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

Chia sẻ: Tỉ Thành | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:134

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu: Xây dựng cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu diesel (DO) và dầu thực vật (dầu cọ) dùng cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ và sử dụng trên thực tế hỗn hợp nhiên liệu sinh học này cho các động cơ diesel thủy.

Chủ đề:

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

Lưu

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

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Trần Thế Nam
LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với các Thầy hướng dẫn khoa học: PGS. TSKH. Đặng Văn Uy và PGS. TS. Nguyễn Đại An, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, đã tận tình hướng dẫn về phương hướng, nội dung và phương pháp nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô, các nhà khoa học trong Khoa Máy tàu biển, Viện Cơ khí, Viện Khoa học và Công nghệ Hàng hải, Viện Nghiên cứu Phát triển, Trung tâm đào tạo và Tư vấn KHCN bảo vệ môi trường thủy thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ và hợp tác trong quá trình nghiên cứu. Tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động lực trong và ngoài Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã đọc và đóng góp nhiều ý kiến quý báu cho luận án. Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp, người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ cả về vật chất lẫn tinh thần để tác giả có thể hoàn thành được luận án.
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i MỤC LỤC........................................................................................................................ i DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... viii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................ x MỞ ĐẦU......................................................................................................................... 1 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................. 1 Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................................ 2 Các nội dung chính trong đề tài ...................................................................................... 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN........................................................................................... 4 1.1. Đặc điểm công tác của động cơ diesel thủy và những yêu cầu đối với nhiên liệu dùng trên tàu.................................................................................................................... 4 1.1.1. Những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy..................................... 4 1.1.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy................................................ 6 1.1.3. Những yêu cầu về sử dụng nhiên liệu tiết kiệm và ngăn ngừa ô nhiễm do khí thải từ tàu .......................................................................................................... 8 1.2. Nhiên liệu sinh học và xu thế ứng dụng trên tàu thủy .......................................... 11 1.2.1. Khái niệm chung về nhiên liệu sinh học ..................................................... 11 1.2.2. Diesel sinh học ............................................................................................ 11 1.2.3. Dầu thực vật nguyên gốc ............................................................................ 16 1.3. Tổng quan về nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho tàu thủy ..................... 17 1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................. 17 1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................... 21 1.3.3. Nhận xét, đánh giá ...................................................................................... 22 1.4. Cơ sở nghiên cứu của luận án ................................................................................ 23 1.5. Kết luận chương ..................................................................................................... 27 -i-
CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÒA TRỘN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU TỚI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ...................... 29 2.1. Tổng quan về hòa trộn chất lỏng............................................................................ 29 2.1.1. Một số nguyên lý hòa trộn tiêu biểu ........................................................... 29 2.1.2. Một số thiết bị hòa trộn điển hình ............................................................... 30 2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị hòa trộn bằng phương pháp khuấy.................... 33 2.2.1. Tính vận tốc tiếp tuyến của chất lỏng trong thiết bị hòa trộn ..................... 33 2.2.2. Tính toán công suất dẫn động cánh khuấy.................................................. 35 2.2.3. Thời gian hòa trộn ....................................................................................... 37 2.3. Xây dựng cơ sở lý thuyết thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục.................................. 39 2.3.1. Những căn cứ thiết kế ................................................................................. 39 2.3.2. Xây dựng phương pháp tính kích thước của thiết bị hòa trộn liên tục ....... 40 2.4. Cơ sở lý thuyết các phương pháp đánh giá và hiệu chỉnh thiết bị hòa trộn.......... 45 2.4.1. Phương pháp mô phỏng số CFD ................................................................. 45 2.4.2. Phương pháp mô phỏng đồng dạng ............................................................ 47 2.5. Cơ sở lý thuyết đánh giá ảnh hưởng của loại nhiên liệu đến hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ diesel .................................................................................................. 49 2.5.1. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến áp suất phun .................. 49 2.5.2. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến lưu lượng phun ............. 50 2.5.3. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến thời điểm cấp và cháy của nhiên liệu ............................................................................................................... 51 2.6. Mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel [11, 35] ................................................................................................................ 52 2.6.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 52 2.6.2. Mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm GT-Power ............................... 58 2.7. Kết luận chương .................................................................................................... 61 CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ - DẦU DO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THÔNG QUA MÔ PHỎNG.................. 62 3.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 62 3.1.1. Thiết bị cơ khí ............................................................................................. 62 3.1.2. Hệ thống tự động điều khiển....................................................................... 64 -ii-
3.2. Thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục ........................................................................... 65 3.2.1. Thực hiện các bước thiết kế ........................................................................ 66 3.2.2. Vật liệu chế tạo và bản vẽ thiết bị hòa trộn ................................................ 72 3.3. Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng mô phỏng số CFD....................... 72 3.4. Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng thử nghiệm mô hình đồng dạng 75 3.4.1. Tính toán hệ số đồng dạng và chế tạo thiết bị mô hình .............................. 76 3.4.2. Thực hiện thí nghiệm đánh giá và phân tích ............................................... 77 3.5. Kết quả mô phỏng quá trình cháy khi sử dụng với các loại hỗn hợp nhiên liệu khác nhau. ..................................................................................................................... 79 3.6. Kết luận chương ..................................................................................................... 88 CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ............................................................. 89 4.1. Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm ........................................................... 89 4.1.1. Mục đích ..................................................................................................... 89 4.1.2. Chế độ thử nghiệm ...................................................................................... 89 4.1.3. Đối tượng thử nghiệm ................................................................................. 89 4.2. Xây dựng tiêu chí thử nghiệm thiết bị hòa trộn liên tục ........................................ 89 4.2.1. Cơ sở kĩ thuật và pháp lý để xây dựng tiêu chí đánh giá ............................ 89 4.2.2. Các tiêu chí đánh giá phục vụ thử nghiệm.................................................. 90 4.3. Cơ sở vật chất phục vụ thử nghiệm tại phòng thí nghiệm ..................................... 91 4.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm ........................................................ 91 4.3.2. Các thiết bị đo phục vụ thử nghiệm ............................................................ 92 4.3.3. Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................ 95 4.4. Các kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 95 4.4.1. Kết quả thử nghiệm đánh giá chất lượng trộn ............................................ 95 4.4.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá sự hoạt động của động cơ 6LU32 sử dụng nhiên liệu hỗn hợp do thiết bị hòa trộn liên tục tạo ra .......................................... 97 4.4.3. Các kết quả thử nghiệm trên tàu Sao Biển................................................ 107 4.4. Kết luận chương ................................................................................................... 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 112 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.......................................................................................................... 114 -iii-
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 115 1. Tài liệu tham khảo tiếng Việt.................................................................................. 115 2. Tài liệu tham khảo tiếng Anh.................................................................................. 116 PHỤ LỤC 1. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH TOÁN THIẾT BỊ HÒA TRỘN............................................................................................. PL-1 1.1. Chương trình tính các thông số công tác của động cơ bằng Matlab .................. PL-1 1.1.1. Dữ liệu đầu vào ....................................................................................... PL-1 1.1.2. Chương trình tính .................................................................................... PL-2 1.2. Mô hình quá trình cháy động cơ 6LU32 trên phần mềm GT-Power ................. PL-8 1.2.1. Phần tử xi lanh (EngCylinder) ................................................................ PL-9 1.2.2. Phần tử vòi phun (InjProfileConn) ....................................................... PL-10 1.2.3. Phần tử cơ cấu phân phối khí (ValveCamConn) .................................. PL-10 1.2.4. Phần tử các thông số chung của động cơ (Engine CrakTrain) ............. PL-11 1.3. Chương trình tính bộ trộn nhiên liệu liên tục trên Matlab ............................... PL-12 PHỤ LỤC 2. NGHIÊN CỨU BỘ HÒA TRỘN TRÊN PHẦN MỀM FLUENT - ANSYS.................................................................................................................... PL-13 2.1. Qui trình nghiên cứu ........................................................................................ PL-13 2.2. Các bước chính ................................................................................................ PL-14 Bước 1: Xây dựng mô hình 3D ....................................................................... PL-14 Bước 2: Chia lưới ............................................................................................ PL-14 Bước 3: Lựa chọn phương pháp tính toán mô phỏng ..................................... PL-15 Bước 4: Đặt các điều kiện biên ....................................................................... PL-15 Bước 5: Tiến hành tính toán và hiệu chỉnh các điều kiện biên ....................... PL-17 Bước 6: Phân tích kết quả ............................................................................... PL-17 PHỤ LỤC 3. HÌNH ẢNH CHỤP MẪU HÒA TRỘN ........................................... PL-18 PHỤ LỤC 4. BẢN VẼ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ VÀ DẦU DIESEL (DO) ................................................................................................ PL-20 PHỤ LỤC 5. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ............................................................................. PL-30 5.1. Trang thiết bị thí nghiệm tại phòng thí nghiệm ............................................... PL-30 5.2. Thử nghiệm trên tàu Sao Biển ......................................................................... PL-36 -iv-
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải Đơn vị HC Hydrocarbon NG Khí thiên nhiên CNG Khí thiên nhiên nén CTL Than đá hóa lỏng GTL Khí hóa lỏng LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng Fluent Phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy FEM Phương pháp phần tử hữu hạn MDO Marine Distilated Oil – dầu chưng cất dùng cho tàu thủy MGO Marine gasoil - tương đương với dầu fuel oil số 2 DMX Dầu diesel nhẹ, dùng cho trường hợp sự cố DMA Dầu diesel đã được loại các tạp chất DMB Dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cao DMC Dầu diesel chứa nhiều tạp chất SVO Dầu thực vật dùng trực tiếp PPO Dầu thực vật nguyên gốc PO Dầu cọ IMO Tổ chức Hàng hải quốc tế GQTK Góc quay trục khuỷu ASTM Tiêu chuẩn Hoa Kỳ về Vật liệu và Thử nghiệm EEDI Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả EEOI Chỉ số khai thác năng lượng hiệu quả SEEMP Hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu NLSH Nhiên liệu sinh học TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam -v-
Hkt Chiều cao cột chất lỏng trong két trộn m Dkt Đường kính két trộn m dck Đường kính cánh khuấy m nck Tốc độ quay của cánh khuấy v/p Lck Chiều dài cánh khuấy m Zck Khoảng cách từ cánh đến đáy két m wck Bề rộng cánh khuấy m Bck Bề rộng cánh cản m Vkt Thể tích két trộn m3 NQ Hệ số lưu lượng bộ trộn NP Hệ số công suất bộ trộn PCT Công suất cần thiết cho bộ trộn kW tm Thời gian cần thiết để hòa trộn s tr Thời gian chất lỏng lưu lại trong két trộn s QCL Lưu lượng hỗn hợp chất lỏng ra khỏi bộ trộn m3/s Ne Công suất động cơ diesel kW ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g/kW.h D Đường kính xi lanh m S Hành trình piston m Vd Thể tích công tác của xi lanh dm3 o φ Góc quay trục khuỷu GQTK Rc Bán kính quay của trục khuỷu m Lb Chiều dài thanh truyền m S Chuyển vị tức thời của piston m (A/F)s Tỷ lệ không khí - nhiên liệu của hỗn hợp cháy lý thuyết Tg Nhiệt độ trung bình của khí cháy trong xi lanh K Tw Nhiệt độ trung bình của thành vách xi lanh K g Gia tốc trọng trường m/s2 R Hằng số khí lý tưởng J/kg.K -vi-
 Độ nhớt động lực học chất lỏng cSt v Độ nhớt động học của chất lỏng m2/s ρ Khối lượng riêng của chất lỏng kg/m3 λ Hệ số kết cấu Fi Diện tích của lỗ phun m2 i Số lỗ phun của vòi phun Fp Diện tích tiết diện ngang của piston bơm cao áp m2 Năng lượng kích hoạt cần thiết để tự cháy của nhiên EA kJ/mol liệu %m/m Tỷ lệ phần trăm theo khối lượng -vii-
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel thủy [41] 4 Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41] 5 Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) [45] 6 Bảng 1.4. Nhiên liệu tàu thủy theo tiêu chuẩn ISO 8217:2005 [41] 7 Bảng 1.5. Hướng dẫn quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu của Cơ quan 9 Đăng kiểm Lloyd (Anh) [44] Bảng 1.6. Tiêu chuẩn phát thải NOx [3] 10 Bảng 1.7. Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học [32] 12 Bảng 1.8. Đặc tính lý hóa của diesel sinh học [32] 12 Bảng 1.9. Đặc tính nhiên liệu của dầu diesel và diesel sinh học [32] 13 Bảng 1.10. So sánh mức độ phát thải khi sử dụng B20 với dầu diesel 14 Bảng 1.11. Tính chất hóa lý của các loại nhiên liệu [32] 16 Bảng 1.12. Đánh giá sử dụng diesel sinh học [27] 18 Bảng 2.1. Hệ số thực nghiệm Ck phụ thuộc vào dạng bộ phận khuấy 37 [10] Bảng 2.2. Hệ số hình dạng và định nghĩa 43 Bảng 2.3. Hệ số công suất Np đối với các loại cánh khuấy khác nhau và 44 các thông số hình dạng [17, 19] Bảng 2.4. Các phần tử chính của mô hình. 60 Bảng 3.1. Các thông số lý hóa của nhiên liệu cần trộn 68 Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của động cơ HANSHIN 6LU32 69 Bảng 3.3. Các thông số sau tính toán thiết bị hòa trộn 71 Bảng 3.4. Kích thước của bộ hòa trộn kiểu cánh khuấy 72 Bảng 3.5. Các thông số cơ bản của mô hình thiết bị hòa trộn 77 Bảng 3.6. Thời gian hòa trộn theo các tỷ lệ hòa trộn khác nhau 78 Bảng 3.7. Nhiệt độ đông đặc của các mẫu hòa trộn thử nghiệm 78 Bảng 3.8. So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ 85 Bảng 3.9. So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 87 -viii-
Bảng 4.1. Các thông số kĩ thuật cơ bản của phanh thủy lực Omega 1500 92 Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của thiết bị đo áp suất cháy cực đại Pz 94 Bảng 4.3. Kết quả kiểm tra hòa trộn các mẫu thử nghiệm 96 Bảng 4.4. So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ 85 Bảng 4.5. So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 87 Bảng 4.6. Giá trị áp suất cháy cực đại đối với các loại nhiên liệu khác 98 nhau Bảng 4.7. So sánh giá trị áp suất cháy cực đại giữa số liệu đo đạc thực 98 tế và số liệu theo mô phỏng Bảng 4.8. Thời gian cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau 99 Bảng 4.9. Thời điểm bắt đầu cháy sớm của nhiên liệu so với ĐCT 100 Bảng 4.10. Thời điểm và áp suất phun nhiên liệu vào động cơ 103 Bảng 4.11. Thời điểm và giá trị cực đại của áp suất phun nhiên liệu 103 Bảng 4.12. Lượng cấp nhiên liệu theo lý thuyết đối với mỗi loại nhiên 104 liệu Bảng 4.13. Lượng cấp nhiên liệu theo đo đạc đối với mỗi loại nhiên liệu 104 Bảng 4.14. Tiêu chuẩn về NOx trong khí thải động cơ diesel thủy [3] 106 Bảng 4.15. Hàm lượng chất NOx trong khí thải động cơ diesel 6LU32 106 Bảng 4.16. Các thông số cơ bản của tàu và động cơ chính 108 Bảng 4.17. Thông số công tác ghi lại của động cơ 6L27BSH 108 Bảng 4.18. Tổng hợp các số liệu đo 109 -ix-
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1. Phản ứng este hóa tạo diesel sinh học (biodiesel) [54] 12 Hình 1.2. So sánh giá dầu cọ và dầu DO trong thời gian từ 2010 - 2015 23 [38] Hình 1.3. Đề xuất hệ thống cấp nhiên liệu với thiết bị hòa trộn liên tục 26 để sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho động cơ diesel thủy Hình 2.1. Cơ chế tạo ứng suất để hòa trộn chất lỏng [25] 29 Hình 2.2. Thiết bị hòa trộn kiểu chữ S-thẳng 30 Hình 2.3. Các thiết kế khác nhau của bộ hòa trộn tĩnh kiểu Kenics [50] 31 Hình 2.4. Thiết bị hòa trộn chất lỏng kiểu cánh khuấy 32 Hình 2.5. Mô hình dòng chảy của chất lỏng trong thiết bị khuấy [24] 33 Hình 2.6. Sơ đồ véc tơ vận tốc ở đầu mút của cánh khuấy 34 Hình 2.7. Đồ thị mối quan hệ giữa công suất trộn và Re [10] 36 Hình 2.8. Sự sai khác nồng độ (Cf -Ci) trong két hòa trộn [24] 38 Hình 2.9. Thời gian trộn phụ thuộc vào hệ số Reynold [26] 38 Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo bộ hòa trộn nhiên liệu liên tục 40 Hình 2.11. Mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy loại tua bin cánh 41 phẳng Hình 2.12. Mô hình động cơ HANSHIN 6LU32 trong phần mềm GT- 59 Power Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống hòa trộn liên tục 62 Hình 3.2. Các phần tử cơ bản của thiết bị hòa trộn liên tục 63 Hình 3.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển cấp nhiên liệu 64 Hình 3.4. Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị hòa trộn 65 Hình 3.5. Sơ đồ quá trình thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục kiểu khuấy 67 Hình 3.6. Cánh khuấy dạng tua-bin cánh thẳng 68 Hình 3.7. Thuật toán tính chọn kích thước thiết bị hòa trộn 70 Hình 3.8. Bản vẽ bố trí kết cấu két trộn 72 Hình 3.9. Mức độ hòa trộn 10% dầu cọ 73 Hình 3.10. Mức độ hòa trộn 20% dầu cọ 73 -x-
Hình 3.11. Mức độ hòa trộn 30% dầu cọ 74 Hình 3.12. Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 50 v/p 74 Hình 3.13. Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 60 v/p 75 Hình 3.14. Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 70 v/p 75 Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý mô hình đồng dạng bộ hòa trộn liên tục 76 Hình 3.16. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN 79 6LU32 tại chế độ định mức Hình 3.17. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ 80 HANSHIN 6LU32 tại chế độ định mức Hình 3.18. Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ 80 HANSHIN 6LU32 tại chế độ định mức Hình 3.19. Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ 81 định mức Hình 3.20. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN 81 6LU32 tại chế độ 50% tải Hình 3.21. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ 82 HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải Hình 3.22. Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ 82 HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải Hình 3.23. Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ 83 50% tải Hình 3.24. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN 83 6LU32 tại chế độ 75% tải Hình 3.25. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ 84 HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải Hình 3.26. Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ 84 HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải Hình 3.27. Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ 85 75% tải Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm 91 Hình 4.2. Mẫu PO20 chụp qua kính hiển vi 96 Hình 4.3. Đồ thị áp suất cháy đo thực tế của động cơ 6LU32 97 -xi-
Hình 4.4. Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ 99 HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải Hình 4.5. Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ 100 HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải Hình 4.6. Thời điểm bắt đầu quá trình cháy nhiên liệu trong xi lanh 101 Hình 4.7. Thời điểm cháy lớn nhất trong xi lanh 101 Hình 4.8. Áp suất phun nhiên liệu 102 Hình 4.9. Sự sai khác lưu lượng phun so với nhiên liệu DO 104 Hình 4.10. Nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu 105 Hình 4.11. Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ diesel 107 6UL32 Hình 4.12. Đồ thị áp suất cháy với các loại nhiên liệu khác nhau 110 Hình PL1.1. Mô hình động cơ HANSHIN 6LU32 PL-8 Hình PL1.2. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xi lanh PL-9 Hình PL1.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun nhiên PL-10 liệu Hình PL1.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân PL-10 phối khí Hình PL1.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số PL-11 của động cơ Hình PL2.1. Đặt đặc tính 2 pha (dầu DO và dầu cọ) PL-15 Hình PL2.2. Đặt số vòng quay cho trục và cánh khuấy PL-16 Hình PL2.3. Đưa trị số của các tham số liên quan PL-16 Hình PL5.1. Các thiết bị tại Trung tâm nghiên cứu động cơ diesel thủy PL-30 Hình PL5.2. Hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu 16 kênh của hãng AVL PL-31 Hình PL5.3. Hệ thống thiết bị nghiên cứu quá trình công tác của động PL-31 cơ bằng hình ảnh VisioScope Hình PL5.4. Hệ thống thiết bị đo, kiểm soát khí thải AMA i60 R1 PL-32 Hình PL5.5. Hệ thống thiết bị hòa trộn nhiên liệu PL-32 Hình PL5.6. Thiết bị khuấy trộn thực tế PL-33 Hình PL5.7. Mô hình 3D của bộ hòa trộn đồng dạng PL-33 -xii-
Hình PL5.8. Mô hình đồng dạng bộ hòa trộn liên tục PL-34 Hình PL5.9. Các mẫu hòa trộn dầu cọ - DO theo các tỷ lệ dầu cọ khác PL-34 nhau trong hỗn hợp Hình PL5.10. Mẫu hòa trộn theo các tỷ lệ khác nhau và kiểm tra mức PL-34 độ đồng nhất qua kính hiển vi Hình PL5.11. Kiểm tra và chụp mẫu hòa trộn PL-35 Hình PL5.12. Tiến hành thử nghiệm động cơ 6LU32 làm việc với nhiên PL-35 liệu hòa trộn Hình PL5.13. Lắp đặt thiết bị trên tàu Sao Biển PL-36 Hình PL5.14. Thiết bị đo áp suất Pz của hãng Kistler, loại 2516A PL-36 Hình PL5.15. Đo áp suất Pz tại các xi lanh của động cơ chính 6L27BSH PL-36 -xiii-
MỞ ĐẦU Trong ngành hàng hải, đa số các tàu thương mại hiện nay đều sử dụng động cơ diesel làm thiết bị động lực để quay chân vịt, lai máy phát điện hoặc các thiết bị. Đây là hộ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch rất lớn và có mức phát thải cao ra môi trường khiến thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đều đang rất quan tâm. Một trong những dạng nhiên liệu thay thế có khả năng tái tạo và được đánh giá thân thiện với môi trường hiện nay là nhiên liệu sinh học. Dạng nhiên liệu này đã và đang được nghiên cứu, sử dụng rất rộng rãi cho động cơ đốt trong trên các phương tiện cơ giới đường bộ,... Trong lĩnh vực hàng hải, loại nhiên liệu này chủ yếu được sử dụng dưới dạng hòa trộn với nhiên liệu hóa thạch cho những động cơ thế hệ mới hoặc các động cơ được hoán cải đặc biệt. Hạn chế lớn nhất khi sử dụng nhiên liệu sinh học cho các động cơ diesel tàu thủy là sự tách lớp nhanh của hỗn hợp nhiên liệu do các thiết bị hòa trộn nhiên liệu theo mẻ tạo ra. Ở Việt Nam, cơ sở hạ tầng sản xuất diesel sinh học còn nhiều hạn chế, trong khi các quy định về quản lý còn chưa được thiết lập, khả năng sử dụng diesel sinh học còn nhiều khó khăn. Do đó, dầu thực vật nguyên gốc chưa qua quá trình este hóa đã và đang giành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước. Trên cơ sở nghiên cứu các bộ hòa trộn theo mẻ và các phương pháp công nghệ sử dụng nhiên liệu sinh học, đặc biệt là dầu thực vật nguyên gốc cho các động cơ diesel nói chung và diesel thủy nói riêng, đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn liên tục nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel cho động cơ diesel tàu thuỷ cỡ vừa và nhỏ” là một giải pháp rất khả thi và có tính ứng dụng cao. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn, mang tính cấp thiết, thời sự, phù hợp với định hướng phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài * Mục đích nghiên cứu Xây dựng cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu diesel (DO) và dầu thực vật (dầu cọ) dùng cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ và sử dụng trên thực tế hỗn hợp nhiên liệu sinh học này cho các động cơ diesel thủy. * Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu là các động cơ diesel thủy cỡ vừa và nhỏ, trong đó đối tượng trực tiếp là động cơ 6LU32 do hãng Hanshin (Nhật Bản) chế tạo. Đây là động cơ diesel thủy thế hệ cũ, với hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống đặc trưng dùng trên tàu thủy. -1-
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong khuôn khổ nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ với dầu diesel, sau đó nhiên liệu hỗn hợp được thử nghiệm làm nhiên liệu thay thế cho một động cơ diesel đặt tại phòng thí nghiệm và một động cơ diesel được lắp đặt trên tàu thủy. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết nhằm xây dựng được cơ sở khoa học tính toán thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục phù hợp cho từng động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ, đánh giá chất lượng hòa trộn nhiên liệu của thiết bị hòa trộn bằng mô phỏng số (phần mền chuyên nghiệp “Fluent-Ansys”) và chế tạo mô hình thử nghiệm theo phương pháp đồng dạng trong phòng thí nghiệm. Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành với thiết bị hòa trộn liên tục thiết kế riêng cho động cơ 6LU32 lắp đặt tại Phòng thí nghiệm hệ động lực tàu thủy để đánh giá ảnh hưởng của hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn tới sự làm việc của động cơ diesel tàu thủy. Thiết bị hòa trộn này cũng được lắp đặt thử nghiệm trên tàu nhằm kiểm tra khả năng áp dụng và kết nối thiết bị với hệ thống nhiên liệu hiện trang bị trên các tàu thực tế. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Việc xây dựng cơ sở khoa học thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel truyền thống cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ có ý nghĩa hết sức quan trọng. Đó chính là một trong các giải pháp để đưa nhiên liệu sinh học, nhiên liệu “sạch” xuống tàu và sử dụng cho các động cơ diesel thủy hiện có của Việt Nam mà không cần tiến hành hoán cải hay sửa chữa lớn đối với bản thân động cơ và hệ thống nhiên liệu. Điều này một mặt giúp cho các công ty vận tải thủy giảm đáng kể sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu nhiên liệu và mặt khác cũng làm giảm được phát thải các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để khẳng định thiết bị hòa trộn liên tục là giải pháp khả thi cho việc sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật – dầu diesel trên tàu thủy và khắc phục được những hạn chế của phương pháp cấp hỗn hợp nhiên liệu sinh học theo mẻ từ nguồn hòa trộn có sẵn trên bờ. Ngoài ra, cũng khẳng định sử dụng dầu thực vật nguyên gốc để trộn với dầu diesel sẽ mang lại hiệu quả kinh tế hơn so với sử dụng diesel sinh học (loại nhiên liệu sinh học có giá thành rất cao đã và đang được dùng phổ biến trên thế giới). Các kết quả của luận án có giá trị về phương pháp luận trong lĩnh vực cải tiến hệ thống cấp nhiên liệu của các động cơ diesel tàu thủy hiện có, để sử dụng nhiên liệu mới làm nhiên liệu thay thế ở điều kiện Việt Nam. Các nội dung chính trong đề tài Luận án được thực hiện với 113 trang thuyết minh và 5 phụ lục, bao gồm những nội dung chính sau: -2-
- Mở đầu - Chương 1: Tổng quan Trên cơ sở phân tích những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy và các yêu cầu đối với nhiên liệu dùng trên tàu, xem xét khả năng sử dụng loại nhiên liệu sinh học phù hợp, những công trình nghiên cứu về ứng dụng nhiên liệu sinh học trong lĩnh vực vận tải thủy và công nghệ đã được nghiên cứu dùng cho các động cơ diesel thủy, từ đó định hướng nội dung nghiên cứu của luận án. - Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hòa trộn và đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu tới quá trình công tác của động cơ Toàn bộ chương 2 tập trung vào phân tích cơ sở lý thuyết về hòa trộn và xây dựng cơ sở lý thuyết để thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục dầu thực vật – dầu diesel để tạo nhiên liệu hỗn hợp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thủy. Trong chương này cũng đưa ra cơ sở đánh giá sự ảnh hưởng của nhiên liệu đến hệ thống cấp nhiên liệu và quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ. - Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu cọ và dầu diesel Áp dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết của chương 2 để xây dựng thuật toán và chương trình tính toán thiết bị hòa trộn dầu thực vật – dầu diesel. Áp dụng phương pháp mô phỏng số (phần mềm Fluent-Ansys) và mô hình đồng dạng thu nhỏ nhằm phục vụ công tác đánh giá chất lượng trộn của thiết bị hòa trộn qua đó cũng cho phép hiệu chỉnh các thông số thiết kế của thiết bị nhằm đạt mức độ thiết kế tối ưu nhất. - Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm Với sự hỗ trợ của các hệ thống trang thiết bị thí nghiệm hiện đại, đồng bộ, có độ chính xác cao thuộc Phòng thí nghiệm hệ động lực, Khoa Máy tàu biển và tàu thực tập “Sao biển”, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, các kết quả thử nghiệm được phân tích và đánh giá, khẳng định về mặt kỹ thuật quá trình làm việc của thiết bị hòa trộn liên tục. - Kết luận và kiến nghị Phần này trình bày những đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực chuyên ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài. - Các phụ lục -3-
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1. Đặc điểm công tác của động cơ diesel thủy và những yêu cầu đối với nhiên liệu dùng trên tàu 1.1.1. Những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy Động cơ diesel lắp trên tàu thủy thường đảm nhận chức năng làm động cơ chính (lai chân vịt) hoặc động cơ phụ (động cơ lai máy phát điện hoặc các thiết bị phục vụ hệ động lực khác). Ngoài những đặc điểm cấu tạo chung, động cơ diesel thủy có nhiều đặc điểm riêng biệt so với các động cơ diesel lắp cố định hoặc trang bị trên các phương tiện vận tải đường bộ. Điều này xuất phát từ yêu cầu đặc biệt về tính năng, chế độ làm việc, điều kiện khai thác và lắp đặt, cũng như các quy định và luật định hiện hành. Trên thực tế, người ta phân loại động cơ diesel thủy theo vòng quay và công suất thành 3 loại như trên bảng 1.1. Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel thủy [41] LOẠI ĐỘNG CƠ DIESEL THÔNG SỐ KĨ THUẬT Cao tốc-4 kì Trung tốc-4 kì Thấp tốc-hai kì Tốc độ trung bình của > 8,5 6,5 ÷ 8,5 ≤ 6,5 piston [m/s] Tốc độ vòng quay trục 960- 3.000 400-1.000 50-250 khuỷu [v/p] Công suất [kW] Đến 5.000 500-30.000 1.500-100.000 Động cơ diesel dùng làm động cơ chính trên tàu thủy cần có công suất lớn, có khả năng hoạt động ổn định, tin cậy trong một thời gian dài, liên tục, trong môi trường thường xuyên thay đổi về các điều kiện vật lý (nhiệt độ, độ ẩm, ...) và hóa học (tỷ lệ muối trong không khí). Với những yêu cầu về an toàn, độ tin cậy và tính kinh tế đã được nêu tại Công ước về “An toàn sinh mạng trên biển - SOLAS 74” của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO), các động cơ diesel được sử dụng trên các tàu vận tải biển thường được thiết kế làm việc với vòng quay từ 50 v/p (động cơ hai kì công suất lớn) đến dưới 1500 v/p (động cơ bốn kỳ lai máy phát điện hoặc lai chân vịt ở các tàu cỡ nhỏ), còn các loại động cơ có vận tốc cao hơn như được phân loại tại bảng 1.1 có thể được lắp đặt trên các tàu cỡ nhỏ phục vụ mục đích du lịch hoặc các dịch vụ khác. Trong quá trình thiết kế và chế tạo, vòng quay công tác của động cơ sẽ quyết định thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ và theo đó là loại nhiên liệu thích hợp. Để thấy được bức tranh về loại nhiên liệu thích hợp với từng loại động cơ, trên bảng 1.2, lấy giá trị -4-
vòng quay của một số loại động cơ tiêu biểu để tính toán và cho thấy thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ phụ thuộc vào tốc độ làm việc của chúng [41]. Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41] LOẠI ĐỘNG CƠ Thông số 3000 v/p 1500 v/p 600 v/p 94 v/p Thời gian phun nhiên liệu 0,0016 0,0033 0,0083 0,044 / 30 0 GQTK/ [s] Số lần phun nhiên liệu trong 25 12,5 5 1,566 một giây Như vậy, theo số liệu như trên cho thấy: - Động cơ diesel tốc độ cao (từ 1500 -3000 v/p), thời gian cấp nhiên liệu vào động cơ rất ngắn và chỉ xảy ra trong vòng từ 0,0016 đến 0,0033 giây. Đối với loại động cơ này, nhiên liệu được sử dụng là dầu diesel nhẹ MGO (Marine Gas Oil) với chất lượng cao và giá thành tương đối đắt. Nếu sử dụng dầu nặng HFO (Heavy Fuel Oil) với chất lượng kém hơn sẽ gây ảnh hưởng xấu đến quá trình công tác của động cơ, bởi vì dầu nặng HFO cần thời gian bốc hơi dài hơn để hòa trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy hoàn chỉnh; - Đối với động cơ diesel tốc độ trung bình và thấp (từ 600 đến 94 v/p), thời gian cấp nhiên liệu sẽ dài hơn so với loại động cơ cao tốc và xảy ra từ 0,0083 đến 0,044 giây. Với đặc tính như vậy, động cơ diesel loại này có thể sử dụng được HFO với chất lượng và giá thành thấp hơn. Với những đặc điểm kĩ thuật như vậy, các động cơ diesel thủy thường khá “dễ tính” trong quá trình sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau, từ nhiên liệu chưng cất đến HFO. Thực tế, nhằm tăng tính kinh tế trong quá trình khai thác đối với động cơ diesel trung tốc và thấp tốc trên tàu, HFO thường được dùng chủ yếu. Nhiên liệu chưng cất có độ nhớt thấp thường được dùng trong các chế độ làm việc không ổn định, chế độ chuyển tiếp nhằm đảm bảo các thông số công tác động cơ. Mỗi một loại nhiên liệu đều có những tính chất đặc trưng riêng, đáp ứng yêu cầu của động cơ theo cấu tạo, sự hoạt động và khai thác động cơ như: tỷ trọng, nhiệt trị, độ nhớt, nhiệt độ đông đặc, nhiệt độ bén lửa, trị số Xê tan, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng nước v.v.. Chính vì vậy, các tàu vận tải biển thường dùng động cơ 2 kỳ thấp tốc (50  210 v/p) làm động cơ chính. Trong khi đó, các động cơ phụ thường dùng loại động cơ diesel 4 kỳ có hoặc không tăng áp, vòng quay cao. Với các loại tàu chuyên dụng như các tàu kéo, phà, tàu cá chạy biển, các loại động cơ diesel trung tốc và cao tốc (có thể >1500 v/p) được sử dụng rộng rãi làm động cơ chính. Hiện nay, ở Việt Nam có tới gần -5-