5.3 Sự tự bốc cháy Sự nổ
5.3.1 Xác định nhiệt độ tự bốc cháy
Phương pháp phổ biến nhất để đo nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu là phương pháp hoả kế. Hoả kế được chế tạo rất đơn giản, gồm một lò phản ứng được đặt trong một lị điện. Sau khi đã làm chân khơng trước trong lò phản ứng và nhiệt độ trong lò phản ứng phải đồng đều, người ta đưa hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí vào trong đó. Nếu nhiệt độ đủ cao, sự tự bốc cháy sẽ xảy ra khi đưa hỗn hợp vào sau một khoảng thời gian nhất định. Sự tự bốc cháy được xác định hoặc bằng sự tăng lên đột ngột về nhiệt độ hay áp suất, hoặc bằng sự xuất hiện một quá trình phát quang hóa học. Tùy theo từng trường hợp, bộ phận phát hiện sẽ hoặc là một cặp nhiệt điện hay một áp kế rất nhạy, hoặc là một tế bào quang
điện (hình 16). Thời gian từ lúc đi vào của hỗn hợp và sự xuất hiện sự tự bốc cháy là thời hạn tự bốc cháy.
Hình 16.
Sơ đồ nguyên lí của phương pháp hoả kế để xác định thời hạn và nhiệt độ tự bốc cháy
Hỗn hợp nhiên liệu và khơng khí được trộn trước, cho vào bình chứa (c). Lị phản ứng (a) được đưa tới nhiệt độ mong muốn nhờ lị đốt nóng bằng điện (b). Sau khi hỗn hợp được đưa vào đó qua khố (d). Sự tự bốc cháy được phát hiện bằng một nhiệt kế điện trở G, hay bằng một áp kế (f) hay bằng 1 tế bào quang điện (e).
Một phương pháp khác thường xuyên được sử dụng để xác định nhiệt độ tự bốc cháy của nhiên liệu lỏng là đưa một giọt nhiên liệu lỏng vào trong một chén nung bị đốt nóng ở nhiệt độ đã biết. Chén nung có chứa chất duy trì sự cháy. Bất tiện của phương pháp này là người ta không biết thành phần của hỗn hợp nổ. Thật vậy, sự hoá hơi của giọt nhiên liệu tiếp theo sự khuếch tán của hơi trong chất duy trì sự cháy làm xuất hiện những gradient nồng độ rất khó biết.
Cịn về các phương pháp xác định thời hạn tự bốc cháy, tất cả các phương pháp này đều cùng phải giải quyết một vấn đề: làm thế nào để đưa ngay tức thời và đồng nhất một hỗn hợp nổ tới một nhiệt độ đủ cao. Trong một số trường hợp thời hạn này có thể là vài ba phút, nhưng thông thường là một vài mili giây hoặc một vài micro giây.
Một phương pháp khác là đốt nóng một cách riêng biệt nhiên liệu và chất duy trì sự cháy tới nhiệt độ mong muốn, sau đó đưa chúng vào tiếp xúc với nhau. Nhưng phương pháp này gặp phải một khó khăn liên quan tới thời gian cần thiết để làm đồng nhất hỗn hợp tham gia phản ứng.
Trong phương pháp này cần chú ý rằng đại đa số các nhiên liệu chỉ cần được đốt nóng trước vừa phải để tránh những phản ứng nhiệt phân làm thay đổi bản chất của chất tham gia phản ứng.
Đối với các nhiên liệu có thời hạn tự bốc cháy trên một giây thì phương pháp hoả kế là hoàn toàn thoả đáng. Đối với các thời hạn ngắn hơn, phương pháp hoả kế khơng cịn giá trị nữa bởi vì việc đưa hỗn hợp vào lị phản ứng cũng mất hàng trăm mili giây.
Những thời hạn nằm giữa mili giây và giây được đo bằng hai phương pháp khác nhau: phương pháp thứ nhất được thực hiện trên một hỗn hợp đồng nhất, còn phương pháp thứ hai sử dụng kỹ thuật đốt nóng sơ bộ những chất tham gia phản ứng. Trong phương pháp thứ nhất, việc tăng nhiệt độ được thực hiện bằng cách nén đoạn nhiệt hỗn hợp đồng nhất
trong một xilanh. Ngược với hệ thống biên tay quay được dùng trong các động cơ ở đó tốc độ nén giảm từ từ khi sự nén càng cao. ở đây sự chuyển động của pittong được điều chỉnh sao cho tốc độ nén liên tục tăng lên nhằm mục đích giảm thiểu thời gian trong đó hỗn hợp cháy nằm ở một nhiệt độ cao hơn nhiệt độ tự bốc cháy. Việc thực hiện những điều kiện này là rất khó, đặc biệt đối với việc bất động pittong vào cuối của quá trình.
Trên sơ đồ xác định thời gian tự bốc cháy bằng phương pháp nén đoạn nhiệt (hình 17) sự bất động của pittong thu được bằng cách truyền toàn bộ năng lượng tịnh tiến lên một hệ thống khác gồm một pittong triệt tiêu chống lại pittong thứ nhất đến va đập vào lúc kết thúc quá trình.
Hình 17.
Xác định thời hạn tự bốc cháy bằng phương pháp nén đoạn nhiệt
Sau khi nén, hỗn hợp đạt tới nhiệt độ T2 và áp suất P2 và chúng không thay đổi liên quan tới nhiệt độ T1 và áp suất P1 lúc ban đầu theo định luật nén đoạn nhiệt:
1 1 2 2 1 2 1 2 1 V V T V P T V P γ− γ ⎛ ⎞ ⎜ ⎟ ⎛ ⎞ ⎝ ⎠ = = ⎜ ⎟ ⎝ ⎠
trong đó V1 và V2 là các thể tích ban đầu và cuối cùng bị chiếm bởi hỗn hợp, γ là tỉ số của các nhiệt dung riêng ở áp suất và ở thể tích khơng đổi.
Hỗn hợp nổ được giữ trong
buồng đốt (A) và được nén
bởi pittong B đạt tới nhiệt độ T và một áp suất P, áp suất này có thể đo được bằng
một bộ phận cảm biến áp
điện C. Việc nén được bắt đầu khi nhận một khí ở một
áp suất nào đó có trong bình chứa D ở phía trên cao của xilanh E bằng cách mở van F. Van này được khoá bởi một nam châm điện G. Các pittong H và B phải không chuyển động do sự thay đổi
năng lượng ở thời điểm mà
phần thấp của pittong H va vào khối triệt tiêu I khối này bị chạy chậm lại một cách
độc lập trong xilanh triệt tiêu
J. Hỗn hợp giữ nguyên ở nhiệt độ T và áp suất P cho
đến khi sự nổ bắt đầu. Sự
tăng đột ngột của áp suất được phát hiện bởi biến áp điện C và chỉ ra sự kết thúc
Để đo các thời hạn tự bốc cháy, người ta đặt máy biến áp điện trên các thành của xilanh. Máy biến áp điện này sẽ vẽ trên màn hình của một máy dao động ký sự tiến triển tín hiệu áp suất tuỳ thuộc vào thời gian; sau khi kết thúc sự nén, áp suất được giữ khơng đổi sau đó tăng lên một cách đột ngột khi sự tự cháy xảy ra (hình 17). Thời gian kéo dài đoạn thẳng ở áp suất không đổi tạo nên một phép đo trực tiếp thời hạn tự bốc cháy.
Một phương pháp khác xác định thời hạn tự bốc cháy của nhiên liệu được sơ đồ hố trên hình 18. Nguyên lý của phương pháp này rất đơn giản: chất duy trì sự cháy được nâng lên nhiệt độ mong muốn qua một thiết bị trao đổi nhiệt, sau đó được đưa vào buồng đốt với một tốc độ đã biết qua một ống dẫn trong suốt.
Hình 18.
Sơ đồ nguyên lý của phương pháp xác định thời hạn tự bốc cháy của khí
Nhiên liệu cũng được đốt nóng trước ở cùng một nhiệt độ như chất duy trì sự cháy, nhiệt độ được chọn sao cho các phản ứng nhiệt phân của nhiên liệu là khơng đáng kể. Sau đó được tiêm vào ở một thời điểm đã cho và được trộn với chất duy trì sự cháy. Sau một thời gian nhất định (thời gian này sẽ phụ thuộc vào thời gian trộn lẫn và thời hạn tự bốc cháy) hỗn hợp sẽ nổ và khoảng cách từ khi xuất hiện sự tự bốc cháy này đến điểm tiêm nhiên liệu chia cho tốc độ chảy của hỗn hợp sẽ cho ta giá trị gần đúng của thời hạn tự bốc cháy.
Thời hạn tự bốc cháy thu được bằng việc xác định vị trí của nơi xảy ra sự tự bốc cháy : θ = ta − t1 = (xa − x1) / ν
Trong một số ứng dụng, ví dụ như trong các động cơ phản lực thẳng, thời hạn tự bốc cháy thường rất thấp: một vài phần trăm giây hay vài chục micro giây (10−6 giây).
Để đo các đại lượng này người ta dùng phương pháp sóng va chạm. Đó là các sóng áp suất siêu âm có thể nâng lên trong vài micro giây nhiệt độ và áp suất của khí trên đường đi của chúng.
Những va chạm này được thực hiện trong những ống dẫn (hay ống va chạm) có chứa hỗn hợp khí cháy. Nguyên lý đo được giải thích bằng giản đồ thời gian - khoảng cách (hình 19).
Hình 19.
Nguyên lý đo thời hạn tự bốc cháy theo sóng va chạm A - Hỗn hợp nổ ở nhiệt độ thường, B - Hỗn hợp được đưa đến nhiệt độ cao Tc do sóng va chạm, C - Các sản phẩm cháy.
Sóng va chạm được tạo nên bằng một kỹ thuật đặc biệt, đi qua từ đầu này của ống sang đầu kia của ống với một tốc độ siêu âm không đổi. Trên đường đi hỗn hợp khí được nâng tới một áp suất và một nhiệt độ có thể tính tốn được hồn tồn chính xác bằng cách áp dụng các lý thuyết khí động lực học; sau đó nó nổ sau một thời gian lưu nhất định bằng thời hạn tự bốc cháy. Người ta dễ dàng thấy rằng nơi mà sự nổ xảy ra phải là một đường thẳng song song với sóng va chạm trên giản đồ “thời gian - khoảng cách”. Trong thực tế, mặc dù nguyên lý của phương pháp là như nhau nhưng các chi tiết trong sơ đồ xảy ra phức tạp hơn.