Luận văn thạc sĩ Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống tích hợp để hâm nhiên liệu sinh học sử dụng trực tiếp cho động cơ diesel d243

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

VŨ QUANG THOẠI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐỂ HÂM NHIÊN
LIỆU SINH HỌC SỬ DỤNG TRỰC TIẾP
CHO ĐỘNG CƠ DIESEL D243

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

TP. HCM 11- 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP.HCM
--------- oOo --------

VŨ QUANG THOẠI

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐỂ HÂM NHIÊN
LIỆU SINH HỌC SỬ DỤNG TRỰC TIẾP

CHO ĐỘNG CƠ DIESEL D243
CHUYÊN NGÀNH: KHAI THÁC VÀ BẢO TRÌ TÀU THỦY
MÃ SỐ: 78.40.10.61.02

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. THẨM BỘI CHÂU

TP. HCM 11- 2018


LUẬN VĂN ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Thẩm Bội Châu
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Nguyễn Sơn Trà

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS. Hoàng Anh Tuấn
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Giao thông vận tải TP. HCM ngày
30 tháng 11 năm 2018.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1.
2.
3.
4.
5.

TS. Lê Văn Vang
TS. Nguyễn Sơn Trà
TS. Hoàng Anh Tuấn

TS. Nguyễn Duy Trinh
PGS.TSKH. Đỗ Đức Lưu

Chủ tịch Hội đồng;
Ủy viên, phản biện;
Ủy viên, phản biện;
Ủy viên, thư ký;
Ủy viên.

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA MÁY TÀU THỦY

(ký tên)

(ký tên)

TS. Lê Văn Vang

TS. Lê Văn Vang



LỜI CẢM ƠN
Tác giả xin trân trọng cảm ơn đến q Thầy cơ giáo Khoa Máy tàu thủy, Khoa
Cơ khí, Trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP. HCM, đặc biệt trân trọng cảm ơn
Thầy TS. Thẩm Bội Châu đã tận tình hướng dẫn trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Xin cảm ơn tới bạn bè và gia đình đã chia sẻ, giúp đỡ động viên trong suốt quá

trình học tập và nghiên cứu.
Mặc dù đã cố gắng hết sức thực hiện đề tài trong phạm vi và khả năng cho phép
để đạt kết quả tốt nhất nhưng chắc chắn rằng khơng tránh khỏi những thiếu sót. Tác giả
rất mong sự thơng cảm và đóng góp ý kiến q báu của quý Thầy cô và bạn bè.

Tác giả

KS. Vũ Quang Thoại

i


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan Luận văn này là cơng trình khoa học do tơi thực hiện dưới sự
hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Thẩm Bội Châu. Ngoài các nội dung tham khảo trong
tài liệu đã được liệt kê trong phần tài liệu tham khảo, Luận văn này khơng hề sao chép
nội dung của bất kỳ cơng trình khoa học nào tương tự.
Tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm trước pháp luật về những lời cam đoan của
mình.

Tác giả

KS. Vũ Quang Thoại

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN………………………………………………………………….....i
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... .ii
Mục lục………………………………………………………………………………...iii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT………………………………..viii
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Đặt vấn đề ....................................................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2
3. Đối tượng nghiên cứu ..................................................................................................2
4. Phạm vi nghiên cứu .....................................................................................................2
CHƯƠNG 1 .....................................................................................................................3
TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC CÁC PHƯƠNG PHÁP HÂM SẤY
NHIÊN LIỆU ...................................................................................................................3
1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học bio-oils/biodiesel ...................................................3
của diesel sinh học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 400C ........................5
2. Tổng quan về các phương pháp hâm nhiên liệu ..........................................................8
2.1. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng hơi nước ......................................... …………8
2.2. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng chất lỏng nhiệt. ............................................... 10
2.2.1 Chất tổng hợp ...............................................................................................11
2.2.2. Dầu nhiệt......................................................................................................11
2.2.3 Các loại chứa silicon khác ............................................................................12
2.3. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng điện. ................................................................ 13
2.3.1.Hâm trực tiếp ................................................................................................13
2.3.2.Hâm gián tiếp ...............................................................................................16
2.4. Các phương pháp hâm khác. .................................................................................. 17
3. Kết luận chương 1 .....................................................................................................18
CHƯƠNG 2:LÝ THUYẾT THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÂM NHIÊN LIỆU DẦU SINH
HỌC GỐC .....................................................................................................................19

iii

1. Phương pháp hâm nhiên liệu kiểu tích hợp điện-khí xả ............................................19
2. Lý thuyết thiết kế hệ thống hâm nhiên liệu dầu sinh học gốc kiểu tích hợp điện-khí
xả....................................................................................................................................20
2.1. Tính tốn, thiết kế thiết bị tận dụng nhiệt khí xả .................................................... 20
2.1.1. Tổng quan về thiết bị tận dụng nhiệt khí xả ................................................20
2.1.2. Lý thuyết tính tốn thiết bị tận dụng nhiệt khí xả kiểu ống [1-14]. ............21
2.2. Tính tốn, thiết kế bộ hâm bằng điện ..................................................................... 28
CHƯƠNG 3 ...................................................................................................................33
THIẾT KẾ HỆ THỐNG HÂM NHIÊN LIỆU DẦU DỪA DÙNG TRỰC TIẾP TRÊN
ĐỘNG CƠ .....................................................................................................................33
1. Các thông số của dầu dừa ..........................................................................................33
1.1. Tính chất lý hóa của dầu dừa .................................................................................. 33
1.2. Đặc tính phun của dầu dừa theo nhiệt độ ............................................................... 36
1.2.1. Sơ đồ bố trí thí nghiệm ................................................................................36
1.2.2. Đặc tính phun của dầu dừa ..........................................................................37
2. Tính tốn, thiết kế hệ thống hâm nhiên liệu dầu dừa kiểu tích hợp điện-khí xả cho
động cơ D243 ................................................................................................................38
2.1. Xác định các thông số của khí xả của động cơ D243 ............................................. 38
2.2. Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ..................................................... 41
2.3. Tính tốn két nhiên liệu và tính chọn bơm ............................................................. 48
2.4. Tính tốn điện trở sấy ............................................................................................. 50
2.5. Tính tổn hao áp suất của dịng khí xả qua thiết bị tận dụng nhiệt .......................... 53
3. Tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải ...........................................................................55
3.1. Phương pháp tính độ bền ........................................................................................ 55
3.2. Kết quả tính tốn độ bền ......................................................................................... 55
4. Chế tạo hệ thống ........................................................................................................58
5. Lắp đặt và thử nghiệm trên động cơ D243 ................................................................62
5.1. Lắp đặt hệ thống trên động cơ D243 ...................................................................... 62
5.2. Kết quả thử nghiệm trên động cơ D243 ................................................................. 67

5.2.1. Kết quả thử nghiệm với dầu DO .................................................................67

iv


5.2.2.Kết quả thử nghiệm với dầu dừa, nhiệt độ hâm là 800C, 1000C,
1200C .....................................................................................................................68
6. Kiểm nghiệm và tính các chỉ tiêu của hệ thống ........................................................70
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA LUẬN VĂN .....................................76
1. Kết luận..............................................................................................................76
2. Hướng phát triển của luận văn ..........................................................................77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................78

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của dầu sinh học gốc..................................................... 3
Hình 1.2. Cấu trúc phân tử của diesel sinh học gốc ................................................. 6
Hình1. 3. Sơ đồ hâm nhiên liệu bằng hơi nước ........................................................ 9
Hình1. 4. Phạm vi nhiệt độ hoạt động của một số chất lỏng nhiệt........................... 10
Hình 1.5. Lị dầu nhiệt .............................................................................................. 12
Hình 1.6. Mạng dầu nhiệt ......................................................................................... 13
Hình 1.7. Thiết bị hâm sấy nhiên liệu kiểu trực tiếp ................................................ 15
Hình 1.8. Các loại điện trở ....................................................................................... 16
Hình 1.9. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng ống nhiệt ........................................... 17
Hình 2.1. Tỉ lệ năng lượng nhiệt của đơng cơ diesel ............................................... 21
Hình 2.2. Sơ đồ mạch điều khiển cơng suất điện trở sấy ......................................... 31
Hình 3.1. Mối liên hệ giữa khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt theo nhiệt
độ..............................................................................................................................35

Hình 3.2. Bố trí hệ thống thí nghiệm........................................................................ 36
Hình 3.3. Đặc tính phun của nhiên liệu diesel và dầu dừa nguyên chất ở nhiệt độ
30oC .......................................................................................................................... 37
Hình 3.4. Đặc tính phun của dầu dừa ngun chất ở nhiệt độ khác nhau ................ 38
Hình 3.5. Sơ đồ bố trí hệ thống hâm nhiên liệu dầu dừa kiểu tích hợp điện – khí . 41
Hình 3.6. Kết cấu thiết bị tận dụng nhiệt khí xả xả .................................................. 47
Hình 3.7. Hệ thống hâm nhiên liệu kiểu tích hợp lên băng thử sau khi chế tạo........62
Hình 3.8. Lắp đặt bộ sấy kiểu tích hợp lên băng thử ............................................... 66

vi


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. Thành phần hóa học của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên liệu
diesel D2 ........................................................................................................................ 4
Bảng 2. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháycủa diesel sinh
học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 400C............................................... 5
Bảng 3. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu sinh học gốc,
diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2 ................................................................... 5
Bảng 4. Tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc B100 ................................................... 8
Bảng 5. Tính chất lý hóa của dầu dừa ......................................................................... .33
Bảng 6. Tính chất vật lý của nhiên liệu diesel ở nhiệt độ 30oC so với dầu dừa nguyên
chất ................................................................................................................................36
Bảng 7. Kết quả tính diện tích bề mặt truyền nhiệt của thiết bị tận dụng nhiệt khí xả 41
Bảng 8. Kết quả tính tốn két nhiên liệu ...................................................................... 48
Bảng 9. Kết quả tính chọn bơm .................................................................................... 49
Bảng 10. Kết quả tính tốn điện trở sấy ....................................................................... 50
Bảng 11. Kết quả tính sức cản tác dụng lên dịng khí lưu động qua thiết bị tận
dụng............................................................................................................................53
Bảng 12. Kết quả tính bền bộ tận dụng nhiệt khí thải .................................................. 56

Bảng 13. Bộ hâm bằng điện ........................................................................................ 58
Bảng 14. Bầu hâm điện và két..................................................................................... 59
Bảng 15. Ống nối và van .............................................................................................. 60
Bảng 16. Bầu tận dụng nhiệt khí xả ............................................................................. 61
Bảng 17. Tại chế độ 100% tải, vòng quay thay đổi ..................................................... 67
Bảng 18. Tại chế độ tải thay đổi, vòng quay 1500 v/p và 2000 v/p ............................. 67
Bảng 19. Tại chế độ 100% tải, vòng quay thay đổi ..................................................... 68
Bảng 20. Tại chế độ tải thay đổi, vòng quay 1500 v/p và 2000 v/p ............................. 69
Bảng 21. Suất tiêu hao nhiên liệu của dầu dừa ở nhiệt độ hâm 800C, 1000C, 1200C và
dầu DO ......................................................................................................................... 69
Bảng 22. Kết quả tính kiểm nghiệm và các chỉ tiêu của hệ thống ............................... 71

vii


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu

Diễn giải

IMO

Tổ chức hàng hải Quốc tế

ISO

Tổ chức tiêu chuẩn Quốc tế

DO

Nhiên liệu nhẹ

FO

Nhiên liệu nặng

HFO

Heavy fuel oil

MGO

Marine gas oil

CNG

Khí thiên nhiên nén

LPG

Khí dầu mỏ hóa lỏng

LNG

Khí thiên nhiên hóa lỏng

ASTM

Tiêu chuẩn Hoa kỳ về vật liệu và thử nghiệm

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

EEDI

Chỉ số thiết kế năng lượng hiệu quả

EEOI

Chỉ số khai thác năng lượng hiệu quả

SEEMP

Hệ thống quản lý năng lượng hiệu quả trên tàu

CN

Chỉ số cetan

CP

Điểm vẩn đục

PP

Điểm đơng đặc

JO

Dầu Jatropha

JOME

Jatropho Methyl Este

GQTK

Góc quay trục khuỷu

HC

Hydrocacbon

BN

Bosch number

viii

Ghi chú


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề

Hiện nay, ô nhiễm môi trường và sự cạn kiệt các nguồn năng lượng là vấn đề
đang được mọi quốc gia trên thế giới quan tâm. Khơng khí bị ơ nhiễm chủ yếu là do
khói thải từ các phương tiện giao thông. Xã hội càng phát triển thì con người càng phát
minh ra những phương tiện tiên tiến nhất nhằm đáp ứng cuộc sống của xã hội hiện đại.
Vấn đề là làm thế nào để lượng khí thải gây ơ nhiễm mơi trường ở mức thấp nhất và
năng lượng sử dụng cho các phương tiện có khả năng tái tạo thay thế cho nguồn nhiên
liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt.
Khí thải chủ yếu của nhiên liệu hóa thạch là SO2, SO3, NOX, CO, CO2 ,
hydrocacbon, vật chất dạng hạt. . . Khí SOX khơng những gây ăn mòn thiết bị mà còn
ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ của con người, gây mưa axit... Khí CO2 là nguyên nhân
gây ra hiệu ứng nhà kính. Khí CO được tạo ra do q trình cháy khơng hồn tồn của
nhiên liệu, rất nguy hiểm đối với con người. Các thành phần hydrocacbon trong khí thải
của nhiên liệu diesel, đặc biệt là các hợp chất thơm rất có hại cho con người và là
nguyên nhân gây ra bệnh ung thư. Các vật chất dạng hạt có lẫn trong khí thải cũng gây
ơ nhiễm khơng khí mạnh, chúng rất khó nhận biết, là nguyên nhân gây ra các bệnh về
hô hấp, tim mạch. Các nước trên thế giới hiện nay đều quan tâm đến vấn đề hiệu quả
kinh tế và bảo vệ mơi trường, vì vậy xu hướng phát triển chung của nhiên liệu diesel là
tối ưu hoá từ số cetan, tìm mọi cách để giảm hàm lượng lưu huỳnh xuống, mở rộng
nguồn nhiên liệu, tạo nhiên liệu sạch ít gây ơ nhiễm. Trước tình hình đó, giảm phát thải
ơ nhiễm môi trường đảm bảo an ninh năng lượng cho mỗi quốc gia, việc đa dạng hóa
nguồn năng lượng và giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch là một trong những
mục tiêu hàng đầu của các nước phát triển. Nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động cơ
đốt trong được xem là một trong những giải pháp quan trọng và nhận được sự quan tâm
lớn của thế giới. Nhiên liệu sinh học được định nghĩa là bất kỳ loại nhiên liệu nào nhận
được từ sinh khối. Chúng bao gồm bioetanol, biodiesel, biogas, etanol pha trộn
(ethanol-biended fuels), dimetyl ete sinh học và dầu thực vật. Nhiên liệu sinh học hiện
nay được sử dụng trong giao thông vận tải là etanol sinh học, diesel sinh học và xăng

1

pha etanol. Nhiên liệu diesel sinh học dùng cho động cơ đốt trong được xem là một
trong những giải pháp quan trọng và nhận được sự quan tâm lớn của thế giới. Một trong
những giải pháp sử dụng nhiên liệu sinh học là dầu sinh học, dầu sinh học bao gồm dầu
thực vật hay mỡ động vật có thể sử dụng trực tiếp trên động cơ đốt trong cháy do nén.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Thiết kế và chế tạo thành cơng hệ thống tận dụng nhiệt khí thải có tích hợp
năng lượng điện để sấy nóng nhiên liệu và đánh giá tác động của hệ thống này đến
tính năng vận hành và phát thải của động cơ thử nghiệm.
- Lắp đặt và vận hành thử nghiệm hệ thống đối với động cơ diesel tại phịng thí
nghiệm.
3. Đối tượng nghiên cứu
- Dầu sinh học gốc
- Động cơ diesel;
- Hệ thống cung cấp nhiên liệu, hệ thống thải và hệ thống điều khiển và kiểm
tra của động cơ;
- Các thiết bị thử nghiệm động cơ và thử nghiệm khí thải.
4. Phạm vi nghiên cứu
Nhiên liệu dầu sinh học gốc (bio-oil) và hệ thống nhiên liệu sử dụng dầu sinh
học gốc sử dụng trên động cơ diesel.

2


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU SINH HỌC CÁC PHƯƠNG PHÁP HÂM
SẤY NHIÊN LIỆU
1. Tổng quan về nhiên liệu sinh học bio-oils/biodiesel
Dầu sinh học gốc là nhiên liệu bao gồm dầu thực vật hoặc mỡ động vật thu được
từ quá trình tinh chế dầu mỡ, có thành phần chính là axit béo mạch dài (Hình 1.1), chưa

pha trộn với các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, ký
hiệu là VO100 (chữ V chỉ tên loại dầu thực vật) hay AF100 (chữ A chỉ tên loại mỡ
động vật).

Hình 1.1. Cấu trúc phân tử của dầu sinh học gốc
Dầu sinh học gốc là các phân tử chất béo trung tính, khơng tan trong nước, chứa
ba chuỗi hydrocarbon liên kết với một gốc glixerol nên có khối lượng riêng lớn và độ
nhớt cao. Dầu sinh học gốc có thể là các loại dầu có nguồn gốc thực vật gồm loại ăn
được (dầu mè, dầu đậu lành, dầu dừa…) hoặc không ăn được ( dầu hạt bông, dầu
jatropha, dầu hạt cao su…) và mỡ động vật.
Thành phần hóa học chính của dầu sinh học gốc là este của glixerol với các axit
béo bão hòa (palmitic (16: 0) và stearic (18: 0) là hai loại axit béo bão hịa thường gặp
nhất) hay khơng bão hịa (oleic (18: 1) và linoleic (18: 2) là các axit béo không bão hòa
phổ biến nhất). So với diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel hóa thạch, dầu sinh học
gốc có khối lượng phân tử lớn hơn nhiều, công thức phân tử của dầu sinh học gốc có
dạng C27-57 H54-104 O6. Tương tự như diesel sinh học gốc và khác với nhiên liệu diesel,
dầu sinh học gốc có chứa thành phần oxi trong phân tử, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp
chất thơm (Bảng 2) nên diesel sinh học gốc và dầu sinh học gốc ít gây hại đối với mơi
trường.

3


Bảng 1. Thành phần hóa học của dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc và nhiên
liệu diesel D2
TT Thành phần hóa học

Dầu

sinh Diesel sinh Nhiên

học gốc

học gốc

diesel D2

liệu

1

Hàm lượng cacbon, %kl

73-77,6

75-77

83,5-87

2

Hàm lượng hidro, %kl

11,6-12,3

11,6-12,5

11,5-14

3

Hàm lượng oxi, %kl

10,8-12,5

10,75-11,82

0

4

Hàm lượng lưu huỳnh, %kl

0,006-0,02

0,006-0,02

0,02-0,05

5

Hàm lượng nitơ, %kl

0,002-0,007

0,002-0,007

0,0001-0,0003

0

0

28-38

6

Hàm lượng hợp chất thơm,
%tt

7

Chỉ số Iốt

70-157

65-156

0

8

Hàm lượng tro, %

0,002-0,03

0,002-0,036

0,006-0,01

Tính chất vật lý của dầu sinh học gốc có ảnh hưởng nhiều đến chất lượng q
trình cháy, các tính chất này được đặc trưng bởi các thông số:
- Khối lượng riêng, độ nhớt và sức căng bề mặt là một thuộc tính quan trọng của
dầu sinh học gốc (Bảng 3). Bộ ba thông số này ảnh hưởng đến độ lớn lực liên kết phân
tử Van der Waals. Việc tăng chiều dài chuỗi cacbon làm tăng khối lượng phân tử, do đó
tăng độ lớn lực Van der Waals nên cũng làm tăng độ nhớt và ngược lại. Các tính chất
này quyết định lớn đến chất lượng phun sương của nhiên liệu, chúng đều có mối quan
hệ tỉ lệ nghịch với nhiệt độ. Việc sử dụng trực tiếp dầu sinh học gốc làm nhiên liệu thay
thế cho động cơ diesel nhất thiết phải tính đến việc cải thiện các thơng số trên nhằm
đảm bảo nó nằm trong phạm vi cho phép và gần với giá trị của nhiên liệu diesel truyền
thống.
Điểm chớp cháy, điểm vẩn đục và điểm đông đặc (Bảng 2 và 3) của dầu sinh học
gốc khá cao, cao hơn diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel truyền thống. Vì lý do

4


này, dầu sinh học gốc gần như khơng có khả năng làm việc ở nhiệt độ thấp do mất tính
lưu động của loại nhiên liệu lỏng.
Bảng 2. Độ nhớt, khối lượng riêng, sức căng bề mặt, điểm chớp cháy
của diesel sinh học gốc, dầu sinh học gốc và diesel D2 ở nhiệt độ 400C
Độ
STT Nhiên liệu

nhớt Khối lượng Sức căng Điểm chớp

động học ở riêng,

bề

400C, cSt

kg/m3

mN/m

0

mặt, cháy,
C

1

Diesel sinh học gốc

3,5-5

870-885

27,8-29

110-180

2

Dầu sinh học gốc

24-48

903-924

31-35

195-270

3

Nhiên liệu diesel D2

2,7-3

822-837

24

73

Nhiệt trị của dầu sinh học gốc phụ thuộc vào chỉ số xà phịng hóa (SV) và chỉ số
Iốt (IV), SV và IV tăng tức là tăng số liên kết đôi (-C = C-) do đó sẽ làm giảm nhiệt trị
của dầu (Bảng 3).
Số cetan là thước đo cho quá trình cháy nhanh hay chậm của một loại nhiên liệu
lỏng sau khi được phun vào xilanh của động cơ tự cháy. Số cetan của dầu sinh học gốc
thường nhỏ hơn diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel truyền thống (Bảng 1). Các
nghiên cứu chỉ ra rằng, số cetan của loại dầu sinh học gốc có chứa chuỗi hydrocacbon
bão hịa mạch thẳng thường cao hơn loại có chứa mạch nhánh hay vịng benzen [14].
Bảng 3. Nhiệt trị, số cetane, điểm vẩn đục và điểm đông đặc của dầu sinh học gốc,
diesel sinh học gốc và nhiên liệu diesel D2
Nhiệt
STT Nhiên liệu

trị, Số cetan

MJ/kg

Điểm

vẩn Điểm đông

đục, 0C

đặc, 0C

1

Diesel sinh học gốc

38-40

50-70

1-12

-15÷ -7

2

Dầu sinh học gốc

37-39,5

38-42

3-15

-6÷ -2

3

Nhiên liệu diesel D2

43

48

-14

-30

Những ưu điểm của dầu sinh học gốc làm nhiên liệu thay thế là tính lỏng, sẵn có,
khả năng tái sinh, chứa rất ít lưu huỳnh và hợp chất thơm, có khả năng phân huỷ sinh

5


học [15]. Hiện nay chưa có tiêu chuẩn cho dầu sinh học gốc làm nhiên liệu cho động cơ,
song để có thể sử dụng chúng cần dựa vào một số tiêu chuẩn đối với nhiên liệu diesel.
Tuy nhiên, nhược điểm chính của dầu sinh học gốc là độ nhớt cao hơn từ 10 đến
17 lần so với nhiên liệu diesel [16], có khối lượng riêng và sức căng bề mặt lớn nên khả
năng bay hơi kém, phản ứng của các chuỗi hydrocarbon khơng bão hịa nên làm dầu dễ
bị biến chất. Một số kết quả thử nghiệm sử dụng dầu sinh học gốc trên động cơ diesel

[18] thấy xuất hiện cốc trên kim phun, dính xéc măng, làm biến chất dầu bơi trơn. Hình
2 cho thấy, một số ưu nhược điểm của nhiên liệu diesel sinh học gốc so với nhiên liệu
diesel truyền thống.
Diesel sinh học gốc được hiểu theo QCVN 1:2009/BKHCN là nhiên liệu thu
được thơng qua q trình este hóa với ankanol từ các nguyên liệu sinh học (dầu thực
vật, mỡ động vật hoặc các sản phẩm khác), có thành phần chính là các mono-alkyl este
(thường là metyl este hoặc etyl este) của các axit béo mạch dài (hình 1.2), chưa pha trộn
với các loại nhiên liệu khác để sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ diesel, ký hiệu là
B100.

Hình 1.2. Cấu trúc phân tử của diesel sinh học gốc
Sự khác biệt về cấu trúc và thành phần phân tử ảnh hưởng đến tính chất của
diesel sinh học gốc. Tính chất của diesel sinh học gốc được đặc trưng bởi độ nhớt, khối
lượng riêng, sức căng bề mặt, số cetan, nhiệt độ đông đặc, điểm chớp cháy, nhiệt trị và
thành phần các nguyên tố, hàm lượng tro, hàm lượng lưu huỳnh, cặn cacbon, độ axit…
Phân tích hóa học cho thấy, công thức phân tử của diesel sinh học gốc có dạng
C15-25 H28-48 O2 , do đó trong thành phần diesel sinh học gốc có chứa oxi, điều này làm
cho diesel sinh học gốc cháy sạch hơn nhiên liệu diesel. Tuy nhiên, diesel sinh học gốc
chứa hàm lượng nitơ lớn và axit lớn hơn nhiên liệu diesel nên làm tăng phát thải NOx và
gây ăn mịn. Tính chất và thành phần của diesel sinh học gốc được cho trong (Bảng 2).
Độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt là thuộc tính quan trọng nhất của
diesel sinh học gốc vì nó ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị phun nhiên liệu, đặc biệt
là ở nhiệt độ thấp khi đó độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt cao làm ảnh

6


hưởng đến tính lưu động của nhiên liệu. Độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt
cao dẫn đến sự phun sương của nhiên liệu giảm và gây ra hoạt động kém chính xác của
kim phun nhiên liệu. Việc hạ thấp độ nhớt, khối lượng riêng và sức căng bề mặt của

diesel sinh học gốc sẽ dễ dàng tạo điều kiện thuận lợi cho sự phun sương [22]. So với
dầu sinh học gốc, diesel sinh học gốc có khối lượng phân tử chỉ bằng một phần ba, khối
lượng riêng giảm khoảng 4%, độ nhớt giảm khoảng tám lần và sức căng bề mặt giảm
khoảng 15%. Diesel sinh học gốc có nguồn gốc từ mỡ động vật có độ nhớt, khối lượng
riêng và sức căng bề mặt cao hơn so với nguồn gốc từ dầu thực vật (Bảng 3).
Số cetan (CN) của diesel sinh học gốc là thước đo đánh giá chất lượng cháy của
nhiên liệu, CN của diesel sinh học gốc nói chung là cao hơn so với nhiên liệu diesel hóa
thạch, CN của diesel sinh học gốc có nguồn gốc từ mỡ động vật cao hơn so với các loại
có nguồn gốc từ dầu thực vật [23]. Bên cạnh đó, hai thơng số quan trọng cho việc sử
dụng diesel sinh học gốc ở nhiệt độ thấp là điểm vẩn đục (CP) và điểm đông đặc (PP),
diesel sinh học gốc có CP và PP cao hơn so với nhiên liệu diesel hóa thạch [24].
Hàm lượng oxy có trong diesel sinh học gốc làm cải thiện quá trình đốt cháy do
đó hiệu suất cháy của diesel sinh học gốc là cao hơn so với nhiên liệu diesel. Nhiệt trị
của diesel sinh học gốc là tương đối cao khoảng 37 - 41 MJ/kg.Như vậy, những lợi thế
của việc sử dụng diesel sinh học làm nhiên liệu diesel là tính sẵn có, khả năng tái sinh,
hiệu suất cháy cao, hàm lượng lưu huỳnh và hợp chất thơm thấp [25], số cetan cao và
có khả năng phân hủy sinh học, điểm chớp cháy cao và có tính bơi trơn tốt [26.28].
Tuy nhiên, diesel sinh học gốc cũng tồn tại một số nhược điểm so với nhiên liệu
diesel như dễ bị vi khuẩn phân huỷ do có nguồn gốc từ dầu thực vật và mỡ động vật, giá
thành cao, làm hỏng các bộ phận bằng cao su của hệ thống nhiên liệu (một số nghiên
cứu đã tìm ra loại cao su tổng hợp FKM- GBL-S và FKM- GF-S để thay thế cho các chi
tiết làm bằng cao su thơng thường) và có khả năng xảy ra phản ứng với một số loại vật
liệu kim loại do trong thành phần có chứa một lượng nhỏ axit tự do [27,29-31].
Hiện nay, QCVN 1:2009/BKHCN hoặc ASTM D6751 đã đưa ra các tiêu chuẩn
đối với diesel sinh học gốc dùng trực tiếp cho động cơ diesel (Bảng 4).

7


Bảng 4. Tiêu chuẩn đối với diesel sinh học gốc B100

STT Thành phần

Phương

QCVN

ASTM

pháp thử

01:2009

D6751

D93

-

130

0,05

0,05

1,9-6,0

1,9-6,0

0,05

0,05

0,02

0,01

47

47

1

Điểm chớp cháy, 0C, nhỏ nhất

2

Hàm lượng nước và lắng cặn, % thể D2709
tích lớn nhất

3

Độ nhớt động học ở 400C, mm2/s

4

Hàm lượng lưu huỳnh, % khối D5453

D445

lượng, lớn nhất

5

Hàm lượng tro, % khối lượng, lớn D482
nhất

6

Số cetan, nhỏ nhất

D613

2. Tổng quan về các phương pháp hâm nhiên liệu
2.1. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng hơi nước
Sử dụng nước và hơi nước được coi là hiệu quả nhất và sử dụng rộng rãi nhất
trong số các loại chất lỏng nhiệt có sẵn với hiệu suất truyền nhiệt cao và dễ dàng để
kiểm soát. Tuy nhiên, hạn chế chính của nó là ở nhiệt độ trên 100ºC nó bắt đầu sơi,
trở thành hơi nước và do đó chỉ có thể được sử dụng như một hệ thống điều áp - hạn
chế khi xử lý và sử dụng để đảm bảo hoạt động an toàn. Để hâm nhiên liệu bằng hơi
nước thì điều cần thiết phải bố trí thiết bị sinh hơi đảm bảo yêu cầu, cụ thể là nồi hơi.
Hơi nước do nồi hơi cung cấp cho các nhu cầu hâm sấy nhiên liệu chiếm khoảng
60% - 80% tổng sản lượng hơi. Sau quá trình làm việc hơi sẽ ngưng tụ thành nước
ngưng, cung cấp trở lại cho nồi hơi. Hơi sau khi ra khỏi nồi hơi cần phải đảm bảo các
yêu cầu:
- Có nhiệt độ và áp suất phù hợp với mục đích sử dụng;
- Hàm lượng các chất có hại trong hơi phải nằm trong phạm vi cho phép;
Sơ đồ bố trí ống hâm thơng dụng nhất vẫn là hệ thống ống ruột gà
Ở hệ thống hâm bằng ruột gà, hơi được đưa đến các ống ruột gà là hơi quá nhiệt

8

thơng qua đường ống hơi chính. Sau khi trao nhiệt một phần lớn hơi biến thành nước
ngưng, nước ngưng sẽ được đưa về bầu nước nóng của nồi hơi. Nhược điểm của việc
hâm nóng bằng hơi nóng chạy trong ống là dễ xảy ra khả năng đoạn ống chạy trong
khoang chứa dầu bị ngập nước ngưng. Khi các mối nối (mối nối hàn) bị hở hoặc
đường ống bị vỡ hỏng hoặc xuất hiện các lỗ rỗ trong ống thì dầu sẽ rị lọt vào trong
ống.

Hình1.3. Sơ đồ hâm nhiên liệu bằng hơi nước
Phương pháp hâm nhiên liệu bằng hơi nước thường được áp dụng trên các tàu
chở dầu với mục đích hâm dầu hàng kết hợp với hâm nhiên liệu FO tại các két trước
khi cấp vào máy. Tuy nhiên, với các động cơ diesel cỡ nhỏ thì việc bố trí hệ thống
hâm nhiên liệu bằng hơi nước là rất khó. Bên cạnh đó, tại mỗi két lại địi hỏi nhiệt độ
hâm khác nhau, điều này dẫn tới việc điều chỉnh nhiệt độ của hơi( hoặc áp suất) gặp
khó khăn [17]. Cùng với đó, trên một số động cơ chạy bằng nhiên liệu nặng HFO,
IFO nhất thiết phải gắn thiết bị cảm biến nhiệt độ hoặc độ nhớt của nhiên liệu ngay

9


trước khi cấp vào động cơ thì có thể phải bố trí thiết bị hâm bằng điện hoặc bằng hơi
có nhiệt độ cao để đảm bảo quá trình hâm nhanh.
2.2. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng chất lỏng nhiệt.
Các loại dầu nhiệt hoặc chất lỏng truyền nhiệt được sử dụng rộng rãi để mang
năng lượng nhiệt trong quá trình hâm sấy nhiên liệu, gia công kim loại và các ứng
dụng làm mát máy công cụ. Chúng chủ yếu được sử dụng trong các thiết bị, hệ thống
có nhiệt độ cao mà ở đó nhiệt độ hoạt động tối ưu của loại dầu nhiệt hoặc chất lỏng
truyền nhiệt từ 150ºC và 400ºC. Phương pháp này an toàn và hiệu quả hơn so với
việc sử dụng hơi nước, điện, hoặc các phương pháp hâm sấy trực tiếp khác.

Hình1.4. Phạm vi nhiệt độ hoạt động của một số chất lỏng nhiệt
Các loại dầu nhiệt được sử dụng là không ổn định nếu nhiệt độ tăng cao hơn
nhiệt độ ổn định đã được thiết lập trước trong khoảng thời gian hoạt động dài. Điều
này dẫn tới các ống dẫn dầu nhiệt bị phá vỡ và do đó một phần dầu nhiệt bị oxy hóa
và không ổn định nhiệt. Kết quả là xảy ra một số sự cố hệ thống dầu nhiệt gây nguy
hiểm cho quá trình khai thác và sử dụng. Tuy nhiên trong thực tế, hệ thống dầu nhiệt
là ít phức tạp hơn, dễ dàng hơn trong việc thiết kế và an toàn hơn so với các hệ thống
cung cấp hơi nước, duy trì và ổn định nhiệt độ tốt cho các ứng dụng đãđược lựa
chọn.

10


Dầu truyền nhiệt được phân làm hai nhóm chính: Chất làm mát, làm lạnh,
chống đóng băng được sử dụng để làm mát bên trong máy móc, thiết bị xử lý hoặc
động cơ. Dầu nóng và dầu nhiệt được sử dụng để tải nhiệt hay truyền nhiệt theo yêu
cầu sử dụng.
Dầu truyền nhiệt có thể được phân loại theo cấu trúc hóa học thành ba nhóm chính:
• Chất tổng hợp;
• Dầu nhiệt;
• Các loại chứa silicon khác;
2.2.1 Chất tổng hợp
Các chất tổng hợp, còn được gọi là hợp chất thơm, là chất lỏng nhân tạo, được
thiết kế đặc biệt dung cho các ứng dụng truyền nhiệt. Chúng bao gồm các cấu trúc
dựa trên phân tử benzen và bao gồm các chất lỏng diphenyl oxit / biphenyl, các
diphenylenthanes, dibenzyltoluenes, và terphenyl. Chất tổng hợp có rất nhiều ưu
điểm về mặt nhiệt độ cao và truyền nhiệt so với các loại dầu nóng hoặc các chất
thơng thường khác. Chất tổng hợp có thể có được nhiệt độ hoạt động an tồn trong
phạm vi nhiệt độ 400ºC, trong khi các chất không phải tổng hợp chỉ ổn định nhiệt lên
đến một nhiệt độ tối đa 300ºC.

2.2.2. Dầu nhiệt
Dầu thơ có chứa một hỗn hợp lớn các hợp chất hữu cơ, bao gồm từ các
hydrocacbon rất nhẹ đến các loại phân tử có trọng lượng phân tử rất cao. Dầu nhiệt
có ưu điểm đáng kể so với chất tổng hợp về mặt chi phí và các q trình xử lý. Ngồi
ra, các chất lỏng từ dầu mỏ khơng bị hình thành các chất độc nguy hiểm, khơng có
mùi khó chịu, do đó các loại dầu nóng có thể dễ dàng xử lý. Tuy nhiên, các loại dầu
nóng ít ổn định nhiệt ở nhiệt độ cao vì chúng chứa một hàm lượng nhất định các chất
chưa bão hịa (liên kết đơi) và có thể xảy ra các phản ứng hóa học hơn so với sản
phẩm dầu mỏ tinh chế và dễ bị oxy hóa.

11


2.2.3 Các loại chứa silicon khác
Chất lỏng nền silicon và đến một mức độ lớn hơn nữa là chất lỏng lai ghép
glycol, chủ yếu được sử dụng trong các ứng dụng chun ngành địi hỏi phải có khả
năng tương thích giữa quá trình và sản phẩm. Hiệu suất và yếu tố chi phí của nhóm
này là bất lợi hơn khi so sánh trong phạm vi nhiệt độ với các chất tổng hợp và các
loại dầu nóng làm cho sự lựa chọn silicon và các chất lỏng đặc biệt khác là rất khó
đối với hầu hết các q trình ứng dụng.

Hình 1.5. Lị dầu nhiệt
Nói chung một hệ thống dầu nhiệt bao gồm một lò nhiệt, trao đổi nhiệt, két giãn
nở, thông hơi và hệ thống bơm. Các két giãn nở có thể được phủ một lớp khí trơ như
nitơđể ngăn chặn q trình oxy hóa chất lỏng, nhưng trong nhiều trường hợp nó
thơng ra bầu khí quyển.

12

Hình 1.6. Mạng dầu nhiệt
2.3. Phương pháp hâm nhiên liệu bằng điện.
Đối với hệ thống hâm nóng bằng điện, thực hiện bằng cách cho dầu tiếp xúc
với các chi tiết dẫn điện, chủ yếu là các thanh dẫn. Phương pháp này khắc phục được
nhược điểm của phương pháp hâm bằng hơi chạy trong ống. Phương pháp hâm nhiên
liệu bằng điện có thể được tiến hành hâm trực tiếp hoặc gián tiếp. Hâm trực tiếp
nhiên liệu bằng cách đặt các nhiệt trở kiểu thanh dẫn tiếp xúc trực tiếp với nhiên liệu
cần hâm hoặc cho nhiên liệu chảy qua thiết bị hâm. Hâm trực tiếp gián tiếp thường
sử dụng một loại thiết bị truyền nhiệt vào két nhiên liệu. Phương pháp gián tiếp có
thể thay đổi nhiệt độ từ bên ngồi của két bằng cách sử dụng thành két như là
phương tiện trung gian để truyền nhiệt vào nhiên liệu bên trong két.
2.3.1. Hâm trực tiếp
Hâm trực tiếp là phương pháp đặt các nhiệt trở kiểu thanh dẫn tiếp xúc trực tiếp
với nhiên liệu cần hâm. Bộ phận hâm được đặt dưới mức nhiên liệu thấp nhất trong
két. Ưu điểm của phương pháp hâm trực tiếp là đạt được hiệu quả hâm nóng gần như
100%. Điều này là bởi vì tất cả nhiệt tạo ra được nhiên liệu hấp thụ trực tiếp. Điều

13