În domeniul încălzirii proceselor industriale, termenul de „temperatură a flăcării” este foarte des folosit. Nu durează prea mult până când vă dați seama că înseamnă lucruri diferite pentru oameni diferiți. Pentru unii, este temperatura camerei de ardere pe care o ocupă flacăra. Pentru alții, înseamnă temperatura acelui jet incandescent de gaze care iese dintr-un arzător. Pentru alții, este un număr citat cu autoritate dintr-un manual, în timp ce alții vă vor spune că acel număr nu este niciodată văzut în viața reală. În majoritatea situațiilor practice, chiar nu contează, atâta timp cât echipamentul de prelucrare termică își face treaba. La fel, viața ar fi mai ușoară dacă toată lumea ar avea o înțelegere comună a conceptului.
Bine, iată. Dar mai întâi, voi defini câțiva termeni pe care îi voi folosi pe parcurs.
- Adiabatic este un termen folosit pentru a descrie o reacție de combustie în care toată căldura generată este reținută în produsele de ardere – niciuna nu se pierde în mediul înconjurător al flăcării.
- Disocierea este o reacție care implică descompunerea compușilor chimici. În cazul combustiei, aceștia sunt vaporii de apă și dioxidul de carbon.
- Stoichiometrică nu este o vodcă de import. Ea descrie amestecul corect de ingrediente într-o reacție chimică. După ce reacția se termină, nu vor rămâne ingrediente în exces. În combustie, raportul stoichiometric se mai numește și raport corect, ideal sau perfect.
Temperaturile de flacără publicate în tabelele din manuale sunt, de obicei, temperaturi de flacără adiabatică pentru combustie în raport stoichiometric. Dacă nu se specifică altfel, ele sunt pentru combustibilul ars în aer, cu ingredientele care intră la temperatura camerei. Dacă modificați temperatura ingredientelor sau conținutul de oxigen din aer, veți modifica temperatura adiabatică a flăcării. Dacă veți căuta temperatura de flacără a gazului natural în aer, veți găsi probabil o valoare între 1.871 și 1.982°C (3.400 și 3.600°F).
Nu este foarte precis. Dacă toate manualele sunt de acord asupra temperaturilor aerului și gazului, asupra conținutului de oxigen din aer și asupra raportului, cum se face că nu pot stabili temperatura mai aproape de atât? Ușor – pentru că compoziția chimică a gazului natural variază de la un loc la altul. Unele ingrediente din gaz ard mai tare decât altele. Dacă gazul conține mai mulți dintre acești constituenți, va avea o temperatură a flăcării mai mare. În schimb, multe gaze naturale conțin cantități mici de ingrediente inerte, cum ar fi azotul și dioxidul de carbon. Acestea nu contribuie cu nimic la ardere și trag în jos temperatura flăcării. Pentru a simplifica lucrurile de aici încolo, voi presupune un gaz natural cu o temperatură adiabatică a flăcării de 3.600°F.
OK, aceasta este temperatura pe care o obțineți dacă operați arzătorul nostru în raport stoichiometric?
Nu. Aceasta va fi mai mică. În primul rând, disocierea va scoate câteva grade din vârf. Disocierea poate fi privită ca un fel de combustie inversă. Te chinui atât de mult să amesteci combustibilul și aerul și să le arzi pentru a produce CO2 și vapori de apă, doar pentru a descoperi că, la temperaturi foarte ridicate ale flăcării, unii dintre acești produși de combustie se descompun înapoi în monoxid de carbon, hidrogen și oxigen, reabsorbind energia de combustie pe care au emis-o atunci când s-au format. Sub 1.538°C (2.800°F) temperatura flăcării, disocierea nu este semnificativă, dar de acolo în sus, chiar și creșterile mici de temperatură provoacă salturi mari în rata de disociere. Este o situație clasică Catch-22 – cu cât operați mai aproape de stoichiometrie, cu atât flacăra devine mai fierbinte. Cu cât flacăra este mai fierbinte, cu atât mai mare este cantitatea de disociere, formând cantități din ce în ce mai mari de produse de ardere nearsă și o rezistență mai mare la temperatura flăcării. Pentru gazul nostru natural, temperatura flăcării va fi de aproximativ 1.899°C (3.450°F) după ce disocierea își face treaba murdară. Disocierea este unul dintre motivele pentru care așa-numitele aplicații de combustie „în raport” sunt de obicei operate cu o cantitate mică de aer în exces – împiedică formarea unor cantități mari de monoxid de carbon.
În regulă, 3.450°F nu este prea rău. Cu asta trebuie să lucrăm, nu-i așa?
Îmi pare rău, dar dacă vă uitați înapoi la definiția combustiei adiabatice, veți vedea că aceasta presupune că nu se pierde căldură în împrejurimile flăcării, iar acest lucru nu se întâmplă în lumea reală. Imediat ce aerul și combustibilul încep să reacționeze și să creeze căldură, o parte din această căldură scapă în camera de combustie sau în incinta de încălzire din jur și în toate produsele și instalațiile pe care le conține. Este ca o găleată cu apă cu o gaură mare pe fund. Nu o puteți umple pentru că pierde apă aproape la fel de repede cum o turnați înăuntru.
Atunci, care este concluzia privind temperatura în echipamentele de încălzire industrială?
Depinde de mai mulți factori. Arzătoarele care amestecă și ard combustibilul și aerul rapid tind să dezvolte temperaturi mai ridicate ale flăcării, pentru că reușesc să facă un salt puțin mai rapid în ceea ce privește pierderea de căldură către mediul înconjurător. Temperaturile de flacără tind să fie mai ridicate în procesele la temperaturi ridicate, deoarece procesul nu absoarbe căldura din flacără la fel de repede. Masa camerei de ardere și sarcina de lucru expusă direct la flacără joacă, de asemenea, un rol important. Cu cât această masă este mai mare, cu atât mai repede va extrage căldura din flacără. La urma urmei, este rar să găsești o temperatură a flăcării cu mult peste 1.788-1.816°C (3.250-3.300°F) într-o aplicație practică de ardere. În aplicațiile de încălzire industrială la temperaturi joase, de interes pentru majoritatea cititorilor de la Process Heating, 3.000°F (1.649°C) poate fi cât se poate de bună.
Vezi partea 2, „Temperatura flăcării: Ce se întâmplă cu ea?”.
.