W branży ogrzewania procesów przemysłowych, termin „temperatura płomienia” jest często używany. Nie trwa to zbyt długo, zanim zdasz sobie sprawę, że termin ten oznacza różne rzeczy dla różnych ludzi. Dla niektórych jest to temperatura komory spalania, w której znajduje się płomień. Dla innych jest to temperatura żarzącego się strumienia gazów wydobywającego się z palnika. Dla jeszcze innych jest to liczba cytowana z autorytetem z podręcznika, podczas gdy inni powiedzą, że ta liczba nigdy nie występuje w prawdziwym życiu. W większości praktycznych sytuacji, to naprawdę nie ma znaczenia, tak długo, jak sprzęt do przetwarzania ciepła wykonuje swoją pracę. Tak samo, życie byłoby łatwiejsze, gdyby wszyscy mieli wspólne zrozumienie tej koncepcji.
Dobrze, zaczynamy. Ale najpierw zdefiniuję kilka terminów, których będę używał po drodze.
- Adiabatyczny to termin używany do opisu reakcji spalania, w której całe wytworzone ciepło jest zatrzymywane w produktach spalania – żadne nie jest tracone do otoczenia płomienia.
- Dysocjacja to reakcja polegająca na rozpadzie związków chemicznych. W przypadku spalania są to para wodna i dwutlenek węgla.
- Stechiometryczny to nie jest importowana wódka. Opisuje prawidłowe wymieszanie składników w reakcji chemicznej. Po zakończeniu reakcji nie pozostaje nadmiar składników. W spalaniu stosunek stechiometryczny jest również nazywany prawidłowym, idealnym lub idealnym stosunkiem.
Temperatury płomienia opublikowane w tabelach podręcznika zazwyczaj są adiabatycznymi temperaturami płomienia dla spalania przy stosunku stechiometrycznym. Jeśli nie podano inaczej, są one dla paliwa spalanego w powietrzu, z wchodzącymi składnikami w temperaturze pokojowej. Zmień temperaturę składników lub zawartość tlenu w powietrzu, a zmienisz adiabatyczną temperaturę płomienia. Jeśli sprawdzisz temperaturę płomienia gazu ziemnego w powietrzu, prawdopodobnie znajdziesz wartość pomiędzy 3,400 a 3,600°F (1,871 a 1,982°C).
To nie jest bardzo precyzyjne. Jeśli wszystkie podręczniki zgadzają się co do temperatury powietrza i gazu, zawartości tlenu w powietrzu i proporcji, to jak to się stało, że nie mogą ustalić temperatury bliżej niż to? To proste – ponieważ skład chemiczny gazu ziemnego różni się w zależności od miejsca. Niektóre składniki gazu palą się goręcej niż inne. Jeśli gaz zawiera więcej tych składników, będzie miał wyższą temperaturę płomienia. Z drugiej strony, wiele gazów naturalnych zawiera niewielkie ilości składników obojętnych, takich jak azot i dwutlenek węgla. Nie wnoszą one nic do spalania, a obniżają temperaturę płomienia. Aby nie komplikować sprawy, założę, że gaz ziemny ma adiabatyczną temperaturę płomienia 3 600°F.
OK, czy to jest temperatura, którą otrzymamy, jeśli będziemy używać naszego palnika w stosunku stechiometrycznym?
Nie. Będzie niższa. Z jednej strony, dysocjacja obniży ją o kilka stopni. Dysocjacja może być postrzegana jako rodzaj odwrotnego spalania. Zadajesz sobie tyle trudu, by zmieszać paliwo z powietrzem i spalić je, by wytworzyć CO2 i parę wodną, tylko po to, by odkryć, że w naprawdę wysokich temperaturach płomienia, niektóre z tych produktów spalania rozpadają się z powrotem na tlenek węgla, wodór i tlen, pochłaniając energię spalania, którą oddały, gdy powstały. Poniżej 2,800°F (1,538°C) temperatury płomienia, dysocjacja nie jest znacząca, ale od tego momentu, nawet mały wzrost temperatury powoduje duże skoki w szybkości dysocjacji. Jest to klasyczna sytuacja Catch-22 – im bliżej stechiometrii, tym gorętszy staje się płomień. Im gorętszy płomień, tym większa ilość dysocjacji, co powoduje powstawanie coraz większej ilości niespalonych produktów spalania i większy wpływ na temperaturę płomienia. Dla naszego gazu ziemnego, temperatura płomienia będzie wynosić około 3450°F (1899°C) po tym, jak dysocjacja wykona swoją brudną robotę. Dysocjacja jest jednym z powodów, dla których tak zwane aplikacje spalania „on-ratio” są zwykle obsługiwane z niewielką ilością nadmiaru powietrza – zapobiega to powstawaniu dużych ilości tlenku węgla.
W porządku, 3450°F nie jest złe. To jest to, z czym musimy pracować, prawda?
Przepraszam, ale jeśli spojrzysz wstecz na definicję spalania adiabatycznego, zobaczysz, że zakłada ona, że ciepło nie jest tracone do otoczenia płomienia, a to nie zdarza się w prawdziwym świecie. Gdy tylko powietrze i paliwo zaczynają reagować i wytwarzać ciepło, część tego ciepła ucieka do otaczającej komory spalania lub obudowy grzewczej i wszystkich znajdujących się w niej produktów i armatury. To jest jak wiadro z wodą z wielką dziurą w dnie. Nie można go napełnić, ponieważ traci wodę prawie tak szybko, jak się ją wlewa.
Więc jaki jest ostateczny wynik temperatury w przemysłowych urządzeniach grzewczych?
Zależy to od kilku czynników. Palniki, które szybko mieszają i spalają paliwo i powietrze, mają tendencję do rozwijania wyższych temperatur płomienia, ponieważ mają nieco szybszy skok na straty ciepła do otoczenia. Temperatury płomienia są zwykle wyższe w procesach wysokotemperaturowych, ponieważ proces nie wysysa ciepła z płomienia tak szybko. Dużą rolę odgrywa również masa komory spalania i obciążenie robocze wystawione bezpośrednio na działanie płomienia. Im większa masa, tym szybciej będzie ona odciągać ciepło z płomienia. Kiedy wszystko jest już powiedziane i zrobione, rzadko można znaleźć temperaturę płomienia znacznie powyżej 3.250 do 3.300°F (1.788 do 1.816°C) w praktycznym zastosowaniu spalania. W niskotemperaturowych przemysłowych aplikacjach grzewczych, które interesują większość czytelników Process Heating, 3,000°F (1,649°C) może być tak dobra, jak to tylko możliwe.
Przejdź do Części 2, „Temperatura płomienia: Co się z nią stanie?”.
Przejdź do części 2, „Temperatura płomienia: Co się z nią stanie?