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
7,126
520
102
50
g
p
cb
2
2
(2.47)
γ - hệ số tổn thất cục bộ do nhiên liệu chuyển động trong ống
Tổng tổn thất áp suất trên đường ống
H
1
= Δp
ms
+ Δp
cb
(2.48)
Công suất N (kW) của bơm
.
10...2,1
2
3
HG
N
(2.49)
G - Lưu lượng khối lượng của nhiên liệu, kg/s
H - Tổng tổn thất, Pa
η - Hiệu suất của bơm
b) Tính toán két hỗn hợp nhiên liệu
Lượng nhiên liệu B (kg) cần thiết cho động cơ trong thời gian τ:
6
1
21
10.
kk
Ng
B
e
(2.50)
Thể tích V(m
3
) của két hỗn hợp nhiên liệu
2
3
Bk
V
(2.51)
N - Công suất của động cơ, kW
k
1
- Hệ số dự trữ nhiên liệu cho động cơ
k
2
- Hệ số ảnh hưởng điều kiện môi trường
k
3
- Hệ số dung tích két
2.4. Tính toán, thiết kế hệ thống hâm nhiên liệu kiểu khí xả cho động cơ D243
2.4.1. Xác định các thông số khí xả của động cơ D243
Với mục đích thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí xả động cơ D243 do có các
thông số chủ yếu của động cơ:
- Kí hiệu động cơ: D243
- Công suất thiết kế của động cơ: N
tk
= 80 CV
51
- Vòng quay thiết kế: n
tk
= 2000 v/p
- Đường kính xilanh: D = 110 mm
- Hành trình piston: S = 125 mm
- Suất tiêu hao nhiện liệu: g
e
=
240 g/kw.h
- Nhiệt độ khí xả: t
kx
= 450
0
C ( lấy theo t
tb
)
Lượng khí xả G
kx
do động cơ xả ra xác định theo công thức sau:
G
kx
= G
nl
(α
1
G
o
+ 1) (2.52)
Trong đó:
g
e
- suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ
Ne = 80 CV - công suất định mức của động cơ
B
t
= g
e
Ne, kg/h - lượng tiêu hao nhiên liệu của động cơ
α
1
- hệ số dư lượng không khí thực tế
Hệ số dư lượng không khí được xác định theo công thức sau:
ct
tt
gG
G
0
1
(2.53)
Trong đó:
- Lượng không khí thực tế để đốt cháy lượng nhiên liệu phun vào xilanh, xác
định theo công thức sau:
, (2.54)
D = 110 mm - đường kính của xilanh động cơ
S = 125 mm - hành trình piston
η
n
= 0,8 - hệ số nạp không khí của động cơ
ρ
k
= 1 kg/m
3
- khối lượng riêng của không khí nạp vào động cơ:
Thay các giá trị vào (2.9), ta được: G
tt
= 0,00095 kg
4
....14,3
2
kn
tt
SD
G
52
- Lượng không khí khô lý thuyết để đốt cháy lượng nhiên liệu phun vào
xilanh trong một chu trình g
ct
, được xác định theo công thức sau:
G
lt
= g
ct
.G
o
(2.55)
Trong đó: G
o
= 12,5 kg/kgnl - lượng không khí lý thuyết cần thiết để đốt
cháy 1kg nhiên liệu.
g
ct
- lượng nhiên liệu phun vào xilanh trong một chu trình:
ni
G
g
nl
ct
...60
(2.56)
G
nl
= 11,25 kg/h - lượng nhiên liệu động cơ tiêu thụ trong 1 giờ ở 75% tải tức là
tại
vòng quay n = 1500v/p (Trong quá trình khai thác động cơ thường xuyên hoạt động
ở chế độ từ 90% công suất định mức trở xuống nên ta chọn các thông số công tác
của động cơ ứng với chế độ này để thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí xả).
i = 4 - số xilanh của động cơ; = 0,5 - hệ số kỳ đối với động cơ 4 kỳ
n = 1500 v/p - vòng quay của động cơ ứng với 75% Ne
Thay các giá trị vào (2.56) tính được: g
ct
= 0,0000625kg
Thay các giá trị vào (2.55) tính được: G
lt
= 0,00078125 kg
Thay các giá trị vào (2.53) tính được: α
1
= 1,216
Thay các giá trị vào (2.52) tính được:
G
kx
= 11,25.(1,216. 12,5 + 1) = 182,25 kg/h= 0,051 kg/s
Nhiệt độ khói vào và ra thiết bị tận dụng nhiệt là:
t
kvmax
= 580
0
C, t
kr
= (200 – 440)
0
C nên t
krtb
= 320
o
C
Vậy nhiệt độ trung bình của khói là: t
tbk
= 0,5.(580 + 320) = 450
0
C
Tra bảng 4, tài liệu Bài tập kỹ thuật nhiệt bảng thông số vật lý của khói ta có:
ρ
k
= 0,491 kg/m
3
; C
pkx
= 1168 J/kg.K
λ
k
= 6,13.10
-2
W/m.K; ν
k
= 68,34.10
-6
m
2
/s
Lượng nhiệt do khói tỏa ra là:
Q
kx
= G
kx
.C
pkxc
.(t
kv
– t
kr
) = 10722W (2.57)
53
Trong quá trình khai thác thiết bị tận dụng nhiệt một phần nhiệt khí xả bị tổn
thất ra
môi trường xung quanh, nên khi tính toán chỉ sử dụng khoảng (80 – 95)% Q
kx
, nên
chọn Q
kx
= 9000 W
2.4.2. Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị
Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt cần thiết của thiết bị tận dụng nhiệt khí xả
(diện tích
bề mặt ống phía tiếp xúc khí xả) F
2
(m
2
) được xác định như sau:
Bảng 2.9. Kết quả tính diện tích bề mặt truyền nhiệtcủa thiết bị
tận dụng nhiệt khí xả
TT
Các thông số
Ký
hiệu
Công
thức
Thứ
nguyên
Kết quả
tính
1
Lưu lượng khối lượng khí xả của
động cơ D243
G
kx
2.52
kg/s
0,051
2
Khối lượng riêng của khí xả
k
kg/m
3
0,491
3
Lưu lượng thể tích của khí xả
G
kx
G
kx
/
k
m
3
/s
0,104
4
Nhiệt dung riêng đẳng áp của
khí xả
C
pkx
J/kg.K
1168
5
Độ chênh nhiệt độ của khí xả
vào và ra thiết bị
Δt
kx
độ
260
6
Nhiệt độ hỗn hợp nhiên liệu cần
được hâm
t
d1
độ
80
7
Nhiệt độ hỗn hợp nhiên liệu
trước khi được hâm
t
d2
độ
40
8
Độ chênh nhiệt độ logarit trung
bình
Δt
kxtb
2.18
độ
378
9
Tốc độ khí xả lớn nhất lưu động
qua khe hẹp
ω
kmax
k
kx
f
G
.
min
max
m/s
8,05
10
Thiết diện mặt cắt ngang phía
trong thiết bị
S
1
m
2
0,0216
54
11
Tổng thiết diện dàn ống chứa
nhiên liệu
S
2
m
2
0,0087
12
Thiết diện nhỏ nhất của mặt cắt
ngang trong thiết bị tận dụng
nhiệt
f
min
S
1
- S
2
m
2
0,0129
13
Giá trị Pr
f
tra theo nhiệt độ khí
xả
Pr
f
0,635
14
Nhiệt độ vách xác định theo
nhiệt độ nhiên liệu trong ống
cộng thêm 25
0
C theo [TCVN
6259 – 3:2003]
t
w
Chọn
độ
135
15
Giá trị Pr
w
tra theo nhiệt độ vách
phía khí xả
Pr
w
0,683
16
Hệ số kể đến ảnh hưởng của
chiều dòng nhiệt
A
2.24
0,982
17
Hệ số kể đến ảnh hưởng của
bước ống
ε
s
2.25
0,84
18
Độ nhớt của khí xả trong thiết
bị, tra theo nhiệt độ khói
ν
k
.10
6
m
2
/s
68,34
19
Hệ số dẫn nhiệt của khí xả, tra
theo nhiệt độ khói
λ
k
W/m.K
0,0613
20
Tiêu chuẩn Reynolds của khí xả
Re
k
48884
21
Giá trị Nu
k
của khí xả
Nu
k
2.23
206
22
Hệ số tỏa nhiệt khí xả từ hàng
ống thứ 3
α
k3
2.23
W/m
2
.K
51,54
23
Hệ số tỏa nhiệt khí xả từ hàng
ống thứ 1
α
k1
2.22
W/m
2
.K
30,9
24
Hệ số tỏa nhiệt khí xả từ hàng
α
k2
2.22
W/m
2
.K
46,4
55
ống thứ 2
25
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu trung
bình của dòng khí xả
α
k
2.22a
W/m
2
.K
49,8
26
Hệ số bám bẩn
φ
0,8
27
Hệ số tỏa nhiệt đối lưu trung
bình của khí xả vào bề mặt ống
α
đ1
2.21
W/m
2
.K
39,84
28
Chiều dài TB của tia bức xạ
l
2.29
m
0,18
29
Độ đen của khói
ε
k
2.28
0,12
30
Độ đen của ống
ε
w
0,9
31
Độ đen quy dẫn
ε
qd
0,118
32
Hệ số tỏa nhiệt bức xạ trung
bình của khí xả vào bề mặt ống
α
bx1
2.26
W/m
2
.K
5,73
33
Hệ số tỏa nhiệt trung bình của
khí xả vào bề mặt ống
α
1
2.20
W/m
2
.K
45,57
34
Hệ số dẫn nhiệt trung bình của
hỗn hợp nhiên liệu
λ
d
Nội suy,
LT đồng
dạng
W/m. K
0,1069
35
Giá trị Nu
n
của hỗn hợp nhiên
liệu
Nu
d
2.31
18765
36
Tiêu chuẩn Reynolds của hỗn
hợp nhiên liệu
Re
d
2.33
2247191
37
Độ nhớt của hỗn hợp nhiên liệu
trong ống
ν
d
.10
6
m
2
/s
4,45
38
Tốc độ hỗn hợp nhiên liệu trong
ống chọn theo kinh nghiệm
ω
d
m/s
1
39
Hệ số ảnh hưởng của chiều dài
ống
ε
1
2.32
1
40
Tiêu chuẩn (nội suy và lý thuyết
Pr
f
40,35
56
đồng dạng)
41
Hệ số chọn phụ thuộc hình dáng
ống
ε
R
2.32a
1,54
42
Hệ số tỏa nhiệt của hỗn hợp
nhiên liệu trong ống
α
2
W/m
2
.K
401
43
Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm
ống ở nhiệt độ 450
o
C
λ
W/m.K
23,5
44
Hệ số truyền nhiệt
k
2.19
W/m
2
.K
99,2
45
Diện tích bề mặt truyền nhiệt
F
2.15
m
2
0,24
46
Đường kính ống – chọn theo tiêu
chuẩn
d
2
/d
1
mm/mm
16/10
47
Chiều dài ống đặt trong thiết bị
l
mm
5000
48
Số lần uốn khúc
m
Chọn
lần
13
49
Bán kính uốn khúc cụm ống
R
n
l
R
..2
mm
60
50
Khoảng cách từ mặt ngoài cụm
ống đến thành ống khí xả
x
Chọn
mm
15
51
Chiều cao bầu tận dụng
H
mm
415
52
Đường kính trong bầu tận dụng
D
b
D = 2R +
d
2
+ 2x
mm
166
2.4.3. Tính toán két nhiên liệu và tính chọn bơm
Bảng 2.10 Kết quả tính toán két nhiên liệu
TT
Các thông số
Ký
hiệu
Công thức số
Thứ
nguyên
Kết quả
tính
1
Công suất của động cơ
N
Lý lịch
kW
58,88
2
Suất tiêu hao nhiên liệu
của hỗn hợp tại tải lớn
nhất
g
e
kg/kW.h
0,335
57
3
Hệ số dự trữ hỗn hợp
nhiên liệu
k
1
Chọn
1,02
4
Hệ số xét đến điều kiện
môi trường
k
2
Chọn
1,02
5
Hệ số dung tích két
k
3
Chọn
1,02
6
Tỷ trọng trung bình của
hỗn hợp nhiên liệu
ρ
d
g/cm
3
0,86
7
Thời gian dự tính
τ
Chọn
h
2
8
Lượng hỗn hợp nhiên
liệu cần thiết cho động
cơ
B
d
6
1
21
10.
kk
Ng
B
e
kg
41,03
9
Thể tích két hỗn hợp
nhiên liệu
V
d
Bk
V
3
m
3
0,05
10
Chiều cao két hỗn hợp
nhiên liệu
H
Chọn
mm
645
11
Đường kính đáy két
hỗn hợp nhiên liệu
D
k
H
V
D
.
2
mm
320
Bảng 2.11. Kết quả tính chọn bơm
TT
Các thông số
Ký
hiệu
Công thức số
Thứ
nguyên
Kết quả
tính
1
Hệ số dẫn nhiệt
TB của hỗn hợp
nhiên liệu
λ
d
Nội suy và lý thuyết
đồng dạng
W/m. K
0,1069
2
Tiêu chuẩn
Reynolds của hỗn
hợp nhiên liệu
Re
d
2.33
2247191
3
Hệ số trở kháng
ζ
2.46
0,015
58
ma sát
4
Hệ số trở kháng
cục bộ
ε
Chọn
0,7
5
Trở kháng ma sát
Δp
ms
gd
l
p
ms
2
2
1
15
6
Trở kháng cục bộ
Δp
cb
g
p
cb
2
2
0,14
7
Tổng trở kháng
Δp
Δp= Δp
ms
+ Δp
cb
15,14
8
Tổng tổn thất áp
suất trên đường
ống
H
1
H =Δp
m
15,14
9
Chiều cao đặt két
nhiên liệu
H
2
Chọn
m
1,0
10
Hệ số tổn thất
k
Chọn
1,5
11
Cột áp tổng
H
H = H
1+
k
H
2
m
16,54
12
Hệ số an toàn của
hệ thống
j
Chọn
1,2
13
Cột áp của bơm
P
1
P
1
= j. H
mH
2
O
19,8
14
Chọn cột áp của
bơm
P
Chọn
kg/cm
2
2
15
Lưu lượng bơm
G
2.49
l/h
73,5
2.4.4. Tính tổn hao áp suất của dòng khí xả qua thiết bị tận dụng nhiệt
Bảng 2.12. Kết quả tính sức cản tác dụng lên dòng khí lưu động
qua thiết bị tận dụng
TT
Các thông số
Ký
hiệu
Công
thức số
Thứ
nguyên
85%
Ne
100%
Ne
1
Tiêu chuẩn Reynolds
của khí xả
Re
k
48884
52334
59
2
Khối lượng riêng của
khí xả
ρ
kx
Tra
bảng
kg/m
3
0,491
0,415
3
Hệ số ma sát của chùm
ống song song
ξ
2.37
0,015
0,0297
4
Sức cản ma sát tác
dụng lên dòng khí xả
của thiết bị tận dụng
Δp
ms
2.36
Pa
152
421
5
Hệ số cản cục bộ của
chùm ống song song
ξ
c
2,5
2,5
6
Sức cản cục bộ tác
dụng lên dòng khí xả
của thiết bị tận dụng
Δp
cb
2.37
Pa
39,7
47
7
Sức cản tác dụng lên
dòng khí lưu động qua
thiết bị tận dụng
Δp
2.34
Pa
191
468
8
Sức cản cho phép theo
tiêu chuẩn Việt Nam
TCVN 6259 -3:2003
Δp
Pa
1472 ÷ 3924
Kết quả tính cho thấy, tổng trở lực của thiết bị tận dụng nhiệt khí xả có giá
trị
Δp = 468 Pa ở chế độ 100%Ne của động cơ chính tương ứng với tốc độ của khí xả
đi qua bộ tận dụng lớn nhất ω
k
= 9,52 m/s. Như vậy trở lực do thiết bị tận dụng
nhiệt khí xả tạo ra nhỏ hơn so với trở lực cho phép.
2.4.5. Tính bền bộ tận dụng nhiệt khí xả
2.4.5.1. Phương pháp tính độ bền
- Vỏ của thiết bị tận dụng nhiệt dạng hình trụ chịu áp lực từ bên trong, chiều
dày tính toán của vách được xác định theo công thức :
D
GPD
4
1
(2.58)