Адиабатическая температура пламени

При изучении горения адиабатическая температура пламени — это температура, достигаемая пламенем в идеальных условиях. Это верхняя граница температуры, которая достигается 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, возникающая в результате полного процесса сгорания, происходящего без какой-либо работы , теплопередачи или изменений кинетической или потенциальной энергии . Его температура выше, чем в процессе с постоянным давлением , поскольку для изменения объема системы (т. е. для создания работы) не используется энергия.

Обычное пламя

с которыми приходится сталкиваться, вызваны быстрым окислением углеводородов В повседневной жизни подавляющее большинство возгораний , в таких материалах, как дерево , воск , жир , пластмассы , пропан и бензин . Адиабатическая температура пламени таких веществ в воздухе при постоянном давлении находится в относительно узком диапазоне около 1950 ° C (2220 K; 3540 ° F). ^{[ нужна ссылка ]} Главным образом это связано с тем, что теплота сгорания этих соединений примерно пропорциональна количеству потребляемого кислорода, что пропорционально увеличивает количество воздуха, который необходимо нагреть, поэтому влияние большей теплоты сгорания на температуру пламени компенсируется. Незавершенная реакция при более высокой температуре еще больше снижает эффект большей теплоты сгорания. ^{[ нужна ссылка ]}

Поскольку большинство процессов сгорания, которые происходят естественным образом, происходят на открытом воздухе, нет ничего, что удерживало бы газ в определенном объеме, как цилиндр в двигателе. В результате эти вещества будут гореть при постоянном давлении, что позволяет газу расширяться в процессе.

Общие температуры пламени

Предполагая начальные атмосферные условия (1 бар и 20 °C), следующая таблица ^[1] указана температура 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, создаваемого пламенем, которое не теряет тепла. Ближайшей будет самая горячая часть пламени, где реакция горения наиболее эффективна. Это также предполагает полное сгорание (например, идеально сбалансированное, бездымное, обычно голубоватое пламя). Некоторые значения в таблице существенно расходятся с литературными. ^[1] или прогнозы онлайн-калькуляторов.

Адиабатическая температура пламени (постоянное давление) обычных видов топлива
Топливо	Окислитель 1 бар 20 °С	$T_{\text{ad}}$
Топливо	Окислитель 1 бар 20 °С	(°С)	(°Ф)
Ацетилен ( С ₂ Ч ₂ )	Воздух	2,500	4,532
Ацетилен ( С ₂ Ч ₂ )	Кислород	3,480	6,296
Бутан ( С ₄ Ч ₁₀ )	Воздух	2,231	4,074 ^[2]
Цианоген ( С ₂ Н ₂ )	Кислород	4,525	8,177
Дицианацетилен ( С ₄ Н ₂ )	Кислород	4,990	9,010
Этан ( С ₂ Ч ₆ )	Воздух	1,955	3,551
Этанол ( С ₂ Н ₅ ОН )	Воздух	2,082	3,779 ^[3]
Бензин	Воздух	2,138	3,880 ^[3]
Водород ( Н ₂ )	Воздух	2,254	4,089 ^[3]
Магний (Мг)	Воздух	1,982	3,600 ^[4]
Метан ( СН ₄ )	Воздух	1,963	3,565 ^[5]
Метанол ( СН ₃ ОН )	Воздух	1,949	3,540 ^[5]
Нафта	Воздух	2,533	4,591 ^[2]
Природный газ	Воздух	1,960	3,562 ^[6]
Пентан ( С ₅ Ч ₁₂ )	Воздух	1,977	3,591 ^[5]
Пропан ( C3H8 H₈)	Воздух	1,980	3,596 ^[7]
Метилацетилен ( СН ₃ ССН )	Воздух	2,010	3,650
Метилацетилен ( СН ₃ ССН )	Кислород	2,927	5,301
Толуол ( С ₇ Ч ₈ )	Воздух	2,071	3,760 ^[5]
Древесина	Воздух	1,980	3,596
Керосин	Воздух	2,093 ^[8]	3,801
Легкое топливо	Воздух	2,104 ^[8]	3,820
Средний мазут	Воздух	2,101 ^[8]	3,815
Тяжелый мазут	Воздух	2,102 ^[8]	3,817
Битуминозный уголь	Воздух	2,172 ^[8]	3,943
Антрацит	Воздух	2,180 ^[8]	3,957
Антрацит	Кислород	≈3,500 ^[9]	≈6,332
Алюминий	Кислород	3,732	6,750 ^[5]
Литий	Кислород	2,438	4,420 ^[5]
Фосфор (белый)	Кислород	2,969	5,376 ^[5]
Цирконий	Кислород	4,005	7,241 ^[5]

Термодинамика

Из первого закона термодинамики для замкнутой реагирующей системы имеем

{}_{R}Q_{P}-{}_{R}W_{P}=U_{P}-U_{R}

где, ${}_{R}Q_{P}$ и ${}_{R}W_{P}$ – тепло и работа, передаваемые от системы в окружающую среду в ходе процесса соответственно, и $U_{R}$ и $U_{P}$ – внутренняя энергия реагентов и продуктов соответственно. В случае адиабатической температуры пламени с постоянным объемом объем системы остается постоянным и, следовательно, работа не совершается:

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

Теплопередачи также нет, поскольку процесс определен как адиабатический: ${}_{R}Q_{P}=0$ . В результате внутренняя энергия продуктов равна внутренней энергии реагирующих веществ: $U_{P}=U_{R}$ . Поскольку это закрытая система, масса продуктов и реагентов постоянна, и первый закон можно записать на основе массы:

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 в системе поддерживается постоянным, что приводит к следующему уравнению для работы:

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

Опять же, теплопередачи не происходит, поскольку процесс определен как адиабатический: ${}_{R}Q_{P}=0$ . Из первого закона получаем, что

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

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

H_{P}=H_{R}\Rightarrow m_{P}h_{P}=m_{R}h_{R}\Rightarrow h_{P}=h_{R}

.

Мы видим, что адиабатическая температура пламени в процессе с постоянным давлением ниже, чем в процессе с постоянным объемом. Это происходит потому, что часть энергии, выделяющейся при сгорании, уходит в виде работы на изменение объема системы управления.

Если предположить, что сгорание идет до конца (т.е. с образованием только CO
₂ и Н
₂ O ), мы можем рассчитать адиабатическую температуру пламени вручную либо в стехиометрических условиях, либо в обедненной стехиометрии (избыток воздуха). Это связано с тем, что существует достаточно переменных и молярных уравнений, чтобы сбалансировать левую и правую части.

{\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, переменных недостаточно, потому что сгорание не может завершиться хотя бы с CO и H.
₂ нужны для молярного баланса (это наиболее распространенные продукты неполного сгорания),

{\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 учтем реакцию конверсии водяного газа ,

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

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

Различные виды топлива с разными уровнями энергии и молярными составляющими будут иметь разные адиабатические температуры пламени.

На следующем рисунке видно, 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 горячее, 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 действует на поршень, создавая больше работы и мощности в двигателе. Он остается относительно горячим и имеет стехиометрию, поскольку содержит собственный окислитель. Однако продолжительная работа двигателя на нитрометане в конечном итоге приведет к расплавлению поршня и/или цилиндра из-за более высокой температуры.

В реальных условиях полного сгорания обычно не происходит. Химия подсказывает, что диссоциация и кинетика изменят состав продуктов. Существует ряд программ, которые могут рассчитывать адиабатическую температуру пламени с учетом диссоциации через константы равновесия (Stanjan, NASA CEA, AFTP). На следующем рисунке показано, что эффекты диссоциации имеют тенденцию снижать адиабатическую температуру пламени. Этот результат можно объяснить с помощью принципа Ле Шателье .

См. также

Скорость пламени

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б См. раздел «Таблицы» во внешних ссылках ниже.
^ Перейти обратно: ^а ^б Либал, Анжела (27 апреля 2018 г.). «При какой температуре горят зажигалки?» . ООО «Лиф Групп» / Лиф Групп Медиа. Наука.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Анализ температуры пламени и выбросов NOx для различных видов топлива
^ «Насколько горячо горит магний? | Reference.com» . Архивировано из оригинала 17 сентября 2017 г. Проверено 17 сентября 2017 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Справочник CRC по химии и физике, 96-е издание, стр. 15-51
^ «Североамериканский справочник по горению, том 1, 3-е издание, North American Mfg Co., 1986» . Архивировано из оригинала 16 июля 2011 г. Проверено 9 декабря 2009 г.
^ «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 24 сентября 2015 г. Проверено 19 мая 2013 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Презентация Power Point: Температура пламени. Архивировано 17 июля 2011 г. в Wayback Machine , Синь Чу, факультет экологической инженерии, Национальный университет Ченг Кунг , Тайвань.
^ Анализ кислородно-топливного энергетического цикла с использованием камеры сгорания угля под давлением, проведенный Jongsup Hong et al. , Массачусетский технологический институт, который цитирует Специальный отчет МГЭИК об улавливании и хранении углекислого газа (PDF) . Межправительственная группа экспертов по изменению климата . 2005. с. 122. . Но в докладе МГЭИК на самом деле содержится гораздо менее точное утверждение: «Прямое сжигание топлива и кислорода уже много лет практикуется 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 означает более низкую адиабатическую температуру.

Внешние ссылки

Общая информация

Бабраускас, Витенис (25 февраля 2006 г.). «Температуры в пламени и пожарах» . Fire Science and Technology Inc. Архивировано из оригинала 12 января 2008 года . Проверено 27 января 2008 г.
Расчет адиабатической температуры пламени
Адиабатическая температура пламени

Таблицы

«Адиабатическая температура пламени» . Инженерный набор инструментов . Архивировано из оригинала 28 января 2008 года . Проверено 27 января 2008 г. адиабатическая температура пламени водорода, метана, пропана и октана с кислородом или воздухом в качестве окислителей
«Температуры пламени некоторых распространенных газов» . Инженерный набор инструментов . Архивировано из оригинала 7 января 2008 года . Проверено 27 января 2008 г.
Температура голубого пламени и распространенные материалы

Калькуляторы

Онлайн-калькулятор температуры адиабатического пламени с использованием Cantera
Программа адиабатической температуры пламени
Gaseq , программа для выполнения расчетов химического равновесия.
Калькулятор температуры пламени — адиабатическое сгорание двухкомпонентного топлива при постоянном давлении
Калькулятор адиабатической температуры пламени

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б См. раздел «Таблицы» во внешних ссылках ниже.

[als-2] Перейти обратно: ^а ^б Либал, Анжела (27 апреля 2018 г.). «При какой температуре горят зажигалки?» . ООО «Лиф Групп» / Лиф Групп Медиа. Наука.

[che.msstate.edu-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Анализ температуры пламени и выбросов NOx для различных видов топлива

[4] «Насколько горячо горит магний? | Reference.com» . Архивировано из оригинала 17 сентября 2017 г. Проверено 17 сентября 2017 г.

[Physics_p._15-51-5] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Справочник CRC по химии и физике, 96-е издание, стр. 15-51

[6] «Североамериканский справочник по горению, том 1, 3-е издание, North American Mfg Co., 1986» . Архивировано из оригинала 16 июля 2011 г. Проверено 9 декабря 2009 г.

[7] «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 24 сентября 2015 г. Проверено 19 мая 2013 г. {{cite web}}: CS1 maint: архивная копия в заголовке ( ссылка )

[Chu-8] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Презентация Power Point: Температура пламени. Архивировано 17 июля 2011 г. в Wayback Machine , Синь Чу, факультет экологической инженерии, Национальный университет Ченг Кунг , Тайвань.

[9] Анализ кислородно-топливного энергетического цикла с использованием камеры сгорания угля под давлением, проведенный Jongsup Hong et al. , Массачусетский технологический институт, который цитирует Специальный отчет МГЭИК об улавливании и хранении углекислого газа (PDF) . Межправительственная группа экспертов по изменению климата . 2005. с. 122. . Но в докладе МГЭИК на самом деле содержится гораздо менее точное утверждение: «Прямое сжигание топлива и кислорода уже много лет практикуется 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 означает более низкую адиабатическую температуру.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]