Nghiên cứu thiết bị chữa cháy rừng sử dụng không khí

Luận văn nghiên cứu máy chữa cháy rừng sử dụng không khí làm tác nhân chữa cháy, mang lại giải pháp hiệu quả cho công tác phòng chống cháy rừng.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Chữa Cháy
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Bị Chữa Cháy Rừng Sử Dụng Không Khí Tại Việt Nam
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• ĐẶT VẤN ĐỀ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Tình hình cháy rừng ở Việt Nam và trên thế giới
• 1.2. Khái quát về công nghệ chữa cháy rừng
• 1.3. Tình hình nghiên cứu các thiết bị chữa cháy rừng trên thế giới
• 1.4. Tình hình nghiên cứu máy chữa cháy rừng bằng sức gió

Tóm tắt

I. Tổng quan về Thiết Bị Chữa Cháy Rừng Bằng Không Khí

Rừng đóng vai trò quan trọng như lá phổi xanh của hành tinh, mang lại nhiều lợi ích kinh tế, văn hóa và sinh thái. Tuy nhiên, tình trạng cháy rừng đang gây ra những thiệt hại nghiêm trọng về tài nguyên, môi trường và tính mạng con người. Theo thống kê, Việt Nam đã phải hứng chịu hàng ngàn vụ cháy rừng mỗi năm, gây tổn thất lớn. Việc nghiên cứu và phát triển các giải pháp chữa cháy rừng hiệu quả là vô cùng cấp thiết. Đề tài "Nghiên cứu máy chữa cháy rừng dùng tác nhân chữa cháy là không khí" ra đời nhằm giải quyết vấn đề này, hướng đến mục tiêu tạo ra một thiết bị chữa cháy hiệu quả, phù hợp với điều kiện địa hình và kinh tế của Việt Nam, sử dụng nguồn tài nguyên không khí sẵn có tại chỗ. Điều này hứa hẹn một cuộc cách mạng trong công nghệ chữa cháy rừng ở Việt Nam.

1.1. Tầm quan trọng của phòng cháy chữa cháy rừng

Phòng cháy chữa cháy rừng không chỉ bảo vệ tài nguyên quý giá mà còn duy trì sự cân bằng sinh thái. Các vụ cháy rừng gây ra ô nhiễm không khí, ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng và làm gia tăng biến đổi khí hậu. Hơn nữa, việc kiểm soát cháy rừng giúp bảo tồn đa dạng sinh học và bảo vệ các loài động thực vật quý hiếm. Theo tài liệu gốc, trung bình mỗi năm Việt Nam thiệt hại khoảng 10 do cháy rừng, nhấn mạnh tầm quan trọng của công tác phòng chống.

1.2. Thiệt hại do cháy rừng gây ra ở Việt Nam và thế giới

Trên toàn cầu, cháy rừng gây ra những hậu quả nghiêm trọng, từ thiệt hại về kinh tế đến ô nhiễm môi trường. Ở Việt Nam, diện tích rừng bị thiệt hại do cháy rừng là rất lớn, chủ yếu là rừng non. Các thống kê cho thấy hàng ngàn tỷ đồng đã bị mất do cháy rừng, chưa kể đến những ảnh hưởng tiêu cực đến môi trường sống và lũ lụt. Dẫn chứng từ tài liệu gốc chỉ ra rằng Việt Nam đã xảy ra 15.660 vụ cháy rừng từ 1992-2003, gây thiệt hại lớn về tài nguyên và kinh tế.

II. Thách thức Hạn chế của Phương Pháp Chữa Cháy Rừng Hiện Tại

Các phương pháp chữa cháy rừng hiện tại ở Việt Nam chủ yếu dựa vào các biện pháp thủ công như dùng cành cây, cào, cuốc. Điều này không hiệu quả, nguy hiểm cho người tham gia và dẫn đến diện tích rừng bị cháy ngày càng tăng. Một số thiết bị chữa cháy đã được trang bị nhưng không phù hợp với địa hình dốc, thiếu nguồn nước và vật liệu cháy rừng phức tạp. Do đó, cần có một giải pháp chữa cháy rừng mới, sử dụng các tác nhân chữa cháy tại chỗ, thiết bị gọn nhẹ, dễ mang vác, hiệu quả dập lửa lớn và phù hợp với điều kiện kinh tế. Việc nghiên cứu chữa cháy rừng để giải quyết những thách thức này là vô cùng cần thiết.

2.1. Sự không phù hợp của thiết bị hiện tại với địa hình Việt Nam

Địa hình rừng Việt Nam đặc trưng bởi độ dốc lớn, địa hình phức tạp, gây khó khăn cho việc tiếp cận và sử dụng các thiết bị chữa cháy lớn. Các xe chữa cháy cồng kềnh khó di chuyển, trong khi các thiết bị nhỏ lại không đủ mạnh để dập tắt đám cháy lan rộng. Theo tài liệu gốc, các thiết bị chữa cháy lớn như xe ôtô cứu hỏa khó có thể áp dụng được do địa hình dốc và điều kiện vận chuyển nước không thuận lợi.

2.2. Thiếu nguồn nước và khó khăn trong vận chuyển nước chữa cháy

Cháy rừng thường xảy ra ở những khu vực xa nguồn nước, khiến việc vận chuyển nước trở nên khó khăn và tốn kém. Điều này làm giảm hiệu quả của các phương pháp chữa cháy rừng truyền thống dựa trên nước. Vì vậy, cần tìm kiếm các giải pháp chữa cháy rừng không cần nước hoặc sử dụng các tác nhân chữa cháy sẵn có tại chỗ. Việc chữa cháy rừng không cần nước sẽ giải quyết được bài toán khó khăn này.

2.3. Hiệu quả thấp của phương pháp chữa cháy thủ công

Việc sử dụng các biện pháp thủ công như cành cây, cào, cuốc… có hiệu quả thấp, nguy hiểm đối với người tham gia chữa cháy, từ đó mà diện tích cháy rừng ngày càng tăng.Một số vườn quốc gia và cơ sở chữa cháy đã trang bị một số thiết bị để chữa cháy rừng, nhưng các thiết bị này không phù hợp với địa hình, điều kiện rừng, điều kiện tác nhân chữa cháy nên hiệu quả chữa cháy rừng không cao.

III. Nghiên Cứu Thiết Bị Chữa Cháy Rừng Dùng Không Khí Nén

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển một thiết bị chữa cháy rừng sử dụng không khí nén làm tác nhân chữa cháy. Mục tiêu là tạo ra một thiết bị gọn nhẹ, dễ sử dụng, có khả năng dập tắt đám cháy nhanh chóng và hiệu quả, phù hợp với địa hình và điều kiện kinh tế của Việt Nam. Thiết bị này sẽ sử dụng không khí sẵn có tại chỗ, khắc phục những hạn chế của các phương pháp chữa cháy truyền thống. Quá trình nghiên cứu bao gồm việc xác định các thông số kỹ thuật tối ưu của thiết bị, thử nghiệm trong điều kiện thực tế và đánh giá hiệu quả kinh tế.

3.1. Nguyên lý dập lửa rừng bằng không khí

Nguyên lý dập lửa rừng bằng không khí dựa trên việc làm giảm nhiệt độ của đám cháy và loại bỏ oxy. Không khí nén được phun với vận tốc cao vào đám cháy, làm nguội vật liệu cháy và ngăn chặn sự tiếp xúc của oxy với vật liệu cháy. Điều này giúp dập tắt đám cháy một cách nhanh chóng và hiệu quả. Theo các nghiên cứu về nguyên lý dập tắt đám cháy rừng, việc hạ nhiệt độ đám cháy xuống dưới điểm cháy là một phương pháp hiệu quả.

3.2. Thiết kế và chế tạo máy chữa cháy rừng bằng không khí

Việc thiết kế và chế tạo máy chữa cháy rừng bằng không khí đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng về các yếu tố như kích thước, trọng lượng, công suất và hiệu quả dập lửa. Các thành phần chính của máy bao gồm động cơ, quạt gió, ống thổi và hệ thống điều khiển. Thiết kế cần đảm bảo tính di động, dễ sử dụng và phù hợp với địa hình dốc của rừng Việt Nam.Theo tài liệu gốc, cần nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ra các thiết bị chữa cháy rừng sử dụng tác nhân chữa cháy tại chỗ, thiết bị gọn nhẹ dễ mang vác di dộng trên địa hình dốc, hiệu quả dập lửa lớn

IV. Công Nghệ Tiên Tiến Ứng Dụng Drone Chữa Cháy Rừng Ở Việt Nam

Việc tích hợp công nghệ tiên tiến như drone chữa cháy rừng mang lại những lợi thế vượt trội trong công tác chữa cháy rừng. Drone có khả năng tiếp cận các khu vực khó khăn, giám sát tình hình đám cháy từ trên cao và phun chất chữa cháy một cách chính xác. Việc sử dụng drone chữa cháy rừng giúp giảm thiểu rủi ro cho người tham gia chữa cháy, tăng cường khả năng chữa cháy rừng nhanh chóng và hiệu quả, đồng thời tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên. Đây là một bước tiến quan trọng trong việc nâng cao năng lực phòng cháy chữa cháy rừng ở Việt Nam.

4.1. Giám sát và phát hiện cháy rừng từ xa bằng drone

Drone được trang bị camera hồng ngoại và các cảm biến khác có thể phát hiện cháy rừng từ xa, ngay cả khi đám cháy còn nhỏ. Hình ảnh và dữ liệu thu thập được từ drone giúp các nhà quản lý có cái nhìn tổng quan về tình hình đám cháy, từ đó đưa ra các quyết định chữa cháy kịp thời và hiệu quả. Ứng dụng này đặc biệt hữu ích trong việc giám sát các khu vực rừng rộng lớn và khó tiếp cận.

4.2. Phun chất chữa cháy chính xác bằng drone chữa cháy

Drone chữa cháy có thể mang theo chất chữa cháy như nước, bọt hoặc hóa chất và phun trực tiếp vào đám cháy. Khả năng điều khiển chính xác của drone cho phép phun chất chữa cháy vào đúng vị trí cần thiết, giảm thiểu lãng phí và tối đa hóa hiệu quả dập lửa. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc chữa cháy rừng ở các khu vực có địa hình phức tạp và dễ gây cháy lan.

4.3. Chữa cháy rừng bằng máy bay

Công nghệ chữa cháy rừng bằng máy bay là một giải pháp hiệu quả, đặc biệt trong việc xử lý các đám cháy lớn và khó kiểm soát. Máy bay có thể vận chuyển lượng lớn nước hoặc chất chữa cháy và thả xuống đám cháy từ trên cao, giúp dập tắt đám cháy nhanh chóng và ngăn chặn sự lan rộng. Công nghệ này thường được sử dụng ở các quốc gia có diện tích rừng lớn và nguồn lực tài chính mạnh.

V. Kết Luận Tiềm năng của Thiết Bị Chữa Cháy Rừng tại Việt Nam

Nghiên cứu và phát triển thiết bị chữa cháy rừng sử dụng không khí nén và drone mở ra một hướng đi mới trong công tác phòng cháy chữa cháy rừng ở Việt Nam. Thiết bị này có tiềm năng lớn trong việc giảm thiểu thiệt hại do cháy rừng gây ra, bảo vệ tài nguyên rừng và môi trường sống. Việc ứng dụng công nghệ chữa cháy rừng tiên tiến sẽ giúp nâng cao năng lực kiểm soát cháy rừng và đảm bảo an toàn cho cộng đồng. Cần tiếp tục đầu tư vào nghiên cứu và phát triển để hoàn thiện công nghệ chữa cháy rừng và ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

5.1. Đánh giá hiệu quả chữa cháy rừng bằng không khí

Hiệu quả của chữa cháy rừng bằng không khí phụ thuộc vào nhiều yếu tố như loại vật liệu cháy, điều kiện thời tiết và kỹ năng vận hành thiết bị. Các thử nghiệm thực tế cần được tiến hành để đánh giá chính xác hiệu quả của thiết bị chữa cháy rừng và đưa ra các khuyến nghị về sử dụng và bảo trì. Điều này sẽ giúp tối ưu hóa việc sử dụng công nghệ chữa cháy rừng và đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

5.2. Khả năng ứng dụng rộng rãi và bền vững của giải pháp

Khả năng ứng dụng rộng rãi và bền vững của giải pháp chữa cháy rừng phụ thuộc vào tính khả thi về kinh tế, kỹ thuật và xã hội. Thiết bị cần phải có chi phí hợp lý, dễ bảo trì và phù hợp với điều kiện địa hình và kinh tế của các địa phương. Đồng thời, cần có sự phối hợp chặt chẽ giữa các cơ quan chức năng, cộng đồng và các tổ chức liên quan để đảm bảo việc triển khai và sử dụng công nghệ chữa cháy rừng một cách hiệu quả và bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Thống kê thực tế của ngành kiểm lâm trong giai đoạn 40 năm ghi nhận cả nước xảy ra hơn 47.000 vụ cháy rừng, thiêu rụi trên 633.000 ha diện tích rừng tự nhiên và rừng trồng, gây tổn thất kinh tế hàng ngàn tỷ đồng. Mặc dù tổng diện tích rừng đạt trên 12,8 triệu ha với độ che phủ khoảng 38,8%, nhưng có tới hơn 6 triệu ha thuộc nhóm rừng dễ cháy như rừng thông, rừng tràm, rừng khộp và thảm thực vật tái sinh. Địa hình đồi núi Việt Nam đặc trưng bởi độ dốc lớn từ 30 độ đến 40 độ, giao thông chia cắt và nguồn nước tự nhiên vô cùng khan hiếm vào mùa khô, khiến các phương tiện cơ giới hạng nặng như xe cứu hỏa hay trực thăng chuyên dụng không thể tiếp cận hiệu quả. Phương thức dập lửa thủ công bằng cành cây, vỉ sắt hoặc cuốc xẻng tiềm ẩn nhiều hiểm nguy cho lực lượng cứu hộ và cho năng suất khống chế đám cháy rất thấp.

Xuất phát từ thực trạng trên, nghiên cứu này tập trung phát triển thiết bị máy chữa cháy rừng sử dụng tác nhân tại chỗ là không khí động lực học tốc độ cao. Mục tiêu cụ thể là tính toán, thiết kế và tối ưu hóa hệ thống quạt thổi ly tâm cầm tay nhằm đạt lưu lượng gió lớn, cột áp cao, trọng lượng nhẹ và dễ dàng cơ động trên địa hình dốc đứng. Phạm vi khảo nghiệm thực tế được triển khai trên các lâm phần rừng trồng trọng điểm tại 3 tỉnh Hòa Bình, Phú Thọ và Thanh Hóa trong chu kỳ mùa khô kéo dài từ 3 đến 4 tháng. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa chiến lược khi cung cấp giải pháp kỹ thuật tự chủ, nâng cao khả năng dập tắt đám cháy ngay trong 15 phút đầu phát hiện, bảo vệ hệ sinh thái rừng trồng và giảm thiểu tối đa chi phí khắc phục hậu quả thiên tai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết nhiệt động lực học phản ứng cháy chất rắn và cơ chế ngọn lửa khuếch tán hữu cơ. Quá trình nhiệt phân cellulose diễn ra qua 3 giai đoạn nhiệt độ đặc trưng: giai đoạn tích nhiệt và thoát nước từ 100 độ C đến 150 độ C; giai đoạn cháy thể tích giải phóng các khí hydrocacbon dễ cháy từ 275 độ C đến 350 độ C; và giai đoạn cháy than gỗ âm ỉ ở nhiệt độ vượt quá 350 độ C. Dựa trên nguyên lý tam giác cháy cổ điển gồm chất cháy, chất oxy hóa và nguồn nhiệt, phương pháp dập lửa bằng sức gió vận hành theo cơ chế làm nguội cưỡng bức kết hợp làm loãng cục bộ nồng độ khí cháy. Khi luồng khí có vận tốc lớn hơn 20 m/s tác động vào gốc lửa, nhiệt dung riêng của không khí sẽ hấp thụ nhiệt lượng của đám cháy, hạ nền nhiệt xuống dưới ngưỡng bắt lửa từ 220 độ C đến 250 độ C, đồng thời thổi bạt vật liệu cháy nhẹ để cô lập tuyến lửa.

Song song với đó, lý thuyết khí động học cánh dẫn quạt ly tâm được ứng dụng để thiết lập các phương trình cân bằng áp lực, lưu lượng và vận tốc dòng khí. Các chỉ tiêu hình học then chốt bao gồm đường kính ngoài bánh công tác, đường kính trong, góc lắp ráp cửa vào, góc lắp ráp cửa ra và số lượng cánh quạt. Tỷ số kích thước hình học giữa đường kính trong và đường kính ngoài được xác định trong khoảng tối ưu từ 0,74 đến 0,76 nhằm triệt tiêu hiện tượng phân tầng dòng khí và hạn chế tổn thất ma sát xoáy lốc trong buồng quạt.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa giải tích và đo đạc thực nghiệm ngoài hiện trường. Cỡ mẫu khảo nghiệm bao gồm 30 ô tiêu chuẩn đại diện cho các trạng thái vật liệu cháy của rừng trồng lá kim và thảm thực vật cây bụi với độ dày lớp phủ trung bình 40 cm, mật độ khối lượng khô dao động từ 2 kg/m2 đến 6 kg/m2 tại độ ẩm danh định 17%. Phương pháp chọn mẫu phân tầng có chủ đích được triển khai tại các sườn đồi có độ dốc từ 30 độ đến 40 độ thuộc vùng đồi núi phía Bắc nhằm phản ánh sát nhất điều kiện vận hành khắc nghiệt.

Phương pháp xử lý số liệu áp dụng toán học thống kê và quy hoạch hóa thực nghiệm đa yếu tố để phân tích tương quan giữa vận tốc luồng khí ở miệng thổi, khoảng cách tác động hữu hiệu và thời gian dập tắt đám cháy. Việc lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm kế hoạch hóa giúp tối ưu hóa đa mục tiêu giữa hiệu suất khí động và công suất tiêu hao của động cơ hai kỳ, đảm bảo thiết bị đạt độ tin cậy cơ khí cao nhất khi chế tạo thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình tính toán lý thuyết và khảo nghiệm thực nghiệm đã làm sáng tỏ 4 phát hiện quan trọng:

• Thứ nhất, xác định chính xác các thông số khí động học tối ưu cho miệng thổi tròn đường kính 11,5 cm (tiết diện 0,0103 m2), bao gồm lưu lượng không khí đạt 0,7 m3/s (tương đương 42 m3/phút) và vận tốc luồng khí đầu ra đạt 68 m/s.
• Thứ hai, thiết bị tạo ra tốc độ thu nhiệt cưỡng bức đạt 57,2 kcal/s, giúp hạ nhanh nhiệt độ vùng phản ứng cháy từ 470 độ C xuống dưới 160 độ C trong khoảng thời gian chỉ 60 giây, triệt tiêu hoàn toàn khả năng bốc cháy trở lại của vật liệu thảm mục.
• Thứ ba, cấu trúc cánh quạt ly tâm dạng hỗn hợp chữ S với góc lắp ráp đầu ra lớn hơn 90 độ giúp gia tăng áp lực động học thêm 18% so với cánh hướng kính truyền thống, đồng thời duy trì vận tốc gió hữu hiệu vượt mức 20 m/s ở khoảng cách tác động 2,5 m tính từ miệng vòi thổi.
• Thứ tư, trên địa hình sườn dốc 30 độ đến 40 độ, thiết bị giúp giảm thời gian dập tắt đám cháy bề mặt tới 70% so với phương pháp thủ công và tăng năng suất cản lửa lên gấp 3,5 lần.

Thảo luận kết quả

Dữ liệu thực nghiệm chứng minh rằng việc dập tắt đám cháy rừng bằng không khí phụ thuộc vào khả năng bẻ gãy chuỗi phản ứng nhiệt phân của vật liệu hữu cơ. Khi vận tốc dòng khí đạt 68 m/s, động năng của luồng khí không chỉ làm loãng nồng độ các chất khí cháy như cacbon monoxit hay etylen mà còn phân tán tức thì các tàn tro nóng đỏ ra xa tuyến lửa. Khi so sánh với các dòng máy nhập khẩu từ Trung Quốc có vận tốc gió chỉ từ 26 m/s đến 35 m/s và lưu lượng 30 m3/phút đến 38 m3/phút, nguyên mẫu cải tiến trong nghiên cứu này cho hiệu quả dập lửa vượt trội đối với các thảm thực vật có chiều dày lên tới 40 cm.

Kết quả đo đạc khí động học và diễn biến nhiệt độ được trực quan hóa rõ nét thông qua đồ thị suy giảm vận tốc gió theo khoảng cách và bảng tổng hợp các chỉ tiêu kinh tế - kỹ thuật của động cơ 4,7 kW. Các dữ liệu này khẳng định tính đúng đắn của việc kết hợp tỷ số đường kính 0,74 đến 0,76 với mật độ cánh quạt từ 1,2 đến 1,8, loại bỏ hoàn toàn nhược điểm rung lắc mạnh và tổn hao công suất trên trục truyền động. Nghiên cứu mở ra hướng đi khả thi trong việc nội địa hóa thiết bị chữa cháy cầm tay, phù hợp với đề án hiện đại hóa trang thiết bị kiểm lâm theo Quyết định số 02/QĐ-TTg với tổng mức đầu tư 502 tỷ đồng.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên các kết luận khoa học và kết quả khảo nghiệm, nghiên cứu đưa ra 4 khuyến nghị hành động cụ thể cho công tác phòng cháy chữa cháy rừng:

• Hoàn thiện thiết kế cơ khí và sản xuất thử nghiệm quy mô công nghiệp: Viện Khoa học Lâm nghiệp phối hợp cùng các nhà máy cơ khí chuyên ngành tiến hành chế tạo hàng loạt cụm quạt ly tâm cánh chữ S kết hợp động cơ xăng công suất từ 3,4 kW đến 4,7 kW, kiểm soát tổng trọng lượng toàn máy dưới mức 10 kg trước quý 4 năm tới nhằm đảm bảo tính cơ động cao nhất cho người mang vác.
• Chuẩn hóa quy trình kỹ thuật tác chiến chữa cháy bằng sức gió: Cục Kiểm lâm xây dựng tài liệu hướng dẫn và tổ chức 12 khóa tập huấn chuyên sâu cho hơn 500 cán bộ kiểm lâm cơ động tại các tỉnh trọng điểm miền Trung và miền Bắc trong vòng 6 tháng, tập trung vào kỹ thuật thổi ngang mép lửa và giữ cự ly tác động an toàn 2,5 m.
• Trang bị đồng bộ thiết bị cho các trạm bảo vệ rừng vùng cao: Các Ban Quản lý rừng đặc dụng và phòng hộ tại Hòa Bình, Phú Thọ và Thanh Hóa phân bổ ngân sách trang bị tối thiểu từ 2 đến 3 máy thổi gió cho mỗi trạm kiểm lâm xung yếu, sẵn sàng xử lý các điểm phát lửa trên sườn dốc 30 độ đến 40 độ trong mùa khô hanh kéo dài 4 tháng.
• Xây dựng hệ thống tuần tra kết hợp cảnh báo sớm và dập lửa nhanh: Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn các địa phương tích hợp thiết bị cơ giới cầm tay vào phương án phòng cháy 4 tại chỗ trên toàn bộ 6 triệu ha diện tích rừng dễ cháy, bảo đảm tiếp cận và dập tắt hoàn toàn đám cháy bề mặt trong 15 phút đầu tiên.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả thực nghiệm của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cho 4 nhóm đối tượng chính:

• Kỹ sư cơ khí chế tạo máy và thiết bị nông lâm nghiệp: Tiếp cận phương pháp tính toán giải tích quạt ly tâm, công thức xác định lưu lượng 0,7 m3/s, vận tốc miệng thổi 68 m/s và tối ưu hóa tỷ số kích thước hình học bánh công tác.
• Lực lượng kiểm lâm, cảnh sát phòng cháy chữa cháy và đội xung kích cơ sở: Nắm vững nguyên lý cắt đứt tam giác cháy bằng luồng khí tốc độ cao, kỹ thuật kiểm soát ngọn lửa trên sườn dốc hiểm trở và chiến thuật dập lửa mặt đất không phụ thuộc nguồn nước.
• Giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Lâm sinh và Kỹ thuật Cơ khí: Sử dụng số liệu thực nghiệm về nhiệt lượng cháy 57,2 kcal/s và mô hình truyền nhiệt cưỡng bức làm tài liệu giảng dạy và mở rộng hướng nghiên cứu khí động học môi trường rừng.
• Các chủ rừng, công ty lâm nghiệp và ban quản lý vườn quốc gia: Xây dựng phương án đầu tư mua sắm trang thiết bị chữa cháy cầm tay hiệu quả, tiết kiệm trên 80% ngân sách so với các hệ thống xe cứu hỏa cồng kềnh.

Câu hỏi thường gặp

• Tại sao không khí lại có thể dập tắt được lửa thay vì làm đám cháy bùng phát mạnh hơn? Khi luồng không khí được cung cấp với lưu lượng đạt 0,7 m3/s và vận tốc cao 68 m/s, nó đóng vai trò môi chất thu nhiệt cưỡng bức, hạ nhanh nền nhiệt đám cháy từ 470 độ C xuống dưới 160 độ C. Đồng thời, dòng khí tốc độ cao pha loãng nồng độ khí cháy hữu cơ xuống dưới ngưỡng duy trì phản ứng bốc ngọn.

• Vận tốc gió tối thiểu ở miệng ống thổi cần đạt bao nhiêu để dập tắt ngọn lửa an toàn? Vận tốc gió tại điểm tiếp xúc với vật liệu cháy phải đạt tối thiểu từ 20 m/s trở lên. Do vận tốc suy giảm theo khoảng cách, máy thổi gió phải tạo ra vận tốc tại miệng vòi đạt 68 m/s để duy trì luồng khí hữu hiệu trên 20 m/s ở khoảng cách thao tác an toàn 2,5 m.

• Máy chữa cháy bằng sức gió phát huy hiệu quả cao nhất trong điều kiện thực địa nào? Thiết bị đạt hiệu suất tối đa đối với các đám cháy bề mặt, cháy thảm mục, lá khô và cỏ tranh trong rừng trồng có chiều dày lớp phủ dưới 40 cm và độ dốc đồi núi từ 30 độ đến 40 độ. Máy không phù hợp cho chữa cháy ngầm than bùn hay cháy tán rừng nguyên sinh.

• Yếu tố hình học nào của bánh công tác quạt gió quyết định trực tiếp đến hiệu suất dập lửa? Tỷ số đường kính trong trên đường kính ngoài trong khoảng 0,74 đến 0,76 kết hợp góc lắp ráp cánh quạt dạng chữ S là yếu tố then chốt. Cấu trúc này tối ưu hóa áp lực động học tăng thêm 18%, triệt tiêu xoáy lốc ngược và tối thiểu hóa công suất tiêu hao trên trục động cơ.

• Thiết bị có đáp ứng yêu cầu di chuyển liên tục của người vận hành trên địa hình đồi núi hiểm trở không? Nguyên mẫu máy được thiết kế tối giản với động cơ hai kỳ công suất 4,7 kW và vật liệu chế tạo nhẹ, đưa tổng trọng lượng về dưới 10 kg. Điều này cho phép một kiểm lâm viên dễ dàng mang vác trên vai và vận hành cơ động trên sườn dốc 30 độ đến 40 độ.

Kết luận

Luận văn đã giải quyết toàn diện bài toán khoa học và thực tiễn trong công tác phòng cháy chữa cháy rừng tại Việt Nam:

• Thiết lập thành công cơ sở lý thuyết nhiệt khí động học cho quá trình dập lửa rừng bằng luồng không khí cưỡng bức.
• Tính toán và chuẩn hóa các thông số kỹ thuật cốt lõi: lưu lượng 0,7 m3/s, vận tốc miệng thổi 68 m/s và dải nhiệt độ dập tắt từ 470 độ C về 160 độ C.
• Tối ưu hóa kết cấu quạt ly tâm cánh cong chữ S với tỷ số đường kính 0,74 đến 0,76, nâng cao 18% hiệu suất khí động.
• Kiểm chứng hiệu quả thực địa tại 3 tỉnh miền Bắc, chứng minh khả năng giảm 70% thời gian dập lửa thảm mục rừng trồng trên độ dốc 30 độ đến 40 độ.
• Đóng góp giải pháp cơ giới hóa cầm tay tự chủ, sẵn sàng chuyển giao công nghệ sản xuất hàng loạt trong giai đoạn 2026 - 2030 để bảo vệ hơn 6 triệu ha rừng xung yếu trên cả nước.

Các đơn vị quản lý lâm nghiệp và doanh nghiệp cơ khí cần nhanh chóng phối hợp thử nghiệm tiền lâm sinh trên diện rộng để sớm đưa thiết bị vào biên chế cứu hộ thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Rừng là lá phổi xanh của toàn nhân loại, là nguồn tài nguyên quý giá có khả năng tái tạo, có giá trị to lớn đối với nền kinh tế quốc dân, văn hoá cộng đồng, du lịch sinh thái, nghiên cứu khoa học, an ninh quốc gia và chất lượng cuộc sống của con người. Tuy nhiên, hiện nay tài nguyên rừng đang bị suy giảm nghiêm trọng cả về số lượng và chất lượng. Một trong những nguyên nhân làm mất rừng đó là do cháy rừng. Theo thống kê của cục Kiểm lâm trong vòng 12 năm (1992 - 2003) ở Việt Nam đã xảy ra 15.660 vụ cháy rừng làm thiệt hại 83.

Trung bình mỗi năm bị thiệt hại khoảng 10. Không những bị tổn thất về mặt tài nguyên mà còn ảnh hưởng đến tính mạng con người, của cải và môi trường sinh thái. Đứng trước những hiểm hoạ do cháy rừng gây ra, các nhà khoa học trên thế giới không ngừng nghiên cứu, cải tiến các phương pháp phòng và chữa cháy rừng, nhằm hạn chế đến mức thấp nhất thiệt hại do cháy rừng gây ra. Mỗi loại thiết bị chỉ phù hợp với điều kiện nhất định, nên khi áp dụng các thiết bị chữa cháy rừng của nước ngoài vào điều kiện rừng của Việt Nam chưa phù hợp, do địa hình rừng của Việt Nam có độ dốc lớn, không có nguồn nước, vật liệu cháy rừng phức tạp, đường giao thông không thuận lợi.

Hiện nay việc chữa cháy rừng ở Việt Nam chủ yếu chữa cháy bằng thủ công (dùng cành cây, cào, cuốc… đập trực tiếp vào đám cháy), nên hiệu quả thấp, nguy hiểm đối với người tham gia chữa cháy, từ đó mà diện tích cháy rừng ngày càng tăng. Một số vườn quốc gia và cơ sở chữa cháy đã trang bị một số thiết bị để chữa cháy rừng, nhưng các thiết bị này không phù hợp với địa hình, điều kiện rừng, điều kiện tác nhân chữa cháy nên hiệu quả chữa cháy rừng không cao. Do đặc điểm của cháy rừng thường là nơi xa nguồn nước, điều kiện vận chuyển nước không thuận lợi, độ dốc lớn, địa hình phức tạp nên các thiết bị chữa cháy lớn như xe ôtô cứu hoả khó có thể áp dụng được. Để tăng hiệu quả cho việc chữa cháy rừng thì cần phải nghiên cứu, thiết kế, chế tạo ra các thiết bị chữa cháy rừng sử dụng tác nhân chữa cháy tại chỗ, thiết bị gọn nhẹ dễ mang vác di dộng trên địa hình dốc, hiệu quả dập lửa lớn, 2 dễ sử dụng, phù hợp với điều kiện địa hình và điều kiện kinh tế ở Việt Nam, để trang bị rộng rãi cho các cơ sở sản xuất Lâm nghiệp, để từ đó toàn dân có thể tham gia vào công tác chữa cháy rừng, góp phần hạn chế diện tích rừng bị cháy.

Xuất phát từ những lý do trên mà tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu máy chữa cháy rừng dùng tác nhân chữa cháy là không khí. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Xuất phát từ lý do thực hiện đề tài đã nêu, chúng tôi đặt mục tiêu nghiên cứu như sau: Máy chữa cháy rừng tác nhân chữa cháy là không khí sau khi nghiên cứu phải đạt được yêu cầu: năng suất dập lửa cao, hiệu quả dập lửa lớn, sử dụng chất chữa cháy rừng tại chỗ (không khí), thiết bị gọn nhẹ, dễ sử dụng và phù hợp với địa hình dốc nơi không có nguồn nước. Phạm vi nghiên cứu của đề tài Nghiên cứu máy chữa cháy rừng tác nhân chữa cháy là không khí là một vấn đề rộng và cần thời gian dài, trong đề tài này chỉ giới hạn các nội dung sau đây: - Thiết bị nghiên cứu: Đề tài không nghiên cứu phần động cơ của máy thổi gió, mà chỉ tập trung giải quyết một số vấn đề tồn tại của máy thổi gió hiện có đó là: lưu lượng và vận tốc của quạt gió, công suất của động cơ, trọng lượng động cơ và chế độ sử dụng của thiết bị. - Đối tượng chữa cháy: Đề tài không nghiên cứu tất cả các loại vật liệu cháy rừng, tất cả các loại độ dốc, tất cả các loại rừng, mà chỉ tập trung nghiên cứu một số loại vật liệu cháy rừng có diện tích lớn, thường xuyên xảy ra cháy đó là: vật liệu cháy rừng của rừng trồng.

- Địa điểm nghiên cứu: Đề tài không có điều kiện khảo nghiệm nhiều loại vật liệu cháy rừng, nhiều loại địa hình, mà chỉ chọn một số địa phương có diện tích rừng trồng lớn, địa hình có thể đặc trưng cho một số tỉnh ở Miền Bắc Việt Nam như: tỉnh Hoà Bình, Thanh Hoá, Phú Thọ, để lấy mẫu thí nghiệm và khảo nghiệm trong điều kiện sản xuất. Nội dung nghiên cứu của đề tài Với phạm vi nghiên cứu đã trình bày ở phần trên, để đạt được mục tiêu của đề tài đặt ra, luận văn tập trung giải quyết những nội dung sau: 3 4. Nghiên cứu lý thuyết Nội dung nghiên cứu lý thuyết cần giải quyết các vấn đề sau: - Xác định bản chất của quá trình cháy, điều kiện của quá trình cháy và nguyên lý dập tắt đám cháy rừng; - Xây dựng cơ sở lý thuyết quá trình dập tắt đám cháy rừng bằng chất chữa cháy là không khí; - Xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán và xác định các thông số cơ bản của quạt gió; - Xác định công suất của động cơ làm cơ sở để lựa chọn loại động cơ hợp lý. Nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm để kiểm nghiệm các kết quả tính theo lý thuyết và xác định hiệu quả của chữa cháy rừng chất chữa cháy là không khí.

Từ kết quả đó làm cơ sở lựa chọn dạng quạt gió hợp lý và xác định một số thông số tối ưu của quạt gió, do vậy nội dung nghiên cứu thực nghiệm bao gồm các vấn đề sau: - Xác định các thông số của vật liệu cháy rừng ở một số khu rừng nghiên cứu; - Xác định các thông số của đám cháy như nhiệt độ đám cháy, nhiệt độ gần đám cháy; - Xác định quan hệ giữa chiều dài ống thổi với vận tốc không khí ở miệng ống thổi; - Xác định quan hệ giữa vận tốc không khí với vị trí cách miệng ống thổi; - Xác định quan hệ giữa vận tốc không khí ở miệng ống thổi với thời gian dập tắt đám cháy; - Xác định quan hệ giữa chiều dày vật liệu cháy rừng với thời gian dập tắt đám cháy; - Xác định thông số tối ưu của quạt gió; - Xác định lưu lượng không khí cần thiết để dập tắt đám cháy; - Lựa chọn dạng cánh quạt gió hợp lý; - Xác định công suất của động cơ để làm cơ sở lựa chọn loại động cơ cho phù hợp. Thử nghiệm thiết bị nghiên cứu trong điều kiện sản xuất 4 Thử nghiệm máy chữa cháy rừng tác nhân chữa cháy là không khí trong điều kiện sản xuất nhằm xác định một số chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của thiết bị, từ đó sơ bộ xác định hiệu quả kinh tế khi sử dụng thiết bị và đánh giá khả năng áp dụng vào sản xuất. 5 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Tình hình cháy rừng ở Việt Nam và trên thế giới 1.

Tình hình cháy rừng trên thế giới Trước cách mạng công nghiệp, rừng trên thế giới chiếm khoảng 50% diện tích các lục địa, đến năm 1955 diện tích rừng này đã bị giảm đi một nửa. Tới năm 1980 diện tích rừng của thế giới còn khoảng 2,5 tỷ ha (bằng 1/5 diện tích bề mặt của trái đất). Một trong những nguyên nhân cơ bản của sự mất rừng chính là do cháy rừng gây ra. Số liệu thống kê cho thấy, hàng năm trên thế giới trung bình có khoảng từ 10 - 15 triệu ha rừng bị cháy, có những năm con số này còn tăng gấp đôi.

Những đám cháy rừng điển hình đã xảy ra ở một số nước như sau: - Ở Mỹ: Tại Miramichi và Maine (10/1825) cháy rừng đã thiêu huỷ 30.000 ha, số người thiệt mạng không xác định được; Tại Great Idaho (8/1911) cháy rừng đã thiêu huỷ 30.000 ha và 85 người thiệt mạng.000 ha và có ít nhất 60 người thiệt mạng; Trong hai năm 1993 - 1994 hàng nghìn vụ cháy rừng đã thiêu huỷ khoảng 1. Riêng năm 2000 ở Mỹ đã bị cháy 2,8 triệu ha, đã phải chi phí tới 15 triệu USD/ngày trong vòng hơn 2 tháng. - Ở Hy Lạp: Những đám cháy liên tục tại nước này từ năm 1998 tới tháng 7 năm 2000 đã gây nên sự quan tâm của thế giới. Riêng tháng 7 và tháng 8/1998 có tới 9.000 vụ cháy lớn nhỏ, thiêu huỷ khoảng 1.000 ha rừng và hàng trăm ngôi nhà bao quanh bao gồm cả bệnh viện, tiệm ăn, nhà máy, trường học….

Trong vòng vài tuần của tháng 7/2000 đã có tới 70.000 ha rừng bị cháy. Tháng 9 đến tháng 10 năm 2007 Hy Lạp đã xảy ra vụ cháy rừng kéo dài hơn một tháng làm thiệt hại khoảng 120.000 ha rừng làm 60 người chết, thiệt hại về kinh tế khoảng 60 tỷ đô la. - Ở Pháp: Năm 1975 có tới 350 vụ cháy rừng với tổng thiệt hại là 155. 6 - Ở Australia: Năm 1976 cháy rừng đã thiêu huỷ 1,7 triệu ha.

Ngày 16/2/1983, một vụ cháy đã thiêu huỷ hơn 335.000 ha rừng và đồng cỏ ở Bang Victoria (phụ lục 1), làm chết 73 người, hơn 1.000 người bị thương và gây thiệt hại khoảng 450 triệu USD. - Ở Trung Quốc: Năm 1987 có khoảng 3 triệu ha rừng đã bị cháy làm thiệt hại hàng tỷ đô la 150 người thiệt mạng. - Tại Khu vực Đông Nam Á: Theo số liệu thống kê của FAO, từ năm 1982 đến đầu năm 1998 có trên 15 triệu ha rừng và đất rừng trong khu vực bị cháy. Trong đó, Inđônêsia là nước thường xảy ra cháy rừng với thiệt hại lớn nhất.

Cháy rừng tại Inđônêsia năm 1998 làm ô nhiễm không khí cả các nước trong khu vực; Theo Peter F. Moore (Giám đốc dự án phòng chống cháy khu vực Đông Nam Á), tình hình cháy rừng trên thế giới trong hai năm 1997 - 1998 được thống kê như ở bảng 1.1: Tình hình cháy rừng trên thế giới trong 2 năm (1997 – 1998) D.tích rừng bị cháy Lượng CO2 thải ra Thiệt hại kinh tế Khu vực (triệu ha) (tấn) (tỷ USD) Đông Nam Á 8 -10 11 triệu 10 Trung Quốc 1,1 x x Amazon 3,3 x x Nga 2,0 30 triệu x Trung Mỹ 1,5 x x Bắc Mỹ 5,6 x 0,5 Nam Châu Âu 0,22 x x Tổng 23,64 41 triệu x Như vậy chỉ tính riêng trong hai năm 1997 - 1998, trên thế giới có trên 23 triệu ha rừng bị tác động bởi cháy rừng.