I den industrielle procesopvarmningsbranche bliver der talt meget om udtrykket “flammetemperatur”. Det tager ikke lang tid, før man indser, at det betyder forskellige ting for forskellige mennesker. For nogle er det temperaturen i det forbrændingskammer, som flammen befinder sig i. For andre betyder det temperaturen i den glødende gasstråle, der kommer ud af en brænder. For endnu andre er det et tal, der citeres med autoritet fra en håndbog, mens andre vil fortælle dig, at det tal aldrig ses i virkeligheden. I de fleste praktiske situationer er det i virkeligheden ligegyldigt, så længe varmebehandlingsudstyret klarer opgaven. Lige meget hvad, ville livet være lettere, hvis alle havde en fælles forståelse af begrebet.
Nå, men her kommer det. Men først vil jeg definere et par termer, som jeg vil bruge undervejs.
- Adiabatisk er et udtryk, der bruges til at beskrive en forbrændingsreaktion, hvor al den genererede varme bevares i forbrændingsprodukterne — ingen går tabt til flammens omgivelser.
- Dissociation er en reaktion, der involverer nedbrydning af kemiske forbindelser. I tilfælde af forbrænding er der tale om vanddamp og kuldioxid.
- Støjiometrisk er ikke en importeret vodka. Det beskriver korrekt blanding af ingredienser i en kemisk reaktion. Når reaktionen er overstået, er der ingen overskydende ingredienser tilbage. Ved forbrænding kaldes det stoichiometriske forhold også for korrekt, ideelt eller perfekt forhold.
De flammetemperaturer, der offentliggøres i håndbogstabeller, er normalt adiabatiske flammetemperaturer for forbrænding ved stoichiometrisk forhold. Medmindre andet er angivet, er de for brændstof, der forbrændes i luft, med de indgående ingredienser ved stuetemperatur. Ændrer man ingrediensernes temperatur eller luftens iltindhold, ændrer man den adiabatiske flamtemperatur. Hvis du slår flammetemperaturen for naturgas i luft op, vil du sandsynligvis finde en værdi mellem 1.871 og 1.982°C (3.400 og 3.600°F).
Det er ikke særlig præcist. Hvis alle håndbøgerne er enige om luft- og gastemperaturen, luftens iltindhold og forholdet, hvordan kan det så være, at de ikke kan fastlægge temperaturen nærmere end det? Det er nemt – fordi den kemiske sammensætning af naturgas varierer fra sted til sted. Nogle bestanddele i gassen brænder varmere end andre. Hvis gassen indeholder flere af disse bestanddele, vil den have en højere flammetemperatur. Omvendt indeholder mange naturgasser små mængder af inaktive bestanddele som nitrogen og kuldioxid. De bidrager ikke til forbrændingen, og de trækker flammetemperaturen ned. For at holde tingene enkle herfra vil jeg antage en naturgas med en adiabatisk flamtemperatur på 3.600°F.
OK, er det den temperatur, man får, hvis man driver vores brænder på det stoikiometriske forhold?
Nej. Den vil være lavere. For det første vil dissociation slå et par grader af på toppen. Dissociation kan ses som en slags omvendt forbrænding. Man gør sig al den ulejlighed med at blande brændstof og luft og forbrænde dem for at producere CO2 og vanddamp, blot for at opdage, at nogle af disse forbrændingsprodukter ved virkelig høje flammetemperaturer nedbrydes tilbage til kulilte, brint og ilt, idet de genoptager den forbrændingsenergi, de afgav, da de blev dannet. Under 1.538°C (2.800°F) flammetemperatur er dissociation ikke signifikant, men derfra og opefter forårsager selv små temperaturstigninger store spring i dissociationshastigheden. Det er en klassisk Catch-22-situation – jo tættere man opererer på det stoichiometriske niveau, jo varmere bliver flammen. Jo varmere flammen er, jo større er dissociationen, hvorved der dannes stadig større mængder uforbrændte forbrændingsprodukter, og flammetemperaturen bliver mere belastet. For vores naturgas vil flammetemperaturen være ca. 1 899 °C (3 450 °F), efter at dissociationen har gjort sit beskidte arbejde. Dissociation er en af grundene til, at såkaldte “on-ratio”-forbrændingsanlæg normalt drives med et lille luftoverskud – det forhindrer, at der dannes store mængder kulilte.
Okay, 3.450°F er ikke så slemt. Det er det, vi har at arbejde med, ikke?
Det er jeg ked af, men hvis du kigger tilbage på definitionen af adiabatisk forbrænding, vil du se, at den forudsætter, at der ikke går nogen varme tabt til flammens omgivelser, og det sker ikke i den virkelige verden. Næppe er luften og brændstoffet begyndt at reagere og skabe varme, og noget af denne varme slipper ud til det omgivende forbrændingskammer eller varmekabine og alt det produkt og inventar, som det indeholder. Det er som en vandspand med et stort hul i bunden. Du kan ikke fylde den op, fordi den taber vand næsten lige så hurtigt, som du hælder det i.
Så hvad er det afgørende for temperaturen i industrielt opvarmningsudstyr?
Det afhænger af flere faktorer. Brændere, der blander og forbrænder brændstoffet og luften hurtigt, har en tendens til at udvikle højere flammetemperaturer, fordi de får et lidt hurtigere spring på varmetabet til omgivelserne. Flamtemperaturerne har tendens til at være højere i processer med høj temperatur, fordi processen ikke suger varmen ud af flammen så hurtigt. Forbrændingskammerets masse og den arbejdsbelastning, der er direkte udsat for flammen, spiller også en stor rolle. Jo større denne masse er, jo hurtigere vil den trække varmen ud af flammen. Når alt kommer til alt, er det sjældent at finde en flammetemperatur meget over 1 788-1 816 °C (3 250-3 300 °F) i en praktisk forbrændingsanvendelse. I industrielle opvarmningsanvendelser ved lave temperaturer, som er af interesse for de fleste læsere af Process Heating, er 1.649°C (3.000°F) måske så godt som muligt.
Gå til del 2, “Flamtemperatur”: Hvad sker der med den?”.