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 tợng phức tạp nh 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 đợc phun dòng các hạt sơng 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 tơng tự sơ đồ cháy nhiên liệu khí, vì oxy phản ứng với hơi của nhiên liệu có trạng thái gần nh thể khí, tất nhiên quá trình này có một số đặc điểm riêng sau đây : Dòng nhiên liệu lỏng đợc 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 nh trờng 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 đợc phun bụi tạo nên những khối hơi nhiên liệu. Kích thớc 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 sơng trong trờng 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 tợng 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, trớc hết ta nghiên cứu quá trình bốc cháy của giọt nhiên liệu lỏng riêng biệt trong không gian tự do đợc 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 lợng nhỏ oxy, ở trên biên ngoài của lớp này nồng độ chất cháy tơng 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 tơng ứng với giới hạn dới của sự bốc cháy. abcd12Ngoài giới hạn của lớp c là lớp d, ở đây hỗn hợp chứa một lợng nhỏ chất cháy do đó không có khả năng bốc cháy. Hình 3.6 Sơ đồ của giọt bốc hơi trong môi trờng tĩnh) 1. Giới hạn trên của biên độ bốc cháy 2. Giới hạn dới ở thời điểm ban đầu, khi giọt đợc dịch chuyển vào môi trờng hỗn hợp đã đốt nóng đến nhiệt độ cao, giọt lỏng sẽ đợc đốt nóng dần đến nhiệt độ sôi ở áp suất tơng 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 trớc khi bề mặt giọt đạt đợc nhiệt độ cân bằng. ở lớp c nồng độ oxy tăng lên theo hớng 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 đợc lan truyền từ lớp này đến lớp khác cho đến bề mặt 1, sau đó ngọn lửa không thể dịch chuyển đợc 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 đợc 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 đợc đặc trng bởi 2 quá trình có liên hệ tơng 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 lợng hơi bốc ra từ nó, có nghĩa nó là quá trình hoá học đồng thể, mặt khác tốc độ của quá trình cháy đợc 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 trng 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 tơng đối bằng không). Trong trờng 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 thớc. Nếu giọt nhiên liệu lỏng chuyển động với một tốc độ tơng 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 đợc 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 đợc 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 đợc cháy. Hiện nay cha 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 nh 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 d để giọt cháy bị giảm thể tích đi một lợng dv có thể tìm trên cơ sở phơng trình cân bằng nhiệt sau : ( )[ ]dVttCqFdosg+= (3-23) mà : FdV= dr do đó: ( )[ ]00sgrqttCd+= (3-24) Trong đó : q Nhiệt lợng mà 1 đơn vị diện tích bề mặt giọt thu đợc từ miền cháy. - Khối lợng 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. - Nhiệt ẩn hóa hơi của nhiên liệu lỏng. r - Bán kính giọt. F - Diện tích bề mặt giọt. Từ phơng trình (3-24) ta suy ra thời gian cháy hoàn toàn giọt nhiên liệu lỏng bằng : ()[]()[ ]0g0sr0gosrqCttdrqCtt0+=+= (3-25) trong đó : r0 bán kính ban đầu của giọt. Khi dùng phơng pháp này có những khó khăn trong việc xác định giá trị q, bởi vì lợng nhiệt giọt nhận đợc từ miền cháy phụ thuộc vào nhiều yếu tố nh : Mức độ đốt nóng sơ bộ nhiên liệu và chất oxy hoá, kích thớc giọt, độ rối của dòng, nồng độ chất oxy hoá trong dòng v.v XuTpuuH đã đã đề nghị một phơng pháp tính thời gian cháy giọt với giả thiết rằng trao đổi nhiệt giữa giọt và môi trờng xung quanh chỉ do đối lu. Trong trờng hợp đơn giản Nu = 2 tác giả đã rút ra một công thức phản ánh đúng về mặt chất lợng ảnh hởng của các yếu tố khác nhau đến thời gian cháy giọt. ()=0s20tt2r (3-26) Trong đó : - là khối lợng riêng của giọt chất lỏng - nhiệt ẩm hoá hơi - hệ số dẫn nhiệt của môi trờng không khí. t0 và ts - nhiệt độ của môi trờng và nhiệt độ sôi của chất lỏng. r0 - bán kính ban đầu của giọt Trong trờng hợp tổng quát khi phải tính toán Nu = f(Re) thì công việc sẽ rất phức tạp. Ngoài ra còn có một số phơng pháp khác để tính thời gian cháy giọt nhiên liệu lỏng, nhng không trình bày ở đây. 3.4.2. Quá trình cháy dòng nhiên liệu lỏng đã đợc phun thành sơng Nh đã phân tích ở trên, quá trình cháy dòng nhiên liệu lỏng phun thành sơng 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 đợc dẫn vào ống lót của vòi phun, dòng không khí pha trộn với các giọt nhiên liệu lỏng đã đợc phun thành sơng mù, tạo ra trong buồng lửa một dòng tràn ngập không đẳng nhiệt. Dòng hỗn hợp khi lan truyền đợc sấy nóng do hút sản phẩm cháy có nhiệt độ cao từ môi trờng xung quanh vào, từ đó các giọt nhỏ nhiên liệu lỏng sẽ đợc sấy nóng và bốc hơi nhờ nhận nhiệt theo các phơng thức sau đây : 1. Trao đổi nhiệt đối lu 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 tờng 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 đợc đốt nóng và bốc hơi chậm hơn, khi chúng đã chuyển động đợc một khoảng cách nhất định dọc theo trục của dòng trớc khi bốc hơi hoàn toàn, vì vậy ngọn lửa thờng 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 đợc điều kiện thích hợp cho sự bốc cháy, nghĩa là tại đó hỗn hợp nhiên liệu và oxy đạt đợc tỷ lệ hợp lý và có nhiệt độ đủ cao. Những điều kiện nh vậy trớc 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 nh sau: ở đoạn đầu của dòng, các giọt nhiên liệu đã đợc phun thành sơng mù có tốc độ tơng đối lớn, lúc đầu khi kích thớc 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 thớc giọt đã giảm, các giọt có kích thớc nhỏ (đờng kính các giọt bằng 0,010 ữ 0,20mm) thì có quán tính nhỏ, vì vậy mà chuyển động tơng đối của các giọt sẽ bị dòng hãm lại rất nhanh và các giọt sẽ có tốc độ bằng tốc độ dòng ; trong những trờng 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 đợc lan truyền sâu vào dòng từ các trung tâm cháy sinh ra trên biên của dòng. ở dòng rối, khi đạt đợc 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 tợng đập mạch rối tác dụng lên giọt, do đó tạo điều kiện tăng cờng trao đổi nhiệt và trao đổi chất giữa giọt với môi trờng xung quanh và dẫn đến tăng tốc độ cháy so với trờng hợp khuếch tán (dịch chuyển) phân tử. Đập mạch rối có ảnh hởng rất lớn đến quá trình cháy các giọt có kích thớc lớn và ảnh hởng 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 trờng tĩnh. Đối với môi trờng tĩnh chỉ có khuếch tán phân tử thuần tuý và suất tốc độ cháy (là lợng chất lỏng cháy trên một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thời gian) tỷ lệ nghịch với đờng 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. Lợng nhiệt cần thiết khi đó có thể tính theo công thức : () ( ) ( )kkfkkkk0sfhg0snlattCVkttCttCq +++= [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- nhiệt ẩn hoá hơi của nhiên liệu lỏng, đoối với madut g 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] - hệ số không khí thừa. V0kk - lợng 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, thờng k = 0,25 Đối với mazut thì nhiệt lợng cần thiết để hoạt hóa ngọn lửa thờng 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 thớc nhỏ sẽ bốc hơi trớc và tạo thành hơi, các giọt có kích thớc trung bình và kích thớc lớn cha kịp bốc hơi trớc lúc sinh ra mặt ngọn lửa, các giọt này sẽ chuyển động ra mặt chắn trớc 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 đợc 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 thờng 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 đợc 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 đợc 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 ngợc lại khi giảm tốc độ lan truyền ngọn lửa thì miền bốc cháy sẽ chuyển động theo hớng 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 tợng đứt ngọn lửa. Khi cấp một lợng quá lớn không khí lạnh đến phần đầu của ngọn lửa cũng có thể dẫn đến hiện tợng 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 đợc phun thành sơng ổn định hơn ngọn lửa đồng thể (đồng nhất) khi xác định theo giới hạn dới của quá trình bốc cháy. Sỡ dĩ nh vậy vì có sự tơng tác giữa các giọt đang cháy và các giọt cha cháy trong dòng. Những giọt đang cháy chính là nguồn cấp nhiệt để sấy những giọt cha cháy. Khi bốc hơi, các giọt chuyển động trong dòng với tốc độ tơng đối bằng không, sẽ sinh ra trớc hết ở xung quanh các giọt một hỗn hợp hơi + không khí mà nồng độ của chúng cao hơn nồng độ giới hạn dới của quá trình bốc cháy và sẽ bốc cháy. Những giọt cháy này lại làm bốc cháy những giọt cha 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 phơng pháp cấp không khí cấp I và cấp II a. Cháy trong buồng thẳng. b. Cháy có dùng buồng lửa đặt trớc bằng gạch. c. Cháy trong dòng xoáy. Để giảm kích thớc của vùng ở phía trớc ngọn lửa và đa mặt bốc cháy đến gần vòi phun thì ta không cấp tất cả không khí đến miền bốc hơi sơ bộ mà chỉ đa 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, đợc đa 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 đợc cho trong (hình 3.8) . dới của quá trình bốc cháy và sẽ bốc cháy. Những giọt cháy này lại làm bốc cháy những giọt cha cháy bên cạnh và tạo ra quá trình cháy ổn định. Hơi của. liệu lỏng. - Nhiệt ẩn hóa hơi của nhiên liệu lỏng. r - Bán kính giọt. F - Diện tích bề mặt giọt. Từ phơng trình ( 3-2 4) ta suy ra thời gian cháy hoàn toàn