BAI GIANG HOA KY THUAT NHIEN LIEU, DAU, MO, NUOC

Khi khởi động động cơ, vì nhiệt độ không cao, do đó nén nhiên liệu có cất dầu lớn sẽ khó bốc hơi để tạo hỗn hợp cháy tốt, động cơ khó khởi động.. Do đó trong việc nhiên liệu có độ nhớt t

Bài giảng Hoá kỹ thuật

Lớp Cao đẳng MTB nâng cao, 30 tiết.

Chơng 1: Nhiên liệu cho động cơ diesel (7 tiết)

1.1.Đặc tính của nhiên liệu diesel

1.4 Phân loại và cách pha trộn nhiên liệu

1.5 Sử dụng và bảo quản dầu diesel

Chơng 2: Dầu và mỡ bôi trơn (8 tiết) .

2.3 Tính chất lý hoá của dầu và mỡ bôi trơn

2.3.1 Tính chất lý hoá của dầu bôi trơn (Độ nhớt, tính ổn định chống oxi hoá, tính bám dính, nhiệt độ chớp lửa, hàm lợng tro và muội than, tạp chất cơ học, độ kiềm tổng, hàm lợng nớc)

2.3.2 Tính chất lý hoá của mỡ bôi trơn (Độ nhỏ giọt,màu sắc,độ đặc,tính

ổn định thể keo và hoá học,tính nhũ hoá của mỡ,tính axit-bazo,hàm lợng nớc

2.4 Các vấn đề trong khai thác và sử dụng dầu và mỡ bôi trơn

2.4.1 Chọn dầu bôi trơn và mỡ

2.4.2 Sự biến chất của dầu bôi trơn và ảnh hởng đến sử dụng

2.4.3 Thay thế dầu bôi trơn

2.5 Thu hồi và tái sinh dầu

Chơng 3: Nớc dùng cho hệ thống động lực tàu biển (10 tiết)

3.1 Một số tính chất hoá lý của nớc

3.2 Phân loại nớc chạy máy tàu biển

3.3 Các đặc tính kỹ thuật của nớc dùng chạy máy tàu biển

3.4 Các vấn đề khai thác

3.5 Các phơng pháp xử lí nớc nồi hơi và đờng ống

3.6 Các phơng pháp kiểm tra chất lợng nớc dùng cho tàu thuỷ

Chơng 4: Hoá chất dùng cho hệ thống động lực tàu thuỷ (5 tiết)

4.1 Các hoá chất bảo vệ ăn mòn kim loại

4.2 Các hoá chất làm sạch bề mặt trao đổi nhiệt (nồi hơi, sinh hàn nớc, sinh hàn dầu, đờng ống nớc, đờng ống dầu, thiết bị lạnh, )

4.3 Các chất làm sạch bề mặt sàn máy, đờng ống dính dầu, giẻ lau,

ễN TẬP

1.Nhiệt trị:

2.Phõn loại và cỏch pha trộn nhiờn liệu

3.Sử dụng và bảo quản dầu diesel

4.Đặc tớnh của nhiờn liệu Diesel với quỏ trỡnh chỏy của nhiờn liệu Diesel trong động cơ đốt trong 5.Chọn dầu bôi trơn và mỡ

6.Sự biến chất của dầu bôi trơn và ảnh hởng đến sử dụng

7.Thay thế dầu bôi trơn

8.Các đặc tính kỹ thuật của nớc dùng chạy máy tàu biển

9.Các vấn đề khai thác đối với nước dựng trờn tàu thuỷ.

10.Các hoá chất bảo vệ ăn mòn kim loại

11.Các hoá chất làm sạch bề mặt trao đổi nhiệt (nồi hơi, sinh hàn nớc, sinh hàn dầu, sinh hàn giú tăng ỏp, đờng ống nớc, đờng ống dầu, thiết bị lạnh, )

CHƯƠNG 1 NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG CƠ DIESEL (7 tiÕt)

Nhiên liệu có độ cất cao: khó bốc hơi

Nhờ khả năng bốc hơi, nhiên liệu mới t¹o hỗn hợp với không khí để cháy và sinh công Nhưng đồng thời tính bốc hơi cũng gây hao hụt, biến chất nhiên liệu

4.2.1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến tính bốc hơi

a) Khả năng bốc hơi của nhiên liệu cao khi nhiên liệu có nhiều thành phần nhẹ, nhiệt độ sôi thấp

kg, thì ở 2 trạng thái kia sẽ là 160 kg và 360 kg

c) Diện tích mặt thoáng và thể tích khoảng trống càng lớn nhiên liệu bốc hơi càng dễ vì nhiên liệu phải bốc hơi nhiều mới đạt đến trạng thái bão hoà Vì vậy các két nhiên liệu thường phải chứa đầy 95 ÷ 97% thể tích, có đủ nắp, đệm cho thùng chứa

d) Áp suất hơi: nhiên liệu có phạm vi chưng cất như nhau, nếu áp suất hơi khác nhau thì loại nào

có áp suất hơi bão hoà cao sẽ bốc hơi mạnh Theo Dalton có công thức:

Ps : áp suất hơi bão hoà của nhiên liệu

P : áp suất riêng phần của nhiên liệu

Tốc độ bay hơi đạt giá trị cực đại khi P = 0, nghĩa là khi nhiên liệu bốc hơi trong môi trường tự do, không có hơi nhiên liệu Khi P tăng, tốc độ bay hơi sẽ giảm khi P = Ps thì quá trình bay hơi dừng lại.

Từ biểu thức trên, tính thời gian bốc hơi nhiên liệu

t P

P k

t

,

1

1ln1

−

×

=

Pt: áp suất riêng phần của nhiên liệu tại thời gian t

Áp suất PT của hơi hàm lượng phụ thuộc vào hệ số không khí thừa α

B T

HH T

M

M L

P P

×

×+

=

0

1 α

Trong đó:

PHH : áp suất hơi của hỗn hợp

MT, MB : phân tử lượng của nhiên liệu phụ thuộc và phân tử lượng trung bình của không khí

L0 : lượng không khí lý thuyết

Ở 4oC của cacbua thơm : 100,7 kcal/kg

40oC của cacbua parafin : 83,3 ÷ 85 kcal/kg

0oC của cacbua thơm : 107 kcal/kg

0oC của cacbua parafin : 93,5 kcal/kg

4.2.1.2 Độ cất (distilation range)

a) Độ cất: khả năng bốc hơi của nhiên liệu được đánh giá qua thành phần cất.

Thành phần cất (còn gọi là độ cất) là nhiệt độ tại đó cất được một thể tích xác định nhiên liệu

Ví dụ:

t10% = 140 có nghĩa là đến 140oC đã cất được 10% thể tích nhiên liệu thí nghiệm.

Phần cất ảnh hưởng đến khả năng tự cháy, độ nhớt và khả năng phun sương của nhiên liệu

Độ cất của dầu và độ cất 10% cho biết khả năng của động cơ Nhiệt độ cất 10% càng cao động cơ càng khó khởi động

Độ cất 50% cho biết khả năng thay đổi tốc độ của động cơ

Độ cất 90% và độ cất cuối cho biết mức độ bay hơi hoàn toàn, khả năng làm loãng dầu nhờn của nhiên liệu

Khả năng bốc hơi hoàn toàn của nhiên liệu phụ thuộc vào nhiệt độ và chuyển động xoáy của không khí trong buồng đốt Phun khuếch tán càng mạnh, diện tích bốc hơi càng lớn, hạt nhiên liệu càng nhỏ thì bốc hơi càng tốt

Trong điều kiện công tác cụ thể của động cơ với nhiệt độ,áp suất và mức phun khuếch tán thích hợp thì khả năng bốc hơi của nhiên liệu quyết định tốc độ và mức bốc hơi hoàn toàn Động cơ có tốc độ quay càng nhanh, thời gian bốc hơi càng ngắn, càng phải dùng loại nhiên liệu có độ cất thấp

Nếu dùng nhiên liệu có tính chất bốc hơi kém, độ cất cao, thời gian bốc hơi lâu, không chuyển thành hơi dễ dàng, dẫn đến cháy không hoàn toàn, lãng phí nhiên liệu và tăng mài mòn máy vì nhiên liệu thừa dò lọt xuống cácte làm loãng dầu nhờn

Khi khởi động động cơ, vì nhiệt độ không cao, do đó nén nhiên liệu có cất dầu lớn sẽ khó bốc hơi

để tạo hỗn hợp cháy tốt, động cơ khó khởi động

Thực nghiệm cho thấy nếu trị số xetan (xem phần sau) nếu không quá thấp có ảnh hưởng đến khởi động động cơ ít hơn so với độ cất

Do đó trong việc nhiên liệu có độ nhớt thích hợp để lưu chuyển được dễ dàng trong động cơ là một yêu cầu cao để đảm bảo cho động cơ làm việc liên tục.

Sức cản của thể lỏng trong đường ống được xác định bằng hệ thức:

g d

v l hc

.2

Chảy rối 0,21

Re

22,0

=λυ

d v.

Re=

Trong đó Re: chỉ số Reynold

D: đường kính

υ: độ nhớt động học của nhiên liệu

Độ nhớt lớn hay nhỏ ảnh hưởng đến chỉ số Reynold Nếu thay độ nhớt vào biểu thức trên ta sẽ thấy nếu υ lớn thì sức cản trong đường ống sẽ lớn Do đó muốn cho dầu được cấp đầy đủ, bình thường phải tăng áp suất của bơm cao áp, điều đó làm căng thẳng các khâu truyền động, dẫn đến tăng mài mòn

vú cam và con đội của bơm cao áp

Độ nhớt cũng ảnh hưởng đến tầm phun và hạt sương của nhiên liệu

Nếu độ nhớt lớn, động năng hạt lớn, tầm phun xa, hạt sương cũng lớn

Hạt sương càng lớn, thời gian bốc bơi càng lâu Thực nghiệm cho thấy ở 20oC thời gian bay hơi hoàn toàn dầu khí:

Giọt sương có bán kính 1mm là 3 phútGiọt sương có bán kính 0,01mm là 0,2 giâyGiọt sương có bán kính 0,0001mm là 0,0003 giây

Như vậy nếu độ nhớt quá cao sẽ dẫn đến quá trình phun sương và tạo hỗn hợp cháy xấu xí, quá trình cháy không hoàn toàn, làm tăng suất tiêu hao nhiên liệu, tăng nhiệt độ khí xả và tăng cường độ tạo muội trong xilanh.

Động cơ làm việc với nhiên liệu nặng phải hâm dầu để đảm bảo độ nhớt cho phép theo yêu cầu của hãng chế tạo

Tuy nhiên độ nhớt của nhiên liệu diesel cũng không được quá nhỏ, vì nhiên liệu còn được dùng để làm nhờn bơm cao áp và các lò so trong vòi phun Hơn nữa nếu độ nhớt quá nhỏ sẽ có một số hydrocacbon nhẹ bị phân tích nhiệt trước khi quá trình cháy xảy ra, điều đó cũng dẫn đến việc tăng suất

tiêu hao nhiên liệu và hiệu suất nhiệt bị giảm 1.1.3 Nhiệt độ bén lửa (flash point)

Là nhiệt độ tại đó khi nhiên liệu bốc hơi, hỗn hợp với không khí gặp tia lửa bốc cháy Nhiệt độ bén lửa biểu thị khả năng bốc hơi và mức độ nguy hiểm về cháy khi vận chuyển, bảo quản Nhiệt độ bén lửa nhỏ nhất phải đáp ứng được những quy định có tính pháp lý của bảo hiểm Nhiệt độ bén lửa được quy định sẽ cho biết nhiên liệu không chứa những thành phần quá nhẹ dễ gây ra việc bén cháy bất thường

1.1.4 Phẩm chất cháy (Ignition Quality)

Nhiên liệu cháy trong động cơ tốt hay xấu phụ thuộc vào nhiều điều kiện Xét riêng về bản thân nhiên liệu thì khả năng cháy phụ thuộc vào nhiệt độ tự cháy và tính bốc hơi của nhiên liệu

Các cacbua hydro khác nhau có nhiệt độ tự cháy khác nhau

Cacbua parafin mạch thẳng có nhiệt độ tự cháy thấp nhất, rồi đến cacbua naphten Cacbua thơm

có nhiệt độ tự cháy cao nhất

Khi hai nhiên liệu có nhiệt độ tự cháy ngang nhau thì loại nào có tính bốc hơi cao hơn sẽ có tính chất đốt cháy tốt hơn vì nó mau trộn đều với không khí để tạo hỗn hợp cháy hơn Do đó để đánh giá phẩm chất cháy của nhiên liệu người ta thường dùng hai đại lượng: chỉ số xetan và chỉ số diesel

1.1.4.1 Trị số xetan (Cetan index)

Trị số xetan là con số biểu thị khả năng chống kích nổ của nhiên liệu diesel Nhiên liệu có trị số xetan càng cao thì tính chống kích nổ càng cao

Trong các cacbua hydro thì xetan mạch thẳng n-C16H34 có phẩm chất cháy tốt nhất và được quy ước có trị số xetan bằng 100 Còn α - metyl naphtalen C10H7CH3 có phẩm chất cháy tồi nhất, được quy ước có trị số xetan bằng không

Trộn hai chất trên với nhau theo những tỷ lệ thể tích xác định ta được nhiên liệu chuẩn Để xác định trị số xetan của một nhiên liệu nào đó, đem so sánh nhiên liệu đó với nhiên liệu chuẩn

Nếu hai nhiên liệu có cùng quá trình cháy cùng tự cháy ở một tỷ số nén thấp nhất hoặc cùng thời gian chậm cháy, thì trị số xetan của nhiên liệu thí nghiệm bằng phần trăm thể tích xetan có trong nhiên liệu chuẩn?

Ví dụ:

Nếu nhiên liệu thí nghiệm có cùng quá trình cháy với nhiên liệu chuẩn có thành phần 45% α -

C10H7CH3 và 55% n – C16H34 thì trị số xetan của nhiên liệu cần kiểm tra bằng 55

Theo phương pháp tính trị số xetan của ASTM* có công thức sau:

CCI = 45,2 + 0,0892 x T19N + (0,131 + 0,901B) x T50N +

+ (0,0323 – 0,42 x B) x T90N + 0,00049 x (T10N2 – T90N2) + + 107 x B + 60 x B2

1.1.4.2 Chỉ số diesel (Diesel index)

Ngoài trị số xetan trong động cơ đốt trong tự cháy còn dùng chỉ số diesel (còn gọi là chỉ số cháy hoặc chỉ số động cơ) Chỉ số diesel được xác định theo công thức thực nghiệm:

Chỉ số diesel =

D

D A

100

)5,1315,141)(

328,1

Trong đó:

A: Điểm Anilin (oC)D: Tỷ trọng của nhiên liệu ở 15oCChỉ số diesel cũng được tính theo công thức sau với sự sử dụng tỷ trọng API:

Chỉ số diesel = A

100

API

Trong đó: A: Điểm Anilin (oF)

Điểm Anilin là nhiệt độ thấp nhất tại đó một thể tích anilin C6H5NH2 hoà tan hoàn toàn cùng một thể tích đó nhiên liệu tạo thành một dung dịch đồng nhất Nếu nhiên liệu có nhiều cacbua thơm thì sẽ có điểm anilin thấp, nếu có ít cacbua thơm, điểm anilin cao, nhiên liệu dễ tự cháy hơn, chỉ số diesel cao Mặt khác trong nhiên liệu nếu có nhiều cacbua thơm thì tỷ trọng càng lớn, khả năng cháy ổn định giảm, chỉ số diesel thấp

Như vậy để xác định chỉ số diesel chỉ cần xác định tỷ trọng và điểm anilin của nhiên liệu, phương pháp này đơn giản hơn so với xác định chỉ số xetan

Từ chỉ số diesel có thể xác định chỉ số xetan qua công thức thực nghiệm:

Trị số xetan = Chỉ số diesel x 0,77 + 10

1.1.4.3 Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu

Hình 1.1 Ảnh hưởng của thành phần hoá học đến TSXT

Thành phần hoá học quyết định trị số xetan của từng loại nhiên liệu

Các kết quả thí nghiệm cho thấy (Bảng 1.1):

- Alkan thẳng là loại cacbua hydro có trị số xetan cao hơn cả, tiếp đến là alkan vòng và cuối cùng là cacbua hydro thơm

- Mạch alkan thẳng càng dài thì trị số xetan càng lớn Alkan nhánh có trị số này thấp hơn alkan thẳng tương ứng

- Trong các cacbua hydro thơm thì mạch nhánh càng dài trị số xetan càng cao

Bảng 1.1 Trị số xetan của một số loại cacbua hydro

Từ thực nghiệm cho biết có thể tính chỉ số xetan theo công thức

Trị số xetan = 0,8P + 0,1N – 0,2ATrong đó:

P: % cacbua hydro parafin trong nhiên liệu

N: % cacbua hydro naphten có trong nhiên liệu

A: % cacbua hydro thơm trong nhiên liệu

% thơm

% alkan

1.1.4.4 Phụ gia tăng trị số xetan

Nhiên liệu dùng cho động cơ diesel phải có trị số xetan thích hợp Động cơ có tốc độ quay càng cao, càng cần dùng nhiều nhiên liệu có trị số xetan cao

Quan hệ giữa trị số xetan với số vòng quay được thể hiện qua những số liệu sau:

Nhiên liệu diesel được sản xuất từ đá dầu hoặc từ dầu mỏ bằng phương pháp cracking nhiệt có TSXT tương đối thấp, do đó thường phải pha thêm chất phụ gia tăng trị số xetan

Chất pha thêm này chỉ yếu có gốc nitro hoặc nitrat Do các chất này có khả năng dễ bị oxy hoá ở nhiệt độ cao, do đó có tác dụng rút ngắn thời gian chuẩn bị cháy, làm cho TSXT tăng lên (Bảng 1.2)

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của chất phụ gia đến trị số xetan

Trước khi pha Sau khi phaDinitro propan C3H6(NO2)2

Nitrobenzen C6H5NO2

Ethyl nitrat C2H5NO3

Amyl nitrat C5H11ONO2

1,02,02,01,5

36,6405544

50,1507456,7

V : Thể tích dung dich KOH chuẩn [mL]

T : Độ chuẩn KOHVới dung dịch KOH 0,05 N thì độ chuẩn T = 0,05 x 56 = 2,8

1.1.5.1 Ăn mòn do lưu huỳnh

Lưu huỳnh và hợp chất lưu huỳnh là thành phần ăn mòn chủ yếu trong nhiên liệu

Ở nhiệt độ cao, lưu huỳnh ở dạng tự do ăn mòn đồng, bạc, sắt:

S + Cu = CuS

S +2Ag = Ag2S

S + Fe = FeSAxít sunfuhidric cũng phản ứng trực tiếp với kim loại gây ăn mòn:

H2S + Fe = FeS + H23H2S + Al = Al2S3 + 3H2Các hợp chất hữu cơ của lưư huỳnh như RSH, RSR’… không gây ăn mòn trực tiếp nhưng khi cháy đều tạo thành SO2 Khi có xúc tác penta oxit vanadi V2O5, anhidrit sunfuro SO2 tiếp tục bị oxy hoá thành SO3

Cũng cần chú ý rằng trong nhiên liệu, đặc biệt là trong nhiên liệu nặng bao giờ cũng có một lượng nhỏ vanadi

Ví dụ dầu diesel MDF của hãng Shell có hàm lượng vanadi là 100 ppm (100 mg/kg), của dầu nặng MFO 420 là 600 ppm Ở nhiệt độ lớn hơn 450oC vanadi sẽ bị oxy hoá thành V2O5 Như vậy có nghĩa là

Nếu ở nhiệt độ cao hơn điểm sương thì ăn mòn trong xilanh chỉ là ăn mòn khí, SO2 cũng như SO3

sẽ bị đẩy ra ngoài theo khí xả Nhưng nếu nhiệt độ vách xilanh thấp hơn nhiệt độ điểm sương sẽ xảy ra ăn mòn axit do phản ứng hợp nước của SO3

SO3 + H2O = H2SO4

Nhiệt độ điểm sương được xác định bằng công thức:

3

5,

S: hàm lượng lưu huỳnh [%]

ts: thường nằm trong khoảng 120 ÷ 140oC

Hình 1.2 Độ mòn sơmi xilanh phụ thuộc vào nhiệt độ làm mát và hàm lượng S

trong nhiên liệu

Cũng do hàm lượng lưu huỳnh cao, độ mòn lớn mà chi phí dầu bôi trơn cũng tăng (H 1.2; H 1.3)

Sự phụ thuộc của nhiệt độ điểm sương vào hàm lượng lưu huỳnh được giải thích như sau:

Khí xả là hỗn hợp của nhiều loại khí trong đó có hơi nước do cháy hydro và nước trong nhiên liệu Nếu nhiên liệu không có lưu huỳnh thì điểm sương của khí xả là nhiệt độ mà tại đó hơi nước trong khí xả bắt đầu ngưng tụ ứng với áp suất riêng phần của nó trong khí xả Nếu áp suất toàn phần của khí xả

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9

70 60 50 40 30 203,0

Hình 1.3 Chi phí dầu bôi trơn xilanh phụ thuộc vào % S trong

nhiên liệu và độ kiềm tổng

gần bằng áp suất môi trường thì điểm sương của khí xả chỉ vào khoảng 30 ÷ 50oC Mà thực tế thì khí xả không bao giờ được làm lạnh đến nhiệt độ này do đó không sợ xuất hiện ăn mòn axit trong xilanh.

Nếu nhiên liệu có lưu huỳnh thì trong khí xả có SO2, SO3, đồng thời cũng có một lượng H2SO4 ở thể hơi do nước kết hợp với SO3 tạo thành Ở nhiệt độ cao thì H2SO4 ở thể hơi, nhưng H2SO4 dễ ngưng tụ khi hạ nhiệt độ Chính nó làm thay đổi vị trí điểm sương của khí xả Như vậy, do đốt nhiên liệu có lưu huỳnh mà làm cho trong khí xả có hai thành phần dễ ngưng tụ (H 1.4)

KHÍ

LỎNG

0 20 40 60 80 100

Thể tích H2SO4 [%]

H 1.4 Đường cong ngưng tụ và sôi của hỗn hợp H 2 O và H 2 SO 4

s: đường cong ngưng tụ, w: đường cong quá trình sôi

Trên hình 1.5, H2O và H2SO4 có áp suất chung là 0,155 at Bên trên đường cong ngưng tụ cả 2 chất đều ở trạng thái khí, luôn dưới đường cong quá trình sôi, cả 2 chất đều ở trạng thái lỏng Vùng giữa là hỗn hợp khí lỏng của hai chất.

Khi hạ nhiệt độ của hỗn hợp hơi, trong đó H2SO4 chiếm 3%, gặp đường cong ngưng tụ tại A ứng với nhiệt độ này hỗn hợp H2O – H2SO4 đầu tiên sẽ ngưng tụ với nồng độ H2SO4 tại B nhiệt độ giảm dần thì hỗn hợp hơi H2O – H2SO4 ngưng tụ ứng với tỷ lệ H2SO4 nhỏ hơn dọc theo đường BC Tại C toàn bộ hỗn hợp này (có 3% H2SO4) sẽ ngưng tụ

Như vậy nhiệt độ điểm sương của khí xả phụ thuộc mạnh hơi vào hàm lượng lưu huỳnh trong nhiên liệu, nếu hàm lượng S lớn thì điểm sương cao Hình 1.6 cho thấy sự phụ thuộc của nhiệt độ điểm sương của một số nhiên liệu

1.1.5.2 Ăn mòn do axit hữu cơ

Các axit hữu cơ có trong nhiên liệu là các axit yếu như axit naphtenic tác dụng ăn mòn của chúng không mạnh hơi, tuy nhiên ở nhiệt độ cao và khi có nước, phản ứng ăn mòn xảy ra dễ dàng

Me + H2O + ½ O2 = Me(OH)2Me(OH)2 + 2HA = MeA2 + 2H2OTrong đó:

HA: axit hữu cơ

1.1.5.3 Ăn mòn do sự có mặt của nước

Hàm lượng lưu huỳnh [%]

Hình 1.6 Ảnh hưởng của hàm lượng S trong nhiên liệu đến nhiệt độ

điểm sương của khí xả

Sự có mặt nước trong nhiên liệu là điều không mong muốn vì nó tạo điều kiện cho phản ứng ăn mòn phát triển, đặc biệt là quá trình ăn mòn điện hóa.

Ở nhiệt độ khoảng 675oC, hợp chất này nóng chảy đồng thời oxy hóa sắt thành Fe(III)

4Fe + 3V2O5 = 2Fe2O3 + 2Fe2O3

V2O3 xuất hiện tiếp tục bị oxy hóa thành V2O5 và kết hợp với Fe2O3 theo phản ứng:

V2O3 + O2 = V2O5

V2O5 +Fe2O3 = 2FeVO4Nếu trong nhiên liệu, đi kèm với vanadi còn có Natri thì hoạt động ăn mòn sẽ mạnh hơn

Như vậy chỉ cần một hàm lượng rất nhỏ của vanadi và natri cũng đủ gây ăn mòn, nhưng khi hàm lượng vanadi lớn hơn 100 ppm ở 720oC và lớn hơn 780 ppm ở 785oC thì hầu như tốc độ ăn mòn không còn phụ thuộc vào hàm lượng vanadi (xem hình 1.7)

Ở nhiệt độ thấp hơn, hợp chất của vanadi sẽ bị thải ra ngoài cùng với khí xả dưới dạng tro và không gây ra ăn mòn.

Để giảm khả năng ăn mòn ở nhiệt độ cao có thể dùng hợp chất cacbonat canxi – magie cho trực tiếp vào nhiên liệu hoặc thổi nó vào buồng đốt dưới dạng bột

Dầu có độ nhớt càng cao (dầu, cặn), hàm lượng vanadi càng lớn Ví dụ, dầu diesel MDF có hàm lượng vanadi là 100ppm dầu nặng MFO 60 là 350 còn dầu MFO 420 là 600 ppm

1.1.6 Tro

Lượng các chất tạo tro trong nhiên liệu chưng cất rất nhỏ Trong quá trình chưng cất trong các nhà máy lọc dầu, các chất tạo tro của dầu thô có xu hướng tập trung trong phần cặn Các loại dầu nặng có hàm lượng tro đáng kể, thường chiếm xấp xỉ 0,1% khối lượng Bản chất và khối lượng của tro trong nhiên liệu thay đổi rất nhiều phụ thuộc vào nơi khai thác dầu thô Điều đáng chú ý là trong quá trình vận chuyển, bảo quản hàm lượng tro có thể tăng lên do tích tụ các hợp chất vô cơ

Các nguyên tố thường thấy xuất hiện trong tro là nhôm, canxi, sắt, niken, silic, natri, vanadi Hàm lượng niken và vanadi trong tro hầu như không thay đổi và thường ở dạng hòa tan trong dầu Còn natri tăng lên là do nước biển, lượng sắt tăng lên là do gỉ trong két chứa, đường ống Nhôm và silic tăng là do bụi, đất hoặc do các chất xúc tác trong quá trình chưng cất

Các muối không tan trong dầu và các muối hòa tan trong nước thường được lấy ra bằng cách lọc

ly tâm Các muối tan trong dầu, nhất là hợp chất vanadi thì không thể loại ra khỏi dầu bằng cách lọc ly tâm hay bất kể biện pháp lọc nào mà hiện đang sử dụng trên các tàu thủy

Cặn tro rất có hại cho động cơ, đặc biệt nếu chúng có mặt ở những vị trí chịu tác động lớn như đế các van xả Với nhiệt độ cao và tốc độ lớn của khí cháy khi thổi qua những chỗ vỡ của cặn cáu này, có thể dẫn đến rỗ thủng các van

Việc sử dụng phương pháp cracking xúc tác để tăng khối lượng nhiên liệu có phẩm chất tốt là một trong những nguyên nhân đưa thêm vào nhiên liệu các kim loại Các chất xúc tác thường là hợp chất nhôm, silic sau quá trình cracking sẽ tồn đọng lại trong nhiên liệu nặng Các hợp chất này rất cứng gây mài mòn các chi tiết của động cơ đặc biệt là vòi phun, bơm cao áp, xi lanh, séc măng

Tất nhiên các chất xúc tác thường được sử dụng nhiều lần, do đó lượng chất xúc tác đọng lại ở nhiên liệu nặng (còn gọi là nhiên liệu cặn) rất ít, thường nhỏ hơn 120 ppm Tiêu chuẩn phân loại ISO

8217 cho phép hàm lượng nhôm trong nhiên liệu lớn nhất là 30 ppm đối với nhiên liệu dùng trong hàng hải Bằng phương pháp lọc ly tâm có thể hạ thấp hàm lượng này xuống chỉ còn 10 mg/kg Kích thước các chất xúc tác cũng đóng một vai trò quan trọng đến sự mài mòn động cơ Kích thước càng lớn mài mòn càng tăng

1.1.7 Đặc tính nhiệt độ thấp

Nếu nhiệt độ hạ xuống thấp thì “sáp” (parafin) bắt đầu kết tinh, tách ra gây tắc phin lọc và cản trở dòng chảy của nhiên liệu Nhiệt độ đông đặc là một đặc tính của nhiên liệu Nhiệt độ đông đặc (Pour point) là nhiệt độ tại đó nhiên liệu không thể tự chảy và thường vào khoảng 3 ÷ 9oC Với các loại nhiên liệu nặng hơn, nhiệt độ đông đặc có thể lên tới 24oC, như với nhiên liệu MFO 100, MFO 120, MFO 150, MFO 420…

Với các nhiên liệu chưng cất, đặc tính nhiệt độ thấp dễ nhận biết qua điểm tạo “vân” (Cloud point) hoặc có thể gọi là điểm làm tắc phin lọc nguội (Cold filter Plugging point - CFPP) Điểm tạo vân là nhiệt

độ tại đó trong dụng cụ thử tiêu chuẩn, các tinh thể parafin có thể nhìn thấy được và bắt đầu tạo thành màng nhiên liệu Nhiệt độ này thường cao hơn điểm đông 10oC Với các nhiên liệu chưng cất CFPP thường được sử dụng để xem xét điểm tạo vân Nhiên liệu GO của hãng Shell có điểm làm tắc phin lọc nguội CFPP là từ 0 ÷ 3oC

1.2 Quá trình cháy của nhiên liệu

Để nâng cao hiệu suất nhiệt của động cơ, thường phải tăng áp suất hơi của hỗn hợp bằng cách tăng

tỷ số nén

Tỷ số nén của động cơ xăng đã được cải tiến dần; từ 4,5 lên 7,5; 8 hiện nay

Năm 1893, Diesel đã phát minh ra loại động cơ có tỷ số nén lên tới 12 ÷ 20 Động cơ này mang tên người đã phát minh ra nó là động cơ diesel

1.2.1 Nguyên lý làm việc của động cơ

Động cơ diesel có hai loại: 4 kỳ và 2 kỳ Hành trình công tác cũng qua: hút, nén, nổ, xả Nhưng khác với động cơ xăng, động cơ diesel khi hút, nén chỉ hút, nén không khí Không khí được nén tới áp suất khá cao (30 ÷ 50 at), nhiệt độ lên tới 600oC Lúc đó, nhiên liệu được bơm cao áp phun vào buồng đốt dưới dạng sương, hoá hơi và tự bốc cháy

So với động cơ có bộ chế hoà khí, động cơ diesel có một số điểm ưu việt hơn:

- Khi hút, nén không khí, đốt cháy nhiên liệu không cần có bugi đánh lửa

- Động cơ diesel có tỷ số nén cao nên hiệu suất nhiệt cao 30 ÷ 70% Lượng nhiên liệu tiêu thụ thấp hơn do đó hiệu quả kinh tế cao hơn

- Khi không có loại nhiên liệu đúng nhãn hiệu, có thể dùng nhiên liệu khác thay thế dễ dàng

- Quá trình cháy hoàn toàn hơn Hàm lượng oxit cacbon CO thải ra ít hơn từ 0,1 ÷ 1% CO ở động

cơ diesel, 5 ÷ 6% CO ở động cơ xăng

Tuy nhiên chế tạo động cơ diesel phức tạp hơn, giá thành cao và chi phí kim loại cho động cơ diesel lớn hơn:

Người ta đã tính chi phí kim loại cho:

Động cơ diesel thấp tốc : 30 ÷ 50 kg/mã lực

Động cơ diesel cao tốc : 7 ÷ 20 kg/mã lực.

Động cơ xăng : 3 ÷ 7 kg/mã lực

1.2.2 Quá trình cháy nhiên liệu trong động cơ

Quá trình cháy nhiên liệu có thể được mô tả như sau:

Ở cuối hành trình nén, một lượng nhiên liệu được bơm cao áp bơm vào xilanh công tác dưới dạng sương Những giọt nhiên liệu này có nhiệt độ ban đầu khoảng 50 ÷ 70oC Nhờ nhiệt độ caoCủa không khí cuối quá trình nén (500 ÷ 700oC) trong buồng đốt mà các giọt nhiên liệu được sấy nóng và bốc hơi Nhiên liệu được chuyển từ pha lỏng sang pha hơi

Giai đoạn cảm ứng của quá trình oxy hoá diễn ra cùng với sự biển đổi tính chất lý, hoá của nhiên liệu, phân huỷ các phân tử phức tạp, tạoCác sản phẩm trung gian tạo tiền đề cho quá trình cháy mức độ mãnh liệt của quá trình này khác nhau và phụ thuộc vào nhiều yếu tố Giọt sương nhiên liệu càng nhỏ, diện tích bề mặt càng lớn, càng dễ bị sấy nóng và bốc hơi nhanh Mật độ oxy hoá trên bề mặt giọt sương

là một trong những yếu tố quyết định diễn biến của phản ứng oxy hoá

Nhiệt lượng toả ra của các phản ứng oxy hoá trước tiên được dùng để sấy nóng hỗn hợp không khí, nhiên liệu Phản ứng oxy hoá tăng cường bao nhiêu thì dòng nhiệt phát ra được cung cấp cho môi trường tăng lên bấy nhiêu, thúc đẩy phản ứng ở các khu vực xung quanh Làm cho phản ứng oxy hoá phát triển mạnh và xuất hiện ngọn lửa Những nguồn lửa như vậy xuất hiện đồng thời ở nhiều vùng trong buồng đốt động cơ Ở đâu quá trình chuẩn bị cháy diễn ra sớm và hoàn thiện hơn, sự bén lửa sẽ sớm hơn

Sự tác động trực tiếp của ngọn lửa đối với những vùng chưa cháy làm rút ngắn thời kỳ chuẩn bị cháy và làm cho phản ứng cháy phát triển nhanh chóng

1.2.3 Đặc tính của quá trình cháy

Những thông số quan trọng nhất đặc trưng cho quá trình cháy là áp suất và nhiệt độ

Quá trình cháy trong xilanh công tác được biểu diễn trên đồ thị công chỉ thị khai triển (hình 4.1) Trong đó trục tung – áp suất chất khí P và trục hoành – góc quay của trục khuỷu ϕ0 Đồ thị xác định quan

hệ P = f(ϕ0)

Có thể chia quá trình cháy thành 4 giai đoạn:

Giai đoạn 1: giai đoạn chuẩn bị cháy.

Giai đoạn này được tính kể từ khi nhiên liệu bắt đầu được phun vào xilanh cho đến lúc bắt đầu cháy (đường d – y H 1.8)

Giai đoạn chuẩn bị cháy còn gọi là giai đoạn trì hoãn sự cháy Thông số đặc trưng cho giai đoạn này là góc trì hoãn sự cháy ϕi ứng với thời gian trì hoãn sự cháy τi

Hình 1.8 Đồ thị công chỉ thị khai triển của quá trình cháy

Giai đoạn này tương ứng với đoạn yx – z1 trên đồ thị Ở giai đoạn này áp suất tăng lên mãnh liệt

Từ điểm y (đường cháy tách khỏi đường nén) áp suất khí cháy tăng lên và đạt giá trị lớn nhất tại điểm z1

Về mặt lý thuyết, người ta cho rằng toàn bộ lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình vào giai đoạn

1 và giai đoạn 2 đều được cháy hoàn toàn trong thời điểm này

Để đánh giá mức độ của quá trình cháy trong giai đoạn 2, dùng chỉ tiêu tốc độ tăng áp suất theo góc quay trục khuỷu ω, tức là tỷ số giữa lượng gia tăng áp suất với góc quay trục khuỷu tương ứng

Từ đồ thị công chỉ thị có thể xác định được độ tăng áp trung bình theo góc quay trục khuỷu cũng như có thể xác định được trị số tốc độ tăng áp lớn nhất ở một điểm bất kỳ của quá trình cháy

ω

d dp

Độ nâng kim phun

IVIII

III

Z’

Z1

yd

Để cho động cơ làm việc “êm” độ tăng áp trung bình ωtb chỉ nên nằm trong giới hạn: ω = 1 ÷ 6 kg/cm2 cho một góc quay trục khuỷu.

Sự làm việc “cứng” của động cơ xảy ra do độ tăng áp trung bình quá cao, gây ra tiếng gõ trong động cơ Trong khai thác sự làm việc như vậy không cho phép vì điều đó dẫn đến sự phá huỷ, hư hỏng các ổ đỡ và gây những hậu quả lớn

Giai đoạn 3:

Giai đoạn này tương ứng với thời kỳ áp suất cháy thay đổi không lớn Pz1≈ Pz (đoạn z1 – z H1.8).Thông thường lượng nhiên liệu cung cấp cho chu trình kết thúc tại z, nhưng quá trình cháy vẫn tiếp diễn sau điểm z

Các thông số đặc trưng cho giai đoạn 3 là:

Pz1 = Pz và Tz > Tz1

Cuối giai đoạn 3, lượng oxy trong xilanh công tác giảm nhiều do đó quá trình cháy có thể bị kéo dài Áp suất cháy của chất khi ở giai đoạn 3 thường tăng không đáng kể hoặc giữ nguyên, thậm chí có khi giảm xuống so với giai đoạn 2

Đặc trưng của đường cong áp suất cháy z1, z phụ thuộc chủ yếu vào vị trí điểm z1 so với điểm chết trên, điểm z1 càng xa sau điểm chết trên, áp suất cháy Pz càng bé tại điểm z

Giai đoạn 4:

Giai đoạn 4 ứng với đoạn z – z’ trên hình 4.1 và gọi là thời kỳ cháy rớt của nhiên liệu

Trong hầu hết các động cơ diesel, quá trình cháy rớt của nhiên liệu trùng với quá trình giãn nở, tức

là piston chuyển rời từ điểm chết trên xuống điểm chết dưới và áp suất cháy trong xilanh không ngừng giảm xuống Ở các động cơ thấp tốc nhờ có hệ số dư lượng không khí α lớn mà quá trình cháy rớt được rút ngắn hơn so với động cơ diesel cao tốc

Sự cháy rớt trên đường giãn nở làm tăng nhiệt độ khí xả, làm tăng tổn thất nhiệt vào môi trường xung quanh, làm giảm hiệu suất có ích của động cơ

1.2.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cháy

Những yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến quá trình cháy của nhiên liệu phải kể đến các yếu tố hoá học, các yếu tố lý học và kết cấu của động cơ

1.2.4.1 Các yếu tố hoá học

Thời gian trì hoãn sự cháy τi phụ thuộc chủ yếu vào trị số xetan của nhiên liệu khi các điều kiện khác không đổi

Trị số xetan càng lớn thì thời gian trì hoãn sự cháy càng rút ngắn

Hàm lượng oxy tự do có trong buồng đốt cũng ảnh hưởng đến τi Nếu mật độ oxy càng đậm đặc thì

τi càng bé

Nếu lượng khí sót lại trong xilanh công tác càng nhiều do sức cản trên đường xả lớn cũng làm cho thời gian trì hoãn sự cháy kéo dài

Ảnh hưởng của chất phụ gia đến τi được thể hiện trên hình qua sự thay đổi đường cong áp suất cháy nhiên liệu khi có phụ gia và không có phụ gia Đồ thị cho thấy khi có phụ gia thời gian trì hoãn sự cháy τi giảm, áp suất cháy cực đại Pz và độ cứng của động cơ dp/dϕ cũng giảm.

Hình 1.9 Ảnh hưởng của phụ gia đến quá trình cháy

Tỷ số nén ε càng lớn thì áp suất và nhiệt độ cuối quá trình nén sẽ cao, dẫn đến thời gian trì hoãn

sự cháy càng rút ngắn

Khi nhiệt độ không khí cuối quá trình nén giống nhau nhưng mật độ không khí đậm đặc do áp suất cao thì thòi gian trì hoãn sự cháy cũng rút ngắn hơn Chính vì vậy nên thời gian trì hoãn sự cháy τi của động cơ không tăng áp

Góc phun sớm quá lớn dẫn đến thời gian trì hoãn sự cháy sẽ kéo dài làm cho áp suất cháy cực đại

Pz tăng lên Nếu chọn góc phun sớm quá nhỏ se đưa quá trình cháy sang bên phía dãn nở làm cho các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của động cơ xấu đi

Giai đoạn thứ 2 của quá trình cháy phụ thuộc rất lớn vào giai đoạn 1

1

1n

Nếu các điều kiện khác không đổi thời gian trì hoãn sự cháy τi càng ngắn thì áp suất cháy Pz và tốc

độ tăng áp càng giảm Khi τi ngắn thì lượng nhiên liệu cấp vào thời gian trì hoãn sự cháy qτ i sẽ nhỏ làm cho sự cháy đẳng tích trong buồng đốt không tăng lên mãnh liệt

Sự kéo dài giai đoạn 2 của quá trình cháy phụ thuộc vào giai đoạn đầu và góc phun nhiên liệu cho toàn bộ chu trình Góc phun nhiên liệu toàn bộ càng lớn thì giai đoạn 3 sẽ kéo dài và ngược lại

Giai đoạn 4 của quá trình cháy là hậu quả của những giai đoạn cháy trước Giai đoạn này càng ngắn càng tốt và hiệu suất chỉ thị của động cơ được cải thiện, ứng suất nhiệt của nhóm piston xilanh cũng được giảm xuống

Sự cháy rớt trên đường giãn nở có thể sẽ giảm tới mức thấp nhất nếu chất lượng phun nhiên liệu tốt, hỗn hợp nhiên liệu đồng đều và hệ số dư lượng không khí α lớn

1.3 Nhiệt trị

Nhiệt trị là lượng nhiệt phát ra khi đốt cháy hoàn toàn 1 kg nhiên liệu lỏng, rắn hoặc 1 m3 tiêu chuẩn (Đo ở T=298 K; 1atm) nhiên liệu khí

Trong sử dụng cũng còn chia ra nhiệt trị riêng và nhiệt trị thể tích

Nhiệt trị tính trên một đơn vị khối lượng nhiên liệu gọi là nhiệt trị riêng hoặc nhiệt trị

Nhiệt trị thể tích là nhiệt trị tính trên một đơn vị thể tích

Đơn vị nhiệt trị thường là kJ/kg hoặc với nhiên liệu khí kJ/m3 (ở ĐKTC do đó còn hay viết kJ/Nm3) Ở Anh, Mỹ nhiệt trị riêng được đo bằng BTU trên 1 funt

1.3.1 Phản ứng cháy các nguyên tố

Việc xác định nhiệt trị của nhiên liệu từ thành phần nguyên tố là vấn đề được các nhà khoa học quan tâm rất sớm Hàm lượng các nguyên tố hóa học trong nhiên liệu không cho biết cấu tạo cũng như phẩm chất nhiên liệu Nhưng qua hàm lượng đó có thể tính toán được nhiệt trị của nhiên liệu, cũng như lượng không khí lý thuyết, lượng không khí thực tế ứng với hệ số không khí dư lượng α nhất định

Cơ sở để tính nhiệt trị theo thành phần nguyên tố là dựa trên các phản ứng cháy của các nguyên tố

có trong nhiên liệu Mỗi nguyên tố cháy trong oxy có đặc tính riêng và sinh ra một hiệu ứng nhiệt nhất định Sau đây ta xét các phản ứng cháy đó

Với hàm lượng 82 ÷ 87% trong nhiên liệu, cacbon là nguyên tố quan trọng nhất, là thành phần cháy cơ bản Hàm lượng cacbon còn được dùng để đánh giá chất lượng nhiên liệu Hàm lượng cacbon càng lớn, chất lượng nhiên liệu càng tốt Cacbon cháy trong không khí theo phản ứng:

Như vậy khi thiếu oxy nhiệt lượng tỏa ra chỉ bằng một phần ba so với khi cháy đủ oxy Lượng nhiệt bị mất mát gần hai phần ba với cùng một đơn vị khối lượng cacbon đem đốt Không những thế oxit cacbon CO còn là một trong năm chất chỉ thị ô nhiễm của không khí, hết sức có hại đối với con người và sinh vật Oxit cacbon có thể tác dụng với hemoglobin trong máu để tạo thành Cacboxyhemoglobin rất bền vững, rất dễ dẫn đến hôn mê và tử vong Do đó cần thiết phải cung cấp đủ oxy để cacbon cháy được hoàn toàn.

Hydro chiếm tỷ lệ thứ hai trong nhiên liệu với hàm lượng khoảng 12 ÷ 14%

Hydro cháy theo phản ứng:

Lưu huỳnh tồn tại trong nhiên liệu dưới nhiều dạng khác nhau và chiếm một tỷ lệ nhỏ so với cacbon và hydro

Lưu huỳnh cháy theo phản ứng:

S + O2 = SO2 ∆H4 (1.4)Nhiệt cháy của lưu huỳnh nhỏ, chỉ gần bằng 1/3 khi cháy cacbon, hơn nữa sản phẩm cháy của lưu huỳnh là SO2, SO3 vừa gây ăn mòn thiết bị, vừa gây ô nhiễm môi trường (cũng như CO, SOx là 1 trong 5 chất gây ô nhiễm chỉ thị của không khí)

1.3.2 Nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp

Do nhiều nguyên nhân trong nhiên liệu bao giờ cũng có một phần nước Phần nước này cùng với phần nước do hydro cháy sinh ra trong xi lanh, có thể tồn tại ở dạng lỏng hoặc hơi Để biến thành hơi nước lỏng phải tiêu tốn một nhiệt lượng nhất định ứng với ẩn nhiệt hóa hơi của nó Ở 100oC ẩn nhiệt hóa hơi của nước là 538,7 kcal/kg

Như vậy trong buồng đốt để biến thành hơi, nước lỏng đã làm tiêu tốn một phần nhiệt lượng do các phản ứng cháy sinh ra

Căn cứ vào đó nhiệt trị được phân ra nhiệt trị cao và nhiệt trị thấp

Nhiệt trị cao là nhiệt lượng phát ra khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu mà phần nước của bản thân nhiên liệu và phần nước do hydro sinh ra chưa biến thành hơi

Nhiệt trị thấp là nhiệt lượng phát ra khi đốt cháy 1 kg nhiên liệu mà phần nước của bản thân nhiên liệu và phần nước do hydro sinh ra đã biến thành hơi

Một cách gần đúng có thể tính nhiệt trị theo công thức:

QB = 81C + 300H + 26 (S - O) kcal/kgTrong đó:

Nhiệt trị của 1kg nhiên liệu và nhiệt trị của 1kg hỗn hợp cháy không tỷ lệ với nhau Mỗi loại nhiên liệu có thể cháy tốt với một lượng không khí xác định Lượng không khí đó được thể hiện thông qua hệ

số không khí thừa α

Bảng 1.3 là một ví dụ

Bảng 1.3 Nhiệt trị của nhiệt liệu và của hỗn hợp cháy với α = 1

1kg nhiên liệu 1kg hỗn hợp cháy

645640670695

Mối quan hệ giữa nhiệt trị thấp của nhiên liệu và của hỗn hợp cháy được thể hiện qua công thức sau:

QH,h2 =

o

H L

Q

α+

Trong đó: QH,h2 : nhiệt trị thấp của hỗn hợp cháy

Hình 1.10 Mối quan hệ giữa tỷ trọng với nhiệt trị cao Q H và nhiệt trị thấp Q H

Cần chú ý rằng đồ thị trên chỉ đúng với nhiên liệu sạch Thông thường trong nhiên liệu còn có một

số phần đáng kể những nguyên tố như: lưu huỳnh, nước, tạp chất… những thành phần này làm giảm nhiệt trị của nhiên liệu Do đó nhiệt trị thực tế của nhiên liệu thu được sẽ nhỏ hơn

Ví dụ: Một nhiên liệu có tỷ trọng bằng 0,910 có tổng hàm lượng các chất trên bằng 1,5% Vậy nhiệt trị của nhiên liệu đó là:

Z : Hàm lượng lưu huỳnh [%]

Đổi ra đơn vị đo nhiệt lượng của Anh,Mỹ

Lb = 429,9 MJ/kgĐổi ra đơn vị cal/ g

Cal/g = MJ /kg x 238,8

1.3.3 Tổn thất nhiệt do cháy không hoàn hảo hóa học

Để quá trình cháy tỏa ra nhiệt lượng lớn nhất thì nhiên liệu phải được cháy hết và cháy hoàn toàn, tức là các nguyên tố cháy tạo thành oxit cao nhất Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu được tính:

Ltt = α LoTrong đó:

Ltt: lượng không khí cần dùng

α : hệ số không khí

Lo : lượng không khí lý thuyết được tính theo các phản ứng cháy

α phải nằm trong một phạm vi nhất định Trong phạm vi đó α thay đổi mà nhiên liệu vẫn cháy được gọi là giới hạn bén lửa (với động cơ diesel α nằm trong khoảng từ 1,3 đến 2,5) Trên giới hạn đó hoặc thấp hơn giới hạn đó nhiên liệu không cháy được

Khi đốt cháy các hỗn hợp đậm α << 1 là những hỗn hợp thiếu oxy Các nguyên tố không cháy hoàn toàn gây nên tổn thất nhiệt nhất định Tổn thất này gọi là tổn thất nhiệt do cháy không hoàn hảo hóa học Để xác định được tổn thất nhiệt này giả thiết rằng khi thiếu oxy chỉ có sự cháy của cacbon bị ảnh hưởng

Khi oxy hóa 1 kg cacbon thành CO2 thì tỏa ra 8,140 kcal

Khi oxy hóa 1 kg cacbon thành CO thì tỏa ra 2,470 kcal

Vậy khi oxy hóa 1 kg cacbon, trong đó x kg thành CO2 và (1-x) kg thành CO thì tổn thất nhiệt có thể được tính theo công thức :

∇Q = 81,4 C – 81,4 x C – 24,7 (1-x) C

ra Do vậy nhiên liệu cho từng động cơ không đánh giá bằng tên gọi mà bằng đặc tính của chúng phù hợp với yêu cầu của nhà chế tạo tính chất các loại nhiên liệu được thể hiện ở bảng 4.3.

Dầu nhẹ (Ges Oil : GO) là sản phẩm sạch thu được từ quá trình chưng cất Loại này có tỷ trọng nhỏ, độ nhớt nhỏ và hàm lượng các tạp chất, chất bẩn cũng nhỏ nhất Dầu nhẹ được dùng để chạy các động cơ cao tốc

Dầu diesel (Diesel Oil : DO) cũng là sản phẩm sạch thu được từ quá trình cracking hoặc là hỗn hợp giữa nhiên liệu nặng và nhiên liệu nhẹ Dầu diesel được dùng để chạy các động cơ có số vòng quay

500 vòng / phút

Dầu nặng ( Fuel Oil : FO) là loại nhiên liệu có tỷ trọng, độ nhớt và hàm lượng tạp chất lớn nhất

Tỷ trọng của loại này có khi chỉ lớn tới 0,99; nhiệt trị nhỏ

Do nhiên liệu nặng là sản phẩm thu được cuối cùng trong quá trình chưng cất do đó chứa nhiều tạp chất, tính chất của chúng thay đổi trong một khoảng rộng

Ở một số nước Đông Âu và các nước Liên Xô (cũ), nhiên liệu diesel cũng được chia làm 3 loại

- Loại nhiên liệu diesel nhẹ dùng cho động cơ cao tốc theo GOST 305 - 62 gồm có A, Z, L, C.Các loại động cơ này khác nhau chủ yếu ở nhiệt độ đông đặc Ví dụ loại A có nhiệt độ đông đặc là -60oC được dùng ở nơi có nhiệt độ -30oC Ở ta thường dùng loại L có nhiệt độ đông -10oC

Một số chỉ tiêu chủ yếu của dầu nhẹ L:

Độ nhớt vận động ở 20oC [cst] 3,0 – 6,0Nhiệt độ bén lửa [ oC] ≥ 64

Bảng 1.4 Đặc tính các loại nhiên liệu

Giá trị tối đa

Tỷ trọng ở 20oC 0,83 ÷ 0,86 0,84 – 0,90 0,98 – 0,99

-10 ÷ -200,3 ÷ 1,0

0 ÷ 0,05vếtvết

40 ÷ 55

5,0 ÷ 15,01,4 ÷ 2,33,4 ÷ 8,6

-5 ÷ -100,5 ÷ 200,1 ÷ 3,00,005 ÷ 0,0250,1 ÷ 0,5

Loại nhiên liệu diesel dùng cho động cơ có số vòng quay 600 ÷ 1000 v/ph

- Loại nhiên liệu nặng dùng cho động cơ thấp có các loại DM

- Dầu mazut đốt lò có các loại φ 5, φ 12, có các tính chất tương tự φ như nhiên liệu nặng

Một số chỉ tiêu chính của các loại dầu Liên Xô (cũ) được thể hiện trên bảng 4.4

Ở các nước phương Tây, nhiên liệu được phân loại theo ISO Tổ chức tiêu chuẩn hóa quốc tế (International Organization for Standardization) và CIMAC Uỷ ban quốc tế về động cơ tự cháy (Internation couneil on combustion Engines)

Các bảng sau là các số liệu so sánh các chỉ tiêu chất lượng nhiên liệu giữa ISO, CIMAC với 1 số nhiên liệu tương ứng của hãng Shell

Bảng 1.5 Đặc tính nhiên liệu của Liên Xô (cũ)

36 (ở 50oC)0,9303,00,041,5

65

- 5

150 (ở 50oC)0,970100,153,0

8510

Nước [%]

Tạp chất cơ học [%]

- 10vếtvết

0,10,1

0,50,2

6,21,00,11,150,01không0,540

0 - 3

6,00,890-

601,5

0,2 -40-

* Xem thêm “ Nhiên liệu dầu nhờn – Nước dùng cho máy tàu thủy” của GS PHOMIN và GS Trần Hữu Nghị trang 15, 16, 17

Độ nhớt ở 40oC [est]

Tỷ trọng ở 15oC [%]

NướcNhiệt độ chớp nháy

626,01,50,20,250,01không

11,00,9000,30

606,02,00,280,250,01không

Tính ổn định – cặn sau li tâm [%]

TSXT

0,1-100

35100

-* Xem thêm: Marine Diesel của hãng Shell

0,10,1

0 ÷912,04,0không3,00,130350

800,9910,860

-3014,04,0 350

-Nhiên liệu nặng có độ nhớt nhiệt độ đông đặc cao, vì thế các két dự trữ, két trực nhật đều có trang

bị bộ sấy nóng Nhiên liệu sử dụng trên tàu cho nồi hơi thường gọi là dầu đốt, mazut đốt lò Các đặc tính của nó gần giống nhiên liệu nặng, nhưng hàm lượng nước, tạp chất, chất bẩn, tro, lưu huỳnh nhiều hơn,

do đó nhiệt trị tương đối thấp, QH chỉ khoảng 9720 kcal/ kg,

1.4.2 Pha trộn nhiên liệu

1.4.2.1 Tính tỷ lệ pha trộn

a Trên cơ sở các tính chất có tính cộng

Trong các chỉ tiêu biểu thị chất lượng của hỗn hợp nhiên liệu, có những chỉ tiêu là tổng các giá trị tương ứng của thành phần pha trộn Như vậy các chỉ tiêu đó có tính chất cộng

Các chỉ tiêu có tính chất cộng là axit, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, tạp chất, nước…

Áp dụng tính chất trung bình cộng có: x =

b a

b b a a P P

x P x P

++

Trong đó: x : giá trị chỉ tiêu x sau pha trộn; xa :giá trị chỉ tiêu x của đầu a; xb : giá trị chỉ tiêu của đầu b; Pa , pb : phần trăm trọng lượng của đầu a, đầu b trong hỗn hợp sau pha trộn

Khi trộn 2 loại nhiên liệu có: Pb = 100 - Pa

b x x

x x

−

−.100

b Trên cơ sở độ nhớt

Hình 1.11 Biểu đồ xác định tỷ lệ pha trộn nhiên liệu

Độ nhớt của nhiên liệu không có tính chất cộng do đó việc tính toán để trộn dầu không thể áp dụng công thức trên mà phải theo biểu đồ trộn dầu của Malinkievich

Ví dụ: tìm tỷ lệ pha trộn giữa hai loại nhiên liệu A và B có độ nhớt lần lượt là ηa, ηb để có được nhiên liệu C có độ nhớt là ηc

Tìm trên trục (100% A) điểm A tương ứng với độ nhớt ηa củanhiên liệu A Xác định trên trục thứ

2 (100% B) điểm B tương ứng với ηb của nhiên liệu B Nối A với B

Từ điểm C tương ứng với độ nhớt ηc yêu cầu của hỗn hợp pha trộn, kẻ đường song song với trục ngang cắt AB tại D, từ D gióng một đường vuông góc với trục hoành cắt trục DO, FO tại E Điểm E cho biết tỷ lệ khối lượng pha trộn cần thiết giữa A và B: pA, PB để có được độ nhớt ηc trong hỗn hợp

Thông thường mỗi động cơ đều được hướng dẫn sử dụng một loại nhiên liệu với độ nhớt xác định Nhưng có nhiều trường hợp tại cảng nơi tàu đỗ không có loại nhiên liệu tương ứng, do đó cần phải pha trộn giữa hai loại nhiên liệu nhẹ và nặng (DO: Diesel Oil và FO: Fuel Oil) để có được nhiên liệu với độ nhớt dầu phù hợp

Chú ý các độ nhớt của dầu đều phải quy về một nhiệt độ

Sau khi hòa trộn xong cần tiến hành kiểm tra lại chất lượng và các thông số khai thác

Việc trộn dầu trên tàu không được các hãng chế tạo động cơ hoan nghênh vì nó dễ có khả năng tạo cặn trong nhiên liệu Tuy nhiên nó có ưu điểm là giúp cho người sử dụng kiểm soát được một phần chất lượng nhiên liệu và chủ động đáp ứng kịp thời nhiên liệu phù hợp cho động cơ Do đó hiện nay trên nhiều con tàu đã lắp đặt hệ thống trộn dầu tự động

1.4.2.2 Phẩm chất nhiên liệu sau pha trộn

Một tính chất quan trọng nhất được đặc biệt lưu ý của nhiên liệu sau pha trộn là tính ổn định Một nhiên liệu ổn định là loại có thể chống lại được sự tạo cặn cacbon trong khi dự trữ, tiếp nhận và sử dụng Nhiên liệu không ổn định sẽ tạo ra lượng cặn bẩn lớn, làm tắc phin lọc, tạo nhiều cặn bẩn bám trong các bầu hãm gây sự cố cho máy lọc Đặc biệt nếu lượng cặn bẩn nhiều có thể làm chết máy

Ta hãy xét nguyên nhân tạo cặn trong nhiên liệu Phần cặn trong nhiên liệu được tạo ra từ hai nguồn gốc Phần tạo ra từ nhiên liệu: các hợp chất hydrocacbon (sáp) và phần tạo ra từ các hợp chất hữu

cơ khác Nguồn thứ hai là do quá trình lắng đọng tự nhiên của nước và các tạp chất vô cơ Nguyên nhân của việc tạo cặn sáp và các hợp chất hữu cơ là do tính không tương hợp và không ổn định của nhiên liệu cặn

Môi trường nhiên liệu nói chung được coi như một pha liên tục, trong đó có sự phân tán của các asphan và được gọi là manten [1]

Khi một nhiên liệu được trộn lẫn với một hydrocacbon có tỷ lệ cacbon / hydro thấp như n-heptan chẳng hạn, sẽ tạo ra một kết tủa màu nâu hay màu đen

Một phần kết tủa này hòa tan trong benzen, đó chính là asphan, một phần còn lại là sạn, gỉ, các hợp chất vô cơ Phần hòa tan trong n-heptan được gọi là manten Các asphan và manten tạo ra nhiên liệu

mà tỷ lệ thành phần của chúng sẽ quyết định tính chất của nhiên liệu

Asphan là hợp chất có trọng lượng phân tử cao, đồng thời có tỷ lệ cacbon / hydro rất cao, có chứa một lượng nhỏ hàm lượng các nguyên tố S, O, N Có nhiều giả thuyết cho rằng asphan tồn tại trong nhiên liệu theo cấu trúc mixen Phần nhân chính là các hợp chất hữu cơ có nhân thơm, chúng hút các manten (có tỷ lệ C/H thấp hơn asphan) tạo thành quỹf đạo xung quanh Và vùng quỹ đạo này cũng có một quỹ đạo tương tự quay quanh với tỷ lệ C/H thấp hơn nữa… Và cứ như vậy cho đến khi ở ngoài vùng khuếch

tán của mixen thì tỷ lệ cacbon / hydro đạt giá trị của pha liên tục Trọng lượng phân tử của asphan rất lớn,

và thay đổi trong một khoảng khá rộng từ 5000 ÷ 40.000 đơn vị cacbon do cấu trúc phân tử thay đổi

Một nhiên liệu ổn định là nhiên liệu có thành phần asphan “bị tiêu hóa”, khuếch tán đều trong manten dưới dạng keo tạo ra trạng thái cân bằng với các thành phần khác trong nhiên liệu (H.1.12a) Nếu trạng thái cân bằng bị phá vỡ thì một phần asphan sẽ tập trung lại và kết tủa thành cặn (carbonaceous sludge) (1.4.12b) Một trong những tác động phá vỡ trạng thái cân bằng giữa các mixen asphan và manten là việc làm giảm tỷ lệ cacbon / hydro trong tanten Tỷ lệ này giảm làm cho sự cân bằng sẵn có giữa tỷ lệ cacbon / hydro của manten và của vùng hydrocacbon bị hút ở miền khuếch tán của mixen bị phá vỡ Thực tế cho thấy trạng thái cân bằng này bị phá vỡ khi hòa tan vào nhiên liệu những hydrocacbon như pentan, heptan, hexan hay khi hòa trộn nhiên liệu FO với Gas Oil (GO) Hiện tượng trên cũng quan sát được khi thực hiện hãm dầu, bởi vì việc hãm dầu sẽ làm thay đổi lực hút giữa các manten và mixen của asphan dẫn đến tích tụ và tạo cặn

Hàm lượng parafin của pha manten tăng sẽ làm cho khả năng hòa tan của asphan giảm Còn nếu tăng trong hàm lượng hydrocacbon thơm sẽ làm cho khả năng hòa tan của asphan tăng

H.4.12 Ảnh chụp phóng đại 500 lần trạng thái ổn định (H.1.12.a) và

không ổn định (H.1.12.b) của nhiên liệu nặng (nhiên liệu hàng hải)

Như vậy một nhiên liệu ổn định là nhiên liệu mà tất cả mixen của asphan khuếch tán hoàn toàn vào manten và tồn tại trong manten ở trạng thái cân bằng.

Các nhiên liệu khác sẽ có tính ổn định khác nhau Có nhiên liệu có khả năng duy trì tính ổn định tốt cho phép hãm dần hay hòa trộn trong một phạm vi rộng vẫn không gây ra hậu quả xấu là tạo cặn cacbon (Sludge) Có loại nhiên liệu tính ổn định rất kém, chỉ cần một thay đổi rất nhỏ những điều kiện bên ngoài cũng lam cho trạng thái cân bằng bị phá vỡ Các loại nhiên liệu này sẽ tạo cặn ngay trong két chứa

Để đánh giá tính ổn định có thể dùng phương pháp SHFT (Shell Hot Filtration Test) của hãng Shell, gọi là phương pháp lọc nóng Theo phương pháp này thì nhiên liệu được cho chảy qua một hệ thống lọc với các thiết bị lọc đặc biệt rồi tính lượng cặn bị giữ lại trong thiết bị lọc Phương pháp lọc nóng dể xác định tính ổn định chính là giai đoạn hai của quá trình trên, tức là được thực hiện sau khi đã xác định độ sạch của nhiên liệu

Phần lớn các loại dầu hàng hải hiện nay là hỗn hợp hòa trộn giữa một nhiên liệu nhẹ hơn với nhiên liệu cặn (được gọi là blended oil)

Quá trình hòa trộn sẽ quyết định tính ổn định của nhiên liệu Các dung môi được sử dụng phải phù hợp với nhiên liệu cặn Cần chú ý rằng không phài dung môi và nhiên liệu cặn cùng từ một nguồn lọc đều tương hợp với nhau

Cũng có hiện tượng như vậy khi hai loại nhiên liệu hoàn toàn ổn định nếu để chúng riêng rẽ nhưng khi trộn với nhau có thể tạo ra một hỗn hợp không ổn định Các hãng dầu lớn trên thế giới đều tiến hành hòa trộn thử cho lô hàng mới và khi đã đạt yêu cầu về tính ổn định rồi mới hòa trộn để cung cấp cho thị trường Ngay trước khi cấp dầu cho khách hàng, hãng Shell còn thử lại và bảo đảm nhiên liệu thỏa mãn yêu cầu SHFT (xem bảng 1.5)

1.5 Sử dụng và bảo quản nhiên liệu

1.5.1 Yêu cầu sử dụng

Thông thường khi mua nhiên liệu các chủ tàu chỉ lưu ý tới những đặc tính cơ bản nhất như: độ nhớt, tỷ trọng, nhiệt trị, chất lượng cháy (TSTX) của nhiên liệu mà không chú ý đến các chỉ tiêu khác như hàm lượng của nước, hàm lượng tro, lưu huỳnh, tính ổn định Đôi khi cả tính chất của dầu cũng không quan tâm tới

Một số hãng dầu lớn trên thế giới đã thống kê và cho thấy những chi phí vô ích mà chủ tàu phải gánh chịu khi không chú ý đến các chỉ tiêu trên

Nếu 2 loại nhiên liệu cũng một giá là 150 USD/ tấn, lượng mua là 1000 tấn thì khi hàm lượng nước là 1% chủ tàu bị mất thêm 1590 USD, khi hàm lượng nước là 0,3 % thì chủ tàu chỉ bị mất 477 USD Chú ý là cách tính ở đây quy về giá trị năng lượng của dầu cần mua, tức là cùng một lượng trên có thể mua được một lượng năng lượng lớn hơn nếu hàm lượng nước trong nhiên liệu ít hơn Ước tính rằng cứ 1% nhiên liệu sẽ giảm 1,06 % nhiệt lượng

Tương tự như vậy khi hàm lượng lưu huỳnh tăng 1% thì nhiệt trị trong nhiên liệu sẽ giảm đi 0,8 %,

độ tro tăng 0,05 % thì nhiệt trị giảm đi 0,02 % và khi tỷ trọng tăng từ 0,97 lên 0,99 thì nhiệt trị sẽ giảm 0,7 %

Do đó để đạt được hiệu quả kinh tế cao ứng với số tiền bỏ ra, khi mua nhiên liệu cần yêu cầu người bán cung cấp đầy củ các số liệu về đặc tính dầu như:

1.5.2 Bảo quản nhiên liệu

Phụ thuộc vào từng loại nhiên liệu và điều kiện cụ thể mà có các yêu cầu bảo quản nhiên liệu khác nhau Tuy nhiên các két nhiên liệu cần được giữ gìn như sau:

- Giữ nhiệt độ trong két sao cho việc bơm chuyển dễ mà vẫn không tạo sáp ở đáy két Các loại dầu nặng thường được giữ ở độ nhớt 120 cst

- Không cho rò lọt nước mặn cũng như nước ngọt vào dầu gây ăn mòn và tạo cặn

- Các két chứa phải được kiểm tra định kỳ 2 – 3 năm 1 lần

- Các két phải được thường xuyên xả đáy

- Tránh hâm dầu ở nhiệt độ quá cao gây thất thoát những thành phần dễ bốc hơi và làm tăng độ nhớt của dầu

Chơng 2 : Dầu và mỡ bôi trơn (8 tiết).

2.3 Tính chất lý hoá của dầu và mỡ bôi trơn

2.3.1 Tính chất lý hoá của dầu bôi trơn (Độ nhớt,tính ổn định chống

oxi hoá,tính bám dính,nhiệt độ chớp lửa,hàm lợng tro và muội than,tạp chất cơ

học, độ kiềm tổng,hàm lợng nớc)

2.3.2 Tính chất lý hoá của mỡ bôi trơn (Độ nhỏ giọt,màu sắc,độ đặc,tính

ổn định thể keo và hoá học,tính nhũ hoá của mỡ,tính axit-bazo,hàm lợng nớc

2.4 Các vấn đề trong khai thác và sử dụng dầu và mỡ bôi trơn

2.4.1 Chọn dầu bôi trơn và mỡ

2.4.2 Sự biến chất của dầu bôi trơn và ảnh hởng đến sử dụng

2.4.3 Thay thế dầu bôi trơn

2.5 Thu hồi và tái sinh dầu

2.1.1.2 Làm mát

Khi ma sát, kim loại nóng lên, nh vậy một nhiệt lợng đã đợc sinh ra trong quá trình đó Lợng nhiệt này lớn hay nhỏ phụ thuộc vào hệ số ma sát, tải trọng, tốc độ Nếu tốc độ càng lớn lợng nhiệt sinh ra càng nhiều Nếu kim loại bị quá nóng sẽ làm việc mất chính xác

Ví dụ: Nhiệt sinh ra trên cổ trục đợc tính theo công thức:

[kcal h]

n rPf

427

60

2π

=Trong đó:

r - bán kính trục (m)

P - tổng phụ tải ở cổ trục (KG)

f - hệ số ma sát

n - tốc độ trục (vòng/phút)

Nhờ trạng thái lỏng, dầu chảy qua các bề mặt ma sát đem theo một phần nhiệt truyền ra ngoài Lợng dầu cần thiết để làm mát đợc tính toán dựa vào công thức:

t ZC

q G

∆

Σ

=

Trong đó:

Σq - tổng nhiệt lợng dầu nhờn tải đi trong mỗi giờ (kcal)

z - số lần tuần hoàn dầu trong một giờ của toàn bộ dầu trong hệ thống

C - nhiệt dung của dầu nhờn (kcal/kg0C)

(Nhiệt dung của dầu trong khoảng nhiệt độ từ 0 - 500C của các loại dầu khác nhau thờng có giá trị 0,4 - 0,5 kcal/kg0C và tăng lên khi nhiệt độ tăng)

2.1.1.4 Làm kín.

Trong các động cơ có nhiều cặp chi tiết truyền động, lắp ráp chính xác cần làm kín nh piston - xilanh của động cơ đốt trong, các xilanh lực, bơm thuỷ lực Nhờ khả năng dính bám và tạo màng, dầu đ ợc

sử dụng vào những vị trí đó để làm kín các cặp chi tiết mỏng lấp kín các khe hở, không cho hơi bị rò, bảo

đảm cho máy làm việc bình thờng

2.1.1.5 Bảo vệ kim loại.

Bề mặt máy móc, động cơ khi làm việc thờng tiếp xúc với không khí, hơi nớc, khí thải làm cho kim loại bị ăn mòn, h hỏng Nhờ dầu nhờn có thể làm thành màng mỏng phủ kín lên mặt kim loại nên ngăn cách đợc kim loại với các yếu tố đó, nhờ vậy kim loại đợc bảo vệ

Dầu nhờn cũng có thể đợc dùng để bảo quản dụng cụ kim loại khi cất trữ hoặc vận chuyển

2.1.2 Thành phần.

Chất lợng dầu gốc hoàn toàn phụ thuộc vào thành phần và tính chất của các hợp chất trong dầu Các thành phần chính gồm:

- Các bua hidrô parafin

- Các bua hidrô naften

- Các bua hidrô thơm

- Các bua hỗn hợp

- Các hợp chất chứa oxy

2.1.2.1 Các bua hidro naften.

Cac bua hiđro naften là thành phần chủ yếu trong dầu nhờn có công thức là CnH2n, CnH2n-2, CnH2n-4,

CnH2n-6, nó chiếm từ 40 đến 80% khối lợng dầu gốc Naften trong dầu thờng có 5-6 cạnh nhiệt độ sôi của phần cất càng cao thì số vòng càng nhêìu Trong dầu nhờn ngoài naften đa vòng ngời ta đã tách đợc những naften đính nhánh ankin và izôankin Khi số mạch nhánh hoặc số nguyên tử cácbon trong nhánh tăng lên thì nhiệt độ sôi cũng tăng lên Nh vậy trong cùng một phần cất có thể tồn tại cả hai anften 3 - 4 vòng có

đính 1 - 2 nhánh ankin và cả loại naften 1-2 vòng có đính nhánh ankin dài hơn

Naften có mạch nhánh dài, thẳng thì nhiệt độ đông đắc cao, nếu là mạch izô thì dù số vòng nhiều hay ít, ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thờng chất đó cũng ở dạng lỏng.