Trong các tổn thất nhiệt của động cơ diesel thì tổn thất nhiệt khí xả có thành phần lớn nhất. Nhiệt lượng do khí xả mang ra khỏi động cơ chiếm khoảng 25 - 30% tổng nhiệt lượng khi đốt cháy nhiên liệu. Hiện nay, trên các tàu thuỷ cỡ vừa và lớn (lớn hơn 1000cv) thì năng lượng khí xả được tận dụng thông qua nồi hơi phụ - khí xả nhằm sinh hơi phục vụ các nhu cầu trên tàu như sưởi ấm buồng ở, hâm sấy nhiên liệu nặng, sản xuất nước đá... Ngược lại, trên các tàu cỡ nhỏ việc tận dụng năng lượng khí xả chưa được chú ý đến do lượng khí xả ít, bố trí các thiết bị tận dụng trên tàu gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên, với tình hình phát triển đội tàu cỡ nhỏ của Việt Nam trong giai đoạn hiện nay, việc tính đến khả năng tận dụng nguồn năng lượng khí thải rất quan trọng để không những giảm chi phí khai thác mà còn góp phần sử dụng năng lượng hiệu quả.

Để tận dụng nhiệt khí thải của động cơ thủy, GS. TS. Lê Viết Lượng đã chế tạo thành công nồi hơi khí xả kiểu môđun hay PGS. TS. Lương Công Nhớ đã chế tạo và thử nghiệm thành công hệ thống hâm sấy nhiên liệu sinh học gốc sử dụng năng lượng khí xả. Hệ thống này không phù hợp với những tàu đang sử dụng vì chi phí hoán cải hệ thống hâm nhiên liệu rất lớn. Việc sử dụng dầu nhiệt để hâm nhiên liệu đòi hỏi yêu cầu cao và đầu tư ban đầu lớn. Các đường ống, van và bọc cách nhiệt cũng đặc biệt vì dầu nhiệt rất nguy hiểm, trong một số trường hợp đã bị cháy nổ, hỏa hoạn do rò rỉ. Hơn nữa, dầu nóng thường chỉ phù hợp với những tàu có không gian hẹp nhưng lại bắt buộc phải hâm dầu cho máy chính, vì hệ thống hâm nhiên liệu bằng dầu nhiệt rất nhỏ gọn, công suất nhỏ. Nhiệt độ của dầu nhiệt ra khỏi “nồi dầu” có thể lên đến 300^oC. Tuy nhiên, cần phải nâng từ từ nhiệt độ của dầu nóng để tránh hiện tượng “sốc” nhiệt cho đường ống có thể dẫn đến đứt bulong và mối hàn, do đó để đưa nhiệt độ của dầu lên đến 300^oC cần nhiều thời gian. Đối với các tàu chở dầu, nhất là tàu chở dầu có độ nhớt cao, để đảm bảo năng suất bốc hàng cụ thể là hút và vét dầu hàng thì người ta bố trí hệ thống hâm dầu. Thông dụng nhất có các phương pháp: Hâm nóng bằng hơi nóng chạy trong ống và hâm nóng bằng điện. Các giải pháp công nghệ để hâm nhiên liệu và dầu đã đề cập ở trên có giá thành cao, khoảng 250.000 USD. Do vậy, việc thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thermal-oil (dầu nhiệt) kết hợp tận dụng sâu nhiệt khí xả, có công suất nhiệt và mức độ an toàn cao, nhằm mục đích hâm nhiên liệu và dầu hàng trên tàu chở dầu nhằm giảm chi phí khai thác, nội địa hóa sản phẩm là một trong những xu hướng cần phải được quan tâm.

 Chính vì vậy, nhằm thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thermal-oil (dầu nhiệt) kết hợp tận dụng sâu nhiệt khí xả, có công suất nhiệt và mức độ an toàn cao; đánh giá khả năng làm việc và độ tin cậy của hệ thống dầu nhiệt được chế tạo khi được lắp đặt trong bệ thử động lực cao sử dụng động cơ diesel tàu thủy cỡ nhỏ; tính toán mô phỏng nhằm đánh giá khả năng hâm sấy nhiên liệu để giảm chi phí khai thác, nội địa hóa sản phẩm khi áp dụng hệ thống dầu nhiệt trên tàu dầu mẫu, nhóm đề tài do Trường Đại học Hàng hải Việt Nam, Bộ Giao thông Vận tải do TS. Nguyễn Lan Hương làm chủ nhiệm đã đề xuất thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ thống thermal-oil (dầu nhiệt) kết hợp tận dụng sâu nhiệt khí xả, có công suất nhiệt và mức độ an toàn cao, dùng để hâm nhiên liệu và dầu hàng trên tàu chở dầu nhằm giảm chi phí khai thác, nội địa hóa sản phẩm”.

Sau một thời gian triển khai thực hiện, đề tài đã thu được một số các kết quả sau:

Đã tính toán thiết kế và chế tạo thành công hệ thống thermal-oil (dầu nhiệt) kết hợp tận dụng sâu nhiệt khí xả thỏa mãn các yêu cầu kỹ thuật. Hơn nữa, trong nghiên cứu này, một hệ thống dầu nhiệt đã được lắp đặt và thử nghiệm trên bệ thử động lực cao với động cơ D243 với các kết quả như sau: Giá trị nhiệt độ khí xả ra khỏi thiết bị tận dụng nhiệt theo thực nghiệm trên đặc tính tải ở tốc độ 1500 vòng/phút và 2000 vòng/phút khi hâm nhiên liệu CO100. Nhiệt lượng tận dụng được của thiết bị cũng được tính toán tương ứng với các chế độ tải khác nhau (10%, 75% và 100%), việc tính toán ở các chế độ tải khác nhau nhằm đánh giá khả năng tận dụng nhiệt của thiết bị thông qua hiệu suất nhiệt. Kết quả cho thấy rằng khi tải thấp thì hiệu suất tận dụng nhiệt của thiết bị dưới 40%. Tuy nhiên khi thực hiện ở các chế độ tải lớn hơn, đặc biệt là tải tối đa thì hiệu suất đã được nâng lên rõ rệt khoảng gần 50%, điều này cho thấy khả năng tận dụng nhiệt thải rất tốt của thiết bị dầu nhiệt.

Kết quả thử nghiệm cho thấy, khi tải động cơ tăng lên thì nhiệt độ khí thải tăng tuyến tính và dẫn tời giảm thời gian hâm sấy khoảng 20% ở 100% tải so với chế độ 75%. Điều đó minh chứng cho mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ khí thải và thời gian hâm sấy của dầu nhiệt. Trên thực tế trong thành phần của nhiên liệu CO100 có lẫn một lượng tạp chất nhỏ và khi tính toán thiết kế hệ thống hâm sấy đã bỏ qua thành phần này. Đồng thời khi nhiệt độ thay đổi không tuyến tính cũng ảnh hưởng đến hệ số dẫn nhiệt trung bình và một số tính chất vật lý khác của nhiên liệu CO100.

Để đáp ứng được mục tiêu là có thể đánh giá được mức độ áp dụng hệ thống dầu nhiệt trên tàu thủy, trong nghiên cứu này nhóm nghiên cứu đã tính toán mô phỏng một hệ thống dầu nhiệt với 2 kịch bản của thiết bị trong hệ thống là nồi hơi và thiết bị tận dụng nhiệt khí xả trên tàu dầu mẫu. Kết quả cho thấy:

Việc tính toán nhiệt độ ra vào mỗi két nhiên liệu khi được hâm nóng bởi dầu nhiệt từ 2 kịch bản thiết bị tận dụng nhiệt là nồi hơi và bộ tiết kiệm có thể thấy rằng việc sử dụng dầu nhiệt để hâm nóng nhiên liệu trên tàu dầu là hoàn toàn có thể đáp ứng được yêu cầu về khả năng hâm sấy nhiên liệu với thời gian tương đối nhanh chóng.

Điều quan trọng hơn là ta thấy rằng việc tận dụng nhiệt thải từ động cơ chính ở các mức tải khác nhau đã được tính toán một cách tường minh thông qua kịch bản của hệ thống dầu nhiệt với khả năng tận dụng nhiệt thông qua phân tích tổn thất nhiệt của dầu nhiệt khi truyền cho nhiên liệu tại mỗi két.

Như vậy, việc tính toán thực nghiệm trong phòng thí nghiệm với quy mô nhỏ khi trang bị bộ hâm nhiên liệu CO100 sử dụng dầu nhiệt được lấy nhiệt từ khí thải động cơ qua bộ tận dụng nhiệt cũng đã xác định được thời gian và tổn thất nhiệt đã hâm nóng nhiên liệu. Kết quả số liệu từ mô hình thử nghiệm, kết hợp với kết quả tính toán phân tích trên tàu dầu mẫu đã cho thấy mức độ tương quan tốt về mặt thời gian hâm, độ giảm nhiệt độ và tổn thất nhiệt nếu quy về cùng quy chuẩn về thể tích nhiên liệu và độ nhớt nhiên liệu.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 18061/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

P.T.T (NASATI)