Адиабатическая температура пламени

Температура, достигаемая пламенем в идеальных условиях

Горение этанола с изображением его спектра

В исследовании горения адиабатическая температура пламени — это температура, достигаемая пламенем в идеальных условиях. Это верхняя граница температуры, достигаемой в реальных процессах.

Существует два типа адиабатической температуры пламени: постоянный объем и постоянное давление , в зависимости от того, как завершается процесс. Адиабатическая температура пламени постоянного объема — это температура, которая получается в результате полного процесса сгорания, который происходит без какой-либо работы , теплопередачи или изменений кинетической или потенциальной энергии . Ее температура выше, чем в процессе постоянного давления , потому что энергия не используется для изменения объема системы (т. е. для создания работы).

Обычные языки пламени

Пропан

Изооктан (2,2,4-триметилпентан)

В повседневной жизни подавляющее большинство возгораний, с которыми мы сталкиваемся, вызваны быстрым окислением углеводородов в таких материалах , как дерево , воск , жир , пластик , пропан и бензин . Температура адиабатического пламени при постоянном давлении таких веществ в воздухе находится в относительно узком диапазоне около 1950 °C (2220 K; 3540 °F). ^{[ требуется цитирование ]} Это происходит главным образом потому, что теплота сгорания этих соединений примерно пропорциональна количеству потребляемого кислорода, что пропорционально увеличивает количество воздуха, которое необходимо нагреть, поэтому влияние большей теплоты сгорания на температуру пламени компенсируется. Неполная реакция при более высокой температуре еще больше ограничивает влияние большей теплоты сгорания. ^{[ требуется цитирование ]}

Поскольку большинство процессов горения, происходящих в природе, происходят на открытом воздухе, нет ничего, что ограничивало бы газ определенным объемом, как цилиндр в двигателе. В результате эти вещества будут гореть при постоянном давлении, что позволяет газу расширяться в ходе процесса.

Общие температуры пламени

Предполагая начальные атмосферные условия (1  бар и 20 °C), следующая таблица ^[1] перечисляет температуру пламени для различных видов топлива в условиях постоянного давления. Упомянутые здесь температуры относятся к стехиометрической смеси топлива и окислителя (т.е. коэффициент эквивалентности φ  = 1).

Обратите внимание, что это теоретические, а не фактические температуры пламени, создаваемые пламенем, которое не теряет тепла. Ближайшей будет самая горячая часть пламени, где реакция горения наиболее эффективна. Это также предполагает полное сгорание (например, идеально сбалансированное, недымное, обычно голубоватое пламя). Несколько значений в таблице существенно расходятся с литературой ^[1] или прогнозами онлайн-калькуляторов.

Термодинамика

Первый закон термодинамики для замкнутой реагирующей системы

Из первого закона термодинамики для замкнутой реагирующей системы имеем

${\displaystyle {}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}}$

где, и — тепло и работа, переданные из системы в окружающую среду в ходе процесса, соответственно, а и — внутренняя энергия реагентов и продуктов, соответственно. В случае постоянного объема и адиабатической температуры пламени объем системы поддерживается постоянным, и, следовательно, работа не совершается: ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}}$ ${\displaystyle {}_{R}W_{P}}$ ${\displaystyle U_{R}}$ ${\displaystyle U_{P}}$

${\displaystyle {}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=0}$

Также отсутствует передача тепла, поскольку процесс определяется как адиабатический: . В результате внутренняя энергия продуктов равна внутренней энергии реагентов: . Поскольку это закрытая система, масса продуктов и реагентов постоянна, и первый закон можно записать на основе массы, ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$ ${\displaystyle U_{P}=U_{R}}$

${\displaystyle U_{P}=U_{R}\Rightarrow m_{P}u_{P}=m_{R}u_{R}\Rightarrow u_{P}=u_{R}}$.

Диаграмма зависимости энтальпии от температуры, иллюстрирующая расчет закрытой системы

В случае адиабатической температуры пламени при постоянном давлении давление системы поддерживается постоянным, что приводит к следующему уравнению для работы:

${\displaystyle {}_{R}W_{P}=\int \limits _{R}^{P}{pdV}=p\left({V_{P}-V_{R}}\right)}$

Опять же, теплопередача не происходит, поскольку процесс определяется как адиабатический: Из первого закона находим, что, ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$

${\displaystyle -p\left({V_{P}-V_{R}}\right)=U_{P}-U_{R}\Rightarrow U_{P}+pV_{P}=U_{R}+pV_{R}}$

Вспоминая определение энтальпии , получаем . Поскольку это закрытая система, масса продуктов и реагентов одинакова и первый закон можно записать на основе массы: ${\displaystyle H_{P}=H_{R}}$

${\displaystyle H_{P}=H_{R}\Rightarrow m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Rightarrow h_{P}=h_{R}}$.

Мы видим, что адиабатическая температура пламени процесса постоянного давления ниже, чем у процесса постоянного объема. Это происходит потому, что часть энергии, выделяемой при сгорании, идет, как работа, на изменение объема системы управления.

Адиабатические температуры пламени и давления как функции соотношения воздуха и изооктана . Соотношение 1 соответствует стехиометрическому соотношению

Постоянная температура пламени ряда видов топлива с воздухом

Если предположить, что горение идет до конца (т.е. образуется только CO
₂и Н
₂O ), мы можем рассчитать адиабатическую температуру пламени вручную либо в стехиометрических условиях, либо при обедненных стехиометрических условиях (избыток воздуха). Это потому, что есть достаточно переменных и молярных уравнений, чтобы сбалансировать левую и правую стороны,

${\displaystyle {\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{4}{\rm {O}}_{\rm {2}}}$

Богатая стехиометрия, не хватает переменных, так как горение не может быть завершено по крайней мере с CO и H
₂необходимы для молярного баланса (это наиболее распространенные продукты неполного сгорания),

${\displaystyle {\rm {C}}_{\alpha }{\rm {H}}_{\beta }{\rm {O}}_{\gamma }{\rm {N}}_{\delta }+\left({a{\rm {O}}_{\rm {2}}+b{\rm {N}}_{\rm {2}}}\right)\to \nu _{1}{\rm {CO}}_{\rm {2}}+\nu _{2}{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}+\nu _{3}{\rm {N}}_{\rm {2}}+\nu _{5}{\rm {CO}}+\nu _{6}{\rm {H}}_{\rm {2}}}$

Однако, если мы включим реакцию конверсии водяного газа ,

${\displaystyle {\rm {CO}}_{\rm {2}}+H_{2}\Leftrightarrow {\rm {CO}}+{\rm {H}}_{\rm {2}}{\rm {O}}}$

и используем константу равновесия для этой реакции, то у нас будет достаточно переменных для завершения расчета.

Различные виды топлива с разным уровнем энергии и молярным содержанием будут иметь разные адиабатические температуры пламени.

Постоянная температура пламени давления ряда видов топлива с воздухом

Температура и давление пламени нитрометана и изооктана

На следующем рисунке мы видим, почему нитрометан (CH ₃ NO ₂ ) часто используется в качестве усилителя мощности автомобилей. Поскольку каждая молекула нитрометана содержит окислитель с относительно высокоэнергетическими связями между азотом и кислородом, он может гореть гораздо жарче, чем углеводороды или кислородсодержащий метанол. Это аналогично добавлению чистого кислорода, что также повышает адиабатическую температуру пламени. Это, в свою очередь, позволяет ему создавать большее давление во время процесса постоянного объема. Чем выше давление, тем больше силы на поршне, создавая больше работы и больше мощности в двигателе. Он остается относительно горячим, богатым стехиометрией, поскольку содержит свой собственный окислитель. Однако постоянная работа двигателя на нитрометане в конечном итоге расплавит поршень и/или цилиндр из-за этой более высокой температуры.

Влияние диссоциации на адиабатическую температуру пламени

В реальных приложениях полное сгорание обычно не происходит. Химия диктует, что диссоциация и кинетика изменят состав продуктов. Существует ряд программ, которые могут рассчитать адиабатическую температуру пламени с учетом диссоциации через константы равновесия (Stanjan, NASA CEA, AFTP). Следующий рисунок иллюстрирует, что эффекты диссоциации имеют тенденцию снижать адиабатическую температуру пламени. Этот результат можно объяснить с помощью принципа Ле Шателье .

Смотрите также

• Скорость пламени

Ссылки

1. См. раздел «Таблицы» во внешних ссылках ниже.
2. Libal, Angela (27 апреля 2018 г.). «При каких температурах горят зажигалки?». Leaf Group Ltd. / Leaf Group Media. Наука.
3. Анализ температуры пламени и выбросов NOx для различных видов топлива
4. "Насколько горячо горит магний? | Reference.com". Архивировано из оригинала 2017-09-17 . Получено 2017-09-17 .
5. CRC Справочник по химии и физике, 96-е издание, стр. 15-51
6. "North American Combustion Handbook, Volume 1, 3rd edition, North American Mfg Co., 1986". Архивировано из оригинала 2011-07-16 . Получено 2009-12-09 .
7. "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2015-09-24 . Получено 2013-05-19 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
8. Презентация Power Point: Температура пламени Архивировано 17 июля 2011 г. в Wayback Machine , Hsin Chu, Кафедра инженерной защиты окружающей среды, Национальный университет Чэнгун , Тайвань
9. Анализ энергетического цикла сжигания кислородного топлива с использованием камеры сгорания угля под давлением, проведенный Джонгсупом Хонгом и др. , Массачусетский технологический институт, который ссылается на Специальный доклад МГЭИК по улавливанию и хранению диоксида углерода (PDF) . Межправительственная группа экспертов по изменению климата . 2005. стр. 122.. Но в докладе МГЭИК на самом деле дается гораздо менее точное утверждение: «Прямое сжигание топлива и кислорода практиковалось в течение многих лет в металлургической и стекольной промышленности, где горелки работают в условиях, близких к стехиометрическим, с температурой пламени до 3500 °C». Температура может зависеть от давления, поскольку при более низком давлении будет больше диссоциации продуктов сгорания, что подразумевает более низкую адиабатическую температуру.

Внешние ссылки

Общая информация

• Babrauskas, Vytenis (2006-02-25). "Температуры в пламени и пожарах". Fire Science and Technology Inc. Архивировано из оригинала 12 января 2008 года . Получено 2008-01-27 .
• Расчет адиабатической температуры пламени
• Адиабатическая температура пламени

Таблицы

• "Адиабатическая температура пламени". The Engineering Toolbox . Архивировано из оригинала 28 января 2008 года . Получено 27-01-2008 .адиабатическая температура пламени водорода, метана, пропана и октана с кислородом или воздухом в качестве окислителей
• "Температуры пламени для некоторых распространенных газов". The Engineering Toolbox . Архивировано из оригинала 7 января 2008 года . Получено 27-01-2008 .
• Температура синего пламени и обычные материалы

Калькуляторы

• Онлайн-калькулятор адиабатической температуры пламени с использованием Cantera
• Адиабатическая программа температуры пламени
• Gaseq, программа для выполнения расчетов химического равновесия.
• Калькулятор температуры пламени - адиабатическое горение двухкомпонентного топлива при постоянном давлении
• Калькулятор адиабатической температуры пламени