I branschen för industriell processuppvärmning används begreppet ”flamtemperatur” ofta. Det tar inte lång tid innan man inser att det betyder olika saker för olika personer. För vissa är det temperaturen i förbränningskammaren som flamman upptar. För andra är det temperaturen på den glödande gasstråle som kommer ut ur en brännare. För ytterligare andra är det en siffra som citeras med auktoritet från en handbok, medan andra kommer att säga att den siffran aldrig förekommer i verkligheten. I de flesta praktiska situationer spelar det egentligen ingen roll, så länge värmebehandlingsutrustningen får jobbet gjort. Likväl skulle livet vara enklare om alla hade en gemensam förståelse för begreppet.
Ja, här kommer det. Men först ska jag definiera några termer som jag kommer att använda på vägen.
- Adiabatisk är en term som används för att beskriva en förbränningsreaktion där all värme som genereras behålls i förbränningsprodukterna – ingen går förlorad till flammans omgivning.
- Dissociation är en reaktion som innebär att kemiska föreningar bryts ner. Vid förbränning är dessa vattenånga och koldioxid.
- Stökiometrisk är inte en importerad vodka. Det beskriver korrekt blandning av ingredienser i en kemisk reaktion. När reaktionen är över finns inga överskottsingredienser kvar. Vid förbränning kallas det stökiometriska förhållandet också för korrekt, idealiskt eller perfekt förhållande.
De flamtemperaturer som publiceras i handbokstabeller är vanligtvis adiabatiska flamtemperaturer för förbränning vid stökiometriskt förhållande. Om inget annat anges är de för bränsle som förbränns i luft, med de inkommande ingredienserna vid rumstemperatur. Om man ändrar ingrediensernas temperatur eller luftens syrehalt ändras den adiabatiska flamtemperaturen. Om du slår upp flamtemperaturen för naturgas i luft kommer du förmodligen att hitta ett värde mellan 1 871 och 1 982 °C (3 400 och 3 600 °F).
Det är inte särskilt exakt. Om alla handböcker är överens om luft- och gastemperaturen, luftens syrehalt och förhållandet, hur kommer det sig då att de inte kan fastställa temperaturen närmare än så? Enkelt – eftersom naturgasens kemiska sammansättning varierar från plats till plats. Vissa beståndsdelar i gasen brinner varmare än andra. Om gasen innehåller mer av dessa beståndsdelar kommer den att ha en högre flamtemperatur. Omvänt innehåller många naturgaser små mängder inerta beståndsdelar som kväve och koldioxid. De bidrar inte alls till förbränningen och drar ner flamtemperaturen. För att hålla det enkelt hädanefter antar jag en naturgas med en adiabatisk flamtemperatur på 3 600°F.
Okej, är det den temperaturen du får om du driver vår brännare med stökiometriskt förhållande?
Nej, den kommer att vara lägre. För det första kommer dissociationen att slå ut några grader på toppen. Dissociation kan ses som ett slags omvänd förbränning. Man gör sig allt besväret att blanda bränsle och luft och förbränna dem för att producera koldioxid och vattenånga, bara för att upptäcka att vid riktigt höga flamtemperaturer bryts en del av dessa förbränningsprodukter tillbaka till kolmonoxid, väte och syre, och återtar den förbränningsenergi som de gav ifrån sig när de bildades. Under en flamtemperatur på 1 538 °C (2 800 °F) är dissociationen inte betydande, men därifrån och uppåt orsakar även små temperaturökningar stora hopp i dissociationshastigheten. Det är en klassisk Catch-22-situation – ju närmare stökiometrin man kommer, desto hetare blir lågan. Ju hetare lågan är, desto större är dissociationen, vilket ger upphov till ökande mängder oförbrända förbränningsprodukter och en större dragning på lågtemperaturen. För vår naturgas kommer flamtemperaturen att vara cirka 1 899 °C (3 450 °F) efter det att dissociationen har gjort sitt smutsiga arbete. Dissociation är en av anledningarna till att så kallade ”on-ratio”-förbränningstillämpningar vanligtvis drivs med en liten mängd luftöverskott – det hindrar stora mängder kolmonoxid från att bildas.
Okej, 3 450°F är inte så illa. Det är vad vi har att arbeta med, eller hur?
Ledsen, men om du tittar tillbaka på definitionen av adiabatisk förbränning ser du att den förutsätter att ingen värme går förlorad till flammans omgivning, och det händer inte i den verkliga världen. Så fort luften och bränslet börjar reagera och skapa värme, så försvinner en del av värmen till den omgivande förbränningskammaren eller uppvärmningshöljet och alla produkter och inventarier som finns där. Det är som en vattenhink med ett stort hål i botten. Du kan inte fylla den eftersom den förlorar vatten nästan lika snabbt som du häller i den.
Så vad är slutsatsen om temperaturen i industriell värmeutrustning?
Det beror på flera faktorer. Brännare som blandar och förbränner bränslet och luften snabbt tenderar att utveckla högre flamtemperaturer eftersom de får lite snabbare fart på värmeförlusten till omgivningen. Flamtemperaturerna tenderar att bli högre i processer med hög temperatur eftersom processen inte suger ut värmen ur lågan lika snabbt. Förbränningskammarens massa och arbetsbelastningen som exponeras direkt mot flamman spelar också en stor roll. Ju större massan är, desto snabbare kommer den att dra ut värme ur lågan. När allt är sagt och gjort är det sällsynt att hitta en flamtemperatur långt över 1 788-1 816 °C (3 250-3 300 °F) i en praktisk förbränningstillämpning. I industriella uppvärmningstillämpningar med låg temperatur som är av intresse för de flesta läsare av Process Heating kan 1 649 °C (3 000 °F) vara så gott som möjligt.
Gå till del 2, ”Flamtemperatur”: Vad händer med den?”.