Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị tạo nhũ tương nước – nhiên liệu nặng dùng cho động cơ diesel

1 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU. Danh mục các chữ viết tắt. Trang Chương 1: SỬ DỤNG NHŨ TƯƠNG NƯỚC – NHIÊN LIỆU NẶNG CHO ĐỘNG CƠ DIESL LÀ YÊU CẦU CẤP THIẾT 1.1. Sử dụng nhiên liệu nặng cho động cơ diesel là một trong những giải pháp khắc phục sự khan hiếm dầu mỏ hiện tại. 1.2. Giải pháp khắc phục khó khăn khi dùng nhiên liệu nặng chạy động cơ diesel. 1.3. Quá trình tạo hỗn hợp và cháy trong động cơ diesel khi sử dụng nhũ tương nước - nhiên liệu nặng. 1.3.1. Nhũ tương. 1.3.2. Hiệu ứng vi nổ. 1.3.3. Thành tựu ứng dụng nhũ tương nước – nhiên liệu nặng trên tàu. 1.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhũ tương nước - nhiên liệu nặng trên động cơ diesel ở Việt Nam. Chương 2: CHỌN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ TẠO NHŨ TƯƠNG NƯỚC - NHIÊN LIỆU NẶNG 2.1. Các tính chất cơ bản của nhũ tương. 2.2. Các phương pháp và thiết bị tạo nhũ tương. 2.2.1. Phân loại thiết bị tạo nhũ tương. 2.2.2. Cấu tạo, hoạt động, ưu nhược điểm của từng loại máy. 2.3. Chọn phương án thiết kế thiết bị. 2.3.1. Cơ sở thiết kế. 6 6 6 11 11 11 16 20 22 22 26 26 27 33 33 2 2.3.2. Chọn sơ đồ thiết kế. 2.4. Tính toán, thiết kế thiết bị tạo xâm thực. 2.4.1 Khái niệm. 2.4.2. Chọn sơ đồ thiết kế thiết bị tạo xâm thực. 2.4.3. Tính toán cơ cấu truyền động. 2.5. Tính toán, thiết kế thiết bị khuấy trộn. 2.5.1. Khái niệm. 2.5.2. Chọn sơ đồ thiết kế thiết bị khuấy trộn. 2.5.3. Tính toán cơ cấu truyền động. Chương 3: KẾT QUẢ HOẠT ĐỘNG CỦA THIẾT BỊ 3.1. Bản vẽ tổng thành thiết bị. 3.2. Các thông số kinh tế - kỹ thuật của thiết bị. 3.3. Kiểm tra sản phẩm của nhũ tương. 3.3.1Kiểm tra đường kính và độ phân tán của pha phân tán bằng kính hiển vi. 3.3.2. Kiểm tra độ ổn định nhũ tương. 3.3.3. Kiểm tra nhũ tương bằng cách sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel. Chương 4: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 4.1. Kết luận. 4.2. Đề xuất ý kiến. -Tài liệu tham khảo. 34 35 35 36 41 43 43 44 48 56 56 57 66 66 81 84 88 88 89 90 3 DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Ý nghĩa HHNT Hỗn hợp nhũ tương. NTN-NL Nhũ tương nước-nhiên liệu. NTN-NLN Nhũ tương nước-nhiên liệu nặng. DO Nhiên liệu diesel. FO Nhiên liệu nặng. G nl Lượng tiêu hao nhiên liệu giờ.[Kg/h] g e Suất tiêu hao nhiên liệu có ích.[g,Kg] N e Công suất có ích.[KW] P z Áp suất cháy cực đại.[MPa] T Nhiệt độ.[ 0 C] φ Góc quay trục khuỷu. 4 LỜI NÓI ĐẦU Thế giới đang đứng trước khủng hoảng về nguồn năng lượng dầu mỏ, điều đó đã được minh chứng trong mấy năm qua giá dầu thế giới tiếp tục tăng và sẽ còn tiếp tục tăng nữa trong thời gian đến. Trong tương lai nguồn năng lượng không thể tái tạo này sẽ dần cạn kiệt. Trước nguy cơ đó rất nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu, tìm kiếm nguồn năng lượng khác nhằm thay thế nguồn năng lượng này, nhưng đến nay chưa giải quyết được một cách triệt để. Một trong những giải pháp hiện nay là sử dụng một cách triệt để nguồn năng lượng hiện có, đó là nghiên cứu đưa nhiện liệu nặng vào sử dụng trên các động cơ diesel và các nồi hơi – tuabin. Bởi vì nhiên liệu nặng chiếm một sản lượng rất lớn trong tổng sản lượng dầu khai thác và có giá thành thấp so với nhiên liệu diesel. Nhiên liệu nặng có độ nhớt, hàm lượng tạp chất cao hơn nhiều so với dầu diesel và có tính bay hơi kém, làm ảnh hưởng đến chất lượng quá trình hoà trộn, cháy và độ độc khí xả. . .là những hạn chế cần phải khắc phục để tạo ra nhiên liệu có tính lý hoá thích hợp cho việc sử dụng trên các động cơ. Một trong những biện pháp cải thiện các hạn chế nói trên là sử dụng nhũ tương nước – nhiên liệu nặng. Khi sử dụng nhũ tương sẽ cải thiện chất lượng quá trình hoà trộn, cháy và giảm được đáng kể hàm lượng độc tố trong khí xả động cơ, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và tăng tính kinh tế cho động cơ. Việc sử dụng nhũ tương không cần phải thay đổi kết cấu động cơ diesel và không đòi hỏi chi phí đầu tư lớn cho việc cải hoán hệ thống chuẩn bị nhiên liệu và mục đích của đề tài này cũng nhằm khẳng định lợi ích của việc sử dụng nhũ tương đến các thông số kinh tế, kỹ thuật của động cơ và những lợi ích thiết thực cho người sử dụng, giảm được các tác hại xấu đến môi trường trong khi chưa thể đưa ra được nguồn năng lượng sạch và rẻ vào sử dụng đại trà. 5 Việc nghiên cứu để tạo ra nhũ tương, sử dụng cho động cơ diesel là việc làm cần thiết và mang ý nghĩa thực tiễn. Xuất phát từ ý nghĩa thực tiễn trên, tôi được giao đề tài ”Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị tạo nhũ tương nước – nhiên liệu nặng dùng cho động cơ diesel”. Sau 06 tháng thực hiện, nay luận văn đã hoàn thành. Luận văn này trình bày kết quả nghiên cứu, những tồn tại và hướng phát triển. Nội dung luận văn gồm: 1/ Sử dụng nhũ tương nước-nhiên liệu nặng cho động cơ diesel là yêu cầu cấp thiết. 2/ Chọn và thiết kế thiết bị tạo nhũ tương. 3/ Kết quả hoạt động của thiết bị. 4/ Kết luận và đề xuất ý kiến. Để hoàn thành đề tài này, tôi được sự giúp đỡ tạo điều kiện của Ban giám hiệu, các Phòng, Khoa đơn vị của Trường Đại học Nha Trang, thầy cô giáo trực tiếp giảng dạy lớp cao học kỹ thuật tàu thủy khoá 2005. Nhân dịp này tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến PGS – TS Dương Đình Đối, đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện đề tài. Xin chân thành cảm ơn đến PGS-TS - Nguyễn Văn Nhận - Trưởng khoa Cơ khí Trường Đại học Nha Trang đã giúp định hướng đề tài; PGS-TS Nguyễn Thạch đã cung cấp những kiến thức và tài liệu quý báu liên quan trực tiếp đến đề tài và Th.S Đặng Thúy Bình – Phòng Công nghệ sinh học đã giúp tôi trong quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm nhũ tương. Cảm ơn giáo viên, học sinh khoa Cơ khí Trường Trung cấp nghề Dung Quất- Tỉnh Quảng Ngãi, Trường Trung cấp nghề Cơ Giới – Tỉnh Quảng Ngãi đã hỗ trợ tôi hoàn thành đề tài này. Phạm Thanh Truyền 6 Chương 1 SỬ DỤNG NHŨ TƯƠNG NƯỚC – NHIÊN LIỆU NẶNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL LÀ YÊU CẦU CẤP THIẾT 1.1 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU NẶNG CHO ĐỘNG CƠ DIESEL LÀ MỘT TRONG CÁC GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC SỰ KHAN HIẾM DẦU MỎ HIỆN TẠI. Trong nhiều thập kỷ qua, dầu đã từng là nguồn năng lượng sơ cấp chủ yếu của thế giới và dự báo nó sẽ còn tiếp tục giữ vị trí này, chiếm 40% tổng tiêu thụ của thế giới trong suốt thời kỳ từ năm 1999 tới 2020. Trong thời kỳ này, dự báo tiêu thụ dầu của thế giới sẽ tăng từ 75 triệu thùng/ngày (1999) lên 119 triệu thùng/ngày (2020). Sự tăng tiêu thụ dầu ở các nước công nghiệp hoá chủ yếu sẽ xảy ra trong lĩnh vực giao thông vận tải, nơi hiện tại chưa có nguồn năng lượng thay thế nào có thể cạnh tranh được với dầu. Trước những dự báo trên và nguy cơ cạn kiệt nguồn năng lượng này. Con người đã nghĩ đến các nguồn năng lượng tái tạo ( năng lượng mặt trời, năng lượng hải nhiệt, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió .). Mặc dù cho đến nay, sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo chưa cho phép giải quyết một cách nhanh chóng và triệt để vấn đề đặt ra do những rào cản về công nghệ và kinh tế. Như vậy chúng ta làm thế nào để sử dụng nguồn năng lượng hiện có một cách hiệu quả nhất. Một trong những vấn đề cần được quan tâm là đưa nhiên liệu nặng (FO) vào sử dụng trên các động cơ diesel, là do (FO) chiếm khoảng (30 – 40)% tổng sản lượng dầu khai thác chưa được sử dụng hết và giá thành thấp khoảng (30 – 35)% so với nhiên liệu diesel (DO) đang sử dụng. 1.2. GIẢI PHÁP KHẮC PHỤC KHÓ KHĂN KHI DÙNG NHIÊN LIỆU NẶNG CHẠY ĐỘNG CƠ DIESEL. Nhiên liệu nặng có độ nhớt, hàm lượng tạp chất, nước cao hơn nhiều so với nhiên liệu diesel và có tính bay hơi kém, làm ảnh hưởng đến chất lượng quá trình hoà trộn, quá trình cháy của động cơ và độ độc của khí xả là những hạn chế cần 7 phải khắc phục để FO đáp ứng được những yêu cầu đối với nhiên liệu sử dùng cho động cơ diesel. Các đặc tính kỹ thuật của DO và FO[1]. Bảng 1-1. Các chi tiêu kỹ thuật của DO. Tỷ lệ % lưu huỳnh của DO TT Tên chỉ tiêu 0,05 0,25 0,5 Tiêu chuẩn thử nghiệm 1 Chỉ số xetan, không nhỏ hơn 45 45 45 ASTM D976 2 Hàm lượng lưu huỳnh, % khối lượng, không lớn hơn 0,05 0,25 0,5 TCVN1708:2002 3 Nhiệt độ chưng cất, 0 C, 90% thể tích. 370 370 370 TCVN2698:2002 4 Độ nhớt động học ở 20 0 C, cst, không lớn hơn 1,6-5,5 1,6-5,5 1,6-5,5 ASTM D 445 5 Điểm chớt cháy cốc kín, 0 C, không nhỏ hơn 50 50 50 TCVN6608:2000 6 Cặn cacbon của 10% cặn chưng cất, % khối lượng. 0,3 0,3 0,3 TCVN6324:1997 7 Điểm đông đặc, 0 C. 9 9 9 TCVN3753:1995 8 Hàm lượng tro, % khối lượng, không lớn hơn 0,01 0,01 0,01 TCVN 2690:1995 9 Hàm lượng nước và tạp chất cơ học, % thể tích. 0,05 0,05 0,05 ASTM D2709 10 Ăn mòn mảnh đồng ở 50 0 C, 3 giờ, không lớn hơn 1 1 1 TCVN2694:2000 11 Nhiệt trị ,kJ/kg 41.868 41.868 41.868 TCVN 2694 :2000 12 Khối lượng riêng ở 20 0 C, [g/cm 3 ], max 0,87 0,87 0,87 TCVN 6594:2000 8 Bảng 1-2. Các chỉ tiêu kỹ thuật của FO. Mức FO No 2 TT Tên chỉ tiêu FO No1 2.0%S 3.5%S FO No 3 Tiêu chuẩn thử nghiệm 1 Kh ối lượng riêng ở 15 0 C, g/cm 3 , không lớn hơn 0,965 0,991 0,991 0,991 TCVN 6594:2000 2 Đ ộ nhớt động học ở 15 0 C, cst, không l ớn hơn 87 180 180 380 ASTM D445 hoặc ASTM D3828 3 Đi ểm chớt cháy cốc kín, 0 C, không lớn hơn 66 66 66 66 TCVN 6608:2000 4 Hàm lượng lưu hu ỳnh, % kh ối lượng,không lớn hơn 2,0 2,0 3,5 3,5 TCVN 6608:2000 5 Đi ểm động đặc, 0 C, không l ớn hơn 12 24 24 24 TCVN 3753:1995 ho ặc ASTM D 97 6 Hàm lư ợng nư ớc, % thể tích, không l ớn hơn 1,0 1,0 1,0 1,0 TCVN2692 :1995 7 Hàm lư ợng tạp chất, %khối lư ợng, không lớn hơn 0,15 0,15 0,15 0,15 ASTM D 473 8 Nhi ệt trị, kJ/kg, không nh ỏ hơn 40.969 40.969 40.969 40.969 ASTM D 240 9 Hàm lư ợng tro, % khối lư ợng, không lớn hơn 0,15 0,15 0,15 0,35 TCVN 2690:1995 10 C ặn carbon , % khối lư ợng, không l ớn hơn 6 16 16 22 TCVN 6324:2000 ho ặc ASTM D189 9 Bảng 1-3. So sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của DO và FO. TT Tên chỉ tiêu DO (0,25%S) FO (3.5%S) 1 Độ nhớt động học, (cst) ở 20 0 C 1,6 – 5,5 ở 15 0 C 180 2 Khối lượng riêng, (g/cm 3 ) ở 20 0 C 0,87 ở 15 0 C 0,991 3 Hàm lượng nước, (% thể tích) ≤ 0,05 ≤ 1,0 4 Nhiệt trị, (kJ/kg) 41,868 40.969 5 Hàm lượng tro, (% khối lượng) 0,01 0,15 6 Hàm lượng tạp chất, (%khối lượng) > 0,05 0,15 7 Điểm đông đặc, ( 0 C) 9 24 8 Điểm chớp cháy cốc kín, ( 0 C) 50 66 9 Cặn carbon , (% khối lượng_ 0,3 16 10 Hàm lượng lưu huỳnh, (% khối lượng) 0,25 3,5 So sánh các chỉ tiêu kỹ thuật của DO và FO. Có một số nhận xét sau: 1. Nhiên liệu nặng có độ nhớt lớn hơn so với Do vào khoảng 30 ÷ 100 lần khi ở cùng nhiệt độ. 2. Hàm lượng lưu huỳnh lớn hơn 14 lần. 3. Hàm lượng nước lớn hơn 20 lần. 4. Hàm lượng tro gấp 15 lần. 5. Điểm chớp cháy cốc kín lơn hơn 1,3 lần. 6. Nhiệt trị, gần bằng nhau. Từ những nhận xét trên, việc nghiên cứu sử dụng FO cho động cơ diesel gặp những khó khăn sau: 10 1. Hàm lượng tạp chất và độ nhớt có ảnh hưởng rất lớn đến các thông số kỹ thuật của động cơ. Khi đưa vào dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel gặp rất nhiều khó khăn. Độ nhớt của FO quá lớn sẽ gây khó khăn cho tính lưu động của nhiên liệu từ thùng chứa tới bơm, giảm độ tin cậy hoạt động của bơm, gây khó khăn cho việc phun tơi, làm cho nhiên liệu và không khí khó có thể hoà trộn đồng đều, quá trình cháy xảy ra không hoàn toàn, dẫn đến nguyên nhân cuối cùng là làm giảm công suất của động cơ và tăng lượng tiêu hao nhiên liệu, độ độc khí xả. 2. Hàm lượng tạp chất và lưu huỳnh trong FO lớn hơn rất nhiều nên khi sử dụng sẽ tăng tính mài mòn của các cặp chi tiết. 3. Tạo muội than và tăng lượng khí xả. 4. Tăng lượng tiêu hao nhiên liệu. 5. Gây ô nhiễm môi trường. 6. Công suất động cơ giảm. Ngoài những nhược điểm được liệt kê trên. FO có những ưu điểm mà các loại nhiên liệu thay thế khác khó có thể so sánh được. Đó là: 1. Nhiệt trị (Q=40.969 KJ/Kg) gần bằng với DO. 2. Giá thành giảm khoảng 30 ÷ 32% so với DO. 3. Sản lượng chiếm (30 ÷ 40)% tổng sản lượng khai thác dầu mỏ. Cũng chính vì những ưu điểm vuợt trội này mà các nhà khoa học trên thế giới, đặc biệt là các nhà khoa học Nga đã tìm cách đưa FO vào sử dụng cho động cơ diesel tàu thủy. Trong đó có các nhà khoa học của nước ta. Để cải thiện những khó khăn khi sử dụng FO dùng làm nhiên liệu cho động cơ diesel bằng các biện pháp sau : 1. Giảm độ nhớt của FO bằng cách sấy nóng. 2. Đồng thể hoá nhiên liệu (nhiên DO và FO). 3. Tạo nhũ tương nước – nhiên liệu nặng (NTN-NLN). Ở biện pháp tạo NTN-NLN để sử dụng được trên động cơ diesel cần phải sấy nóng hỗn hợp nhũ tương (HHNT) hoặc pha trộn với (DO) theo những tỷ lệ thích [...]... đề tài Nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị tạo nhũ tương nước – nhiên liệu nặng dùng cho động cơ diesel Việc sử NTN-NLN đã được thế giới đang sử dụng trên các động cơ thấp tốc và trung tốc ( . dụng nhũ tương nước – nhiên liệu nặng trên tàu. 1.4. Tình hình nghiên cứu và sử dụng nhũ tương nước - nhiên liệu nặng trên động cơ diesel ở Việt Nam. Chương 2: CHỌN VÀ THIẾT KẾ THIẾT BỊ TẠO NHŨ. Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thiết bị tạo nhũ tương nước – nhiên liệu nặng dùng cho động cơ diesel . Sau 06 tháng thực hiện, nay luận văn đã hoàn thành. Luận văn này trình bày kết quả nghiên. nghĩa HHNT Hỗn hợp nhũ tương. NTN-NL Nhũ tương nước- nhiên liệu. NTN-NLN Nhũ tương nước- nhiên liệu nặng. DO Nhiên liệu diesel. FO Nhiên liệu nặng. G nl Lượng tiêu hao nhiên liệu giờ.[Kg/h]