo nhiên liệu nhũ tương theo mẻ hoặc liên tục phù hợp với mục đích cấp nhiên liệu cho động cơ diesel thủy. 1.2.2.2 Thiết bị dạng micro bong bóng tạo nhiên liệu nhũ tương Nguyên tắc của thiết bị tạo nhũ tương dạng micro bong bóng là kết hợp của nguyên lý nghiền với những bong bóng khí được tạo siêu nhỏ. Sau đó các bong bóng này tự vỡ do vào vùng áp suất thấp, qua đó nhờ hiệu ứng vỡ bong bóng sẽ xé các hạt
9 chất lỏng thành các hạt siêu nhỏ để tạo nhiên liệu nhũ tương với chất lượng cao. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của thiết bị dạng này được thể hiện trên hình 1-3. Hình 1-3 Nguyên lý hoạt động của T/B tạo nhiên liệu nhũ tương Nguyên lý tạo nhũ tương ở đây dựa trên nguyên tắc cộng hưởng xâm thực (cavitation resonance) khi bơm ly tâm cấp không khí qua van tạo micro bong bóng. Chính hiện tượng cộng hưởng xâm thực sẽ tạo kết hợp các hiện tượng như ứng suất cắt, lực tác động tương tự cánh khuấy, nén và ly tâm. Nhiên liệu nhũ tương được tuần hoàn nhiều lần qua thiết bị tạo nhũ tương, nên chất lượng nhiên liệu nhũ tương rất cao. Trên hình 1-4 cho thấy hình ảnh thật của hệ thống tạo nhiên liệu nhũ tương dạng này.