Температура адиабатического пламени - Adiabatic flame temperature - Wikipedia

При изучении горение, есть два типа адиабатическая температура пламени в зависимости от того, как завершается процесс: постоянный объем и постоянное давление; оба описывают температуру, которой теоретически могут достичь продукты сгорания, если энергия не теряется во внешнюю среду.^{[требуется разъяснение ]}

В постоянный объем адиабатическая температура пламени - это температура, которая возникает в результате полного процесса сгорания, который происходит без каких-либо работай, теплопередача или изменения в кинетический или же потенциальная энергия. Его температура выше, чем постоянное давление процесс, потому что энергия не используется для изменения объема системы (т. е. для создания работы).

Обычное пламя

Пропан

Октан

В повседневной жизни подавляющее большинство воспламенений, с которыми можно столкнуться, вызвано быстрым окисление из углеводороды в таких материалах, как дерево, воск, толстый, пластмассы, пропан, и бензин. Температура адиабатического пламени таких веществ в воздухе при постоянном давлении находится в относительно узком диапазоне около 1950 ° C. Это потому, что с точки зрения стехиометрия, горение органического соединения с п углерода предполагает разрушение примерно 2п Связи C – H, п Связи C – C и 1,5п О₂ облигации, чтобы сформировать примерно п CO₂ молекулы и п ЧАС₂Молекулы O.

Поскольку большинство процессов сгорания, которые происходят естественным образом, 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, позволяя газу расширяться во время процесса.

Обычные температуры пламени

Принимая начальные атмосферные условия (1 бар и 20 ° C), следующая таблица^[1] перечисляет температуру пламени для различных видов топлива при постоянном давлении. Указанные здесь температуры предназначены для стехиометрический топливо-окислитель смесь (т.е. коэффициент эквивалентности φ = 1).

Обратите внимание, что это теоретические, а не фактические значения 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).

Температура адиабатического пламени (постоянное давление) обычных видов топлива

Топливо	Окислитель	${\displaystyle T_{\text{ad}}}$
		(° C)	(° F)
Ацетилен (C2ЧАС2)	Воздуха	2500	4532
	Кислород	3480	6296
Бутан (C4ЧАС10)	Воздуха	1970	3578
Циан (C2N2)	Кислород	4525	8177
Дицианоацетилен (C4N2)	Кислород	4990	9010
Этан (C2ЧАС6)	Воздуха	1955	3551
Этиловый спирт (C 2ЧАС 5ОЙ)	Воздуха	2082	3779[2]
Бензин	Воздуха	2138	3880[2]
Водород (ЧАС2)	Воздуха	2254	4089[2]
Магний (Mg )	Воздуха	1982	3600[3]
Метан (CЧАС4)	Воздуха	1963	3565[4]
Метанол (CЧАС4О )	Воздуха	1949	3540[4]
Натуральный газ	Воздуха	1960	3562[5]
Пентан (C5ЧАС12)	Воздуха	1977	3591[4]
Пропан (C3ЧАС8)	Воздуха	1980	3596[6]
Метилацетилен (C3ЧАС4; MAPP газ[требуется разъяснение ])	Воздуха	2010	3650
	Кислород	2927	5301
Толуол (C7ЧАС8)	Воздуха	2071	3760[4]
Дерево	Воздуха	1980	3596
Керосин	Воздуха	2093[7]	3801
Легкое жидкое топливо	Воздуха	2104[7]	3820
Средний мазут	Воздуха	2101[7]	3815
Мазут	Воздуха	2102[7]	3817
Битумный уголь	Воздуха	2172[7]	3943
Антрацит	Воздуха	2180[7]	3957
	Кислород	≈3500[8]	≈6332
Алюминий	Кислород	3732	6750[4]
Литий	Кислород	2438	4420[4]
Фосфор (белый)	Кислород	2969	5376[4]
Цирконий	Кислород	4005	7241[4]

Термодинамика

Первый закон термодинамики для замкнутой реагирующей системы

От первый закон термодинамики для замкнутой системы реагирования мы имеем,

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

куда, ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}}$ и ${\displaystyle {}_{R}W_{P}}$ - тепло и работа, передаваемые от системы к окружающей среде во время процесса, соответственно, и ${\displaystyle U_{R}}$ и ${\displaystyle U_{P}}$ - внутренняя энергия реагентов и продуктов соответственно. В случае адиабатической температуры пламени постоянного объема объем системы поддерживается постоянным, следовательно, работы не происходит,

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

и нет теплопередачи, потому что процесс определен как адиабатический: ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$. В результате внутренняя энергия продуктов равна внутренней энергии реагентов: ${\displaystyle U_{P}=U_{R}}$. Поскольку это замкнутая система, масса продуктов и реагентов постоянна, и первый закон может быть записан на основе массы:

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

Энтальпия график зависимости от температуры, иллюстрирующий расчет замкнутой системы

В случае адиабатической температуры пламени при постоянном давлении давление в системе 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, теплопередачи не происходит, потому что процесс определен как адиабатический: ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$. Из первого закона мы находим, что

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

Вспоминая определение энтальпии, получаем: ${\displaystyle H_{P}=H_{R}}$. Поскольку это замкнутая система, масса продуктов и реагентов постоянна, и первый закон может быть записан на основе массы:

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

Мы видим, что адиабатическая температура пламени процесса постоянного давления ниже, чем у процесса постоянного объема. Это связано с тем, что часть энергии, выделяющейся при сгорании, идет на изменение объема системы управления.

Температура и давление адиабатического пламени как функция отношения воздуха к изооктан. Отношение 1 соответствует стехиометрический соотношение

Постоянная объемная температура пламени ряда видов топлива с воздухом

Если предположить, что сгорание идет полностью (т.е. CO
₂ и ЧАС
₂О), мы можем рассчитать температуру адиабатического пламени вручную либо при стехиометрический условия или отклонение стехиометрии (избыток воздуха). Это потому, что есть достаточно переменных и молярных уравнений, чтобы сбалансировать левую и правую части,

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

Из-за стехиометрии не хватает переменных, потому что сгорание не может быть завершено, по крайней мере, CO и ЧАС
₂ необходим для молярного баланса (это наиболее распространенные неполные продукты 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 Реакция 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, у нас будет достаточно переменных, чтобы завершить расчет.

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

Постоянное давление температуры пламени ряда видов топлива с воздухом

Нитрометан в зависимости от температуры и давления пламени изооктана

Из следующего рисунка видно, почему нитрометан (CH₃НЕТ₂) часто используется для увеличения мощности автомобилей. Поскольку каждая молекула нитрометана содержит два атома кислорода, он может гореть намного горячее, потому что вместе с топливом обеспечивает свой окислитель. Это, в свою очередь, позволяет ему создавать большее давление во время процесса постоянного объема. Чем выше давление, тем больше усилие на поршень создает больше работы и больше мощности в двигателе. Он остается относительно горячим и богатым по стехиометрии, потому что содержит собственный окислитель. Однако постоянная работа двигателя на нитрометане в конечном итоге приведет к расплавлению поршня и / или цилиндра из-за более высокой температуры.

Влияние диссоциации на температуру адиабатического пламени

В реальных приложениях полное сгорание обычно не происходит. Химия диктует, что диссоциация и кинетика изменит относительные составляющие продуктов. Существует ряд доступных программ, которые могут рассчитывать адиабатическую температуру пламени с учетом диссоциации через константы равновесия (Stanjan, NASA CEA, AFTP). На следующем рисунке показано, что эффекты диссоциации приводят к снижению температуры адиабатического пламени. Этот результат можно объяснить через Принцип Ле Шателье.

Смотрите также

• Скорость пламени

Рекомендации

1. См. Раздел «Таблицы» во внешних ссылках ниже.
2. Анализ температуры пламени и выбросы NOx для различных видов топлива
3. «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2017-09-17. Получено 2017-09-17.
4. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 96th Edition, p. 15-51
5. Справочник по сжиганию в Северной Америке, том 1, 3-е издание, North American Mfg Co., 1986.
6. «Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2015-09-24. Получено 2013-05-19.
7. Презентация точки питания: температура пламени, Синь Чу, Департамент экологической инженерии, Национальный университет Ченг Кунг, Тайвань
8. Анализ энергетического цикла кислородного сжигания с использованием камеры сгорания угля под давлением по Jongsup Hong и другие., MIT, который цитирует Специальный доклад МГЭИК об улавливании и хранении диоксида углерода (PDF). межправительственная комиссия по изменению климата. 2005. с. 122.. Но отчет IPCC на самом деле дает гораздо менее точное заявление: «Прямое сжигание топлива и кислорода практиковалось в течение многих лет в металлургической и стекольной промышленности, где горелки работают в условиях, близких к стехиометрическим, с температурами пламени до 3500 ° C». Температура может зависеть от давления, потому что при более низком давлении будет больше диссоциация продуктов сгорания, что означает более низкую адиабатическую температуру.

внешняя ссылка

Общая информация

• Бабраускас, Витенис (25 февраля 2006 г.). «Температура в огне и пожарах». Fire Science and Technology Inc.. Архивировано из оригинал 12 января 2008 г.. Получено 2008-01-27.
• Расчет адиабатической температуры пламени
• Температура адиабатического пламени

Столы

• «Адиабатическая температура пламени». Набор инструментов для проектирования. В архиве из оригинала 28 января 2008 г.. Получено 2008-01-27. температура адиабатического пламени водорода, метана, пропана и октана с кислородом или воздухом в качестве окислителей
• «Температуры пламени для некоторых обычных газов». Набор инструментов для проектирования. В архиве из оригинала 7 января 2008 г.. Получено 2008-01-27.
• Температура голубого пламени и обычные материалы

Калькуляторы

• Онлайн-калькулятор температуры адиабатического пламени с помощью Кантера
• Программа температуры адиабатического пламени
• Gaseq, программа для расчета химического равновесия.
• Калькулятор температуры пламени - Адиабатическое горение двухкомпонентного топлива при постоянном давлении
• Калькулятор адиабатической температуры пламени