Az ipari folyamatfűtési üzletágban a “lánghőmérséklet” kifejezéssel sokszor találkozunk. Nem tart sokáig, mire rájövünk, hogy különböző embereknek mást és mást jelent. Egyesek számára a láng által elfoglalt égéstér hőmérsékletét jelenti. Mások számára az égőből kilépő izzó gázsugár hőmérsékletét jelenti. Megint mások számára ez egy kézikönyvből tekintélyt parancsolóan idézett szám, míg mások azt mondják, hogy ezt a számot soha nem látják a való életben. A legtöbb gyakorlati helyzetben ez tényleg nem számít, amíg a hőfeldolgozó berendezés elvégzi a munkát. Éppen ezért könnyebb lenne az élet, ha mindenki közösen értené ezt a fogalmat.
Hát, tessék. De előbb definiálok néhány fogalmat, amit útközben használni fogok.
- Az adiabatikus egy olyan égési reakció leírására használt kifejezés, amelyben az összes keletkező hő az égéstermékekben marad meg – semmi sem vész el a láng környezetébe.
- A disszociáció a kémiai vegyületek lebomlásával járó reakció. Az égés esetében ezek a vízgőz és a szén-dioxid.
- A sztöchiometrikus nem importált vodka. Az összetevők helyes keverékét írja le egy kémiai reakcióban. A reakció befejezése után nem maradnak felesleges összetevők. Az égés során a sztöchiometrikus arányt helyes, ideális vagy tökéletes aránynak is nevezik.
A kézikönyvek táblázataiban közölt lánghőmérsékletek általában a sztöchiometrikus arányú égéshez tartozó adiabatikus lánghőmérsékletek. Hacsak nincs másként megadva, ezek levegőben elégetett tüzelőanyagra vonatkoznak, a belépő összetevők szobahőmérsékletűek. Ha megváltoztatjuk az összetevők hőmérsékletét vagy a levegő oxigéntartalmát, akkor megváltozik az adiabatikus lánghőmérséklet. Ha utánanéz a levegőben lévő földgáz lánghőmérsékletének, valószínűleg egy 3400 és 3600°F (1871 és 1882°C) közötti értéket talál.
Ez nem túl pontos. Ha minden kézikönyv egyetért a levegő és a gáz hőmérsékletében, a levegő oxigéntartalmában és az arányban, akkor hogyhogy nem tudják ennél pontosabban meghatározni a hőmérsékletet? Egyszerű — mert a földgáz kémiai összetétele helyenként változik. A gáz egyes összetevői forróbban égnek, mint mások. Ha a gáz több ilyen összetevőt tartalmaz, akkor magasabb lesz a lánghőmérséklete. Ezzel szemben sok földgáz kis mennyiségben tartalmaz inert összetevőket, például nitrogént és szén-dioxidot. Ezek nem járulnak hozzá az égéshez, és a lánghőmérsékletet lefelé húzzák. Hogy a dolgok innentől kezdve egyszerűek legyenek, feltételezem, hogy a földgáz adiabatikus lánghőmérséklete 3600 °F.
OK, ezt a hőmérsékletet kapjuk, ha az égőnket sztöchiometrikus arányban működtetjük?
Nem. Ez alacsonyabb lesz. Egyrészt a disszociáció leüt néhány fokot a tetejéről. A disszociáció egyfajta fordított égésnek tekinthető. Azzal a sok fáradsággal, hogy összekevered a tüzelőanyagot és a levegőt, és elégeted őket, hogy CO2 és vízgőz keletkezzen, csak hogy azt találd, hogy nagyon magas lánghőmérsékleten az égéstermékek egy része visszabomlik szén-monoxidra, hidrogénre és oxigénre, visszaszívva az égési energiát, amit a keletkezésükkor adtak le. A lánghőmérséklet 2800 °F (1538 °C) alatt a disszociáció nem jelentős, de onnan felfelé már kis hőmérsékletnövekedés is nagy ugrással növeli a disszociáció sebességét. Ez egy klasszikus 22-es csapdája helyzet – minél közelebb vagyunk a sztöchiometrikus értékhez, annál forróbb lesz a láng. Minél forróbb a láng, annál nagyobb a disszociáció mértéke, ami növekvő mennyiségű el nem égett égésterméket képez, és a lánghőmérsékletet nagyobb mértékben rontja. A mi földgázunk esetében a láng hőmérséklete körülbelül 1 899 °C (3 450 °F) lesz, miután a disszociáció elvégezte a piszkos munkát. A disszociáció az egyik oka annak, hogy az úgynevezett “arányos” tüzelési alkalmazásokat általában kis mennyiségű levegőtöbblettel üzemeltetik – ez megakadályozza a nagy mennyiségű szén-monoxid képződését.
Rendben, 3,450°F nem is olyan rossz. Ezzel kell dolgoznunk, igaz?
Bocsánat, de ha visszanézed az adiabatikus égés definícióját, látni fogod, hogy az feltételezi, hogy a láng környezete nem veszít hőt, és ez nem történik meg a valóságban. Alighogy a levegő és a tüzelőanyag elkezd reagálni és hőt termelni, a hő egy része elszökik a környező égéstérbe vagy fűtőházba és a benne lévő összes termékbe és berendezési tárgyba. Olyan ez, mint egy vizes vödör, amelynek az alján egy nagy lyuk van. Nem lehet megtölteni, mert majdnem olyan gyorsan veszít vizet, mint ahogy beleöntjük.
Szóval mi a lényeg az ipari fűtőberendezések hőmérsékletével kapcsolatban?
Ez több tényezőtől függ. Azok az égők, amelyek gyorsan keverik és elégetik a tüzelőanyagot és a levegőt, hajlamosak magasabb lánghőmérsékletet kialakítani, mert egy kicsit gyorsabban megugrik a környezetükbe történő hőveszteség. A magas hőmérsékletű folyamatoknál a lánghőmérsékletek általában magasabbak, mert a folyamat nem szívja el olyan gyorsan a hőt a lángból. Az égéstér tömege és a közvetlenül a lángnak kitett munkaterhelés szintén nagy szerepet játszik. Minél nagyobb ez a tömeg, annál gyorsabban szívja ki a hőt a lángból. Mindent összevetve, ritkán fordul elő, hogy a láng hőmérséklete sokkal magasabb legyen, mint 1788-1816 °C (3250-3300 °F) egy gyakorlati égetési alkalmazásban. Az alacsony hőmérsékletű ipari fűtési alkalmazásokban, amelyek a Process Heating legtöbb olvasóját érdeklik, a 3 000°F (1 649°C) lehet a lehető legjobb.
Lépjen tovább a 2. részhez, “Lánghőmérséklet: Mi lesz belőle?”.