Thiết kế, chế tạo động cơ piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo

Hình 1.3: Mô hình Động cơ piston hơi nước ban đầu sử dụng cơ cấu Cu-Lit Động cơ hơi nước hay máy hơi nước đầu tiên được sử dụng như bộ phận chuyển động sơ cấp của bơm, đầu máy tàu hỏa,

MỤC LỤC

Trang

LỜI NÓI ĐẦU 1

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON HƠI NƯỚC 2

1.1 Lịch sử phát triển động cơ hơi nước 2

1.2 Giới thiệu về động cơ piston hơi nước 6

1.2.1 Đặc điểm kết cấu của động cơ piston hơi nước ban đầu 7

1.2.3 Tính năng, ưu nhược điểm của động cơ piston hơi nước thời kì đầu 8

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới 9

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước 9

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 9

1.4 Khả năng và phạm vi ứng dụng 11

1.4.1 Ứng dụng trên bộ 11

1.4.2 Ứng dụng trong tàu thủy 12

Chương 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ 13

2.1 Thiết kế nguyên lý cơ cấu hoạt động của động cơ piston hơi nước 13

2.1.1 Nhiệm vụ thiết kế 13

2.1.2 Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế 14

2.1.2.1 Chu trình nhiệt động và các thông số trạng thái của động cơ piston hơi nước 14

2.1.2.2 Sơ đồ nguyên lý của động cơ 21

2.2 Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơ theo yêu cầu thiết kế 27

2.2.1 Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơ 27

2.2.1.1 Quá trình sinh hơi trong nồi hơi 28

2.2.1.2 Phân tích lựa chọn phương án cấp nhiệt cho động cơ 29

2.2.1.3 Phân tích lựa chọn kết cấu của nồi hơi phù hợp với yêu cầu sử dụng 31

2.2.2 Phân tích kết cấu và lựa chon nồi hơi mới 32

2.2.3 Tính toán các thông số của nồi hơi 41

2.2.3.1 Phương pháp tính các thông số khí xả của động cơ diesel

và lượng nhiệt cấp cho nồi hơi từ khí xả 41

2.2.3.2 Lượng khí xả Gkx do động cơ chính xả ra 41

2.2.3.3 Lượng nhiệt cấp cho nồi hơi từ khí xả 42

2.2.3.4 Xác định sản lượng nồi hơi khí xả 42

2.2.4 Tính toán và kiểm nghiệm lượng khí xả trên động cơ G6300ZC17B ảnh hưởng đến các thông số của nồi hơi tận dụng nhiệt 43

2.2.4.1 Các thông số chính của động cơ [ Phần 4 trang 16]** 43

2.2.4.2 Tính các thông số khí xả động cơ, thông số công tác của nồi hơi 43

2.2.5 Đánh giá chung về loại nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả kiểu moduyn 45

2.2.5.1 Về khả năng hạn chế các tổn thất nhiệt, nâng cao hiệu suất, tiết kiệm nhiên liệu 46

2.2.5.2 Về khả năng giảm chi phí chế tạo 46

2.2.5.3 Về khả năng đáp ứng công suất, thông số hơi và chất lượng hơi 47

2.2.5.4 Làm việc ổn định và an toàn 47

2.2.5.5 Thuận tiện cho việc chế tạo, lắp ráp, vận hành, kiểm tra, bảo dưỡng và sửa chữa 48

2.2.6 Kết luận 51

2.3 Thiết kế van và mạch điều khiển van 51

2.3.1 Cơ sở lưa chọn phương án thiết kế 51

2.3.2 Phân tích phương án 51

2.3.2.1 Van cơ khí 51

2.3.2.2 Van điện từ 52

2.3.3 Thành phần mạch điều khiển van 52

2.3.3.1 Lựa chọn LED thu – phát hồng ngoại 52

2.3.3.2 Lựa chọn kích thước đường ống, các van điện từ 54

2.3.3.3 Cảm biến quang thiết kế 55

2.3.4 Lắp đặt van hơi 57

2.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ 57

Chương 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO 60

3.1 Cơ sở và chọn phương án thiết kế 60

3.2 Chọn năng suất làm việc cho động cơ 61

3.3 Thiết kế chế tạo trục 61

3.3.1 Tính toán, thiết kế 61

3.3.2 Chế tạo trục 64

3.4 Thiết kế chế tạo xy lanh 68

3.4.1 Thiết kế 68

3.4.2 Quy trình phục hồi và gia công xilanh 69

3.5 Thiết kế chế tạo piston 70

3.5.1 Thiết kế piston 70

3.5.2 Chế tạo piston 73

3.6 Thiết kế chế tạo cam lệch 76

3.6.1 Thiết kế 76

3.6.2 Chế tạo cam lệch 78

3.7 Thiết kế, chế tạo tấm phẳng 79

3.7.1 Thiết kế 79

3.7.2 Gia công, chế tạo tấm phẳng 81

3.8 Động cơ sau khi được chế tạo hoàn chỉnh 83

3.9 Bản vẽ lắp của động cơ 83

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM, KẾT LUẬN ,KIẾN NGHỊ 84

4.1 THỬ NGHIỆM 84

4.2 KẾT LUẬN 84

4.3 KIẾN NGHỊ VÀ ĐỀ XUẤT Ý KIẾN 85

Tài liệu tham khảo 87

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Động cơ hơi nước ban đầu của James watt 3

Hình 1.2: Mô hình động cơ piston hơi nước ban đầu 5

Hình 1.3: Mô hình Động cơ piston hơi nước ban đầu sử dụngcơ cấu Cu-Lit 6

Hình 1.4: Đặc điểm, kết cấu của động cơ piston hơi nước áp dụng trên đầu máy xe lửa ban đầu 7

Hình 1.5: Chảo parabol sử dụng năng lượng mặt trời 11

Hình 2.1: Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong 15

Hình 2.2: Chu trình thực của động cơ piston hơi nước trên đồ thị P-V 16

Hình 2.3: Biểu diễn quá trình đoạn nhiệt trên đồ thị công (p-v) và đồ thị nhiệt (T-s) 17

Hình 2.4: Biểu diễn quá trình đẳng áp trên đồ thị công và nhiệt 20

Hình 2.5: Lược đồ cơ cấu tay quay con trượt 22

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu tay quay con trượt 22

Hình 2.7: Lực tác dụng lên cơ cấu 24

Hình 2.8: Quá trình sinh hơi trong nồi hơi biểu diễn trên đồ thị i-t 28

Hình 2.9: Một số dạng nồi hơi khí xả thường dùng 33

Hình 2.10: Sơ đồ kết cấu nồi hơi ống nước tuần hoàn tự nhiên, có bộ hâm kiểu moduyn 35

Hình 2.11: Kết cấu nồi hơi khí xả cải tiến kiểu moduyn của khoa đóng tàu trường đại học Hàng Hải 38

Hình 2.12: Kết cấu một vỉ và kết cấu tổng thể giàn ống, phụ kiện nồi hơi khí xả kiểu moduyn 39

Hình 2.13: Kết cấu tổng thể nồi hơi khí xả và bộ hâm nước tiết kiệm kiểu moduyn dạng 3D 39

Hình 2.14: Một số hình ảnh chế tạo nồi hơi khí xả và bộ hâm nước tiết kiệm kiểu moduyn 40

Hình 2.15:Sơ đồ thuật toán chương trình tính các thông số khí xả của

động cơ 44

Hình 2.16: Đồ thị biểu diễn quan hệ công suất có ích của động cơ chính với nhiệt độ khí xả trvà sản lượng hơi của nồi hơi Dh 44

Hình 2.17: Cảm biến quang thu - phát độc lập 53

Hình 2.18: Cảm biến quang thu - phát chung 53

Hình 2.19: Cảm biến quang khuếch đại 53

Hình 2.20: Cấu tạo của cảm biến quang 54

Hình 2.21: Van điện từ 3 cửa 2 vị trí 55

Hình 2.22: Sơ đồ tổng thể của mạch cảm biến quang 55

Hình 2.23: Mô tả quá trình làm việc của pistoin trong xilanh 58

Hình 2.24: Sơ đồ chung toàn động cơ và các chi tiết 59

Hình 3.1: Biểu đồ momen uốn trên trục 62

Hình 3.2: Bản vẽ kết cấu của trục 64

Hình 3.3: Sơ đồ chống tâm khi gia công trục 66

Hình 3.4: Trục động cơ 67

Hình 3.5: Xy lanh động cơ 70

Hình 3.6: Bản vẽ chế tạo piston 74

Hình 3.7: Piston của động cơ 75

Hình 3.8: Piston của động cơ 76

Hình 3.9: Bản vẽ thiết kế, chế tạo cam lệch 77

Hình 3.10: Cam của động cơ 79

Hình 3.11: Bản vẽ thiết kế tấm phẳng 81

Hình 3.12: Tấm phẳng của động cơ 82

Hình 3.13: Động cơ được lắp ráp hoàn chỉnh 83

Hình 3.14: Thử nghiệm 83

LỜI NÓI ĐẦU

Hiện nay vấn đề về năng lượng đang là vấn đề cấp bách mà con người

ta đang cần phải tính toán và nghiên cứu Nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt vì vậy việc nghiên cứu tìm ra nguồn năng lượng khác thay thế như năng lượng tận dụng từ nguồn năng lượng khí thải, hay năng lượng địa chất đang là vấn đề ngày càng cấp thiết không chỉ của Việt Nam mà là của toàn thế giới Vì vậy ý tưởng của nhóm chúng em là chế tạo ra động cơ hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo

Động cơ ra đời giúp tiết kiệm nguồn năng lượng đồng thời giảm thiểu nguồn khí thải ra môi trường Ngoài ra khi động cơ ra đời đánh dấu sự nỗ lực tiếp cận thực tế của sinh viên ngành Động Lực nói riêng khoa kỹ thuật Giao Thông trường đại học Nha Trang

Việc tính toán cũng như chế tạo ban đầu gặp rất nhiều khó khăn nên trong quá trình thực hiện không thể tránh khỏi sai xót Chúng em mong các thầy góp ý cũng như bổ sung giúp để đề tài được hoàn thiện cũng như giúp chúng em củng cố kiến thức được vững vàng sau khi ra trường

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỘNG CƠ PISTON HƠI NƯỚC

1.1 Lịch sử phát triển động cơ hơi nước

Trong thời kì thập niên 60 của thế kỉ XVIII có một phát minh mà sự thành công của nó đã giúp cho con người thoát khỏi sự hạn chế về kĩ thuật phục vụ cuộc sống Đó là phát minh của nhà bác học James Watt ông tổ của máy hơi nước

James Watt sinh ngày 19 tháng 1 năm 1736 tại một thị trấn ven biển Greenock ở Scotland, ông nội là Thomas Watt giáo sư dạy trắc lượng học và hàng hải học

James Watt thường được mọi người gọi là nhà phát minh máy hơi nước Ông là một trong những nhân vật then chốt trong cuộc cách mạng công nghiệp Thật ra James Watt không phải là người chế tạo ra máy hơi nước đầu tiên Năm 1698 Thomas Savory đã được trao bằng sáng chế máy bơm chạy bằng hơi nước đầu tiên Năm 1712, Thomas Newcomen cũng đã được trao bằng sáng chế cải tiến máy hơi nước Năm 1761, khi tiến hành sửa chữa một máy hơi nước kiểu Newcomen, James Watt đã cải tạo máy hơi nước kiểu này

và tạo ra một ý nghĩa cực kì quan trọng đến nỗi mọi người phải công nhận ông là người phát minh ra máy hơi nước đầu tiên

Hình 1.1: Động cơ hơi nước ban đầu của James watt

Năm 1763-1764, tại trường đại học Glassgow, James Watt bắt đầu đặc biệt chú ý tới máy hơi nước và xác định việc nghiên cứu nguyên lý và kết cấu của máy hơi nước là phương hướng chủ yếu của mình

Năm 1769, James Watt được nhận bằng độc quyền về cải tiến máy hơi nước, một thành quả rất vĩ đại và có ý nghĩa cực kì to lớn đối với ngành công nghiệp bấy giờ James Watt đã cải tiến máy hơi nước một bộ phận có thể phân

ly để làm lạnh và cách ly các xilanh của nó Năm 1782, ông đã phát minh ra máy hơi nước kiểu song động Sau khi kết hợp các phát minh đó lại ông đã làm hiệu suất của máy hơi nước tăng lên gấp ba lần

Tháng 6 năm 1775, giữa Boulton và James Watt đã kí một hợp đồng có giá trị 25 năm, thành lập công ty Boulton - Watt chuyên sản xuất và tiêu thụ loại máy hơi nước mới Đây chính là tiền đề để cho James Watt sáng tạo ra những cỗ máy hơi nước ngày càng tân tiến hơn Trong 25 năm sau đó công ty của James Watt và Boulton đã sản xuất một số lượng lớn máy hơi nước cung cấp cho thị trường thời bấy giờ

Năm 1781, James Watt còn phát minh ra một bộ phận bánh xe răng để giúp cho máy hơi nước chuyển động xoay tròn mở rộng phạm vi sử dụng cho máy hơi nước

Từ khi máy hơi nước ra đời đã có một tác dụng to lớn trong cuộc cách mạng công nghiệp Trước khi có máy hơi nước, mặc dù con người đã biết sử dụng sức gió và sức nước nhưng động lực chủ yếu vẫn là sức lực của con người Từ khi xuất hiện máy hơi nước con người đã thoát khỏi sự hạn chế đó Ngoài việc dùng làm nguồn năng lượng cho các công xưởng, máy hơi nước còn được ứng dụng trong giao thông vận tải Sự ứng dụng rộng rãi máy hơi nước đã ảnh hưởng đến cuộc cách mạng trên phương tiện giao thông của nước Anh

Năm 1814, George Stephenson chế tạo thành công xe lửa chạy bằng hơi nước, George Stephenson được suy tôn là cha đẻ của đầu máy xe hỏa Ông là người thợ làm trong hầm mỏ tại Anh, trước khi làm việc dưới hầm mỏ, Stephenson đã từng quen thuộc với các loại máy hơi nước của James Watt Rồi theo các ý tưởng của William Murdock và Richard Trevithick, ông đã chế tạo một đầu tàu kéo được 90 tấn trên quãng đường 85 dặm Stephenson tiếp tục chế tạo chiếc xe nữa, nặng 4,5 tấn và bánh xe có đường kính 1,42 mét Chiếc thứ ba có tên là Rocket chở được 36 hành khách và chạy với tốc độ 30 dặm một giờ

Năm 1830, Peter Cooper chế tạo chiếc đầu tàu Tom Thumb dùng cho đường xe lửa Baltimore-Ohio và xưởng đúc West Point cho ra đời chiếc Best Friend để sử dụng vào năm 1831 tại tiểu bang Nam Carolina trên tuyến đường Charleston và Hamburg

Chiếc đầu tàu xe lửa lịch sử De Witt Clinton của công ty hỏa xa Mohawk and Hudson do xưởng đúc West Poit chế tạo có nồi hơi đặt nằm ngang Vào tháng 8 năm 1831, chiếc đầu tàu lịch sử kể trên đã kéo một đoàn tàu không mui chạy trên quãng đường dài 17 dặm từ Albany tới Schenectady trong một giờ bốn mươi lăm phút và đã đạt được vận tốc tối đa là ba mươi dặm trên một giờ Lúc chạy về đầu tàu này đã chạy trong một giờ đồng hồ

Hình 1.2: Mô hình động cơ piston hơi nước ban đầu

Năm 1831, đầu máy John Bull được Hoa Kì nhập khẩu từ Anh để chạy trên tuyến đường Camden và Amboy, nhưng đầu máy này quá nặng nề đối với đường xe lửa mỏng manh của Hoa Kì

Xưởng Rogers Locomotive ở Paterson, New yersey, các đầu tàu được chế tạo với các xilanh nằm phía ngoài khung tàu Chiếc đầu tàu chế tạo cho đường xe lửa New York, New Haven và Harford đã trở thành hình mẫu trong nửa thế kỷ cho các đầu tàu khác tại Hoa Kì Chiếc đầu tàu này có 8 bánh, 11 xilanh dài 45 centimet

Đầu máy Virginian có chiều dài 32,6 mét, nặng 450 tấn đủ sức kéo được 17000 tấn

Sự cải tiến giao thông đường thủy là đóng những chiếc tàu có thể lắp được máy hơi nước làm hệ động lực Ngày 19 tháng 8 năm 1807, một nhà phát minh người Mỹ là Fullton đã thiết kế một chiếc tàu chở khách chạy bằng hơi nước thử nghiệm thành công trên sông Hudson, đồng thời đã mở ra chuyến chạy định kì từ NewYork đến An-ba-ni

Hình 1.3: Mô hình Động cơ piston hơi nước ban đầu sử dụng

cơ cấu Cu-Lit

Động cơ hơi nước hay máy hơi nước đầu tiên được sử dụng như bộ phận chuyển động sơ cấp của bơm, đầu máy tàu hỏa, tàu thủy hơi nước, máy cày, xe tải và các loại xe cơ giới chạy trên đường bộ khác và là nền tảng của cuộc cách mạng công nghiệp thuở ban đầu Thành tựu lớn nhất mà động cơ hơi nước đạt được là sự xuất hiện của các tuốc bin hơi được sử dụng trên nhiều lĩnh vực hiện nay

1.2 Giới thiệu về động cơ piston hơi nước

Đối với động cơ đốt trong, piston có nhiệm vụ cùng với xi lanh và nắp máy tạo thành buồng đốt Piston nhận áp suất do sự giãn nở của khí cháy rồi truyền lực cho trục khuỷu để sinh công trong quá trình cháy và nhận lực từ trục khuỷu để thực hiện các quá trình nạp, nén và thải (động cơ đốt trong 4 thì), ở động cơ đốt trong 2 thì piston còn thực hiện chức năng làm van đóng

mở cửa hút và cửa xả

Động cơ piston hơi nước thì piston có nhiệm vụ nhận hơi nước từ nồi hơi qua van đóng mở, rồi nhờ sự giãn nở của hơi nước sinh công truyền lực

tới cần đẩy tác động lên tấm phẳng cùng kết hợp với cam lệch tạo ra chuyển động quay cho động cơ, piston thực hiện đồng thời quá trình sinh công và thải Động cơ piston hơi nước là kiểu động cơ khác với tất cả các kiểu động

cơ mà chúng ta gặp từ trước tới giờ nó có sự kết hợp giữa động cơ đốt trong động cơ đốt ngoài và một phần của động cơ hơi nước

Kết cấu của động cơ piston cũng rất hợp lý là các xy lanh được bố trí thẳng hàng tạo điều kiện cho việc biến chuyển động tịnh tiến của piston thành chuyển động quay mà không cần phải sử dụng cơ cấu thanh truyền trục khuỷu như động cơ đốt trong

1.2.1 Đặc điểm kết cấu của động cơ piston hơi nước ban đầu

Hình 1.4: Đặc điểm, kết cấu của động cơ piston hơi nước áp dụng trên

đầu máy xe lửa ban đầu

Kết cấu ban đầu của động cơ piston hơi nước là có cấu tạo rất đơn giản Cấu tạo gồm có lò đốt, nồi hơi, cơ cấu culit, hệ thống van làm nhiệm vụ phân phối hơi tới xylanh, piston- xylanh

1.2.3 Tính năng, ưu nhược điểm của động cơ piston hơi nước thời kì đầu Tính năng

Động cơ piston hơi nước ra đời đánh dấu bước ngoặt lớn của con người Nó giúp chúng ta cải thiện và giảm sức lao động của con người đi rất nhiều Hơi nước có áp suất cao sẽ được đưa vào piston nhờ van phân phối sẽ giúp piston chuyển động tịnh tiến Việc biến từ chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay được thực hiện nhờ cơ cấu culit

Ưu nhược điểm

Ưu điểm

+ Giúp con người giải phóng được sức lao động, mở ra cuộc cách mạng công nghiệp của nhân loại

+ Sử dụng cơ cấu biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay

mà thành công của nó được sử dụng rộng rãi cho đến bây giờ

+ Với kết cấu sơ khai ban đầu, sự ra đời của động cơ piston hơi nước

đã tạo tiền đề cho sự phát triển của động cơ đốt trong, sự phát triển của nồi hơi công nghiệp hiện nay

Nhược điểm

+ Kết cấu còn quá sơ khai, cồng kềnh và kém hiệu quả

+ Độ tin cậy thấp, hiệu suất sử dụng không cao

+ Mức độ tự động điều khiển và điều chỉnh chưa được chú trọng

1.3 Tình hình nghiên cứu trong nước và thế giới

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hiện nay trong nước chưa có cá nhân và tổ chức nào bắt tay vào việc nghiên cứu loại hình động cơ này Vì nhiều lí do nhưng cơ bản nhất vẫn là do động cơ diesel và động cơ điện vẫn đang chiếm ưu thế về mặt kĩ thuật, công nghệ cũng như nhiều tính năng ưu việt của chúng

Động cơ diesel thì vẫn đóng vai trò không thể thay thế trong sự phát triển của xã hội hiện nay Với những tính năng nổi bật như: Có khả năng tạo được tổ hợp công suất ở phạm vi lớn trên cơ sở các kiểu kích thước xilanh tiêu chuẩn, có thể sử dụng các kiểu truyền động khác nhau, tương đối đơn giản trong việc tự động hóa điều khiển, tính kinh tế tương đối cao Do đó, hiện nay trên lĩnh vực tàu thủy thì động cơ diesel được chọn ưu tiên số một trang bị làm máy chính cho tàu Điều đó đã được chứng minh rằng với số lượng tàu biển được trang bị thiết bị năng lượng diesel chiếm từ (95-97)% số lượng các tàu đóng mới

Động cơ điện cũng có những ưu thế riêng của nó trong việc lựa chọn làm máy móc trên các phương diện của công nghệ

Tuy nhiên tất cả các loại động cơ, từ động cơ điện, diesel, tuabin hơi, tuabin khí, thiết bị năng lượng kiểu nguyên tử vẫn có những hạn chế nhất định của nó, mà trong tương lai con người sẽ thay thế bằng một loại mới phù hợp hơn với cuộc sống và yêu cầu cho sự phát triển bền vững lâu dài

Động cơ piston hơi nước có thể khó thay thể được các loại thiết bị năng lượng trên nhưng với việc nghiên cứu và phát triển loại động cơ kiểu này đang là xu thế của xã hội hiện nay, vì những tính năng và ý nghĩa lớn lao

mà nó có thể mang lại trong tương lai Do đó, trong đề tài tốt nghiệp lần này,

bộ môn Động lực trường Đại học Nha Trang đã đặt vấn đề nghiên cứu và chế tạo mô hình đầu tiên trong cả nước

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Hiện nay trên thế giới đã có những nghiên cứu và chế tạo thành công loại động cơ piston hơi nước Điển hình như công ty cơ khí của ông Robert

Green đã nghiên cứu và cho ra đời động cơ mang tên Green Steam engine Sản phẩm này đã được đưa vào áp dụng trong thực tế và đạt được những thành công nhất định Chúng đã được áp dụng vào làm quay máy phát điện, máy bơm nước, làm động cơ phục vụ trong đời sống của con người bằng nguồn năng lượng là hơi nước Năng lượng để cấp cho nồi hơi là dạng năng lượng tái tạo và năng lượng tận dụng Một loại năng lượng có sẵn trong tự nhiên và không ảnh hưởng đến môi trường

Bảng 1 : Bảng kết quả thử nghiệm động cơ piston hơi nước [5]

1.4 Khả năng và phạm vi ứng dụng

1.4.1 Ứng dụng trên bộ

Như đã biết, động cơ piston hơi nước là một dạng của động cơ đốt ngoài nên động cơ có thể hoạt động trong môi trường có nhiệt cung cấp cho nồi hơi là được Do đó, trên thực tế có rất nhiều địa điểm mà động cơ piston hơi nước có thể ứng dụng như là năng lượng mặt trời, khí biogas, hoặc than

đá Do than đá là năng lượng hóa thạch mà mục đích của đề tài nghiên cứu ở đây là tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường, nên ưu tiên phương án tận dụng nguồn năng lượng có sẵn trong tự nhiên để đáp ứng cho nhu cầu phát triển động cơ piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo

Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực cận xích đạo và nói chung thời gian nắng trong một ngày là rất dài so với các quốc gia và vùng lãnh thổ khác Khu vực thời gian chiếu sáng của mặt trời dài nhất là khu vực miền trung và nhiệt độ cao nhất là đến 45-46 0C Vì vậy ta có thể dùng năng lượng mặt trời để cấp nhiệt cho nồi hơi bằng cách sử dụng chảo parabol, loại chảo này đã được Việt Nam chế tạo thành công và chi phí cũng không cao Động

cơ ra đời kết hợp với việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời có thể áp dụng cho nhiều mục đích khác nhau trên bộ

Hình 1.5: Chảo parabol sử dụng năng lượng mặt trời

Về sử dụng năng lượng biogas, hiện nay Việt Nam là quốc gia có số gia súc gia cầm thuộc loại lớn trong khu vực Chính nguồn CH4thải ra môi trường hàng năm cao gần bằng lượng CO2thải ra môi trường Khi đó chúng ta

có thể sử dụng khí biogas dư thừa để tạo nhiệt cho nồi hơi giảm thiểu ô nhiễm môi trường Vì vậy, có thể áp dụng động cơ tại những vùng chăn nuôi có mật

độ gia súc và gia cầm lớn xa khu dân cư và không được cung cấp điện năng

để giảm chi phí và cải thiện cuộc sống cho người nông dân

1.4.2 Ứng dụng trong tàu thủy

Như đã biết động cơ tàu thủy lớn hiện nay chủ yếu là động cơ 2 kỳ mà

lượng nhiên liệu mà động cơ tiêu thụ là rất lớn, với hiệu suất nhiệt của chu trình là η = 30 ÷ 48 % Nhiệt lượng do khí xả mang đi chiếm 26÷37% tổng nhiệt lượng cấp cho động cơ Nguồn nhiệt do khí xả là nguồn có năng lượng lớn mà chưa được tận dụng triệt để Vậy chúng ta có thể tận dụng năng lượng khí xả từ động cơ để đun nóng nồi hơi, tạo ra nguồn năng lượng mới là hơi nước để cung cấp cho động cơ piston hơi nước được thiết kế Mặt khác, trên tàu thủy những hệ thống bơm như bơm ballast hay các loại thiết bị khác phải

sử dụng năng lượng điện lấy trực tiếp từ máy phụ Nếu thay thế các loại động

cơ sử dụng điện trên bằng động cơ kiểu piston hơi nước sẽ đem lại hiệu quả cao và tiết kiệm được năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường

Chương 2 THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ

2.1 Thiết kế nguyên lý cơ cấu hoạt động của động cơ piston hơi nước 2.1.1 Nhiệm vụ thiết kế

- Mục đích của việc thiết kế: Khảo sát các cơ sở tính toán các chi tiết máy, kết cấu của cụm chi tiết máy, nghiên cứu kết cấu và tính toán các chi tiết, các khâu, các khớp, cụm chi tiết máy theo chỉ tiêu khả năng làm việc, nghiên cứu nguyên lý, phương pháp tính toán cho sự phối hợp làm việc của các chi tiết máy

- Các thông số đầu vào của quá trình thiết kế:

+ Đối tượng thiết kế: Động cơ piston hơi nước

+ Số xilanh: Hai xilanh

+ Đường kính xilanh: 50 mm

+ Hành trình piston thiết kế: 40 mm

+ Năng lượng cung cấp cho động cơ: Hơi nước

+ Áp suất hơi ban đầu: 6 kG/cm2

+ Nhiệt độ hơi ban đầu: 1530C

- Yêu cầu của sản phẩm:

+ Yêu cầu về khả năng làm việc: Hoàn thành các chức năng đã định, bảo đảm được độ bền, không thay đổi về kích thước và hình dạng, chịu được nhiệt, chịu được dao động v.v

+ Có hiệu quả sử dụng cao: Năng suất, hiệu suất và độ chính xác cao, tiêu thụ ít năng lượng, chi phí về lao động vận hành thấp, kích thước, trọng lượng nhỏ gọn v.v

+ Có độ tin cậy cao: Máy có thể thực hiện các chức năng nhiệm vụ đã định, đồng thời các chỉ tiêu về sử dụng (như năng suất, độ chính xác, hiệu

suất, mức tiêu thụ năng lượng…) vẫn được duy trì ở mức độ cho phép trong suốt thời hạn sử dụng

+ Có tính kinh tế cao: Thời gian và công sức thiết kế ít nhất, kích thước gọn nhẹ, khối lượng nhỏ, do đó giá thành hạ Vật liệu rẻ tiền, dễ cung cấp, năng suất, hiệu suất cao, chi phí về năng lượng, bôi trơn, sửa chữa, bảo dưỡng thấp

2.1.2 Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế

Dựa vào nhiệm vụ của quá trình thiết kế đã đưa ra như trên, ta tiến hành phân tích, lựa chọn những phương án có thể được áp dụng cho quá trình thiết

kế động cơ piston hơi nước

Trước hết là xác định chu trình nhiệt động và tính toán các thông số trạng thái của động cơ được thiết kế

2.1.2.1 Chu trình nhiệt động và các thông số trạng thái của động cơ piston hơi nước

Trên cơ sở nghiên cứu và tính toán các thông số của chu trình nhiệt động thực tế trên động cơ piston hơi nước ta xem xét, đánh giá, phân tích các chu trình lý tưởng trên động cơ kiểu piston Để sau đó có thể xác định và tính toán được các thông số trạng thái trên chu trình thực của động cơ piston hơi nước

Để dễ dàng trong việc nghiên cứu vấn đề này ta đưa ra các giả thiết như sau:

- Môi chất công tác là khí lý tưởng với tỉ nhiệt không đổi

- Lượng môi chất công tác và thành phần của nó không thay đổi trong suốt thời gian thực hiện chu trình (là chu trình kín)

- Quá trình nén và quá trình giãn nở là quá trình đoạn nhiệt (trong thời gian diễn ra quá trình nén và quá trình giãn nở không có sự trao đổi nhiệt giữa môi chất công tác với vách xilanh)

- Tất cả các quá trình diễn ra trong xilanh với tốc độ vô cùng nhỏ do đó coi như không xảy ra tổn thất ma sát và tiết lưu

Nếu xem xét các chu trình lý tưởng đối với động cơ đốt trong thì chu trình cấp nhiệt hỗn hợp gần giống với chu trình thực của động cơ piston hơi

nước nhất Do đó ta có thể dựa vào đây để phân tích và tính toán các thông số trạng thái nhiệt động học của động cơ piston sử dụng hơi nước làm môi chất công tác

Hình 2.1 : Chu trình lý tưởng của động cơ đốt trong

Chu trình otto (cấp nhiệt đẳng tích, hình 10a )

Chu trình diesel (cấp nhiệt đẳng áp, hình 10b)

Chu trình seliger (chu trình cấp nhiệt hỗn hợp, hình 10c)

Trong chu trình cấp nhiệt hỗn hợp gồm có các quá trình nhiệt động xảy

Hình 2.2 : Chu trình thực của động cơ piston hơi nước trên đồ thị P-V

Trong chu trình thực của động cơ piston hơi nước có một quá trình xảy

ra khác với chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp của động cơ đốt trong là quá trình nhả nhiệt

Trong chu trình lý tưởng cấp nhiệt hỗn hợp quá trình nhả nhiệt là đẳng tích từ (b - a) Còn trong chu trình thực của động cơ piston hơi nước thì quá trình nhả nhiệt là đẳng áp từ (C - D)

Quá trình giãn nở đoạn nhiệt nếu đúng theo chu trình lý thuyết sẽ là quá trình xảy ra từ A - C Nhưng trên thực tế quá trình này xảy ra hai giai đoạn đó

là từ A - B và từ B - C Sở dĩ có giai đoạn từ B - C là do ảnh hưởng của quán tính chuyển động của piston và của dòng hơi giãn nở tiếp tục

Thực tế nghiên cứu quá trình nhiệt động diễn ra trong xilanh động cơ piston hơi nước, ta chỉ chú ý nghiên cứu hai quá trình nhiệt động quan trọng nhất tác động trực tiếp đến việc sinh công đó là: Quá trình giãn nở của dòng hơi khi vào xilanh động cơ và quá trình thải hơi sau giãn nở ra khỏi xilanh Bây giờ ta xem xét các quá trình nhiệt động diễn ra trong xilanh khi dòng hơi được cấp vào và thải ra

2.1.2.1.1 Quá trình giãn nở đoạn nhiệt

Quan hệ giữa các thông số đầu và cuối: Theo [4 trang 41] [6]

k v

v p

1

p

p v

v

1

2 1

1

1 2

1 2

1 1

1

2 1

1 2

1

1

1

) (

1

k k

k

v

v k

v p p

p k

v p T T k

R

( 2.3 )

Công kĩ thuật :

wT1−2= w k 1−2 ( 2.4 ) Lượng thay đổi enthalpy :

Sử dụng các công thức ở trên để tính toán các thông số trạng thái của chu trình với thông số đầu vào của hơi bắt đầu giãn nở và thông số của động cơ:

Áp suất thiết kế trước khi giãn nở p1= 6 kG/cm2, nhiệt độ hơi bão hòa khi vào xilanh để thực hiện quá trình giãn nở T1= 1530C Đường kính xilanh thiết kế là 50 mm, hành trình piston thiết kế là 40 mm Giống như thể tích trong xilanh của động cơ đốt trong thì thể tích hơi trong xi lanh bắt đầu quá trình giãn nở (piston ở điểm chết dưới) v1= 19625 mm3, thể tích hơi trong xilanh cuối quá trình giãn nở (piston ở điểm chết trên) v2= 98125 mm3

Xem quá trình giãn nở từ 1 đến 2 trên đồ thị p-v của chu trình lý thuyết tương ứng với quá trình giãn nở từ A đến C trên chu trình thực thì ta có:

Áp suất cuối quá trình giãn nở p2= pC

k v

v p

1

k v

v p

625 , 19 6

4 , 1

Nhiệt độ T2cuối quá trình giãn nở:

125 , 98

625 , 19 153

) (T2 T1c

Quá trình giãn nở, nội năng thay đổi theo hướng âm

1

1 1

v

v k

v p

125 , 98

625 , 19 1 1 4 , 1

625 , 19 6

= 140 (kG.cm) Công kĩ thuật :

196 140 4 , 1 1 2

nở thì hơi nước đã sản sinh ra một công là 140 kG.cm tác dụng vào động cơ

2.1.2.1.2 Quá trình thải nhiệt đẳng áp

Quá trình thải bắt đầu sau khi động cơ thực hiện quá trình giãn nở đoạn nhiệt, nghĩa là piston sẽ đi từ điểm chết dưới lên điểm chết trên thực hiện quá trình thải Quá trình thải diễn ra là đẳng áp, nghĩa là áp suất không thay đổi trong suốt quá trình thải

Các công thức áp dụng để tính toán thông số trạng thái của quá trình thải nhiệt đẳng áp:

Quan hệ giữa các thông số đầu và cuối:

2 2

T c

Hình 2.4: Biểu diễn quá trình đẳng áp trên đồ thị công và nhiệt

Áp dụng tính toán trên chu trình thực của động cơ piston hơi nước: Nhiệt độ cuối quá trình thải:

16 125 , 98

80 625 , 19

2

2 1 3 3 1

2

v

T v T T

v

T

C

Ở đây khi động cơ thực hiện quá trình thải, hơi tính từ điểm chết dưới

về điểm chết trên thì thể tích cuối quá trình xả v3= v1

Áp suất không đổi trong suốt quá trình thải, p3= p2= 0,6kG/cm2

Vậy trong quá trình thải của động cơ thì áp suất không đổi trong suốt quá trình, chỉ có nhiệt độ thay đổi trong quá trình thải của chu trình

Lượng thay đổi nội năng :

1336000 )

80 16 (

20875 )

Công giãn nở là âm, điều này chứng minh rằng: Để thực hiện quá trình thải thì động cơ sẽ phải tiêu tốn một công giãn nở là 47,1 kG.cm cung cấp cho hành trình này

Lượng thay đổi enthalpy trong quá trình thải nhiệt:

80

16 ln 29099 ln

s p

Như vậy qua tính toán và phân tích ở trên ta nhận xét rằng: Để thực hiện được nhiệm vụ biến đổi năng lượng ở dạng áp năng sang cơ năng thì động cơ cần thực hiện hai quá trình nhiệt động cơ bản, liên tiếp nhau Đó là quá trình giãn nở đoạn nhiệt và sinh công của dòng hơi, có dạng năng lượng tồn tại ở dạng thế năng và quá trình thải hơi với áp suất không đổi ra ngoài Quá trình giãn nở sẽ sản sinh ra một công là 140kG.cm và quá trình thải hơi

sẽ tiêu tốn một lượng công là 47,1 kG.cm Từ đây ta có thể biết được lực tác dụng lên piston trong quá trình giãn nở và lực cản sinh ra trong xilanh khi động cơ thực hiện quá trình thải

2.1.2.2 Sơ đồ nguyên lý của động cơ

Để thiết kế một động cơ với yêu cầu về nguyên lý là biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay thì trong trường hợp này ta có hai phương

án để lựa chọn

- Phương án 1: Chọn phương án thiết kế theo cơ cấu tay quay con trượt

- Phương án 2 : Sử dụng cơ cấu tấm phẳng - cam lệch

2.1.2.2.1 Nguyên lý cơ cấu tay quay con trượt

Hình 2.5: Lược đồ cơ cấu tay quay con trượt

Hình 2.6 : Sơ đồ nguyên lý của cơ cấu tay quay con trượt

Bây giờ ta phân tích nguyên lý hoạt động của cơ cấu tay quay con trượt trong quá trình biến đổi chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay:

Dựa vào lược đồ cơ cấu ta thấy: Cơ cấu tay quay con trượt gồm có 4 khâu chuyển động tương đối với nhau và 3 khớp liên kết

Trong đó, khâu 1 (trục khuỷu) chuyển động tương đối với khâu 2 (thanh truyền) và chuyển động quay quanh tâm quay A (ổ đỡ trục khuỷu)

Khâu 2 (thanh truyền) chuyển động tương đối với khâu 1 và 3 (piston), khâu 3 chuyển động tương đối với khâu 2 và chuyển động tịnh tiến với khâu 4 (xilanh), khâu 4 là khâu cố định được gọi là giá

Phân tích lực tác dụng lên cơ cấu và nguyên lý hoạt động của cơ cấu tay quay con trượt:

Khi ta tác dụng một lực P vào đỉnh piston như trên sơ đồ nguyên lý, tương ứng với lực tác dụng vào khâu 3 trên lược đồ cơ cấu Lực P lúc này được phân thành 2 thành phần lực, đó là thành phần lực P1 và thành phần lực

P2 Thành phần lực P2 hướng dọc theo khâu 2, thành phần lực P1 theo phương vuông góc với khâu 2, phương, chiều của lực được biểu diễn như trên sơ đồ nguyên lý Thành phần lực P1 có tác dụng làm cho pitston chuyển động tương đối với thanh truyền và ép piston vào thành xilanh tạo ra ma sát trên piston Thành phần lực P2 có tác dụng tạo ra momen quay M trên trục khuỷu, do thành phần lực P2 tác dụng lệch tâm so với tâm quay của trục Với cánh tay đòn lúc này là độ dài của khâu 1 (AB), độ lớn của momen quay được tạo ra là

M = P2.lAB, (lAB là độ lớn cánh tay đòn AB) Muốn duy trì được momen quay liên tục trên trục khuỷu thì ta phải tác dụng liên tục lực P lên piston, đồng nghĩa với việc ta phải sử dụng nhiều piston để đảm bảo trục quay đều và liên tục Trên đây là nguyên lý làm việc của cơ cấu tay quay con trượt trong việc biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay trên trục

2.1.2.2.2 Nguyên lý cơ cấu tấm phẳng cam lệch

Hình 2.7 : Lực tác dụng lên cơ cấu

Xét lực P tác dụng lên tấm phẳng tại điểm B, do dòng hơi giãn nở

trong xilanh sinh ra truyền qua cán piston tới tấm phẳng Do tấm phẳng Q

được thiết kế luôn nghiêng với mặt phẳng thẳng đứng A nên khi lực P tác

dụng lên B sẽ được phân làm ba thành phần lực Lực P1,P2 là lực phân bố từ ổ

đỡ cán piston Lực P3 tiếp xúc với tấm phẳng Lực P2 song song với piston là

lực tác dụng của piston lên tấm phẳng Ta tiến hành rời lực từ chốt ổ đỡ cán

piston về điểm B đồng thời xuất hiện cánh tay đòn do đó xuất hiện moment

- Khi rời P1 về B xuất hiện moment có tác dụng uốn cong tấm phẳng

tạo tấm phẳng có xu hướng chúi xuống P2 xuất hiện moment giúp ép chặt

tấm phẳng Biên dạng chuyển động giữa cam với tấm phẳng là mặt phẳng chứ

không phải là đường thẳng và mặt phẳng viết lên biên dạng cam là biên dạng

là hình tròn

-Lực P3 xuất hiện lực tiếp tuyến trên mặt phẳng quỹ đạo của sự tiếp xúc cam, tấm phẳng

- Tổng hợp 3 thành phần lực không gian P1 ,P2, P3 ta có được lực P là hợp lực của 3 thành phần lực không gian Lực P chính là lực pháp tuyến xuất phát từ B Lực pháp tuyến P chính là lực tạo ra chuyển động quay toàn vòng của cam Vì vậy quỹ đạo chuyển động của lực P khi cam chuyển động toàn vòng là quỹ đạo hình nón Chính vì thế mối quan hệ giữa lực P, P2 phải là không đồng phẳng tức là 2 vecto lực P, P2 phải chéo nhau thì khi đó mới tạo

ra chuyển động quay toàn vòng Vì vậy yêu cầu bề mặt và hình dáng của cam

là bề mặt cong tức là hình dạng có dạng giống biên dạng của một phần hình cầu thì khi đó mới tạo ra chuyển động quay và tránh được lực P, P2 đồng phẳng Độ lớn của các lực P, P1, P2 sẽ thay đổi trong quá trình chuyển động không bao giờ là hằng số Vì có sự biến đổi và sự chệnh lệch khối lượng giữa

2 phía cam nên các lực P, P1, P2 sẽ luôn luôn thay đổi giá trị thay đổi phụ thuộc vào từng vị trí của cam và tấm phẳng

Sau khi phân tích sự chuyển động của các khâu và lực tác dụng lên cơ cấu ta thấy rằng: Nhờ thiết kế tấm phẳng luôn nghiêng đi một góc sẽ đảm bảo được các thành phần lực luôn giữ độ lớn nhất định Điều này đồng nghĩa với việc luôn có lực tác dụng lên cơ cấu để duy trì chuyển động quay trên trục tải

D Trong trường hợp ta chuyển đổi lực tác dụng sẽ có một giai đoạn chuyển tiếp không có lực tác dụng lên cơ cấu nhưng quán tính chuyển động sẽ tiếp tục duy trì được chuyển động quay

2.1.2.2.3 Phân tích, lựa chọn phương án thiết kế nguyên lý cho động cơ piston hơi nước

2.1.2.2.3.1 Phương án cơ cấu tay quay con trượt

- Ưu điểm

Các máy móc cơ khí nói chung khi muốn thực hiện biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay thì phương án chọn cơ cấu tay quay con trượt được ưu tiên sử dụng rộng rãi Với những ưu điểm nổi bật sau :

+ Lý thuyết xây dựng cơ cấu đã được nghiên cứu một cách đầy đủ và chính xác khi được áp dụng vào thực tiễn

+ Nguyên lý làm việc đơn giản, hiệu suất cơ cấu cao

+ Cơ cấu ít khâu, ít khớp

+ Với nhược điểm trên, nếu muốn động cơ làm việc êm dịu thì yêu cầu

về số xylanh phải lớn Với yêu cầu trong thiết kế này là hai xilanh thì cơ cấu tay quay con trượt bị hạn chế về yêu cầu chuyển động

+ Yêu cầu về độ chính xác rất cao đối với các chi tiết máy trong cơ cấu + Rất khó khăn trong việc tính toán, thiết kế, chế tạo các chi tiết máy Đặc biệt là những chi tiết có độ phức tạp cao như trục khuỷu, thanh truyền

+ Trục quay phải đặt vuông góc với phương chuyển động của piston, kết cấu cồng kềnh, phức tạp, khó khăn trong việc bố trí lắp đặt

2.1.2.2.3.2 Phương án cơ cấu tấm phẳng - cam lệch

Cơ cấu biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay theo cơ cấu tấm phẳng - cam lệch là một cơ cấu làm việc dựa vào sự tiếp xúc của hai biên dạng khác nhau, có chuyển động tương đối với nhau Đây là một cơ cấu hoàn toàn mới và ít thấy trong lĩnh vực thiết kế, chế tạo máy

Cơ cấu này có những ưu, nhược điểm như sau:

+ Kết cấu nhiều khâu, nhiều khớp ảnh hưởng đến hiệu quả của các cặp lắp ghép và độ tin cậy

- Ưu điểm

+ Dễ dàng trong việc chế tạo các chi tiết máy

+ Độ chính xác yêu cầu không cao như trong cơ cấu tay quay con trượt + Kết cấu của chi tiết máy đơn giản, dễ gia công, chế tạo

+ Việc bố trí hai xi lanh song song với trục tải đảm bảo được tính công nghệ, tính thẩm mĩ và kết cấu động cơ nhỏ gọn

+ Dễ dàng trong việc thi công, lắp đặt, bảo dưỡng, sửa chữa và thay thế + Khắc phục được hiện tượng chuyển động không đều trong cơ cấu tay quay con trượt, vì cụm biến đổi chuyển động tấm phẳng, cam lệch luôn tì sát vào nhau duy trì được momen quay

- Qua việc phân tích, đánh giá tính năng, ưu nhược điểm của hai cơ cấu biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay như trên, ta nhận thấy:

+ Với mục tiêu là sử dụng năng lượng tái tạo thì cơ cấu tấm phẳng - cam lệch sẽ đáp ứng được yêu cầu về chuyển động

+ Cơ cấu tấm phẳng - cam lệch đơn giản, gọn nhẹ trong kết cấu dẫn đến giá thành hạ, đảm bảo được yêu cầu về tính công nghệ và tính kinh tế

Do đó, với mục tiêu thiết kế chế tạo động cơ piston hơi nước sử dụng năng lượng tái tạo trong cuộc sống, ta ưu tiên lựa chọn phương án thiết kế theo cơ cấu tấm phẳng - cam lệch như trên sẽ đáp ứng được các yêu cầu và nhiệm vụ thiết kế đặt ra

2.2 Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơ theo yêu cầu thiết kế 2.2.1 Phân tích lựa chọn nồi hơi cấp hơi cho động cơ

Nồi hơi có nhiệm vụ cung cấp hơi nước (năng lượng tồn tại dưới dạng hơi) cho động cơ để đáp ứng yêu cầu nhất định nào đó (cung cấp cho máy chính, máy phụ, và các nhu cầu hâm sấy, sinh hoạt cần thiết)

Một hệ thống nồi hơi phải đảm bảo có đầy đủ các thiết bị sau: Nồi hơi, thiết bị buồng đốt, thiết bị thông gió, thiết bị cấp nước, thiết bị cấp chất đốt hoặc nhận nhiệt (đối với nồi hơi tận dụng nhiệt) thiết bị tự động điều chỉnh

quá trình làm việc của nồi hơi, các thiết bị đo lường và kiểm tra nồi hơi

2.2.1.1 Quá trình sinh hơi trong nồi hơi

Hình 2.8 : Quá trình sinh hơi trong nồi hơi biểu diễn trên đồ thị i-t

Trên đồ thị i-t biểu diễn 2 quá trình sinh hơi trong nồi hơi ở các áp suất khác nhau PN và P '

N , ta có PN< P ,

N Quá trình 4-4 - 5-1 là quá trình sinh hơi trong nồi hơi có áp suất PN Quá trình 4-4''- 5'-1' là quá trình sinh hơi trong nồi hơi có áp suất P '

N Đoạn 4-4'và đoạn 4-4''là quá trình đun nước đến nhiệt độ sôi ở các áp suất khác nhau

Đoạn 4'-5 và đoạn 4''-5' là quá trình nước nhận nhiệt để hóa thành hơi

So sánh quá trình sinh hơi trong hai nồi hơi có áp suất khác nhau ta có: Nếu nhiệt lượng cấp vào là như nhau q1= i1-i4=i '

1-i4 Khi đó ta thấy ở nồi hơi áp suất thấp hơn có bề mặt đun sôi nhỏ hơn (4 - 4'< 4 - 4"), bề mặt hóa hơi lớn hơn (4'- 5 > 4"- 5') và bề mặt quá nhiệt nhỏ hơn (5 - 1 < 5'- 1')

Giá thành chế tạo 1m2của bề mặt đun sôi nhỏ hơn nhiều giá thành chế tạo 1m2của bề mặt hóa hơi, nên dùng nồi hơi có thông số cao sẽ kinh tế hơn Mặc khác khi cùng nhiệt lượng cấp vào q1 thì nhiệt độ hơi sấy ở nồi hơi

áp suất cao hơn sẽ cao hơn (t '

1> t1)

2.2.1.2 Phân tích lựa chọn phương án cấp nhiệt cho động cơ

Hiện nay có rất nhiều loại và nhiều phương án khác nhau để cung cấp năng lượng dưới dạng nhiệt năng để cung cấp cho nồi hơi Do đó việc phân tích và lựa chọn phương án cấp nhiệt cho nồi hơi là một yếu tố vô cùng quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo và đưa vào sử dụng Các chất đốt thường dùng phân ra làm ba loại: Chất đốt rắn, chất đốt lỏng và chất đốt ở thể khí Thành phần của chất đốt dùng cho nồi hơi gồm có thành phần cháy được và thành phần không cháy được

Thành phần cháy được gồm: Cacbon C, hydro H và lưu huỳnh S Thành phần không cháy được gồm nitơ N, chất tro A, chất ẩm W Oxy là chất duy trì sự cháy, tham gia trực tiếp vào các phản ứng cháy Nhưng oxy trong nhiên liệu dùng làm chất đốt là thành phần có hại, vì oxy tham gia trực tiếp vào các phản ứng cháy có thể lấy trực tiếp từ không khí lấy vào nồi hơi Oxy trong nhiên liệu làm giảm thành phần các chất cháy được, vì vậy làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu

Thành phần các chất cháy được càng cao thì chất đốt sinh ra càng nhiều nhiệt

Khi 1 kg cacbon cháy tỏa ra 8100kCal/kg nhiệt lượng

Khi 1kg hydro cháy tỏa ra 28700 kCal/kg nhiệt lượng

Khi 1kg lưu huỳnh cháy tỏa ra 2130 kCal/kg nhiệt lượng

Nhưng điều cần chú ý ở đây là khi lưu huỳnh cháy sẽ tạo ra SO2, kết hợp với hơi nước H2O tạo thành axit sunfuric H2SO4, và khi cacbon cháy sẽ kết hợp với oxy tạo ra khí CO Cả hai hợp chất này nếu thải vào trong môi

trường sẽ tạo ra nguồn ô nhiễm ngày càng nghiêm trọng và gây ra hiệu ứng nhà kính Đây là một yếu tố mà con người luôn tìm cách hạn chế và loại bỏ sự xuất hiện ngày càng nhiều trong môi trường sống của mỗi con người, mỗi quốc gia trên hành tinh này

Khi con người chế tạo ra nồi hơi thì phương án cấp nhiệt được chú ý đến là than đá, dầu đốt và tiếp đến là dùng khí hóa lỏng

Nồi hơi được cung cấp nhiệt bằng chất đốt rắn thì kết cấu nồi hơi lớn, tốn kém về không gian chứa nhiên liệu, khó khăn trong việc vận chuyển và cung cấp chất đốt vào buồng đốt nồi hơi Điều này dẫn đến tình kinh tế và hiệu quả sử dụng không cao bằng nồi hơi sử dụng chất đốt là dầu đốt

Dầu đốt nồi hơi là loại nhiên liệu lỏng, chủ yếu là dầu nặng FO (dầu mazut ít lưu huỳnh) Thành phần chủ yếu bao gồm khoảng 85% cacbon, 13% hydro, 1÷ 2 % chất ẩm W và chất tro A Nhiệt trị của dầu QP

H = 9200÷ 9700 kCal/kg, QP

B = 9500 ÷ 9800 kCal/kg

So với nồi hơi được chọn phương án cấp nhiệt là chất đốt rắn thì nồi hơi sử dụng dầu đốt có tính kinh tế cao hơn so với nồi hơi đốt than, vì lượng sinh muội ít hơn, cho phép bố trí bề mặt hấp nhiệt với đường kính bé, bước ống ngắn, dung tích két dầu nhỏ hơn dung tích két than

Hiệu suất nồi hơi đốt dầu cao hơn nồi hơi đốt than khoảng 10 ÷ 18%

Dễ cơ giới hóa, tự động hóa trong quá trình đốt lò

Tính cơ động cao hơn, thời gian nhóm lò lấy hơi nhanh hơn

Như vậy, nếu so sánh và lựa chọn phương án cấp nhiệt cho nồi hơi là dùng chất đốt rắn và dầu đốt thì rõ ràng sử dụng dầu đốt được ưu tiên hơn

Tuy nhiên như chúng ta đã biết, không phải tất cả các loại chất đốt trên

là vô hạn và có sẵn trong tự nhiên Mà chúng được tạo ra từ quá trình địa chất kéo dài hàng triệu năm Với tốc độ khai thác và sử dụng như hiện nay thì trong một tương lai không xa, nếu chúng ta không có phương án tìm ra nguồn

năng lượng mới thay thế, tái tạo nguồn năng lượng đang có thì chắc chắn sẽ cạn kiệt Mặc khác cuộc sống thường ngày của chúng ta phải đối mặt với một thực tế đang bị đe dọa trực tiếp mà ai cũng phải quan tâm Đó là tình trạng ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính do các khí thải, chất thải của máy móc công nghiệp gây ra

Vậy làm thế nào để có thể hạn chế được những tác hại và những nguy

cơ có thể xảy ra đó Đó là chúng ta phải hướng đến những ý tưởng mới, là có thể chế tạo ra những máy móc, thiết bị có thể sử dụng được nguồn năng lượng

có sẵn trong tự nhiên, nguồn năng lượng tái tạo Điều này giúp chúng ta tiết kiệm được nhiều chi phí hơn, góp phần giải quyết được vấn đề năng lượng mới, vấn đề ô nhiễm môi trường ngày càng trở nên nghiêm trọng

Chính vì những mục tiêu trên nên việc lựa chọn phương án cấp nhiệt cho nồi hơi cung cấp năng lượng cho động cơ được ưu tiên nghĩ đến là:

- Tận dụng nhiệt khí xả của động cơ diesel

- Khai thác, sử dụng nguồn năng lượng có sẵn trọng tự nhiên, đó là sử dụng nguồn nhiệt lượng phát ra từ năng lượng mặt trời

- Tận dụng và tạo ra nguồn năng lượng biogas sinh học phục vụ việc đốt cháy, cấp nhiệt cho nồi hơi

Với những phương án cấp nhiệt cho nồi hơi theo xu hướng sử dụng năng lượng tái tạo như trên, thì ta ưu tiên sử dụng phương án cấp nhiệt cho nồi hơi ở đây là tận dụng nhiệt khí xả từ động cơ diesel Để tạo ra thông số hơi áp dụng cho động cơ piston hơi nước được thiết kế

2.2.1.3 Phân tích lựa chọn kết cấu của nồi hơi phù hợp với yêu cầu sử dụng

Trong phạm vi nghiên cứu về thiết kế chế tạo động cơ piston hơi nước

sử dụng năng lượng tái tạo thì ta quan tâm đến việc tận dụng lại nguồn khí xả của động cơ diesel tàu thủy Điều đó phù hợp với loại hình đào tạo và mục đích nghiên cứu của đề tài

Bây giờ chúng ta đi vào phân tích và lựa chọn đặc điểm kết cấu của thiết bị cung cấp năng lượng trực tiếp cho động cơ được thiết kế đó là nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả

Hiện nay trong nước đã có được công trình nghiên cứu và chế tạo thành công loại nồi hơi tận dụng nhiệt khí thải từ động cơ diesel Sản phẩm nồi hơi tận dụng nhiệt khí xả kiểu moduyn thuộc công trình nghiên cứu của khoa đóng tàu trường đại học Hàng Hải, Hải Phòng

Như chúng ta đã biết, hiện nay Việt Nam ngành đóng tàu phát triển nhanh chóng Trong những năm gần đây các nhà máy đóng tàu trong nước 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 hàng chục ngàn mã lực Khí xả do động cơ chính thải ra có lưu lượng lớn, áp suất và nhiệt độ khá cao Khoảng 0,35 Mpa và nhiệt độ khoảng 4000C, 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 Nếu tận dụng một phần nguồn nhiệt lượng này sẽ góp phần tiết kiệm nhiên liệu, tăng hiệu suất hệ động lực tàu thủy và còn giảm thiểu được ô nhiễm môi trường

2.2.2 Phân tích kết cấu và lựa chon nồi hơi mới

Với mục đích là sử dụng được nguồn năng lượng tái tạo, việc thiết kế, chế tạo và lựa chọn nồi hơi mới phải đánh giá các loại nồi nơi đang được sử dụng trên tàu thủy hiện nay

Một số nồi hơi thường dùng hiện nay có thể phân thành 5 dạng sau đây: Nồi hơi ống lửa nằm, nồi hơi ống nước đứng, nồi hơi ống nước xoắn kiểu lò

xo, nồi hơi ống nước nằm ống xoắn kiểu ruột gà, nồi hơi ống nước tuần hoàn

tự nhiên Sau khi phân tích các kết cấu của các dạng nồi hơi có thể thấy các loại nồi hơi này có nhiều ưu điểm song cũng có những nhược điểm sau:

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

Kết cấu các chi tiết phức tạp nên chế tạo khó khăn, giá thành cao và cần trang bị các thiết bị chế tạo đắt tiền đồng thời cần có đội ngũ thợ có tay nghề cao mới chế tạo được

Hình 2.9 : Một số dạng nồi hơi khí xả thường dùng

a Nồi hơi ống lửa nằm

b Nồi hơi ống nước đứng

c Nồi hơi ống nước xoắn kiểu lò xo

d Nồi hơi ống nước nằm xoắn kiểu lò xo

e Nồi hơi ống nước

Trên cơ sở phân tích kết cấu các kiểu nồi hơi trên ta thấy loại nồi hơi kiểu mới được thiết kế theo kiểu moduyn do khoa đóng tàu trường đại học Hàng Hải sản xuất có những đặc điểm sau:

- Giàn ống sinh hơi

Giàn ống sinh hơi gồm có nhiều giàn ống ghép lại, số lượng giàn ống phụ thuộc vào công suất của nồi hơi Mỗi giàn ống do nhiều ống lên tạo thành, có đường kính ngoài từ 34 - 63mm đầu trên nối với ống góp trên, đầu

dưới nối với ống góp dưới có đường kính khoảng 60mm đến 90mm Để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt các ống nước đều được gắn các cánh truyền nhiệt Ống góp trên nối với balông trên, ống góp dưới nối với balông dưới (ống góp nước) Ống góp trên nối với balông trên bằng mặt bích thuận tiện cho việc lắp ráp và sửa chữa nồi hơi Ống góp dưới hai đầu đều có mặt bích

để có thể làm vệ sinh cáu cặn bằng cơ khí hoặc thải cáu cặn ra khi làm vệ sinh bằng hóa học, mặt khác mặt bích phía đối diện nối với balông dưới nên thuận tiện cho việc lắp ráp và sửa chữa Balông dưới có lắp van xả đáy để xả cặn định kỳ trong khi vận hành Cả balông trên và dưới đặt ngoài đường khói, nối với nhau bằng ống xuống, cùng với giàn ống lên tạo thành mạch vòng tuần hoàn tự nhiên khép kín Số lượng ống lên trong một giàn ống cũng tùy thuộc vào công suất của nồi hơi Balông dưới có đường kính khoảng 200 ~ 300 mm, balông trên dạng kép có đường kính khoảng từ 300mm đến 450 mm tùy thuộc công suất của nồi hơi, nối với nhau bằng hai ống hơi lên và một ống nước xuống, vừa làm nhiệm vụ phân ly hơi nhằm đảm bảo chất lượng hơi, vừa làm nhiệm vụ ổn định thông số hơi khi phụ tải thay đổi

Giữa các ống lên có bố trí một số vách chắn để kéo dài đường đi của khói nhằm tăng cường truyền nhiệt, nhưng phải đảm bảo sức cản khí động cho phép của nồi hơi trong khoảng: h k = 150 - 400 mmH2O

Để giảm bớt tổn thất nhiệt ra môi trường xung quanh, những hàng ống lên ngoài cùng có thể hàn thêm cánh dọc

Phía ngoài balông trên, dưới và cả ống xuống đều bọc cách nhiệt Lưu

ý là ống xuống bọc cách nhiệt không chỉ có tác dụng làm giảm tổn thất ra môi trường xung quanh mà còn có lợi cho tuần hoàn tự nhiên trong giàn ống sinh hơi nữa, vì khi ống xuống bọc cách nhiệt, nhiệt độ nước vào giàn ống sinh hơi cao hơn, bay hơi sớm hơn, hỗn hợp nước và hơi nhẹ hơn, tốc độ chuyển động trong ống lên lớn hơn Thể tích của loại nồi hơi này giảm so với các loại nồi hơi hiện có khoảng từ 10% đến 20%

- Bộ hâm nước

Đây là bộ phận quan trọng nhưng đối với các nồi hơi công suất nhỏ ít

sử dụng Bộ hâm nước có cấu tạo tương tự như giàn ống sinh hơi, cũng có ống lên nhận nhiệt và ống xuống không nhận nhiệt tạo thành vòng tuần hoàn

tự nhiên, nhưng vì trong bộ hâm nước không có hơi nước với thể tích riêng rất lớn như trong giàn ống sinh hơi nên dùng đường kính trong ống nhỏ hơn, khoảng 27mm ~ 34mm

Hình 2.10 : Sơ đồ kết cấu nồi hơi ống nước tuần hoàn tự nhiên, có bộ hâm

kiểu moduyn

Phía ngoài bộ hâm nước vẫn có bọc cách nhiệt để giảm bớt tổn thất Khói xả từ động cơ đi qua giàn ống sinh hơi và bộ hâm nước, truyền nhiệt cho cho giàn ống, nhiệt độ giảm xuống đến khoảng 1400C ~ 1800C rồi thải ra ngoài