NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA THÀNH PHẦN HỖN.PDF

Mục tiêu nghiên cứu: Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hỗn hợp động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi LPG để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm... Phương p

Công trình được hoàn thành tại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: GS TSKH BÙI VĂN GA

TS TRƯƠNG LÊ BÍCH TRÂM

Phản biện 1: TS LÊ VĂN TỤY

Phản biện 2: TS PHÙNG XUÂN THỌ

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm

Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật cơ khí động lực họp tại trường Đại học Bách khoa vào ngày 30 tháng 05 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu và truyền thông, trường Đại học Bách khoa Đại học Đà Nẵng

- Thư viện Khoa Cơ khí giao thông, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

do việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã thải vào khí quyển lượng CO2

khổng lồ đặc biệt là phương tiện giao thông Chính vì vậy việc sử dụng năng lượng tái tạo là một giải pháp bền vững để giải quyết vấn đề này

Là một nước nông nghiệp, nước ta có một nguồn năng lượng tái tạo rất dồi dào đó là Biogas, đã có rất nhiều công trình nghiên cứu xoay quanh nguồn năng lượng này

Biogas là nhiên liệu khí nghèo vì nó có chứa một lượng đáng kể

CO2 Chất lượng quá trình cháy biogas trong động cơ bị giảm sút do

CO2 làm giảm tốc dộ cháy của hỗn hợp Để cải thiện quá trình cháy động cơ sử dụng biogas, người ta phải bổ sung vào nhiên liệu những nhiên liệu có nhiệt trị và tính năng quá trình cháy cao hơn Khí dầu mỏ hóa LPG có thể dùng làm nhiên liệu bổ sung để nâng cao tính năng công tác của động cơ biogas

LPG là chữ viết tắt của “Liqueded Petroleum Gas” có nghĩa là “Khí dầu mỏ hóa lỏng” LPG là sản phẩm của quá trình chưng cất dầu mỏ hay tinh luyện khí thiên nhiên Tùy theo qui định của từng nước, LPG

có thể chứa thành phần Butan và propan khác nhau Thường tỉ lệ butan/propan là 70/30, 60/40, 50/50

LPG còn có các đặc điểm sau:

Nhiệt độ tự bốc cháy là 855oF (457oC)

Nhiệt trị thấp: QH = 46 MJ/kg (tương đương 11.000 kcal)

Tỉ số không khí nhiên liệu A/F: 15,5

độ và mức độ phát thải NOx Do đó tôi chọn đề tài "Ảnh hưởng của

thành phần hỗn hợp đến tính năng động cơ tĩnh tại chạy bằng Biogas

bổ sung LPG" để tiếp tục nghiên cứu vấn đề này.

2 Mục tiêu nghiên cứu:

Nghiên cứu ảnh hưởng thành phần hỗn hợp động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi LPG để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm phát thải ô nhiễm

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu :

- Đối tượng: Máy phát điện Samdi S3600B-1

- Phạm vi nghiên cứu :

Về sản xuất nhiên liệu: Biogas được lấy từ hầm sản xuất

biogas có sẵn, bổ sung hệ thống lọc tạp chất để nâng cao chất lượng biogas

Về mô phỏng: Mô phỏng quá trình cung cấp hỗn hợp biogas

được làm giàu bởi LPG Khảo sát biến thiên thành phần hỗn hợp theo chế độ công tác của động cơ Tính toán, thiết kế bộ cung cấp hỗn hợp cho động cơ chạy bằng nhiên liệu biogas-LPG

Về thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo bộ tạo hỗn hợp cung cấp

biogas được làm giàu bởi LPG cho động cơ kéo máy phát điện

4 Phương pháp nghiên cứu :

Sử dụng kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm để đề xuất giải pháp công nghệ và thiết kế, chế tạo bộ tạo hỗn hợp cung cấp nhiên liệu biogas được làm giàu bởi LPG cho động cơ tĩnh tại

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

Cải thiện chất lượng quá trình cháy của động cơ chạy bằng biogas

để nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu tái tạo

6 Cấu trúc luận văn

● Chương 1: Tổng quan về đề tài nghiên cứu

● Chương 2: Nhiên liệu Biogas bổ sung LPG

● Chương 3: Mô phỏng quá trình nạp và cháy của động cơ Samdi sử dụng nhiên liệu biogas được làm giàu bởi LPG

● Chương 4: Thực nghiệm đo đạc mức độ phát thải của động

cơ Samdi S3600B chạy bằng Biogas bổ sung LPG

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Vấn đề cấp bách của môi trường toàn cầu và Việt Nam

Hình 1.1 Kịch bản cắt giảm phát thải CO2 theo COP21

Sử dụng các loại năng lượng tái tạo được xem là giải pháp bền vững Giải pháp này một mặt làm giảm phát thải các chất khí gây hiệu ứng nhà kính và mặt khác đảm bảo nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt dần

1.2 Các loại nhiên liệu thay thế, tái tạo

1.2.1 Nhiên liệu Hydro

1.2.2 Nhiên liệu khí dầu mỏ hóa lỏng (LPG), khí thiên nhiên (CNG)

1.2.3 Nhiên liệu sinh học

1.3 Tình hình sản xuất và ứng dụng Biogas trên thế giới và Việt Nam

1.3.1 Tình hình sản xuất Biogas trên thế giới trong những năm gần đây

Hình 1.2 Sản lượng biogas ở các nước EU năm 2009

1.3.2 Tình hình sản xuất và ứng dụng Biogas ở Việt Nam

Hình 1.3 Bộ Gatec-20 được lắp trên động cơ RV70 kéo máy phát

3KVA lắp bộ gatec-20

1.4 Tình hình sản xuất, ứng dụng Nhiên liệu LPG

1.4.1 Tình hình sản xuất LPG

1.4.2 Tính ứng dụng của LPG

NHIÊN LIỆU BIOGAS BỔ SUNG LPG

2.1 Nhiên liệu biogas

2.1.1 Giới thiệu về Biogas

2.1.2 Đặc tính của Biogas

2.1.2.1 Nhiệt trị và khối lương riêng

2.1.2.2 Giới hạn cháy

2.1.2.3 Nhiệt độ cháy cao nhất

2.1.3 Sản xuất, tinh lọc, lưu trữ Biogas

2.2.3 Ứng dụng của LPG trên động cơ đốt trong

2.3 Nhiên liệu Biogas làm giàu bởi LPG

Biogas là nhiên liệu khí nghèo vì nó có chứa một lượng đáng kể

CO2 Chất lượng quá trình cháy biogas trong động cơ bị giảm sút do

CO2 làm giảm tốc dộ cháy của hỗn hợp Để cải thiện quá trình cháy động cơ sử dụng biogas, người ta phải bổ sung vào nhiên liệu những nhiên liệu có nhiệt trị và tính năng quá trình cháy cao hơn Khí dầu mỏ hóa LPG có thể dùng làm nhiên liệu bổ sung để nâng cao tính năng công tác của động cơ biogas

MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH NẠP VÀ CHÁY CỦA ĐỘNG CƠ SAMDI SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU BIOGAS ĐƯỢC

LÀM GIÀU BỞI LPG 3.1 Mô phỏng quá trình nạp nhiên liệu Biogas được làm giàu bởi LPG

3.1.1 Cải tạo đường nạp động cơ Samdi

Hình 3.1 Thiết kế cải tạo hệ thống nạp động cơ Samdi

Hình 3.2: Chia lưới không gian tính toán

3.1.2 Kết quả mô phỏng

3.1.2.1 Mô phỏng quá trình nạp hỗn hợp biogas-LPG hòa trộn trước

phương pháp pun riêng rẽ

Hình 3.4a: BG0, M7C3, 50% LPG, n4000, ϕ =1, DUAL, a=75CA

Hình 3.5: So sánh phân bố hệ số tương đương (BG0, M7C3, 50%

LPG, n4000, fi=1)

Hình 3.6: Ảnh hưởng của phương thức phun đến biến thiên hệ số

tương đương trong xi lanh động cơ

So sánh phân bố hệ số tương đương (BG0, M7C3, 50% LPG, n4000, fi=1)

 Sự phân bố nồng độ nhiên liệu và hệ số tương đương không khác biệt nhau nhiều trong giai đoạn nạp khi thay đổi phương thức phun nhiên liệu Trong kỳ nén, vùng có nồng độ nhiên liệu cao tập trung phía đối diện cửa nạp

 Sự phân bố hệ số tương đương cuối kỳ nén khác biệt đáng kể giữa phun hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn trước và phun riêng rẽ Tuy khu vực có hệ số tương đương xấp xỉ 1 tập trung quanh nến đánh lửa nhưng gradient hệ số tương đương của các phương thức phun chênh lệch nhau nhiều

 Để đạt được hỗn hợp đồng đều thì phương thức phun hỗn hợp nhiên liệu hòa trộn trước có ưu thế hơn Tuy nhiên để tạo được hỗn hợp phân lớp thì phun nhiên liệu riêng rẽ có nhiều ưu điểm

3.2 Mô phỏng tính năng và mức độ phát thải ô nhiễm của động

cơ Samdi khi chạy bằng biogas được làm giàu bởi LPG

3.2.1 Thiết lập mô hình tính toán

3.2.1.1 Xây dựng mô hình tính toán

Hình 3.7: Ảnh hưởng của thành phần hỗn hợp đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, 50% LPG, n=4000

vòng/phút)

b) Ảnh hưởng của tốc độ động cơ

Hình 3.8: Ảnh hưởng của tốc độ động cơ đến biến thiên áp suất theo

góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, 50% LPG, fi=1)

Samdi_BG0_Bio70_LPG_50-50_fi1_p-Wi_Vs-n

0 5 10 15 20 25 30

c) Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu

Hình 3.9: Ảnh hưởng của hàm lượng LPG pha vào biogas đến biến thiên áp suất theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, n=4000

vòng/phút, fi=1) Bảng 3.1: Công suất động cơ khi chạy bằng biogas M7C3 được làm giàu bởi LPG với hàm lượng khác nhau ở tốc độ 4000 vòng/phút

n(v/ph) 4000 4000 4000 4000 4000 Wi(J/ct) 9.48E+01 1.15E+02 1.32E+02 1.47E+02 1.59E+02

Pe(kW) 2.37E+00 2.86E+00 3.30E+00 3.67E+00 3.99E+00

3.2.2.2 Mô phỏng phát thải ô nhiễm động cơ chạy bằng biogas được làm giàu bởi LPG

Ảnh hưởng của hàm lượng LPG pha vàobiogas M7C3

Ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu đến HC

Hình 3.13: Ảnh hưởng của hàm lượng LPG pha vào Biogas đến biến thiên nồng độ CO 2 theo góc quay trục khuỷu (Biogas M7C3, n=4000 vòng/phút, fi=1)

 Cùng một hàm lượng khí làm giàu pha vào biogas thì công chỉ thị chu trình của động cơ khi chạy bằng biogas-hydrogen cao hơn khi chạy bằng biogas-LPG Công suất cực đại của động

cơ khi chạy bằng biogas M7C3 pha 50% hydrogen cao hơn công suất cực đại khi chạy bằng xăng

 Khi tăng hàm lượng khí làm giàu pha vào biogas thì nồng độ

CO, HC trong khí thải động cơ giảm nhưng nồng độ NOx tăng Cùng hàm lượng khí làm giàu thì nồng độ CO, HC trong khí thải động cơ biogas-hydrogen thấp hơn nồng độ của chúng trong khí thải của động cơ biogas-LPG

 Nồng độ NOx trong khí thải động cơ khi chạy bằng biogas-LPG và biogas-hydrogen không khác biệt nhau nhiều khi hàm lượng khí làm giàu nhỏ hơn 30% Khi hàm lượng khí làm giàu lớn hơn 30% thì nồng độ NOx trong khí thải động

cơ hydrogen tăng cao hơn so với trường hợp LPG

Thực nghiệm đo đạc mức độ phát thải của động

cơ Samdi SB3600 chạy bằng Biogas bổ sung LPG

4.1 Trang thiết bị thực nghiệm

4.1.1 Máy phát điện Samdi

4.1.1.1 Giới thiệu chung

Các thông số kỹ thuật của động cơ

9

8 11

6 7

4

5

10

3 1 2

4.1.4 Máy đo nồng độ khí thải Opus 400

Hình 4.2: Máy đo nồng độ khí thải OPUS 400

4.1.5 Đồng hồ đo công suất dòng điện

Hình 4.3: Đồng hồ đo công suất dòng điện

- Dải đo điện áp 80-260V AC,

- Dải đo dòng điện 0-100A

- Dải đo công suất 0.1W-22kW

4.2 Quá trình thực nghiệm

4.3 Bố trí thiết bị thí nghiệm trong thực tế và kết quả đo

Hình 4.4: Một số hình ảnh trong quá trình thực nghiệm

Do máy phân tích khí không có cảm biến đo NOx nên trong thực nghiệm này chỉ đo nồng độ CO, HC và CO2 để so sánh với tính toán mô phỏng

4.4 So sánh và đánh giá công suất của máy phát điện sinh ra:

Bảng 4.2: Bảng số liệu so sánh công suất động cơ ( mô phỏng) và

công suất máy phát điện ( thực nghiệm)

Bio-LPG 10%LPG 20%LPG 30%LPG 40%LPG 50%LPG

Pe LT (KW) 2.133 2.5875 2.97 3.3075 3.5775

Hình 4.5: Ảnh hưởng của %LPG trong hỗn hợp đến công suất của

động cơ và máy phát điện

4.5 So sánh ảnh hưởng nồng độ LPG đến mức độ phát thải CO giữa lý thuyết và thực nghiệm

Hình 4.6: So sánh mức phát thải CO trong khí xả động cơ Samdi S3600 sử dụng nhiên liệu Biogas làm giàu bởi lượng LPG tăng dần

4.6 So sánh mức độ phát thải HC khi thay đổi nồng độ LPG trong hỗn hợp nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm

Hình 4.7: So sánh mức độ phát thải HC khi thay đổi nồng độ LPG trong hỗn hợp nhiên liệu giữa mô phỏng và thực nghiệm

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

1.Kết quả nghiên cứu trên đây cho phép chúng ta rút ra được những kết luận sau:

1 Việc sử dụng biogas trên động cơ tĩnh tại là giải pháp hữu hiệu

để giảm sự lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giảm phát thải chất khí gây hiệu ứng nhà kính và bảo vệ môi trường

2 Biogas có chứa CO2 nên nhiệt trị và tốc độ cháy giảm so với các loại nhiên liệu truyền thống khác vì vậy để nâng cao tính năng công tác của động cơ cần làm giàu biogas LPG là một trong những nhiên liệu khí có thể pha vào biogas để cải thiện tính năng công tác của động cơ

3 Công chỉ thị chu trình của động cơ tăng theo hàm lượng LPG

do tăng nhiệt trị của hỗn hợp và tốc độ cháy dẫn đến tăng tốc

độ tỏa nhiệt làm cho quá trình cháy diễn ra gần điểm chết trên

4 Hàm lượng các chất ô nhiễm trong khí thải có xu hướng giảm khi tăng hàm lượng LPG làm giàu biogas do tăng khả năng cháy hoàn toàn của hỗn hợp

5 Nồng độ CO, HC trong khí thải động cơ theo mô phỏng thấp hơn đo đạc thực nghiệm ( Đối với CO chênh lệch 9%, đối với

HC chênh lệch từ 17 đến 37%) do trong thực tế hỗn hợp không đồng nhất hoàn toàn dẫn đến cháy không hoàn toàn cục bộ

6 Nồng độ CO2 trong khí thải theo mô phỏng cao hơn số liệu thực nghiệm ( từ 0 -0,25%V) do trong mô phỏng hỗn hợp được giả định đồng nhất lý tưởng

2 Đề tài có thể được phát triển theo hướng:

1 So sánh ảnh hưởng của các loại nhiên liệu làm giàu biogas đến tính năng công tác và mức độ phát thải ô nhiễm để lựa chọn nhiên liệu làm giàu phù hợp nhất

2 Đo đạc biến thiên áp suất trong buồng cháy để đánh giá tường tận ảnh hưởng của thành phần nhiên liệu làm giàu biogas đến công chỉ thị chu trình