Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật cơ khí động lực: Nghiên cứu sử dụng dầu diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:147

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của đề tài là phân tích lựa chọn nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá da trơn sử dụng cho động cơ diesel tàu cá; đánh giá sự thay đổi các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel tàu cá khi sử dụng nhiên liệu biodiesel; đề xuất công nghệ chuyển đổi hệ thống nhiên liệu và các khuyến cáo cần thiết khi sử dụng nhiên liệu biodiesel cho động cơ diesel tàu cá.

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 dầu diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG _____________________ HỒ TRUNG PHƯỚC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DẦU DIESEL SINH HỌC TỪ MỠ CÁ DA TRƠN CHO ĐỘNG CƠ CỦA PHƯƠNG TIỆN KHAI THÁC THỦY SẢN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÁNH HÒA – 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG ______________________ HỒ TRUNG PHƯỚC NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DẦU DIESEL SINH HỌC TỪ MỠ CÁ DA TRƠN CHO ĐỘNG CƠ CỦA PHƯƠNG TIỆN KHAI THÁC THỦY SẢN Ngành đào tạo: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS PHAN VĂN QUÂN 2. PGS.TS TRẦN GIA THÁI KHÁNH HÒA – 2019
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Nha Trang Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Phan Văn Quân, Trường ĐH Giao thông Vận tải Tp Hồ Chí Minh 2. PGS.TS Trần Gia Thái, Trường ĐH Nha Trang Phản biện 1: PGS.TS Vũ Ngọc Khiêm, trường ĐH Công nghệ Giao thông vận tải Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Hoàng Vũ, Học viện Kỹ thuật Quân sự Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Lê Duy Khải, Trường ĐH Bách khoa Tp.HCM
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan mọi kết quả nghiên cứu của đề tài: “Nghiên cứu sử dụng dầu Diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản” là công trình nghiên cứu của riêng tôi và chưa từng được công bố trong bất cứ công trình khoa học nào khác cho tới thời điểm này. Khành Hòa, ngày tháng 6 năm 2019 Tác giả luận án Hồ Trung Phước i
LỜI CẢM ƠN Xuất phát từ niềm đam mê nghiên cứu khoa học, đặc biệt là lĩnh vực nghiên cứu về tàu cá. Ngay từ khi còn là sinh viên trường Đại học Hàng Hải những năm 80, bản thân tôi luôn gắn bó với công việc trên và với niềm đam mê đó, tôi lựa chọn đề tài luận án này. Trong suốt thời gian thực hiện luận án, tôi luôn nhận được sự giúp đỡ của Ban Giám hiệu, quý Phòng, Khoa của Trường Đại học Nha Trang. Đặc biệt là sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Phan Văn Quân, PGS.TS Trần Gia Thái, đã truyền thụ kiến thức và tạo mọi điều kiện để tôi hoàn thành công trình nghiên cứu. Qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến sự giúp đỡ này. Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Khoa Kỹ thuật Giao thông Trường Đại học Nha Trang và Khoa Kỹ thuật Tàu thủy Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành Phố Hồ Chí Minh, đã cung cấp thông tin, tài liệu và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận án. Xin chân thành cảm ơn cán bộ và nhân viên Sở Khoa học Công nghệ của các tỉnh khu vực miền Nam Trung Bộ và đồng bằng sông Mê Kông đã hỗ trợ về nhân lực, cung cấp thông tin cần thiết và trang thiết bị để quá trình thực nghiệm được hoàn thành. Tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, cơ quan và các đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu thực hiện luận án. Xin chân thành cảm ơn! Khánh Hòa, ngày tháng 6 năm 2019 Tác giả luận án Hồ Trung Phước ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN.............................................................................................................. i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................................................iii DANH MỤC KÍ HIỆU...........................................................................................................vii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................................... x DANH MỤC CÁC BẢNG ....................................................................................................xii DANH MỤC CÁC HÌNH .....................................................................................................xiii TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN ................................................. xv MỞ ĐẦU ................................................................................................................................... 1 1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI............................................................................................. 1 2. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 2 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU ................................................................... 3 3.1. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................................ 3 3.2. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................................... 3 4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 3 5. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ TÍNH THỰC TIỄN CỦA LUẬN ÁN................................ 3 5.1. Ý nghĩa khoa học ............................................................................................................... 3 5.2. Tính thực tiễn của luận án ................................................................................................. 4 6. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ....................................................................................... 4 6.1. Nghiên cứu lý thuyết.......................................................................................................... 4 6.2. Nghiên cứu thực nghiệm ................................................................................................... 4 7. KẾT CẤU LUẬN ÁN .......................................................................................................... 4 8. NHỮNG HẠN CHẾ CỦA LUẬN ÁN ............................................................................... 5 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL VÀ LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ NGHIÊN CỨU...................................................................................................... 6 1.1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học và biodiesel ................................................................ 6 1.2. Tình hình nghiên cứu sử dụng biodiesel trên Thế giới và tại Việt Nam ................ 14 1.2.1. Trên Thế giới ................................................................................................................. 14 1.2.2. Tại Việt Nam ................................................................................................................. 18 1.3. Cơ sở lựa chọn động cơ diesel làm máy chính tàu cá phục vụ nghiên cứu ................. 24 1.4. Kết luận chương 1 ............................................................................................................ 27 iii
Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TOÁN MÔ TẢ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU BIODIESEL ĐẾN CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC CHỦ YẾU CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL ............................................................................................................... 29 2.1. Các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel ........................................................ 29 2.1.1. Công suất của động cơ.................................................................................................. 30 2.1.2. Hiệu suất ........................................................................................................................ 31 2.1.3. Tiêu hao nhiên liệu ....................................................................................................... 32 2.1.4. Phát thải khí xả .............................................................................................................. 33 2.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel................................................................................ 34 2.2.1. Nhiệt trị .......................................................................................................................... 34 2.2.2. Độ nhớt và khối lượng riêng ........................................................................................ 34 2.2.3. Sức căng bề mặt và tính bay hơi .................................................................................. 35 2.2.4. Nhiệt độ chớp lửa và nhiệt độ bốc cháy ...................................................................... 35 2.2.5. Nhiệt độ vẩn đục và nhiệt độ đông đặc ....................................................................... 35 2.2.6. Khả năng tự bốc cháy của nhiên liệu ........................................................................... 36 2.3. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến các thông số công tác chủ yếu của động cơ diesel ........................................................................................................................................ 37 2.3.1. Nhiên liệu biodiesel từ mỡ cá....................................................................................... 37 2.3.2. Ảnh hưởng của tính chất nhiên liệu biodiesel đến quá trình phun ............................ 41 2.3.3. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến quá trình cháy ............................................ 54 2.3.4. Ảnh hưởng của nhiên liệu biodiesel đến công suất và suất tiêu hao nhiên liệu........ 62 2.3.5. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải khí xả ............................................................ 62 2.3.5.1. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải bồ hóng...................................................... 62 2.3.5.2. Ảnh hưởng của biodiesel đến phát thải NOx............................................................ 64 2.3.5.3. Ảnh hưởng của biodiesel đến nhiệt độ khí xả .......................................................... 66 2.4. Kết luận chương 2 ............................................................................................................ 66 Chương 3. ĐÁNH GIÁ CÁC THÔNG SỐ CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL KHI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU B10 BẰNG MÔ PHỎNG SỐ ................................................... 67 3.1. Phương pháp mô phỏng trong nghiên cứu phát triển động cơ ...................................... 67 3.2. Xây dựng mô hình mô phỏng động cơ Cummins NTA855 sử dụng nhiên liệu B10 .... 68 3.2.1. Phần mềm mô phỏng mã nguồn mở CFD KIVA-3V ................................................ 68 3.2.2. Các phương trình chủ đạo trong tính toán của phần mềm CFD KIVA–3V ............. 73 3.2.3. Xác định các điều kiện để hiệu chỉnh mô hình mô phỏng ......................................... 76 iv
3.3. Kết quả mô phỏng ............................................................................................................ 79 3.3.1. Phun và hình thành hỗn hợp cháy................................................................................ 79 3.3.2. Sự biến thiên áp suất cháy trong xi lanh ...................................................................... 81 3.3.3. Biến thiên nhiệt độ và tốc độ tỏa nhiệt ........................................................................ 87 3.4. Kết luận chương 3 ............................................................................................................ 99 Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIODIESEL TỪ MỠ CÁ DA TRƠN CHO ĐỘNG CƠ DIESEL CUMMINS NTA855 CỦA TÀU CÁ . 100 4.1. Xác định phương pháp hòa trộn nhiên liệu giữa B100 với DO .................................. 100 4.1.1. Phương pháp hòa trộn trên đường ống (On line blending) ...................................... 100 4.1.2. Phương pháp hòa trộn trong đường ống (In line blending)...................................... 101 4.1.3. Phương pháp hòa trộn văng tóe (Splash blending) ................................................... 102 4.1.4. Phương pháp hòa trộn trung gian (Intermediate blends) .......................................... 102 4.1.5. Phương pháp hòa trộn khuấy ..................................................................................... 103 4.2. Bố trí thiết bị thực nghiệm............................................................................................. 105 4.2.1. Thiết bị thực nghiệm................................................................................................... 105 4.2.1.1. Động cơ thực nghiệm .............................................................................................. 105 4.2.1.2. Bộ phối trộn nhiên liệu ............................................................................................ 106 4.2.1.3. Bộ tiêu công suất (Dynometter) .............................................................................. 109 4.2.2. Sơ đồ bố trí thiết bị thực nghiệm ............................................................................... 112 4.3. Xây dựng chế độ và qui trình thực nghiệm .................................................................. 113 4.3.1. Chế độ thực nghiệm .................................................................................................... 113 4.3.2. Quy trình thực nghiệm................................................................................................ 114 4.4. Kết quả thực nghiệm trên động cơ Cummins NTA855 và đánh giá .......................... 115 4.4.1. Kết quả thực nghiệm................................................................................................... 115 4.4.1.1. Kết quả ghi nhận trong thời gian khoảng 10.000 chu kỳ làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO ....................................................................................... 116 4.4.1.2. Kết quả ghi nhận trong thời gian khoảng 20.000 chu kỳ làm việc của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 so với DO ....................................................................................... 117 4.4.2. Đánh giá kết quả thực nghiệm ................................................................................... 119 4.5. Kết luận chương 4 .......................................................................................................... 120 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................... 121 Kết luận: ................................................................................................................................. 121 Hướng phát triển: .................................................................................................................. 122 v
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.............. 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................... 124 TIẾNG VIỆT ......................................................................................................................... 124 TIẾNG ANH ......................................................................................................................... 125 WEBSITE .............................................................................................................................. 128 PHỤ LỤC vi
DANH MỤC KÍ HIỆU CHỮ LA TINH Ah : Diện tích mặt cắt lỗ phun, mm2 Cd : Hệ số giãn dòng của vòi phun, - cm : Vận tốc trung bình của piston, m/s cp : Nhiệt dung riêng đẳng áp, kJ/kg K cv : Nhiệt dung riêng đẳng tích, kJ/kg K D : Đường kính hạt nhiên liệu, mm Dc : Đường kính xy lanh, mm Dh : Đường kính khoang phun, mm D0 : Đường kính ban đầu của hạt nhiên liệu, mm dh : Đường kính lỗ phun, mm dp : Đường kính hạt bồ hóng, mm F : Gia tốc, m/s2 Fh,j : Thông lượng khuếch tán theo phương j, W/m2 g : Gia tốc trọng trường, m/s2 h : Enthalpy, kJ/kg K : Hệ số xâm thực lỗ phun, - k : Động năng rối, kJ/kg kA : Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, g/cm2s Pa kB : Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, g/cm2s Pa ki : Hằng số tốc độ phản ứng i của mô hình hình thành NOx kg/m3s kT : Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, g/cm2s kZ : Hằng số tốc độ phản ứng ô xy hóa bồ hóng, 1/Pa lb : Chiều dài phân rã tia phun, m lh : Chiều dài lỗ phun, mm md : Khối lượng hạt nhiên liệu, g mf : Lượng nhiên liệu cấp chu trình, g/ct minj : Tốc độ phun lưu lượng nhiên liệu, g/h : Số Avogadro, mol-1 NA : Số hạt rắn, 1/cm3 NP vii
n : Tốc độ động cơ, vòng/phút Oh : Số Ohnesorge, - pc : Áp suất trong xi lanh tại thời điểm phun nhiên liệu, bar pg : Áp suất của chất khí, bar pinj : Áp suất phun nhiên liệu, bar pv : Áp suất hóa hơi trong lỗ phun, bar QH : Nhiệt trị thấp của nhiên liệu, kJ/kgnl R : Hằng số khí lý tưởng, Jmol−1K−1 Reg : Số Reynolds pha khí, - Rel : Số Reynolds pha lỏng, - r : Bán kính hạt nhiên liệu, mm r : Tham số phương trình cháy, - rc : Bán kính tới hạn hạt nhiên liệu, mm rh : Bán kính cong đầu vào lỗ phun, mm ri : Tốc độ phản ứng hình thành và ô xy hóa bồ hóng thứ i - rsc : Hệ số hiệu chỉnh quá trình cháy khuếch tán, -  : Hệ số khuếch tán khối lượng, - S : Độ xuyên sâu tia phun, m Ss : Hành trình piston, mm s : Chỉ số thể hiện hàm nguồn, - sh : Nguồn năng lượng, J sij : Tenxơ tốc độ biến dạng, 1/s sm : Nguồn khối lượng, kg T : Nhiệt độ, K Ta : Số Taylor, - Tcyl : Nhiệt độ khối khí trong xi lanh, K Td : Nhiệt độ hạt nhiên liệu, K TKH : Thời gian phân rã hạt nhiên liệu, s Tw : Nhiệt độ vách xi lanh, K t : Thời gian s tb : Thời gian phân rã tia phun, s viii
tdur : Thời gian cháy, s u : Vận tốc hạt nhiên liệu theo các phương, m/s u’ : Các thành phần vận tốc mạch động, m/s vg : Vận tốc của dòng khí, m/s vl : Vận tốc ban đầu của tia phun nhiên liệu, m/s vrel : Vận tốc tương đối của hạt nhiên liệu và khí bao quanh m/s Weg : Số weber pha khí, - Wel : Số weber pha lỏng, - xi : Các tọa độ, m CHỮ HY LẠP Δp : Độ chênh áp (pinj – pc), bar Δθ : Thời gian phun nhiên liệu, độ ε : Động năng tiêu tán rối, kJ/kg s θ : Vùng không gian chiếm chỗ của các hạt nhiên liệu, - θs : Góc nón tia phun, độ λ : Tỷ lệ không khí/nhiên liệu, - µg : Độ nhớt động học chất khí, mm2/s µl : Độ nhớt động học chất lỏng, mm2/s d : Khối lượng riêng của hạt nhiên liệu, g/cm3 ρg : Khối lượng riêng chất khí, g/cm3 ρl : Khối lượng riêng chất lỏng, g/cm3 σl : Sức căng mặt ngoài chất lỏng, N/m τij : Các thành phần ứng suất, N/m2 φ : Góc quay trục khuỷu (góc cấp nhiên liệu toàn phần), độ φCD : Góc cháy trễ, độ φinj : Góc phun sớm, độ φSOC : Góc bắt đầu cháy, độ φSOI : Góc bắt đầu phun, độ ix
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ATDC : Sau điểm chết trên (After Top Death Center) BTDC : Trước điểm chết trên (Before Top Death Center) B5, B10, B15, : Biodiesel pha trộn với nhiên liệu Diesel ở tỷ lệ: 5%, 10%, 15% B100 : 100% Biodiesel BIO : Biodiesel BDJ : Biodiesel từ dầu jatropha (Biodiesel Jatropha) BDFC : Nhiên liệu biodiesel từ dầu dừa (Biodiesel Fuel Coconut) BDFW : Nhiên liệu biodiesel từ dầu ăn phế thải (Biodiesel Fuel Wasking) BSFC : Suất tiêu hao nhiên liệu có ích (Brake Specific Fuel Consumption ) CA : Góc quay trục khuỷu (Crank Angle) CFD : Động lực học lưu chất (Computational Fluid Dynamics) CV : Thể tích kiểm soát (Control Volume) ĐBSMK : Đồng bằng sông mê kông ĐCĐT : Động cơ đốt trong ĐTNĐ : Đường thủy nội địa DHNTB : Duyên hải Nam trung bộ DO : Nhiên liệu Diesel DI : Phun nhiên liệu trực tiếp (Direct Injection) EU : Châu Âu (Euro) FDM : Phương pháp sai phân hữu hạn (Finite Difference Method) FEM : Phương pháp phần tử hữu hạn (Finite Element Method) FVM : Phương pháp thể tích hữa hạn (Finite Volume Method ) gqtk : Góc quay trục khuỷu HTPNL : Hệ thống phun nhiên liệu Hp : Sức ngựa (Horse Power) IEA : Cơ quan năng lượng quốc tế (International Energy Agency) NLSH : Nhiên liệu sinh học NCS : Nghiên cứu sinh PM : Bồ hóng (Particulates Matter) RSO : Dầu cần sa ( Rick Simpson Oil) x
RME : Dầu hạt cải dầu (Rapeseed Oil Methyl Esters ) SO : Dầu đậu nành (Soybean Oil) SMD : Đường kinh trung bình hạt nhiên liệu (Sauder mean diameter) TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam Tp.HCM : Thành phố Hồ Chí Minh v/p : Vòng/ phút WCO : Dầu ăn phế thải (Wask Cooking Oil) xi
DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo ASTM D6751 ..........12 Bảng 1.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo EN 14214 .................13 Bảng 1.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 theo TCVN 7717 .............19 Bảng 1.4. Các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của biodiesel B100 ..........................................20 Bảng 1.5. Tổng hợp loại động cơ phổ biến theo vùng khảo sát ....................................25 Bảng 1.6. Loại động cơ được sử dụng phổ biến ...........................................................25 Bảng 1.7. Thông số kỹ thuật của một số động cơ diesel máy chính tàu cá ..................26 Bảng 2.1. So sánh chỉ tiêu kỹ thuật nhiên liệu biodiesl B100 dùng trong nghiên cứu với B100 theo tiêu chuẩn ...............................................................................................38 Bảng 2.2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của dầu mỡ cá B100 ....................................................39 Bảng 2.3. Các chỉ tiêu kỹ thuật nhiên liệu DO dùng trong nghiên cứu ........................40 Bảng 2.4. Kết quả phân tích dầu B5 (5% B100 + 95% dầu DO) ..................................40 Bảng 2.5. Kết quả phân tích dầu B10 (10% B100 + 90% dầu DO) ..............................41 Bảng 2.6. So sánh chỉ tiêu nhiên liệu B10 và DO .........................................................41 Bảng 2.7. Kết quả tính toán lý thuyết các thông số cơ bản của chùm tia nhiên liệu đối với nhiên liệu DO và B10 ..............................................................................................53 Bảng 2.8. Các hệ số mô hình Shell ...............................................................................60 Bảng 2.9. Các bước hình thành bồ hóng và tốc độ phản ứng ........................................64 Bảng 2.10. Các mô hình toán sử dụng trong chương 3 phục vụ mô phỏng ..................66 Bảng 3.1. Nội dung các pha tính toán ...........................................................................72 Bảng 3.2. Đặc tính động cơ Cummins NTA855 sử dụng nhiên liệu DO ......................77 Bảng 3.3. Thông số đầu vào của nhiên liệu mô phỏng .................................................77 Bảng 3.4. Hệ số hiệu chỉnh mô hình mô phỏng ............................................................78 Bảng 3.5. Mức độ giảm áp suất cháy của nhiên liệu B10 so với DO............................83 Bảng 3.6. Công suất khi động cơ sử dụng nhiên liệu DO và B10.................................84 Bảng 3.7. Suất tiêu hao nhiên liệu riêng khi động cơ sử dụng nhiên liệu .....................84 Bảng 3.8. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu riêng khi động cơ sử dụng nhiên liệu DO so với catalogue ......................................................................................................85 Bảng 3.9. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu khi động cơ sử dụng nhiên liệu B10 so với catalogue ..................................................................................................................86 Bảng 3.10. Mức độ giảm nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO ........................89 Bảng 3.11. Mức độ giảm NOx của nhiên liệu B10 so với DO ......................................93 Bảng 3.12. Mức độ giảm bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO ................................96 Bảng 4.1. Đánh giá sự thay đổi chỉ tiêu công tác của động cơ khi sử dụng................119 xii
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ ester hóa ................................................................................................9 Hình 1.2. Quy trình cơ bản sản xuất dầu biodiesel từ mỡ cá ..........................................9 Hình 1.3. Quy trình sản xuất gián đoạn biodiesel dùng xúc tác kiềm ...........................10 Hình 1.4. Quá trình chuyển hóa biodiesel .....................................................................11 Hình 1.5. Biểu đồ tỷ lệ loại động cơ có dải công suất lớn hơn 300 CV ........................25 Hình 1.6. Động cơ Cummins NTA855..........................................................................27 Hình 1.7. Sơ đồ khối quá trình nghiên cứu ...................................................................28 Hình 2.1. Biến thiên áp suất cháy p, tốc độ phun nhiên liệu mf, tốc độ tỏa nhiệt Qn .............30 Hình 2.2. Sự phân rã của một tia phun nhiên liệu hình nón ..........................................43 Hình 2.3. Sự phát triển của tia phun trong quá trình phun ............................................44 Hình 2.4. Phân bố các chất lỏng (màu đen) và hơi (màu xám) của tia phun ................45 Hình 2.5. Tóm tắt cơ chế phân rã của tia nhiên liệu ......................................................48 Hình 2.6. Xâm thực và không xâm thực của dòng chảy trong lỗ vòi phun...................49 Hình 2.7. Sự phát triển tia phun theo thời gian. (Busch R., 2001) ................................51 Hình 2.8. Sơ đồ minh hoạ va chạm vách của tia phun hình nón ...................................52 Hình 3.1. Sơ đồ cấu trúc chương trình mã nguồn mở CFD KIVA-3V .........................70 Hình 3.2. Lưu đồ tính toán các pha trong mô phỏng.....................................................71 Hình 3.3. Bản vẽ piston và tọa độ buồng cháy động cơ Cummins NTA855 ................76 Hình 3.4. Lưới mô phỏng buồng cháy động cơ Cummins NTA855 .............................76 Hình 3.5. Đặc tính động cơ Cummins NTA855 ............................................................77 Hình 3.6. So sánh đường cong áp suất trong xi lanh khi chưa có cháy ........................78 Hình 3.7. Mô phỏng quá trình phun nhiên liệu của động cơ Cummins NTA855 .........79 Hình 3.8. Cấu trúc tia phun nhiên liệu B10 so với DO .................................................80 Hình 3.9. Sự phát triển tia phun của nhiên liệu theo thời gian ......................................80 Hình 3.10. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1200 v/p ..........81 Hình 3.11. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p ..........82 Hình 3.12. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p ..........82 Hình 3.13. Biến thiên áp suất cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p ..........82 Hình 3.14. Đặc tính công suất của động cơ sử dụng nhiên liệu B10 so với DO ...........83 Hình 3.15. Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu riêng của động cơ....................................84 Hình 3.16. Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO ........................85 Hình 3.17. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO ...86 Hình 3.18. Công suất của động cơ khi sử dụng nhiên liệu B10 và DO ........................87 Hình 3.19. Tốc độ tỏa nhiệt của các mẫu nhiên liệu .....................................................88 xiii
Hình 3.20. Biến thiên nhiệt độ cháy của nhiên liệu B10 so với DO .............................88 Hình 3.21. Biến thiên nhiệt độ với áp suất cháy của nhiên liệu B10 ............................89 Hình 3.22. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p ........90 Hình 3.23. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p ........90 Hình 3.24. Biến thiên nhiệt độ cháy trong xi lanh của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p ........91 Hình 3.25. Phân bố nhiệt độ của các mẫu nhiên liệu trong buồng cháy .......................92 Hình 3.26. Hình thành NOx của nhiên liệu B10 so với DO ..........................................92 Hình 3.27. Phân bố NOx trên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO ...................93 Hình 3.28. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p .......................................93 Hình 3.29. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p .......................................94 Hình 3.30. Phát thải NOx của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p .......................................94 Hình 3.31. Hình thành bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO ....................................95 Hình 3.32. Phân bố bồ hóngtrên mặt quan sát của nhiên liệu B10 so với DO ..............95 Hình 3.33. Phát thải NOx và bồ hóng của nhiên liệu B10 so với DO ở 1200 v/p .........96 Hình 3.34. Quy luật phát thải bồ hóng và NOx của nhiên liệu B10 theo tốc độ ............97 Hình 3.35. Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1400 v/p .................................97 Hình 3.36. Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1600 v/p .................................98 Hình 3.37. Phát thải bồ hóng của các mẫu nhiên liệu ở 1800 v/p .................................98 Hình 4.1. Bộ hòa trộn nhiên liệu trên đường ống ........................................................100 Hình 4.2. Bộ hòa trộn nhiên liệu trong đường ống .....................................................101 Hình 4.3. Phương pháp hòa trộn In-Line cho động cơ Cummins TNA855 ................105 Hình 4.4. Động cơ Cummins NTA855 lắp trên bệ thử ...............................................106 Hình 4.5. Sơ đồ hệ thống nhiên liệu DO và biodiesel song song sử dụng van 3 ngả .107 Hình 4.6. Bộ hòa trộn nhiên liệu bằng bơm bánh răng ...............................................108 Hình 4.7. Hệ thống hòa trộn và cấp dầu cho động cơ Cummins NTA855 .................109 Hình 4.8. Phanh thủy lực Dynomide ...........................................................................110 Hình 4.9. Giao diện đo dữ liệu của bộ đo Dyno max 2010 .........................................111 Hình 4.10. Sơ đồ bố trí thực nghiệm ...........................................................................112 Hình 4.11. Một số hình ảnh thử nghiệm động cơ Cummins NTA855 ........................116 Hình 4.12. Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B10 so với DO ghi nhận trong thời gian khoảng 10.000 chu kỳ làm việc của động cơ ..............................................................117 Hình 4.13. Kết quả thử nghiệm nhiên liệu B10 so với DO ghi nhận trong thời gian khoảng 20.000 chu kỳ làm việc của động cơ ..............................................................118 xiv
TÓM TẮT NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN Đề tài luận án: “Nghiên cứu sử dụng dầu Diesel sinh học từ mỡ cá da trơn cho động cơ của phương tiện khai thác thủy sản”. Ngành/Chuyên ngành: Kỹ thuật cơ khí động lực Mã số: 9520116 Nghiên cứu sinh: Hồ Trung Phước Khóa: 2013 Người hướng dẫn: PGS.TS. Phan Văn Quân PGS.TS. Trần Gia Thái Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Nha Trang Nội dung: 1) Đã xác định được một số thuộc tính của nhiên liệu B5, B10, B100 (biodiesel có nguồn gốc từ mỡ cá da trơn) dùng cho quá trình nghiên cứu. 2) Luận án đã sử dụng phần mềm KIVA-3V để xây dựng và hiệu chỉnh mô hình mô phỏng động cơ Cummins NTA 855, dùng để khảo sát ảnh hưởng của loại nhiên liệu sử dụng đến một số thông số nhiệt động trong buồng cháy, mức phát thải NOx, PM và một số thông số công tác của động cơ khi sử dụng B10. 3) Đã đánh giá được ảnh hưởng của B10 đến một số thông số vận hành cơ bản của động cơ Cummins NTA 855 bằng thực nghiệm và đề xuất công nghệ phối trộn nhiên liệu phù hợp cho máy chính tàu đánh cá. Người hướng dẫn Nghiên cứu sinh (Ký và ghi rõ họ tên) (Ký và ghi rõ họ tên) PGS.TS Phan Văn Quân PGS.TS Trần Gia Thái Hồ Trung Phước xv
Thesis title: “Research to Use of Catfish Fat Biodiesel for Diesel Engines of Fishing Ship" Mayor: Mechanical Power Engineering Major code: 9520116 PhD Cadidate: Ho Trung Phuoc Supervisor: Prof. Phan Van Quan Prof. Tran Gia Thai Education Institution: Nha Trang University Key Findings: 1) Defined some properties of B5, B10, B100 fuel (catfish fat biodiesel) used to research. 2) The thesis used KIVA-3V software to build and adjust the Cummins NTA 855 engine simulation model, which used to investigate the effect of fuel on some thermodynamic parameters in combustion chamber, NOx, PM emissions and some cycle parameters of engine when using B10 fuel. 3) Estimate the influence of B10 fuel on some basic operating parameters of Cummins NTA 855 engine by experiment and promote a suitable fuel mixing technology for diesel engines of fishing ship. PhD Cadidate Ho Trung Phuoc xvi
MỞ ĐẦU 1. LÝ DO THỰC HIỆN ĐỀ TÀI Trong xu hướng bảo vệ môi trường và giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu từ dầu mỏ của động cơ đốt trong đang ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm thì việc sử dụng nhiên liệu sinh học (NLSH) làm nguồn nhiên liệu thay thế đã và đang được các nước phát triển nghiên cứu, ứng dụng. Hiện nay, tại Mỹ, Anh Quốc, Đan Mạch, Hà Lan và một số nước khác thuộc châu Âu (EU) đã sử dụng thành công NLSH cho động cơ trong các ngành công nghiệp và giao thông. Nhiên liệu sinh học (biofuels), là loại nhiên liệu được sản xuất từ các hợp chất có nguồn gốc động thực vật. Như nhiên liệu chế xuất từ chất béo của động thực vật (mỡ động vật, dầu dừa, dầu cây hướng dương, dầu cây cọ dầu, dầu cây Jatropha...), ngũ cốc (lúa mì, ngô, lạc, đậu tương...), chất thải trong nông nghiệp (rơm, cây bắp...), sản phẩm thải trong công nghiệp (mùn cưa, sản phẩm gỗ thải...). So với nhiên liệu truyền thống dầu mỏ như khí đốt, than đá,... NLSH có nhiều ưu điểm nổi bật: - Thân thiện với môi trường: Do có nguồn gốc từ động thực vật nên hàm lượng khí gây ô nhiễm và hiệu ứng nhà kính trong khí thải của động cơ ít; - Nguồn nhiên liệu có khả năng tái sinh từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp, nên giảm sự lệ thuộc vào nguồn tài nguyên nhiên liệu không tái sinh truyền thống. Hiện nay có thể chia công nghệ sử dụng mỡ động vật và dầu thực vật làm nhiên liệu (với tỷ lệ thích hợp) cho động cơ diesel thành hai hướng chính: (1) Xử lý về mặt hoá học để mỡ động vật và dầu thực vật có được những tính chất tương đương với diesel dầu mỏ (DO). Dầu qua xử lý như vậy gọi là biodiesel. (2) Xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu DO. Trong phạm vi luận án này, NCS nghiên cứu theo hướng (1) Với lợi thế về điều kiện tự nhiên cho việc phát triển thủy hải sản tại Việt Nam, việc tận dụng nguồn nguyên liệu từ dầu mỡ cá để sản xuất Biodiesel là rất phong phú. Qua thực tế khảo sát ở khu vực đồng bằng sông Mê Kông (ĐBSMK), nghề nuôi trồng, chế biến và xuất khẩu cá da trơn đang đạt được các kết quả đáng khích lệ, theo số liệu của Hiệp hội chế biến và xuất khẩu thủy sản Việt Nam, sản xuất và xuất khẩu cá da trơn năm 2011 có sản lượng cá thu hoạch gần 1,2 triệu tấn, kim ngạch xuất khẩu đạt 1