Tài liệu Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng vỏ bình gas composite

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ MINH CHÍNH NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG VỎ BÌNH GAS COMPOSITE NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 S KC0 0 4 0 0 8 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÊ MINH CHÍNH NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG VỎ BÌNH GAS COMPOSITE NGÀNH: CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO MÁY - 605204 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HOÀI SƠN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: Lê Minh Chính Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 28/02/1971 Nơi sinh: tỉnh Thái Bình Quê quán: xã Vũ Lãm - huyện Vũ Thư - tỉnh Thái Bình Dân tộc: kinh ðịa chỉ liên lạc: 331 - tổ 4 - khu phố 11 - phường An Bình – thành phố Biên Hòa – tỉnh ðồng Nai. ðiện thoại: 0985556986 E-mail: [email protected] II. QUÁ TRÌNH ðÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Hệ ñào tạo: chính qui Thời gian ñào tạo từ 8/1990 ñến 8/1993 Nơi học: Trường Trung cấp Kỹ thuật Quân khí Ngành học: Vũ khí 2. ðại học: Hệ ñào tạo: chuyên tu Thời gian ñào tạo từ 9/1998 ñến 9/2001 Nơi học: Học Viện Kỹ Thuật Quân Sự Ngành học: Cơ khí III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ðẠI HỌC: Thời gian 9/2001 -3/2013 Nơi công tác Trường Sĩ Quan Kỹ Thuật Quân Sự (Trường ðại Học Trần ðại Nghĩa) Công việc ñảm nhiệm Giảng dạy LỜI CAM ðOAN Tên ñề tài: Nghiên cứu, tính toán và mô phỏng vỏ bình gas composite. GVHD: PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn Họ tên học viên: Lê Minh Chính, MSHV: 11025204003 Lớp: Công Nghệ Chế Tạo Máy 2011-2013 Tôi cam ñoan ñây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tp. Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 4 năm 2013 Lê Minh Chính LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin ñược bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc nhất ñến PGS.TS Nguyễn Hoài Sơn, người thầy ñã tận tình trực tiếp hướng dẫn, cung cấp những tài liệu quan trọng, ñịnh hướng và sửa chữa những thiếu sót trong suốt quá trình tôi nghiên cứu ñể hoàn thành cuốn luận văn này. Xin ñược cảm ơn tới thầy PGS.TS Lê Hiếu Giang ñã giúp ñỡ, chỉ bảo tận tình cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin cảm ơn quý thầy trong Trường ðại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh ñã tận tình dạy dỗ và giúp ñở tôi trong suốt quá trình học tập tại trường. Tôi cảm ơn những lời hỏi thăm, sự giúp ñỡ và ñộng viên nhiệt tình của các anh chị học viên trong lớp cao học khóa 2011 -2013A ngành Công Nghệ Chế Tạo Máy và nhất là gia ñình ñã tạo ñiều kiện cho tôi học tập tốt. Cuối cùng tôi xin cảm ơn Phòng Cao học Trường ðại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh ñã tạo ñiều kiện ñể tôi học tập cũng như thực hiện xong luận văn này. Học viên thực hiện TÓM TẮT Bình gas thường chế tạo bằng vật liệu thép Carbon, ñược sử dụng rộng rãi cả trong sinh hoạt cũng như trong công nghiệp. Cuối năm 2011 công ty TTA Composite giới thiệu sản phẩm bình gas làm bằng vật liệu composite cho thị trường ðông Nam Á, sản xuất theo công nghệ ñộc quyền của Thụy ðiển. Trong ñề tài này tác giả tìm hiểu về vật liệu, các thông số kỹ thuật, công nghệ chế tạo vỏ bình gas bằng vật liệu composite. Sử dụng phần mềm Ansys Workbench12 ñể mô phỏng phân tích ứng suất, biến dạng của vỏ bình gas composite, so sánh kết quả phân tích ứng suất phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết. So sánh kết quả phân tích ứng suất, biến dạng của vỏ bình gas composite với vỏ bình gas thép. Từ kết quả mô phỏng, phân tích ứng suất, biến dạng phát hiện vị trí ứng suất, biến dạng lớn nhất, so sánh kết quả phù hợp với thử nghiệm tại công ty TTA Composite. ðề xuất phương án tăng bền cho vỏ bình bằng cách tăng chiều dày phần bán ellip của vỏ bình. Mô phỏng phân tích ứng suất, biến dạng của vỏ bình composite ñã ñề xuất so sánh với vỏ bình gas chưa ñề xuất. ðề xuất thay ñổi vật liệu chế tạo vỏ bình gas, từ vật liệu S-Glass/Epoxy sang vật liệu E-Glass/Epoxy ñể giảm giá thành cho vỏ bình gas composite. Mô phỏng phân tích ứng suất, kiểm tra bền cho loại vật liệu mới ñề xuất, so sánh với kết quả thử nghiệm. ASTRACT Gas tanks are usually made of carbon steel material. It is widely use both in daily life as well as industry. Late in 2011, TTA Composite company introduced products gas tanks made of composite material for the Southeasr Asian market, the production of technology Swedish monopoly. In this project, the author learn about materials, specifications, manufacturing technology gas cylinders of composite material. Use of ANSYS Workbench12 software to simulate stress analysis, deformation of composite cylinders, compare stress analysis results consistent with theoretical calculation results. Compare results of stress analysis, deformation of composite cylinders with steel cylinders. From the simulation results, stress analysis, deformation detection of stress positions, the largest deformation, comparing the results with test match at TTA Composite companies. Proposed plans for increased durability cylinders by increasing the thickness of the semi-elliptical cylinders. Simulation analysis of stress, deformation of composite cylinders proposed compared with less cylinders proposed Proposed material changes cylinders fabricated from Glass/Epoxy material to S- E-Glass/Epoxy material to reduce costs for composite cylinders. Simulation of stress analysis, strength testing new material for the proposal, compared with experimental results. MỤC LỤC TRANG Trang tựa Quyết ñịnh giao ñề tài .................................................................................................. i Lý lịch cá nhân ...........................................................................................................ii Lời cam ñoan ............................................................................................................ iii Cảm tạ ....................................................................................................................... iv Tóm tắt ........................................................................................................................ v Mục lục ...................................................................................................................... vi Danh sách các hình ...................................................................................................vii Danh sách các bảng ................................................................................................ viii Chương 1. TỔNG QUAN ......................................................................................... 1 1.1. Giới thiệu về gas, bình chứa gas ........................................................................ 1 1.2. Các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước ñã công bố .................................... 6 1.2.1. Trong nước ........................................................................................................ 6 1.2.2. Ngoài nước. ..................................................................................................... 10 1.3. Mục ñích của ñề tài. ........................................................................................... 15 1.4. Nhiệm vụ của ñề tài và giới hạn ñề tài .............................................................. 15 1.5. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 15 Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ VẬT LIỆU COMPOSITE VÀ PHẦN TỬ HỮU HẠN ................................................................................................................ 17 2.1. Cơ sở về vật liệu composite ............................................................................... 17 2.1.1. Khái niệm ........................................................................................................ 17 2.1.2. Ưu nhược ñiểm của vật liệu composite ........................................................... 17 2.1.2.1. Ưu ñiểm ........................................................................................................ 17 2.1.2.2. Nhược ñiểm .................................................................................................. 18 2.1.3. Phân loại vật liệu composite ........................................................................... 18 2.1.3.1. Phân loại vật liệu theo pha nền .................................................................... 18 2.1.3.2. Phân loại theo cấu trúc ................................................................................. 19 2.1.4. Cấu tạo vật liệu composite .............................................................................. 19 2.1.4.1. Thành phần cốt ............................................................................................. 19 2.1.4.2. Vật liệu nền .................................................................................................. 21 2.1.5. Vật liệu composite polyme.............................................................................. 24 2.1.6. Công nghệ chế tạo sản phẩm composite ......................................................... 27 2.1.6.1. Phương pháp chế tạo thủ công ..................................................................... 27 2.1.6.2. Phương pháp phun hỗn hợp composite ........................................................ 28 2.1.6.3. Phương pháp thấm nhựa trước ..................................................................... 28 2.1.6.4. Phương pháp ñùn ép ..................................................................................... 30 2.1.6.5. Phương pháp ñúc chuyển nhựa .................................................................... 31 2.1.6.6. Phương pháp ñúc chân không ...................................................................... 32 2.2. Cơ sở về phần tử hữu hạn................................................................................... 34 2.2.1. Giới thiệu về phần tử hữu hạn ......................................................................... 34 2.2.2. Các bước giải bằng phương pháp Phần tử Hữu hạn ....................................... 35 2.2.3. Cơ sở phân tích tấm composite ....................................................................... 35 Chương 3. CƠ SỞ TÍNH TOÁN VỎ BÌNH CHỨA LPG ................................... 40 3.1. Tính ứng suất thân trụ chịu áp suất trong........................................................... 40 3.1.1. Trường hợp thành trụ mỏng ............................................................................ 40 3.1.2. Trường hợp thành trụ dày ............................................................................... 41 3.2. Tính áp suất cho phép, chiều dày vỏ bình chứa LPG ........................................ 43 3.2.1. Hệ số an toàn bền và ứng suất cho phép ......................................................... 43 3.2.2. Áp suất cho phép ñối với các bộ phận chịu áp lực của bình khi chịu áp suất trong .......................................................................................................................... 43 3.2.2.1. Áp suất cho phép ñối với thân trụ chịu áp suất trong .................................. 44 3.2.2.2. Áp suất cho phép ñối với thân cầu chịu áp suất trong ................................. 44 3.2.2.3. Áp suất cho phép ñối với ñáy ellip chịu áp suất trong ................................. 45 3.2.2.4. Áp suất cho phép ñối với ñáy chỏm cầu chịu áp suất trong......................... 45 3.2.2.5. Áp suất cho phép ñối với ñáy bán cầu chịu áp suất trong ............................ 45 3.2.2.6. Áp suất cho phép ñối với ñáy côn chịu áp suất trong .................................. 46 Chương 4. TÌM HIỂU VẬT LIỆU, THÔNG SỐ KỸ THUẬT, CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT VỎ BÌNH GAS COMPOSITE ......................................................... 48 4.1. Vật liệu. .............................................................................................................. 48 4.1.1. Vật liệu nền (Maxtrit)...................................................................................... 48 4.1.2. Vật liệu cốt (Fibre) .......................................................................................... 48 4.2. Thông số kỹ thuật, cấu trúc lớp vỏ bình............................................................. 49 4.2.1. Thông số kỹ thuật ............................................................................................ 49 4.2.2. Cấu trúc lớp vỏ bình ........................................................................................ 50 4.3. Công nghệ sản xuất vỏ bình gas composite ....................................................... 51 4.3.1. Công nghệ quấn sợi thủy tinh ......................................................................... 51 4.3.1. Công nghệ ñúc, ép vỏ bình .............................................................................. 52 Chương 5. MÔ PHỎNG, KIỂM TRA BỀN VỎ BÌNH GAS COMPOSITE .... 54 5.1. Mô phỏng số ..................................................................................................... 54 5.1.1. Giới thiệu về phần mềm Ansys ................................................................... 54 5.1.2. Ansys có những tính năng nổi bật ................................................................... 55 5.1.3. Các bước giải bài toán trong Ansys12 ............................................................ 55 5.1.4. Mô phỏng vỏ bình gas composite ............................................................... 56 5.1.4.1. Các bước giải .............................................................................................. 56 5.1.4.2. Kết quả mô phỏng vỏ bình gas bằng vật liệu S-Glass/Epoxy .............. 58 5.1.4.3. Kết quả mô phỏng vỏ bình gas bằng vật liệu thép Carbon ................... 59 5.2. ðề xuất .............................................................................................................. 61 5.2.1. Thay ñổi vật liệu ........................................................................................... 61 5.2.2. Tăng chiều dày phần bán ellip ..................................................................... 63 5.3. Kiểm tra bền ..................................................................................................... 65 5.3.1. Kiểm tra bền cho vỏ bình gas bằng vật liệu S-Glass/Epoxy.................... 65 5.3.2. Kiểm tra bền cho vỏ bình gas bằng vật liệu E-Glass/Epoxy ................... 66 5.4. So sánh kết quả phân tích với thử nghiệm tại công ty TTA Composite .. 67 Chương 6. KẾT LUẬN ........................................................................................... 69 6.1. Tổng kết nội dung ñã thực hiện trong luận văn ................................................. 69 6.2. ðánh giá kết quả ................................................................................................ 70 6.3. Tính khả thi của ñề tài ....................................................................................... 70 6.4. Những vấn ñề tồn tại và hướng phát triển ñề tài ................................................ 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 72 PHỤ LỤC ................................................................................................................ 75 DANH SÁCH CÁC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1: Bảng so sánh hàm nhiệt của một số loại nhiên liệu ................................... 4 Bảng 2.1: ðặc tính cơ lý của tấm vật liệu composite có cốt sợi ñồng phương trên cơ sở nhựa epoxy và một số kim loại truyền thống ....................................................... 26 Bảng 4.1: ðặc trưng cơ học của vật liệu Epoxy ....................................................... 48 Bảng 4.2: ðặc tính cơ lý của sợi thủy tinh ............................................................... 49 Bảng 4.3: Tính chất vật liệu S-Glass/Epoxy ........................................................... 49 Bảng 5.1: ðặc tính cơ lý của sợi thủy tinh loại E so với một số loại khác ............... 61 Bảng 5.2: Giá trị ứng suất, biến dạng phần bán ellip trước và khi ñề xuất ...... 65 Bảng 5.3: Giá trị ứng suất, biến dạng bình gas composite ................................. 68 DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: ðồng phân của Butane ............................................................................... 3 Hình 1.2: Bình gas thép .............................................................................................. 5 Hình 1.3: Bồn xử lý nước thải FRP ............................................................................ 6 Hình 1.4: Hầm bể biogas composite .......................................................................... 7 Hình 1.5: ðường ống composite ................................................................................ 8 Hình 1.6: Bồn chứa hóa chất composite ..................................................................... 8 Hình 1.7: Bồn chứa nước thải FRP ............................................................................ 9 Hình 1.8: Bồn chứa nước sạch ................................................................................... 9 Hình 1.9: Bồn tách mỡ FRP ....................................................................................... 9 Hình 1.10: Bể tự hoại composite .............................................................................. 10 Hình 1.11: Bình nén khí bằng vật liệu composite sợi carbon .................................. 10 Hình 1.12: Bình gas compositepraha ....................................................................... 10 Hình 1.13: Bình chữa cháy bằng vật liệu Composite ............................................... 11 Hình 1.14: Bình thở ô xy SCBA bằng vật liệu composite ....................................... 11 Hình 1.15: Bình gas composite ................................................................................ 15 Hình 2.1: Phân loại vật liệu composite theo pha nền ............................................... 18 Hình 2.2: Phân loại vật liệu composite theo cấu trúc ............................................... 19 Hình 2.3: Các loại sợi ñược ñan vào nhau thành những phiến vải ........................... 21 Hình 2.4: Công thức hóa học của epoxy .................................................................. 23 Hình 2.5: Các thiết bị và vật liệu trong công nghệ ñúc chân không ........................ 32 Hình 2.6: Sơ ñồ công nghệ ñúc chân không ............................................................. 32 Hình 2.7: . Lớp composite lệch trục trục .................................................................. 36 Hình 2.8: Các thành phần ứng suất .......................................................................... 37 Hình 3.1: Ứng suất trên ống trụ chịu áp suất trong .................................................. 40 Hình 3.2: Áp suất trong và ngoài ống trụ ................................................................. 40 Hình 3.3: Vỏ bình chứa LPG bằng thép ................................................................... 41 Hình 3.4: Ứng suất phân bố trên vỏ trụ dày ............................................................. 41 Hình 3.5: Kết cấu ñáy hình ellip, chỏm cầu, bán cầu và côn .................................. 47 Hình 4.1: Bình gas composite 12 kg ........................................................................ 50 Hình 4.2: Cấu trúc lớp vỏ bình gas composite ......................................................... 50 Hình 4.3: Các hướng sợi thủy tinh ........................................................................... 51 Hình 4.4: Công nghệ quấn sợi thủy tinh (hướng 900) .............................................. 52 Hình 4.5: Công nghệ quấn sợi thủy tinh (hướng 450) ............................................ 52 Hình 4.6: Công nghệ ñúc ñùn ép vỏ bình gas composite ......................................... 53 Hình 4.7: Công nghệ ép, dán vỏ bình gas composite ............................................... 53 Hình 5.1: Trình tự giải bài toán trong Ansys ....................................................... 55 Hình 5.2: Mô hình hình học của bài toán ............................................................. 56 Hình 5.3: Chia lưới ................................................................................................... 56 Hình 5.4: ðặt tải ....................................................................................................... 56 Hình 5.5: ðiều kiện biên tại vị trí trên .................................................................. 57 Hình 5.6: ðiều kiện biên tại vị trí dưới ................................................................. 57 Hình 5.7: ðiều kiện biên tại mặt cắt song song với trục x ................................. 57 Hình 5.8: ðiều kiện biên tại mặt cắt song song với trục z.................................. 57 Hình 5.9: Phân tích ứng suất .................................................................................. 58 Hình 5.10: Phân tích biến dạng .............................................................................. 58 Hình 5.11: Phân tích biến dạng vỏ bình S-Glass/Epoxy ..................................... 58 Hình 5.12: Phân tích ứng suất vỏ bình S-Glass/Epoxy ....................................... 58 Hình 5.13: ðồ thị ứng suất vỏ bình S-Glass/Epoxy ............................................ 59 Hình 5.14: ðồ thị biến dạng vỏ bình S-Glass/Epoxy .......................................... 59 Hình 5.15: Phân tích biến dạng vỏ bình thép ....................................................... 59 Hình 5.16: Phân tích ứng suất vỏ bình thép ......................................................... 60 Hình 5.17: ðồ thị ứng suất vỏ bình thép............................................................... 60 Hình 5.18: ðồ thị so sánh biến dạng vỏ bình E-Glass/Epoxy và bình thép ..... 60 Hình 5.19: Phân tích ứng suất vỏ bình E-Glass/Epoxy....................................... 61 Hình 5.20: ðồ thị ứng suất vỏ E-Glass/Epoxy ..................................................... 62 Hình 5.21: ðồ thị so sánh ứng suất vỏ E-Glass/Epoxy ....................................... 62 Hình 5.22: Phân tích biến dạng vỏ bình E-Glass/Epoxy .................................... 62 Hình 5.23: ðồ thị biến dạng E-Glass/Epoxy .......................................................... 63 Hình 5.24: ðồ thị biến dạng vỏ bình thép, S-glass/epoxy, E-Glass/Epoxy ...... 63 Hình 5.25: Phân tích các vùng ứng suất................................................................ 64 Hình 5.26: Vị trí bị phá hủy (nổ) nhìn từ trong.................................................... 64 Hình 5.27: Vị trí bị phá hủy (nổ) nhìn từ ngoài ................................................... 64 Hình 5.28: Phân tích ứng suất khi ñề xuất vỏ bình E-Glass/Epoxy .................. 65 Hình 5.29: Phân tích biến dạng khi ñề xuất vỏ bình E-Glass/Epoxy ................ 65 Hình 5.30: Thử áp suất vỏ bình Gas Composite .................................................. 66 Hình 5.31: Phân tích biến dạng vỏ bình Gas E-Glass/Epoxy chịu áp suất 120 bar ............................................................................................................................. 67 Hình 5.32: Phân tích ứng suất vỏ bình E-Glass/Epoxy chịu áp suất 120 bar ... 68 Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về gas, bình chứa gas. Bình gas thường ñược làm bằng thép chứa khí ñốt hoá lỏng viết tắt là LPG, LPG (Liquefied Petroleum Gas) là hỗn hợp hydrocarbon nhẹ, ở thể khí. LPG tồn tại trong thiên nhiên ở các giếng dầu hoặc giếng gas và cũng có thể sản xuất ở các nhà máy lọc dầu. Thành phần chính của LPG là Propane (C3H8) và Butane (C4H10), không màu, không mùi, không vị và không có ñộc tố. LPG là loại nhiên liệu thông dụng về tính ña năng và thân thiện với môi trường. Nó có thể dễ dàng ñược chuyển ñổi sang thể lỏng bằng việc tăng áp suất thích hợp hoặc giảm nhiệt ñộ ñể dễ tồn trữ và vận chuyển ñược. Nó có thể chuyển ñộng như chất lỏng như lại ñược ñốt cháy ở thể khí. Cả Propane và Butane ñều dễ hóa lỏng và có thể chứa ñược trong các bình áp lực. Những ñặc tính này làm cho loại nhiên liệu này dễ vận chuyển, và vì thế có thể chuyên chở trong các bình hay bồn gas ñến người tiêu dùng cuối cùng. LPG là loại nhiên liệu thay thế rất tốt cho xăng trong các ñộng cơ ñánh lửa. Trong một ñộng cơ ñược ñiều chỉnh hợp lý, ñặc tính cháy sạch giúp giảm lượng chất thải thoát ra, kéo dài tuổi thọ Buji. Như một chất thay thế cho chất nổ ñẩy Aerosol và chất làm ñông, LPG ñược chọn ñể thay cho fluorocarbon vốn ñược biết ñến như một nhân tố làm thủng tầng ozone. Với các ñặc tính là nguồn nhiên liệu sạch và dễ vận chuyển, LPG cung cấp một nguồn năng lượng thay thế cho các nhiên liệu truyền thống như: củi, than, và các chất hữu cơ khác. Việc này cung cấp giải pháp hạn chế việc phá rừng và giảm ñược bụi trong không khí gây ra bởi việc ñốt các nhiên liệu truyền thống. Ở nhiệt ñộ lớn hơn 0o C trong môi trường không khí bình thường với áp suất bằng áp suất khí quyến, LPG bị biến ñổi từ thể lỏng thành thể hơi theo tỉ lệ thể tích 1 lít LPG thể lỏng hoá thành khoảng 250 lít ở thể hơi. 1 Vận tốc bay hơi của LPG rất nhanh, dễ dàng khuyếch tán, hòa trộn với không khí thành hỗn hợp cháy nổ. Tỉ trọng LPG nhẹ hơn so với nước là: Butane từ 0,55 – 0,58 lần, Propane từ 0,5 – 0,53 lần; Ở thể hơi (gas) trong môi trường không khí với áp suất bằng áp suất khí quyển, gas nặng hơn so với không khí: Butane 2,07 lần; Propane 1,55 lần. Do ñó hơi LPG thoát ra ngoài sẽ bay là là trên mặt ñất, tích tụ ở những nơi kín gió, những nơi trũng, những hang hốc của kho chứa, bếp… Màu sắc LPG ở trạng thái nguyên chất không có mùi, nhưng dễ bị phát hiện bằng khứu giác khi có rò rỉ do LPG ñược pha trộn thêm chất tạo mùi Mercaptan với tỉ lệ nhất ñịnh ñể có mùi ñặc trưng. LPG gây bỏng nặng trên da khi tiếp xúc trực tiếp, nhất là với dòng LPG rò rỉ trực tiếp vào da nếu không có trang bị bảo hộ lao ñộng. Nhiệt ñộ của LPG khi cháy rất cao từ 1900oC ÷1950oC, có khả năng ñốt cháy và nung nóng chảy hầu hết các chất. Thành phần hỗn hợp LPG có tỷ lệ Propane/Butane là 50/50 ±10% (mol). LPG là loại nhiên liệu dễ cháy khi kết hợp với không khí tạo thành hỗn hợp cháy nổ. ðạt tới giới hạn nồng ñộ cháy, dưới tác dụng của nguồn nhiệt hoặc ngọn lửa trần sẽ bắt cháy làm phá hủy thiết bị, cơ sở vật chất, công trình. Khí hóa lỏng là một trong những dạng nhiên liệu ñược dùng phổ biến nhất trên thế giới hiện nay. Tại Ấn ðộ – quốc gia ñông dân thứ hai trên thế giới, khí hóa lỏng là loại nhiên liệu phổ biến hàng ñầu với hơn 3/4 dân số sử dụng. Còn ở Việt Nam chúng ta, bình gas là một vật dụng quen thuộc của các hộ dân cư (tập trung chủ yếu ở các thành phố lớn). Ưu ñiểm của bình gas LPG là sự gọn gàng khi ñặt trong căn bếp của gia ñình, khả năng tỏa nhiệt tốt, dễ sử dụng, giảm gây ô nhiễm và tương ñối an toàn hơn một số loại nhiên liệu khác như than củi… Khí hóa lỏng ñược nghiên cứu sản xuất ñầu tiên vào năm 1910 bởi nhà hóa học người Mỹ, tiến sĩ Walter Snelling, khi ñó ñang làm việc cho Ủy Ban Khảo sát ñịa lý Hoa kỳ (US Geological Survey). Ông tìm cách hóa lỏng các sản phẩm phụ dạng khí từ nguyên liệu khí thiên nhiên (natural gas) khai thác từ lòng ñất. Những sản phẩm khí hóa lỏng ñầu tiên có mặt trên thị trường nhiên liệu vào năm 1912 và 2 tiến sĩ Walter Snelling chính thức ñược cấp bằng phát minh phương pháp sản xuất khí hóa lỏng vào năm 1913. Có 2 loại khí hữu cơ có thể ñược lưu trữ ở dạng lỏng với áp suất không quá cao, ñó là: propane (C3H8) và n-butane (C4H10). Isobutane – một ñồng phân cấu tạo của n-butane, tuy có cùng công thức phân tử (C4H10) nhưng khác nhau về cấu trúc hóa học – cũng ñược sử dụng khá phổ biến. Thông thường, butane và isobutane ñược phối trộn với propane theo những tỷ lệ nhất ñịnh tùy thuộc vào yêu cầu sử dụng của nhiên liệu thành phần. Hình 1.1: ðồng phân của Butane Propane ñược sử dụng nhiều vì ñiểm sôi (boiling point) của nó là -42.1 oC. Có nghĩa là ở nhiệt ñộ rất thấp, propane cũng sẽ hóa hơi ngay lập tức khi vừa thoát khỏi bình chứa có áp suất cao. Do vậy, ñể xảy ra sự cháy, propane không cần sử dụng bất kỳ loại thiết bị ñặc biệt nào ñể hóa hơi và hòa trộn với không khí trước. Trong khi ñó, n-Butane có ñiểm sôi vào khoảng -0.50 C, nghĩa là n-Butane sẽ không hóa hơi khi ở trong ñiều kiện nhiệt ñộ thấp hơn -0.5oC (Isobutane có ñiểm sôi là -11.7oC). ðó là lý do tại sao butane (cả 2 loại ñồng phân) ít ñược sử dụng phổ biến như propane, và nếu muốn sử dụng, butane phải ñược hòa trộn với propane. Ta có bảng so sánh hàm nhiệt (Energy density hay Energy Content, Energy Capacity) của một số loại nhiên liệu (xếp theo thứ tự từ cao ñến thấp). [27] 3 Bảng 1.1: Bảng so sánh hàm nhiệt của một số loại nhiên liệu NHIỆT TT LƯỢNG LOẠI NHIÊN LIỆU MJ/kg kWh/kg 1 Gasoline (nhiên liệu ñộng cơ) 47,2 13,22 2 Propane (chất ñốt, nhiên liệu ñộng cơ) 46,4 13,00 3 Diesel (nhiên liệu ñộng cơ) 45,4 12,70 4 Than 24,0 6,72 5 Gỗ, củi khô 16,2 4,54 GHI CHÚ Khí hóa lỏng ñược tinh chế từ dầu hỏa và khí thiên nhiên (natural gas) bằng phương pháp tương tự với xăng (gasoline) tinh chế từ dầu thô (crude oil) ñó là chưng cất phân ñoạn (fractional distillation). Trong hỗn hợp khí thiên nhiên thu ñược từ mỏ khí dưới lòng ñất, khoảng hơn 90% thành phần là khí methane. Người ta tinh chế khí gas (propane, butane) ra khỏi methane trong hỗn hợp khí thiên nhiên ñó. Ngoài ra, khí hóa lỏng còn có thể sản xuất từ dầu thô (crude oil). Tuy nhiên, hiệu suất của quá trình này khá thấp (khoảng 3%) vì propane vốn là những thành phần sản phẩm phụ (byproduct) của quá trình chưng cất dầu thô. Nếu muốn sản xuất khí hóa lỏng từ dầu thô, người ta có thể ñiều chỉnh hệ thống chưng cất, và do vậy hiệu suất sản xuất ra propane có thể lên ñến hơn 40%.[28] Hiện nay trên thị trường thường sử dụng bình gas bằng thép 12kg hình 1.2: - Trọng lượng tịnh: 12 kg ± 100 gram - Trọng lượng bao bì: Propane: 50% ± 10%, Butane: 50% ± 10%. Chỉ tiêu chất lượng chủ yếu: [29] - Nhiệt lượng : 50.000 kj/kg - Nhiệt ñộ cháy : 1890 – 1935C - Tỷ trọng tại 15o C : (0.54000 ±0.01) kg/l 4 - Áp suất thử nghiệm của bình gas ñạt 34kg/cm2, tương ñương 33,6 bar/cm2 - Áp suất sử dụng 8kg/cm2, tương ñương 7,8 bar/cm2 Hình 1.2: Bình gas thép Thép làm vỏ bình gas là các thép hợp kim Cr, Ni, Mo thành phần C thấp ví dụ như các mác thép sau [30] STSF304: C < 0,08; Si < 0,1; Mn< 0,2; Cr =18 – 20; Ni =8 - 11 STSF316: C <0,08; Si<0,1; Mn<0,2 Cr =16 -18; Ni =10 -14 STSF310: C <0,15; Si < 0,1; Mn<0,2; Cr = 24 – 26; Ni = 19 – 22; Mo =2- 3 STSF316H: C = 0,04-0,1; Si<0,1; Mn< 0,2; Cr =16 =18; Ni =11-14; Mo =2- 3 STSF316L: C <0,03; Si< 0,01; Mn< 0,2; Cr =16 -18; Ni =12-15; Mo = 2- 3 Việc sử dụng bình chứa gas luôn luôn gắn liền với những yếu tố nguy hiểm như nổ bình chứa gây bỏng nhiệt, va ñập cơ học. Khi nổ bình chứa gas nó gây hậu quả rất to lớn, có thể làm chết và bị thương nhiều người, phá hủy nhà xưởng, công trình. Nguyên nhân của việc cháy, nổ thì rất nhiều nhưng chủ yếu là do cháy làm cho nhiệt ñộ trong bình tăng lên, áp suất tăng theo, ñộ bền của vỏ bình không chịu nổi áp suất chứa bên trong. Vì vậy việc nghiên cứu thay thế bình khí nén bằng vật liệu truyền thống (thép Carbon) càng trở nên cấp thiết, việc chế tạo vật liệu composite thành công sẽ mang lại nhiều ưu ñiểm như: - Nhẹ - ðộ bền cao - Vận hành an toàn - Không bị nổ khi xảy ra hỏa hoạn 5