12 Hình 5a: Bình bom 20 lít (bom Hartmann) để thí nghiệm. Thí nghiệm đo K st với bột than đá. Bột than sẽ đưa vào bình nhỏ (Dispersion reservoir, bên tay phải bình). Sau đó bơm không khí (KK) vào để trôn lẫn với bột than ở áp suất vài bar. Sau đó mở ống thông (Dispersion valve), vì áp suất trong bình 20 lít (hình cầu) và bình nhỏ chênh lệch nhau nên bột than và KK được phun vào bình 20 lít bằng bộ một phận phun (Dispersion nozzle). Trong tích tắc khi hỗn hợp bột than và KK vào trong bình 20 lít, một tia lửa nhân tạo ngay chính giữa bình sẽ được tạo nên và hỗn hợp sẽ bốc cháy và tốc độ áp suất được ghi nhận bằng máy điện toán. 13 Hình 5b: Bình bom 20 lít (bom Hartmann) để thí nghiệm. Hình thật sự. (Hình lấy từ web của Katholieke Universiteit Leuven) 14 Hình 6: Tốc độ tăng của áp suất theo thới gian. Thí nghiệm thực hiện với bột than đá, nồng độ 473 g than đá cho 1 m 3 KK hay 9,46 gram cho bình 20 lít, năng lượng mồi là 10 KJ và đo bằng bình 20 lít. Từ hình vẽ ta có thể tính được K st (công thức (1)) bằng cách vẽ tiếp tuyến để chọn (dP/dt) max và V = 20 lít. Từ lúc bắt đầu cháy khoảng 70 mili giây (70 ms) (hỗn hợp bột than đá và KK đưa vào bình 20 lít khoảng 70 ms để hỗn hợp đủ thời gian toả đều trong bình) đến khi bình đạt áp suất khoảng gần 6 bar khoảng 140 mili giây (140 ms), như vậy trong khoảng 70 mili giây (140 – 70 = 70 mili giây) bình đã tăng gần 6 bar. 70 mili giây có nghĩa là 0,07 giây, chúng ta không kịp chạy ra khỏi phòng hay xưởng làm việc để tránh áp suất này. 15 5. Tốc độ cháy của ngọn lửa Có rất nhiều từ chuyên môn mà cần giải thích cho những đọc giả không chuyên ngành. Chúng ta nhìn vào đèn Bunsen (Hình 5). Đèn Bunsen gồm mốt ống hình tròn dài, dài đủ để chúng ta có một tốc độ của hỗn hợp khí đốt và KK không thay đổi dù ống dài hơn nữa (fully developed velocity profile). Đường kính của ống rất nhỏ (khoảng 5 – 30 mm). Hỗn hợp khí đốt và KK chảy (thổi) vào ống và có ngọn lửa ngay phía ngoài ống. Chúng ta thấy màu thật sáng màu xanh có hình chữ V ngược gọi là ngọn lửa (tiếng Anh gọi là flame front), đó là ranh giới, một bên phía ngoài chữ V ngược là hỗn hợp khói (khí đốt và KK đã cháy xong) và phía dưới chữ V ngược là hỗn hợp khí đốt và KK chưa cháy. Tại một điểm bất kỳ trên ngọn lửa sẽ có hai loại vận tốc: 1) Vận tốc thứ nhất vuông góc với ngọn lửa có hướng về phía hỗn hợp khí đốt và KK chưa cháy (ký hiệu S u ) gọi là “vận tốc của sức cháy” (burning velocity) và 2) Vận tốc thứ hai có hướng ra phía ngoài thành (ký hiệu U r ) phía hỗn hợp khói gọi là “vận tốc của hỗn hợp khí” (gas velocity). “Vận tốc của sức cháy” rất quan trọng trong sự đốt cháy và nó được dùng để đánh giá sự mảnh liệt của ngọn lửa hay sự mảnh liệt của sức nổ. Hai vận tốc này cộng lại gọi là “vận tốc của ngọn lửa” (flame speed). Nếu ngọn lửa ổn định (steady state) nghĩa là ngọn lửa đứng yên, vận tốc của ngọn lửa bằng “không”. Chúng ta định nghĩa hai loại vận tốc như sau: a) Vận tốc của sức cháy (burning velocity) là vận tốc của ngọn lửa mốc là hỗn hợp khí đốt và KK. Dùng ít “phép thuật” toán, vận tốc sức cháy có thể tính được từ đường biểu diễn P-thời gian ở Hình 6. b) Vận tốc của ngọn lửa là vận tốc mà mốc là tọa độ cố (nhất) định. “Tốc độ của sự cháy” của một loại hạt rất quan trọng vì chúng ta dùng nó để chuẩn đoán độ cháy của hạt (độ nguy hiểm của hạt nếu hạt bị cháy nổ). 16 (a) (b) Hình 7: Mô hình và đèn (ngọn lửa) Bunsen (hình chụp lấy trong internet). 6. Sự rối loạn (turbulence) Sự rối loạn rất quan trọng trong sự đốt cháy hay nói một cách khác, nếu có sự rối loạn vận tốc của sức cháy sẽ tăng lên hay sức cháy hoặc sức nổ trở nên mảnh liệt hơn. Để giải thích cho điều này, chúng ta hãy quan sát thí nghiệm “đóng-mở” của ống dài. Trong ống dài chứa hỗn hợp chất đốt (dạng khí hay rắn) và không khí (KK). Nồng độ chất đốt trong KK trong phạm vi có thể xảy ra phản ứng nổ. Trường hợp 1 (Hình 8a và 8b): Mồi tại đầu mở của ống (Hình 8a, trạng thái bắt đầu t = 0 giây). Vì sức nóng từ ngọn lửa (flame front), hỗn hợp chất đã đốt xong (khói) tại ngọn lửa sẽ chuyển động xuyên qua hỗn hợp đã đốt xong và chuyển động theo hướng ra khỏi bình (Hình 8b, khi t = 17 Dt giây). Hỗn hợp chất đã đốt xong không đụng chạm tới ngọn lửa và ngọn lửa cứ tiếp tục cháy cho đến khi không còn hỗn hợp chất đốt và KK chưa cháy còn lại trong bình. Ngọn lửa có hai chiều (hình tròn) và di chuyển đều. Trong trường hợp này ngọn lửa di chuyển với tốc độ bằng tốc độ của sức cháy thành lớp (không có sự rối loạn) (laminar burning velocity) Hình 8: Thí nghiệm “đóng-mở” của ống dài. Trường hợp 2 (Hình 8c và 8d): Mồi tại đầu “đóng” của ống (Hình 8c, t = 0 giây). Ngay lúc bắt đầu, ngọn lửa vẫn còn ở dạng hai chiều và bằng với vận tốc của sức cháy thành lớp (không có sự rối loạn). Hỗn hợp ở trạng thái ban đầu yên tĩnh (lặng yên), khi vừa bắt đầu cháy thì có hiện tượng khác xảy ra, Ngọn lửa nóng lên và bắt đầu phát ra năng lượng cho hỗn hợp khí đã vừa cháy xong (khói). Sự giãn nở của hỗn hợp vì nhiệt độ tăng sẽ đẩy ngọn lửa di chuyển về phía đầu mở của ống. Khí đầu ống phía sau ngọn lửa bị bít kín, bắt buộc hỗn hợp khí đã bị đốt quay ngược đầu lại và chuyển động với vận tốc lớn hơn vận tốc của sức cháy thành lớp (không có sự rối loạn) và sẽ làm ngọn lửa bị biến dạng. Hỗn hợp khí (khói) bây giờ có sự rối loạn và làm ngọn lửa 18 cũng trở thành ba chiều. Diện tích bề mặt của ngọn lửa tiếp xúc với hỗn hợp chất đốt và KK (unburned gas) lớn hơn diện tích của ngọn lửa ở dạng hai chiều, nhiều năng lượng phát sinh ra làm nóng hỗn hợp khí chưa cháy, hỗn hợp khí chưa cháy nóng hơn, dễ bắt mồi cháy hơn, và sẽ cháy nhanh (nhiều) hơn. Vận tốc của ngọn lửa sẽ bằng vận tốc sức cháy cộng với vận tốc của hỗn hợp khí đã bị đốt (khói). Essenhigh và Woodhead (1959) [9] đã làm thí nghiệm này với hỗn hợp “nút bần”-không khí trong một ống bằng kiếng với chiều dài 5,2 m và đường kính bằng 56 mm và 76 mm. Họ đã khám phá ra vận tốc ngọn lửa trong trường hợp 2 (mồi tại đầu “đóng”) lớn hơn 20 lần so vối vận tốc ngọn lửa trong trường hợp 1 (mồi tại đầu “mở”). Như vậy sự rối loạn rất quan trọng trong sự đốt cháy. Có rất nhiều tài liệu nói về liên quan giữa sự rối loạn và sự đốt cháy. Tốc độ cháy trong trường hợp có sự rối loạn lớn hơn tốc độ cháy không có sự rối loạn khoảng 2 – 4 lần cho chất đốt là các hạt rắn (chất khí có thể lớn hơn nhiều). Có nghĩa là áp suất tăng đột ngột nhanh hơn 2 – 4 lần. Áp suất cũng lớn hơn (khoảng 40%) trong trường hợp có sự rối loạn [10]. Khi cháy nó có thể tạo ra sự rối loạn. Sự rối loạn làm tăng lên tốc độ cháy. Giải thích hơi phức tạp nên không trình bày ở đây. 7. Năng lượng tối thiểu để bắt mồi cho ngọn lửa Bao nhiêu joule (1 joule = 2,77778 x 10 -7 kw-giờ) để ngọn lửa có thể bắt đầu cháy? Câu hỏi này rất khó trả lời vì nó tùy thuộc vào: Vật liệu (bột than, đường hay gỗ, v.v.). Bột kim loại cũng có thể cháy thí dụ nhôm, đồng. Độ lớn của hạt (đường kính bao nhiêu, bao nhiêu phần trăm hạt nhỏ) Phần trăm khí đốt trong hạt. Thí dụ trong than đá hay gỗ có một phần khí hydrocarbon sẽ bay hơi trước (khoảng 250 – 700 o C) và những chất khí này sẽ dễ dàng cháy trước và mồi phần còn lại là carbon và chất bẩn. Nhiệt độ của môi trường Độ rối loạn v.v. 19 Điều quan trọng là chúng ta phòng hờ các trường hợp có thể làm mồi cho ngọn lửa như: Lửa, khí (khói, không khí, v.v.) nóng Vật nóng Chạm điện Từ trường (???) Hàn xì Tia lửa do hai vật rắn chạm vào gây ra v.v . Nên nhớ là các hạt có thể tự cháy nếu nhiệt độ tăng lên. [2], [11] và [12] có nêu rất nhiều dữ kiện cho nhiều các hạt khác nhau. Bảng 3 và 4 chỉ một vài loại hạt thông dụng, áp suất tối đa (P max ) và nhiệt độ tối thiểu (T min ) mà các hạt tự cháy P max (bar) T min ( o C) Bột mì 8,5 Bột gạo 7,4 490 Sữa bột 8,1 460 Cà phê 6,8 - 9,0 470 Bột thịt 8,5 540 Trà 8,2 510 Bột giấy 5,7 - 9,8 490 - 580 Gỗ 9,0 500 Cao su 7,5 - 8,5 Than bùn (Brown coal) 9,1 420 Than Butiminous 9,0 590 Than Anthracite 9,0 610 Bò hóng (trong ống khói) 8,8 - 9,2 760 - 840 20 Bảng 3: P max : áp suất tối đa có thể xảy ra khi có hiện tượng nổ; T min : Nhiệt độ tối thiểu mà hạt có thể tự bốc cháy mà không cần các loại mồi khác [2]. Kim loại cũng có thể cháy (Bảng 4) Kim loại P max (bar) T min ( o C) Manganese 6,3 330 Nhôm 10 - 12,5 500 - 650 Đồng 4,1 390 Sắt 5,2 580 Kẽm 6,0 - 7,3 570 - 800 Bảng 4: P max và T min cho một vài loại kim loại tường gặp [2] 8. Nồng độ của chất đốt trong không khí (hay oxygen) Các hạt có thề cháy khi có sự hiện diện của chất oxy hoá như không khí (KK). Nhiều KK hay ít KK quá cũng không thể cháy được. Nồng độ của các hạt nếu xảy ra hiện tượng cháy nổ hoàn toàn tùy thuộc vào loại hạt (bột hay than hay kim loại, v.v. 9. Độ nhuyễn (đường kính) của hạt bụi Như đã giải thích ở phía trên. Hạt càng nhỏ cháy càng nhanh. Điều kiện cháy là các hạt phải có điều kiện tiếp xúc với không khí. 21 10. Cách đề phòng Cách đề hay nhất là không làm việc với chất có thể cháy. Điều này không thể được vì kim loại (hạt nhôm) không cháy nhưng với điều kiện nào đó sẽ cháy được và gây ra hiện tượng nổ con mảnh liệt hơn các hạt cháy được ở điều kiện thường. Vài điều sau đây nên lưu ý: Không để các hạt bụi bám trên tường, ống thông hơi hay ống khói, v.v. vì khi cháy các hạt này sẽ tung lên do sự rối loạn và tham gia phản ứng nổ. Nhiều loại hạt (thí dụ than đá) có chứa nhiều hydrocarbon như CH 4 , C 2 H 6 , .v.v. các hydrocarbon này sẽ thoát ra khoảng từ 150 – 300 o C và nó sẽ dễ cháy và sẽ là vật mồi cho các hạt. Áp suất tối đa khoảng 5 – 10 lần áp suất ban đầu. Nếu chúng ta sấy vật liệu ở áp suất cao hơn 1 bar (điều kiện thường) thì hãy thiết kế bình chứa chịu đựng áp suất 10 lần so với áp suất ban đầu. Phải thiết kế lỗ thoát hơi (xem Hình 9). Khi áp suất trong bình quá áp suất mà lỗ thoát hơi được thiết kế, lỗ thoát hơi sẽ tự động mở Nếu quá trình sản suất quá phức tạp thì phải có cố vấn thêm của người biết về vấn đề này. Hình 9: Bình chứa có lỗ thoát hơi. . Hàn xì Tia lửa do hai vật rắn chạm vào gây ra v.v . Nên nhớ là các hạt có thể tự cháy nếu nhiệt độ tăng lên. [2] , [11 ] và [ 12 ] có nêu rất nhiều dữ kiện cho nhiều các hạt khác nhau. Bảng. 8 ,2 510 Bột giấy 5,7 - 9,8 490 - 580 Gỗ 9,0 500 Cao su 7,5 - 8,5 Than bùn (Brown coal) 9 ,1 420 Than Butiminous 9,0 590 Than Anthracite 9,0 610 Bò hóng (trong ống khói) 8,8 - 9 ,2 760 -. ( o C) Manganese 6,3 330 Nhôm 10 - 12 ,5 500 - 650 Đồng 4 ,1 390 Sắt 5 ,2 580 Kẽm 6,0 - 7,3 570 - 800 Bảng 4: P max và T min cho một vài loại kim loại tường gặp [2] 8. Nồng độ của chất