Ứng dụng quan trọng nhất của sự cháy để sản xuất năng lượng là chuyển hố năng lượng hóa học thành công cơ học, năng lượng đẩy hay nhiệt năng.
Trong tất cả những ứng dụng này, năng lượng nhiệt có thể là một mục đích hay cũng có thể là bước trung gian để chuyển sang một dạng năng lượng khác (công cơ học, sức đẩy, tạo thành các ion hóa học trong lĩnh vực thuỷ từ động lực học - magnetohydrodynamic). Bởi vậy, tất cả các ứng dụng này đặc biệt thú vị đối với các vấn đề nhiệt động học của sự cháy, đặc biệt là nhiệt đốt cháy và nhiệt độ cuối cùng của các sản phẩm cháy. Nếu nhiệt đốt cháy là một yếu tố tích cực thì nhiệt độ cuối cùng của các sản phẩm cháy lại không cần thiết: nhiệt độ cuối cùng cao sẽ đặt ra những vấn đề nghiêm trọng về sức bền nhiệt của vật liệu và sự ion hoá của các sản phẩm cháy. Các hiện tượng truyền nhiệt (bằng đối lưu hay bằng bức xạ hồng ngoại) cũng đóng một vai trị quan trọng. Trong việc áp dụng đốt nóng và xử lí nhiệt một số vật liệu thì sự truyền nhiệt này là điều mong muốn; nhưng ngược lại, trong các lĩnh vực ứng dụng nhằm chuyển tiếp theo năng lượng nhiệt thành công cơ học hay năng lượng đẩy thì sự truyền nhiệt này không cần thiết.
6.4.1 Đốt cháy công nghiệp và dân dụng
Đối với việc đốt cháy được thực hiện ở trong lị đốt thì các vấn đề sau đây hay gặp phải hàng ngày:
a) Sự nhóm lửa, điều này thơng thường khơng khó khăn.
b) Ổn định ngọn lửa khuếch tán. Có nhiều khả năng khác nhau có thể giữ ổn định ngọn lửa: ta có thể tận dụng dạng hình học của các thiết bị phun nhiên liệu (khí hay lỏng) và dạng của lò đốt cũng như các lượng tương đối của chuyển động xuyên tâm và chuyển động dọc của các nhiên liệu được đưa vào lò.
c) Tạo dáng ngọn lửa khuếch tán để tối ưu hóa sự truyền nhiệt về phía thành lị, để ý đến phần năng lượng bị truyền đi bằng phát xạ và đối lưu. Những vấn đề về truyền năng lượng bằng bức xạ thì việc tối ưu thơng thường địi hỏi phải khống chế độ sáng của ngọn lửa và bởi vậy phải biết các hiện tượng về sự hình thành và oxi hoá cacbon trong ngọn lửa.
Các vấn đề b) và c) bị lệ thuộc rất nhiều vào các thông số chảy rối ln ln có mặt trong trường hợp này. Ảnh hưởng của sự khuếch tán rối lên sự truyền nhiệt có thể dễ dàng khảo sát. Cũng tương tự như vậy ảnh hưởng của nó lên sự ổn định của ngọn lửa và sự hình thành của hỗn hợp các chất tham gia phản ứng. Song, nếu như việc nghiên cứu sự chuyển động của các nhiên liệu trong lị là rất tiến bộ thì việc nghiên cứu dao động thống kê chảy
rối chỉ mới bắt đầu và người ta cũng thấy rằng ảnh hưởng của sự chảy rối lên sự tạo thành và sự cháy của cacbon trong các ngọn lửa khuếch tán cũng gắn liền với ảnh hưởng của nó lên sự tạo thành hỗn hợp cháy.
d) Đảm bảo một sự cháy càng hồn tồn càng tốt với lượng dư khơng khí tối thiểu. Đó là những nguyên nhân kinh tế nhưng cũng là yêu cầu bắt buộc phải thực hiện để tránh gây ơ nhiễm khơng khí.
6.4.2 Sản xuất cơng cơ học và đẩy
Trong các ứng dụng cổ điển của loại này thì sự cháy được thực hiện hoặc là gián đoạn (trong các động cơ) hoặc là liên tục (trong các tuabin khí, tuabin nhiên liệu lỏng, trong các ngành giao thông đường bộ, đường hàng không, động cơ phản lực thẳng, tên lửa).
a) Các động cơ. Tùy theo bản chất gián đoạn của sự cháy, sự cháy xuất hiện một
cách tuần hoàn và ở những thời điểm mong muốn. Sự cháy đó càng hồn toàn càng tốt. Trong các động cơ xăng, sự bùng cháy được cố định ở một nơi bởi tia lửa điện từ bugi, như vậy hỗn hợp cháy cháy nhờ sự truyền lửa mà điều quan trọng nhất là tốc độ bùng cháy. Tốc độ bùng cháy trong xilanh của động cơ phụ thuộc vào nhiều tham số mà cho tới nay người ta biết không nhiều về vấn đề này, vì việc sử dụng các phương pháp đo cổ điển các thông số trong động cơ là đặc biệt khó khăn. Cịn trong động cơ điezen, hiện tượng cơ bản là hiện tượng tự bốc cháy mà trước hết là thông số thời hạn tự bốc cháy. Hiện tượng này còn nhiều vấn đề phải nghiên cứu vì thực tế hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí là rất dị thể, như vậy bên cạnh thời hạn hóa học của sự cháy cịn tồn tại thời hạn vật lí khi để ý đến hiện tượng hóa hơi của nhiên liệu, sự khuếch tán của các phân tử nhiên liệu trong không gian xilanh.
Như vậy, gần như chắc chắn rằng sự bùng cháy kiểu khuếch tán riêng phần là sự chồng chất của hiện tượng vật lí - hóa học của sự tự bốc cháy.
Trong cả hai loại động cơ trên, các hiện tượng truyền nhiệt là rất phức tạp. Ví dụ, trong động cơ xăng, đó là sự khác nhau giữa phần khí bị cháy và thành xilanh, giữa khí làm lạnh với thành ngồi xilanh.
b) Các động cơ với dịng liên tục. Trong các tuabin khí và nhiên liệu lỏng, các
vấn đề được đặt ra là sự bốc cháy, sự ổn định của ngọn lửa và trước tiên là sự truyền nhiệt ra ngoài thành và cánh của tuabin. Để tránh những bất tiện do nhiệt độ cao của ngọn lửa, người ta bắt buộc phải làm lạnh thành của buồng đốt nhiên liệu bằng các màng khơng khí làm lạnh; đối với các cánh của máy nén, người ta làm giảm nhiệt độ của các sản phẩm cháy bằng cách tiêm vào đó một lượng nhất định khơng khí trước khi chúng đến trên cánh máy nén. Để giải quyết vấn đề này người ta phải sử dụng các vật liệu cực bền.
c) Các động cơ phản lực thẳng. Trong các ứng dụng này, các vấn đề về ổn định sự
6.4.3 Vấn đề an toàn sự cháy
a) Chống cháy
Trong lĩnh vực an toàn, hoả hoạn là một hiện tượng cháy nhanh không mong muốn xảy ra tại một nơi cố định trong không gian. Tùy theo từng trường hợp, đó là sự cháy của các vật liệu hay các khí cháy thốt ra từ lỗ rị rỉ hay một lớp nhiên liệu lỏng... Trong tất cả các trường hợp, đó là những ngọn lửa mà tốc độ truyền bị khống chế bởi các hiện tượng bay hơi, phân hủy nhiệt, sự khuếch tán...
Để ngăn ngừa các hiện tượng này, thường người ta dùng các vật liệu bền không cháy hay dùng các chất kìm hãm sự cháy như các muối halogen.
Việc đấu tranh tích cực chống lại hỏa hoạn có thể dùng nhiều kĩ thuật khác nhau: - Giảm nhiệt độ của vật đang cháy.
- Thêm một lượng lớn chất pha lỗng (ví dụ khí CO2) vào hỗn hợp cháy. - Sử dụng bột phân cách nhiên liệu ra khỏi khơng khí.
b) Chống nổ
Việc đấu tranh ngăn ngừa chống lại sự nổ có một tầm quan trọng rất to lớn bởi vì đó là khả năng duy nhất chống lại sự nổ. Việc ngăn ngừa có thể có nhiều dạng khác nhau như:
- Phát hiện những hỗn hợp có thể cháy.
- Phá bỏ các nguồn có thể gây cháy ở trong các vùng có các hỗn hợp có khả năng bốc cháy khơng thể tránh được. Các nguồn đó là các tia lửa điện, các chất rắn có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp cháy...
- Phát hiện sự bùng cháy. Người ta có thể dùng các thiết bị phát hiện sóng (máy nhạy với các sóng áp suất phát ra bởi tia lửa đang tăng tốc) hay máy phát hiện nhạy với các tia tử ngoại của ngọn lửa.
- Phát hiện một số bụi có thể cháy ở thể huyền phù với khơng khí. Trong thực tế sản xuất có một số bụi nhiên liệu có thể hình thành các huyền phù với khơng khí và đạt tới giới hạn nồng độ để có thể cháy được dễ dàng khi có những nguồn năng lượng kích thích. Việc nghiên cứu cơ bản của các hiện tượng bốc cháy kiểu này mới chỉ bắt đầu, nhưng điều quan trọng là phải loại được nguồn gốc của sự nổ này.
Trong nhiều trường hợp, khi người ta phát hiện ra sự bùng cháy sớm có thể dập tắt ngay được chúng. Trong mục đích này, các máy phát hiện hoạt động ở một khoảng cách mà các thiết bị dập lửa được đặt đúng trên đường đi của ngọn lửa. Tùy từng trường hợp có thể là một lớp bột được trải ra ngay tức thời trong ngọn lửa hoặc là một khí trơ thốt ra từ chai để dập tắt đám cháy. Trong một số trường hợp khác, người ta có thể dùng máy dập lửa để cản trở sự truyền cháy về các vùng chưa cháy.
Chương 7
PHỤ GIA NHIÊN LIỆU