LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu ...sdh.vimaru.edu.vn/sites/sdh.vimaru.edu.vn/files/luan_an_tran_the_nam.pdf · Tính vận tốc tiếp tuyến

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,

kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa được công bố trong bất kỳ công

trình nào khác.

Tác giả luận án

Trần Thế Nam

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đối với các Thầy hướng

dẫn khoa học: PGS. TSKH. Đặng Văn Uy và PGS. TS. Nguyễn Đại An, Trường

Đại học Hàng hải Việt Nam, đã tận tình hướng dẫn về phương hướng, nội dung

và phương pháp nghiên cứu trong quá trình thực hiện luận án.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Thầy cô, các nhà khoa học trong Khoa

Máy tàu biển, Viện Cơ khí, Viện Khoa học và Công nghệ Hàng hải, Viện

Nghiên cứu Phát triển, Trung tâm đào tạo và Tư vấn KHCN bảo vệ môi trường

thủy thuộc Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã tạo điều kiện, giúp đỡ và hợp

tác trong quá trình nghiên cứu.

Tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia thuộc lĩnh vực Cơ khí – Động

lực trong và ngoài Trường Đại học Hàng hải Việt Nam đã đọc và đóng góp

nhiều ý kiến quý báu cho luận án.

Cuối cùng, tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến tất cả bạn bè, đồng nghiệp,

người thân trong gia đình đã động viên và giúp đỡ cả về vật chất lẫn tinh thần để

tác giả có thể hoàn thành được luận án.

-i-

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i

MỤC LỤC ........................................................................................................................ i

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... viii

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ............................................................................ x

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài .................................................. 1

Phương pháp nghiên cứu ................................................................................................ 2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ........................................................................................ 2

Các nội dung chính trong đề tài ...................................................................................... 2

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 4

1.1. Đặc điểm công tác của động cơ diesel thủy và những yêu cầu đối với nhiên liệu

dùng trên tàu .................................................................................................................... 4

1.1.1. Những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy ..................................... 4

1.1.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy ................................................ 6

1.1.3. Những yêu cầu về sử dụng nhiên liệu tiết kiệm và ngăn ngừa ô nhiễm do

khí thải từ tàu .......................................................................................................... 8

1.2. Nhiên liệu sinh học và xu thế ứng dụng trên tàu thủy .......................................... 11

1.2.1. Khái niệm chung về nhiên liệu sinh học ..................................................... 11

1.2.2. Diesel sinh học ............................................................................................ 11

1.2.3. Dầu thực vật nguyên gốc ............................................................................ 16

1.3. Tổng quan về nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho tàu thủy ..................... 17

1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới ............................................................. 17

1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam ...................................................................... 21

1.3.3. Nhận xét, đánh giá ...................................................................................... 22

1.4. Cơ sở nghiên cứu của luận án ................................................................................ 23

1.5. Kết luận chương ..................................................................................................... 27

-ii-

CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÒA TRỘN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG

CỦA NHIÊN LIỆU TỚI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ ...................... 29

2.1. Tổng quan về hòa trộn chất lỏng ............................................................................ 29

2.1.1. Một số nguyên lý hòa trộn tiêu biểu ........................................................... 29

2.1.2. Một số thiết bị hòa trộn điển hình ............................................................... 30

2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị hòa trộn bằng phương pháp khuấy .................... 33

2.2.1. Tính vận tốc tiếp tuyến của chất lỏng trong thiết bị hòa trộn ..................... 33

2.2.2. Tính toán công suất dẫn động cánh khuấy .................................................. 35

2.2.3. Thời gian hòa trộn ....................................................................................... 37

2.3. Xây dựng cơ sở lý thuyết thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục.................................. 39

2.3.1. Những căn cứ thiết kế ................................................................................. 39

2.3.2. Xây dựng phương pháp tính kích thước của thiết bị hòa trộn liên tục ....... 40

2.4. Cơ sở lý thuyết các phương pháp đánh giá và hiệu chỉnh thiết bị hòa trộn.......... 45

2.4.1. Phương pháp mô phỏng số CFD ................................................................. 45

2.4.2. Phương pháp mô phỏng đồng dạng ............................................................ 47

2.5. Cơ sở lý thuyết đánh giá ảnh hưởng của loại nhiên liệu đến hệ thống cấp nhiên

liệu cho động cơ diesel .................................................................................................. 49

2.5.1. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến áp suất phun .................. 49

2.5.2. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến lưu lượng phun ............. 50

2.5.3. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến thời điểm cấp và cháy của

nhiên liệu ............................................................................................................... 51

2.6. Mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp dầu cọ - dầu

diesel [11, 35] ................................................................................................................ 52

2.6.1. Cơ sở lý thuyết ............................................................................................ 52

2.6.2. Mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm GT-Power ............................... 58

2.7. Kết luận chương .................................................................................................... 61

CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ -

DẦU DO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THÔNG QUA MÔ PHỎNG.................. 62

3.1. Đặt vấn đề .............................................................................................................. 62

3.1.1. Thiết bị cơ khí ............................................................................................. 62

3.1.2. Hệ thống tự động điều khiển ....................................................................... 64

-iii-

3.2. Thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục ........................................................................... 65

3.2.1. Thực hiện các bước thiết kế ........................................................................ 66

3.2.2. Vật liệu chế tạo và bản vẽ thiết bị hòa trộn ................................................ 72

3.3. Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng mô phỏng số CFD ....................... 72

3.4. Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng thử nghiệm mô hình đồng dạng 75

3.4.1. Tính toán hệ số đồng dạng và chế tạo thiết bị mô hình .............................. 76

3.4.2. Thực hiện thí nghiệm đánh giá và phân tích ............................................... 77

3.5. Kết quả mô phỏng quá trình cháy khi sử dụng với các loại hỗn hợp nhiên liệu

khác nhau. ..................................................................................................................... 79

3.6. Kết luận chương ..................................................................................................... 88

CHƯƠNG 4. NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ............................................................. 89

4.1. Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm ........................................................... 89

4.1.1. Mục đích ..................................................................................................... 89

4.1.2. Chế độ thử nghiệm ...................................................................................... 89

4.1.3. Đối tượng thử nghiệm ................................................................................. 89

4.2. Xây dựng tiêu chí thử nghiệm thiết bị hòa trộn liên tục ........................................ 89

4.2.1. Cơ sở kĩ thuật và pháp lý để xây dựng tiêu chí đánh giá ............................ 89

4.2.2. Các tiêu chí đánh giá phục vụ thử nghiệm .................................................. 90

4.3. Cơ sở vật chất phục vụ thử nghiệm tại phòng thí nghiệm ..................................... 91

4.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm ........................................................ 91

4.3.2. Các thiết bị đo phục vụ thử nghiệm ............................................................ 92

4.3.3. Nhiên liệu thử nghiệm ................................................................................ 95

4.4. Các kết quả thực nghiệm ........................................................................................ 95

4.4.1. Kết quả thử nghiệm đánh giá chất lượng trộn ............................................ 95

4.4.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá sự hoạt động của động cơ 6LU32 sử dụng

nhiên liệu hỗn hợp do thiết bị hòa trộn liên tục tạo ra .......................................... 97

4.4.3. Các kết quả thử nghiệm trên tàu Sao Biển ................................................ 107

4.4. Kết luận chương ................................................................................................... 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................... 112

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN

ĐẾN LUẬN ÁN .......................................................................................................... 114

-iv-

TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 115

1. Tài liệu tham khảo tiếng Việt .................................................................................. 115

2. Tài liệu tham khảo tiếng Anh .................................................................................. 116

PHỤ LỤC 1. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ VÀ TÍNH TOÁN

THIẾT BỊ HÒA TRỘN............................................................................................. PL-1

1.1. Chương trình tính các thông số công tác của động cơ bằng Matlab .................. PL-1

1.1.1. Dữ liệu đầu vào ....................................................................................... PL-1

1.1.2. Chương trình tính .................................................................................... PL-2

1.2. Mô hình quá trình cháy động cơ 6LU32 trên phần mềm GT-Power ................. PL-8

1.2.1. Phần tử xi lanh (EngCylinder) ................................................................ PL-9

1.2.2. Phần tử vòi phun (InjProfileConn) ....................................................... PL-10

1.2.3. Phần tử cơ cấu phân phối khí (ValveCamConn) .................................. PL-10

1.2.4. Phần tử các thông số chung của động cơ (Engine CrakTrain) ............. PL-11

1.3. Chương trình tính bộ trộn nhiên liệu liên tục trên Matlab ............................... PL-12

PHỤ LỤC 2. NGHIÊN CỨU BỘ HÒA TRỘN TRÊN PHẦN MỀM FLUENT -

ANSYS .................................................................................................................... PL-13

2.1. Qui trình nghiên cứu ........................................................................................ PL-13

2.2. Các bước chính ................................................................................................ PL-14

Bước 1: Xây dựng mô hình 3D ....................................................................... PL-14

Bước 2: Chia lưới ............................................................................................ PL-14

Bước 3: Lựa chọn phương pháp tính toán mô phỏng ..................................... PL-15

Bước 4: Đặt các điều kiện biên ....................................................................... PL-15

Bước 5: Tiến hành tính toán và hiệu chỉnh các điều kiện biên ....................... PL-17

Bước 6: Phân tích kết quả ............................................................................... PL-17

PHỤ LỤC 3. HÌNH ẢNH CHỤP MẪU HÒA TRỘN ........................................... PL-18

PHỤ LỤC 4. BẢN VẼ THIẾT KẾ THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ VÀ

DẦU DIESEL (DO) ................................................................................................ PL-20

PHỤ LỤC 5. MỘT SỐ HÌNH ẢNH VỀ TRANG THIẾT BỊ VÀ QUÁ TRÌNH

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM ............................................................................. PL-30

5.1. Trang thiết bị thí nghiệm tại phòng thí nghiệm ............................................... PL-30

5.2. Thử nghiệm trên tàu Sao Biển ......................................................................... PL-36

-v-

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Diễn giải Đơn vị

HC Hydrocarbon

NG Khí thiên nhiên

CNG Khí thiên nhiên nén

CTL Than đá hóa lỏng

GTL Khí hóa lỏng

LNG Khí thiên nhiên hóa lỏng

LPG Khí dầu mỏ hóa lỏng

Fluent Phần mềm mô phỏng động lực học dòng chảy

FEM Phương pháp phần tử hữu hạn

MDO Marine Distilated Oil – dầu chưng cất dùng cho tàu thủy

MGO Marine gasoil - tương đương với dầu fuel oil số 2

DMX Dầu diesel nhẹ, dùng cho trường hợp sự cố

DMA Dầu diesel đã được loại các tạp chất

DMB Dầu diesel có hàm lượng lưu huỳnh cao

DMC Dầu diesel chứa nhiều tạp chất

SVO Dầu thực vật dùng trực tiếp

PPO Dầu thực vật nguyên gốc

PO Dầu cọ

IMO Tổ chức Hàng hải quốc tế

GQTK Góc quay trục khuỷu

ASTM Tiêu chuẩn Hoa Kỳ về Vật liệu và Thử nghiệm

EEDI Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả

EEOI Chỉ số khai thác năng lượng hiệu quả

SEEMP Hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu

NLSH Nhiên liệu sinh học

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

-vi-

Hkt Chiều cao cột chất lỏng trong két trộn m

Dkt Đường kính két trộn m

dck Đường kính cánh khuấy m

nck Tốc độ quay của cánh khuấy v/p

Lck Chiều dài cánh khuấy m

Zck Khoảng cách từ cánh đến đáy két m

wck Bề rộng cánh khuấy m

Bck Bề rộng cánh cản m

Vkt Thể tích két trộn m3

NQ Hệ số lưu lượng bộ trộn

NP Hệ số công suất bộ trộn

PCT Công suất cần thiết cho bộ trộn kW

tm Thời gian cần thiết để hòa trộn s

tr Thời gian chất lỏng lưu lại trong két trộn s

QCL Lưu lượng hỗn hợp chất lỏng ra khỏi bộ trộn m3/s

Ne Công suất động cơ diesel kW

ge Suất tiêu hao nhiên liệu có ích g/kW.h

D Đường kính xi lanh m

S Hành trình piston m

Vd Thể tích công tác của xi lanh dm3

φ Góc quay trục khuỷu o GQTK

Rc Bán kính quay của trục khuỷu m

Lb Chiều dài thanh truyền m

S Chuyển vị tức thời của piston m

(A/F)s Tỷ lệ không khí - nhiên liệu của hỗn hợp cháy lý thuyết

Tg Nhiệt độ trung bình của khí cháy trong xi lanh K

Tw Nhiệt độ trung bình của thành vách xi lanh K

g Gia tốc trọng trường m/s2

R Hằng số khí lý tưởng J/kg.K

-vii-

Độ nhớt động lực học chất lỏng cSt

v Độ nhớt động học của chất lỏng m2/s

ρ Khối lượng riêng của chất lỏng kg/m3

λ Hệ số kết cấu

Fi Diện tích của lỗ phun m2

i Số lỗ phun của vòi phun

Fp Diện tích tiết diện ngang của piston bơm cao áp m2

EA Năng lượng kích hoạt cần thiết để tự cháy của nhiên

liệu kJ/mol

%m/m Tỷ lệ phần trăm theo khối lượng

-viii-

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel thủy [41] 4

Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41] 5

Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) [45] 6

Bảng 1.4. Nhiên liệu tàu thủy theo tiêu chuẩn ISO 8217:2005 [41] 7

Bảng 1.5. Hướng dẫn quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu của Cơ quan

Đăng kiểm Lloyd (Anh) [44]

9

Bảng 1.6. Tiêu chuẩn phát thải NOx [3] 10

Bảng 1.7. Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học [32] 12

Bảng 1.8. Đặc tính lý hóa của diesel sinh học [32] 12

Bảng 1.9. Đặc tính nhiên liệu của dầu diesel và diesel sinh học [32] 13

Bảng 1.10. So sánh mức độ phát thải khi sử dụng B20 với dầu diesel 14

Bảng 1.11. Tính chất hóa lý của các loại nhiên liệu [32] 16

Bảng 1.12. Đánh giá sử dụng diesel sinh học [27] 18

Bảng 2.1. Hệ số thực nghiệm Ck phụ thuộc vào dạng bộ phận khuấy

[10]

37

Bảng 2.2. Hệ số hình dạng và định nghĩa 43

Bảng 2.3. Hệ số công suất Np đối với các loại cánh khuấy khác nhau và

các thông số hình dạng [17, 19]

44

Bảng 2.4. Các phần tử chính của mô hình. 60

Bảng 3.1. Các thông số lý hóa của nhiên liệu cần trộn 68

Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của động cơ HANSHIN 6LU32 69

Bảng 3.3. Các thông số sau tính toán thiết bị hòa trộn 71

Bảng 3.4. Kích thước của bộ hòa trộn kiểu cánh khuấy 72

Bảng 3.5. Các thông số cơ bản của mô hình thiết bị hòa trộn 77

Bảng 3.6. Thời gian hòa trộn theo các tỷ lệ hòa trộn khác nhau 78

Bảng 3.7. Nhiệt độ đông đặc của các mẫu hòa trộn thử nghiệm 78

Bảng 3.8. So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ 85

Bảng 3.9. So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 87

-ix-

Bảng 4.1. Các thông số kĩ thuật cơ bản của phanh thủy lực Omega 1500 92

Bảng 4.2. Thông số kỹ thuật của thiết bị đo áp suất cháy cực đại Pz 94

Bảng 4.3. Kết quả kiểm tra hòa trộn các mẫu thử nghiệm 96

Bảng 4.4. So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ 85

Bảng 4.5. So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ 87

Bảng 4.6. Giá trị áp suất cháy cực đại đối với các loại nhiên liệu khác

nhau

98

Bảng 4.7. So sánh giá trị áp suất cháy cực đại giữa số liệu đo đạc thực

tế và số liệu theo mô phỏng

98

Bảng 4.8. Thời gian cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau 99

Bảng 4.9. Thời điểm bắt đầu cháy sớm của nhiên liệu so với ĐCT 100

Bảng 4.10. Thời điểm và áp suất phun nhiên liệu vào động cơ 103

Bảng 4.11. Thời điểm và giá trị cực đại của áp suất phun nhiên liệu 103

Bảng 4.12. Lượng cấp nhiên liệu theo lý thuyết đối với mỗi loại nhiên

liệu

104

Bảng 4.13. Lượng cấp nhiên liệu theo đo đạc đối với mỗi loại nhiên liệu 104

Bảng 4.14. Tiêu chuẩn về NOx trong khí thải động cơ diesel thủy [3] 106

Bảng 4.15. Hàm lượng chất NOx trong khí thải động cơ diesel 6LU32 106

Bảng 4.16. Các thông số cơ bản của tàu và động cơ chính 108

Bảng 4.17. Thông số công tác ghi lại của động cơ 6L27BSH 108

Bảng 4.18. Tổng hợp các số liệu đo 109

-x-

DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Phản ứng este hóa tạo diesel sinh học (biodiesel) [54] 12

Hình 1.2. So sánh giá dầu cọ và dầu DO trong thời gian từ 2010 - 2015

[38]

23

Hình 1.3. Đề xuất hệ thống cấp nhiên liệu với thiết bị hòa trộn liên tục

để sử dụng nhiên liệu hỗn hợp cho động cơ diesel thủy

26

Hình 2.1. Cơ chế tạo ứng suất để hòa trộn chất lỏng [25] 29

Hình 2.2. Thiết bị hòa trộn kiểu chữ S-thẳng 30

Hình 2.3. Các thiết kế khác nhau của bộ hòa trộn tĩnh kiểu Kenics [50] 31

Hình 2.4. Thiết bị hòa trộn chất lỏng kiểu cánh khuấy 32

Hình 2.5. Mô hình dòng chảy của chất lỏng trong thiết bị khuấy [24] 33

Hình 2.6. Sơ đồ véc tơ vận tốc ở đầu mút của cánh khuấy 34

Hình 2.7. Đồ thị mối quan hệ giữa công suất trộn và Re [10] 36

Hình 2.8. Sự sai khác nồng độ (Cf -Ci) trong két hòa trộn [24] 38

Hình 2.9. Thời gian trộn phụ thuộc vào hệ số Reynold [26] 38

Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo bộ hòa trộn nhiên liệu liên tục 40

Hình 2.11. Mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy loại tua bin cánh

phẳng

41

Hình 2.12. Mô hình động cơ HANSHIN 6LU32 trong phần mềm GT-

Power

59

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống hòa trộn liên tục 62

Hình 3.2. Các phần tử cơ bản của thiết bị hòa trộn liên tục 63

Hình 3.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển cấp nhiên liệu 64

Hình 3.4. Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị hòa trộn 65

Hình 3.5. Sơ đồ quá trình thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục kiểu khuấy 67

Hình 3.6. Cánh khuấy dạng tua-bin cánh thẳng 68

Hình 3.7. Thuật toán tính chọn kích thước thiết bị hòa trộn 70

Hình 3.8. Bản vẽ bố trí kết cấu két trộn 72

Hình 3.9. Mức độ hòa trộn 10% dầu cọ 73


-xi-


Hình 3.12. Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 50 v/p 74



Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý mô hình đồng dạng bộ hòa trộn liên tục 76

Hình 3.16. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ HANSHIN

6LU32 tại chế độ định mức

79

Hình 3.17. Diễn biến nhiệt độ môi chất trong xi lanh động cơ

HANSHIN 6LU32 tại chế độ định mức

80

Hình 3.18. Tốc độ tỏa nhiệt của khí cháy trong xi lanh động cơ


80

Hình 3.19. Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ

định mức

81


6LU32 tại chế độ 50% tải

81


HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải

82



82


50% tải

83


6LU32 tại chế độ 75% tải

83



84



84


75% tải

85

Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm 91

Hình 4.2. Mẫu PO20 chụp qua kính hiển vi 96

Hình 4.3. Đồ thị áp suất cháy đo thực tế của động cơ 6LU32 97

-xii-

Hình 4.4. Thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ


99



100

Hình 4.6. Thời điểm bắt đầu quá trình cháy nhiên liệu trong xi lanh 101

Hình 4.7. Thời điểm cháy lớn nhất trong xi lanh 101

Hình 4.8. Áp suất phun nhiên liệu 102

Hình 4.9. Sự sai khác lưu lượng phun so với nhiên liệu DO 104

Hình 4.10. Nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu 105

Hình 4.11. Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ diesel

6UL32

107

Hình 4.12. Đồ thị áp suất cháy với các loại nhiên liệu khác nhau 110

Hình PL1.1. Mô hình động cơ HANSHIN 6LU32 PL-8

Hình PL1.2. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử xi lanh PL-9

Hình PL1.3. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử vòi phun nhiên

liệu

PL-10

Hình PL1.4. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử cơ cấu phân

phối khí

PL-10

Hình PL1.5. Cửa sổ giao diện nhập dữ liệu cho phần tử các thông số

của động cơ

PL-11

Hình PL2.1. Đặt đặc tính 2 pha (dầu DO và dầu cọ) PL-15

Hình PL2.2. Đặt số vòng quay cho trục và cánh khuấy PL-16

Hình PL2.3. Đưa trị số của các tham số liên quan PL-16

Hình PL5.1. Các thiết bị tại Trung tâm nghiên cứu động cơ diesel thủy PL-30

Hình PL5.2. Hệ thống thu thập và xử lý dữ liệu 16 kênh của hãng AVL PL-31

Hình PL5.3. Hệ thống thiết bị nghiên cứu quá trình công tác của động

cơ bằng hình ảnh VisioScope

PL-31

Hình PL5.4. Hệ thống thiết bị đo, kiểm soát khí thải AMA i60 R1 PL-32

Hình PL5.5. Hệ thống thiết bị hòa trộn nhiên liệu PL-32

Hình PL5.6. Thiết bị khuấy trộn thực tế PL-33

Hình PL5.7. Mô hình 3D của bộ hòa trộn đồng dạng PL-33

-xiii-

Hình PL5.8. Mô hình đồng dạng bộ hòa trộn liên tục PL-34

Hình PL5.9. Các mẫu hòa trộn dầu cọ - DO theo các tỷ lệ dầu cọ khác

nhau trong hỗn hợp

PL-34

Hình PL5.10. Mẫu hòa trộn theo các tỷ lệ khác nhau và kiểm tra mức

độ đồng nhất qua kính hiển vi

PL-34

Hình PL5.11. Kiểm tra và chụp mẫu hòa trộn PL-35

Hình PL5.12. Tiến hành thử nghiệm động cơ 6LU32 làm việc với nhiên

liệu hòa trộn

PL-35

Hình PL5.13. Lắp đặt thiết bị trên tàu Sao Biển PL-36

Hình PL5.14. Thiết bị đo áp suất Pz của hãng Kistler, loại 2516A PL-36

Hình PL5.15. Đo áp suất Pz tại các xi lanh của động cơ chính 6L27BSH PL-36

-1-

MỞ ĐẦU

Trong ngành hàng hải, đa số các tàu thương mại hiện nay đều sử dụng động cơ

diesel làm thiết bị động lực để quay chân vịt, lai máy phát điện hoặc các thiết bị. Đây

là hộ tiêu thụ nhiên liệu hóa thạch rất lớn và có mức phát thải cao ra môi trường khiến

thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đều đang rất quan tâm.

Một trong những dạng nhiên liệu thay thế có khả năng tái tạo và được đánh giá

thân thiện với môi trường hiện nay là nhiên liệu sinh học. Dạng nhiên liệu này đã và

đang được nghiên cứu, sử dụng rất rộng rãi cho động cơ đốt trong trên các phương tiện

cơ giới đường bộ,... Trong lĩnh vực hàng hải, loại nhiên liệu này chủ yếu được sử dụng

dưới dạng hòa trộn với nhiên liệu hóa thạch cho những động cơ thế hệ mới hoặc các

động cơ được hoán cải đặc biệt. Hạn chế lớn nhất khi sử dụng nhiên liệu sinh học cho

các động cơ diesel tàu thủy là sự tách lớp nhanh của hỗn hợp nhiên liệu do các thiết bị

hòa trộn nhiên liệu theo mẻ tạo ra.

Ở Việt Nam, cơ sở hạ tầng sản xuất diesel sinh học còn nhiều hạn chế, trong khi

các quy định về quản lý còn chưa được thiết lập, khả năng sử dụng diesel sinh học còn

nhiều khó khăn. Do đó, dầu thực vật nguyên gốc chưa qua quá trình este hóa đã và

đang giành được nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước. Trên cơ sở

nghiên cứu các bộ hòa trộn theo mẻ và các phương pháp công nghệ sử dụng nhiên liệu

sinh học, đặc biệt là dầu thực vật nguyên gốc cho các động cơ diesel nói chung và

diesel thủy nói riêng, đề tài “Nghiên cứu phát triển thiết bị hòa trộn liên tục nhiên liệu

hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel cho động cơ diesel tàu thuỷ cỡ vừa và nhỏ” là một

giải pháp rất khả thi và có tính ứng dụng cao. Đề tài có ý nghĩa thực tiễn, mang tính

cấp thiết, thời sự, phù hợp với định hướng phát triển nhiên liệu sinh học của Việt Nam.

Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài

* Mục đích nghiên cứu

Xây dựng cơ sở khoa học cho việc thiết kế và chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục hỗn

hợp dầu diesel (DO) và dầu thực vật (dầu cọ) dùng cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ

vừa và nhỏ và sử dụng trên thực tế hỗn hợp nhiên liệu sinh học này cho các động cơ

diesel thủy.

* Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là các động cơ diesel thủy cỡ vừa và nhỏ, trong đó đối

tượng trực tiếp là động cơ 6LU32 do hãng Hanshin (Nhật Bản) chế tạo. Đây là động

cơ diesel thủy thế hệ cũ, với hệ thống cung cấp nhiên liệu truyền thống đặc trưng dùng

trên tàu thủy.

-2-

Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong khuôn khổ nghiên cứu phát triển thiết bị

hòa trộn liên tục dầu cọ với dầu diesel, sau đó nhiên liệu hỗn hợp được thử nghiệm

làm nhiên liệu thay thế cho một động cơ diesel đặt tại phòng thí nghiệm và một động

cơ diesel được lắp đặt trên tàu thủy.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu của luận án là kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực

nghiệm. Nghiên cứu lý thuyết nhằm xây dựng được cơ sở khoa học tính toán thiết kế

thiết bị hòa trộn liên tục phù hợp cho từng động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ, đánh

giá chất lượng hòa trộn nhiên liệu của thiết bị hòa trộn bằng mô phỏng số (phần mền

chuyên nghiệp “Fluent-Ansys”) và chế tạo mô hình thử nghiệm theo phương pháp

đồng dạng trong phòng thí nghiệm.

Nghiên cứu thực nghiệm tiến hành với thiết bị hòa trộn liên tục thiết kế riêng cho

động cơ 6LU32 lắp đặt tại Phòng thí nghiệm hệ động lực tàu thủy để đánh giá ảnh

hưởng của hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn tới sự làm việc của động cơ diesel tàu thủy.

Thiết bị hòa trộn này cũng được lắp đặt thử nghiệm trên tàu nhằm kiểm tra khả năng

áp dụng và kết nối thiết bị với hệ thống nhiên liệu hiện trang bị trên các tàu thực tế.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Việc xây dựng cơ sở khoa học thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu thực

vật – dầu diesel truyền thống cho các động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ có ý nghĩa

hết sức quan trọng. Đó chính là một trong các giải pháp để đưa nhiên liệu sinh học,

nhiên liệu “sạch” xuống tàu và sử dụng cho các động cơ diesel thủy hiện có của Việt

Nam mà không cần tiến hành hoán cải hay sửa chữa lớn đối với bản thân động cơ và

hệ thống nhiên liệu. Điều này một mặt giúp cho các công ty vận tải thủy giảm đáng kể

sự phụ thuộc vào việc nhập khẩu nhiên liệu và mặt khác cũng làm giảm được phát thải

các chất độc hại gây ô nhiễm môi trường. Kết quả nghiên cứu sẽ là cơ sở để khẳng

định thiết bị hòa trộn liên tục là giải pháp khả thi cho việc sử dụng nhiên liệu hỗn hợp

dầu thực vật – dầu diesel trên tàu thủy và khắc phục được những hạn chế của phương

pháp cấp hỗn hợp nhiên liệu sinh học theo mẻ từ nguồn hòa trộn có sẵn trên bờ. Ngoài

ra, cũng khẳng định sử dụng dầu thực vật nguyên gốc để trộn với dầu diesel sẽ mang

lại hiệu quả kinh tế hơn so với sử dụng diesel sinh học (loại nhiên liệu sinh học có giá

thành rất cao đã và đang được dùng phổ biến trên thế giới).

Các kết quả của luận án có giá trị về phương pháp luận trong lĩnh vực cải tiến hệ

thống cấp nhiên liệu của các động cơ diesel tàu thủy hiện có, để sử dụng nhiên liệu

mới làm nhiên liệu thay thế ở điều kiện Việt Nam.

Các nội dung chính trong đề tài

Luận án được thực hiện với 113 trang thuyết minh và 5 phụ lục, bao gồm những

nội dung chính sau:

-3-

- Mở đầu

- Chương 1: Tổng quan

Trên cơ sở phân tích những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy và các

yêu cầu đối với nhiên liệu dùng trên tàu, xem xét khả năng sử dụng loại nhiên

liệu sinh học phù hợp, những công trình nghiên cứu về ứng dụng nhiên liệu sinh

học trong lĩnh vực vận tải thủy và công nghệ đã được nghiên cứu dùng cho các

động cơ diesel thủy, từ đó định hướng nội dung nghiên cứu của luận án.

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết về hòa trộn và đánh giá ảnh hưởng của nhiên liệu tới

quá trình công tác của động cơ

Toàn bộ chương 2 tập trung vào phân tích cơ sở lý thuyết về hòa trộn và xây

dựng cơ sở lý thuyết để thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục dầu thực vật – dầu

diesel để tạo nhiên liệu hỗn hợp làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel

thủy. Trong chương này cũng đưa ra cơ sở đánh giá sự ảnh hưởng của nhiên

liệu đến hệ thống cấp nhiên liệu và quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ.

- Chương 3: Thiết kế chế tạo bộ hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu cọ và dầu diesel

Áp dụng kết quả nghiên cứu lý thuyết của chương 2 để xây dựng thuật toán và

chương trình tính toán thiết bị hòa trộn dầu thực vật – dầu diesel. Áp dụng

phương pháp mô phỏng số (phần mềm Fluent-Ansys) và mô hình đồng dạng

thu nhỏ nhằm phục vụ công tác đánh giá chất lượng trộn của thiết bị hòa trộn

qua đó cũng cho phép hiệu chỉnh các thông số thiết kế của thiết bị nhằm đạt

mức độ thiết kế tối ưu nhất.

- Chương 4: Nghiên cứu thử nghiệm

Với sự hỗ trợ của các hệ thống trang thiết bị thí nghiệm hiện đại, đồng bộ, có độ

chính xác cao thuộc Phòng thí nghiệm hệ động lực, Khoa Máy tàu biển và tàu

thực tập “Sao biển”, Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, các kết quả thử

nghiệm được phân tích và đánh giá, khẳng định về mặt kỹ thuật quá trình làm

việc của thiết bị hòa trộn liên tục.

- Kết luận và kiến nghị

Phần này trình bày những đóng góp mới của luận án trong lĩnh vực chuyên

ngành và hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài.

- Các phụ lục

-4-

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1. Đặc điểm công tác của động cơ diesel thủy và những yêu cầu đối với

nhiên liệu dùng trên tàu

1.1.1. Những đặc điểm riêng biệt của động cơ diesel thủy

Động cơ diesel lắp trên tàu thủy thường đảm nhận chức năng làm động cơ chính

(lai chân vịt) hoặc động cơ phụ (động cơ lai máy phát điện hoặc các thiết bị phục vụ hệ

động lực khác). Ngoài những đặc điểm cấu tạo chung, động cơ diesel thủy có nhiều

đặc điểm riêng biệt so với các động cơ diesel lắp cố định hoặc trang bị trên các

phương tiện vận tải đường bộ. Điều này xuất phát từ yêu cầu đặc biệt về tính năng, chế

độ làm việc, điều kiện khai thác và lắp đặt, cũng như các quy định và luật định hiện

hành. Trên thực tế, người ta phân loại động cơ diesel thủy theo vòng quay và công suất

thành 3 loại như trên bảng 1.1.

Bảng 1.1. Phân loại động cơ diesel thủy [41]

THÔNG SỐ KĨ THUẬT LOẠI ĐỘNG CƠ DIESEL

Cao tốc-4 kì Trung tốc-4 kì Thấp tốc-hai kì

Tốc độ trung bình của

piston [m/s] > 8,5 6,5 ÷ 8,5 ≤ 6,5

Tốc độ vòng quay trục

khuỷu [v/p] 960- 3.000 400-1.000 50-250

Công suất [kW] Đến 5.000 500-30.000 1.500-100.000

Động cơ diesel dùng làm động cơ chính trên tàu thủy cần có công suất lớn, có khả

năng hoạt động ổn định, tin cậy trong một thời gian dài, liên tục, trong môi trường

thường xuyên thay đổi về các điều kiện vật lý (nhiệt độ, độ ẩm, ...) và hóa học (tỷ lệ

muối trong không khí). Với những yêu cầu về an toàn, độ tin cậy và tính kinh tế đã

được nêu tại Công ước về “An toàn sinh mạng trên biển - SOLAS 74” của Tổ chức

Hàng hải Quốc tế (IMO), các động cơ diesel được sử dụng trên các tàu vận tải biển

thường được thiết kế làm việc với vòng quay từ 50 v/p (động cơ hai kì công suất lớn)

đến dưới 1500 v/p (động cơ bốn kỳ lai máy phát điện hoặc lai chân vịt ở các tàu cỡ

nhỏ), còn các loại động cơ có vận tốc cao hơn như được phân loại tại bảng 1.1 có thể

được lắp đặt trên các tàu cỡ nhỏ phục vụ mục đích du lịch hoặc các dịch vụ khác.

Trong quá trình thiết kế và chế tạo, vòng quay công tác của động cơ sẽ quyết định thời

gian cấp nhiên liệu vào động cơ và theo đó là loại nhiên liệu thích hợp. Để thấy được

bức tranh về loại nhiên liệu thích hợp với từng loại động cơ, trên bảng 1.2, lấy giá trị

-5-

vòng quay của một số loại động cơ tiêu biểu để tính toán và cho thấy thời gian cấp

nhiên liệu vào động cơ phụ thuộc vào tốc độ làm việc của chúng [41].

Bảng 1.2. Thời gian cấp nhiên liệu phụ thuộc vào tốc độ làm việc [41]

Thông số

LOẠI ĐỘNG CƠ

3000 v/p 1500 v/p 600 v/p 94 v/p

Thời gian phun nhiên liệu

/ 030 GQTK/ [s] 0,0016 0,0033 0,0083 0,044

Số lần phun nhiên liệu trong

một giây 25 12,5 5 1,566

Như vậy, theo số liệu như trên cho thấy:

- Động cơ diesel tốc độ cao (từ 1500 -3000 v/p), thời gian cấp nhiên liệu vào

động cơ rất ngắn và chỉ xảy ra trong vòng từ 0,0016 đến 0,0033 giây. Đối với loại

động cơ này, nhiên liệu được sử dụng là dầu diesel nhẹ MGO (Marine Gas Oil) với

chất lượng cao và giá thành tương đối đắt. Nếu sử dụng dầu nặng HFO (Heavy Fuel

Oil) với chất lượng kém hơn sẽ gây ảnh hưởng xấu đến quá trình công tác của động

cơ, bởi vì dầu nặng HFO cần thời gian bốc hơi dài hơn để hòa trộn với không khí tạo

thành hỗn hợp cháy hoàn chỉnh;

- Đối với động cơ diesel tốc độ trung bình và thấp (từ 600 đến 94 v/p), thời gian

cấp nhiên liệu sẽ dài hơn so với loại động cơ cao tốc và xảy ra từ 0,0083 đến 0,044

giây. Với đặc tính như vậy, động cơ diesel loại này có thể sử dụng được HFO với chất

lượng và giá thành thấp hơn.

Với những đặc điểm kĩ thuật như vậy, các động cơ diesel thủy thường khá “dễ

tính” trong quá trình sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau, từ nhiên liệu chưng cất

đến HFO. Thực tế, nhằm tăng tính kinh tế trong quá trình khai thác đối với động cơ

diesel trung tốc và thấp tốc trên tàu, HFO thường được dùng chủ yếu. Nhiên liệu

chưng cất có độ nhớt thấp thường được dùng trong các chế độ làm việc không ổn định,

chế độ chuyển tiếp nhằm đảm bảo các thông số công tác động cơ. Mỗi một loại nhiên

liệu đều có những tính chất đặc trưng riêng, đáp ứng yêu cầu của động cơ theo cấu tạo,

sự hoạt động và khai thác động cơ như: tỷ trọng, nhiệt trị, độ nhớt, nhiệt độ đông đặc,

nhiệt độ bén lửa, trị số Xê tan, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, hàm lượng nước

v.v..

Chính vì vậy, các tàu vận tải biển thường dùng động cơ 2 kỳ thấp tốc (50 210

v/p) làm động cơ chính. Trong khi đó, các động cơ phụ thường dùng loại động cơ

diesel 4 kỳ có hoặc không tăng áp, vòng quay cao. Với các loại tàu chuyên dụng như

các tàu kéo, phà, tàu cá chạy biển, các loại động cơ diesel trung tốc và cao tốc (có thể

>1500 v/p) được sử dụng rộng rãi làm động cơ chính. Hiện nay, ở Việt Nam có tới gần

-6-

như 100% tàu sông và tàu pha sông biển trang bị thiết bị năng lượng diesel. Số lượng

tàu biển cũng chiếm đến 95 97% tổng số có lắp đặt thiết bị năng lượng diesel.

1.1.2. Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel tàu thủy

Thông thường, nhiên liệu được dùng cho động cơ diesel sẽ được quyết định bởi

chính những đặc tính kỹ thuật đặc trưng của động cơ như được nêu ở phần 1.1.1. Vì

vậy, Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế (ISO) đã đưa ra những tiêu chuẩn đối với các loại

nhiên liệu thích hợp với các loại động cơ diesel, trong đó có động cơ diesel thủy. Các

tiêu chuẩn mang tính bắt buộc đối với nhiên liệu dùng cho động cơ diesel thủy dựa

trên các tính chất của nhiên liệu như: tỷ trọng, nhiệt trị thấp, trị số Xê tan, thành phần

lưu huỳnh.... Đây cũng là cơ sở để đánh giá sự phù hợp, độ tin cậy và an toàn của một

loại nhiên liệu khi sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thủy. Vấn đề

này là tiền đề để luận án đề cập đến ở các chương sau.

Theo tiêu chuẩn của Mỹ, dầu diesel được chia thành 6 loại khác nhau được

đánh số từ 1 tới 6 tùy thuộc vào điểm sôi, thành phần hóa học, mục đích sử dụng và độ

nhớt (độ nhớt càng cao thì chỉ số càng cao). Độ nhớt của dầu diesel số 6 là cao nhất và

của số 1 là thấp nhất. Các loại dầu diesel đánh số từ số 1 tới 3 thường là dạng dầu

diesel chưng cất. Dầu diesel số 1 chính là dầu hỏa, hay còn có tên là dầu hơi vì khi đốt

nóng dầu sẽ hóa hơi hoàn toàn. Dầu diesel số 2 (hay còn gọi là dầu DO) là dầu diesel

được dùng chủ yếu cho các động cơ diesel bộ và diesel thủy với các tính chất như trên

bảng 1.3. Dầu diesel số 6 chính là phần còn lại của dầu thô sau khi tất cả các thành

phần như xăng, dầu hỏa và thành phần dầu đốt số 2 bay hơi lên, nên còn được gọi là

dầu cặn hay dầu nặng. Dầu diesel số 4 là sản phẩm hòa trộn dầu diesel số 2 và dầu cặn

diesel số 6. Dầu diesel số 5 cũng là sản phẩm hòa trộn của hai loại trên nhưng với tỉ lệ

dầu cặn diesel số 6 trong hỗn hợp cao hơn và lên tới 75% khối lượng.

Bảng 1.3. Thông số đặc trưng của dầu diesel số 2 (DO) [45]

STT Thông số Đơn vị Giá trị Tiêu chuẩn

1 Hàm lượng lưu huỳnh % khối lượng 0,36 EETD 86

2 Nhiệt độ chớp cháy cốc hở 0C 91 EETD 84

3 Trọng lượng riêng ở 150C kg/m3 846,4 EETD 84

4 Nhiệt độ chảy loãng 0C -27 Mackay 82b

5 Độ nhớt động lực học ở 200C cSt 4 Mackay 82b

6 Độ hòa tan trong nước ngọt ở 200C kg/m3 3 Mackay 82b

Trong ngành hàng hải dầu diesel được phân loại theo một hệ thống khác:

- Dầu MGO: tương đưong với dầu diesel số 2 là phân đoạn của quá trình chưng

cất dầu thô được thu hồi ở độ sôi trong khoảng 200-3000C, tỷ trọng 0,85-0,88.

-7-

Dầu này được dùng cho các động cơ diesel cao tốc dạng nhỏ làm việc trong

điều kiện nhiệt độ thấp;

- Dầu MDO: sản phẩm chính trong trong quá trình chưng cất, chỉ chứa 15-20%

cặn, được chưng cất ở độ sôi 230-3450C. Dầu này thường dùng cho các động cơ

diesel cao tốc;

- Dầu IFO: dầu trộn giữa dầu số 2 với dầu nặng với tỷ lệ dầu số 2 ít hơn dầu số 6;

- Dầu MFO: nhiên liệu trộn giữa dầu số 2 với dầu nặng mà lượng số 2 còn ít hơn

trong IFO;

- Dầu HFO: Dầu cặn tương đương với dầu diesel số 6, là hỗn hợp các sản phẩm

dầu còn lại của quá trình chưng cất dầu mỏ. Loại dầu này có độ nhớt động học

từ 30 đến 700 cSt và thường được hâm nóng đến khoảng nhiệt độ cao (lớn nhất

1500C), trước khi cấp cho động cơ; thường dùng cho các động cơ thấp tốc.

Hiện nay, tiêu chuẩn đối với các loại nhiên liệu có nguồn gốc dầu mỏ sử dụng trên

tàu thủy được các chủ tàu và chính quyền hàng hải đặc biệt quan tâm là tiêu chuẩn ISO

8217:2005 / ISO 8217:2010. Do đó, đối với nhiên liệu thay thế cũng cần phải có các

đặc tính đảm bảo tính tương đồng theo tiêu chuẩn này để áp dụng như: độ nhớt, tỷ

trọng, nhiệt trị, trị số Xê tan, hàm lượng nước, lưu huỳnh, ...

Bảng 1.4. Nhiên liệu tàu thủy theo tiêu chuẩn ISO 8217:2005 [41]

Thông số Đơn vị Giới hạn MGO MDO

DMX DMA DMB DMC

Khối lượng riêng ở 150C kg/m3 Lớn nhất - 890 900 920

Độ nhớt động học ở

400C cSt Nhỏ nhất 1,4 1,5 - -

Lớn nhất 5,5 6,0 11,0 14,0

Nhiệt độ chớp cháy 0C Nhỏ nhất 43 60 60 60

Nhiệt độ chảy loãng,

mùa đông 0C Lớn nhất - -6 0 0

Nhiệt độ chảy loãng,

mùa hè 0C Lớn nhất - 0 6 6

Nhiệt độ kết tinh 0C Lớn nhất -16 - - -

Lượng cacbon % khối

lượng Lớn nhất - - 0,3 0,3

Hàm lượng tro % khối

lượng Lớn nhất 0,01 0,01 0,01 0,05

-8-

Hàm lượng nước % thể

tích Lớn nhất - - 0,3 0,3

Chỉ số Xê tan Nhỏ nhất 45 40 35 -

Hàm lượng lưu huỳnh % khối

lượng Lớn nhất 1,0 1,5 2,0 2,0

Mặc dù động cơ diesel thủy có thể làm việc được với nhiều loại nhiên liệu khác

nhau, nhưng khi nhiên liệu được sử dụng trên tàu thủy cần phải thỏa mãn các yêu cầu

khắt khe, riêng biệt như các yêu cầu về về phòng chống cháy nổ và đảm bảo an toàn

trên tàu [1]:

- Điểm chớp cháy của nhiên liệu sử dụng cho động cơ diesel chính trên tàu thủy

không được nhỏ hơn 600C;

- Nhiệt độ hâm của nhiên liệu phải thấp hơn điểm chớp cháy trong phạm vi 100C;

- Nhiên liệu cần có độ ổn định cao, đảm bảo sao cho các thành phần nặng trong

nhiên liệu không được tách rời và lắng xuống đáy két. Vì các con tàu thường

hoạt động dài ngày trên biển nên phải tích trữ một lượng nhiên liệu lớn (hàng

nghìn tấn dầu) và làm việc trong điều kiện khí tượng luôn thay đổi;

- Do các động cơ diesel thủy thường là các động cơ trung tốc hoặc thấp, nên có

khả năng sử dụng được các loại nhiên liệu với chất lượng không cao, có các

thành phần cặn cơ học, lưu huỳnh.. tương đối lớn. Đây chính là nguồn gây ô

nhiễm về môi trường tương đối lớn của các phương tiện vận tải thủy.

Một vấn đề khác đối với nhiên liệu sử dụng trên tàu liên quan đến chế độ khai

thác của các động cơ diesel thủy đó là những ảnh hưởng tiêu cực tới môi trường.

Trong khí xả của động cơ diesel thường có nhiều thành phần độc tố khác nhau gây tác

hại tới môi trường, trong đó NOx, COx, và SO2 chiếm thành phần chủ yếu với hàm

lượng khoảng trên 80% theo khối lượng. Hàm lượng phát thải độc hại này tăng lên

nhiều khi động cơ làm việc ở các chế độ không ổn định. Như vậy, với số lượng

phương tiện vận tải thủy lớn như hiện nay, có thể thấy được nguồn ô nhiễm khí thải từ

tàu đóng góp một phần đáng kể trong ô nhiễm môi trường sống chung của cả thế giới.

1.1.3. Những yêu cầu về sử dụng nhiên liệu tiết kiệm và ngăn ngừa ô nhiễm do

khí thải từ tàu

Trong những năm gần đây, Tổ chức Hàng hải quốc tế (IMO) đã nỗ lực đưa ra

nhiều quy định về sử dụng năng lượng hiệu quả trên tàu, từ đó kiểm soát lượng khí nhà

kính sinh ra, cụ thể hóa bằng các tiêu chuẩn kỹ thuật và khai thác như sau:

- Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả (EEDI);

- Chỉ số khai thác sử dụng năng lượng hiệu quả (EEOI);

-9-

- Hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu (SEEMP).

Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả (EEDI) có thể coi là một trong những tiêu

chuẩn kỹ thuật nhằm giảm thiểu khí CO2 do tàu sinh ra. Ủy ban Bảo vệ môi trường

biển (MEPC) của IMO đã và đang không ngừng hoàn thiện bộ quy định này nhằm áp

dụng cho các đội tàu từ năm 1997. Vào 7/2011, những quy định áp dụng bắt buộc

EEDI, SEEMP đã được thông qua và SEEMP đã được đưa chính thức vào Phụ lục VI

của Công ước quốc tế về Ngăn ngừa ô nhiễm do tàu gây ra (MARPOL73/78) áp dụng

cho tất cả các tàu hiện tại và tàu đóng mới có dung tích từ 400 trở lên. Tiếp theo đó,

bản phụ lục sửa đổi Phụ lục VI của MARPOL 73/78 có hiệu lực từ ngày 1/1/2013 với

việc bổ sung thêm một Chương 4 “Quy định về Hiệu quả sử dụng năng lượng của

tàu”. Bảng 1.5 dưới đây là đưa ra một số chỉ dẫn cụ thể thực hiện các quy định

SEEMP của Đăng kiểm Lloyd (Anh).

Bảng 1.5. Hướng dẫn quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu của Cơ quan

Đăng kiểm Lloyd (Anh) [44]

Hạng mục Phương pháp cải

tiến

Mô tả

Sử dụng nhiên

liệu hiệu quả

Tối ưu tốc độ hành

hải

Để giảm suất tiêu hao nhiên liệu, cần chú ý

đến các thiết lập động cơ tối ưu của hãng

sản xuất, thời gian đến cảng cũng như có

bến khả dụng hay không.

Tối ưu hóa công suất

động cơ

Tăng hiệu suất nhờ thiếp lập động cơ hoạt

động ở số vòng quay cố định.

Tái sử dụng

nhiệt năng thất

thoát

Nhiệt năng thất thoát trong khí thải được sử

dụng để sản xuất điện hay lực đẩy nhờ trục

động cơ.

Loại nhiên liệu Khả năng sử dụng các loại nhiên liệu thay

thế.

Các số liệu đo

đạc khác

Sử dụng các phần mềm máy tính để tính

toán suất tiêu hao nhiên liệu; sử dụng các

nguồn năng lượng tái sinh; sử dụng năng

lượng trên bờ.

Nhằm làm giảm mức độ ô nhiễm môi trường từ khí xả động cơ diesel, IMO

cũng đã đưa ra những tiêu chuẩn bắt buộc được quy định trong phụ lục II, phụ lục VI,

MARPOL 73/78 quy định về tiêu chuẩn hàm lượng các chất độc hại trong khí xả động

cơ diesel, đặc biệt là NOx. Đối với các nhiên liệu có được bằng các phương pháp

không phải là tinh lọc dầu mỏ, phải thỏa mãn [3]:

-10-

- Hàm lượng lưu huỳnh không được vượt quá:

÷ Trước ngày 1/1/2012: 4,5 %m/m;

÷ Sau ngày 1/1/2012: 3,5 % m/m;

÷ Sau ngày 1/1/2020: 0,5 %m/m;

- Phát thải NOx không vượt quá các giới hạn nêu trong bảng 1.6.

Trên thực tế, vận tải biển được xem là ngành vận tải có chi phí nhiên liệu trên

một tấn - hải lý nhỏ nhất và có lợi thế hơn so với các hình thức vận tải khác nhờ khả

năng vận chuyển một lượng hàng hóa lớn, tầm hoạt động có khoảng cách xa nhưng chỉ

với chi phí nhiên liệu tối thiểu. Tuy nhiên, khai thác tàu biển đang gặp một số vấn đề

sau:

- Chi phí nhiên liệu lớn, hiệu quả sử dụng nhiên liệu chưa cao;

- Quản lý kỹ thuật và khai thác tàu còn lỏng lẻo, gần như bị động.

Bảng 1.6. Tiêu chuẩn phát thải NOx [3]

Tiêu chuẩn áp dụng Tổng khối lượng phát thải NOx [g/kWh]

n < 130 [v/p] 130 ≤ n < 2000 [v/p] n ≥ 2000 [v/p]

Đối với tàu lắp động cơ

trước ngày 1/1/2000 17,0 45,0 x n(-0,2) 9,8

Đối với tàu lắp động cơ vào

hoặc sau ngày 1/1/2000 và

trước 1/1/2011

17,0 45,0 x n(-0,2) 9,8


hoặc sau ngày 1/1/2011 14,4 44,0 x n(-0,2) 7,7


hoặc sau ngày 1/1/2016 3,4 9,0 x n(-0,2) 2,0

Các vấn đề đã nêu tác động xấu đến hiệu quả khai thác tàu đặc biệt khi mà giá

nhiên liệu và các chi phí vận tải liên quan liên tục có xu hướng tăng lên trong khi cước

vận tải giảm. Do đó, vấn đề sử dụng và quản lý nhiên liệu hiệu quả được quan tâm một

cách đặc biệt. Ở Việt Nam, Quốc hội đã phê chuẩn bộ Luật về sử dụng năng lượng tiết

kiệm và hiệu quả vào ngày 17/6/2010, trong đó Chương IV quy định riêng cho ngành

Giao thông vận tải. Theo đó, ngày 2/10/2012, Chính phủ đã ra Quyết định số

1427/QĐ-TTg phê duyệt chương trình mục tiêu quốc gia về “Sử dụng năng lượng tiết

kiệm và hiệu quả giai đoạn 2012 – 2015”, với một trong những mục tiêu nổi bật là

“Phát triển hệ thống giao thông vận tải đáp ứng nhu cầu vận tải với chất lượng ngày

càng cao, tiết kiệm nhiên liệu, hạn chế gây ô nhiễm môi trường. Đẩy mạnh ứng dụng

công nghệ mới, sử dụng năng lượng tái tạo thay thế nhiên liệu truyền thống trong giao

-11-

thông vận tải”. Để hiện thực hóa vấn đề này, Chính phủ tập trung “Ứng dụng công

nghệ mới, năng lượng tái tạo trong giao thông vận tải” với các nội dung chủ yếu [8]:

- Áp dụng các sáng kiến cải tiến kỹ thuật và công nghệ mới trong giao thông vận

tải nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm phát thải chất ô nhiễm ra môi trường;

- Triển khai ứng dụng năng lượng tái tạo, năng lượng thay thế nhiên liệu truyền

thống (CNG, LPG, LNG, nhiên liệu sinh học, năng lượng điện, năng lượng có

tiềm năng khác) đối với phương tiện, thiết bị giao thông vận tải nhằm nâng cao

hiệu quả sử dụng năng lượng.

1.2. Nhiên liệu sinh học và xu thế ứng dụng trên tàu thủy

1.2.1. Khái niệm chung về nhiên liệu sinh học

Nhiên liệu sinh học được sản xuất từ các hợp chất có nguồn gốc động vật hoặc

thực vật như mỡ động vật, dầu dừa, dầu cọ, các loại ngũ cốc (lúa mỳ, ngô, đậu tương),

các phế thải nông nghiệp (rơm rạ, thân cây ngô, đỗ), phế thải công nghiệp (mùn cưa,

gỗ thải),... So với các loại nhiên liệu truyền thống, nhiên liệu sinh học có nhiều ưu

điểm nổi bật như: không làm tăng hiệu ứng nhà kính, giảm ô nhiễm môi trường. Hơn

nữa, nguồn nhiêu liệu sinh học có khả năng tái sinh từ các hoạt động sản xuất nông

nghiệp, do đó sẽ giảm sự lệ thuộc vào nguồn nhiên liệu truyền thống không có khả

năng tái sinh. Tùy thuộc vào phương thức sản xuất và mục đích sử dụng, nhiên liệu

sinh học có thể phân thành các nhóm chính: dầu thực vật nguyên gốc và nhiên liệu

sinh học sau quá trình chế biến. Dầu thực vật nguyên gốc được chiết xuất rất đơn giản,

chỉ cần trải qua quá trình ép các loại hạt có dầu (cọ, hạt cải, hạt hướng dương, vừng,

lạc..), sau đó lọc bỏ hết cặn và nước là có thể sử dụng như một loại nhiên liệu. Động

cơ diesel đầu tiên do Rudolf Diesel chế tạo đầu tiên vào năm 1893 cũng chạy bằng

nhiên liệu này. Nhiên liệu sinh học đã qua chế biến bao gồm diesel sinh học

(biodiesel), xăng sinh học (etanol) và khí tự nhiên (biogas). Trong các nhóm này, xăng

sinh học được dùng phổ biến cho động cơ xăng, diesel sinh học phù hợp với động cơ

diesel. Trong số các loại nhiên liệu sinh học, hai loại được quan tâm nhiều hơn cả

trong luận án: diesel sinh học và dầu thực vật nguyên gốc và sẽ được phân tích sâu hơn

ở các phần sau nhằm làm cơ sở cho mục tiêu nghiên cứu tiếp theo.

1.2.2. Diesel sinh học

Diesel sinh học được chiết xuất từ dầu thực vật nguyên gốc hay mỡ động vật có

tính chất tương đương với dầu diesel. Về mặt hóa học, diesel sinh học được cấu tạo

bởi 14 loại axit béo khác nhau và được chuyển hóa thành este của các axit béo -

FAME (Fatty Acid Methyl Este) [32]. Trên bảng 1.7 cho thấy nguồn nguyên liệu để

sản xuất diesel sinh học.

-12-

Bảng 1.7. Nguồn nguyên liệu sản xuất diesel sinh học [32]

Dầu thực vật Dầu động vật Các nguồn khác

- Dầu đỗ tương

- Dầu hạt cải

- Dầu Canola (một

loại dầu hạt nho

đặc biệt)

- Dầu hoa rum

- Dầu hoa hướng dương

- Dầu mù tạt

- Dầu mè

(Jatropha curcas)

- Dầu dừa

- Dầu cọ

- Mỡ lợn

- Mỡ gà

- Dầu ăn tái sử

dụng tại các nhà

hàng

Cơ chế để chiết xuất diesel sinh học là dựa trên biến đối cấu trúc phân tử phân

nhánh lớn của các nguồn nguyên liệu trên (bảng 1.7) chuyển sang các cấu trúc phân tử

mạch thẳng hơn (các methyl este) giống như thành phần của dầu diesel. Quá trình biến

đổi này cần có sự tham gia của ethanol hoặc methanol và chất xúc tác là NaOH hoặc

KOH. Kết quả phản ứng sẽ tạo ra các methyl este hoặc ethyl este (bao gồm thành phần

của biodiesel) và glyxerin như được thể hiện tại hình 1.1.

Hình 1.1. Phản ứng este hóa tạo diesel sinh học (biodiesel) [54]

Theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Vật liệu và Thử nghiệm Hoa Kỳ - ASTM

(American Society of Testing and Materials), tính chất của diesel sinh học được thể

hiện trong bảng 1.8.

Bảng 1.8. Đặc tính lý hóa của diesel sinh học [32]

Đặc tính Các giới hạn

Nhiệt độ chớp cháy nhỏ nhất 1300C

Tỷ lệ nước và tạp chất lớn nhất 0,05% thể tích

Độ nhớt động học [400C] 1,9 ÷ 6,0 cSt

Lượng lưu huỳnh lớn nhất 0,05% khối lượng

Chỉ số Xe tan nhỏ nhất 47

CH2OCOR’’’

CH2OCOR’’

CH2OCOR’

3 ROH Xúc tác

(NaOH / KOH)

CH2OH

CH2OH

CH2OH

R’’’COOR

R’’COOR

R’COOR

Dầu thực vật hoặc

mỡ động vật

Metanol / Etanol Glyxerin Biodiesel

(FAME)

-13-

Lượng cacbon còn lại lớn nhất (thử mẫu với 100% cacbon) 0,05% khối lượng

Lượng glyxerin tự do lớn nhất 0,02% khối lượng

Tổng lượng glyxerin lớn nhất 0,24% khối lượng

Hàm lượng photpho lớn nhất 0,001% khối lượng

Cũng theo ASTM, sự khác nhau về tính chất của diesel sinh học và dầu diesel

được thể hiện như trong bảng 1.9.

Bảng 1.9. Đặc tính nhiên liệu của dầu diesel và diesel sinh học [32]

Đặc tính nhiên liệu Dầu diesel (DO)

(ASTM D975)

Diesel sinh học

(ASTM PS 121)

Cấu trúc nhiên liệu C10 - C21 HC C12 - C22 FAME

Nhiệt trị thấp, [MJ/kg] 41,6 37,1

Độ nhớt động học ở 400C, [cSt] 1,3 ÷ 4,1 1,9 ÷ 6,0

Khối lượng riêng ở 150C, [kg/m3] 0,085 0,088

Hàm lượng nước, [% khối lượng] 161 0,05% (lớn nhất)

Lượng các bon, [% khối lượng] 87 77

Lượng hydro, [% khối lượng] 13 12

Lượng ô xy, [% khối lượng] 0 11

Lượng lưu huỳnh, [% khối lượng] 0,05 (lớn nhất) 0 – 0,0024

Nhiệt độ sôi, [0C] 188 ÷ 343 182 ÷ 338

Nhiệt độ chớp cháy, [0C] 60 ÷ 80 100 ÷ 170

Nhiệt độ kết tinh, [0C] -15 đến 5 -3 đến 12

Nhiệt độ chảy loãng nhỏ nhất, [0C] -35 đến -15 -15 đến 10

Chỉ số Xê tan 40 ÷ 55 48 ÷ 65

Nhiên liệu diesel sinh học thu được có thể được sử dụng trực tiếp hoặc đem hòa

trộn với dầu diesel (dầu DO số 2) theo một tỷ lệ nhất định và cấp vào trong động cơ

diesel. Tùy theo tỷ lệ hòa trộn sẽ có các loại hỗn hợp nhiên liệu diesel sinh học khác

nhau: B5, B10, B20, ..., B100 (trong đó: 5%, 10%, 20%, ..., 100% là thành phần của

diesel sinh học trong hỗn hợp).

Khi phân tích sâu hơn và so sánh giữa diesel sinh học và dầu diesel cho thấy:

- Về cấu trúc, diesel sinh học có hàm lượng các bon (C), lưu huỳnh (S) và nước

thấp hơn dầu diesel, nhưng lại có thêm hàm lượng ô xy trong thành phần. Hàm lượng

các bon thấp sẽ làm giảm phát thải khí CO, CO2 và muội trên đường xả. Lượng lưu

huỳnh thấp và gần như không có, nên không sinh ra SO2, một loại khí gây ảnh hưởng

đến đường hô hấp, suy tim, viêm phổi và là tác nhân gây ra mưa axit. Thành phần ô xy

tạo điều kiện cho diesel sinh học cháy hoàn toàn hơn dầu diesel, giảm phát thải CO và

nhiên liệu không cháy hết (hydrocacbon-HC);

-14-

- Diesel sinh học có chỉ số Xê tan cao hơn dầu diesel do có hàm lượng ô xy

trong thành phần. Chỉ số Xê tan là một đại lượng đặc trưng cho khả năng tự cháy của

nhiên liệu khi phun vào trong động cơ, chất lượng quá trình cháy và thời gian cháy trễ.

Chỉ số Xê tan của diesel sinh học từ 48 – 65 và thay đổi tùy thuộc vào sự khác nhau

thành phần axit béo có trong nguyên liệu sản xuất nhiên liệu loại này và mức độ bão

hòa của các axit béo. Thông thường, dầu diesel có trị số Xê tan từ 40 – 46 và dầu

diesel chất lượng cao có trị số từ 45 – 50. Trên bảng 1.10 cho thấy kết quả so sánh phát

thải khí độc hại giữa nhiên liệu hỗn hợp B20 với dầu diesel. Trừ khí NOx tăng khoảng

2%, còn các loại khí thải khác đều thấp hơn từ 10,1 đến 21,1% so với dầu diesel truyền

thống [23];

Bảng 1.10. So sánh mức độ phát thải khi sử dụng B20 với dầu diesel

Loại khí phát thải Mức độ khác nhau [%]

NOx 2,0

Bồ hóng (PM – Particulate Matter) - 10,1

Hydro Các bon chưa cháy hết - 21,1

Khí CO -11,0

- Diesel sinh học có điểm chớp cháy cao hơn dầu diesel. Diesel sinh học nguyên

chất (B100) có điểm chớp cháy nhỏ nhất là 1300C, trong khi dầu diesel là 600C. Càng

nhiều diesel sinh học trong hỗn hợp, điểm chớp cháy càng cao. Do đặc tính này, diesel

sinh học cũng như hỗn hợp của nó sẽ làm giảm nguy cơ cháy nổ và tăng mức độ an

toàn khi chuyên chở hoặc dự trữ trên các phương tiện vận tải;

- Diesel sinh học có đặc tính bôi trơn cao, làm giảm ma sát và mài mòn động

cơ. Thực tế, 1% diesel sinh học trong hỗn hợp có thể làm tăng đặc tính bôi trơn của

nhiên liệu lên 65%. Hiện nay, diesel sinh học B2 được dùng như một chất phụ gia làm

tăng đặc tính bôi trơn và làm sạch vòi phun của nhiên liệu ở một số quốc gia;

- Diesel sinh học dễ hòa tan trong nước hơn so với dầu diesel do cấu trúc của nó

tương đối đơn giản, bao gồm mạch các bon thẳng với 2 nguyên tử ô xy ở cuối, rất dễ

bị biến đổi bởi vi khuẩn có trong môi trường nước. Sau cùng thời gian 28 ngày, 95%

diesel sinh học bị phân rã trong nước, trong khi chỉ có 40% dầu diesel bị phân hủy.

Khi sử dụng hỗn hợp diesel sinh học với dầu diesel, khả năng phân hủy và hòa tan

trong nước của dầu diesel có thể tăng lên gấp 3 lần. Bên cạnh những ưu điểm nổi bật

về nâng cao chất lượng quá trình cháy, giảm phát thải về các khí gây hiệu ứng nhà

kính, muội và các hỗn hợp cháy không hết, diesel sinh học còn có hiệu quả rõ rệt trong

việc giảm mức độ ô nhiễm nước và môi trường thủy hơn so với dầu diesel, đặc biệt là

khi áp dụng trên các tàu, thuyền hoạt động trong các vùng nước có yêu cầu khắt khe

về chống ô nhiễm môi trường thủy;

-15-

- So sánh các phản ứng hóa học trong quá trình cháy lý thuyết giữa dầu diesel

(C16H34) và diesel sinh học (C19H36O2): tỷ lệ không khí - nhiên liệu đối với dầu diesel

là 14,9:1, còn đối với diesel sinh học là 12,5:1. Điều này cho thấy với thành phần ô xy

trong cấu trúc, quá trình cháy của diesel sinh học diễn ra tốt hơn so với dầu diesel khi

cùng lượng không khí nạp. Tuy nhiên, thành phân ô xy cùng là nguyên nhân chính làm

giảm nhiệt trị thấp của nhiên liệu và làm cho nhiên liệu phân cực thông qua thành phần

–OH. Ngoài ra, diesel sinh học có chứa một lượng lớn các chuỗi các bon không bão

hòa (olefin), tính ổn định thấp, nên thường gây nên hiện tượng lắng đọng trong két

chứa và hệ thống phân phối. Bản chất là một hợp chất bao gồm vài thành phần chủ

đạo, có các nhiệt độ đông đặc khác nhau, nên sự đông đặc hóa xảy ra nhanh và khó

kiểm soát. Đây là một trong những trở ngại lớn nhất khi đưa diesel sinh học sử dụng

trên tàu thủy.

Trên cơ sở những phân tích và đánh giá về diesel sinh học nêu trên, có thể rút ra

một số nhận xét như sau:

- Với những đặc tính tương đồng với dầu diesel truyền thống, diesel sinh học đã

được triển khai áp dụng tương đối phổ biến tại các quốc gia phát triển và mang

lại những lợi ích về môi trường, trong khi vẫn đáp ứng các chỉ tiêu kinh tế, kỹ

thuật của các phương tiện giao thông đường bộ (xe ô tô, xe tải đường dài, xe

chở rác, xe buýt công cộng, xe đưa thư, tàu hỏa,..), các động cơ diesel lai các

trạm phát điện cố định, lò hơi sưởi ấm các tòa nhà, phụ gia nhiên liệu cho các

động cơ (B2, B5). Diesel sinh học hòa trộn với dầu diesel theo một tỷ lệ nhất

định có thể sử dụng được trực tiếp cho động cơ diesel mà không yêu cầu nhiều

sửa đổi;

- Tuy vậy, diesel sinh học là sản phẩm chiết xuất từ dầu thực vật nguyên gốc

hoặc mỡ cá, thông qua quá trình este hóa nhằm loại bỏ glixerin trong thành

phần, do đó chịu tác động của các yếu tố kinh tế, xã hội về quy hoạch nguồn

nguyên liệu sản xuất, quy mô, công nghệ sản xuất, dẫn đến giá thành khá cao và

chưa cạnh tranh được với dầu diesel truyền thống;

- Đối với lĩnh vực hàng hải, tuy diesel sinh học đã và đang được sử dụng trên các

phương tiện thủy như tàu chiến, thuyền đánh cá, du lịch, phà biển, thuyền du

lịch nhỏ tại các vùng biển, vùng hồ yêu cầu cao về môi trường, nhưng đối với

những chủng loại tàu thương mại, tàu hàng có đặc thù riêng (thời gian hành

trình dài trên biển, chế độ làm việc thay đổi thường xuyên, điều kiện môi

trường thay đổi,...), lượng nhiên liệu tiêu thụ lớn, chi phí nhiên liệu ảnh hưởng

trực tiếp đến chỉ tiêu kinh tế của quá trình khai thác, nên diesel sinh học vẫn chỉ

được sử dụng rất hạn chế và chủ yếu cho các động cơ diesel lai máy phát điện

trên tàu.

-16-

1.2.3. Dầu thực vật nguyên gốc

Dầu thực vật nguyên gốc, theo tiếng Anh: Pure Plant Oil (PPO) được sử dụng

phổ biến ở các nước Châu Âu hoặc Straight Vegetable Oil (SVO) được sử dụng rộng

rãi ở Hoa Kỳ. Đây là một trong hai dạng sản phẩm chính trong quá trình sản xuất

nhiên liệu từ nguồn chất béo (dầu thực vật và mỡ động vật). Dầu thực vật nguyên gốc

được sản xuất bằng phương pháp ép trực tiếp từ nguồn nguyên liệu thô, qua quá trình

lọc bỏ tạp chất và nước. Nó chính là nguồn nguyên liệu chủ yếu tạo ra diesel sinh học

sau khi cho qua công đoạn este hóa.

Về cấu trúc phân tử, dầu thực vật nguyên gốc bao gồm chủ yếu triglyceride.

Mỗi triglyceride có một phân tử glyrerol kết hợp với ba phân tử a-xít béo (fatty acid),

các phân tử a-xít béo lại có cấu tạo bao gồm chuỗi dài các nguyên tử các-bon kết hợp

đơn với các nguyên tử hydro và kết thúc là các nhóm các-bô xila. Tuy khác nhau về

cấu trúc phân tử, nhưng dầu thực vật nguyên gốc vẫn có những tính chất nhiên liệu khá

tương đồng với dầu diesel truyền thống (bảng 1.11).

Bảng 1.11. Tính chất hóa lý của các loại nhiên liệu [32]

Loại Tỷ trọng ở 150C [kg/m3]

Độ nhớt động [cSt]

Trị số Cetan

Nhiệt trị cao

[MJ/kg]

Nhiệt độ bén

lửa [0C]

Nhiệt độ

chảy [0C]

Thành phần lưu

huỳnh [%]

DO 820-890 1,6-5,9 >50 >45,0 > 61 - 1,0 FO 920-990 đến 180 >30 >43,0 > 66 15 < 3 Dầu dừa 918 27 40-42 37,1 - - 0,01 Dầu ngô 910 31-35 38 39,5 277 -40 0,01 Hạt bông 915 34 42 38,7-39,5 234 -15 0,01 Jatropha 940 34 39 38,8 225 - 0,01 Dầu cọ 922,5 40,25 50-53 39,5 135 -6 0,01 Dầu lạc 903 40 42 39,8 271 -7 0,01 Hạt cải 912 35-37 41 39,7 246 -32 0,01 Vừng 913 36 40-42 39,4 260 -9 0,01 Đậu tương 914 29-33 38 39,6 254 -12 0,01 Hướng dương 916 34-36 37 39,6 274 -15 0,01

Trên cơ sở các tính chất nhiên liệu của dầu thực vật nguyên gốc, có thể rút ra

được một số nhận xét sau:

- Độ nhớt động học của dầu thực vật nguyên gốc (SVO) cao hơn nhiều so với

dầu diesel bởi do SVO có chuỗi các bon rất dài, có các triglyceride chưa bão hòa rất dễ

dàng để tạo các mạch cao phân tử (polymerization) khi ở nhiệt độ môi trường và nhiệt

độ thấp. Thông thường, SVO có độ nhớt động học ở 400C dao động từ 30 đến 40 cSt,

khoảng từ 10 đến 15 lần cao hơn dầu diesel DO. Với độ nhớt cao như vậy, dầu thực

vật nguyên gốc không đáp ứng được yêu cầu về tiêu chuẩn nhiên liệu dầu diesel theo

ASTM D36. Như vậy, nếu sử dụng dầu thực vật nguyên gốc trực tiếp làm nhiên liệu

-17-

cho các động diesel thủy cỡ vừa và nhỏ đã được thiết kế để làm việc với dầu diesel sẽ

gặp những trở ngại nhất định như làm giảm tốc độ phun do độ nhớt cao tại bơm cao

áp, phin lọc và vòi phun; chất lượng phun sương kém tại vòi phun và nhiên liệu bốc

hơi kém dẫn đến cháy không hoàn thiện trong buồng đốt động cơ. Đây là một trong

các nguyên nhân quan trọng hạn chế sử dụng trực tiếp dầu thực vật nguyên gốc làm

nhiên liệu cho động cơ diesel cỡ vừa và nhỏ;

- Tuy nhiên, tương tự như diesel sinh học, dầu thực vật nguyên gốc hoàn toàn là

dạng nhiên liệu tái tạo được và có khả năng giảm thiểu các phát thải độc hại đến môi

trường khi sử dụng. Với tính chất như vậy, dầu thực vật có một ưu thế nổi trội hơn hẳn

so với dầu diesel và diesel sinh học là không có thành phần lưu huỳnh, giá thành rẻ

hơn so với diesel sinh học, gần tương đương với dầu diesel DO, nên dầu thực vật

nguyên gốc đang rất được quan tâm để làm nhiên liệu thay thế nhiên liệu hóa thạch đối

với động cơ diesel thủy hiện nay.

1.3. Tổng quan về nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học cho tàu thủy

Năm 2009, Ủy ban nghiên cứu về Khí nhà kính của IMO đã tổng hợp 7 loại

nhiên liệu có khả năng dùng trong lĩnh vực hàng hải: nhiên liệu dầu khoáng chưng cất,

dầu nặng, LNG, LPG, nhiên liệu sinh học (diesel sinh học và dầu thực vật nguyên

gốc), dầu diesel tổng hợp (FTD) và các loại nhiên liệu có khả năng tái chế khác. Tuy

nhiên, khi xét đến mức độ ảnh hưởng đến môi trường, bao gồm cả phần phát thải khi

sử dụng và phát thải khi sản xuất ra loại nhiên liệu, 2 loại nhiêu liệu được đánh giá cao

hơn cả là LNG và diesel sinh học [42].

1.3.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Mỹ là quốc gia sử dụng diesel sinh học trong lĩnh vực tàu thủy phổ biến nhất và

đã thiết lập nhiều quy định về sử dụng diesel sinh học từ năm 1992 khi áp dụng trên

tàu thủy. Nhiều tổ chức của Mỹ đã triển khai thành công chương trình thử nghiệm áp

dụng các hỗn hợp diesel sinh học với dầu diesel từ B1 đến B100, đặc biệt là về vấn đề

giảm phát thải từ các tàu và bảo vệ môi trường biển như các cuộc thử nghiệm được

thực hiện bởi Hiệp hội Phà biển bang Washington (WSF) và Tập đoàn tàu khách

Caribe Hoàng gia (RCCL) trên cả hệ động lực diesel chính và tua bin khí. Hiệp hội

WSF là tổ chức hàng đầu nghiên cứu ứng dụng diesel sinh học trên hệ thống phà từ

năm 2003 và hiện đang sử dụng chủ yếu B20 trên các phà thuộc Hiệp hội. Bên cạnh

đó, diesel sinh học còn được ứng dụng rộng rãi trên các tàu hải quân của Mỹ cũng như

các tàu bảo vệ bờ biển (USCG) như là một loại nhiên liệu thân thiện với môi trường,

đáp ứng được các yêu cầu khắt khe của các tổ chức, hiệp hội về bảo vệ môi trường tại

quốc gia này [47].

Một cuộc khảo sát về sử dụng diesel sinh học trên 100 thuyền du lịch hoạt động

trong vịnh San Fransico từ năm 1994 – 1997 cho thấy phản ứng tích cực của các chủ

thuyền đối với loại nhiên liệu này. Phần lớn các tàu đều có tuổi thọ trên 20 tuổi và sử

-18-

dụng động cơ diesel của các hãng Mercedes, Yanma, Isuzu, Volvo, ... Khoảng 75%

các tàu sử dụng hỗn hợp diesel sinh học với tỷ lệ trên 25% và gần 1/4 số thuyền sử

dụng B100. Kết quả như được nêu tại bảng 1.12.

Bảng 1.12. Đánh giá sử dụng diesel sinh học [27]

Đánh giá về hiệu quả sử dụng Sự cố phát sinh

Mô tả Kết quả Mô tả Kết quả Khả năng vận hành tin cậy 43% Đường ống dầu và ống cấp 6%

Giảm khói 91% Tắc bộ lọc 4% Giảm muội 56% Tạo cáu cặn trong két 6%

Giảm lượng hạt PM 98% Làm kín két và bộ lọc 2%

Động cơ làm việc ổn định 67% Sự cố khác ngoài động cơ 5%

An toàn 88% Không có sự cố 87%

Tại Đan Mạch, năm 2007 phà biển mang tên “Fanffergen” thuộc công ty

Scandlines đã tiến hành thử nghiệm sử dụng diesel sinh học B100 trên động cơ

Caterpilar 3412, công suất 600W. Kết quả đạt được rất khả quan và không cần phải

điều chỉnh hệ thống trước khi sử dụng. Kết quả này có tác động mạnh mẽ tới các nhà

sản xuất động cơ cũng như chủ tàu nhằm hướng tới sử dụng ngày càng nhiều diesel

sinh học trên tàu thủy [51].

Hãng động cơ Wartsila (Phần Lan) là một trong những hãng sản xuất động

cơ tàu thủy hàng đầu trên thế giới và đã bắt đầu tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế

từ những năm 1980, đặc biệt là những nghiên cứu sử dụng nhiên liệu sinh học trên các

động cơ do hãng sản xuất. Năm 1995, hãng đã thành công trong thử nghiệm dùng dầu

cải làm nhiên liệu cho các động cơ diesel và đến năm 2003 đã lắp đặt ở Cộng hòa liên

bang Đức hệ thống năng lượng đầu tiên chạy bằng dầu thực vật sử dụng vào mục đích

thương mại [56]. Gần đây nhất, hãng STX Phần Lan đã ký hợp đồng thương mại với

Wartsila trang bị 3 động cơ diesel 4 kỳ 6L20 sử dụng nhiên liệu sinh học (Liquid Bio

Fuel) có công suất 1.026 kW, vòng quay 750 v/p làm động cơ chính truyền động điện

cho 2 chân vịt tàu đa năng Aura II trọng tải 4.700 DWT hạ thủy năm 2012 [56].

Công nghệ chủ yếu của hãng Wartsila là thiết kế cải tiến và chế tạo mới hệ

thống cấp nhiên liệu, đặc biệt là bơm cao áp. Theo các thử nghiệm của hãng, hiện

tượng tạo bọt khí trong hệ thống cấp nhiên liệu cao áp dẫn đến sự ăn mòn và phá hủy

bề mặt các chi tiết là vấn đề đặc biệt cần lưu ý khi sử dụng nhiên liệu sinh học. Bọt khí

có thể xuất hiện tại khoang chứa dầu trước khi vào piston bơm cao áp hoặc trước kim

phun, làm cho động cơ hoạt động không được ổn định tại cùng một chế độ tải. Với

những động cơ sử dụng nhiên liệu sinh học, hãng đã thiết kế tối ưu hóa các khoang

nhiên liệu áp suất thấp trong bơm cao áp. Hãng cũng đặc biệt quan tâm đến sự lưu

động của nhiên liệu trên đường hồi bởi sự đông đặc của nhiên liệu sinh học ở nhiệt độ

thấp. Do đó công nghệ duy trì nhiệt độ nhiên liệu trong phạm vi 10-150C cao hơn nhiệt

-19-

độ đông đặc là cực kỳ cần thiết, đặc biệt trên các đường ống dầu rò rỉ, dầu hồi. Bên

cạnh đó, bố trí các đường ống này phải lưu ý đến độ dốc cho phép dầu lưu động dễ

dàng [56].

Nhà sản xuất động cơ MAN B&W (Đức) bắt đầu nghiên cứu sử dụng diesel

sinh học từ sau năm 1994. Dù không tập trung vào các nghiên cứu áp dụng cho tàu

thủy, hãng cũng đã đạt được nhiều kết quả khi thử nghiệm độ tương thích của nhiều

loại nhiên liệu sinh học với động cơ của mình nhằm tìm ra những loại nhiên liệu phù

hợp nhất. Năm 2001, hãng đã thử nghiệm triển khai một hệ thống năng lượng sử dụng

diesel sinh học được trang bị động cơ 750 kW, sau đó tiến hành thử nghiệm với các

động cơ thấp và trung tốc. Năm 2007 đánh dấu mốc phát triển mới trong nỗ lực nghiên

cứu về ứng dụng nhiên liệu sinh học của MAN B&W, khi hãng đưa vào hoạt động ở

Mouscron, Bỉ, một hệ thống phát điện liên hợp trang bị động cơ 4 kì trung tốc, 18 xi

lanh 18V48/60 có công suất lớn nhất của hãng (17,7MW) sử dụng nhiên liệu sinh học

[53]. Sau đó, hãng cũng đã tiến hành cung cấp một số lượng lớn động cơ diesel sử

dụng nhiên liệu sinh học cho các nhà máy điện khác. Hãng cũng khẳng định khả năng

áp dụng nhiên liệu sinh học trên các phà biển, tuy nhiên trở ngại lớn nhất đó là giá

thành nhiên liệu còn khá cao so với nhiên liệu diesel truyền thống. Với những nghiên

cứu và ứng dụng ở trên, kết hợp với những nghiên cứu và đánh giá của các hãng sản

xuất động cơ diesel khác như Caterpillar hay Rolls Royce/Bergen Diesel, có thể kết

luận rằng nhiên liệu sinh học hoàn toàn có thể đáp ứng tốt yêu cầu sử dụng trên tàu.

Hướng nghiên cứu hoán cải hệ thống cấp nhiên liệu để sử dụng diesel sinh

học: Đây là hướng ứng dụng nhiên liệu sinh học được phần lớn các nhà nghiên cứu

trên thế giới quan tâm. Hãng Wartsila đã chỉ ra rằng, việc sử dụng diesel sinh học

không chịu ảnh hưởng của buồng đốt, cơ cấu sinh công, hệ thống khí thải,... Do đó,

cần phải điều chỉnh hoặc thay đổi một số bộ phận trong hệ thống cấp nhiên liệu như

vòi phun, bơm cao áp, ... thì động cơ có thể làm việc được trực tiếp với diesel sinh học.

Hãng Elsbett (Đức) là hãng có kinh nghiệm nhất về áp dụng hệ thống chuyển đổi để

các động cơ đang được khai thác sử dụng đồng thời với nhiên liệu sinh học. Giải pháp

công nghệ của Elsbett đưa ra khá phức tạp, đó là gia nhiệt nhiên liệu sinh học trong

nắp xi lanh, đồng thời thay thế vòi phun bằng loại vòi phun đặc biệt dành riêng cho

nhiên liệu sinh học [14]. Điều này dẫn đến giá thành để hoán cải các hệ thống và động

cơ rất lớn khi muốn chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu sinh học.

Thực tế, tuy diesel sinh học có nhiều đặc điểm vật lý, hóa học khá tương đồng

với diesel truyền thống, nhưng giữa chúng vẫn còn những khác biệt, nên ngoài việc

phải cải tiến các chi tiết chính như đã đề cập, còn phải xét đến các thành phần khác của

hệ thống nhiên liệu như: két dự trữ, két phân li, két trực nhật, két hòa trộn. Các nghiên

cứu chỉ ra rằng, sử dụng diesel sinh học B100 hoàn toàn có thể, tuy nhiên, có nhiều

ảnh hưởng xấu đến các thông số kỹ thuật, kinh tế của động cơ, sự hao mòn các chi tiết

chuyển động, phá hủy các chi tiết làm kín,... và cần phải nghiên cứu tiếp. Đối với cách

-20-

thức hòa trộn diesel sinh học và dầu diesel cho ra các tỷ lệ khác nhau trong phạm vi từ

5% - 20% diesel sinh học trong hỗn hợp, các yếu tố ảnh hưởng nêu trên gần như không

nhiều. Tuy vậy, hỗn hợp giữa diesel sinh học và dầu diesel thường không có tính ổn

định cao nên hay bị phân lớp và chia tách rất nhanh, dẫn đến chất lượng nhiên liệu hòa

trộn không tốt, ảnh hưởng đến quá trình khai thác của động cơ. Một yếu tố hạn chế

quan trọng khác của hướng nghiên cứu này là giá thành diesel sinh học còn rất cao do

các chi phí chiết xuất diesel sinh học từ dầu thực vật nguyên gốc hoặc mỡ động vật

thông qua quá trình este hóa nhằm giảm chất béo có trong thành phần.

Hướng nghiên cứu áp dụng bộ thiết bị chuyển đổi để sử dụng dầu thực vật

nguyên gốc: Một hướng nghiên cứu khác được đề xuất là lắp đặt thêm các thiết bị

chuyển đổi để động cơ diesel có thể làm việc trực tiếp với dầu thực vật nguyên gốc

(SVO) hoặc hỗn hợp giữa chúng với một loại nhiên liệu truyền thống mà không cần

chế biến thành diesel sinh học. Công nghệ này được gọi là SVO (Straight Vegetable

Oil) [28]. Sử dụng SVO chủ yếu dựa trên nguyên tắc hâm nóng kết hợp pha loãng để

dầu thực vật đạt được độ nhớt tương đương dầu diesel, bởi vì dầu SVO ở nhiệt độ bình

thường có độ nhớt rất cao. Việc hâm và làm loãng SVO sẽ giúp cải thiện chất lượng

phun sương và nâng cao hiệu quả quá trình cháy. So với sử dụng diesel sinh học, giải

pháp SVO có những thuận lợi là không cần có nhà máy xử lý với quy mô công nghiệp

như diesel sinh học, không làm tăng giá nhiên liệu. Hơn nữa, do diesel sinh học dễ bị

giảm sút chất lượng khi thời gian bảo quản kéo dài (theo khuyến cáo là dưới một năm

với chế độ bảo quản nghiêm ngặt), nên không phù hợp với điều kiện sử dụng ở trên

tàu; trong khi dầu thực vật dùng cho SVO chỉ cần bảo quản trong điều kiện bình

thường. Có 2 phương án được các nhà khoa học đưa ra khi sử dụng SVO cho động cơ

diesel:

- Sử dụng trực tiếp SVO: hệ thống nhiên liệu của động cơ cần phải được hoán cải

và lắp đặt thêm các thiết bị cấp dầu SVO riêng biệt cũng như bổ sung thêm các

bầu lọc dầu. Ngoài ra, vòi phun nhiên liệu cũng phải được hoán cải để đảm bảo

chất lượng phun sương như khi động cơ làm việc với dầu diesel;

- Hòa trộn dầu thực vật và dầu diesel theo tỷ lệ hòa trộn hợp lý và cấp cho động

cơ. Hệ thống cần bố trí thêm thiết bị hòa trộn, kiểm soát chất lượng hòa trộn và

kiểm soát các thông số nhiên liệu trước khi cấp cho động cơ.

Hiện nay, trên thế giới đã và đang áp dụng cả 2 hướng trên đối với động cơ

diesel lắp trên bờ, cả các động cơ mới sản xuất và động cơ đang khai thác. Đối với

công nghệ hòa trộn, chủ yếu dùng phương thức hòa trộn theo mẻ, theo đợt với các

trạm thiết bị hòa trộn trên bờ ở quy mô công nghiệp. Trong lĩnh vực hàng hải, công

nghệ SVO đã được đưa xuống tàu triển khai cho các máy phát điện, tuy nhiên đối với

các động cơ diesel làm máy chính, lai chân vịt, gần như có rất ít nghiên cứu và thử

nghiệm đã được công bố.

-21-

1.3.2. Các nghiên cứu tại Việt Nam

Từ hơn 10 năm qua, Nhà nước đã có những chính sách phát triển nhiên liệu

sinh học trong nước và định hướng các nhiệm vụ nghiên cứu - đầu tư cả về diesel sinh

học (nguồn mỡ cá, dầu ăn phế thải, trồng và chế biến cây Jatropha…), biofuel (nguyên

liệu sắn, mía đường, rơm, trấu…), và bioethanol (các loại tảo). Tháng 11/2007, Chính

phủ đã phê duyệt đề án “Phát triển nhiên liệu sinh học đến năm 2015, tầm nhìn đến

năm 2025” [9]. Trên cơ sở đó, một số công ty, viện và trường đại học đã tiến hành các

công trình nghiên cứu thử nghiệm đưa nhiên liệu mới vào sử dụng cho động cơ đốt

trong, như nhiên liệu sinh học, nhiên liệu khí hỏa lỏng, khí đốt tự nhiên v.v. Tuy nhiên

các nghiên cứu bước đầu chủ yếu là thử nghiệm cho các động cơ xăng và lượng nhiên

liệu mới cũng chỉ chiếm một lượng nhỏ so với nhiên liệu truyền thống. Việc sản xuất

nhiên liệu sinh học tại Việt Nam cũng chưa nhiều, chủ yếu hướng tới tạo ra loại xăng

sinh học, còn nhiên liệu diesel sinh học vẫn rất hạn chế.

Đối với diesel sinh học, các thử nghiệm chiết xuất nhiên liệu loại này từ cây

dầu mè (Jatropha curcas L.) của TS. Thái Xuân Du - Viện Sinh học nhiệt đới, và TS.

Lê Võ Định Tường - Phân viện Hóa học các Hợp chất thiên nhiên Tp. Hồ Chí Minh...

(bỏ ...) gần đây đều cho kết quả khả quan với tỷ lệ dầu chiết xuất lên đến 32 - 37%.

Vào năm 2007, Công ty Nhiên liệu sinh học Quốc gia đã nghiên cứu chế tạo diesel

sinh học từ các nguyên liệu như hạt bông, mỡ cá, dầu cọ khô,… và chạy thử nghiệm

thành công trên các động cơ diesel của một số phương tiện vận tải đường bộ với việc

sử dụng nhiên liệu hỗn hợp B5 (5% diesel sinh học và 95% dầu diesel truyền thống).

Bên cạnh đó, tại phía Nam cũng đã xây dựng một vài cơ sở sản xuất với qui mô nhỏ

tận dụng mỡ cá (đặc biệt là cá ba sa) để sản xuất nhiên liệu diesel sinh học. Việc sử

dụng diesel sinh học cũng chỉ có rất ít nghiên cứu áp dụng cho các động cơ trên bộ

như đề tài của PGS. TS. Nguyễn Thạch về sử dụng giải pháp đồng thể hóa tạo nhũ

tương “nước - nhiên liệu” đối với dầu dừa để áp dụng trực tiếp cho các động cơ diesel

tĩnh tại; Đề tài thử nghiệm nhiên liệu hỗn hợp B5 từ mỡ cá cho động cơ D243 tại

phòng thí nghiệm Đại học Bách Khoa của PGS. TS Lê Anh Tuấn; Nghiên cứu sử dụng

nhiên liệu hỗn hợp (B10 và B20) cho phương tiện cơ giới quân sự của PGS. TS.

Nguyễn Hoàng Vũ;... Trong lĩnh vực hàng hải, năm 2006, TS. Phùng Minh Lộc đã bắt

đầu đề cập ứng dụng cho các động cơ diesel lắp đặt trên tàu cá thông qua đề tài nghiên

cứu thử nghiệm dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ diesel tàu cá cỡ nhỏ. Hướng

nghiên cứu của đề tài này là gia nhiệt giảm độ nhớt của dầu thực vật xuống tương

đương dầu diesel và dùng trực tiếp cho động cơ. Tuy nhiên, đề tài chưa xét đến các

yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lưu trữ dài ngày trên tàu, đến tuổi thọ, ăn mòn các chi

tiết của động cơ, ảnh hưởng do việc đóng muội tại vòi phun và trên thành vách xi lanh.

Năm 2012, PGS. TSKH. Đặng Văn Uy và các cộng sự đã tiến hành các nghiên cứu thử

nghiệm trên động cơ diesel tàu thủy thông qua thực hiện đề tài Khoa học cấp Bộ

“Nghiên cứu giải pháp công nghệ và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị chuyển đổi

-22-

động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ sang sử dụng hỗn hợp dầu thực vật – dầu

diesel”. Trong đề tài đã khẳng định tính khả thi của việc sử dụng hỗn hợp dầu thực vật

– dầu diesel trên tàu và đề xuất hệ thống thiết bị chuyển đổi cùng các giải pháp công

nghệ đưa loại nhiên liệu này xuống sử dụng trên tàu. Tuy nhiên, đề tài chưa đưa ra

được cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị chuyển đổi dùng cho các động cơ diesel thủy

khác nhau. Sự khác biệt chủ yếu giữa phạm vi ứng dụng nhiên liệu sinh học, bao gồm

cả diesel sinh học và dầu thực vật nguyên gốc vào lĩnh vực tàu thủy đó là tính an toàn

của tàu trong quá trình vận hành, sinh mạng của con người trên biển. Việc sử dụng

nhiên liệu khác nhau dẫn đến tính năng khai thác sẽ khác nhau và những sự cố phát

sinh nếu không được nghiên cứu trước. Chế độ làm việc của các động cơ thủy thay đổi

liên tục theo điều kiện môi trường bên ngoài (sóng, gió, nhiệt độ, độ ẩm,...) và yêu cầu

vận hành, nên đòi hỏi chất lượng nhiên liệu ổn định, hạn chế tối đa những ảnh hưởng

đến đặc tính khai thác. Bên cạnh đó, các yêu cầu về điều kiện lưu giữ, bảo quản nhiên

liệu sinh học trên tàu cũng đóng một vai trò rất quan trọng trong các điều kiện môi

trường khác nhau. Chính vì vậy, các nghiên cứu trong nước về ứng dụng nhiên liệu

sinh học trên tàu chưa được tập trung phát triển.

1.3.3. Nhận xét, đánh giá

Trong những năm gần đây, với yêu cầu bức thiết về nhiệm vụ chiến lược “ Sử

dụng hiệu quả năng lượng đi cùng với bảo vệ môi trường”, hầu hết các nước trên thế

giới, đặc biệt là các nước phát triển đã có những tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu để

sử dụng nhiên liệu sinh học trong lĩnh vực giao thông vận tải. Nhiều giải pháp công

nghệ để đưa nhiên liệu sinh học vào sử dụng cho các động cơ diesel tàu thủy đã được

thử nghiệm và ứng dụng được tổng hợp lại như sau:

- Các hãng sản xuất động cơ đã thiết kế và chế tạo các thế hệ động cơ mới để sử

dụng trực tiếp diesel sinh học hoặc dầu thực vật nguyên gốc. Giải pháp này chủ

yếu để phục vụ mục đích lâu dài trong tương lai, hiện tại giá thành động cơ và

giá thành nhiên liệu còn cao, nên chưa đáp ứng nhu cầu hiện tại;

- Không thay đổi kết cấu của động cơ, chỉ thực hiện gia nhiệt cho diesel sinh học

hoặc SVO đến nhiệt độ, mà tại đó độ nhớt tương đồng với dầu diesel và cấp

trực tiếp cho các động cơ diesel. Phương pháp này đơn giản, dễ áp dụng cho các

động cơ lắp đặt trên bờ, tuy nhiên các chỉ tiêu kỹ thuật, kinh tế của động cơ

không đảm bảo, kèm theo những ảnh hưởng rất lớn tới quá trình ăn mòn, đóng

cặn tại các chi tiết, phá hủy gioăng làm kín, giảm tuổi thọ của động cơ,...

- Hòa trộn diesel sinh học với dầu diesel với tỷ lệ lên tới 50% sử dụng cho các

động cơ lắp trên các tàu du lịch, thời gian hành trình ngắn. Nhiên liệu hỗn hợp

được hòa trộn ở trên bờ và cung cấp đến nơi tiêu thụ như một dạng nhiên liệu

có sẵn, tuy nhiên nhiên liệu hỗn hợp này không có tính bền vững cao, hay bị

phân lớp, đặc biệt trong điều kiện nhiệt độ môi trường thấp. Điều này là một

-23-

trong những trở ngại rất lớn khi muốn sử dụng nhiên liệu sinh học làm nhiên

liệu thay thế cho động cơ diesel lắp đặt trên tàu thủy;

- Sử dụng công nghệ gia nhiệt (sấy và kiểm soát nhiệt độ) cho dầu SVO kết hợp

thiết bị đồng thể hóa thành phần nước trong dầu thực vật chuyền thành dạng

nhũ tương “nước - nhiên liệu” cho động cơ diesel cao tốc và có chế độ tải ổn

định. Hệ thống có thể chuyển đổi qua lại giữa nhiên liệu diesel truyền thống và

dầu thực vật. Hiện nay, công nghệ này vẫn đang trong quá trình thử nghiệm với

các động cơ lắp đặt trong phòng thí nghiệm.

Trong khi đó, ở Việt Nam, những công trình nghiên cứu để sử dụng nhiên liệu sinh

học chưa nhiều và chủ yếu vẫn tập trung ở một số lĩnh vực: sản xuất thử diesel sinh

học từ một số nguồn nhiên liệu sẵn có trong nước; sử dụng diesel sinh học trong một

số phương tiện vận tải đường bộ, còn việc sử dụng nhiên liệu sinh học trên tàu thủy

(một trong những hộ tiêu thụ nhiên liệu rất lớn, xả ra môi trường lượng khí thải với

nồng độ các chất độc hại cao) vẫn còn bỏ ngỏ.

1.4. Cơ sở nghiên cứu của luận án

Nhằm hướng đến một loại nhiên liệu thay thế cho diesel dầu mỏ với chi phí hợp

lý trong điều kiện cơ sở hạ tầng sản xuất diesel sinh học ở Việt Nam còn nhiều hạn

chế, luận án tập trung vào nghiên cứu đối tượng dầu thực vật nguyên gốc, mà ở đây là

dầu cọ. Dầu cọ được chọn để làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thủy sẽ tạo

được những lợi thế sau đây:

- Giá thành dầu cọ rẻ hơn so với giá thành diesel sinh học khoảng từ 10 đến 15%

và tương đương với giá dầu diesel trong vòng 5 năm trở lại đây do sản xuất dầu

cọ không đòi hỏi công nghệ sản xuất phức tạp (hình 1.2);

- Tính chất lý hóa của dầu cọ hoàn toàn đáp ứng được tính chất của nhiên liệu

dành cho động cơ diesel thủy;

- Dầu cọ tương đối phổ biến trên thế giới, đặc biệt ở khu vực Châu Á, Đông Nam

Á như: Malaysia, Indonesia, hơn nữa việc lấy cây cọ làm nguồn nguyên liệu sản

Hình 1.2. So sánh giá dầu cọ và dầu DO trong thời gian từ 2010 - 2015 [38]

-24-

xuất nhiên liệu sẽ không ảnh hưởng đến an ninh lương thực quốc gia và thế

giới.

Về cấu trúc, dầu cọ có cấu tạo gồm các phân tử triglyceride với bộ ba các

nguyên tố: các bon, hydro và ô xy. Trong thành phần của dầu cọ có tới 9 loại a-xít béo,

phân thành 2 nhóm: bão hòa (saturated) và chưa bão hòa (unsaturated). Các a-xít béo

bão hòa thường tồn tại bền vững hơn các a-xít béo chưa bão hòa. Tính chất bão hòa và

chưa bão hòa của các a-xít béo có ảnh hưởng đến các tính chất vật lý của dầu cọ khi sử

dụng nó như nhiên liệu cho động cơ diesel. Trên bảng 1.13 cho thấy các loại a-xít béo

và tỷ lệ trung bình của chúng có trong dầu cọ.

Bảng 1.13. Thành phần a - xít béo trong dầu cọ [12]

STT Công thức Tên Tỷ lệ [%]

A-xít béo bão hòa

1 C12:0 Lauric 0,3

2 C14:0 Myristic 1,1

3 C16:0 Palmistic 43,5

4 C18:0 Stearic 4,3

5 C20:0 Arichidic 0,2

A-xit béo không bão hòa

6 C16:1 Palmitoleic 0,2

7 C18:1 Oleic 39,8

8 C18:2 Linoleic 10,2

9 C18:3 Linolenic 0,3

Trên bảng 1.14 cho thấy các số liệu được phân tích đối với các mẫu dầu diesel

(DO) tiêu chuẩn và các hỗn hợp dầu cọ với dầu diesel tiêu chuẩn. Các mẫu hỗn hợp

giữa dầu diesel và dầu cọ được viết tắt là PO và con số bên cạnh chỉ hàm lượng dầu cọ

có trong hỗn hợp.

Bảng 1.14. Số liệu về các tính chất của nhiên liệu [12]

STT CHỈ TIÊU

PHÂN TÍCH

DẦU THỰC VẬT (DẦU CỌ) DO

PO100 PO5 PO10 PO15 PO20 PO25 PO30

1 Khối lượng

riêng ở 150C,

[kg/m3]

922,5 848,9 853,8 856,8 859,9 863,2 866,8 850

-25-

2 Độ nhớt động

học ở 400C,

[cSt]

40,24 3,0 3,42 4,2 5,31 5,87 6,45 2,6

3 Trị số Xê tan 52,92 49,63 50,13 50,66 50,91 51,25 52,11 42,89

4 Nhiệt độ chớp

cháy cốc kín,

[0C]

135 72 73 74 75 76 77 72

5 Nhiệt độ đông

đặc, [0C]

16 -3 -1 0 1 2 2 -6

6 Hàm lượng tro,

[% khối lượng]

0,0061 0,0057 0,0057 0,0057 0,0058 0,0058 0,0058 0,0054

7 Ăn mòn mảnh

đồng ở 500C

trong 3 giờ

1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A 1A

8 Hàm lượng

nước, [mg/kg]

315 182 189 195 201 208 215 170

9 Trị số axit,

[mgKOH/g]

0,4 0,36 0,37 0,37 0,38 0,38 0,4 0,35

10 Nhiệt trị thấp,

[MJ/kg]

37,11 40,01 39,72 39,63 39,55 39,16 38,69 43,4

Trên cơ sở các số liệu về tính chất lý hóa như nêu tại bảng 1.14, dầu cọ nguyên

chất có một số tính chất tương đối khác so với dầu diesel (DO):

- Trị số Xê tan của dầu cọ nguyên chất cao hơn 23,4% so với DO;

- Khối lượng riêng ở 150C của dầu cọ nguyên chất cao hơn 8,5% so với DO;

- Độ nhớt động học ở 400C của dầu cọ nguyên chất lớn hơn DO là 15,48 lần;

- Điểm chớp cháy của dầu cọ nguyên chất cao hơn DO là 1,87 lần;

- Điểm đông đặc của dầu cọ nguyên chất là 160C còn của DO là -60C;

- Nhiệt trị của dầu cọ nguyên chất thấp hơn nhiên liệu DO là 14,5%;

Tuy dầu cọ nguyên chất có nhiều điểm khác biệt so với dầu diesel, nhưng hỗn hợp

của nó với dầu diesel lại có những tính chất lý hóa khá giống so với dầu diesel. Chính

vì vậy, để thực sự sử dụng được dầu cọ làm nhiên liệu thay thế cho các loại động cơ

diesel (lai chân vịt, lai máy phát điện) lắp đặt trên tàu thủy đáp ứng được yêu cầu

mang tính thương mại, hướng nghiên cứu và kết quả nghiên cứu trong luận án này

phải đáp ứng được các tiêu chí cơ bản sau đây:

-26-

- Khi sử dụng dầu cọ làm nhiên liệu, các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của động cơ

diesel không thay đổi hoặc thay đổi không lớn so với ban đầu;

- Sử dụng cho các động cơ diesel lắp đặt trên các tàu hiện có mà không cần phải

hoán cải lớn, khả năng chuyển đổi sang làm việc với dầu cọ linh hoạt, các trang

thiết bị lắp đặt thêm không chiếm nhiều không gian trong buồng máy, chi phí

đầu tư thấp;

- Đối tượng áp dụng là các động cơ diesel cỡ vừa và nhỏ, công suất dưới

3.000kW.

Bên cạnh đó, cần quan tâm đến giải quyết vấn đề lưu chứa và đảm bảo chất lượng

nhiên liệu cấp vào động cơ, xử lý khi dầu thực vật bị lẫn nước, giải quyết hâm sấy hợp

lý khi con tàu làm việc trong điều kiện thời tiết lạnh và các vấn đề liên quan khác nữa.

Trên cơ các phân tích như trên và để đáp ứng các tiêu chí về kĩ thuật cũng như kinh tế,

luận án đề xuất giải pháp cấp nhiên liệu hòa trộn liên tục (hòa trộn on-line) với thiết bị

trung tâm là hệ thống hòa trộn dầu cọ với dầu diesel truyền thống (DO), sau đó cấp

trực tiếp cho động cơ không thông qua két chứa hỗn hợp như trên hình 1.3. [41].

Hình 1.3. Đề xuất hệ thống cấp nhiên liệu với thiết bị hòa trộn liên tục để sử

dụng nhiên liệu hỗn hợp cho động cơ diesel thủy

1- Bơm cao áp; 2-Phin lọc tinh; 3- Bơm cấp nhiên liệu; 4- Bầu hâm; 5- Lưu lượng

kế; 6- Thiết bị hòa trộn; 7- Phin lọc thô; 8- Máy lọc li tâm; 9- Bơm chuyển nhiên

liệu; 10- Két dầu bẩn;

5

8 9 4

10 11 12

1

2

3 4 6

7

7 DO BIO

2

DO 10

-27-

Thiết bị quan trong nhất của hệ thống nhiên liệu cải tiến là thiết bị hòa trộn. Đây là

thiết bị được nghiên cứu phát triển dựa trên các thiết bị khuấy trộn theo mẻ dùng trong

công nghiệp phối trộn xăng sinh học [15] hoặc nhiên liệu hỗn hợp diesel sinh học –

dầu diesel (DO) với các tỷ lệ khác nhau [16]. Việc tính toán, thiết kế và chế tạo sẽ

được thực hiện ở các chương sau của luận án.

Mô hình hệ thống cấp nhiên liệu mới nhằm sử dụng dầu thực vật làm nhiên liệu

thay thế cho động cơ diesel thủy có những đặc điểm và đáp ứng các yêu cầu kinh tế và

kĩ thuật như sau:

- Về cơ bản, hệ thống nhiên liệu cũ vẫn được giữ nguyên và chỉ cần bổ sung

thêm két chứa dầu thực vật và thiết bị hòa trộn liên tục;

- Không cần thiết phải thay đổi những thành phần cơ bản của hệ thống nhiên liệu

cũ như: bơm cao áp, vòi phun, trục cam...;

- Chi phí đầu tư thêm sẽ không lớn và đảm bảo tính kinh tế cho các chủ tàu;

- Thiết bị hòa trộn liên tục (on-line) được lựa chọn sẽ giải quyết cơ bản vấn đề

nhiên liệu hỗn hợp thường bị phân lớp khi cất trữ trong két;

- Đảm bảo được các đặc tính kĩ thuật và an toàn theo qui định của Hiệp hội Đăng

kiểm và Công ước SOLAS 74 của Tổ chức Hàng hải Quốc tế.

1.5. Kết luận chương

Yêu cầu về sử dụng nhiên liệu tiết kiệm và hiệu quả gắn với bảo vệ môi trường

ngày càng cấp thiết đối với tất cả các quốc gia, trong đó có Việt Nam. Việc khuyến

khích sử dụng nhiên liệu tái tạo nói chung và cho lĩnh vực vận tải thủy nói riêng nhằm

đạt được mục tiêu về bảo vệ môi trường đã được cụ thể hóa bằng các văn bản pháp

luật mang tính quốc tế thông qua các Công ước MARPOL 73/78 và SOLAS 74 và các

văn bản pháp qui trong nước. Tổ chức IMO cũng khuyến cáo, trong tương lai nên sử

dụng nhiên liệu tái tạo làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel tàu thủy và tập trung

vào nhiên liệu khí (LNG) và nhiên liệu sinh học. Tuy nhiên, trong tương lai gần, việc

đưa nhiên liệu khí xuống tàu còn nhiều trở ngại lớn do phải cải tiến một cách đáng kể

đối với hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ diesel và bản thân động cơ mới có thể sử

dụng nhiên liệu khí LNG thay thế được nhiên liệu truyền thống; hơn nữa, vấn đề an

toàn cũng phải đặt lên hàng đầu khi khả năng cháy nổ của khí LNG là cao hơn rất

nhiều so với nhiên liệu truyền thống. Đối với nhiên liệu sinh học, việc đưa xuống tàu

thủy làm nhiên liệu thay thế có nhiều thuận lợi hơn so với nhiên liệu khí LNG. Một số

hãng chế tạo động cơ diesel thủy nổi tiếng như: Wartsila, MAN B&W cùng một số

hãng chế tạo động cơ khác đã nghiên cứu sử dụng diesel sinh học cho động cơ diesel

thủy và đạt được những thành công nhất định, nhưng giá thành hiện nay còn cao và

không thể cạnh tranh được với nhiên liệu truyền thống. Bên cạnh đó, sản xuất diesel

-28-

sinh học tương đối phức tạp và phải sử dụng nhiều chất xúc tác KOH hoặc NaOH, đi

cùng với tiêu thụ năng lượng không nhỏ trong quá trình sản xuất.

Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng trực tiếp dầu thực vật hoặc hỗn hợp dầu thực vật

với dầu diesel truyền thống theo một tỷ lệ thích hợp là giải pháp mang tính khả thi. Để

thực hiện được mục đích này, nhiệm vụ quan trọng là phải tạo ra được công nghệ hợp

lý và đây cũng chính là nội dung mà luận án phải giải quyết.

-29-

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HÒA TRỘN VÀ ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG

CỦA NHIÊN LIỆU TỚI QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CỦA ĐỘNG CƠ

Để tạo ra được thiết bị chuyển đổi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp thông qua hệ

thống hòa trộn dầu cọ với dầu diesel theo yêu cầu, ở đây sẽ sử dụng lý thuyết về trộn

các chất lỏng, trên cơ sở đó sẽ hình thành nên phương pháp riêng biệt để tính toán thiết

kế và chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục ứng dụng cho tàu thủy và công cụ mô phỏng số,

mô phỏng đồng dạng để thực hiện dự đoán thời gian trộn, đánh giá chất lượng trộn,

qua đó hỗ trợ quá trình thiết kế thiết bị hòa trộn nhiên liệu đạt hiệu quả cao hơn. Trong

chương này, cũng sẽ nêu cơ sở lý thuyết về đánh giá sự ảnh hưởng của loại nhiên liệu

đến áp suất phun, lưu lượng phun nhiên liệu vào động cơ, thời gian cháy trễ và quá

trình cháy trong buồng đốt để kiểm chứng khả năng phù hợp của thiết bị hòa trộn liên

tục và nhiên liệu hỗn hợp với hệ thống cấp nhiên liệu của động cơ.

2.1. Tổng quan về hòa trộn chất lỏng

Hòa trộn các chất lỏng được hiểu như hiện tượng biến đổi một hệ thống không

đồng nhất thành hệ thống đồng nhất. Hợp chất của chất lỏng được coi là đồng nhất hay

đồng thể hóa khi cấu trúc hợp nhất của một phần thể tích bất kì của một khối chất lỏng

lớn không khác biệt so với cấu trúc hợp nhất trung bình của cả khối chất lỏng này.

2.1.1. Một số nguyên lý hòa trộn tiêu biểu

Trên thực tế, dựa vào cơ chế hòa trộn chất lỏng với chất lỏng mà tạo ra được

các thiết bị hòa trộn chất lỏng khác nhau. Công nghệ tạo ra ứng suất cắt, lật ngược,

phân tán chất lỏng chứa trong két chính là công nghệ trộn chất lỏng với nhau để tạo ra

loại chất lỏng hỗn hợp có sự phân bố rất đều giữa các hạt của các loại chất lỏng được

hòa trộn. Theo đó, 3 cơ chế tạo ứng suất cơ bản đối với chất lỏng như được nêu trong

hình 2.1 [25]:

Với các cơ chế nêu trên, cơ chế hữu hiệu nhất là tạo ứng suất kéo giãn. Đây cũng

chính là nguyên lý mà người ta chế tạo vòi phun của thiết bị đồng thể hóa chất lỏng

Kéo giãn

Va đập

Cắt

Hình 2.1. Cơ chế tạo ứng suất để hòa trộn chất lỏng [25]

-30-

nhằm tạo ra hỗn hợp có sự khuyếch tán cao được ứng dụng trong công nghiệp. Trên

thực tế có rất nhiều loại thiết bị hòa trộn chất lỏng, tuy nhiên có thể phân loại như sau

[25]:

- Loại cánh là loại thiết bị hòa trộn đơn giản nhất, bao gồm cánh khuấy với hình

dạng khác nhau gắn vào một trục và được quay bởi động cơ. Loại này rất phổ

biến và chiếm tới 55% thị phần thiết bị hòa trộn;

- Thiết bị hòa trộn, nghiền được thiết kế cho các mục đích đặc biệt làm việc theo

từng mẻ. Thiết bị dạng này có nhiều nhược điểm như: vấn đề làm sạch, hiệu

quả và hiệu suất trộn;

- Thiết bị hòa trộn tĩnh áp dụng cho mục đích làm việc liên tục. Cấu tạo của thiết

bị bao gồm những vật cản không chuyển động đặt bên trong đường ống. Các

vật cản này phải thiết kế sao cho có hình thù để tạo nên tác động cắt và lật, hoặc

chảy rối để hòa trộn các loại chất lỏng với nhau.

2.1.2. Một số thiết bị hòa trộn điển hình

2.1.2.1. Thiết bị hòa trộn tĩnh dạng chữ S thẳng

Thiết bị có cấu tạo bằng cách nối các phần tử là những lá kim loại được vặn xoắn

1800. Các phần tử này được nối với nhau theo nguyên tắc: đầu mút phía phải của phần

tử này nối với đầu mút phía trái của phần tử kia. Số lượng các phần tử được quyết định

bởi nhu cầu thực tế phục vụ mục đích hòa trộn. Cấu trúc của các phần tử và thiết bị

hòa trộn tĩnh kiểu chữ S thẳng được biểu thị trên hình 2.2.

Thiết bị hòa trộn tĩnh được phát triển từ những năm 60 của thế kỉ trước. Thiết bị

này có cấu tạo gồm hàng loạt các chi tiết đặt cố định bên trong ống. Các chi tiết gây

nghẽn có hình dạng xoắn và được sắp xếp bên trong ống sao cho có thể tạo nên hiệu

ứng cắt, tạo sự chảy rối nhằm hòa trộn các dòng chất lỏng chảy qua ống. Mặc dù việc

làm sạch đối với các chi tiết bên trong ống phức tạp, nhưng thiết bị hòa trộn tĩnh vẫn là

Hình 2.2. Thiết bị hòa trộn kiểu chữ S-thẳng

a - Ống bao; b - Các phần tử cắt dạng xoắn

a

b

-31-

Hình 2.3. Các thiết kế khác nhau của bộ hòa trộn tĩnh kiểu Kenics [50]

A. Loại tiêu chuẩn kiểu RL xoắn 180o; B. Loại xoắn 1800 kiểu RR; C. Loại xoắn 1200 kiểu RL

sự lựa chọn tốt để làm thiết bị hòa trộn ứng dụng trong công nghiệp vì giá thành rẻ và

dễ vận hành.

Một trong những dạng thiết bị hòa trộn tĩnh là thiết bị hòa trộn tĩnh kiểu Kenics.

Thiết bị hòa trộn tĩnh Kenics được hình thành trên cơ sở ý tưởng tạo hiệu ứng cắt liên

tục, định hướng lặp và gây nên sự chèn ép đối với chất lỏng nhằm tạo ra nhiều đường

cắt dọc với kích thước khác nhau. Thiết bị hòa trộn tĩnh kiểu Kenics là thiết bị hòa trộn

liên tục tiêu biểu có cấu tạo bao gồm một ống hình trụ bên trong có các thiết bị hòa

trộn được đặt cố định. Các chi tiết cắt được hình thành bằng cách xoắn tấm kim loại

với một góc 1200 hoặc 1800, mỗi phần tử này sẽ phân chia ống hình trụ thành hai

đường dẫn có hướng đi chéo nhau ½ vòng. Các phần tử cắt này được lắp ráp nối tiếp

nhau bên trong ống và phần tử kế tiếp được đặt vuông góc với phần tử trước đó. Chất

lỏng chuyển động trong ống dưới áp suất nhất định với trị số Reynold trung bình

(khoảng 100). Trên hình 2.3 cho thấy cấu tạo của thiết bị hòa trộn tĩnh kiểu Kenics với

hai kiểu bố trí các phần tử khác nhau.

2.1.2.2. Thiết bị hòa trộn kiểu khuấy

Thiết bị hòa trộn chất lỏng kiểu khuấy được sử dụng khá rộng rãi trên thực tế.

Cấu tạo của thiết bị bao gồm một cánh khuấy được lắp vào một trục có gắn mô-tơ

quay. Cánh khuấy được đặt vào phía trong của két, khi các chất lỏng được đổ vào

trong két, mô-tơ quay cánh khuấy làm cho các chất lỏng trộn đồng đều với nhau. Cấu

trúc của thiết bị hòa trộn kiểu khuấy được thể hiện như trên hình 2.4.

Việc dẫn động cơ cấu khuấy trộn có thể được thực hiện bằng các phương thức

khác nhau: hệ dẫn động cơ khí, bằng khí nén, bằng tiết lưu hay tuần hoàn chất lỏng,

nhằm các mục đích sau:

-32-

- Tạo ra một dung dịch đồng nhất khi hòa trộn một chẩt lỏng dễ hoà tan trong

một chất lỏng khác hoặc tạo ra nhũ tương khi hỗn hợp một chẩt lỏng không hoà

tan trong một chẩt lỏng khác;

- Làm tăng nhanh phản ứng hóa học giữa hai pha lỏng, hoặc pha lỏng với pha khí

thực chất là tăng bề mặt tiếp xúc pha hoặc tăng nhanh quá trình hòa trộn đối với

vật thể rắn không hòa tan;

- Tăng cường quá trình trao đổi nhiệt từ thành vào sản phẩm hoặc ngược lại.

Thiết bị khuấy trộn về cơ bản gồm cánh khuấy và động cơ điện lai. Trên thực tế

có 4 loại cánh khuấy thường dùng như sau:

- Cánh khuấy kiểu mái chèo: Để khuấy trộn chất lỏng có độ nhớt nhỏ và thường

có hai hoặc bốn cánh, loại cánh khuấy này tạo dòng chảy bán hướng tâm;

- Cánh khuấy kiểu chân vịt: Dùng để điều chế dung dịch huyền phù, nhữ tương.

Tuy nhiên kiểu cánh khuấy này không thể dùng khuấy chất lỏng có độ nhớt cao

hoặc khuấy chẩt lỏng trong đó có các hạt rắn với khối lượng riêng lớn;

- Cánh khuấy kiểu tua bin: Dùng để khuấy chất lỏng có độ nhớt cao để tạo chất

huyền phù mịn, hoà tan các chất rắn nhanh hoặc để khuấy động các hạt rắn đã

lắng cặn có nồng độ pha rắn đến 60%. Cánh khuấy dạng này thường được thiết

kế với 6 cánh lắp vào đầu trục khuấy của thiết bị và tạo dòng chảy hướng tâm.

- Cánh khuấy kiểu đặc biệt: dùng trong trường hợp không thể dùng được cánh

khuấy mái chèo, chân vịt, tua bin, như khuấy bùn nhão hoặc chất lỏng có độ

nhớt rất cao.

Khi cơ cấu khuấy trong thiết bị chuyển động sẽ làm cho chất lỏng chuyển động

theo. Sự chuyển động của chất lỏng trong thiết bị thường theo 3 dòng chảy sau (hình

2.5):

Hình 2.4. Thiết bị hòa trộn chất lỏng kiểu cánh khuấy

Mức chất lỏng

Khoảng cách từ đáy tới cánh quay

Cánh khuấy

-33-

- Dòng chảy tiếp tuyến: chất lỏng được chảy thành vòng tròn đồng tâm với trục

quay do các cơ cấu khuấy kiểu mái chèo, khung hoặc mỏ neo tạo nên;

- Dòng chảy hướng kính: chất lỏng được chảy thành vòng tròn đồng tâm với trục

quay hướng từ tâm ra thành của thiết bị, thường do cơ cấu khuấy kiểu tuabin tạo

ra;

- Dòng chảy hướng trục: chất lỏng được chảy thành dòng hướng song song với

trục quay do cơ cấu khuấy chân vịt, mái chèo cánh nghiêng sinh ra.

Trong quá trình khuấy thường xuất hiện nhiều lỗ xoáy lớn trên bề mặt và tạo

bọt trong khi khuấy. Lõm xoáy parabol hình thành và tồn tại sẽ làm giảm lực khuấy

trộn và làm xuất hiện khả năng phân ly (tác dụng lực ly tâm). Để tránh khả năng tạo

những lõm xoáy parabol trong thiết bị hòa trộn, người ta thường đặt lệch tâm cánh

khuấy với tâm của két trộn, đặt nghiêng hoặc nằm ngang. Ngoài ra, cũng có thể ghép

các thanh cản trong két trộn để làm tăng hiệu suất trộn và ngăn ngừa sự hình thành các

lõm xoáy.

Để thực hiện trộn chất lỏng có hiệu quả và dễ dàng trong khai thác sử dụng, thì

phương pháp trộn kiểu khuấy sẽ đảm bảo trộn chất lỏng hiệu quả, có giá thành chế tạo

thấp và khai thác vận hành dễ dàng. Vì vậy, các phần tiếp theo của luận án sẽ tập trung

vào nghiên cứu và chế tạo thiết bị hòa trộn dầu cọ và dầu DO theo phương pháp khuấy

trộn liên tục.

2.2. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị hòa trộn bằng phương pháp khuấy

2.2.1. Tính vận tốc tiếp tuyến của chất lỏng trong thiết bị hòa trộn

Về thực chất, cánh khuấy của thiết bị hòa trộn hoạt động giống như một loại

bơm đặc biệt không có thân bơm hoặc dòng công chất đi vào và đi ra. Khi cánh khuấy

quay, chất lỏng bị lực đẩy ra ngoài bắt đầu từ đầu mút của cánh khuấy. Lực chuyển

động này là một véc tơ mà có thể được biểu thị bằng thành phần hướng tâm và thành

phần tiếp tuyến. Giả sử k là hệ số tỷ lệ giữa vận tốc tiếp tuyến của chất lỏng rời khỏi

cánh khuấy Vu2 và vận tốc dài của cánh khuấy u2, thì:

a/ b/ c/

Hình 2.5. Mô hình dòng chảy của chất lỏng trong thiết bị khuấy [24]

a/ Dòng chảy tiếp tuyến; b/ Dòng chảy hướng kính; c/ Dòng chảy hướng trục

-34-

ckcku ndkukV .... 22 , [m/s] (2.1)

Trong đó: dck- Đường kính của cánh

khuấy [m]; nck- Tốc độ quay của cánh

khuấy [v/p].

Trong nhiều trường hợp, mối

quan hệ giữa hệ số k và góc 2 được

biểu thị bằng công thức:

5,0

2 1/2tan kk (2.2)

Từ hình 2.6 có thể xác định

được lưu lượng thể tích thông qua

không gian quét hướng tâm của cánh

khuấy và được biểu thị bằng công

thức:

pr AVq .2 , [m3/s] (2.3)

Trong đó: 2rV - vận tốc thành phần hướng tâm của chất lỏng chuyển động rời

khỏi đầu của cánh khuấy [m/s]; pA diện tích của xi lanh quét được tạo bởi đầu

cánh khuấy [m2];.

Theo định nghĩa:

ckckp wdA ..

, [m2]

(2.4)

Trong đó: wck - chiều rộng của cánh khuấy [m].

Trên cơ sở sơ đồ tổng hợp véc tơ vận tốc (hình 2.6), giá trị của vận tốc thành

phần hướng tâm có thể được xác định:

2222 ).( tgVuV ur , [m/s] (2.5)

Thay phương trình (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) vào phương trình (2.5) và sắp xếp lại

sẽ nhận được:

222 .1.... tgkwndq ckckck , [m3] (2.6)

Đối với cánh khuấy tương tự, wck tỷ lệ với dck. Nếu xác định được k và 2 , lưu

lượng chất lỏng có thể được biểu thị:

3.. ckckQ dnNq , [m3] (2.7)

Trong đó, NQ được gọi là hệ số lưu lượng và được xác định như sau:

2V 2rV

2 2uV

2u

Hình 2.6. Sơ đồ véc tơ vận tốc ở đầu mút

của cánh khuấy

-35-

5,0QN ; đối với cánh khuấy dạng chân vịt tàu thủy;

ckktQ dDN /.93,0 ; đối với cánh khuấy dạng tua bin 6 cánh.

Trong đó: Dkt - đường kính của két trộn hình trụ [m].

2.2.2. Tính toán công suất dẫn động cánh khuấy

Để làm cho cánh khuấy có thể chuyển động được, trước hết cần công suất để

cân bằng với công suất cản của ma sát đối với cánh khuấy. Trên cơ sở phương trình

Bernoulli về cân bằng năng lượng, mối quan hệ này có thể được biểu thị:

22... uCT VrmP (2.8)

Trong đó: CTP - công suất cần thiết [kW]; m - lưu lượng khối lượng [kg/s]; ω -

vận tốc góc [rad/s]; 2r - bán kính của cánh khuấy [m].

Đối với công thức (2.8), vế phải của nó có thể được biểu thị dưới dạng khác sau

khi thay ω=π.nck/30 và 2r =dck/2 như sau:

2.... uckckCT VndmP , [kW] (2.9)

Thay phương trình (2.1) và qm cl. vào phương trình (2.9) sẽ có:

222 ..... ckckclCT ndkqP , [kW] (2.10)

Trong đó: cl - khối lượng riêng của chất lỏng [kg/m3].

Thực hiện các phép biến đổi tiếp theo bằng cách thay phương trình (2.5) vào

phương trình (2.10) và chuyển sang dạng phương trình không thứ nguyên, sẽ được:

2

453 .1./.../ tgkdwdnP ckckclckckCT (2.11)

Thành phần bên trái của phương trình (2.11) được gọi là hệ số công suất Np:

clckckCTP dnPN ../ 53 (2.12)

clckckpCT dnNP ... 53

(2.13)

Từ phương trình (2.11) cho thấy hệ số công suất Np phụ thuộc vào tỷ số giữa bề

rộng wck và đường kính của cánh khuấy (wck/dck), cũng như hệ số k và 2 . Các giá trị

của k và 2 thay đổi theo rất nhiều các thông số khác của hệ thống và không thể tính

toán được trên cơ sở lý thuyết mà chỉ có thể xác định được trên cơ sở thực nghiệm.

Cũng có thể thấy rằng hệ số công suất, hệ số lưu lượng và hệ số k có mối quan

hệ với nhau bằng cách lấy phương trình (2.11) chia cho thành phần 35 .. ckckcl nd và ứng

dụng thêm các biểu thức (2.7), (2.12) sẽ nhận được:

-36-

Qp NNk /.2

(2.14)

Công suất cần thiết cho bộ trộn cũng được xác định một cách khác thông qua

phương trình chuẩn số đồng dạng, biểu thị mối quan hệ giữa các chuẩn số đồng dạng

Euler, Froude và Reynold đối với bộ trộn như sau [10]:

nrc

mecrcecuc FRCFRfE ..),( (2.15)

Trong đó:

.. 53clckck

CTuc

dn

PE

cl

clckckec

ndR

..2

g

ndF ckck

ec

2.

(2.16)

Với: cl - độ nhớt động lực học của chất lỏng ở nhiệt độ trung bình của mẻ trộn

[N.s/ 2m ]; các hệ số C, m, n được xác định từ thực nghiệm.

Do cánh khuấy trong bộ trộn thường nằm ở độ sâu nhất định, nên ảnh hưởng

của lực trọng trường không đáng kể, có thể bỏ qua chuẩn số Froude, khi đó phương

trình 2.15 được biến đổi và viết lại thành:

m

cl

clckck

clckck

CT dnC

nd

P

12

23

..

..

(2.17)

Phương trình 2.17 được thể hiện

dưới dạng lưới logarit với các đường thẳng

song song như trên hình 2.7. Mỗi đường

tương ứng với một dạng bộ phận khuấy

khác nhau. Số mũ 1-m đặc trưng cho độ

dốc của đường thẳng, xác định từ thực

nghiệm là không đổi và bằng 0,78. Giá trị

Ck có thể chọn theo bảng 2.1.

Từ đó, công thức tính công suất cần

thiết của bộ trộn có thể được xác định:

78,022,078,256,43 .....10 clclckckkCT ndCP ,[kW]

(2.18)

Công suất khởi động của bộ trộn:

Pkđ = (2,5÷4)PCT , [kW] (2.19)

clckck

P

nd

N

23 .

4

2

4 10...

10. cl

clcke

dnR

Hình 2.7. Đồ thị mối quan hệ giữa

công suất trộn và Re [10]

-37-

Bảng 2.1. Hệ số thực nghiệm Ck phụ thuộc vào dạng bộ phận khuấy [10]

Dạng bộ phận khuấy Ck

Hai cánh 8,30

Hai cánh với góc nghiêng 450 5,15

Bốn cánh 10,10

Bốn cánh với góc nghiêng 450 6,22

Kiểu chân vịt, góc nghiêng 2205 1,66

Bốn cánh với góc nghiêng 2205 5,55

2.2.3. Thời gian hòa trộn

Thời gian hòa trộn được hiểu là khoảng thời gian cần thiết để đạt được mức độ

nhất định về sự đồng nhất của chất lỏng kể từ trạng thái hoàn toàn phân lập ban đầu.

Thời gian trộn phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố khác nhau như: độ nhớt, tỷ trọng, vận

tốc quay của cánh khuấy, đường kính của cánh khuấy, đường kính của két trộn, chiều

cao cột chất lỏng trong két và vị trí đặt cánh khuấy (chính tâm hay lệch tâm). Có thể

biểu diễn mối quan hệ giữa thời gian trộn tm và các thông số theo phương trình sau:

gHDdnft ktktckclckm ,,,,,,, (2.20)

Để xác định được thời gian hòa trộn, người ta có thể sử dụng các phương pháp

khác nhau, nhưng cuối cùng vẫn phải dựa vào các kết quả thực nghiệm để tìm ra các

hệ số quan trọng. Một trong các phương pháp thực nghiệm là bơm một lượng nhất

định “chất đánh dấu” vào két trộn và xác định nồng độ của chất đánh dấu này ở một vị

trí cố định trong két trộn. Chất đánh dấu thường được sử dụng là: a-xít, ba-zơ hoặc

một loại muối nhất định. Một lượng nhỏ chất đánh dấu được bơm vào két trộn. Khi

dòng chất lỏng trong két bắt đầu chuyển động tuần hoàn, chất đánh dấu cũng sẽ lưu

chuyển theo dòng chảy trong két trộn. Sử dụng các thiết bị đo độ pH và các bộ cảm

biến nồng độ chuyên dụng tiến hành đo đạc nồng độ Ci của chất đánh dấu tại điểm đã

định sẵn trong két. Nồng độ chất lỏng trong két là Cf, sự sai khác về nồng độ là (Cf -

Ci). Như vậy, lúc đầu, mức độ tập trung của chất đánh dấu khá cao hay (Cf -Ci) cao và

(Cf -Ci) giảm dần sau mỗi vòng chuyển động của chất lỏng trong két trộn. Tiến hành

ghi lại thông số nồng độ chất đánh dấu tại các điểm đo. Sau một vài vòng chuyển

động, (Cf -Ci) giảm dần và mức độ đồng nhất có thể khẳng định được khi (Cf -Ci) sai

khác với Cf dưới 10% (xem hình 2.8).

Như vậy, thời gian trộn tm phụ thuộc vào mức độ đồng nhất cần thiết của hỗn

hợp chất lỏng. Ở tại thời gian tm, nồng độ của chất đánh dấu sẽ ỗn định một cách tương

đối và hỗn hợp chất lỏng đạt được sự đồng nhất cần thiết. Đối với chất lỏng thông

thường (một pha), chất lỏng được trộn với nhau bằng cánh khuấy nhỏ và két trộn có

-38-

trang bị một số vách cản, thì mối quan hệ giữa thời gian trộn và thời gian tuần hoàn có

thể được xác định như sau [24]:

cm tt 4 , [s] (2.21)

Trên thực tế, thường không xác định trực tiếp thời gian trộn mà xác định bội số

tuần hoàn của chất lỏng trong két trộn và được biểu thị bằng công thức:

60

. mck tn

, [vòng] (2.22)

Ở đây, τ cũng có thể hiểu đó là thông số biểu thị số vòng quay của cánh khuấy

để hỗn hợp chất lỏng có thể đạt được sự đồng nhất cần thiết. Thông thường, τ được

biểu thị là hàm đối với trị số Re trên hệ trục logarit như hình 2.9 [26].

Hình 2.8. Sự sai khác nồng độ (Cf -Ci) trong két hòa trộn [24]

C

Cf

Ci

ct

if CC 1,0

mt

t

Sự

sai

khá

c nồ

ng đ

ộ (C

f -C

i)

Thời gian

210 2 4 6 8 310 2 4 6 8 410

τ=n.tm

Re

210

2

4 6 8

310

2

4

6 8

2

4

Hình 2.9. Thời gian trộn phụ thuộc vào hệ số Reynold [26]

-39-

Đối với cánh khuấy loại tua bin hoặc loại mái chèo, τ có mối quan hệ với các

thông số hình dạng của két như sau [24]:

3

.54,1.

ck

ktmck

d

Vtn

, [vòng]

(2.23)

Trong đó: Vkt – Thể tích két hòa trộn [m3]; dck – Đường kính cánh khuấy [m].

2.3. Xây dựng cơ sở lý thuyết thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục

2.3.1. Những căn cứ thiết kế

Xây dựng tiêu chí kỹ thuật đối với thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu DO

được dựa vào những cơ sở sau đây:

- Bộ luật SOLAS 74 qui định về những yêu cầu đối với hệ thống nhiên liệu cho

động cơ diesel tàu thủy và các yêu cầu về an toàn;

- Các tiêu chuẩn kĩ thuật đối với thiết bị hòa trộn chất lỏng để đạt được chất

lượng hỗn hợp chất lỏng sau khi trộn. Các tiêu chuẩn kỹ thuật ở đây có liên

quan đến thời gian trộn, kích thước cánh trộn và két trộn, chế độ làm việc của

quá trình trộn;

- Mô hình dòng chảy của chất lỏng trong két trộn khi áp dụng các loại cánh

khuấy khác nhau.

Thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu DO được xây dựng trên cơ sở kết hợp

hai loại thiết bị hòa trộn với nhau, đó là thiết bị hòa trộn kiểu cánh khuấy và thiết bị

hòa trộn tĩnh đặt nối tiếp nhau với mục đích tạo nên hỗn hợp nhiên liệu có chất lượng

đồng nhất cao. Thiết bị hòa trộn liên tục đảm bảo cung cấp liên tục cho động cơ và sự

cân bằng giữa lượng nhiên liệu cấp vào thiết bị hòa trộn với lượng tiêu thụ nhiên liệu

của động cơ. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị hòa trộn liên tục như trên hình 2.10.

Về nguyên lý làm việc, thiết bị hòa trộn liên tục không khác gì so với thiết bị

hòa trộn theo mẻ, nhưng giữa hai loại có sự khác nhau cơ bản:

- Ở thiết bị hòa trộn liên tục các chất lỏng liên tục được cấp vào két trộn và hỗn

hợp nhiên liệu sau trộn cũng liên tục được thoát ra khỏi két để cấp vào động cơ;

còn ở thiết bị hòa trộn theo mẻ, lượng chất lỏng trong két trộn luôn giữ ổn định;

- Ở thiết bị hòa trộn liên tục, sự đồng nhất của hỗn hợp nhiên liệu sau khi trộn có

thể bị ảnh hưởng bởi có thêm các chất lỏng mới bổ sung vào két trộn; còn ở

thiết bị hòa trộn theo mẻ, chất lượng trộn không bị ảnh hưởng.

Quá trình trộn theo mẻ không đáp ứng được chất lượng trộn đối với nhiên liệu

hỗn hợp giữa dầu cọ và dầu diesel do chúng dễ dàng bị lắng đọng khi cất trữ và

chuyên chở trong thời gian hành trình dài của tàu. Với hệ thống hòa trộn liên tục, thời

gian dự trữ và lượng nhiên liệu dự trữ cũng như lượng nhiên liệu thừa trên hệ thống

-40-

thiết bị, đường ống, hệ thống sẽ rất ít, giảm thiểu những hạn chế do dầu cọ gây ra, nên

sẽ đáp ứng được yêu cầu về chất lượng nhiên liệu trước khi cấp vào động cơ.

Với những khác biệt giữa hai phương pháp như vậy, chất lượng trộn của thiết

trộn liên tục sẽ phụ thuộc vào các yếu tố sau: thời gian trộn; thể tích két trộn; mô hình

dòng chảy của thiết bị hòa trộn hay kiểu cánh khuấy (tua bin, mái chèo, chân vịt…);

tốc độ cánh khuấy; độ nhớt (nhiệt độ trộn) và tỷ trọng của chất lỏng. Từ đó có thể xây

dựng được mối quan hệ như sau:

clckclm nCKVtfCL ,,,,

(2.25)

Trong đó: tm - Thời gian trộn, Vcl - thể tích chất lỏng trộn, CK - loại cánh khuấy,

nck - tốc độ cánh khuấy, μcl - độ nhớt động học và CL - chất lượng trộn.

Sự ảnh hưởng của các yếu tố đến chất lượng trộn các chất lỏng với nhau đã

được phân tích ở phần trên dành cho bộ trộn theo mẻ, còn đối với thiết bị hòa trộn liên

tục thì sự ảnh hưởng của các yếu tố này có những điểm khác biệt. Đối với thiết bị hòa

trộn liên tục, chất lỏng bổ sung liên tục từ đỉnh của két trộn sẽ làm phá vỡ cục bộ sự

đồng nhất của hỗn hợp trộn vậy đòi hỏi thời gian trộn kèo dài hơn so với trộn theo mẻ.

Nhiệt độ trộn được chọn trên cơ sở độ nhớt ban đầu của chất lỏng và cùng với tốc độ

trộn, đường kính của cánh khuấy sẽ hình thành nên mô hình chuyển động của chất

lỏng theo chảy tầng hay chảy rối. Việc chọn quá trình trộn theo chảy tầng hay chảy rối

phụ thuộc vào mục đích của quá trình trộn, loại chất lỏng cần trộn.

2.3.2. Xây dựng phương pháp tính kích thước của thiết bị hòa trộn liên tục

Đối với thiết bị hòa trộn chất lỏng là dầu cọ với dầu DO dùng cho động cơ

diesel thủy, yêu cầu về thể tích của két trộn chưa có qui định cụ thể nào. Tuy nhiên,

đối với các tàu sử dụng nhiên liệu là dầu nặng (FO) và dầu diesel (DO), trên tàu cũng

1

2

3 4

5 6

Từ két chứa dầu sinh học Từ két chứa dầu DO

Dầu đã hòa trộn đến động cơ

1- Thiết bị hòa trộn kiểu khuấy;

2- Thiết bị hâm dầu; 3- Bơm dầu; 4- Lưu lượng kế; 5- Thiết bị hòa trộn tĩnh; 6- Van chặn

Hình 2.10. Sơ đồ cấu tạo bộ hòa trộn nhiên liệu liên tục

-41-

có trang bị két trộn nhưng chỉ nhằm mục đích hòa trộn khi chuyển đổi dầu. Két này

thường có thể tích khoảng từ 0,2 m3 đến 0,5m3. Két trực nhật của hệ thống nhiên liệu

dùng để chứa nhiên liệu đã được làm sạch và cấp nhiên liệu cho động cơ trong quá

trình làm việc; két này thường có thể tích đủ để cung cấp nhiên liệu cho động cơ hoạt

động liên tục trong thời gian từ 8h đến 12h. Căn cứ vào các qui định mang tính chất

pháp lý đối với các két chứa nhiên liệu trên tàu thủy, thể tích két trộn sẽ được chọn

dựa trên tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong một giờ (hoặc trong một phút) và thời

gian trộn cần thiết để đảm bảo chất lượng trộn.

Trên hình 2.11 là mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy dạng tua bin cánh

phẳng. Thiết bị hòa trộn loại này khi làm việc sẽ tạo thành hai khu vực xoáy trộn và do

vậy rất phù hợp để thực hiện trộn liên tục khi bổ sung các chất lỏng từ trên đỉnh của

két mà ít làm ảnh hưởng đến chất lượng nhiên liệu hỗn hợp ở cửa cấp nhiên liệu vào

động cơ. Trên cơ sở phân tích các mô hình trộn khác nhau, luận án đề xuất mô hình

trộn đối với quá trình trộn liên tục như sau:

- Thực hiện trộn theo mô hình dòng chảy tầng trong két trộn với Re < 104. Chảy

tầng sẽ không tạo xoáy chất lỏng, hút theo không khí trộn lẫn với chất lỏng, gây

nên hiện tượng tạo bọt khí trong hệ thống nhiên liệu;

- Lưu lượng chất lỏng cấp liên tục vào két trộn sẽ bằng lưu lượng chất lỏng ra

khỏi két và chính là lượng tiêu thụ nhiên liệu trong một đơn vị thời gian của

động cơ:

eec gNG . , [kg/h] (2.26)

Trong đó: Gc - lượng chất lỏng cấp vào két trộn [kg/h]; Ne - công suất có ích

định mức của động cơ [kW]; ge - suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ [kg/kW.h];

Hình 2.11. Mô hình dòng chảy đối với cánh khuấy loại tua bin cánh phẳng

RF

HF

Chất lỏng A Chất lỏng B

-42-

Trong thiết bị hòa trộn liên tục, nếu thời gian phần tử chất lỏng lưu lại trong két

trộn lớn hơn thời gian trộn thì chất lượng trộn liên tục sẽ được đảm bảo. Để xác định

được thời gian chất lỏng lưu lại trong két trộn, cần phân tích quĩ đạo của phần tử chất

lỏng trong két trộn như trên hình 2.11. Phần tử chất lỏng sẽ có quĩ đạo chuyển động

trong két trộn là một đường cong và chịu tác động của hai lực cơ bản:

- Lực quán tính ly tâm tác dụng lên phần tử chất lỏng do cánh khuấy tạo nên:

2.. ckckR rmF , [N] (2.27)

Trong đó: m - khối lượng của phân tử chất lỏng [kg]; ωck - tốc độ góc quay của

cánh khuấy [1/s]; rck – bán kính cánh khuấy [m].

- Hợp lực của lực trọng trường và lực dịch chuyển do mức chất lỏng trong két

trộn giảm đi khi cấp nhiên liệu cho động cơ:

vgH FFF

, [N] (2.28)

Lực Fg - Lực trọng trường tác dụng vào phần tử chất lỏng:

Fg =m.g , [N] (2.29)

Lực Fv - Lực tác động lên phân tử chất lỏng do sự giảm mức chất lỏng trong két

khi động cơ tiêu thụ nhiên liệu:

dt

dvmF cl

v . , [N] (2.30)

trong đó: vCL - Vận tốc thay đổi của mức chất lỏng [m/s].

Việc xác định các lực tác động đến phân tử chất lỏng và thời gian phân tử chất

lỏng lưu lại trong két trộn có liên quan mật thiết đến thời gian trộn chất lỏng hay bội số

tuần hoàn của phân tử chất lỏng trong két trộn. Thời gian phân tử chất lỏng lưu lại

trong két trộn nhất thiết phải lớn hơn thời gian trộn (công thức 2.23) thì chất lượng

trộn liên tục sẽ được đảm bảo.

Thời gian lưu lại của phần tử chất lỏng trong két được tính theo công thức:

CL

ktr

v

Ht

, [s] (2.31)

Trong đó: Hkt - chiều cao của chất lỏng trong két trộn [m].

Phân tử chất lỏng chuyển động từ trên xuống dưới chịu sự tác động của lực

trọng trường và chuyển động của lượng chất lỏng thoát ra khỏi két trộn (lượng chất

lỏng này đúng bằng lượng tiêu thụ nhiên liệu của động cơ trong một đơn vị thời gian),

do đó tr cũng có thể tính theo công thức:

CL

ktr

Q

Vt

, [s]

(2.32)

Vkt - Thể tích chất lỏng trong két trộn, được xác định bằng biểu thức:

-43-

4

.. 2ktkt

kt

HDCV

, [m3]

(2.33)

Trong đó: Dkt – Đường kính két trộn [m]; C - hệ số dự trữ nhiên liệu cần thiết

theo quy định của Đăng kiểm Việt Nam, có giá trị từ 1,5 đến 2.

QCL - Thể tích chất lỏng ra khỏi két trộn trong một đơn vị thời gian, được xác

định dựa trên thể tích nhiên liệu dùng cho cho động cơ làm việc ở chế độ tải định mức:

CL

ee

CL

CLCL

NgmQ

.3600

.

, [m3/s] (2.34)

Vậy có thể tính được thời gian lưu lại của phân tử chất lỏng trong quá trình trộn

như sau:

CL

ktktr

Q

HDCt

.4

... 2

, [s] (2.35)

Để đảm báo chất lượng của quá trình trộn, nên chọn thời gian trộn cần thiết:

tr = (2÷3) tm hoặc tm =tr/(2-3) , [s] (2.36)

Kích thước của két trộn với thể tích cơ bản theo các tỷ lệ giữa đường kính két,

chiều cao két, đường kính cánh khuấy, loại cánh khuấy như nêu tại bảng 2.2 sau:

Bảng 2.2. Hệ số hình dạng và định nghĩa

Hệ số hình dạng Tỷ số Mô tả

S1 Dkt/dck Đường kính của két/đường kính của cánh

khuấy

S2 Zck/dck Chiều cao cánh khuấy so với đáy két/đường

kính của cánh khuấy

S3 Lck/dck Chiều dài cánh khuấy/đường kính của cánh

khuấy

S4 dck/wck Đường kính của cánh/chiều rộng của cánh

S5 Dkt/Bcc Đường kính của két/chiều rộng của cánh

cản

S6 Hkt/dck Chiều cao của cột chất lỏng/đường kính của

cánh

S7 - Số lượng cánh của cánh khuấy

S8 Độ [0] Góc nghiêng cánh

S9 - Số lượng cánh cản

-44-

Để thực hiện lựa chọn được động cơ điện thích hợp với công suất tính toán cho

một thiết bị hòa trộn nhất định, dựa trên hai công thức như sau [17, 19]:

clckckpCT dnNP ... 53

(2.37)

clclckckp ndN /..2 (2.38)

Bảng 2.3 cho thấy những số liệu tham khảo đối với các loại hệ số hình dạng

khác nhau tác động đến hệ số công suất trộn của thiết bị.

Bảng 2.3. Hệ số công suất Np đối với các loại cánh khuấy khác nhau và

các thông số hình dạng [17, 19]

Loại cánh Số

cánh

S1 S2 S3 S4 S5 S6 S7 S8 S9 Hệ số Np

Chân vịt 6 3 0,75

-1,3

- - 10 2,7-

3,9

3 Hành

trình=D

4 0,35

Chân vịt 6 3 0,75

-1,3

- - 10 2,7-

3,9

3 Hành

trình=2D

4 0,9

Tuabin có

cánh

nghiêng

4 - - - 8 12 - 6 45o 4 1,5

Tuabin có

cánh thẳng

4 - - - 8 12 - 6 0o 4 3

Tuabin có

cánh cong

8 - - - 8 12 - 6 0o 4 2,7

Tuabin có

cánh

phẳng

6 3 0,5-

1,3

0.25

-0.4

3-4 6-10 3,7-

5,0

6 0o 4 7

Tuabin có

cánh

phẳng

6 3 0,75

-1,3

0,25 5 25 2,7-

3,9

6 0o 4 4

Nếu đã biết tính chất vật lý của chất lỏng, đường kính của cánh khuấy và vận

tốc cánh khuấy cùng với hệ số công suất từ các công thức đã nêu, trên cơ sở có tính

đến tổn thất năng lượng do ma sát của trục quay và các ổ đỡ.

Pmotor = PCT/ηtđ (2.39)

Với ηtđ – Hiệu suất truyền động điện.

-45-

2.4. Cơ sở lý thuyết các phương pháp đánh giá và hiệu chỉnh thiết bị hòa

trộn

Quá trình hòa trộn chất lỏng trong thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu diesel

là một quá trình phức tạp. Sau khi tính toán lý thuyết, sẽ chọn được các thông số cơ

bản của thiết bị hòa trộn như két trộn, cánh cản,... Nhưng với mục tiêu phân bố pha ở

cửa ra giữa dầu diesel và dầu cọ là đồng đều nhất trước khi tới bơm cao áp và vòi phun

động cơ thì còn khá nhiều yếu tố ảnh hưởng cần phải được đánh giá và hiệu chỉnh như:

biên dạng cánh khuấy, tốc độ quay, vị trí đặt cánh, vị trí cửa ra và thời gian hòa trộn,

nhiệt độ,... Để giải quyết vấn đề này, luận án sử dụng 2 phương pháp phổ biến hiện

nay trên thế giới trong nghiên cứu động lực học chất lỏng là phương pháp mô phỏng

số CFD và phương pháp mô phỏng đồng dạng.

2.4.1. Phương pháp mô phỏng số CFD

Ứng dụng phương pháp số vào nghiên cứu các bài toán động lực học chất lỏng

nói chung đang được rất nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước sử dụng. Công đoạn

này thường được đặt giữa giai đoạn nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm giúp mở rộng

phạm vi nghiên cứu lý thuyết nhưng lại thu hẹp được việc nghiên cứu thực nghiệm.

Trong các bài toán liên quan đến động lực học chất lỏng thì công cụ số được dùng phổ

biến hiện nay là CFD (Computational Fluid Dynamics). Cụ thể trong bài toán nghiên

cứu thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục dầu diesel và dầu cọ dạng thùng khuấy, luận án

sử dụng phần mềm Fluent-Ansys để nghiên cứu. Đây là phần mềm uy tín và khá ưu

việt khi giải quyết các bài toán động lực học dòng chất lỏng với điều kiện biên phức

tạp.

Fluent-Ansys là một phần mềm với những khả năng mô hình hóa một cách rộng

rãi các đặc tính vật lý cho mô hình dòng chảy chất lưu, rối, trao đổi nhiệt và phản ứng

được áp dụng trong công nghiệp từ dòng chảy qua cánh máy bay đến quá trình cháy

trong buồng đốt. Các mô hình đặc biệt giúp cho phần mềm có khả năng mô hình hóa

buồng cháy động cơ, khí động học sự truyền âm, máy cánh và các hệ thống đa pha

nhằm phục vụ cho việc mở rộng khả năng của phần mềm.

Các tính năng đặc trưng của phần mềm bao gồm:

- Lưới, số hóa và xử lý song song: FLUENT sử dụng công nghệ lưới không cấu

trúc, nghĩa là lưới có thể bao gồm các phần tử ở các hình dạng khác nhau như lưới tứ

giác và tam giác cho mô phỏng 2D và lưới lục diện, tứ diện, đa diện, lăng trụ và kim tự

tháp cho mô phỏng 3D;

- Truyền nhiệt, chuyển pha và bức xạ: trong các mô hình bức xạ đã được xây

dựng bao gồm cả mô hình P1 và Rosseland. Mô hình rời rạc thông thường cũng có và

thích hợp cho bất cứ môi trường nào, bao gồm cả thủy tinh. Các khả năng thân thiện

-46-

khác được kết hợp với truyền nhiệt bao gồm mô hình cho lỗ khí, chất lỏng nén được,

trao đổi nhiệt, vỏ dẫn, khí thực và các dòng chảy ướt;

- Động lực học và lưới di chuyển: trong FLUENT, lưới động có khả năng đáp

ứng được các yêu cầu về thay đổi ứng dụng, bao gồm dòng chảy ống, van, và tách lớp

trong bình chứa “store separation”. Vài lưới khác nhau sắp xếp theo hệ thống có thể

được sử dụng cho các phần di chuyển khác nhau trong cùng một mô phỏng cần thiết.

Chỉ lưới ban đầu và các mô tả sự di chuyển của điều kiện biên là cần thiết. Lời giải

trong đó có sáu bậc tự do cũng giải quyết được với ứng dụng này với di chuyển tự do.

Lưới động cũng thích ứng với các mô hình khác bao gồm một chuỗi mô hình nhất

dòng phun, mô hình đốt cháy và mô hình nhiều pha bao gồm mặt tự do và dòng chảy

nén được. FLUENT cũng cung cấp lưới trượt và các mô hình lưới khác nhau đã được

chứng minh qua các hệ thống ống, bơm và các cơ cấu máy móc;

- Chảy rối và âm học: FLUENT cung cấp khả năng cao cấp dùng cho mô hình

chảy rối, ví dụ như phiên bản của mô hình k-epsilon kinh điển, mô hình k-omega, và

mô hình ứng suất Reynolds (RSM). Ngày nay, cùng với việc máy tính ngày càng

mạnh, giá thành hạ, làm được mô hình mô phỏng xoáy lớn (LES) và “the more

economical detached eddy simulation (DES) model" là sự lựa chọn hấp dẫn cho mô

phỏng trong công nghiệp;

- Đa pha: FLUENT là người đứng đầu trong công nghệ mô hình đa pha. Có

nhiều cách khác nhau cho phép các kỹ sư nhìn được bên trong thiết bị thường khó để

thăm dò. FLUENT sử dụng mô hình đa pha Eulerian với các tập hợp riêng rẽ của

phương trình chất lỏng để thâm nhập sâu vào chất lỏng hoặc các pha, sẽ tiết kiệm hơn

các mô hình pha trộn. Cả hai loại mô hình có thể đối xử như dòng chảy hạt.. Các ứng

dụng nhiều pha như cánh bơm, chất lỏng và “coal furnaces the discrete phase model

(DPM)” đều có thể được sử dụng;

- Mô hình phản ứng hóa học, đặc biệt trong điều kiện chảy rối, là một trong các

quan tâm đặc biệt và cũng là đặc trưng ưu việt của phần mềm FLUENT ngay từ khi

phần mềm được hình thành. Những mô hình mới của FLUENT như khái niệm tiêu tán

xoáy, sự vận chuyển PDF và “stiff finite rate chemistry models”, cũng như mô hình

chuẩn như tiêu tan xoáy, “equilibrium mixture fraction, flamelet and premixed

combustion models”. Các mô phỏng loại thể khí, than đá và nhiên liệu xăng cháy đều

có thể giải quyết được. Phần mềm có phần mô hình để dự báo cho sự hình thành SOx

và sự hình thành NOx và sự phá hủy. Khả năng phản ứng bề mặt của FLUENT cho

phép các phản ứng giữa gas và các dạng bề mặt, cũng như giữa các dạng khác nhau, do

đó sự ăn mòn và lắng đọng có thể được dự báo một cách chính xác. Mô hình phản ứng

của FLUENT có thể được dùng chung với mô hình rối LES và DES.

-47-

Phần mềm Fluent-Ansys ứng dụng cho bài toán khuấy trộn của luận án sử dụng

phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình vi phân chủ đạo cho chất lỏng

không nén được, đẳng nhiệt như sau:

- Phương trình liên tục:

0

z

w

y

v

x

u

(2.40)

- Phương trình Navier - Stokes:

VgradpFdt

Vd

1

(2.41)

Trong đó: ),,( wvuV

- là véc tơ vận tốc tuyệt đối của phần tử lỏng khảo sát;

F

- lực khối đơn vị; : là toán tử Laplace

Quy trình nghiên cứu và xây dựng mô hình nhằm khảo sát ảnh hưởng của các

yếu tố tới sự đồng đều pha của hỗn hợp nhiên liệu ở cửa ra của thiết bị hòa trộn được

thể hiện rõ trong Phụ lục 3, trên cơ sở trình tự sau:

- Sử dụng lưới chia mô hình thành các thể tích hữu hạn, rời rạc;

- Tích phân các phương trình theo từng thể tích hữu hạn để xây dựng các phương

trình đại số cho các biến độc lập như vận tốc, áp suất, nhiệt độ cũng như các đại

lượng vô hướng khác;

- Tuyến tính hoá các phương trình rời rạc và giải các hệ phương trình tuyến tính.

FLUENT tiến hành giải trên từng vòng lặp với điều kiện hội tụ đặt trước, tùy

các mô hình bài toán với độ phức tạp khác nhau, vấn đề chia lưới được xử lý ra sao và

việc đặt điều kiện biên đã đúng chưa sẽ quyết định đến độ chính xác của bài toán.

Fluent có khả năng thích ứng khá rộng, ta có thể chọn nhiều cách giải quyết khác nhau

do đó sự đúng đắn của bài toán cũng cần được kiểm nghiệm.

2.4.2. Phương pháp mô phỏng đồng dạng

Bên cạnh công cụ số hỗ trợ quá trình thiết kế, do tính chất phức tạp của quá

trình trộn chất lỏng và nhằm khẳng định chất lượng hòa trộn trong quá trình cấp nhiên

liệu liên tục cho động cơ, nên luận án xây dựng mô hình thu nhỏ (mô hình đồng dạng)

với thiết bị thật để phục vụ quá trình nghiên cứu và hiệu chỉnh. Việc đồng dạng hóa

phải đảm bảo: sự tương đồng về hình học, sự tương đồng về chuyển động học và sự

tương đồng về động lực học, được tổng hợp trong phương trình chuẩn số cơ bản:

Eu = f (Re, Fr, Gi) (2.42)

-48-

Trong đó,Gi là tập hợp các đồng dạng hình học: ....;;; vvd

h

d

D

d

H

ckck

kt

ck

kt . Đây cũng

là phương trình tổng quát của quá trình trộn, liên kết tất cả các đại lượng vật lý, những

đại lượng đặc trưng cho chuyển động của chất lỏng trong bộ trộn.

Sự tương đồng về hình học giữa thiết bị thật và mô hình được biểu thị thông

qua các hệ số:

Tkt

ck

Mkt

ck

D

d

D

d

và

Tkt

kt

Mkt

kt

D

H

D

H

, ... (2.43)

Sự tương đồng về chuyển động học là đảm bảo mô hình chuyển động của chất

lỏng trong két trộn tương đồng nhau ở cả thiết bị thật và thiết bị mô hình. Mô hình

chuyển động của chất lỏng có thể ở dạng chảy tầng, dạng chuyển tiếp hoặc dạng chảy

rối.

Sự tương đồng về động lực học liên quan đến các hệ số đặc trưng như hệ số

công suất, chuẩn số Reynold, Froude:

Tc

ckck

Mc

ckck

Tcl

ckcl

Mcl

ckckcl

TckckMckckclg

dn

g

dndndn

dn

P

dn

P

2222

5353;;

(2.44)

Bên cạnh đó, người ta cũng thường hay sử dụng hệ số giữa công suất và vận tốc

của cánh khuấy để áp dụng vào quá trình đồng dạng hóa.

TckMck d

P

d

P

33 và nếu

TckckclMckckcl dn

P

dn

P

5353

(2.45)

Vậy: 3

223

ckT

Mck

MckTck

Tck

Mck

Mck

Tck

d

dnn

d

d

n

n (2.46)

Các kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đều cho thấy rằng:

thời gian trộn được tính theo công thức gần đúng:

cm tt )65( trong đó: Q

Vtc (2.47)

Trong đó: ct - thời gian tuần hoàn đủ một vòng của chất lỏng trong két [s]; V -

thể tích của két trộn [m3]; Q - lưu lượng tuần hoàn của chất lỏng bởi cánh khuấy

[m3/s].

-49-

2.5. Cơ sở lý thuyết đánh giá ảnh hưởng của loại nhiên liệu đến hệ thống

cấp nhiên liệu cho động cơ diesel

2.5.1. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến áp suất phun

Lưu lượng thể tích nhiên liệu cung cấp ở bơm sẽ bằng lưu lượng thể tích nhiên

liệu phun ra khỏi vòi phun biểu thị bằng phương trình liên tục [40]:

b vpQ Q (2.48)

Lưu lượng của vòi phun được tính theo công thức sau:

.. .vp i ph ltQ i F W , [m3/s] (2.49)

Trong đó: Fi: diện tích của lỗ phun [m2];

i: số lỗ phun của vòi phun;

Wph.lt : Vận tốc phun lý thuyết [m/s].

Đối với lỗ phun hình tròn, Wph.lt được tính theo công thức:

.

. 2ph lt c

ph lt cn

nl

p pW

, [m/s] (2.50)

Trong đó: cn: hệ số chảy nhiên liệu; pc: áp suất môi chất trong xi lanh tại thời

điểm phun [Pa]; ρnl: khối lượng riêng của nhiên liệu tại thời điểm phun [kg/m3];

Thay phương trình (2.50) vào phương trình (2.49) ta có:

.. 2 ph lt c

vp i cn

nl

p pQ i F

, [m3/s] (2.51)

Lưu lượng cấp nhiên liệu của bơm cao áp được tính theo công thức:

bbb vFQ . (2.52)

Trong đó: Fb - diện tích tiết diện ngang của piston bơm cao áp [m2]; vb - tốc độ

của bơm cao áp [m/s].

Tốc độ của bơm cao áp được xác định theo công thức:

d

d

d

dh

d

dhv c

c

aab .

(2.53)

Trong đó: dha/dφc - tốc độ dịch chuyển piston bơm cao áp theo góc quay trục

cam [m/s]; dφc/d - tốc độ góc quay trục cam [rad/s].

Khi vòng quay không đổi thì tốc độ góc, rad/s:

-50-

30

. cn

, [rad/s] (2.54)

Thay (2.53) và (2.54) vào (2.51) ta thấy lưu lượng cấp nhiên liệu của bơm cao

áp có dạng:

30

.. c

c

apb

n

d

dhFQ

, [m3/s] (2.55)

Thay (2.55) vào (2.50) ta được:

30

.2.

. c

c

ap

nl

cltph

cni

n

d

dhF

ppFi

(2.56)

Bình phương cân bằng 2 vế của phương trình (2.56) sẽ được:

2

222

.1800

c

c

a

icn

bnlcltph n

d

dh

F

Fpp

, [Pa] (2.57)

Công thức (2.57) cho thấy khi lựa chọn dầu thực vật và hỗn hợp của nó để thay

thế nhiên liệu diesel truyền thống áp dụng cho động cơ diesel thủy sẽ có những khác

biệt sau đây:

- Áp suất phun nhiên liệu sẽ bị thay đổi do có sự khác biệt giữa khối lượng riêng

của dầu thực vật và dầu diesel truyền thống;

- Trong trường hợp nếu lượng cấp nhiên liệu cho một chu trình như nhau (để

cùng chế độ tay ga nhiên liệu), do nhiệt trị thấp của dầu thực vật và hỗn hợp của

nó thấp hơn dầu diesel truyền thống nên vòng quay của động cơ diesel sẽ thấp

hơn, do vậy áp suất phun khi sử dụng dầu thực vật cũng thấp hơn theo qui luật

bình phương của tốc độ quay của trục khuỷu.

2.5.2. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến lưu lượng phun

Quá trình phun nhiên liệu là một quá trình lưu động của dòng chất lỏng qua các

lỗ vòi phun nhiên liệu. Nếu giả sử bỏ qua các tổn thất về thủy lực trong vòi phun (chủ

yếu là tổn thất cục bộ, còn tổn thất đường dài là rất nhỏ), bỏ qua sự rò lọt của nhiên

liệu trong vòi phun thì quá trình lưu động này tuân theo đúng định luật Becnuli [40]:

C

pW

nl

ltphltph

.2

.

2 (2.58)

Trong đó: C - Hằng số; ρnl – Khối lượng riêng của nhiên liệu [kg/m3]; Pph.lt - Áp

suất phun nhiên liệu vào trong động cơ [Pa]; Wph.lt - Tốc độ lưu động của nhiên liệu

qua các lỗ của vòi phun [m/s].

Ngoài ra tốc độ phun nhiên liệu lại có thể xác định theo công thức sau:

-51-

ph.ttW vp

i

Q

iF

, [m/s]

(2.59)

Trong đó: i - số lỗ phun của vòi phun; Fi - diện tích của lỗ vòi phun [m2].

Từ (2.58) và (2.59), sẽ rút ra được:

Cp

Fi

Q

nl

ltph

i

.

22

2

2 (2.60)

Hay:

nl

ltph

i

pCiFQ

.

2 , [kg/h] (2.61)

Công thức (2.61) đánh giá sự ảnh hưởng của loại nhiên liệu đến lượng nhiên

liệu cấp vào trong động cơ. Hoặc cũng có thể xác định lượng nhiên liệu cấp vào động

cơ bằng công thức sau:

PFCQ nliD 2

, [kg/h] (2.62)

Trong đó: Fi - diện tích của các lỗ vòi phun [m2]; CD – hệ số phun nhiên liệu; -

khối lượng riêng của nhiên liệu [kg/m3]; ΔP- sự giảm áp suất khi vòi phun mở. Nếu sự

giảm áp suất tại đầu vòi phun và thiết diện các lỗ phun là không đổi trong giai đoạn

phun nhiên liệu, thì lượng nhiên liệu cấp vào xi lanh động cơ được xác định:

n

PFCQ nliD360

2

, [kg/h]

(2.63)

Trong đó: - là giai đoạn vòi phun mở tính bằng góc quay trục khuỷu;

n - vòng quay của động cơ [v/p].

2.5.3. Ảnh hưởng của hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel đến thời điểm cấp và cháy của

nhiên liệu

Theo nguyên lý hoạt động của hệ thống cấp nhiên liệu, khi cửa hút và cửa tràn

của bơm cao áp đóng lại, là lúc áp suất trong đường ống cao áp tăng lên và vòi phun sẽ

được mở để nhiên liệu cấp vào trong buồng đốt động cơ diesel. Về mặt lý thuyết, thời

điểm bơm cao áp bắt đầu cung cấp nhiên liệu và thời điểm phun nhiên liệu là trùng

nhau, không có thời gian trễ. Tuy nhiên, trên thực tế do có sự giãn nở của đường ống

cao áp dẫn nhiên liệu, sự rò lọt của nhiên liệu ở bộ đôi piston-xi lanh của bơm cao áp

và vòi phun, nên giữa thời điểm bơm cao áp bắt đầu cung cấp nhiên liệu và thời điểm

phun nhiên liệu luôn có độ trễ nhất định. Như vậy, nếu sử dụng các loại nhiên liệu

khác nhau cho cùng một động cơ diesel, thời điểm phun nhiên liệu sẽ phụ thuộc vào áp

suất phun nhiên liệu, độ nhớt và khối lượng riêng của nhiên liệu. Trong trường hợp khi

thay thế nhiên liệu diesel truyền thống bằng nhiên liệu sinh dầu thực vật nguyên gốc,

-52-

nếu duy trì độ nhớt của nhiên liệu như nhau thì thời điểm phun nhiên liệu đối với

nhiên liệu dầu thực vật nguyên gốc sẽ sớm hơn một chút so với nhiên liệu diesel

truyền thống và do vậy có áp suất phun lớn hơn. Tuy nhiên, sự khác biệt này là rất nhỏ

và không gây ảnh hưởng nhiều đến quá trình công tác của động cơ diesel.

Hỗn hợp dầu cọ với dầu diesel truyền thống theo các tỷ lệ khác nhau: PO5,

PO10, PO15, PO20, PO30 đều có trị số Xê tan cao hơn so với dầu diesel, ảnh hưởng

trực tiếp tới sự cháy chậm của nhiên liệu, hiệu suất làm việc của động cơ và tác động

đến môi trường do khí thải độc hại.

Mô hình xác định sự cháy trễ của nhiên liệu bao gồm hai yếu tố quyết định: các

quá trình vật lý được thể hiện qua các thông số áp suất P và nhiệt độ T của hỗn hợp

cháy trong xi lanh và các quá trình hóa học được thể hiện qua năng lượng kích hoạt

EA, hằng số A và k. Đối với mỗi loại nhiên liệu, sẽ đòi hỏi một năng lượng kích hoạt

EA và khả năng tự bay hơi, khuếch tán hòa trộn với không khí để tự cháy. Theo

Hardenberg và Hase, công thức thực nghiệm tính thời gian cháy trễ như sau [40]:

63,0

4,12

1,21

190.17

11exp22,036,0()(

cylcyl

ApidPTR

ESGQTK (2.64)

Trong đó: id - là thời gian cháy chậm (trễ) [độ góc quay trục khuỷu]; pS - vận

tốc trung bình của piston động cơ [m/s]; EA - năng lượng kích hoạt cần thiết để tự cháy

của nhiên liệu [kJ/mol]; Tcyl - nhiệt độ của môi chất cuối quá trình nén [K]; R=8,314

[J/mol.oK]- hằng số khí lý tưởng; Pcyl - áp suất của môi chất cuối quá trình nén [Pa].

Năng lượng kích hoạt EA của nhiên liệu được xác định thông qua trị số Xê tan

của nhiên liệu [40]:

25

840,618

CNEA

, [J/mol] (2.65)

Nhiệt độ và áp suất của môi chất cuối quá trình nén được xác định theo các

công thức:

1 k

ncyl TT và k

ncyl PP (2.66)

Với nT - nhiệt độ cuối quá trình nạp; nP - áp suất cuối quá trình nạp; k - chỉ số

nén đa biến.

2.6. Mô phỏng quá trình cháy trong động cơ diesel khi sử dụng hỗn hợp

dầu cọ - dầu diesel [11, 35]

2.6.1. Cơ sở lý thuyết

Cơ sở đánh giá quá trình cháy của động cơ diesel khi làm việc với các nhiên

liệu thay thế là định luật I nhiệt động học, nghiên cứu quá trình tỏa nhiệt khi nhiên liệu

-53-

được đốt cháy trong buồng đốt, qua đó đánh giá sự thay đổi áp suất và nhiệt độ trong

buồng đốt của động cơ.

Theo định luật I, sự thay đổi của nội năng của hệ thống kín sẽ bằng lượng nhiệt

cấp cho hệ thống trừ đi lượng nhiệt sinh công, hay năng lượng của hệ thống kín lý

tưởng là không đổi. Nếu coi động cơ diesel là một hệ thống khép kín và xét trong

trong trường hợp sự thay đổi rất nhỏ của góc quay trục khuỷu, phương trình bảo toàn

năng lượng theo định luật I nhiệt động học có thể viết dưới dạng:

WQdU (2.67)

Nếu áp dụng các định nghĩa: Q : sự giải nhiệt khi đốt cháy nhiên liệu [kJ/oCA];

PdVW : công được sinh ra; dTmCdU v : tốc độ thay đổi nội năng.

Thì phương trình (2.67) bây giờ có dạng:

dTmCPdVQ v (2.68)

Áp dụng phương trình này cho khí lý tưởng và biến đổi, thu được phương trình

vi phân đầy đủ phụ thuộc vào góc quay của trục khuỷu động cơ:

d

dPV

R

C

d

dVP

R

C

d

dQ vv

1

(2.69)

Ứng dụng các mối quan hệ R = CP – Cv và k = CP / Cv sẽ được phương trình bảo

toàn năng lượng như sau:

d

dVP

k

k

d

dPV

kd

dQ

11

1

hoặc

d

dV

V

Pk

d

dQ

V

k

d

dP

1

(2.70)

Trong đó:

- P: áp suất khí cháy [kPa].

- V: thể tích tức thời của xi lanh:

2sin

2cos1

21dd VV

V

(2.71)

- Vd: Thể tích xi lanh [m3].

- λ: Hệ số kết cấu.

- ε: Tỷ số nén.

Công thức (2.68) là dạng tổng quát để xác định sự giải nhiệt khi đốt cháy nhiên

liệu trong động cơ và sự thay đổi của áp suất cháy trong động cơ được thiết lập trên cơ

sở định luật I nhiệt động học. Tuy nhiên, để có thể lập trình và tính toán cho từng

trường hợp công tác của động cơ cụ thể, cần phải tiếp tục thông số hóa một số ẩn số

trong phương trình.

-54-

2.6.1.1. Xác định sự thay đổi của áp suất cháy trong xi lanh

Trong công thức (2.69), thành phần d

dQ chính là tổng lượng nhiệt dùng để sinh

công trong quá trình công tác của động cơ. Lượng nhiệt này được tính trên cơ sở tổng

lượng nhiệt do khí cháy sinh ra trừ đi phần nhiệt mất mát do truyền nhiệt qua thành

vách xi lanh và một số yếu tố khác (lượng nhiệt tổn thất):

d

dQ

d

dQ

d

dQ lossc (2.72)

a. Lượng nhiệt tổn thất

Lượng nhiệt tổn thất được xác định như sau:

1wg

loss TThAd

dQ

(2.73)

Trong đó:

- h - Hệ số truyền nhiệt [kW/m2.K], được tính theo công thức Haizenbek:

TpSh p ..10.247,0 33 (2.74)

- Sp: vận tốc trung bình của piston [m/s];

- A() - Diện tích bề mặt truyền nhiệt [m2]:

)

1(

2)(

2)(

22

SS

DD

ShDD

A c

(2.75)

- D - Đường kính xilnh [m];

- S - Hành trình của piston [m];

- - Tỷ số nén lý thuyết;

- hc - Chiều cao buồng cháy [m];

- S - Chuyển vị của piston :

)sin2

cos1(5,0 2

SS

(2.76)

- : Vận tốc góc của trục khuỷu [rad/s];

- Tg: Nhiệt độ trung bình của khí cháy trong xilanh [K];

- Tw: Nhiệt độ trung bình của thành vách xilanh [K].

b. Tổng lượng nhiệt cấp cho động cơ

Tổng lượng nhiệt cấp vào động cơ (d

dQc ) chính là lượng nhiệt do đốt cháy

nhiên liệu trong buồng đốt của động cơ diesel và được xác định dựa trên mô hình cháy

trong động cơ của Viber, cùng với nhiệt trị thấp (qHV) của nhiên liệu và tốc độ tỏa

nhiệt df/d như sau:

-55-

d

dfQ

d

dQin

c

(2.77)

- Tính tốc độ tỏa nhiệt df/d:

Nhiệt lượng tỏa ra theo góc quay trục khuỷu được Viber đưa ra:

n

igaf

exp1

(2.78)

Trong đó: θ: Góc quay trục khuỷu [0CA]; θig: Góc bắt đầu cấp nhiệt (góc bắt

đầu cháy) [GQTK]; Δθ: Thời gian cấp nhiệt (thời gian cháy của nhiên liệu) [GQTK];

hệ số a=6,908; hệ số n = 1,3÷1,9.

Biểu thị phương trình (2.78) dưới dạng phương trình vi phân, tốc độ tỏa nhiệt

được xác định như sau:

ignaf

d

df 1

(2.79)

- Lượng nhiệt đơn vị cấp vào động cơ:

HVffin qmQ , [kJ] (2.80)

Trong đó: mf - Lượng nhiên liệu phun vào buồng đốt của động cơ [kg], f - :

hiệu suất cháy, Trong nhiều trường hợp hiệu suất cháy f có thể lấy bằng 1.

qHV: nhiệt trị thấp của nhiên liệu [kJ/kg]. Tùy thuộc vào loại nhiên liệu cụ thể,

giá trị nhiệt trị thấp sẽ khác nhau và quyết định đến đặc tính công tác của động cơ.

Theo kết quả phân tích mẫu nhiên liệu dầu DO và hỗn hợp giữa dầu cọ với dầu DO tại

Trung tâm đào tạo và Tư vấn KHCN bảo vệ môi trường thủy có trụ sở tại địa chỉ 484

Lạch Tray, Hải Phòng với phương pháp phân tích theo “Qui chuẩn kĩ thuật về xăng,

nhiên liệu diesel và nhiên liệu sinh học” (QCVN: 2009/BKHCN) của Việt Nam, nhiệt

trị thấp của các loại nhiên liệu như sau:

+ Với dầu DO: qHV = 43.400 [kJ/kg]

+ Với dầu PO10: qHV = 39.720 [kJ/kg]

+ Với dầu PO20: qHV = 39.550 [kJ/kg] (2.81)



Đối với một động cơ diesel cụ thể, lượng nhiên liệu cấp vào buồng đốt được

xác định:

-56-

s

cr

s

af

f

F

A

mx

F

A

mm

1

1

1 (2.82)

Trong đó: maf: Khối lượng hỗn hợp không khí và nhiên liệu trong buồng đốt

[kg]; mc: Tổng lượng hỗn hợp các chất trong buồng đốt và được xác định trên có sở

định luật chất khí lí tưởng ở thời điểm van nạp đóng kín: IVCIVCIVCc RTVPm / .

Vậy:

IVC

IVCIVC

s

rf

RT

VP

FA

xm

/1

1

(2.83)

Trong đó: xr: Lượng khí sót trong buồng đốt [kg], lượng này chiếm khoảng 5,7%

tổng hỗn hợp các chất có trong buồng đốt khi van nạp đóng:

1/1

1//

/

exh

man

exh

manc

man

r

rrmanmanafman

rrman

raf

rr

p

p

p

pr

T

T

RTVpRTVp

RTVp

mm

mx (2.84)

Trong đó:

pman: Áp suất không khí nạp tại bầu góp [kPa]; pexh: Áp suất tại bầu góp khí xả

[kPa]; rc: Tỷ số nén; Tman: Nhiệt độ tại bầu góp không khí nạp [0K]; TIVC: Nhiệt độ

trong xi lanh khi van nạp đóng (IVC) [0K], được xác định:

exh

manrcrIVC

p

pxrTT (2.85)

Theo kết quả thực nghiệm của Heywood [40]: Tr = 14000K; 24,0/)1( ; xr

= 5,7%, TIVC = 3460K.

R: hằng số khí lý tưởng của hỗn hợp khí trong buồng đốt, R=290J/kg.0K ở

3000K;

λ: hệ dư lượng không khí. Theo tài liệu thực nghiệm hệ số dư lượng không khí

ở chế độ định mức đối với động cơ diesel: thấp tốc λ =1,8÷2,2; trung tốc λ =1,6÷2,0;

cao tốc λ =1,4÷1,8.

(A/F)s: tỷ số không khí-nhiên liệu của hỗn hợp cháy lí thuyết, đối với nhiên liệu

DO tỷ số này thường là:14,6.

PIVC, VIVC: áp suất và thể tích của xilanh ở thời điểm khi van nạp đóng.

Vậy công thức để tính lượng nhiệt cấp vào động cơ Qin sẽ là:

HVf

IVC

IVCIVC

s

rHVffin q

RT

Vp

FA

xqmQ

/1

1

(2.86)

Do đó, công thức xác định sự thay đổi của áp suất cháy trong xi lanh có tính

đến sự tổn thất nhiệt do có sự truyền nhiệt qua thành vách xi lanh, có dạng:

-57-

d

dV

V

PkTT

hA

d

dfQ

V

k

d

dPwgin

180

1

(2.87)

Với: dV/d là sự thay đổi của thể tích xilanh theo góc quay trục khuỷu được xác

định:

2/122 )sin(cos1sin

2

bk

d RV

d

dV

(2.88)

2.6.1.2. Xác định tốc độ tỏa nhiệt khi đốt cháy nhiên liệu trong xi lanh

Công thức tính tốc độ tỏa nhiệt khi đốt cháy nhiên liệu trong buồng đốt động cơ

dựa trên mô hình cháy của Viber như sau:

1

exp1

n

igign

aQ

nad

dQ

(2.89)

Dựa trên phương trình tốc độ tỏa nhiệt được thiết lập trên cơ sở định luật I nhiệt

động học, có thể tính lượng nhiệt tổng:

d

dVP

d

dm

m

PV

d

dPV

d

dVP

r

C

d

dQnet

(2.90)

Khối lượng vật chất mất đi qua khe hở của xéc măng, khí sót… được xác định:

pSCm

)(exp

vậy:

pS

mC

d

dm

(2.91)

Trong đó: C=0,8[m/s] - hệ số;

Bên cạnh đó, lượng nhiệt được phân giải đã tính đến tổn thất sẽ là lượng nhiệt

được phân giải thực tế và được xác định:

d

dQ

d

dQ

d

dQlossnetgross

(2.92)

Vậy trên cơ sở các công thức này hoàn toàn xác định được tốc độ tỏa nhiệt khi

nhiên liệu được đốt cháy trong động cơ diesel.

2.6.1.3. Xác định sự thay đổi nhiệt độ trong xilanh

Cũng trên cơ sở định luật I nhiệt động học, có thể biểu thị dưới dạng:

d

dW

d

dQ

d

dum

(2.93)

-58-

Trong đó: m - khối lượng hỗn hợp chất cháy cấp vào động cơ [kg]; d

du- tốc độ

tăng trưởng nội năng; d

dQ- tốc độ giải nhiệt khi đốt cháy nhiên liệu [kJ/0CA];

d

dW-

tốc độ sinh công.

Tuy nhiên, trên thực tế đối với động cơ diesel, lượng nhiệt cấp vào buồng đốt

của động cơ thông qua đốt cháy nhiên liệu không chỉ làm tăng nội năng và sinh công,

mà còn có một lượng nhiệt thất thoát ra môi trường xung quanh do có sự truyền nhiệt

d

dQloss . Vậy phương trình (2.87) bây giờ có dạng:

d

dW

d

dQ

d

dQ

d

dum loss (2.94)

Do đó:

d

dV

VC

RT

mC

TThA

d

dQ

mCd

dT

vv

wg

v

1

(2.95)

Áp dụng mô hình cháy Viber, phương trình (2.87) được viết dưới dạng:

d

dV

VC

RT

mC

TThA

d

dfQ

mCd

dT

vv

wg

in

v

1

(2.96)

Trong đó: m - khối lượng của chất cháy nạp vào động cơ [kg], m có thể tính

được thông qua mối quan hệ PV = mRT.

Cv - nhiệt dung riêng ở điều kiện thể tích không đổi [kJ/kg.0K], Cv đối với chất

khí có giá trị là 1,008 [kJ/kg.0K];

2.6.2. Mô phỏng quá trình cháy bằng phần mềm GT-Power

Phần mềm GT-Power nằm trong bộ phần mềm GT-Suite do hãng Gama

Technologies của Mỹ xây dựng và phát triển, đã được thương mại hoá trên toàn cầu,

Hiện có trên 240 khách hàng là các công ty lớn sản xuất động cơ, xe đua công thức 1,

tàu thuỷ và các trung tâm nghiên cứu, các trường đại học trên toàn thế giới sử dụng.

GT-Power là công cụ mô phỏng động cơ chuyên nghiệp, áp dụng cho các loại động cơ

đốt trong 2 hoặc 4 kỳ, sử dụng cho phương tiện vận tải đường bộ, tàu thuyền, trạm

phát điện, xe thể thao... Nó cung cấp cho người sử dụng nhiều phần tử để mô hình hoá

bất kỳ bộ phận nào của động cơ. Nó có khả năng liên kết (link) với các phần mềm

khác để mô phỏng hiệu quả và chính xác hơn như phần mềm CFD Star-CD, Fluent,

Simulink, MS-Excel... Nó được tích hợp các công cụ mạnh phục vụ thiết kế như

DOE/optimization (thiết kế theo thực nghiệm/ tối ưu hoá), mô hình sơ đồ mạng nơ-ron

và điều khiển... GT-Power được xây dựng cho việc tính toán trạng thái ổn định và

trạng thái chuyển tiếp. GT-Power có thể được sử dụng như một công cụ riêng, cũng có

-59-

thể được liên kết với bộ GT khác như GT-Drive (hệ thống truyền lực), GT-VTrain (cơ

cấu phối khí), GT-Fuel (hệ thống nhiên liệu), GT-Cool (hệ thống làm mát), GT-Crank

(cơ cấu khuỷu trục thanh truyền)...

Các ứng dụng chính của GT-Power:

- Xây dựng đặc tính mô men và tiêu thụ nhiên liệu của động cơ;

- Thiết kế và hiệu chỉnh đường ống;

- Tối ưu hoá trị số thời gian – thiết diện;

- Tính toán mô phỏng cháy và khí thải;

- Tăng áp và liên kết tuabin – máy nén;

-Thiết kế hệ thống tuần hoàn khí thải;

- Tính toán âm thanh (độ ồn nạp, thải);

- Tính toán chu trình nhiệt của xi lanh;

- Mô phỏng theo biến thời gian thực động cơ;

Mô hình động cơ HANSHIN 6LU32 được xây dựng bằng phần mềm GT-Power

được trình bày trên hình 2.12.

Hình 2.12. Mô hình động cơ HANSHIN 6LU32 trong phần mềm GT-Power

-60-

Các thành phần trong mô hình 2.12 được giới thiệu trong bảng 2.4.

Bảng 2.4. Các phần tử chính của mô hình.

TT Phần tử S.lg Mô tả Các thông số đầu vào

1 Inlet-Env 12 Điều kiện biên môi

trường, dòng vào Áp suất, nhiệt độ môi trường vào....

2 Exhaust-

Env 12

Điều kiện biên môi

trường, dòng ra Áp suất, nhiệt độ môi trường ra....

3 intport 12 Mô tả các đoạn ống

nạp

Đường kính vào, ra, chiều dài ống,

chiều dài rời rạc hóa (để tính toán),

nhám bề mặt, nhiệt độ thành, các

yếu tố truyền nhiệt.

4 exhport 12 Mô tả các đoạn ống

xả

Như trên

5 intvalve 12 Mô tả xu páp nạp

Đường kính tán nấm xu páp, khe hở

nhiệt, biên dạng cam, hệ số lưu

lượng....

6 exhvalve 12 Mô tả xu páp thải Như trên

7 Di-Inject 06 Mô tả vòi phun

Lượng nhiên liệu cấp cho 1 chu

trình, góc phun sớm nhiên liệu, quy

luật phun, áp suất phun, nhiệt độ

nhiên liệu, đường kính lỗ phun, số lỗ

phun, hệ số lưu lượng qua lỗ phun....

8 Cylinder 06 Mô tả phần tử xi

lanh

Các thông số kích thức hình học, mô

hình cháy, mô hình truyền nhiệt....

9 Engine 01 Mô tả phần còn lại

của động cơ

Số xi lanh, bố trí, chế độ tính toán

động cơ, tổn hao cơ giới, mô men

quán tính của trục khuỷu, chu kỳ

tính, thứ tự làm việc của các xi

lanh...

Nội dung các thông số cần nhập vào cho từng phần tử được chỉ rõ trong Help

Navigator của từng phần tử. Trong nội dung luận án, tác giả trình bày 4 phần tử chính

trong quá trình xây dựng mô hình mô phỏng động cơ trong GT-Power Version 7.3 của

hãng Gama Technology. Chi tiết các phần tử được thể hiện trong Phụ lục 1.

-61-


Trong chương này đã đưa ra các cơ sở lý thuyết phục vụ cho việc tính toán,

thiết kế và thử nghiệm thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu diesel ở các chương sau,

cụ thể như sau:

- Trên cơ sở lý thuyết về trộn các chất lỏng với nhau, các tiêu chí đánh giá chất

lượng của chất lỏng sau khi trộn đã xây dựng được cơ sở lý thuyết để tính toán

thiết kế thiết bị hòa trộn chất lỏng liên tục và sẽ làm cơ sở xây dựng phương

pháp tính toán và thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục nhiên liệu ở chương sau;

- Đã xây dựng được phương pháp đánh giá độ chính xác trong tính toán lựa chọn

kích thước thiết bị hòa trộn, chất lượng trộn dựa trên mô phỏng số và mô phỏng

đồng dạng (sẽ được áp dụng ở các chương sau) nhằm hỗ trợ quá trình tính toán

thiết kế thiết bị hòa trộn nhiên liệu đạt hiệu quả cao về thời gian, cũng như chất

lượng trộn;

- Đưa ra cơ sở đánh giá khả năng phù hợp của thiết bị hòa trộn liên tục được lắp

trực tiếp vào hệ thống cấp nhiên liệu cho động cơ diesel thủy, bao gồm ảnh

hưởng của loại nhiên liệu đến áp suất phun, lưu lượng cấp và thời điểm cấp

cũng như sự cháy trễ của nhiên liệu. Qua đó, đánh giá được xu hướng thay đổi

của các thông số nêu trên và sự hợp lý của quá trình thay đổi này. Do hệ thống

cấp nhiên liệu đã được thiết kế phù hợp với một động cơ diesel thủy nhất định,

nên đây cũng chính là cơ sở để hiệu chỉnh lại hệ thống trong trường hợp có sự

thay đổi đáng kể và bất hợp lý;

- Đã đưa ra cơ sở tính toán lý thuyết quá trình cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong

động cơ trên cơ sở định luật I nhiệt động học và mô phỏng quá trình cháy của

hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu diesel cho động cơ diesel thủy trên phần mềm

GT-Power. Đây là phần mềm được đánh giá có tính chuyên nghiệp cao, phù

hợp với các động cơ diesel thủy. Quá trình mô phỏng nhằm đánh giá bước đầu

về khả năng ứng dụng của nhiên liệu hỗn hợp đối với động cơ diesel đang được

nghiên cứu, qua đó sẽ làm giảm các vấn đề phát sinh khi cho động cơ chạy thực

sự với nhiên liệu thử nghiệm.

-62-

CHƯƠNG 3

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ HÒA TRỘN LIÊN TỤC DẦU CỌ -

DẦU DO VÀ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG THÔNG QUA MÔ PHỎNG

3.1. Đặt vấn đề

Để thiết bị hòa trộn liên tục đáp ứng được các yêu cầu về kĩ thuật, cũng như các

yêu cầu về tính an toàn, tin cậy của Hiệp hội Đăng kiểm quốc tế và Tổ chức Hàng hải

quốc tế, thiết bị hòa trộn liên tục phải được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh theo nguyên

lý cấu tạo như trên hình 3.1.

Thiết bị hòa trộn liên tục nhiên liệu hoàn chỉnh sẽ có cấu tạo bao gồm hai phần:

- Phần thiết bị cơ khí (thiết bị hòa trộn);

- Hệ thống tự động điều khiển với các chức năng: tự động duy trì nhiệt độ chất

lỏng hợp lý, tự động duy trì tỷ lệ trộn giữa dầu thực vật (dầu cọ) và dầu diesel, tự

động duy trì mức cao và thấp của chất lỏng và một số chức năng về cảnh báo, báo

động,...

3.1.1. Thiết bị cơ khí

Phần thiết bị cơ khí là thiết bị hòa trộn chất lỏng kiểu cánh khuấy được thiết kế

làm việc liên tục, nghĩa là hỗn hợp nhiên liệu sau khi trộn liên tục được cấp vào động

cơ với chất lượng hòa trộn đạt tiêu chuẩn đề ra và luôn giữ ổn định. Thiết bị hòa trộn

kiểu cánh khuấy có cấu tạo với các phần tử cơ bản được thể hiện trên hình 3.2.

Thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục tương đối phức tạp do chất lượng làm việc của

thiết bị thường có những sự khác biệt đáng kể giữa tính toán lý thuyết và thực tế. Để

Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống hòa trộn liên tục

1

Từ két chứa dầu cọ

Từ két chứa dầu DO

Dầu đã hòa trộn đến động cơ

1. Thiết bị khuấy trộn; 2. Bộ hâm dầu; 3. Bơm dầu; 4. Lưu lượng kế; 5. Thiết bị hòa trộn tĩnh; 6. Van chặn; 7. Bộ điều khiển; 8. Tín hiệu đặt; 9. Động cơ.

3

4

5

6

2

4

7 8

9

-63-

có thể thiết kế và chế tạo được thiết bị hòa trộn liên tục đảm bảo về chất lượng, hoạt

động tin cậy và an toàn đáp ứng với những yêu cầu chung, cũng như yêu cầu đặc biệt

lắp đặt trên tàu thủy, thường phải kết hợp giữa tính toán lý thuyết và sử dụng các hệ số

thực nghiệm. Các thông số thiết kế chính của thiết bị hòa trộn liên tục là kích thước

của két trộn, kích thước và hình dạng của cánh khuấy, cánh cắt (cánh cản), công suất

cần thiết dẫn động và tốc độ của cánh khuấy.

Két trộn là bộ phận quan trọng của thiết bị hòa trộn thường có dạng hình trụ.

Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng: két trộn với đáy hình chỏm cầu trộn

tốt hơn loại đáy phẳng và tiêu thụ công suất thấp hơn. Nếu sử dụng cánh khuấy đơn và

đặt tại tâm của két trộn, thì phải chọn tỷ lệ tối ưu giữa đường kính của cánh khuấy và

chiều cao của chất lỏng trong két.

Cánh cắt là bộ phận có chức năng ngăn ngừa tạo xoáy (nguyên nhân gây nên

bọt khí trong chất lỏng) và tăng hiệu suất trộn. Thông thường số lượng cánh cắt là 4,

còn nếu chọn nhiều hơn thì hiệu quả sẽ cải thiện không nhiều.

Cánh khuấy có nhiệm vụ tuần hoàn chất lỏng trong két theo các chiều hướng

kính và hướng trục. Cánh khuấy được thiết kế với nhiều hình dáng khác nhau, có

những công dụng và ưu nhược điểm khác nhau. Tuy nhiên, cánh khuấy kiểu tua bin và

chân vịt được dùng phổ biến hơn cả. Kích thước của cánh khuấy được lựa chọn dựa

trên điều kiện làm việc và được quyết định thông qua các hệ số Reynolds, Froude, hệ

số công suất và các đặc tính liên quan khác. Vận tốc của cánh khuấy thường được xác

định tùy theo loại công chất hòa trộn và độ nhớt của chúng.

4

1

3

W

d

H

Z

L

B

D

2

Hình 3.2. Các phần tử cơ bản của thiết bị hòa trộn liên tục

1- Két trộn; 2- Trục quay; 3- Cánh khuấy; 4- Cánh cản

-64-

Thiết bị hòa trộn tĩnh /5/ trên hình 3.1 là thiết bị phụ trong hệ thống trộn nhiên

liệu liên tục, có chức năng hỗ trợ trong quá trình trộn nhiên liệu ở một số trường hợp

như: khi bắt đầu quá trình trộn, khi tàu làm việc trong điều kiện biển động, v.v.. Khi

thiết kế chế tạo hệ thống hòa trộn nhiên liệu, căn cứ vào thể tích của két trộn và

phương pháp trộn sẽ lựa chọn thiết bị hòa trộn tĩnh thích hợp. Vì vậy trong luận án sẽ

không đề cập đến việc tính toán thiết kế thiết bị hòa trộn tĩnh.

3.1.2. Hệ thống tự động điều khiển

Hệ thống tự động điều khiển quá trình trộn có các chức năng tự động duy trì,

đảm bảo nhiệt độ chất lỏng hợp lý, tỷ lệ trộn giữa dầu cọ và dầu diesel, mức chất lỏng

trong két và một số chức năng về cảnh báo, báo động,... Trên hình 3.3 và 3.4 là thuật

toán điều khiển và mạch điều khiển quá trình chuẩn bị, quá trình hòa trộn và cấp nhiên

liệu sau khi hòa trộn cho động cơ diesel thủy.

Hệ thống tự động kiểm soát hoàn chỉnh quá trình hoạt động của thiết bị hòa trộn

liên tục được xây dựng dựa trên cơ sở ứng dụng công nghệ lập trình PLC. Với công

nghệ PLC, việc lập trình và thiết kế các mạch tự động điều khiển và các mạch tự động

Hình 3.3. Sơ đồ thuật toán điều khiển cấp nhiên liệu

-65-

kiểm soát quá trình trộn nhiên liệu tương đối dễ dàng và đảm bảo hệ thống hoạt động

tin cậy.

3.2. Thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục

Cơ sở lý thuyết về trộn nhiên liệu liên tục đã được nêu tại Chương II, việc thiết

kế và chế tạo thiết bị hòa trộn liên tục sẽ dựa trên các tiêu chí được đặt ra để đáp ứng

tính hợp lý, hiệu quả và an toàn theo yêu cầu đối với các thiết bị lắp đặt trên tàu thủy.

Trên cơ sở các khái niệm cơ bản về thiết bị hòa trộn liên tục, để đạt được mục tiêu

thiết kế và chế tạo thiết bị cần phải nghiên cứu các vấn đề sau đây:

1. Xác định tính chất lý hóa của loại nhiên liệu trộn với nhau:

- Khả năng hòa trộn của nhiên liệu;

- Tỷ trọng, độ nhớt.

2. Lựa chọn loại cánh khuấy và vị trí đặt cánh khuấy;

3. Tính toán và lựa chọn kích thước của két trộn:

- Kích thước két trộn (đường kính, chiều cao...);

- Kết cấu két trộn (có cánh cắt, không có cánh cắt, đáy phẳng, đáy cầu...);

Hình 3.4. Sơ đồ mạch điều khiển thiết bị hòa trộn

-66-

4. Lựa chọn tốc độ của cánh khuấy:

- Trộn theo dòng chảy tầng hay dòng chảy rối;

- Năng suất bơm của cánh khuấy.

5. Thiết kế hệ thống tự động điều khiển phù hợp với yêu cầu của SOLAS 74

và Hiệp hội Đăng kiểm quốc tế;

6. Đảm bảo đáp ứng các điều kiện về môi trường như áp suất và nhiệt độ;

7. Áp dụng mô phỏng số và thử nghiệm trên cơ sở mô hình đồng dạng nhằm

đánh giá chất lượng trộn;

8. Chế tạo và kiểm tra sự hoạt động;

9. Lắp ghép vào hệ thống cấp nhiên liệu cụ thể và đánh giá sự tương thích;

10. Thử nghiệm thiết bị hòa trộn nhiên liệu với động cơ diesel trong phòng thí

nghiệm và trên tàu thủy.

Trong các vấn đề này, có thể phân chia thành 3 nhóm công việc khác nhau để

dễ dàng trong việc tiến hành thực hiện như sau:

1. Nhóm thứ nhất: Thiết kế và thử nghiệm mô hình để đánh giá chất lượng

thiết bị hòa trộn; bao gồm từ vấn đề thứ 1 đến vấn đề thứ 7;

2. Nhóm thứ hai: lắp ghép vào hệ thống cấp nhiên liệu và đánh giá khả năng

tương thích (vấn đề 9);

3. Nhóm thứ ba: Chế tạo thiết bị và thử nghiệm với động cơ diesel trong

phòng thí nghiệm và trên tàu thủy (vấn đề 8 và 10).

3.2.1. Thực hiện các bước thiết kế

Nhiệm vụ quan trọng của thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục kiểu khuấy là phải

đạt được độ đồng nhất cao, phá vỡ được các cấu trúc cao phân tử trong dầu cọ và đảm

bảo thời gian trộn thích hợp. Đồng thời thiết bị hòa trộn phải đáp ứng việc cấp nhiên

liệu liên tục cho sự làm việc của động cơ. Sơ đồ quá trình thiết kế thiết bị hòa trộn liên

tục được thể hiện trên hình 3.5.

-67-

a. Nhiên liệu hòa trộn

Mục tiêu của luận án là tạo ra nhiên liệu hỗn hợp bằng việc hòa trộn dầu cọ

nguyên chất (PO) với dầu diesel (DO) để sử dụng cho các động cơ diesel thủy cỡ vừa

và nhỏ đang khai thác. Trên bảng 3.1 là các thông số lý hóa của hai loại nhiên liệu hòa

trộn.

Hình 3.5. Sơ đồ quá trình thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục kiểu khuấy

Bắt đầu

Chức năng trộn - Chất lỏng-Chất lỏng; - Đặc tính chất lỏng; - Mục đích muốn đạt được

Lựa chọn loại cánh khuấy - Kiểu tua bin (thẳng, chéo); - Kiểu chân vịt; - Kiểu mỏ neo

Tính chọn - Kích thước két trộn; - Tốc độ cánh khuấy; - Công suất mô-tơ

Chọn vật liệu

Đánh giá (Bằng phần mềm mô phỏng)

Đánh giá Bằng thử nghiệm mô hình đồng dạng

Két trộn, cách nhiệt

Trục và cánh khuấy

Dữ liệu về: ăn mòn và xâm thực

Thiết kế chi tiết, bản vẽ

Chế tạo và lắp đặt

Phê duyệt: Cơ quan có thẩm quyền

-68-

Bảng 3.1. Các thông số lý hóa của nhiên liệu cần trộn

STT Thông số lý hóa Loại nhiên liệu

Dầu cọ (PO) Dầu diesel (DO)

1 Khối lượng riêng ở 150C [kg/m3] 922,5 850

2 Độ nhớt động học ở 400C [cSt] 40,24 2,6

3 Nhiệt trị thấp [MJ/kg] 37,11 43,4

4 Trị số Xê tan 52,92 42,89

5 Nhiệt độ đông đặc [0C] 16 -6

Các thông số lý hóa của dầu cọ và dầu diesel có liên quan trực tiếp đến quá

trình trộn và chất lượng trộn là khối lượng riêng, độ nhớt và nhiệt độ đông đặc.

b. Lựa chọn mô hình dòng chảy trộn và loại cánh khuấy

Trị số Reynolds và Froude phụ thuộc vào độ nhớt và khối lượng riêng của chất

lỏng. Các trị số này sẽ quyết định việc áp dụng mô hình dòng chảy nào trong quá trình

trộn để đạt được hiệu quả tốt nhất trong thời gian trộn xác định.

Mô hình dòng chảy được áp dụng để thực hiện trộn dầu cọ nguyên chất với dầu

diesel là mô hình dòng chảy tầng. Nếu thực hiện trộn theo mô hình dòng chảy rối (Re

> 104) sẽ xảy ra hiện tượng tạo xoáy chất lỏng trong két trộn và tạo bọt khí trong hỗn

hợp nhiên liệu.

Hình dạng cánh khuấy sẽ quyết định mô hình dòng chảy trong quá trình hòa

trộn và hiệu quả trộn nhiên liệu. Để đạt được chất lượng hòa trộn theo yêu cầu, cánh

khuấy được lựa chọn là loại tua bin cánh thẳng như trên hình 3.6.

Cánh khuấy dạng tua bin cánh thẳng tạo được dòng chảy tầng theo hai khu vực sẽ

ngăn ngừa đáng kể chất lỏng mới bổ sung vào két trộn làm ảnh hưởng đến chất lượng

chất lỏng tại cửa ra của két trộn. Với hình dạng đơn giản, cánh khuấy này có độ tin cậy

và độ bền vững cao, phù hợp cho bộ trộn được lắp đặt trên tàu thủy.

c. Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là động cơ diesel thủy lai chân vịt, loại động cơ 6LU32

của hãng HANSHIN (Nhật Bản). Động cơ này sẽ sử dụng nhiên liệu hỗn hợp được tạo

Hình 3.6. Cánh khuấy dạng tua-bin cánh thẳng

d

W

δ

-69-

ra từ thiết bị hòa trộn liên tục. Động cơ 6LU32 là động cơ diesel được thiết kế và chế

tạo để lắp đặt trên tàu thủy lai chân vịt (hay còn gọi là động cơ chính). Hiện tại động

cơ này đang được lắp đặt tại Trung tâm nghiên cứu động cơ diesel thủy – Trường Đại

học Hàng hải Việt Nam. Động cơ 6LU32 có các thông số kĩ thuật cơ bản được nêu tại

bảng 3.2.

Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của động cơ HANSHIN 6LU32

STT Thông số Giá trị Đơn vị

1 Đường kính xi lanh (D) 320 [mm]

2 Hành trình pít tông (S) 510 [mm]

3 Công suất định mức (Nđm) 970 [kW]

4 Số vòng quay ứng với công suất định mức 340 [v/ph]

5 Suất tiêu hao nhiên liệu định mức 200 [g/kW.h]

6 Tốc độ trung bình piston 5.78 [m/s]

7 Áp suất cháy lớn nhất 90 [bar]

8 Tỷ số nén 13

9 Chiều dài biên 918 [mm]

10 Góc mở sớm xu páp nạp - 1 500 [độ GQTK]

11 Góc đóng muộn xu páp nạp - 2 350 [độ GQTK]

12 Góc mở sớm xu páp xả - 4 550 [độ GQTK]

13 Góc đóng muộn xu páp xả - 5 500 [độ GQTK]

14 Góc phun sớm nhiên liệu - s 110 [độ GQTK]

15 Thứ tự làm việc 1-4-2-6-3-5

d. Tính chọn các thông số cơ bản của két trộn

Trên cơ sở lý thuyết nêu tại Chương II, thuật toán tính và lựa chọn các thông số

cơ bản của két trộn nhiên liệu được trình bày như trên hình 3.7.

-70-

Áp dụng các công thức (2.13), (2.23), (2.32), thông số trong các bảng (2.3),

(3.2) và lập trình trên phần mềm MATLAB, sẽ tính được các kích thước của két trộn

được nêu tại bảng 3.3.

Hình 3.7. Thuật toán tính chọn kích thước thiết bị hòa trộn

Công suất động cơ điện

clckckPCT dnNP 53

Lựa chọn loại cánh khuấy Tua bin; chân vịt; mỏ neo

Tính lưu lượng nhiên liệu qua két:

cl

eeCL

NgQ

600.3

Chọn sơ bộ tốc độ quay của cánh khuấy nck

Chọn các hệ số hình dạng (S1, S2, S3, S4, S5, S6)

Kiểm nghiệm độ phù hợp

42

10.

cl

clckcke

dnR

Kết quả Dkt, Hkt, dck, wck, Bck, Lck, Zck

Bắt đầu

Kết thúc

Đúng

Sai

Tính đường kính cánh khuấy

3

2 .54,1

4 ckck

ktm

CL

ktkt

dn

Vt

Q

HDCt

-71-

Bảng 3.3. Các thông số sau tính toán thiết bị hòa trộn

Thông số Ký

hiệu

Đơn vị Công thức tính Kết quả

Độ nhớt động lực

học chất lỏng

B cP Theo tính chất của nhiên liệu

PO20

76,2

kg/ms 0,0762

Khối lượng riêng ρB kg/m3 Theo tính chất của nhiên liệu 846,4

Công suất động cơ Ne kW Theo động cơ 970

Suất tiêu hao nhiên

liệu của động cơ

ge kg/kW.h Theo động cơ 0,2

Tốc độ trục khuấy nck v/p Chọn theo giá trị thực nghiệm

và các trị số vòng quay chuẩn

của nhà sản xuất mô tơ điện

60

rad/s 6,283

Lưu lượng hỗn hợp

dầu thoát ra khỏi

bộ trộn

QCL m3/h

CL

ee

CL

CLCL

NgmQ

.

0,199

Đường kính cánh

khuấy tối thiểu

dck m Tính trên cơ sở thời gian lưu

trữ trong két lớn hơn thời gian

khuấy trộn cần thiết:

3

2.54,1

4 ckck

ktm

cl

ktkt

dn

Vt

Q

HDt

0,197

Đường kính cánh

khuấy thiết kế

dck m Chọn 0,2

Chuẩn số Re Re Re=(nck.dck2.ρcl)/cl 3.042

Hệ số công suất N’p Tra bảng 3.6 7

Công suất cần thiết PCT kW gdnNP clckckPCT /53 48,9

Công suất tính toán

của động cơ điện

Pmotor kW Pmotor = N/ηtđ

ηtđ chọn là 0,9

54,3

Tính toán kích thước theo hệ số hình dạng:

;52,0/1/;61,0/6,0/

;405,0/2,0/;4,02,0/08,0/

;12,0/2,0/;32,0/6,0/

65

43

21

ckktckkt

ckckckck

ckckckkt

dHSBDS

WdSdLS

dZSdDS

-72-

Tổng hợp các thông số đã tính toán được, trên bảng 3.4 là kích thước của thiết

bị hòa trộn phù hợp cho động cơ 6UL32 của hãng HANSHIN (Nhật Bản) được lắp đặt

tại Trung tâm nghiên cứu động cơ diesel thủy (Trường ĐH Hàng Hải Việt Nam).

Bảng 3.4. Kích thước của bộ hòa trộn kiểu cánh khuấy

Đường

kính

két

Dkt [m]

Đường

kính

cánh

khuấy

dck[m]

Số

lượng

cánh

[chiếc]

Chiều

rộng

cánh

wck [m]

Chiều

dài

cánh

Lck

[m]

Số

lượng

cánh

cản

[chiếc]

Chiều

rộng

cánh

cản Bcc

[m]

Chiều

cao cột

chất

lỏng

Hkt [m]

Khoảng

cách từ

cánh đến

đáy két

Zck [m]

0,60 0,20 6 0,05 0,08 4 0,10 1,0 0,2

3.2.2. Vật liệu chế tạo và bản vẽ thiết bị hòa trộn

Dựa trên các tính chất lý hóa của dầu cọ nguyên chất, cũng như của hỗn hợp

dầu cọ-dầu diesel, đồng thời cũng với các qui định của Hiệp hội Đăng kiểm quốc tế,

vật liệu được chọn là:

- Thép không gỉ: chế tạo két trộn, cánh khuấy, trục truyền động;

- Cách nhiệt: loại vật liệu cách nhiệt không cháy;

- Vỏ bọc ngoài: tôn mạ kẽm;

- Mô-tơ lai cánh khuấy: loại đặc biệt, không phát tia lửa điện.

Thiết bị hòa trộn nhiên liệu có bản vẽ kĩ thuật như trên hình 3.8 và Phụ lục 4.

3.3. Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng mô phỏng số CFD

Với mục tiêu khảo sát được ảnh hưởng của các thông số thiết kế đối với sự

đồng đều pha của hỗn hợp nhiên liệu ở cửa ra của thiết bị hòa trộn liên tục, ở đây kết

quả nghiên cứu đã lựa chọn các thông số như: nhiệt độ, biên dạng cánh khuấy, vị trí

Hình 3.8. Bản vẽ bố trí kết cấu két trộn

50

200

200

80

1000

20

A A

A - A 100

600 10

-73-

đặt cánh và cửa ra từ đó nghiên cứu ảnh hưởng của số vòng quay và % dầu cọ trong

hỗn hợp.

Các trường hợp nghiên cứu cụ thể:

- Ấn định số vòng quay, thay đổi tỷ lệ hòa trộn của dầu cọ trong hỗn hợp:

Số vòng quay [v/p] 60 60 60

% tỷ lệ dầu cọ 10 20 30

Thời gian hòa trộn [s] 54 92 138

Dưới đây là kết quả thể hiện phân bố pha dầu cọ tại mặt cắt ngang nơi bố trí cửa

ra và phân bố theo mặt cắt dọc tương ứng với các trường hợp:

Hình 3.9. Mức độ hòa trộn 10% dầu cọ


-74-

Qua hình vẽ ta thấy rõ phân bố pha dầu cọ là khá đồng đều ở các tỷ lệ hòa trộn

khác nhau. Diện tích vùng được hòa trộn màu vàng đậm chiếm tỷ lệ lớn, vùng còn lại

dầu cọ cũng khá gần giá trị yêu cầu (màu vàng nhạt). Phân bố theo mặt cắt ngang tại vị

trí cửa thoát và phân bố theo mặt cắt dọc tâm đều cho thấy mức độ hòa trộn đồng đều

tốt.

- Ấn định tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp 20% và thay đổi tốc độ cánh khuấy:

Số vòng quay [v/p] 50 60 70

% pha dầu cọ 20 20 20

Thời gian hòa trộn [s] 143 92 95


Hình 3.12. Phân bố pha dầu cọ với số vòng quay 50 v/p

Khoảng cách đến trục quay của két trộn [m]

20%

-75-

Với số vòng quay là 50 v/p ta thấy % pha dầu cọ vẫn tập trung ở lân cận giá trị

20% nhưng với biên độ lớn hơn. Khi tăng số vòng quay lên 70 v/p ta thấy phân bố pha

dầu cọ không được cải thiện hơn nhiều so với trường hợp cánh khuấy quay 60 v/p.

Qua việc ứng dụng CFD mà cụ thể là phần mềm Fluent-Ansys để nghiên cứu về

bộ hòa trộn nhiên liệu cho thấy: trường hợp có số vòng quay cánh khuấy là 60 v/p là

hiệu quả nhất. Trong phần nghiên cứu thực nghiệm sẽ tiến hành theo số liệu của

trường hợp này.

3.4. Đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị bằng thử nghiệm mô hình

đồng dạng

Sử dụng phương pháp mô hình đồng dạng để kiểm tra độ chính xác về thiết kế

thiết bị hòa trộn liên tục thông qua việc xác định chất lượng trộn, thời gian trộn và các

khu vực “chết” của chất lỏng.



20%



20%

-76-

3.4.1. Tính toán hệ số đồng dạng và chế tạo thiết bị mô hình

Mô hình thiết bị hòa trộn liên tục trên cơ sở mô hình đồng dạng với thiết kế

thực theo tỷ lệ hình học 1/2 có sơ đồ như trong hình 3.15.

Két hòa trộn được chế tạo bằng vật liệu meka trong suốt nhằm quan sát rõ ràng

cơ chế khuấy trộn giữa 2 loại nhiên liệu khác nhau. Bộ khuấy trộn được trang bị một

trục khuấy được bố trí vòng bi đỡ ở phía đầu cánh khuấy, lai bởi một mô tơ điện lắp cố

định trên đỉnh két hòa trộn. Để điều chỉnh vòng quay của mô tơ theo đúng vòng quay

tính toán, ở đây sử dụng bộ điều chỉnh vòng quay trên cơ sở thay đổi điện áp cấp vào

mô tơ. Dầu diesel (DO) và dầu cọ được cấp từ 2 két riêng rẽ và được gia nhiệt bằng bộ

sấy trước khi cấp vào két hòa trộn. Nhằm tạo ra các tỷ lệ hòa trộn khác nhau, các van

điều chỉnh lưu lượng được lắp đặt ngay tại két. Độ mở van được tính toán, cân chỉnh

và xác định cụ thể trước khi thử nghiệm sao cho đảm bảo tỷ lệ hòa trộn đã định.

Hình 3.15. Sơ đồ nguyên lý mô hình đồng dạng bộ hòa trộn liên tục

1. Két dầu diesel (DO)

2. Két dầu cọ nguyên chất

3. Bộ sấy két dầu cọ

4. Kính kiểm tra mức

5. Van cấp điều chỉnh lưu

lượng

6. Động cơ điện

7. Bộ điều chỉnh vòng quay

8. Két hòa trộn

9. Cánh cản trong két

10. Vạch chỉ bảo mức két

11. Bộ sấy trong két hòa trộn

11. Cánh khuấy

12. Van xả điều chỉnh lưu

lượng

6

1

11

2 1

8

10 13

4

5

7

12

4

9

3

-77-

Để xác định được hệ số đồng dạng giữa mô hình và thiết bị thực, sẽ áp dụng

công thức (2.40) và công thức (2.43). Trên cơ sở các công thức này và chọn hệ số

đồng dạng phù hợp với thiết bị thí nghiệm sẵn có, sẽ tính được các thông số cơ bản về

kích thước và tốc độ của mô hình thiết bị hòa trộn như thể hiện trên bảng 3.5.

Bảng 3.5 Các thông số cơ bản của mô hình thiết bị hòa trộn

Đường

kính

két

Dktm

[m]

Chiều

cao

két

Hktm

[m]

Đường

kính

cánh

khuấy

dckm [m]

Chiều

rộng

cánh

Wckm

[m]

Chiều

dài

cánh

Lckm

[m]

Chiều

rộng

cánh

cắt

Bckm

[m]

Khoảng

cách từ

cánh đến

đáy két

Zckm [m]

Số

lượng

cánh

[chiếc]

Số

lượng

cánh

cắt

[chiếc]

Công suất

động cơ

điện cần

thiết [kW]

0,3 0,5 0,1 0,025 0,04 0,05 0,1 6 4 0,15

3.4.2. Thực hiện thí nghiệm đánh giá và phân tích

Phương pháp thí nghiệm nhằm mục đích đánh giá chất lượng hòa trộn hai loại

nhiên liệu theo các tỷ lệ khác nhau, mà thông số đặc trưng chính là thời gian cần thiết

để hòa trộn. Với thiết bị mô hình được chế tạo, thí nghiệm được tiến hành theo các

bước như sau:

- Gia nhiệt dầu thực vật trong két lên đến nhiệt độ 400C;

- Điều chỉnh lưu lượng vào và ra khỏi bộ hòa trộn sao cho đảm bảo mức chất

lỏng trong bình hòa trộn không đổi là 0,5m;

- Gia nhiệt và đảm bảo nhiệt độ trong bình chứa là 400C;

- Điều chỉnh tỷ lệ hòa trộn theo thể tích giữa dầu thực vật và dầu diesel: 5%,

10%, 15%, 20%, tương ứng với PO5, PO10, PO15, PO20;

- Tiến hành hòa trộn với vận tốc trục khuấy tính theo công thức 2.43:

]/[9510

2060

3

23

2

pvxd

dnn

ck

ckmckckm

- Đo thời gian hòa trộn trên cơ sở quan sát mức độ hòa trộn;

- Tiến hành lấy mẫu hòa trộn theo các mốc thời gian khác nhau;

- Kiểm tra chất lượng hòa trộn (bảng 3.6) của các mẫu trên kính hiển vi Nikon

YS100 tại Trung tâm Đào tạo và tư vấn khoa học Công nghệ bảo vệ môi trường thủy

với các thông số kỹ thuật như sau:

Trục xoay dịch chuyển theo chiều ngang trong khoảng 22mm

Độ dịch chuyển 0,2mm/ vòng xoay

-78-

Kích thước 155(W)x134(D) mm

Độ dịch chuyển 76(X)x40(Y) mm

Thước đọc với cấp chính xác 0,1mm

Cấp phóng đại: 4X; 10X; 40X; 100X

Độ phóng đại: 40X - 1000X

Bảng 3.6 Thời gian hòa trộn theo các tỷ lệ hòa trộn khác nhau

Tỷ lệ hòa trộn

Thời gian hòa

trộn cần thiết

[s]

Đánh giá mẫu theo thời gian trộn

T1 [s] Đánh giá

[%] T2 [s]

Đánh giá

[%]

PO5 35 60 95 120 98

PO10 47 60 96 120 98

PO15 87 100 96 200 100

PO20 108 120 95 240 100

PO20 on-line - 180 92 360 95

- Đánh giá chất lượng hòa trộn thông qua nhiệt độ đông đặc của hỗn hợp nhiên

liệu thu được theo TCVN3753:1995/ASTM D97. Phương pháp đánh giá này được ứng

dụng nhiều trong thực tế và rất phù hợp với điều kiện khai thác và các quy định sử

dụng nhiên liệu trên tàu khi thường xuyên làm việc tại các vùng nhiệt độ khác nhau.

Quá trình đo đạc được thực hiện tại Trung tâm Kỹ thuật Tiêu chuẩn đo lường chất

lượng Hải Phòng trên máy CRYOSMART1 của hãng ASTORI (Italia) với các thông

số kỹ thuật như sau:

Hệ thống làm lạnh với bộ điều khiển điện tử Peltier;

Nhiệt độ làm việc: từ +5°C đến +36°C;

Thể tích mẫu: 2 - 2,5 ml;

Thời gian phân tích: khoảng 2 phút;

Thời gian sấy nóng mẫu: 5 phút;

Kích thước: 29x47x35 cm (wxdxh) – Khối lượng: 12kg;

Bảng 3.7. Nhiệt độ đông đặc của các mẫu hòa trộn thử nghiệm

TT Loại mẫu Nhiệt độ đông đặc [0C]

1 Dầu diesel DO -6

-79-

2 Dầu cọ PO100 16

3 Hỗn hợp PO5 -3

4 Hỗn hợp PO10 -1

5 Hỗn hợp PO15 0

6 Hỗn hợp PO20 1

7 Hỗn hợp PO20 on-line 1

Một số nhận xét được rút ra như sau:

- Thời gian hòa trộn cần thiết càng ngắn đối với hỗn hợp có tỷ lệ dầu cọ càng

thấp. Điều này do tỷ trọng của dầu cọ lớn hơn dầu DO nên có xu hướng di chuyển

xuống đáy gần cánh khuấy;

- Nhiệt độ đông đặc của các mẫu hỗn hợp sau hòa trộn cho thấy khá tương đồng

so với mẫu chuẩn, nên có thể khẳng định thời gian hòa trộn đối với mỗi tỷ lệ hỗn hợp

là hoàn toàn phù hợp.

3.5. Kết quả mô phỏng quá trình cháy khi sử dụng với các loại hỗn hợp

nhiên liệu khác nhau

Mô phỏng quá trình cháy của động cơ 6LU32 được thực hiện bằng phần mềm

GT-Power. Kết quả tính toán áp suất môi chất công tác, nhiệt độ môi chất công tác, tốc

độ tỏa nhiệt của khí cháy và sự hình thành NOx trong động cơ tại chế độ định mức

(100% tải), 50% tải và 75% tải theo dầu diesel (DO) và nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ -

dầu diesel với các tỷ lệ hòa trộn khác nhau (PO10, PO20, PO30 và PO100) được thể

hiện trên các hình từ hình 3.16 tới 3.27.

Hình 3.16. Diễn biến áp suất môi chất trong xi lanh động cơ


Áp s

uất

[bar

]

Góc quay trục khuỷu [độ]

-80-

.



Nhi

ệt đ

ộ m

ôi c

hất

[0K

]




Tố

c đ

ộ tỏ

a n

hiệt

[J/

độ]


-81-

Áp

su

ất [

bar]




Hình 3.19. Sự phát thải NOx của động cơ


Nồn

g đ

ộ N

Ox [

ppm

]


-82-



Tốc

độ

tỏa

nhiệ

t [J

/độ]




Nhi

ệt đ

ộ m

ôi c

hất

[0K

]


-83-



Áp

suấ

t [b

ar]


Hình 3.23. Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ 50% tải

Nồn

g đ

ộ N

Ox [

ppm

]


-84-



Nhi

ệt đ

ộ m

ôi c

hất

[0K

]




Tốc

độ

tỏ

a nh

iệt

[J/đ

ộ]


-85-

Trên cơ sở kết quả mô phỏng ở trên, lập bảng so sánh sự sai khác các thông số

của quá trình cháy của động cơ khi làm việc với nhiên liệu hỗn hợp so với khi làm việc

với nhiên liệu truyền thống DO như trong bảng 3.8.

Bảng 3.8. So sánh kết quả mô phỏng thông số kỹ thuật của động cơ

Nhiên

liệu

THÔNG SỐ KỸ THUẬT

Áp suất cháy

lớn nhất [bar]

Tốc độ tỏa nhiệt

lớn nhất [J/độ]

Nhiệt độ môi chất

lớn nhất [K]

Nồng độ NOx lớn

nhất [ppm]

Giá

trị

Sai khác

so với

DO

Giá

trị

Sai khác

so với

DO

Giá trị Sai khác

so với

DO

Giá

trị

Sai khác

so với

DO

CHẾ ĐỘ TẢI ĐỊNH MỨC

DO 89,2 - 4.300 - 2.170 - 4.010 -

PO10 86,2 -3,36% 4020 -6,51% 2.064 -4,89% 3.200 -20,20%

PO20 85,8 -3,81% 4.000 -6,98% 2.058 -5,16% 3.150 -21,45%

PO30 85,1 -4,60% 3.950 -8,14% 2.030 -6,45% 2.800 -30,18%

PO100 83,9 -5,94% 3.850 -10,49% 1.980 -8,76% 2.500 -37,66%

Hình 3.27. Sự phát thải NOx của động cơ HANSHIN 6LU32 tại chế độ 75% tải

Nồn

g đ

ộ N

Ox [

ppm

]


-86-

CHẾ ĐỘ 50% TẢI

DO 67,1 - 2.150 - 1.447,9 - 2.320 -

PO10 65,8 -1,94% 1.920 -10,69% 1.384 -4,41% 1.800 -22,41%

PO20 65,7 -2,09% 1.910 -11,16% 1.380,9 -4,63% 1.750 -24,57%

PO30 65,4 -2,53% 1.870 -13,02% 1.365 -5,73% 1.680 -27,59%

PO100 64,8 -3.43% 1.800 -16,28% 1.335,5 -7,76% 1.490 -35,78%


DO 77,2 - 3.230 - 1.812,1 - 3.300 -

PO10 75 -2,85% 2.950 -8,67% 1.723,5 -4,89% 2.550 -22,73%

PO20 74,8 -3,11% 2.940 -8,98% 1.719,2 -5,13% 2.520 -23,64%

PO30 74,3 -3,76% 2.860 -11,45% 1.697,1 -6,35% 2.500 -24,24%

PO100 73,3 -5,05% 2.750 -14,86% 1.656,4 -8,59% 2.350 -28,79%

Từ kết quả mô phỏng quá trình cháy của nhiên liệu hỗn hợp trong động cơ

diesel 6LU32 khi làm việc với các nhiên liệu khác nhau được mô tả trên các đồ thị từ

3.16 đến 3.27 và bảng 3.8, có thể rút ra các nhận xét:

- Quá trình cháy trong xilanh của động cơ khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp diễn ra

tương tự quá trính cháy khi động cơ sử dụng dầu diesel DO. Tuy nhiên do sự có

mặt của dầu cọ trong hỗn hợp PO10, PO20, PO30 làm cho các thông số cơ bản

của quá trình cháy như áp suất cháy cực đại, nhiệt độ quá trính cháy và sự tỏa

nhiệt thấp hơn rõ rệt so với DO;

- Tải của động cơ càng thấp, thì sự khác biệt các thông số quá trình cháy giữa dầu

diesel và nhiên liệu hỗn hợp càng giảm đi. Ở chế độ cấp nhiên liệu 100%, sự

giảm về áp suất cháy cực đại giữa dầu diesel và PO100 là 5,94%, còn ở chế độ

cấp nhiên liệu 75% là 5,03% và chế độ tải 50% chỉ là 3,43%;

- Sự khác biệt rõ nét nhất giữa các loại nhiên liệu khác nhau là nồng độ khí NOx

hình thành trong xi lanh động cơ, giảm trên 20% ở các chế độ tải. Khi sử dụng

hỗn hợp dầu cọ với tỷ lệ càng cao, nồng độ NOx càng giảm.

Bên cạnh đó, công suất có ích và suất tiêu hao nhiên liệu có ích tại các chế độ

tải theo từng loại nhiện liệu hỗn hợp cũng được ghi lại và so sánh như trên bảng 3.9.

-87-

Bảng 3.9. So sánh công suất và suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ

Loại nhiên liệu Công suất có ích Ne [kW]

Suất tiêu hao nhiên liệu có ích ge

[g/kW.h]

Giá trị Sai khác so với DO Giá trị Sai khác so với DO

CHẾ ĐỘ TẢI ĐỊNH MỨC

DO 969 - 217 -

PO10 901 -7,02% 235 8,29%

PO20 897 -7,43% 235 8,29%

PO30 880 -9,19% 240 10,60%

PO100 848 -12,49% 250 15,21%


DO 472 - 209 -

PO10 435 -7,84% 228 9,09%

PO20 431 -8,69% 230 10,05%

PO30 421 -10,81% 235 12,44%

PO100 402 -14,83% 246 17,70%


DO 716 - 210 -

PO10 662 -7,54% 228 8,57%

PO20 659 -7,96% 229 9,05%

PO30 646 -9,78% 234 11,43%

PO100 620 -13,41% 244 16,19%

Có thể thấy được rằng, khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp, động cơ diesel sẽ sinh

ra công suất nhỏ hơn so với khi động cơ sử dụng dầu diesel, giá trị sai khác lớn nhất là

-14,83% ở chế độ tải 50%. Trong khi đó, suất tiêu hao nhiên liệu lại tăng lên rõ rệt và

đạt mức độ sai khác lớn nhất là 17,7%. Có sự khác biệt này là do nhiên liệu hỗn hợp

có nhiệt trị thấp nhỏ hơn, do đó khi cùng vị trí thanh răng nhiên liệu (cùng chế độ tải),

lượng nhiên liệu cần thiết phải lớn hơn.

-88-


- Trên cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế, đã xây dựng thuật toán tính toán thiết

kế các thông số của thiết bị hòa trộn liên tục;

- Đã thiết kế thiết bị hòa trộn liên tục với các kích thước cơ bản (kích thước két

trộn, kích thước cánh khuấy, động cơ điện) phù hợp cho động cơ diesel thủy đã lựa

chọn. Thiết bị có hệ thống tự động điều khiển và giám sát hoàn chỉnh được thiết kế

dựa trên công nghệ khả trình và lập trình PLC;

- Áp dụng mô phỏng kĩ thuật số CFD dựa trên phần mềm Fluent-Ansys mô

phỏng quá trình trộn nhiên liệu với các điều kiện ban đầu khác nhau như: vận tốc cánh

khuấy, tỷ lệ dầu cọ. Kết quả mô phỏng đã khẳng định các thông số kĩ thuật của thiết bị

hòa trộn nhiên liệu được tính toán là tương đối chính xác;

- Bên cạnh áp dụng mô phỏng số, đã tính toán và chế tạo mô hình đồng dạng

với kích thước nhỏ hơn phục vụ quan sát, đánh giá cơ chế khuấy trộn và chất lượng

hòa trộn của các loại nhiên liệu. Với những kết quả thử nghiệm lấy mẫu và phân tích

mẫu do bộ hòa trộn tạo ra, có thể khẳng định bộ hòa trộn cung cấp liên tục dầu cọ -

dầu diesel có thiết kế phù hợp, hoạt động hiệu quả, đảm bảo chất lượng nhiên liệu cấp

cho động cơ diesel;

- Sử dụng phần mềm mô phỏng GP-Power để đánh giá lý thuyết và so sánh quá

trình làm việc của động cơ khi sử dụng hỗn hợp hòa trộn với khi sử dụng nhiên liệu

DO. Các kết quả mô phỏng cho thấy những lợi thế của nhiên liệu hỗn hợp đối với các

quá trình cháy và công suất của động cơ, tuy suất tiêu hao nhiên liệu có xu hướng tăng,

tuy nhiên lại chỉ tiêu môi trường lại đạt được hiệu quả rõ rệt. Quá trình mô phỏng đánh

giá lý thuyết này là cơ sở quan trọng cho việc thực nghiệm trên động cơ thực tế trình

bày trong Chương 4.

-89-

CHƯƠNG 4

NGHIÊN CỨU THỬ NGHIỆM

4.1. Mục đích, chế độ và đối tượng thử nghiệm

4.1.1. Mục đích

- Đánh giá chất lượng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu DO do thiết bị hòa trộn

liên tục tạo ra với các tỷ lệ khác nhau: PO5, PO10, PO20, PO30.

- Đánh giá các chỉ tiêu kinh tế năng lượng và môi trường của động cơ diesel khi

sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu DO so với khi sử dụng dầu DO bằng thực

nghiệm mô phỏng số và thử nghiệm thực tế.

- Đánh giá khả năng thích ứng của thiết bị hòa trộn khi kết nối với hệ thống

nhiên liệu động cơ diesel thủy đang khai thác.

4.1.2. Chế độ thử nghiệm

- Thử nghiệm thiết bị hòa trộn với các tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp là: (10, 20,

30)%.

- Thử nghiệm động cơ tại phòng thí nghiệm làm việc với các chế độ 50% và

75% phụ tải.

- Thử nghiệm động cơ trên tàu Sao Biển làm việc với các chế độ 50% phụ tải.

4.1.3. Đối tượng thử nghiệm

- Động cơ HANSHIN 6UL32 và hệ thống nhiên liệu lắp đặt tại phòng thí

nghiệm Trung tâm nghiên cứu động cơ diesel tàu thủy, Trường Đại học Hàng hải Việt

Nam. Đây là dạng động cơ diesel thủy 4 kì, có tăng áp do hãng sản xuất động cơ

HANSHIN chế tạo, được sử dụng để làm động cơ chính lai chân vịt cho các loại tàu

chạy biển với trọng tải từ 1.500 DWT đến 2.500 DWT.

- Động cơ HANSHIN 6L27BSH và hệ thống nhiên liệu lắp đặt trên tàu Sao

Biển.

4.2. Xây dựng tiêu chí thử nghiệm thiết bị hòa trộn liên tục

Tiêu chí đánh giá thiết bị hòa trộn liên tục là những chỉ số mang tính định lượng

nhằm đánh giá chất lượng trộn của thiết bị hòa trộn liên tục, sự phù hợp của thiết bị

với hệ thống cấp nhiên liệu và khả năng ứng dụng của nhiên liệu hòa trộn được tạo ra

bởi thiết bị hòa trộn đối với các động cơ diesel thủy.

4.2.1. Cơ sở kĩ thuật và pháp lý để xây dựng tiêu chí đánh giá

- Các qui định của Hiệp hội Đăng kiểm quốc tế và các qui định về đặc tính kĩ

thuật của các hãng chế tạo động cơ diesel đối với hệ thống nhiên liệu của động

cơ diesel thủy;

-90-

- Các tiêu chí quốc tế đánh giá về chất lượng trộn của các thiết bị hòa trộn chất

lỏng được ứng dụng trong công nghiệp;

- Các qui định của Hiệp hội Đăng kiểm và các qui định về đặc tính kĩ thuật của

các hãng chế tạo động cơ đối với quá trình công tác của động cơ diesel thủy;

- Các điều luật mang tính ràng buộc kĩ thuật đối với động cơ diesel thủy và các

hệ thống phục vụ động cơ được nêu tại Công ước quốc tế SOLAS 74;

- Các điều luật mang tính ràng buộc mang tính pháp lý về bảo vệ môi trường

được nêu tại Phụ lục VI, Công ước quốc tế MARPOL 73/78.

4.2.2. Các tiêu chí đánh giá phục vụ thử nghiệm

Với cách đặt vấn đề như vậy, các tiêu chí được xây dựng để phục vụ thử

nghiệm đánh giá thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu diesel cho các động cơ diesel

thủy như sau:

1. Mức độ đồng nhất của hỗn hợp dầu cọ và dầu diesel theo một tỷ lệ nhất định do

thiết bị hòa trộn tạo ra là sự phân bố đồng đều các phần tử dầu cọ và các phần

tử dầu diesel trong một đơn vị diện tích màng hỗn hợp nhiên liệu được soi qua

kính hiển vi hoặc đánh giá qua nhiệt độ đông đặc của hỗn hợp nhiên liệu hòa

trộn. Yêu cầu của tiêu chí này là mức độ đồng nhất phải lớn hơn 95% hoặc sự

sai khác nhiệt độ đông đặc so với mẫu dầu tiêu chuẩn không quá 20%;

2. Mức độ “phá vỡ” các thành phần cao phân tử (thành phần mỡ) trong dầu thực

vật đến kích thước đủ nhỏ để không làm ảnh hưởng đến quá trình lưu động của

nhiên liệu qua các lỗ phun của vòi phun. Thông thường, các kích thước của

thành phần cao phân tử dầu cọ trong nhiên liệu hỗn hợp phải đạt từ 1/5 đến 1/10

đường kính lỗ phun của vòi phun;

3. Tiêu chí đánh giá sự phù hợp của thiết bị hòa trộn liên tục với hệ thống cấp

nhiên liệu của động cơ diesel thủy và các chỉ số định lượng bao gồm:

- Áp suất phun nhiên liệu tại vòi phun của nhiên liệu hỗn hợp so với dầu

diesel không có sự khác biệt trên 5%;

- Lưu lượng cấp nhiên liệu vào động cơ của nhiên liệu hỗn hợp so với dầu

diesel không quá 1%;

- Thời điểm cấp nhiên liệu vào động cơ của nhiên liệu hỗn hợp so với dầu

diesel không quá 5%.

4. Tiêu chí đánh giá khả năng sử dụng nhiên liệu hỗn hợp với các tỷ lệ dầu cọ

khác nhau đối với động cơ diesel và các chỉ số định lượng như sau:

- Áp suất cháy cực đại Pzmax [kG/cm2];

- Nhiệt độ cháy cực đại Tzmax [0K];

- Thời gian cháy trễ [s hoặc 0GQTK].

5. Tiêu chí đánh giá về đáp ứng môi trường khi sử dụng nhiên liệu thay thế

- Các chỉ số kĩ thuật được nêu rất cụ thể tại Phụ lục VI của Công ước quốc tế

MARPOL 73/78 về hàm lượng chất độc hại trong khí thải.

-91-

4.3. Cơ sở vật chất phục vụ thử nghiệm tại phòng thí nghiệm

4.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm

Thiết bị hòa trộn liên tục được thực hiện thử nghiệm nhằm kiểm tra các thông số

kĩ thuật tại phòng thí nghiệm Trung tâm nghiên cứu động cơ diesel tàu thủy, Trường

Đại học Hàng hải Việt Nam với các thiết bị đo đạc và các thiết bị phục vụ khác có độ

chính xác cao. Mô hình thí nghiệm được đề xuất để xây dựng và phục vụ mục đích thí

nghiệm của luận án như trên hình 4.1.

Hệ thống thử nghiệm bao gồm hai phần: hệ động lực tàu thủy và các hệ thống

phục vụ bao gồm hệ thống nhiên liệu (mục tiêu để nghiên cứu).

Hệ động lực tàu thủy bao gồm: động cơ diesel thủy loại HANSHIN 6LU32

(Nhật Bản) (1), hộp giảm tốc (2), hệ thống phanh thủy lực (thay cho chân vịt để tạo

tải) (3). Các thiết bị đo đạc quá trình làm việc của động cơ diesel bao gồm: đầu đo áp

suất cháy trong xi lanh (6), camera chụp ảnh và quay video quá trình cháy (7), thiết bị

Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống thử nghiệm

1- Động cơ 6LU32; 2-Hộp giảm tốc; 3- Phanh thủy lực; 4- Thiết bị đo vòng quay; 5-

Thiết bị định vị ĐCT; 6- Thiết bị đo áp suất cháy; 7- Camera; 8- Phin lọc tinh; 9- Bơm

cấp nhiên liệu; 10- Bộ trộn liên tục; 11- Lưu lượng kế; 12- Bầu lọc ly tâm; 13- Bầu

hâm; 14- Bơm vận chuyển; 15- Phin lọc thô; 16- Két dầu thừa; 17- Van xả nhiên liệu

17

11

12 14 13

10 11 12 15

7 DO BIO

DO 16

10

2

9

8

BỘ XỬ LÝ

MÀN HÌNH

1 2 3

4

6 7

TÍN HIỆU VÀO

5

11

11

HỆ ĐỘNG LỰC DIESEL THỦY

-92-

đo vòng quay và định vị điểm chết trên của piston (4) và (5). Đầu đo áp suất sẽ đo quá

trình thay đổi áp suất trong xi lanh một cách liên tục theo thời gian và theo góc quay

trục khuỷu. Thiết bị camera sẽ chụp ảnh và quay video hình ảnh quá trình cháy xảy ra

trong xi lanh từ thời điểm nhiên liệu phun vào xi lanh cho đến kết thúc quá trình cháy.

Phanh thủy lực sẽ tạo tải chính xác cho động cơ theo yêu cầu nghiên cứu từ tải nhỏ

nhất đến toàn tải. Hệ thống nhiên liệu được thiết kế dành cho động cơ diesel thủy có

thể cho phép động cơ chạy được bằng nhiên liệu DO và FO. Hệ thống có cấu tạo điển

hình của một hệ thống nhiên liệu phục vụ động cơ diesel thủy bao gồm: các két dự trữ

nhiên liệu DO hoặc FO, két trực nhật, két dầu cặn (16). Bên cạnh đó, hệ thống cũng có

bộ phận làm sạch nhiên liệu: bầu lọc ly tâm (12), bầu hâm (13), các bơm (14) và phin

lọc thô (15), các bơm cấp nhiên liệu (9), phin lọc tinh (8) và van xả bên dưới thiết bị

hòa trộn (17) dùng để lấy mẫu thử cũng được trang bị.

Các thiết bị nêu trên của hai bộ phận đều đã được trang bị và lắp đặt tại Trung

tâm nghiên cứu động cơ diesel thủy. Để phục vụ cho mục đích thí nghiệm đánh giá sự

hoạt động của thiết bị hòa trộn liên tục giữa dầu thực vật (dầu cọ) và dầu DO, cùng với

đánh giá khả năng sử dụng nhiên liệu hỗn hợp sau khi trộn đối với động cơ diesel thủy,

hệ thống nhiên liệu cũ được lắp đặt thêm thiết bị hòa trộn liên tục (10), két chứa dầu

thực, các thiết bị đo lưu lượng (11) và một số van chặn khác. Với việc lắp đặt thêm

thiết bị hòa trộn liên tục sẽ không làm thay đổi chức năng của hệ thống nhiên liệu, mà

vẫn cho phép hệ thống nhiên liệu có thể hoạt động như cũ nếu cần thiết.

4.3.2. Các thiết bị đo phục vụ thử nghiệm

4.3.2.1. Phanh thủy lực

Phanh thủy lực Omega 1500 do hãng AVL ZOLLNER GMBH - Cộng hòa Áo

chế tạo là thiết bị tạo tải cho động cơ. Các thông số kĩ thuật của động cơ diesel cũng

như của phanh thủy lực được thể hiện tại bảng 3.3 và 4.1 theo thứ tự. Quá trình thử

nghiệm được thực hiện với 2 chế độ tải dùng cho động cơ diesel thủy theo tiêu chuẩn

là 485kW (50%) và 730kW (75%). Các thông số công tác của động cơ như: công suất,

mô men, nhiệt độ khí thải, áp suất quá trình cháy trong xi lanh, quá trình cháy thật xảy

ra trong xi lanh, thành phần các chất trong khí thải... đều được đo đạc và ghi lại một

cách chính xác bằng hệ thống thiết bị chuyên dụng của hãng AVL sẽ được giới thiệu ở

phần sau.

Bảng 4.1. Các thông số kĩ thuật cơ bản của phanh thủy lực Omega 1500

STT Các thông số Giá trị

1 Công suất cho phép, [kW] 1.500

2 Vòng quay, [v/phút] 4.800

3 Mô men cho phép, [Nm] 9.500

-93-

4 Nhiệt độ tối đa cho phép của công chất, [oC] 60

5 Lưu lượng nước công tác, [m3/h] 31,5

6 Áp suất của nước công tác, [bar] ≥ 0,3

7 Độ chính xác, [%] ± 0,2

Hình ảnh tổng thể về trang thiết bị của Trung tâm nghiên cứu động cơ diesel

thủy được thể hiện trong Phụ lục 5.

4.3.2.2. Các thiết bị đo

- Hệ thống thu thập số liệu từ động cơ của hãng AVL, Cộng hòa Áo:

+ Gồm 16 kênh tương tự, 05 kênh áp suất, 06 kênh nhiệt độ, 01 kênh góc quay

trục khuỷu, 01 kênh mô men, 03 kênh cho các tín hiệu khác;

+ Sai số các cảm biến trong dải công tác không quá 2%;

+ Các thiết bị cảm biến đảm bảo làm việc được trong điều kiện nhiệt độ môi

trường đến 8000C: 04 bộ cảm biến, biến đổi áp suất 100mbar – 40 bar;

01 bộ cảm biến áp suất khí quyển 800 – 1200mbar; 06 bộ cảm biến nhiệt độ đến

6500C; 01 bộ cảm biến góc quay trục khuỷu;

- Thiết bị giám sát áp suất quá trình cháy Indimodul 621 (đo áp suất công tác, vẽ

đồ thị) đảm bảo đo đạc 06 kênh áp suất cháy, 01 kênh áp suất phun với độ chính

xác cao, phần mềm xử lý, tính toán và hiển thị số liệu dạng số và dạng đồ thị,

bao gồm:

+ Bộ cảm biến và xử lý tín hiệu áp suất cháy tốc độ cao với 06 cảm biến Piezo

thạch anh, sai số < 0,01%;

+ 01 cảm biến áp suất phun nhiên liệu cao áp (đến 200Mpa);

+ Mô đun xử lý dữ liệu sau đo (Data Post Processing Concerto) kèm phần mềm

lập công thức tính toán, xử lý đồ họa.

- Thiết bị nghiên cứu quá trình công tác động cơ bằng hình ảnh VisioScope bao

gồm 01 cảm biến quang, camera cao tốc, ống nội soi và các thiết bị biến đổi tín

hiệu, xử lý dữ liệu:

+ Chụp hình ảnh trong buồng đốt với tốc độ cao, độ phân giải động 12bit, tốc

độ chớp 10 micro đến 10 ms;

+ Ống nội soi có làm mát với các góc nhìn 0, 30, 70 độ;

+ Phần mềm phân tích hình ảnh quá trình cháy động cơ diesel, đảm bảo tính

toán, hiển thị phân bố ngọn lửa trong buồng đốt, dải nhiệt độ 1800 – 30000K;

-94-

- Hệ thống đo, kiểm soát khí thải AMA i60 R1 và bộ chia khí theo tiêu chuẩn

IMO, bao gồm: cảm biến quang hóa CLD, ion hóa FID, CO, CO2 NDIR, O2. Hệ

thống đảm bảo xác định chính xác hàm lượng các chất có hại trong khí thải

(NOx, O2, HC, CO, CO2) theo các chỉ tiêu của Tổ chức hàng hải thế giới IMO;

- Thiết bị đo áp suất cháy cực đại pz, kiểu loại 2516A của hãng Kistler với các

thông số kỹ thuật như trong bảng 4.2.

Bảng 4.2 Thông số kỹ thuật của thiết bị đo áp suất cháy cực đại Pz

Phạm vi đo [bar] 0 – 250

Độ nhạy của cảm biến [mV/bar] 4 – 40

Độ chính xác của giá trị áp suất đo ≤ ±0,5

Phạm vi vòng quay trục khuỷu [1/phút] 25 – 4000

Phạm vi nhiệt độ đo [oC] 0 – 50

Số lượng bộ nhớ 2

Số lần đo và ghi lại của mỗi bộ nhớ 20

Kết nối máy tính RS-232C

Kích thước [mm] 62x92x45

Trọng lượng [g] 350

Khả năng hoạt động liên tục của pin [giờ] 3

- Thiết bị hòa trộn liên tục được thiết kế và chế tạo như đề cập tại Chương III;

- Bên cạnh đó còn có các thiết bị khác như: nhiệt kế, áp kế, thiết bị đánh giá tình

trạng kĩ thuật của vòi phun và bơm cao áp, đồng hồ bấm giây, thiết bị đo sự tiêu

hao nhiên liệu, bầu hâm nhiên liệu.

4.3.2.3. Kính hiển vi

Phục vụ đánh giá chất lượng trộn dầu cọ với dầu diesel (DO) đối thiết bị hòa

trộn liên tục sau khi đã được lắp ghép vào hệ thống cấp nhiên liệu của động cơ diesel

6LU32, kính kính hiển vi Axio Lab.A1 được sử dụng. Kính hiển vi được đặt tại Trung

tâm Đào tạo và tư vấn khoa học Công nghệ bảo vệ môi trường thủy với các thông số

kỹ thuật cơ bản như sau:

Kích thước 309(W) x 215(D) x 467(H) mm

Tiêu cự 30mm

Bóng đèn Halogen HAL50/12V 50W

Độ dịch chuyển 75x30mm

-95-

Camera 5MP (kích thước 1 điểm ảnh: 2µm x 2µm)

Cấp phóng đại: 5X; 10X; 20X; 50X; 100X.

Năng lực của kính hiển vi Axio Lab. A1:

Phóng đại nhiều cấp và cho phép quan sát rõ nét hình ảnh của vật thể cần

nghiên cứu;

Có khả năng chụp ảnh với chất lượng cao các hình ảnh của các mẫu

nghiên cứu;

Cho phép đo đạc được các kích thước của vật thể nghiên cứu với độ

chính xác cao.

4.3.3. Nhiên liệu thử nghiệm

- Dầu cọ nguyên chất được mua từ Malaysia với các tính chất lý, hóa được phân

tích theo tiêu chuẩn Việt Nam và Hoa Kì như tại Bảng 1-12, Chương I;

- Dầu diesel có nguồn gốc hóa thạch (DO) được mua tại Việt Nam với các tính

chất lý, hóa được phân tích theo tiêu chuẩn Việt Nam như tại Bảng 1-12,

Chương I;

- Sử dụng thiết bị hòa trộn nhiên liệu đã được thiết kế và chế tạo để tạo ra nhiên

liệu hỗn hợp với các tỷ lệ hòa trộn khác nhau: PO5, PO10, PO15, PO20, PO30.

Các tính chất lý hóa học của nhiên liệu hỗn hợp đã được phân tích theo tiêu

chuẩn Việt Nam như thể hiện tại Bảng 1-12, Chương I;

- Bên cạnh đó, thiết bị hòa trộn cũng được trang bị bộ hâm nhiên liệu để đảm bảo

độ nhớt của nhiên liệu hỗn hợp trước khi cấp vào động cơ.

4.4. Các kết quả thực nghiệm

4.4.1. Kết quả thử nghiệm đánh giá chất lượng trộn

Như đã nêu tại phần 4.1.2 về tiêu chí đánh giá chất lượng trộn của thiết bị hòa

trộn liên tục là mức độ đồng nhất và kích thước của các thành phần cao phân tử trong

hỗn hợp. Qui trình lấy mẫu và đánh giá như sau:

- Thực hiện trộn dầu cọ với dầu DO theo tỷ lệ 5%, 10%, 15%, 20% theo từng

thời gian trộn được định trước là: 60s, 100s, 120s theo mẻ và chỉ thực hiện trộn liên

tục đối với thành phần dầu cọ 20%. Nếu chất lượng trộn liên tục đối với hỗn hợp có

thành phần dầu cọ cao đến 20% được khẳng định là tốt, thì đối với các trường hợp trộn

với thành phần dầu cọ thấp hơn sẽ hoàn toàn khả thi;

- Lấy mẫu thử nghiệm (mẫu nhiên liệu hỗn hợp) qua van lấy mẫu /17/ hình 4.1.

cho chứa vào ống nghiệm (hình PL5.9);

-96-

- Đưa các mẫu về phòng thí nghiệm và thực hiện soi, chụp ảnh, đo đạc kích cỡ

của các thành phần cao phân tử trong hỗn hợp.

Theo qui trình như vậy, hình ảnh chụp chi tiết các mẫu thử nghiệm được nêu tại

Phụ lục 3 và trên hình 4.2 là mẫu thử nghiệm PO20 và hình ảnh chụp được trên kính

hiển vi Axio Lab.A1.

Trên cơ sở hình ảnh các mẫu thử nghiệm đối với hỗn hợp dầu cọ-dầu diesel, các

kết quả đo đạc và phân tích các mẫu này được thể hiện trên bảng 4.3.

Bảng 4.3. Kết quả kiểm tra hòa trộn các mẫu thử nghiệm

Tỷ lệ hòa trộn Thời gian trộn [s] Đánh giá [%] Kích thước hạt dầu

lớn nhất [µm]

PO5 - mẫu 1 60 98 26

PO5 - mẫu 2 120 100 15

PO10 - mẫu 1 60 95 42

PO10 - mẫu 2 120 100 15

PO15 - mẫu 1 100 95 47

PO15 - mẫu 2 200 95 51

PO20 - mẫu 1 120 100 15

PO20 - mẫu 2 240 100 8

PO20 On-line - mẫu 1 180 95 35

PO20 On-line - mẫu 2 360 100 12

Nhận xét:

- Chất lượng hòa trộn được soi trên kính hiển vi đối với 2 mẫu thử ở 2 thời

điểm khác nhau cho thấy mức độ đồng nhất trên 95%;

Hình 4.2. Mẫu PO20 chụp qua kính hiển vi

Trước khi hòa trộn Sau khi hòa trộn liên tục

-97-

- Ở chế độ hòa trộn liên tục, kích thước hạt dầu cọ chưa hòa tan hết lớn nhất là

35 µm với thời gian hòa trộn 3 phút, là 12 µm với thời gian hòa trộn 6 phút. Với kích

thước lỗ phun của đầu vòi phun đông cơ 6LU32 là 0,20mm (200μm), thì kích thước

hạt dầu cọ không làm ảnh hưởng đến chất lượng phun nhiên liệu vào buồng đốt động

cơ.

4.4.2. Kết quả thử nghiệm và đánh giá sự hoạt động của động cơ 6LU32 sử

dụng nhiên liệu hỗn hợp do thiết bị hòa trộn liên tục tạo ra

Toàn bộ quá trình thử nghiệm thực tế với động cơ 6LU32 được thực hiện ở 2

chế độ tải 50% và 75% với các loại nhiên liệu khác nhau: DO, hỗn hợp dầu cọ - dầu

DO hòa trộn liên tục với tỷ lệ tương ứng là 10% và 20% (PO10 và PO20). Các thông

số đo và phân tích bao gồm: áp suất cháy trong xi lanh, lượng nhiệt tỏa ra, nhiệt độ

cháy và nồng độ các thành phần trong khí xả. Trong quá trình thử nghiệm, quá trình

phun nhiên liệu và quá trình cháy của động cơ cũng được ghi lại qua thiết bị camera

chuyên dụng VisioScope.

4.4.2.1. Áp suất cháy trong xi lanh động cơ

Thay đổi áp suất cháy trong xi lanh của động cơ 6LU32 và áp suất cháy cực đại

ở hai chế độ tải 50% và 75% được đo lại và thể hiện trên đồ thị hình 4.3 và bảng 4.6.

Hình 4.3. Đồ thị áp suất cháy đo thực tế của động cơ 6LU32

-98-

Bảng 4.6. Giá trị áp suất cháy cực đại đối với các loại nhiên liệu khác nhau

Chế độ tải

của động cơ

Áp suất cháy cực đại [bar] Sự chênh lệch

lớn nhất [%] DO PO10 PO20

50% 65,808 64,352 64,106 2,59

75% 76,321 73,555 72,068 5,58

Trên cơ sở các số liệu về áp suất cháy lớn nhất trong xi lanh động cơ đo đạc thực tế

trên các động cơ và số liệu lấy được từ mô phỏng quá trình cháy, lập bảng so sánh như

trên Bảng 4.7.

Bảng 4.7. So sánh giá trị áp suất cháy cực đại giữa số liệu đo đạc thực tế

và số liệu theo mô phỏng

STT CẤP NHIÊN LIỆU ÁP SUẤT CHÁY CỰC ĐẠI, [105 Pa]

Đo MP Sai số, [%]

Nhiên liệu DO

1 75% 76,321 77,2 -1,14

2 50% 65,808 67,1 -1,93

Nhiên liệu PO10

1 75% 73,555 75 -1,93

2 50% 64,352 65,8 -2,20

Nhiên liệu PO20

1 75% 72,068 74,8 -3,65

2 50% 64,106 65,7 -2,43

Kết quả cho thấy:

- Diễn biến thay đổi áp suất trong xi lanh của động cơ khi làm việc với các loại

nhiên liệu khác nhau là tương đồng, sai khác lớn nhất về áp suất cháy cực đại so

với dầu diesel đối với nhiên liệu PO20 là 5,58%;

- Sự sai khác lớn nhất về áp suất cháy cực đại giữa mô phỏng với áp suất cháy đo

được thực tế đối với các loại nhiên liệu khác nhau được ghi nhận ở chế độ tải

75% là - 3,65%;

-99-

4.4.2.2. Sự cháy trễ của các loại nhiên liệu

Để đánh giá sự cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau theo lý thuyết để làm

cơ sở khẳng định khả năng sử dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel cho động cơ

diesel thủy, áp dụng công thức (2.61) cho kết quả như trên bảng 4.8.

Bảng 4.8. Thời gian cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau

Mức độ

cháy trễ

[oGQTK]

Loại nhiên liệu

DO PO5 PO10 PO15 PO20 PO25 PO30 PO100

2,1978 2,2049 2,2127 2,2158 2,2181 2,2231 2,2279 2,3003

Tăng

[oGQTK]

và [%] so

với DO

-

-

0,007

0,30

0,0140

0,60

0,018

0,80

0,020

0,910

0,025

1,1

0,030

1,365

0,101

4,595

Như vậy, trong cùng một điều kiện về kĩ thuật của động cơ diesel về chế độ làm

việc (vòng quay, công suất), tình trạng kĩ thuật (tỷ số nén) như nhau, thì sự cháy trễ

của các loại nhiên liệu so với dầu diesel có thể được đánh giá như sau:

- Dầu cọ nguyên chất có độ cháy trễ lớn hơn so với dầu diesel là 0,101 độ góc

quay trục khuỷu và tăng là 4,595%;

- Nhiên liệu hỗn hợp từ PO5 đến PO15 có sự cháy trễ không khác biệt nhiều so

với dầu diesel. Nhiên liệu PO5 cháy muộn hơn so với dầu diesel là 0,3%, còn

nhiên liệu PO15 có sự khác biệt là 0,8%;

Trong quá trình thử nghiệm trên động cơ 6LU32 đối với dầu diesel (DO), PO10

và PO20, tách phần thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu so với điểm chết trên ở hai

chế độ tải 50% và 75% và dựng đồ thị như trên hình 4.4 và 4.5.

TDC )10,( PODOd

)20(POd



-100-

Trên cơ sở kết quả sự khác nhau về thời điểm bắt đầu cháy theo đồ thị hình 4.6,

tiến hành chuyển đổi từ độ góc quay trục khuỷu sang đơn vị thời gian phục vụ đánh

giá sự cháy trễ của các loại nhiên liệu hỗn hợp khác nhau so với dầu diesel truyền

thống. Tổng hợp sự khác biệt về thời điểm bắt đầu cháy của các loại nhiên liệu tính

theo thời gian được thể hiện như trên bảng 4.9.

Bảng 4.9. Thời điểm bắt đầu cháy sớm của nhiên liệu so với ĐCT

STT CHẾ ĐỘ TẢI

[kW]

Thời điểm bắt đầu cháy sớm so với ĐCT [s]

DO PO10 PO20

1 485 0,0017 0,0017 0,0008

2 730 0,0021 0,0016 0,0012

Như vậy, nếu lấy điểm bắt đầu cháy của dầu diesel làm tiêu chuẩn để đánh giá

thời điểm bắt đầu cháy của các nhiên liệu hỗn hợp khác sẽ cho thấy:

- Ở chế độ 50% tải (485kW), thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp

PO10 khá trùng với thời điểm bắt đầu cháy của dầu diesel; Nhiên liệu PO20 có

thời điểm bắt đầu cháy chậm hơn so với dầu diesel hơn 2 lần (0,0008s);

- Ở chế độ tải 75% (730kW), thời điểm bắt đầu cháy của các loại nhiên liệu hỗn

hợp không giống như trường hợp tải nhỏ, mà bắt đầu có sự phân hóa cao hơn.

Cụ thể, thời điểm bắt đầu cháy của nhiên liệu hỗn hợp PO10 không trùng với

dầu diesel nữa, mà chậm hơn khoảng 1,31 lần, còn PO20 chậm hơn so với dầu

diesel là 1,75 lần.

Sự cháy trễ của các loại nhiên liệu khác nhau là hoàn toàn phù hợp với cơ chế

làm việc của động cơ diesel với dầu diesel và nhiên liệu hỗn hợp được thử nghiệm.

Tuy có sự khác biệt về sự cháy trễ giữa các loại nhiên liệu với nhau khi so sánh với

)(DOd

)10(POd

)20(POd

TDC



-101-

dầu diesel, nhưng về giá trị tuyệt đối (được tính bằng phần nghìn của giây) thì rất nhỏ,

không gây ảnh hưởng lớn đến quá trình cháy của nhiên liệu trong động cơ diesel thủy.

Bên cạnh đó, sự khác biệt về thời điểm bắt đầu cháy ở chế độ tải cao so với chế độ tải

thấp hơn là hoàn toán đúng qui luật, bởi ở chế độ tải cao sự chuẩn bị nhiên liệu cho

quá trình cháy hoàn thiện hơn, nhiên liệu bắt đầu cháy sớm hơn và sự khác biệt giữa

thời điểm bắt đầu cháy của các nhiên liệu hỗn hợp so với dầu diesel càng rõ nét hơn.

Để thấy được sự khác nhau về thời điểm bắt đầu cháy cũng như diễn biến quá

trình cháy thực tế xảy ra trong xi lanh, có thể nghiên cứu thông qua các hình ảnh ghi

lại bằng hệ thống thiết bị quan sát VisioScope như trên hình 4.6 và 4.7.

Hình 4.6. Thời điểm bắt đầu quá trình cháy nhiên liệu trong xi lanh

Hình 4.7. Thời điểm cháy lớn nhất trong xi lanh

-102-

Có thế thấy rằng, thời điểm cháy muộn dần xảy ra khi tỷ lệ dầu cọ trong hỗn

hợp tăng lên. Trên hình 4.18, cũng cho thấy, tại các thời điểm cháy lớn nhất trong xi

lanh, PO20 vẫn không cháy hoàn toàn và sinh ra nhiều khói do thành phần mỡ trong

dầu cọ cháy không hết. Điều này sẽ dẫn đến tạo muội, gây tắc vòi phun và các sự cố

kỹ thuật khác.

4.4.2.3. Áp suất phun nhiên liệu vào động cơ

Việc đo quá trình thay đổi áp suất phun nhiên liệu vào động cơ sẽ giúp đánh giá

được sự ảnh hưởng của nhiên liệu hỗn hợp (trong đó có thành phần dầu cọ) đến quá

trình thay đổi áp suất phun nhiên liệu, đến thời điểm bắt đầu phun, thời gian phun và

lưu lượng phun nhiên liệu vào động cơ. Trên hình 4.8 biểu thị áp suất phun nhiên liệu

vào trong xi lanh của động cơ.

Hình 4.8. Áp suất phun nhiên liệu

-103-

Trên cơ sở các thông số đo đạc được, tách các thông số đặc trưng như: thời

điểm bắt đầu phun nhiên liệu, thời điểm kết thúc phun nhiên liệu, thời lượng phun

nhiên liệu và áp suất phun nhiên liệu như được thể hiện trên bảng 4.10 và bảng 4.11.

Bảng 4.10. Thời điểm và áp suất phun nhiên liệu vào động cơ

CHẾ

ĐỘ

TẢI

[kW]

Thời điểm bắt đầu

phun nhiên liệu

[oGQTK]

Thời điểm kết thúc

phun nhiên liệu

[oGQTK]

Tổng thời gian phun

[oGQTK]

DO PO10, PO20 DO PO10, PO20 DO PO10, PO20

485 -12,2 -10,2 0,5 2,8 12,7 13,0

730 -11,2 -9,2 4,2 6,6 15,4 15,8

Bảng 4.11. Thời điểm và giá trị cực đại của áp suất phun nhiên liệu

ÁP SUẤT PHUN NHIÊN LIỆU [bar]

CHẾ

ĐỘ TẢI

[kW]

LOẠI NHIÊN LIỆU & THỜI ĐIỂM ĐẠT ÁP SUẤT CAO NHẤT

DO PO10 PO20

Áp suất Thời điểm Áp suất Thời điểm Áp suất Thời điểm

485 314 -7,2 305 -6,2 300 -6,2

730 495 -1,2 486 -0,2 472 -0,2

Từ các số liệu của bảng 4.10 và 4.11 cho thấy:

- Thời điểm bắt đầu phun nhiên liệu đối với dầu diesel (DO) sớm hơn 2 [oGQTK]

so với các hỗn hợp nhiên liệu PO10 và PO20;

- Áp suất phun nhiên liệu lớn nhất đối với các loại nhiên liệu là khác nhau và thời

điểm đạt giá trị áp suất phun lớn nhất cũng khác nhau (Bảng 4.11). Áp suất

phun lớn nhất đối với dầu diesel ở chế độ 50% tải là 314 bar, trong khi đối với

PO20 chỉ là 300 bar.

4.4.2.4. Đánh giá sự thay đổi của lưu lượng phun nhiên liệu

Áp dụng công thức (2.63) tính toán lượng nhiên liệu cấp vào động cơ khác nhau

đối với các loại nhiên liệu khác nhau ở cùng chế độ vòng quay định mức của động cơ

cho kết quả trên bảng 4.12.

-104-

Bảng 4.12. Lượng cấp nhiên liệu theo lý thuyết đối với mỗi loại nhiên liệu

TỐC ĐỘ

[v/ph]

LƯỢNG NHIÊN LIỆU CẤP VÀO ĐỘNG CƠ GHI CHÚ

DO PO10 PO20

340 53,88 54,25 54,68 g/s

340 3,1 3,12 3,15 g/chu trình

Sự khác nhau so

với DO (%) - 0,68 1,50

Bảng 4.13 cho thấy các số liệu đo đạc lượng phun nhiên liệu của vòi phun từ

thiết bị cân bơm cao áp tại phòng thí nghiệm của Khoa Máy, Trường Đại học Hàng hải

Việt Nam.

Bảng 4.13. Lượng cấp nhiên liệu theo đo đạc đối với mỗi loại nhiên liệu

Lượng nhiên liệu

phun/lần (chu trình), [g]

Loại nhiên liệu

DO PO10 PO20

Q [g] 3,14 3,15 3,17

Sự khác nhau so với nhiên

liệu DO [%] 0 0,38 0,82

Từ kết quả này có thể thấy được xu hướng biến thiên lưu lượng phun của các

hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu diesel, với tỷ lệ dầu cọ càng cao trong hỗn hợp thì lưu

lượng phun càng lớn.

Hình 4.9. Sự sai khác lưu lượng phun so với nhiên liệu DO

-105-

4.4.2.5. Đặc tính tỏa nhiệt của động cơ

Trên hình 4.10 ghi lại lượng nhiệt tỏa ra khi nhiên liệu bị đốt cháy trong động

cơ diesel 6UL32 ở các chế độ tải thử nghiệm (50% và 75% tải).

Từ kết quả này, cho thấy:

- Ở cả hai chế độ 50% và 75% tải, lượng nhiệt tỏa ra của dầu diesel trong xi lanh

của động cơ là cao nhất và giảm dần theo tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp nhiên liệu

pha trộn. Sự khác biệt này hoàn toàn phù hợp với diễn biến khi nghiên cứu lý

thuyết.

- Ở chế độ tải càng lớn, sự thay đổi lượng nhiệt tỏa ra đối với các loại hỗn hợp

nhiên liệu có tỷ lệ dầu cọ dưới 10% là không nhiều và tương đương nhau.

Hình 4.10. Nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu

-106-

4.4.2.6. Hàm lượng chất độc hại trong khí thải động cơ diesel

Để đánh giá những ảnh hưởng tới môi trường khi sử dụng nhiên liệu thay thế,

cần xem xét kết quả đo đạc và phân tích thành phần các chất độc hại như: NOx, CO,

CO2, HC, trong đó đặc biệt lưu ý đến thành phần NOx, vì đây là thành phần gây ảnh

hưởng rất lớn đến môi trường. Về vấn đề này, Công ước MARPOL 73/78 của Tổ chức

Hàng hải Quốc tế đã đưa thành Phụ lục VI và yêu cầu các nước thành viên từng bước

phải tuân thủ. Phụ lục VI đã qui định mức giới hạn phát thải cho phép lớn nhất đối với

động cơ diesel thủy như trên bảng 4.14.

Bảng 4.14. Tiêu chuẩn về NOx trong khí thải động cơ diesel thủy [3]

LOẠI ĐỘNG CƠ TIÊU CHUẨN QUI ĐỊNH VỀ NOx [g/kW.h]

THEO IMO ĐỐI VỚI ĐỘNG CƠ 6UL32

n<130v/p 17,0 Động cơ 6LU32 với vòng quay định

mức là 320v/p; tiêu chuẩn về NOx

là:14,19 [g/kW.h] 130<n<2000 v/p 45.n-2

n>=2000 v/p 9,8

Quá trình đo đạc hàm lượng các chất khí độc hại có trong khí thải khi sử dụng

các loại nhiên liệu khác nhau được thực hiện khi cho động cơ hoạt động ở chế độ 50%

tải thu được số liệu như trên bảng 4.15 và hình 4.11.

Bảng 4.15. Hàm lượng chất NOx trong khí thải động cơ diesel 6LU32

HÀM LƯỢNG NOx TRONG KHÍ THẢI ĐỘNG CƠ

DO PO10 PO20

ppm g/kWh ppm g/kWh Ppm g/kWh

940,45 19,4 894,06 18,6 576,62 13,6

Qua phân tích các thông số này, có thể rút ra kết luận:

- Hàm lượng chất NOx trong khí thải khi sử dụng dầu diesel cao hơn so với khi

sử dụng nhiên liệu hỗn hợp (đạt 19,4 g/kW.h). Khi sử dụng PO20, nồng độ NOx

đạt tiêu chuẩn của IMO (13,6 g/kW.h so với tiêu chuẩn là 14,19 g/kW.h);

- Hàm lượng các chất CO2, CO và HC cũng đạt giá trị thấp khi sử dụng nhiên

liệu hỗn hợp PO20, còn các loại hỗn hợp nhiên liệu khác tương đương với

trường hợp của dầu diesel. Mức phát thải các thành phần này giảm do hỗn hợp

nhiên liệu có chứa sẵn lượng nguyên tử ô xy trong phân tử dầu cọ nên nhiên

liệu cháy kiệt hơn.

-107-

Tóm lại, nếu sử dụng nhiên liệu hỗn hợp với thành phần nhiên liệu sinh học cao sẽ

cải thiện được chất lượng khí xả thải ra môi trường với nồng độ NOx thấp hơn nhiều so

với khi sử dụng dầu diesel. Đây chính là một trong những giải pháp để xử lý các động

cơ diesel thủy đang được lắp đặt và sử dụng trên nhiều con tàu đạt được chất lượng khí

thải theo tiêu chuẩn của Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO).

4.4.3. Các kết quả thử nghiệm trên tàu Sao Biển

Thử nghiệm thiết bị hòa trộn liên tục hỗn hợp dầu diesel và dầu cọ nguyên chất

đối với hệ thống nhiên liệu động cơ lai chân vịt của tàu thực tập “Sao Biển” thuộc

Trường Đại học Hàng hải được thực hiện từ ngày 13/5 đến ngày 20/5/2013.

Mục đích của việc thử nghiệm nhằm kiểm định khả năng làm việc thực sự của

thiết bị hòa trộn liên tục khi lắp đặt trên tàu thủy khi con tàu làm việc trong điều kiện

khai thác thực tế và môi trường thực tế. Bên cạnh đó, cũng đánh giá khả năng ứng

dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel làm nhiên liệu thay thế trên tàu. Các kết

quả nghiên cứu sẽ được đánh giá thông qua đo đạc các thông số kỹ thuật của động cơ:

công suất, vòng quay, suất tiêu hao nhiên liệu, các thông số của quá trình cháy, các

thông số về khí xả. Để chuẩn bị cho quá trình thử nghiệm, thiết bị hòa trộn nhiên liệu

được đưa xuống tàu Sao Biển và lắp đặt trực tiếp vào hệ thống cấp nhiên liệu của động

cơ lai chân vịt. Các thiết bị đo được sử dụng bao gồm: thiết bị đo áp suất cháy lớn nhất

của hãng Kistler (Đức), thiết bị đo vòng quay từ xa, thiết bị đo nhiệt độ từ xa, thiết bị

đo lượng tiêu hao nhiên liệu, thiết bị đo áp suất cháy cực đại.

Hình 4.11. Hàm lượng các chất độc hại trong khí thải động cơ diesel 6UL32

-108-

4.4.3.1. Các thông số cơ bản của tàu Sao Biển và động cơ chính

Tàu Sao Biển là loại tàu được dùng để huấn luyện sinh viên. Tàu được đóng tại

Nhật Bản vào năm 1970 phục vụ công tác huấn luyện cùng một lúc 48 sinh viên, đủ

điều kiện để chạy trên các tuyến cận hải và được chuyển giao cho Trường Đại học

Hàng hải Việt Nam từ năm 1995. Tàu được trang bị một máy chính, hai máy phát điện

đều sử dụng dầu diesel. Các thông số cơ bản của tàu và động cơ như trên bảng 4.16.

Bảng 4.16. Các thông số cơ bản của tàu và động cơ chính

Các thông số cơ bản của tàu Sao biển và của động cơ chính

Loại tàu Huấn luyện Loại động cơ HANSHIN

6L27BSH

Chiều dài 37 m Số xi lanh 6

Chiều rộng 7,8 m Đường kính xi lanh, [mm] 270

Mớn nước 2,7 m Hành trình piston, [mm] 400

Dung tích 300 GT Công suất định mức, [kW] 515

Công suất động

cơ chính

700 ml Vòng quay định mức, [v/ph] 400

Vận tốc tàu 11,8 hl Suất tiêu hao nhiên liệu, [g/ml.h] 163

Năm sản xuất 1969 Áp suất cháy cực đại [kG/cm2] 65

4.4.3.2. Các kết quả thử nghiệm

Trên bảng 4.17 là số liệu đo áp suất, suất tiêu hao nhiên liệu và công suất của

động cơ được thực hiện bằng các thiết bị gắn trên động cơ. Quá trình thử nghiệm được

tiến hành khi tàu Sao Biển chở 48 sinh viên đi thực tập theo tuyến đường “Hải Phòng-

Cát Bà” và ngược lại. Nhiên liệu được sử dụng ở đây là: DO, PO5 và PO10, do yêu

cầu của chủ tàu chỉ cho phép thực hiện nhiên liệu với hàm lượng dầu cọ nguyên chất

đến 10%. Điều kiện khí tượng: nhiệt độ 27oC; áp suất khí quyển 1,016 bar; gió thổi

cấp 4 và sóng cấp 3.

Bảng 4.17. Thông số công tác ghi lại của động cơ 6L27BSH

Thông

số

DO PO5 PO10

1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6

HÀNH TRÌNH HẢI PHÒNG – CÁT BÀ

Pc [bar] 30 33 32 32 32 32 31 30 33 32 32 32 31 33 32 32 32 32

Pz [bar] 41 45 44 40 43 42 40 44 43 40 41 41 40 43 42 40 41 40

Tkx[oC] 315 300 305 305 300 300 317 310 308 310 305 300 320 315 312 315 310 310

-109-

Ge[kg/h] 50,1 51,3 51,6

nđc[v/p] 295 290 290

HÀNH TRÌNH CÁT BÀ – HẢI PHÒNG

Pc [bar] 30 33 32 32 32 32 30 33 32 32 32 32 33 32 32 32 32 30

Pz [bar] 41 43 42 40 43 42 40 42 41 40 41 41 40 42 41 40 41 40

Tkx[oC] 315 300 305 305 300 300 320 310 310 305 310 315 325 315 312 306 315 315

Ge[kg/h] 49,9 51,4 51,5

nđc[v/p] 295 295 295

Bên cạnh việc sử dụng thiết bị đo áp suất gắn trên động cơ, thiết bị đo áp suất

Pz của hãng Kistler (Đức) cũng được dùng nhằm kiểm chứng lại các kết quả đo. Trên

bảng 4.18 là các số liệu đo đạc được theo một số thông số cơ bản.

Bảng 4.18. Tổng hợp các số liệu đo

Loại

dầu

Vòng

quay

[v/ph]

Áp suất

Pz [bar]

Công suất

[ml]

Lượng tiêu thụ

nhiên liệu

[kg/h]

Suất tiêu hao nhiên

liệu [g/ml.h]

Dầu DO

Lần 1 296 41,5 294 51,9 176,5

Lần 2 299 41,0 301 52,8 175,4

Lần 3 301 41,2 306 53,2 173,8

Lần 4 300 41,3 304 52,9 174,0

Hỗn hợp dầu diesel – dầu thực vật PO5

Lần 1 293 40,3 283,8 49,9 175,8

Lần 2 290 40,1 275,4 49,7 180,4

Lần 3 289 40,2 272,7 49,5 181,5

Lần 3 291 39,8 275,5 49,6 180,0

Hỗn hợp dầu diesel – dầu thực vật PO10

Lần 1 296 38,6 293 52,1 177,8

Lần 2 295 39,1 289 51,9 179,5

Lần 3 294 39,0 286,6 51,8 180,7

Lần 4 292 38,8 272,3 49,9 183,2

-110-

Trên hình 4.12 là các đồ thị quá trình cháy của các loại nhiên liệu trong động cơ

chính trên tàu Sao Biển.

4.4.3.3. Nhận xét kết quả thử nghiệm

a. Về quá trình cháy

- Áp suất cháy trong các xilanh của động cơ chính khi hành trình trên biển là khá

đồng đều nhau. Diễn biến quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ đúng theo qui

luật thông thường quá trình cháy trong động cơ diesel;

- Áp suất cháy cực đại trong xi lanh đối với mỗi loại nhiên liệu có sự khác nhau.

Khi động cơ làm việc với dầu diesel, áp suất cháy cực đại lớn hơn khoảng từ

2% đến 3% so với khi động cơ làm việc với PO5 và PO10.

b. Công suất và suất tiêu hao nhiên liệu

- Công suất của động cơ chính lai chân vịt ở điều kiện khai thác hiện tại khoảng

220kW (50% tải), khi cho động cơ làm việc với nhiên liệu DO, PO5 và PO10

động cơ đều tạo ra công suất tương đương nhau;

- Suất tiêu hao nhiên liệu có sự khác nhau khi động cơ làm việc với các loại

nhiên liệu khác nhau. Suất tiêu hao nhiên liệu đối với dầu diesel là thấp nhất,

còn suất tiêu hao nhiên liệu PO5, PO10 là tương đương nhau.

Hình 4.12. Đồ thị áp suất cháy với các loại nhiên liệu khác nhau

-111-

c. Về thiết bị hòa trộn liên tục

- Trong suốt hành trình trên biển, thiết bị hòa trộn liên tục làm việc khá ổn định,

kể cả khi có sóng lên đến cấp 5 và tàu bị lắc mạnh;

- Chất lượng nhiên liệu hỗn hợp được thiết bị hòa trộn liên tục tạo ra đảm bảo các

chỉ tiêu và được khẳng định thông qua các thông số làm việc của động cơ.


- Với các kết quả thử nghiệm đánh giá về chất lượng trộn của thiết bị hòa trộn

liên tục bằng các phương pháp hiện đại, có thể khẳng định rằng: chất lượng của

nhiên liệu hỗn hợp (dầu cọ - dầu diesel) hoàn toàn đáp ứng được các tiêu chí về

độ đồng nhất và kích thước của các thành phần cao phân tử có trong dầu cọ;

- Các thông số về quá trình cháy đo trực tiếp và hình ảnh chụp được trên động cơ

6UL32 cho thấy: áp suất cháy cực đại, thời gian cháy trễ, áp suất phun nhiên

liệu, sự tỏa nhiệt khi sử dụng nhiên liệu hỗn hợp với tỷ lệ PO10, PO20 khá

tương đồng với khi sử dụng nhiên liệu DO;

- Các thông số đo đạc về thành phần khí độc hại trong khí thải khi sử dụng nhiên

liệu hỗn hợp cũng có những cải thiện đáng kể so với khi sử dụng dầu diesel.

Đây chính là một trong những thế mạnh được kì vọng khi sử dụng nhiên liệu

hỗn hợp dầu cọ - dầu diesel làm nhiên liệu thay thế cho động cơ diesel thủy;

- Các kết quả thử nghiệm trên tàu Sao Biển với đối tượng là động cơ diesel lai

chân vịt được lắp đặt trên tàu thực tế, sử dụng nhiên liệu hỗn hợp trong hành

trình từ Hải Phòng – Cát Bà và ngược lại, tuy ở chế độ 50% tải, nhưng cho

thấy: các thông số khai thác kỹ thuật và kinh tế của động cơ hoàn toàn tương tự

như khi động cơ sử dụng dầu diesel (DO), đặc biệt, hệ thống thiết bị hòa trộn

liên tục hoàn toàn tương thích với hệ thống nhiên liệu sẵn có trên các tàu, làm

việc hiệu quả, có thể lắp đặt dễ dàng, không mất nhiều không gian chiếm chỗ.

-112-

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Kết luận:

Từ các kết quả nghiên cứu của luận án, có thể rút ra một số kết luận sau:

1. Trong giai đoạn hiện nay, ở nước ta để sử dụng hiệu quả nhiên liệu và giảm

thiểu ô nhiễm do khí thải động cơ gây ra cho môi trường trong lĩnh vực vận tải

thủy, việc lựa chọn ứng dụng nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel (DO)

làm nhiên liệu thay thế cho các động cơ diesel được lắp đặt trên tàu thủy là hợp

lý. Nếu chọn nhiên liệu khí (LPG, LNG) làm nhiên liệu thay thế sẽ đòi hỏi phải

cải tiến khá nhiều hệ thống nhiên liệu và đặc biệt là vấn đề an toàn cháy nổ trên

tàu thủy, nên đòi hỏi suất đầu tư cao; còn nếu chọn nhiên liệu diesel sinh học sẽ

không kinh tế do giá thành đắt và cần phải có cả một qui mô lớn nhà máy sản

xuất nhiên liệu diesel sinh học;

2. Thiết bị hòa trộn liên tục là phương án khả thi để có thể đưa nhiên liệu hỗn hợp

dầu thực vật - dầu diesel làm nhiên liệu thay thế sử dụng trên tàu. Phương pháp

này khắc phục được trở ngại về tính ổn định thấp của nhiên liệu hỗn hợp khi cất

trữ dài ngày, có chi phí đầu tư thấp, lắp đặt, vận hành khai thác đơn giản và phù

hợp trong điều kiện cơ sở hạ tầng nhiên liệu sinh học hiện nay ở Việt Nam. Hơn

nữa, hệ thống thiết bị hòa trộn nhiên liệu có cơ chế hoạt động ổn định, tin cậy,

kết nối dễ dàng trong các hệ thống nhiên liệu hiện có dưới tàu và không cần đến

bất kì sự thay đổi nào khác;

3. Luận án đã xây dựng được phương pháp tính toán thiết bị hòa trộn nhiên liệu

liêu tục cho các loại động cơ diesel thủy khác nhau và đưa ra mô hình kết nối

thiết bị trong các hệ thống nhiên liệu tàu thủy hiện tại. Các kết quả thử nghiệm

mẫu nhiên liệu tạo ra bằng phương pháp mô phỏng số, mô phỏng đồng dạng và

thiết bị chế tạo thực tế đều cho các kết quả tốt và khẳng định chất lượng hòa

trộn của các hỗn hợp đảm bảo các yêu cầu đặt ra;

4. Qua các lần thử nghiệm tại phòng thí nghiệm và lắp đặt vào hệ thống nhiên liệu

của động cơ diesel trên tàu Sao Biển cho thấy: thiết bị hòa trộn liên tục hoạt

động ổn định, đảm bảo được yêu cầu về chất lượng, độ an toàn, tin cậy của thiết

bị. Sau thời gian trộn 6 phút, kích thước lớn nhất của hạt dầu cọ là 12µm, nhỏ

hơn kích thước của lỗ phun khoảng 15 lần và đạt được độ đồng nhất trên 95%;

5. Các kết quả tính toán lý thuyết và thực nghiệm chỉ ra rằng: ứng với các chế độ

tải khác nhau, khi sử dụng hỗn hợp dầu cọ - dầu DO, áp suất và nhiệt độ cực đại

của quá trình cháy, công suất động cơ đều bị giảm so với khi sử dụng dầu DO.

Trong khi đó, suất tiêu hao nhiên liệu tăng lên và tăng tỷ lệ với hàm lượng dầu

cọ trong hỗn hợp nhiên liệu. Các kết quả trên là hoàn toàn phù hợp do nhiệt trị

-113-

thấp của hỗn hợp nhiên liệu và đặc biệt là dầu cọ nguyên chất thấp hơn nhiều so

với dầu DO;

6. Khi sử dụng hỗn hợp nhiên liệu dầu cọ - dầu DO, các chỉ tiêu về môi trường

được cải thiện đáng kể. Ở tất cả các chế độ tải, hàm lượng NOx đều giảm đáng

kể và khi hàm lượng dầu cọ trong hỗn hợp càng tăng, mức độ giảm NOx càng

lớn. Điều này hoàn toàn phù hợp với kết quả tính toán nhiệt độ cực đại của khí

cháy trong xi lanh khi mô phỏng chu trình công tác của động cơ;

7. Các kết quả nghiên cứu của luận án có thể áp dụng cho các động cơ diesel lắp

trên các tàu thuyền đang khai thác và làm tài liệu tham khảo tốt cho việc đào tạo

sau Đại học chuyên ngành Khai thác, bảo trì tàu thủy.

Kiến nghị:

1. Cần thử nghiệm thiết bị hòa trộn liên tục và nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật -

dầu diesel (DO) dài ngày xuống một số loại phương tiện vận tải thủy khác nhau

để đánh giá chính xác về độ tin cậy, độ an toàn, cũng như tính kinh tế của thiết

bị hòa trộn và nhiên liệu hỗn hợp trên tàu thủy;

2. Cần tiếp tục triển khai các kết quả nghiên cứu của luận án với các loại nhiên

liệu sinh học có sẵn khác tại Việt Nam như: dầu ăn đã qua sử dụng, mỡ cá các

loại, dầu thực vật cho các tàu vận tải thủy nội địa và cận hải.

-114-

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ LIÊN

QUAN ĐẾN LUẬN ÁN

[1] PGS. TSKH. Đặng Văn Uy, ThS. Trần Thế Nam (tháng 11/2010). Biodiesel

– Tiềm năng ứng dụng trên các động cơ diesel tàu thủy ở Việt Nam. Tạp chí

Khoa học – Công nghệ Hàng hải số 24. ISSN 1859-316X.

[2] PGS. TSKH. Đặng Văn Uy, PGS.TS. Nguyễn Đại An, ThS. Trần Thế Nam

(tháng 01/2013). Nhiên liệu biodiesel và giải pháp chuyển đổi động cơ diesel

tàu thủy sang sử dụng hỗn hợp nhiên liệu biodiesel và diesel dầu mỏ. Tạp chí

Cơ khí Việt Nam. ISSN 0866-7056.

[3] Tran The Nam (13-15 October 2014). Potential Application on On-line

Blending Diesel Oil with Vegetable Oil for Vietnamese fleet. The Asia

Maritime & Fisheries University Forum, Tokyo, Japan.

[4] ThS. Trần Thế Nam, PGS. TSKH. Đặng Văn Uy, PGS.TS. Nguyễn Đại An

(tháng 4/2015). Nghiên cứu bộ hòa trộn dầu cọ - dầu diesel cung cấp liên tục

cho động cơ diesel tàu thủy đang khai thác. Tạp chí Khoa học & Công nghệ,

Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội số 27. ISSN 1859-3585.

[5] Prof. DSc. Dang Van Uy, Prof. Dr. Nguyen Dai An, MSc. Tran The Nam

(Jul-Aug 2015). Introduction to a Fuel Continuous Mixer for Marine Diesel

Engines’ Application. Jounal of Shipping and Ocean Engineering (JSOE),

Volume 5, Number 4, David Publishing Company (USA). ISSN 2159-5879.

[6] PGS. TSKH. Đặng Văn Uy, ThS. Trần Thế Nam (tháng 10/2015). Nghiên

cứu phương pháp đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị trộn nhiên liệu

liên tục dầu thực vật – dầu diesel cho động cơ diesel thủy. Tạp chí Giao

thông Vận tải. ISSN 2354-0818.

[7] Prof. DSc. Dang Van Uy, Prof. Dr. Nguyen Dai An, MSc. Tran The Nam

(October 2015). A study on combustion of blended straight vegetable oil in

cylinders of marine diesel engines. Journal of the Korean Society of Marine

Engineering, Volume 39, No. 8. ISSN 2334-7925.

-115-

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Tài liệu tham khảo tiếng Việt

[1] Bộ Giao thông Vận tải (2013). Quy phạm phân cấp và đóng tàu tàu biển.

[2] Bộ Khoa học Công nghệ (2009). Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về xăng,

nhiên liệu diesel và nhiên liệu sinh học. QCVN 1:2009/BKHCN.

[3] Công ước Quốc tế MARPOL 73/78, 2002.

[4] Công ước Quốc tế SOLAS 74, 2002.

[5] Cục Đăng kiểm Việt Nam. Sổ đăng ký kỹ thuật tàu biển Việt Nam 2010.

[6] Cục Đường sông Việt Nam. Số liệu thông kê 1993 – 2009.

[7] Cục Hàng hải Việt Nam (2011). Tổng hợp số liệu phương tiện giao thông

thủy trong cả nước tính đến 30/6/2011.

[8] Quyết định số 1427/QĐ-TTg, chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng

năng lượng tiết kiệm và hiệu quả giai đoạn 2012-2015 (tháng 10/2012).

[9] Quyết định số 177/2007/QĐ-TTg, Đề án phát triển nhiên liệu sinh học đến

năm 2015, tầm nhìn đến năm 2025 (tháng 11/2007).

[10] GS. TSKH. Phạm Văn Lang (1996). Đồng dạng - Mô hình - Thứ nguyên

ứng dụng trong kỹ thuật cơ điện nông nghiệp. Nhà xuất bản Nông nghiệp,

Hà Nội.

[11] GS. TS. Lê Viết Lượng (2001). Lý thuyết động cơ diesel. NXB Giáo dục,

Hà Nội.

[12] PGS. TSKH. Đặng Văn Uy và nhóm nghiên cứu (2014). Đề tài Khoa học

cấp Bộ “Nghiên cứu giải pháp công nghệ và chế tạo thử nghiệm hệ thống

thiết bị chuyển đổi động cơ diesel tàu thủy cỡ vừa và nhỏ sang sử dụng

hỗn hợp dầu thực vật-dầu diesel”. Mã số ĐT.04.11/NLSH.

[13] PGS. TS. Lương Công Nhớ, TS. Đặng Văn Tuấn (1995). Khai thác hệ

động lực tàu thủy. Nhà Xuất bản GTVT, Hà Nội.

[14] PGS. TS. Nguyễn Thạch (tháng 2/2011). Báo cáo tổng hợp Đề tài

“Nghiên cứu thiết kế, chế tạo cụm thiết bị chuyển đối sử dụng trực tiếp

dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ diesel”. Trường Đại học Công

Nghiệp Tp.Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh.

[15] PGS. TS. Lê Anh Tuấn và nhóm nghiên cứu (2012). Đề tài Khoa học cấp

-116-

Bộ “Nghiên cứu khả năng tương thích của động cơ nổ thế hệ cũ sử dụng

xăng sinh học có tỷ lệ etanol E100 lớn hơn 5%”. Mã số ĐT.06.11/NLSH,

2012.

[16] PGS. TS. Nguyễn Hoàng Vũ và nhóm nghiên cứu (2013). Đề tài Khoa học

cấp Bộ “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu diesel sinh học (B10 và B20) cho

phương tiện cơ giới quân sự”. Mã số ĐT.06.12/NLSH.

[17] Nguyễn Bin và các tác giả (2006). Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ

hóa chất, Tập 1. NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội.

[18] Hoàng Việt Dũng, Phạm Hữu Tài. Tổng quan về công nghệ nhiên liệu sinh

học. Trường Đại học Dầu khí Việt Nam.

[19] Nguyễn Trọng Khuông (2006). Sổ tay quá trình và thiết bị công nghệ hóa

chất, tập 1. Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Hà Nội.

[20] Phùng Minh Lộc (2006). Đề tài NCKH cấp Bộ “Nghiên cứu thử nghiệm

dầu thực vật làm nhiên liệu cho động cơ diesel tàu cá cỡ nhỏ”. Trường

Đại học Nha Trang.

[21] Nguyễn Phùng Quang (2003). MATLAB & SIMULINK dành cho kĩ sư

điều khiển tự động. Nhà xuất bản Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội

[22] Nguyễn Hoài Sơn, Đỗ Thanh Việt (2000). Ứng dụng Matlab trong tính

toán kỹ thuật, tập 1. NXB Đại học Quốc gia, Tp. Hồ Chí Minh.

2. Tài liệu tham khảo tiếng Anh

[23] A comprehensive analysis of biodiesel impacts on exhaust emissions

(2002). Draft Technical Report. FPA - U.S. Environmental Protection

Agency.

[24] Chapter 6 Mixing. Dalian University of Technology.

[25] High Performance Fluid Mixing (8/2011). Chempro Gujarat India.

[26] Mixing and Agitation, Process Automation Control (PAControl).

[27] Survey of 100 Recreational Boaters Using Biodiesel 1994-1997 (October

31, 1997), National Renewable Energy Laboratory.

[28] The “Straight vegetable oil as diesel fuel” on the website:

“http://journeytoforever.org/biodiesel_svo.html#guide”.

[29] Bernard Challen, Rodica Baranescu (1999). Diesel Engine Reference

-117-

Book. Butterworth-Heinemann, Oxford OX2 8DP.

[30] Bilge Alpaslan Kocamemi (2012). Chapter 6 Mixing. Marmara

University, Department of Environmental Engineering, Istanbul, Turkey.

[31] Cheah Siew Lee (10/2004). Analysis of Engine Performance using Palm

oil methyl ester. Courses ENG4111 and 4112 Research Project, Faculty of

Engineering and Survey, University of Southern Queesland.

[32] Christopher Strong, Charlie Erickson, Deepark Shukla (1/2004).

Evaluation of Biodiesel Fuel: Literature Review. Western Transportation

Institute, College of Engineering, Montana State University – Bozeman.

[33] Dunn RO, Knothe G. Alternative diesel fuels from vegetable oils and

animal fats. J.Oleo. Sci 2001, 50(5):415-26.

[34] Edward L. Paul, Victor A. Atiemo-Obeng, Suzanne M. Kresta (2004).

Handbook of industrial mixing, science and Practice. John Wiley and

Sons, Inc., 325-326.

[35] Franco Magelli, Giuseppina Montante, Davide Pinelli, Alessandro

Paglianti (2013). Mixing time in high aspect ratio vessels stirred with

multiple impellers. Chemical Engineering Science 101 (2013) 712–720.

[36] George Kalavarakis, Despina Hiralli, Lida Givalou, Stamoulis Stournas,

Dimitrios Karonis. Storage stability and aging effect of biodiesel blends

treated with different antioxidants.

[37] Gerhard Knothe, Jon Van Gerpen, Jurgen Krahl (2005). The biodiesel

Handbook. AOCS Press.

[38] IndexMundi. Palm oil & Diesel - Price rate of change comparison.

http://www.indexmundi.com/commodities/?commodity=palm-

oil&commodity=diesel.

[39] J.J.F.G Cremers (2007). Beginnings for Cylinder pressure based control.

Report number WVT, Department of Mechanical Engineering, Eindhoven

University of Technology, the Netherlands, 2007.

[40] John B. Heywood (1988). International Combustion Engine

Fundamentals. McGraw-Hill Book Company.

[41] Kees Kuiken (2008). Diesel Engines for Ship Propulsion and Power

Plants, Part I. Target Global Energy Training, Onnen, The Netherlands.

-118-

[42] Krzysztof Kołwzan, Marek Narewski, Polski Rejestr Statków (2012).

Study on Alternative fuels for marine applications. Clean Shipping

Currents Vol 1, No 3.

[43] L. Yuksek, H. Kaleli, O. Ozener, B. Ozoguz (2009). The Effect and

Comparision of biodiesel – diesel Fuel on Crankcase oil, diesel engine

performance and Emissions. FME Transactions (2009) 37, pp. 91-97.

[44] Lloyd’s Register (6/2012) Implementing a Ship Energy Efficiency

Management Plan (SEEMP). Guidance for Shipowners and Operators.

[45] Marcus Klein (2004). A specific heat ratio model and compression ratio

estimation. Dept. of Electrical Engineering. Linkoping University,

Sweden.

[46] Mathew Abraham (11/2007). Biodiesel as Automotive Fuel.

[47] Mr. Pradeep Nayyar (4/2010). The Use of Biodiesel Fuels in the U.S.

Marine Industry. Maritime Administration of US.

[48] Natalie Li, Dabid R. Hughes, Patrice Cusatis, David Olenski. Stabilized

biodiesel fuel compositions. US patent No 2007/0151143.

[49] Nishikawa, Ashiwake, Hashimoto, Nagata (1979). Agitation power and

mixing time in off-centering mixing, International Chemical Engineering,

19, 153–159.

[50] O.S. Galaktionov, P.D. Anderson, G.W. Peters, H.E. Meijer. Analysis and

Optimization of Kinetics Statics Mixers.

[51] Olav A. Opdal (5/2008). Biodiesel in car ferries, A feasibility study on the

use of biofuels in Norwegian domestic ferries. Zero-Report.

[52] Randal von Wedel (April 22,1999). Technical Handbook for Marine

Biodiesel, Second Edition. CytoCulture International, Inc.,.

[53] Royal Belgian Institute of Marine Engineers (2/2010). MAN diesel and the

Bio-Fuel experience.

[54] Stan McMillen, Philip Shaw, Nicholas Jolly, Bryant Goulding, Victoria

Finkle (March 24, 2005). Biodiesel: Fuel for Thought, Fuel for

Connecticut’s Future. CCEA (Connecticut Center for Economic

Analysis).

[55] Syndi L. Nettles-Anderson, Daniel B. Olsen (2009). Survey of Straight

-119-

Vegetable Oil Composition Impact on Combustion Properties. Engines

and Energy Conversion Laboratory, Colorado State University, SAE

International.

[56] Wärtsilä Corporation (23 May 2011). Press release.

[57] Werner Himmelsbach, David Houlton, Wolfgang Keller, Mark Lovallo

(4/2006). Mixing Systems: Design and Scale Up, Chemical Engineering.

EKATO Mixing Technology. WWW.che.com.

Documents

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu ...sdh.vimaru.edu.vn/sites/sdh.vimaru.edu.vn/files/luan_an_tran_the_nam.pdf · Tính vận tốc tiếp tuyến