Nghiên cứu tính toán thiết kế bầu hâm tận dụng nhiệt khí xả sử dụng công chất là dầu truyền nhiệt therminol 55 để phục vụ việc hâm sấy nhiên liệu fo cho tàu pvoil venus

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM --- oOo --- TRẦN MINH PHÚC NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẦU HÂM TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ XẢ SỬ DỤNG CÔ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM

- oOo -

TRẦN MINH PHÚC

NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẦU HÂM TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ XẢ SỬ DỤNG CÔNG CHẤT

LÀ DẦU TRUYỀN NHIỆT THERMINOL 55 ĐỂ PHỤC

VỤ VIỆC HÂM SẤY NHIÊN LIỆU FO CHO TÀU

PVOIL VENUS

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGÀNH : KỸ THUẬT CƠ KHÍ ĐỘNG LƯC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :

PGS TS MTr Lê Hữu Sơn

TP HỒ CHÍ MINH, 2018

LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là: Trần Minh Phúc

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ này là công trình khoa học của tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy PGS,TS,MT Lê Hữu Sơn Ngoài các nội dung tham khảo của các tác giả mà tôi đã liệt kê trong phần “Các tài liệu tham khảo”, luận văn của tôi không hề sao chép bất kì một nội dung nào khác của các công trình khoa học tương tự Các kết quả nghiên cứu trong luận văn này chưa được công bố trong bất

kì một tài liệu hoặc bài báo khoa học nào khác

Tôi xin chịu hoàn toàn mọi trách nhiệm trước pháp luật về lời cam đoan trên đây của mình

LỜI CẢM ƠN

Trong suốt thời gian thực hiện luận văn thạc sĩ này, cùng với sự nỗ lực cá nhân thì tác giả cũng đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ rất nhiệt tình và quý báu Tác giả rất trân trọng và tri ân các sự giúp đỡ đó

Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới thầy PGS, TS, MT Lê Hữu Sơn – Giảng viên của trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM Thầy đã hướng dẫn

và cung cấp cho tôi rất nhiều kiến thức chuyên môn, những tài liệu chuyên ngành hết sức quý báu trong suốt thời gian tôi thực hiện đề tài Thầy là người hướng dẫn tận tình

và tâm huyết trong quá trình thực hiên công trình nghiên cứu và đưa ra các ý kiến góp

ý giúp tôi hoàn tất luận văn này

Đồng thời, tác giả cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy, cô, đồng nghiệp

và bạn bè trong khoa Máy tàu thủy nói riêng và các thầy cô trong trường Đại học Giao thông vận tải TPHCM nói chung đã truyền đạt cho tôi những kiến thức chuyên môn bổ ích trong quá trình tôi học và làm việc tại trường

Cảm ơn Ban Chủ nhiệm khoa Máy tàu thủy đã giúp đỡ tạo điều kiện về thời gian

và công việc để tôi hoàn thành luận văn này

Cám ơn sự quan tâm, hỗ trợ và động viên của gia đình và bạn bè giúp tôi có động lực hoàn thành công việc nghiên cứu trong luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 04 năm 2018

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 2

MỤC LỤC 3

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ 9

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 10

MỞ ĐẦU 11

Chương 1 : TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ XẢ 12

1.1 Quá trình phát triển và những cải tiến của các thiết bị tận dụng nhiệt khí xả: 12 1.1.1 Nồi hơi khí xả 12

1.1.2 Tuabin khí xả 14

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu đề tài trên thế giới và trong nước 16

1.2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu đề tài trên thế giới: 16

1.2.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu đề tài trong nước 16

Chương 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 19

2.1 Cơ sở lý thuyết về thiết bị hâm dầu đốt tận dụng khí xả động cơ Diesel máy chính 19

2.1.1 Hâm dầu bằng điện trở sấy 19

2.1.2 Hâm dầu bằng hơi nước 19

2.1.3 Hâm dầu bằng nồi hơi phụ sử dụng công chất là dầu 21

2.2 Tính nghiệm nhiệt hệ thống Diesel tàu thủy 22

2.2.1 Giới thiệu chung động cơ máy chính tàu PV OIL VENUS 22

2.2.2 Chọn các thông số ban đầu: 23

2.2.3 Quá trình nạp 24

2.2.4 Quá trình nén 25

2.2.5 Quá trình cháy 26

2.2.6 Quá trình giãn nở 28

2.2.7 Các thông số đặc trưng 29

2.2.8 Lượng khí xả ra khỏi động cơ 𝐺𝑘𝑥(𝑘𝑔/𝑠) 31

2.3 Lý thuyết về truyền nhiệt 31

2.3.1 Dẫn nhiệt ổn định 31

2.3.2 Trao đổi nhiệt đối lưu 41

2.4 Tính toán thiết bị trao đổi nhiệt 49

2.4.1 Định nghĩa 49

2.4.2 Các phương trình tính toán thiết bị trao đổi nhiệt 50

2.4.3 Tính truyền nhiệt qua vách phẳng 50

2.4.4 Tính truyền nhiệt qua vách trụ 52

Chương 3 :NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BẦU HÂM TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ XẢ SỬ DỤNG CÔNG CHẤT LÀ DẦU TRUYỀN NHIỆT THERMINOL 55 ĐỂ PHỤC VỤ CHO VIỆC HÂM SẤY NHIÊN LIỆU FO CHO TÀU PVOIL VENUS 55

3.1 Tìm hiểu đặc tính của dầu Therminol 55 dùng làm công chất cho bầu hâm tận dụng nhiệt khí xả 55

3.1.1 Đặc tính của dầu Therminol 55 55

3.1.2 So sánh đặc tính của dầu Therminol 55 với công chất là nước và dầu khoáng dẫn nhiệt khác 60

3.2 Tính lượng nhiệt cần để hâm sấy nhiên liệu FO trên tàu PVOIL Venus 61

3.2.1 Tính lượng nhiệt tổn thất ở các két chứa dầu đốt FO 62

3.2.2 Tính lượng nhiệt để hâm dầu đốt ở các két và bầu hâm (Q h ) 66

3.3 Chọn sơ đồ hệ thống bầu hâm tận dụng nhiệt khí xả sử dụng công chất là dầu cho việc hâm sấy nhiên liệu FO của tàu PVOIL Venus 70

3.3.1 Bơm tuần hoàn 70

3.3.2 Bầu nhận nhiệt khí xả 71

3.3.3 Bầu hâm dầu đốt 72

3.3.4 Bình tách khí 72

3.3.5 Sinh hàn dầu thừa 72

3.3.6 Nguyên lý làm việc của hệ thống 72

3.4 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt cho hệ thống hâm dầu đốt tàu PVOIL Venus 73

3.4.1 Bầu nhận nhiệt khí xả 73

3.4.2 Tính toán, thiết kế bầu hâm dầu đốt 83

3.4.3 Tính toán, thiết kế hệ thống hâm két trực nhật 89

3.4.4 Tính toán, thiết kế hệ thống hâm két lắng 92

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 96

TÀI LIỆU THAM KHẢO 97

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Ký

hiệu

g e Suất tiêu hao nhiên liệu có ích kg/(kW.h)

gi Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị kg/(kW.h)

G n Lượng nhiên liệu cấp cho động cơ trong một giờ kg/h

𝑄𝐻𝑃 Nhiệt trị thấp của nhiên liệu kJ/kg

L 0 Lượng không khí lý thuyết kmol/kg

L Lượng không khí thực tế kmol/kg

C m Tốc độ trung bình của piston m/s

 Hệ số dư lượng không khí

r Hệ số khí sót

n Hệ số nạp

o Hệ số thay đổi phân tử lý thuyết

 Hệ số thay đổi phân tử thực tế

Pa Áp suất cuối quá trình nạp kG/cm2

Pk Áp suất không khí sau khi nén kG/cm2

P c Áp suất cuối quá trình nén kG/cm2

P b Áp suất cuối quá trình giãn nở kG/cm2

Tk Nhiệt độ không khí sau khi nén K

Ta Nhiệt độ cuối quá trình nạp K

T c Nhiệt độ cuối quá trình nén K

𝑡 Tỉ số nén thực tế của động cơ

C p Nhiệt dung riêng đẳng áp kJ/kg.độ

C v Nhiệt dung riêng đẳng tích kJ/kg.độ

 Chênh lệch nhiệt độ bình quân logarit K

Gradt Gradient nhiệt độ

Gr Tiêu chuẩn Grashof

Nu Tiêu chuẩn Nusselt

Pr Tiêu chuẩn Prandtl

Re Tiêu chuẩn Reynolds

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1-1: Kết cấu một số loại nồi hơi khí xả thường dùng cho tàu biển 13

Hình 1-2: Động cơ diesel tăng áp tua bin khí máy nén 15

Hình 1-3: Nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả động cơ diesel tàu thuỷ kiểu moduyn 17

Hình 2-1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống nồi hơi liên hiệp phụ khí xả 20

Hình 2-2 Hâm dầu bằng nồi hơi phụ sử dụng công chất là dầu 21

Hình 2-3:Xác định Gradien nhiệt độ 33

Hình 2-4: Dẫn nhiệt qua vách phẳng một lớp 34

Hình 2-5: Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp 36

Hình 2-6: Dẫn nhiệt qua vách trụ một lớp 38

Hình 2-7:Dẫn nhiệt qua vách trụ nhiều lớp 40

Hình 2-8:Cách bố trí chùm ống song song 47

Hình 2-9:Cách bố trí chùm ống so le 48

Hình 2-10: Truyền nhiệt qua vách phẳng 1 lớp 51

Hình 2-11: Truyền nhiệt qua vách trụ 53

Hình 3-1: Sơ đồ thiết kế hệ thống hâm dầu đốt tận dụng nhiệt khí xả động cơ 71

Hình 3-2: Giản đồ xác định độ đen của khí CO2 79

Hình 3-3: Giản đồ xác định độ đen của khí H O2 80

Hình 3-4: Kết cấu bầu nhận nhiệt khí xả 83

Hình 3-5: bầu hâm dầu đốt 89

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1:Thành phần nhiên liệu cho động cơ 23

Bảng 2-2:Bảng tra thông số Ref của chất lỏng theo tỉ số l/d 45

Bảng 2-3:Bảng tra thông số 𝜺𝒍 theo tỉ số l/d 46

Bảng 2-4:Bảng hiệu chỉnh ảnh hưởng của góc va 49

Bảng 3-1: Thông số vật lý cơ bản của dầu truyền nhiệt therminol 55 55

Bảng 3-2: Tính chất vật lý của dầu truyền nhiệt therminol 55 57

Bảng 3-3: So sánh dầu therminol 55 với dầu gốc khoáng ( shell thermia, total, castrol, bp, caltex,mobile, ) 60

Bảng 3-4: Dòng nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che 65

MỞ ĐẦU

Vận tải biển quốc tế là một phương thức sử dụng năng lượng hiệu quả nhất trong vận chuyển hàng hóa Tuy nhiên, việc nâng cao hơn nữa việc sử dụng năng lượng và kiểm soát ô nhiễm môi trường đang là vấn đề quan trọng được đặt ra cho sự phát triển của ngành vận tải biển trong sự phát triển chung của thương mại toàn cầu, nhằm giới hạn các tác động ảnh hưởng lên sức khỏe của con người và môi trường

Nghị quyết 59 của Ủy ban bảo vệ môi trường biển (MEPC-Marine Environment

Protection Committee) vào tháng 7 năm 2009 đã đặt ra quy định về các vấn đề kỹ thuật

và đo đạc giảm ô nhiễm trong vận hành bao gồm các hướng dẫn tạm thời về chỉ số thiết

kế hiệu quả năng lượng (EEDI-Energy Efficiency Design Index) và kế hoạch quản lý hiệu quả năng lượng trên tàu (SEEMP-Ship Energy Efficciency Management Plan) Nghị quyết MEPC 62 vào tháng 7 năm 2011 đã sửa đổi bổ sung thêm mới chương

4 trong phụ lục VI của công ước Marpol về các quy định đối với hiệu quả năng lượng trên tàu, bắt buộc áp dụng về chỉ số thiết kế hiệu quả năng lượng (EEDI) đối với các tàu đóng mới và xây dựng kế hoạch quản lý hiệu quả năng lượng trên tàu (SEEMP) đối với tất cả các tàu có tổng dung tích từ 400 GT trở lên bắt đầu có hiệu lực vào ngày 1 tháng 1 năm 2013

Qua đề tài “Nghiên cứu, tính toán thiết kế bầu hâm tận dụng nhiệt khí xả sử dụng công chất là dầu truyền nhiệt Therminol 55 để phục vụ việc hâm sấy nhiên liệu FO cho tàu PVOIL VENUS.” dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS,TS,MT Lê Hữu Sơn, em đã được tìm hiểu sâu về hệ thống nồi hơi và thiết bị trao đổi nhiệt tàu thủy, các máy móc

và thiết bị điện kèm theo Đồng thời đưa ra giải pháp dùng bầu hâm khí xả động cơ sử dụng dầu truyền nhiệt thay cho công chất là nước ở dưới tàu thủy nhằm mục tiêu tiết kiệm năng lượng

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ TẬN DỤNG NHIỆT KHÍ XẢ

1.1 Quá trình phát triển và những cải tiến của các thiết bị tận dụng nhiệt khí xả:

Hiện nay, ở Việt Nam ngành công nghiệp đóng tàu phát triển nhanh chóng Trong những năm gần đây các nhà máy đóng tàu của Việt Nam đã đóng những con tàu

có trọng tải lớn Động cơ chính được lắp trên những con tàu này là động cơ diesel có công suất tới hàng chục ngàn mã lực Khí xả do động cơ chính thải ra có lưu lượng lớn,

áp suất và nhiệt độ còn khá cao, khoảng 0,35 Mpa và 400 oC, mang theo nguồn năng lượng lớn thải ra ngoài Nguồn năng lượng này chiếm khoảng 20% đến 25% tổng nhiệt lượng sinh ra trong buồng cháy động cơ, ngoài ra nhiệt do nước làm mát thải ra chiếm khoảng 10% đến16% tổng nhiệt lượng sinh ra trong buồng đốt Nếu tận dụng một phần nguồn nhiệt này sẽ góp phần tiết kiệm nhiên liệu và tăng hiệu suất của hệ động lực tàu thủy

Như chúng ta đã biết trên tàu thủy hiện này sử dụng chủ yếu hai loại dầu đốt là dầu nhẹ DO (Diesel oil) và dầu nặng FO (Heavy Fuel Oil) Dầu FO ở nhiệt độ môi trường có độ nhớt rất cao (ở 150C dầu thường có độ nhớt 180 cSt hay 380 cSt) gây khó khăn trong quá trình khai thác như sau:

- Dầu FO dưới tàu thủy được vận chuyển từ két này sang két khác trước khi đưa vào động cơ bằng các bơm dầu dạng thể tích Độ nhớt động học của dầu cao sẽ gây cản trở thủy lực trong quá trình vận chuyển dầu, gây khó khăn trong quá trình tách tạp chất bằng phương pháp lắng trong các két

- Trong bản thân dầu FO có một số tạp chất như nước, cặn bẩn… Chúng sẽ gây ra những hư hỏng cho hệ thống nhiên liệu vì thế trước khi đưa vào động cơ các tạp chất này phải được tách ra khỏi dầu Tuy nhiên, ở nhiệt độ thấp thì độ nhớt động học của dầu FO rất lớn cùng với tỉ trọng của dầu gần bằng với tỉ trọng của nước

và tạp chất gây khó khăn trong quá trình tách tạp chất ra khỏi dầu

- Động cơ diesel chỉ làm việc với nhiên liệu có độ nhớt thích hợp, nếu độ nhớt quá cao sẽ ảnh hưởng rất lớn đến quá trình cháy, làm kẹt vòi phun, …

Với những tác hại như vậy, nên dầu FO phải được hâm sấy và luôn duy trì nhiệt

độ cao (từ 80 0C – 1200C)

Hình 0-1: Kết cấu một số loại nồi hơi khí xả thường dùng cho tàu biển

a: Nồi hơi ống lửa nằm d: Nồi hơi ống nước xoắn nằm kiểu lò xo

c: Nồi hơi ống nước xoắn kiểu lò xo

Tùy thuộc loại tàu, công dụng của tàu, tùy thuộc nhu cầu hơi thực tế và phụ thuộc chủ tàu mà trên tàu thủy có thể bố trí nồi hơi phụ hoặc nồi hơi khí xả hoặc nồi hơi phụ – khí xả hoặc nồi hơi phụ và nồi hơi khí xả Hiện nay, tất cả các loại tàu

có trọng tải lớn đóng ở nước ngoài hay đóng tại Việt Nam đều lắp nồi hơi do các hãng sản xuất nồi hơi nổi tiếng chế tạo Tuy nhiên, đối với các loại tàu trọng tải khoảng 3.000 đến 5.000 tấn đóng cho các chủ tàu Việt Nam, thường sử dụng động cơ chính có công suất khoảng 1.500 đến 3.000 mã lực chạy bằng nhiên liệu nặng thường lắp nồi hơi của Trung Quốc hoặc lắp thiết bị sấy nhiên liệu bằng điện

1.1.2 Tuabin khí xả

Các đội tàu quốc tế hiện nay, động cơ diesel đang được hiện đại hóa không ngừng

để nhằm mục đích tăng công suất, giảm suất tiêu hao nhiên liệu và khí thải ra môi trường Đây là vấn đề cấp thiết, là một trong những yêu cầu quan trọng để phát triển và hội nhập của ngành hàng hải Mức độ tự động hóa cho các động cơ diesel ngày càng cao, việc tối ưu hóa quá trình cháy làm giảm chi phí về nhiên liệu, giảm các độc tố gây

ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính đáp ứng đòi hỏi theo các tiêu chuẩn quốc tế Tier

II, Tier III …

Một trong các phương pháp tối ưu đó là sử dụng tua bin khí xả để lai máy nén tăng

áp cho động cơ nhằm mục đích tăng công suất, hiệu suất sử dụng nhiệt của động cơ được tính đến đầu tiên Tăng áp tua bin khí xả lai máy nén là phương pháp dùng tua bin

sử dụng năng lượng khí xả lai máy nén gió kiểu ly tâm được gắn đồng trục với roto tua bin Trên hình 1.2 thể hiện sơ đồ khối động cơ diesel tăng áp bằng tua bin khí máy nén Khí xả sau khi ra khỏi động cơ có thể qua bộ biến đổi sơ bộ rồi cấp vào tua bin Công suất động cơ tua bin trực tiếp được sử dụng để dẫn động máy nén gió tăng áp Không khí nén trước khi cấp vào động cơ có thể được làm mát bằng thiết bị sinh hàn

Hình 0-2: Động cơ diesel tăng áp tua bin khí xả lai máy nén

Tăng áp bằng tua bin khí máy nén đơn thuần nhất cho phép tăng công suất động

cơ diesel từ 50 ÷ 70%, tăng hiệu suất động cơ từ 4 ÷ 6%, suất tiêu hao nhiên liệu có ích giảm từ 8 – 13%, nhiệt độ khí xả giảm 50oC Bằng một số biện pháp cải tiến, tăng áp tua bin khí máy nén có thể tăng công suất động cơ từ 2 đến 4 lần Để chủ động định lượng mức độ tăng áp, người tăng áp có thể trích một phần năng lượng khí cháy trong

xy lanh động cơ dành cho tua bin bằng cách tăng góc mở sớm cơ cấu xả Trong trường hợp này, tua bin khí máy nén là thiết bị tận dụng năng lượng của khí xả Mặc dù tăng

áp bằng tua bin khí máy nén có thể cải thiện được các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động

cơ nhưng khả năng gia tải của động cơ rất kém

Trên thực tế, các động cơ diesel thường được trang bị các tổ hợp tua bin khí máy nén với nhiều thiết bị phụ trợ, nhiều phương án cải tiến Các phương án đó có thể kể ra như: bộ biến đổi xung khí xả, ống phun và ống khuếch tán điều chỉnh được, phối hợp tăng áp cơ giới và tua bin khí máy nén, sử dụng máy nén hốc dưới piston; sử dụng quạt gió phụ hoặc máy nén phụ vào mục đích giảm tải cho tổ hợp tua bin khí máy nén Khi

sử dụng tổ hợp tua bin khí xả lai máy nén tăng áp có các ưu điểm như:

 Giảm giá thành sản xuất ứng với một đơn vị công suất,

 Giảm trọng lượng riêng của toàn bộ động cơ ứng với một đơn vị công suất,

 Giảm thể tích toàn bộ của động cơ ứng với một đơn vị công suất,

 Giảm đáng kể tỉ lệ tiêu thụ nhiên liệu trên phạm vi tải của động cơ,

 Tăng độ làm việc tin cậy và giảm chi phí bảo dưỡng so với các phương pháp tăng áp động cơ khác,

 Khí thải sạch hơn,

 Nâng cao hoạt động khai thác động cơ một cách linh hoạt, dễ dàng cho tự động hóa,

 Giảm độ ồn của động cơ

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu đề tài trên thế giới và trong nước

1.2.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu đề tài trên thế giới

Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu về các thiết bị tận dụng nhiệt trong

đó có bầu hâm dầu đốt Các tài liệu liên quan đến việc thiết kế và chế tạo thiết bị này không nhiều mà chỉ có những trang thông tin để bán sản phẩm Qua tìm hiểu trên mạng internet

và các tạp chí khoa học tôi được biết như sau:

Năm 2010 trên tạp chí khoa học Zeszyty Naukowe của trường đại học hàng hải Szczecin Ba Lan có bài viết: “The analysis of thermal oil heating system with exhaust gas heaters on motor ships”

Ngoài ra trên thế giới còn có rất nhiều hãng sản xuất nồi hơi tận dụng nhiệt khí

xả như hãng Miura, BBS GMBH & BAY, Cohlbach hay Man&BW, … với mục đích tận dụng tối đa lượng nhiệt thải của khí xả để góp phần nâng cao năng suất cho hệ động lực và góp phần bảo vệ môi trường

1.2.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu đề tài trong nước

Tại Việt Nam, đã có một số công trình nghiên cứu như sau:

 Tạp chí khoa học và công nghệ, Đại học Đà Nẵng (số 04(39)-2010) “Thiết

kế hệ thống sấy dầu FO dùng cho lò hơi bằng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống lồng sử dụng năng lượng mặt trời”

 Khoa đóng tàu của Trường Đại học Hàng hải Hải Phòng đã thiết kế chế tạo thành công nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả làm việc theo nguyên lý tuần hoàn tự nhiên kết hợp với bầu hâm nước tiết kiệm và đã lắp thử trên tàu 3.600 tấn

Hình 0-3: Nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả động cơ diesel tàu thuỷ kiểu moduyn

Kết cấu nồi hơi được chế tạo liền thành một khối cứng vững nên không thuận tiện cho việc lắp đặt, sửa chữa, bảo dưỡng, thay thế

Kết cấu các chi tiết phức tạp nên chế tạo khó khăn, giá thành cao và cần phải trang

bị các thiết bị chế tạo đắt tiền, đồng thời cần phải có đội ngũ thợ tay nghề bậc cao mới chế tạo được

Trên cơ sở đánh giá các loại nồi hơi đang sử dụng nhóm tác giả nghiên cứu và đề xuất loại nồi hơi khí xả kiểu moduyn (hình 1.3) là loại nồi hơi ống nước có bộ hâm nước tiết kiệm, tuần hoàn tự nhiên, gồm có các vỉ ống (các moduyn) lên có cánh nối liền hai ống góp dưới và ống góp trên với bầu trên và những ống xuống nối liền bầu trên với ống góp dưới

Trong quá trình hoạt động khói thải đi qua toàn bộ các vỉ ống nước có cánh Nước

nhận nhiệt, một phần bốc hơi tạo thành hỗn hợp nước và hơi nhẹ hơn đi vào bầu hơi -

nước và tiếp tục phân ly một lần nữa tại bầu hơi rồi mới đưa đi sử dụng, còn phần nước

sẽ cùng nước mới cấp vào đi theo ống xuống vào ống góp dưới, tiếp tục cấp cho ống

nước lên Để tăng hiệu suất nồi hơi, có lắp thêm một bộ hâm nước, có kết cấu tương tự

kết cấu nồi hơi khí xả nhưng có kích thước nhỏ hơn Nước trong bộ hâm nước tuần hoàn

tự nhiên, sau khi được hâm đến nhiệt độ nhất định sẽ được cấp vào nồi hơi Đây là kiểu

kết cấu nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả kiểu mới chưa thấy công bố trên các công trình

nghiên cứu về nồi hơi nói chung và nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả nói riêng cả ở Việt

Nam và trên thế giới Loại nồi hơi này có bộ phận sinh hơi và bộ phận hâm nước tiết

kiệm, các dàn sinh hơi và hâm nước được chế tạo thành các vỉ kiểu moduyn và lắp ghép

với các bầu chứa nước, chứa hơi bằng bầu nên qui trình chế tạo và thiết bị dùng để chế

tạo đơn giản, thuận tiện cho việc lắp ráp, thay thế, bảo dưỡng, sửa chữa

Công ty trách nhiệm hữu hạn thương mai dịch vụ và sản xuất Đồng Nguyễn có địa

chỉ: Số 042 ấp Cầu - Xã Tân Phong - Huyện Tân Biên - Tây Ninh

Đây là công ty chuyên chế biến sản xuất mủ cao su Công ty này có sử dụng hệ

thống hâm sấy mủ cao su sử dụng nồi hơi có công chất là dầu truyền nhiệt Therminol

55, nồi hơi này sử dụng nhiên liệu là mùn cưa và vỏ hạt điều

Ngoài ra cũng còn một số công trình khoa khọc và một số các nhà máy, khu công

nghiệp cũng sử dụng loại nồi hơi dùng công chất là dầu truyền nhiệt Tuy nhiên, loại

dầu này sử dụng ở dưới tàu của Việt Nam là rất hiếm và hầu như chưa có

CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Cơ sở lý thuyết về thiết bị hâm dầu đốt tận dụng khí xả động cơ Diesel máy chính 1.1.1 Hâm dầu bằng điện trở sấy

Trên các tàu có công suất máy chính vừa và nhỏ sử dụng dầu FO thì dầu này được hâm sấy bằng điện trở sấy Điện năng cung cấp cho điện trở sấy được lấy từ các máy phát điện trên tàu

Với phương pháp này, công việc hâm sấy sẽ đơn giản Tuy nhiên việc hâm sấy dầu đốt bằng điện trở gặp một số vấn đề sau:

- Chỉ sử dụng cho các két có dung tích nhỏ,

- Nguy cơ cháy nổ cao, phải thường xuyên chăm sóc, điều chỉnh,

- Làm tăng phụ tải cho các máy phát điện, tăng chi phí khai thác

1.1.2 Hâm dầu bằng hơi nước

Một hệ thống liên hợp nồi hơi phụ-bộ tận dụng nhiệt khí xả bao gồm một nồi hơi phụ và một bộ tận dụng nhiệt khí xả Khác với nồi hơi liên hợp, ở hệ thống này nồi hơi phụ được bố trí độc lập so với bộ tận dụng nhiệt khí xả Điều này cho phép dễ dàng bố trí nồi hơi phụ ở vị trí thuận lợi trong buồng máy Nồi hơi phụ sử dụng trong hệ thống liên hợp có thể là dạng ống lửa hoặc ống nước

Các bộ tận dụng nhiệt khí xả thường có dạng cụm ống nước (Hình 2.1), được bố trí ngay trên đường ống xả của động cơ Diesel chính mà không có bướm hướng khí xả

Để tăng cường trao đổi nhiệt, các cụm ống của bộ tận dụng nhiệt khí xả có thể được bố trí cánh tản nhiệt Với kết cấu như vậy hệ thống liên hợp nồi hơi khá gọn nhẹ, dễ bố trí trong buồng máy Tuy nhiên, cần chú ý cấp nước tuần hoàn cho bộ tận dụng nhiệt, ngay

cả khi máy chính hoạt động ở chế độ điều động, để tránh cháy hỏng cụm ống Thông thường các bộ tận dụng nhiệt được chế tạo để có thể thay thế từng cụm ống hoặc thay toàn bộ khi các ống bị cháy hỏng Một số bộ tận dụng nhiệt còn bố trí bộ sấy hơi để sản xuất hơi sấy dùng cho các tua bin phụ lai các máy phụ Những hệ thống như vậy thường

được bố trí để khoang hơi của nồi hơi phụ cũng đồng thời là bầu tách hơi của bộ tận dụng nhiệt khí xả

Hình 0-1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống nồi hơi liên hiệp phụ khí xả

1 Nồi hơi phụ ; 2 Ống nước; 3 Bơm tuần hoàn; 4 Đường nước cấp;

5 Đường hơi đi sử dụng; 6 Bầu phân ly hơi; 7 Bộ tận dụng nhiệt khí xả;

8 Ống góp vào; 9 Ống góp ra; 10 Khí xả từ động cơ Diesel vào;

11 Cụm ống sinh hơi của bộ tận dụng nhiệt khí xả; 12 Cánh tản nhiệt

1.1.3 Hâm dầu bằng nồi hơi phụ sử dụng công chất là dầu

Ở trên một số khối tàu hiện nay do các nước châu Âu và Nhật Bản đóng, người ta

sử dụng các loại nồi hơi phụ đốt dầu sử dụng công chất là dầu nhằm mục đích hâm sấy

ở trên tàu

Hình 0-2 Hâm dầu bằng nồi hơi phụ sử dụng công chất là dầu

Nguyên lý làm việc của hệ thống:

Nhiên liệu từ két chứa được bơm chuyển dầu (01) bơm lên két dầu trực nhật Bơm cấp nhiên liệu (03) hút dầu từ két trực nhật qua phin lọc dầu đốt (02) qua phin lọc chữ

Y tới van điện từ (06) Khi đốt nồi hơi này thì van (06) mở cấp dầu tới súng phun để phun sương vào trong buồng đốt của nồi hơi Tại đây nhiên liệu sẽ hòa trộn với không khí sạch được quạt gió (20) cháy tạo ra khói lò có nhiệt độ cao, khói lò quét qua các ống hấp thụ nhiệt để truyền nhiệt cho dầu truyền nhiệt đi bên trong ống của nồi hơi Sau khi trao nhiệt xong khói lò theo đường ống xả đi ra ngoài

Công chất dùng cho nồi hơi là dầu truyền nhiệt, dầu này tuần hoàn khép kín qua nồi hơi Bơm tuần hoàn (16) cấp dầu công chất vào nồi hơi để nhận nhiệt từ khí cháy làm cho nhiệt độ công chất tăng lên rồi đi sử dụng Dầu truyền nhiệt ra khỏi nồi hơi qua các cảm biến và rơ le nhiệt độ (09, 10, 11) để kiểm soát nhiệt độ công chất trước khi được đưa tới các thiết bị sử dụng nhiệt (13) Dầu từ các thiết bị sử dụng nhiệt sẽ được đưa qua bầu tách khí ở két giãn nở trước khi theo đường dầu hồi về lại bơm tuần hoàn kết thúc chu trình làm việc khép kín của dầu truyền nhiệt

1.2 Tính nghiệm nhiệt hệ thống Diesel tàu thủy

1.2.1 Giới thiệu chung động cơ máy chính tàu PV OIL VENUS

Tên động cơ : AKASAKA-MITSUBISHI 6UEC37LA

Kiểu động cơ : động cơ 2 kì thấp tốc có tua bin tăng áp

Hãng chế tạo : KOBE DIESEL

Các thông số cho trước :

- Áp suất có ích bình quân : 19,5 bar

- Tốc độ bình quân của piston : 6,18 m/s

- Suất tiêu hao nhiên liệu tại 100% tải : 177 (g/kWh)

- Suất tiêu hao nhiên liệu tại 80% tải : 175 (g/kWh)

1.2.2 Chọn các thông số ban đầu:

1.2.2.1 Nhiên liệu

Bảng 0-1:Thành phần nhiên liệu cho động cơ

Thành phần nhiên liệu tính theo % khối lượng

Chọn: T sn 20o C293o K là độ tăng nhiệt độ không khí do sự sấy nóng của các cửa,

cơ cấu nạp, đỉnh piston và vách xilanh

0 310 293 700*0, 02 293

1.2.4.3 Nhiệt độ cuối quá trình nén

0

0,87 0,126 ' ( 0, 21) (2 0, 21).0, 495 1, 01( / )

M L

1.2.5.8 Hệ số sử dụng nhiệt tại điểm b:

Chọn ζb= 0,9 trong dải ζ=0,86~0,95 cho động cơ thấp tốc và trung tốc

1.2.5.9 Hệ số sử dụng nhiên liệu tại điểm z

Chọn ζz=0,75 trong dải ζz=0,75~0,85 cho động cơ thấp tốc và trung tốc 1.2.5.10 Hệ số thay đổi phần tử tại điểm z

z z

1.2.5.11 Tỷ nhiệt mol trung bình của không khí và sản phẩm cháy:

Tỷ nhiệt mol trung bình đẳng tích của không khí:

o z

z z c

T T

4, 6 0, 0006 11

1, 991

1.2.6.2 Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở

r

1126

626

11, 66 2 P

o b

r b

𝑃𝑖 = 𝑃𝑖,. (1 −𝑠) = 22,67.0,94 (1 − 0,085) = 19,5 (𝑐𝑚𝑘𝐺2) (2.31)

1.2.7.4 Hiệu suất cơ giới ηm

Chọn ηm=0,9 1.2.7.5 Áp suất có ích bình quân Pe

2 19,5.0,9 17,55( / )

H s i

5163.0,9 4640( )

e i m

Công suất của nhà sản xuất Ne=4200 HP

1.2.8 Lượng khí xả ra khỏi động cơ 𝐺𝑘𝑥(𝑘𝑔/𝑠)

Lưu lượng khí xả ra khỏi động cơ có thể lấy gần bằng lưu lượng không khí đi vào động cơ (𝐺𝑘𝑥 ≈ 𝐺𝑘𝑘) nếu bỏ qua lượng nhiên liệu Nếu tính cả lượng nhiên liệu thì lưu lượng khí xả được tính bằng:

kx

G

Trong đó,  là hệ số dư lượng không khí quét, về trị số  = 1,1 ÷ 1,5

1.3 Lý thuyết về truyền nhiệt

1.3.1 Dẫn nhiệt ổn định

1.3.1.1 Những khái niệm cơ bản về dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là qúa trình truyền nhiệt năng khi vật hoặc các phần của vật có nhiệt độ

khác nhau tiếp xúc trực tiếp với nhau

Trường nhiệt độ : Tập hợp giá trị nhiệt độ của tất cả điểm khác nhau trong không

gian tại một thời điểm nào đó gọi là trường nhiệt độ Vì tại các điểm khác nhau thì nhiệt

độ sẽ khác nhau, và ở những thời điểm khác nhau thì nhiệt độ sẽ khác nhau Do đó, nhiệt độ phụ thuộc vào cả không gian lẫn thời gian

 , , , 

t  f x y z  (2.40)

Trường nhiệt độ có thể phân thành trường nhiệt độ ổn định và trường nhiệt độ không

ổn định Trường nhiệt độ biến thiên theo thời gian gọi là trường nhiệt độ không ổn định, còn trường nhiệt độ không biến thiên theo thời gian gọi là trường nhiệt độ ổn định

Mặt đẳng nhiệt : Tại một thời điểm nào đó, tập hợp tất cả các điểm của vật có nhiệt

độ như nhau ta được những mặt gọi là mặt đẳng nhiệt, hay nói cách khác mặt đẳng nhiệt chính là qũy tích của các điểm có nhiệt độ như nhau tại một thời điểm nào đó

Bởi vì một điểm trong vật không thể tồn tại hai nhiệt độ do đó các mặt đẳng nhiệt không cắt nhau, nó chỉ cắt bề mặt vật hoặc khép kín bên trong vật

Hệ số dẫn nhiệt  : Là thông số vật lý của vật liệu, đặc trưng cho khả năng dẫn

nhiệt của vật liệu và được đo bằng W/m.oK  phụ thuộc vào loại vật liệu, cấu trúc của

nó (cấu tạo tinh thể, độ xốp …), độ ẩm, áp suất, đặc biệt là nhiệt độ Sự phụ thuộc của

 vào nhiệt độ được biểu diễn qua công thức

tuyến t

n



 là lớn nhất

Gradien nhiệt độ: Đại lượng vectơ có phương trùng với phương pháp tuyến của các

mặt đẳng nhiệt, có chiều là chiều tăng nhiệt độ và có độ lớn bằng đạo hàm riêng của nhiệt độ theo phương pháp tuyến được gọi là gradien nhiệt độ, ký hiệu là gradt

Hình 0-3:Xác định Gradien nhiệt độ

Mật độ dòng nhiệt: là lượng nhiệt truyền qua một đơn vị diện tích bề mặt đẳng nhiệt

vuông góc với hướng truyền nhiệt trong một đơn vị thời gian Mật độ dòng nhiệt ký hiệu là q (W/m2)

Dòng nhiệt: là lượng nhiệt truyền qua toàn bộ diện tích bề mặt đẳng nhiệt trong một

đơn vị thời gian, ký hiệu là Q (W)

Định luật Fourier: “ Mật độ dòng nhiệt tỷ lệ thuận với gradien nhiệt độ”

Xét một vách phẳng đồng chất và đẳng hướng, có chiều dày  và hệ số dẫn nhiệt

= const, vách có chiều rộng rất lớn so với chiều dày, nhiệt độ hai bề mặt giữ không đổi là t w1 và t w2 (giả sử t w1 > t w2) Trong điều kiện này thì nhiệt độ chỉ biến thiên theo phương vuông góc với bề mặt (phương x), và t = f(x) Các mặt đẳng nhiệt sẽ là các mặt phẳng song song vuông góc với trục x

tb w w

b) Dẫn nhiệt qua vách phẳng nhiều lớp

Vách được tổ hợp từ một số lớp các vật liệu được gọi là vách nhiều lớp

Giả thiết có một vách gồm ba lớp hợp thành, chiều dày lớp thứ nhất là1, lớp thứ hai là 2, lớp thứ ba là 3 Hệ số dẫn nhiệt lần lượt bằng 1, 2, 3 Biết nhiệt độ hai

bề mặt ngoài cùng không đổi bằng t w1 và t w4 Bởi vì giữa hai bề mặt có sự tiếp xúc tốt

nên tại đấy có cùng một nhiệt độ, chúng ta chưa biết, ký hiệu là t w2 vàt w3

là các mặt trụ đồng tâm và nhiệt độ chỉ thay đổi theo phương bán kính Ta cần biết sự phụ thuộc t = f(r) và dòng nhiệt truyền qua vách trụ

tw1

2r12r2

1

ln2

w w

r Q

chiều dài ống l và tỷ lệ nghịch với logarit tự nhiên của tỷ số bán kính ngoài với bán kính

trong Khi t w1t w2 tức là dòng nhiệt hướng từ bề mặt ngoài vào mặt trong thì công thức trên vẫn đúng

Dòng nhiệt qua bề mặt ứng với một đơn vị chiều dài vách trụ sẽ bằng :

 1 22

1

2ln

w w l

Q q

d l

w w l

q

d d

d R

d



 là nhiệt trở dẫn nhiệt của một đơn vị chiều dài vách trụ, khi đó:

 1 21

w w l