Nghiên cứuảnh hưởng của trạng thái kĩ thuật sinh hàn gió tăng áp đến quá trình công tác của động cơ dieselHanshin6LU32

Các thông số trạng thái của không khí nạp trong xy lanh ở đầu hành trình nén và lượng không khí nạp mới có ảnh hưởng lớn đến toàn bộ chu trình công tác của động cơ và dẫn đến thay đổi áp

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của riêng tôi, các tƣ liệu, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất cứ công trình nào khác

Tôi xin cam đoan rằng các thông tin trích dẫn trong luận văn đều đã đƣợc ghi rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

KS Nguyễn Văn Kiên

LỜI CẢM ƠN

Được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo TS Phạm Xuân Dương cùng các thầy cô và các bạn đồng nghiệp, tôi đã hoàn thành đề tài tốt nghiệp thạc sỹ đúng hạn Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn TS Phạm Xuân Dương và các thầy khác đã giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài này

Tuy nhiên do thời gian có hạn nên đề tài này khó tránh khỏi những sai sót nhất định Kính mong được sự gúp đỡ của các thầy để đề tài của tôi hoàn thành tốt hơn

Xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các bảng v

Danh mục các hình vi

Mở đầu 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 3

1.1 Hệ thống tăng áp diesel tàu thủy 3

1.2 Ảnh hưởng của chất lượng tăng áp tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ 12

1.3 Thiết bị trao đổi nhiệt 16

1.4 Sự cần thiết của việc làm mát trung gian cho không khí tăng áp 20

1.5 Ảnh hưởng của tổ hợp tuabin khí máy nén đến các thông số động cơ Diesel 21

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI NHIỆT TRONG SINH HÀN GIÓ TĂNG ÁP VÀ CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CHO CHU TRÌNH LÀM VIỆC CỦA ĐỘNG CƠ 26

2.1 Cơ sở lý thuyết 26

2.2 Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật tới sự cộng tác của các sinh hàn làm mát gió tăng áp 47

2.3 Nghiên cứu sự ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật tổ hợp tuabin khí, máy nén và sinh hàn gió tăng áp tới quá trình công tác của động cơ 53

CHƯƠNG 3 ẢNH HUỞNG CỦA CHẤT LUỢNG NHIÊN LIỆU ĐẾN QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ DIESEL HANSHIN 6LU32 58

3.1 Giới thiệu về động cơ diesel tàu biểnHanshin loại 6LU32 58

3.2 Thứ tự tính toán ảnh hưởng của chất lượng tình trạng kĩ thuật sinh hàn gió tăng áp đến quá trình công tác của động cơ diesel Hanshin 6LU32 59

3.3 Xây dựng sơ đồ thuật toán tính toán ảnh hưởng của nhiệt độ đầu quá trình

nạp đến quá trình công tác của động cơ diesel Hanshin 6LU32 60

3.4 Giới thiệu về phần mềm tính toán 61

3.5 Kết quả tính toán lý thuyết ảnh hưởng của tình trạng kĩ thuật sinh hàn gió tăng áp đến quá trình công tác của động cơ 62

3.6 Tổng hợp từ kết quả tính toán 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67

TÀI LIỆU THAM KHẢO 68

DANH MỤC CÁCBẢNG

1.1 Thông số chính của tuabin tăng áp hướng kính 7 1.2 Thông số chính của tuabin tăng áp hướng trục 7

DANH MỤC CÁCHÌNH

1.5 Hai loại cơ bản của hệ thống tăng áp tuabin 8

1.6

Quan hệ giữa ge và pe của động cơ Diesel với các mức độ

tăng áp khác nhau.1-không tăng áp; 2-pk=1,5Mpa;

3-pk=0,21Mpa

15

1.7 Sơ đồ phân loạithiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống động lực

1.8 Một số loại sinh hàn gió tăng áp trên động cơ Diesel tàu thủy 18 1.9 Ống dẹt bố trí so le có cánh hình chữ nhật

18 1.10 Ống dẹt bố trí song song có cánh hình chữ nhật 18 1.11 Ống dẹt bố trí so le có cánh gợn sóng

19 1.12 Ống dẹt bố trí song song có cánh gợn sóng 19

1.15 Ống tròn bố trí song song có cánh gợn sóng 19

1.17 Sự phụ thuộc của áp suất không khí nạp

1.18 Sự thay đổi hệ số nạp ηn và hệ số khí sót γr của động cơ hai

kỳtheo tỷ số pr/ps ở các vòng quay khác nhau 24 2.1 Xác định hệ số điều chỉnh εφ

36

2.2 Quá trình trao đổi nhiệt của hai chất lỏng cùng chiều 39 2.3 Quá trình trao đổi nhiệt của hai chất lỏng ngược chiều 40 2.4 Ảnh hưởng của tổn thất áp suất đến hệ số tổn thất ξ 51

2.5 Đặc tính cột áp lưu lượng của tổ hợp máy nén đường ống và

3.1 Động cơ diesel tàu biển loại Hanshin 6LU32 59

3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ khí nạp TC1 đến áp suất cháy theo

MỞ ĐẦU 1.Tính cấp thiết của đề tài

Đối với các động cơ diesel tàu thủy, một trong những yếu tố quan trọng là độ tin cậy và trọng lượng, kích thước nhỏ gọn Do động cơ diesel bố trí tăng áp bằng tuabin khí xả có công suất trên một đơn vị trọng lượng lớn nên chúng được ứng dụng phổ biến trong hệ động lực tàu thủy So với động cơ không tăng áp thì chúng còn có một số ưu điểm khác như: suất tiêu hao nhiên liệu nhỏ nhất ở các chế độ gần chế độ định mức; tuổi thọ cao và độ ồn nhỏ Với động cơ tăng áp, trạng thái kỹ thuật của hệ thống nạp có ảnh hưởng lớn tới tính kinh tế và độ tin cậy của động cơ, trong một số trường hợp có thể làm xấu quá trình làm việc của động cơ dẫn đến giảm kinh tế cũng như tuổi thọ của nó Để khai thác loại động cơ này có hiệu quả

và đảm bảo độ tin cậy, điều quan trọng nhất là phải duy trì trạng thái kỹ thuật của

hệ thống nạp, các thông số trạng thái không khí nạp trong phạm vi cho phép Nắm

rõ sự liên quan chặt chẽ giữa các thông số đầu vào với các thông số làm việc của động cơ diesel như công suất, suất tiêu hao nhiện liệu, tải trọng cơ và nhiệt lên các chi tiết làm việc của động cơ ở các chế độ khác nhau là đặc biệt quan trọng trong khai thác động cơ

Các thông số trạng thái của không khí nạp trong xy lanh ở đầu hành trình nén

và lượng không khí nạp mới có ảnh hưởng lớn đến toàn bộ chu trình công tác của động cơ và dẫn đến thay đổi áp suất có ích bình quân, hiệu suất chỉ thị… Mặc dù,

đã có một số tài liệu đề cập tới vấn đề này, tuy nhiên việc nghiên cứu cụ thể ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp tới các thông số công tác của động cơ thì chưa có tài liệu nào nghiên cứu

Vì lý do đó nên tôi chọn đề tài tốt nghiệp thạc sỹ: “ Nghiên cứuảnh hưởng của

trạng thái kĩ thuật sinh hàn gió tăng áp đến quá trình công tác của động cơ

dieselHanshin6LU32”

2 Mục đích nghiên cứu của đề tài

Phân tích sự ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp tới quá trình công tác động cơ diesel tàu thủy Từ đó làm cơ sở cho việc quản lý kỹ thuật

và khai thác hiệu quả sinh hàn gió tăng áp trong quá trình khai thác sử dụng để nâng cao công suất động cơ

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp tới các thông số công tác của động cơ diesel tàu thủy Trong điều kiện hiện tại, luận văn chỉ giới hạn nghiên cứu ảnh hưởng trạng thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp tới công suất chỉ thị và công suất có ích của động

cơ

4 Phương pháp nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu mô hình ảnh hương của trạng thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp tới các thông số công tác động cơ diesel tàu thủy

Sử dụng phần mềm Matlab để xác định ảnh hưởng của trạng thái kĩ thuật sinh hàn gió tăng áp đến các thông số công tác của động cơ diesel tàu thủy

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Trên cơ sở các mô hình toán học, đề tài phân tích ảnh hưởng trạng thái kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp tới quá trình công tác của động cơ diesel, từ đó đề xuất các giải pháp xử lý

Trên cơ sở các bài toán tính nhiệt, đề tài đã phân tích, đánh giá được trạng thái kỹ thuật hiện tại của sinh hàn gió tăng áp

Từ kết quả nghiên cứu của đề tài làm cơ sở cho việc quản lý kỹ thuật sinh hàn gió tăng áp, khai thác hiệu quả trong quá trình khai thác sử dụng nhằm nâng cao

công suất động cơ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TĂNG ÁP CHO ĐỘNG CƠ DIESEL 1.1 Hệ thống tăng áp diesel tàu thủy

1.1.1 Khái niệm về hệ thống tăng áp động cơ

Động cơ không tăng áp, trực tiếp nạp không khí từ ngoài trời, do bị hạn chế

về số lượng không khí nạp vào xy lanh nên khả năng nâng cao công suất động cơ không lớn Nếu dùng một máy nén riêng để nén không khí trước rồi đưa vào xy lanh động cơ sẽ có thể làm tăng mật độ không khí, qua đó tăng khối lượng không khí nạp vào xy lanh mỗi chu trình Như vậy, trong mỗi chu trình công tác của động

cơ lượng nhiên liệu được đưa vào xy lanh nhiều hơn, làm tăng công suất động cơ khi mà khối lượng và kích thước động cơ tăng lên không nhiều Cách làm ấy được gọi là tăng áp

Với động cơ diesel, tăng áp là biện pháp cường hóa Pe tốt nhất Đặc biệt thời gian gần đây, kỹ thuật chế tạo tuabin và máy nén sử dụng năng lượng khí xả nên phạm vi sử dụng tăng áp ngày một mở rộng và áp suất tăng áp Pk ngày một nâng cao làm cho không những tính năng động lực học của động cơ tốt hơn động cơ không tăng áp mà còn giảm suất tiêu hao nhiên liệu Nếu áp suất có ích trung bình của động cơ diesel không tăng áp Pe thường không quá 0,7 – 0,9 Mpa thì Pe của động cơ diesel tăng áp rất dễ đạt 1,0 – 2,0 Mpa, nếu nâng cáo áp suất tăng áp Pk và làm mát trung gian cho không khí phía sau máy nén có thể đưa áp suất có ích trung bình Pe của động cơ thực nghiệm tới 4Mpa Nhiều động cơ tăng áp đang chế tạo hiện nay đã đạt được Pe≥3Mpa

Tuy nhiên càng nâng cao mức độ tăng áp, động cơ diesel được cường hóa càng nhanh về Pe sẽ làm tăng phụ tải cơ khí cũng như phụ tải nhiệt của động cơ, do

đó phải đặt ra những yêu cầu khắt khe khi chế tạo các chi tiết của nhóm piston, xy lanh, xupap, nắp xy lanh, bạc trục, bạc biên… Ngoài ra cũng đòi hỏi tạo ra hệ thống nhiên liệu mới với quy luật cấp nhiên liệu khắt khe hơn, vòi phun có áp suất cao hơn và hệ thống tăng áp tuabin khí hoàn hảo hơn

1.1.2 Các phương pháp tăng áp chủ yếu

Dựa vào nguồn năng lượng để nén không khí trước khi đưa vào động cơ, người ta chia các phương pháp tăng áp thành bốn nhóm sau:

T-tuabin; K-máy nén

1.1.2.2 Tăng áp nhờ năng lượng khí thải

Nguồn năng lượng để nén không khí được lấy từ khí thải Nhóm này lại được chia ra làm hai loại:

1.1.2.2.1.Tăng áp tuabin khí (hình 1.2) Máy nén K được dẫn động bởi tuabin khí

T, hoạt động nhờ năng lượng khí thải của động cơ Không khí từ ngoài trời qua máy nén được nén tới áp suất pk>po rồi vào xy lanh động cơ Do tăng áp tuabin khí được dẫn động nhờ năng lượng khí thải, không phải tiêu thụ công suất động cơ như tăng áp cơ khí, nên có thể làm tăng tính kinh tế của động cơ, nói chung có thể giảm suất tiêu hao nhiên liệu khoảng 3-10% Động cơ tăng áp cao, thường lắp két làm mát trung gian nhằm giảm nhiệt độ, qua đó nâng cao mật độ không khí tăng áp đi vào động cơ Tăng áp tuabin còn tạo điều kiện giảm ồn, giảm thành phần độc hại trong khí xả, do đó loại này đang được sử dụng nhiều nhất hiện nay Những động

cơ diesel có công suất từ 35kW đến 35000kW phần lớn đều dùng tăng áp tuabin khí (tới 70 ÷ 80%);

1.1.2.2.2.Tăng áp bằng sóng khí Khí thải của động cơ tiếp xúc trực tiếp với không khí trên đường tới xy lanh, trong bộ tăng áp bằng sóng khí, để nén số không khí này trước khi nạp vào động cơ

Trên một số động cơ, ngoài phần tăng áp tuabin khí còn dùng thêm một bộ tăng áp dẫn động cơ khí Ví dụ trên động cơ hai kỳ, để có áp suất khí quét cần thiết phải khởi động cũng như chạy ở tốc độ thấp và tải nhỏ, phải sử dụng tăng áp hỗn hợp Tăng áp hỗn hợp được thực hiện theo hai phương án: Lắp nối tiếp (hình 1.3)

và lắp song song (hình 1.4)

1.1.2.4 Tăng áp nhờ hiệu ứng động của dao động áp suất

Lợi dụng hiện tượng lưu động không ổn định của dòng khí trên đường ống dẫn, do tính gián đoạn của các quá trình nạp, thải của động cơ gây ra bằng cách bố trí hợp lý kích thước các đường nạp và thải nhằm làm tăng không khí nạp vào xy lanh mỗi chu trình

Trong thực tế sử dụng, ngoài bốn cách tăng áp chính kể trên còn có các hệ thống tăng áp và các phương án tổ hợp khác thích hợp cho từng trường hợp cụ thể, thỏa mãn nhu cầu tăng áp cho động cơ

1.1.3 Phân loại tuabin tăng áp

Tuabin tăng áp gồm hai phần chính là máy nén và tuabin khí cùng các cơ cấu phụ như bạc đỡ trục, thiết bị bao kín, các hệ thống bôi trơn và làm mát v.v…

Dựa vào dòng chảy khí xả trong tuabin người ta chia thành hai loại: tuabin tăng áp hướng trục và tuabin tăng áp hướng kính Cả hai loại trên đều được phát triển song song Nói chung tuabin tăng áp hướng kính dùng cho những trường hợp cần lưu lượng nhỏ (đường kính ngoài của bánh công tác nhỏ hơn 180mm), còn tuabin tăng áp hướng trục dùng cho các trường hợp cần lưu lượng lớn (đường kính ngoài của bánh công tác lớn hơn 260mm) Với trường hợp đường kính ngoài của bánh công tác từ 180 ÷ 260mm, người ta dùng cả hai loại trên

1.1.3.1 Tuabin tăng áp hướng kính

Người ta thường dùng tuabin hướng kính một tầng và máy nén ly tâm một tầng Các thông số chính của tuabin tăng áp hướng kính được giới thiệu trên bảng 1-1

Bảng 1.1 Thông số chính của tuabin tăng áp hướng kính Đường

Gk(kg/s)

Tỷ số tăng áp

π* k

Nhiệt độ cực đại cho phép của khí thải

ttk(oC)

Hiệu suất máy nén

ηk

Công suất của động cơ tăng áp

Ne(kW)

35 – 220 25000-250000 0,01-2,5 1,4-3,5 550-950 0,67-0,80 15-750 Tuabin tăng áp lưu lượng nhỏ thường sử dụng tuabin tăng áp hướng kính vì với lưu lượng nhỏ, suất tiêu hao nhiên liệu của tuabin hướng kính cao hơn tuabin hướng trục, ngoài ra còn có thêm những ưu nhược điểm đặc biệt: quán tính nhỏ, tính tăng tốc tốt, dung tích cấu tạo đơn giản,

1.1.3.2.Tuabin tăng áp hướng trục

Tuabin do tuabin hướng trục và máy nén tạo nên Các thông số chính của tuabin tăng áp hướng trục được giới thiệu trên bảng 1-2

Bảng 1.2 Thông số chính của tuabin tăng áp hướng trục Đường

kính bánh

công tác

D2(mm)

Tốc độ cực đại ntk(v/ph)

Lưu lượng

Gk(kg/s)

Tỷ

số tăng

áp

π* k

Nhiệt độ cực đại cho phép của khí thải ttk(oC)

Hiệu suất máy nén

ηk

Công suất của động

cơ tăng áp

Ne(kW)

220 – 1000 5000-35000 1,5-3,5 ~4 500-700 0,75-0,86 150-30000 Tuabin tăng áp thường có đặc điểm: lưu lượng lớn, hiệu suất cao, thích hợp với động cơ diesel có công suất cớ lớn và cỡ vừa

1.1.4 Các hệ thống tăng áp tuabin khí

Dựa vào phương thức và mức độ sử dụng năng lượng của sản vật cháy, người

ta chia các hệ thống tăng áp tuabin thành hai loại: hệ thống đẳng áp và hệ thống biến áp (hoặc biến áp)

1.1.4.1 Hệ thống đẳng áp (hình 1.5a)

Trong hệ thống đẳng áp, khí xả từ các xy lanh được đưa vào một đường ống góp chung, với dung tích đủ lớn, tạo ra áo suất ổn định, trước khi đi vào tuabin, nhờ đó hiệu suất tuabin khá cao Ngoài ra đường thông trong tuabin được giảm tương đối, rung động do dòng khí tạo ra đối với cánh tuabin ít đi nên cánh ít hỏng

thống biến áp Hệ thống đẳng áp rất thích hợp cho động cơ tĩnh tại và động cơ tàu thủy

1.1.4.2 Hệ thống tăng áp kiểu xung (hình 1.5b)

Đặc điểm của hệ thống này là tìm mọi cách duy trì dao động áp suất trên đường thải Vì vậy thường lắp các tuabin tăng áp gần sát với các xy lanh đồng thời tạo các đường ống thải từ xy lanh ra nhỏ và ngắn Mặt khác để tránh hiện tượng can thiệp xảy ra trên ống thải phải phân nhóm hợp lý, ghép các xy lanh không có hoặc có rất ít thời gian trùng điệp và chung một nhóm Đường thải trong hệ thống biến áp phải thỏa mãn các yêu cầu sau:

- Cấu tạo của ống thải đơn giản, thống nhất, không gây các đường ngoặt đột ngột, không có chỗ thắt hoặc phình đột ngột, bán kính chuyển hướng của dòng chảy phải lớn, tìm một cách rút ngắn đường thải;

- Mỗi nhóm đường ống thải, tốt nhất cần tạo các mạch xung có khoảng cách góc quay bằng nhau Tiết diện lưu thông của đường thải phải nhỏ, lấy xấp xỉ bằng tiết diện lớn nhất của xupap thải và bằng tiết diện ống dẫn vào tuabin;

- Đối với tuabin tăng áp cần đưa xung áp suất thải của xy lanh vào tuabin theo thứ tự và với khoảng cách góc đều nhau để giảm bớt tổn thất

Vì vậy khi chọn trình tự làm việc của các xy lanh cần lưu ý đến yêu cầu bố trí ống thải của hệ thống biến áp

Ngoài ra, còn có các hệ thống tăng áp khác như: tăng áp cơ khí; tăng áp khí động; tăng áp phức hợp và tăng áp bằng sóng khí

1.1.5 Các yếu tố ảnh hưởng tới trạng thái kỹ thuật của tổ hợp tuabin khí máy nén

1.1.5.1 Ảnh hưởng của yếu tố thời gian

Sau một thời gian làm việc tình trạng kỹ thuật của tuabin khí máy nén xấu đi rất nhiều, điều này làm hiệu suất của hệ thống cũng bị suy giảm Sau một thời gian làm việc sẽ gây ra cho tổ hợp tuabin khí máy nén những tác động sau:

- Trục rôto có thể bị cong, khi đó rô to sẽ không còn cân bằng sẽ làm rung động mạnh toàn dàn máy nén và cánh tuabin Do vậy sự chảy của dòng khí lên prophin cánh xấu đi gây ra tách dòng, gián đoạn dòng nên hệ số dự trữ chống mất ổn định của máy nén sẽ giảm đi nhiều

- Các cánh bị mài mòn, méo, dập xước ngoài việc gây mất cân bằng cũng làm dòng chảy của không khí xấu đi

- Dàn cánh tuabin không cứng, vững do sợi dây liên kết giữa các cánh bị đứt, lỏng hoặc mòn cũng làm dòng khí vào máy nén bị dao động

- Đường không khí nén tới phần làm kín khí xả trên trục rôto bị tắc ngẽn do muội sẽ làm rò lọt khí xả và muội ở khu vực ổ làm kín Sức cản ma sát rôto tăng lên, hiệu suất máy nén giảm và lưu lượng khí xả giảm

- Các vòng bi, ổ đỡ bị mài mòn quá mức, việc điều chỉnh các khe hở dọc trục và hướng kính giữa các bộ phận của rô to với vỏ tuabin, máy nén không chính xác sẽ làm rô to bị rung động và giảm hiệu suất công tác của tuabin máy nén, vòng quay máy nén và lưu lượng không khí giảm

- Tình trạng dầu bôi trơn sau một thời gian làm việc sẽ kém dần, nên khả năng bôi trơn trục rô to kém đi sẽ làm mất cân bằng cho trục rô to

- Sau thời gian làm việc muội bẩn sẽ bám vào các cánh hướng, phin lọc gió máy nén làm các cánh tuabin, máy nén mất cân bằng gây rung động tuabin, máy nén, gây lệch dòng khí làm giảm vòng quay và hiệu suất tuabin khí máy nén

- Do các cơ sở gia công khác với thiết kế, chất lượng thấp, không đúng kích thước và hình dáng động học nguyên mẫu Các cánh tuabin máy nén xấu, vòng bi hoặc bạc đỡ trục rô to không đồng tâm sẽ làm cho dòng chảy bao phủ lên cánh xấu

đi (do rung động của rô to) làm chế độlàm việc của tổ hợp tuabin máy nén dễ rơi vào vùng mất ổn định

1.1.5.2 Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật động cơ

Trạng thái kỹ thuật động cơ có ảnh hưởng rất lớn đến trạng thái kỹ thuật của tổ hợp tuabin khí máy nén Khi trạng thái kỹ thuật của động cơ kém đi có thể do: tình trạng kỹ thuật của vòi phun, bơm cao áp, tình trạng kỹ thuật của nhóm piston-xy

lanh, tình trạng kỹ thuật của nhóm xupap hút, xả… làm cho quá trình cháy kém, cháy không hoàn toàn, nhiệt độ khí xả cao, trong khí xả có nhiều CO Khi khí xả

có nhiệt độ cao và có nhiều CO đưa tới giãn nở trong tuabin làm cho muội bám trên các cánh tuabin và ống phun, làm tăng tổn thất trong tuabin, vòng quay tuabin giảm

1.1.5.3 Ảnh hưởng do người khai thác

- Do trình độ và ý thức của người khai thác có thể dẫn đến trạng thái kỹ thuật của tổ hợp tuabin khí máy nén ngày càng xấu đi, thậm chí có thể gây ra sự cố cho tuabin, máy nén

- Do khai thác không đúng với quy trình hướng dẫn của nhà chế tạo như: không vận hành đúng, do không vệ sinh tổ hợp tuabin khí máy nén định kỳ, làm cho hiệu suất của tổ hợp tuabin khí máy nén giảm đi

- Do không thường xuyên vệ sinh phin lọc máy nén mà máy nén thông thường hút khí trực tiếp từ trong buồng máy có rất nhiều hơi dầu và bụi bẩn, các bụi bẩn và hơi dầu bám vào phin lọc máy, làm giảm lưu lượng không khí vào máy nén Ở vòng quay không đổi thì làm lưu lượng không khí ra khỏi máy nén cũng giảm làm áp suất pk giảm Như vậy hiệu suất máy nén sẽ giảm

- Do vệ sinh tổ hợp tuabin máy nén không đúng quy trình nhà chế tạo

1.1.5.4 Ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật của tổ hợp tuabin khí máy nén đến các thông số áp suất tăng áp, vòng quay tuabin

Khi trạng thái kỹ thuật tuabin khí máy nén kém đi làm cho vòng quay tuabin giảm, vòng quay máy nén giảm làm giảm áp suất gió tăng áp, lưu lượng không khí nạp vào động cơ giảm Trên (hình 2.4) là đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa cột áp

và lưu lượng của máy nén khi vòng quay trên trục tuabin thay đổi

Do tình trạng kỹ thuật của động cơ diesel, do tình trạng của cánh hướng, cánh động tuabin, tình trạng của chính tổ hợp tuabin khí kém làm vòng quay của rô

to tuabin giảm (vòng quay rô to máy nén giảm)

1.2 Ảnh hưởng của chất lượng tăng áp tới các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của động cơ

1.2.1 Tăng áp là một trong các đường hướng hiệu nghiệm để nâng cao công suất N L và N F của động cơ

Ta thấy công suất ldm2 diện tích đỉnh piston NF phụ thuộc và tỷ lệ thuận với

Khi tăng pk sẽ làm tăng tỉ số pa/pk(pa– áp suất cuối quá trình nạp, đầu quá trình nén) nhờ đó ηvsẽ tăng Ta thấy rằng: pT/pkcó ảnh hưởng lớn tới ηvkhi thực hiện quét buồng cháy; góc trùng điệp φ1-4 càng lớn ảnh hưởng trên càng mạnh Với góc trùng điệp φ1-4nhất định, chỉ cần giảm pT/pktới giá trị nào đó sẽ đạt ηv cực đại, sau

đó tiếp tục giảm pT/pk, ηvsẽ không bị ảnh hưởng, điều đó nói rõ lúc đó khí sót đã được quét sạch khỏi buồng cháy Động cơ sau khi tăng áp sẽ làm cho tỷ số pT-

/pkgiảm dần khi tăng pk; tạo điều kiện thuận lợi cho việc quét buồng cháy Nếu chọn hợp lý góc trùng điệp φ1-4và tổ chức tốt quá trình quét buồng cháy sẽ đạt được mục tiêu nâng cao hệ số nạp ηv và làm tăng lượng môi chất mới nạp vào động

cơ

Hệ số nạp ηv của các loại động cơ diesel thường nằm trong phạm vi:

+ Động cơ diesel bốn kỳ không tăng áp

- Động cơ thấp tốc: ηv= 0,8 ÷ 0,90

- Động cơ cao tốc: η v= 0,75 ÷ 0,85

+ Động cơ diesel bốn kỳ tăng áp: ηv= 0,90 ÷ 1,05

Biện pháp cường hóa đối với động cơ diesel được thực hiện theo hai cách sau: cách thứ nhất tăng số vòng quay n của động cơ, phát triển động cơ cao tốc và cách thứ hai là tăng áp suất và giảm nhiệt độ môi chất mới trước khi nạp vào động cơ, phát triển động cơ tăng áp làm mát trung gian cho khí nén Nâng cao số vòng quay của động cơ bị hạn chế bởi nhiều yếu tố liên quan đến tổ chức chu trình, vật liệu và công nghệ chế tạo v.v…, tăng áp trên cơ sở không thay đổi số vòng quay n mà chỉ

là tăng mật độ qua đó làm tăng khối lượng môi chất mới nạp vào xy lanh trong mỗi chu trình Người ta đã sử dụng rộng rãi biện pháp tăng áp tuabin khí nhằm tránh dùng công suất có ích để dẫn động máy nén khí, nhờ đó tiết kiệm năng lượng của động cơ

1.2.2 Tăng áp tuabin khí là một trong các biện pháp hiệu nghiệm nhằm tiết kiệm năng lượng

Trong số năng lượng nhiệt cung cấp cho động cơ không tăng áp, chỉ có khoảng 30 – 40% được chuyển thành công có ích, nhiệt vật lý của khí thải đem ra ngoài trời chiếm khoảng 40 – 50% Nếu dùng tuabin khí để số khí thải có nhiệt độ cao kể trên được tiếp tục giãn nở sinh công, trước khi thải ra ngoài trời và dùng công ấy để dẫn động máy nén tăng áp ( tránh dùng công suất có ích của động cơ)

sẽ có thể nâng cao công suất có ích và cải thiện tính kinh tế của động cơ Tăng áp tuabin khí chính là một thiết bị thực hiện việc thu hồi một phần năng lượng của khí thải, số năng lượng thu hồi này chiếm tới 5-10% toàn bộ năng lượng nhiệt cấp cho động cơ

1.2.2.1 Ảnh hưởng của tăng áp tuabin khí tới ηi

Mối quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge, hiệu suất chỉ thị ηi và hiệu suất cơ giới ηm được thể hiện ở công thức sau:

ge =3,6.10

6

η𝑖.η𝑚.𝑄 , g/kW.h(1-1)

Từ (1-1) thấy rằng: muốn biết ảnh hưởng của tăng áp tuabin khí tới việc tiết kiệm năng lượng (giảm ge) chỉ cần chỉ rõ ảnh hưởng của nó tới ηi và ηm

Nếu giữ không thay đổi thành phần hòa khí (hệ số dư lượng không khí α), thì ảnh hưởng đến tăng áp tới ηi phụ thuộc chủ yếu vào hệ thống nhiên liệu và góc phun sớm φps Nhìn chung sau khi tăng áp, ηi sẽ không giảm mà có chiều hướng gia tăng, nhưng cần phải điều chỉnh lại một cách tỉ mỉ đối với hệ thống nhiên liệu, biến dạng cam, đường kính pittông bơm cao áp, đường kính hợp lý của lỗ phun, góc côn của tia nhiên liệu, áp suất phun nhiên liệu, đường kính của đường nhiên liệu cao

áp, góc phun sớm nhiên liệu φps v.v… Như vậy để giúp phân tích vấn đề, có thể chọn sơ bộ ηi1 = ηi2 (chỉ số 2 dùng cho trường hợp đã tăng p k , còn chỉ số 1 dùng cho trường hợp chưa tăng pk ) Nhưng trên thực tế do 2 nguyên nhân:

- Do mật độ của môi chất trong cả chu trình đều tăng, nên nhiệt lượng truyền qua thành xy lanh sẽ tăng, nhưng số nhiệt tổn thất quy về một kW công suất có ích

sẽ giảm

- Do tăng áp suất pk sẽ làm tăng số lần va đập giữa các phần tử nhiên liệu và

O2 giúp hoàn thiện hơn quá trình cháy Kết hợp ảnh hưởng của hai yếu tố trên sẽ giúp ηi2 hơi nhích hơn ηi1.

1.2.2.2 Ảnh hưởng của tăng áp tuabin khí tới ηm

ηm = 𝑃𝑒𝑃𝑖 = 1 - 𝑃𝑚𝑃𝑖

Trong đó: pe, pi áp suất có ích và áp suất chỉ thị trung bình ( Pa)

pm áp suất tổn hao cơ giới trung bình ( Pa)

Sau khi dùng tăng áp tuabin khí, do thời gian cháy trễ rút ngắn có thể giảm góc phun sớm φps ; trên cơ sở giảm tỉ số nén ε một cách hợp lý sẽ làm cho áp suất cực đại pz tăng lên không nhiều Nếu píttông được làm mát cưỡng bức, thì khối lượng của píttông cũng tăng lên không nhiều Máy nén khí để tăng áp lại được tuabin khí dẫn động, nên tốc độ của nó sẽ thay đổi tự động theo tải của động cơ, càng tăng tải động cơ, tốc độ máy nén tuabin khí càng lớn làm cho pk càng cao

Hình 1.6 Quan hệ giữa ge và pe của động cơ diesel với các mức độ tăng áp

khác nhau.1-không tăng áp; 2-pk=1,5Mpa; 3-pk=0,21Mpa Những điều phân tích trên khác hẳn so với tăng áp dẫn động cơ khí, ở đó áp suất tăng áp pk và công suất tiêu thụ cho máy nén tăng áp chỉ phụ thuộc vào số vòng quay n của động cơ mà không phụ thuộc tải, khi n= const dù chạy ở không tải hay toàn tải vẫn phải tiêu tốn cho máy nén tăng áp một lượng công suất như nhau Như vậy, sau khi dùng tăng áp tuabin khí, mặc dù có làm cho áp suất tổn hao cơ giới trung bình pm có tăng lên một ít, nhưng tăng áp sẽ làm cho áp suất chỉ thị trung bình pi tăng nhanh khiến tỉ số pm /pi giảm , nhờ đó làm cho ηm tăng nhanh Hình 1.6 giới thiệu quan hệ giữa suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge của động cơ diesel trung tốc công suất lớn, tăng áp bằng tua bin khí xả và áp suất có ích trung bình của chu trình ứng với các mức độ tăng áp khác nhau Khi mức độ tăng áp càng cao thì suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge trong phạm vi tải lớn càng thấp và phạm vi suất tiêu hao nhiên liệu thấp đạt được trong khoảng tải rất rộng vì hiệu suất cơ giới của động

cơ càng lớn

Trong khu vực tải nhỏ, do giảm bớt công dương của quá trình nén do áp suất cực đại của quá trình cháy cao hơn so với trường hợp không tăng áp làm cho áp suất tổn hao cơ giới pm tăng lên so với không tăng áp

Hiệu suất cơ giới của động cơ diesel hiện nay đạt các giá trị sau:

Động cơ bốn kỳ không tăng áp: ηm = 0,75 ÷ 0,85%

Động cơ bốn kỳ tăng áp bằng tubin khí xả: ηm = 0,80 ÷ 0,90%

1.3.Thiết bị trao đổi nhiệt

1.3.1 Công dụng của thiết bị trao đổi nhiệt trong hệ động lực diesel tàu thủy

Hiện nay, các thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng rộng rãi trên tàu thủy, chúng có nhiệm vụ truyền nhiệt từ môi chất có nhiệt độ cao sang môi chất có nhiệt

độ thấp Các thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo sự công tác liên tục, tin cậy và kinh tế của hệ động lực diesel Trong hệ động lực diesel tàu thủy, các thiết bị trao đổi nhiệt được sử dụng vào mục đích sau:

- Làm mát nước ngọt tuần hoàn làm mát động cơ tại sinh hàn nước ngọt;

- Làm mát dầu nhờn sau khi bôi trơn và làm mát động cơ tại sinh hàn dầu nhờn;

- Làm mát không khí tăng áp động cơ tại sinh hàn gió tăng áp;

- Hâm nhiên liệu (dầu FO) trước khi đưa vào buồng đốt động cơ tại bầu hâm nhiên liệu;

Ngoài ra, trên một số tàu, thiết bị trao đổi nhiệt còn được sử dụng để hâm nước sấy động cơ chính trước khi khởi động

1.3.2 Các loại thiết bị trao đổi nhiệt sử dụng trong hệ thống động lực tàu thủy

Tùy theo công dụng, thiết bị trao đổi nhiệt có các cấu tạo khác nhau Tuy nhiên, theo nguyên lý làm việc của thiết bị trao đổi nhiệt được phân ra thành hai loại: Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu có bề mặt và thiết bị trao đổi nhiệt kiểu không có

Hình 1.7 Sơ đồ phân loạithiết bị trao đổi nhiệt trong hệ thống động lực diesel

tàu thủy Trong thiết bị trao đổi nhiệt loại không có bề mặt các chất trao đổi nhiệt tiếp xúc trực tiếp với nhau và hòa trộn với nhau Đặc điểm của loại thiết bị này là quá trình trao đổi nhiệt thường kèm theo quá trình trao đổi chất

Trong hệ thống động lực diesel tàu thủy, thiết bị trao đổi nhiệt thường gặp là kiểu có bề mặt

Về mặt kết cấu và đặc điểm công tác thiết bị trao đổi nhiệt kiểu có bề mặt được chia làm các loại sau: thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống trong, kiểu tấm phẳng, ống xoắn ruột gà, ống chữ U, ống có cánh tản nhiệt Các thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt sử dụng trong hệ thống động lực diesel được chia theo sơ đồ hình 1.7

Trong hệ thống động lực diesel tàu thủy, thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống có cánh tản nhiệt thường được dùng ở sinh hàn gió tăng áp Thiết bị trao đổi nhiệt kiểu này có các đặc điểm là bên ngoài ống có cánh tản nhiệt để tăng diện tích bề mặt trao đổi nhiệt Thân của thiết bị thường có dạng hình hộp, trên thân có bố trí các đường môi chất vào và ra Trong thiết bị này, môi chất chuyển động trong ống thường là chất lỏng (chẳng hạn như nước) có hệ số tỏa nhiệt đối lưu α1lớn hơn rất nhiều so với hệ số tỏa nhiệt đối lưu của chất khí đi trong ống (α2=30 ÷ 140W/m2.oK) Vì vậy, theo lý thuyết truyền nhiệt, muốn tăng hệ số truyền nhiệt k

ta phải làm cánh ở bên ngoài ống về phía chất khí Nhược điểm cơ bản của loại này

là khi bề mặt ống phía cánh bẩn sẽ làm giảm khả năng trao đổi nhiệt và khả năng

lưu thông của chất khí Trong thiết bị này, môi chất nhận nhiệt thường là nước biển, đây là loại môi chất gây ăn mòn và đóng cáu cặn cao Một số loại sinh hàn gió tăng áp đuợc thể hiện ở hình 1.8

Hình 1.8 Một số loại sinh hàn gió tăng áp trên động cơ diesel tàu thủy

Sinh hàn gió tăng áp được chế tạo từ ống tròn hoặc dẹt, cánh được làm thành tấm phẳng hoặc gợn sóng, cánh tròn hoặc cánh hình chữ nhật…Trong đó cánh gợn sóng mang lại hiệu quả trao đổi nhiệt cao nhất

Một số loại ống và cánh của sinh hàn gió tăng áp được thể hiện ở các hình dưới đây

Hình 1.9 Ống dẹt bố trí so le có

cánh hình chữ nhật

Hình 1.10 Ống dẹt bố trí song song

có cánh hình chữ nhật

Hình 1.15 Ống tròn bố trí song song

có cánh gợn sóng

Hình 1.16 Ống tròn bố trí so le có cánh

gợn sóng

1.4 Sự cần thiết của việc làm mát trung gian cho không khí tăng áp

Sau khi qua máy nén, áp suất pk và nhiệt độ tk của không khí nén đều tăng cao, nhiệt độ tk phụ thuộc vào mức độ tăng áp pk, hiệu suất máy nén và tổn thất tản nhiệt của máy nén Với πk lớn trị số tk khá cao Nhiệt độ trung bình của chu trình động

cơ diesel phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ môi chất đầu quá trình nén, vì vậy phụ tải nhiệt của động cơ phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ tk Nếu không làm mát trung gian cho không khí tăng áp , tỉ số tăng áp πksẽ bị hạn chế, trường hợp không làm mát trung gian, áp suất có ích trung bình thường không quá 1 Mpa Trên đường nạp nếu lắp thêm bộ làm mát thì nhiệt độ môi chất đi vào động cơ sẽ giảm nhờ đó công suất động cơ sẽ tăng, đây là một biện pháp nâng cao công suất động cơ có hiệu quả

và đơn giản nhất Mức độ tăng áp πkcàng cao, đi qua bộ làm mát, nhiệt độ khí nén giảm càng nhiều và hiệu quả càng lớn Không khí nén được làm mát trung gian một mặt sẽ giảm bớt tổn thất tản nhiệt của chu trình, mặt khác trong điều kiện không thay đổi áp suất pk , có thể làm tăng công suất chỉ thị của động cơ từ đó cải thiện hiệu suất cơ giới của động cơ Vì vậy làm mát trung gian cho không khí tăng

áp lại là một biện pháp hữu hiệu để giảm suất tiêu hao nhiên liệu Động cơ tàu thủy thường dùng bộ làm mát dạng ống có nhiều lá tản nhiệt cho nước làm mát Do

nhiệt độ nước thấp nên sau khi đi qua bộ làm mát, nhiệt độ tk vào khoảng 40 –

500C Đôi khi dùng nước làm mát động cơ để làm mát không khí tăng áp, nhiệt độ nước khoảng 75 – 850

C, nên sau khi làm mát tk vào khoảng 85 – 950C

Thực nghiệm cho hay, nếu giữ áp suất không đổi, cứ giảm bớt nhiệt độ không khí 10OC thì mật độ không khí sẽ tăng lên 3% Ngoài ra, thực nghiệm cũng chứng minh cứ giảm bớt nhiệt độ không khí 100C thì hiệu suất có ích tăng 0.5%

Vì vậy cứ giảm bớt nhiệt độ không khí 100C và giữ không đổi hệ số dư lượng không khí α thì công suất tăng lên 3,5% Nếu giữ không thay đổi phụ tải nhiệt so với trường hợp không làm mát trung gian thì công suất động cơ còn tăng nhiều hơn

do nhiệt độ không khí vào động cơ đã giảm

Do cùng bộ làm mát trung gian nên nhiệt độ khí thải của động cơ hầu như không thay đổi theo điều kiện khí trời mà chỉ phụ thuộc nước làm mát

Do vậy, việc tính toán, xác định chế độ làm việc tối ưu của sinh hàn gió tăng

áp là cần thiết Từ đó để nâng cao chất lượng làm việc của động cơ

1.5 Ảnh hưởng của tổ hợp tuabin khí máy nén đến các thông số động cơ Diesel

Tổ hợp tuabin khí máy nén đóng vai trò rất quan trọng đối với động cơ Diesel tàu thủy Tình trạng kỹ thuật của tổ hợp này quyết định rất lớn đến các thông số của động cơ, đó chính là công suất động cơ

Mục đích cuối cùng của việc tăng áp động cơ diesel chính là tăng lượng không khí nạp vào động cơ (Gk), tăng áp suất gió tăng áp (pk) Như vậy “sản phẩm” của tổ hợp tuabin khí máy nén chính là lưu lượng không khí tăng áp, áp suất gió tăng áp sau khi ra khỏi máy nén, và cũng là các thông số đầu vào quyết định đến các thông số động cơ diesel Khi các thông số đầu ra của máy nén thay đổi sẽ làm cho hầu hết các thông số của động cơ thay đổi như: nhiệt độ và áp suất cuối quá trình nén Tc và pc(công thức 2.21, 2.16), chỉ số tăng áp suất trong buồng đốt…làm cho quá trình cháy trong động cơ kém đi, quá trình cháy không hoàn toàn, làm suy giảm công suất của động cơ

Giả sử rằng áp suất gió tăng áp giảm xuống, theo công thức (2.19) thì áp suất gió tăng áp pk giảm kéo theo áp suất cuối quá trình nén pc giảm, nhiệt độ cuối quá trình nén Tc giảm, thì khi đó tỷ số tăng áp λ giảm Ta biết rằng công sinh ra trong quá trình giãn nở phụ thuộc rất lớn vào tỷ số tăng áp λ, làm cho áp suất cháy cực đại pz trong xy lanh giảm (theo công thức 2.22), nhiệt độ cháy cực đại Tz giảm, làm tỷ số giãn nở sớm ρ giảm và kéo theo tỷ số giãn nở muộn δ tăng (2.18) có nghĩa là quá trình cháy kéo dài sang đường giãn nở Nếu xét lượng nhiên liệu cung cấp cho 1 chu trình không đổi thì vòng quay động cơ sẽ giảm Quá trình cháy xấu

đi làm cho nhiệt độ khí xả tăng lên, tăng hệ số khí sót γr, giảm hệ số dư lượng không khí α Kết quả là quá trình cháy trong động cơ không hoàn toàn làm công có ích động cơ giảm và nhiệt độ khí xả tăng lên

Từ công thức tính công suất động cơ (1.1):

là ps lại càng giảm tiếp dẫn tới công suất có ích của động cơ càng giảm

1.5.1 Ảnh hưởng của sinh hàn gió tăng áp

Về mặt cấu tạo, các sinh hàn gió tăng áp thường là kiểu ống có cánh tản nhiệt Sau thời gian hoạt động, lớp cáu cặn phía trước làm mát (bên trong ống) và bụi bẩn bám trên cánh tản nhiệt (phía không khí tăng áp) tăng lên gây cản trở quá trình trao đổi nhiệt Hậu quả là áp suất không khí nạp giảm, nhiệt độ không khí nạp tăng lên

Từ công thức (2.19), nếu bụi bẩn bám nhiều trên cánh tản nhiệt của sinh hàn, sức cản trên hệ thống nạp ∆p tăng, áp suất nạp ps giảm

Trên (hình 1.17), cũng thấy rằng khi sức cản sinh hàn gió tăng áp tăng thì áp suất không khí nạp giảm

Hình 1.17 Sự phụ thuộc của áp suất không khí nạp

vào sức cản của sinh hàn gió tăng áp

Từ công thức (2.21), (2.22) cho thấy rằng áp suất ps giảm làm sáp suất chỉ thị bình quân giảm

Ngoài ra ra khi áp suất không khí nap ps giảm dẫn tới quá trình quét thải sản phẩm cháy của chu trình ra khỏi xy lanh kém đi Đối với động cơ hai kỳ, ảnh hưởng từ sự giảm áp suất không khí nạp tới quá trình thải sản phẩm cháy ra ngoài lớn hơn động cơ bốn kỳ Nếu áp suất không khí nạp giảm nhiều còn gây

ra hiện tượng khí nạp thổi ngược lại đường nạp

Trên hình (1.18) [2] biểu diễn sự thay đổi hệ số nạp ηn và hệ số khí sót γr của động cơ hai kỳ theo tỷ số pr/ps ở các vòng quay khác nhau, ta thấy khi áp suất nạp ps giảm, khả năng quét thải sản phẩm cháy kém đi Lượng khí sót còn lại

tăng, áp suất khí sót pr tăng làm tỷ số pr/pstăng Hậu quả làm tăng lượng khí sót,

hệ số khí sót γrtăng lên và hệ số nạp ηnsẽ giảm

Hình 1.18 Sự thay đổi hệ số nạp ηn và hệ số khí sót γr của động cơ hai kỳ

theo tỷ số pr/ps ở các vòng quay khác nhau Khi hệ số khí sót tăng còn các yếu tố khác coi như không thay đổi thì

hệ số khí nạp ηn sẽ giảm (công thức 2.13) dẫn tới hệ số dư lượng không khí α giảm, ảnh hưởng xấu tới chất lượng hòa trộn nhiên liệu và không khí, quá trình cháy không tốt làm giảm công suất có ích của động cơ, giảm hiệu suất chi thị của động cơ

Mặt khác, lớp cáu cặn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt hoặc các ống dẫn nước biển của sinh hàn gió bị tắc bẩn, khả năng trao đổi nhiệt của sinh hàn giảm do

bề mặt cáu cặn δ tăng làm cho nhiệt độ không khí ra khỏi sinh hàn (theo công thức 2.6) tăng lên và mật độ không khí ρs giảm dẫn đến lượng không khí thực tế nạp vào động cơ giảm

Từ công thức (2.14) khi lượng nhiên liệu cấp vào động cơ không đổi, hệ số

dư lượng không khí α phụ thuộc vào áp suất khí nạp ps, nhiệt độ khí nạp Ts và

hệ số nạp ηn Khi cáu cặn bám trên các cánh tản nhiệt của sinh hàn gió sẽ làm tăng sức cản trên đường gió nạp, áp suất khí nạp ps giảm Đồng thời cáu cặn

hình thành trên các cánh tản nhiệt sẽ cản trở quá trình trao đổi nhiệt của sinh hàn gió tăng áp, nhiệt độ không khí nạp Ts tăng lên Hậu quả là hệ số dư lượng không khí α giảm xuống, công suất đông cơ giảm

Hệ số dư lượng α giảm sẽ làm ảnh hưởng tới chất lượng quá trình cháy, quá trình cháy sẽ xấu đi làm công suất và hiệu suất động cơ diesel giảm, nhiệt độ khí xả tăng Mỗi động cơ khi thiết kế đã được tính toán để làm việc với hệ số dư lượng không khí α tối ưu

Như vậy khả năng trao đổi nhiệt của sinh hàn gió tăng áp ảnh hưởng rất lớn tới các thông số công tác cũng như các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật của động cơ

Sự làm việc tin cậy ổn định của sinh hàn gió góp phần đảm bảo cho động cơ diesel làm việc ổn định, tin cậy và nâng cao kinh tế

2.1.1.Tính phức tạp của quá trình trao đổi nhiệt

Để đánh giá sự ảnh hưởng của trạng thái kỹ thuật các sinh hàn làm mát tới các thông số công tác động cơ diesel, ta phải dựa vào quá trình tính toán nhiệt Từ kết quả thu được bằng tính toán ta có thể đánh giá được trạng thái kỹ thuật của thiết bị trao đổi nhiệt và sự tác động của trạng thái kỹ thuật này tới động cơ

Cơ sở lý thuyết của quá trình trao đổi nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt là các phương trình truyền nhiệt và phương trình cân bằng nhiệt Từ hai phương trình này, nếu biết các thông số vào và ra khỏi các sinh hàn làm mát như nhiệt độ và lưu lượng, ta có thể xác định chính xác nhiệt lượng các môi chất trao đổi cho nhau và xác định được độ dày lớp cáu cặn bám trên bề mặt trao đổi nhiệt Từ đó ta có thể đánh giá sự ảnh hưởng của lớp cáu cặn hay trạng thái kỹ thuật của thiết bị trao đổi nhiệt tới động cơ diesel Độ chính xác của phương pháp tính toán nhiệt này phụ thuộc vào các thông số thực tế và độ chính xác của các công thức sử dụng trong tính toán Do đó, ta cần căn cứ vào từng điều kiện cụ thể để sử dụng công thức tính toán cho phù hợp

Mặt khác, quá trình trao đổi nhiệt giữa hai môi chất trong thiết bị trao đổi nhiệt diễn ra rất phức tạp Quá trình trao đổi nhiệt này thường gồm đồng thời cả ba hình thức trao đổi nhiệt cơ bản là: trao đổi nhiệt dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi nhiệt bức xạ Sự tác động qua lại lẫn nhau giữa ba hình thức trao đổi nhiệt này làm cho quá trình trao đổi nhiệt giữa hai môi chất rất phức tạp, khó nghiên cứu

và đánh giá Do đó, khi nghiên cứu ta cần xét xem dạng trao đổi nhiệt nào là cơ bản, ảnh hưởng của các dạng trao đổi nhiệt còn lại có chú ý đến bằng cách đưa thêm vào các hệ số điều chỉnh

Ví dụ: Xét quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt trao đổi nhiệt với không khí ở nhiệt độ không cao lắm (trong sinh hàn gió tăng áp), ở đây trao đổi nhiệt chủ yếu bằng đối lưu, ảnh hưởng của bức xạ và dẫn nhiệt được tính đến qua một số hệ số điều chỉnh Do đó, phương trình tính toán có thể viết dưới dạng phương trình Newton- Richman:

q=(α1+α2)(tf- tw), W/m 2

(2.1)

Ở đây:

q- mật độ dòng nhiệt trao đổi từ môi chất tới bề mặt vách, W/m2

α 1- hệ số tỏa nhiệt đối lưu của môi chất tới bề mặt vách, W/m2.oK

α2- hệ số kể đến ảnh hưởng của bức xạ và dẫn nhiệt, xem như làm tăng thêm

hệ số tỏa nhiệt của chất lỏng tới bề mặt vách, W/m2.oK

αo= α1+ α2 là hệ số tỏa nhiệt tổng hợp kể đến cả ba phương thức trao đổi nhiệt

t f và t w - nhiệt độ của môi chất và bề mặt vách, oC

Trong trường hợp nếu thiết bị trao đổi nhiệt làm việc ở nhiệt độ thấp, tốc độ lưu động của dòng môi chất trong đó lớn thì ảnh hưởng của bức xạ nhiệt và dẫn nhiệt không đáng kể Phương trình trao đổi nhiệt có thể viết dưới dạng đơn giản như sau:

q=α1(tf-tw), với α2=0 và αo= α1

Trong trường hợp nếu quá trình trao đổi nhiệt chủ yếu do bức xạ ( thường diễn ra trong điều kiện nhiệt độ cao), khi đó phương trình trao đổi nhiệt có dạng phương trình Stefan – Boltzmann:

tf và tw– nhiệt độ của môi chất và bề mặt vách, o

C Trong biểu thức này, độ đen của hệ vật có thể xem trị số ε1là kể đến ảnh hưởng của đối lưu và dẫn nhiệt làm tăng thêm độ đen của hệ vật εo = ε + ε1

Trong trường hợp nếu quá trình trao đổi nhiệt diễn ra giữa môi chất có độ nhớt lớn (như dầu nhờn, nhiên liệu nặng) với bề mặt trao đổi nhiệt ở tốc độ lưu động nhỏ Khi đó ảnh hưởng của dẫn nhiệt là rất lớn Khi tính toán ta có thể xem quá trình dẫn nhiệt là chính còn bức xạ và đối lưu được kể đến bằng các hệ số điều chỉnh Trong trường hợp tính toán với thiết bị trao đổi nhiệt phức tạp ta có thể sử dụng công thức truyền nhiệt:

Q = k.F.Δt, W (2.3)

Ở đây:

Q – dòng nhiệt trao đổi giữa hai môi chất trong thiết bị, W

k- hệ số truyền nhiệt, W/m2.oK

F- diện tích trao đổi nhiệt, m2

Δt- độ chênh lệch nhiệt độ trung bình, o

Trạng thái, vị trí, hình dạng và kích thước kỹ thuật bề mặt trao đổi nhiệt cũng

là một yếu tố ảnh hưởng lớn tới khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị Khi bề mặt trao đổi nhiệt nhám, mặc dù môi chất chuyển động với tốc độ lớn thì ảnh hưởng của dẫn nhiệt cũng rất đáng kể do chiều dày lớp biên chảy tầng lớn Bề mặt trao đổi nhiệt có các hình dạng khác nhau như: tấm phẳng, ống thẳng, ống cong… Tấm hay ống có thể có các kích thước khác nhau và đặt ở các vị trí khác nhau (đặt đứng hay nằm)

Chiều và vị trí của hai dòng môi chất trong thiết bị trao đổi nhiệt cũng ảnh hưởng nhiều tới khả năng trao đổi nhiệt của thiết bị Hai dòng môi chất có thể chuyển động song song cùng chiều, song song ngược chiều, giao nhau một lần hay giao nhau nhiều lần

Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra tại các thiết bị trao đổi nhiệt rất đa dạng và phức tạp, do vậy khi xét cho từng thiết bị cụ thể sẽ có một dạng trao đổi nhiệt cụ thể

2.1.2 Các công thức nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt của sinh hàn làm mát

2.1.2.1 Phương trình cân bằng nhiệt

Q = G1(i’1 – i’’1) = G2(i’2 – i’’2), W (2.4)

Ở đây:

Q – dòng nhiệt (lượng nhiệt trao đổi giữa hai chất tải nhiệt trong một đơn vị thời gian), W

i’1: Entanpi của chất lỏng nóng đi vào thiết bị trao đổi nhiệt, KJ/kg

i’’1: Entanpi của chất lỏng nóng đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt, KJ/kg

i’2: Entanpi của chất lỏng lạnh đi vào thiết bị trao đổi nhiệt, KJ/kg

i’’2: Entanpi của chất lỏng lạnh đi ra khỏi thiết bị trao đổi nhiệt, KJ/kg

G1: Khối lượng lưu lượng của chất lỏng nóng, kg /s

G2: Khối lượng lưu lượng của chất lỏng lạnh, kg /s

2.1.2.2 Phương trình truyền nhiệt

Nhiệt lượng trao đổi trong thiết bị (2.3):

F – diện tích trao đổi nhiệt, m2

∆t – độ chênh lệch nhiệt độ trung bình, o

C

Tùy theo mức độ chính xác mà ∆t có thể xác định theo phương pháp logarit hay phương pháp số học

Từ công thức (2.3), nếu biết ∆t, Q và F ta có thể tính được hệ số truyền nhiệt

k của thiết bị trao đổi nhiệt

Thông thường đối với các sinh hàn làm mát nước ngọt của động cơ diesel thì q=50 ÷ 70 kW/m2 Các sinh hàn làm mát dầu nhờn q = 3 ÷ 5 kW/m2, bầu hâm nhiên liệu q = 3 ÷ 4 kW/m2, sinh hàn làm mát gió tăng áp q = 2 ÷ 3 kW/m2