Температура адиабатического пламени

При изучении горения существует два типа адиабатической температуры пламени в зависимости от того, как завершается процесс: постоянный объем и постоянное давление.

Объем постоянной температуры адиабатического пламени температура , которая является результатом полного процесса сгорания , который происходит без какой - либо работы , передачи тепла или изменения в кинетической или потенциальной энергии . Его температура выше, чем при постоянном давлении, потому что энергия не используется для изменения объема системы (т. Е. Для создания работы).

Обычное пламя [ править ]

Пропан

Октан

В повседневной жизни, подавляющее большинство пламени встречается те вызвано быстрым окислением из углеводородов в таких материалах, как древесина , воск , жир , пластмассы , пропан и бензин . Температура адиабатического пламени при постоянном давлении таких веществ в воздухе находится в относительно узком диапазоне около 1950 ° C. Это связано с тем, что, с точки зрения стехиометрии , горение органического соединения с n  атомами углерода включает разрыв примерно 2 n  связей C – H, n связей  C – C и 1,5 n  O _2.связей с образованием примерно n молекул  CO ₂ и n молекул  H ₂ 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 [ править ]

Предполагая начальные атмосферные условия (1  бар и 20 ° C), в следующей таблице ^[1] указаны температуры пламени для различных видов топлива при постоянном давлении. Указанные здесь температуры относятся к стехиометрической смеси топливо-окислитель (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).

Температура адиабатического пламени (постоянное давление) обычных видов топлива

Топливо	Окислитель	${\displaystyle T_{\text{ad}}}$
		(° C)	(° F)
Ацетилен ( C 2 H 2 )	Air	2500	4532
	Oxygen	3480	6296
Butane (C4H10)	Air	1970	3578
Cyanogen (C2N2)	Oxygen	4525	8177
Dicyanoacetylene (C4N2)	Oxygen	4990	9010
Ethane (C2H6)	Air	1955	3551
Ethanol (C 2H 5OH)	Air	2082	3779[2]
Gasoline	Air	2138	3880[2]
Hydrogen (H2)	Air	2254	4089[2]
Magnesium (Mg)	Air	1982	3600[3]
Methane (CH4)	Air	1963	3565[4]
Methanol (CH4O)	Air	1949	3540[4]
Natural gas	Air	1960	3562[5]
Pentane (C5H12)	Air	1977	3591[4]
Propane (C3H8)	Air	1980	3596[6]
Methylacetylene (C3H4)	Air	2010	3650
	Oxygen	2927	5301
Toluene (C7H8)	Air	2071	3760[4]
Wood	Air	1980	3596
Kerosene	Air	2093[7]	3801
Light fuel oil	Air	2104[7]	3820
Medium fuel oil	Air	2101[7]	3815
Heavy fuel oil	Air	2102[7]	3817
Bituminous Coal	Air	2172[7]	3943
Anthracite	Air	2180[7]	3957
	Oxygen	≈3500[8]	≈6332
Aluminum	Oxygen	3732	6750[4]
Lithium	Oxygen	2438	4420[4]
Phosphorus (white)	Oxygen	2969	5376[4]
Zirconium	Oxygen	4005	7241[4]

Thermodynamics[edit]

From the first law of thermodynamics for a closed reacting system we have,

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

where, ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}}$ and ${\displaystyle {}_{R}W_{P}}$ are the heat and work transferred from the system to the surroundings during the process respectively, and ${\displaystyle U_{R}}$ and ${\displaystyle U_{P}}$ are the internal energy of the reactants and products respectively. In the constant volume adiabatic flame temperature case, the volume of the system is held constant hence there is no work occurring,

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

and there is no heat transfer because the process is defined to be adiabatic: ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$. As a result, the internal energy of the products is equal to the internal energy of the reactants: ${\displaystyle U_{P}=U_{R}}$. Because this is a closed system, the mass of the products and reactants is constant and the first law can be written on a mass basis,

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

In the constant pressure adiabatic flame temperature case, the pressure of the system is held constant which results in the following equation for the work,

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

Again there is no heat transfer occurring because the process is defined to be adiabatic: ${\displaystyle {}_{R}Q_{P}=0}$. From the first law, we find that,

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

Recalling the definition of enthalpy we recover: ${\displaystyle H_{P}=H_{R}}$. Because this is a closed system, the mass of the products and reactants is constant and the first law can be written on a mass basis,

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

We see that the adiabatic flame temperature of the constant pressure process is lower than that of the constant volume process. This is because some of the energy released during combustion goes into changing the volume of the control system.

If we make the assumption that combustion goes to completion (i.e. CO
₂ and H
₂O), we can calculate the adiabatic flame temperature by hand either at stoichiometric conditions or lean of stoichiometry (excess air). This is because there are enough variables and molar equations to balance the left and right hand sides,

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

Rich of stoichiometry there are not enough variables because combustion cannot go to completion with at least CO and H
₂ needed for the molar balance (these are the most common incomplete products of combustion),

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

However, if we include the Water gas shift reaction,

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

and use the equilibrium constant for this reaction, we will have enough variables to complete the calculation.

Different fuels with different levels of energy and molar constituents will have different adiabatic flame temperatures.

We can see by the following figure why nitromethane (CH₃NO₂) is often used as a power boost for cars. Since each molecule of nitromethane contains two atoms of oxygen, it can burn much hotter because it provides its own oxidant along with fuel. This in turn allows it to build up more pressure during a constant volume process. The higher the pressure, the more force upon the piston creating more work and more power in the engine. It stays relatively hot rich of stoichiometry because it contains its own oxidant. However, continual running of an engine on nitromethane will eventually melt the piston and/or cylinder because of this higher temperature.

In real world applications, complete combustion does not typically occur. Chemistry dictates that dissociation and kinetics will change the relative constituents of the products. There are a number of programs available that can calculate the adiabatic flame temperature taking into account dissociation through equilibrium constants (Stanjan, NASA CEA, AFTP). The following figure illustrates that the effects of dissociation tend to lower the adiabatic flame temperature. This result can be explained through Le Chatelier's principle.

See also[edit]

• Flame speed

References[edit]

External links[edit]

General information[edit]

• Babrauskas, Vytenis (2006-02-25). "Temperatures in flames and fires". Fire Science and Technology Inc. Archived from the original on 12 January 2008. Retrieved 2008-01-27. CS1 maint: discouraged parameter (link)
• Computation of adiabatic flame temperature
• Adiabatic flame temperature

Tables[edit]

• "Adiabatic Flame Temperature". The Engineering Toolbox. Archived from the original on 28 January 2008. Retrieved 2008-01-27. CS1 maint: discouraged parameter (link) adiabatic flame temperature of hydrogen, methane, propane and octane with oxygen or air as oxidizers
• "Flame Temperatures for some Common Gases". The Engineering Toolbox. Archived from the original on 7 January 2008. Retrieved 2008-01-27. CS1 maint: discouraged parameter (link)
• Temperature of a blue flame and common materials

Calculators[edit]

• Online adiabatic flame temperature calculator using Cantera
• Adiabatic flame temperature program
• Gaseq, program for performing chemical equilibrium calculations.
• Flame Temperature Calculator - Constant pressure bipropellant adiabatic combustion
• Adiabatic Flame Temperature calculator