V oblasti průmyslového procesního vytápění se často používá termín „teplota plamene“. Netrvá příliš dlouho, než zjistíte, že pro různé lidi znamená různé věci. Pro některé je to teplota spalovací komory, kterou plamen zaujímá. Pro jiné to znamená teplotu žhavého proudu plynů vycházejícího z hořáku. Pro další je to číslo, které je autoritativně citováno v příručce, zatímco jiní vám řeknou, že se s tímto číslem v životě nesetkáte. Ve většině praktických situací na tom opravdu nezáleží, pokud zařízení pro zpracování tepla odvede svou práci. Stejně by byl život jednodušší, kdyby všichni měli společné chápání tohoto pojmu.
No, tak tady to je. Nejprve však definuji několik pojmů, které budu cestou používat.
- Adiabatický je termín používaný k popisu spalovací reakce, při níž je veškeré vzniklé teplo zachováno v produktech hoření – žádné se neztrácí do okolí plamene.
- Disociace je reakce zahrnující rozklad chemických sloučenin. V případě hoření se jedná o vodní páru a oxid uhličitý.
- Stechiometrická není dovážená vodka. Popisuje správnou směs složek v chemické reakci. Po skončení reakce nezůstanou žádné přebytečné složky. Ve spalování se stechiometrický poměr nazývá také správný, ideální nebo dokonalý poměr.
Teploty plamene publikované v příručkových tabulkách jsou obvykle adiabatické teploty plamene pro spalování při stechiometrickém poměru. Pokud není uvedeno jinak, platí pro palivo spalované ve vzduchu, přičemž vstupující složky mají pokojovou teplotu. Změňte teplotu složek nebo obsah kyslíku ve vzduchu a změníte adiabatickou teplotu plamene. Pokud si vyhledáte teplotu plamene zemního plynu ve vzduchu, pravděpodobně najdete hodnotu mezi 3 400 a 3 600 °F (1 871 a 1 982 °C).
To není příliš přesné. Pokud se všechny příručky shodují na teplotě vzduchu a plynu, obsahu kyslíku ve vzduchu a poměru, jak je možné, že nedokážou určit teplotu blíže? Snadno – protože chemické složení zemního plynu se na různých místech liší. Některé složky plynu hoří tepleji než jiné. Pokud plyn obsahuje více těchto složek, má vyšší teplotu plamene. Naopak mnoho zemních plynů obsahuje malé množství inertních složek, jako je dusík a oxid uhličitý. Ty k hoření nijak nepřispívají a snižují teplotu plamene. Abychom si to od této chvíle zjednodušili, budu předpokládat zemní plyn s adiabatickou teplotou plamene 3 600 °F.
OK, je to teplota, kterou dostaneme, pokud náš hořák provozujeme na stechiometrický poměr?
Ne. Bude nižší. Za prvé, disociace srazí několik stupňů z horní hranice. Na disociaci se můžeme dívat jako na jakési obrácené spalování. Dáte si tu práci se smícháním paliva a vzduchu a jejich spálením za vzniku CO2 a vodní páry, abyste zjistili, že při opravdu vysokých teplotách plamene se některé z těchto produktů spalování rozpadají zpět na oxid uhelnatý, vodík a kyslík a znovu pohlcují energii spalování, kterou vydaly při svém vzniku. Při teplotě plamene pod 2 800 °F (1 538 °C) není disociace významná, ale od této teploty výše i malé zvýšení teploty způsobuje velké skoky v rychlosti disociace. Je to klasická situace „Hlava 22“ – čím více se blížíte stechiometrickým hodnotám, tím je plamen žhavější. Čím je plamen žhavější, tím větší je míra disociace, čímž vzniká stále větší množství nespálených zplodin hoření a tím větší odpor vůči teplotě plamene. U našeho zemního plynu bude teplota plamene poté, co disociace vykoná svou špinavou práci, přibližně 3 450 °F (1 899 °C). Disociace je jedním z důvodů, proč se takzvané „on-ratio“ spalovací aplikace obvykle provozují s malým množstvím přebytečného vzduchu – zabraňuje vzniku velkého množství oxidu uhelnatého.
V pořádku, 3 450 °F není tak špatné. S tím přece musíme pracovat, ne?
Pardon, ale když se podíváte zpět na definici adiabatického spalování, zjistíte, že předpokládá, že se do okolí plamene neztrácí žádné teplo, a to se v reálném světě neděje. Sotva vzduch a palivo začnou reagovat a vytvářet teplo, část tohoto tepla unikne do okolní spalovací komory nebo topeniště a všech produktů a příslušenství, které obsahuje. Je to jako kbelík s vodou s velkou dírou na dně. Nemůžete ho naplnit, protože se z něj voda ztrácí téměř stejně rychle, jako ji tam naléváte.
Jaký je tedy konečný výsledek teploty v průmyslových topných zařízeních?
Záleží na několika faktorech. Hořáky, které rychle mísí a spalují palivo a vzduch, mají tendenci vyvíjet vyšší teploty plamene, protože o něco rychleji překonávají tepelné ztráty do okolí. Teploty plamene bývají vyšší u vysokoteplotních procesů, protože proces nevysává teplo z plamene tak rychle. Velkou roli hraje také hmotnost spalovací komory a pracovní zátěž vystavená přímo plameni. Čím větší je tato hmotnost, tím rychleji vytáhne teplo z plamene. Když je vše řečeno a uděláno, v praktickém spalování se jen zřídka setkáme s teplotou plamene o mnoho vyšší než 3 250 až 3 300 °F (1 788 až 1 816 °C). V nízkoteplotních aplikacích průmyslového vytápění, které zajímají většinu čtenářů časopisu Process Heating, může být 3 000 °F (1 649 °C) to nejlepší, co lze dosáhnout.
Přejděte na část 2, „Teplota plamene: Co se z ní stane?“.