THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG

THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG
1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM
Thiết bị cho phép khảo sát định tính và định lượng các đặc trưng cơ bản của quá
trình cháy thông qua các yếu tố ảnh hưởng đến ngọn lửa như tỉ lệ hòa trộn của hỗn
hợp nhiên liệu và không khí và tải năng lượng cháy (burner loading). Nội dung thí
nghiệm bao gồm:
- Xây dựng biểu đồ đặc trưng cho
khảo sát ổn định ngọn lửa
- Xác định đặc tính của hiện tượng
ngọn lửa nâng lên khỏi bề mặt (lift
off)
- Xác định đặc tính của hiện tượng
cháy ngược (light back)
- Khảo sát phương pháp để tăng cường
giới hạn ổn định của ngọn lửa
- Đo vận tốc lan truyền ngọn lửa theo
tỉ lệ hòa trộn
2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Xét một phương trình phản ứng hóa học cho quá trình cháy với nhiên liệu là
metane ở dạng khí:
Ex : CH4 (gaz) + 2O2 (gaz) → CO2 (gaz) + 2H2O (gaz)
Phản ứng xảy ra hoàn toàn khi tỉ lệ số mole CH 4/O2 tương ứng là 1:2. Nếu tỉ lệ
này lớn hơn 1:2 ta gọi hỗn hợp cháy giàu nhiên liệu, ngược lại nếu tỉ lệ này nhỏ hơn
1:2, ta gọi hỗn hợp cháy nghèo nhiên liệu. Ngoài ra, quá trình cháy của hỗn hợp
nhiên liệu khí không những phụ thuộc vào tỉ lệ hòa trộn nhiên liệu/không khí và mà
còn phụ thuộc vào tải nhiệt (burner loading - nhiệt lượng trên một đơn vị diện tích)
tại nơi xuất hiện ngọn lửa. Tải nhiệt được định nghĩa như sau:
Tai nhiet =

Nhiet tri cua nhien lieu [MJm -3 ] * Luu luong nhien lieu[m 3s -1 ]
Dien tich[m 2 ]

Để xác định giới hạn ổn định của các buồng đốt (burner) hoạt động với nhiều
loại nhiên liệu khí khác nhau, mối liên hệ giữa tải nhiệt và tỉ lệ hòa trộn cùng được
biểu diễn trên giãn đồ Fuidge như Hình 1.
Giới hạn ổn định của quá trình cháy gồm 3 giai đoạn như sau:
 Đầu ngọn lửa màu vàng (Yellow Tipping)
Sự cháy diễn ra khi có sự hiện diện của không khí, nhiên liệu ở nhiệt độ thích hợp
(đánh lửa). Ta có thể đánh giá một cách định tính quá trình cháy thông qua hình dạng
và màu sắc ngọn lửa. Quá trình cháy giàu nhiên liệu thì ngọn lửa có màu vàng. Khi
tăng lượng không khí thì ngọn lửa từ màu vàng chuyển sang màu xanh, quá trình này
diễn ra từ gốc đến ngọn. Trạng thái giới hạn của quá trình chuyển đổi từ vàng sang
1


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG
xanh là chỉ còn đầu ngọn lửa màu vàng (yellow tipping – YT). Như vậy, đây là trạng
thái tới hạn để duy trì sự cháy với tỉ lệ hòa trộn vừa đủ cho một quá trình cháy hoàn
toàn.
 Ngọn lửa xanh nâng lên khỏi bề mặt ( Lift-off)
Tiếp tục gia tăng lượng không khí, ngọn lửa sẽ có màu xanh hoàn toàn. Ở một tỉ lệ
thích hợp, ngọn lửa xanh sẽ nâng lên khỏi bề mặt của ống hòa trộn (lift off – LO).
Hiện tượng này xảy ra khi vận tốc của hỗn hợp cháy gần bằng vận tốc lan truyền
ngọn lửa. Nếu tiếp tục gia tăng lưu lượng không khí, vận tốc của hỗn hợp cháy sẽ lớn
hơn vận tốc lan truyền ngọn lửa, ngọn lửa nâng lên khỏi bề mặt sẽ bị tắt. Đây là trạng
thái tới hạn của quá trình cháy nghèo nhiên liệu, là trạng thái chuyển tiếp để kết thúc
sự cháy.
 Ngọn lửa cháy ngược (Light back)
Hiện tượng ngọn lửa cháy ngược (light back) xảy ra khi tỉ lệ hòa trộn đã vượt quá giá
trị của hiện tượng tách rời bề mặt của ngọn lửa (LO). Khi tải nhiệt thấp, nếu tăng lưu
lượng không khí, vận tốc lan truyền ngọn lửa lớn hơn vận tốc chuyển động của hỗn

hợp cháy. Ngọn lửa cháy trong trạng thái nghèo nhiên liệu có xu hướng chuyển động
ngược về phía đầu vào để duy trì quá trình cháy.

Hình 1: Giãn đồ Fuidge đăc trưng cho giới hạn ổn định của quá trình cháy
của khí than (coal gas) và methane.
3. THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM
3.1.Mô tả cấu tạo thiết bị thí nghiệm
− Bình nhiên liệu: thiết bị có thể được dùng cho nhiều loại nhiên liệu dạng
khí như Propan, LPG, methane. Áp suất dư của nguồn cung cấp nhiên liệu
khí thường trong khoảng 125 – 380 mm H2O.
2


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG
− Nguồn cung cấp điện cho thiết bị ở hiệu điện thế 220V hoặc 110V.
− Thiết bị khảo sát sự cháy C551 bao gồm một quạt ly tâm để hút không khí
từ bên ngoài vào hòa trộn với nhiên liệu. Lưu lượng của không khí, nhiên
liệu được hiển thị trên đồng hồ đo lưu lượng.
− Bộ chế hòa khí, có hình lục giác đều, kết nối với ống dẫn nhiên liệu và ống
dẫn không khí
− Ba ống thép với đường kính tương ứng là 9.06 mm, 15.24 mm và 22.8 mm,
đóng vai trò ống hòa trộn hỗn hợp nhiên liệu và không khí trước khi diễn ra
quá trình cháy và 2 đầu côn để khảo sát quá trình cháy tại các bề mặt này.
− Ống nhựa trong để quan sát và đo vận tốc lan truyền ngọn lửa trong chế độ
cháy ngược dòng (light back)
− Hệ thống đánh lửa: là một ống thép hình chữ L đặt bugi và hộp đánh lửa
3.2.Yêu cầu an toàn khi vận hành thiết bị
−

Thiết bị cần được bố trí trên một bề mặt phẳng, kết nối với nguồn cung

cấp nhiên liệu và nguồn điện một cách dễ dàng, tại nơi thông thoáng và
tránh xa những vật liệu dễ bắt lửa.

−

Không hoạt động thiết bị khi van điều khiển nhiên liệu mở mà không xảy
ra quá trình cháy (không có ngọn lửa)

3.3.Vận hành thiết bị
−

Bật công tắc điện trên thiết bị C551 để chạy quạt hút không khí. Mở van
không khí và đảm bảo cho không khí đi vào đến bộ chế hòa khí. Đánh lửa
hỗn hợp hòa trộn nhiên liệu/không khí.

−

Lưu lượng nhiên liệu khí đi vào buồng đốt có thể điều chỉnh thông qua 2
ống đo lưu lượng với thang đo khác nhau cho từng loại nhiên liệu khí. Với
khí gas thiên nhiên, nên xác định lưu lượng theo ống dài. Với hỗn hơp
nhiên liệu butane và propane, lưu lượng nên hiển thị theo ống nhỏ. Kết
quả hiển thị trên ống đo lưu lượng theo đơn vị cm. Ta cần sử dụng biểu đồ
cung cấp bởi nhà sản xuất để biết được giá trị thật của lưu lượng theo m 3/s.
Tham khảo đồ thị Hình 2 và Hình 3 để quy đổi và hiệu chỉnh giá trị lưu
lượng.

4. KHẢO SÁT GIỚI HẠN ỔN ĐỊNH QUÁ TRÌNH CHÁY
4.1.Yêu cầu thí nghiệm
− Xác định đặc tính của nhiên liệu: hỗn hợp gồm chất nào và tỉ lệ tương ứng,
nhiệt trị của nhiên liệu

3


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG
− Quan sát hiện tượng, điều chỉnh tỉ lệ hòa trộn nhiên liệu –không khí để có
các trang thái giới hạn đầu ngọn lửa màu vàng (YT), ngọn lửa xanh nâng
lên khỏi bề mặt (LO) và cháy ngược (LB)
− Quan sát và đo chiều cao ngọn lửa
− Ghi chú lại kết quả như trình bày ở bảng 1 cho 3 ống hòa trộn và trường
hợp ống có độ côn
− Lập bảng kết quả tổng hợp như Bảng 2 và thiết lập giãn đồ Fuidge cho loại
nhiên liệu thí nghiệm
− Nhận xét ảnh hưởng của tỉ lệ hòa trộn, tải nhiệt đến hình dáng, màu sắc,
chiều cao và giới hạn ổn định của ngọn lửa
− Nhận xét đặc tính của ngọn lửa khi gắn thêm đầu côn
4.2.Tiến hành thí nghiệm


Quan sát hiện tượng đầu ngọn lửa màu vàng (YT)

− Bắt đầu thí nghiệm với ống thép có đường kính nhỏ nhất, sau khi vận hành
thiết bị và tạo ra ngọn lửa, tắt van dẫn không khí, ta quan sát thấy đầu ngọn
lửa màu vàng (yellow tip - YT). Tùy theo loại nhiên liệu sử dụng, việc
ngừng cung cấp không khí có thể tạo ra khói.
− Từ từ mở van dẫn không khí, đặt một tấm màn trắng làm phông nền, quan
sát khi nào đầu ngọn lửa màu vàng (YT) biến mất và được thay thế bởi
ngọn lửa màu xanh. Quan sát và ghi chú lại hiện tượng này với nhiều tỉ lệ
hòa trộn và với các ống khác nhau


Quan sát hiện tượng ngọn lửa xanh nâng lên khỏi bề mặt ống (LO)

− Giữ nguyên lưu lượng nhiên liệu, tăng dần lưu lượng không khí, ngọn lửa
sẽ cháy mạnh mẽ hơn và ở tỉ lệ hòa trộn thích hợp, ngọn lửa bắt đầu nâng
lên khỏi bề mặt của ống hòa trộn (lift off –LO).
− Trong một số trường hợp khi tải năng lượng cháy (burner loading) thấp,
hiện tượng ngọn lửa nâng lên khỏi bề mặt (LO) sẽ không ổn định và ngọn
lửa sẽ quay ngược về trong ống hòa trộn. Khi xảy ra hiện tượng bất ổn định
này, ta cần tắt van cung cấp nhiên liệu và để làm mát ống hòa trộn.
− Điều chỉnh lưu lượng nhiên liệu thích hợp và từ từ gia tăng lưu lượng không
khí, vận tốc của hỗn hợp cháy (nhiên liệu và không khí) sẽ vượt qua vận tốc
lan truyền ngọn lửa, ngọn lửa sẽ tách ra khỏi bề mặt ống hòa trộn và tắt.
Quan sát thật nhanh hiện tượng, ghi chú lại lưu lượng của không khí và
nhiên liệu tương ứng và tắt van cung cấp nhiên liệu.
− Tiến hành thí nghiệm với nhiều ống khác nhau. Lưu ý rằng hiện tượng ngọn
lửa tách ra khỏi bề mặt ống (LO) có thể không dễ dàng thực hiện được khi
hỗn hợp cháy có vận tốc lan truyền ngọn lửa cao và đường kính ống hòa
trộn lớn.


Quan sát hiện tượng cháy ngược (LB)
4


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG
− Hiện tượng ngọn lửa đảo chiều chuyển động phụ thuộc vào đặc tính của
nhiên liệu và kích thước của ống hòa trộn. Ví dụ như, hiện tượng này sẽ khó
thực hiện được cho nhiên liệu là hỗn hợp propane và methane (có vận tốc
lan truyền ngọn lửa thấp) trong ống hòa trộn có đường kính nhỏ.
− Lắp đặt ống có đường kính lớn nhất và đánh lửa hỗn hợp nhiên liệu-không

khí. Ở tải năng lượng cháy thấp (tùy thuộc vào loại nhiên liệu), gia tăng lưu
lượng không khí cho tới khi đầu ngọn lửa màu vàng biến mất và ngọn lửa
cháy xanh hình thành. Khi tải năng lượng cháy vừa đủ thấp, tiếp tục tăng
lưu lượng không khí sẽ làm vận tốc ngọn lửa tăng vượt quá vận tốc của hỗn
hợp cháy, dẫn đến hiện tượng ngọn lửa quay trở về lại trong ống hòa trộn.
Quan sát khi xảy ra hiện tượng này, ghi chú lưu lượng không khí và nhiên
liệu tương ứng đồng thời tắt nguồn cung cấp nhiên liệu để dập tắt lửa. Lặp
lại thí nghiệm với nhiều ống khác nhau và biểu diễn kết quả trên giãn đồ
Fuidge.

Hình 2: Giãn đồ hiệu chỉnh giá trị của hỗn hợp nhiên liệu propan+ buthane.

Bảng 1: Kết quả tổng hợp để thiết lập giãn đồ Fuidge.

5


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG

Hình 3: Mối liên hệ giữa lưu lượng trên cột đo thiết bị (cm) và lưu lượng thực tế (m3s1
).

5. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
5.1. Khảo sát giới hạn ổn định quá trình cháy
- Tính toán lưu lượng gas và không khí (chuyển đổi từ cm sang m 3/s) bằng biểu đồ:
Mối liên hệ giữa lưu lượng trên cột đo thiết bị (cm) và lưu lượng thực tế (m 3s-1).
Sau đó hiệu chỉnh bằng công thức:
Corrected gas Flow = k x Gas Flow Reading
( Lưu lượng Gas hiệu chỉnh = k x lượng Gas đọc trên đồ thị )
6

THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG
▪

Đặc tính nhiên liệu: Gas LPG (50% butane, 50% propane) với hệ số hiệu

▪

chỉnh
.
Tiến hành thí nghiệm cho 4 ống hoà trộn và trường hợp ống có độ côn.

- Tính diện tích mặt cắt ngang các ống

- Tính Primary Air/Fuel Ratio bằng cách lấy Air Flow chia cho Gas flow
- Bunrer Loading tính dựa vào công thức:
Tai nhiet =

Nhiet tri cua nhien lieu [MJm -3 ] * Luu luong nhien lieu[m 3s -1 ]
Dien tich[m 2 ]

Với nhiệt trị của nhiên liệu là 40 MJm-3

BẢNG KẾT QUẢ
Bảng 1:
D

Tiết diện

Lưu
lượng
Gas
hiển
thị

Lưu lượng
Gas

Lưu lượng không
khí hiển thị

7

Lưu lượng không
khí

Tỉ số không khí/nhiên
liệu

Tải
nhiệt


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG
YT

LO

LB

YT

LO

LB

YT

LO

LB

10

7.85E-05

1

1.59E-02

14.5

15.5

-

0.29

0.31

-

18.29

19.55

-

8.075

10

7.85E-05

2

2.11E-02

19.5

22

-

0.38

0.42

-

17.98

19.87

-

10.767

12.5

1.23E-04

1

1.59E-02

14

19.5

-

0.28

0.38

-

17.66

23.97

-

5.168

12.5

1.23E-04

2

2.11E-02

18.5

24

-

0.36

0.46

-

17.03

21.76

-

6.891

15.8

1.96E-04

1

1.59E-02

13

24

-

0.26

0.46

-

16.40

29.01

-

3.235

15.8

1.96E-04

2

2.11E-02

17

26

-

0.34

0.51

-

16.08

24.12

-

4.313

29.4

6.79E-04

1

1.59E-02

11

-

-

0.23

-

-

14.51

-

-

0.934

29.4

6.79E-04

2

2.11E-02

15

-

-

0.3

-

-

14.19

-

-

1.246

32.2

8.14E-04

1

1.59E-02

14

-

20

0.28

-

0.39

17.66

-

24.60

0.779

32.2

8.14E-04

2

2.11E-02

17

-

25

0.34

-

0.49

16.08

-

23.18

1.038

22.3

3.91E-04

1

1.59E-02

14

-

28

0.28

-

0.55

17.66

-

34.69

1.624

22.3

3.91E-04

2

2.11E-02

18.5

-

27

0.36

-

0.54

17.03

-

25.54

2.165

Hình 1: Giản đồ Fuidge của Gas LPG

Nhận Xét:
- Ảnh hưởng của tỉ lệ hòa trộn, tải nhiệt đến hình dáng, màu sắc, chiều cao và giới
hạn ổn định của ngọn lửa:
Khi giữ nguyên mức nhiên liệu, ta tăng mức không khí, lúc đầu ngọn lửa
màu vàng bùng lên cao

8

THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG

Sau đó chuyển sang giai đoạn YELLOW TIPPING phần lớn ngọn lửa
màu xanh chỉ phần chóp trên cùng có màu vàng, đây là giai đoạn cháy ổn định
của ngọn lửa.

Tiếp tục tăng mức không khí thì ngọn lửa chuyển sang giai đoạn LIFTOFF
lửa nhấc lên khỏi miệng ống. Trường hợp đường kính ống nhỏ thì không xảy ra
hiện tượng light-back.
9


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG

10


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG
Cùng một mức nhiên liệu thì cột không khí của yellow tipping thấp hơn lift off
và light back, khi cột nhiên liệu tăng lên thì cột không khí để xảy ra các quá trình trên
cũng tăng lên.
Trường hợp ống lớn không xảy ra hiện tượng lift-off, có hiện tượng lightback do ngọn lửa cháy trong tình trạng nghèo nhiên liệu.

Ta thấy khi tăng mức nhiên liệu càng cao thì ngọn lửa càng cao, đường kính ống
càng to thì ngọn lửa càng thấp.

11


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG

5.2 Đo vận tốc lan truyền ngọn lửa theo tỉ lệ hoà trộn
a) Yêu cầu thí nghiệm
▪ Xác định tỉ lệ hoà trộn thích hợp và nhận xét điều kiện để xảy ra hiện
tượng cháy ngược
▪ Xác định vận tốc của ngọn lửa cháy ngược
▪ Vẽ đồ thị thể hiện mối liên hệ giữa vận tốc ngọn lửa và tỉ lệ hoà trộn
b) Tiến hành thí nghiệm
▪ Kết nối ống nhựa, ống L và hệ thống bugi đánh lửa
▪ Vận hành các van dẫn nhiên liệu và không khí để tạo ra quá trình cháy,
điều chỉnh tỉ lệ hoà trộn sao cho tạo ra hiện tượng Lift-off. Để ngọn lửa
hoạ động ổn định sau 5s, tắt đồng thời nguồn cấp nhiên liệu, không khí
và cùng lúc đánh lửa trong đường ống.
▪ Kết quả thí nghiệm
Bảng 2: Kết quả đo vận tốc lan truyền ngọn lửa.
Lưu lượng

Lưu lượng
Gas

Gas hiển thị

Lưu lượng không khí
hiển thị

Lưu lượng
không khí

Thời gian
trung bình

Vận tốc
ngọn lửa

Tỉ lệ hoà trộn không
khí/nhiên liệu

0.5

0.013741

13

0.26

1.33

0.639098

18.92148

0.5

0.013741

15

0.3

1.09

0.779817

21.83247

0.5

0.013741

17

0.335

0.76

1.118421

24.37959

1

0.015855

12

0.245

3.3175

0.256217

15.45254

1

0.015855

13

0.26

1.65

0.515152

16.39861

1

0.015855

14

0.28

1.3425

0.633147

17.66004

1

0.015855

15

0.3

0.9875

0.860759

18.92148

1

0.015855

16

0.318

0.79

1.075949

20.05676

1

0.015855

17

0.335

0.705

1.205674

21.12898

1

0.015855

18

0.35

0.75

1.133333

22.07506

1

0.015855

19

0.37

0.625

1.36

23.33649

1

0.015855

20

0.39

0.6775

1.254613

24.59792

1

0.015855

21

0.405

0.9925

0.856423

25.54399

12


THÍ NGHIỆM KỸ THUẬT GIAO THÔNG

Hình 2: Giản đồ vận tốc lan truyền ngọn lửa của Gas LPG

Nhận Xét:
- Dựa vào bảng kết quả ta thấy tỉ lệ hòa trộn thích hợp (primary air/fuel ratio) để
xảy ra hiện tượng cháy ngược là 23.
- Điều kiện xảy ra hiện tượng cháy ngược là đường kính ống phải lớn, cháy ngược
là do tốc độ cung cấp của dòng nhiên liệu thấp hơn vận tốc màng lửa, do đó lửa
cháy ngược vào trong ống, lúc này ta phải ngắt ngay van cung cấp nhiên liệu để
tránh gây nổ.
- Hiện tượng ngọn lửa cháy ngược (light back) xảy ra khi tỉ lệ hòa trộn đã vượt quá
giá trị của hiện tượng tách rời bề mặt của ngọn lửa (LO). Khi tải nhiệt thấp, nếu
tăng lưu lượng không khí, vận tốc lan truyền ngọn lửa lớn hơn vận tốc chuyển
động của hỗn hợp cháy. Ngọn lửa cháy trong trạng thái nghèo nhiên liệu có xu
hướng chuyển động ngược về phía đầu vào để duy trì quá trình cháy.
6. NHIỆM VỤ TỪNG THÀNH VIÊN
 Tổng hợp, xử lý số liệu và tính toán, chụp hình: Nguyễn Thanh Phong
 Đo đạc đường kính ống, chiều cao ngọn lửa: Lê Nguyễn Hoàng Phi

 Lắp đặt thiết bị, ghi chép: Lê Anh Tài
 Điều khiển thiết bị thí nghiệm, quan sát trạng thái: ……..

13