Từ sơ đồ này, ta thấy sự cháy không thể tồn tại nếu như loại bỏ một đỉnh hoặc cắt đứt bất kỳ một cạnh nào của tam giác. Thực vậy, nếu như ta loại bỏ một đỉnh là chất cháy, tức là cách ly chất cháy khỏi vùng cháy thì sự cháy sẽ tắt. Hiện tượng này cũng lặp lại nếu ta loại bỏ nguồn nhiệt hoặc chất oxy hoá của tam giác cháy. Ở đây cháy rừng là quá trình cháy mà vật liệu cháy là các chất rắn nên để dập tắt đám cháy ta dùng cơ chế dập cháy bằng cách cắt bỏ đỉnh thứ ba của tam giác mà ở đây là nguồn nhiệt. Để dập tắt ngọn lửa cháy khuyếch tán bằng cách hạ nhiệt độ đám cháy bằng khơng khí, dùng khơng khí với vận tốc và lưu lượng nhất định để giảm nhiệt độ của phản ứng cháy xuống dưới nhiệt độ cần thiết thì đám cháy sẽ bị tắt (phương pháp này thực hiện theo nguyên lý làm mát bằng khơng khí). Khi ta thổi một khối lượng khơng khí lớn vào đám cháy khơng khí thu nhiệt của đám cháy toả ra môi trường, do vậy nhiệt độ của phản ứng cháy giảm đi.
1.9.3.1. Cơ chế dập lửa vật lý
Cơ chế dập lửa vật lý là xuất phát từ hiệu ứng vật lý để nghiên cứu cơ chế dập lửa, chủ yếu là:
vật cháy đang cháy không thể lan truyền sang vật cháy ở lân cận.
- Cơ chế làm lạnh: Dùng nước hoặc hợp chất hóa học, hoặc sử dụng lưu lượng khơng khí lớn làm cho nhiệt độ của vật đang cháy giảm xuống, giảm đến khi thấp hơn điểm cháy của vật cháy thì nó sẽ tắt.
- Cơ chế cách nhiệt: Sử dụng tấm cách nhiệt để ngăn cản sự truyền nhiệt, làm cho nhiệt độ của các vật cháy ở lân cận không đạt được nhiệt độ bốc cháy.
- Cơ chế che phủ: Dùng chất không cháy hoặc không dễ cháy che phủ lên bề mặt của vật đang cháy, làm cho lửa tắt. Thường dùng bùn, đất và cát để che phủ hoặc dùng hợp chất hóa học hình thành lên một màng khơng cháy che phủ.
- Cơ chế làm lỗng thể khí: Thể khí sinh ra từ vật cháy phải đạt đến một nồng độ nhất định mới có thể cháy, tăng một lượng q lớn khơng khí, làm cho nồng độ thể khí giảm đi, từ đó mà q trình cháy giảm đi và tắt. Thường dùng luồng khơng khí dập lửa.
1.9.3.2. Cơ chế dập lửa hóa học
Cơ chế dập lửa hóa học là xuất phát từ phản ứng hóa học của q trình cháy để nghiên cứu cơ chế dập lửa.
- Cơ chế ngăn cắt ô xy: Cháy là một loại phản ứng ơ- xy hóa mãnh liệt, chỉ cần ngăn cản sự cung cấp khí ơ-xy, hoặc dùng thể khí khơng cháy và khí trơ, làm cho hàm lượng ơ - xy trong khơng khí giảm xuống dưới mức 14-18%, quá trình cháy ngọn lửa sẽ tắt.
- Cơ chế phản ứng dây chuyền: Quá trình cháy là một hệ thống các mắt xích phản ứng hóa học cấu thành, là thông qua dây chuyền phản ứng hi - đrô các - bon (Ro), hydroxyl (oH), gốc hy - đrô (Ho), gốc ô - xy (oO),... và các gốc tự do khác. Một số chất hóa học như các gốc tự do của bromide, iodide có thể làm cho q trình cháy bị gián đoạn....
- Thay đổi con đường của phản ứng cháy: Chất sợi (cellulose) khi cháy sinh ra khí và hình thành ngọn lửa sáng. Một số chất hóa học có thể làm cho
cellulose khơng hình thành ra các chất khí mà hình thành nên các bon và nước nên khơng thể sinh ra q trình cháy có ngọn lửa. Phương trình phản ứng mất nước của chất sợi (cellulose) như sau:
(C6H10O5)n → 6nC + 5nH2O
- Căn cứ vào cơ chế và nguyên lý dập lửa, phương pháp chữa cháy rừng còn chia thành phương pháp dập lửa trực tiếp và phương pháp dập lửa gián tiếp, phương pháp cụ thể có: Phương pháp dập lửa bằng sức gió; phương pháp dùng lửa dập lửa; phương pháp dùng nước dập lửa; phương pháp nổ mìn hoặc nổ bộc phá dập lửa; phương pháp hóa học dập lửa; phương pháp dập lửa bằng đường hàng không (bao gồm máy bay phun tưới dập lửa, nhảy dù dập lửa, đổ bộ dập lửa, ...); phương pháp làm mưa nhân tạo dập lửa; phương pháp cách ly dập lửa; phương pháp lấy đất dập lửa; phương pháp đập dập thủ công.
1.9.3.3. Cơ chế dập tắt đám cháy rừng bằng đất cát
Khi ta phun một lượng lớn đất cát và khơng khí vào đám cháy, đất cát bao phủ lên bề mặt vật liệu cháy sẽ có tác dụng cách ly vật liệu cháy với ơxy, ngăn chặn sự xâm nhập của ôxy mang đến cho chất cháy. Ngược lại, nó cũng làm cho sự bay hơi của chất khí cháy khơng thốt ra ngồi được. Điều đặc biệt là lớp đất cát bao phủ trên bề mặt chất cháy là lớp ngăn cản sự tác động của dòng nhiệt bức xạ ngọn lửa đến, dẫn đến làm giảm sự đốt nóng bề mặt chất cháy, giảm khí bay ra. Ngồi ra đất cát cịn bắn phá đám cháy, phân tách nguồn nhiệt.
Đồng thời khi đất cát phun vào đám cháy với một khối lượng và vận tốc nhất định, do đất cát có khối lượng, nên bắn phá đám cháy, phân tách nguồn nhiệt ra khỏi vật cháy làm cho nhiệt độ đám cháy giảm đi, từ đó làm cho q trình cháy bị dập tắt. Ngoài ra khi phun một lượng lớn đất cát và khơng khí vào đám cháy, đất cát và khơng khí sẽ thu nhiệt của đám cháy, từ đó nhiệt độ của đám cháy giảm đi rất nhanh dẫn đến đám cháy bị dập tắt nhanh.
Đất cát là vật liệu sẵn có trong rừng khơng phải mang vác, vận chuyển nên rất tiện lợi cho quá trình chữa cháy, do vậy sử dụng cơ chế dập lửa bằng đất cát để chữa cháy rừng là rất hiệu quả vì trong rừng khơng có nguồn nước, khơng có hóa chất, phạm vi cháy rộng lớn. Vấn đề cịn lại là phải có thiết bị gọn nhẹ để thực hiện nhiệm vụ cắt đất, hút và phun vào đám cháy.
1.10. Phương pháp nghiên cứu
1.10.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết sử dụng trong đề tài là áp dụng phương pháp nghiên cứu của cơ học lý thuyết, ngun lý va chạm, lý thuyết tính tốn quạt hút cao áp, lý thuyết vận chuyển vật liệu rời bằng sức gió. Nội dung của phương pháp này có thể tóm tắt như sau:
Từ q trình làm việc của máy lập ra mơ hình tính tốn, vận dụng phương pháp tốn cơ để lập ra các phương trình tính tốn lực cắt đất, rung động của máy, lưu lượng, vận tốc và áp lực hỗn hợp khơng khí và đất cát, từ đó khảo sát sự phụ thuộc của các đại lượng nghiên cứu vào các thông số ảnh hưởng để rút ra kết luận cần thiết. Nội dung của phương pháp này được trình bày trong các tài liệu [2]; [8]; [10], [14]
1.10.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Phương pháp đo các đại lượng nghiên cứu trong luận án được thực hiện theo phương pháp đo lường các đại lượng không điện bằng điện. Nội dung của phương pháp cũng như việc xử lý các kết quả được trình bày trong các tài liệu [6], [13].
Việc tổ chức và tiến hành thí nghiệm xác định khối lượng đất phun, áp lực, vận tốc hỗn hợp khơng khí và đất cát, thời gian phun được tiến hành theo phương pháp thống kê toán học và phương pháp kế hoạch hoá thực nghiệm, việc lập kế hoạch và tổ chức thực nghiệm cũng như xử lý các số liệu thí nghiệm được trình bày rõ trong các tài liệu [3], [6], [11], [13], [20], [21]. Do vậy, ở đây cũng chỉ trình bày việc áp dụng các kết luận đó vào các bài toán cụ thể. Việc áp dụng các phương pháp
nghiên cứu nêu trên sẽ được trình bày cụ thể ở các chương tiếp theo khi tiến hành nghiên cứu từng nội dung.
Kết luận chương 1
Sau khi nghiên cứu các nội dung đã trình bày ở phần trên luận án rút ra một số kết luận sau:
- Các cơng trình nghiên cứu về các thiết bị chữa cháy rừng trên thế giới đã đạt được nhiều thành tựu, đã tạo ra nhiều thiết bị chữa cháy rừng được sử dụng trong thực tế và cho hiệu quả chữa cháy cao.
- Ở Việt Nam đã có một số cơng trình nghiên cứu về thiết bị và cơng nghệ chữa cháy rừng, song các cơng trình này chủ yếu tập trung vào khâu thiết kế chế tạo, chưa có nhiều cơng trình nghiên cứu đầy đủ tồn diện sâu về máy phun đất cát chữa cháy rừng.
- Trên thế giới cũng như ở Việt Nam chưa có cơng trình nghiên cứu xác định một số thơng số tối ưu về máy chữa cháy rừng bằng đất cát được công bố.
Như vậy việc luận án thực hiện đề tài: "Nghiên cứu xác định một số
thông số tối ưu của máy chữa cháy rừng nằng đất cát" là cần thiết và mang
tính thời sự nhằm tạo ra cơ sở khoa học để hoàn thiện thiết bị chữa cháy rừng hiện đang được sử dụng rộng rãi ở nhiều địa phương để nâng cao năng suất và hiệu quả chữa cháy, góp phần hạn chế diện tích rừng bị cháy ở Việt Nam.
Chương 2
CƠ SỞ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ TỐI ƯU CỦA MÁY CHỮA CHÁY RỪNG BẰNG ĐẤT CÁT
Trên máy chữa cháy rừng bằng đất cát có nhiều hệ thơng cơng tác, để tính tốn tối ưu các hệ thống cơng tác của máy thì cần phải nghiên cứu xây dựng cơ sở lý thuyết tính tốn các hệ thống cơng tác của máy.
Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đã trình bầy ở chương 1, bài tốn đặt ra trong chương 2 này là tiến hành xây dựng cơ sở lý thuyết tính tốn hệ thống cắt đất, hệ thống rung động của máy cắt đất, tính tốn quạt hút và phun đất để tăng năng khối lượng và áp lực đất phun vào đám cháy, đề xuất giải pháp giảm rung động của máy.
2.1. Đặc điểm và yêu cầu của hệ thống cắt đất
2.1.1. Đặc điểm của quá trình cắt đất
Cắt đất là quá trình cắt phức tạp, trong đó nhờ lực tác dụng trực tiếp của lực cắt mà phôi (đất) được phân chia nhằm tạo ra sản phẩm có hình dạng và kích thước nhất định. Đất là vật liệu có cấu tạo phức tạp khơng đồng nhất và khơng đẳng hướng, nên trong q trình cắt đất có một số đặc điểm sau:
- Thành phần cấu tạo đất là khơng đồng nhất, trong đất có hạt sỏi to, hạt sỏi nhỏ, đất lẫn đá , cỏ, rễ cây... Với những đặc điểm này làm cho lực cắt thay đổi rất lớn dẫn đến công suất của động cơ tăng lên rất nhiều, từ đó động cơ có thể bị quá tải. Mặt khác khi lực cắt tăng lên tạo ra xung lực lớn tác động lên tay người điều khiển gây ra hiện tượng rung động. Từ đó làm cho cơng nhân vận hành thiết bị chóng bị mệt mỏi, làm ảnh hưởng đến năng suất lao động. Điều này cần phải nghiên cứu ra phương pháp cắt khi gặp đá, rễ cây mà lực cắt không tăng động cơ không bị quá tải.
- Đất có cấu tạo hạt, tính kết dính thấp nên ứng suất kéo, ứng suất trượt rất nhỏ so với ứng suất nén, ứng suất cắt, điều này cần phải nghiên cứu ra phương pháp cắt lợi dụng được ứng suất kéo, ứng suất trượt của đất, hạn chế tạo ra ứng suất nén.
- Thành phần hố học của đất có Ốxit Silich (SiO2) ở trong cát, có đá sỏi,...từ đó làm cho lưỡi cắt nhanh bị mài mòn, đặc điểm này ảnh hưởng đến việc tính tốn thơng số của góc mài, góc cắt, vật liệu chế tạo lưỡi cắt, độ cứng vững của lưỡi cắt.
2.1.2. Yêu cần kỹ thuật của đất sau khi cắt phục vụ cho chữa cháy
Đất sau khi cắt để phục vụ cho q trình chữa cháy rừng phải có u cầu sau:
- Đất sau khi cắt phải được đập nhỏ để thuận lợi cho hệ thống hút và phun đất, nếu đất sau khi cắt có đường kính lớn hơn 2cm có thể làm tắc hệ thống hút, do vậy yêu cầu là đất sau khi cắt có đường kính hạt tối đa <2cm.
- Đất sau khi cắt được tung lên để thuận lợi cho quá trình hút đất trong đường ống hút, khi đất đã cắt nằm ở trên mặt đất khả năng hút khó khăn, cịn khi đất sau khi cắt được tung lên thì quá trình hút thuận lợi.
Từ yêu cầu kỹ thuật của đất sau khi cắt để phục vụ cho chữa cháy rừng, luận án sử dụng phương pháp cắt đất ở dạng búa cho hệ thống cắt đất, phương pháp cắt đất ở dạng búa sử dụng xung lực va chạm để cắt đất, nên đất sau khi cắt vỡ nhỏ, sau đó được dao cắt tung lên, từ đó thuận lợi cho q trình hút.
2.2. Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất
vào đám cháy
2.2.1. Mơ hình tính tốn hệ thống cắt đất, hút và phun đất vào đám cháy
Từ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đã được trình bày trên hình 1.6, luận án xây dựng mơ hình tính tốn máy chữa cháy rừng bằng đất cát được thể hiện trên hình 2.1.
- Nguyên lý hoạt động: Hệ thống cắt đất cắt theo nguyên lý cắt ở dạng
búa, dao cắt đất (3) được lắp với đĩa thép (2) bằng khớp (O’), khi hoạt động dao cắt vừa quay quanh điểm O và điểm O’. Đĩa thép quay với vận tốc lớn nên dao cắt dự trữ một động năng lớn, khi tiếp xúc với đất tạo ra xung lực va chạm lớn, xung lực va chạm biến thành lực để cắt đất, với xung lực lớn này đất được phá vỡ và tung lên cùng với dao cắt. Quạt hút (7) tạo ra trong đường ống hút (6) một vận tốc khơng khí lớn, tại cửa hút (6) đất được hút vào ống
hút (6) và đi vào buồng hút (9); tại buồng hút (9) đất được cánh quạt hút (7) phun ra ngoài qua ống phun (8) với vận tốc lớn để dập lửa. Nguyên lý làm việc của hệ thống này là: Sử dụng máy cắt để cắt đất, tung đất lên, sử dụng quạt hút và đẩy với áp lực hút và đẩy lớn để hút và phun đất vào đám cháy. Thiết bị cắt đất và tung đất lên là máy cắt đất có hệ thống cắt đất ở dạng búa, thiết bị tạo ra áp lực hút và phun cao là máy hút và phun đất có quạt hút và phun cao áp. Hình 2.1: Sơ đồ tính tốn hệ thống cắt đất, hút đất và phun đất 1- Đất rừng 2- Đĩa thép 3- Dao cắt đất 4- Bao che 5- Đất sau cắt 6- Ống hút đất 7- Quạt hút và phun 8- Ống phun đất 9- Buồng hút 10- Ống hút
Từ mơ hình tính tốn ở hình 2.1, luận án cần phải giải quyết ba bài toán ra sau đây:
- Bài tốn thứ nhất: Xây dựng mơ hình động lực học để tính tốn hệ thống cắt đất của máy cắt đất để lực cắt đất là lớn nhất, chi phí năng lượng cắt nhỏ nhất, khối lượng đất đào được và tung được lên là lớn nhất.
- Bài tốn thứ hai: Xây dựng mơ hình rung động của máy cắt đất để thiết lập phương trình vi phân dao động của máy, từ đó đưa ra giải pháp giảm rung cho máy.
- Bài toán thứ ba: Xây dựng mơ hình tính tốn hệ thống quạt hút và phun đất để khối lượng đất, áp lực đất phun vào đám cháy là lớn nhất.
Sau đây luận án tiến hành nghiên cứu các bài toán đã nêu ở trên để đáp ứng được yêu cầu của máy chữa cháy rừng bằng đất cát đó là: Khối lượng đất và áp lực đất phun vào đám cháy là lớn nhất, rung động của máy là thấp nhất, từ đó hiệu quả dập lửa của máy tăng lên, giảm thiểu ảnh hưởng đến sức khỏe của công nhân vận hành máy.
2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống cắt đất
2.2.2.1. Cấu tạo của hệ thống cắt đất
Máy cắt đất có cấu tạo như hình 2.2.
Hình 2.2: Mơ hình hệ thống cắt đất
1. Động cơ cưa xăng; 2. Bộ truyền đai; 3. Đĩa thép để lắp dao cắt;