Teollisuuden prosessilämmitysalalla käytetään usein termiä ”liekin lämpötila”. Ei kestä kauaa ennen kuin huomaa, että se tarkoittaa eri ihmisille eri asioita. Joillekin se tarkoittaa sen palotilan lämpötilaa, jossa liekki on. Toisille se tarkoittaa polttimesta tulevan hehkuvan kaasusuihkun lämpötilaa. Toiset taas pitävät sitä käsikirjasta arvovaltaisesti lainattuna lukuna, kun taas toiset kertovat, että kyseistä lukua ei ole koskaan nähty tosielämässä. Useimmissa käytännön tilanteissa sillä ei ole väliä, kunhan lämpökäsittelylaitteisto tekee työnsä. Elämä olisi kuitenkin helpompaa, jos kaikilla olisi yhteinen käsitys tästä käsitteestä.
Noh, tässä sitä mennään. Mutta ensin määrittelen muutamia termejä, joita tulen käyttämään matkan varrella.
- Adiabaattinen on termi, jota käytetään kuvaamaan palamisreaktiota, jossa kaikki syntyvä lämpö säilyy palamistuotteissa – mikään ei häviä liekin ympäristöön.
- Dissosiaatio on reaktio, jossa kemialliset yhdisteet hajoavat. Palamisen tapauksessa näitä ovat vesihöyry ja hiilidioksidi.
- Stoikiometrinen ei ole tuontivodkaa. Se kuvaa ainesosien oikeaa sekoitusta kemiallisessa reaktiossa. Kun reaktio on ohi, ylijäämäaineksia ei jää jäljelle. Palamisessa stoikiometristä suhdetta kutsutaan myös oikeaksi, ideaaliseksi tai täydelliseksi suhteeksi.
Käsikirjataulukoissa julkaistut liekkilämpötilat ovat yleensä adiabaattisia liekkilämpötiloja palamisessa stoikiometrisessä suhteessa. Ellei toisin mainita, ne koskevat polttoainetta, joka poltetaan ilmassa, kun sisään tulevat ainesosat ovat huoneenlämpötilassa. Jos muutat ainesosien lämpötilaa tai ilman happipitoisuutta, adiabaattinen liekin lämpötila muuttuu. Jos etsit maakaasun liekkilämpötilaa ilmassa, löydät todennäköisesti arvon, joka on välillä 1 871-1 982 °C.
Tämä ei ole kovin tarkkaa. Jos kaikki käsikirjat ovat yhtä mieltä ilman ja kaasun lämpötiloista, ilman happipitoisuudesta ja suhteesta, niin miksei lämpötilaa pystytä määrittämään tarkemmin? Helppo — koska maakaasun kemiallinen koostumus vaihtelee paikasta toiseen. Jotkin kaasun ainesosat palavat kuumempina kuin toiset. Jos kaasu sisältää enemmän näitä ainesosia, sen liekin lämpötila on korkeampi. Sitä vastoin monet maakaasut sisältävät pieniä määriä inerttejä ainesosia, kuten typpeä ja hiilidioksidia. Ne eivät vaikuta palamiseen mitenkään, ja ne laskevat liekin lämpötilaa. Jotta asiat pysyisivät yksinkertaisina tästä eteenpäin, oletan maakaasun, jonka liekin adiabaattinen lämpötila on 3 600 °F.
OK, onko tuo lämpötila se, jonka saatte, jos käytätte poltintamme stoikiometrisellä suhteella?
Ei. Se on pienempi. Ensinnäkin dissosiaatio pudottaa muutaman asteen pois. Dissosiaatio voidaan nähdä eräänlaisena käänteisenä palamisena. Näet kaiken vaivan sekoittaaksesi polttoainetta ja ilmaa ja polttaaksesi niitä tuottaaksesi hiilidioksidia ja vesihöyryä, vain huomataksesi, että todella korkeissa liekkilämpötiloissa osa noista palamistuotteista hajoaa takaisin hiilimonoksidiksi, vedyksi ja hapeksi, jolloin ne absorboivat uudelleen palamisenergiaa, jonka ne luovuttivat muodostuessaan. Alle 1 538 °C:n (2 800 °F) liekkilämpötilan alapuolella dissosiaatio ei ole merkittävää, mutta siitä ylöspäin pienetkin lämpötilan nousut aiheuttavat suuria hyppäyksiä dissosiaationopeudessa. Kyseessä on klassinen Catch-22-tilanne – mitä lähempänä stoikiometristä arvoa toimitaan, sitä kuumemmaksi liekki muuttuu. Mitä kuumempi liekki on, sitä enemmän dissosioituu, jolloin palamattomia palamistuotteita muodostuu yhä enemmän ja liekin lämpötila nousee. Maakaasumme liekin lämpötila on noin 1 899 °C (3 450 °F), kun dissosiaatio on tehnyt likaisen työnsä. Dissosiaatio on yksi syy siihen, miksi niin sanottuja ”on-ratio” -polttosovelluksia käytetään yleensä pienellä määrällä ylimääräistä ilmaa – se estää suuria määriä hiilimonoksidia muodostumasta.
Okei, 3,450°F ei ole liian paha. Sehän on se, millä meidän on työskenneltävä, eikö?
Pahoittelen, mutta jos katsot uudelleen adiabaattisen palamisen määritelmää, huomaat, että siinä oletetaan, että lämpöä ei menetetä liekin ympäristöön, ja niin ei tapahdu todellisessa maailmassa. Heti kun ilma ja polttoaine alkavat reagoida ja synnyttää lämpöä, osa tuosta lämmöstä karkaa ympäröivään palotilaan tai lämmityskoteloon ja kaikkiin sen sisältämiin tuotteisiin ja kalusteisiin. Se on kuin vesiämpäri, jonka pohjassa on iso reikä. Sitä ei voi täyttää täyteen, koska se menettää vettä lähes yhtä nopeasti kuin sitä kaataa sisään.
Mikä on siis lopputulos teollisuuden lämmityslaitteiden lämpötilasta?
Se riippuu useista tekijöistä. Polttimet, jotka sekoittavat ja polttavat polttoaineen ja ilman nopeasti, kehittävät yleensä korkeampia liekkilämpötiloja, koska ne pääsevät hieman nopeammin eroon lämpöhäviöstä ympäristöönsä. Korkean lämpötilan prosesseissa liekin lämpötilat ovat yleensä korkeampia, koska prosessi ei ime lämpöä liekistä yhtä nopeasti. Palotilan massalla ja suoraan liekille altistuvalla työkuormalla on myös suuri merkitys. Mitä suurempi tämä massa on, sitä nopeammin se vetää lämpöä pois liekistä. Kaiken kaikkiaan liekin lämpötila on harvoin paljon yli 1 788-1 816 °C (3 250-3 300 °F) käytännön polttosovelluksissa. Matalalämpötilaisissa teollisissa lämmityssovelluksissa, jotka kiinnostavat useimpia Process Heating -lehden lukijoita, 3 000°F (1 649°C) voi olla niin hyvä kuin vain voi olla.
Siirry osaan 2, ”Liekin lämpötila: Mitä siitä tulee?”.