Luận án thiết kế, chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ dầu do và đánh giá chất lượng thông qua mô phỏng

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 Mục đích, đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn Các nội dung đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặc điểm công tác động diesel thủy yêu cầu nhiên liệu dùng tàu 1.1.1 Những đặc điểm riêng biệt động diesel thủy 1.1.2 Nhiên liệu dùng cho động diesel tàu thủy 1.1.3 Những yêu cầu sử dụng nhiên liệu tiết kiệm ngăn ngừa ô nhiễm khí thải từ tàu 1.2 Nhiên liệu sinh học xu ứng dụng tàu thủy 11 1.2.1 Khái niệm chung 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 nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho tàu thủy 17 1.3.1 Tình hình nghiên cứu giới 17 1.3.2 Các nghiên cứu Việt Nam 21 1.3.3 Nhận xét, đánh giá 22 1.4 Cơ sở nghiên cứu luận án 23 1.5 Kết luận chương 27 -i- CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÒA TRỘN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA NHIÊN LIỆU TỚI Q TRÌNH CƠNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ 29 2.1 Tổng quan hòa trộn chất lỏng 29 2.1.1 Một số nguyên lý hòa trộn tiêu biểu 29 2.1.2 Một số thiết bị hịa trộn điển hình 30 2.2 Cơ sở lý thuyết tính tốn thiết bị hịa trộn phương pháp khuấy 33 2.2.1 Tính vận tốc tiếp tuyến chất lỏng thiết bị hòa trộn 33 2.2.2 Tính tốn cơng suất dẫn động cánh khuấy 35 2.2.3 Thời gian hòa trộn 37 2.3 Xây dựng sở lý thuyết thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục 39 2.3.1 Những thiết kế 39 2.3.2 Xây dựng phương pháp tính kích thước thiết bị hịa trộn liên tục 40 2.4 Cơ sở lý thuyết phương pháp đánh giá hiệu chỉnh thiết bị hòa trộn 45 2.4.1 Phương pháp mô số CFD 45 2.4.2 Phương pháp mô đồng dạng 47 2.5 Cơ sở lý thuyết đánh giá ảnh hưởng loại nhiên liệu đến hệ thống cấp nhiên liệu cho động diesel 49 2.5.1 Ảnh hưởng hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến áp suất phun 49 2.5.2 Ảnh hưởng hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến lưu lượng phun 50 2.5.3 Ảnh hưởng hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến thời điểm cấp cháy nhiên liệu 51 2.6 Mơ q trình cháy động diesel sử dụng hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel [11, 35] 52 2.6.1 Cơ sở lý thuyết 52 2.6.2 Mơ q trình cháy phần mềm GT-Power 58 2.7 Kết luận chương 61 CHƯƠNG 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 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 bước thiết kế 66 3.2.2 Vật liệu chế tạo vẽ thiết bị hòa trộn 72 3.3 Đánh giá chất lượng hịa trộn thiết bị mơ số CFD 72 3.4 Đánh giá chất lượng hòa trộn thiết bị thử nghiệm mơ hình đồng dạng 75 3.4.1 Tính tốn hệ số đồng dạng chế tạo thiết bị mơ hình 76 3.4.2 Thực thí nghiệm đánh giá phân tích 77 3.5 Kết mơ q trình cháy sử dụng với loại hỗn hợp nhiên liệu khác 79 3.6 Kết luận chương 88 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM 89 4.1 Mục đích, chế độ 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 hịa trộn liên tục 89 4.2.1 Cơ sở kĩ thuật 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 phịng 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 thực nghiệm 95 4.4.1 Kết thử nghiệm đánh giá chất lượng trộn 95 4.4.2 Kết thử nghiệm đánh giá hoạt động động 6LU32 sử dụng nhiên liệu hỗn hợp thiết bị hòa trộn liên tục tạo 97 4.4.3 Các kết thử nghiệm tàu Sao Biển 107 4.4 Kết luận chương 111 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 112 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 114 -iii- TÀI LIỆU THAM KHẢO 115 Tài liệu tham khảo tiếng Việt 115 Tài liệu tham khảo tiếng Anh 116 PHỤ LỤC MƠ PHỎNG Q TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH TỐN THIẾT BỊ HỊA TRỘN PL-1 1.1 Chương trình tính thơng số cơng tác động Matlab PL-1 1.1.1 Dữ liệu đầu vào PL-1 1.1.2 Chương trình tính PL-2 1.2 Mơ hình trình cháy động 6LU32 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 cấu phân phối khí (ValveCamConn) PL-10 1.2.4 Phần tử thông số chung động (Engine CrakTrain) PL-11 1.3 Chương trình tính trộn nhiên liệu liên tục Matlab PL-12 PHỤ LỤC NGHIÊN CỨU BỘ HÒA TRỘN TRÊN PHẦN MỀM FLUENT ANSYS PL-13 2.1 Qui trình nghiên cứu PL-13 2.2 Các bước PL-14 Bước 1: Xây dựng mơ hình 3D PL-14 Bước 2: Chia lưới PL-14 Bước 3: Lựa chọn phương pháp tính tốn mơ PL-15 Bước 4: Đặt điều kiện biên PL-15 Bước 5: Tiến hành tính tốn hiệu chỉnh điều kiện biên PL-17 Bước 6: Phân tích kết PL-17 PHỤ LỤC HÌNH ẢNH CHỤP MẪU HỊA TRỘN PL-18 PHỤ LỤC BẢN VẼ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ VÀ DẦU DIESEL (DO) PL-20 PHỤ LỤC MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM PL-30 5.1 Trang thiết bị thí nghiệm phịng thí nghiệm PL-30 5.2 Thử nghiệm tàu Sao Biển PL-36 -iv- DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Diễn giải 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 mơ động lực học dịng 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 DMX Dầu diesel nhẹ, dùng cho trường hợp cố DMA Dầu diesel loại 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 Vật liệu Thử nghiệm EEDI Chỉ số thiết kế lượng hiệu EEOI Chỉ số khai thác lượng hiệu SEEMP Đơn vị Hệ thống quản lý lượng hiệu tàu NLSH Nhiên liệu sinh học TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam -v- Hkt Chiều cao cột chất lỏng két trộn m Dkt Đường kính két trộn m dck Đường kính cánh khuấy m nck Tốc độ quay 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 trộn NP Hệ số công suất trộn PCT Công suất cần thiết cho trộn kW tm Thời gian cần thiết để hòa trộn s tr Thời gian chất lỏng lưu lại két trộn s QCL Lưu lượng hỗn hợp chất lỏng khỏi trộn m3/s Ne Công suất động diesel kW ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích D Đường kính xi lanh m S Hành trình piston m Vd Thể tích cơng tác xi lanh φ Góc quay trục khuỷu Rc Bán kính quay trục khuỷu m Lb Chiều dài truyền m S Chuyển vị tức thời piston m (A/F)s g/kW.h dm3 o GQTK Tỷ lệ khơng khí - nhiên liệu hỗn hợp cháy lý thuyết Tg Nhiệt độ trung bình khí cháy xi lanh K Tw Nhiệt độ trung bình 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 chất lỏng m2/s ρ Khối lượng riêng chất lỏng kg/m3 λ Hệ số kết cấu Fi Diện tích lỗ phun i Số lỗ phun vịi phun Fp Diện tích tiết diện ngang piston bơm cao áp EA Năng lượng kích hoạt cần thiết để tự cháy nhiên liệu %m/m m2 m2 kJ/mol Tỷ lệ phần trăm theo khối lượng -vii- DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân loại động diesel thủy [41] Bảng 1.2 Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41] Bảng 1.3 Thông số đặc trưng dầu diesel số (DO) [45] Bảng 1.4 Nhiên liệu tàu thủy theo tiêu chuẩn ISO 8217:2005 [41] Bảng 1.5 Hướng dẫn quản lý lượng hiệu tàu Cơ quan 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 diesel sinh học [32] 12 Bảng 1.9 Đặc tính nhiên liệu dầu diesel diesel sinh học [32] 13 Bảng 1.10 So sánh mức độ phát thải sử dụng B20 với dầu diesel 14 Bảng 1.11 Tính chất hóa lý 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 phận khuấy [10] 37 Bảng 2.2 Hệ số hình dạng định nghĩa 43 Bảng 2.3 Hệ số công suất Np loại cánh khuấy khác thơng số hình dạng [17, 19] 44 Bảng 2.4 Các phần tử mơ hình 60 Bảng 3.1 Các thơng số lý hóa nhiên liệu cần trộn 68 Bảng 3.2 Các thông số động HANSHIN 6LU32 69 Bảng 3.3 Các thơng số sau tính tốn thiết bị hịa trộn 71 Bảng 3.4 Kích thước hòa trộn kiểu cánh khuấy 72 Bảng 3.5 Các thơng số mơ hình thiết bị hòa trộn 77 Bảng 3.6 Thời gian hòa trộn theo tỷ lệ hòa trộn khác 78 Bảng 3.7 Nhiệt độ đơng đặc mẫu hịa trộn thử nghiệm 78 Bảng 3.8 So sánh kết mô thông số kỹ thuật động 85 Bảng 3.9 So sánh công suất suất tiêu hao nhiên liệu động 87 -viii- Bảng 4.1 Các thông số kĩ thuật phanh thủy lực Omega 1500 92 Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật thiết bị đo áp suất cháy cực đại Pz 94 Bảng 4.3 Kết kiểm tra hòa trộn mẫu thử nghiệm 96 Bảng 4.4 So sánh kết mô thông số kỹ thuật động 85 Bảng 4.5 So sánh công suất suất tiêu hao nhiên liệu động 87 Bảng 4.6 Giá trị áp suất cháy cực đại loại nhiên liệu khác 98 Bảng 4.7 So sánh giá trị áp suất cháy cực đại số liệu đo đạc thực tế số liệu theo mô 98 Bảng 4.8 Thời gian cháy trễ loại nhiên liệu khác 99 Bảng 4.9 Thời điểm bắt đầu cháy sớm nhiên liệu so với ĐCT 100 Bảng 4.10 Thời điểm áp suất phun nhiên liệu vào động 103 Bảng 4.11 Thời điểm giá trị cực đại áp suất phun nhiên liệu 103 Bảng 4.12 Lượng cấp nhiên liệu theo lý thuyết loại nhiên liệu 104 Bảng 4.13 Lượng cấp nhiên liệu theo đo đạc loại nhiên liệu 104 Bảng 4.14 Tiêu chuẩn NOx khí thải động diesel thủy [3] 106 Bảng 4.15 Hàm lượng chất NOx khí thải động diesel 6LU32 106 Bảng 4.16 Các thông số tàu động 108 Bảng 4.17 Thông số công tác ghi lại động 6L27BSH 108 Bảng 4.18 Tổng hợp 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 dầu DO thời gian từ 2010 - 2015 [38] 23 Hình 1.3 Đề xuất hệ thống cấp nhiên liệu với thiết bị hòa trộn liên tục để sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho động diesel thủy 26 Hình 2.1 Cơ chế tạo ứng suất để hịa trộn chất lỏng [25] 29 Hình 2.2 Thiết bị hịa trộn kiểu chữ S-thẳng 30 Hình 2.3 Các thiết kế khác hòa trộn tĩnh kiểu Kenics [50] 31 Hình 2.4 Thiết bị hịa trộn chất lỏng kiểu cánh khuấy 32 Hình 2.5 Mơ hình dịng chảy chất lỏng thiết bị khuấy [24] 33 Hình 2.6 Sơ đồ véc tơ vận tốc đầu mút cánh khuấy 34 Hình 2.7 Đồ thị mối quan hệ cơng suất trộn Re [10] 36 Hình 2.8 Sự sai khác nồng độ (Cf -Ci) 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 hòa trộn nhiên liệu liên tục 40 Hình 2.11 Mơ hình dịng chảy cánh khuấy loại tua bin cánh phẳng 41 Hình 2.12 Mơ hình động HANSHIN 6LU32 phần mềm GTPower 59 Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống hòa trộn liên tục 62 Hình 3.2 Các phần tử thiết bị hịa 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 hịa trộn 65 Hình 3.5 Sơ đồ q 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 tốn tính chọn kích thước thiết bị hịa trộn 70 Hình 3.8 Bản vẽ bố trí kết cấu két trộn 72 Hình 3.9 Mức độ hịa trộn 10% dầu cọ 73 Hình 3.10 Mức độ hịa trộn 20% dầu cọ 73 -x- 4.4.2.5 Đặc tính tỏa nhiệt động Trên hình 4.10 ghi lại lượng nhiệt tỏa nhiên liệu bị đốt cháy động diesel 6UL32 chế độ tải thử nghiệm (50% 75% tải) Hình 4.10 Nhiệt tỏa trình đốt cháy nhiên liệu Từ kết này, cho thấy: - Ở hai chế độ 50% 75% tải, lượng nhiệt tỏa dầu diesel xi lanh động cao giảm dần theo tỷ lệ dầu cọ hỗn hợp nhiên liệu pha trộn Sự khác biệt hoàn toàn phù hợp với diễn biến nghiên cứu lý thuyết - Ở chế độ tải lớn, thay đổi lượng nhiệt tỏa loại hỗn hợp nhiên liệu có tỷ lệ dầu cọ 10% khơng nhiều tương đương -105- 4.4.2.6 Hàm lượng chất độc hại khí thải động diesel Để đánh giá ảnh hưởng tới môi trường sử dụng nhiên liệu thay thế, cần xem xét kết đo đạc phân tích thành phần chất độc hại như: NOx, CO, CO2, HC, đặc biệt lưu ý đến thành phần NOx, thành phần gây ảnh hưởng lớn đến môi trường Về vấn đề này, Công ước MARPOL 73/78 Tổ chức Hàng hải Quốc tế đưa thành Phụ lục VI yêu cầu nước thành viên bước phải tuân thủ Phụ lục VI qui định mức giới hạn phát thải cho phép lớn động diesel thủy bảng 4.14 Bảng 4.14 Tiêu chuẩn NOx khí thải động diesel thủy [3] LOẠI ĐỘNG CƠ TIÊU CHUẨN QUI ĐỊNH VỀ NOx [g/kW.h] THEO IMO n