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

PGS. TSKH. Đặng Văn Uy Ths. Trần Thế Nam Trường Đại học Hàng hải Việt Nam Người phản biện: PGS. TS. Nguyễn Huy Hào

Tóm tắt: Thiết bị hòa trộn nhiên liệu liên tục dầu thực vật (dầu cọ) và dầu diesel là một trong những giải pháp công nghệ khả thi đưa nhiên liệu sinh học sử dụng trên tàu thủy, trong đó, các nhiên liệu thành phần được cấp liên tục vào két trộn theo tỷ lệ định sẵn trong suốt quá trình thiết bị hòa trộn làm việc, đồng thời, sản phẩm đầu ra (nhiên liệu hỗn hợp) liên tục cấp cho động cơ. Chính vì vậy, chất lượng hòa trộn (sự đồng nhất của hỗn hợp) tại cửa ra của thiết bị sẽ chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nguồn cấp nhiên liệu mới từ bên ngoài. Trong quá trình thiết kế và kiểm soát quá trình làm việc của thiết bị, việc đánh giá chất lượng hòa trộn là một trong những vấn đề rất quan trọng và cần được quan tâm một cách đặc biệt. Trong khuôn khổ bài báo, nhóm tác giả sẽ trình bày một số phương pháp tiên tiến đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị trộn nhiên liệu liên tục từ khâu thiết kế đến chế tạo và đưa vào sử dụng.

Từ khóa: Hòa trộn, dầu thực vật, dầu diesel, động cơ diesel thủy.

Abstract: In the fuel continuous mixer of pure plant oil and diesel oil for marine diesels, one of feasiable methods for applying bio-fuel to marine engine, while pure plant oil (palm oil) and diesel oil are continuously supplied into the mixing tank with each initial fixed blending ratio, the transfer of fuel mixture to diesel engine also is being operated. Therefore, mixing quality (homogeneity of fuel mixture) at discharge valve shall be much affected by new palm oil and diesel oil at intake side. During the processes of design and operation control, quality assessment of fuel mixture is one of the most important factors and should be specially studied on. This article introduces the advanced solutions for quality assessment of fuel mixture produced by the continuous mixer in the periods of design, manufacture and operation.

Keywords: Blend, vegetable oil, diesel oil, diesel hydro.

1. Đặt vấn đề

Việc đưa nhiên liệu sinh học xuống tàu thủy phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó quan trọng nhất là giải pháp công nghệ khả thi tạo nhiên liệu hỗn hợp ngay trên tàu và cung cấp cho các động cơ diesel thủy. Đề tài “Nghiên cứu giải pháp công nghệ và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị chuyển đổi động cơ diesel thủy cỡ vừa và nhỏ sang sử dụng hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel” đã được nhóm nghiên cứu của Trường Đại học Hàng hải Việt Nam giải quyết thành công với nền tảng cốt lõi là thiết kế và chế tạo thiết bị trộn nhiên liệu liên tục (on-line) nhằm tạo ra nhiên liệu hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel đáp ứng các tiêu chuẩn ISO đối với nhiên liệu thay thế dùng cho động cơ diesel thủy. Vậy nên, quá trình đánh giá chất lượng hòa trộn, trên cơ sở đó, đánh giá về an toàn, độ tin cậy, chất lượng làm việc của thiết bị trộn nhiên liệu lần đầu tiên được đề xuất áp dụng cho tàu thủy ở Việt Nam, nhất thiết phải đảm bảo tính khoa học và đủ độ tin cậy. Do đó, nhóm nghiên cứu đã đề xuất các phương pháp tiên tiến trên cơ sở mô phỏng số và mô hình đồng dạng kết hợp lấy mẫu soi trên kính hiển vi hiện đại để đánh giá độ đồng nhất của hỗn hợp và mức độ phá vỡ các cầu trúc cao phân tử của thành phần nhiên liệu sinh học trong nhiên liệu hỗn hợp.

2. Tổng quan về thiết bị hòa trộn nhiên liệu liên tục áp dụng cho tàu thủy

Dầu cọ là một trong những 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. Tuy nhiên, để thực sự sử dụng được dầu cọ làm nhiên liệu thay thế cho các loại động cơ diesel lắp đặt trên tàu thủy đáp ứng được yêu cầu mang tính thương mại thì phải đáp ứng được các tiêu chí cơ bản như: 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. Trên cơ sở các phân tích đó và để đáp ứng các tiêu chí về kĩ thuật cũng như kinh tế, giải pháp cấp nhiên liệu hòa trộn liên tục với thiết bị trung tâm là hệ thống hòa trộn dầu cọ với dầu diesel, sau đó cấp trực tiếp cho động cơ không thông qua két chứa hỗn hợp như trên Hình 2.1 [2].

Hình 2.1: Hệ thống cấp nhiên liệu với thiết bị trộn nhiên liệu liên tục 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

3. Xây dựng phương pháp đánh giá chất lượng thiết bị trộn liên tục

3.1. Các tiêu chí đánh giá

Các tiêu chí được xây dựng để đánh giá thiết bị hòa trộn liên tục dầu cọ và dầu diesel cho các động cơ diesel thủy như sau:

- 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%.

- 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 [1, 3, 10].

3.2. Phương pháp đánh giá

3.2.1. Phương pháp mô phỏng số CFD

Bài toán nghiên cứu thiết kế thiết bị hòa trộn nhiên liệu liên tục dầu diesel và dầu cọ dạng thùng khuấy, ở đây đã sử dụng phần mềm Fluent-Ansys để nghiên cứu. Phần mềm Fluent - Ansys ứng dụng cho bài toán khuấy trộn chất lỏng 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:                                             

 

                (1)

 

- Phương trình Navier - Stokes:

 

                  (2)

 

 Trong đó:  

        - Véc tơ vận tốc tuyệt đối của phần tử lỏng khảo sát;  

 

` ` `vecF`  - Lực khối đơn vị; D

∆ - Toán tử Laplace.  

3.2.2. Phương pháp mô phỏng đồng dạng [4]

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:

E_u = f (R_e, F_r, G_i)      (3)

Trong đó, G_i - Tập hợp các đồng dạng hình

học: 

 

 

                    .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.

Các kết quả nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm đều cho thấy thời gian trộn có thể tính theo công thức gần đúng:

 

                   (4)

Trong đó: t_c - 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]; d_ck - Đường kính cánh khuấy [m]; D_kt - Đường kính két trộn [m]; H_kt - Chiều cao két trộn [m].

4. Các kết quả nghiên cứu

4.1. Các kết quả đánh giá bằng phương pháp 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 đặt cánh và cửa ra, từ đó nghiên cứu ảnh hưởng của số vòng quay và % pha 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:

Bảng 4.1. Thời gian hòa trộn theo % tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp

Hình 4.1: Hình ảnh bố trí pha của dầu cọ theo % tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp

Qua hình ảnh thấy rõ phân bố pha dầu cọ là khá đồng đều, diện tích vùng được hòa trộn 20% dầu cọ (màu vàng đậm) chiếm tỷ lệ rất lớn và phân bố rộng khắp.

- Ấn định tỷ lệ dầu cọ trong hỗn hợp 20% và thay đổi tốc độ cánh khuấy:

Bảng 4.2. Thời gian hòa trộn phụ thuộc vào tốc độ cánh khuấy

Hình 4.2: Ảnh hưởng của tốc độ cánh khuấy đến sự phân bố pha của dầu cọ

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.

4.2. Thử nghiệm thiết bị bằng mô hình đồng dạng

Sử dụng phương pháp mô hình đồng dạng để kiểm tra độ chính xác về thiết kế thiết bị trộn nhiên liệu liên tục thông qua việc xác định chất lượng trộn, thời gian trộn và các khu vực “chết” của chất lỏng.

4.2.1. 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 4.3. Trên cơ sở tính toán và chọn hệ số đồng dạng 1/2, sẽ tính được các thông số cơ bản của mô hình như trong Bảng 4.3.

Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý mô hình đồng dạng bộ hòa trộn tiên tục

 

Bảng 4.3. Các thông số cơ bản của mô hình thiết bị trộn [3,8]

 

4.2.2. Thực hiện thí nghiệm và phân tích

Tiến hành thử nghiệm với các tỷ lệ hòa trộn theo thể tích giữa dầu thực vật và dầu diesel: 10%, 20%, tương ứng với PO10, PO20 và đo thời gian hòa trộn trên cơ sở quan sát mức độ hòa trộn. Kết quả được thể hiện như trong Bảng 4.4.

Bảng 4.4. Thời gian hòa trộn theo các tỷ lệ hòa trộn khác nhau

 

Sau mỗi thời gian theo qui định, các mẫu nhiên liệu hỗn hợp được soi và chụp lại ảnh trên kính hiển vi Axio Lab.A1 để đánh giá độ đồng nhất và mức độ phá vỡ các cấu trúc cao phân tử trong thành phần dầu cọ. Kết quả như được thể hiện trên Bảng 4.5.

Bảng 4.5. Các mẫu thử nghiệm chụp bằng kính hiển vi Axio Lab.A1

 

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%;

- Ở chế độ hòa trộn liên tục, kích thước hạt dầu cọ chưa hòa tan hết lớn nhất là 35µm với thời gian hòa trộn 3 phút, là 12µm với thời gian hòa trộn 6 phút. Với kích thước lỗ phun của đầu vòi phun động 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.

5. Kết luận

Trong tương lai không xa, việc sử dụng nhiên liệu sinh học, cụ thể đối với dầu thực vật trong lĩnh vực vận tải thủy là một lựa chọn thích hợp nhất với sự hỗ trợ của thiết bị hòa trộn nhiên liệu liên tục. Các phương pháp đánh giá chất lượng hòa trộn của thiết bị như được nêu là một trong những yếu tố quan trọng nâng cao độ tin cậy quá trình thiết kế, hỗ trợ kiểm soát quá trình vận hành thiết bị. Các phương pháp này có thể sẽ là những tiền đề quan trọng để giúp các cơ quan như: Đăng kiểm, đo lường chất lượng đánh giá chất lượng làm việc của thiết bị, cũng như chất lượng của nhiên liệu hỗn hợp trong tương lai khi được triển khai xuống tàu thủy.

Tài liệu tham khảo

[1]. Công ước Quốc tế MARPOL 73/78, 2002.

[2]. PGS. TSKH. Đặng Văn Uy và nhóm nghiên cứu (2014), Đề tài Khoa học cấp Nhà nước: Nghiên cứu giải pháp công nghệ và chế tạo thử nghiệm hệ thống thiết bị chuyển đổi động cơ diesel thủy cỡ vừa và nhỏ sang sử dụng hỗn hợp dầu thực vật - dầu diesel, mã số ĐT.04.11/NLSH.

[3]. Quy phạm phân cấp và đóng tàu tàu biển 2013.

[4]. GS. TSKH. Phạm Văn Lang (1996), Đồng dạng - Mô hình - Thứ nguyên ứng dụng trong kỹ thuật cơ điện nông nghiệp, NXB. Nông nghiệp, Hà Nội.

[5]. Prof. Bilge Alpaslan Kocamemi, Chapter 6 Mixing, Marmara University (2012), Department of Environmental Engineering, Istanbul, Turkey.

[6]. Bernard Challen, Rodica Baranescu (1999), Diesel Engine Reference Book, Butterworth - Heinemann, Oxford OX2 8DP.

[7]. High Performance Fluid Mixing, Chempro Gujarat India, August 2011.

[8]. John B. Heywood (1988), International Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill Book Company.

[9]. Kees Kuiken (2008), Diesel Engines for Ship Propulsion and Power Plants, Part I, Target Global Energy Training, Onnen, The Netherlands.

[10]. Lloyd’s Register (June 2012), Implementing a Ship Energy Efficiency Management Plan (SEEMP), Guidance for Shipowners and Operators.