ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 LỜI NÓI ĐẦU Vấn đề Năng lượng & Môi trường trong thời gian gần đây là vấn đề cấp bách mà tất cả các Quốc gia trên thế giới đều phải quan tâm. Sự cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và vấn đề biến đổi khí hậu toàn cầu đã buộc con người phải hành động nhằm duy trì sự ổn định và phát triển của nhân loại. Không nằm ngoài quy luật chung của nhân loại trong những năm gần đây nước ta cũng đã tiến hành nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra nguồn năng lượng mới sạch hơn, thân thiện hơn với môi trường. Với tư cách là một sinh viên ngành Động lực thì vấn đề góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường là một yêu cầu cần thiết. Đây là lý do mà em chọn đề tài: “ Khảo sát động cơ EV2600-NB sử dụng lưỡng nhiên liệu biogas-diesel dùng bộ phụ kiện GATEC-20 ” để phục vụ cho đồ án tốt nghiệp của mình. Sau một thời gian thực hiện đề tài với sự nổ lực của bản thân và sự giúp đỡ nhiệt tình của thầy cô giáo trong bộ môn, bạn bè và đặc biệt là các thành viên Trung tâm Nghiên cứu ứng dụng Năng lượng thay thế đã giúp em hoàn thành đề tài. Tuy kết quả chưa thật thành công nhưng đây là bước đệm giúp những sinh viên như em tiến bước trên con đường của mình. Sau cùng em xin gửi cảm ơn chân thành đến gia đình và các thầy trong khoa đặc biệt là thầy giáo PGS. Trần Thanh Hải Tùng đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình làm đồ án vừa qua. Đà Nẵng, ngày 30 tháng 05 năm 2011. Sinh viên thực hiện Đặng Quang Đông 1 ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU .1 MỤC LỤC . 2 1. Tổng quan về vấn đề năng lượng hiện nay. Các nguồn năng lượng thay thế: .4 1.1. Tổng quan về vấn năng lượng hiện nay: 4 1.1.1. Vấn đề năng lượng hiện nay 4 1.1.2. Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế .4 1.1.3. Mục đích và ý nghĩa khoa học của đề tài .5 1.2. Tổng quan về năng lượng tái sinh: .6 1.2.1. Các loại năng lượng mới : .6 1.2.2. Ưu thế của nhiên liệu Biogas 13 1.3. Công nghệ xử lý Biogas .14 1.3.1. Tính chất của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong: .14 1.3.2. Yêu cầu của Biogas sử dụng làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong: .15 1.3.3. Công nghệ xử lý Biogas : .16 2. Khảo sát, tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB 18 2.1. Giới thiệu động cơ EV2600-NB .18 2.1.1. Giới thiệu chung .18 2.1.2. Khảo sát các hệ thống cung cấp nhiên liệu động cơ EV2600-NB .20 2.2. Tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB sử dụng biogas-diesel .21 2.2.1. Tính toán nhiệt động cơ EV2600-NB khi sử dụng diesel: .22 a)Tính quá trình nạp: 22 b)Tính quá trình nén: 23 c) Tính quá trình cháy : .24 d) Tính quá trình giản nở: 26 e)Các thông số chỉ thị: 27 f) Các thông số có ích: .28 2.2.2. Tính toán chu trình nhiệt động cơ sử dụng song song Biogas – Diesel .32 2.2.3. So sánh kết quả tính toán: 48 2 ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 3. Nghiên cứu chuyển đổi động cơ máy phát điện MF1120S + EV2600-NB sang sử dụng lưỡng nhiên liệu biogas-diesel dùng bộ phụ kiện GATEC-20 .51 3.1. Tính toán, thiết kế, bố trí hệ thống cung cấp Biogas: .51 3.1.1. Nguyên lý hoạt động của bộ phụ kiện Gatec-20: .51 3.1.2. Tính toán thiết kế bộ hòa trộn .53 3.1.3. Tính toán van tiết lưu: 58 3.2. Nghiên cứu, thiết kế cơ cấu điều chỉnh lượng diesel 64 3.2.1. Cơ sở thiết kế. .64 3.2.2. Cơ cấu điều tốc động cơ EV2600-NB .64 3.2.3. Thiết kế cơ cấu điều chỉnh lượng nhiên liệu Diesel cho động cơ .65 4. Thử nghiệm, đánh giá kết quả hoạt động của động cơ 70 4.1. Mục đích, yêu cầu: .70 4.1.1. Mục đích .70 4.1.2. Yêu cầu .71 4.2. Các thông số cần đo .71 4.2.1. Công suất động cơ: P[KW] 71 4.2.2. Đo tiêu hao nhiên liệu: Ve[m3/h] .73 4.2.3. Đo mức độ phát thải ô nhiễm .74 4.3. Xây dựng các đường đặc tính. .78 4.3.1. Cơ sở lý thuyết 78 4.3.2. Trình tự đo 79 4.4. Kết quả thử 79 4.4.1. Đặc tính tải .79 4.4.2. Đo khí thải 79 4.5. Đánh giá kết quả 80 5. KẾT LUẬN 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 3 ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 1. Tổng quan về vấn đề năng lượng hiện nay. Các nguồn năng lượng thay thế: 1.1. Tổng quan về vấn năng lượng hiện nay: 1.1.1. Vấn đề năng lượng hiện nay. Năng lượng là điều kiện tất yếu cho sự tồn tại và tiến hóa của mọi sinh vật. Trong quá trình phát triển xã hội loài người nguồn năng lượng thường xuyên chuyển dịch từ dạng này sang dạng khác. Dạng năng lượng thiên nhiên đầu tiên được con người sử dụng là năng lượng mặt trời, được sử dụng một cách tự nhiên để soi sáng, sưởi ấm, phơi khô lương thực, thực phẩm và các đồ dùng. Tiếp đó là năng lượng gỗ củi, rồi tới năng lượng nước, gió, năng lượng kéo của gia súc, năng lượng khai thác từ than đá ngự trị trong thế kỷ 18-19. Năng lượng dầu mỏ thay thế vị trí của than đá trong thế kỷ 20 và từng bước chia sẽ vai trò của mình với năng lượng hạt nhân. Các dạng năng lượng mới ít ô nhiễm như năng lượng mặt trời , năng lượng nước, năng lượng gió, thủy triều, năng lượng vi sinh vật với những phương pháp và phương tiện công nghệ tiên tiến cũng đang mở rộng phạm vi hoạt động của mình. Nhu cầu năng lượng của con người tăng lên nhanh chóng trong quá trình phát triển. 1000 năm trước công nguyên, mỗi ngày người tiêu thụ khoảng 4000 đến 5000 Kcal. 500 năm trước công nguyên tăng lên 1200Kcal. Đầu thế kỷ 15 lên tới 26000Kcal, giữa thế kỷ 19 là 70000Kcal và hiện nay là trên 200000Kcal. 1.1.2. Sự cần thiết phải có nguồn nhiên liệu thay thế. Từ những năm 1849 - 1850, con người đã biết chưng cất dầu mỏ để lấy ra dầu hỏa, còn xăng là thành phần chưng cất nhẹ hơn dầu hỏa thì chưa hề được sử dụng đến và phải đem đổ đi một nơi thật xa. Lúc đó con người tạo ra dầu hỏa với mục đích thắp sáng hoặc đun nấu đơn thuần. Nhưng với sự tiến hóa của khoa học và kỹ thuật, từ việc sử dụng những động cơ hơi nước cồng kềnh và hiệu quả thấp, con người đã tìm cách để sử dụng xăng và dầu diezel cho động cơ đốt trong, loại động cơ nhỏ gọn hơn nhưng có hiệu quả cao hơn hẳn. Cùng với những khám phá khoa học vĩ đại khác, sự phát minh ra động cơ đốt trong sử dụng xăng và dầu diezel đã thúc đẩy xã hội loài người đạt những bước phát triển vượt bật, đem đến cuộc sống ấm no, hạnh phúc và văn minh cho hàng tỷ người trên thế giới. 4 ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 Những hiệu quả và giá trị của dầu mỏ và động cơ đốt trong mang lại thật sự không ai có thể phủ nhận được. Nguồn năng lượng chúng mang lại hầu như là chiếm ưu thế hoàn toàn. Do vậy, mà hầu hết các quốc gia trên thế giới đều muốn chiếm ưu thế và chủ động về nguồn dầu mỏ. Cuộc khủng hoảng năng lượng vào thập kỷ 70 của thế kỷ 20 đã một lần nữa khẳng định tầm quan trọng chiến lược của dầu mỏ đối với mỗi quốc gia và cho toàn thế giới. Nhưng theo dự đoán của các nhà khoa học thì với tốc độ khai thác hiện nay, trữ lượng dầu mỏ còn lại của trái đất cũng chỉ đủ cho con người khai thác trong vòng không quá 40 năm nữa. Bên cạnh đó những hậu quả mà khi chúng ta sử dụng dầu mỏ và động cơ đốt trong đem lại từ các chất thải khí làm ô nhiễm không khí, làm thủng tầng ôzôn, gây hiệu ứng nhà kính.Trong các chất độc hại thì CO, NO x , HC do các loại động cơ thải ra là nguyên nhân chính gây ô nhiễm bầu không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Do đó, con người phải đứng trước một thách thức lớn là phải có nguồn nhiên liệu thay thế. Một xu hướng hiện nay, là nghiên cứu thay thế sử dụng nhiên liệu truyền thống: Xăng, dầu Diesel, bằng các loại nhiên liệu mới “sạch”, nhiên liệu tái sinh cho các loại động cơ như năng lượng mặt trời, khí thiên nhiên, khí dầu mỏ hóa lỏng, năng lượng điện, khí sinh vật Biogas, năng lượng thủy điện.Việc chuyển dần sang sử dụng các loại nhiên liệu không truyền thống đã trở thành chiến lược trong chính sách năng lượng của nhiều quốc gia phát triển. 1.1.3. Mục đích và ý nghĩa khoa học của đề tài. 1.1.3.1 Mục đích của đề tài. Nghiên cứu thiết kế bộ tạo hỗn hợp Biogas-không khí để chạy động cơ máy phát điện ở trại chăn nuôi, qua đó tận dụng được nguồn năng lượng tại chỗ. Việc tận dụng các nguồn năng lượng tại chỗ cho sản xuất sẽ giúp cho người dân tiết kiệm được kinh phí, làm giảm giá thành sản phẩm, tăng thu nhập cho người dân, góp phần đẩy mạnh công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông nghiệp nông thôn, đảm bảo sự phát triển bền vững của đất nước. 1.1.3.2 Ý nghĩa khoa học của đề tài. 5 ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 Sử dụng nhiên liệu khí Biogas để làm nhiên liệu chạy động cơ đốt trong sẽ làm giảm mức độ phát thải khí CO 2 , NO x , HC, CO … góp phần thực hiện các công ước quốc tế về môi trường mà Việt Nam đã cam kết tham gia. Tìm ra một giải pháp cho vấn đề sử dụng nguồn nhiên liệu Biogas mà hiện nay chúng ta đang lãng phí, tránh gây khó khăn cho việc cất giữ loại nhiên liệu này. 1.2. Tổng quan về năng lượng tái sinh: 1.2.1. Các loại năng lượng mới : 1.2.1.1. Năng lượng mặt trời. Năng lượng Mặt Trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt hạ nguyên tử khác phóng ra từ ngôi sao này. Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên Mặt Trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỷ năm nữa. Năng lượng bức xạ điện từ của Mặt Trời tập trung tại vùng quang phổ nhìn thấy. Mỗi giây trôi qua, Mặt Trời giải phóng ra không gian xung quanh 3,827×1026 joule. Đối với cuộc sống của loài người, năng lượng Mặt Trời là một nguồn năng lượng tái tạo quý báu. Có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời. Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời. Năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa. Một phản ứng quang hóa tự nhiên là quá trình quang hợp. Quá trình này được cho là đã từng dự trữ năng lượng Mặt Trời vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch không tái sinh mà các nền công nghiệp của thế kỷ 19 đến 21 đã và đang tận dụng. Nó cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động sinh học tự nhiên, cho sức kéo gia súc và củi đốt, những nguồn năng lượng sinh học tái tạo truyền thống. Trong tương lai, quá trình này có thể giúp tạo ra nguồn năng lượng tái tạo ở nhiên liệu sinh học, như các nhiên liệu lỏng (diesel sinh học, nhiên liệu từ dầu thực vật), khí (khí đốt sinh học) hay rắn. 6 ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 Hình 1.1: Nhà máy điện chạy bằng năng lượng mặt trời. Năng lượng Mặt Trời cũng được hấp thụ bởi thủy quyển Trái Đất và khí quyển Trái Đất để sinh ra các hiện tượng khí tượng học chứa các dạng dự trữ năng lượng có thể khai thác được. Trái Đất, trong mô hình năng lượng này, gần giống bình đun nước của những động cơ nhiệt đầu tiên, chuyển hóa nhiệt năng hấp thụ từ photon của Mặt Trời, thành động năng của các dòng chảy của nước, hơi nước và không khí, và thay đổi tính chất hóa học và vật lý của các dòng chảy này. Hiện nay ở các trại chăn nuôi dùng năng lượng mặt trời với mục đích chủ yếu là sấy thức ăn cho vật nuôi. Muốn sử dụng rộng rãi năng lượng mặt trời cho nhiều mục đích khác nhau như các hệ thống sưởi ấm bằng năng lượng mặt trời, điều hoà không khí và cung cấp nước nóng ở mức độ cao, pin mặt trời thì đòi hỏi trước hết phải giải quyết những vấn đề kỹ thuật cơ bản, công nghệ chế tạo cũng như khả năng ứng dụng thực tế của chúng. Ở nước ta việc ứng dụng khả thi của năng lượng mặt trời là vào việc nấu nước nóng và sấy gỗ. Có thể nói là khả thi vì công nghệ tương đối đơn giản, quá trình chế tạo dễ dàng và giá thành thì tương đối phù hợp với kinh tế Việt Nam. 1.2.1.2. Năng lượng gió. Năng lượng gió được con người sử dụng hàng trăm năm nay. Con người đã sử dụng năng lượng gió để duy chuyển thuyền buồm hay kinh khí cầu, ngoài ra năng lượng gió còn được sử dụng để tạo ra công cơ học nhờ các cối xoay gió. 7 ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 Ý tưởng dùng năng lượng gió để sản xuất điện hình thành ngay sau các phát minh ra điện và máy phát điện. Lúc đầu nguyên tắc của cối xay gió chỉ được biến đổi nhỏ và thay vì là chuyển đổi động năng của gió thành năng lượng cơ học thì dùng máy phát điện để sản xuất năng lượng điện. Khi bộ môn có học dòng chảy tiếp tục phát triển thì các thiết bị xây dựng và hình dáng của các cánh quạt cũng được chế tạo đặc biệt hơn. Ngày nay người ta gọi đó tuốc bin gió, khái niệm cối xay gió không còn phù hợp nữa vì chúng không còn có thiết bị nghiền. Từ sau những cuộc khủng hoảng dầu trong thập niên 1970 việc nghiên cứu sản xuất năng lượng từ các nguồn khác được đẩy mạnh trên toàn thế giới, kể cả việc phát triển các tuốc bin gió hiện đại. Hình 1. 2: Các tuốc bin gió tại Hàn Quốc, phát điện nhờ sức gió, tận thu một cách gián tiếp năng lượng Mặt Trời. Vì gió không thổi đều đặn nên năng lượng điện phát sinh từ các tuốc bin gió chỉ có thể được sử dụng kết hợp chung với các nguồn năng lượng khác để cung cấp năng lượng liên tục. Tại Châu Âu, các tuốc bin gió được nối mạng toàn châu Âu, nhờ vào đó mà việc sản xuất điện có thể được điều hòa một phần. Một khả năng khác là sử dụng các nhà máy phát điện có bơm trữ để bơm nước vào các bồn chứa ở trên cao và dùng nước để vận hành tuốc bin khi không đủ gió. Xây dựng các nhà máy điện có bơm trữ này là một tác động lớn vào thiên nhiên vì phải xây chúng trên các đỉnh núi cao. Mặt khác vì có ánh sáng Mặt Trời nên gió thổi vào ban ngày thường mạnh hơn 8 ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 vào đêm và vì vậy mà thích ứng một cách tự nhiên với nhu cầu năng lượng nhiều hơn vào ban ngày. Công suất dự trữ phụ thuộc vào độ chính xác của dự báo gió, khả năng điều chỉnh của mạng lưới và nhu cầu dùng điện. Nếu cộng tất cả các chi phí bên ngoài (kể cả các tác hại đến môi trường thí dụ như vì thải các chất độc hại) thì năng lượng gió bên cạnh sức nước là một trong những nguồn năng lượng rẻ tiền nhất Đây là một loại năng lượng sạch chi phí để thu năng lượng khá thấp nhưng đòi hỏi phải phù hợp với điều kiện địa lý ở từng vùng. Ở các nước khác việc sử dụng loại năng lượng này khá phổ biến. Đặc biệt ở các vùng hải đảo. 1.2.1.3. Năng lượng địa năng. Một báo cáo mới đây của Viện công nghệ Massachusetts (MIT) cho biết, câu trả lời cho cuộc khủng hoảng năng lượng của Mỹ lại nằm sâu trong lòng đất. Công trình nghiên cứu trong 2 năm này cho thấy rằng nếu đầu tư hợp lý vào nghiên cứu địa năng thì có thể khai thác được nguồn năng lượng đủ để cung cấp cho 25 triệu hộ gia đình. Để thu được nhiệt năng của Trái đất, người ta phải khoan sâu vào lòng đất thu lấy hơi nóng từ các nguồn phóng xạ, các luồng hơi nóng từ tâm Trái đất và lớp vỏ ngoài. Từ những năm 70 Mĩ đã nhận thấy đây là cách giúp họ thoát khỏi tình trạng phải phụ thuộc vào nguồn năng lượng nhập khẩu. Tuy nhiên cho đến nay ngành công nghiệp non trẻ này mới chỉ cung cấp ít hơn 1% nhu cầu năng lượng của nước Mỹ. Một phần là do ngay cả chi phí cho cách đơn giản nhất để khai thác nhiệt năng, đó là tập trung thẳng vào các mạch, các nguồn như suối nước nóng hay núi lửa, cũng là rất tốn kém. Theo nghiên cứu của MIT vẫn còn một cách hiệu quả hơn, là tập trung khai thác các nguồn nhiệt năng nằm sâu hơn trong lòng đất. Công trình nghiên cứu này được Bộ năng lượng Mĩ (DOE) tài trợ đã giới thiệu một công nghệ mới là chuyển hóa nhiệt năng. Bằng cách này lưu chất (khí hay chất lỏng) được bơm lên theo mạch đá granite sâu 1.500 mét (dưới bề mặt Trái đất), và sinh ra chất lỏng, ẩm để rồi hơi nóng từ chất lỏng đó được dùng để vận hành các tuốcbin. Mặc dù còn gặp những trở ngại về kĩ thuật như vấn đề hơi nóng có nhiệt độ quá thấp không đủ để chuyển hóa thành điện, nhưng một dự án khoan phá ở Soultz, Pháp, đã thành công ngoài sự mong đợi trong việc tái tạo năng lượng hơi nước bằng việc áp dụng những quan niệm mới, phương pháp khoan ít tốn kém và cách tận dụng hữu hiệu lưu chất (khí hoặc chất 9 ĐATN: KHẢO SÁT ĐC BIOGAS/DIESEL SỬ DỤNG BỘ PHỤ KIỆN GATEC-20 lỏng) được giữ ở áp suất thông thường của khí quyển. Công trình nghiên cứu của MIT kêu gọi mức đầu tư 20 triệu USD/năm trong vòng 15 năm để tiếp tục nghiên cứu việc khai thác địa năng. Nhóm nghiên cứu cho rằng họ không tìm thấy trong tương lai, kĩ thuật khai thác này có khó khăn hay hạn chế đáng kể nào. Theo bản báo cáo, khoản đầu tư tương đối của DOE có thể sẽ hỗ trợ được rất nhiều trong nghiên cứu phát triển kĩ thuật khai thác, xây dựng các nhà máy, hay thậm chí sử dụng CO 2 để thu hơi nóng từ lòng đất. Năm ngoái, DOE đã yêu cầu Quốc hội Mĩ lưu ý vào việc nghiên cứu phát triển địa năng, năng lượng mặt trời và nhiên liệu sinh học. 1.2.1.4. Năng lượng hạt nhân. Nhà máy điện nguyên tử đầu tiên đi vào hoạt động năm 1954 tại Liên Xô, sau đó các nước ở châu Âu, châu Mỹ và một số nước ở châu Á đã lần lượt xây dựng và khai thác các nhà máy điện nguyên tử. Dự đoán đến năm 2020 nguồn năng lượng hạt nhân sẽ chiếm 60-65% tổng công suất điện năng trên thế giới. Hình 1.3: Khung cảnh bên ngoài một nhà máy điện hạt nhân Việc sử dụng điện hạt nhân tránh được các dạng ô nhiễm thồng thường, tại các nhà máy nhiệt điện nhưng lại là nguồn gây nguy hiểm lớn về môi trường do các chât thải phóng xạ. 1.2.1.5. Năng lượng từ khí sinh học (Biogas). 10