THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNGTHÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG
THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM Thiết bị cho phép khảo sát định tính định lượng đặc trưng trình cháy thông qua yếu tố ảnh hưởng đến lửa tỉ lệ hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu không khí tải lượng cháy (burner loading) Nội dung thí nghiệm bao gồm: - Xây dựng biểu đồ đặc trưng cho khảo sát ổn định lửa - Xác định đặc tính tượng lửa nâng lên khỏi bề mặt (lift off) - Xác định đặc tính tượng cháy ngược (light back) - Khảo sát phương pháp để tăng cường giới hạn ổn định lửa - Đo vận tốc lan truyền lửa theo tỉ lệ hòa trộn CƠ SỞ LÝ THUYẾT Xét phương trình phản ứng hóa học cho trình cháy với nhiên liệu metane dạng khí: Ex : CH4 (gaz) + 2O2 (gaz) → CO2 (gaz) + 2H2O (gaz) Phản ứng xảy hoàn toàn tỉ lệ số mole CH 4/O2 tương ứng 1:2 Nếu tỉ lệ lớn 1:2 ta gọi hỗn hợp cháy giàu nhiên liệu, ngược lại tỉ lệ nhỏ 1:2, ta gọi hỗn hợp cháy nghèo nhiên liệu Ngoài ra, trình cháy hỗn hợp nhiên liệu khí phụ thuộc vào tỉ lệ hòa trộn nhiên liệu/không khí mà phụ thuộc vào tải nhiệt (burner loading - nhiệt lượng đơn vị diện tích) nơi xuất lửa Tải nhiệt định nghĩa sau: Tai nhiet = Nhiet tri cua nhien lieu [MJm -3 ] * Luu luong nhien lieu[m 3s -1 ] Dien tich[m ] Để xác định giới hạn ổn định buồng đốt (burner) hoạt động với nhiều loại nhiên liệu khí khác nhau, mối liên hệ tải nhiệt tỉ lệ hòa trộn biểu diễn giãn đồ Fuidge Hình Giới hạn ổn định trình cháy gồm giai đoạn sau: Đầu lửa màu vàng (Yellow Tipping) Sự cháy diễn có diện không khí, nhiên liệu nhiệt độ thích hợp (đánh lửa) Ta đánh giá cách định tính trình cháy thông qua hình dạng màu sắc lửa Quá trình cháy giàu nhiên liệu lửa có màu vàng Khi tăng lượng không khí lửa từ màu vàng chuyển sang màu xanh, trình diễn từ gốc đến Trạng thái giới hạn trình chuyển đổi từ vàng sang THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG xanh đầu lửa màu vàng (yellow tipping – YT) Như vậy, trạng thái tới hạn để trì cháy với tỉ lệ hòa trộn vừa đủ cho trình cháy hoàn toàn Ngọn lửa xanh nâng lên khỏi bề mặt ( Lift-off) Tiếp tục gia tăng lượng không khí, lửa có màu xanh hoàn toàn Ở tỉ lệ thích hợp, lửa xanh nâng lên khỏi bề mặt ống hòa trộn (lift off – LO) Hiện tượng xảy vận tốc hỗn hợp cháy gần vận tốc lan truyền lửa Nếu tiếp tục gia tăng lưu lượng không khí, vận tốc hỗn hợp cháy lớn vận tốc lan truyền lửa, lửa nâng lên khỏi bề mặt bị tắt Đây trạng thái tới hạn trình cháy nghèo nhiên liệu, trạng thái chuyển tiếp để kết thúc cháy Ngọn lửa cháy ngược (Light back) Hiện tượng lửa cháy ngược (light back) xảy tỉ lệ hòa trộn vượt giá trị tượng tách rời bề mặt lửa (LO) Khi tải nhiệt thấp, tăng lưu lượng không khí, vận tốc lan truyền lửa lớn vận tốc chuyển động hỗn hợp cháy Ngọn lửa cháy trạng thái nghèo nhiên liệu có xu hướng chuyển động ngược phía đầu vào để trì trình cháy Hình 1: Giãn đồ Fuidge đăc trưng cho giới hạn ổn định trình cháy khí than (coal gas) methane THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 3.1.Mô tả cấu tạo thiết bị thí nghiệm − Bình nhiên liệu: thiết bị dùng cho nhiều loại nhiên liệu dạng khí Propan, LPG, methane Áp suất dư nguồn cung cấp nhiên liệu khí thường khoảng 125 – 380 mm H2O THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG − Nguồn cung cấp điện cho thiết bị hiệu điện 220V 110V − Thiết bị khảo sát cháy C551 bao gồm quạt ly tâm để hút không khí từ bên vào hòa trộn với nhiên liệu Lưu lượng không khí, nhiên liệu hiển thị đồng hồ đo lưu lượng − Bộ chế hòa khí, có hình lục giác đều, kết nối với ống dẫn nhiên liệu ống dẫn không khí − Ba ống thép với đường kính tương ứng 9.06 mm, 15.24 mm 22.8 mm, đóng vai trò ống hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu không khí trước diễn trình cháy đầu côn để khảo sát trình cháy bề mặt − Ống nhựa để quan sát đo vận tốc lan truyền lửa chế độ cháy ngược dòng (light back) − Hệ thống đánh lửa: ống thép hình chữ L đặt bugi hộp đánh lửa 3.2.Yêu cầu an toàn vận hành thiết bị − Thiết bị cần bố trí bề mặt phẳng, kết nối với nguồn cung cấp nhiên liệu nguồn điện cách dễ dàng, nơi thông thoáng tránh xa vật liệu dễ bắt lửa − Không hoạt động thiết bị van điều khiển nhiên liệu mở mà không xảy trình cháy (không có lửa) 3.3.Vận hành thiết bị − Bật công tắc điện thiết bị C551 để chạy quạt hút không khí Mở van không khí đảm bảo cho không khí vào đến chế hòa khí Đánh lửa hỗn hợp hòa trộn nhiên liệu/không khí − Lưu lượng nhiên liệu khí vào buồng đốt điều chỉnh thông qua ống đo lưu lượng với thang đo khác cho loại nhiên liệu khí Với khí gas thiên nhiên, nên xác định lưu lượng theo ống dài Với hỗn hơp nhiên liệu butane propane, lưu lượng nên hiển thị theo ống nhỏ Kết hiển thị ống đo lưu lượng theo đơn vị cm Ta cần sử dụng biểu đồ cung cấp nhà sản xuất để biết giá trị thật lưu lượng theo m 3/s Tham khảo đồ thị Hình Hình để quy đổi hiệu chỉnh giá trị lưu lượng KHẢO SÁT GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH QUÁ TRÌNH CHÁY 4.1.Yêu cầu thí nghiệm − Xác định đặc tính nhiên liệu: hỗn hợp gồm chất tỉ lệ tương ứng, nhiệt trị nhiên liệu THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG − Quan sát tượng, điều chỉnh tỉ lệ hòa trộn nhiên liệu –không khí để có trang thái giới hạn đầu lửa màu vàng (YT), lửa xanh nâng lên khỏi bề mặt (LO) cháy ngược (LB) − Quan sát đo chiều cao lửa − Ghi lại kết trình bày bảng cho ống hòa trộn trường hợp ống có độ côn − Lập bảng kết tổng hợp Bảng thiết lập giãn đồ Fuidge cho loại nhiên liệu thí nghiệm − Nhận xét ảnh hưởng tỉ lệ hòa trộn, tải nhiệt đến hình dáng, màu sắc, chiều cao giới hạn ổn định lửa − Nhận xét đặc tính lửa gắn thêm đầu côn 4.2.Tiến hành thí nghiệm Quan sát tượng đầu lửa màu vàng (YT) − Bắt đầu thí nghiệm với ống thép có đường kính nhỏ nhất, sau vận hành thiết bị tạo lửa, tắt van dẫn không khí, ta quan sát thấy đầu lửa màu vàng (yellow tip - YT) Tùy theo loại nhiên liệu sử dụng, việc ngừng cung cấp không khí tạo khói − Từ từ mở van dẫn không khí, đặt trắng làm phông nền, quan sát đầu lửa màu vàng (YT) biến thay lửa màu xanh Quan sát ghi lại tượng với nhiều tỉ lệ hòa trộn với ống khác Quan sát tượng lửa xanh nâng lên khỏi bề mặt ống (LO) − Giữ nguyên lưu lượng nhiên liệu, tăng dần lưu lượng không khí, lửa cháy mạnh mẽ tỉ lệ hòa trộn thích hợp, lửa bắt đầu nâng lên khỏi bề mặt ống hòa trộn (lift off –LO) − Trong số trường hợp tải lượng cháy (burner loading) thấp, tượng lửa nâng lên khỏi bề mặt (LO) không ổn định lửa quay ngược ống hòa trộn Khi xảy tượng bất ổn định này, ta cần tắt van cung cấp nhiên liệu để làm mát ống hòa trộn − Điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu thích hợp từ từ gia tăng lưu lượng không khí, vận tốc hỗn hợp cháy (nhiên liệu không khí) vượt qua vận tốc lan truyền lửa, lửa tách khỏi bề mặt ống hòa trộn tắt Quan sát thật nhanh tượng, ghi lại lưu lượng không khí nhiên liệu tương ứng tắt van cung cấp nhiên liệu − Tiến hành thí nghiệm với nhiều ống khác Lưu ý tượng lửa tách khỏi bề mặt ống (LO) không dễ dàng thực hỗn hợp cháy có vận tốc lan truyền lửa cao đường kính ống hòa trộn lớn Quan sát tượng cháy ngược (LB) THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG − Hiện tượng lửa đảo chiều chuyển động phụ thuộc vào đặc tính nhiên liệu kích thước ống hòa trộn Ví dụ như, tượng khó thực cho nhiên liệu hỗn hợp propane methane (có vận tốc lan truyền lửa thấp) ống hòa trộn có đường kính nhỏ − Lắp đặt ống có đường kính lớn đánh lửa hỗn hợp nhiên liệu-không khí Ở tải lượng cháy thấp (tùy thuộc vào loại nhiên liệu), gia tăng lưu lượng không khí đầu lửa màu vàng biến lửa cháy xanh hình thành Khi tải lượng cháy vừa đủ thấp, tiếp tục tăng lưu lượng không khí làm vận tốc lửa tăng vượt vận tốc hỗn hợp cháy, dẫn đến tượng lửa quay trở lại ống hòa trộn Quan sát xảy tượng này, ghi lưu lượng không khí nhiên liệu tương ứng đồng thời tắt nguồn cung cấp nhiên liệu để dập tắt lửa Lặp lại thí nghiệm với nhiều ống khác biểu diễn kết giãn đồ Fuidge Hình 2: Giãn đồ hiệu chỉnh giá trị hỗn hợp nhiên liệu propan+ buthane Bảng 1: Kết tổng hợp để thiết lập giãn đồ Fuidge THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG Hình 3: Mối liên hệ lưu lượng cột đo thiết bị (cm) lưu lượng thực tế (m3s1 ) KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 5.1 Khảo sát giới hạn ổn định trình cháy - Tính toán lưu lượng gas không khí (chuyển đổi từ cm sang m 3/s) biểu đồ: Mối liên hệ lưu lượng cột đo thiết bị (cm) lưu lượng thực tế (m 3s-1) Sau hiệu chỉnh công thức: Corrected gas Flow = k x Gas Flow Reading ( Lưu lượng Gas hiệu chỉnh = k x lượng Gas đọc đồ thị ) THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG ▪ Đặc tính nhiên liệu: Gas LPG (50% butane, 50% propane) với hệ số hiệu ▪ chỉnh Tiến hành thí nghiệm cho ống hoà trộn trường hợp ống có độ côn - Tính diện tích mặt cắt ngang ống - Tính Primary Air/Fuel Ratio cách lấy Air Flow chia cho Gas flow - Bunrer Loading tính dựa vào công thức: Tai nhiet = Nhiet tri cua nhien lieu [MJm -3 ] * Luu luong nhien lieu[m 3s -1 ] Dien tich[m ] Với nhiệt trị nhiên liệu 40 MJm-3 BẢNG KẾT QUẢ Bảng 1: D Tiết diện Lưu lượng Gas hiển thị Lưu lượng Gas Lưu lượng không khí hiển thị Lưu lượng không khí Tỉ số không khí/nhiên liệu Tải nhiệt THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG YT LO LB YT LO LB YT LO LB 10 7.85E-05 1.59E-02 14.5 15.5 - 0.29 0.31 - 18.29 19.55 - 8.075 10 7.85E-05 2.11E-02 19.5 22 - 0.38 0.42 - 17.98 19.87 - 10.767 12.5 1.23E-04 1.59E-02 14 19.5 - 0.28 0.38 - 17.66 23.97 - 5.168 12.5 1.23E-04 2.11E-02 18.5 24 - 0.36 0.46 - 17.03 21.76 - 6.891 15.8 1.96E-04 1.59E-02 13 24 - 0.26 0.46 - 16.40 29.01 - 3.235 15.8 1.96E-04 2.11E-02 17 26 - 0.34 0.51 - 16.08 24.12 - 4.313 29.4 6.79E-04 1.59E-02 11 - - 0.23 - - 14.51 - - 0.934 29.4 6.79E-04 2.11E-02 15 - - 0.3 - - 14.19 - - 1.246 32.2 8.14E-04 1.59E-02 14 - 20 0.28 - 0.39 17.66 - 24.60 0.779 32.2 8.14E-04 2.11E-02 17 - 25 0.34 - 0.49 16.08 - 23.18 1.038 22.3 3.91E-04 1.59E-02 14 - 28 0.28 - 0.55 17.66 - 34.69 1.624 22.3 3.91E-04 2.11E-02 18.5 - 27 0.36 - 0.54 17.03 - 25.54 2.165 Hình 1: Giản đồ Fuidge Gas LPG Nhận Xét: - Ảnh hưởng tỉ lệ hòa trộn, tải nhiệt đến hình dáng, màu sắc, chiều cao giới hạn ổn định lửa: Khi giữ nguyên mức nhiên liệu, ta tăng mức không khí, lúc đầu lửa màu vàng bùng lên cao THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG Sau chuyển sang giai đoạn YELLOW TIPPING phần lớn lửa màu xanh phần chóp có màu vàng, giai đoạn cháy ổn định lửa Tiếp tục tăng mức không khí lửa chuyển sang giai đoạn LIFTOFF lửa nhấc lên khỏi miệng ống Trường hợp đường kính ống nhỏ không xảy tượng light-back THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG 10 THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG Cùng mức nhiên liệu cột không khí yellow tipping thấp lift off light back, cột nhiên liệu tăng lên cột không khí để xảy trình tăng lên Trường hợp ống lớn không xảy tượng lift-off, có tượng lightback lửa cháy tình trạng nghèo nhiên liệu Ta thấy tăng mức nhiên liệu cao lửa cao, đường kính ống to lửa thấp 11 THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG 5.2 Đo vận tốc lan truyền lửa theo tỉ lệ hoà trộn a) Yêu cầu thí nghiệm ▪ Xác định tỉ lệ hoà trộn thích hợp nhận xét điều kiện để xảy tượng cháy ngược ▪ Xác định vận tốc lửa cháy ngược ▪ Vẽ đồ thị thể mối liên hệ vận tốc lửa tỉ lệ hoà trộn b) Tiến hành thí nghiệm ▪ Kết nối ống nhựa, ống L hệ thống bugi đánh lửa ▪ Vận hành van dẫn nhiên liệu không khí để tạo trình cháy, điều chỉnh tỉ lệ hoà trộn cho tạo tượng Lift-off Để lửa hoạ động ổn định sau 5s, tắt đồng thời nguồn cấp nhiên liệu, không khí lúc đánh lửa đường ống ▪ Kết thí nghiệm Bảng 2: Kết đo vận tốc lan truyền lửa Lưu lượng Lưu lượng Gas Gas hiển thị Lưu lượng không khí hiển thị Lưu lượng không khí Thời gian trung bình Vận tốc lửa Tỉ lệ hoà trộn không khí/nhiên liệu 0.5 0.013741 13 0.26 1.33 0.639098 18.92148 0.5 0.013741 15 0.3 1.09 0.779817 21.83247 0.5 0.013741 17 0.335 0.76 1.118421 24.37959 0.015855 12 0.245 3.3175 0.256217 15.45254 0.015855 13 0.26 1.65 0.515152 16.39861 0.015855 14 0.28 1.3425 0.633147 17.66004 0.015855 15 0.3 0.9875 0.860759 18.92148 0.015855 16 0.318 0.79 1.075949 20.05676 0.015855 17 0.335 0.705 1.205674 21.12898 0.015855 18 0.35 0.75 1.133333 22.07506 0.015855 19 0.37 0.625 1.36 23.33649 0.015855 20 0.39 0.6775 1.254613 24.59792 0.015855 21 0.405 0.9925 0.856423 25.54399 12 THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG Hình 2: Giản đồ vận tốc lan truyền lửa Gas LPG Nhận Xét: - Dựa vào bảng kết ta thấy tỉ lệ hòa trộn thích hợp (primary air/fuel ratio) để xảy tượng cháy ngược 23 - Điều kiện xảy tượng cháy ngược đường kính ống phải lớn, cháy ngược tốc độ cung cấp dòng nhiên liệu thấp vận tốc màng lửa, lửa cháy ngược vào ống, lúc ta phải ngắt van cung cấp nhiên liệu để tránh gây nổ - Hiện tượng lửa cháy ngược (light back) xảy tỉ lệ hòa trộn vượt giá trị tượng tách rời bề mặt lửa (LO) Khi tải nhiệt thấp, tăng lưu lượng không khí, vận tốc lan truyền lửa lớn vận tốc chuyển động hỗn hợp cháy Ngọn lửa cháy trạng thái nghèo nhiên liệu có xu hướng chuyển động ngược phía đầu vào để trì trình cháy NHIỆM VỤ TỪNG THÀNH VIÊN Tổng hợp, xử lý số liệu tính toán, chụp hình: Nguyễn Thanh Phong Đo đạc đường kính ống, chiều cao lửa: Lê Nguyễn Hoàng Phi Lắp đặt thiết bị, ghi chép: Lê Anh Tài Điều khiển thiết bị thí nghiệm, quan sát trạng thái: …… 13 [...]... ống càng to thì ngọn lửa càng thấp 11 THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG 5.2 Đo vận tốc lan truyền ngọn lửa theo tỉ lệ hoà trộn a) Yêu cầu thí nghiệm ▪ Xác định tỉ lệ hoà trộn thích hợp và nhận xét điều kiện để xảy ra hiện tượng cháy ngược ▪ Xác định vận tốc của ngọn lửa cháy ngược ▪ Vẽ đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa vận tốc ngọn lửa và tỉ lệ hoà trộn b) Tiến hành thí nghiệm ▪ Kết nối ống nhựa, ống L và... 0.015855 19 0.37 0.625 1.36 23.33649 1 0.015855 20 0.39 0.6775 1.254613 24.59792 1 0.015855 21 0.405 0.9925 0.856423 25.54399 12 THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG Hình 2: Giản đồ vận tốc lan truyền ngọn lửa của Gas LPG Nhận Xét: - Dựa vào bảng kết quả ta thấy tỉ lệ hòa trộn thích hợp (primary air/fuel ratio) để xảy ra hiện tượng cháy ngược là 23 - Điều kiện xảy ra hiện tượng cháy ngược là đường kính ống...THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG Cùng một mức nhiên liệu thì cột không khí của yellow tipping thấp hơn lift off và light back, khi cột nhiên liệu tăng lên thì cột không khí để xảy ra các quá trình trên cũng tăng lên... trình cháy, điều chỉnh tỉ lệ hoà trộn sao cho tạo ra hiện tượng Lift-off Để ngọn lửa hoạ động ổn định sau 5s, tắt đồng thời nguồn cấp nhiên liệu, không khí và cùng lúc đánh lửa trong đường ống ▪ Kết quả thí nghiệm Bảng 2: Kết quả đo vận tốc lan truyền ngọn lửa Lưu lượng Lưu lượng Gas Gas hiển thị Lưu lượng không khí hiển thị Lưu lượng không khí Thời gian trung bình Vận tốc ngọn lửa Tỉ lệ hoà trộn không... Tổng hợp, xử lý số liệu và tính toán, chụp hình: Nguyễn Thanh Phong Đo đạc đường kính ống, chiều cao ngọn lửa: Lê Nguyễn Hoàng Phi Lắp đặt thiết bị, ghi chép: Lê Anh Tài Điều khiển thiết bị thí nghiệm, quan sát trạng thái: …… 13 ... miệng ống Trường hợp đường kính ống nhỏ không xảy tượng light-back THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG 10 THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG Cùng mức nhiên liệu cột không khí yellow tipping thấp lift off... cao, đường kính ống to lửa thấp 11 THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG 5.2 Đo vận tốc lan truyền lửa theo tỉ lệ hoà trộn a) Yêu cầu thí nghiệm ▪ Xác định tỉ lệ hoà trộn thích hợp nhận xét điều kiện để... ỔN ĐỊNH QUÁ TRÌNH CHÁY 4.1.Yêu cầu thí nghiệm − Xác định đặc tính nhiên liệu: hỗn hợp gồm chất tỉ lệ tương ứng, nhiệt trị nhiên liệu THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG − Quan sát tượng, điều chỉnh