Nel settore del riscaldamento dei processi industriali, il termine “temperatura della fiamma” viene spesso usato. Non ci vuole molto tempo per capire che significa cose diverse per persone diverse. Per alcuni, è la temperatura della camera di combustione che la fiamma occupa. Per altri, significa la temperatura di quel getto incandescente di gas che esce da un bruciatore. Per altri ancora, è un numero citato con autorità da un manuale, mentre altri vi diranno che quel numero non si vede mai nella vita reale. Nella maggior parte delle situazioni pratiche, non ha davvero importanza, purché l’attrezzatura di trattamento del calore faccia il suo lavoro. Tuttavia, la vita sarebbe più facile se tutti avessero una comprensione comune del concetto.
Bene, ecco qui. Ma prima, definirò alcuni termini che userò lungo la strada.
- Adiabatico è un termine usato per descrivere una reazione di combustione in cui tutto il calore generato viene trattenuto nei prodotti della combustione – nessuno viene perso nei dintorni della fiamma.
- Dissociazione è una reazione che coinvolge la rottura dei composti chimici. Nel caso della combustione, questi sono vapore acqueo e anidride carbonica.
- Stechiometrico non è una vodka importata. Descrive la corretta miscela di ingredienti in una reazione chimica. Dopo che la reazione è finita, non rimarranno ingredienti in eccesso. Nella combustione, il rapporto stechiometrico è anche chiamato rapporto corretto, ideale o perfetto.
Le temperature di fiamma pubblicate nelle tabelle del manuale sono solitamente temperature di fiamma adiabatiche per la combustione a rapporto stechiometrico. A meno che non sia specificato diversamente, sono per il combustibile bruciato in aria, con gli ingredienti in entrata a temperatura ambiente. Cambiate la temperatura degli ingredienti o il contenuto di ossigeno dell’aria, e cambierete la temperatura adiabatica della fiamma. Se cercate la temperatura della fiamma del gas naturale in aria, troverete probabilmente un valore compreso tra 3.400 e 3.600°F (1.871 e 1.982°C).
Questo non è molto preciso. Se tutti i manuali sono d’accordo sulla temperatura dell’aria e dei gas, il contenuto di ossigeno dell’aria e il rapporto, come mai non riescono a fissare la temperatura più vicino di così? Facile: perché la composizione chimica del gas naturale varia da luogo a luogo. Alcuni ingredienti nel gas bruciano più caldi di altri. Se il gas contiene più di quei costituenti, avrà una temperatura di fiamma più alta. Al contrario, molti gas naturali contengono piccole quantità di ingredienti inerti come azoto e anidride carbonica. Non contribuiscono in alcun modo alla combustione, e trascinano le temperature della fiamma verso il basso. Per mantenere le cose semplici da qui in poi, assumerò un gas naturale con una temperatura di fiamma adiabatica di 3.600°F.
OK, è questa la temperatura che si ottiene se si fa funzionare il nostro bruciatore in rapporto stechiometrico?
No. Sarà inferiore. Per prima cosa, la dissociazione toglierà qualche grado dalla cima. La dissociazione può essere vista come una sorta di combustione inversa. Ci si dà tanto da fare per mescolare carburante e aria e bruciarli per produrre CO2 e vapore acqueo, solo per scoprire che a temperature di fiamma molto alte, alcuni di quei prodotti di combustione si scompongono di nuovo in monossido di carbonio, idrogeno e ossigeno, riassorbendo l’energia di combustione che hanno emesso quando si sono formati. Al di sotto dei 2.800°F (1.538°C) di temperatura della fiamma, la dissociazione non è significativa, ma da lì in su, anche piccoli aumenti di temperatura causano grandi salti nel tasso di dissociazione. È una classica situazione da Comma 22: più ci si avvicina allo stechiometrico, più la fiamma diventa calda. Più calda è la fiamma, maggiore è la quantità di dissociazione, formando quantità crescenti di prodotti di combustione incombusti e una maggiore resistenza alla temperatura della fiamma. Per il nostro gas naturale, la temperatura della fiamma sarà di circa 3.450°F (1.899°C) dopo che la dissociazione avrà fatto il suo sporco lavoro. La dissociazione è una delle ragioni per cui le cosiddette applicazioni di combustione “on-ratio” sono di solito gestite con una piccola quantità di aria in eccesso – impedisce la formazione di grandi quantità di monossido di carbonio.
Va bene, 3.450°F non è male. Questo è quello con cui dobbiamo lavorare, giusto?
Mi dispiace, ma se guardi la definizione di combustione adiabatica, vedrai che presuppone che non si perda calore nell’ambiente circostante la fiamma, e questo non succede nel mondo reale. Non appena l’aria e il combustibile cominciano a reagire e a creare calore, una parte di quel calore sfugge alla camera di combustione circostante o all’involucro di riscaldamento e a tutto il prodotto e agli apparecchi che contiene. È come un secchio d’acqua con un grande buco sul fondo. Non puoi riempirlo perché perde acqua quasi alla stessa velocità con cui la versi.
Quindi, qual è la linea di fondo sulla temperatura nelle apparecchiature di riscaldamento industriale?
Dipende da diversi fattori. I bruciatori che miscelano e bruciano rapidamente il combustibile e l’aria tendono a sviluppare temperature di fiamma più alte perché riescono a saltare un po’ più velocemente la perdita di calore nell’ambiente circostante. Le temperature di fiamma tendono ad essere più alte nei processi ad alta temperatura perché il processo non succhia il calore dalla fiamma così rapidamente. Anche la massa della camera di combustione e il carico di lavoro esposti direttamente alla fiamma giocano un ruolo importante. Più grande è la massa, più velocemente tirerà fuori il calore dalla fiamma. Quando tutto è detto e fatto, è raro trovare una temperatura della fiamma molto al di sopra di 3.250-3.300°F (1.788-1.816°C) in un’applicazione pratica di combustione. Nelle applicazioni di riscaldamento industriale a bassa temperatura che interessano la maggior parte dei lettori di Process Heating, 3.000°F (1.649°C) può essere il massimo che si possa ottenere.
Vai alla Parte 2, “Temperatura della fiamma: Cosa ne deriva?”.
Vai alla Parte 2, “Temperatura della fiamma: cosa ne deriva?