Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HỆ SỐ BỨC XẠ NHIỆT CỦA NGỌN LỬA KHUẾCH TÁN"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

83
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trên cơ sở kết quả phân tích ảnh cho bởi visioscope bằng phương pháp hai bước sóng, bài báo giới thiệu biến thiên hệ số bức xạ nhiệt  của ngọn lửa khuếch tán cháy ngoài khí quyển, trong lò đốt công nghiệp và trong buồng cháy động cơ.  đạt giá trị cực đại 0,15; 0,30; 0,45 ở khu vực có nồng độ bồ hóng lớn nhất theo thứ tự ứng với ba trường hợp ngọn lửa trên đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: "NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HỆ SỐ BỨC XẠ NHIỆT CỦA NGỌN LỬA KHUẾCH TÁN"

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM HỆ SỐ BỨC XẠ NHIỆT CỦA NGỌN LỬA KHUẾCH TÁN EXPERIMENTAL STUDY OF RADIATION COEFFICIENT OF DIFFUSION FLAMES NGUYỄN NGỌC LINH SAMCO, Tp. Hồ Chí Minh BÙI VĂN GA - TRẦN THANH HẢI TÙNG - HUỲNH BÁ VANG Đại học Đà Nẵng LÊ VĂN LỮ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh TÓM T ẮT Trên cơ sở kết quả phân tích ảnh cho bởi visioscope bằng phương pháp hai bước sóng, bài báo giới thiệu biến thiên hệ số bức xạ nhiệt  của ngọn lửa khuếch tán cháy ngoài khí quyển, trong lò đốt công nghiệp và trong buồng cháy động cơ.  đạt giá trị cực đại 0,15; 0,30; 0,45 ở khu vực có nồng độ bồ hóng lớn nhất theo thứ tự ứng với ba trường hợp ngọn lửa trên đây. ABSTRACT Basing on analysis of pictures given by visioscope by two-color method, the paper presents evolution of radiation coefficient  of diffusion flames in air, in furnace and in combustion chamber of internal combustion engine.  reaches its maximal value 0,15; 0,30 and 0,45 in regions of maximal soot fraction corresponding to the three above flames. 1. Giới thiệu Tính toán truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa khuếch tán đến thành buồng cháy là một vấn đề hết sức phức tạp vì ngoài việc xác định các thông số hình học tương đối giữa vật phát xạ và vật hấp thụ, chúng ta còn phải xác định hệ số bức xạ nhiệt của bồ hóng, chất gây bức xạ chính trong ngọn lửa. Hệ số bức xạ nhiệt này phụ thuộc vào các đặc trưng của bồ hóng, những đại lượng rất khó xác định bởi các phương pháp đo cổ điển. Trong những năm gần đây, người ta đã xây dựng các mô hình toán học để dự đoán truyền nhiệt bức xạ. Các mô hình này được thiết lập dựa trên mô hình tạo thành bồ hóng. Các mô hình tạo bồ hóng đơn giản, một chiều đã được thiết lập để tính toán ngọn lửa cháy bên ngoài khí quyển và bên trong buồng cháy động cơ. Các mô hình đa phương phức tạp hơn đã được xây dựng trong các phần mềm động học chất lỏng như KIVA III, FIRES, FLUENT... Các phần mềm này dù đơn giản hay phức tạp cũng đều dựa trên lý thuyết tạo bồ hóng nền tảng, trong đó lý thuyết Tesner-Magnussen được sử dụng rộng rãi [2]. Khi xác định được nồng độ bồ hóng và nhiệt độ cục bộ của ngọn lửa nhờ mô hình tính toán, chúng ta có thể xác định được hệ số truyền nhiệt bức xạ. Từ đó truyền nhiệt bức xạ từ ngọn lửa khuếch tán đến thành buồng cháy có thể được xác định bằng các mô hình như mô hình truyền nhiệt bức xạ trực tiếp, mô hình truyền nhiệt bức xạ từ bề mặt đến bề mặt (S2S), mô hình truyền nhiệt bức xạ theo phương riêng biệt (DOM)... Việc nghiên cứu thực nghiệm hệ số truyền nhiệt bức xạ rất cần thiết để đánh giá tính đúng đắn của các mô hình. Trong trường hợp động cơ Diesel, thông lượng nhiệt bức xạ truyền từ ngọn lửa Diesel đến thành buồng cháy được xác định theo biểu thức sau đây: 4 4  w  1  Tk   Tw   q kw  E h  E1   k   C 0   2  100   100    
Thông thường nhiệt độ thành buồng cháy của động cơ luôn được giữ ổn định nhờ hệ thống làm mát bằng nước nên có thể xem như nhiệt độ thành buồng cháy ổn định khoảng Tw 700K, nhiệt độ khí cháy bức xạ trong động cơ Diesel từ Tk1800 -2600K, do đó, để xác định được thông lượng nhiệt bức xạ, chúng ta cần xác định hệ số truyền nhiệt bức xạ . Bức xạ nhiệt trong ngọn lửa khuếch tán là do các phần tử khí và bồ hóng gây ra. Hệ số bức xạ tổng cộng được viết như sau:  T   g  s   g  s Trong đó T là hệ số bức xạ tổng của khí cháy, g là hệ số bức xạ của các chất thể khí và s là hệ số bức xạ của bồ hóng trong khí cháy. Trong khối khí cháy của động cơ Diesel thực nghiệm cho thấy bồ hóng là thành phần bức xạ chủ yếu, chiếm khoảng 90% lượng bức xạ nhiệt. Do đó để đơn giản trong tính toán chúng ta có thể xem hệ số bức xạ của các chất khí trong ngọn lửa bằng khoảng 10% hệ số bức xạ của bồ hóng. Bồ hóng là những hạt carbon có kích thước bé, phân bố trong ngọn lửa dưới dạng các đám mây hạt rắn. Hệ số bức xạ nhiệt của nó được xác định như sau:  s  1  exp(  KL) 3,72f v C o T K Trong đó C2 C2 =0,0143879mK là hằng số 36nk Co  phụ thuộc vào phần thực n và phần ảo k của chỉ số tán ( n 2  k 2  2) 2  4 n 2 k 2 xạ của bồ hóng. Co nằm trong khoảng từ 3 đến 10. Trong trường hợp đường kính hạt bồ hóng bé, chúng ta có thể chọn Co=7 [1], do đó K=1809,85fvT Từ đó ta xác lập được biểu thức hệ số bức xạ nhiệt của bồ hóng:  s  1  exp( 1809,85f v TL) Theo biểu thức trên, hệ số bức xạ nhiệt của bồ hóng phụ thuộc vào nồng độ thể tích bồ hóng fv, nhiệt độ ngọn lửa tại khu vực khảo sát T và chiều dài quang trình L. Các thông số này có thể được xác định bằng các phương pháp đo quang học như phương pháp khuếch tán ánh sáng, phương pháp dập tắt ánh sáng, phương pháp hai bước sóng... Trong công trình này, chúng tôi xác định  bằng phương pháp hai bước sóng. Cơ sở lý thuyết của phương pháp này đã được trình bày trong [3]. 2. Bố trí thí nghiệm Visioscope AVL Ngọn lửa Bộ vi xử lý khuếch tán Máy tính với phần mềm Thermovision Hình 1. Sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm Hình 1 giới thiệu sơ đồ bố trí hệ thống thí nghiệm. Thiết bị quan trọng nhất trong hệ thống là visioscope AVL đi kèm với bộ vi sử lý. Thiết bị này được thiết kế chuyên dùng để nghiên cứu quá trình cháy trong động cơ đốt trong. Trong nghiên cứu này, chúng tôi đã cải tạo việc lắp đặt visioscope để có thể thực hiện được việc đo đạc trên 3 cấu hình ngọn lửa khuếch tán khác nhau: ngọn lửa cháy bên ngoài khí quyển, ngọn lửa cháy trong lò hơi và
ngọn lửa cháy trong buồng cháy phụ động cơ Mazda. Camera PixelFly CCD VGA colour 24 bit của visioscope có độ phân giải 640x480 pixcels. Ảnh tức thời của ngọn lửa được ghi nhận đồng thời với bức xạ nhiệt ở hai bước sóng khác nhau và được chuyển đến bộ nhớ máy tính để xử lý bằng phần mềm Thermovision. Phương pháp ghi nhận dữ liệu và xử lý ảnh đã được trình bày trong [5]. Với tốc độ ghi nhận hình ảnh của visioscope hiện tại, chúng ta có thể ghi nhận ảnh thực của ngọn lửa tại thời điểm khảo sát bên trong cũng như bên ngoài buồng cháy động cơ. Tuy nhiên để xét giá trị tương đối của ngọn lửa ở các góc quay trục khuỷu khác nhau trong động cơ đốt trong, chúng ta đánh lệch đi một số chu trình với độ lệch thời gian bằng khả năng chụp hai ảnh liên tiếp của camera. 3. Kết quả thực nghiệm Hình 2 giới thiệu ảnh chụp của ngọn lửa, sự phân bố nhiệt độ và nồng độ bồ hóng trong ngọn lửa thí nghiệm của một lần đo tiêu biểu trong trường hợp ngọn lửa khuếch tán cháy bên ngoài khí quyển. Để thu được nhiệt độ và nồng độ bồ hóng bằng phương pháp hai bước sóng, bức xạ ngọn lửa được ghi nhận ở hai bước song khác nhau. Phương pháp tính toán đã được giới thiệu trong [5]. Trên cở sở kết quả cho bởi phần mềm Thermovision, chúng ta có thể khảo sát được sự biến thiên của nhiệt độ và nồng độ bồ hóng theo các phương khác nhau. Hình 3 giới thiệu biến thiên nhiệt độ và nồng độ bồ hóng trên trục ngọn lửa khuếch tán. Giá trị trung bình của nhiệt độ Nång và nồng độ bồ hóng trên mỗi mặt cắt ngang của ngọn lửa được 3. NhiÖt Ngän löa ®é bå ®é tính như sau: Hình 2. Kết quả đo và phân  Ti Li  f vi Li tích ngọn lửa bằng phương T fv  L L pháp hai bước sóng Ti, fvi là nhiệt độ và nồng độ bồ hóng tại khu vực i; L là quang trình của ngọn lửa tại mặt cắt khảo sát. x(m) 0,8 0,8 x(m) 0,6 0,6 0,4 0,4 0,2 0,2 a. fv(ppm) c. 0 15 7 3 11 0 2700 2100 2400 b. T(K) Hình 3. Ảnh chụp ngọn lửa (a), phân bố nhiệt độ (b) và nồng độ bồ hóng (c) theo trục ngọn lửa Các dữ liệu này cho phép chúng ta xác định được hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa. Hình 4 giới thiệu biến thiên hệ số bức xạ nhiệt theo chiều cao ngọn lửa. Kết quả này cho thấy đường cong biểu diễn sự biến thiên của hệ số bức xạ có dạng tương tự đường cong nồng độ bồ hóng. Vị trí max nằm trong khoảng giữa Tmax và fvmax. Đối với ngọn lửa khuếch tán sử
dụng nhiên liệu Diesel với áp suất phun 100bars, đường kính lỗ phun 0,1mm, giá trị max  0,15. Hình 5 trình bày ảnh chụp ngọn lửa, sự  phân bố nhiệt độ và nồng độ bồ hóng trong sản 0,12 phẩm cháy của dầu diesel trong lò đốt ứng với các độ đậm đặc của hỗn hợp =0,9; 1,0 và 1,1. Kết 0,08 quả phân tích cho thấy nồng độ bồ hóng trong ngọn lửa càng cao khi hỗn hợp càng đậm đặc [4]. 0,04 Khoảng cách từ miệng vòi phun đến vị trí đạt cực đại của nồng độ bồ hóng tăng dần theo độ đậm S(mm) 0 đặc của hỗn hợp. Điều này dẫn đến điểm cực đại của hệ số bức xạ nhiệt tiến dần về phía đuôi ngọn 0 200 400 600 800 lửa khi độ đậm đặc của hỗn hợp gia tăng (hình 6). Hình 4. Biến thiên hệ số bức xạ nhiệt So với ngọn lửa khuếch tán cháy ngoài khí quyển, theo chiều cao ngọn lửa Diesel ngoài hệ số bức xạ nhiệt cực đại của ngọn lửa trong lò khí quyển (áp suất phun 100 bars) đốt cao gấp đôi (khoảng 0,30). Hình 7 giới thiệu kết quả phân tích ngọn lửa trong buồng cháy phụ của động cơ Mazda ở các vị trí 13, 18 và 22 độ góc quay trục khuỷu. Ở vị trí gần điểm chết trên, quá trình cháy liên quan đến bộ phận nhiên liệu phun vào buồng cháy trong thời kỳ cháy trễ, hỗn hợp được chuẩn bị tương đối tốt nên lượng bồ hóng sinh ra thấp dù nhiệt độ cháy tăng cao. Ở vị trí 18 độ góc quay trục khuỷu, quá trình cháy khuếch tán diễn ra mãnh liệt, lượng bồ hóng tăng cao ở vùng nhiệt độ cao và giàu nhiên liệu. Khi kết thúc phun, quá trình oxy hóa bồ hóng đã hình thành diễn ra ở những vùng nhiệt độ cao làm giảm nồng độ bồ hóng trong sản phẩm cháy. Biến thiên nhiệt độ và nồng độ bồ =1,1  =1,1 =0,9 0,3 0,2 =1,0 =1,0 0,1 S(mm) 0 0 100 200 300 400 =0,9 Hình 6. Biến thiên hệ số bức xạ theo chiều dài ngọn lửa trong lò đốt ứng Hình 5. Ảnh chụp ngọn lửa trong lò đốt và với các độ đậm đặc khác nhau kết quả phân tích nhiệt độ, nồng độ bồ hóng hóng ảnh hưởng trực tiếp đến đường cong phân bố hệ số bức xạ (hình 8). Ở góc quay trục khuỷu 18 độ, hệ số bức xạ nhiệt cực đại cao nhất  = 0,45, gấp 1,5 lần hệ số bức xạ của bồ hóng ở vị trí 13 độ góc quay trục khuỷu. Kết quả này cho thấy trong giai đoạn cháy của hỗn hợp hòa trộn trước, hệ số bức xạ của ngọn lửa Diesel trong buồng cháy động cơ tương đương với giá trị của nó đối với ngọn lửa trong lò đốt công nghiệp. Trong giai đoạn kết thúc phun, sản phẩm cháy phân bố đều khắp trong buồng cháy với nồng độ bồ hóng trung bình không chênh lệch nhau xa, đường cong phân bố hệ số bức xạ bằng phẳng hơn, có thể xem giá trị trung bình của  = 0,15, xấp xỉ hệ số bức xạ của ngọn lửa Diesel cháy ngoài khí quyển.
4. Kết luận 1. Đường cong phân bố hệ số bức xạ nhiệt của ngọn lửa khuếch tán có dạng tương tự 13 với đường cong phân bố nồng độ bồ hóng trong ngọn lửa. Vị trí max nằm trong khoảng giữa Tmax và fvmax. 2. Trong lò đốt công nghiệp, hệ số bức xạ nhiệt của bồ hóng phụ thuộc và độ đậm đặc của hỗn hợp và giá trị cực đại của nó lớn 18 gấp đôi so với hệ số bức xạ nhiệt trong ngọn lửa cháy ngoài khí quyển. 3. Trong buồng cháy động cơ Diesel, hệ số bức xạ nhiệt phụ thuộc vào vị trí trục 22  =18 0,4 =13 a. b. c. Hình 7. Ảnh chụp ngọn lửa (a), phân bố nhiệt 0,2 =22 độ (b) và phân bố nồng dộ bồ hóng (c) trong buồng cháy phụ động cơ Mazda ở tốc độ 1600v/phút, 60% tải S(mm) 0 khuỷu. Trong giai đoạn đầu của quá trình 0 5 10 15 20 cháy, hệ số bức xạ cực đại của ngọn lửa tương Hình 8. Biến thiên của hệ số bức xạ nhiệt đương với giá trị của nó trong lò hơi; Trong theo chiều dài ngọn lửa trong buồng cháy giai đoạn cuối của quá trình cháy, giá trị này phụ động cơ Mazda tại các vị trí khác tiến dần tới hệ số bức xạ của ngọn lửa khuếch nhau của trục khuỷu tán ngoài khí quyển. max trong buồng cháy động cơ Diesel ở giai đoạn cháy khuếch tán chính lớn gấp 3 lần giá trị tương ứng trong ngọn lửa ngoài khí quyển. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] P.J. STUTTAFORD, P.A. RUBINI, Assessment of a radiative heat transfer model for a new gas turbine combustor preliminary design tool, AIAA J. Propulsion & Power, Vol. 14,No. 1, Jan-Feb 1998, pp. 66-73. BUI VAN GA, LE VAN LU, NGUYEN NGOC LINH, Đánh giá mô hình tạo bồ hóng của [2] Tesner-Magnussen bằng thực nghiệm trên ngọn lửa Diesel, Hội nghị Cơ học Thủy khí toàn quốc lần thứ 8, pp. 98-107, Hà Tiên, 20-22/7/2004. [3] BUI VAN GA, PHUNG XUAN THO, PHAM XUAN MAI, LE VAN LU, NGUYEN NGOC LINH, Soot formation analysis in turbulent diffusion flames by Visoscope, International Automotive Congress CONAT 2004, Brasov, Romania, 19-22 October 2004. BUI VAN GA, DUONG VIET DUNG, LE VAN LU, Quan hệ giữa nồng độ bồ hóng và nồng [4] độ NOx trong sản phẩm cháy của lò hơi, Kỷ yếu Hội Nghị Cơ Học Thủy Khí Toàn Quốc năm 2005, pp. 107-114, Hạ Long, 20-22/7/2005. [5] BUI VAN GA, DUONG VIET DUNG, HUYNH BA VANG, NGUYEN NGOC LINH,Temperature and Soot Distribution Analysis in Pre-Chamber of MAZDA WL Engine by AVL Visioscope, Paper 042, International Conference on Automotive Technology for Vietnam, ICAT 2005. Hanoi, October 22-24, 2005.