Bài viết trình bày các kết quả tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống hâm sấy dầu sinh học nguyên chất bằng năng lượng điện - khí xả để không những cải thiện một số thuộc tính quan trọng của loại nhiên liệu này nhằm sử dụng trực tiếp trên động cơ diesel lai máy phát điện mà còn tận dụng được nguồn năng lượng nhiệt thải của động cơ diesel.
CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG DẦU SINH HỌC NGUYÊN CHẤT (BIO-OIL) TRÊN ĐỘNG CƠ DIESEL LAI MÁY PHÁT ĐIỆN STUDY OF USING PURE BIO-OIL IN THE GENERATOR DIESEL ENGINES Hoàng Anh Tuấn(1,a,*), Lƣơng Công Nhớ(1), Lê Anh Tuấn(2) (1) Trường Đại học Hàng Hải Việt Nam Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (a) anhtuanhoang1980@gmail.com (2) Tóm tắt Độ nhớt điểm chớp cháy cao, sức căng bề mặt khối lượng riêng lớn d u sinh học nguyên chất (bio-oil100) yếu tố ảnh hưởng nhiều đến đặc tính phun, trình bay hình thành hỗn hợp động diesel H m sấy nhiên liệu giải pháp để cải thiện nhược điểm d u sinh học nguyên chất Bài báo trình bày kết tính tốn, thiết kế chế tạo hệ thống h m sấy d u sinh học nguyên chất lượng điện - khí xả để khơng cải thiện số thuộc tính quan trọng loại nhiên liệu nhằm sử dụng trực tiếp động diesel lai máy phát điện mà tận dụng nguồn lượng nhiệt thải động diesel Abstract Some typical properties of bio-oil such as high viscosity and flash point, high surface tension and density effect to the spray characteristics, atomization and evaporation, the process of mixture formation the most in diesel engines Heating fuel is one of the method in order to improve the disavantages of pure bio-oil The paper presents results in calculation, design and fabrication the bio-oil heating system by electricity – exhaust energies in order to not only improve some important properties of this fuel aiming a direct use in the generator diesel engines but also utilize the waste heat of these engines Keywords: bio-oil100, spray characteristics, heating system, electricity – exhaust energies Đặt vấn đề Vấn đề ô nhiễm môi trường cạn kiệt nhiên liệu hố thạch buộc phải tìm loại nhiên liệu thay sẵn có, có khả tái tạo gây nhiễm Dầu sinh học nguyên chất (bio-oil100), bao gồm dầu thực vật hay mỡ động vật, loại nhiên liệu thay nhiều quốc gia nghiên cứu sử dụng Tuy nhiên, để sử dụng bio-oil100 phương tiện vận tải cần có biện pháp nhằm cải thiện tính chất như: giảm độ nhớt, sức căng bề mặt khối lượng riêng, nâng cao khả bay hơi, hòa trộn cho loại nhiên liệu Một biện pháp sử dụng nhiệt khí thải có tích hợp điện để hâm sấy bio-oil100 Hệ thống hâm sấy tích hợp điện - khí thải sử dụng máy phát điện khơng tận dụng nguồn lượng từ khí thải động mà hỗ trợ động khởi động lạnh Tính chất bio-oil100 Bio-oil100 nhiên liệu bao gồm dầu thực vật mỡ động vật thu từ trình tinh chế dầu mỡ, chưa pha trộn với loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động diesel, ký hiệu VO100 (chữ V tên loại dầu thực vật) hay AF100 (chữ A tên loại mỡ động vật) Bio-oil100, cơng thức phân tử có dạng C27-57 H54-104 O6, este glixerol với axit béo bão hòa (palmitic (16:0) stearic (18:0) hai loại axit béo bão hịa thường gặp nhất) hay khơng bão hòa (oleic (18:1) linoleic (18:2) axit béo khơng bão hịa phổ biến nhất) (bảng 1) Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 48 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Ưu điểm bio-oil100 làm nhiên liệu thay tính lỏng, sẵn có, khả tái sinh, chứa lưu huỳnh hợp chất thơm, có khả phân huỷ sinh học Nhược điểm bio-oil100 độ nhớt cao từ 10 đến 17 lần so với nhiên liệu diesel, có khối lượng riêng sức căng bề mặt lớn nên khả bay kém, phản ứng chuỗi hydrocarbon khơng bão hịa nên làm dầu dễ bị biến chất Chỉ số cetane biooil100 nhỏ so với nhiên liệu diesel truyền thống vậy, khả bay hơi, hịa trộn, hình thành hỗn hợp cháy bio-oil100 Bảng Tính chất hóa học bio-oil100 TT Thành phần hóa học Hàm lượng Cácbon, %kl 73 – 77.6 83.5 - 87 Hàm lượng Hidro, %kl 11.6 – 12.3 11.5 - 14 10.8 – 12.5 Hàm lượng Oxi, %kl Bio-oil100 Diesel D2 Hàm lượng Lưu huỳnh, %kl 0.006 0.02 – Hàm lượng Hợp chất thơm, % tt 10 Chỉ số Iot 70 - 157 Hàm lượng tro, %kl 0.002 0.03 – 0.02 – 0.05 0.006 0.01 – Khối lượng riêng, độ nhớt sức căng bề mặt thuộc tính quan trọng bio-oil100 (bảng 2) Các tính chất định lớn đến chất lượng phun sương nhiên liệu, chúng có mối quan hệ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ Việc sử dụng trực tiếp bio-oil100 làm nhiên liệu cho động diesel thiết phải tính đến việc cải thiện thông số gần với giá trị nhiên liệu diesel truyền thống Ngoài điểm chớp cháy, điểm vẩn đục điểm đông đặc bio-oil100 cao nhiên liệu diesel truyền thống Vì lý trên, bio-oil100 gần khơng có khả làm việc nhiệt độ thấp tính lưu động nhiên liệu lỏng Bảng hối lượng riêng, độ nhớt sức căng bề mặt bio-oil100 400C TT Thông số Khối lượng riêng, kg/m Độ nhớt, cSt Sức căng bề mặt, mN/m Biooil100 903 - 924 24 - 48 31 - 35 Diesel D2 822 - 837 2.7 - 24 Tính tốn, thiết kế chế tạo hệ thống hâm sấy bio-oil 3.1 Cơ sở lý thuyết Hệ thống hâm sấy bio-oil100 kiểu tích hợp điện - khí xả thiết kế dựa nguyên tắc nhằm đảm bảo nhiệm vụ như: dự trữ nhiên liệu, vận chuyển cung cấp nhiên liệu, lọc nhiên liệu an tồn Cơ sở lý thuyết tính tốn hệ thống hâm sấy nhiên liệu dựa phương trình cân lượng truyền nhiệt nhằm định hướng cho việc thiết kế chế tạo hệ thống hâm nhiên liệu kiểu tích hợp điện - khí xả thỏa mãn yêu cầu kinh tế kỹ thuật Hệ thống hâm sấy nhiên liệu tính tốn thiết kế gồm phận bản: thiết bị tận dụng nhiệt khí xả, hệ thống hâm tự động điện, thiết bị phục vụ 3.1.1 Tính thiết bị tận dụng nhiệt khí xả Lượng khí xả Gkx động sinh ra: Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 49 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Gkx = Gnl(α1Go + 1) (1) Lượng nhiệt khí xả tỏa ra: Qkx = GkxCpkx(tkv – tkr) (2) Cpkx – nhiệt dung riêng khí xả, J/kg.K; α1 - hệ số dư lượng khơng khí thực tế; Go - lượng khơng khí khơ lý thuyết cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1k nhiên liệu, kg/kgnl Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt xác định từ phương trình: Q = F.k.Δt (3) Q – nhiệt lượng mà tận dụng nhận từ lượng khí xả, thơng thường Q = 0,75 – 0,85Qkx, W; Δt – độ chênh nhiệt độ logarit trung bình, C; Hệ số truyền nhiệt k tính vách phẳng d2/d1 ≤ 1,4 k (4) 1 δ - chiều dày vách, m; λ - hệ số dẫn nhiệt ống, W/m.K; α1 - hệ số tỏa nhiệt khí xả vào bề mặt ống, W/m K; α2 - hệ số tỏa nhiệt bề mặt ống đến bio-oil100, W/m K 3.1.2 Tính điện trở sấy Phương trình cân nhiệt theo thời gian Pdτ = MCdt kF(t − t0 )dτ (5) Trong đó: P - cơng suất điện cần hâm nóng bio-oil100, W; τ - thời gian hâm nóng, h; dt- thay đổi nhiệt độ bio-oil100 sau thời gian dτ; k- hệ số truyền nhiệt, W/m K; F - diện tích bề mặt truyền nhiệt thiết bị chứa bio-oil100, m ; o t, t0 - nhiệt độ cần hâm nóng bio-oil100 nhiệt độ mơi trường xung quanh C; 3.1.3 Tính thiết bị phục vụ Công suất N (kW) bơm N 1,2.G.H 103 (6) G - lưu lượng khối lượng nhiên liệu, kg/s; H - tổng tổn thất, Pa; η - hiệu suất bơm Lượng nhiên liệu B (kg) cần thiết cho động thời gian τ: B g e N k1k2 1.106 (7) Thể tích V(m ) két nhiên liệu bio-oil100: V Bk (8) 2 N - công suất động cơ, kW; ki – hệ số ảnh hưởng 3.2 Thiết kế chế tạo hệ thống Việc tính tốn thiết kế hệ thống hâm sấy bio-oil100 kiểu tích hợp điện - khí xả cho động phải thỏa mãn yêu cầu đảm bảo làm việc bình thường động hệ thống phục vụ Hệ thống hâm sấy bio-oil100 có tác dụng cải thiện số nhược điểm nhiên liệu mà phải đảm bảo độ bền nhiệt, đồng thời không làm thay đổi nguyên lý kết cấu nguyên động Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 50 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Hình Mơ hình hệ thống hâm sấy bio-oil100 kiểu tích hợp điện – khí xả Động diesel lai máy phát điện động D243 có thơng cho bảng Bảng Thông số động diesel lai máy phát điện D243 TT Thông số Công suất định mức Số xi lanh Thứ tự nổ Ký hiệu Ne i Đơn vị Giá trị mã lực 80 1-3-42 Số vòng quay định vòng ne 2000 mức /phút Số vòng quay cực vòng/ nmax 2200 đại phút Hành trình pittơng S mm 125 Đường kính xylanh D mm 110 Tỷ số nén 16.5 Suất tiêu hao nhiên g g/ml.h 180 liệu DO 10 Góc phun sớm độ TK 24 Dầu dừa nguyên chất (CO100), loại bio-oil100 sử dụng làm nhiên liệu cho động D243 Tính chất CO100 cho bảng 4 Bảng hối lượng riêng, độ nhớt, sức căng bề mặt CO100 nhiệt độ khác Nhiệt độ C Độ nhớt cSt 40 28.1 Khối lƣợng riêng, g/cm 0.9033 50 20.1 0.8965 0.0322 60 1.9 0.8896 0.0312 70 11.3 0.8827 0.0303 80 9.1 0.8761 0.0293 90 7.2 0.8698 0.0284 100 5.4 0.8639 0.0272 110 3.5 0.8568 0.0266 Sức căng bề mặt, N/m 0.0335 Bảng cho thấy độ nhớt, khối lượng riêng sức căng bề mặt CO100 hâm o o sấy đến khoảng nhiệt độ từ 100 C – 110 C đáp ứng yêu cầu TCVN5689-2005 QCVN 1:2009 nhiên liệu dùng cho động diesel Như vậy, thiết kế hệ thống hâm sấy CO100 dựa nguyên tắc, nhiên liệu CO100 hâm sấy ban đầu đến nhiệt độ 80 C Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 51 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 lượng điện nhằm hỗ trợ cho động khởi động lạnh lượng khí xả động o o dùng để hâm sấy CO100 đến khoảng nhiệt độ 100 C – 110 C Kết tính tốn thiết kế hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 cho động diesel lai máy phát điện D243 cho bảng Bảng Thông số hệ thống hâm sấy bio-oil100 kiểu tích hợp điện - khí xả Đơn vị Kết tính d2/d1 mm/m m 16/1 Diện tích bề mặt truyền nhiệt F m 0,24 Thể tích két nhiên liệu CO100 V m 0,05 Điện trở sấy có mật độ cơng suất tải Wp W/cm TT Thông số Ký hiệu Ống chứa CO100 2 Hệ thống hâm sấy sau thiết kế cần tính nghiệm lại khả gây phản áp đường xả động độ bền thiết bị Q trình tính nghiệm cho thấy, tổng trở lực thiết bị tận dụng nhiệt khí xả có giá trị Δp = 468 Pa chế độ 100% Ne động tương ứng với tốc độ khí xả qua tận dụng lớn ωk = 12 m/s Như trở lực thiết bị tận dụng nhiệt khí xả tạo nhỏ so với trở lực cho phép theo TCVN 6259 -3:2003 Việc tính kiểm tra bền phận tận dụng nhiệt cần dựa vào kết cấu kích thước Trong tính tốn đảm bảo bền ta chọn loại thép ống có ứng suất cho phép thấp σ = 60 MPa, vật liệu bầu tận dụng thép CT20, có chiều dày δ = 4mm ống chứa nhiên liệu CO100 Inox 201 có chiều dày δ = 3mm Hệ thống sau chế tạo cần phải đảm bảo bền cơ, nhiệt, mối hàn van nối khơng bị rị rỉ nhiên liệu kể hệ thống làm việc nhiệt độ cao Hình Chế tạo, lắp đặt hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện–khí xả Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 52 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 3.3 ết thử nghiệm 3.3.1 Mômen động cơ, Me (N.m) Hình Đặc tính mơmen động chế độ 100% tải Hình cho thấy, động làm việc đường đặc tính ngồi, mơ men động giảm trường hợp sử dụng nhiên liệu CO100 nhiệt trị CO100 thấp so với 0 nhiên liệu diesel Trong dải nhiệt độ sấy nóng từ 80 C đến 120 C, mức độ sấy nóng cao giá trị mơ men động có xu hướng giảm Sự thay đổi tỷ trọng theo xu hướng giảm tăng nhiệt độ dẫn tới lượng nhiên liệu cung cấp cho động giảm, nguyên nhân dẫn tới giảm nhẹ mô men động 0 Trong toàn giải tốc độ, tương ứng với nhiệt độ sấy nóng 80 C, 100 C 120 C, mô men động giảm so với trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống khoảng từ 6,61%-11,59%, từ 7,14%-14,44% từ 10,31%-15,14%; tính trung bình tồn giải tốc độ, mức độ giảm mơ men 9,72%; 11,24% 12,90% 3.3.2 Công suất động cơ, Ne (kW) Công suất Ne (kW) Ne_DO Ne_CO100_t80 Ne_CO100_t100 Ne_CO100_t120 Vịng quay (vịng/phút) Hình Đặc tính cơng suất động chế độ 100% tải Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 53 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Hình cho thấy cơng suất động sử dụng nhiên liệu DO nhiên liệu CO100 có 0 thay đổi quy luật Trong dải nhiệt độ sấy nóng từ 80 C đến 120 C, mức độ sấy nóng cao giá trị cơng suất động có xu hướng giảm thay đổi tỷ trọng theo xu hướng tỉ lệ nghịch với nhiệt độ nhiệt trị nhiên liệu CO100 nhỏ so với nhiên liệu diesel truyền thống Điều dẫn tới lượng nhiên liệu cung cấp cho động giảm, nhiên khác công suất sử dụng nhiên liệu CO100 dải nhiệt độ hâm sấy không lớn, khoảng 2,5% - 4% Trên toàn dải tốc độ, tương ứng với nhiên liệu CO100_t80, CO100_t100 CO100_t120, công suất động giảm so với trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống khoảng từ 7,73%-12,02%, từ 8,87%-13,41% từ 10,29%-15,23%; tính trung bình tồn dải tốc độ, mức độ giảm công suất 10,18%; 11,27% 12,67% 3.3.3 Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ, ge (g/kW.h) Hình Đặc tính suất tiêu hao nhiên liệu động chế độ 100% tải Hình cho thấy, khoảng nhiệt độ hâm sấy, suất tiêu hao nhiên liệu CO100_t100 đạt giá trị nhỏ CO100_t80 lớn Sự khác CO100 khác tỷ trọng theo nhiệt độ hâm sấy giá trị công suất đạt Suất tiêu hao nhiên liệu động cơ, theo đặc tính chế độ 100% tải, sử dụng nhiên liệu CO100_t80, CO100_t100 CO100_t120 tăng so với trường hợp sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống tương ứng khoảng từ 16,08%-26,45%, từ 14,68%-24,83% từ 15,73%25,64%; tính trung bình tồn dải tốc độ, suất tiêu hao nhiên liệu tăng 20,61%; 19,13% 20,01% 3.3.4 Nhiệt độ khí xả, Tkx ( C) Nhiệt độ khí xả thơng số đánh giá chất lượng trình cháy động Nếu coi thông số động áp suất phun, áp suất cuối q trình nén, lượng khơng khí nạp khơng đổi nhiệt độ khí xả phụ thuộc vào tính chất nhiên liệu Bên cạnh đó, nhiệt độ xả khỏi thiết bị tận dụng cho phép đánh giá khả tận dụng nhiệt thiết bị tận dụng, khả gây tượng ăn mòn phản áp đường xả Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 54 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Hình Nhiệt độ khí xả vào thiết bị tận dụng nhiệt chế độ 100% tải 0 Hình cho thấy, tồn dải tốc độ nhiệt độ hâm sấy CO100 từ 80 C đến 120 C nhiệt độ khí xả động sử dụng CO100_t80 cao CO100_t120 thấp Mức độ chênh lệch nhiệt độ khí xả vào khỏi thiết bị tận dụng nhiệt CO100 0 khoảng 140 C – 180 C Hình Nhiệt độ khí xả khỏi thiết bị tận dụng nhiệt vòng quay 1500 v/p Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 55 CHÀO MỪNG NGÀY NHÀ GIÁO VIỆT NAM 20/11/2015 Hình Nhiệt độ khí xả khỏi thiết bị tận dụng nhiệt vòng quay 2000 v/p Hình cho thấy, nhiệt độ khí xả khỏi thiết bị chế độ 10% tải hai chế độ vòng quay 1500 vòng/phút 2000 vòng/phút thỏa mãn điều kiện nhiệt độ điểm sương Như vậy, hệ thống hâm sấy nhiên liệu CO100 kiểu tích hợp điện – khí xả khơng gây tượng phản áp xảy tượng ăn mòn đường xả Kết luận Hệ thống hâm sấy nhiên liệu kiểu tích hợp điện – khí xả đáp ứng đầy đủ yêu cầu quy phạm hệ thống nhiên liệu dùng động diesel Chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật động không thay đổi nhiều sử dụng CO100 làm nhiên liệu trực tiếp cho động diesel D243 lai máy phát điện Khi động làm việc theo đặc tính ngồi chế độ 100% tải, cơng suất động nhỏ khoảng 7,73% - 15,23%; mômen động nhỏ khoảng 6,61% - 15,14%; suất tiêu hao nhiên liệu lớn khoảng 14,68% 26,45% so với sử dụng nhiên liệu diesel truyền thống Với mức sấy nóng nhiên liệu CO100 100 C, tiêu thay đổi trung bình 8,87% - 13,41%; 7,14% - 14,44% 14,68% - 24,83% Nhiệt độ hâm sấy hợp lý dầu dừa nguyên chất (CO100) làm nhiên liệu trực tiếp cho động diesel D243 lai máy phát điện khoảng 100 Trong nghiên cứu tiếp theo, thử nghiệm đối chứng đặc tính phát thải nhiên liệu CO100 nhiệt độ hâm sấy so sánh với nhiên liệu diesel truyền thống để đưa kết luận đầy đủ nhằm đưa dầu sinh học nguyên chất vào sử dụng rộng rãi quy mô Lời cảm ơn Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Viện Cơ khí Động lực – trường Đại học Bách khoa Hà Nội Phịng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia Cơng nghệ lọc hóa dầu (VILAS 632) Tài liệu tham khảo [1].Phạm Lê Dần, Đặng Quốc Phú: Cơ sở kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo dục, 2007 [2].Bùi Hải: Tính tốn thiết kế thiết trao đổi nhiệt, NXB Giao thông vận tải, 2008 [3].Lương Công Nhớ: Khai thác hệ động lực Diesel tàu thủy, NXB Hàng Hải, 2014 [4].Nguyễn Đình Thiên, Nguyên Trung Sơn: Bài giảng Kỹ thuật điện nhiệt, Hà Nội 2006 [5].Phạm Minh Tuấn: Lý thuyết động đốt trong, NXB Khoa học kỹ thuật, 2005 [6].Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan: Some methods of heating fuel in order to use directly pure biodiesel/bio-oil in ship engines, 7/2013 [7].Hoang Anh Tuan, Luong Cong Nho, Le Anh Tuan: Theoritical study on utilization of exhaust energy for heating up biodiesel/bio-oil used in ship engines, 3/2013 [8].Trần Thanh Hải Tùng, Lê Anh Tuấn, Phạm Minh Tuấn, Đại học Bách Khoa Hà Nội Đại học Bách Khoa Đà Nẵng: Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu thay động diesel, 2011 Nội san khoa học Viện Cơ khí Số 01 – 11/2015 56 ... hâm sấy bio-oil100 kiểu tích hợp điện – khí xả Động diesel lai máy phát điện động D243 có thơng cho bảng Bảng Thông số động diesel lai máy phát điện D243 TT Thông số Công suất định mức Số xi... hâm sấy hợp lý dầu dừa nguyên chất (CO100) làm nhiên liệu trực tiếp cho động diesel D243 lai máy phát điện khoảng 100 Trong nghiên cứu tiếp theo, thử nghiệm đối chứng đặc tính phát thải nhiên... thống nhiên liệu dùng động diesel Chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật động không thay đổi nhiều sử dụng CO100 làm nhiên liệu trực tiếp cho động diesel D243 lai máy phát điện Khi động làm việc theo đặc tính