Bài giảng Lý thuyết cháy

Bài giảng Lý thuyết cháy TS BÙI TUYÊN

LÝ THUYẾT CHÁY

(Combustion: Theory and Equipment)

TS Bùi Tuyên

1/ Tên học phần: Lý thuyết cháy

2/ Số đơn vị học trình: 02 (30 tiết)

3/ Trình độ sinh viên: năm thứ 3, 4

4/ Phân phối thời gian: Lý thuyết: 28 tiết, Thí nghiệm: 2 tiết?

5/ Môn học trước: Nhiệt động, Truyền nhiệt

6/ Mô tả học phần:

Môn học này giới thiệu về cơ sở nhiệt động hóa học liên quan đến tốc độ phản ứng cháy; cơ chế tự bắt lửa và mồi lửa của hỗn hợp khí, quá trình lan truyền ngọn lửa trong hỗn hợp trước, ngọn lửa trong dòng và sự ổn định của ngọn lửa; quá trình đốt cháy các loại nhiên liệu lỏng và rắn Ngoài ra, các loại thiết bị đốt công nghiệp cũng được giới thiệu qua

7/ Mục tiêu học phần:

Hiểu và biết cách phân tích để lựa chọn phương pháp đốt cháy có hiệu quả đối với từng loại thiết bị và từng loại nhiên liệu

8/ Nhiệm vụ sinh viên:

- Dự lớp: tham dự trên 80% thời gian để đủ điều kiện dự thi

- Tham gia thí nghiệm

9/ Tài liệu học tập:

Trần Gia Mỹ, Kỹ thuật cháy, NXB KH&KT, Hà Nội 2005

Nguyễn Sĩ Mão, Lý thuyết và Thiết bị cháy, NXB KH&KT Hà Nội, 2002

10/ Đánh giá kết quả họ:

- Thi giữa kỳ: chiếm 40% điểm đánh giá

-Thi cuối học kỳ: chiếm 60% điểm đánh giá

12/ Nội dung môn học:

Chương 1 Cơ sở nhiệt hóa học (8 tiết)

1.1 Giới thiệu về nhiệt-hĩa

1.2 Tốc độ phản ứng hoá học

1.3 Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng hoá học

1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng hoá học

1.5 Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ phản ứng hoá học

1.6 Phản ứng dây chuyền

1.7 Cân bằng hoá học

1.8 Enthalpy tạo chất

1.9 Enthalpy phản ứng hoá học

1.10 Enthalpy phản ứng cháy

1.11 Định luật Lavoisier về nhiệt phản ứng

1.12 Định luật Hess về tổng nhiệt năng các bước phản ứng 1.13 Nhiên liệu

Chương 2 Vật lý quá trình cháy (6 tiết)

2.1 Định luật Newton về độ nhớt

2.2 Định luật Fick về khuếch tán

2.3 Khái niệm về lớp biên

2.4 Truyền nhiệt qua lớp biên

2.5 Các định luật bảo toàn

Chương 3 Cháy nhiên liệu khí (8 tiết)

3.1 Phân loại ngọn lửa

3.2 Mồi lửa và lửa mồi

3.3 Giới hạn nồng độ bắt lửa; mặt nguội

3.4 Sự lan truyền ngọn lửa

3.4 Oån định ngọn lửa

3.5 Tính lượng không khí lý thuyết và lượng khói

3.6 Các bộ đốt gas

Chương 4: Cháy nhiên liệu lỏng (4 tiết)

4.1 Đặc điểm cháy nhiên liệu lỏng

4.2 Nhiệt độ chớp cháy và nhiệt độ bắt lửa

4.3 Cháy giọt nhiên liệu lỏng

4.4 Biến bụi dầu

4.3 Các vòi đốt dầu công nghiệp

Chương 5 Cháy nhiên liệu rắn (4 tiết)

5.1 Giới thiệu chung

5.2 Tính chất nhiên liệu rắn

5.3 Tính toán lượng không khí lý thuyết và khói

5.4 Nghiền than

5.5 Các buồng đốt than

Chương 1 CƠ SỞ NHIỆT ĐỘNG HÓA HỌC

1.1 Giới thiệu về nhiệt hố (thermochemistry)

Nhiệt động của hỗn hợp khí khơng phản ứng

Hỗn hợp các chất khí khơng phản ứng hố học với nhau (hỗn hợp cơ học tức là trộn lẫn thuần tuý,

ví dụ khơng khí quanh ta) tuân theo định luật Gibbs-Dalton như sau:

a Áp suất của hỗn hợp bằng tổng áp suất riêng phần của từng chất khí thành phần nếu như chỉ mình khí đĩ chiếm nguyên thể tích hỗn hợp ở cùng nhiệt độ Áp suất riêng cịn gọi là phân áp suất

entropy của các khí thành phần nếu như chỉ mình khí đĩ chiếm nguyên thể tích hỗn hợp ở cùng nhiệt độ

Giả sử ta cĩ a,b,c…i loại chất khí lý tưởng trộn cơ học với nhau, số kmol tương ứng là na, nb…ni Hỗn hợp này ở áp suất p, nhiệt độ T và chiếm thể tích V Hỗn hợp tuân theo phương trình khí lý tưởng: pV=nRT trong đĩ n là số kmol của hỗn hợp

n = na + nb + … ni

tức là đối với khí thành phần j bất kỳ thì phân áp suất của nó pj = njRT/V (là áp suất mà giá

như chỉ cĩ 1 mình khí j chiếm trọn thể tích của hỗn hợp V ở cùng nhiệt độ T)

Áp suất chung của hỗn hợp là

p = pa + pb + … + pi

Thành phần mol của từng khí là Xj = nj/n, suy ra Xa + Xb + … Xi = 1

Thể tích thành phần là như nhau: V = Va = Vb = … = Vi (mọi khí đếu khuyếch tán đều khắp thể

tích chung V, khơng quan trọng cĩ bao nhiêu loại khí trong hỗn hợp) Thể tích riêng phần hay

phân thể tích là khái niệm khác Đĩ là thể tích chất khí thứ i chiếm riêng nĩ khi ở áp suất và nhiệt

độ như của hỗn hợp

Hỗn hợp cơ học của các khí lý tưởng cĩ các tính chất của khí lý tưởng, tuân theo phương trình vạn năng (phổ biến) ở dạng (1) Các tính chất nhiệt học cụ thể (nhiệt dung riêng, khối lượng riêng ) của hỗn hợp phụ thuộc vào các khí thành phần, theo tỷ lệ mol

Chúng ta chỉ đo được các khí thành phần khi chưa có phản ứng hay trong các trạng thái cân bằng Lúc phản ứng hoá học đang xẩy ra thì có sự chuyển hoá liên tục từ chất này sang chất kia Đo các giá trị tức thời là rất khĩ Ta thường dùng các kiến thức nêu trên làm cơ sở để suy diễn

Nhiệt hố học nghiên cứu về năng lượng xuất hiện khi xẩy ra phản ứng hố học và gắn liền với phản ứng đĩ Đốt tờ giấy là một loại phản ứng hố học Nĩ phát ra nhiệt Ta cũng đốn được rằng đốt hai tờ giấy như nhau thì nhiệt lượng giải phĩng ra 2 lần nhiều hơn nhiệt khi đốt 1 tờ Cĩ những phản ứng khác thì tiêu hao nhiệt , khác hẳn với phản ứng cháy vừa nĩi Năng lượng của phản ứng

do vậy mà cĩ thể mang các dấu khác nhau Chi tiết ta sẽ nĩi ở dưới

1.2 Tốc độ phản ứng hoá học (Chemical reaction rate)

Tốc độ phản ứng hoá học biểu thị sự thay đổi nồng độ vật chất tham gia phản ứng (hay sản phẩm) trong 1 đơn vị thời gian

Ví dụ với phản ứng đơn giản A + B → E + F

Tốc độ phản ứng tức thời được định nghĩa và biểu thị (C cĩ gốc từ concentration):

tức là tốc độ tiêu hao các chất tham gia ban đầu hay là tốc độ xuất hiện các chất sản phẩm

Tuy nhiên, đối với phản ứng thuận, tiến trình phản ứng chỉ phụ thuộc vào các chất tham gia phản ứng, nhưng tốc độ phản ứng vẫn đo như trên

Trường hợp phản ứng cĩ dạng chung hơn:

aA + bB → pP + qQ Các hệ số a, b, p, và q là các hệ số cân bằng phương trình

Tốc độ phản ứng này ở áp suất khơng đổi được định nghĩa theo cơng thức:

(để ý cách viết thể hiện nồng độ)

Giá trị của tốc độ các phản ứng chỉ đo được qua thực nghiệm

1.3 Ảnh hưởng của nồng độ đến tốc độ phản ứng hố học

Tốc độ phản ứng bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, trước hết là vào bản chất của phản ứng

Khi phản ứng là của các chất đã biết, thuộc loại đã biết thì tốc độ phụ thuộc vào nồng độ, nhiệt độ,

áp suất, cấu hình và chất lượng bề mặt lị phản ứng, và các chất xúc tác

Định luật khối lượng tác dụng

Đơn giản trong phản ứng

aA + bB → eE + fF tốc độ phụ thuộc vào nồng độ các chất phản ứng, thông thường theo quan hệ (C cĩ gốc từ concentration, hoặc viết khác nhưng cũng cĩ nghĩa là nồng độ)):

v = k Cp

ACq

Sự phụ thuộc này nói chung là phi tuyến, tuy nhiên cĩ những trường hợp p=q=0 hay p=q=1

Hệ số k gọi là hệ số tốc độ phản ứng, k là hằng số nếu nhiệt độ không đổi, nó có 1 giá trị ở mỗi 1 nhiệt độ T=const

Bậc phản ứng

Trong phương trình (3) các giá trị p và q gọi là bậc phản ứng đối với chất A và B; p, q cĩ thể tương ứng bằng a, b nhưng khơng nhất thiết phải bằng Tổng các số mũ của các nồng độ gọi là bậc phản ứng chung n = p + q + …

Bậc phản ứng cĩ thể bằng khơng (zêrơ) tức là tốc độ phản ứng khơng phụ thuộc vào nồng độ (lượng) chất tham gia, chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ

Bậc phản ứng và hệ số tốc độ phản ứng đều phải xác định qua thực nghiệm Khơng cĩ phương pháp xác định giá trị của chúng bằng lý thuyết

Bậc phản ứng chung thường là lẻ thập phân, các phản ứng cháy có bậc trong khoảng 1,7 – 2,2

Phản ứng bậc 0 (zêrơ):

đây là 1 ptrình tuyến tính, dùng để xác định k1 qua thực nghiệm Qua 2 lần đo: C1 tại thời điểm

τ1 và C2 tại τ2 ta tính được k1 = (lnC1 - lnC2)/(τ2 – τ1)

Hầu hết các phản ứng cháy cĩ bậc phản ứng quanh giá trị này

Bậc phản ứng và hệ số tốc độ phản ứng đều phải xác định qua thực nghiệm

Rất ít các phản ứng có bậc cao hơn 2,5

1.4 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng hoá học

Nhiệt độ ảnh hưởng rất mạnh tới tốc độ phản ứng, chẳng hạn than (C) hầu như có tốc độ phản ứng bằng zero với oxy (O2) trong không khí ở nhiệt độ thường Tuy vậy, khi nhiệt độ tăng đến giá trị nào đó thì ta có phản ứng cháy với tốc độ khá nhanh Tốc độ phản ứng hoá học khi nhiệt độ tăng thay đổi theo các luật khác nhau tuỳ vào từng trương hợp cụ thể:

I – tăng, tỷ lệ vừa phải (thường gặp)

II - tăng rất nhanh

III - tăng rồi giảm

IV - tăng – giảm – tăng

V - giảm

Hệ số tốc độ phản ứng cho loại I (loại đơn giản và khá phổ biến) có quan hệ với tuân theo luật Arrhenius:

Trong đó k0 là hệ số tần suất (va đập); E là năng lượng hoạt hoá [J/mol]; R là hằng số chất chí

= 8,314 J/(mol.K) Giá trị k0 và E xác định qua thực nghiệm

Năng lượng hoạt hoá:

Khơng phải mọi va đập giữa oxy và nhiên liệu đều dẫn đến phản ứng Chỉ có những nguyên/phân tử đạt mức năng lượng nhất định mới có thể phản ứng với nhau khi gặp nhau Các phân tử dưới mức năng ượng này nếu va vào nhau cũng không phản ứng Ở cùng một nhiệt độ thì các phân tử chất khí trong một khối khí có năng lượng khác nhau, phân bố theo luật Maxwell, tuy khối khí đó có nội năng và entalpy xác định Khi nhiệt độ tăng thì năng lượng các phân tử nói chung tăng, tức là số phân tử đạt mức năng lượng phản ứng tăng Do đó tăng nhiệt độ sẽ tăng tốc độ phản ứng Các chất xúc tác hay là chất hoạt hoá hỗ trợ cho một số phân tử đạt đến mức

NL phản ứng, làm cho số này nhiều lên Do vậy mà tốc độ phản ứng bị thay đổi

1.5 Ảnh hưởng của áp suất đến tốc độ phản ứng hố học

Đối với các chất khí khi biết cân bằng hoá học và tỷ số mol của chất A trong hỗn hợp là

xA = nA/Σni,

phản ứng bậc 1 có quan hệ với áp suất theo: v = - dCA/dτ = k1CA = k1 xA (p/RT) (12)

phản ứng bậc 2 có quan hệ với áp suất theo: v = - dCA/dτ = k1C2

A = k1 xA (p/RT)2 (13)

phản ứng bậc n có quan hệ với áp suất theo: v = - dCA/dτ = k1Cn

A = k1 xA (p/RT)n (14)

Tức là phản ứng bậc bao nhiêu thì tỷ lệ với áp suất cũng bậc bấy nhiêu

1.6 Phản ứng dây chuyền

Phản ứng thật ra không xảy ra theo kiểu nhảy vọt ngay đến sản phẩm cuối cùng mà qua nhiều bước trung gian, tức là các chuỗi ion hoạt động như các dây

Ví dụ: CH4 + 2O2 → H2O + CO2 gồm các chuỗi:

1.7 Cân bằng hoá học (chemical equilibrium)

Cân bằng hố học khơng phải là cân bằng phương trình hố học!

Các phản ứng hố học thường là thuận nghịch, tốc độ các chiều là khác nhau Thường có 1 chiều áp đảo và ta coi đó là chiều thuận (tự nhiên) Khi nồng độ các chất phản ứng và các chất sản phẩm không thay đổi thì hỗn hợp nằm ở trạng thái cân bằng Lúc đó tốc độ phản ứng thuận

và tốc độ phản ứng nghịch đạt các giá trị ổn định

Ví dụ với phản ứng aA + bB ↔ eE + fF tuân theo đluật khối lượng tác dụng, tốc độ phản ứng thuận và nghịch tương ứng là

Ví dụ H2O ↔ 1/2 H2 + OH ở nhiệt độ 700K có KC700 = 10-16,6và 3850K thì KC3850 = 1

nhưng nếu nhiệt độ tăng đến 3850K thì một nửa số phân tử nước bị phân huỷ

1.8 Enthalpy tạo chất (enthapy of formation)

Khi một hợp chất được tạo nên từ các nguyên tố (đơn chất) trong điều kiện áp suất không đổi,

nhất định có biến đổi năng lượng kèm theo Đối với các phản ứng cháy thì hoá năng được biến thành nhiệt năng toả ra Năng lượng biến đổi này, để tạo ra 1 mol hợp chất, gọi là enthalpy tạo

chất, đo ở điều kiện tiêu chuẩn (T=25oC và áp suất p=1at không đổi)

Enthalpy tạo chất cĩ ký hiệu là Δhof298 ,chỉ số trên ‘o’ chỉ áp suất tiêu chuẩn 1 at, chỉ số dưới

‘f298’ chỉ nhiệt độ tiêu chuẩn 25oC Đơn vị đo của enthalpy tạo chất là J/mol Tức là năng lượng

thay đổi đo được khi tạo ra 1mol thành phẩm với các chất phản ứng và sản phẩm đều ở điều kiện tiêu chuẩn

Ví dụ: nước được tạo ra từ hydro và oxy, xuất phát từ 2 khí ở điều kiện tiêu chuẩn Nếu sản

nước) đã bị phát tán ra môi trường xung quanh (chú ý dấu theo qui ước của nhiệt động nhiệt thu vào hệ là dương, toả ra mơi trường là âm) Đó chính là enthalpy tạo chất của hơi nước Dấu của nhiệt năng tuân theo định luật 1: hệ nhận vào là dương, toả ra là âm Trong nhiệt động hố học dấu

ban đầu

Một số giá trị của enthalpy tạo chất tập hợp trong bảng sau, các đơn chất gặp trong tự nhiên có enthalpy tạo chất qui ước bằng zerô

Bảng 1.1 Giá trị enthalpy taọ chất (1at, 25oC)

Ví dụ: CO(kh) + 1/2O2(kh) -> CO2(kh) - 283,1 kJ/mole CO2,

ở đây ∆h = - 283,1 kJ/mole CO2 không phải là enthalpy tạo chất của CO2 vì chất tham gia

phản ứng xuất phát CO không phải là nguyên tố

Trong phản ứng

- 110,6 kJ/mole CO là ehthalpy tạo chất của CO vì các chất tham gia phản ứng xuất phát là

nguyên tố ở dạng tự nhiên: than cục (rắn) và oxy trong không khí, ở 25oC và 1 at

Ngược lại, khi phân huỷ một hợp chất thành các nguyên tố thì năng lượng kèm theo sẽ có trị

số bằng nhưng ngược chiều với enthalpy tạo chất

1.9 Enthalpy của phản ứng hoá học (enthalpy of chemical reaction)

Trong phản ứng hoá học nói chung, các chất tham gia ban đầu không nhất thiết phải là các nguyên tố (đơn chất), phản ứng H2O + CaO chẳng hạn Chúng ta sẽ tập trung nói về phản ứng cháy Trong các quá trình cháy phản ứng xảy ra rất nhanh, nhiệt (đôi lúc ánh sáng) thoát ra Enthalpy của sản phẩm nhỏ thua enthalpy các chất tham gia khi các chất đều được đưa về trạng thái tiêu chuẩn, chênh lệch ethalpy bằng nhiệt lượng thoát ra, gọi là enthalpy của phản ứng Những phản ứng loại có enthalpy giảm gọi là phản ứng toả nhiệt Các phản ứng cháy thuộc loại này Các phản ứng ngược lại, cĩ enthalpy tăng, gọi là phản ứng thu nhiệt Phản ứng phân huỷ chất hữu cơ chẳng hạn, là thuộc loại thu nhiệt

Các quá trình cháy xẩy ra ở p = const = 1at, sẽ có enthalpy phản ứng hay nhiệt lượng giải phóng ra phụ thuộc nhiệt độ Để đo đạc và tra cứu ta cũng qui về điều kiện tiêu chuẩn (25oC, 1 at), tức là các chất xuất phát ở điều kiện tiêu chuẩn và sản phẩm cũng vậy

RT là dựa vào enthalpy tạo chất, và phương trình hố học đã cân bằng:

∆Ho

R = Σni ∆ho

fR sanpham - Σnj ∆ho

Trong đó ký hiệu o chỉ điều kiện tiêu chuẩn; Σnj ∆ho

fR thamgia là tổng các enthalpy tạo chất của các chất tham gia ban đầu; Σni ∆ho

fR sanpham là tổng các enthalpy tạo chất của các chất sản phẩm (chú ý: số lượng các chất tham gia và các sản phẩm nĩi chung là khác nhau)

Đại lượng này đổi dấu đi thường được gọi là nhiệt phản ứng

- (-74,9) = - 890,8 kJ/mol (chú ý đ.v đo)

Vậy nhiệt của phản ứng cháy methane là 890,8 kJ/mol (của methane)

Tóm lại, nhiệt lượng giải phóng ra khi đốt cháy hoàn toàn một mol nhiên liệu và sản phẩm được làm nguội đến nhiệt độ tiêu chuẩn 25oC, được gọi là nhiệt phản ứng cháy (chính xác là enthalpy phản ứng cháy), ký hiệu ∆Hc, đo bằng kJ/mol (nhiên liệu)

Bảng 1.2 Giá trị enthalpy phản ứng cháy (1at, 25oC, sản phẩm cháy ở pha khí)

Các giá trị trong bảng 1.2 cĩ thể tính được từ bảng 1.1

1.10 Nhiệt trị (heating value)

Nhiệt lượng giải phóng ra khi đốt cháy đẳng áp hoàn toàn một kg nhiên liệu và sản phẩm được làm nguội đến nhiệt độ tiêu chuẩn 25oC, được gọi là nhiệt trị của nhiên liệu Ký hiệu thường

dùng là Q hay HV (heating value), đơn vị thường dùng là MJ/kg hay kJ/kg Như vậy, nhiệt trị cĩ giá trị bằng enthalpy của phản ứng cháy của 1kg nhiên liệu nhưng đổi dấu sang +

Nhiệt trị thấp (LHV, lower heating value) là nhiệt năng giải phóng ra khi nước tạo thành trong sản phẩm cháy ở dạng khí (hơi) Trong kỹ thuật ta dùng giá trị này Nhiệt trị cao (HHV, higher heating value) là nhiệt trị khi nước của sản phẩm cháy ngưng lại ở dạng lỏng, ta thu được thêm nhiệt hoá lỏng HHV không có giá trị kỹ thuật, trong thực tế ta cần áp dụng mọi biện pháp chống ngưng hơi nước trên mặt thiết bị để chống ăn mòn HHV cũng chỉ cĩ nghĩa khi nhiên liệu chứa hydro, tất nhiên các nhiên liệu thương mại đều cĩ hydro Carbon thuần tuý khơng cĩ HHV Nhiệt trị nhiên liệu khí có thể đo cho 1 m3 tiêu chuẩn của nhiên liệu đó, đ.v sẽ là MJ/m3tc

thiết bị gọi là bom nhiệt lượng kế (bomb calorimeter), nhiệt lượng giải phĩng ra làm tăng nhiệt độ

cân bằng năng lượng

thermometer

O 2

sample water

stirrer

ignition unit

bomb

dewar

Sơ đồ cấu trúc nguyên lý của Bom nhiệt lượng kế (bomb calorimeter)

Bomb calorimeter cĩ bộ phận chính là ‘quả bom’ bằng inox, khơng nổ mà chịu được áp lực cao tạo ra bởi quá trình cháy mẫu thí nghiệm đặt trong chén mẫu treo trong ruột bom Bom cĩ nắp vặn bằng răng để đặt mẫu vào trong và lấy ra, xuyên nắp cĩ đường nạp oxy và 2 điện cực Mẫu (chỉ

chặt lại, dùng oxy tẩy khơng khí ra khỏi bom và nâng áp suất oxy trong bom lên đến mức đã định, khố van oxy lại, đặt bom vào vị trí, nối dây điện, đổ một lượng nước cần thiết vào bình Dewar, đậy nắp bình Dewar, cho khuấy chạy, ghi nhận nhiệt độ ban đầu Đĩ là các cơng việc chuẩn bị Tiếp theo là bấm nút điện, đốt cháy mẫu, ghi nhiệt độ biến thiên theo thời gian cho đền khi đạt nhiệt độ cao nhất ổn định, hiệu của giá trị này với nhiệt độ ban đầu là ΔT Nhiệt trị Q tính theo cơng thức (19)

nhiên liệu cĩ Q biết trước, thường là benzoic acid :

mbenzoic acid 26447 J/g·K = CBΔT

1.11 Định luật Lavoisier về nhiệt phản ứng

Nhiệt lượng cần cấp để phân huỷ hợp chất thành các đơn chất nguyên tố bằng đúng nhiệt lượng thoát ra khi tạo thành hợp chất đó

C(r) + 1/2 O 2 (kh) → CO (kh), Δhtạochất = -110,6 kJ/mol

Đây cũng chính là 1 dạng của đ.l bảo toàn năng lượng Thực tế có những chất bền vững ta khĩ

mà phân huỷ chúng trở lại các nguyên tố ban đầu được (nước hay khí CO2 chẳng hạn) Các chất

đĩ chỉ là kết quả của phản ứng không thuận nghịch, không hề trái với định luật bảo toàn năng lượng theo nghĩa của Lavoisier

1.12 Định luật Hess về tổng nhiệt năng từng bước

Tổng nhiệt năng giải phóng ra hay cần cấp vào cho phản ứng là không đổi, không phụ thuộc vào đường đi qua một hay nhiều bước trung gian Tức là chỉ quyết định bởi các chất phản ứng ban đầu và sản phẩm cuối cùng

CO(kh) + 1/2 O 2 (kh) → CO2 (kh), Δhtạochất = - 283,1 kJ/mol (21)

Ta có thể dùng các dữ kiện đã có và các phản ứng dễ kiểm soát để tính nhiệt của các phản ứng khó hơn

Ví dụ trong 3 phản ứng trên thì phản ứng (20) là khó kiểm soát nhất, nhiệt phản ứng đó tính qua (19) và (21) vốn rất dễ đo bằng thực nghiệm

1.13 Nhiên liệu

Các chất (rắn, lỏng, khí) dùng để đốt lấy nhiệt với qui mơ tương đối lớn, gọi chung là nhiên liệu Các dạng cụ thể thường gặp: than đá, dầu, xăng, khí đốt, củi, phế/phụ phẩm nơng/lâm nghiệp, rác hữu cơ

Giá trị sử dụng của nhiên liệu tỷ lệ thuận với nhiệt trị, tỷ lệ nghịch với thể tích và các chất thải sinh ra trong quá trình đốt

Nhiệt trị là nhiệt lượng giải phĩng ra khi đốt 1kg (hay 1m3 tiêu chuẩn) nhiên liệu Cĩ nhiệt trị cao HHV và nhiệt trị thấp LHV như đã nĩi trên Các ngành kỹ thuật chỉ sử dụng LHV Đơn vị đo là

Ở qui mơ lớn, năng lượng và nhiên liệu được tính theo tấn than tiêu chuẩn (ton of coal equivalent TCE), tấn dầu tiêu chuẩn (TOE) Than tiêu chuẩn qui ước tương đương năng lượng 29,3MJ/kg (7.000 kcal/kg) Dầu tiêu chuẩn tương đương năng lượng 41,86MJ/kg (10.000 kcal/kg) Như vậy TCE=29,3MJ và TOE=41,86MJ (≈42MJ)

Chương 2 VẬT LÝ QUÁ TRÌNH CHÁY

Quá trình cháy xảy ra gắn liền với chuyển động của chất lưu, trao đổi nhiệt và trao đổi chất trong khơng gian Nếu một trong các chất phản ứng là rắn thì sản phẩm cháy vẫn là khí Vật lý của quá trình cháy gắn liền với biến đổi hố học trong một thể thống nhất, rất phức tạp

2.1 Định luật Newton về độ nhớt

Xét 2 tấm phẳng ngâm trong chất lưu (lỏng) kích thước vô hạn, 1 tấm đứng yên, tấm kia chuyển động đều với vận tốc không đổi v Để duy trì vận tốc này ta phải tác dụng 1 lực F, lực cắt (xem hình vẽ) Giữa 2 tấm vật tốc chất lỏng thay đổi từ 0 đến v Newton cho hay rằng đối với 1 chất lỏng nhất định thì lực kéo F tỷ lệ với diện tích bề mặt A của tấm động, với tốc độ và khoảng cách giữa 2 tấm:

từ đĩ ứng suất cắt sẽ là

Hệ số tỷ lệ ký hiệu μ là hệ số nhớt động lực; μ = ứng suất tiếp tuyến (cắt) khi dv/dy = 1; ĐV

đo là N.s/m2 hay Pa.s (khơng cĩ tên riêng cho đơn vị này)

Trong phân tích năng lượng người ta cịn viết

τ = - μ dv/dy dấu trừ cho hay động năng được truyền về phía vận tốc giảm, ngược chiều với F

Một hệ số khác thường gặp: ν = μ/ρ là hệ số nhớt động học; đv đo là m2/s (cũng khơng cĩ tên riêng cho đơn vị này)

Hai hệ số trên xác định qua thực nghiệm, phụ thuộc nhiệt độ, không phụ thuộc áp suất

hệ số dẫn nhiệt λ [W/(m.K)] và hệ số dẫn nhiệt độ α = λ/cρ [m2/s] (2.3)

2.3 Định luật Fick về khuếch tán

Nếu B là một chất lưu ở trạng thái đồng chất, đẳng nhiệt, đẳng hướng và A là một chất khác có thể trộn cơ học toàn toàn trong B nhưng mật độ của A lại không đồng nhất Theo thời gian các phân tử của A sẽ khuếch tán từ vùng có mật độ cao sang vùng mật độ thấp đề có mật độ đồng đều Mật độ đồng đều là trạng thái cần bằng bền của hai chất nói trên, mọi quá trình tự nhiên đều tiến về trạng thái này Tốc độ khuếch tán đo bằng mật độ dòng vật chất chuyển qua một đv bề mặt đẳng nồng trong một đv thời gian, wA [kg/(m2.s)], cịn gọi là dịng khối riêng khuyếch tán qua mặt đẳng nồng Nó được tính theo định luật Ficks

trong đó DAB là hệ số khuếch tán A trong B, [m2/s]

dấu trừ chỉ rằng chất A khuếch tán về phía mật độ giảm

Ba quá trình truyền động năng, truyền nhiệt và truyền chất có bản chất tương tự nhau và 3 phương trình (1), (2), (3) cũng có dạng giống nhau Quan hệ giữa các quá trình này có thể đánh giá qua các tiêu chuẩn đồng dạng

2.4 Khái niệm về lớp biên

Khi chất lưu chảy ổn định ở vận tốc (dịng tự do) v∞ dọc theo mặt phẳng rắn, ngay trên mặt rắn tồn tại lớp biên trong đó vận tốc thay đổi từ 0 đến vận tốc dòng tự do Lớp biên xuất hiện do ma sát giữa mặt rắn và chất lưu với điều kiện là lớp chất lưu dính vào mặt rắn cĩ vận tốc bằng khơng Tiếp theo do nội ma sa sát trong chất lưu, hay là độ nhớt, mà vận tốc chất lưu biến thiên Chiều dày lớp biên δ phụ thuộc vào khoảng cách L tính từ đầu tấm tới điểm đang xét, vận tốc dịng tự

do v∞ và bản chất chất lưu, ước lượng theo công thức

l

C

Re

22

2.5 Truyền nhiệt qua lớp biên

l Pr1/32.6 Truyền chất qua lớp biên

Trường hợp đối lưu cưỡng bức trên mặt phẳng, truyền chất tính theo

Trường hợp đối lưu tự nhiên từ mặt thẳng đứng, truyền chất tính theo

ở đây NuD = (αD x/D) và toả chất đối lưu theo Newton là w = αD

2.7 Hệ phương trình mơ tả quá trình cháy

Hệ gồm các phương trình bảo toàn (năng lượng, khối lượng, động năng, động lượng), các phương trình chuyển động và khuyếch tán, các phương trình tính chất vật lý và các điều kiện đơn trị Tại điểm x,y,z xét vi thể tích dưới dạng khối lập phương vơ cùng bé dx, dy, dz; ta viết các phương trình bảo tồn cho áp dụng cho vi thể tích này Các hàm chưa biết ta tính theo dãy Taylor chính xác đến đạo hàm bậc nhất

Bảo tồn năng lượng: năng lượng đối lưu tự nĩ bao gồm 2 phương thức là dẫn nhiệt và đối lưu,

do đĩ dịng nhiệt riêng đối lưu mơ tả bởi phương trình:

i w T

T x

T T

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

=

lưu; w là vận tốc của chất lưu tại điểm x,y,z →

Phương trình năng lượng cân bằng thay đổi năng lượng (enthalpy) trong vi thể tích với dịng nhiệt đối lưu và năng lượng phát ra do nguồn phát tại chỗ qv:

q q div

q x

q q

∂

∂+

∂

∂+

y

x

w x

w x

w i z

i w y

i w x

i w x

T x

T x

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

2 2

2

ρρ

=

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂

z

w y

v x

ρτ

Bảo toàn động lượng

mv

Q=

Bảo tồn động năng: E = 1/2 mv2

Phương trình chuyển động: F = m.a

Phương trình chuyển động Bernoulli cho dòng chảy đoạn nhiệt chất nước:

Bernoulli's Equation is basically a statement of the conservation of energy per unit volume along the pipe

Bảo toàn NL nhiệt trong dòng chất lỏng: dẫn nhiệt xẩy ra cùng với đối lưu

v z y x z

y

z

w y

w x

w i z

i w y

i w x

i w z

T y

T x

T i

+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

∂

∂+

2 2

2

ρρ

λτ

ρ

Phương trình khuyếch tán Fick: ω = - D dC/dn

Điều kiện biên: cho biết cái gì xảy ra trên mặt biên, giống như trong truyền nhiệt

dung riêng, độ nhớt … Vấn đề phức tạp là giá trị các hệ số này phụ thuộc vào nhiệt độ, và quan hệ là phi tuyến

Chương 3 CHÁY NHIÊN LIỆU KHÍ

Đây là quá trình cháy đồng thể, các chất ban đầu và sản phẩm đều ở pha khí Ta chỉ giới hạn trong các quá trình cháy với không khí là chất oxy hoá Nhiên liệu khí hiện đang được dùng rộng rãi trong công nghiệp cũng như gia đình, cá nhân

Nếu ngọn lửa là của dòng nhiên liệu khí thổi riêng biệt vào không khí thì ta có ngọn lửa không trộn trước Tức là nhiên liệu ra ngoài không khí mới gặp oxy và xảy ra phản ứng cháy luôn Nếu nhiên liệu khí được trộn lẫn trước với không khí, ở trạng thái nguội, sau đó mới thổi vào không gian nơi xảy ra phản ứng cháy thì ta gọi đó là hỗn hợp trộn lẫn trước (premixed flames) Tỷ lệ trộn lẫn trước có thể thay đổi trong khoảng khá rộng nên rất có thể có dòng không khí thứ cấp cấp thêm vào không gian đốt cho trường hợp trộn trước nghèo

3.1 Phân loại ngọn lửa

Có 5 loại ngọn lửa thường gặp trong cháy nhiên liệu khí:

Loại thứ nhất là ngọn lửa không trộn lẫn trước, chảy tầng Nó là quá trình cháy

khuyếch tán khi nhiên liệu được phun vào không khí, mặt lửa (mặt phản ứng cháy) là mặt

biên ngăn chia không khí và nhiên liệu, nồng độ oxy giảm từ 21% ở bên ngoài (phía người quan sát ) xuống 0% trên và sau mặt lửa; nồng độ nhiên liệu bằng 100% bên trong ngọn lửa giảm xuống 0% trên và ngoài mặt Ví dụ ngọn lửa quẹt gas

Loại thứ hai là ngọn lửa không trộn lẫn trước, chảy rối Tăng tốc độ dòng nhiên liệu lên dòng chảy sẽ trở nên rối, các vòi đốt công nghiệp sử dụng các cấu hình tạo rối, đặc biệt nhờ dòng không khí cấp vào Có nhiều vòi đốt công nghiệp thuộc loại này vì lý do an toàn, lửa có màu vàng

Loại thứ 3 là ngọn lửa có trộn lẫn trước, chảy tầng:

ngọn lửa trộn trước hoàn toàn (hơi giàu oxy)

ngọn lửa trộn trước (hơi thiếu oxy) Loại thứ 4 là ngọn lửa có trộn lẫn trước, chảy rối: trong các động cơ đốt trong, những nơi có biện pháp an toàn tốt và có bộ phận thiết bị trộn ngay lập tức trước khi đốt (không bao giờ dự trữ hỗn hợp trộn trước) Lửa xanh, không tạo muội, cháy nhanh

Loại thứ 5 là ngọn lửa có trộn lẫn trước một phần, chảy tầng: ngọn lửa bếp gas gia đình

Ngọn lửa Bunsen trong phòng thí nghiệm cho phép ta nghiên cứu hầu hết các ngọn lửa chảy tầng; Hình dưới đây cho thấy ngọn lửa không trộn trước chảy tầng và bắt đầu có dấu kiệu chảy rối (1) 2 ngọn lửa tiếp theo là có trộn một phần chảy tầng và ngọn lửa số 4 còn lại là trộn trước, chảy tầng

Bunsen burner (đèn Bunsen)

Như vậy, ngọn lửa phụ thuộc vào chế độ trộn, chế độ dòng chảy, lượng không khí dư, và môi trường xung quanh Cho một vòi đốt Bunsen nhất định, chế độ không trộn trước chảy tầng sẽ có ngọn lửa dài Dài nhất là khi tốc độ dòng chảy bắt đầu đạt đến chế độ chảy rối Dòng rối sẽ tự trộn nhiên liệu với không khí xung quanh làm cho ngọn lửa ngắn lại Hỗn hợp trộn trước cháy nhanh hơn vì nhiên liệu và oxy đã gần kề nhau, do đó ngọn lửa ngắn hơn, vững bền hơn

Nhiệt độ ngọn lửa: nhiệt độ cao nhất là cháy đoạn nhiệt với lượng không khí vừa đủ Nhiệt độ ngọn lửa đơn không phải là một giá trị cố định vì bản thân ngọn lửa đơn chiếm một không gian hạn hữu trong đó nhiệt độ thay đổi khá nhanh và phụ thuộc rất nhiều vào quá trình trao đổi nhiệt (bức xạ) với môi trường Nhiệt độ đoạn nhiệt của ngọn lửa là giá trị thường được

trích dẫn, nó được tính khi dùng lượng kk' tối thiểu và toàn bộ nhiệt trị chỉ dùng để tăng nhiệt độ của sản phẩm cháy (không bị thất thoát nhiệt ra ngoài)

3.2 Mồi lửa (Ignition)

Muốn bắt đầu quá trình cháy ta phải mồi lửa Nhiên liệu hay hỗn hợp nhiên liêu – không khí, ở điều kiện bình thường trong không gian tương đối rộng sẽ không tự cháy Lý do là tốc độ phản ứng cháy rất chậm ở nhiệt độ thường, nhiệt phát ra không đáng kể, nhiệt thất thoát ra môi trường thì dễ dàng và lại tăng nhanh chóng nếu nhiệt độ tăng Ta sẽ thảo luận về mồi lửa cho hỗn hợp trộn trước

Để hỗn hợp trộn trước ở nhiệt độ thường cháy lên được ta phải mồi lửa Hỗn hợp ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tự cháy tất nhiên sẽ cháy được mà không cần mồi lửa Muốn mồi lửa phải có lửa mồi Lửa mồi phải có năng lượng cao hơn một mức tối thiểu Emin nào đó tuỳ từng trường hợp (nhiên liệu và môi trường) Lửa mồi có thể là một xung cơ học để va đập hay

ma sát 2 vật rắn, có thể là 1 ngọn lửa nhỏ, hay tia lửa điện … Lửa mồi nhỏ về năng lượng và qui mô kích thước nhưng phải dễ dàng tạo ra được với độ tin cậy cao thì mơi có thể dùng trong các thiết bị cháy Tức là dùng ít năng lượng để khởi động quá trình sinh ra nhiều năng lượng

Hỗn hợp trộn trước gặp lửa mồi thì phản ứng cháy sẽ nhanh chóng lan truyền từ đó ra toàn bộ không gian của hỗn hợp

Chuỗi tăng trưởng năng lượng: cơ bắp → ma sát → lửa nhỏ (diêm, tia điện) → lửa lớn, là chuổi thường gặp trong cuộc sống

Năng lượng tối thiểu của lửa mồi có thể xác định bằng thực nghiệm bằng cách thử phóng điện từ những tụ có tích năng lượng điện khác nhau Rõ ràng những tia phóng công suất bé dưới ngưỡng mồi Emin sẽ không thể mồi lửa lên nổi Năng lượng tia lửa điện phóng từ tụ điện dung C nạp đến điện áp V là

ra sản phẩm cháy

Hiện tượng tự mồi lửa: Nếu hỗn hợp trộn trước được chứa trong một không gian cách nhiệt rất tốt và có nhiệt độ ban đầu cao hơn một giá trị nào đó thì nhiệt sinh ra do phản ứng cháy tuy lúc đầu cịn ít nhưng cũng sẽ cao hơn nhiệt tổn thất ra môi trường: (Qphản ứng sinh ra - Qtổn thất ra ngoài) > 0 Nhiệt độ hỗn hợp do đĩ sẽ tăng lên làm tăng tốc độ phản ứng Cứ thế phản hồi dương kiểu này làm nhiệt độ tăng lên khơng ngừng Cuối cùng hỗn hợp đạt tới nhiệt độ tự bốc cháy Các đống lớn sinh khối trộn với than/dầu có khả năng tự phát hoả trong một số trường hợp

3.3 Giới hạn nồng độ bắt lửa (Flammability limits)

Ở một nhiệt độ nhất định, không phải hỗn hợp nhiên liệu – không khí ở bất kỳ nồng độ nào cũng bắt cháy khi gặp lửa mồi Nếu nhiên liệu quá loãng hay quá đặc thì quá trình cháy không thể tự duy trì được Hễ ta tắt lửa mồi thì quá trình cháy cũng ngưng ngay Tia lửa điện mạnh bao nhiêu cũng không mồi lửa lên cho hỗn hợp quá nghèo/quá giàu được Giới hạn cháy gồm giới hạn loãng (còn gọi là giới hạn dưới, giới hạn nghèo) và giới hạn đặc (còn gọi là giới hạn trên, giới hạn giàu)

Như vậy chỉ khi hỗn hợp có nồng độ nằm trong khoảng cao hơn giới hạn dưới nhưng thấp hơn giới hạn trên, thì nó mới có khả năng bắt cháy Vùng nồng độ đó gọi là vùng bắt cháy (bắt lửa) Ngoài vùng đó là 2 vùng không bắt cháy Tất nhiên hỗn hợp có nồng độ gần quanh nồng độ cân bằng hoá học là hỗn hợp cháy tốt nhất Mặt khác, nếu nhiệt độ rất cao thì phản ứng cháy nhất định xảy ra (lúc đĩ ta khơng thể duy trì hỗn hợp cơ học được)

Giới hạn cháy của một số nhiên liệu với không khí được cho trong bảng 3.1 sau đây

3.4 Mặt nguội và khoảng cách tắt lửa (Quenching)

cháy thông thường Ngọn lửa không thể liếm trực tiếp mặt rắn nguội

Nếu hỗn hợp trộn trước cĩ tỷ lệ cháy tốt (quanh cân bằng hố học) nằm trong một không gian hẹp, giữa 2 mặt phẳng rắn chẳng hạn, có nhiệt độ môi trường bình thường, khi rút ngắn khoảng cách δ giữa hai tấm ta sẽ đạt tới giá trị δmin mà ngọn lửa không thể lan truyền được

giữa khe này Tức là hỗn hợp trộn trước nằm trong không gian này không bao giờ tự duy trì ngọn lửa được Hễ ta tắt lửa mồi là quá trình cháy chấm dứt Tia lửa điện mạnh bao nhiêu cũng không mồi lửa lên cho hỗn hợp được Khoảng cách đó gọi là khoảng cách tắt lửa

Khoảng cách tắt lửa phụ thuộc vào nhiên liệu, chất oxy hoá và chất trộn (chất khơng cháy như N2 hoặc khí trơ), nồng độ cũng như hình dáng khe Khe hẹp giữa 2 mặt phẳng là khe

1 chiều sẽ khác với khe ống tròn, thông thường lửa khó lọt qua ống hơn là khe có khoảng cách bằng đường kính ống Đối với các nhiên liệu thường gặp khoảng tắt lửa là 1 đến 3 mm, ngoại trừ lửa của hỗn hợp hydro và acetylene với không khí có thể lọt qua khe nhỏ hơn 1mm

Mặt rất nóng sẽ không có tác dụng làm tắt lửa Nhưng ở nhiệt độ nào thì gọi là nóng? Một trong các phương pháp đo khoảng cách tắt lửa là bằng cách thu nhỏ dần đường kính ống đốt cho đến khi hết khả năng cháy ngược vào trong ống Thông thường khoảng cách này từ vài mm trở xuống Ưùng dụng của hiệu ứng này: các lưới đèn mỏ và các lưới chắn an toàn Lửa sẽ không thể lọt qua lưới được, nó bị tắt khi chui vào mắt lưới

3.5 Tính lượng không khí lý thuyết và lượng khói

Lượng không khí lý thuyết là lượng không khí cấp vừa đủ đốt cháy hết nhiên liệu, tức là cấp đủ oxy theo phương trình hoá học đã cân bằng Thông thường đo bằng kg/kg, tức là kg kk'/kg nh.liệu Đơn vị đo này tốt cho mọi loại nhiên liệu Đối với nhiên liệu khí người ta có thể dùng

Nếu tính theo thể tích thì

Thực tế λ phụ thuộc vào nhiên liệu và phương pháp đốt Nhiên liệu khí có λ thấp nhất, từ 1,05 đến 1,1 Nhiên liệu rắn cần λ cao nhất: từ 1,1 cho các lò hiện đại đốt bụi than đến 2,0 cho các lò thủ công đốt than cục Nhiên liệu lỏng có λ nằm quãng giữa, 1,1 – 1,3

Lượng khói thì thường tính theo đơn vị m3/kg vì chắc chắn rằng khói ở dạng khí Lượng khói lý thuyết tính theo phương trình trên:

thêm phần N2 của không khí (17.17-4)*22.4/28 = 10.536 m3 Tổng lượng khói sẽ là

4,2 + 10,536 = 14,736 m3/kg

3.6 Sự lan truyền ngọn lửa (Flame propagation)

Tốc độ lan truyền ngọn lửa Λ trong hỗp hợp trộn lẫn trước là một trong các thông số cơ bản đặc trưng cho quá trình cháy Nó được định nghĩa là tốc độ truyền phản ứng cháy theo hướng vuông góc với mặt lửa về phía hỗn hợp chưa cháy Nó phụ thuộc vào nồng độ hỗn hợp, đạt cực đại khi không khí dư một ít

Đối với mỏ đốt thẳng đứng lên trên ngọn lửa không bị cong, dòng chảy tầng trong ống có phân bố vận tốc parabol Cạnh mép mỏ đốt bao giờ cũng tồn tại một vòng hỗn hợp có vận tốc u = Λ, xem là ổn định ở r0 Ngọn lửa lan truyền từ chu vi đến tâm mỏ trong thời gian

trình vi phân phi tuyến của bảo toàn vật chất, chuyển động chất khí, hóa động học phản ứng, truyền nhiệt và khuếch tán các phần tử từng chủng loại Nó được chia làm 3 nhóm lớn dựa vào các giả định mà các trường phái chọn làm cơ sở Không thể đưa các công thức phức tạp ra đây, nhất là khi các tính chất vật lý và chủng lượng đều thay đổi phi tuyến theo nhiệt độ, ta chỉ thử xuyên vào bản chất của các lý thuyết đó như sau:

(i) Lý thuyết nhiệt (Mallard-Le Chatelier, Damkohler, Bartholomé ) dựa trên lập luận rằng tốc độ lan truyền ngọn lửa bằng tốc độ truyền sóng nhiệt sang vùng chưa cháy Kết quả phân tích cho thấy tốc độ lan truyền ngọn lửa tỷ lệ với căn bậc hai của hệ số dẫn nhiệt độ và tốc độ phản ứng hóa học

Hỗn hợp chưa cháy Màng lửa

Hỗn hợp

Đã cháy

x

x

(ii) Lý thuyết tổng quát (Zeldovich-Frank Kamenetski-Semenov, Lewis-von Elbe, von Karman-Penner ) đưa hết các phương trình liên quan vào để giải đồng thời với các điều kiện biên đơn giản lý tưởng Điều này kéo theo các biến đổi toán học hết sức phức tạp nhưng độ chính xác của kết quả cũng không tốt hơn (i) bao nhiêu Đây là cơ sở để giải bằng phương pháp số với máy tính hiện đại

(iii) Lý thuyết khuếch tán (Tanford-Pease, Gaydon-Wolfhard ) lập luận rằng tốc độ khuếch tán các hoạt gốc (hóa học) về phía vùng chưa cháy sẽ xác định vận tốc lan truyền ngọn lửa Nó sẽ phụ thuộc vào hai cơ cấu: cơ cấu xuất hiện của các gốc và cơ cấu khuếch tán, hai cơ cấu này lại liên quan thụ thuộc chặt chẽ với nhau

Các phương pháp thực nghiệm chính để xác định tốc độ lan truyền lửa cơ bản thì bao gồm:

- vòi đốt ổn định (đo tốc độ dòng hỗn hợp trước khi cháy và bề mặt ngọn lửa đã ổn định);

- cháy trong ống trong suốt (quan sát và đo trực tiếp);

- bóng xà phòng (đẳng áp) và

- tạo mặt lửa phẳng

Mỗi phương pháp đều có ưu và nhược điểm riêng của mình, nhưng tất cả đều bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như: bản chất nhiên liệu; tỷ lệ nhiên liệu/không khí; áp suất; nhiệt độ; và các chất khí độn không tham gia phản ứng cháy

Tốc độ lan truyền ngọn lửa Λ trong hỗp hợp trộn lẫn trước với không khí là không cao lắm,

3.1

3.7 Nhiệt độ lửa (flame temperature)

Ngọn lửa bao gồm một không gian có biến đổi hoá học và nhiệt độ rất mạnh Các giá trị lý trong không gian đó thay đổi từ điểm này qua điểm khác Trong ngọn lửa nhỏ trường nhiệt độ biến thiên rất mạnh, như vậy khó có thể chỉ ra một giá trị nhiệt độ của ngọn lửa quẹt gas cá nhân Ta chỉ có thể nói về nhiệt độ cực đại của ngọn lửa đó Tức là trong cấu trúc của nó sẽ có những khu vực đạt nhiệt độ cao hơn cả và cao nhất là bao nhiêu Ví dụ vùng sáng nhất trong đuôi lõi ngọn lửa hàn oxy-acetylene có thể đạt tới 3100-3300oC, xung quanh hạt lõi này nhiệt độ thấp hơn

hoá-Nếu hỗn hợp trộn trước được đốt cháy đẳng áp trong điều kiện cách nhiệt hoàn toàn ta có

nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt, T f Ta không tính nhanh giá trị nhiệt độ ngọn lửa đoạn nhiệt

được vì cho dù biết nhiên liệu cụ thể thì thành phần sản phẩm cân bằng tại nhiệt độ Tf cũng là một ẩn số Do bảo toàn năng lượng nên ta biết chắc rằng enthalpy của các chất tham gia ban đầu ΔHR phải bằng enthalpy của sản phẩm ΔHP, như sau:

p i i

fPi i P

f

dT C n h

n H

1 298 1

tính từ enthalpy tạo chất của các chất thành phẩm (Products) và độ tăng enthalpy từ nhiệt độ tiêu chuẩn lên tới Tf

Cân bằng lại:

p i i

fi i

f

dT C n h

n

1 298 1

, chuyển vế đi

r j j

fj i

n

p i i

fi i

Bước 4: So sánh kết quả số của bước 2 và 3, nếu bước 2 cao hơn thì nhiệt độ phỏng đoán bị cao quá và ngược lại Hiệu chỉnh lại giá trị phỏng đoán và tiếp tục tính lặp lại cho đến lúc sai biệt chấp nhận được

Nhiệt độ thực: Thực tế ta chỉ đạt được nhiệt độ cực đại nhỏ hơn Tf do có tổn thất nhiệt hoá học (một phần ít nhiên liệu chuyển hoá không hết ra sản phẩm do cân bằng hoá học), tổn thất nhiệt do cách nhiệt không lý tưởng và cuối cùng là tổn thất qua các chất pha loãng (không tham gia phản ứng như N2 chẳng hạn)

dung trung bình của sản phẩm cháy thực tế

3.8 Ổn định ngọn lửa (Flame stabilization)

Gồm chống chống cháy ngược vào trong mỏ đốt cũng như thổi tắt lửa

Hiện tượng cháy ngược vào trong vịi phun xảy ra khi vịi phun cĩ đường kính lớn hơn nhiều so với khoảng dập lửa, hỗn hợp trộn lẫn trước phun ra khỏi vịi đã được mồi lửa ổn định, sau đĩ vận tốc dịng hỗn hợp giảm xuống dưới vận tốc lan truyền ngọn lửa Cháy ngược là hoạt động khơng bình thường, khơng mong muốn của vịi đốt Để chống cháy ngược ta phải duy trì vận tốc dòng lớn hơn vận tốc lan truyền ngọn lửa, tức là thoả mãn điều kiện u > Λ

Khi tăng vận tốc dòng hỗn hợp đến một giá trị nhất định ngọn lửa sẽ bị đẩy rời khỏi miệng đốt Tiếp tục tăng u sẽ càng đẩy ngọn lửa ra xa và tắt (nếu không gian là vô hạn) Cơ chế tắt lửa ở vận tốc lớn là do giảm nhiệt độ vì pha trộn với kk' xung quanh Trong các buồng đốt công nghiệp người ta bố trí các phương pháp ổn định nhiệt độ (vật phụ, lửa phụ …) cũng như khống chế tỷ lệ không khí, nhờ đó ổn định được ngọn lửa khi tốc độ phun cao, năng suất đốt cao

Bảng 3.1 Các đặc tính cháy của một số nhiên liệu với không khí

NL Tỷ lệ khối

o C

Tốc độ max.cm/s ngọn lửa

Tỷ lệ λ ứng v max

T ngọn lửa ở v max,

K

Khoảng cách tắt lửa

mm

E min

10 -5 J dưới trên

3.9 Các bộ đốt gas (Gas burners)

- Trộn lẫn trước (injector): chảy tầng; chảy rối

- Khuếch tán: cấp không khí, tạo xoáy

- Chỉ số Wobbe về sự ổn định công suất nhiệt của mỏ đốt khi nhiệt trị khí dao động hay đổi sang khí khác

Lưu lượng thể tích của dòng khí ở áp suất p, khối lượng riêng ρk thoát ra miệng phun tiết diện

F, tính theo công thức:

k

p kF

V

ρ

2

trong đó k là hệ số ma sát

Công suất nhiệt của mỏ đốt tính theo (Hu là nhiệt trị thể tích của khí):

*

2

2

ρρρ

u kk

u k u

H p kF H

p kF H V

trong đó ρkk là khối lượng riêng của kk'

ρ* là KLR tương đối của khí, ρ* = ρk/ρkk

Thừa số cuối cùng trong công thức (3.7) được gọi là chỉ số Wobbe:

*ρ

u u

H

Một mỏ đốt xác định vận hành ở chế độ đẳng áp nhưng dùng các loại khí khác nhau sẽ có cùng công suất nhiệt nếu có chỉ số Wu như nhau (khơng nhất thiết nhiệt trị các khí đĩ phải bằng nhau)

Mặt khác, nếu chỉ số Wobbe khác nhau thì ta phải thay đổi áp suất để giữ được công suất mong muốn khi phải thay loại khí đốt

dual gas-oil burner / Đầu đốt chuyển đổi gas-FO