Nghiên cứu công nghệ, lựa chọn được thiết bị rửa – lọc và làm mát sản phẩm khí hóa từ nguyên liệu trấu nhằm đáp ứng yêu cầu cung cấp nhiên liệu khí cho động cơ đốt trong.. Tính toán, thi
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH THIẾT BỊ RỬA VÀ LÀM MÁT KIỂU
Tổng quát
Như đã đề cập trong phần giới thiệu tổng quan, bên cạnh hiệu quả về mặt làm mát sản phẩm khí hóa thì việc tính toán để thiết bị đạt được hiệu suất làm sạch tạp chất/bụi là điều quan tâm nhất của người thiết kế Một vấn đề nữa đặt ra khi thiết kế thiết bị đó là tính ổn định, hiệu quả trong vùng giá trị cho phép ở các điều kiện vận hành mà không cần nhiều thời gian “chết” cho việc bảo trì, bảo dưỡng thiết bị Đây là bài toán khó vì chưa có một công thức toán lý thuyết nào thật sự có thể đáp ứng thỏa mãn tuyệt đối cho vấn đề này [52] Thông thường, trong tính toán thiết kế thiết bị, người thiết kế có ba cách tiếp cận như sau:
- Một là: Sử dụng mối quan hệ thực nghiệm dựa trên số liệu kiểm tra vận hành của thiết bị
- Hai là: Sử dụng mô hình toán dựa trên các lý thuyết nền định lý (định luật) kỹ thuật
- Ba là: Sử dụng số liệu kiểm tra vận hành trên mô hình thử nghiệm
Nhà thiết kế có thể tiếp cận thiết kế theo ba hướng, với hướng đầu tiên thường dùng là sử dụng công thức, phương trình toán lý thuyết để xác định hướng thiết kế cơ bản, sau đó kết hợp hệ số và dữ liệu thông tin về các thiết bị tương tự để hoàn chỉnh thiết kế Một số công trình nghiên cứu hiệu suất hoạt động của thiết bị Venturi được thực hiện do tính ứng dụng rộng rãi của thiết bị này Hiệu suất làm sạch bụi của thiết bị Venturi đạt 80-95% đối với cỡ hạt lớn hơn 2m, trong khi hiệu suất lọc bụi của thiết bị Venturi loại Jet Venturi Scrubber lớn hơn 90%.
Hiệu suất thiết bị xem xét qua hiệu quả lọc bụi được tính toán bằng mô hình toán lý thuyết, thiết bị đạt được hiệu suất mong muốn khi giá trị mức độ tổn thất
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên áp suất là nhỏ nhất Từ mô hình dự đoán mức độ tổn thất áp suất và hiệu quả thiết bị làm tiền đề để tối ưu hiệu quả hoạt động của vòi phun Mức độ tổn thất áp suất và hiệu quả thiết bị chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố và ảnh hưởng phức tạp như vận tốc dòng khí, tỉ lệ lỏng – khí, yếu tố hình học của thiết bị, tỉ số diện tích các vùng trong thiết bị, đường kính cổ, chiều dài cổ, góc hội tụ và góc phân kỳ, áp suất vận hành, tính chất của dòng khí và dòng lỏng (nhiệt độ, nồng độ, độ khuếch tán,…), tương tác giữa các dòng lưu chất, thay đổi thành phần lưu chất [29],[35]
Trong đề tài tác giả sử dụng cách tiếp cận sử dụng mô hình toán lý thuyết để tính toán kích thước hình học thiết bị, sau đó thiết kế chế tạo, chạy thử nghiệm trên mô hình vật lý và hiệu chỉnh.
Tính toán thiết bị rửa khí và làm mát kết hợp
Phụ tải phát điện chọn để thiết kế là Ppt = 5,5 kW
Năng lượng N cần thiết từ lò hóa khí cung cấp cho động cơ kéo máy phát điện sẽ được tính theo công thức 3, 6. dc
Trong đó hiệu suất nhiệt của động cơ là dc 12%[30]
Lượng trấu tiêu thụ trong 1 giờ là Gt:
Llv – nhiệt trị thấp của trấu, Llv = 11,350 MJ/kg [25]
3.2.1.2 Tính lượng khí ga thoát ra khỏi buồng phản ứng
Lưu lượng không khí cấp vào lò hóa khí được tính từ tỉ số tương đương
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên tt lt
Qtt – lưu lượng gió thực tế để đốt cháy hoàn toàn 1 kg trấu, kg KK;
Qlt – lưu lượng gió lý thuyết để đốt cháy 1 kg trấu, kg KK
Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1 kg trấu là Qlt = 4,8 kg KK/kg trấu hay 4 m 3 KK/kg trấu
Theo [48], kết quả thí nghiệm với trấu tìm được tỷ số tương đương ER = 0,25 –
0,35 ứng với tốc độ hóa ga SGR = 100 – 200 kg.h -1 m -2 Lượng trấu hóa khí trên mặt cắt ngang lò trong thời gian một giây:
Lượng gió lý thuyết qua mặt cắt ngang lò
Lượng gió thực tế qua mặt cắt ngang lò thay đổi trong khoảng
ER 0, 25.0, 01939 4,847.10 / ER 0,35.0, 01939 6, 787.10 / tt lt tt lt
Vậy lưu lượng không khí cấp vào lò thực tế trong khoảng
Q tt kgKK s(tương đương 14,54 – 20,36 m 3 /h) Nhiệt lượng cần thiết cung cấp của lò hóa khí N = 165 MJ/h Nhiệt trị thấp của sản phẩm khí ở điều kiện t0 % 0 C và áp suất 1atm là L lvg 2,8 5, 6 MJ/m 3 [48], trong tính toán ta chọn Llvg = 3MJ/m 3 Lượng sản phẩm khí sinh ra trong một giờ ở nhiệt độ t0 = 25 0 C
Sản phẩm khí đi ra khỏi lò hóa khí vào thiết bị rửa và làm mát có nhiệt độ trung bình là 300 0 C (áp suất xem như không đổi)
Lưu lượng khí trước khi vào thiết bị rửa và làm mát khí tỉ lệ thuận với áp suất khí (không đổi) và nhiệt độ tuyệt đối T Cụ thể, lưu lượng khí sẽ tăng khi áp suất hoặc nhiệt độ tuyệt đối tăng, và ngược lại.
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên Trong đó:
T0 – nhiệt độ tuyệt đối ở to % 0 C, T0 = 25 + 273,15 = 298,15K Tk – nhiệt độ tuyệt đối ở tk = 300 0 C, Tk = 300 + 273,15 W3,15K Để đảm bảo thiết kế thiết bị rửa và làm mát đáp ứng công suất, ta chọn hệ số khí: k =1,3 Vậy lưu lượng khí qua thiết bị:
3.2.2 Tính toán kích thước thiết bị Venturi
Thiết bị Venturi bao gồm ba phần chính: ống thu hẹp, ống có tiết diện không đổi và ống khuếch tán (ống loe) hay có thể gọi các phần tương ứng bằng thuật ngữ: phần ống hội tụ, phần cổ ống có tiết diện không đổi và phần ống phân kì Phần hội tụ dùng để tăng tốc độ dòng khí khi qua thiết bị, phần cổ ống cổ ống có hình dạng tròn hoặc chữ nhật kết nối phần ống hội tụ và phần ống phân kì, nơi đây xảy ra sự tương tác giữa dòng lỏng lưu chất phun vào và dòng khí, phần ống phân kì có chức năng giảm tốc dòng khí Để thiết kế hoàn chỉnh thiết bị Venturi yêu cầu người thiết kế phải xác định được thông số kích thước của đường kính cổ thiết bị, kích thước phần hội tụ và phần phân kì phụ thuộc vào kích thước đường kính cổ [6]
Hình 3.1 Dạng thiết bị rửa và làm mát khí kiểu Venturi Đường kính cổ thiết bị được xác định qua công thức tương quan giữa lưu lượng dòng khí di chuyển qua và vận tốc dòng khí di chuyển qua vùng cổ thiết bị
Lưu lượng dòng khí được xác định theo công suất hóa khí của lò phản ứng trấu hóa khí liên tục, trong khi đó vận tốc dòng khí là thông số công nghệ cần xác định
Theo [36], vận tốc dòng khí tối ưu khi di chuyển qua cổ thiết bị trong khoảng giá trị 70-90 m/s, đồng thời theo [36] khi nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc dòng khí
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên đến hiệu suất lọc bụi có đường kính hạt trong dải 0 5 m thì thay đổi vận tốc từ 40 – 60m/s thì hiệu suất làm sạch của thiết bị tăng lên từ 93 – 98% Do đó, các thông số tác giả chọn thiết kế là kế thừa dải các giá trị tối ưu từ các nghiên cứu của nhiều tác giả đã công bố trước để tính toán kích thước thiết bị hợp lý theo công suất mục tiêu và đáp ứng theo ứng dụng đề tài đang nghiên cứu, sau đó dùng các mô hình toán lý thuyết kết hợp thực nghiệm kiểm tra lại hiệu suất lý thuyết đạt được của thiết bị Các thông số tác giả sử dụng để tính toán được thể hiện chi tiết qua Bảng 3.1
Bảng 3.1 Giá trị các thông số sử dụng tính toán
Thông số Đơn vị Giá trị Trích dẫn Đường kính hạt trung bình
m 5 Mark Omara [36] ft 1,64.10 -5 Độ lệch hình học 2,5 Mark Omara [36]
Tỉ lệ lỏng khí (L/G), không thứ nguyên m 3 /1000m 3 1,3 Mark Omara [36]
Vận tốc dòng khí qua cổ thiết bị m/s 70 Mark Omara [36] ft/s 246
Lưu lượng dòng khí cần làm sạch m 3 /s 0,038
3.2.2.1 Tính toán tiết diện cổ ống Venturi
Qtt- Lưu lượng trong hệ thống hóa khí, m 3 /s;
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên vgt- Vận tốc đi trong cổ ống Venturi, m/s Đường kính của cổ ống Venturi:
3.2.2.2 Tính toán các kích thước của ống Venturi
Chiều dài cổ ống Venturi
Nếu cổ ống Venturi quá dài thì sẽ gây nên tổn thất áp suất cao và hiệu quả của bộ lọc sẽ giảm xuống, nếu cổ ống quá ngắn thì sẽ không cho phép giọt chất lỏng tơi ra theo vận tốc với chất khí và làm giảm hiệu suất mong muốn Chiều dài ống trụ bằng 0,15 – 0,5 đường kính cổ ống [6] Ta chọn l0, 5D
Tính kích thước phần ống hội tụ
Góc hội tụ (góc nhọn hợp bởi 2 đường sinh của ống hội tụ) nằm trong khoảng 25 o 28 o [6], ta chọn góc hội tụ này là: 1 25 o Và chiều dài đoạn hội tụ l ht 3.D
Suy ra: l ht 3.D3.27 81 mm. Vậy đường kính ống hội tụ là:
Tính kích thước phần ống phân kì
Góc phân kì (góc hợp bởi 2 đường sinh của ống phân kì) nằm trong khoảng
6 o 7 o [6], ta chọn góc phân kì này là: 2 7 o Đường kính cuối ống phân kì:
Vậy chiều dài của ống phân kì là:
Chiều dài đoạn ống nối với ống dẫn khí
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên Đây là đoạn ống hình trụ có đường kính bằng với đường kính đoạn hội tụ:
Đường kính ống dẫn khí vào và ra khỏi Venturi
Chọn vận tốc trong đường ống dẫn khí 30 m/s [5] nên ta có tiết diện đường ống dẫn khí như sau:
1, 267.10 30 tt duong ong duong ong
Đường kính ống dẫn khí:
Chọn đường kính theo tiêu chuẩn Dduongong = 42mm
Lưu lượng nước ra khỏi vòi phun
7, 06.10 70 voi phun voi phun voi phun
Đường kính của vòi phun:
Tính toán hiệu suất lý thuyết lọc bụi tổng của thiết bị
Áp dụng công thức tính hiệu suất của Johnstone
L G η = 1 - exp (-k(Q /Q ) ψ)Tính toán đường kính giọt nước trung bình với vận tốc đi qua cổ ống v = 70 m/s
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
Hay dd = 3,85.10 -4 ft Tính toán thông số ảnh hưởng do quán tính Ta có:
C ρ v(d ) ψ = 18d μ d - Kích thước trung bình của hạt; p ρ - Khối lượng riêng của bụi tro khô nằm trong khoảng p 0,57 0,65g/cm 3 [51]
Ta chọn ρ =0,57g/cm p 3 hay ρ = 35,6 lb/ft p 3 ;
Thay các kết quả tính toán vào công thức tính hiệu suất:
Hiệu suất là một hàm với biến là thông số của bụi sau khi ra khỏi lò d Từ bảng pi thành phần bụi trong sản phẩm khí (Bảng 2.6) ta tính ra hiệu suất tổng của ống Venturi, hiệu suất lọc đối với từng cỡ hạt khác nhau được thể hiện qua các giá trị trong Bảng 3.2
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
Bảng 3.2 Hiệu suất thu bụi cho từng loại kích thước hạt Đường kính bụi d p Phần trăm khối lượng w i ; %
Hiệu suất cho từng hạt i , w i i ; %
Vậy tổng hiệu suất của ống venturi: w i i i
Trong đó: k- Hệ số lọc k nằm trong khoảng 0,1 - 0,2 Ta chọn k=0,15;
Q Q - Tỉ lệ lỏng khí khi đi qua ống Venturi;
- Thông số ảnh hưởng do quán tính;
- Độ nhớt của sản phẩm khí ở nhiệt độ trung bình 250 C o là
Tính toán trao đổi nhiệt trong thiết bị
Theo công tính tổn thất áp suất:
Trong đó: vgt- Vận tốc đi qua cổ ống venturi, cm s/ ;
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
Q Q - Tỉ lệ lỏng – khí trong ống venturi, l m/ 3
3.4.2 Nhiệt độ khí ra khỏi ống Venturi
Dựa vào sự trao đổi nhiệt giữa nước và sản phẩm khí mang nhiệt độ cao qua thiết bị venturi Ta có phương trình cân bằng nhiệt lượng nước – khí, nước nhận nhiệt và khí thải nhiệt:
Qn- Nhiệt lượng của nước nhận vào, kJ;
Qk- Nhiệt lượng của khí thải ra, kJ;
Gk- Lưu lượng khối lượng khí vào, kg/s;
(tại nhiệt độ sản phẩm khí trung bình 250 o C, có ρ =0,6825kg/m ) k 3 Gn- Lưu lượng nước vào, ta có G = 0,049 m /s ; n 3
Tại nhiệt độ khảo sát, nhiệt dung riêng của khí là 1,1095 kJ/kgK và của nước là 4,2 kJ/kgK Nhiệt độ của khí và nước khi ra khỏi hệ thống là tk2 và tn2, trong khi nhiệt độ khi vào hệ thống là tk1 = 250oC và tn1 = 30oC Khi áp dụng phương trình cân bằng nhiệt, ta có thể tính được nhiệt độ tk2 của khí khi ra khỏi hệ thống.
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG TIỆN
Dụng cụ và thiết bị đo
Để xác định các biến đầu vào và hàm mục tiêu (đầu ra) ta sử dụng các dụng cụ và thiết bị đo sau đây:
4.1.1 Dụng cụ đo nhiệt độ khí
Sử dụng nhiệt kế điện tử: Thermometer FT 1300-2 (Hình 4.1) Với thông số kỹ thuật như sau:
- Phạm vi đó nhiệt độ -50 ℃ ~ 1300 cơ bản chính xác: ± (0,5% ± 1℃) - Độ phân giải 0,1° hoặc 1°
- Cặp nhiệt điện đôi đầu vào
Hình 4.1 Nhiệt kế FT 1300-2 và đầu đo Hình 4.2 Dụng cụ đo lưu lượng gió bằng đĩa lỗ orifice
4.1.2 Dụng cụ đo lưu lượng bằng đĩa lỗ (orifice)
Dụng cụ đo gió gồm các bộ phận: ống khảo nghiệm có đường kính D1, chiều dài ống 14D1, trong ống có bố trí tấm nắn dòng Đĩa lỗ có đường kính D2 vát mép
Khi dòng khí đi qua đĩa lỗ sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa mặt trước và sau của đĩa lỗ Vị trí đo áp suất P1, P2 và X được xác định bởi khoảng cách tương ứng từ mặt sau đĩa lỗ đến tâm lỗ đo áp suất P2 theo tỷ lệ được đưa ra trong Bảng 4.1 Áp kế được gắn tại vị trí P1 để đo áp suất trước đĩa lỗ, trong khi áp suất sau đĩa lỗ được đo tại vị trí P2.
Thiết bị đo áp suất động P2 đo được động áp của dòng chảy Từ động áp đo được, có thể tính được lưu lượng không khí đi qua đĩa lỗ dựa theo công thức tính cho trước.
Bảng 4.1 Tỷ lệ đường kính đĩa lỗ và đường kính ống khảo nghiệm với vị trí đo áp suất P1, P2 [50]
Tính lưu lượng xuất phát từ phương trình Bernoulli:
Từ phương trình Bernoulli suy ra theo công thức tính lưu lượng như sau: kk 1 2
Q - Lưu lượng, kg/s; α - Hệ số dòng chảy (coefficient of discharge), có m = A2/A1 Nếu giá trị m chuẩn thì tra Bảng 4.2, nếu m không có trong bảng thì α tính theo công thức: α - 0,5959 + 0,0312 m 1.05 – 0,184.m 4
A2 - diện tích đĩa lỗ, A = π.D /4, m 2 2 2 2 ρkk- khối lượng riêng của không khí, tính theo công thức
Với: t là nhiệt độ trung bình của không khí, 0 C; ΔP = P1 – P2 chênh lệch áp suất trước và sau đĩa lỗ, Pa;
M = A1/A2 là tỷ số giữa diện tích đĩa lỗ với diện tích ống khảo nghiệm
Bảng 4.2 Bảng hệ số dòng chảy của các đĩa lỗ chuẩn [38] m = A1/A2 α Rmin
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên 0,1
4.1.3 Dụng cụ lấy mẫu sản phẩm khí
Bơm lấy mẫu khí loại 224-PCXR8 có dải hoạt động từ 500 đến 1000ml/phút, đây là thiết bị thích hợp để lấy mẫu phân tích khí cho điều kiện vệ sinh công nghiệp hoặc đánh giá môi trường Bơm sẽ được ứng dụng trong các điều kiện cụ thể khi kết hợp với vật dụng thu mẫu sau:
- Ống hấp thụ và bộ dò trong khoảng thời gian dài để thu giữ các khí và hơi độc hại từ không khí
- Siclon để thu gom bụi hô hấp
- Bộ mẫu IOM để giữ bụi ở dạng sol, dạng bụi hô hấp
- Giấy lọc để thu gom tổng bụi, bụi sợi amiang hay chất hóa học nguy hại
- Túi thu mẫu để thu gom các chất độc hại trong không khí
- Hệ thống ống impinger để thu các chất hóa học phản ứng với lỏng a) Bơm lấy mẫu 224-PCXR8 b) Ống impinger và giấy lọc Whatman
Hình 4.3 Thiết bị và vật dụng lấy mẫu bụi
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
- Lưu lượng bơm: 500 – 1000 ml/phút
- Khối lượng: 936 gam, kích thước 13 x 11,9 x 4,8 cm
- Hiển thị 5 mức lưu lượng: 1, 2, 3, 4, 5 lít/phút
- Dải nhiệt độ làm việc: -4 0 C đến 45 0 C
- Độ ẩm môi trường làm việc: 0 – 95%
- Nguồn: Pin sạc NiCad 6.0V, 2 Ah
- Màn hình LCD hiển thị thời gian chạy lấy mẫu (phút)
- Cho phép cài đặt thời gian hoạt động lên đến 9999 phút (tương đương 7 ngày)
- Sai số thời gian: ± 0,05% (tương đương ± 45 giây/ngày)
4.1.4 Dụng cụ đo áp suất nước phun
Sử dụng đồng hồ đo áp suất nước Dải đo tối đa của đồng hồ 15kg/cm 2 , khoảng chia nhỏ nhất 0,5 Ta có thể quy đổi giá trị này qua áp kế chữ U Áp kế Manometer (áp kế chữ U)
Hình 4.4 Đồng hồ đo áp suất nước và áp kế chữ U 4.1.5 Dụng cụ đo lưu lượng nước phun
Dùng ưu lượng kế kiểu phao Nguyên lý hoạt động của lưu lượng kế kiểu phao dựa trên độ cân bằng lực kéo, FD và khối lượng W và lực đẩy nổi, FB tác động lên phao
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên nổi chuyển động trong dòng lưu chất Lực kéo thay đổi theo vận tốc trung bình qua phao Cân bằng lực theo hướng dọc y y D B
Vận tốc trung bình tác động lên phao nổi phụ thuộc độ cao ống và được cho bởi
b - Khối lượng riêng phao nổi;
l - Khối lượng riêng dòng lỏng lưu chất;
CF - Hệ số kéo của phao nổi;
Ax - Diện tích mặt cắt ngang;
U - Vận tốc trung bình chuyển động qua phao nổi;
Hình 4.5 Nguyên lý xác định lưu lượng kế kiểu phao
Khi làm việc, phao nổi dâng lên đến vị trí cân bằng Độ cao của vị trí này tăng theo vận tốc dòng lưu chất, do đó tỉ lệ dòng lưu chất được xác định như sau:
Aa (y) - Diện tích vành khăn giữa phao nổi và ống;
K1 - Hệ số thiết bị đo
Vị trí theo chiều dọc của phao nổi trong ống phụ thuộc vào vận tốc trung bình và diện tích hình vành khăn của dòng lưu chất Từ đó, vị trí này xác định trực tiếp lưu lượng dòng lưu chất Ta có thể đọc trực tiếp lưu lượng từ thang đo hoặc sử dụng các thiết bị dò điện tử như tế bào quang học hay từ tính Đối với phao nổi mép sắc, độ nhạy của nó với vận tốc lưu chất thay đổi theo nhiệt độ Các thiết bị điển hình tỉ lệ 10:1 có sai số dòng lưu lượng lên tới 2%.
4.1.6 Dụng cụ đo chiều cao bố trí vị trí vòi phun H
Thước kẹp là dụng cụ đo lường được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực cơ khí Hình dáng bên ngoài của thước được mô tả như trong Hình 4.7 bên dưới
Hình 4.6 Hình dáng bên ngoài của thước kẹp
1- Thân thước có chia milimet; 2- Con trượt có gắn đu xích; 3-Mỏ đo ngoài;
4- Mặt đo; 5 – Mỏ đo rảnh; 6 – Mỏ đo trong; 7 – Vít giữ; 8- Thanh đo độ sâu
Hình 4.7 Cấu tạo thước kẹp Cách đo:
Đuôi cặp chia độ nhỏ nhất mN = 1mm, có N vạch chia đều trên đuôi cặp và N - 1 vạch chia trên thước chính; Đuối cặp chia thành N độ chia nhỏ đều nhau sao cho N độ chia này đúng bằng N - 1 độ chia của thước milimet Qua đó, ta đọc trực tiếp độ dài L của vật trên thước kẹp được thực hiện bằng cách đọc phần nguyên m của milimet trên thân thước ở gần vạch 0 của đuối cặp.
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên bên trái số 0 của du xích, còn đọc phần lẻ n của milimet trên du xích tại vị trí một vạch chia nào đó trên du xích trùng với một vạch chia trên thân thước.
Phương pháp xác định các thông số ra và vào thiết bị rửa - làm mát
4.2.1.1 Xác định hàm lượng bụi còn sót lại
Phương pháp phân tích bụi theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN: 5977-2009, áp dụng cho nguồn phát thải tĩnh, xác định nồng độ khối lượng bụi bằng phương pháp thủ công Quy trình cân được tóm tắt như sau: a) Xác định phần được cân
Phần được cân là giấy lọc trước và sau khi lấy mẫu khí Khối lượng bụi được tính toán từ sự chênh lệch khối lượng giấy lọc Giấy lọc phòng thí nghiệm loại Whatman, đường kính 40mm, hiệu suất thử nghiệm của giấy lọc với sol khí 0,3m >99,5% b) Xử lý các phần được cân trước khi lấy mẫu
Trước khi cân, giấy lọc phải được sấy khô ở nhiệt độ 160C trong ít nhất 1 giờ Sau khi sấy, đặt giấy lọc vào bình hút ẩm để trong phòng cân ít nhất 8 giờ để đảm bảo giấy lọc ổn định trong suốt quá trình sử dụng (từ giai đoạn chuẩn bị đến cân cuối cùng).
- Cân giấy lọc bằng cân tiểu li với độ chia thang cân là 0,01 mg đến 0,1 mg
- Trước khi tiến hành cân, người phân tích phải kiểm tra tính đúng của quy trình cân Bao gồm giai đoạn trước, trong và sau mỗi loạt cân:
+ Hiệu chuẩn cân theo khối lượng tiêu chuẩn;
+ Tiến hành kiểm tra bổ sung bằng cách cân “phần kiểm tra”, tương đương với các phần khác và xử lý trước với cùng điều kiện, nhưng không được làm nhiễm bẩn
+ Ghi chép lại điều kiện khí hậu trong phòng cân
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên - Phải cân thật nhanh trong vòng 1 phút, sau khi lấy ra khỏi bình hút ẩm Lấy thêm hai giá trị đọc trong khoảng 5giây sau giá trị đọc đầu tiên
- Khối lượng bụi trong sản phẩm khí được tính theo công thức:
Nồng độ bụi, mg/m3 = (m2 - m1 - b) / thể tích mẫu không khí, m3
V – Thể tích sản phẩm khí đã lấy, lít
– Thời gian lấy mẫu, phút; n – Số lần đọc lưu lượng kế;
Li – Giá trị lưu lượng tại thời điểm i, lít/phút d) Xử lý các phần được cân sau lấy mẫu
Làm khô các phần được cân trong lò sấy ít nhất 1 giờ ở nhiệt độ 160 0 C Sau khi sấy, giấy lọc cần được đặt vào bình hút ẩm để trong phòng cân ít nhất là 8 giờ
4.2.1.2 Xác định nhiệt độ dòng khí ra khỏi thiết bị rửa và làm mát
Hiệu quả làm mát sản phẩm khí được đánh giá qua nhiệt độ khí ra khỏi thiết bị rửa và làm mát Xác định thông số này bằng cách bố trí đầu dò nhiệt độ ở vị trí ống dẫn khí ra khỏi thiết bị
4.2.2 Xác định các thông số vào thiết bị rửa và làm mát 4.2.2.1 Xác định áp suất nước phun vào thiết bị (kg/cm 2 )
Tĩnh áp được đọc trên thang đo của đồng hồ đo lắp trên đường ống dẫn vào vòi phun hoặc được tính tính theo công thức
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên t
4.2.2.2 Xác định lưu lượng nước vào thiết bị (lít/phút)
Xác định lưu lượng nước qua vòi phun được xác định qua bộ lưu lượng kế kiểu phao Thiết bị đo bao gồm một phao nổi trong ống hình trụ, dạng côn để tăng diện tích mặt cắt ngang tại phía đầu ra Dòng lưu lượng đi vào bên dưới qua phao nổi tự do di chuyển Độ cao cân bằng của phao nổi chỉ mức lưu lượng dòng lưu chất
4.2.2.3 Xác định lưu lượng sản phẩm khí ra khỏi thiết bị rửa và làm mát
Xác định lưu lượng sản phẩm khí bằng đĩa lỗ (orinfice) Ống khảo nghiệm có đường kính D1 = 60mm, chiều dài ống 14.D1 = 840mm Đĩa lỗ có đường kính 30mm, vát mép quay về hướng ra của dòng khí, vị trí đo áp suất P1, P2, và X là khoảng cách mặt sau đĩa lỗ đến tâm lỗ đo áp suất P2 theo tỷ lệ ở Bảng 4.1 (X36mm) Khi dòng nước đi qua đĩa lỗ sẽ tạo ra sự chênh lệch áp suất trước và sau đĩa lỗ Gắn áp kế tại vị trí P1 và P2 đo được động áp của dòng chảy, dựa theo công thức tính được lưu lượng nước đi qua đĩa lỗ (xem Hình 4.3 phần dụng cụ đo)
4.2.3 Phương pháp điều chỉnh thông số vào thiết bị rửa - làm mát
4.2.3.1 Phương pháp điều chỉnh áp suất nước vào vòi phun
Áp suất đầu vào của vòi phun được điều chỉnh thông qua van điều chỉnh áp suất gắn tại bơm nước, với đường nước bypass dẫn trở lại bồn chứa Bằng cách siết hoặc nới lỏng van, có thể tăng hoặc giảm áp suất theo các mức khảo nghiệm mong muốn: 1 kg/cm2, 1,5 kg/cm2, 2 kg/cm2, 2,5 kg/cm2, 3 kg/cm2 Trong thí nghiệm, bơm nước sử dụng là loại bơm áp suất cao P = 30 kg/cm2, lưu lượng thấp 8,0 lít/phút, động cơ 4P 3/4 Hp, model 906 do Lu Shyong (Đài Loan) sản xuất.
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
4.2.3.2 Phương pháp điều chỉnh lưu lượng nước vào vòi phun
Thông qua điều chỉnh độ mở của van lắp đặt trên đường đẩy của bơm sẽ điều chỉnh mức lưu lượng theo các mức thí nghiệm Qua các thí nghiệm thăm dò, lưu lượng sẽ được điều chỉnh ở 5 mức khác nhau: 0,8 lít/phút; 1 lít/phút; 1,2 lít/phút; 1,4 lít/phút và 1,6 lít/phút
4.2.2.4 Phương pháp điều chỉnh chiều cao H
Chiều cao H từ vị trí tâm vòi phun đến tâm dòng khí được thay đổi theo các mức thí nghiệm thông qua điều chỉnh bước ren trên hành trình chạy S Hành trình S được chia thành 5 mức khác nhau Dụng cụ đo dùng thước kẹp Thí nghiệm thực hiện ở 5 mức cụ thể: mức 1 (H = 40mm), mức 2 (H = 35mm); mức 3 (mức cơ sở H = 30mm), mức 4 (H = 25mm); mức 5 (H = 20mm)
Hình 4.8 Mô tả vị trí lắp vòi phun và điều chỉnh H
Phương pháp xử lý số liệu thí nghiệm
Sử dụng phần mềm xử lý số liệu đơn yếu tố SPSS SPSS là tên viết tắt của cụm từ Statistical Package for the Social Sciences Đây là một phần mềm được sử dụng rộng rãi nhất để phân tích thống kê trong nghiên cứu khoa học tự nhiên và khoa học xã hội nói chung
Môi trường làm việc của SPSS bao gồm hai phần chính: SPSS Data Editor dùng để nhập dữ liệu đầu vào và SPSS Viewer để hiển thị kết quả đầu ra Giao diện của SPSS Data Editor gồm Data Viewer để xem và nhập dữ liệu trực tiếp, Variable Viewer để định dạng các biến số, cho phép thêm dữ liệu theo định dạng file Excel.xml.
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên dạng số (Number) hoặc dạng chữ (String) Output – SPSS Viewer chứa các kết quả mong muốn sau khi chạy các phép tính tương ứng.
Hình 4.9 Giao diện phần mềm SPSS Statistics 20.0
Phần mềm SPSS cho phép xử lý các phép phân tích thông kê thông thường:
- Bivariate statistics (thống kê hai biến số): Means (trung bình); t-test (phép thử kiểm tra, phân tích…); Anova (phân tích phương sai); Correlation (tương quan) bao gồm bivariate (hai biến), partial (tương quan từng phần, tương quan không hoàn toàn), distances (tương quan rời rạc, lỏng lẻo); Nonparametric tests (kiểm tra thông số giới hạn)
- Prediction for numerical outcomes: Linear regression (dự đoán về kết quả bằng số dạng hồi qui tuyến tính…)
- Prediction for identifying groups: Factor analysis (phân tích nhân tố); cluster analysis (phân tích cho đám đông) bao gồm two – step (hai bậc), K – means
(số K), hierarchic (có thứ bậc)
SPSS cũng cho phép lưu và chạy các thuật toán giúp việc kiểm tra kết quả dễ dàng
Trong luận văn này xử lý các số liệu chủ yếu sử dụng trong phần Analyze – Regression – Curve Estimation Sau khi nhập các dữ liệu theo bảng số liệu thực nghiệm ta có giao diện trong phần Curve Estimation như sau:
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
Hình 4.10 Giao diện trong phần Curve Estimation
Trong đó, "Variable" là thông số đầu vào ảnh hưởng tới các thông số đầu ra "Dependent" như "nhiệt độ sản phẩm khí" và "hàm lượng bụi còn lại" Mỗi mô hình cung cấp hệ số hồi quy, hệ số tương quan R, R2, R2 hiệu chỉnh, độ lệch chuẩn của tính toán, bảng phân tích phương sai, các giá trị dự đoán, các phần dư và các khoảng dự đoán.
- Linear: phân tích tuyến tính, dạng phương trình của mô hình là y = a + bx
Chuỗi giá trị y được mô hình theo hàm tuyến tính của x
- Logarithmic: phân tích hàm logaric, dạng phương trình là y = a + b.ln(x)
- Inverse: phân tích nghịch đảo, mô hình được xác định bằng phương trình y = a + b/x
- Quadratic: phân tích phương trình bậc hai, dạng phương trình của mô hình là y = a + bx + cx 2
- Cubic: phân tích khối, dạng phương trình bậc 3: y = a + bx + cx 2 + dx 3 - Power: phân tích lũy thừa, phương trình của mô hình có dạng y = a.x b hay ln(y) = ln(a) + b.ln(x)
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên - Compound: phân tích hỗn hợp, phương trình có dạng y = a.b x hay ln(y) = ln(a) + ln(b).x
- S - curve: phân tích đường cong hình S, phương trình có dạng y = e (a + b/x) hay ln(y) = a + b/x
- Growth: phân tích sự phát triển, dạng phương trình của mô hình là y = e (a + bx) hay ln(y) = a + bx
- Exponential: phân tích theo luật số mũ, có dạng phương trình y = a.e bx hay ln(y) = ln(a) + bx
Ta có thể chọn cùng lúc một hoặc nhiều mô hình hồi quy để xác định mô hình phù hợp được sử dụng, vẽ đồ thị phân bố dữ liệu Nếu các biến phân bố một cách tuyến tính thì sử dụng mô hình hồi quy tuyến tính Nếu các biến không quan hệ tuyến tính, sử dụng mô hình phức tạp hơn Xem đồ thị phân tán của dữ liệu (Scatterplot), nếu đồ thị có dạng giống đồ thị của hàm toán học nào đó thì có thể sử dụng mô hình hồi quy loại hàm đó
Như vậy, ta cần thực hiện các thí nghiệm trên mô hình thực tế để có bảng số liệu cung cấp cho việc xử lý các số liệu thực nghiệm
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
KHẢO NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CỦA THIẾT BỊ RỬA VÀ LÀM MÁT SẢN PHẨM KHÍ HÓA LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU KÉP
Mục đích khảo nghiệm
Mục đích của các khảo nghiệm là xác định các yếu tố đầu vào thiết bị ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm khí đầu ra thông qua xem xét các yếu tố gồm: nhiệt độ sản phẩm khí đầu ra, tạp chất trong sản phẩm khí Qua đó xác định yếu tố công nghệ quyết định đến hiệu quả làm mát và làm sạch của thiết bị.
Mô hình và phương tiện thí nghiệm
Sau khi tiến hành thiết kế, chế tạo mô hình vật lý, thiết bị được đấu nối vào dây chuyền trấu hóa khí hoàn chỉnh Các thiết bị chính trong mô hình thí nghiệm được bố trí theo sơ đồ Hình 5.1 bao gồm:
- Buồng đốt trấu hóa khí
- Thiết bị rửa và làm mát khí
- Tổ hợp thiết bị lọc tinh sản phẩm khí
- Cụm động cơ diesel 12,5hp (không đổi kết cấu) kéo máy phát điện xoay chiều 1 pha công suất tối đa 10 kW và các tải tiêu thụ bằng điện trở
Hình 5.1 Sơ đồ bố trí các thiết bị thí nghiệm
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên 1-Buồng đốt trấu hóa khí; 2-Siclon lắng bụi; 3-Thiết bị rửa và làm mát; 4-Quạt hút khí; 5-Tổ hợp lọc tinh tạp chất; 6- Bộ lọc khô; 7-Động cơ diesel RV125-2N; 8- Bơm cấp nước rửa và làm mát khí; A, B, C, D, E, F, G- Vị trí các điểm đo
Mô tả các thiết bị trong sơ đồ (1) Buồng phản ứng hóa khí Được tính toán, thiết kế sử dụng trấu làm nhiên liệu hóa khí Phương pháp hóa khí theo nguyên lý thuận chiều: nhiên liệu và không khí nạp vào lò ở phía trên, sản phẩm khí thoát ra phía bên dưới Lựa chọn phương pháp hóa khí kiểu thuận chiều nhằm giảm hàm lượng bụi và hắc ín hình thành trong quá trình hóa khí Lò hóa khí được thiết kế có đường kính 250m, chiều cao tổng 1200mm, cơ cấu tháo tro kiểu thanh quay gạt trên mặt phẳng ghi lò Đường kính lỗ tác nhân không khí vào lò 60mm Lượng tiêu thụ trấu 14,5kg/giờ, lưu lượng sản phẩm khí sinh ra 55m 3 /h
(2) Siclon (Cyclone khô) Được thiết kế nhằm thu giữ hạt bụi thô vừa ra khỏi lò khí hóa có kích thước lớn, siclon được lắp đặt ngay trên đường ống dẫn sản phẩm khí đi ra
(3) Thiết bị rửa và làm mát Được tính toán thiết kế có thông số kích thước đã tính toán trong chương 3
Quạt hút được tính toán đáp ứng đủ lưu lượng cấp tác nhân khí hóa và đủ cột áp để thắng các trở lực dòng khí dịch chuyển, căn cứ vào lưu lượng và cột áp, tác giả chọn mua trên thị trường Quạt có công suất 2hp, quạt cao áp loại hai tầng cánh
(5) Tổ hợp lọc tinh tạp chất
Hai bộ lọc tầng cố định sử dụng vật liệu lọc sinh khối với mục đích lọc bụi tro và các tạp chất hữu cơ, hắc ín khác còn sót lại Khả năng chứa của bộ lọc tối đa là 10kg trấu hoặc mùn cưa Mỗi bộ lọc bao gồm hai ngăn, sản phẩm khí dịch chuyển qua các ngăn và tạp chất bị hấp thụ và giữ lại trên bề mặt vật liệu lọc
Dùng than hoạt tính đặt ở vị trí trước khi vào động cơ (7) Thiết bị này có nhiệm vụ hút ẩm cũng như giữ lại các tạp chất còn sót trong sản phẩm khí khi qua bộ lọc tinh Ngoài ra, bộ lọc khô dùng than hoạt tính còn giữ được bụi, nhựa dầu,
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên hơi hắc ín và hấp thụ một số thành phần tạp chất hóa học khác có trong sản phẩm trấu khí hóa Bộ lọc than hoạt tính được thiết kế chứa tối đa 4 kg than, sản phẩm khí được dẫn vào phía dưới và thoát ra phía trên
(7) Động cơ RV125 -2N máy phát và phụ tải tiêu thụ điện (a) Động cơ diesel và máy phát điện: Theo công suất thiết kế của lò hóa khí, công suất cần đạt được của hệ thống từ 2 – 5,5 kW Do vậy, chọn động cơ động cơ diesel – máy phát điện RV125-2N + MF5 có thông số kỹ thuật như trong Bảng phụ lục 1 Cụm động cơ và máy phát điện do nhà máy Vikyno (Biên Hoà, Đồng Nai) sản xuất b) Cụm phụ tải: Cụm phụ tải là các điện trở để tiêu thụ công suất phát ra của trạm diesel – máy phát (Hình 5.2) Các điện trở ký hiệu từ R1 đến R8 có giá trị bằng nhau và bằng 0,65 kW, còn các điện trở R9 đến R11 bằng nhau và bằng 3 kW
Hệ thống làm mát bốc hơi sử dụng két nước giải nhiệt tự nhiên, giúp giảm nhiệt độ bằng cách bốc hơi nước Bên cạnh đó, hộp điều khiển với 11 công tắc cho phép điều chỉnh công suất tiêu thụ điện bằng cách bật hoặc tắt các phụ tải điện trở.
Hình 5.2 Cụm phụ tải chạy thử nghiệm a) Cụm diesel- máy phát điện; b) Cụm phụ tải
R1 ÷ R8 – điện trở có công suất 0,65 kW;
R9 ÷ R11 – điện trở có công suất 3 kW;
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên Bằng cách đóng hoặc mở tổ hợp các công tắc từ K1 đến K11 với nhau, cụm phụ tải sẽ tạo ra một dãy công suất tiêu thụ từ 0% đến 100% phụ tải của 2 động cơ diesel khảo nghiệm
Hình 5.3 Sơ đồ đấu dây mạch điện phụ tải
Sơ đồ bố trí vị trí các điểm đo giá trị khảo nghiệm trên mô hình được thể hiện qua Hình 5.4 bên dưới:
1-Lò hóa khí; 2- Siclon; 3- Thiết bị rửa và làm mát; 4-Quạt hút
Vị trí A đo nhiệt độ sản phẩm khí vào thiết bị rửa và làm mát để kiểm soát nhiệt độ của sản phẩm khi đi vào Vị trí B đo nhiệt độ sản phẩm khí ra thiết bị rửa và làm mát để giám sát nhiệt độ của sản phẩm sau khi trải qua quá trình rửa và làm mát Dữ liệu nhiệt độ từ cả hai vị trí này giúp đảm bảo rằng sản phẩm được rửa và làm mát ở nhiệt độ phù hợp, đảm bảo chất lượng và độ an toàn cho sản phẩm.
Vị trí C: Đo hàm lượng bụi còn sót lại trong sản phẩm khí
Hình 5.4 Sơ đồ bố trí thiết bị đo và lấy mẫu trước và sau bộ rửa và làm mát
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
Nghiên cứu thực nghiệm xây dựng chế độ làm việc của thiết bị rửa và làm mát khí bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố
Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết, mục tiêu đầu ra là các thông số đánh giá chất lượng của sản phẩm khí ở mức cao nhất có thể
Như đã trình bày ở phần trước (mục 2.4.2), nhiệt trị của nhiên liệu khí hóa phụ thuộc vào loại sinh khối (nhiên liệu dùng khí hóa) và các chế độ phản ứng trong thiết bị Nhiệt trị cao nhất của hỗn hợp chỉ có thể đạt được khi nhiệt trị của thành phần khí hoá đạt mức cao nhất Nhiệt trị của thành phần khí hoá lại phụ thuộc vào thiết kế lò hoá khí và đặc tính cung cấp nhiên liệu cho nó, đặc biệt phụ thuộc vào độ ẩm và kích thước hạt nhiên liệu Bên cạnh đó, theo trình bày mục 2.5 yêu cầu nhiệt độ sản phẩm khí vào động cơ phải < 40 0 C Điều này cho thấy mặc dù sản phẩm khí ra khỏi lò hóa khí mang nhiệt độ cao, tuy nhiên phải được làm mát đến nhiệt độ phù hợp cho ứng dụng Điều này cũng nói lên rằng, đối với ứng dụng nhiên liệu khí hóa chạy động cơ đốt trong thì phần nhiệt hiện trong sản phẩm khí luôn luôn bị mất đi Trong khi đó, thành phần nhiệt ẩn thể hiện qua thành phần các chất khí hữu ích sinh ra là yếu độ độc lập với các thông số công nghệ đầu vào thiết bị rửa và làm mát khí Bởi vì, ở điều kiện trao đổi nhiệt giữa sản phẩm khí hóa và nước làm mát, sẽ không làm thay đổi tỉ lệ thành phần các khí cháy hữu ích CO, CH4 và H2 mà chỉ làm tăng mật độ của chúng, giúp quá trình hòa trộn và cháy tốt hơn khi nạp vào xilanh động cơ Do đó, trên cơ sở phân tích, tác giả không xét đến chỉ tiêu đánh giá chất lượng sản phẩm khí hóa thông qua thành phần khí sinh ra hay nhiệt trị
Như vậy, thiết bị nghiên cứu có chức năng vừa làm sạch vừa làm mát nên các yếu tố đầu ra được đánh giá cụ thể gồm: nhiệt độ sản phẩm khí ra và hàm lượng tạp chất bụi còn sót lại sau khi ra khỏi thiết bị Các yếu tố được phân tích cụ thể như sau:
GVHD: TS Bùi Trung Thành - TS Nguyễn Văn Tuyên
5.3.1 Các hàm mục tiêu (các thông số đầu ra)
5.3.1.1 Nhiệt độ sản phẩm khí
Nhiệt độ khí xả là một yếu tố quan trọng đánh giá hiệu quả làm mát của động cơ Khí xả từ động cơ có nhiệt độ rất cao và phải đáp ứng các tiêu chuẩn về nhiệt độ khí nạp vào động cơ.