Nghiên cứu sự cháy nhiên liệu thể khí (Gas) Nguyễn Văn Sơn 1 CHÁY NHIÊN LIỆU THỂ KHÍ. 1 Sự bắt cháy của hỗn hợp khí và lý thuyết tự cháy. Quá trình cháy xảy ra qua hai giai đoạng: Giai đoạn bắt lửa và giai đoạn cháy kiệt. Giai đoạn bắt lửa là giai đoạn chuẩn bị cho quá trình cháy. Ởgiai đoạn này chất cháy và chất ô y hoá tiến hành phản ứng oxy hoá chậm chạp không ngừng tíchlỹ nhiệt lượng và các phân tử hoạt tính, đến lúc nào đó nhiên liệu sẽ bắt cháy. Xét về mặt nhiệt động hoá học, có hai loại bắt lửa: bắt lửa nhiệt và bắt lửa dây chyền hoá học. Trường hợp bắt lửa nhiệt thì hoặc là bản thân chất cháy, bản thân phản ứng o xy hoá chậm chạp sinh nhiệt hoặc do một nguồn nhiệt bên ngoài cung cấp làm cho nhiệt độ toàn dung tích khí tăng lên nhanh từ đó tích lũy nhiệt càng nhiều hơn, cuối cùng dẫn đến bắt cháy. Phản ứng lúc đó với tốc độ nhanh không thể khống chế gọi là nổ. Trong trường hợp bắt lửa dây chuyền hoá học thì do một nguyênnhân nào đó mà trong chất cháy tồn thại chất mang hoá trị, đặc biệt là lúc tốc độ sản sinh chất mang hoá trị lớn hơn nhiều tốc độ tắt hoá trị, do vậy chất mang hoá trị sẽ sản sinh ra ngày càng nhiều. Phản ứng dây chuyền này có tốc độ rất lớn và tạo nên quá trình bắt lửa. Xét về mặt kỹ thuật, bắt lửa có hai loại: tự bắt lửa và mồi lửa. Tự bắt lửa là quá trình bắt cháy tự nhiên. Ở một điều kiện nhất định, trên cơ sở phản ứng oxy hoá chậm chạp, nhiệt lượng sinh ra làm cho nhiệt độ chất cháy tăng lên. Trong điều kiện tốc độ phản ứng sinh nhiệt tăng hơn tốc độ phản ứng hấp thụ nhiệt thì đến lúc nào đó toàn bộ hỗn hợp chất cháy sẽ đồng thời bắt lửa. Các kho, bãi dự trữ than, hoặc hỗn hợp cháy đều có thể xảy ra tự bắt cháy. Mồi lửa cưỡng bức, nhờ một nguồn nhiệt bên ngoài ví dụ tia lửa điện, bề mặt vật rắn có nhiệt độ rất cao, ngọn lửa nhỏ. Những nguồn nhiệt này khi tiếp cận với hỗn hợp chất cháy thì cục bộ sẽ nâng cao nhiệt độ tới nhiệt độ khí cháy. Trong kỹ thuật thì bắt lửa chủ yếu là bắt lửa cưỡng bức, ví dụ bắt lửa của dòng bột than và không khí trong buồng lửa, của hỗn hợp dầu và không khí trong động cơ đốt trong. 2 Giới hạn cháy Trong quá trình thiết kế các thiết bị cháy, người ta luôn mong muốn nhiên liệu sớm bắt cháy và cháy ổn định. Đồng thời không mong muốn các trường hợp bắt lửa quá sớm, quá muộn, nổ hoặc tắt lửa. Bởi vậy ta cần phải nghiên cứu với điều kiện áp suất, nhiệt độ, thành phần hỗn hợp như thế nào thì sẽ xảy ra sự bắt cháy. Nghiên cứu sự cháy nhiên liệu thể khí (Gas) Nguyễn Văn Sơn 2 Trong thực tế phương pháp mồi lửa thông thường (ví dụ-nồi hơi) là dùng ngọn lửa có nhiệt độ cao đưa vào hỗn hợp khí cháy, làm cho nhiệt độ cục bộ nâng cao, lúc đó (dT/dτ) w >0 và nhiệt độ nhanh chóng đạt tới T C . Song như vậy không có nghĩa là đã có thể đã bắt cháy được. Bởi vì có thể duy trì T C được trong khoảng thời gian đủ dài hay không còn phụ thuộc và các yếu tố khác. Để đảm bảo hỗn hợp cháy có thể bắt lửa, không những yêu cầu vật nóng có nhiệt độ nhất định mà còn đòi hỏi có một khoảng thời gian tiếp xúc của vật nóng với hỗn hợp khí cháy. Khoảng thời gian tối thiểu đó được gọi là thời gian tới hạn bắt lửa τ C . Mối quan hệ giữa Tf, Tc và τ C được bìêu thị trên hình 2.1 Hình 2.1 Quan hệ giữa Tf, Tc và τ C Trong thực tế quá trình mồi lửa là quá trình không ổn định, nồng độ và nhiệt độ đều biến đổi theo thời gian. Hình 2.2 biểu thị quan hệ giữa năng lượng và tỷ lệ hỗn hợp giữa các chất cháy và không khí. Nghiên cứu sự cháy nhiên liệu thể khí (Gas) Nguyễn Văn Sơn 3 Hình 2.2: Giới hạn bắt cháy Từ đồ thị ta thấy đường cong giới hạn có thể cháy được của hỗn hợp nhiên liệu không khí là đường chữ U. Phía trong hình chữ U là vùng có thể bắt lửa, phía ngoài hình chữ U là vùng không thể bắt lửa. Giới hạn trên và giới hạn dưới là đặc tính tổ hợp của hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Nếu năng lượng mồi lửa tương đối nhỏ thì phạm vi có thể cháy tương đối hẹp. Lúc tỳ lệ giữa nhiên liệu và không khí bằng tỷ lệ hợp thức thì năng lượng là nhỏ nhất (E min ). Nói một cách khác, sẽ tồn tại một giới hạn dưới (nghèo) và một giới hạn trên (giàu) về tỷ lệ giữa hỗn hợp nhiên liệu và không khí. Tương ứng với đường tiếp tuyến (đường nét đứt) l và r. Khoảng cách từ l đến r được gọi là nồng độ giới hạn nhiên liệu cháy được dưới điều kiện năng lượng mồi lửa bão hoà, gọi tắt là giới hạn có thể cháy được. 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến giới hạn cháy 3.1 Ảnh hưởng của áp suất. Ví dụ hỗn hợp C 2 H 2 với O 2 và C 2 H 2 với không khí. Ta thấy: Khi áp suất p=1.10 5 Pa thì giới hạn nồng độ là 3% tới 11 %. Khi áp suất p=0.5.10 5 Pa thì giới hạn nồng độ là 4% tới 10 %. Khi áp suất p=0.2.10 5 Pa thì giới hạn nồng độ là 5% tới 8.2 %. Nghiên cứu sự cháy nhiên liệu thể khí (Gas) Nguyễn Văn Sơn 4 Áp suất hạ tới một gía trị nào đó thì ở dưới điều kiện nồng độ nào đi nữa, cho dù năng lượng bắt lửa lớn đến mấy cũng không thể tạo nên sự bắt lửa. Hình 2.3 Quan hệ gữa áp suất và nồng độ hỗn hợp C 2 H 2 trong không khí Hình 2.3 trình bày mối quan hệ giữa áp suất và nồng độ hỗn hợp C 2 H 2 trong không khí. Hình 2.4 trình bày giới hạn cháy của hỗn hợp CO với O 2 và H 2 với không khí. Nghiên cứu sự cháy nhiên liệu thể khí (Gas) Nguyễn Văn Sơn 5 Hình 2.4: Giới hạn cháy củqa hỗn hợp CO với O 2 và H 2 với không khí 3.2 Ảnh hưởng của tốc độ dòng hỗn hợp chất cháy và không khí xung quanh vật mồi lửa. Tốc độ dòng càng lớn thì tổn thất truyền nhiệt càng lớn. 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu của hỗn hợp khí cháy và không khí. Quan hệ giữa nhiệt độ ban đầu T 0 với giới hạn cháy được trình bày trên hình 2.5. Nó phản ánh yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu đến sự sinh nhiệt do phản ứng sinh ra và tổn thất tản nhiệt. Nghiên cứu sự cháy nhiên liệu thể khí (Gas) Nguyễn Văn Sơn 6 Hình 2.5: Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu tới giới hạn cháy 3.4 Ảnh hưởng của chất phụ trợ Thực nghiệm cho thấy nếu cho chất trơ vào trong hỗn hợp chất cháy sẽ làm phạm vi có thể cháy được bị thu hẹp lại và chủ yếu ảnh hưởng đến giới hạn trên là chính. Chất trơ là giá trị tới hạn trên giảm xuống, còn đối với giới hạn dưới thì ảnh hưởng không rõ ràng. Điều cần phải chỉ rõ là chất khí trơ làm cho giới hạn bắt đầu cháy thu hẹp lại cho đến lức có thể cháy được, điều này hết sức quan trọng đối với việc đề phòng hoả hoạn. Các chất khí trơ khác nhau có các đặc tính dẫn nhiệt và nhiệt dung khác nhau. . Nghiên cứu sự cháy nhiên liệu thể khí (Gas) Nguyễn Văn Sơn 1 CHÁY NHIÊN LIỆU THỂ KHÍ. 1 Sự bắt cháy của hỗn hợp khí và lý thuyết tự cháy. Quá trình cháy xảy ra qua hai. cháy và không khí. Nghiên cứu sự cháy nhiên liệu thể khí (Gas) Nguyễn Văn Sơn 3 Hình 2.2: Giới hạn bắt cháy Từ đồ thị ta thấy đường cong giới hạn có thể cháy được của hỗn hợp nhiên liệu. lửa. Bởi vậy ta cần phải nghiên cứu với điều kiện áp suất, nhiệt độ, thành phần hỗn hợp như thế nào thì sẽ xảy ra sự bắt cháy. Nghiên cứu sự cháy nhiên liệu thể khí (Gas) Nguyễn Văn Sơn 2