Bài giảng Lý thuyết cháy

Bài giảng Lý thuyết cháy TS BÙI TUYÊN

LÝ THUYẾT CHÁY (Combustion: Theory and Equipment) TS. Bùi Tun 1/ Tên học phần: Lý thuyết cháy 2/ Số đơn vò 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 đònh của ngọn lửa; quá trình đốt cháy các loại nhiên liệu lỏng và rắn. Ngoài ra, các loại thiết bò 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 bò 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 - Thảo luận 9/ Tài liệu học tập: Trần Gia Mỹ, Kỹ thuật cháy, NXB KH&KT, Hà Nội 2005 Nguyễn Só Mão, Lý thuyết và Thiết bò 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 11/ Thang điểm: - Giỏi: 9 -10đ - Khá: 7-8đ - Trung bình: 5-6đ - Kém:< 5đ 12/ Nội dung môn học: Chương 1. Cơ sở nhiệt hóa học (8 tiết) 1.1 Giới thiệu về nhiệt-hóa 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 Đònh luật Lavoisier về nhiệt phản ứng 1.12 Đònh 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 Đònh luật Newton về độ nhớt 2.2 Đònh luật Fick về khuếch tán 2.3 Khái niệm về lớp biên 2.4 Truyền nhiệt qua lớp biên 2.5 Các đònh 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 n đònh 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 SƠÛ 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 t, ví dụ khơng khí quanh ta) tn 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 đó chiếm ngun thể tích hỗn hợp ở cùng nhiệt độ. Áp suất riêng còn gọi là phân áp suất. b. Nội năng, enthalpy, entropy của hỗn hợp sẽ tương ứng với tổng của nội năng, enthalpy, entropy của các khí thành phần nếu như chỉ mình khí đó chiếm ngun thể tích hỗn hợp ở cùng nhiệt độ. Giả sử ta có 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 tn theo phương trình khí lý tưởng: pV=nRT trong đó n là số kmol của hỗn hợp. n = na + nb + … ni do đó p = (na + nb + … ni)RT/V = naRT/V + nbRT/V + … niRT/V (1) 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 có 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 Nhiệt độ là chung: T = Ta = Tb = … = Ti 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 có bao nhiêu loại khí trong hỗn hợp). Thể tích riêng phần hay phân thể tích là khái niệm khác. Đó là thể tích chất khí thứ i chiếm riêng nó khi ở áp suất và nhiệt độ như của hỗn hợp. Hỗn hợp cơ học của các khí lý tưởng có các tính chất của khí lý tưởng, tn 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 khó. 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 đó. Đốt tờ giấy là một loại phản ứng hố học. Nó phát ra nhiệt. Ta cũng đốn được rằng đốt hai tờ giấy như nhau thì nhiệt lượng giải phóng ra 2 lần nhiều hơn nhiệt khi đốt 1 tờ. Có những phản ứng khác thì tiêu hao nhiệt , khác hẳn với phản ứng cháy vừa nói. Năng lượng của phản ứng do vậy mà có thể mang các dấu khác nhau. Chi tiết ta sẽ nói ở dưới. 1.2 Tốc độ phản ứng hoá học (Chemical reaction rate) Tốc độ phản ứng hoá học biểu thò 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 thò (C có gốc từ concentration): v = - dCA/dτ = - dCB/dτ = dCE/dτ = dCF/dτ mol/(cm3.s) (2) 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 có 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) Phản ứng rỉ/sét (tốc độ chậm) Phản ứng cháy (tốc độ nhanh) 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 bò 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 lò phản ứng, và các chất xúc tác. Đònh 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 có gốc từ concentration, hoặc viết khác nhưng cũng có nghĩa là nồng độ)): v = k CpACqB hay v = k [A]p[B]q (3) Sự phụ thuộc này nói chung là phi tuyến, tuy nhiên có 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 trò 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 có 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 có 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 đònh qua thực nghiệm. Khơng có 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): v = k0 -dC/ dτ = k0 → C = C0 - k0τ → thời gian để tiêu hao hết 1/2 nồng độ (bán kỳ suy giảm) C0/C = 0,5 là τ1/2 = C0/(2k0) Ví dụ : Phản ứng bậc 1: v = - dC/dτ = k1C k1 là hệ số phản ứng có thứ nguyên 1/s. Tích phân với điều kiện ban đầu C = C0 tại τ = 0 ta được ln(C0/C) = k1τ (4) lnC = lnC0 – k1τ, (5) đây là 1 ptrình tuyến tính, dùng để xác đònh 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) từ (4) → C = C0 exp(-k1τ) (6) thời gian để tiêu hao hết 1/2 nồng độ (bán kỳ suy giảm) C0/C = ½ là τ1/2 = ln(2)/k1 = 0,693/k1 Ví dụ phản ứng bậc một: Phản ứng bậc 2: v = - dC/dτ = k2C2 (7) Tích phân với điều kiện ban đầu C = C0 tại τ = 0 ta được 1/C – 1/C0 = k2τ (8) (8) là phương trình tuyến tính, từ đó k2 = (1/τ)(1/C – 1/C0) (9) và τ1/2 = 1/(k2C0) (10) Ví dụ phản ứng bậc hai : Hầu hết các phản ứng cháy có bậc phản ứng quanh giá trị này. Bậc phản ứng và hệ số tốc độ phản ứng đều phải xác đònh 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 trò 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: k = k0 exp(-E/RT) (11) 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 trò k0 và E xác đònh 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 ngun/phân tử đạt mức năng lượng nhất đònh 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. ƠÛ 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 đònh. 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 = k1C2A = k1 xA (p/RT)2 (13) phản ứng bậc n có quan hệ với áp suất theo: v = - dCA/dτ = k1CnA = 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: CH4 + O2 → CH3 + O + OH CH4 + O → CH3 + OH CH3 + O 2 → H2CO + OH H2CO + OH → HCO +H2O HCO + OH → CO + H2O H + O 2 → OH + O H + H2O → OH + H2 2OH → H2O + O CO + OH → CO 2 + H H + OH → H2O Các ion trung gian có tuổi thọ cực ngắn nên việc theo dõi con đường thực của dây chuyền là một việc rất khó khăn. Các chất xúc tác làm thay đổi cơ chế và tốc độ hình thành các chất trung gian, do vậy mà ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng nói chung. 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 nghòch, 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 nghòch 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 nghòch tương ứng là v→ = k→CaACbB (15) v← = k←CeECfF (16) Theo thời gian, nồng độ các chất phản ứng giảm xuống và phản ứng sẽ đạt đến trạng thái cân bằng, lúc đó (ở một nhiệt độ nhất định) v→ = v← tức là k→CaACbB = k←CeECfF từ đó rút ra Kc = k→ / k← = (CeECfF)/( CaACbB) (17) Kc là hệ số cân bằng hoá học, nó được xác đònh qua thực nghiệm và phụ thuộc rất nhiều vào nhiệt độ. Ví dụ H2O ↔ 1/2 H2 + OH ở nhiệt độ 700K có KC700 = 10-16,6 và 3850K thì KC3850 = 1 Có nghĩa là ở nhiệt độ 700K chỉ có 1 trong 1016,6 phân tử nước bị phân huỷ (nước rất bền vững), 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 đònh 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 có 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 phẩm là hơi nước cũng ở điều kiện nhiệt độ 25oC thì một năng lượng bằng 242 kJ/(mol hơi nước) đã bò 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 tn theo định luật 1: hệ nhận vào là dương, toả ra là âm. Trong nhiệt động hố học dấu âm của enthalpy tạo chất của H2O cho hay rằng hơi nước có thế hoá năng nhỏ hơn hydro và oxy ban đầu. Một số giá trò 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 trò enthalpy taọ chất (1at, 25oC) Tên Công thức Trạng thái Enthalpy tạo chất, kJ/mol CO Khí -110,6 CO2 Khí -393,7 CH4 Khí -74.9 C2H6 Khí -84.6 Ethylene C2H4 Khí 52.76 Benzene khí C6H6 Khí 82.97 Benzene lỏng C6H6 Lỏng 49.06 O2 Khí 0 N2 Khí 0 C Tinh thể 0 H2 Khí 0 H2O Khí -242 H2O Lỏng -286 C2H2 Khí +227 CaO Tinh thể -635 Các chất nguyên tố ở dạng tự nhiên qui ước có ∆hof298 = 0 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 C(r) + 1/2O2(kh) -> CO(kh) - 110,6 kJ/mole CO - 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 trò 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, có 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. Công thức chung để tính enthalpy phản ứng∆HoRT là dựa vào enthalpy tạo chất, và phương trình hố học đã cân bằng: ∆HoR = Σni ∆hofR sanpham - Σnj ∆hofR thamgia (18) Trong đó ký hiệu o chỉ điều kiện tiêu chuẩn; Σnj ∆hofR thamgia là tổng các enthalpy tạo chất của các chất tham gia ban đầu; Σni ∆hofR sanpham là tổng các enthalpy tạo chất của các chất sản phẩm (chú ý: số lượng các chất tham gia và các sản phẩm nói chung là khác nhau) Đại lượng này đổi dấu đi thường được gọi là nhiệt phản ứng. QR = - ∆HoR Ví dụ: tính enthalpy phản ứng ở đk chuẩn CH4 (khí) + 2O2 (kh) → CO2 (kh) + 2H2O (lỏng) Tra bảng tạo chất trên ta tìm được -74.9 + 2* 0 → - 393.7 – 2*286 theo công thức (18) ta có enthalpy phản ứng cháy methane với oxy là ∆HoR298 = -393,7 – 572 - (-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 trò enthalpy phản ứng cháy (1at, 25oC, sản phẩm cháy ở pha khí) Nhiên liệu Công thức Trạng thái nhiên liệu ∆Hc, kJ/mol C R -393,7 H2 Kh -242 CO Kh -283 CH4 Kh -802 C2H6 Kh -1560 Các giá trị trong bảng 1.2 có thể tính được từ bảng 1.1 1.10 Nhiệt trò (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 trò của nhiên liệu. Ký hiệu thường dùng là Q hay HV (heating value), đơn vò thường dùng là MJ/kg hay kJ/kg. Như vậy, nhiệt trị có giá trị bằng enthalpy của phản ứng cháy của 1kg nhiên liệu nhưng đổi dấu sang +. Nhiệt trò 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 trò này. Nhiệt trò cao (HHV, higher heating value) là nhiệt trò khi nước của sản phẩm cháy ngưng lại ở dạng lỏng, ta thu được thêm nhiệt hoá lỏng. HHV không có giá trò kỹ thuật, trong thực tế ta cần áp dụng mọi biện pháp chống ngưng hơi nước trên mặt thiết bò để chống ăn mòn. HHV cũng chỉ có nghĩa khi nhiên liệu chứa hydro, tất nhiên các nhiên liệu thương mại đều có hydro. Carbon thuần t khơng có HHV. Nhiệt trò nhiên liệu khí có thể đo cho 1 m3 tiêu chuẩn của nhiên liệu đó, đ.v sẽ là MJ/m3tc. Ta xác định nhiệt trị bằng cách đốt một khối lượng nhỏ nhiên liệu, mf, trong mơi trường oxy trong thiết bị gọi là bom nhiệt lượng kế (bomb calorimeter), nhiệt lượng giải phóng ra làm tăng nhiệt độ nước và bình chứa có tổng chung nhiệt dung là CB lên một giá trị ΔT; nhiệt trị Q được tính ra từ cân bằng năng lượng. Q. mf = CB . ΔT (19) thermometerO2samplewaterstirrerignitionunitbombdewar [...]... sạch được nhiên liệu gọi là tổn thất cơ học (dễ thấy rõ cho nhiên liệu rắn, lỏng) và tổn thất hoá học Cấp nhiều kk' hơn lượng lý thuyết giúp ta giảm được các tổn thất này Tỷ số giữa lượng kk' thực L và lượng lý thuyết Ll thuyết gọi là hệ số kk' λ (còn gọi là hệ số kk' dư) λ = L/ Ll thuyết (3.3) 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... vậy, lượng kk' lý thuyết của CH4 là 17,17 kg/kg (một số sách lấy số nghòch đảo thành 0,0582 có nghĩa là 1kg khơng khí thì đốt vừa hết 0,0582 kg methane) Nếu tính theo thể tích thì 22,4 m3 + 44,8 m3 = 22,4 m3 + 44,8 m3 3 1 m CH4 cần 2 m3 oxy, tức là 9,524 m3 kkông khí Tỷ số lý thuyết sẽ là 9,524 m3/m3 (hoặc 0,105 nếu đo theo kiểu nghòch đảo) Các quá trình cháy thực cần nhiều oxy hơn lượng lý thuyết vì như... 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 ng dụng của hiệu ứng này: các lưới đèn mỏ và các lưới chắn an toàn Lửa sẽ không thể lọt qua lưới được, nó bò 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... 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 q trình cháy gắn liền với biến đổi hố học trong một thể thống nhất, rất phức tạp 2.1 Đònh luật Newton... 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 đó ta khơng thể duy trì hỗn hợp cơ học được) Giới hạn cháy của một số nhiên liệu với không khí được cho... lửa lan truyền trong một hỗn hợp cháy chứa trong một không gian giới hạn, từ phải sang trái như Hình 1, với phía phải là sản phẩm cháy, phía trái là hỗn hợp cháy Tốc độ dòch chuyển của ngọn lửa theo phương thẳng góc với bề mặt lửa gọi là tốc độ lan truyền cơ bản Hỗn hợp chưa cháy Hỗn hợp Đã cháy Màng lửa x Hình 1 Sự lan truyền một chiều ngọn lửa tầng trong hỗn hợp cháy trộn trước T x Hình 2 Profile... 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... cháy một hạt than Q trình cháy than thực ra là cháy từng hạt trong một lớp hay trong một đám, do đó cần phải được nghiên cứu qua một hạt Q trình cháy một hạt than có thể phân đoạn ra như sau: + truyền nhiệt từ ngồi vào hạt than + phân huỷ phần chất bốc trong hạt + khuyếch tán chất bốc ra ngồi + khuyếch tán oxy vào và phản ứng cháy + truyền nhiệt của phản ứng cháy ra xung quanh + cháy khuyếch tán lõi carbon... trước Nhiệt độ tự cháy (tự bốc lửa): đun nóng từ từ hỗn hợp trộn lẫn trước chứa trong một bình trung tính (thuỷ tinh hoặc sứ) [tại sao phải là bình chứa trung tính?], khi đạt tới 1 nhiệt độ nhất đònh hỗn hợp sẽ tự bốc cháy mà không cần tới lửa mồi Nhiệt độ đó là nhiệt độ tự cháy Hỗn hợp trộn trước không thể tồn tại ở nhiệt độ cao hơn nhiệt độ này, nó sẽ cháy ngay và tạo ra sản phẩm cháy Hiện tượng tự... học (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 . LÝ THUYẾT CHÁY (Combustion: Theory and Equipment) TS. Bùi Tun 1/ Tên học phần: Lý thuyết cháy 2/ Số đơn vò học trình: 02. 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