In der industriellen Prozesswärmebranche wird der Begriff „Flammentemperatur“ häufig verwendet. Es dauert nicht lange, bis man merkt, dass er für die verschiedenen Menschen unterschiedliche Bedeutungen hat. Für die einen ist es die Temperatur der Brennkammer, in der sich die Flamme befindet. Für andere ist es die Temperatur des glühenden Gasstrahls, der aus einem Brenner austritt. Für wieder andere ist es eine Zahl, die mit Autorität aus einem Handbuch zitiert wird, während andere Ihnen sagen werden, dass diese Zahl im wirklichen Leben nie vorkommt. In den meisten praktischen Situationen spielt das keine Rolle, solange die Wärmebehandlungsanlage ihre Aufgabe erfüllt. Trotzdem wäre das Leben einfacher, wenn jeder ein gemeinsames Verständnis des Konzepts hätte.
Nun, es geht los. Aber zuerst werde ich einige Begriffe definieren, die ich im Laufe der Arbeit verwenden werde.
- Adiabatisch ist ein Begriff, der verwendet wird, um eine Verbrennungsreaktion zu beschreiben, bei der die gesamte erzeugte Wärme in den Verbrennungsprodukten erhalten bleibt – keine geht an die Umgebung der Flamme verloren.
- Dissoziation ist eine Reaktion, bei der chemische Verbindungen zerfallen. Im Fall der Verbrennung sind dies Wasserdampf und Kohlendioxid.
- Stöchiometrisch ist kein importierter Wodka. Es beschreibt die richtige Mischung der Bestandteile bei einer chemischen Reaktion. Wenn die Reaktion beendet ist, bleiben keine überschüssigen Bestandteile übrig. Bei der Verbrennung wird das stöchiometrische Verhältnis auch als richtiges, ideales oder perfektes Verhältnis bezeichnet.
Die in Handbuchtabellen veröffentlichten Flammentemperaturen sind in der Regel adiabatische Flammentemperaturen für die Verbrennung bei stöchiometrischem Verhältnis. Wenn nicht anders angegeben, beziehen sie sich auf Brennstoff, der in Luft verbrannt wird, wobei die zugeführten Bestandteile Raumtemperatur haben. Ändert man die Temperatur der Bestandteile oder den Sauerstoffgehalt der Luft, so ändert sich die adiabatische Flammentemperatur. Wenn Sie die Flammentemperatur von Erdgas in Luft nachschlagen, werden Sie wahrscheinlich einen Wert zwischen 1.871 und 1.982°C (3.400 und 3.600°F) finden.
Das ist nicht sehr genau. Wenn sich alle Handbücher über die Luft- und Gastemperaturen, den Sauerstoffgehalt der Luft und das Verhältnis einig sind, warum können sie dann die Temperatur nicht genauer bestimmen? Ganz einfach – weil die chemische Zusammensetzung von Erdgas von Ort zu Ort unterschiedlich ist. Einige Bestandteile des Gases brennen heißer als andere. Wenn das Gas mehr von diesen Bestandteilen enthält, hat es eine höhere Flammentemperatur. Umgekehrt enthalten viele Erdgase geringe Mengen an inerten Bestandteilen wie Stickstoff und Kohlendioxid. Sie tragen nicht zur Verbrennung bei und senken die Flammentemperatur. Der Einfachheit halber gehe ich hier von einem Erdgas mit einer adiabatischen Flammentemperatur von 3.600°F aus.
OK, ist das die Temperatur, die man erhält, wenn man unseren Brenner im stöchiometrischen Verhältnis betreibt?
Nein. Sie wird niedriger sein. Zum einen wird die Dissoziation die Temperatur um ein paar Grad senken. Die Dissoziation kann als eine Art umgekehrte Verbrennung betrachtet werden. Man macht sich die Mühe, Brennstoff und Luft zu mischen und zu verbrennen, um CO2 und Wasserdampf zu erzeugen, nur um festzustellen, dass bei wirklich hohen Flammentemperaturen einige dieser Verbrennungsprodukte wieder in Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Sauerstoff zerfallen und die Verbrennungsenergie, die sie bei ihrer Entstehung abgegeben haben, wieder aufnehmen. Unterhalb einer Flammentemperatur von 1.538 °C (2.800 °F) ist die Dissoziation nicht signifikant, aber von da an verursachen selbst kleine Temperaturerhöhungen große Sprünge in der Dissoziationsrate. Es ist eine klassische Catch-22-Situation – je näher man am stöchiometrischen Wert arbeitet, desto heißer wird die Flamme. Je heißer die Flamme ist, desto mehr Dissoziation findet statt, wodurch immer mehr unverbrannte Verbrennungsprodukte entstehen und die Flammentemperatur steigt. Bei unserem Erdgas liegt die Flammentemperatur bei etwa 1.899 °C (3.450 °F), nachdem die Dissoziation ihre schmutzige Arbeit erledigt hat. Die Dissoziation ist einer der Gründe, warum so genannte „On-Ratio“-Verbrennungsanwendungen in der Regel mit einem geringen Luftüberschuss betrieben werden – sie verhindert, dass sich große Mengen Kohlenmonoxid bilden.
Alles klar, 3.450°F ist nicht so schlecht. Aber wenn Sie sich die Definition der adiabatischen Verbrennung ansehen, werden Sie feststellen, dass sie davon ausgeht, dass keine Wärme an die Umgebung der Flamme verloren geht, und das ist in der Realität nicht der Fall. Kaum beginnen Luft und Brennstoff zu reagieren und Wärme zu erzeugen, entweicht ein Teil dieser Wärme in die umgebende Verbrennungskammer oder Heizkammer und alle darin befindlichen Produkte und Einbauten. Es ist wie bei einem Wassereimer mit einem großen Loch im Boden. Man kann ihn nicht auffüllen, weil er fast so schnell Wasser verliert, wie man es hineinschüttet.
Was ist also das Entscheidende an der Temperatur in industriellen Heizanlagen?
Sie hängt von mehreren Faktoren ab. Brenner, die Brennstoff und Luft schnell mischen und verbrennen, entwickeln in der Regel höhere Flammentemperaturen, weil sie den Wärmeverlust an die Umgebung etwas schneller ausgleichen können. Bei Hochtemperaturprozessen sind die Flammentemperaturen in der Regel höher, weil der Prozess die Wärme nicht so schnell aus der Flamme abzieht. Auch die Masse der Brennkammer und die direkt der Flamme ausgesetzte Arbeitslast spielen eine große Rolle. Je größer diese Masse ist, desto schneller wird der Flamme Wärme entzogen. Letztendlich ist es selten, dass die Flammentemperatur in einer praktischen Verbrennungsanwendung viel höher als 1.788 bis 1.816°C (3.250 bis 3.300°F) liegt. Bei industriellen Niedertemperatur-Heizanwendungen, die für die meisten Leser von Process Heating von Interesse sind, ist eine Flammentemperatur von 1.649°C (3.000°F) vielleicht das Beste, was es gibt.
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