Kỹ thuật cháy - P5

CÁC NỘI DUNG CƠ BẢN Chương 1. Đại cương về buồng lửa Chương 2. Nhiên liệu và quá trình cháy nhiên liệu Chương 3. Kỹ thuật cháy nhiên liệu khí Chương 4. Kỹ thuật cháy dầu Chương 5. Kỹ thuật cháy tha

3.4 Đặc điểm cháy nhiên liệu lỏng

Quá trình cháy nhiên liệu lỏng trong dòng là một tổ hợp của nhiều hiện tượng phức tạp như quá trình phun bụi, đốt nóng, bốc hơi nhiên liệu, tạo thành hỗn hợp giữa hơi của nhiên liệu với chất oxy hoá, bốc cháy và cháy các hyđrôcacbua và cuối cùng là sự cháy kiệt cacbon mồ hóng

Khi nhiên liệu lỏng được phun dòng các hạt sương mịn, để đơn giản có thể coi một cách gần đúng quá trình cháy của nhiên liệu lỏng trong dòng chất oxy hoá xảy ra theo sơ đồ tương tự sơ đồ cháy nhiên liệu khí, vì oxy phản ứng với hơi của nhiên liệu có trạng thái gần như thể khí, tất nhiên quá trình này có một số đặc điểm riêng sau đây :

Dòng nhiên liệu lỏng được phun thành bụi là hệ không đồng nhất, gồm các hạt nhiên liệu lỏng, hơi nhiên liệu, oxy, nitơ của không khí và các sản phẩm cháy

Cũng giống như trường hợp đốt nhiên liệu khí là không có sự pha trộn sơ bộ khí với không khí, ở đây hơi bốc ra từ các giọt nhiên liệu lỏng được phun bụi tạo nên những khối hơi nhiên liệu Kích thước của chúng là hàm số phụ thuộc vào những điều kiện biên của quá trình cấp nhiên liệu vào buồng đốt, vào khoảng cách

từ vị trí đang khảo sát đến tiết diện đầu của buồng lửa, vào tiêu chuẩn Reynold (mức độ chuyển động) và vào mức độ cháy kiệt nhiên liệu

Tuy nhiên khác với quá trình cháy kiệt các khối nhiên liệu khí, khi đốt nhiên liệu lỏng phun thành sương trong trường hợp tổng quát thì ngoài pha hơi còn

có cả pha lỏng tồn tại xung quanh pha hơi Vì thế nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu lỏng trong dòng chất oxy hoá không thể nghiên cứu riêng biệt từng hiện tượng một (ví dụ sự bốc hơi) mà phải nghiên cứu tổng thể có kể đến sự bốc hơi, trao đổi chất, động học cháy và trao đổi nhiệt

3.4.1 Quá trình cháy một giọt nhiên liệu lỏng

Để nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu cháy theo dòng, trước hết ta nghiên cứu quá trình bốc cháy của giọt nhiên liệu lỏng riêng biệt trong không gian tự do

được đốt nóng đến nhiệt độ tự bốc cháy

Hình.3.6 cho sơ đồ của một giọt nhiên liệu lỏng bốc hơi ở đây lớp a là lớp hơi bốc ra từ nhiên liệu, lớp b gồm hơi của nhiên liệu và một lượng nhỏ oxy, ở trên biên ngoài của lớp này nồng độ chất cháy tương ứng với giới hạn trên của nồng độ bốc cháy Trong phạm vi từ lớp b đến lớp c là hỗn hợp có khả năng lan truyền ngọn lửa và có nồng độ thích hợp nhất cho quá trình cháy, biên ngoài của lớp c là bề mặt

mà trên đó thành phần của hỗn hợp tương ứng với giới hạn dưới của sự bốc cháy

a b c d

Ngoài giới hạn của lớp c là lớp d, ở đây hỗn hợp chứa một lượng nhỏ chất cháy do

đó không có khả năng bốc cháy

Hình 3.6 Sơ đồ của giọt bốc hơi

trong môi trường tĩnh)

1 Giới hạn trên của biên độ bốc cháy

2 Giới hạn dưới

ở thời điểm ban đầu, khi giọt được dịch chuyển vào môi trường hỗn hợp đã

đốt nóng đến nhiệt độ cao, giọt lỏng sẽ được đốt nóng dần đến nhiệt độ sôi ở áp suất tương ứng và giọt lỏng sẽ bốc hơi vào trong không khí, sẽ pha trộn với Oxy tạo thành hỗn hợp có nồng độ thích hợp và bốc cháy Thực nghiệm đã xác định rằng quá trình bốc cháy của giọt xảy ra trước khi bề mặt giọt đạt được nhiệt độ cân bằng ở lớp c nồng độ oxy tăng lên theo hướng từ điểm 1 đến điểm 2

Quá trình tự bốc cháy có thể xảy ra trên bề mặt bên ngoài (điểm 2) và quá trình cháy sẽ được lan truyền từ lớp này đến lớp khác cho đến bề mặt 1, sau đó ngọn lửa không thể dịch chuyển được nữa vì nồng độ chất cháy cao hơn giới hạn trên của sự bốc cháy Sau khi bốc cháy, tốc độ bốc hơi tăng lên rất mạnh và từ lúc

đó ngọn lửa được tồn tại cho đến khi bốc hơi hoàn toàn các giọt lỏng thì kết thúc quá trình cháy

ở trạng thái ổn định, quá trình cháy được đặc trưng bởi 2 quá trình có liên

hệ tương hỗ là quá trình bốc hơi của chất cháy nhờ nhận nhiệt bức xạ từ ngọn lửa

và quá trình cháy của hỗn hợp khí + không khí ở gần bề mặt giọt lỏng Khi quá trình cháy ổn định, tốc độ bốc hơi và tốc độ cháy cần phải bằng nhau Tuy nhiên những quy luật của quá trình tổng sẽ khác nhau tuỳ thuộc vào quá trình nào trong 2 quá trình trên mạnh hơn

Quá trình cháy nhiên liệu lỏng thực chất là quá trình cháy hơi bốc ra từ giọt nhiên liệu lỏng, nên tốc độ cháy sẽ phụ thuộc rất nhiều vào tốc độ bốc hơi các giọt lỏng Vì vậy quá trình cháy nhiên liệu lỏng, một mặt là quá trình cháy lượng hơi bốc ra từ nó, có nghĩa nó là quá trình hoá học đồng thể, mặt khác tốc độ của quá

trình cháy được xác định bởi tốc độ của quá trình trao đổi nhiệt kèm theo sự bốc hơi trên bề mặt chất lỏng, nghĩa là quá trình vật lý dị thể

Sơ đồ dạng khảo sát giọt lỏng bốc hơi chỉ đặc trưng đối với giọt nằm yên so với dòng không khí xung quanh hoặc chuyển động cùng với tốc độ của dòng không khí (tốc độ tương đối bằng không)

Trong trường hợp này giọt chất lỏng bị bao bọc hoàn toàn bởi mặt cháy hình cầu có bán kính lớn hơn bán kính giọt khoảng 10 lần, nghĩa là diện tích bề mặt cháy lớn hơn diện tích bề mặt giọt khoảng 10 lần, trong khi đó quá trình cháy hạt nhiên liệu rắn thì phản ứng cháy thực tế xảy ra ngay trên bề mặt hạt Vì diện tích

bề mặt cháy lớn hơn cho nên tốc độ cháy giọt chất lỏng lớn hơn nhiều lần so với tốc độ cháy của hạt nhiên liệu rắn có cùng kích thước

Nếu giọt nhiên liệu lỏng chuyển động với một tốc độ tương đối nào đó so với dòng không khí, thì sơ đồ cháy của giọt sẽ thay đổi hẳn Dòng không khí kéo theo liên tục hơi của chất lỏng được hình thành trên bề mặt giọt và ở phần sau của giọt xẩy ra sự pha trộn và phân hủy hơi này, do đó ta thu được hỗn hợp cháy đồng thể Nếu đốt hỗn hợp này thì nó sẽ cháy ở phía sau giọt và tạo ra đuôi lửa cho nên giọt bay sẽ không cháy mà chỉ bốc hơi, chỉ có hơi của giọt trộn với oxy của không khí là được cháy

Hiện nay chưa có lý thuyết nào cho phép tính toán hoàn chỉnh với độ chính xác cao để tính thời gian cháy giọt nhiên liệu riêng lẻ cũng như một tập hợp các giọt trong ngọn lửa

Việc tính tốc độ cháy giọt nhiên liệu lỏng là tính toán sự bốc hơi từ bề mặt giọt do nhận nhiệt từ vùng cháy Trong quá trình cháy, giọt lỏng bốc hơi và giảm thể tích liên tục, hơi bốc ra sẽ hỗn hợp với không khí tạo nên hỗn hợp cháy và bốc cháy Thời gian dτ để giọt cháy bị giảm thể tích đi một lượng dv có thể tìm trên cơ

sở phương trình cân bằng nhiệt sau :

qFdτ=ρ[Cg(ts ưto)+ϕ]dV (3-23)

mà :

F

dV

= dr

do đó:

0 0

s g

r q

t t C

ρ

=

τ (3-24) Trong đó :

q – Nhiệt lượng mà 1 đơn vị diện tích bề mặt giọt thu được từ miền cháy

ρ- Khối lượng riêng của nhiên liệu lỏng

ts - Nhiệt độ sôi của nhiên liệu lỏng

t0 - Nhiệt độ ban đầu của nhiên liệu lỏng

Cg - Nhiệt dung riêng trung bình của nhiên liệu lỏng

ϕ- Nhiệt ẩn hóa hơi của nhiên liệu lỏng

r - Bán kính giọt

F - Diện tích bề mặt giọt

Từ phương trình (3-24) ta suy ra thời gian cháy hoàn toàn giọt nhiên liệu lỏng bằng :

0 g

0 s r

0

g o s

r q

C t t dr q

C t t

= ϕ +

ư ρ

=

trong đó : r0 – bán kính ban đầu của giọt

Khi dùng phương pháp này có những khó khăn trong việc xác định giá trị q, bởi vì lượng nhiệt giọt nhận được từ miền cháy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : Mức độ đốt nóng sơ bộ nhiên liệu và chất oxy hoá, kích thước giọt, độ rối của dòng, nồng độ chất oxy hoá trong dòng v.v

XuTpuuH đã đã đề nghị một phương pháp tính thời gian cháy giọt với giả thiết rằng trao đổi nhiệt giữa giọt và môi trường xung quanh chỉ do đối lưu Trong trường hợp đơn giản Nu = 2 tác giả đã rút ra một công thức phản ánh đúng về mặt chất lượng ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau đến thời gian cháy giọt

ϕ ρ

= τ

0 s

2 0

t t 2

r

.

(3-26)

Trong đó : ρ - là khối lượng riêng của giọt chất lỏng

ϕ - nhiệt ẩm hoá hơi

λ - hệ số dẫn nhiệt của môi trường không khí

t0 và ts - nhiệt độ của môi trường và nhiệt độ sôi của chất lỏng

r0 - bán kính ban đầu của giọt Trong trường hợp tổng quát khi phải tính toán Nu = f(Re) thì công việc sẽ rất phức tạp Ngoài ra còn có một số phương pháp khác để tính thời gian cháy giọt nhiên liệu lỏng, nhưng không trình bày ở đây

3.4.2 Quá trình cháy dòng nhiên liệu lỏng đã được phun thành sương

Như đã phân tích ở trên, quá trình cháy dòng nhiên liệu lỏng phun thành sương khác xa so với cháy từng giọt nhiên liệu, ở đây ta chỉ giới hạn nghiên cứu quá trình cháy nhiên liệu lỏng trong ngọn lửa thẳng không xoắn

(Hình 1.7 Cơ cấu ngọn lửa thẳng của nhiên liệu lỏng)

Không khí cần thiết cho quá trình cháy được dẫn vào ống lót của vòi phun, dòng không khí pha trộn với các giọt nhiên liệu lỏng đã được phun thành sương

mù, tạo ra trong buồng lửa một dòng tràn ngập không đẳng nhiệt Dòng hỗn hợp khi lan truyền được sấy nóng do hút sản phẩm cháy có nhiệt độ cao từ môi trường xung quanh vào, từ đó các giọt nhỏ nhiên liệu lỏng sẽ được sấy nóng và bốc hơi nhờ nhận nhiệt theo các phương thức sau đây :

1 Trao đổi nhiệt đối lưu trong dòng khuếch tán rối giữa các giọt nhiên liệu

và khí nóng (không khí và khói)

2 Bức xạ nhiệt của ngọn lửa, của khói buồng lửa và của tường lò nóng đỏ Quá trình sấy nóng dòng xảy ra mạnh nhất trên chu vi dòng, do đó tạo điều kiện bốc hơi rất mạnh các giọt nằm trên biên dòng Các giọt nhiên liệu nằm trong phần giữa của dòng được đốt nóng và bốc hơi chậm hơn, khi chúng đã chuyển

động được một khoảng cách nhất định dọc theo trục của dòng trước khi bốc hơi hoàn toàn, vì vậy ngọn lửa thường có dạng hình côn

Quá trình bốc cháy của dòng xảy ra không phải ngay lập tức sau khi ra khỏi vòi phun, mà xẩy ra ở mặt cắt cách mặt cắt tiết diện ra của vòi phun một khoảng cách nhất định, ở chỗ mà bắt đầu đạt được điều kiện thích hợp cho sự bốc cháy, nghĩa là tại đó hỗn hợp nhiên liệu và oxy đạt được tỷ lệ hợp lý và có nhiệt độ đủ cao Những điều kiện như vậy trước hết có trên chu vi của dòng và ở tiết diện cách

xa một khoảng nào đó từ mặt cắt miệng ra của vòi phun, ở đó hỗn hợp bốc cháy và tạo ra ngọn lửa Điều này có thể giải thích như sau:

ở đoạn đầu của dòng, các giọt nhiên liệu đã được phun thành sương mù có tốc độ tương đối lớn, lúc đầu khi kích thước của giọt lớn thì tốc độ của giọt có thể khác tốc độ của dòng nên các phần tử hơi bốc ra từ các giọt sẽ bị thổi khỏi bề mặt giọt và pha trộn với không khí tạo thành hỗn hợp cháy Khi kích thước giọt đã giảm, các giọt có kích thước nhỏ (đường kính các giọt bằng 0,010 ữ 0,20mm) thì

có quán tính nhỏ, vì vậy mà chuyển động tương đối của các giọt sẽ bị dòng hãm lại rất nhanh và các giọt sẽ có tốc độ bằng tốc độ dòng ; trong những trường hợp đó,

hơi sẽ không bị thổi khỏi bề mặt giọt mà sẽ tạo thành một màng hơi bao quanh

giọt

Quá trình bốc cháy dòng có thể xảy ra một mặt do bốc cháy hỗn hợp của hơi và

chất oxy hóa nằm giữa các giọt đồng thời cả do bốc cháy hỗn hợp nằm bao xung

quanh các giọt Ngọn lửa được lan truyền sâu vào dòng từ các trung tâm cháy sinh

ra trên biên của dòng

ở dòng rối, khi đạt được sự cân bằng giữa tốc độ trung bình của hỗn hợp

hơi + khí với tốc độ của các giọt nhiên liệu lỏng thì có hiện tượng đập mạch rối tác

dụng lên giọt, do đó tạo điều kiện tăng cường trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa

giọt với môi trường xung quanh và dẫn đến tăng tốc độ cháy so với trường hợp

khuếch tán (dịch chuyển) phân tử Đập mạch rối có ảnh hưởng rất lớn đến quá

trình cháy các giọt có kích thước lớn và ảnh hưởng ở mức độ rất nhỏ đến quá trình

cháy của các giọt nhỏ Đồng thời khi cháy giọt trong dòng rối thì tốc độ của dòng

và của giọt ít khác nhau hơn so với quá trình cháy giọt trong môi trường tĩnh Đối

với môi trường tĩnh chỉ có khuếch tán phân tử thuần tuý và suất tốc độ cháy (là

lượng chất lỏng cháy trên một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian) tỷ lệ

nghịch với đường kính giọt

Để chuẩn bị cho nhiên liệu lỏng bốc cháy thì cần phải làm bốc hơi, sấy

nóng hơi nhiên liệu và cung cấp một phần không khí nóng và tạo nên hỗn hợp,

nâng nhiệt độ hỗn hợp đến nhiệt độ tự bốc cháy Lượng nhiệt cần thiết khi đó có

thể tính theo công thức :

0 s

f h g 0 s nl

q = ư +ϕ + ư + α ư [kcal/kg] Trong đó :

Cnl - nhiệt dung riêng trung bình của nhiên liệu ở nhiệt độ sôi

(đối với madut, Cnl = 0,67 kcal/kg0K ở tk = 3250K)

Ch - nhiệt dung riêng của hơi nhiên liệu, đối với madut Ch = 0,3 kcal/kg0K

Ckk – nhiệt dung riêng của không khí Ckk = 0,31 kcal/kg0K

g

ϕ - nhiệt ẩn hoá hơi của nhiên liệu lỏng, đoối với madut ϕg– 85kcal/kg

ts - nhiệt độ sôi của nhiên liệu lỏng, đối với madut ts = 3250C

t0 - nhiệt độ nhiên liệu lỏng cấp vào buồng lửa, đối với madut t0 = 70 ữ 900C

tf - nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu lỏng, đối với madut tf = 6000C

tkk = nhiệt độ không khí cấp vào buồng lửa [0C]

α - hệ số không khí thừa

V0

kk - lượng không khí lý thuyết cần để cháy hoàn toàn 1kg nhiên liệu lỏng [m3/kg],

k – hệ số kể đến phần không khí cần thiết để bắt đầu phản ứng mạnh,

thường k = 0,25

Đối với mazut thì nhiệt lượng cần thiết để hoạt hóa ngọn lửa thường từ 600

ữ 900kcal/kg, nghĩa là đến 10% nhiệt trị của nhiên liệu

3.4.2.1 Mặt bốc cháy:

Mặt bốc cháy của ngọn lửa nhiên liệu lỏng dao động mạnh và có đặc tính

đập mạch Các giọt kích thước nhỏ sẽ bốc hơi trước và tạo thành hơi, các giọt có kích thước trung bình và kích thước lớn chưa kịp bốc hơi trước lúc sinh ra mặt ngọn lửa, các giọt này sẽ chuyển động ra mặt chắn trước của ngọn lửa (mặt bốc cháy) ở đây chúng chịu tác dụng đốt nóng mạnh hơn của mặt ngọn lửa đã hình thành và bắt đầu bốc hơi nhanh, hơi sẽ pha trộn với chất oxy hóa tạo thành hỗn hợp, xẩy ra quá trình oxy hóa và phân hủy nhiệt của các phân tử và chúng sẽ xâm nhập vào vùng cháy theo toàn bộ chiều dài ngọn lửa

Tốc độ lan truyền ngọn lửa được xác định bởi mức độ tạo thành và nhận nhiệt của hỗn hợp nhiên liệu - không khí và bởi nhiệt độ của hỗn hợp đó Tốc độ bình thường của quá trình lan truyền ngọn lửa đối với mazut có giá trị bằng khoảng 2ữ3m/s

Vị trí của miền bốc cháy trong ngọn lửa được xác định bởi sự cân bằng giữa tốc độ lan truyền ngọn lửa và tốc độ của dòng Vì thế tùy thuộc vào cấu trúc khí

động của dòng mà mặt bốc cháy sẽ được ổn định ở những vị trí có khoảng cách khác nhau tính từ mặt cắt của vòi phun

Khi tăng tốc độ lan truyền của ngọn lửa (hoặc giảm tốc độ dòng nhiên liệu) thì miền bốc cháy sẽ tiến gần lại vòi phun và ngược lại khi giảm tốc độ lan truyền ngọn lửa thì miền bốc cháy sẽ chuyển động theo hướng xa dần vòi phun Khi tốc

độ lan truyền ngọn lửa giảm xuống quá thấp hoặc tốc độ chuyển động của dòng nhiên liệu, không khí khá cao thì có thể xảy ra hiện tượng đứt ngọn lửa

Khi cấp một lượng quá lớn không khí lạnh đến phần đầu của ngọn lửa cũng

có thể dẫn đến hiện tượng đứt ngọn lửa khỏi vòi phun, điều đó cũng có nghĩa là khi làm lạnh miền bốc cháy quá nhiều thì có thể làm tắt quá trình cháy

3.4.2.2 ổn định ngọn lửa:

Ngọn lửa của nhiên liệu lỏng được phun thành sương ổn định hơn ngọn lửa

đồng thể (đồng nhất) khi xác định theo giới hạn dưới của quá trình bốc cháy Sỡ dĩ như vậy vì có sự tương tác giữa các giọt đang cháy và các giọt chưa cháy trong dòng Những giọt đang cháy chính là nguồn cấp nhiệt để sấy những giọt chưa cháy Khi bốc hơi, các giọt chuyển động trong dòng với tốc độ tương đối bằng không, sẽ sinh ra trước hết ở xung quanh các giọt một hỗn hợp hơi + không khí mà nồng độ của chúng cao hơn nồng độ giới hạn dưới của quá trình bốc cháy và sẽ bốc cháy Những giọt cháy này lại làm bốc cháy những giọt chưa cháy bên cạnh và

tạo ra quá trình cháy ổn định Hơi của nhiên liệu nằm trong không gian giữa các giọt sẽ khuếch tán vào mặt ngọn lửa xung quanh các giọt và cháy trong đó

3.4.2.3 Không khí Cấp I và Cấp II :

Hình 1.8 Các phương pháp cấp không khí cấp I và cấp II

a Cháy trong buồng thẳng

b Cháy có dùng buồng lửa đặt trước bằng gạch

c Cháy trong dòng xoáy

Để giảm kích thước của vùng ở phía trước ngọn lửa và đưa mặt bốc cháy

đến gần vòi phun thì ta không cấp tất cả không khí đến miền bốc hơi sơ bộ mà chỉ

đưa vào miền này một phần không khí cần cho việc tạo thành nhanh hỗn hợp ban

đầu, phần này gọi là không khí cấp I Phần không khí còn lại, phải cấp cho quá trình cháy gọi là không khí cấp II, được đưa ra phía sau mặt cháy để cung cấp cho quá trình cháy và tiếp tục quá trình tạo thành hỗn hợp, bảo đảm cho quá trình xảy

ra hoàn toàn Ví dụ : việc cấp không khí cấp I và cấp II cho quá trình cháy khi đốt nhiên liệu lỏng theo dạng ngọn lửa được cho trong (hình 3.8)