Nghiên cứu triển khai thí điểm mô hình xử lý rác thải hữu cơ tại bãi rác Khánh Sơn bằng công nghệ hầm Biogas và sử dụng động cơ biogas để sản xuất điện

tác động trực tiếp lên máy phát điện, mà chỉ tác động lên động cơ kéo nó. Nó có nhiệm vụ: - Ổn định tốc độ của động cơ (cũng là tần số của máy phát điện). - Điều khiển công suất của máy phát điện nếu máy được hòa đồng bộ vào lưới điện. 2. Phân loại: Hiện nay có rất nhiều loại điều tốc. Động cơ sử dụng loại điều tốc nào là tùy thuộc vào loại động cơ, vào đặc điểm của máy công tác và yêu cầu của toàn bộ thiết bị. Khi phân loại các bộ điều tốc người ta căn cứ vào những đặc điểm sau: - Theo phần tử cảm ứng ngươi ta phân chia các bộ điều tốc của động cơ ra bốn loại: Điều tốc cơ khí, điều tốc chân không, điều tốc thủy lực và điều tốc điện. - Theo chế độ điều chỉnh gồm có: Bộ điều tốc chế độ (điều tốc giới hạn hoặc điều tốc chính xác), bộ điều tốc hai chế độ và bộ điều tốc gián tiếp. - Theo sự liên kết, chia thành điều tốc trực tiếp và điều tốc gián tiếp . Trong bộ điều tốc trực tiếp thì phần tử cảm ứng được nối trực tiếp với cơ cấu điều khiển động cơ (Thanh răng bơm cao áp trong động cơ Diesel và bướm ga trên đôngkj cơ xăng). Trong bộ điều tốc gián tiếp thì phần tử cảm ứng điều khiển bộ khuếch đại được nối với cơ cấu điều khiển động cơ. - Theo tính chất lien kết của mối liên hệ ngược người ta chia bộ điều tốc gián tiếp thành ba loại: Điều tốc liên hệ ngược nối cứng, điều tốc liên hệ ngược nối mềm (hoặc điều tốc hằng số), và điều tốc liên hệ ngược hỗn hợp. - Theo phần tử cảm ứng chia thành: điều tốc một xung và điều tốc hai xung. - Theo phương pháp làm tăng độ chính xác của bộ điều tốc ở số vòng quay thấp, chia các bộ điều tốc thành ba loại: điều tốc dùng nhiều lò xo tác dụng dần, điều tốc thay đổi độ nghiêng của lò xo và điều tốc thay đổi tỉ số truyền của cánh tay đòn. 5.2.7.2 Bộ điều tốc của động cơ RV 125-2-N khi dùng nhiên liệu Diesel Đây là bộ điều tốc điều khiển cơ khí nhiều chế độ. Phần tử cảm ứng tốc độ động cơ là quả văng. Hoạt động của bộ điều tốc nhờ vào sự thay đổi biên dạng ban đầu lò xo Hình 5.9 Kết cấu của bộ điều tốc 1. Bánh răng trục khủyu 2 .Quả văng 3. Cần điều tốc 4. Trục cam 5. Vít điều chỉnh giới hạn tốc độ 6. Thân máy 7. Thanh răng 8. Bơm cao áp 9. Lò xo 10.Cần điều khiển bằng tay Nguyên lý điều tốc : Khi kéo cần (10) về vị trí tăng tốc độ động cơ thông qua lò xo (9) kéo thanh răng về vị trí cấp nhiên liệu nhiều hơn cho động cơ. Lúc này lực lò xo và lực quả văng tác dụng lên cần điều tốc cân bằng. Khi tốc độ động cơ tăng lên thì lực ly tâm của quả văng tác dung lên cần tăng đến khi thắng lực lò xo đẩy thanh răng về vị trí giảm nhiên liệu cấp cho đông cơ. Khi tốc độ động cơ giảm xuống thì lực lò xo thắng lực ly tâm của quả văng tác dụng lên cần, đẩy thanh răng về vị trí giảm nhiên liệu. 5.3. Tính toán nhiệt động cơ Dựa vào những thông số đã cho ban đầu để xác định các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của dộng cơ, kiễm nghiệm động cơ. 5.3.1 Tính toán nhiệt động cơ khi sử dụng nhiên liệu Diesel 5.3.1.1 Thống số động cơ Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị - Công suất có ích Ne Kw 9.15 - Số vòng quay định mức n v/p 2400 - Tỳ số nén e 18 - Đường kính xilanh D mm 94 - Hành trình piston S mm 90 - Số xilanh i 1 - Số kỳ t 4 - Góc mở sớm xupáp nạp j1 Độ 20 - Góc đóng muộn xupáp nạp j2 Độ 45 - Góc mở sớm xupáp thải j3 Độ 20 - Góc đóng muộn xupáp thải j4 Độ 15 5.3.1.2. Thông số chọn của động cơ. - Nhiệt độ môi trường xung quanh To Độ 298 - Hệ số dư lượng không khí a Độ 1.4 - Áp suất tăng áp Pk MN/m2 0,1 - Hệ số lợi dụng nhiệt tại z xz 0,8 - Hệ số lợi dụng nhiệt tại b xb 0,87 - Áp suất khí sót Pr MN/m2 0.106 - Nhiệt độ khí sót Tr Độ 720 - Độ sấy nóng khí nạp DT Độ 20 - Chỉ số giãn nở đoạn nhiệt của khí sót m 1,45 - Hệ số nạp thêm l1 1,02 - Hệ số quét buồng cháy l2 0,99 - Áp suất cuối quá trình nạp Pa MN/m2 0,09 - Tỷ số tăng áp khi cháy l 1,5 - Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt lt 1.11 - Hệ số điền đầy đồ thị jd 0,975 5.3.1.3. Quá trình nạp 1.Nhiệt độ không khí trước xupáp nạp. Tk = To =298 [oK] (5-1) 2.Hệ số nạp. hv = . (5-2) hv = hv = 0.85 3.Hệ số khí sót. gr = (5-3) gr = gr = 0,03 4.Nhiệt độ cuối quá trình nạp . Ta = [oK] (5-4) Ta = [oK] Ta = 331 [oK] 5.3.1.4.Quá trình nén. 1.Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của không khí: (5-5) 2.Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy: (5-6) (5-7) 3.Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác: (5-8) (5-9) (5-10) 4. Chỉ số nén đa biến trung bình: Tính gần đúng bằng phương trình nén đa biến: (5-11) Chọn n1=1,368 thay vào vế phải của phương trình trên .Ta có: Vậy chọn n1=1,368 5. Nhiệt độ cuối quá trình nén(Tc): [oK] (5-12) [oK] [oK] 6. Áp suất cuối quá trình nạp: [MN/m2] (5-13) [MN/m2] [MN/m2] 5.3.1.5.Quá trình cháy. 1. Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1 Kg nhiên liệu: [K.mol/Kg.nl] (5-14) Đối với nhiên liệu diesel: C = 0,87 ; H = 0,126 ; O = 0,004 [Kmol/Kg.nl] [Kmol/Kg.nl] 2. Số mol khí nạp mới: [Kmol/Kg.nl] (5-15) 3. Lượng sản vật cháy : [Kmol/Kg.nl] (5-16) [Kmol/Kg.nl] [Kmol/Kg.nl] 4. Nhiệt trị thấp của nhiên liệu có thể xác định gần đúng theo công thức Mendeleep. [KJ/Kg](5-17) [KJ/Kg] [KJ/Kg] 5. Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết. (5-18) 6. Hệ số biến đổi phân tử thực tế. (5-19) 7. Hệ số biến đổi phân tử tại z: (5-20) 8. Hệ số tỏa nhiệt xz tại z: (5-20) 9. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z: (5-21) (5-22) (5-23) [KJ/KmoloK] 10. Nhiệt độ cực đại của chu trình Tz : Nhiệt độ cực đại của chu trình Tz được tính theo phương trình sau: (5-24) Đưa về dạng phương trình bậc hai :ATz2 + BTz +C = 0 Trong đó : Giải phương trình bậc hai và loại nghiệm âm ta tìm được : Tz = 2195 [0K] 11. Áp suất cực đại của chu trình lý thuyết pz: [MN/m2] (5-25) pz =4,695.1,5 = 7,042 [MN/m2] 5.3.1.6. Quá trình giãn nở. 1.Tỷ số giãn nở sớm: (5-26) 2. Tỷ số giãn nở sau: (6-27) 3. Nhiệt độ cuối quá trình giãn nở: (5-28) Chọn n2 =1,21 [0K] 4. Kiểm nghiệm lại trị số n2: Trị số n2 được kiểm nghiệm laị theo phương trình : (5-29) Vậy chọn n2 = 1,241 5. Áp suất của quá trình giãn nở: [MN/m2] (5-30) [MN/m2] [MN/m2] 6. Kiểm nghiệm lại nhiệt độ khí sót : (5-31) [0K] Sai số =14,4% < 15% 5.3.1.7. Các thông số chỉ thị : 1. Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết : (5-32) [MN/m2] 2. Áp suất chỉ thị trung bình động cơ: [MN/m2] (5-33) pi = 0,962.0,975 [MN/m2] [MN/m2] 3. Hiệu suất chỉ thị động cơ: (5-34) 4. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị: [g/Kw.h] (5-35) [g/Kw.h] [g/Kw.h] 5.3.1.8. Các thông số có ích: 1.Tổn thất cơ giới pm Theo công thức kinh nghiệm : (5-36) Các hệ số a, b được chọn theo cấu tạo buồng cháy động cơ: a = 0,09 b = 0,0138 Cm -vận tốc trung bình của piston [m/s] [MN/m2] [MN/m2] 2.Áp suất có ích trung bình : [MN/m2] (5-37) [MN/m2] [MN/m2] 3. Hiệu suất cơ giới : (5-38) 4. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích : [g/Kw.h] (5-39) [g/Kw.h] 5. Hiệu suất có ích của động cơ : (5-40) h = 0,781.0,4364 6. Thể tích công tác của động cơ: [dm3] (5-41) [dm3] [dm3] 7. Kiểm nghiệm đường kính xilanh: [mm] (5-42) [mm] [mm] 8. Lượng nhiên liệu cung cấp trong một giờ: [ Kg/h] (5-43) Gnl = 9,15.237,2.10-3 [Kg/h] [Kg/h] 5.3.1.9.Vẽ đồ thị công. 1. Xác định các điểm trên đường nén với chỉ số đa biến n1: Phương trình đường nén ,do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì: (5-44) Rút ra : Đặt ta có Với n1 là chỉ số nén đa biến trung bình, xác định thông qua tính nhiệt. 2. Xây đựng đường cong áp suất trên đường giãn nở: Phương trình của đường giãn nở đa biến , do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì: (5-45) Ta có : đặc Þ (5-46) 3. Lập bảng xác định đường nén và đường giãn nở: Bảng 5.2 Bảng số liệu đường nén và đường giãn nở. Vx i Đường nén Đường giãn nở i^n1 1/i^n1 Pc.1/i^n1 i^n2 1/i^n2 Pzr^n2/i^n2 0.037 1 1 1 4.6931 1 1 7.042 0.074 2 2.581 0.387 1.8162 2.3636 0.4231 5.29 0.111 3 4.495 0.222 1.0419 3.9094 0.2558 3.2 0.148 4 6.662 0.15 0.704 5.5867 0.179 2.24 0.185 5 9.04 0.111 0.5209 7.3692 0.1357 1.7 0.222 6 11.601 0.086 0.4036 9.2403 0.1082 1.35 0.259 7 14.325 0.07 0.3285 11.1884 0.0894 1.12 0.296 8 17.196 0.058 0.2722 13.2049 0.0757 0.95 0.333 9 20.202 0.05 0.2347 15.2832 0.0654 0.82 0.37 10 23.335 0.043 0.2018 17.4181 0.0574 0.72 0.407 11 26.584 0.038 0.1783 19.6051 0.051 0.64 0.444 12 29.945 0.033 0.1549 21.8406 0.0458 0.57 0.481 13 33.41 0.03 0.1408 24.1215 0.0415 0.52 0.518 14 36.975 0.027 0.1267 26.4451 0.0378 0.47 0.555 15 40.634 0.025 0.1173 28.8091 0.0347 0.43 0.592 16 44.385 0.023 0.1079 31.2114 0.032 0.4 0.629 17 48.223 0.021 0.0986 33.6502 0.0297 0.37 0.666 18 52.145 0.019 0.0892 36.1238 0.0277 0.35 4. Xác định các điểm đăc biệt: Các điểm đặc biệt là: ; ; ; ; ; [dm3] [dm3] [dm3] [dm3] 5. Nối các điểm trung gian của đường nén và đường giãn nở với các điểm đặc biệt sẽ được đồ thị công lý thuyết : 6. Dùng đồ thị Brick xác định các điểm : · Phun sớm (c’). · Mở sớm xupap nạp (r’) , đóng muộn xupáp nạp (a’). · Mở sớm xupáp thải (b’), đóng muộn xupáp thải (r”). 7. Hiệu chỉnh đồ thị công : Xác định các điểm trung gian : · Trên đoạn cy lấy điểm c” với c”c = 1/3cy · Trên đoạn yz lấy điểm z” với yz” = 1/2yz · Trên đoạn ba lấy điểm b” với bb” =1/2ba. Nối các điểm c’c”z” và đường giãn nở thành đường cong liên tục tại ĐCT và ĐCD và tiếp xúc với đường thải .Ta sẽ nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh. 5.3.2. Tính toán nhiệt động cơ khi sử dụng Biogas - Diesel 5.3.2.1. Thông số cho trước của động cơ . Tên thông số Ký hiệu Thứ nguyên Giá trị - Công suất động cơ Ne Kw 9,15 - Tỷ số nén e 18 - Số vòng quay định mức n v/q 2400 - Đường kính xilanh D mm 94 - Hành trình piston S mm 90 - Số xilanh i 1 - Số kỳ t 4 - Góc mở sớm xupáp nạp j1 Độ 20 - Góc đóng muộn xupáp nạp j2 Độ 45 - Góc mở sớm xupáp thải j3 Độ 20 - Góc đóng muộn xupáp thải j4 Độ 15 5.3.2.2. Thông số chọn của động cơ . - Áp suất khí quyển p0 MN/m2 0,1 - Nhiệt độ môi trường T0 Độ 298 - Hệ số dư lượng không khí a 1,5 - Hệ số nạp hv 0.8 - Áp suất khí sót pr MN/m2 0,11 - Nhiệt độ khí sót Tr Độ 900 - Độ sấy nóng khí nạp DT Độ 20 - Ap suất khí nạp pk MN/m2 0,1 - Tỷ số tăng áp l 1.5 - Hệ số nạp thêm l1 1.14 - Hệ số quét buồng cháy l2 1 - Hệ số hiệu đính tỷ nhiệt lt 1 - Hệ số điền đầy đồ thị jd 0,97 - Hệ số lợi dụng nhiệt tại z xz 0,8 - Hệ số lợi dụng nhiệt tại b xb 0,87 - Nhiệt độ Biogas trước Melăngzơ Tga Độ 29 5.3.2.3. Thông số tính toán. Thành phần chính của Biogas gồm 80% Methane(CH4) và 20% (CO2) thể tích . Thành phần khối lượng của Biogas: 60% Methane(CH4) và 40% (CO2) Metane có : Khối lượng riêng của nhiên liệu : 0,66 [kg/m3] Nhiệt trị thấp QHM : 37,6 [MJ/kg] Cabonic có : Khối lượng riêng của nhiên liệu : 1,82 [kg/m3] Cacbonic không tham gia quá trình cháy Khối lượng riêng của Biogas rB : 0.8808 [kg/m3] Nhiệt trị thấp của 1kg nhiên liệu Biogas là: QHBiogas = 37,71.103 [KJ/m3] QHBiogas = 37,71.103 . 0,8808 = 33215 [KJ/kg] 1. Xác định thành phần các nhiên liệu có trong 1kg hỗn hợp. -Nhiệt lượng tỏa ra khi đốt cháy nhên liệu là diesel hoàn toàn để đạt công suất 9,15 Kw: [J/s] (5-47) Trong đó : QH - Nhiệt trị thấp của nhiên liệu diesel. QH = 44530 [KJ/kg] Gnl - Lượng nhiên liệun diesel tiêu thụ trong 1giờ. Gnl = 2,17 [kg/h] [J/s] Để đạt được công suất 9,15Kw cần cung cấp nhiệt lượng Q0 =26841,694 J/s Khi chuyển sang dùng nhiên liệu Diesel+Biogas ta giả thuyết có 5% năng lượng do nhiên liệu Diesel cung cấp và 95% năng lượng do nhiên liệu Bogas cung cấp Trong 5% năng lượng do nhiên liệu Diesel cung cấp có : Q0D = Q0.0,05 = 26841,694.0,05 [J/s] Q0D = 1342,085 [J/s] Với năng lượng Q0D = 1342,085 J/s cần cung cấp một lượng nhiên liệu: [kg/h] (5-48) [kg/h] Nhiệt lượng còn lại do đốt cháy nhiên liệu Biogas tạo ra để đạt công suất 9,15 Kw là: [J/s] [J/s] Vậy nhiên liệu Biogas cần cung cấp vào động cơ trong 1 giờ để đạt công suất 9,15 Kw là : [kg/h] (5-49) [kg/h] -Lượng nhiên liệu tổng cộng của Diesel+Biogas cung cấp vào động cơ trong 1 giờ là: [kg/h] (5-50) [kg/h] -Thành phần của Diesel trong 1 kg hỗn hợp là : 0,037775 [kg] -Thành phần của Biogas trong 1 kg hỗn hợp là : 0,962225 [kg] 2. Xác định lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 1kg hỗn hợp. -Lượng không khí lý thuyết cần để đốt cháy 0,037775 kg Diesel: [Kmolk2/Kgnl] (5-51) [Kmolk2/Kgnl] [Kmolk2/Kgnl] Thành phần C và H2 có trong 1 kg CH4 : O2 = 0,28531 Lượng không khí lý thuyết cần để đốt kiệt 0,962225 kg Biogas là: [Kmolk2/Kgnl] (5-52) [Kmolk2/Kgnl] -Lượng không khí lý thuyết cần để đốt kiệt 1 kg hỗn hợp: [Kmolk2/Kgnl] (5-53) [Kmolk2/Kgnl] 3. Xác định lượng không khí thực tế cần thiết để đốt kiệt 1 kg hỗn hợp. -Lượng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy 0,037775 kg nhiên liệu Diesel là [Kmol/Kgnl] (5-54) [Kmol/Kgnl] [Kmol/Kgnl] -Lượng không khí thực tế cần thiết để đốt cháy 0,9669 kg nhiên liệu Biogas là: [Kmol/Kgnl] (5-55) [Kmol/Kgnl] -Lượng không khí cần thiết để đốt cháy 1 kg hỗn hợp : [Kmol/Kgnl] (5-56) [Kmol/Kgnl] [Kmol/Kgnl] 4. Lượng sản vật cháy của 1 kg nhiên liệu: - Lượng sản vật cháy của 0,037775 kg nhiên liệu Diesel: [Kmol/kg.nl] (5-57) [Kmol/kg.nl] - Lượng sản vật cháy của 0,962225 kg nhiên liệu Biogas là: [Kmol/kg.nl] (5-58) [Kmol/kg.nl] - Lượng sản vật cháy của 1kg hỗn hợp: [Kmol/kg.nl] (5-59) [Kmol/kg.nl] [Kmol/kg.nl] 5.3.2.4. Quá trình nạp . 1. Nhiệt độ hỗn hợp khí trước xupáp nạp: [0K] (5-60) [0K] [0K] 2. Hệ số khí sót : (5-61) 3. Áp suất cuối qúa thình nạp: [MN/m2] (5-62) [MN/m2] [MN/m2] 4. nhiệt độ cuối qúa trình nạp : [0K] (5-63) [0K] [0K] 5.3.2.5..Quá trình nén: 1.Tỷ nhiệt mol đẳng tính trung bình của không khí: (5-64) 2.Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản phẩm cháy: Thành phần thể tích của các khí có trong sản vật cháy: Với nhiên liệu Diesel: [m3/kgnl] (5-65) [m3/kgnl] [m3/kgnl] [m3/kgnl] (5-66) [m3/kgnl] [m3/kgnl] [m3/kgnl] (5-67) [m3/kgnl] [m3/kgnl] (5-68) [m3/kgnl] [m3/kgnl] Với nhiên liệu Biogas: [m3/kgnl] (5-69) [m3/kgnl] [m3/kgnl] [m3/kgnl] (5-70) [m3/kgnl] [m3/kgnl] [m3/kgnl] (5-71) [m3/kgnl] m3/kgnl] [m3/kgnl] (5-72) [m3/kgnl] [m3/kgnl] Thành phần sản vật cháy của hỗn hợp khí: [m3/kgnl] (5-73) [m3/kgnl] [m3/kgnl] [m3/kgnl] (5-74) [m3/kgnl] [m3/kgnl] [m3/kgnl] (5-75) [m3/kgnl] [m3/kgnl] [m3/kgnl] (5-76) [m3/kgnl] [m3/kgnl] Thể tích của sản vật cháy: [m3/kgnl] (5-77) [m3/kgnl] Tỷ nhiệt mol đẳng tích của sản vật cháy là: [kJ/kmol 0K] (5-78) Trong đó: Vi -Thể tích của thành phần thứ i trong sản vật cháy. -Tỷ nhiệt mol đẳng tích của thành phần thứ i. [kJ/kmol0K] (5-79) [kJ/kmol0K] (5-80) [kJ/kmol0K] (5-81) -Thành phần thể tích của thần thứ i Thay các giá trị trên vào biểu thức trên ta tìm được : (5-82) Vậy tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình của sản vật cháy là: (5-83) Trong đó: a”V = 21,403 b” = 4837,5.10-6 3.Tỷnhiệt mol đẳng tích trung bình của hỗn hợp công tác: (5-84) (5-85) (5-86) 4. Chỉ số nén đa biến trung bình: Tính gần đúng bằng phương trình nén đa biến: (5-87) Chọn n1=1,368 thay vào vế phải của phương trình trên .Ta có: Vậy chọn n1=1,368 5. Nhiệt độ cuối quá trình nén(Tc): [oK] (5-88) [oK] [oK] 6. Áp suất cuối quá trình nạp: [MN/m2] (5-89) [MN/m2] [MN/m2] 5.3.2.6..Quá trình cháy. 1. Hệ số biến đổi phân tử lý thuyết. (5-90) 2. Hệ số biến đổi phân tử thực tế. (5-91) 3. Hệ số biến đổi phân tử tại z: (5-92) 4. Hệ số tỏa nhiệt xz tại z: (5-93) 5. Tỷ nhiệt mol đẳng tích trung bình môi chất tại z: (5-94) (6-95) (5-96) [KJ/KmoloK] 6. Nhiệt độ cực đại của chu trình Tz : -Nhiệt trị thấp của 0,037775 kg nhiên liệu Diesel là: [KJ/kg] (5-97) [KJ/kg] [KJ/kg] - Nhiệt trị thấp của 0,962225 kg nhiên liệu Biogas là: [KJ/kg] (5-98) [KJ/kg] [KJ/kg] - Nhiệt trị thấp của 1 kg hỗn hợp : [KJ/kg] (5-99) [KJ/kg] [KJ/kg] Nhiệt độ cực đại của chu trình Tz được tính theo phương trình sau: (5-100) Đưa về dạng phương trình bậc hai :ATz2 + BTz +C = 0 Trong đó : (5-101) (5-102) (5-103) Giải phương trình bậc hai và loại nghiệm âm ta tìm được : Tz = 2078 [0K] 8 .Áp suất cực đại của chu trình lý thuyết pz: [MN/m2] (5-104) 5.3.2.7. Quá trình giãn nở. 1.Tỷ số giãn nở sớm: (5-105) 2. Tỷ số giãn nở sau: (5-106) 3. Nhiệt độ cuối qúa trình giãn nở: (5-107) Chọn n2 =1,251 [0K] 4. Kiểm nghiệm lại trị số n2: Trị số n2 được kiểm nghiệm laị theo phương trình : (5-108) Vậy chọn n2 = 1,251 5. Áp suất của qúa trình giãn nở: [MN/m2] (5-109) [MN/m2] 6. Kiệm nghiệm lại nhiệt độ khí sót : (5-110) [0K] Sai số =13% < 15% 5.3.2.8. Các thông số chỉ thị. 1. Áp suất chỉ thị trung bình lý thuyết : (5-111) [MN/m2] 2. Áp suất chỉ thị trung bình động cơ: [MN/m2] (5-112) [MN/m2] 3. Hiệu suất chỉ thị động cơ: (5-113) 4. Suất tiêu hao nhiên liệu chỉ thị: [g/Kw.h] (5-114) [g/Kw.h] [g/Kw.h] 5.3.2.9. Các thông số có ích: 1.Tổn thất cơ giới pm Theo công thức kinh nghiệm : (5-115) Các hệ số a, b được chọn theo cấu tạo buồng cháy động cơ: a = 0,09 b = 0,0138 Cm - vận tốc trung bình của piston [m/s] (5-116) [MN/m2] [MN/m2] 2. Áp suất có ích trung bình : [MN/m2] (5-117) [MN/m2] 3. Hiệu suất cơ giới : (5-118) 4. Suất tiêu hao nhiên liệu có ích : [g/Kw.h] (5-119) [g/Kw.h] 5. Hiệu suất có ích của động cơ : (5-120) 6. Công suất của động cơ : [Kw] (5-121) [Kw] 5.3.2.10. Vẽ đồ thị công. 1. Xác định các điểm trên đường nén với chỉ số đa biến n1: Phương trình đường nén , do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường nén thì: Rút ra : Đặt ta có Với n1 là chỉ số nén đa biến trung bình, xác định thông qua tính nhiệt. 2. Xây dựng đường cong áp suất trên đường giãn nở: Phương trình của đường giãn nở đa biến , do đó nếu gọi x là điểm bất kỳ trên đường giãn nở thì: Ta có : đặc Þ Với n2 là chỉ số giãn nở đa biến trung bình, xác định thông qua tính toán nhiệt 3. Lập bảng xác định đường nén và đường giãn nở: Bảng 5.3 Bảng số liệu đường nén và đường giãn nở Vx i Đường nén Đường giãn nở i^n1 1/i^n1 Pc.1/i^n1 i^n2 1/i^n2 Pzr^n2/i^n2 0.037 1 1 1 4.6565 1 1 6.985 0.074 2 2.581 0.387 1.8021 2.3801 0.4202 5.04 0.111 3 4.495 0.222 1.0337 3.9526 0.253 3.03 0.148 4 6.662 0.15 0.6985 5.6647 0.1765 2.12 0.185 5 9.04 0.111 0.5169 7.4888 0.1335 1.6 0.222 6 11.601 0.086 0.4005 9.4073 0.1063 1.27 0.259 7 14.325 0.07 0.326 11.4082 0.0877 1.05 0.296 8 17.196 0.058 0.2701 13.4823 0.0742 0.89 0.333 9 20.202 0.05 0.2328 15.6227 0.064 0.77 0.37 10 23.335 0.043 0.2002 17.8238 0.0561 0.67 0.407 11 26.584 0.038 0.1769 20.0809 0.0498 0.6 0.444 12 29.945 0.033 0.1537 22.3901 0.0447 0.54 0.481 13 33.41 0.03 0.1397 24.7482 0.0404 0.48 0.518 14 36.975 0.027 0.1257 27.1523 0.0368 0.44 0.555 15 40.634 0.025 0.1164 29.5999 0.0338 0.41 0.592 16 44.385 0.023 0.1071 32.0888 0.0312 0.37 0.629 17 48.223 0.021 0.0978 34.6172 0.0289 0.35 0.666 18 52.145 0.019 0.0885 37.1831 0.0269 0.32 4. Xác định các điểm đặc biệt: Các điểm đặc biệt là: ; ; ; ; ; [dm3] [dm3] [dm3] [dm3] 5. Nối các điểm trung gian của đường nén và đường giãn nở với các điểm đặc biệt sẽ được đồ thị công lý thuyết : 6. Dùng đồ thị Brick xác định các điểm : · Phun sớm (c’). · Mở sớm xupap nạp (r’) , đóng muộn xupáp nạp (a’). · Mở sớm xupáp thải (b’), đóng muộn xupáp thải (r”). 7. Hiệu chỉnh đồ thị công : Xác định các điểm trung gian : · Trên đoạn cy lấy điểm c” với c”c = 1/3cy · Trên đoạn yz lấy điểm z” với yz” = 1/2yz · Trên đoạn ba lấy điểm b” với bb” =1/2ba. Nối các điểm c’c”z” và đường giãn nở thành đường cong liên tục tại ĐCT và ĐCD và tiếp xúc với đường thải .Ta sẽ nhận được đồ thị công đã hiệu chỉnh. 5.3.3. Bảng so sánh các thông số tính toán : Bảng 5.4 Các thông số của quá trình nạp T.T (1) Thông số (2) Thứ nguyên (3) Động cơ khi sử dụng Diesel (4) Khi sử dụng Biogas (5) 1 Tk 0K 298 298 2 hv 0,85 0,8 3 gr 0,03 0,0268 4 Ta 0K 331 336,5 5 pa MN/m2 0,09 0,0893 Bảng 5.5 Các thông số của quá trình nén (1) (2) (3) (4) (5) 6 KJ/kmol0K 19,806 + 0,002095.T 19,806 + 0,002095.T 7 KJ/kmol0K 21,034 + 2795,5.10-6.T 20,403+0,0048375.T 8 KJ/kmol0K 19,842 + 0,00212.T 19,822 + 0,004206.T 9 1,368 1,368 10 pc MN/m2 4,451 4,6565 11 Tc 0K 958 950 Bảng 5.6 Các thông số của quá trình cháy (1) (2) (3) (4) (5) 12 M0 Kmolk2/kgnl 0,495 0,36322 13 M1 Kmolh2/kgnl 0,693 0,55465 14 M2 Kmol/kgnl 0,724 0,59082 15 b0 1,046 1,0652 16 b 1,044 1,0635 17 bz 1,041 1,056 18 QH KJ/kg 42440 33642,424 19 KJ/kmol0K 20,945+2500.10-6.TZ 21,287+0,004791.TZ 20 pz MN/m2 7,042 6,985 21 TZ 0K 2195 2078 Bảng 5.7 Các thông số của quá trình giãn nở (1) (2) (3) (4) (5) 22 r 1,589 1,54 23 d 11,33 11,688 24 Tb 0K 1222 1121 25 pb MN/m2 0,346 0,3224 26 1,241 1,251 27 Tr 0K 824 783 Bảng 5.8 Các thông số chỉ thị (1) (2) (3) (4) (5) 28 P’i MN/m2 0,962 0,8953 29 Pi MN/2 0,938 0,8684 30 hi 0,4364 0,4434 31 gi 185,253 241,344 Bảng 5.9 Các thông số có ích (1) (2) (3) (4) (5) 32 Pm MN/m2 0,2054 0,1994 33 Pe MN/m2 0,733 0,669 34 hm % 78,1 77,04 35 ge 237,2 313,258 36 he % 34,1 34,16 37 Ne Kw 9,15 8,353 37 Ge Kg/h 2,17 2,617 5.3.4. Nhận xét Quá trình nạp phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, các yếu tố này làm cho lượng hỗn hợp khí thực tế đi vào xi lanh ở thời kỳ nạp nhỏ hơn lượng khí lý thuyết có thể nạp đầy thể tích công tác của xi lanh. Từ phương trình hệ số nạp cho thấy rằng hệ số nạp chủ yếu phụ thuộc vào tỷ số pa/pk còn sự ảnh hưởng của rất nhỏ vì vậy: Đối với động cơ chạy bằng nhiên liệu Diesel thì sẽ lớn hơn khi động cơ chạy bằng nhiên liệu Biogas+Diesel do: Khi động cơ chạy bằng nhiên liệu Diesel thì áp suất cuối qúa trình nạp pa phụ thuộc vào sức cản của bầu lọc không khí và đường nạp, còn đối với động cơ khi chạy bằng nhiên liệu Biogas+Diesel thì áp suất cuối qúa trình nạp pa, ngoài việc phụ thuộc vào sức cản của bầu lọc không khí và đường nạp động cơ còn phụ thuộc vào trở lực của thiết bị dẫn nhiên liệu Biogas. Áp suất cuối qúa trình nén khi động cơ chạy bằng nhiên liệu Diesel lớn hơn áp suất cuối qúa trình nén khi động cơ chạy bằng nhiên liệu Biogas+Diesel. Từ phương trình cho thấy áp suất cuối qúa trình nén phụ thuộc vào áp suất cuối quá trình nạp và tỷ số nén . Khi động cơ chạy bằng nhiên liệu Biogas+Diesel để đảm bảo không xảy ra hiện tượng kích nổ thì phải giảm tỷ số nén động cơ để thích hợp với loại nhiên nhiên liệu. Vì vậy áp suất cuối quá trình nén khi dùng nhiên liệu Biogas+Diesel se nhỏ hơn khi dùng nhiên liệu Diesel. Nhiệt trị thấp của nhiên liệu Biogas nhỏ hơn của nhiên liệu Diesel, vì vậy khi động cơ chạy bằng nhiên liệu Biogas+Diesel, nhiệt lượng cung cấp cho việc tăng nội năng và sinh công sẽ nhỏ hơn khi chạy bằng nhiên liệu Diesel. Mặc dù vậy, nhưng áp suất cực đại của chu trình khi chạy bằng nhiên liệu Biogas+Diesel nhỏ hơn áp suất cực đại của chu trình khi chạy bằng nhiên liệu Diesel. Mặc dù nhiên liệu Biogas có sự hòa trộn tốt hơn nhiên liệu Diesel nhưng công suất của động cơ khi chạy bằng nhiên liệu Biogas+Diesel giảm so với công suất động cơ khi chạy bằng nhiên liệu Diesel. Lượng tiêu hao nhiên liệu theo khối lượng khi sử dụng nhiên liệu Biogas+Diesel lớn hơn nhiều so với khi sử dụng nhiên liệu Diesel do trong thành phần của Biogas có một lượng khá lớn CO2 không tham gia quá trình cháy (chiếm khoảng 40% thành phần khối lượng Biogas) và nhiệt trị của Biogas thấp hơn Diesel. 7.5 z'' z y m v = 0.002037[lit/mm] m p = 0.0222[MN/m ² .mm] ÂÄÖ THË CÄNG KHI DUÌNG NHIÃN LIÃÛU BIOGAS 15Vc 3Vc Po r' r r" 1Vc 9Vc 5Vc 7Vc 11Vc 13Vc c c' c'' 7 y z z'' 17Vc 19Vc 23Vc a' 21Vc b" a 24Vc b' b V(l) ÂÄÖ THË CÄNG KHI DUÌNG NHIÃN LIÃU DIESEL 9Vc 3Vc Po r' r 1Vc r" 5Vc 7Vc 11Vc 13Vc 17Vc 15Vc 19Vc c' c 7 P(MN/m2) P(MN/m2) 23Vc a' 21Vc b" a 24Vc b b' V(l) m p = 0.0222[MN/m ² .mm] m v = 0.002037[lit/mm] 3.5 3.5 (a) (b) Hình 5.10 Các đồ thị công a-Dùng nhiên liệu Biogas, b-Dùng nhiên liệu Diesel 5.4. Tính toán thiết kế hệ thống cung cấp lưỡng nhiên liệu Biogas - Diesel 5.4.1 Sơ đồ hệ thống nhiên liệu sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas- Diesel Hình 5.11 Sơ đồ sử dụng lưỡng nhiên liêu Biogas - Diesel 1.Cần Điều khiển 2. Bơm 3. Ống dẫn dầu 4. Cần điều khiển gas 5. Lò xo 6. Cần điều tốc 7. Động cơ 8. Họng venturi 9. Đường ống nạp 10 .Van màng 11.Ống dẫn Biogas 11.Van giảm áp Nguyên lý hoạt động : Sau khi khởi động động cơ, chỉnh thanh răng về vị trí cung cấp nhiên liêu Diesel tối thiểu tương đương với khi động cơ chạy không tài bằng cách điều chỉnh cần (1) Khi kéo cần ga (4) đồng thời kéo van tiết lưu và cần điều tốc dịch sang trái cấp nhiên liệu nhiều hơn vào động cơ. Mỗi vị trí của cần tương ứng với một tốc độ nhất định của động cơ. Khi tải trọng bên ngoài của động cơ tăng làm giảm tốc độ quay của trục khyủ, làm giảm lực ly tâm của quả văng, lúc này lực lò xo sẽ thắng lực ly tâm và kéo kim van tiết lưu về phía phải cấp nhiên liệu nhiều hơn cho động cơ. Khi tải bên ngoài giảm xuống hay tốc độ trục ra của động cơ tăng lên thì ngược lại, lực ly tâm của quả văng sẽ thắng lực lò xo đẩy kim van tiết lưu dịch chuyển về phía đóng van tiết lưu, giảm nhiên liệu cấp cho động cơ. 5.4.2 Tính toán và thiết kế van điều chỉnh 5% Diesel 5.4.2.1 Kết cấu : 3 Hình 14-2 Kết cấu van hạn điều chỉnh 5% Diesel 1. Tay kéo 2. Thân van 3. Vít hạn chế 4. Lò xo nén 5. Bi hãm 6. Rãnh bi 7. Trục van 8. Rãnh chống xoay 9. Vít chống xoay 5.4.2.2. Nguyên lý hoạt động : Khi tay quay khởi động, kéo trụ quay 7 ở vị trí 5%-10% nhiên liệu Diesel để dễ dàng khởi động. Động cơ làm việc ổn định, đẩy trụ van vào phía trong ở nấc thứ hai (6) tức là động cơ làm việc 5% nhiên liệu Diesel trong suốt quá trình hoạt động , lúc này bi (5) rơi vào rãnh (6) . Thông thường trên các loại động cơ Diesel thường sử dụng một van tắt máy để đề phòng trường hợp có biến cố xảy ra như đặt ngược bơm, động cơ vượt tốc hoặc trong quá trình làm việc vướng vào vật gì, luac này người điều khiển chỉ có thể dùng van tắt máy mới kết thúc quá trình hoạt động của động cơ. Với van điều chỉnh này, người thiết kế hợp với mức điều chỉnh nhiên liệu đồng thời người điều khiển có thể tăng mức nhiên liệu khi cần thiết và tắt máy khi có sự cố . Tránh trường hợp trụ van có thể xoay người thiết kế dã tạo rãnh (8) cho vít (9) dịch dọc trục . 5.4.2.3 Tính toán Hành trình có ích của thanh răng bơm cao áp là 10 [mm], ứng với 100% thì tải của động cơ là 9,15 KW . Với năng lượng mà 5% nhiên liệu Diesel cấp vào ứng với 0.5 [mm] hành trình thanh răng của bơm cao áp thì tải của động cơ đạt được là 0,4575 KW. 5.4.3. Bộ điều tốc của động cơ RV125-2-N khi dùng nhiên liệu Biogas-Diesel : Hình 5.12 Kết cấu của bộ điều tốc khi dùng Biogas. 1. Bánh răng trục khyủ 2. Quả văng 3 .Cần điều tốc 4 .Trục cam 5 .Vít điều chỉnh giới hạn tốc độ 6 .Thanh răng 7.Thân máy 8. Bơm cao áp 9. Lò xo 10.Cần điều khiển bướm khí 11.Cần điều khiển sức căng lò xo Nguyên lý hoạt động : Thanh răng sẽ được điều chỉnh bằng cơ cấu vít điều chỉnh giới hạn tốc độ 5% diesel (5) để thực hiện khởi động động cơ và tắt máy. Khi kéo cần 11 về vị trí tăng tốc độ động cơ thông qua lò xo (9) kéo thanh răng về vị trí cấp nhiên liệu Biogas nhiều hơn cho động cơ. Lúc này lực lò xo và lực quả văng tác dụng lên cần điều tốc cân bằng. Khi tốc độ động cơ tăng lên thì lực ly tâm của quả văng tác dụng lên cần tăng đến khi thắng lực lò xo đẩy thanh răng về vị trí giảm nhiên liệu cấp cho đông cơ. Khi tốc độ động cơ giảm xuống thì lực lò xo thắng lực ly tâm của quả văng tác dụng lên cần, đẩy thanh răng về vị trí giảm nhiên liệu. 5.4.4 Tính toán thiết kế bộ tạo hỗn hợp 5.4.4.1. Yêu cầu và phân loại bộ hổn hợp 1 Yêu cầu : Để tạo được thành phần hỗn hợp tốt thi bộ hỗn hợp cần có các yêu cầu sau: - Có thể điều chỉnh được hệ số dư lượng không khí a và hệ số nạp hv. - Cản trở của bộ hỗn hợp với dòng khí là bé nhất. - Đơn giản, dễ chế tạo, dễ điều chỉnh, tháo lắp. - Thành phần hổn hợp tương đối đồng nhất . 2 Nhiệm vụ Bộ hòa trộn có nhiệm vụ chuẩn bị hỗn hợp cháy bao gồm khí Biogas và không khí cung cấp cho xylanh động cơ theo các chế độ tải khác nhau. 3 Phân loại bộ hoà trộn Bộ hòa trộn có thể chia thành hai loại chính sau: - Loại trực giao: Loại trực giao kết cấu đơn giản, hòa trộn giữa không khí và khí Biogas được dễ dàng. Đối với loại trực giao có thể bố trí đường ống dẫn khí Biogas tại một vị trí hoặc nhiều vị trí xung quanh họng bộ hỗn hợp. - Loại cùng chiều: Loại cùng chiều có kết cấu phức tạp hơn, khó bố trí lắp đặt, cản trở đối với dòng khí Biogas nhỏ nên lưu lượng lớn, do đó nó chỉ thích hợp cho loại động cơ yêu cầu lưu lượng hỗn hợp cung cấp lớn. Không khí Khí hỗn hợp Khí Biogas Không khí Khí hỗn hợp Khí Biogas (a) (b) Hinh 5.13 Các loại bộ hòa trộn 5.4.4.2. Cơ sở lý thuyết điều chỉnh thành phần hổn hợp Để đảm bảo động cơ làm việc cân bằng, ổn định khi phụ tải bên ngoài thay đổi thì công suất động cơ phát ra phải cân bằng với công suất tiêu thụ. Vì vậy bộ hỗn hợp phải điều chỉnh được thành phần hỗn hợp và khối lượng hỗn hợp sao cho công suất động cơ phát ra thỏa mãn được các đường đặc tính của nó như đặc tính tải, đặc tính tốc độ¼ Muốn vậy cần phải đảm bảo tỉ số hòa trộn thích hợp giữa khí Biogas và không khí ứng với từng chế độ làm việc của động cơ, có nghĩa là nếu chế độ làn việc của động cơ thay đổi thì không những thay đổi về số lượng, mà còn thay dổi về chất lượng hỗn hợp nạp vào động cơ. Khi động cơ chạy ở chế độ tải nhỏ cần phải tăng lượng khí gas trong hỗn hợp, tức là phải làm đậm khí hỗn hợp. Khi tăng dần phụ tải thì một mặt phải tăng số lượng hỗn hợp đưa vào động cơ, mặt khác phải giảm bớt thành phần khí Biogas trong hỗn hợp, tức là làm cho hỗn hợp loãng dần. Khi động cơ chạy toàn tải tức là khi cần phát ra công suất lớn nhất thì phải làm cho hỗn hợp giữa khí Biogas và không khí đậm lên. 1. Phương án điều chỉnh - Điều chỉnh chất lượng hỗn hợp: Điều chỉnh chất lượng hỗn hợp là sự thay đổi công suất động cơ thực hiện bằng cách điều chỉnh số lượng nhiên liệu cung cấp cho mỗi chu trình mà không thay đổi số lượng hỗn hợp. - Điều chỉnh khối lượng hỗn hợp: Điều chỉnh theo phương pháp này tức là thay đổi công suất của động cơ nhờ thay đổi lượng hòa khí đưa vào xylanh trong mỗi chu trình. Với phương pháp này có thể thực hiện bằng cách thay đổi độ mở bướm gas. Phương pháp này có nhược điểm là làm thay đổi sự tiết lưu của dòng khí hỗn hợp, làm giảm tính kinh tế của động cơ, giảm áp suất cuối quá trình nén. - Điều chỉnh theo chất và lượng: Phương pháp này thì việc điều chỉnh hỗn hợp nạp vào động cơ được kết hợp bởi hai phương pháp trên. Tùy theo từng trường hợp điều chỉnh theo phương pháp nào hiệu qủa thì thì dùng phương pháp đó. 2. Chọn phương án điều chỉnh Công suất động cơ dùng khí BIOGAS được tính theo công thức sau[1]: (5-122) (5-123) Trong đó: B- Là hằng số, t- Số kỳ của động cơ Vh- Thể tích công tác của xylanh QH- Nhiệt trị thấp của nhiên liệu a- Hệ số dư lượng không khí L0- Lượng không khí lí thuyết tính theo kg để đốt cháy một kg nhiên liệu rk- Khối lượng riêng của khí hỗn hợp tại áp suất và nhiệt độ trước xupáp nạp. hv- Hệ số nạp hm- Hiệu suất cơ giới hi- Hiệu suất chỉ thị n- Số vòng quay động cơ i- Số xylanh Với: (5-124) Trong đó: A1- Là hằng số Pm- Áp suất tổn thất cơ giới trung bình (5-125)Từ các biểu thức trên ta rút ra nhận xét sau: - Đối với phương pháp điều chỉnh theo chất: Sự thay đổi hệ số nạp hv có phụ thuộc vào quá trình công tác của động cơ nhưng ảnh hưởng này rất ít do đó có thể bỏ qua. Áp suất cơ giới trung bình Pm chủ yếu phụ thuộc vào số vòng quay của trục khuỷu (n tăng làm Pm tăng dẫn đến hiệu suất hm giảm). Hiệu suất chỉ thị hi chủ yếu phụ thuộc vào a. Khi tăng số vòng quay trục khuỷu n thì vận động hỗn hợp trong buồng cháy làm cho quá trình cháy nhanh, n tăng làm cho truyền nhiệt giảm và lọt khí giảm nên hi có tăng theo n nhưng không nhiều. Do đó, ở tải lớn hệ số dư lượng không khí a giảm, thời gian ứng với góc quay trục khuỷu không đổi nên quá trình cháy sẽ kéo dài, Pi có tăng nhưng không nhiều do đó hi tăng lên. Ở trường hợp tải bé a tăng sẽ làm cho hỗn hợp loãng, áp suất chỉ thị Pi giảm làm tỉ số hi/1+aL0 giảm xuống rất nhanh làm giảm tính kinh tế của động cơ. - Đối với phương pháp điều chỉnh theo lượng: Ở trường hợp tải bé hv giảm nhiều do tiết lưu dòng khí nạp làm cho áp suất cực đại của chu trình giảm. Vì vậy, nếu giảm tải theo phương pháp điều chỉnh theo lượng là đóng bớt bướm ga do ảnh hưởng của Pm và hv làm cho hm có giảm nhưng không đáng kể. hi thay đổi liên tục theo áp suất chỉ thị trung bình Pi, nhưng Pi lại phụ thuộc vào chất lượng của quá trình cháy nếu xét đến một loại nhiên liệu nhất định. Tức là phụ thuộc vào hệ số dư lượng không khí a, mức độ hòa trộn và góc đánh lửa sớm. Do thời gian cháy của nhiên liệu ứng với góc quay của trục khuỷu không đổi và nhiệt độ, áp suất cuối quá trình cháy giảm liên tục theo chiều tăng a nên sẽ làm hi giảm liên tục. - Kết luận: Cả hai phương pháp điều chỉnh trên đều có ưu điểm và nhược điểm. Đối với động cơ ta sử dụng để thiết kế là động cơ Diesel, nhiên liệu Diesel được phun mồi để đốt cháy hỗn hợp. Trong quá trình động cơ hoạt động ở chế độ không tải thì chỉ có nhiên liệu Diesel được cung cấp. Mà bộ hòa trộn được bố trí tại đường nạp không khí cho nên nếu dùng bướm ga thì ở chế độ không tải sẽ không có không khí đưa vào xylanh để đốt cháy nhiên liệu vì lúc này bướm ga đóng.Vì vậy ta dùng phương pháp điều chỉnh theo chất để điều chỉnh lượng Biogas vào bộ trộn ở từng chế độ tải khác nhau. 5.4.4.3 Phương án thiết kế bộ hòa trộn - Bộ hòa trộn có thể thiết kế theo nhiều kiểu khác nhau nhằm mục đích tạo sự hòa trộn đồng đều hỗn hợp khí Biogas và không khí. - Yêu cầu: Sức cản bộ trộn nhỏ nhất, đơn giản dễ chế tạo, tiện sử dụng. Đảm bảo lượng không khí và khí Biogas thích hợp ở từng chế độ công tác của động cơ. - Yêu cầu kỹ thuật: Khi lắp ráp kết cấu, kích thước phải phù hợp với bô phận khác liên quan trên động cơ KuBoTa mà không thay đổi kết cấu nguyên thủy của động cơ. - Sau đây là kết cấu của một số loại bộ hòa trộn được thiết kế cho đông cơ KuBoTa: Tất cả các bộ hòa trộn trên đều có một nguyên lý chung là tạo độ chân không ở họng để hút khí Biogas vào. Đối với loại (c) thuộc loại trực giao: Loại này đơn giản, dễ chế tạo nhưng không tạo được sự hòa trộn tốt. Đối với loại (b) : Loại này có diện tích điều chỉnh các lỗ lớn do đó tao được hòa khí tốt hơn so với loại (a). Đối vớiloại (a): Các lỗ phun Biogas được bố trí xung quanh họng cho nên tiết diên bố trí các lỗ lớn hơn so với các loại trên và tạo được hòa khí tốt hơn. Từ các ưu nhược điểm của từng loại bộ trộn đã nêu trên ta chọn cho động cơ ta thiết kế bộ hòa trộn kiểu các lỗ phun bố trí xung quanh họng. Hình 5.13. Kết cấu một số kiểu bộ hòa trộn (a)- Bộ hòa trộn với các lỗ phun bố trí xung quanh họng; (b)- Bộ hòa trộn với vòi phun nhiều lỗ; (c) Bộ hòa trộn một lổ phun; 1-Mặt bích lắp với lọc gio; 2- Họng bộ hòa trộn; 3- Bulông cố định họng; 4- Vòi phun Biogas; 5- Mặt bích lắp vào đường nạp; 6- Lỗ lắp bulông; 7- Đường Biogas vào họng; 8- Ống nối mặt bích trên và dưới; 9- Lỗ phun Biogas. 5.4.4.4 Tính toán bộ kích thước bộ hoà trộn 1 Các thông số đã biết Trong phần tính toán nhiệt ta đã biết được các thông số sau: - Hệ số dư lượng không khí: a = 1,5 - Suất tiêu hao nhiên liệu: ge = 313,258 (g/kw.h) - Lượng nhiên liệu hỗn hợp tiêu hao trong một giờ: Gnl = 2,8723 (kg/h) - Lượng nhiên liệu Diesel tiêu hao trong một giờ: GnlD = 0,1085 (kg/h) - Lượng nhiên liệu Biogas tiêu hao trong một giờ: GnlBIOGAS = 2,7638 (kg/h) 2 Xác định lưu lượng không khí hòa trộn Lưu lượng không khí hòa trộn được xác định theo công thức[1]: Gkk = a.Gnl.Lo (5-126) Trong đó: Lo- Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg nhiên liệu a- Hệ số dư lượng không khí Gnl- Lượng nhiên liệu tiêu hao trong một giờ + Xác định Lo Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 0,037775kg nhiên liệu Diesel được xác định theo công thức sau (kg không khí/kgnl) Trong đó:C = 0,87; H = 0,126; O = 0,004 Thay vào công thức trên ta được: (kg kk/kgnl) Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy 1kg Biogas được xác định theo công thức sau: (kg không khí/kgnl) Trong đó: M0- Lượng không khí cần thiết để đốt cháy hoàn toàn 1m3 nhiên liệu (m3kk/m3nl) Mà khí BIOGAS là hỗn hợp của CH4 và CO2 Ta có phản ứng cháy hoàn toàn như sau: CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O H2 +1/2 O2 = H2O Suy ra: (m3/m3nl) Vậy: (kg/kgnl) Lượng không khí lý thuyết để đốt cháy BIOGAS có trong 1kg nhiên liệu hổn hơp sẽ là: L’0BIOGAS = 10,3847.0,962225 = 9,99242 (kg/kgnl) Lượng không khí để đốt cháy 1kg hỗn hợp Biogas + Diesel là: = 9,99242 + 0,54593 = 10,5383 (kg/kgnl) Gkk = a.Gnl.L0 = 1,5.2,8723.10,53835 = 45.404 (kg/h) = 0,012612 (kg/s) 3 Tính toán họng khuếch tán Họng của bộ hòa trộn cần phải đảm bảo tạo được độ chân không cần thiết cho lưu động của BIOGAS và đồng thời lại không gây sức cản lớn đối với lưu động của không khí. Muốn xác định sơ bộ tiết diện lưu thông của họng khi thiết kế có thể dùng đẳng thức sau[2] : mhfh = (5-127) Trong đó: mh- Hệ số lưu lượng của họng nó phụ thuộc vào hình dạng và chất lượng bề mặt của họng, với loại họng đơn thì theo tài liệu [2] ta có mh = 0,85¸0,99. Ta chọn mh = 0,85. fh- Tiết diện lưu thông của họng (m2) Ghh- Lưu lượng của khí hỗn hợp Ghh = GBIOGAS + Gkk = 0,000768 + 0,012612 = 0,01338 (kg/s) rk- Khối lượng riêng của không khí ở phía trước ống nạp (kg/m3) rk = 1,1¸1,2, ta chọn rk = 1,15. DPh- Độ chân không ở họng, độ chân không ở họng được xác định theocông thức sau[1]: (5-128) Thực tế trong quá trình chuyển động dòng khí có tổn thất tốc độ do sức cản khí động của dòng khí dọc theo đường ống gây ra nên DPh được tính theo công thức sau: DPh = (5-129) Trong đó: jh- Hệ số tốc độ của họng,jh = 0,8¸0,9. Ta chọn jh = 0,85 rk- Khối lượng riêng không khí W- Tốc độ dòng khí qua họng. Khi tính toán, để xác định tiết diện nhỏ nhất của họng cần phải đảm bảo dòng khí đi qua họng với tốc độ tương đối cao để nhiên liệu được hòa trộn tốt. Ta chọn Wh = 25 (m/s). Thay vào công thức (6.8) ta được: DPh = = 497,4 (kg/m2) = 4,974 (KN/m2) Suy ra: = 0,000384 (m2) Có được tiết diện ta sẽ tính được đường kính họng theo công thức sau: = 0,022 (m) = 22(mm) Ta lấy đường kính họng dh = 21 (mm). 4 Tính buồng hỗn hợp Đường kính buồng hỗn hợp là kích thước cơ bản quan trọng của bộ hòa trộn. Buồng hỗn hợp là nơi hai dòng khí BIOGAS và không khí hợp lại trộn lẫn với nhau để đi vào xylanh động cơ. Yêu cầu buồng hỗn hợp phải có kích thước đủ lớn để hai dòng khí hợp lại không gây tổn thất lớn và hỗn hợp khí có đủ thời gian hòa trộn. Theo số liệu thống kê, phần lớn các bộ chế hòa khí lắp trên động cơ ôtô đều có tỉ số như sau: Trong đó: Fh- Diện tích tiết diện họng Fb- Diện tích tiết diện buồng hỗn hợp Ta có: Suy ra: db = = 26,7¸50 (mm) Để phù hợp với đường kính đường ống nạp của động cơ nguyên thủy ta chọn đường kính buồng bằng đường kính của đường nạp, db = 36 (mm). 5 Tính đường kính lỗ phun BIOGAS Lượng BIOGAS phun vào buồng hỗn hợp ở chế độ công suất cực đại: GBIOGAS = Gnlhh - GnlD Trong đó: Gnlhh- Lượng nhiên liệu hỗn hợp tiêu hao trong một giờ Gnlhh = 2,8723 (kg/h) GnlD- Lượng nhiên liệu tiêu hao của nhiên liệu Diesel GnlD = 0,1085 (kg/h) Suy ra: GBIOGAS = 2,8723 - 0,1085 = 2,7638 (kg/h) Áp dụng công thức : GBIOGAS = (5-130) Trong đó: f- Tiết diện lỗ phun BIOGAS rBIOGAS- Khối lượng riêng của BIOGAS, rBIOGAS = 0,8808 (Kg/m3). Từ công thức (6.9) suy ra được đường kính lỗ phun: (5-131) Trong đó: vBIOGAS- Tốc độ Biogas qua lỗ, vBIOGAS = 15¸25 (m/s). Ta chọn vBIOGAS = 22 (m/s) Thay các giá trị vào công thức (3.20) ta được: (m) Ta lấy dlp = 7 (mm) Nếu dùng một lỗ để phun nhiên liệu qua họng vào trộn với không khí thì chất lượng hòa trộn không được tốt. Để cải thiện chất lượng hòa trộn giữa Biogas và không khí thì xung quanh họng ta khoan 6 lỗ có đường kính được tính như sau: Lượng nhiên liệu qua một lỗ: Gnl1 = = 0, 46063 (kg/h). Mà: Trong đó: fnl1- Tiết diện của một lỗ phun rnl- Khối lượng riêng của nhiên liệu vnl- Tốc độ nhiên liệu qua lỗ phun, chọn v = 28 (m/s). Suy ra: = 0,002571 (m) = 2,571 (mm) Ta lấy đường kính của mỗi lỗ phun là dl = 2,6 (mm). 6. Kết cấu của bộ hoà trộn Hình 5.14. Kết cấu Họng 5.4.5. Thiết kế tính toán van tiết lưu 5.4.5.1. Nhiệm vụ, yêu cầu của van tiết lưu 1. Nhiệm vụ - Tăng công suất của động cơ phù hợp với tải bằng cách làm đậm hòa khí Biogas không khí - Điều chỉnh chất lượng nhiên liệu tùy thuộc vào áp suất Biogas nạp vào, điều kiện tải của động cơ và hệ thống bằng cách thay đổi lưu lượng ga nạp vào động cơ 2. Yêu cầu - Kích thước của van phù hơp với yêu cầu lượng Biogas cần nạp vào - Điều khiền nhẹ và bảo đảm làm kín tốt - Trở lực bé đối với dòng khí Biogas nạp vào - Đảm bảo kín tránh lọt khí Biogas ra môi trường 5.4.5.2. Tính toán kích thước van Như tính toán ở phần tính toán nhiệt ta xác định được lượng tiêu hao nhiên liệu Biogas trong một giờ Gnl= 0,00087162 [m3/s] và lỗ phun Biogas Dp = 3mm. Vì vậy để đảm bảo lượng Biogas cho động cơ ở số vòng quay n = 2400 [Vg/ph], ta chọn tốc độ Biogas ở cửa vào van tiết lưu bằng tốc độ ở lỗ phun họng Venturi wa = 25 m/s. 1. Tiết diện lỗ phun vào van tiết lưu Phương pháp giảm dần tốc độ đưa ra công thức sau: F = [m2] (5-132) Trong đó : L - Lưu lượng khí Biogas [m3/s] , ở đây L = Gnl = 0,00087162[m3/s]. wa - Tốc độ Biogas, wa = 25 [m/s]. Thay các giá trị vào (5-132) ta được: F = [m2] F = 34,865 [mm2]. Mặt khác : F = Suy ra : Dlv = 6,6[mm] 2. Đường kính chốt van tiết lưu Để đảm bảo lưu lượng qua van ít bị tổn thất và cấp đủ lượng BIOGAS cần thiết , ta chọn đường kính chốt van Dc = 8mm. 3. Tính toán tổn thất áp suất Áp suất từ bộ ổn định đến van tiết lưu đến họng bộ hòa trộn luôn có tổn thất vì BIOGAS lưu thông qua các van ba ngã và các tiết diện thay đổi. Như đã khảo sát ở phần trước khi vận tốc tăng, tiết diện lưu thông giảm thì tổn thất áp suất càng tăng. Vì tiết diện lưu thông ở cửa vào van tiết lưu thay đổi rất phức tạp, nên ta chọn kảo sát ở tiết diện mở cực đại (n = 2400 Vg/ph). + Tổn thất áp suất ở van ba ngã : Pđ = 0,602.V22 = 0,602.252 = 376,25 [Pa] Ta có : DP1 = b.Pđ Trong đó :b - Hệ số tổn thất áp suất. Pđ - Áp suất động. Vc Vs Vb Hình 5.15 Sơ đồ rẽ nhánh dạng chữ T Tra được : b = 0,83 ứng với = 0,5. Suy ra : DP1 = 0,83.376,25 = 312,2875 [Pa]. + Tổn thất áp suất khi BIOGAS vào van tiết lưu: Tương tự như bộ điều chỉnh gió dạng cánh bướm ta chọn : q = 200 , D/D0 = 1 b = 1,8. Suy ra : DP2 = 1,8.376,25 = 677,25 [Pa]. + Tổn thất áp suất khi ra khỏi van tiết lưu: Pđ = 0,602. = 94,0625 [Pa]. ta có: b = 0,42. Suy ra : DP3 = 0,42.94,0625 = 39,50625 [Pa]. 4. Tính toán mặt côn chốt van tiết lưu Hình 5.16. Sơ đồ tính toán van tiết lưu Phương trình Becnuli cho mặt 11 và 22 được viết như sau [4]: Z1 + (5-133) Từ phương trình trên ta coi như: Z1 = Z2, v1 = v2, a1 = a2. Phương trình (6.12) trở thành: (5-134) Mặt khác ta có : Q = v.AX (5-135) Từ biểu thức (5-134) và (5-135) suy ra : AX = (5-136) Trong đó : AX - Tiết diện chảy qua tiết lưu. - Hệ số tổn thất tiết lưu phụ thuộc vào tiết diện chọn thiết kế , x = 1,8. - Khối lượng riêng của BIOGAS, g = 2,234 [Kg/m3]. DP = 0,00067725 [Mpa]- Chênh lệch áp suất trước và sau tiết lưu. g = 9,81 m/s2 - Gia tốc trọng trường. Thay các số liệu trên vào công thức (5-136) ta suy ra : AX = 0,00000874 [m2]. AX = 8,74 [mm2]. Từ phần tính toán trên ta thấy rằng tiết diện lỗ phun Biogas vào van tiết lưu để đạt được công suất cực đại là: F = 34,865 (mm2) trong khi đó ta tính được tiết diện chảy qua van tiết lưu là: Ax = 8,74(mm2) đảm bảo được lượng nhiên kiệu cung cấp cho động cơ khi động cơ hoạt động ở công suất cực đại.Vì vậy ta lấy độ côn của chốt van tiết lưu như đã chọn ở phần tính toán trên với góc côn là a = 100 5.5 Lựa chọn đầu phát điên Qua kết quả tính toán nhiệt của động cơ khi sử dụng lưỡng nhiên liệu Biogas–Diesel ta có công suất động cơ là Ne = 8,353 KW. Để cho công suất đàu phát phù hợp với công suất của động cơ và có thể làm viêc tốt ta chọn công suất của đầu phát nhỏ hơn công suất của động cơ. Qua phân tích và tìm hiểu chúng ta chọn đầu phát kiểu MF5 với các thông số kỹ thuật sau: Bảng 5.10 Các thông số của đầu phát MF5 Kiểu MF5 Công suất định mức (KW) 5 Số pha 1 pha Điện áp (V) 110/220 Hiệu suất (%) 100% Tần số (Hz) 50/60 Kích từ Tự kích từ Số cực 2 Tốc độ (Vòng/phút) 3000 5.6. Bảo dưỡng động cơ khi sử dụng nhiên liệu Biogas Các động cơ như máy bơm, máy xay xát, máy phát điện, máy trộn thức ăn cho gia súc và máy vắt sữa... có thể sử dụng trực tiếp khí sinh học bằng cách lắp ống dẫn khí vào ống dẫn nhiên liệu của động cơ. Khi sử dụng khí sinh học để chạy động cơ, cần lắp một van chính với ống dẫn khí PVC và một van nhỏ vào ống nối bằng cao su trước khi nối với động cơ. Đối với động cơ chạy bằng xăng: +) Khởi động động cơ như mọi khi sau đó điều chỉnh bộ tăng tốc ở tốc độ trung bình. Đóng van xăng tại vị trí đóng hoàn toàn sau đó vặn van chính tới vị trí mở hoàn toàn. Mở từ từ van nhỏ, điều chỉnh và lắng nghe tiếng động cơ nếu thấy êm và không bị đánh lửa là được. +) Phải để xăng chảy vào để thay thế khí (đóng van dẫn khí) và để động cơ chạy thêm 3 phút rồi mới tắt động cơ. Đối với động cơ Diezen: +) Khởi động động cơ và điều chỉnh bộ tăng tốc ở vị trí trung bình. Điều chỉnh: van nhiên liệu diezen đồng thời mở từ từ van chính tới vị trí mở hoàn toàn, sau đó mở van nhỏ cho tới khi động cơ chạy êm. +) Khi dừng động cơ phải tắt động cơ và đóng van chính lại. Nếu yêu cầu phải tăng tốc độ của động cơ thì phải điều chỉnh van nhỏ để khí vào nhiều hơn. Khi đó động cơ sẽ tăng tốc mà khôngg cần điều chỉnh bộ tăng tốc. Khi bắt đầu lắp đặt, sau khi điều chỉnh phù hợp bộ tăng tốc phải tháo rời tay vặn khỏi van nhỏ để đảm bảo an toàn. Bước tiếp theo Động cơ Diezen được khởi động bằng xăng. Khi khởi động động cơ thì đóng van xăng lại và mở hoàn toàn van chính. Động cơ Diezen sẽ hoạt động bình thường sau khi khởi động và mở van chính. 6. KẾT LUẬN Đề tài tốt nghiệp “Nghiên cứu triển khai thí điểm mô hình xử lý rác thải hữu cơ tại bãi rác Khánh Sơn bằng công nghệ hầm Biogas và sử dụng động cơ biogas để sản xuất điện” đã được hoàn thành, em có một số kết luận sau: Rác thải hữu cơ là nguồn gây ô nhiễm lớn tại bãi rác Khánh Sơn nên cần phải có giải pháp thích hợp để giải quyết tình trạng ô nhiễm này. Và biện pháp xử lý rác thải hữu cơ hiệu quả nhất là công nghệ hầm biogas và đặc biệt là sử dụng biogas để chạy động cơ phát điện. Để áp dụng được công nghệ này cần phải có nhiều biện pháp đồng bộ: phân loại rác, giáo dục môi trường, công nghệ xử lý rác thải hữu cơ, công nghệ hầm biogas, triển khai thí điểm mô hình, xử lý khí biogas (lọc tạp chất), lựa chọn động cơ thích hợp,... Về vấn đề phân loại, thu gom rác tại nguồn, để đạt kết quả tốt nhất về thành phần rác thải hữu cơ thì phải cần có sự phối hợp chặt chẽ của các cơ quan chức năng đặc biệt là về phía Công ty Môi trường Đô thị thành phố Đà Nẵng; ý thức của người dân về tầm quan trọng của của việc phân loại rác, đặc biệt là rác hữu cơ. Về công nghệ xử lý rác hữu cơ tại bãi rác thì cần đầu tư thêm thiết bị, máy móc để nghiền nhỏ rác hữu cơ trước lúc cho rác vào hầm Biogas để hầm chứa được rác hữu cơ nhiều hơn và thời gian phân hủy rác nhanh hơn. Về phần hầm Biogas nên chú ý tới quy trình xây dựng, bảo dưỡng, đề hầm sinh khí được nhiều nhất. Về phần chọn động cơ, sau khi tính toán, mức tiêu hao nhiên liệu Biogas tương đối cao, công suất động cơ khi sử dụng nhiên liệu Biogas thấp hơn so với khi dùng nhiên liệu Diesel. Trong quá trình vận hành nên chú ý về nguyên tắc vận hành và sử dụng nhiên liệu Biogas để tránh trường hợp rò rỉ khí gây lãng phí và ô nhiễm môi trường. Vì thời gian có hạn nên mô hình này chỉ mới dừng lại ở ý tưởng và thiết kế. Cần phải có thời gian thực nghiệm để kiểm chứng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bùi Văn Ga, Văn Thị Bông, Phạm Xuân Mai, Trần Văn Nam và Trần Thanh Hải Tùng. “Ô Tô Và Ô Nhiễm Môi Trường”. Hà Nội: NXB Giáo dục; 1999. [2] Bùi Văn Ga, Trương Lê Bích Trâm, Trương Hồng Thiện, Phạm Duy Phúc – đặng Hữu Thành. “Hệ Thống Cung Cấp Khí Biogas Cho Động Cơ Kéo Máy Phát Điện 2hp”. Báo cáo khoa học; Đại học Đà Nẵng; 2008. [3] Hồng Đức Thông, Huỳnh Thanh Công, Hồ Phi Long (và một số tác giả).“Nghiên Cứu Khả Năng Ứng Dụng Nhiên Liệu, Năng Lượng Mới Trên ÔTô”. Khoa kỹ thuật giao thông; Đại học Bách Khoa TP.HCM; 2005. [4] Đỗ Văn Đài, Nguyễn Trọng Khuông,Trần Quang Thảo, Võ Thị Ngọc Tươi, Trần Xoa. “Cơ Sở Các Quá Trình Và Thiết Bị Công Nghệ Hoá Học-Tập 2”. Hà Nội: NXB Giáo Dục; 2000. [5] Bùi Văn Ga. “Quá Trình Cháy Trong Động Cơ Đốt Trong ”. Hà Nội: NXB Giáo Dục; 1999. [6] Đinh Ngọc Ái. “Thuỷ Lực Và Máy Thuỷ Lực - Tập 2”. Hà Nội: NXB ĐH & THCN; 1979. [7] Báo cáo về hiện trạng môi trường quốc gia năm 2004 [8] Các Website: www.Wikimedia.com www.Vietnamnet.com.vn www.Autogas.com www.nangluongmoi.com.vn www.khoahocvadoisong.com.vn