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

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)