In de industriële procesverwarming wordt de term “vlamtemperatuur” veelvuldig gebruikt. Het duurt niet lang voordat je je realiseert dat het verschillende dingen betekent voor verschillende mensen. Voor sommigen is het de temperatuur van de verbrandingskamer waarin de vlam zich bevindt. Voor anderen is het de temperatuur van die gloeiende gasstraal die uit een brander komt. Voor weer anderen is het een getal dat met gezag uit een handboek wordt geciteerd, terwijl weer anderen u zullen vertellen dat dat getal in het echte leven nooit voorkomt. In de meeste praktische situaties doet het er niet toe, zolang de warmteverwerkende apparatuur de klus maar klaart. Toch zou het leven eenvoudiger zijn als iedereen een gemeenschappelijk begrip van het concept had.
Wel, hier gaan we. Maar eerst zal ik een paar termen definiëren die ik onderweg zal gebruiken.
- Adiabatisch is een term die wordt gebruikt om een verbrandingsreactie te beschrijven waarbij alle opgewekte warmte wordt vastgehouden in de verbrandingsproducten – niets gaat verloren aan de omgeving van de vlam.
- Dissociatie is een reactie waarbij chemische verbindingen worden afgebroken. In het geval van verbranding zijn dit waterdamp en kooldioxide.
- Stoichiometrisch is geen geïmporteerde wodka. Het beschrijft de juiste mix van ingrediënten in een chemische reactie. Na afloop van de reactie zijn er geen overtollige ingrediënten meer over. Bij verbranding wordt de stoichiometrische verhouding ook wel correcte, ideale of perfecte verhouding genoemd.
De vlamtemperaturen die in handboektabellen worden gepubliceerd, zijn meestal adiabatische vlamtemperaturen voor verbranding bij stoichiometrische verhouding. Tenzij anders vermeld, zijn ze voor brandstof verbrand in lucht, met de inkomende ingrediënten op kamertemperatuur. Verander de temperatuur van de ingrediënten of het zuurstofgehalte van de lucht, en je verandert de adiabatische vlamtemperatuur. Als u de vlamtemperatuur van aardgas in lucht opzoekt, vindt u waarschijnlijk een waarde tussen 1.871 en 1.982°C.
Dat is niet erg nauwkeurig. Als alle handboeken het eens zijn over de lucht- en gastemperaturen, het zuurstofgehalte van de lucht en de verhouding, hoe komt het dan dat ze de temperatuur niet nauwkeuriger kunnen bepalen? Simpel – omdat de chemische samenstelling van aardgas van plaats tot plaats verschilt. Sommige bestanddelen in het gas branden heter dan andere. Als het gas meer van die bestanddelen bevat, zal het een hogere vlamtemperatuur hebben. Omgekeerd bevatten veel aardgassen kleine hoeveelheden inerte bestanddelen zoals stikstof en kooldioxide. Zij dragen niets bij tot de verbranding en zij verlagen de vlamtemperatuur. Om het vanaf nu eenvoudig te houden, ga ik uit van een aardgas met een adiabatische vlamtemperatuur van 3600°F.
OK, is dat de temperatuur die je krijgt als je onze brander op stoichiometrische verhouding laat werken?
Nee. Die zal lager zijn. Ten eerste zal dissociatie een paar graden van de top afhalen. Dissociatie kan worden gezien als een soort omgekeerde verbranding. Je doet al die moeite om brandstof en lucht te mengen en te verbranden om CO2 en waterdamp te produceren, om dan te ontdekken dat bij echt hoge vlamtemperaturen sommige van die verbrandingsproducten weer uiteenvallen in koolmonoxide, waterstof en zuurstof, waarbij ze de verbrandingsenergie weer opnemen die ze afgaven toen ze werden gevormd. Onder de 1.538°C vlamtemperatuur is de dissociatie niet significant, maar vanaf daar veroorzaken zelfs kleine temperatuurverhogingen grote sprongen in de dissociatiesnelheid. Het is een klassieke Catch-22 situatie — hoe dichter je bij stoichiometrisch werkt, hoe heter de vlam wordt. Hoe heter de vlam, hoe groter de dissociatie, waardoor steeds grotere hoeveelheden onverbrande verbrandingsproducten ontstaan en de vlamtemperatuur steeds verder wordt opgedreven. Voor ons aardgas zal de vlamtemperatuur ongeveer 1.899°C (3.450°F) bedragen nadat de dissociatie haar vuile werk heeft gedaan. Dissociatie is een van de redenen waarom zogenaamde “on-ratio” verbrandingstoepassingen meestal werken met een kleine hoeveelheid overtollige lucht – het voorkomt dat er grote hoeveelheden koolmonoxide worden gevormd.
Okee, 3.450°F is niet zo slecht. Daar moeten we mee werken, toch?
Sorry, maar als je de definitie van adiabatische verbranding nog eens bekijkt, zie je dat die ervan uitgaat dat er geen warmte verloren gaat aan de omgeving van de vlam, en dat gebeurt in de echte wereld niet. De lucht en de brandstof beginnen te reageren en warmte te produceren, en een deel van die warmte ontsnapt naar de omringende verbrandingskamer of verwarmingsruimte en al het product en de armaturen die zich daarin bevinden. Het is als een emmer water met een groot gat in de bodem. Je kunt hem niet vullen, want hij verliest bijna net zo snel water als je hem erin giet.
Dus waar komt het op neer bij de temperatuur in industriële verwarmingsapparatuur?
Het hangt van verschillende factoren af. Branders die de brandstof en lucht snel mengen en verbranden, hebben de neiging om hogere vlamtemperaturen te ontwikkelen, omdat ze iets sneller een voorsprong krijgen op het warmteverlies naar hun omgeving. Vlamtemperaturen neigen hoger te zijn in hoge temperatuur processen omdat het proces de warmte niet zo snel uit de vlam zuigt. De massa van de verbrandingskamer en de werklast die rechtstreeks aan de vlam worden blootgesteld, spelen ook een grote rol. Hoe groter die massa, des te sneller zal de warmte uit de vlam worden gezogen. Wanneer alles wordt gezegd en gedaan, is het zeldzaam om een vlamtemperatuur veel boven 3.250 tot 3.300°F (1.788 tot 1.816°C) in een praktische verbrandingstoepassing te vinden. In industriële verwarmingstoepassingen bij lage temperaturen, die voor de meeste lezers van Process Heating van belang zijn, kan 1.649°C (3.000°F) zo goed zijn als het maar kan.
Ga naar deel 2, “Vlamtemperatuur: Wat komt er van?”.