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.
a
b
c
d
1
2
Ngoài 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 :

( )
[ ]
dVttCqFd
osg
+=
(3-23)
mà :
F
dV
= dr
do đó:
( )

[ ]
0
0sg
r
q
ttC
d
+
=
(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
t
s
- Nhiệt độ sôi của nhiên liệu lỏng.
t
0
- Nhiệt độ ban đầu của nhiên liệu lỏng.
C
g
- 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 :


()
[]
()
[ ]
0
g0s
r
0
gos
r
q
Ctt
dr
q
Ctt
0
+
=
+
=

(3-25)
trong đó : r
0
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
Xu

T
puu
H
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.
()


=
0s
2
0
tt2
r..
(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.
t
0
và t
s
- nhiệt độ của môi trờng và nhiệt độ sôi của chất lỏng.
r
0
- 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,