Xem mẫu
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
Soá 2/2011
THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỐI TRỘN HỖN HỢP DẦU DO,
DẦU THỰC VẬT VÀ CHẤT PHỤ GIA LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG
CƠ DIESEL TÀU THỦY TRUNG - CAO TỐC
STUDY ON MANUFACTURE MIXTURE FOR MIXING DIESEL OIL, VEGETABE OIL AND ADDITIVE
TO USE AS FUEL FOR MEDIUM - HIGH SPEED MARINE DIESEL ENGINES
Phùng Minh Lộc1, Mai Đức Nghĩa2
1-Trường Đại học Nha Trang, 2-Trường SQ Không quân
TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu hỗn hợp dầu thực vật, dầu DO và chất phụ gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Bộ
tạo hỗn hợp được thiết kế và chế tạo dựa trên các thông số đầu vào: Nhiệt độ sấy, tỷ lệ pha dầu thực vật, tiêu
hao nhiên liệu của động cơ diesel tàu thủy công suất nhỏ (dưới 90Hp). Nhiên liệu từ đầu ra của Bộ tạo hỗn
hợp tự động này được thử nghiệm trên động cơ 4CHK YANMAR DIESEL đối chứng với phương pháp tạo hỗn
hợp thủ công.
Từ khóa: Nhiên liệu sinh học, động cơ Diesel, phụ gia nhiên liệu, dầu thực vật.
ABSTRACT
This paper presents a mixture of vegetable oils, diesel oils and additives as fuel for diesel engines. The
automatic Mixture is designed and manufactured based on the input parameters: drying temperature, ratio
of vegetable oil, fuel consumption of small marine diesel engines (less than 90Hp). The fuel mixture from the
Mixture are tested on 4CHK Yanmar engine and confronting with manual mixed methods.
Keywords: fuel, diesel engines, additives, vegetable oil.
I. MỞ ĐẦU
1. Hỗn hợp dầu thực vật, dầu DO và chất phụ
gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel.
Hiện nay, có thể chia công nghệ sử dụng
dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ
diesel (cả trong nước và nước ngoài) thành hai
hướng chính:
1.1. Xử lý về mặt hoá học để dầu thực vật
có được những tính chất tương đương với die-
1.2. Xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật
đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu
DO. Theo hướng này, công nghệ chủ yếu theo
2 nhánh sau:
- Thứ nhất, chế tạo Bộ chuyển đổi hoặc Bộ
phun nhiên liệu chuyên dùng có thể sử dụng đến
100% dầu thực vật (SVO). Công nghệ này phức
tạp, can thiệp sâu vào kết cấu nên chỉ ứng dụng
cho động cơ vừa và lớn
sel dầu mỏ (DO). Dầu qua xử lý như vậy gọi là
- Thứ hai, tạo hỗn hợp dầu thực vật, chất
Biodiesel. Theo hướng này công nghệ chủ yếu
phụ gia và dầu DO đạt tiêu chuẩn nhiên liệu dùng
là hoá dầu để sản xuất nhiên liệu theo qui mô
cho động cơ diesel. Công nghệ theo nhánh này
công nghiệp, giá thiết bị rất cao.
đơn giản, phù hợp với động cơ công suất nhỏ.
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 71
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
Việc chọn dầu dừa làm nhiên liệu đã được
Soá 2/2011
nhất [10].
lý giải [4], chọn dung môi là dầu diesel tiện dụng
Bộ phối trộn gồm hai phần chính:
và phù hợp với Đề án phát triển nhiên liệu sinh
- Phần điều khiển
học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020 của
- Phần thao tác bao gồm: các bộ phận
chính phủ
Xuất phát từ cơ sở lý thuyết nhiên liệu dùng
cho động cơ diesel; hình thành hỗn hợp cháy và
truyền động khuấy trộn hỗn hợp, cụm gia nhiệt.
II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
cháy nhiên liệu trong động cơ, hai vấn đề cần ưu
1. Xây dựng phương án thiết kế Bộ tạo hỗn
tiên giải quyết khi sử dụng nhiên liệu thay thế là:
hợp
Xử lý độ nhớt: 100% hệ thống nhiên liệu
1.1. Thông số đầu vào
động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ hiện tại dùng dầu
- Nhiệt độ gia nhiệt: 800C
diesel nhẹ, độ nhớt thấp. Hệ thống này không
- Tỷ lệ pha vào dầu DO: Phụ gia Nano fuel
thể hoạt động với nhiên liệu có độ nhớt cao hơn
bosster (0,125)%;
dầu DO, dầu dừa độ nhớt cao, vì vậy cần pha
Dầu dừa trong khoảng (10-25)%
loãng bằng dầu DO và sấy nóng để hỗn hợp đạt
- Tiêu hao nhiên liệu giờ ở chế độ toàn tải:
độ nhớt tương đương dầu diesel.
Cải thiện chất lượng quá trình cháy: Nhìn
18(l/h)
1.2. Lựa chọn phương án
chung, chất lượng quá trình cháy giảm khi tăng tỉ
Thiết bị phối trộn được ứng dụng trong việc
lệ dầu dừa, vì vậy cần pha chất phụ gia vào hỗn
nghiên cứu, tạo ra nhiên liệu mới cho động cơ
hợp. Chất phụ gia chọn theo tiêu chí giảm tiêu
tàu thủy trung và cao tốc. Vì vậy, nó phải đáp
hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường [5], pha
ứng các yêu cầu về tính đơn giản, dễ sử dụng,
trước vào dầu DO với tỉ lệ pha theo hướng dẫn
giá thành hạ… nhưng vẫn phải đảm bảo độ tin
của nhà sản xuất.
cậy trong quá trình làm việc. Các chi tiết chính
2. Công nghệ tạo nhiên liệu hỗn hợp:
2.1. Ước định giới hạn tỉ lệ pha dầu dừa: (X1,X2)
- Cận dưới, pha dầu dừa vào hỗn hợp
của thiết bị gồm:
- Thùng phối trộn: thùng được chế tạo bằng
nhôm bên trong có các cánh dẫn hướng tạo
(không gia nhiệt) với tỉ lệ X1% sao cho độ nhớt
nằm ở giới hạn trên của tiêu chuẩn dầu DO.
- Cận trên, pha dầu dừa vào hỗn hợp và gia
nhiệt đến 800C (trên nhiệt độ này độ nhớt giảm
không đáng kể) với tỉ lệ X2% đủ lớn nhưng độ
nhớt vẫn nằm trong tiêu chuẩn dầu của DO.
2.2. Bộ tạo hỗn hợp được nghiên cứu thiết kế,
chế tạo dựa trên cơ sở:
Các thông số đầu vào: Nhiệt độ sấy, tỷ lệ
pha dầu dừa (X1,X2), tiêu hao nhiên liệu của
động cơ diesel tàu thủy công suất nhỏ (dưới
90Hp); Máy đồng thể đã được sử dụng trong
các lĩnh vực công nghiệp...dùng để trộn hai hoặc
nhiều chất lỏng vào nhau thành một thể đồng
72 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG
Hình 1. Phương án thiết kế thiết bị
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
Soá 2/2011
dòng chảy rối; trong thùng có đặt cánh khuấy; bên ngoài có đặt các điện trở gia nhiệt nhằm tăng
nhanh quá trình đồng thể và đảm bảo độ nhớt hợp lý cho hỗn hợp khi phối trộn.
- Động cơ, trục cánh khuấy, thùng chứa dầu, bộ phận điều khiển, các cảm biến và màn hình
hiển thị. Phương án thiết kế được xây dựng như hình 1.
2. Thiết kế, chế tạo thiết bị
2.1. Lực cản trên cánh khuấy và chọn động cơ
Cánh khuấy trộn khi chuyển động quay trong thùng chứa hỗn hợp
sẽ tạo ra dòng xoáy của chất lỏng. Cánh khuấy là một yếu tố quan trọng
quyết định dòng lưu chuyển của chất lỏng. Trong các loại cánh khuấy
Hình 2. Cánh đĩa tua-bin
thì cánh tua-bin được sử dụng chủ yếu khuấy ở tốc độ trung bình và
tốc độ cao với các mục đích khuấy để phân tán, hòa tan và huyền phù.
Như vậy dựa trên tính chất đồng thể của nhiên liệu. Chọn cánh khuấy
trộn hỗn hợp dạng đĩa tua-bin trên hình 2. Để tính toán cho cánh khuấy
ta coi phần đĩa cánh khuấy là tấm mỏng ngập trong chất lỏng và tính
lực cản của chất lỏng lên diện tích tiếp xúc của lá cánh khuấy theo công
thức [8].
Trong đó:
(π.n)2 2
Fcv = Cv.ρ.S.
.R
302.2
Hình 3. Sơ đồ tính lực cản
(1)
- Fcv là lực cản của chất lỏng lên bề mặt tiếp xúc của lá cánh khuấy
- Cv là hệ số lực cản của hỗn hợp; Cv =1,17
- ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp
- R là bán kính cánh khuấy; R =70.10-3cm
- n là tốc độ quay của cánh khuấy; n =1200v/p
- S là diện tích bề mặt tiếp xúc lá cánh khuấy
Trong quá trình khuấy trộn độ nhớt của dầu thực vật là yếu tố tạo nên sức cản lớn, loại dầu thực
vật được chọn là dầu dừa có khối lượng riêng: ρ = 0.915g/cm3 [7], với kích thước lá cánh khuấy đã
chọn như trên hình 3, thay vào công thức (1) ta có:
(π.n)2 2
(12.102)2
-6
2
Fcv = Cv.ρ.S.
.
R
=
1,17.0,915.497,9.10
.3,14
.
(70.10-3)2 ⇒ Fcv = 20,6N
302.2
302.2
Mô men xoắn trên trục cánh khuấy:
Mz: Mz = Fcv.R ⇒ Mz = 20,6. 70.10-3 = 1442Nmm
Công suất động cơ được tính như sau:
π.n
3.14.1200
Ne = Mz .ω = Mz . ⇒ Ne = 1142.10-3 = 181W
30
30
Từ kết quả có được, chúng tôi chọn động cơ servo. Động cơ này có tỉ số mô men kéo và quán
tính cao cho phép tăng nhanh tốc độ, hãm nhanh và dừng chính xác.
2.2. Thiết kế trục cánh khuấy, khớp nối và gối đỡ trục
Từ kích thước thùng phối trộn đã chọn tiến hành tính toán cho trục, khớp nối và gối đỡ trục.
2.3. Tính công suất gia nhiệt hỗn hợp
Gọi Q là tổng nhiệt lượng cần thiết gia nhiệt hỗn hợp đến 800C:
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 ; (2)
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 73
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
Soá 2/2011
Q1 = m1. c1.∆t ; Q2 = m2. c2.∆t ; Q3 = m3. c3.∆t ; Q4 =
m4. c1.∆t. Là nhiệt lượng cần thiết làm nóng 1, 2, 3, 4, lên 800C
với
và m1, c1; m2, c2; m3, c3; m4, c4 là khối lượng và nhiệt dung riêng
của 1, 2, 3, 4 như trên sơ đồ hình 5. Thay các số liệu đã thực
nghiệm vào (2), được Q=1081537,2(J)
Theo định luật bảo toàn năng lượng:
U2 t ⇒ Q = 1081537,2 =
U2 t
Q=
R
R
2202 .360 = 16,11Ω
U2
⇒ R =
t =
1081537,2
1081537,2
Hình 4. Sơ đồ tính toán điện trở nhiệt:
1,3-Thùng nhôm; 2-Nnước;
4-Hỗn hợp nhiên liệu
2202 = 3000W
U2 =
⇒ R = 16,11Ω ⇒ P =
R
16,11
là công suất cần thiết của điện trở gia nhiệt theo số liệu tính toán.
2.4. Thiết kế thiết bị điều khiển
2.4.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều điều khiển
Căn cứ vào yêu cầu đầu vào và đầu ra của thiết bị đã được lựa chọn, xây dựng sơ đồ khối hệ
thống điều khiển cho thiết bị như hình 5.
Cảm biến báo mức DO
trong két trung gian
Cảm biến báo mức SVO
trong két trung gian
Cảm biến báo mức chất
lỏng trong két đồng thể
Cài đặt tốc độ khuấy
Cảm biến tốc độ động cơ
Cài đặt nhiệt độ hỗn hợp
Cảm biến
t0 nước
Cảm biến
t0 hỗn hợp
Khuyếch
đại tín hiệu
Cài đặt thời gian khuấy
Giao tiếp bàn phím
Đồng bộ tín hiệu
Microcontroll
Giám sát mức chất
lỏng trong két đồng thể
và các két trung gian
Tính toán giá trị tốc độ
động cơ và điều khiển
tốc độ động cơ theo giá
trị cài đặt
Điều khiển nhiệt độ
hỗn hợp theo giá trị
cài đặt
Cho phép bắt đầu, kết
thúc tiến trình;
Mạch công suất
điều khiển các
solenoid cấp DO
và SVO
Mạch công suất
điều khiển động
cơ khuấy
Điều khiển công
suất cấp cho các
điện trở gia nhiệt
Hiển thị LCD
thu thập, xử lí và
tính toán số liệu;
xuất dữ liệu ra LCD
Hình 5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động Bộ phối trộn nhiên liệu
74 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
Soá 2/2011
Sơ đồ hệ thống điều khiển gồm 3 khối chính là khối
đầu vào, khối xử lí trung tâm và khối đầu ra. Nhiệm vụ của
khối đầu vào bao gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường
từ các cảm biến, tín hiệu điều khiển từ thiết bị điều khiển
và gửi tới bộ xử lí trung tâm. Bộ xử lí trung tâm sau khi
nhận tín hiệu sẽ tiến hành chuyển đổi, tính toán, phân tích
và xuất các tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu
ra bao gồm thiết bị hiển thị và các mạch điều khiển các cơ
cấu chấp hành.
2.4.2. Thiết kế chế tạo mạch điều khiển trung tâm
Hình 6. Mạch điều khiển trung tâm
sau khi chế tạo
Mạch điều khiển sẽ bao gồm các khối: khối nguồn, khối khuyếch đại tín hiệu cho các cảm
biến, khối đo tốc độ, khối hiển thị LCD, khối điều khiển van điện từ, khối điều khiển mạch công suất
cho motor và các điện trở gia nhiệt, giao tiếp bàn phím và cuối cùng là khối xử lí trung tâm. Khối xử lí
trung tâm gồm 2 vi điều khiển Atmega16, hai vi điều khiển này liên lạc với nhau theo quan hệ chủ tớ.
Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C, được soạn thảo bằng phần mềm AVRCodevision và được
biên dịch thành file.HEX. Tập tin chương trình điều khiển sẽ được nạp vào ROM của ATMEGA16.
2.5. Xây dựng bản vẽ lắp thiết bị phối trộn
Bản vẽ lắp được trình bày trên hình 7.
Hình 7. Bản vẽ lắp thiết bị phối trộn
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 75
nguon tai.lieu . vn
Soá 2/2011
THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC
NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ PHỐI TRỘN HỖN HỢP DẦU DO,
DẦU THỰC VẬT VÀ CHẤT PHỤ GIA LÀM NHIÊN LIỆU CHO ĐỘNG
CƠ DIESEL TÀU THỦY TRUNG - CAO TỐC
STUDY ON MANUFACTURE MIXTURE FOR MIXING DIESEL OIL, VEGETABE OIL AND ADDITIVE
TO USE AS FUEL FOR MEDIUM - HIGH SPEED MARINE DIESEL ENGINES
Phùng Minh Lộc1, Mai Đức Nghĩa2
1-Trường Đại học Nha Trang, 2-Trường SQ Không quân
TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu hỗn hợp dầu thực vật, dầu DO và chất phụ gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel. Bộ
tạo hỗn hợp được thiết kế và chế tạo dựa trên các thông số đầu vào: Nhiệt độ sấy, tỷ lệ pha dầu thực vật, tiêu
hao nhiên liệu của động cơ diesel tàu thủy công suất nhỏ (dưới 90Hp). Nhiên liệu từ đầu ra của Bộ tạo hỗn
hợp tự động này được thử nghiệm trên động cơ 4CHK YANMAR DIESEL đối chứng với phương pháp tạo hỗn
hợp thủ công.
Từ khóa: Nhiên liệu sinh học, động cơ Diesel, phụ gia nhiên liệu, dầu thực vật.
ABSTRACT
This paper presents a mixture of vegetable oils, diesel oils and additives as fuel for diesel engines. The
automatic Mixture is designed and manufactured based on the input parameters: drying temperature, ratio
of vegetable oil, fuel consumption of small marine diesel engines (less than 90Hp). The fuel mixture from the
Mixture are tested on 4CHK Yanmar engine and confronting with manual mixed methods.
Keywords: fuel, diesel engines, additives, vegetable oil.
I. MỞ ĐẦU
1. Hỗn hợp dầu thực vật, dầu DO và chất phụ
gia làm nhiên liệu cho động cơ diesel.
Hiện nay, có thể chia công nghệ sử dụng
dầu thực vật làm nhiên liệu thay thế cho động cơ
diesel (cả trong nước và nước ngoài) thành hai
hướng chính:
1.1. Xử lý về mặt hoá học để dầu thực vật
có được những tính chất tương đương với die-
1.2. Xử lý về mặt cơ - lý để dầu thực vật
đạt được một số yêu cầu cơ bản của nhiên liệu
DO. Theo hướng này, công nghệ chủ yếu theo
2 nhánh sau:
- Thứ nhất, chế tạo Bộ chuyển đổi hoặc Bộ
phun nhiên liệu chuyên dùng có thể sử dụng đến
100% dầu thực vật (SVO). Công nghệ này phức
tạp, can thiệp sâu vào kết cấu nên chỉ ứng dụng
cho động cơ vừa và lớn
sel dầu mỏ (DO). Dầu qua xử lý như vậy gọi là
- Thứ hai, tạo hỗn hợp dầu thực vật, chất
Biodiesel. Theo hướng này công nghệ chủ yếu
phụ gia và dầu DO đạt tiêu chuẩn nhiên liệu dùng
là hoá dầu để sản xuất nhiên liệu theo qui mô
cho động cơ diesel. Công nghệ theo nhánh này
công nghiệp, giá thiết bị rất cao.
đơn giản, phù hợp với động cơ công suất nhỏ.
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 71
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
Việc chọn dầu dừa làm nhiên liệu đã được
Soá 2/2011
nhất [10].
lý giải [4], chọn dung môi là dầu diesel tiện dụng
Bộ phối trộn gồm hai phần chính:
và phù hợp với Đề án phát triển nhiên liệu sinh
- Phần điều khiển
học đến năm 2015, tầm nhìn đến năm 2020 của
- Phần thao tác bao gồm: các bộ phận
chính phủ
Xuất phát từ cơ sở lý thuyết nhiên liệu dùng
cho động cơ diesel; hình thành hỗn hợp cháy và
truyền động khuấy trộn hỗn hợp, cụm gia nhiệt.
II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
cháy nhiên liệu trong động cơ, hai vấn đề cần ưu
1. Xây dựng phương án thiết kế Bộ tạo hỗn
tiên giải quyết khi sử dụng nhiên liệu thay thế là:
hợp
Xử lý độ nhớt: 100% hệ thống nhiên liệu
1.1. Thông số đầu vào
động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ hiện tại dùng dầu
- Nhiệt độ gia nhiệt: 800C
diesel nhẹ, độ nhớt thấp. Hệ thống này không
- Tỷ lệ pha vào dầu DO: Phụ gia Nano fuel
thể hoạt động với nhiên liệu có độ nhớt cao hơn
bosster (0,125)%;
dầu DO, dầu dừa độ nhớt cao, vì vậy cần pha
Dầu dừa trong khoảng (10-25)%
loãng bằng dầu DO và sấy nóng để hỗn hợp đạt
- Tiêu hao nhiên liệu giờ ở chế độ toàn tải:
độ nhớt tương đương dầu diesel.
Cải thiện chất lượng quá trình cháy: Nhìn
18(l/h)
1.2. Lựa chọn phương án
chung, chất lượng quá trình cháy giảm khi tăng tỉ
Thiết bị phối trộn được ứng dụng trong việc
lệ dầu dừa, vì vậy cần pha chất phụ gia vào hỗn
nghiên cứu, tạo ra nhiên liệu mới cho động cơ
hợp. Chất phụ gia chọn theo tiêu chí giảm tiêu
tàu thủy trung và cao tốc. Vì vậy, nó phải đáp
hao nhiên liệu và ô nhiễm môi trường [5], pha
ứng các yêu cầu về tính đơn giản, dễ sử dụng,
trước vào dầu DO với tỉ lệ pha theo hướng dẫn
giá thành hạ… nhưng vẫn phải đảm bảo độ tin
của nhà sản xuất.
cậy trong quá trình làm việc. Các chi tiết chính
2. Công nghệ tạo nhiên liệu hỗn hợp:
2.1. Ước định giới hạn tỉ lệ pha dầu dừa: (X1,X2)
- Cận dưới, pha dầu dừa vào hỗn hợp
của thiết bị gồm:
- Thùng phối trộn: thùng được chế tạo bằng
nhôm bên trong có các cánh dẫn hướng tạo
(không gia nhiệt) với tỉ lệ X1% sao cho độ nhớt
nằm ở giới hạn trên của tiêu chuẩn dầu DO.
- Cận trên, pha dầu dừa vào hỗn hợp và gia
nhiệt đến 800C (trên nhiệt độ này độ nhớt giảm
không đáng kể) với tỉ lệ X2% đủ lớn nhưng độ
nhớt vẫn nằm trong tiêu chuẩn dầu của DO.
2.2. Bộ tạo hỗn hợp được nghiên cứu thiết kế,
chế tạo dựa trên cơ sở:
Các thông số đầu vào: Nhiệt độ sấy, tỷ lệ
pha dầu dừa (X1,X2), tiêu hao nhiên liệu của
động cơ diesel tàu thủy công suất nhỏ (dưới
90Hp); Máy đồng thể đã được sử dụng trong
các lĩnh vực công nghiệp...dùng để trộn hai hoặc
nhiều chất lỏng vào nhau thành một thể đồng
72 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG
Hình 1. Phương án thiết kế thiết bị
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
Soá 2/2011
dòng chảy rối; trong thùng có đặt cánh khuấy; bên ngoài có đặt các điện trở gia nhiệt nhằm tăng
nhanh quá trình đồng thể và đảm bảo độ nhớt hợp lý cho hỗn hợp khi phối trộn.
- Động cơ, trục cánh khuấy, thùng chứa dầu, bộ phận điều khiển, các cảm biến và màn hình
hiển thị. Phương án thiết kế được xây dựng như hình 1.
2. Thiết kế, chế tạo thiết bị
2.1. Lực cản trên cánh khuấy và chọn động cơ
Cánh khuấy trộn khi chuyển động quay trong thùng chứa hỗn hợp
sẽ tạo ra dòng xoáy của chất lỏng. Cánh khuấy là một yếu tố quan trọng
quyết định dòng lưu chuyển của chất lỏng. Trong các loại cánh khuấy
Hình 2. Cánh đĩa tua-bin
thì cánh tua-bin được sử dụng chủ yếu khuấy ở tốc độ trung bình và
tốc độ cao với các mục đích khuấy để phân tán, hòa tan và huyền phù.
Như vậy dựa trên tính chất đồng thể của nhiên liệu. Chọn cánh khuấy
trộn hỗn hợp dạng đĩa tua-bin trên hình 2. Để tính toán cho cánh khuấy
ta coi phần đĩa cánh khuấy là tấm mỏng ngập trong chất lỏng và tính
lực cản của chất lỏng lên diện tích tiếp xúc của lá cánh khuấy theo công
thức [8].
Trong đó:
(π.n)2 2
Fcv = Cv.ρ.S.
.R
302.2
Hình 3. Sơ đồ tính lực cản
(1)
- Fcv là lực cản của chất lỏng lên bề mặt tiếp xúc của lá cánh khuấy
- Cv là hệ số lực cản của hỗn hợp; Cv =1,17
- ρ là khối lượng riêng của hỗn hợp
- R là bán kính cánh khuấy; R =70.10-3cm
- n là tốc độ quay của cánh khuấy; n =1200v/p
- S là diện tích bề mặt tiếp xúc lá cánh khuấy
Trong quá trình khuấy trộn độ nhớt của dầu thực vật là yếu tố tạo nên sức cản lớn, loại dầu thực
vật được chọn là dầu dừa có khối lượng riêng: ρ = 0.915g/cm3 [7], với kích thước lá cánh khuấy đã
chọn như trên hình 3, thay vào công thức (1) ta có:
(π.n)2 2
(12.102)2
-6
2
Fcv = Cv.ρ.S.
.
R
=
1,17.0,915.497,9.10
.3,14
.
(70.10-3)2 ⇒ Fcv = 20,6N
302.2
302.2
Mô men xoắn trên trục cánh khuấy:
Mz: Mz = Fcv.R ⇒ Mz = 20,6. 70.10-3 = 1442Nmm
Công suất động cơ được tính như sau:
π.n
3.14.1200
Ne = Mz .ω = Mz . ⇒ Ne = 1142.10-3 = 181W
30
30
Từ kết quả có được, chúng tôi chọn động cơ servo. Động cơ này có tỉ số mô men kéo và quán
tính cao cho phép tăng nhanh tốc độ, hãm nhanh và dừng chính xác.
2.2. Thiết kế trục cánh khuấy, khớp nối và gối đỡ trục
Từ kích thước thùng phối trộn đã chọn tiến hành tính toán cho trục, khớp nối và gối đỡ trục.
2.3. Tính công suất gia nhiệt hỗn hợp
Gọi Q là tổng nhiệt lượng cần thiết gia nhiệt hỗn hợp đến 800C:
Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 ; (2)
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 73
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
Soá 2/2011
Q1 = m1. c1.∆t ; Q2 = m2. c2.∆t ; Q3 = m3. c3.∆t ; Q4 =
m4. c1.∆t. Là nhiệt lượng cần thiết làm nóng 1, 2, 3, 4, lên 800C
với
và m1, c1; m2, c2; m3, c3; m4, c4 là khối lượng và nhiệt dung riêng
của 1, 2, 3, 4 như trên sơ đồ hình 5. Thay các số liệu đã thực
nghiệm vào (2), được Q=1081537,2(J)
Theo định luật bảo toàn năng lượng:
U2 t ⇒ Q = 1081537,2 =
U2 t
Q=
R
R
2202 .360 = 16,11Ω
U2
⇒ R =
t =
1081537,2
1081537,2
Hình 4. Sơ đồ tính toán điện trở nhiệt:
1,3-Thùng nhôm; 2-Nnước;
4-Hỗn hợp nhiên liệu
2202 = 3000W
U2 =
⇒ R = 16,11Ω ⇒ P =
R
16,11
là công suất cần thiết của điện trở gia nhiệt theo số liệu tính toán.
2.4. Thiết kế thiết bị điều khiển
2.4.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều điều khiển
Căn cứ vào yêu cầu đầu vào và đầu ra của thiết bị đã được lựa chọn, xây dựng sơ đồ khối hệ
thống điều khiển cho thiết bị như hình 5.
Cảm biến báo mức DO
trong két trung gian
Cảm biến báo mức SVO
trong két trung gian
Cảm biến báo mức chất
lỏng trong két đồng thể
Cài đặt tốc độ khuấy
Cảm biến tốc độ động cơ
Cài đặt nhiệt độ hỗn hợp
Cảm biến
t0 nước
Cảm biến
t0 hỗn hợp
Khuyếch
đại tín hiệu
Cài đặt thời gian khuấy
Giao tiếp bàn phím
Đồng bộ tín hiệu
Microcontroll
Giám sát mức chất
lỏng trong két đồng thể
và các két trung gian
Tính toán giá trị tốc độ
động cơ và điều khiển
tốc độ động cơ theo giá
trị cài đặt
Điều khiển nhiệt độ
hỗn hợp theo giá trị
cài đặt
Cho phép bắt đầu, kết
thúc tiến trình;
Mạch công suất
điều khiển các
solenoid cấp DO
và SVO
Mạch công suất
điều khiển động
cơ khuấy
Điều khiển công
suất cấp cho các
điện trở gia nhiệt
Hiển thị LCD
thu thập, xử lí và
tính toán số liệu;
xuất dữ liệu ra LCD
Hình 5. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển tự động Bộ phối trộn nhiên liệu
74 ❖ TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG
Taïp chí Khoa hoïc - Coâng ngheä Thuûy saûn
Soá 2/2011
Sơ đồ hệ thống điều khiển gồm 3 khối chính là khối
đầu vào, khối xử lí trung tâm và khối đầu ra. Nhiệm vụ của
khối đầu vào bao gồm việc thu thập các tín hiệu đo lường
từ các cảm biến, tín hiệu điều khiển từ thiết bị điều khiển
và gửi tới bộ xử lí trung tâm. Bộ xử lí trung tâm sau khi
nhận tín hiệu sẽ tiến hành chuyển đổi, tính toán, phân tích
và xuất các tín hiệu điều khiển cho khối đầu ra. Khối đầu
ra bao gồm thiết bị hiển thị và các mạch điều khiển các cơ
cấu chấp hành.
2.4.2. Thiết kế chế tạo mạch điều khiển trung tâm
Hình 6. Mạch điều khiển trung tâm
sau khi chế tạo
Mạch điều khiển sẽ bao gồm các khối: khối nguồn, khối khuyếch đại tín hiệu cho các cảm
biến, khối đo tốc độ, khối hiển thị LCD, khối điều khiển van điện từ, khối điều khiển mạch công suất
cho motor và các điện trở gia nhiệt, giao tiếp bàn phím và cuối cùng là khối xử lí trung tâm. Khối xử lí
trung tâm gồm 2 vi điều khiển Atmega16, hai vi điều khiển này liên lạc với nhau theo quan hệ chủ tớ.
Chương trình được viết bằng ngôn ngữ C, được soạn thảo bằng phần mềm AVRCodevision và được
biên dịch thành file.HEX. Tập tin chương trình điều khiển sẽ được nạp vào ROM của ATMEGA16.
2.5. Xây dựng bản vẽ lắp thiết bị phối trộn
Bản vẽ lắp được trình bày trên hình 7.
Hình 7. Bản vẽ lắp thiết bị phối trộn
TRÖÔØNG ÑAÏI HOÏC NHA TRANG ❖ 75