III. 1.1.6.1 Tổn thất áp suất
XI.7. Đo tổn thất cơ học của động cơ
XII.1.1. Cách xác định nhiệt trị
XII.1.1.1. Tính nhiệt trị từ thành phần hóa học của nhiên liệu
Nhiệt do sự cháy và nhiệt trị được xác định nhờ có thành phần của nhiên liệu. điều kiện tiên quyết ở đây là tất cả các liên hệ của nguyên tử tồn tại trong nhiên liệu phải được xác định. Nhiệt trị của nhiên liệu bằng tổng của nhiệt trị hợp chất:
H = ∑hnqn
Trong đó: hn- nhiệt trị của hợp chất n.
qn - trọng lượng hoặc thể tích của hợp chất n.
1. Tính nhiệt trị của nhiên liệu khí:
Trong phân tích chất khí để tách hỗn hợp khí chúng ta biết ngay liên kết hóa học của chúng và như vậy cho phép tính một cách chính xác nhiệt trị.Việc xác định thành phần hóa học của cacbuahydro nặng chứa trong hỗn hợp khí là khó khăn nhất nên người ta phải sử dụng nhiệt trị trung bình.Thông thường phải lấy nhiệt trị của C2H4 làm chuẩn. Sự chuẩn xác của giả thuyết hay là công nhận này phụ thuộc rất nhiều vào loại hợp chất và hình dạng của bình phân tích khí. Vì vậy lấy giá trị trung bình của propylen (C3H6) hoặc của hỗn hợp gồm 1/6 hơi benzene (C6H6), 2/3 etylen (C2H4) và 1/6 propylen (C3H6).
Bảng 12.1: Nhiệt trị của các chất nêu trên
Chất Nhiệt trị cao Ho Nhiệt trị thấp Hu
Etylen 15.290 14.320 kcal/m3
Propylene 22.540 21.070 kcal/m3
Hơi benzene 34.960 33.520 kcal/m3
Hỗn hợp đã chỉ ở trên 19.780 18.650 kcal/m3
Cần chú ý đơn vị thể tích ở đây là m3 tiêu chuẩn có nghĩa là thể tích được đo ở áp suất và nhiệt độ tiêu chuẩn. vì vậy công thức để xác định nhiệt trị của khí thắp sáng có thể viết như sau nếu biết được thành phần thể tích của từng loại khí tính theo %:
Ho = 30,2 CO + 30,5 H2 + 95,5 CH4 + 197,8 CmHn Hu = 30,2 CO + 25,7 H2 + 85,5 CH4 + 186,5 CmHn
Ở đây CO, H2, CH4, và CmHn là thành phần thể tích của các thành phần khí trên tính ra phần trăm của hỗn hợp khí.
2. Tính nhiệt trị của nhiên liệu lỏng và rắn:
Tính toán nhiệt trị trong trường hợp này từ kết quả phân tích thành phần hóa học của nhiên liệu lỏng và nhiên liệu rắn.Tuy nhiên kết quả chỉ có thể gần đúng mà thôi vì rằng sự kết hợp hóa học giữa các thành phần riêng biệt là không biết được.vì vậy người ta đưa ra một loạt các công thức mà trong đó thực chất là giá trị nhiệt trị chỉ được tính gần đúng.
Đại đa số các trường hợp là công thức của một số tác giả hay của các hiệp hội. những công thức này dựa vào giả thuyết rằng oxy tồn tại trong nhiên liệu là kết hợp với hydro.
Công thức loại này chỉ có giá trị cho một ít nhiên liệu nên ngày nay ít được sử dụng.
Gồm có các công trình của Steuer, Vondrasec, Michel & Gums nhưng tiêu biêu nhất là công trình của Boie đã đưa ra công thức chung cho nhiên liệu lỏng và rắn. Nó được rút ra từ biểu đồ chung của nhiên liệu. Trong đó cho rằng 2/3 oxy là kết hợp với hydro. Nhiệt bay hơi của nước xảy ra ở nhiệt độ làm chuẩn 20oC. Tóm lại những công thức sau đây thích ứng khoảng ± 1.5%, không loại trừ những trường hợp có sự sai lệch lớn.
Thành phần của nhiên liệu theo phần tram của khối lượng các chất:
C số phần trăm của cacbon H - hydro
O - oxy n - nito s - lưu huỳnh
ω - nước( độ ẩm của nhiên liệu)
a – tro
- Theo Steuer:
Ho = 18C + 385h + 25s – 30,6 O Hu = 18C + 29h + 25s – 30,6 O - 6ω
- Theo Vondrasec:
Ho = . C + 270 . + 25 .s
Hu = . C + 270 . + 25 . s – 6.ω
Trong phạm vi C = 45: …90% bộ phận trong ngoặc đầu tiên có thể xem là tuyến tính bậc nhất.
- Theo Michel và Gumz:
Ho = 81,3C + 297h + 15n + 45,6s – 23,5 O Hu = 81,3C + 243h + 15n + 45,6s – 23,5 O - 6ω
- Theo Boie:
Ho = 48C + 277,65h + 15n + 25s – 23,5 O
Hu = 81,3C + 225,0h + 15n + 25s – 23,5 O – 5,8ω
Qua đó cho ta thấy sư khác nhau của các tác giả và vì vậy việc tính toán nhiệt trị là rất phức tạp và độ tin cậy không cao lắm.
Nhiệt trị của nhiên liệu khác nhau cũng dẫn đến sự tiêu thụ nhiên liệu của động cơ cũng khác nhau. Nếu so sánh nhiên liệu tiêu thụ của các động cơ giống hệt nhau được sản xuất tại các địa điểm khác nhau sẽ không có giá trị nếu chúng được thử nghiệm trên các loại nhiên liệu khác nhau. Ví dụ, LCVs của hexane và benzene (các thành phần đặc trưng của xăng) tương ứng 44.8 và 40.2 MJ / kg. Một giá trị điển hình cho xăng dầu sẽ là 43.9 MJ / kg, nhưng điều này có thể dễ dàng thay đổi bởi ± 2 phần trăm các thành phần khác, trong khi sự hiện diện của cồn là yếu tố có thể ức chế đáng kể năng suất tỏa nhiệt của nhiên liệu.
XII.1.1.2. Xác định nhiệt trị bằng bình nhiệt lượng kế
Nhiệt trị cao cũng như nhiệt trị thấp của nhiên liệu có thể xác định một cách trực tiếp nếu như cho một khối lượng nhất định nhiên liệu được cháy hoàn toàn trong một bình trao đổi nhiệt. Bình trao đổi nhiệt này được gọi là bình nhiệt lượng kế.
Nhiệt lượng sinh ra bởi sự cháy của nhiên liệu trong bình nhiệt lượng kế được truyền đến một chất lỏng. Qua đo sự tăng nhiệt độ hoặc sự giãn nở của chất lỏng đó ta biết được nhiệt lượng kế truyền cho nó tức là xác định được nhiệt trị của nhiên liệu đó.
Với trình độ kĩ thuật hiện nay người ta đã chế tạo được những nhiệt lượng kế có độ chính xác rất cao. Với các bình nhiệt lượng kế này, nếu sử dụng tốt, tuân thủ một cách nghiêm túc quy trình kĩ thuật cũng như hiệu chỉnh đúng thì không gặp sai số có hệ thống.
Sai số ngẫu nhiên có thể giữ ở giá trị rất nhỏ nhờ quá trình thí nghiệm được tiến hành thận trọng.
Sự thận trọng trong quá trình thí nghiệm là rất cần thiết vì rằng bình nhiệt lượng rất nhạy cảm với sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh. Do đó sự cháy của nhiên liệu trong bình nhiệt lượng kế nên nhiệt độ nước của nó thường lớn hơn nhiệt độ của môi trường. Người ta phải chú ý giữ cho nhiệt độ đầu và nhiệt độ cuối ở trong bình nhiệt lượng kế đối xứng với nhiệt độ của môi trường xung quanh. Tức là ví dụ nếu gọi nhiệt độ của nước trong bình nhiệt lượng kế là td và nhiệt độ cuối của sự đốt cháy là tc và nhiệt độ môi trường là tm thì ta cần phải có:
d c
m t t
t 2
= +
Đạt được điều kiện này là nhằm đảm bảo nhiệt lượng mà bình nhiệt lượng kế hấp thụ được ở đầu quá trình đo cân bằng với nhiệt độ mà nó mất đi. Điều kiện trên có thể đảm bảo nhiệt độ trong phòng thí nghiệm không đổi, đặc biệt phải bảo vệ bình nhiệt lượng kế tránh gió lùa. Nhờ có sự cách nhiệt tốt và bề mặt được đánh bóng nên bình nhiệt lượng kế tránh được sự trao đổi nhiệt do dẫn nhiệt, bức xạ nhiệt và truyền nhiệt đối lưu.
Độ chính xác của phép đo còn phụ thuộc rất lớn vào việc lấy mẫu thử. Đối với nhiên liệu khí và lỏng thường được hòa trộn rất tốt, vì ở các nhà máy sản xuất thường có các thùng cân bằng. Thành phần hóa học của nhiên liệu lỏng và khí có thể bị thay đổi sau một thời gian dài.
Ngược lại đối với nhiên liệu rắn có sự khác nhau rất lớn về thành phần nhiên liệu ở từng vị trí một. Nguyên nhân chủ yếu của sự khác nhau này là do lẫn nhiều tạp chất ví dụ bụi, đất, đá vào nhiên liệu. Điều mong muốn là thành phần hóa học của mẫu thử đại diện cho thành phần trung bình của nhiên liệu.Điều này có thể bảo đảm được khi lấy nhiên liệu thử ở rất nhiều vị trí khác nhau sau đó nghiền nhỏ và trộn đều với nhau.Mẫu thử được đưa vào bình nhiệt lượng kế là lấy từ nhiên liệu được trộn đều này.
Hình 12.2: Sơ đồ cấu tạo của bình nhiệt lượng kế áp suất:
1- bình áp suất; 2- bình trao đổi nhiệt; 3- nước; 4- cơ cấu khuấy; 5- dây dẫn điện; 6- nhiệt kế; 7- kính lúp; 8- nắp; 9- bình giữ nhiệt điền đầy nước.
Nhiệt độ trong phòng là nhiệt độ chuẩn trong quá trình đo nhiệt trị bằng bình nhiệt lượng kế. Nhiệt độ này thường là thấp do đó hơi nước được hình thành trong quá trình cháy bị ngưng tụ. Sự xác định đúng nhiệt trị phụ thuộc vào sự xác định đúng lượng hơi nước ngưng tụ.Điều này thường khó.Nó phụ thuộc vào lượng không khí có trong quá trình cháy và độ ẩm của chúng.Trong khi thí nghiệm phải đặc biệt lưu tâm đến ảnh hưởng này.
XII.1.1.2.1. Bình nhiệt lượng kế áp suất
Hình 12.2 biểu diễn sơ đồ nguyên lí cấu tạo của bình nhiệt lượng kế áp suất.
Nhiên liệu được cháy trong bình áp suất 1.Bình áp suất lại được ngâm trong nước.Bình áp suất và bình nhiệt lượng kế 2 được đặt trên những đế, những đế này được làm từ vật liệu dẫn nhiệt kém. Bình giữ nhiệt được chứa đầy nước, giữ bình giữ nhiệt và bình nhiệt lượng kế có một lớp không khí do đó giảm được sự truyền nhiệt từ bình nhiệt lượng kế sang bình giữ nhiệt. Nhiệt độ của nước trong bình giữ nhiệt luôn luôn bằng nhiệt độ trong phòng lúc bắt đầu thí nghiệm vì nước đã được chứa trong bình này từ lâu.
Trong trường hợp cần thiết phải dùng nhiệt kế để kiểm tra nhiệt độ của nước trong bình giữ nhiệt. Nhờ có lớp nước của bình giữ nhiệt mà nhiệt độ của thành bên trong bình giữ
nhiệt trong thời gian thí nghiệm sẽ không thay đổi nếu nhiệt độ của môi trường có thay đổi một ít.Bình nhiệt lượng kế và bình giữ nhiệt được đậy bằng nắp cách nhiệt 8.
Nắp phải có lỗ để lắp các cơ cấu như cơ cấu khuấy 4, nhiệt kế 6 và dây dẫn 5.
Hình 12.3: Mặt cắt của bình áp suất:
1- ống dẫn oxy vào; 2- dây điện trở; 3- lỗ nối ống đưa oxy vào; 4- van một chiều; 5- cơ cấu kẹp dây điện; 6- van một chiều; 7- lỗ lấy khí xả ra; 8- nắp của bình áp suất làm từ thép chịu nhiệt; 9- cần giữ chén nhiên liệu và là điện cực; 10- chén chứa nhiên liệu bằng platin; 11- thân bình bằng thép chịu nhiệt.
Hình 12.3 biểu diễn cấu tạo của bình áp suất. Vì trong quá trình cháy của các loại nhiên liệu có thể tạo thành các axit cho nên bình áp suất được làm từ thép hợp kim đặc biệt chống ăn mòn tốt. Nắp được vặn trực tiếp vào thân hoặc cũng có thể được bắt chặt bằng bu lông.Giữ nắp và thân có đệm làm kín bằng chì hoặc trong các kết cấu mới có đệm tự làm kín nhờ có áp suất của khí oxy dựa vào bình áp suất để đốt cháy nhiên liệu.Ở nắp của bình áp suất có bố trí van 4 để đưa oxy vào và van 6 để xả sản vật cháy ra.
Ống dẫn khí oxy được cắm sâu vào bình áp suất ít nhất phải dưới chén chứa nhiên liệu, có vậy mới có thể tránh được hiện tượng lọt bụi vào ống dẫn đến làm tắc ống
dẫn.Nhiên liệu được chứa trong chén nhỏ bằng platin hoặc bằng thạch anh.Nhiên liệu được đốt cháy nhờ có dây điện trở bằng platin hoặc niken.
Bình nhiệt lượng kế áp suất thích hợp để đo nhiệt trị của nhiên liệu lỏng. Đối với nhiên liệu rắn, người ta phải nghiền thành bột mịn.Tốt nhất là đốt cháy ở dạng bột này.
Nhưng do ở dạng bột nhiên liệu dễ bị vung vãi, rời rạch nên không cháy hết nhiên liệu đưa vào bình, cho nên bột được nén thành khối nhỏ. Như vậy đối với nhiên liệu có nhiều tàn dễ có hiện tượng cháy không hoàn toàn.Người ta cũng có thể gọi nhiên liệu vào loại giấy không tàn sau đó cho vào chén chứa nhiên liệu. Đối với loại nhiên liệu lỏng khó bay hơi có thể cho trực tiếp vào chén chứa nhiên liệu bằng platin mà không cần che đậy. Nếu là nhiên liệu lỏng dễ bay hơi sau khi cho vào chén chứa nhiên liệu phải đậy bằng lá nhựa thông và làm kín mép bằng vadơlin. Tất nhiên nhiên liệu có thể được chứa trong ống thủy tinh mỏng và được hàn kín, song phải bảo đảm điều kiện là khi đập vỡ ống chứa nhiên liệu do lắc hoặc rung bình nhiệt lượng kế chúng phải bay hơi hoàn toàn. Nếu không nó sẽ tạo khói trong quá trình cháy.
Dây điện trở dùng để đốt cháy nhiên liệu có thể được luồn trực tiếp qua nhiên liệu song trong nhiều trường hợp người ta nối dây điện trở một sợi dây bằng vải (phải là vải sợi bông) và ép đoạn sợi bông này vào với nhiên liệu. Trong trường hợp nhiên liệu là nhiên liệu lỏng vật liệu sợi bông sẽ hút nhiên liệu này nên khó bay hơi và cháy nên người ta thường đặt vào đó một sợi nhựa thông.
Tất cả lượng nhiên liệu được đưa vào bình nhiệt lượng kế bao gồm nhiên liệu được đưa vào để đo nhiệt trị và các chất phụ cần thiết được cân một cách chính xác cho đến 0,1mg vì số lượng tổng cộng là rất nhỏ. Để bảo đảm cho nhiệt độ của bình nhiệt lượng kế tăng cao nhất chỉ khoảng 20÷ 30 thì người ta chỉ cần đốt cháy khoảng 0,5 đến 1 gam nhiên liệu. Các chất phụ khác chỉ được sử dụng khi biết rõ nhiệt trị của chúng vì nhiệt lượng phát ra của chúng phải được tính toán vào nhiệt lượng để nâng cao nhiệt độ của bình nhiệt lượng kế.
Sau khi đưa nhiên liệu vào bình áp suất và bố trí bộ phận đốt cháy đầy đủ và sau khi đã vặn kín nắp bình áp suất người ta đưa oxy qua van nạp khí.Áp suất của khí oxy khoảng 20 – 25 kG/cm2. Oxy đưa vào bình áp suất của nhiệt lượng kế không được phép chứa các chất có thể cháy được (ví dụ như hydro) nếu không có thể dẫn đến sai số lớn kết quả đo.
Nước cho vào bình nhiệt lượng kế phải được cân một cách chính xác. Nhiệt độ của nước này, như đã nói, cần phải nhỏ hơn nhiệt độ của môi trường khoảng 1,50C.Lượng nước cho vào bình nhiệt lượng kế phải bảo đảm cho các điện cực không bị ngập nước.Cơ cấu khuấy được đặt đồng tâm và đối xứng với nhiệt kế. Số vòng quay của cơ cấu khuấy phải điều chỉnh được để có thể giữ cho nó cố định trong khi thí nghiệm: có vậy thì năng lượng đưa vào bình nhiệt lượng kế của cơ cấu khuấy luôn không đổi trong thời gian thí nghiệm.
Nhiệt độ của nước trong bình nhiệt lượng kế thường được đo bằng nhiệt kế thủy ngân có độ chính xác cao. Loại nhiệt kế thường được sử dụng nhất là loại có thể điều chỉnh được nhiệt độ ban đầu với khoảng đo là 5 độ và khoảng chia là 0,01 độ và nếu sử dụng kính lúp thì có thể phân biệt được 0,001 độ. Ở loại nhiệt kế này cần chú ý đến sai số do mao dẫn và ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường.
Bên cạnh lượng nước được đưa vào bình nhiệt lượng kế thì các chi tiết bằng kim loại khác, nhiệt kế và không khí trong bình nhiệt lượng kế cũng thu nhiệt. Người ta xác định nhiệt lượng của các chi tiết này hấp thụ qua thí nghiệm hiệu chỉnh.Nhiệt lượng mà các chi tiết của bình nhiệt lượng kế hấp thụ đã kể được tính ra tương đương với một lượng nước nhất định hấp thụ.
Lượng nước giả thiết đó gọi là giá trị nước của bình nhiệt lượng kế và được kí hiệu ở đây là Wn. Tức là nếu khi nhiệt độ của nước trong bình tăng lên 1 độ thì những chi tiết của bình nhiệt lượng kế hấp thụ một lượng nhiệt tương đương Wn, tức là:
W = Wc + Wn
trong đó: W – lượng nước tính toán;
Wc – lượng nước được cân và đưa vào bình nhiệt lượng kế;
Wn – lượng nước tương đương.
Quá trình thí nghiệm xác định nhiệt trị của nhiên liệu chia làm 3 giai đoạn.
• Giai đoạn mở đầu
Giai đoạn mở đầu được tính từ khi cho nước vào bình nhiệt lượng kế đậy nắp vào cho cơ cấu khuấy làm việc cho đến khi nhiệt độ trong bình nhiệt lượng kế là cân bằng tức là khi sự thay đổi của nhiệt độ của nước trong bình theo thời gian là bằng hằng số.
Thường nhiệt độ được đọc cách nhau 1 phút và khoảng 6 lần đọc.
• Giai đoạn thí nghiệm chính
Bật công tắc để đốt cháy nhiên liệu. Lúc đóng công tắc dòng điện 20V sẽ làm nóng đỏ dây điện trở và đốt cháy nhiên liệu. Đồng thời đèn kiểm tra sẽ được bật sáng lên. Sau khoảng 1 giây điện trở đốt cháy nhiên liệu bị đứt và ngọn đèn kiểm tra cũng tắt và như vậy quá trình cháy đã xảy ra. Nhiệt độ của bình nhiệt kế tăng lên rất nhanh và sau khi đạt được sự cân bằng thì nó sẽ gần như không đổi. Theo dõi nhiệt độ trong giai đoạn này phụ thuộc vào phương pháp đánh giá kết quả đo và có thể với khoảng cách 1 phút một lần đọc hoặc ngắn hơn.
• Giai đoạn kết thúc
Ở gia đoạn kết thúc nhiệt độ được đọc với nhịp độ như ở giai đoạn thí nghiệm mở và nó cũng cần khoảng 6 điểm. Song để xác định chính xác điểm kết thúc của sự tăng nhiệt độ, tức của giai đoạn chính là sự cháy và truyền nhiệt thì giai đoạn kết thúc nên đọc 10 điểm tức là kéo dài khoảng 10 phút.
Thể tích khí trong bình là không thay đổi, vì vậy lượng hơi nước chứa trong không khí cháy chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ. Vậy nếu trước khi thí nghiệm ta cho vào bình áp suất khoảng 5 cm3 nước cất như vậy khí trong bình là bão hòa hơi nước, hơi nước xuất hiện trong quá trình cháy bị ngưng tụ gần hết chỉ có một phần nhỏ là ở dạng hơi do nhiệt độ của hỗn hợp khí tăng lên. Một các khác ta phải xác định độ ẩm của không khí hoặc khí oxy được đưa vào bình áp suất và nhớ đó có thể biết được lượng hơi nước sau khi cháy còn ở dạng hơi. Nhiệt lượng thất thoát do hơi nước còn ở dạng hơi sau khi cháy chỉ chiếm khoảng 0,5 calo vì vậy người ta có thể bỏ qua được. Như vậy kết quả đo được là nhiệt trị cao H0.
Nếu thực hiện quá trình đo bảo đảm theo đúng các quy định trong khi sử dụng bình nhiệt lượng kế thì sai số gặp phải sẽ không vượt quá 0,5%.
Công thức xác định nhiệt trị dựa vào phương trình cân bằng nhiệt của bình nhiệt lượng kế ta có:
B.H0 = (Wc + Wn)∆t - Qp trong đó:
H0 – nhiệt trị cao của nhiên liệu được đưa vào đốt trong bình nhiệt lượng kế;
B – lượng nhiên liệu được đốt cháy;
Wc và Wn – lượng nước được cân và đưa vào bình nhiệt lượng kế và lượng nước tương đương;
∆t – sự tăng nhiệt độ do cháy gây ra;