Sự cháy xung động trong lò hơi

Bản chất của sự cháy   Khoa học về đốt nhiên liệu và sự trao đổi nhiệt kèm theo nó đã phát triển mạnh trong nhiều thế kỷ qua, nhất là ở Nhật Bản. Điều đó đã tạo điều kiện thu nhận được những hiểu biết vững chắc và những phương pháp luận để giải quyết những nhiệm vụ khoa học đặt ra. Do nhiều nguyên nhân khác nhau, khoa học về đốt nhiên liệu mới chỉ tập trung vào việc nghiên cứu sự trao đổi nhiệt trong sự chuyển động ổn định của các tác nhân và sự cháy theo kiểu ngọn đuốc. Những quá trình dạng sóng và dao động của sự cháy và chuyển động của các tác nhân tham gia vào trao đổi nhiệt không được nghiên cứu hoặc chỉ được mô tả một cách hết sức sơ lược. Mặc dầu loài người sử dụng nhiệt năng từ thời cổ xưa nhưng khoa học về sự cháy chỉ ra đời mới đây và đã trở nên cấp thiết ở giai đoạn phát triển hiện đại của ngành năng lượng. Lò hơi nhà máy nhiệt điện than Sự cháy là một trong các quá trình lý hóa phức tạp đầu tiên mà con người khai thác được. Bất kể sự cháy nào đều là quá trình biến đổi hóa học của chất cháy được thành các sản phẩm cháy cùng với sự tỏa nhiệt và ánh sáng. Sự tiến hóa của lý thuyết cháy đã diễn ra trong khuôn khổ sự hình thành bộ môn hóa học với tư cách một ngành khoa học. Carl Wilhem Scheele (1742 – 1786) người Thuỵ Điển đã muốn khám phá bí ẩn của lửa và trong đó ông đã đi đến kết luận rằng, không khí không phải là nguyên tố, mà là hỗn hợp mà theo ông, bao gồm hai chất khí: một chất khí ông gọi là không khí “lửa”, còn khí thứ hai ông gọi là không khí “vô dụng”. Thời đó, các nhà hóa học nói chung tin vào lý thuyết cho rằng vật chất chỉ có thể cháy nếu như trong nó có nhiều chất bốc cháy được - chất phlogiston. Sự cháy dường như tiêu hủy vật chất, đẩy từ trong đó ra một cái gì đó trong suốt, không thể nắm bắt được gọi là “linh hồn của lửa”. Nhờ lý thuyết phlogiston, các nhà bác học thế kỷ XVII đã giải thích khá tốt nhiều hiện tượng thiên nhiên tưởng chừng không hiểu được. Trong thời gian dài, lý thuyết này đã giúp các nhà hóa học trong nghiên cứu và họ hoàn toàn tin chắc rằng lý thuyết đó là đúng đắn. Chỉ đến thế kỷ XVIII, Lomonosov và Lavoisier đã bác bỏ kiến giải sai lầm đó. Năm 1773, Lavoisier đã đi đến nhận thức đúng đắn về sự cháy như một quá trình hóa hợp của vật chất với ôxy của không khí. Điều đó đã giúp nhà bác học người Pháp này đề ra lý thuyết ôxy của sự cháy. Cùng với những thành tựu to lớn của phép phân tích hóa học, sự kiện đó đã mở đầu cuộc cách mạng hóa học lần thứ nhất. Những công trình nghiên cứu có hệ thống về các quá trình cháy chỉ bắt đầu vào cuối thế kỷ XIX, nhưng do sự phát triển yếu ớt của các lĩnh vực khoa học giáp ranh (động học phản ứng hóa học, thủy động học, lý thuyết về các quá trình chuyển dịch) nên các kết quả của học thuyết về sự cháy ở giai đoạn đó chỉ mang ý nghĩa định tính và không gắn với các quá trình xảy ra ở mức phân tử. Đến giữa thế kỷ XX đã xuất hiện những tác nhân mới kích thích phát triển khoa học về sự cháy liên quan đến các yêu cầu của kỹ thuật tên lửa. Trong những thập kỷ vừa qua, nhiều công trình lý thuyết và thực nghiệm đã thực hiện dựa trên những thành tựu mới nhất của cơ học chất lỏng và chất khí, động học các phản ứng hóa học. Ngày nay người ta đã miêu tả được một cách rõ ràng và logic cơ chế của các hiện tượng đa dạng trong quá trình cháy, trên cơ sở đó, các kỹ sư có thể tác động có định hướng rõ ràng, thí dụ tác động đến tốc độ lan truyền của ngọn lửa và tiên đoán được phản ứng của nhiên liệu trong những điều kiện cụ thể của sự cháy. Sự phát triển lý thuyết cháy đã dẫn đến hình thành những trường phái lớn các nhà nghiên cứu như B. Lewis, D.B. Spolding, D. A. Frank-Kamenski, N.N. Semenov, Ia. B. Zeldovitch. Theo quan điểm khoa học hiện đại, sự cháy - đó là phản ứng dây chuyền của sự biến đổi hóa năng các mối liên kết giữa các phần tử, đó cũng là những quá trình vật lý biến đổi năng lượng ở các mức phân tử và nguyên tử, và nhiều quá trình khác xảy ra đồng thời. Những vấn đề chủ yếu của việc đốt nhiên liệu   Lý thuyết cháy ra đời cùng với việc xuất hiện động cơ đốt trong, đạn đạo học pháo binh, ngành nổ mìn, hình thành trong thời đại động cơ phản lực giờ đây đã có những bước tiến dài. Một phần đáng kể của ngành năng lượng “lớn”, sự hoạt động của hầu như tất cả các phương tiện vận tải, ngành quân sự và nhiều ngành công nghiệp khác là dựa trên ứng dụng của sự cháy. Các yêu cầu về sinh thái, sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu truyền thống, sự phát triển nhanh dân số và việc dân số tập trung trong các thành phố đòi hỏi tiếp tục phải phát triển lý thuyết cháy làm cơ sở cho việc tạo ra các ngành sản xuất sử dụng quá trình cháy với hiệu quả cao, an toàn và sạch về sinh thái. Những vấn đề hiện đại về nghiên cứu sự cháy có thể phân ra thành một số nhóm có quan hệ với nhau: - Những vấn đề về tài nguyên nhiên liệu - năng lượng. - Những vấn đề về mồi cháy và duy trì sự cháy. - Những vấn đề tổ chức quá trình cháy. - Những vấn đề về an toàn sinh thái. - Những vấn đề về lập mô hình toán học các quá trình cháy và nổ. - Những vấn đề về nghiên cứu thực nghiệm sự cháy. Những vấn đề về tài nguyên nhiên liệu - năng lượng (TNN) liên quan đến sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu hữu cơ. Ngày nay than, dầu mỏ và khí đốt chiếm khoảng 80% cân bằng năng lượng toàn thế giới. Phần còn lại là các nguồn năng lượng không truyền thống. Để sử dụng hợp lý nguồn năng lượng, cần phải phân bổ lại tỷ lệ trong cân bằng năng lượng hiện nay về phía các TNN mới: sử dụng các thiết bị đốt biôga và hyđro, chuyển từ đốt trực tiếp nhiên liệu rắn sang khí hóa nó trước khi đốt trong các thiết trí khác nhau, v.v. Những vấn đề về mồi cháy và lan truyền sự cháy liên quan đến tính phức tạp của việc khống chế nguồn mồi lửa. Giải pháp là mồi lửa khí chuyển động cuộn xoáy, tạo ra kích nổ, cũng như mồi lửa kết hợp với tác động đồng thời của các nguồn mồi cháy khác nhau, bằng nguồn tại chỗ, nhiệt độ dư tự cháy, nhiệt độ từ các thành vách đối tượng, v.v. Những vấn đề tổ chức quá trình cháy bao gồm các phương pháp tổ chức cháy khác nhau nhằm đạt hiệu suất và năng suất cao. Đó là sự chuyển từ sự cháy sang kích nổ, tác động của điện trường lên ngọn lửa và phát xạ các dòng electron lên ngọn lửa như một biện pháp tăng cường quá trình cháy hiệu quả nhất, đảm bảo độ tinh khiết sinh thái của sự cháy (công nghệ "Clean Nature"), sự cháy kiểu cuộn xoáy và rung (được ứng dụng trong thiết bị nhiệt năng cũng như trong động cơ tên lửa). Những vấn đề an toàn sinh thái. Những yêu cầu về sinh thái đối với quá trình cháy có tính quyết định và ngày càng quan trọng và nghiêm ngặt hơn. Khi sử dụng quá trình cháy vấn đề quan trọng nhất là loại trừ hoặc ít ra là giảm xuống mức tối thiểu phát thải khí độc hại như NOx, CO, hyđrocacbon nhiều mạch vòng, các hợp chất chứa lưu huỳnh, clo. Để đạt mục đích đó, cần nâng cao hiệu suất làm sạch khói, tổ chức chế độ cháy với hàm lượng tối thiểu các chất độc hại, và kể cả việc chuyển sang nhiên liệu "sạch" về sinh thái: hỗn hợp hyđrô với ôxy. Những vấn đề về lập mô hình toán học các quá trình cháy. Lập mô hình toán học là một trong những phương pháp nghiên cứu phổ biến nhất các quá trình cháy. Phương pháp lập trình hiện đại cho phép đơn giản hóa và tăng nhanh quá trình đó, bằng cách tạo ra những cơ sở dữ liệu khác nhau về mô hình và chương trình mô tả các quá trình cháy và nổ. Tất nhiên vẫn phải tiến hành nghiên cứu thực nghiệm để kiểm chứng sự phù hợp của các mô hình được tạo ra. Những vấn đề về nghiên cứu thực nghiệm sự cháy liên quan đến những khó khăn trong việc tạo ra các thiết bị thực nghiệm, bởi đó là những công trình kỹ thuật cháy phức tạp chịu nhiệt độ cao với những biến thể đa dạng dùng cho một nghiên cứu cụ thể với các phương tiện đo lường khác nhau. Tất cả những điều đó gây khó khăn cho việc phổ biến rộng rãi các cơ sở thí nghiệm. Những vấn đề trên phải được giải quyết trong thời gian sắp tới với việc tạo ra các phương tiện kỹ thuật mới trong đó thực hiện được các phương pháp kể trên về nâng cao hiệu quả đốt nhiên liệu. Ngoài ra, việc thiết kế các công trình nhiệt mới theo hướng cải thiện các đặc tính đã đạt đến giai đoạn bão hòa, trong khi đó việc nâng cao một cách căn bản các chỉ tiêu về sinh thái là rất khó khăn, cùng với đó là phải tăng chi phí lên đáng kể. Áp dụng máy móc những kinh nghiệm trước đây cho các điều kiện mới là tuyệt đối không thể chấp nhận được. Cần phải phát triển ngành kỹ thuật nhiệt theo hướng mới, hiệu quả hơn, đảm bảo an toàn về sinh thái. Những thiết bị năng lượng trên cơ sở sự cháy xung động Việc thực hiện các quá trình cháy xung động trong các thiết bị nhiệt năng là rất có triển vọng. Chế độ cháy này cho phép đảm bảo nhiên liệu tỏa nhiệt triệt để nhất, tăng cường đáng kể các quá trình trao đổi khối lượng nhiệt và nâng cao cường độ nhiệt của buồng đốt. Trong những điều kiện đó giảm được khối lượng kim loại của kết cấu thiết bị nhiệt năng, giảm được chi phí lắp ráp và bảo dưỡng thiết bị. Ngoài ra các sản phẩm cháy đáp ứng được các yêu cầu nghiêm ngặt nhất về sinh thái. Phát thải ôxit cacbon giảm xuống còn một nửa, phát thải NOx giảm trên 2,5 lần. Việc áp dụng rộng rãi các thiết trí cháy xung động vào các quá trình công nghệ bị kìm hãm do thiếu lý thuyết tin cậy về quá trình vận hành để tính toán các thông số thiết kế, kể cả tính toán kiểm tra để xác định hiệu quả vận hành. Cháy xung động là chế độ cháy không ổn định với các đặc tính động lực của quá trình thay đổi theo thời gian, có thành phần biến đổi tuần hoàn. Hiện nay đã có rất nhiều thiết trí cháy xung động với các công dụng khác nhau, từ lò hơi tới lò thu hồi nhiệt và thiết bị sấy. Một trong các thiết trí cháy xung động đáng chú ý nhất là lò hơi cháy xung động (LCX) kiểu ống cộng hưởng Helmholtz. Đó là máy phát nhiệt kiểu hâm nước, buồng đốt và bề mặt đun nóng được hợp nhất và là bộ trao đổi nhiệt kiểu “ống trong ống”. Kích thước hình học của bộ trao đổi nhiệt được lựa chọn sao cho chúng tạo tần số cộng hưởng của các xung động ở vùng cháy và bề mặt đối lưu-bức xạ của bộ trao đổi nhiệt. Hình dạng và kích thước được chọn trên cơ sở ý tưởng tự dao động trong ống cộng hưởng Helmholtz. Các xung động nhân tạo nhận được được xếp chồng lên các xung động của dòng cuộn xoáy. Sự cháy được tạo nên bằng cách thực hiện nối tiếp nhau các “vụ nổ cực nhỏ” để năng lượng của chúng được sử dụng cho việc tạo ra công hút các thành phần hỗn hợp nhiên liệu vào đồng thời đẩy ra môi trường xung quanh các sản phẩm cháy. Điều kiện hình thành các vụ nổ cực nhỏ là quá trình trao đổi nhiệt biến thiên điều hòa không ổn định được lựa chọn với biên độ và chu kỳ riêng. Hình 1. Sơ đồ buồng đốt của lò hơi kiểu cháy xung động (mặt cắt) ​ Buồng đốt và những ống cộng hưởng được bao quanh bằng áo nước, trong đó nước hâm nóng chảy qua (ngược chiều với dòng khói) (hình 1). Phân tích các thiết trí có nguyên lý hoạt động tương tự cho thấy kỹ thuật và công nghệ của phương pháp đốt nhiên liệu tương tự đã đạt trình độ phát triển cao. Phương pháp nêu trên được thể hiện trong các công trình nghiên cứu triển khai của các nhà chế tạo Nga và phương Tây cho phép trong tương lai không xa thực hiện việc ứng dụng quá trình cháy xung động trong các lĩnh vực khác nhau của ngành nhiệt công nghiệp. Ngày nay có thể xác định các trường phái chính nghiên cứu về cháy xung động: Trường đại học Kazansk (V. M. Larionov, R. G. Zaripov); Trường đại học Brestsk (V. S. Severianin); hãng “Inteko” (thành phố Korolev, ngoại ô Matscơva); hãng Fulton (Mỹ), hãng AUER Gianola (Pháp). Hình 2. Sơ đồ lò hơi cháy xung động ​ I. Buồng đốt; II. Áo nước; III. Các ống cộng hưởng; IV. Bình chứa của bộ cộng hưởng; V. Bộ giảm âm khói thải; VI. Ống khói. Các điểm đo: 1. Áp suất khói; 2. Nhiệt độ khói; 3. Nhiệt độ vách ngăn kim loại; 4. Nhiệt độ nước làm mát trong tuyến nước; 5. Phân tích thành phần khí của sản phẩm cháy ở đuôi lò hơi kiểu cháy xung động; 6. Áp suất nhiên liệu. Về nâng cao hiệu quả đốt nhiên liệu trong thiết bị năng lượng cần phải nghiên cứu tất cả những vấn đề tồn tại nêu trên. Để đạt mục đích đó người ta đã thực hiện mô hình toán học các quá trình trong lò hơi cháy xung động. Để khẳng định tính xác thực và độ chính xác tính toán các thông số vận hành của lò hơi cháy xung động, người ta đã tiến hành kiểm tra mô hình trên cơ sở thử nghiệm tổng hợp với việc xác định các chế độ vận hành của lò hơi cháy xung động. Thiết bị thử nghiệm dựa trên thiết bị công nghiệp cháy xung động sẵn có, được trình bày trên hình 2. Trong thiết bị này, thành phần xung động được xếp chồng lên chế độ cuộn xoáy, trong đó thành phần xếp chồng đóng vai trò nâng cao hiệu quả truyền nhiệt, giảm diện tích trao đổi nhiệt và do đó thiết bị có cường độ nhiệt tăng cao, kích thước nhỏ so với lò hơi kiểu ngọn đuốc (lò hơi đốt than phun) có cùng năng suất hơi. Căn cứ vào sự phân bố dòng nhiệt trong lò hơi cháy xung động theo chiều dài của đường dẫn khói, trên 75% nhiệt năng được nước tiếp nhận được truyền trong buồng lửa, gần 20% trong các ống cộng hưởng và gần 5% trong bình chứa của bộ cộng hưởng. Tính chất phân bố dòng nhiệt trong lò hơi cháy xung động cũng được xác định bởi các đặc tính kết cấu của các ống cộng hưởng (số lượng, kích thước, tỷ lệ giữa các tiết diện các kênh dẫn khói và nước). Tỷ lệ giữa chúng cùng với đặc tính của buồng đốt làm thay đổi cường độ nhiệt trường của nó trong phần chung phụ tải lò hơi. Do đó cháy xung động là một trong các phương pháp giải quyết những vấn đề về đốt nhiên liệu: trong cùng một thiết bị, người ta đã đạt được việc nâng cao hiệu quả mồi cháy và duy trì sự cháy, đảm bảo an toàn sinh thái. Trong quá trình vận hành, các kết quả thu được trên mô hình toán học đã được khẳng định trong các nghiên cứu thực nghiệm