Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu sử dụng hỗn hợp nhiên liệu Bio-oils/Biodiesel trên động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ

6,822
520
102
30
Bảng 2.4. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của
diesel sinh học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 40
0
C
STT
Nhiên liu
Độ nht
động hc
40
0
C, cSt
Khi lưng
riêng,
kg/m
3
Sc căng
b mt,
mN/m
Đim chp
cháy,
0
C
1
Diesel sinh hc gc
3,5-5
870-885
27,8-29
110-180
2
Du sinh hc gc
24-48
903-924
31-35
195-270
3
Nhiên liu diesel D2
2,7-3
822-837
24
73
Nhit tr ca du sinh hc gc ph thuc vào ch s xà phòng hóa (SV) và ch
s It (IV), SV và IV tăng tức là tăng số liên kết đôi (-C = C-) do đó sẽ làm gim
nhit tr ca du (xem bng 2.5).
S cetan là thước đo cho sự đánh la nhanh hay chm ca mt loi nhiên liu
lỏng sau khi được phun vào xilanh của động cơ đánh lửa cưỡng bc. S cetan ca
du sinh hc gốc thường nh hơn diesel sinh học gc nhiên liu diesel truyn
thng (xem bng 2.1).
Bảng 2.5. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu sinh học
gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2
STT
Nhiên liu
Nhit tr,
kJ/kg
S cetan
Đim vn
đục,
0
C
Điểm đông
đặc,
0
C
1
Diesel sinh hc gc
38-40
50-70
1-12
-15÷ -7
2
Du sinh hc gc
37-39,5
28-42
3-15
-6÷ -2
3
Nhiên liu diesel D2
43
48
-14
-30
Nhng ưu điểm ca du sinh hc gc làm nhiên liu thay thế là tính lng, sn
có, kh năng tái sinh, cha rt ít lưu huỳnh và hp chất thơm, có kh năng phân huỷ
sinh hc (Goering et al, 1982). Hiện nay chưa tiêu chun cho du sinh hc gc
làm nhiên liệu cho động cơ, song để có th s dng chúng cn da vào mt s tiêu
chuẩn đối vi nhiên liu diesel.
Tuy nhiên, nhược điểm chính ca du sinh hc gc là độ nhớt cao hơn t 10
đến 17 ln so vi nhiên liu diesel (Srivastava và Prasad, 2000), có khối lượng riêng
30 Bảng 2.4. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy của diesel sinh học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 40 0 C STT Nhiên liệu Độ nhớt động học ở 40 0 C, cSt Khối lượng riêng, kg/m 3 Sức căng bề mặt, mN/m Điểm chớp cháy, 0 C 1 Diesel sinh học gốc 3,5-5 870-885 27,8-29 110-180 2 Dầu sinh học gốc 24-48 903-924 31-35 195-270 3 Nhiên liệu diesel D2 2,7-3 822-837 24 73 Nhiệt trị của dầu sinh học gốc phụ thuộc vào chỉ số xà phòng hóa (SV) và chỉ số Iốt (IV), SV và IV tăng tức là tăng số liên kết đôi (-C = C-) do đó sẽ làm giảm nhiệt trị của dầu (xem bảng 2.5). Số cetan là thước đo cho sự đánh lửa nhanh hay chậm của một loại nhiên liệu lỏng sau khi được phun vào xilanh của động cơ đánh lửa cưỡng bức. Số cetan của dầu sinh học gốc thường nhỏ hơn diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel truyền thống (xem bảng 2.1). Bảng 2.5. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 STT Nhiên liệu Nhiệt trị, kJ/kg Số cetan Điểm vẩn đục, 0 C Điểm đông đặc, 0 C 1 Diesel sinh học gốc 38-40 50-70 1-12 -15÷ -7 2 Dầu sinh học gốc 37-39,5 28-42 3-15 -6÷ -2 3 Nhiên liệu diesel D2 43 48 -14 -30 Những ưu điểm của dầu sinh học gốc làm nhiên liệu thay thế là tính lỏng, sẵn có, khả năng tái sinh, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm, có khả năng phân huỷ sinh học (Goering et al, 1982). Hiện nay chưa có tiêu chuẩn cho dầu sinh học gốc làm nhiên liệu cho động cơ, song để có thể sử dụng chúng cần dựa vào một số tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, nhược điểm chính của dầu sinh học gốc là độ nhớt cao hơn từ 10 đến 17 lần so với nhiên liệu diesel (Srivastava và Prasad, 2000), có khối lượng riêng
31
sức căng bề mt ln nên kh năng bay i kém, phn ng ca các chui
hydrocarbon không bão hòa nên làm du d b biến cht. Mt s kết qu th nghim
s dng du sinh hc gốc trên động diesel (Komers et al, 2001; Darnoko
Cheryan, 2000) thy xut hin cc trên kim phun, dính xéc măng, làm biến cht du
bôi trơn. Hình 2.3 cho thy, mt s ưu nhược điểm ca nhiên liu diesel sinh hc
gc so vi nhiên liu diesel truyn thng.
Hình 2-3. Sơ đồ biểu diễn tính chất của diesel sinh học gốc và dầu sinh học gốc
Tính chy
loãng kém
Diesel sinh hc
gc
Độ nht cao
D b oxi
hóa
Đim chp
cháy cao
Gây
lng
cn
thiết
b
Phun
sương
kém
Nhiên
liu
d b
biến
cht
Cáu
cn
cácbon
An
toàn
lưu trữ
nhiên
liu
An
toàn
trong
vn
chuyn
Cháy trì hoãn
ngn
Sut tiêu th
nhiên liệu tăng
S cetan cao
Nhit tr thp
hơn diesel
ng nhiên liệu tăng
trong mi ln phun
Ci thin thi gian và t
l phun nhiên liu
Du sinh hc
gc
31 và sức căng bề mặt lớn nên khả năng bay hơi kém, phản ứng của các chuỗi hydrocarbon không bão hòa nên làm dầu dễ bị biến chất. Một số kết quả thử nghiệm sử dụng dầu sinh học gốc trên động cơ diesel (Komers et al, 2001; Darnoko và Cheryan, 2000) thấy xuất hiện cốc trên kim phun, dính xéc măng, làm biến chất dầu bôi trơn. Hình 2.3 cho thấy, một số ưu nhược điểm của nhiên liệu diesel sinh học gốc so với nhiên liệu diesel truyền thống. Hình 2-3. Sơ đồ biểu diễn tính chất của diesel sinh học gốc và dầu sinh học gốc Tính chảy loãng kém Diesel sinh học gốc Độ nhớt cao Dễ bị oxi hóa Điểm chớp cháy cao Gây lắng cặn ở thiết bị Phun sương kém Nhiên liệu dễ bị biến chất Cáu cặn cácbon An toàn lưu trữ nhiên liệu An toàn trong vận chuyển Cháy trì hoãn ngắn Suất tiêu thụ nhiên liệu tăng Số cetan cao Nhiệt trị thấp hơn diesel Lượng nhiên liệu tăng trong mỗi lần phun Cải thiện thời gian và tỉ lệ phun nhiên liệu Dầu sinh học gốc
32
2.2. sở thuyết sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel thay thế
nhiên liệu diesel
2.2.1. Tính chất của nhiên liệu lựa chọn
2.2.1.1. Tính chất Jatropha Methy Este (JOME)
Cây Jatropha thuc h thu du, có ngun gc t tiếng Hy Lp. Vit Nam
cây Jatropha gi cây Cc giu, cc rào, cây li, du mè. Hin nay trên Thế gii
đang chạy đua phát triển cây Jatropha để làm nguyên liu sn xut Diesel sinh hc
(biodiesel). Ht Jatropha hàm lượng du trên 30%, sn xut biodiesel t cây
Jatropha giá thành r, chất lượng tốt, tương đương với du diesel hóa thch
truyn thng.
Nghiên cu này hướng đến tng hp biodiesel t mt loi dầu không ăn
được là dầu Jatropha (JO). Để đạt được mc tiêu này, một quá trình hai giai đoạn
gm ester hóa xúc tác acid và tiếp theo là transester hóa vi methanol xúc tác KOH
đã được s dụng để tng hp biodiesel t du Jatropha (JOME). Trên thc tế du
Jatropha đã đưc nghiên cu chuyn hóa thành Biodiesel qua quá trình este hóa và
được s dụng cho động cơ.
Biodiesel còn gi là diesel sinh hc hay nhiên liu sinh hc. Diesel sinh hc
mt loi nhiên liu tính chất tương đương với nhiên liu dầu diesel nhưng
không phi sn xut t du m t du thc vt hay m động vt. Nhìn theo
phương diện hóa hc thì diesel sinh hc là Methyl este ca nhng axit béo.
Biodiesel là nhng mono anky este, sn phm ca quá trình Este hóa ca
các axit hưu nhiều trong du m động thc vt. Biodiesel th thay thế
diesel truyn thng s dụng trong động cơ đốt trong.
Quá trình sn xut nhiên liu sinh hc bắt đầu t du thc vt tinh khiết. Quá
trình biến đổi Este hóa này cn có cồn (thường là ankanol).
Quá trình sn xut du diesel sinh hc th hin như trên hình 2.4, sự biến đổi
este hóa có mt chất xúc tác đồng nht gi định.
32 2.2. Cơ sở lý thuyết sử dụng hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel thay thế nhiên liệu diesel 2.2.1. Tính chất của nhiên liệu lựa chọn 2.2.1.1. Tính chất Jatropha Methy Este (JOME) Cây Jatropha thuộc họ thầu dầu, có nguồn gốc từ tiếng Hy Lạp. Ở Việt Nam cây Jatropha gọi là cây Cọc giậu, cọc rào, cây li, dầu mè. Hiện nay trên Thế giới đang chạy đua phát triển cây Jatropha để làm nguyên liệu sản xuất Diesel sinh học (biodiesel). Hạt Jatropha có hàm lượng dầu trên 30%, sản xuất biodiesel từ cây Jatropha có giá thành rẻ, chất lượng tốt, tương đương với dầu diesel hóa thạch truyền thống. Nghiên cứu này hướng đến tổng hợp biodiesel từ một loại dầu không ăn được là dầu Jatropha (JO). Để đạt được mục tiêu này, một quá trình hai giai đoạn gồm ester hóa xúc tác acid và tiếp theo là transester hóa với methanol xúc tác KOH đã được sử dụng để tổng hợp biodiesel từ dầu Jatropha (JOME). Trên thực tế dầu Jatropha đã được nghiên cứu chuyển hóa thành Biodiesel qua quá trình este hóa và được sử dụng cho động cơ. Biodiesel còn gọi là diesel sinh học hay nhiên liệu sinh học. Diesel sinh học là một loại nhiên liệu có tính chất tương đương với nhiên liệu dầu diesel nhưng không phải sản xuất từ dầu mỏ mà từ dầu thực vật hay mỡ động vật. Nhìn theo phương diện hóa học thì diesel sinh học là Methyl este của những axit béo. Biodiesel là những mono anky este, là sản phẩm của quá trình Este hóa của các axit hưu cơ có nhiều trong dầu mỡ động thực vật. Biodiesel có thể thay thế diesel truyền thống sử dụng trong động cơ đốt trong. Quá trình sản xuất nhiên liệu sinh học bắt đầu từ dầu thực vật tinh khiết. Quá trình biến đổi Este hóa này cần có cồn (thường là ankanol). Quá trình sản xuất dầu diesel sinh học thể hiện như trên hình 2.4, sự biến đổi este hóa có một chất xúc tác đồng nhất giả định.
33
Hình 2-4. Quá trình sản xuất dầu diesel sinh học
Đặc tính ca biodiesel: Tính cht vt của biodiesel tượng t như diesel
truyn thống nhưng tốt hơn diesel truyền thng v mt cht thi. Biodiesel khc
phục được những nhược điểm ca du thc vật như độ nht quá ln (cao gp 6-14
ln diesel truyn thng), ch s cetan thấp … Các loại biodiesel đều có t l % trng
ng oxy khá lớn, đây là điều mà du diesel truyn thng không có.
Ưu điểm ca biodiesel: Biodiesel ngun nhiên liu tái sinh giúp ta ch
động v nhiên liu không ph thuc vào ngun nguyên liu hóa thch. Biodiesel
làm giảm đáng kể thành phn khí thi gây ô nhiễm môi trường ci thin môi
trưng. Biodiesel hoàn toán không chứa lưu huỳnh, biodiesel nhng tính cht,
đặc tính gn ging Diesel truyn thng th hin (bng 2.6), nó thảo mãn được các
yêu cu ca nhiên liu s dụng trong động đốt trong. Điểm chp cháy ca
Trung hòa + thu hi
ankanol
Tách
pha
Ester
hóa
Glycerol
ankanol
TTbiodiesel
(tinh khiết
98,5-99,5%)
Biodiesel
Làm tinh
khiết bng
trung hòa
DVT tinh khiết
DTV Tinh khiết
TT DTV
Tinh
khiết
A xít
Glycerol thô
Sn phm ph 2%
Cht
xúc tác
Ankanol
Axít
khoáng
ankanol
(tái chế)
ankanol
33 Hình 2-4. Quá trình sản xuất dầu diesel sinh học Đặc tính của biodiesel: Tính chất vật lý của biodiesel tượng tự như diesel truyền thống nhưng tốt hơn diesel truyền thống về mặt chất thải. Biodiesel khắc phục được những nhược điểm của dầu thực vật như độ nhớt quá lớn (cao gấp 6-14 lần diesel truyền thống), chỉ số cetan thấp … Các loại biodiesel đều có tỷ lệ % trọng lượng oxy khá lớn, đây là điều mà dầu diesel truyền thống không có. Ưu điểm của biodiesel: Biodiesel là nguồn nhiên liệu tái sinh giúp ta chủ động về nhiên liệu không phụ thuộc vào nguồn nguyên liệu hóa thạch. Biodiesel làm giảm đáng kể thành phần khí thải gây ô nhiễm môi trường và cải thiện môi trường. Biodiesel hoàn toán không chứa lưu huỳnh, biodiesel có những tính chất, đặc tính gần giống Diesel truyền thống thể hiện (bảng 2.6), nó thảo mãn được các yêu cầu của nhiên liệu sử dụng trong động cơ đốt trong. Điểm chớp cháy của Trung hòa + thu hồi ankanol Tách pha Ester hóa Glycerol ankanol TTbiodiesel (tinh khiết 98,5-99,5%) Biodiesel Làm tinh khiết bằng trung hòa DVT tinh khiết DTV Tinh khiết TT DTV Tinh khiết A xít Glycerol thô Sản phẩm phụ 2% Chất xúc tác Ankanol Axít khoáng ankanol (tái chế) ankanol
34
biodiesel cao hơn diesel truyền thống do đó biodiesel an toàn trong bảo qun và vn
chuyn.
Bảng 2.6. So sánh tính chất của Jatropha methyl este (JOME) và diesel
STT
Ch tiêu
Đơn vị
Jatropha
Methyl este
Diesel
1
Đim chp cháy
0
C
163
55
2
Độ nht 40
0
C
cSt
4,40
2-4,5
3
Hàm lương tro
%kl
0,002
0,01
4
Hàm lượng S
%kl
0,004
0,05
5
Đim vẩn đục
0
C
4
-2
6
Ch s cetane
55
46
7
Hàm lượng nước và kết ta
%tt
0,05
0,05
Đối với động khi sử dng biodiesel: Biodiesel cha nhiều oxy do đó có
th cháy với dư lượng không khí nhvẫn đảm bo cháy hoàn toàn. Ch s etan
ca biodiesel cao hơn diesel truyền thng một chút, do đó thời gian cháy trln
hơn, tốc độ chy máy của biodiesel nhanh hơn diesel, do đó khi sử dng cn thay
đổi góc phun sớm. Độ nht ca biodiesel gn bằng diesel, để tăng hiệu qu kinh tế
và hiu suất động cơ ta có th sy nóng nhiên liu.
2.2.1.2. Tính chất dầu Jatropha (JO) nguyên chất
Nhiên liệu Jatropha được ép trc tiếp t ht cây Jatropha màu vàng. Sau
đó lấy mu du lọc đưa vào thử nghim. Các tính cht vt hóa học đặc
trưng cho nhiên liệu Jatropha được trình bày trong (bng 2.7), (theo kết qu phân
tích ca phòng th nghim quc gia du m bôi trơn – VILAS 292-PETROLEUM
PRODUCTS ANALYSISABORATORY)
Bảng 2.7. Kết quả phân tích mẫu nhiên liệu Jatropha
STT
Tên ch tiêu
Đơn vị tính
Kết qu
1
Độ nht đng hc 40
0
C
cSt
34
2
Hàm lượng cn cac bon
0,29
34 biodiesel cao hơn diesel truyền thống do đó biodiesel an toàn trong bảo quản và vận chuyển. Bảng 2.6. So sánh tính chất của Jatropha methyl este (JOME) và diesel STT Chỉ tiêu Đơn vị Jatropha Methyl este Diesel 1 Điểm chớp cháy 0 C 163 55 2 Độ nhớt ở 40 0 C cSt 4,40 2-4,5 3 Hàm lương tro %kl 0,002 0,01 4 Hàm lượng S %kl 0,004 0,05 5 Điểm vẩn đục 0 C 4 -2 6 Chỉ số cetane 55 46 7 Hàm lượng nước và kết tủa %tt 0,05 0,05 Đối với động cơ khi sử dụng biodiesel: Biodiesel chứa nhiều oxy do đó có thể cháy với dư lượng không khí nhỏ mà vẫn đảm bảo cháy hoàn toàn. Chỉ số etan của biodiesel cao hơn diesel truyền thống một chút, do đó thời gian cháy trễ có lớn hơn, tốc độ chạy máy của biodiesel nhanh hơn diesel, do đó khi sử dụng cần thay đổi góc phun sớm. Độ nhớt của biodiesel gần bằng diesel, để tăng hiệu quả kinh tế và hiệu suất động cơ ta có thể sấy nóng nhiên liệu. 2.2.1.2. Tính chất dầu Jatropha (JO) nguyên chất Nhiên liệu Jatropha được ép trực tiếp từ hạt cây Jatropha có màu vàng. Sau đó lấy mẫu dầu lọc và đưa vào thử nghiệm. Các tính chất vật lý và hóa học đặc trưng cho nhiên liệu Jatropha được trình bày trong (bảng 2.7), (theo kết quả phân tích của phòng thử nghiệm quốc gia dầu mỡ bôi trơn – VILAS 292-PETROLEUM PRODUCTS ANALYSISABORATORY) Bảng 2.7. Kết quả phân tích mẫu nhiên liệu Jatropha STT Tên chỉ tiêu Đơn vị tính Kết quả 1 Độ nhớt động học ở 40 0 C cSt 34 2 Hàm lượng cặn cac bon 0,29
35
3
Nhit đ chp cháy cc kín
0
C
101
4
Khi lưng riêng 15
0
C
kg/m
3
918
5
Hàm lượng nước
%
Vết
6
Hàm lượng lưu huỳnh
%
0,033
7
Hàm lượng tro
%
0,00
8
Nhit tr
kJ/kg
39,5
9
Nhit đ sôi du
0
C
316
T kết qu phân tích mu nhiên liu Jatropha trên bng 2.7. Ta có kết qu so
sánh mt s tính cht ca nhiên liu Jatropha Diesel hóa thch (theo tiêu chun
QCVN 1:2009/BKHCN) được trình bày trong (bng 2.8)
Bảng 2.8. So sánh một số tính chất của nhiên liệu Jatropha và Diesel
STT
Ch tiêu
Du Jatropha
Diesel hóa thch
Đơn vị
1
Khi lưng riêng 15
0
C
918
830-860
kg/m
3
2
Độ nht ti 40
0
C
34
2-4,5
cSt
3
Hàm lượng lưu huỳnh
0,033
0,43
%
4
S cetane
40
46
-
5
Đim bc cháy
101
55
0
C
6
Nhit tr
39,5
43
kJ/kg
Độ nht: Đa số các loi du thc vật có độ nhớt cao hơn nhiều so vi nhiên
liu Diesel.
Ch s cetane: Ch s cetane ca nhiên liu Jatropha 40 ca du Diesel
theo tiêu chun QCVN 1:2009 là 46. Như vậy ch s cetane ca nhiên liu Jatropha
phù hp s dụng cho động cơ Diesel, do đó nó không ảnh hưởng nhiu v mt vn
hành động cơ Diesel.
Hàm lượng lưu huỳnh: Hàm lượng lưu hunh ca du Jatropha (0,033%) so
vi dầu Diesel (0,43%) ưu điểm rt ln trong vic s dng dầu Jatropha để hn
chế cht thải độc hại vào môi trường.
35 3 Nhiệt độ chớp cháy cốc kín 0 C 101 4 Khối lượng riêng ở 15 0 C kg/m 3 918 5 Hàm lượng nước % Vết 6 Hàm lượng lưu huỳnh % 0,033 7 Hàm lượng tro % 0,00 8 Nhiệt trị kJ/kg 39,5 9 Nhiệt độ sôi dầu 0 C 316 Từ kết quả phân tích mẫu nhiên liệu Jatropha trên bảng 2.7. Ta có kết quả so sánh một số tính chất của nhiên liệu Jatropha và Diesel hóa thạch (theo tiêu chuẩn QCVN 1:2009/BKHCN) được trình bày trong (bảng 2.8) Bảng 2.8. So sánh một số tính chất của nhiên liệu Jatropha và Diesel STT Chỉ tiêu Dầu Jatropha Diesel hóa thạch Đơn vị 1 Khối lượng riêng ở 15 0 C 918 830-860 kg/m 3 2 Độ nhớt tại 40 0 C 34 2-4,5 cSt 3 Hàm lượng lưu huỳnh 0,033 0,43 % 4 Số cetane 40 46 - 5 Điểm bốc cháy 101 55 0 C 6 Nhiệt trị 39,5 43 kJ/kg Độ nhớt: Đa số các loại dầu thực vật có độ nhớt cao hơn nhiều so với nhiên liệu Diesel. Chỉ số cetane: Chỉ số cetane của nhiên liệu Jatropha là 40 của dầu Diesel theo tiêu chuẩn QCVN 1:2009 là 46. Như vậy chỉ số cetane của nhiên liệu Jatropha phù hợp sử dụng cho động cơ Diesel, do đó nó không ảnh hưởng nhiều về mặt vận hành động cơ Diesel. Hàm lượng lưu huỳnh: Hàm lượng lưu huỳnh của dầu Jatropha (0,033%) so với dầu Diesel (0,43%) là ưu điểm rất lớn trong việc sử dụng dầu Jatropha để hạn chế chất thải độc hại vào môi trường.
36
Kh năng tự bc cháy: Ch s cetane đặc trưng cho khả năng tự bc cháy ca
động cơ Diesel. Nếu ch s này càng cao thì động cơ diesel kh năng tự bc cháy
càng lớn. Như vậy điều kin t bc cháy là nhiên liu phi có s cetane lớn hơn 45.
Trong đó du Jatropha có s cetane là 40 có th thảo mãn điều kin t bc cháy.
Nhiên liu Jatropha có nhiều ưu điểm đối với môi trường so vi diesel thông
thưng. Nhiên liu Jatropha phát sinh khí thải ít hơn rất nhiu so vi nhiên liu
diesel hóa thch. Nhiên liu Jatropha gần như không chứa lưu huỳnh, không độc
có th được d dàng phân hy bng sinh hc. Nhiên liệu Jatropha được coi là mt
trong nhng nhiên liu thân thin với môi trường.
Kết lun: Qua kết qu nghiên cu và so sánh tính cht ca hai loi nhiên liu
bio-oils (du Jatropha) du biodiesel (JOME). Chúng đều tính chất tương
đồng như dầu diesel truyn thng. vy th dùng hn hp nhiên liu bio-
oils/biodiesel làm nhiên liu thay thế du diesel s dụng cho động cơ đốt trong.
2.2.2. Hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel
2.2.2.1. Xây dựng thuộc tính và thông số nhiệt động của hỗn hợp theo nhiệt độ
a) Khối lượng riêng ρ
ρ
SuO100
= -0,635T + 930,8 (R
2
= 0,997)
ρ
SoO100
= -0,662T + 931,1 (R
2
= 0,999)
ρ
CO100
= - 0,66T + 929,3 (R
2
= 0,999)
ρ
JO100
=-0,615T + 942,1 (R
2
= 0,996)
Hình 2-5. Đồ thị khối lượng riêng – nhiệt độ ρ =ρ(T)
Khi ng riêng là mt thuc tính quan trng ca bt k loi nhiên liu nào,
nó t l nghch vi nhit đ và liên h vi nhit đ theo biu thc:
800
820
840
860
880
900
920
940
20 40 60 80 100 120
Khối lượng riêng (kg/m
3
)
Nhiệt độ (
0
C)
Đồ thị khối lượng riêng-nhiệt độ
ρJo100
ρSuO100
ρSoO100
ρCO100
36 Khả năng tự bốc cháy: Chỉ số cetane đặc trưng cho khả năng tự bốc cháy của động cơ Diesel. Nếu chỉ số này càng cao thì động cơ diesel có khả năng tự bốc cháy càng lớn. Như vậy điều kiện tự bốc cháy là nhiên liệu phải có số cetane lớn hơn 45. Trong đó dầu Jatropha có số cetane là 40 có thể thảo mãn điều kiện tự bốc cháy. Nhiên liệu Jatropha có nhiều ưu điểm đối với môi trường so với diesel thông thường. Nhiên liệu Jatropha phát sinh khí thải ít hơn rất nhiều so với nhiên liệu diesel hóa thạch. Nhiên liệu Jatropha gần như không chứa lưu huỳnh, không độc và có thể được dễ dàng phân hủy bằng sinh học. Nhiên liệu Jatropha được coi là một trong những nhiên liệu thân thiện với môi trường. Kết luận: Qua kết quả nghiên cứu và so sánh tính chất của hai loại nhiên liệu bio-oils (dầu Jatropha) và dầu biodiesel (JOME). Chúng đều có tính chất tương đồng như dầu diesel truyền thống. Vì vậy có thể dùng hỗn hợp nhiên liệu bio- oils/biodiesel làm nhiên liệu thay thế dầu diesel sử dụng cho động cơ đốt trong. 2.2.2. Hỗn hợp nhiên liệu bio-oils/biodiesel 2.2.2.1. Xây dựng thuộc tính và thông số nhiệt động của hỗn hợp theo nhiệt độ a) Khối lượng riêng ρ ρ SuO100 = -0,635T + 930,8 (R 2 = 0,997) ρ SoO100 = -0,662T + 931,1 (R 2 = 0,999) ρ CO100 = - 0,66T + 929,3 (R 2 = 0,999) ρ JO100 =-0,615T + 942,1 (R 2 = 0,996) Hình 2-5. Đồ thị khối lượng riêng – nhiệt độ ρ =ρ(T) Khối lượng riêng là một thuộc tính quan trọng của bất kỳ loại nhiên liệu nào, nó tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và liên hệ với nhiệt độ theo biểu thức: 800 820 840 860 880 900 920 940 20 40 60 80 100 120 Khối lượng riêng (kg/m 3 ) Nhiệt độ ( 0 C) Đồ thị khối lượng riêng-nhiệt độ ρJo100 ρSuO100 ρSoO100 ρCO100
37
ρ = a – b.T (2.1)
a,b là các hng s thc nghim
Khối lượng riêng tác động t l thuận đến khối lượng phân t kh năng
bay hơi của nhiên liệu do đó ảnh hưởng trc tiếp đến quá trình cháy trong
động cơ.
b) Độ nhớt động học µ
Độ nhớt là đại lượng thể hiện khả năng kháng lại tính chảy của chất lỏng. Độ
nhớt của nhiên liệu càng cao càng không có lợi khi sử dụng vì nó làm giảm khả
năng phân tán khi được phun vào buồng cháy cũng như làm tăng khả năng lắng cặn
trong thiết bị.
Độ nhớt tỉ lệ nghịch với nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì độ nhớt càng giảm và
ngược lại. Để tính toán độ nhớt theo nhiệt độ, đã có một số mô hình như sau:
Mô hình hàm mũ
µ(T) = A.e
-bT
(2.2)
Mô hình Dutt và Prasad
Mô hình này sử dụng các công thức thực nghiệm để tính độ nhớt µ với sai số
khoảng 10%. Tuy nhiên mô hình cho kết quả tính nhanh và không phải lựa chọn các
hằng số thực nghiệm.
)85140/()375500()25,14,1(log
SV
IV
T
SV
IV
SV
IV
(2.3)
IV là chỉ số iốt; SV là chỉ số xà phòng hóa
Mô hình Andrade
Mô hình này sử dụng công thức thực nghiệm tính toán độ nhớt theo nhiệt độ
với sai số dưới 2%. Tuy nhiên mô hình này chỉ đúng với từng loại nhiên liệu thử
nghiệm nên mỗi loại nhiên liệu sẽ có các hệ số thực nghiệm khác nhau.
T
b
A
log
(2.4)
A, b là các hằng số thực nghiệm
37 ρ = a – b.T (2.1) a,b là các hằng số thực nghiệm Khối lượng riêng tác động tỉ lệ thuận đến khối lượng phân tử và khả năng bay hơi của nhiên liệu và do đó nó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cháy trong động cơ. b) Độ nhớt động học µ Độ nhớt là đại lượng thể hiện khả năng kháng lại tính chảy của chất lỏng. Độ nhớt của nhiên liệu càng cao càng không có lợi khi sử dụng vì nó làm giảm khả năng phân tán khi được phun vào buồng cháy cũng như làm tăng khả năng lắng cặn trong thiết bị. Độ nhớt tỉ lệ nghịch với nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì độ nhớt càng giảm và ngược lại. Để tính toán độ nhớt theo nhiệt độ, đã có một số mô hình như sau: Mô hình hàm mũ µ(T) = A.e -bT (2.2) Mô hình Dutt và Prasad Mô hình này sử dụng các công thức thực nghiệm để tính độ nhớt µ với sai số khoảng 10%. Tuy nhiên mô hình cho kết quả tính nhanh và không phải lựa chọn các hằng số thực nghiệm. )85140/()375500()25,14,1(log SV IV T SV IV SV IV   (2.3) IV là chỉ số iốt; SV là chỉ số xà phòng hóa Mô hình Andrade Mô hình này sử dụng công thức thực nghiệm tính toán độ nhớt theo nhiệt độ với sai số dưới 2%. Tuy nhiên mô hình này chỉ đúng với từng loại nhiên liệu thử nghiệm nên mỗi loại nhiên liệu sẽ có các hệ số thực nghiệm khác nhau. T b A  log (2.4) A, b là các hằng số thực nghiệm
38
µ
SuO100
= 78,05.e
-0,02T
(R
2
= 0,990)
µ
SoO100
= 68,93.e
-0,02T
(R
2
= 0,986)
µ
CO100
= 83,57.e
-0,02T
(R
2
= 0,993)
µ
JO100
= 75,76.e
-0,02T
(R
2
= 0,995)
Hình 2-6. Đồ thị độ nhớt – nhiệt độ µ =µ(T)
c) Sức căng bề mặt σ
Sức căng bề mặt được định nghĩa là lc căng trên một đơn vị chiu dài. Do
đó, khi sức căng bề mt ca nhiên liu ln, s phun sương sẽ kém nên ảnh hưởng
xấu đến chất lượng quá trình cháy của động cơ. Sức căng bề mt t l thun với độ
nht, khi lưng riêng và t l nghch vi nhit đ.
Mô hình của Flingoh & Chong Chiew.
σ = A B.T (2.5)
A, B là các hằng số thực nghiệm, phụ thuộc vào từng loại nhiên liệu.
T là nhiệt độ Kenvin.
Mô hình Sudgen
M
TP
)(
4/1
(2.6)
[P(T)] là tham số phụ thuộc nhiệt độ.
M là khối lượng phân tử, g/mol.
1
4
7
10
13
16
19
22
25
28
31
34
37
40
20 40 60 80 100 120
Độ nhớt µ(mm
2
/s)
Nhiệt độ (
0
C)
Đồ thị độ nhớt - nhiệt độ
µJo100 µSuO100 µSoO100 µCO100
38 µ SuO100 = 78,05.e -0,02T (R 2 = 0,990) µ SoO100 = 68,93.e -0,02T (R 2 = 0,986) µ CO100 = 83,57.e -0,02T (R 2 = 0,993) µ JO100 = 75,76.e -0,02T (R 2 = 0,995) Hình 2-6. Đồ thị độ nhớt – nhiệt độ µ =µ(T) c) Sức căng bề mặt σ Sức căng bề mặt được định nghĩa là lực căng trên một đơn vị chiều dài. Do đó, khi sức căng bề mặt của nhiên liệu lớn, sự phun sương sẽ kém nên ảnh hưởng xấu đến chất lượng quá trình cháy của động cơ. Sức căng bề mặt tỉ lệ thuận với độ nhớt, khối lượng riêng và tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Mô hình của Flingoh & Chong Chiew. σ = A – B.T (2.5) A, B là các hằng số thực nghiệm, phụ thuộc vào từng loại nhiên liệu. T là nhiệt độ Kenvin. Mô hình Sudgen   M TP   )( 4/1  (2.6) [P(T)] là tham số phụ thuộc nhiệt độ. M là khối lượng phân tử, g/mol. 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 20 40 60 80 100 120 Độ nhớt µ(mm 2 /s) Nhiệt độ ( 0 C) Đồ thị độ nhớt - nhiệt độ µJo100 µSuO100 µSoO100 µCO100
39
σ
JO100
= -0,092T + 35,74 (R
2
= 0,999)
σ
SuO100
= -0,108T + 40,68(R
2
= 0,995)
σ
SoO100
= -0,103T + 39,28(R
2
= 0,998)
σ
CO100
= -0,108T + 38,12 (R
2
= 0,996)
Hình 2-7. Đồ thị sức căng bề mặt – nhiệt độ σ =σ(T)
2.2.2.2. Tính toán pha chế hỗn hợp nhiên liệu
T những đặc tính, tính cht ca hai loi du trên ta xây dng công thc tính
la chn t l hòa trn hn hp nhiên liu bio-oils (du Jatropha) du biodiesel
(JOME) như sau:
+ Gi X là % ca biodiesel trong hn hp nhiên liu cn tìm
Theo QCVN: 1:2009/BKHCN ch s cetan ca du diesel hóa thch là: 46
Vy : CN
DO
= X% . CN
JOME
+ (1-X)% . CN
JO
46 = X% . 55 + (1-X)% . 40
Do đó: X = 40 %
T kết qu tính trên cho ta thy t l pha trn % ca biodiesel trong hn
hp nhiên liu là 40% và % ca bio-oils là 60%.
+ Xác định độ nht ca hn hp nhiên liu: Dựa vào các đặc tính, tính cht
ca tng loi nhiên liu và da vào công thc tính ch s cetan ca hn hp. Ta xây
dng công thc tính ch s độ nht ca hn hp nhiên liu. Trong khi đó đ nht
động hc ca nhiên liu hóa thch 40
0
C t (2,0-4,5) mm
2
/s.
Vy công thc xác định độ nht ca hn hp nhiên liu 40
0
C là:
15
20
25
30
35
40
20 40 60 80 100 120
Sức căng bề mặt
σ(mmN/m
)
Nhiệt độ (
0
C)
Đồ thị sức căng bề mặt-nhiệt độ
σJo100
σSuO100
σSoO100
σCO100
39 σ JO100 = -0,092T + 35,74 (R 2 = 0,999) σ SuO100 = -0,108T + 40,68(R 2 = 0,995) σ SoO100 = -0,103T + 39,28(R 2 = 0,998) σ CO100 = -0,108T + 38,12 (R 2 = 0,996) Hình 2-7. Đồ thị sức căng bề mặt – nhiệt độ σ =σ(T) 2.2.2.2. Tính toán pha chế hỗn hợp nhiên liệu Từ những đặc tính, tính chất của hai loại dầu trên ta xây dựng công thức tính lựa chọn tỷ lệ hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu bio-oils (dầu Jatropha) và dầu biodiesel (JOME) như sau: + Gọi X là % của biodiesel trong hỗn hợp nhiên liệu cần tìm Theo QCVN: 1:2009/BKHCN chỉ số cetan của dầu diesel hóa thạch là: 46 Vậy : CN DO = X% . CN JOME + (1-X)% . CN JO 46 = X% . 55 + (1-X)% . 40 Do đó: X = 40 % Từ kết quả tính ở trên cho ta thấy tỷ lệ pha trộn % của biodiesel trong hỗn hợp nhiên liệu là 40% và % của bio-oils là 60%. + Xác định độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu: Dựa vào các đặc tính, tính chất của từng loại nhiên liệu và dựa vào công thức tính chỉ số cetan của hỗn hợp. Ta xây dựng công thức tính chỉ số độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu. Trong khi đó độ nhớt động học của nhiên liệu hóa thạch ở 40 0 C từ (2,0-4,5) mm 2 /s. Vậy công thức xác định độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu ở 40 0 C là: 15 20 25 30 35 40 20 40 60 80 100 120 Sức căng bề mặt σ(mmN/m ) Nhiệt độ ( 0 C) Đồ thị sức căng bề mặt-nhiệt độ σJo100 σSuO100 σSoO100 σCO100