v. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.2.3. Quy trình và chế độ thử nghiệm
3.2.3.1. Thử nghiệm bay hơi
Thử nghiệm bay hơi (TNBH) nhằm xác định các đặc tính bay hơi của các loại nhiên liệu tham gia thử nghiệm. Nhiên liệu được sử dụng trong các TNBH là dodecane (DDC: C12H26) và tất cả các loại nhiên liệu trong thử nghiệm TNCMH.
Số lượng giọt nhiên liệu sẽ được xét đến trong thử nghiệm này là 100 giọt cho mỗi loại nhiên liệu. Khối lượng của mỗi giọt đơn nhiên liệu (mD) và đường kính của nó (Dd) được tính toán và đánh giá tương quan với khối lượng riêng của mỗi nhiên liệu (ρnl). Khối lượng giọt của mỗi loại nhiên liệu khác nhau do khối lượng riêng của các nhiên liệu là không giống nhau. Đường kính của giọt nhiên liệu được xác định gần đúng thông qua đường kính miệng kim phun.
Phạm vi nhiệt độ của thử nghiệm bay hơi phụ thuộc vào loại nhiên liệu được thử nghiệm và khả năng cấp nhiệt của thiết bị gia nhiệt cho bề mặt vách. Khoảng nhiệt tối đa của thiết bị trong suốt quá trình thử nghiệm khoảng 125oC đến 410oC. Dao động nhiệt độ tối đa tại một điểm là 5°C do sự va chạm của các giọt nhiên liệu và độ trễ của
69
thiết bị gia nhiệt. Sau khi nhiệt độ yêu cầu đã được thiết lập, những giọt nhiên liệu được nhỏ từ đầu kim phun để va chạm với bề mặt vách. Đối với mỗi mức nhiệt, ít nhất ba lần thử nghiệm tiến hành để đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu. Để hiểu được diễn biến hóa hơi của các giọt nhiên liệu trên bề mặt vách, sự tương tác giữa những giọt dầu trên bề mặt cũng được quan sát và ghi lại bằng máy quay.
Thời gian tồn tại của giọt (τtt) của nhiên liệu thuần như DDC được đánh giá bởi khoảng thời gian từ khi những giọt dầu bắt đầu chạm vào bề mặt vách và kết thúc khi các giọt nhỏ bay hơi hết. Tuy nhiên, khi xét với các nhiên liệu đa thành phần thì thời gian đó được ghi nhận cho đến khi nhiên liệu còn lại phần khó bay hơi và không thể bay hơi được nữa. Đối với mỗi nhiên liệu thử nghiệm, mối tương quan giữa thời gian tồn tại của giọt nhiên liệu và nhiệt độ bề mặt vách sẽ cho thấy đặc tính bay hơi đặc trưng của từng loại.
Hình 3.10. Đặc tính bay hơi chung của nhiên liệu trong thử nghiệm
Đặc tính bay hơi (Hình 3.10) của một loại nhiên liệu được đặc trưng bởi ba yếu tố bao gồm thời gian tồn tại của giọt tại một số nhiệt độ của bề mặt vách nhất định, điểm tốc độ bay hơi tối đa (MEP) và diễn biến tương tác của giọt với bề mặt vách.
Các dữ liệu thu được từ TNBH của các nhiên liệu là cơ sở quyết định nhiệt độ bề mặt và giải thích các quá trình xảy ra trong nghiên cứu sự hình thành cặn lắng của nhiên liệu sau này. Bên cạnh đó nó là cơ sở để thiết lập thời gian va chạm của một giọt nhiên liệu với bề mặt vách trong các thử nghiệm TNCMH.
Đặc tính bay hơi của các giọt nhiên liệu đơn và kép sau va chạm trước và sau vùng nhiệt độ MEP được minh họa trong Hình 3.11. Ở vùng nhiệt độ thấp khi giọt nhiên liệu ở trạng thái giọt đơn, giọt nhiên liệu thường bám dính trên các bề mặt vách khi
70
nhiệt độ bề mặt thấp hơn nhiệt độ MEP như trong Hình 3.11A1 (giọt dạng thấu kính) và Hình 3.11A2 (giọt nhiên liệu sôi mạnh). Do sự hình thành của hơi nhiên liệu sau khi vượt quá nhiệt độ MEP, giọt nhiên liệu đơn bay hơi với hình dạng giọt hình cầu và tách ra từ bề mặt vách như trong Hình 3.11A3.
Hình 3.11. Đặc tính bay hơi của các giọt nhiên liệu DO đơn và kép
Nhiệt độ thứ cấp được xem là một điều kiện quan trọng trong thử nghiệm, nó thể hiện mức nhiệt độ dưới nhiệt độ sôi của một nhiên liệu lỏng. Nó thường được sử dụng khi đề cập đến việc truyền nhiệt khi sôi và lắng đọng trên bề mặt vách kim loại. Do nhiên liệu nhiều thành phần được sử dụng trong nghiên cứu này, nhiệt độ thứ cấp được xác định theo biểu thức:
∆t= tbm - tMEP (3.1)
Trong đó tbm là nhiệt độ bề mặt vách, tMEP là nhiệt độ tại điểm có tốc độ bay hơi tối đa.
Thông qua nhiệt độ này hiệu ứng nhiệt của quá trình bay hơi và lắng đọng của nhiên liệu trên bề mặt vách trong nghiên cứu này sẽ được mô tả rõ ràng hơn.
3.2.3.2. Thử nghiệm tạo cặn trên mô hình vách buồng cháy (TNCMH)
Các giọt nhiên liệu chảy từ két chứa và liên tục va chạm với bề mặt vách trong những khoảng thời gian va chạm khác nhau. Cứ sau 1000 giọt, khối lượng cặn được đo và hình ảnh cặn được chụp lại. Sự có mặt lượng cặn trên bề mặt vách và nhiệt lưu trên
71
bề mặt vách có thể ảnh hưởng đến kết quả dữ liệu thu được ở các lần thử nghiệm tiếp theo nên bề mặt vách cần được làm mát và vệ sinh sạch trước khi tiến hành thử nghiệm. Tổng số giọt nhiên liệu trong mỗi thử nghiệm TNCMH là 19000 giọt cho mỗi loại nhiên liệu.
Lượng cặn tại mỗi 1000 giọt sau khi được cân sẽ được bảo quản trong tủ hút chân không và chống ẩm để đảm bảo độ tin cậy của mẫu, sau khi quá trình thử nghiệm kết thúc mẫu sẽ được gửi đi phân tích thành phần.
Dữ liệu cho nhiệt độ bề mặt tối đa và tối thiểu của cặn (tc [oC]) trong khoảng thời gian va chạm đã được thu thập bằng cách sử dụng một nhiệt kế hồng ngoại (Beta 1760/IR1600) với phát xạ 0,90 để kiểm soát tác động của việc thay đổi nhiệt trong quá trình lắng đọng. Trong khi đó nhiệt độ bề mặt vách kim loại liên quan đến nhiệt độ chỉ thị (tct [°C]) thu được bằng cặp nhiệt ngẫu và nhiệt độ bề mặt (tbm [°C]) đo qua một nhiệt kế hồng ngoại. Mối tương quan giữa tct và tbm là cơ sở xác định nhiệt độ của bề mặt vách (Hình 3.12).
Hình 3.12. Sự tương quan về nhiệt độ tct và tbm
Hình 3.13 cho thấy các phép đo nhiệt độ bề mặt bằng cách sử dụng nhiệt kế hồng ngoại. Nhiệt độ bề mặt cặn tối thiểu là nhiệt độ bề mặt của cặn được đo tại thời điểm ngay khi các giọt nhiên liệu va chạm với bề mặt cặn. Nhiệt độ bề mặt cặn tối đa là nhiệt độ bề mặt cặn được đo tại điểm va chạm ngay trước khi các giọt tiếp theo va chạm với bề mặt cặn. Nhiệt độ bề mặt cặn tối đa và các đặc tính bay hơi của nhiên liệu được sử dụng để ước lượng quãng đời của giọt nhiên liệu trong các thử nghiệm lắng đọng.
72
Hình 3.13. Quá trình đo nhiệt độ bề mặt cặn
Điều kiện thử nghiệm TNCMH được trình bày trong Bảng 3.8.
Bảng 3.8. Điều kiện thử nghiệm của TNCMH
Thí nghiệm Loại nhiên liệu Thời gian va chạm của giọt với vách Nhiệt độ bề mặt vách 𝝉𝒗𝒄 (s) tbm (oC) Ảnh hưởng của nhiệt độ bề mặt vách buồng cháy DO 5 270; 306; 327; 352; 367 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu DO 3 và 5 306; 352 B100 5 và 8 352 B50 B20 B5 Đánh giá tính khả
thi của mô hình
TNCMH; Ảnh
hưởng của lượng dầu bôi trơn
DO
8 270
DO + 1%L DO + 2%L